重复自旋电流互连的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]自旋极化涉及到基本粒子的自旋或内禀角动量与给定方向对准的程度。这种自旋影响着电子在诸如铁的铁磁性金属中的传导，导致自旋极化电流。自旋极化电流影响到自旋波，自旋波按照磁性材料的排序传播干扰。自旋极化还涉及到自旋电子学，即电子学中涉及电子固有自旋、其关联磁矩和电子的基本电子电荷的分支。自旋电子学器件涉及到隧道磁致电阻(TMR)，其利用了电子通过薄绝缘体到独立的铁磁层的量子机械隧穿，还涉及到自旋转矩转移(STT)，其中可以使用自旋极化电子的电流控制铁磁电极的磁化方向。
【附图说明】
[0002]从所附的权利要求、一个或多个范例实施例的以下详细说明和对应附图，本发明实施例的特征和优点将变得显而易见，附图中:
[0003]图1a是本发明一个实施例中的互连系统的截面图。图1b是图1a的实施例的平面图。
[0004]图2是本发明一个实施例中的互连系统的截面图。
[0005]图3a是本发明一个实施例中的电流重复器的截面图。图3b是图3a的实施例的自旋电流与时间的曲线图。
[0006]图4是本发明一个实施例中的多级互连系统的截面图。
[0007]图5是本发明一个实施例中的多级互连系统的截面图。
[0008]图6是本发明一个实施例中的方法流程图。
[0009]图7是用于本发明实施例的操作的系统。
【具体实施方式】
[0010]现在将参考附图，其中可以为类似的结构提供类似的下标附图标记。为了更清晰地展示各实施例的结构，这里包括的附图是集成电路结构的图示。于是，制成集成电路结构的实际外观，例如在显微照片中的外观，可能显得不同，但仍然结合了图示实施例的所主张结构。此外，附图可以仅示出对理解图示实施例有用的结构。可能未包括现有技术中已知的额外结构以保持附图的清晰。“实施例”、“各实施例”等表示这样描述的实施例，可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括特定特征、结构或特性。一些实施例可以具有针对其他实施例描述的一些、全部特征或没有任何特征。“第一”、“第二”、“第三”等描述公共对象，表示所指相似对象的不同实例。这样的形容词并非暗示这样描述的对象必须在时间、空间、排序或任何其他方式中处于给定次序中。“连接”可以表示元件彼此直接物理接触或电接触，“耦合”可以表示元件彼此合作或交互，但它们可以直接物理或电接触或不接触。而且，尽管可能使用类似或相同的数字在不同附图中表示相同或类似的部分，但这样做并非表示包括类似或相同数字的所有附图构成单一相同的实施例。
[0011]一实施例包括用于电路的一个或多个“自旋互连”，电路例如是自旋逻辑电路、自旋电子学逻辑、自旋电子学存储器等。一实施例包括用于自旋逻辑电路的电流重复器(例如逆变器和/或缓冲器)。各个实施例使用非磁性互连和磁性重复器实现自旋逻辑电路。例如，一实施例使用非磁性金属线互连与定位于沿线规则距离(或不规则距离)的磁性元件进行自旋电流传播，以进行自旋信号的再生。一个实施例包括全自旋互连系统，其包括经由非磁性金属互连彼此通信的纳米磁流重复器(在一系列重复器中)。一些实施例利用非磁性金属互连，例如通孔，将互连扩展到三维(例如，垂直跨越器件的多层)。
[0012]如上所述，本文描述了各种实施例(下文更详细描述)。很多实施例沟通自旋电流信号而在自旋和电信号之间没有重复转换(相反，仅使用如下所述的互连系统对自旋电流进行再生)。这有助于通过降低功率要求(例如，通过避免总的或基本总的转换损耗)，减小电路尺寸并提高电路速度，实现自旋逻辑电路。作为本文所述实施例优点的一个具体范例，这样的实施例相对于诸如自旋波互连的技术具有优点。自旋波的自旋到电和电到自旋转换的效率低。而且，对于自旋波互连而言，在信号衰减之前仅有短距离的自旋波(?lym)。一些实施例的优点的其他范例包括，能够生成自旋逻辑电路，其在更长距离上传播其输出自旋信号，而不需要转换成电荷。换言之，因为局部和半全局自旋互连位于自旋逻辑电路之间(其中“局部互连”在诸如10-20微米的距离上互连芯片的小区域，“全局互连”互连分开更长距离的区域)，所以信号在更长距离上传输。一些实施例提供了信号再生，用于缩放互连的长度(例如，允许更长的互连或互连链)。各实施例包括或提供了三维可堆叠全自旋逻辑。例如，一实施例允许自旋互连与非磁性金属互连(例如通孔)的三维集成。非磁性互连允许互连与非磁性金属通孔进行三维集成并避免使用磁性通孔。于是，本文所述的实施例具有很多优点。
[0013]图1a是本发明一个实施例中的互连系统100的截面图。图1b是图1a的实施例的平面图。系统或器件100包括衬底(本图中未示出)、衬底上的金属层，包括不直接彼此接触的金属部分110和金属部分111。
[0014]在实施例中，半导体衬底是体半导体材料，是晶片的一部分。在实施例中，半导体衬底是体半导体材料，是已从晶片解理出的芯片的一部分。在实施例中，半导体衬底是形成于绝缘体上方的半导体材料，例如，绝缘体上半导体(SOI)衬底。在实施例中，半导体衬底是突出的结构，例如在体半导体材料上方延伸的鳍。
[0015]衬底上的铁磁层包括直接接触金属部分110的铁磁部分120和直接接触金属部分111但不接触铁磁部分120的铁磁部分121。金属互连131将铁磁部分120耦合到铁磁部分121。没有直接接触金属部分110、111任一个的其他铁磁部分(除部分120、121之外)。在本实施例中，金属自旋互连131直接接触铁磁部分120、121，但其他实施例不受此限制，接触可以是间接的。
[0016]铁磁部分120与金属互连131重叠的距离由181表示，铁磁部分121与金属互连131重叠的距离由182表示。在这一具体实施例中距离182短于距离181 (但在其他实施例中并非如此)。在一个实施例中，181介于10和300nm之间，182介于10和300nm之间，182比181短，使信号从左至右流动。在一个实施例中，181为lOOnm，182为80nm。在一个实施例中，181为150nm，182为lOOnm。在一个实施例中，181为200nm，182为175nm。在一个实施例中，181为275nm，182为250nm。在一个实施例中，182为lOOnm，181为80nm。在一个实施例中，182为150nm，181为lOOnm。在一个实施例中，182为200nm，181为175nm。在一个实施例中，182为275nm，181为250nm。系统100基于距离182短于距离181，从铁磁部分120向铁磁部分121传送自旋极化电流172 (经由电源电压平面105)。换言之，在本实施例中，至少部分基于部分120、121和互连131的不同重叠距离确定电流方向(其中电流从更大重叠区域流向小的重叠区域)。
[0017]在一个实施例中，金属互连131经由金属互连131上的“第一位置”(即，通孔/互连140和互连131的结)耦合到地层150。在图1a的实施例中，第一位置距铁磁部分120比距铁磁部分121更近。(请注意，本申请中的附图不是按比例绘制的。)具体而言，在一个实施例中，距离188比距离189短或更小。在一个实施例中，188为50nm，189为500nm。在一个实施例中，188为10nm, 189为400nm。在一个实施例中，188为250nm，189为250nmo在一个实施例中，188为400nm，189为lOOnm。在一个实施例中，188为500nm，189为50nm。系统100基于距铁磁部分120比距铁磁部分121更近的通孔140/互连131的结，经由铁磁部分120向铁磁部分121传送自旋极化电流172 (经由电源电压平面105)。使通孔140/互连131的结移动接近部分121可能反转电流方向(根据其他因素，例如，区域181和182重叠的量)。
[0018]于是，可以由距离181/182,188/189或181/182和188/189两者确定电流方向172。此外，除了以上确定自旋电流方向的方法之外或作为替代，可以进一步通过改变注入效率(不对称自旋电流注入)来控制方向。
[0019]箭头170示出了比箭头171更大的自旋极化(更大数量的箭头指向同一方向)。这有助于示出支配性或主要磁体(部分120)如何将净自旋向着从磁体(部分121)注入系统100中。于是，随着自旋电流变弱(箭头171)，然后经由元件111、121再生电流，以再次升高到更高水平(类似于箭头170)(假设电流从左到右移动，图1a就是这种情况)。
[0020]在实施例中，金属互连131是非磁性的。金属互连可以包括铜、铝、graphene、锡等。在一个实施例中，铁磁部分120和/或121包括镍、钴、铁、钆和Huesler合金中的至少一种及其组合。在实施例中，可以利用例如硼或类似材料掺杂部分120、121的任何元素(例如，以辅助纳米制造)。另一个实施例包括类似于镲、钴、铁、Huesler合金和礼的材料，其适合120/121，因为，例如它们在室温下具有良好的磁化强度和/或强的磁各向异性。
[0021]金属部分110和/或111可以包括至少一种贵金属和至少一种5d过渡金属。金属部分110和/或111可以包括至少包括铂、钽、铜和金中一种(及其组合)的材料，但其他实施例不受此限制。其他实施例可以包括与杂质组合的铜。杂质可以包括一种或多种5d过渡金属，例如镥、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金和汞。在一个实施例中，钽可以包括β相钽。其他实施例可以包括与金、银和/或铂组合的一种或多种这些杂质。其他实施例可以包括与一种或多种4d过渡金属杂质组合的金、银和/或铂，4d过渡金属杂质例如是钇、锆