重復(fù)自旋電流互連的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]自旋極化涉及到基本粒子的自旋或內(nèi)稟角動(dòng)量與給定方向?qū)?zhǔn)的程度。這種自旋影響著電子在諸如鐵的鐵磁性金屬中的傳導(dǎo)，導(dǎo)致自旋極化電流。自旋極化電流影響到自旋波，自旋波按照磁性材料的排序傳播干擾。自旋極化還涉及到自旋電子學(xué)，即電子學(xué)中涉及電子固有自旋、其關(guān)聯(lián)磁矩和電子的基本電子電荷的分支。自旋電子學(xué)器件涉及到隧道磁致電阻(TMR)，其利用了電子通過薄絕緣體到獨(dú)立的鐵磁層的量子機(jī)械隧穿，還涉及到自旋轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移(STT)，其中可以使用自旋極化電子的電流控制鐵磁電極的磁化方向。
【附圖說明】
[0002]從所附的權(quán)利要求、一個(gè)或多個(gè)范例實(shí)施例的以下詳細(xì)說明和對應(yīng)附圖，本發(fā)明實(shí)施例的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，附圖中:
[0003]圖1a是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的互連系統(tǒng)的截面圖。圖1b是圖1a的實(shí)施例的平面圖。
[0004]圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的互連系統(tǒng)的截面圖。
[0005]圖3a是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的電流重復(fù)器的截面圖。圖3b是圖3a的實(shí)施例的自旋電流與時(shí)間的曲線圖。
[0006]圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的多級互連系統(tǒng)的截面圖。
[0007]圖5是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的多級互連系統(tǒng)的截面圖。
[0008]圖6是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的方法流程圖。
[0009]圖7是用于本發(fā)明實(shí)施例的操作的系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0010]現(xiàn)在將參考附圖，其中可以為類似的結(jié)構(gòu)提供類似的下標(biāo)附圖標(biāo)記。為了更清晰地展示各實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，這里包括的附圖是集成電路結(jié)構(gòu)的圖示。于是，制成集成電路結(jié)構(gòu)的實(shí)際外觀，例如在顯微照片中的外觀，可能顯得不同，但仍然結(jié)合了圖示實(shí)施例的所主張結(jié)構(gòu)。此外，附圖可以僅示出對理解圖示實(shí)施例有用的結(jié)構(gòu)?？赡芪窗ìF(xiàn)有技術(shù)中已知的額外結(jié)構(gòu)以保持附圖的清晰?！皩?shí)施例”、“各實(shí)施例”等表示這樣描述的實(shí)施例，可以包括特定特征、結(jié)構(gòu)或特性，但未必每個(gè)實(shí)施例都包括特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。一些實(shí)施例可以具有針對其他實(shí)施例描述的一些、全部特征或沒有任何特征?！暗谝弧?、“第二”、“第三”等描述公共對象，表示所指相似對象的不同實(shí)例。這樣的形容詞并非暗示這樣描述的對象必須在時(shí)間、空間、排序或任何其他方式中處于給定次序中?！斑B接”可以表示元件彼此直接物理接觸或電接觸，“耦合”可以表示元件彼此合作或交互，但它們可以直接物理或電接觸或不接觸。而且，盡管可能使用類似或相同的數(shù)字在不同附圖中表示相同或類似的部分，但這樣做并非表示包括類似或相同數(shù)字的所有附圖構(gòu)成單一相同的實(shí)施例。
[0011]一實(shí)施例包括用于電路的一個(gè)或多個(gè)“自旋互連”，電路例如是自旋邏輯電路、自旋電子學(xué)邏輯、自旋電子學(xué)存儲器等。一實(shí)施例包括用于自旋邏輯電路的電流重復(fù)器(例如逆變器和/或緩沖器)。各個(gè)實(shí)施例使用非磁性互連和磁性重復(fù)器實(shí)現(xiàn)自旋邏輯電路。例如，一實(shí)施例使用非磁性金屬線互連與定位于沿線規(guī)則距離(或不規(guī)則距離)的磁性元件進(jìn)行自旋電流傳播，以進(jìn)行自旋信號的再生。一個(gè)實(shí)施例包括全自旋互連系統(tǒng)，其包括經(jīng)由非磁性金屬互連彼此通信的納米磁流重復(fù)器(在一系列重復(fù)器中)。一些實(shí)施例利用非磁性金屬互連，例如通孔，將互連擴(kuò)展到三維(例如，垂直跨越器件的多層)。
[0012]如上所述，本文描述了各種實(shí)施例(下文更詳細(xì)描述)。很多實(shí)施例溝通自旋電流信號而在自旋和電信號之間沒有重復(fù)轉(zhuǎn)換(相反，僅使用如下所述的互連系統(tǒng)對自旋電流進(jìn)行再生)。這有助于通過降低功率要求(例如，通過避免總的或基本總的轉(zhuǎn)換損耗)，減小電路尺寸并提高電路速度，實(shí)現(xiàn)自旋邏輯電路。作為本文所述實(shí)施例優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)具體范例，這樣的實(shí)施例相對于諸如自旋波互連的技術(shù)具有優(yōu)點(diǎn)。自旋波的自旋到電和電到自旋轉(zhuǎn)換的效率低。而且，對于自旋波互連而言，在信號衰減之前僅有短距離的自旋波(?lym)。一些實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)的其他范例包括，能夠生成自旋邏輯電路，其在更長距離上傳播其輸出自旋信號，而不需要轉(zhuǎn)換成電荷。換言之，因?yàn)榫植亢桶肴肿孕ミB位于自旋邏輯電路之間(其中“局部互連”在諸如10-20微米的距離上互連芯片的小區(qū)域，“全局互連”互連分開更長距離的區(qū)域)，所以信號在更長距離上傳輸。一些實(shí)施例提供了信號再生，用于縮放互連的長度(例如，允許更長的互連或互連鏈)。各實(shí)施例包括或提供了三維可堆疊全自旋邏輯。例如，一實(shí)施例允許自旋互連與非磁性金屬互連(例如通孔)的三維集成。非磁性互連允許互連與非磁性金屬通孔進(jìn)行三維集成并避免使用磁性通孔。于是，本文所述的實(shí)施例具有很多優(yōu)點(diǎn)。
[0013]圖1a是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的互連系統(tǒng)100的截面圖。圖1b是圖1a的實(shí)施例的平面圖。系統(tǒng)或器件100包括襯底(本圖中未示出)、襯底上的金屬層，包括不直接彼此接觸的金屬部分110和金屬部分111。
[0014]在實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底是體半導(dǎo)體材料，是晶片的一部分。在實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底是體半導(dǎo)體材料，是已從晶片解理出的芯片的一部分。在實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底是形成于絕緣體上方的半導(dǎo)體材料，例如，絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)襯底。在實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底是突出的結(jié)構(gòu)，例如在體半導(dǎo)體材料上方延伸的鰭。
[0015]襯底上的鐵磁層包括直接接觸金屬部分110的鐵磁部分120和直接接觸金屬部分111但不接觸鐵磁部分120的鐵磁部分121。金屬互連131將鐵磁部分120耦合到鐵磁部分121。沒有直接接觸金屬部分110、111任一個(gè)的其他鐵磁部分(除部分120、121之外)。在本實(shí)施例中，金屬自旋互連131直接接觸鐵磁部分120、121，但其他實(shí)施例不受此限制，接觸可以是間接的。
[0016]鐵磁部分120與金屬互連131重疊的距離由181表示，鐵磁部分121與金屬互連131重疊的距離由182表示。在這一具體實(shí)施例中距離182短于距離181 (但在其他實(shí)施例中并非如此)。在一個(gè)實(shí)施例中，181介于10和300nm之間，182介于10和300nm之間，182比181短，使信號從左至右流動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，181為lOOnm，182為80nm。在一個(gè)實(shí)施例中，181為150nm，182為lOOnm。在一個(gè)實(shí)施例中，181為200nm，182為175nm。在一個(gè)實(shí)施例中，181為275nm，182為250nm。在一個(gè)實(shí)施例中，182為lOOnm，181為80nm。在一個(gè)實(shí)施例中，182為150nm，181為lOOnm。在一個(gè)實(shí)施例中，182為200nm，181為175nm。在一個(gè)實(shí)施例中，182為275nm，181為250nm。系統(tǒng)100基于距離182短于距離181，從鐵磁部分120向鐵磁部分121傳送自旋極化電流172 (經(jīng)由電源電壓平面105)。換言之，在本實(shí)施例中，至少部分基于部分120、121和互連131的不同重疊距離確定電流方向(其中電流從更大重疊區(qū)域流向小的重疊區(qū)域)。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，金屬互連131經(jīng)由金屬互連131上的“第一位置”(即，通孔/互連140和互連131的結(jié))耦合到地層150。在圖1a的實(shí)施例中，第一位置距鐵磁部分120比距鐵磁部分121更近。(請注意，本申請中的附圖不是按比例繪制的。)具體而言，在一個(gè)實(shí)施例中，距離188比距離189短或更小。在一個(gè)實(shí)施例中，188為50nm，189為500nm。在一個(gè)實(shí)施例中，188為10nm, 189為400nm。在一個(gè)實(shí)施例中，188為250nm，189為250nmo在一個(gè)實(shí)施例中，188為400nm，189為lOOnm。在一個(gè)實(shí)施例中，188為500nm，189為50nm。系統(tǒng)100基于距鐵磁部分120比距鐵磁部分121更近的通孔140/互連131的結(jié)，經(jīng)由鐵磁部分120向鐵磁部分121傳送自旋極化電流172 (經(jīng)由電源電壓平面105)。使通孔140/互連131的結(jié)移動(dòng)接近部分121可能反轉(zhuǎn)電流方向(根據(jù)其他因素，例如，區(qū)域181和182重疊的量)。
[0018]于是，可以由距離181/182,188/189或181/182和188/189兩者確定電流方向172。此外，除了以上確定自旋電流方向的方法之外或作為替代，可以進(jìn)一步通過改變注入效率(不對稱自旋電流注入)來控制方向。
[0019]箭頭170示出了比箭頭171更大的自旋極化(更大數(shù)量的箭頭指向同一方向)。這有助于示出支配性或主要磁體(部分120)如何將凈自旋向著從磁體(部分121)注入系統(tǒng)100中。于是，隨著自旋電流變?nèi)?箭頭171)，然后經(jīng)由元件111、121再生電流，以再次升高到更高水平(類似于箭頭170)(假設(shè)電流從左到右移動(dòng)，圖1a就是這種情況)。
[0020]在實(shí)施例中，金屬互連131是非磁性的。金屬互連可以包括銅、鋁、graphene、錫等。在一個(gè)實(shí)施例中，鐵磁部分120和/或121包括鎳、鈷、鐵、釓和Huesler合金中的至少一種及其組合。在實(shí)施例中，可以利用例如硼或類似材料摻雜部分120、121的任何元素(例如，以輔助納米制造)。另一個(gè)實(shí)施例包括類似于镲、鈷、鐵、Huesler合金和禮的材料，其適合120/121，因?yàn)?，例如它們在室溫下具有良好的磁化?qiáng)度和/或強(qiáng)的磁各向異性。
[0021]金屬部分110和/或111可以包括至少一種貴金屬和至少一種5d過渡金屬。金屬部分110和/或111可以包括至少包括鉑、鉭、銅和金中一種(及其組合)的材料，但其他實(shí)施例不受此限制。其他實(shí)施例可以包括與雜質(zhì)組合的銅。雜質(zhì)可以包括一種或多種5d過渡金屬，例如镥、鉿、鉭、鎢、錸、鋨、銥、鉑、金和汞。在一個(gè)實(shí)施例中，鉭可以包括β相鉭。其他實(shí)施例可以包括與金、銀和/或鉑組合的一種或多種這些雜質(zhì)。其他實(shí)施例可以包括與一種或多種4d過渡金屬雜質(zhì)組合的金、銀和/或鉑，4d過渡金屬雜質(zhì)例如是釔、鋯