[发明专利]非易失性磁隧道结晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及晶体管，特别是涉及用于非易失性磁隧道结的磁性的电压控制。

背景技术

过去40年来从CMOS缩放（scaling）获得的持续的性能改善已结束。尽管期望密度缩放还能持续至少10年，晶体管和电路级性能现在被功率约束严重限制。半导体行业在过去十年中都关注这个问题，且已尝试了对CMOS晶体管的大量修改，以便降低电压。

传统地，通过降低每代的操作电压来包含CMOS功率。电源电压已从二十世纪70年代使用的技术中的5V显著降低到现在制造的技术中的大约1V。但是，低于1V的进一步的电压减少受到阈值电压和栅极氧化层厚度缩放中的基本极限的限制。

没有足够的电压缩放，CMOS功率由此增加到其中膝上电脑是膝上加热器的点，高性能计算受到可用冷却功率的限制，且移动计算性能受到电池寿命的限制。可以公平地说，低电压晶体管将根本地改变世界。

发明内容

本发明的一个示例性方面是一种用于产生磁场的装置。所述装置包括写入器，其具有第一磁性写入层和第二磁性写入层。当写入器被第一写入电压供能时，写入器被配置为将第一磁性写入层的磁各向异性从平行于第一磁性写入层的平面切换为与第一磁性写入层的平面正交。这使得第二磁性写入层在与写入器邻近的区域中诱导第一磁场。当写入器被与第一写入电压相反的第二写入电压供能时，写入器被配置为将第二磁性写入层的磁各向异性从平行于第二磁性写入层的平面切换为与第二磁性写入层的平面正交。这使得第一磁性写入层在与写入器邻近的区域中诱导第二磁场。所述第二磁场沿与第一磁场相反的方向。

本发明的另一个示例性方面是一种用于产生磁场的方法。该方法包括跨过第一和第二磁性写入层施加写入电压。这使得第一或第二磁性写入层的磁各向异性从平行于磁性写入层的平面切换为与磁性写入层的平面正交。具有与磁性写入层的平面平行的磁各向异性的磁性写入层诱导磁场。

本发明的又一个示例性方面是存储单元阵列中的非易失性存储单元。存储单元包括磁隧道结（MTJ）。MTJ包括磁自由层。MTJ的电阻依赖于磁自由层的磁方向。存储单元还包括邻近MTJ设置的写入器。写入器被配置为将第一或第二磁性写入层的任一个的磁各向异性从平行于磁性写入层的平面切换为与其正交，以便具有与磁性写入层的平面平行的磁各向异性的磁性写入层在MTJ的磁自由层诱导磁方向。

附图说明

图1示出了由本发明构思的装置的示例性实施例，用于控制磁自由层的磁方向。

图2示出了具有跨过第一和第二写入电极施加的正电压电势的示例性装置。

图3示出了其中跨过第一和第二写入电极施加电压的极性反转的示例性装置。

图4是示出控制根据本发明实施例的磁自由层的磁方向的示例性处理的流程图。

图5示出了根据本发明实施例的示例性存储单元阵列。

图6A和6B示出了本发明构思的示例性磁隧道结晶体管（MTJT）的另一个实施例。

具体实施方式

参考本发明的实施例描述了本发明。本发明的全部描述参考图1-8。当参考附图时，全篇中示出的类似结构和元件用相似的参考标号被指示。

在此描述的是一种新的逻辑器件，其利用磁性的电压控制。当跨过绝缘系统设置电压时，使用术语“磁性的电压控制”，具有可忽略的稳态电流流动。该情况中的功耗被限制于瞬变电流，其流动以将布线和器件充电到施加的电压。

如下所详细描述的，本发明构思的非易失性磁隧道结是4个终端晶体管，其在例如100mV下操作。仅通过不同地布线端子可用相同类型的器件制造互补器件。当切断功率时，器件保持在其逻辑状态。由于器件使用大约为CMOS的10分之1的电压来切换，其消耗约CMOS的100分之1的有源功率。由于控制切换（磁各向异性）的物理机制具有根据电压的急剧变化，可串联多个器件而不损失大多的增益，尽管仅具有从开启到关断状态的电阻的10倍变化。而且，器件是可三维层叠的。

图1-3示出了本发明考虑的用于控制磁自由层的磁方向的装置102的示例性实施例。如以下详细描述的，装置102包括控制磁自由层106的磁方向的写入器104。在特定实施例中，磁自由层106是邻近写入器104设置的磁隧道结（MTJ）108的部分，如以下将讨论的。

写入器104包括第一写入层110和被介电写入层114隔开的第二写入层112。第一和第二磁性写入层110和120可基本由铁（Fe）组成。介电写入层可基本由氧化镁组成（MgO）。