專利名稱：磁邏輯裝置及其制造和操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置及其制造方法，更具體地講，涉及一種磁邏輯裝置及其制造和操作方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的邏輯裝置，如“與”門、“或”門等，由MOS晶體管構(gòu)成。因此，根據(jù)磁邏輯裝置的MOS晶體管的結(jié)構(gòu)來確定傳統(tǒng)邏輯裝置的類型。此外，傳統(tǒng)邏輯裝置的確定的類型不能改變。例如，初始制造為“與”門的傳統(tǒng)邏輯裝置只能被用作“與”門，不能被用作“或”門。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種能夠選擇地改變其功能的磁邏輯裝置(MLD)。
本發(fā)明還提供了一種構(gòu)造所述MLD的方法。
本發(fā)明還提供了操作所述MLD的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種MLD，包括下磁層，形成在第一互連部分上，所述下磁層具有固定為預(yù)定方向的磁方向；非磁層，形成在所述下磁層上；上磁層，形成在所述非磁層上，所述上磁層具有與所述下磁層的磁方向平行或反向平行的磁方向；第二互連部分，形成在所述上磁層上。
第一電流源可置于第一互連部分的一端和第二互連部分的一端之間，第二電流源可置于第一互連部分的另一端和第二互連部分的另一端之間。
所述下磁層可包括多個磁層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種MLD，包括第一互連部分；下磁層，形成在所述第一互連部分上；非磁層，形成在所述下磁層上；上磁層，形成在所述非磁層上，所述上磁層的磁方向被固定為預(yù)定方向；第二互連部分，形成在所述上磁層上，其中，所述下磁層的磁方向與所述上磁層的磁方向平行或反向平行。
第一電流源可置于所述第一互連部分的一端和所述第二互連部分的一端之間，第二電流置于所述第一互連部分的另一端和所述第二互連部分的另一端之間。所述上磁層可包括多個磁層。
所述MLD還可包括所述上磁層和所述第二互連部分之間的覆蓋層。
所述非磁層可包括隧道層和非磁金屬層之一。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種制造MLD的方法，包括在第一互連部分上形成下磁層，所述下磁層的磁方向被固定為預(yù)定方向；在所述下磁層上順次形成非磁層和上磁層；在所述上磁層上形成第二互連部分；將上磁層的磁方向排列為與下磁層的磁方向平行或者反向平行。
所述第一互連部分的一端和所述第二互連部分的一端可被連接到第一電流源，所述第一互連部分的另一端和所述第二互連部分的另一端可被連接到第二電流源。
所述上磁層的磁方向的排列還可包括將至少Ic/2的電流從所述第一電流源施加到所述第一互連部分的一端，同時將至少Ic/2的電流從所述第二電流源施加到所述第一互連部分的另一端，使得所述上磁層的磁方向變得與所述下磁層的磁方向平行。
作為選擇，所述上磁層的磁方向的排列還可包括將至少Ic/2的電流從所述第一電流源施加到所述第二互連部分的一端，同時將至少Ic/2的電流從所述第二電流源施加到所述第二互連部分的另一端，使得所述上磁層的磁方向變得與所述下磁層的磁方向反向平行。
此外，所述上磁層的磁方向的排列還可包括將預(yù)定強(qiáng)度的磁場加到所述上磁層，使得所述上磁層的磁方向變得與所述下磁層的磁方向平行或反向平行。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種制造MLD的方法，所述方法包括在第一互連部分上順次形成下磁層和非磁層；在所述非磁層上形成上磁層，所述上磁層的磁方向被固定為預(yù)定方向；在所述上磁層上形成第二互連部分；將所述下磁層的磁方向排列為與所述上磁層的磁方向平行或者反向平行。
所述第一互連部分的一端與所述第二互連部分的一端可被連接到第一電流源，所述第一互連部分的另一端和所述第二互連部分的另一端可被連接到第二電流源。
所述下磁層的磁方向的排列還可包括將至少Ic/2的電流從所述第一電流源施加到所述第一互連部分的一端，同時將至少Ic/2的電流從所述第二電流源施加到所述第一互連部分的另一端，使得所述下磁層的磁方向變得與所述上磁層的磁方向反向平行。
此外，所述下磁層的磁方向的排列還可包括將至少Ic/2的電流從所述第一電流源施加到所述第二互連部分的一端，同時將至少Ic/2的電流從所述第二電流源施加到所述第二互連部分的另一端，使得所述下磁層的磁方向變得與所述上磁層的磁方向平行，其中，所述Ic是將所述下磁層的磁方向反向所需的臨界電流。
作為選擇，所述下磁層的磁方向排列還可包括將預(yù)定強(qiáng)度的磁場施加到所述下磁層，使得所述下磁層的磁方向變得與所述上磁層的磁方向平行或反向平行。
所述非磁層可由隧道層和非磁金屬層之一形成。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種MLD的操作方法，所述方法包括將至少Ic/2的電流施加到從第一至第四端子中選擇的兩個端子上，其中，所述第一互連部分的一端和另一端分別相應(yīng)于所述第一端子和第二端子，第二互連部分的一端和另一端分別相應(yīng)于所述第三端子和第四端子，其中，所述的MLD包括第一互連部分；下磁層，形成在所述第一互連部分上，所述下磁層的磁方向被固定為預(yù)定方向；非磁層，形成在所述下磁層上；上磁層，形成在所述非磁層上，所述上磁層的磁方向與所述下磁層的磁方向平行或反向平行；第二互連部分，形成在所述上磁層上。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種MLD的操作方法，所述方法包括將至少Ic/2的電流施加到從第一至第四端子中選擇的兩個端子上，其中所述第一互連部分的一端和另一端分別相應(yīng)于所述第一端子和第二端子，第二互連部分的一端和另一端分別相應(yīng)于所述第三端子和第四端子，其中，所述MLD包括第一互連部分；順次形成在所述第一互連部分上的下磁層、非磁層和上磁層；形成在所述上磁層上的第二互連部分，其中所述下磁層的磁方向與其磁方向被固定為預(yù)定方向的上磁層的磁方向平行或反向平行。
電流Ic可以是將所述下磁層的磁方向反向所需的臨界電流。所述非磁層可包括隧道層和非磁金屬層之一。
可通過簡單地調(diào)整磁隧道結(jié)(MTJ)胞的上磁層的磁方向來將本發(fā)明的MLD用作“與”門或者“或”門。因此，可根據(jù)期望的用途來對所述MLD選擇地編程。此外，所述MLD具有簡單結(jié)構(gòu)，并且可容易而簡單地制造。另外，由于上磁層的磁方向不受磁場控制而受自旋極化的電流控制，因此，可通過控制施加到MTJ胞的電流來準(zhǔn)確地控制上磁層的磁方向。而且，本發(fā)明的MLD可被實(shí)現(xiàn)為僅僅一個胞，從而可獲得高集成裝置。


通過下面參照附圖對示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將會變得更加清楚，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁邏輯裝置(MLD)的三維示意性示圖；圖2是圖1中所示的MLD的等效電路圖；圖3至圖6是示出圖1中所示的MLD的磁隧道結(jié)(MTJ)胞的自由磁層的磁方向根據(jù)施加到圖1所示的MLD的電流的方向而改變的截面圖；圖7是簡單地示出圖1中的MTJ胞和第一至第四端子之間的連接的截面圖，示出了指示施加到所述端子的電流和與該電流相應(yīng)的信號的參考符號；圖8是示出為了將圖1的MLD用作“與”門而將上磁層的磁方向排列為與下磁層的磁方向相反的初始化處理的截面圖；圖9至圖12是示出當(dāng)將圖1的MLD用作“與”門時圖1的MLD的操作的截面圖；圖13是當(dāng)將圖1的MLD用作“與”門時圖9至圖12中示出的操作的表；圖14是示出當(dāng)將圖1的MLD用作“與”門時從第一和第二電流源施加到MTJ胞的電流脈沖的變化和阻抗的變化的時序圖；圖15是示出為了將圖1的MLD用作“或”門而將上磁層的磁方向排列為與下磁層的磁方向平行的初始化處理的截面圖；圖16至圖19是當(dāng)圖1的MLD被用作“或”門時圖1的MLD的操作的截面圖；圖20是示出當(dāng)圖1的MLD被用作“或”門時圖16至圖19中示出的操作的表；圖21是示出當(dāng)圖1的MLD被用作“或”門時從第一和第二電流源施加到MTJ胞的電流脈沖的變化和阻抗的變化的時序圖；圖22、23A、24A和25是示出當(dāng)圖1中示出的MLD被用作“與”門時圖1中示出的MLD的制造方法的截面圖；圖23B和24B分別是圖23A和24A中示出的MLD的平面圖；
圖22、23A、24A和26是示出當(dāng)圖1中示出的MLD被用作“或”門時圖1中示出的MLD的制造方法的截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，將參照附圖更全面地描述根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的磁邏輯裝置(MLD)及其制造和操作方法。在附圖中，為了清楚起見，放大了層的厚度和區(qū)域。
通過對磁材料施加預(yù)定強(qiáng)度的磁場或者通過對磁材料直接施加臨界值的自旋極化電流可使磁材料的磁方向反向。
本發(fā)明人使用了后一種途徑來實(shí)現(xiàn)MLD。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MLD的三維示意性示圖；參照圖1，本發(fā)明的MLD包括第一互連部分40。磁隧道結(jié)(MTJ)胞42形成在第一互連部分的預(yù)定區(qū)域上。MTJ胞42可被另一中能夠起到與MTJ胞42相同作用的磁元件代替。MTJ胞42可包括順次形成在第一互連部分40上的下磁層42a、非磁層42b和上磁層42c。下磁層42a的磁方向固定為預(yù)定方向。下磁層42a可以是釘扎層和反鐵磁性(SAF)層順次堆疊的多層。非磁層42b可以是具有預(yù)定厚度的隧道層，從而流入下磁層42a或上磁層42c的電子能夠通過穿隧效應(yīng)從其中穿透。例如，非磁層42b可以是氧化鋁(AlOx)層。此外，非磁層42b可以是非磁金屬層，該非磁金屬層利用下磁層42a和上磁層42c構(gòu)成巨磁阻(GMR)。上磁層42c具有這樣的特性可根據(jù)從外部施加的預(yù)定強(qiáng)度的磁場或者穿透上磁層42c的預(yù)定自旋極化電流而被容易地改變磁方向。
在上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向平行的情況下，MTJ胞42的阻抗變低。相反，如果上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向反向平行，則MTJ胞42的阻抗變高。這里，可在上磁層42c上另外形成保護(hù)覆蓋層(未顯示)。
第二互連部分44置于MTJ胞42的上磁層42c上。第二互連部分44在與第一互連部分40交叉的方向上延伸預(yù)定長度。同時，第一電流源46置于第一互連部分40的一端40a和第二互連部分44的一端44a之間。第一電流源46連接到第一互連部分40的一端40a和第二互連部分44的一端44a。第一電流源46提供順次流經(jīng)第二互連部分44、MTJ胞42和第一互連部分40的電流或反向流動的電流。在第一互連部分40的另一端40b和第二互連部分44的另一端44b之間存在第二電流源48。第二電流源48連接到第一互連部分40的另一端40b和第二互連部分44的另一端44b。第二電流源48提供順次流經(jīng)第二互連部分44、MTJ胞42和第一互連部分的電流。然而，電流也可反向流動。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖1的MLD的等效電路圖。
在圖2中，S1和S2分別代表第一電流源46和第二電流源48。此外，可變電阻Rv相應(yīng)于MTJ胞42。
圖3至圖6是示出圖1所示的MLD的MTJ胞42的磁方向根據(jù)施加到MTJ胞42的自旋極化電流而改變的截面圖。
參照圖3至圖6，第一電流I1表示順序流過下磁層42a、非磁層42b和上磁層42c的自旋極化電流。第二電流I2是順次流過上磁層42c、非磁層42b和下磁層42a的自旋極化電流。這里，第一電流I1的自旋極化方向與下磁層42a的磁方向相同。同樣，第二電流I2的自旋極化方向與上磁層42c的磁方向相同。
因此，如圖3中所示，當(dāng)在MTJ胞42的上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向平行的條件下將預(yù)定強(qiáng)度例如107A/cm2或更高的第一電流I1施加到MTJ胞42上時，由于第一電流I1的自旋極化方向也與上磁層42c和下磁層42a的磁方向平行，所以如圖3的右側(cè)所示，MTJ胞42的極化狀態(tài)與施加第一電流I1之前的極化狀態(tài)相同。
同時，參照圖4，當(dāng)在上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向反向平行的條件下將第一電流I1施加到MTJ胞42上時，MTJ胞42的上磁層42c的磁方向通過第一電流I1的自旋極化而改變，從而上磁層42c的磁方向變得與第一電流I1的自旋極化方向平行。因此，上磁層42c的磁方向變得與下磁層42a的磁方向平行。
因此，只要將第一電流I1施加到MTJ胞42上，上磁層42c和下磁層42a的每個的磁方向都變得與下磁層42a的磁方向平行，而不管MTJ胞42的上磁層42c的初始磁方向如何。
參照圖5，當(dāng)在上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向平行的條件下將第二電流I2施加到MTJ胞42上時，與圖3中描述的結(jié)果不同，上磁層42c的磁方向改變。
將根據(jù)各種原理來解釋上磁層42c的磁方向的機(jī)理，將在下面詳細(xì)闡述其中一種原理。
如前面所述，第一電流I1和第二電流I2的自旋極化方向分別與下磁層42a和上磁層42c平行。當(dāng)將電流I1和I2的每個作為整體來考慮時，這種描述是正確的。事實(shí)上，電流I1和I2的每個具有自旋極化方向彼此相反的分量。即，一個分量是其自旋極化方向與下磁層42a和上磁層42c的磁方向平行的主分量，另一個分量是其自旋極化方向與下磁層42a和上磁層42c的磁方向反向平行的次分量。
如圖5中所示，在將第二電流I2施加到MTJ胞42上的情況下，主分量的自旋極化方向與上磁層42c以及下磁層42a的磁方向平行，從而主分量剛好穿過下磁層42a。然而，第二電流I2的次分量的自旋極化方向與下磁層42a的磁方向相反，以致它不能穿過下磁層42a。結(jié)果，次分量從非磁層42b和下磁層42a之間的分界面被反射到上磁層42c。由于反射的次分量即反射的電子具有與上磁層42c的磁方向相反的自旋極化方向，所以上磁層42c的磁方向被反向?yàn)榕c反射的次分量的自旋極化方向平行。結(jié)果，上磁層42c的磁方向變得與下磁層42a的磁方向反向平行。
參照圖6，如果在上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向反向平行的條件下將第二電流I2施加到MTJ胞42上，則第二電流I2的次分量剛好穿過非磁層42b和下磁層42a。相反，其自旋極化方向與下磁層42a反向平行的主分量從非磁層42b和下磁層42a之間的分界面被反射到上磁層42c。然而，由于反射的主分量具有與上磁層42c的磁方向相同的極化方向，所以上磁層42c的磁方向不改變。即，上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向反向平行的初始極化狀態(tài)可維持不變，而不管是否施加第二電流I2。
根據(jù)圖5和圖6的結(jié)果，在第二電流I2施加到MTJ胞42的情況下，MTJ胞42僅具有一種極化狀態(tài)，即上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向相反，不管MTJ胞42的初始極化狀態(tài)如何。因此，MTJ胞42保持在高阻抗?fàn)顟B(tài)。
此時，應(yīng)該注意的是，第一電流I1和第二電流I2的每個應(yīng)該被施加超過用于通過使用自旋極化電流來將上磁層42c的磁方向反向的預(yù)定臨界值Ic。
在圖1所示的本發(fā)明的MLD中，可以通過將與臨界值Ic的至少一半相應(yīng)的自旋極化電流提供給連接到下磁層42a的第一端子和第二端子來將第一電流I1施加到MTJ胞42上。此外，可通過將與臨界值Ic的至少一半相應(yīng)的自旋極化電流提供給連接到上磁層42c的第三端子和第四端子來將第二電流I2施加到MTJ胞42上。第一和第二端子可以像圖1中所示的第一互連部分40那樣作為一個整體來連接到下磁層42a上。作為選擇，第一和第二端子可以分離地形成，從而每個端子可以單獨(dú)連接到下磁層42a上。同樣，第三和第四端子可以像圖1中所示的第二互連部分44那樣作為一個整體連接到上磁層42c上。作為選擇，第三和第四端子可分離地形成。
圖1的MLD可被用作各種邏輯裝置。首先，將描述當(dāng)MLD被用作“與”門時的例子。該例子將示出MLD如何操作。
圖7是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖1的MLD的操作機(jī)理的截面圖。
在圖7中，應(yīng)該注意的是，第一端子50和第二端子52分別與圖1中所示的第一互連部分40的一端40a和另一端40b相應(yīng)，第三端子60和第四端子62分別與第二互連部分44的一端44a和另一端44b相應(yīng)。當(dāng)與第一電流I1的臨界值Ic的一半相應(yīng)的電流Ic/2被施加到第一端子50和第二端子52上時，認(rèn)為信號“1”被施加到第一端子50和第二端子52的每個上。同樣，當(dāng)與第二電流I2的臨界值Ic的一半相應(yīng)的電流Ic/2被施加到第三端子60和第四端子62上時，認(rèn)為信號“0”被施加到第三端子60和第四端子62的每個上。為了將施加到第一端子50和第二端子52上的電流與施加到第三端子60和第四端子62上的電流區(qū)分開來，假設(shè)施加到第一端子50和第二端子52上的電流被表示為負(fù)電流，施加到第三端子60和第四端子62上的電流被表示為正電流。當(dāng)MLD被用作“或”門時可采用相同的假設(shè)。
為了將MLD用作“與”門，上磁層42c的磁方向應(yīng)該與下磁層42a的磁方向反向平行。參照前面描述的圖5和圖6，與臨界值Ic的至少一半相應(yīng)的預(yù)定電流(+Ic/2)被施加到第三端子60和第四端子62上，從而至少具有臨界Ic的電流被施加到MTJ胞42上。這在圖8中示出。
圖9至圖12是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例MLD被用作“與”門的MLD的操作的截面圖。
參照圖9，預(yù)定自旋極化電流(-Ic/2)被施加到MTJ胞42的第一端子50上，在所述MTJ胞42中，上磁層42c的磁方向被預(yù)置為與下磁層42a的磁方向相反。同時，預(yù)定自旋極化電流(-Ic/2)被施加到第二端子52上。即，信號“1”被施加到第一端子50和第二端子52上。從而，施加到MTJ胞42上的凈電流成為在其中合并了能夠使上磁層42c的磁方向反向的自旋極化的電子的第一電流I1。通過第一電流I1，上磁層42c的磁方向變得與下磁層42a的磁方向平行。圖9的結(jié)果表示如果在上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向反向平行的條件下將信號“1”施加到MTJ胞42的第一端子50和第二端子52上，則上磁層42c的磁方向被反向而變得與下磁層42a的磁方向平行。
參照圖10，預(yù)定自旋極化電流(-Ic/2)即信號“1”被施加到MTJ胞42的第一端子50上，在該MTJ胞42種，上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向反向平行。而且，在預(yù)定自旋極化電流(+Ic/2)即信號“0”被施加到第四端子62上的情況下，凈自旋極化電流Inet變?yōu)榱?。即，由于凈自旋極化電流Inet小于臨界值Ic，所以MTJ胞保持初始極化狀態(tài)。
參照圖11，預(yù)定自旋極化電流(-Ic/2)即信號“1”被施加到MTJ胞42的第二端子52上，在所述MTJ胞42中，上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向反向平行。而且，在預(yù)定自旋極化電流(+Ic/2)即信號“0”被施加到第三端子60的情況下，凈自旋極化電流Inet變?yōu)榱?。即，由于凈自旋極化電流Inet小于臨界值Ic，所以MTJ胞42的上磁層42c不反向，從而維持其初始極化狀態(tài)。
參照圖12，預(yù)定自旋極化電流(+Ic/2)即信號“0”被施加到MTJ胞42的第三端子60和第四端子62上，在該MTJ胞中，上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向反向平行。在這種情況下，通過MTJ胞42的凈自旋極化電流Inet變?yōu)橹辽俚扔谂R界值Ic。因此，可使上磁層42c的磁方向反向。然而，不管凈自旋極化電流Inet如何，自旋極化電流的自旋極化方向與上磁層42c的磁方向平行，從而上磁層42c的磁方向不反向。因此，在將與臨界值Ic的一半相應(yīng)的預(yù)定自旋極化電流(+Ic/2)分別施加到第三端子60和第四端子62的情況下，MTJ胞42的初始極化狀態(tài)不改變。
參照圖9至圖12，應(yīng)該理解的是，除了在將與臨界值Ic的一半相應(yīng)的預(yù)定自旋極化電流(-Ic/2)分別施加到第一端子50和第二端子52的情況下，MTJ胞42的反向平行狀態(tài)不改變。
圖13是示出在圖9至圖12的情況下獲得的結(jié)果的表。在圖13中，AP表示MTJ胞42的反向平行狀態(tài)，P指的是MTJ胞42的平行狀態(tài)。此外，數(shù)字1和0具有與上述描述相同的意思。參照圖13，也應(yīng)該理解的是，在MTJ胞42的初始極化狀態(tài)是反向平行狀態(tài)的情況下，MTJ胞42用作“與”門。
圖14是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用作“與”門的MLD的操作機(jī)理的時序圖。
參照圖14，示出的是從圖2中所示的分別由S1和S2表示的第一電流源和第二電流源的每個施加到MTJ胞42的時變電流脈沖，并且還示出了根據(jù)電流變化的MTJ胞42的極化狀態(tài)變化。這里，第一周期P1期間的電流脈沖表示用于使MTJ胞42在初始點(diǎn)處于反向平行極化狀態(tài)的電流。第二周期P2期間的電流脈沖表示與施加到第一端子50和第二端子52的-Ic/2相應(yīng)的每個自旋極化電流。此外，在第三周期P3期間的電流脈沖表示分別與施加到第一端子50的-Ic/2和第四端子62+Ic/2相應(yīng)的每個自旋極化電流。此外，第四周期P4期間的電流脈沖是分別與施加到第三端子60的+Ic/2和第二端子52的-Ic/2相應(yīng)的每個自旋極化電流。最后，第五周期P5期間的電流脈沖表示分別與施加到第三端子60和第四端子62的+Ic/2相應(yīng)的每個自旋極化電流。
根據(jù)圖14的阻抗變化，應(yīng)該理解的是，除了第二周期P2外，MTJ胞42的阻抗高。即，只有-Ic/2的電流脈沖即信號“1”施加到第一端子50和第二端子52上，MTJ胞42的初始極化狀態(tài)才改變。因此，這樣的阻抗變化很好地描述了用作“與”門的MLD的操作。
在圖14中，圓括號中的數(shù)字1和0與如上所述施加到MTJ胞42的每個周期期間的電流脈沖的方向有關(guān)。詳細(xì)地說，數(shù)字1表示電流脈沖施加到MTJ胞42上從而電子從下磁層42a流向上磁層42c的情況。相反，數(shù)字0表示反向流動方向。此外，圓括號中的H和L分別表示MTJ胞42的阻抗為高或低的情況。
下面，將在下面描述圖1的MLD被用作“或”門的情況。
在這種情況下，上磁層42c的磁方向應(yīng)該與下磁層42a的磁方向平行。為了使MTJ胞42處于平行極化狀態(tài)，將至少為臨界值Ic的自旋極化的第一電流I1施加到MTJ胞42。圖15描述了該初始化過程。
圖16至圖19是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MLD被用作“或”門的情況的截面圖。
首先，參照圖16，在-Ic/2的預(yù)定電流即信號“1”被施加到第一端子50和第二端子52的每個上的情況下，施加到MTJ胞42的凈電流Inet變?yōu)槟軌驅(qū)⑸洗艑?2c的磁方向反向的臨界電流。然而，在這種情況下，上磁層42c的磁方向不改變。
詳細(xì)地說，在通過第一端子50和第二端子52施加到MTJ胞42上的-Ic/2的電流通過其磁方向被固定為如圖15中所示的預(yù)定方向的下磁層42a稍后不久，該電流具有與下磁層42a的磁方向平行的自旋極化方向。然而，在MLD被用作“或”門的情況下，MTJ胞42的初始極化狀態(tài)是平行狀態(tài)。即，在初始狀態(tài)，上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向平行。因此，盡管施加到MTJ胞42的凈電流Inet到達(dá)了能夠使上磁層42c的磁方向反向的臨界電流Ic，但是施加到MTJ胞42的凈電流Inet的自旋極化方向與上磁層42c的磁方向平行，從而上磁層42c的磁方向不反向。
由于這個原因，所以當(dāng)-Ic/2的電流分別被施加到第一端子50和第二端子52的每個時，MTJ胞42保持其初始極化狀態(tài)。
參照圖17，在-Ic/2的預(yù)定電流即信號“1”被施加到第一端子50并且+Ic/2的預(yù)定電流即信號“0”被施加到第四端子62的情況下，施加到MTJ胞42的凈電流是0，而不管施加到第一端子50和第四端子62的電流的自旋極化如何。因此，上磁層42c的磁方向不反向，從而MTJ胞42的極化狀態(tài)保持以前的狀態(tài)。
參照圖18，在-Ic/2的預(yù)定電流即信號“1”施加到第二端子52，并且+Ic/2的預(yù)定電流即信號“0”施加到第三端子60的情況下，如圖17那樣，施加到MTJ胞42的凈電流也為零。因此，上磁層42c的磁方向不反向，而不管施加到第二端子52和第三端子60的電流的自旋極化如何，從而MTJ胞42保持初始的平行極化狀態(tài)。
參照圖19，如果+Ic/2的預(yù)定電流即信號“0”被施加到第三端子和第四端子，則施加到MTJ胞42的凈電流變?yōu)榕R界電流Ic。此外，在通過上磁層42c之后，通過第三端子60和第四端子62施加的+Ic/2的預(yù)定電流的主分量被極化為與上磁層42c的磁方向平行，而預(yù)定電流+Ic/2的次分量被極化為與上磁層42c的磁方向反向平行。然而，具有相對于上磁層42c的磁方向相反的極化方向的預(yù)定電流+Ic/2的次分量在非磁層42b和下磁層42a之間的分界面被反射到上磁層42c中。預(yù)定電流的被反射的次分量使得上磁層42c的磁方向反向。結(jié)果，MTJ胞42的極化狀態(tài)變?yōu)榉聪蚱叫袪顟B(tài)，從而上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向相反，這導(dǎo)致與MTJ胞42的初始狀態(tài)相比，MTJ胞42的阻抗升高。
因此，只有在MTJ胞42的初始狀態(tài)是平行極化狀態(tài)的條件下將+Ic/2的預(yù)定電流即信號“0”施加到第三端子60和第四端子62的每個上時，MTJ胞42的初始極化狀態(tài)才會改變。除了這種情況，MTJ胞42的初始極化狀態(tài)根本不會改變。
圖20是示出在圖16至圖19的情形中獲得的結(jié)果的表。在圖20中，只有在初始狀態(tài)是平行狀態(tài)P的條件下施加到MTJ胞42上的所有信號都是“0”時，MTJ胞42的初始極化狀態(tài)才會被改變?yōu)榉聪蚱叫袪顟B(tài)AP。總之，應(yīng)該理解的是MLD起“或”門的作用。
圖21是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的被用作“或”門的MLD的操作機(jī)理的時序圖。
參照圖21，示出的是從第一電流源S1和第二電流源S2的每個施加到MTJ胞42的時變電流脈沖，以及MTJ胞42根據(jù)該電流變化的極化狀態(tài)的改變。這里，在第一周期P1期間的電流脈沖表示用于使MTJ胞42在初始點(diǎn)具有平行極化狀態(tài)的電流。在第二周期P2期間的電流脈沖表示與施加到第一端子50和第二端子52的-Ic/2相應(yīng)的每個電流。此外，在第三周期P3期間的電流脈沖表示分別與施加到第一端子50的-Ic/2和第四端子62的+Ic/2相應(yīng)的每個電流。另外，在第四周期P4期間的電流脈沖使分別與施加到第三端子60的+Ic/2和第二端子52的-Ic/2相應(yīng)的每個自旋極化電流。最后，在第五周期P5期間的電流脈沖表示分別與施加到第三端子60和第四端子62的+Ic/2相應(yīng)的每個自旋極化電流。
從圖21顯然可知，MTJ胞42的阻抗只有在第五周期P5內(nèi)才變得高。即，只有在施加到MTJ胞42的兩個信號的每個分別是“0”的情況下，MTJ胞42的極化狀態(tài)才會改變，這表示MLD執(zhí)行與“或”門同樣的操作。
在圖21中，圓括號中的數(shù)字1和0以及符號H和L具有參照圖14所作的描述相同的意思。
下面，將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的MLD的制造方法。
圖22至圖25是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的被用作“與”門的MLD的制造方法的截面圖和平面圖。
參照圖22，下磁層42a、非磁層42b和上磁層42c順次形成在第一互連部分40的預(yù)定位置上，其中，第一互連部分40是由例如金屬材料制成的導(dǎo)電互連部分。下磁層42a的磁方向被固定為圖22中的白箭頭所示的預(yù)定方向，下磁層42a可以是多層的磁層。通過使用隧道層形成非磁層42b，所述隧道層具有流入下磁層42a或上磁層42c的電子能夠通過穿隧效應(yīng)從其中穿透的預(yù)定厚度。例如，非磁層42b可以是氧化鋁(AlOx)層。通過使用預(yù)定的磁物質(zhì)來形成上磁層42c，所述預(yù)定的磁物質(zhì)具有這樣的特性可根據(jù)從外部施加的預(yù)定強(qiáng)度的磁場或者從其中穿透的預(yù)定的自旋極化電流而容易地改變磁方向。
然后，參照圖23A，第二互連部分44形成在上磁層42c上，其中第二互連部分44的寬度可與上磁層42c的寬度相同。然而，如果需要的話，第二互連部分44的寬度可以比上磁層42c的寬度窄。第二互連部分44與第一互連部分交叉結(jié)合。這在作為圖23A的平面圖的圖23B中被描述。
然后，參照圖24A和24B，第一互連部分40的一端和第二互連部分44的一端被連接到第一電流源S1。此外，第一互連部分40的另一端和第二互連部分44的另一端連接到第二電流源S2。
接著，參照圖25，通過第一電流源S1施加+Ic/2的預(yù)定電流，使得+Ic/2的預(yù)定電流在第一互連部分40和第二互連部分44之間從上磁層42c流到下磁層42a。同時，通過第二電流源S2施加+Ic/2的預(yù)定電流，使得+Ic/2的預(yù)定電流在第一互連部分40和第二互連部分44之間從上磁層42c流到下磁層42a。由于由第一電流源S1和第二電流源S2施加的電流，導(dǎo)致上磁層42c的磁方向與下磁層42a的磁方向相反，使得MTJ胞42的極化狀態(tài)變?yōu)榉聪蚱叫袪顟B(tài)。這就完成了用于用作“與”門的MLD的制造方法。
圖26是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于用作“或”門的MLD的制造方法的截面示圖。
參照圖26，由于用于形成第一互連部分40、第二互連部分44和MTJ胞42的過程，以及用于將第一電流源S1和第二電流源S2連接到第一互連部分40和第二互連部分44的過程與用于用作“與”門的MLD的制造方法的過程相似，因此這里省略對它們的描述。
然后，通過第一電流源S1施加預(yù)定電流，使得該預(yù)定電流在第一互連部分40和第二互連部分44之間從下磁層42a流到上磁層42c。同時，通過第二電流源S2施加預(yù)定電流，使得該預(yù)定電流在第一互連部分40和第二互連部分44之間從下磁層42a流到上磁層42c。由于由第一電流源S1和第二電流源S2施加的電流，導(dǎo)致上磁層42c的磁方向被排列為與下磁層42a的磁方向平行，從而MTJ胞42的極化狀態(tài)變?yōu)槠叫袪顟B(tài)。這就完成了用于用作“或”門的MLD的制造方法。
因此，根據(jù)上磁層42c的初始磁方向可將MLD用作“與”門或“或”門。由于可通過由第一電流源S1和第二電流源S2施加的電流而容易地改變上磁層42c的磁方向，所以可改變MLD的操作作用或功能。
同時，盡管最好是通過由電流源S1和S2提供的電流來改變上磁層42c的磁方向，但是也可使用由為了將MLD用作“與”門或“或”門而準(zhǔn)備的附加的磁場發(fā)生器產(chǎn)生的預(yù)定磁場來改變上磁層42c的磁方向。
此外，在MLD的讀取操作中，具有不影響上磁層42c的磁方向的預(yù)定強(qiáng)度的電流被施加到MTJ胞，使得可維持非易失狀態(tài)。如果上磁層42c的磁方向在MLD的讀取操作中改變，則可通過更新處理來維持非易失狀態(tài)。
如上所述，通過簡單地調(diào)整MTJ胞的上磁層的磁方向來將本發(fā)明的MLD用作“與”門或“或”門。因此，可根據(jù)期望的用于來選擇地設(shè)計(jì)MLD。此外，MLD具有簡單結(jié)構(gòu)，并且可容易而簡單地制造。另外，由于上磁層的磁方向不受磁場控制而受自旋極化的電流控制，因此，可通過控制施加到MTJ胞的電流來準(zhǔn)確地控制上磁層的磁方向。而且，本發(fā)明的MLD可被實(shí)現(xiàn)為僅僅一個胞，從而可獲得高集成裝置。
雖然已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是應(yīng)該將這些實(shí)施例理解為描述意義上的，而不是為了限制的目的。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以修改MTJ胞的構(gòu)造，使得上磁層42c形成在MTJ胞的底面，而下磁層42a形成在MTJ胞的頂面上。因此，本發(fā)明的范圍不是由本發(fā)明的詳細(xì)描述來限定的，而是由權(quán)利要求限定，該范圍內(nèi)的所有變型都應(yīng)該理解為包括在本發(fā)明中。
權(quán)利要求
1.一種磁邏輯裝置，包括第一互連部分；下磁層，形成在所述第一互連部分上，所述下磁層的磁方向被固定為預(yù)定方向；非磁層，形成所述下磁層上；上磁層，形成在所述非磁層上，所述上磁層的磁方向與下磁層的磁方向平行或者反向平行；第二互連部分，形成在所述上磁層上。
2.如權(quán)利要求1所述的磁邏輯裝置，其中，第一電流置于所述第一互連部分的一端和所述第二互連部分的一端之間，第二電流置于所述第一互連部分的另一端和所述第二互連部分的另一端之間。
3.如權(quán)利要求1所述的磁邏輯裝置，其中，所述下磁層包含多個磁層。
4.如權(quán)利要求1所述的磁邏輯裝置，還包括所述上磁層和所述第二互連部分之間的覆蓋層。
5.如權(quán)利要求1所述的磁邏輯裝置，其中，所述非磁層包含隧道層和非磁金屬層之一。
6.一種磁邏輯裝置，包括第一互連部分；下磁層，形成所述第一互連部分上；非磁層，形成在所述下磁層上；上磁層，形成在所述非磁層上，所述上磁層的磁方向被固定為預(yù)定方向；第二互連部分，形成在所述上磁層上，其中，所述下磁層的磁方向與所述上磁層的磁方向平行或反向平行。
7.如權(quán)利要求6所述的磁邏輯裝置，其中，第一電流源置于所述第一互連部分的一端和所述第二互連部分的一端之間，第二電流源置于所述第一互連部分的另一端和所述第二互連部分的另一端之間。
8.如權(quán)利要求6所述的磁邏輯裝置，其中，所述上磁層包含多個磁層。
9.如權(quán)利要求6所述的磁邏輯裝置，還包括所述上磁層和所述第二互連部分之間的覆蓋層。
10.如權(quán)利要求6所述的磁邏輯裝置，其中，所述的非磁層包括隧道層和非磁金屬層之一。
11.一種制造磁邏輯裝置的方法，所述方法包括在第一互連部分上形成下磁層，所述下磁層的磁方向被固定為預(yù)定方向；在所述下磁層上順次形成非磁層和上磁層；在所述上磁層上形成第二互連部分；將上磁層的磁方向排列為與下磁層的磁方向平行或者反向平行。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，將所述第一互連部分的一端和所述第二互連部分的一端連接到第一電流源，將所述第一互連部分的另一端和所述第二互連部分的另一端連接到第二電流源。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述上磁層的磁方向的排列還包括將至少Ic/2的電流從所述第一電流源施加到所述第一互連部分的一端，同時將至少Ic/2的電流從所述第二電流源施加到所述第一互連部分的另一端，使得所述上磁層的磁方向變得與所述下磁層的磁方向平行，其中，所述Ic是將所述上磁層的磁方向反向所需的臨界電流。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述上磁層的磁方向的排列還包括將至少Ic/2的電流從所述第一電流源施加到所述第二互連部分的一端，同時將至少Ic/2的電流從所述第二電流源施加到所述第二互連部分的另一端，使得所述上磁層的磁方向變得與所述下磁層的磁方向反向平行，其中，所述Ic是將所述上磁層的磁方向反向所需的臨界電流。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述上磁層的磁方向的排列還包括將預(yù)定強(qiáng)度的磁場施加到所述上磁層，使得所述上磁層的磁方向變得與所述下磁層的磁方向平行或反向平行。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述的非磁層由隧道層和非磁金屬層之一形成。
17.一種制造磁邏輯裝置的方法，所述方法包括在第一互連部分上順次形成下磁層和非磁層；在所述非磁層上形成上磁層，所述上磁層的磁方向被固定為預(yù)定方向；在所述上磁層上形成第二互連部分；將所述下磁層的磁方向排列為與所述上磁層的磁方向平行或者反向平行。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第一互連部分的一端與所述第二互連部分的一端被連接到第一電流源，所述第一互連部分的另一端和所述第二互連部分的另一端被連接到第二電流源。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述下磁層的磁方向的排列還包括將至少Ic/2的電流從所述第一電流源施加到所述第一互連部分的一端，同時將至少Ic/2的電流從所述第二電流源施加到所述第一互連部分的另一端，使得所述下磁層的磁方向變得與所述上磁層的磁方向反向平行，其中，所述Ic是將所述下磁層的磁方向反向所需的臨界電流。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述下磁層的磁方向的排列還包括將至少Ic/2的電流從所述第一電流源施加到所述第二互連部分的一端，同時將至少Ic/2的電流從所述第二電流源施加到所述第二互連部分的另一端，使得所述下磁層的磁方向變得與所述上磁層的磁方向平行，其中，所述Ic是將所述下磁層的磁方向反向所需的臨界電流。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述下磁層的磁方向的排列還包括將預(yù)定強(qiáng)度的磁場施加到所述下磁層，使得所述下磁層的磁方向變得與所述上磁層的磁方向平行或反向平行。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述非磁層由隧道層和非磁金屬層之一形成。
23.一種磁邏輯裝置的操作方法，所述的磁邏輯裝置包括第一互連部分；下磁層，形成在所述第一互連部分上，所述下磁層的磁方向被固定為預(yù)定方向；非磁層，形成在所述下磁層上；上磁層，形成在所述非磁層上，所述上磁層的磁方向與所述下磁層的磁方向平行或反向平行；第二互連部分，形成在所述上磁層上，所述方法包括將至少Ic/2的電流施加到從第一至第四端子中選擇的兩個端子上，其中，所述第一互連部分的一端和另一端分別相應(yīng)于所述第一端子和第二端子，所述第二互連部分的一端和另一端分別相應(yīng)于所述第三端子和第四端子，其中，所述Ic是將所述上磁層的磁方向反向所需的臨界電流。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述的非磁層包括隧道層和非磁金屬層之一。
25.一種磁邏輯裝置的操作方法，所述磁邏輯裝置包括第一互連部分、順次形成在所述第一互連部分上的下磁層、非磁層和上磁層、以及形成在所述上磁層上的第二互連部分，其中，所述下磁層的磁方向與其磁方向被固定為預(yù)定方向的上磁層的磁方向平行或反向平行，所述方法包括將至少Ic/2的電流施加到從第一至第四端子中選擇的兩個端子上，其中所述第一互連部分的一端和另一端分別相應(yīng)于所述第一端子和第二端子，第二互連部分的一端和另一端分別相應(yīng)于所述第三端子和第四端子，其中，所述Ic是將所述下磁層的磁方向反向所需的臨界電流。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述非磁層包括隧道層和非磁金屬層之一。
全文摘要
提供了一種MLD(磁邏輯裝置)以及制造和操作該磁邏輯裝置的方法。所述MLD包括第一互連部分；下磁層，形成在所述第一互連部分上，所述下磁層的磁方向被固定為預(yù)定方向；非磁層，形成在所述下磁層上；上磁層，形成在所述非磁層上，所述上磁層的磁方向與所述下磁層的磁方向平行或反向平行；第二互連部分，形成在所述上磁層上。第一電流源置于第一互連部分的一端和第二互連部分的一端之間，第二電流源置于第一互連部分的另一端和第二互連部分的另一端之間。
文檔編號H01L43/00GK1805166SQ200510135660
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者金成棟, 金恩植, 丁柱煥, 高亨守, 閔桐基, 樸弘植, 洪承范 申請人:三星電子株式會社