1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine magnetische
Speichervorrichtung, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie einen
integrierten Schaltkreis unter Verwendung mehrerer derartiger magnetischer
Speichervorrichtungen, und insbesondere betrifft sie eine magnetische
Speichervorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen
sowie einen integrierten Schaltkreis unter Verwendung derartiger
magnetischer Speichervorrichtungen, wobei die magnetische Speichervorrichtung
eine nichtflüchtige
magnetische Speichervorrichtung ist, die Information unter Verwendung
einer Änderung
des Widerstands abhängig davon
speichert, ob die Spinrichtung eines ferromagnetischen Materials
parallel oder antiparallel ist.
2. Beschreibung der einschlägigen Technik
Einhergehend mit einer extrem weiten
Verbreitung von Kommunikationsgeräten, insbesondere persönlichen
digitalen Assistenten wie Mobilterminals, sind für Speichervorrichtungen und
Logikbauteile, die diese Geräte
aufbauen, höhere
Integration, höhere
Geschwindigkeit, geringerer Energieverbrauch und dergleichen erforderlich.
Insbesondere wird in unserem Allgegenwarts-Zeitalter ein nichtflüchtiger
Speicher als unabdingbares Bauteil angesehen. Im Fall einer schwachen
Spannung, bei Schwierigkeiten der Spannungsversorgung oder beim
Abschalten einer Übertragungsstrecke
zwischen einem Server und einem Netzwerk durch einen Fehler oder
dergleichen kann ein nichtflüchtiger Speicher
wichtige persönliche
Information schützen. Außerdem wurden
diese Techniken in Zusammenhang mit hoher Dichte und großer Kapazität als Technik
zum Ersetzen von Festplatten und optischen Platten wesentlich, für die wegen
des Vorliegens beweglicher Teile eine Miniaturisierung von Geräten im Wesentlichen
unmöglich
ist.
Ferner sind jüngere Mobilgeräte so konzipiert,
dass sie den Energieverbrauch so stark wie möglich unter Verwendung eines
Bereitschaftsmodus fü einen überflüssigen Schaltungsblock
einschränken,
und demgemäß ist es
möglich,
wenn ein nichtflüchtiger
Speicher realisiert wird, in dem ein Speicher eines Hochgeschwindigkeits-Netzwerks und
ein Speicher mit großem
Speichervermögen kombiniert
werden können,
möglich,
Energie einzusparen und überflüssigen Speicher
wegzulassen. Ferner wird es, wenn ein derartiger nichtflüchtiger Speicher
mit hoher Geschwindigkeit und großer Kapazität realisiert wird, möglich, eine
sogenannte Sofort-Ein-Funktion auszuführen, die so arbeitet, dass unmittelbar
nach dem Einschalten der Spannung gestartet wird.
Als nichtflüchtiger Speicher befinden sich derzeit
ein Flashspeicher unter Verwendung eines Halbleiters, ein FRAM (Ferroelectric
Random Access Memory) unter Verwendung eines ferromagnetischen Materials
und dergleichen auf dem Markt, und es wurde auf aktive Weise Forschung
und Entwicklung für
höheres
Funktionsvermögen
ausgeführt.
In jüngerer
Zeit wurde versuchsweise ein als MRAM (Magnetic Random Access Memory) oder
als MR(Magnetic Resistance)-Speicher bezeichneter magnetischer Speicher
unter Verwendung eines Tunnel-Magnetowiderstandseffekts hergestellt,
und er hat als neuer Typ eines nichtflüchtigen Speichers unter Verwendung
eines magnetischen Materials Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Als
Beispiel wird auf eine Nicht-Patentveröffentlichung 1 (Peter K. Naji, Mark
Durlam, Saied Tehrani, John Calder, Mark F. DeH-errera, "A 256kb 3.0V 1T1MTJ Nonvolatile Magnetoresistive
RAM", 2001 IEEE
International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical
Papers, (2001). S. 122-123) verwiesen. Ein MRAM ist hinsichtlich
des Direktzugriffsbetriebs, der Anzahl von Umschreiboperationen
und Hochgeschwindigkeitsbetrieb besser ein als MRAM und er ist hinsichtlich
der Anzahl der Umschreiboperationen auch besser als ein FeRAM. Außerdem werden
sowohl hohe Integration wie bei einem DRAM als auch hohe Geschwindigkeit
wie bei einem SRAM erwartet, so dass ein MRAM die Möglichkeit
hat, einen eingebetteten Speicher für ein System-LDD zu ersetzen.
Ein MRAM verfügt über eine Struktur, bei der winzige
magnetische Bauteile zum Aufzeichnen von Information regelmäßig angeordnet
sind und ein Schreibvorgang ausgeführt wird, um auf jedes derselben
zuzugreifen. Nun wird ein üblicher
MRAM (Magnetic Random Access Memory) unter Bezugnahme auf eine schematische
perspektivische Ansicht erläutert,
die in der 7 vereinfacht
einen Hauptteil zeigt. In der 7 ist
der Einfachheit halber ein Ausleseschaltungsabschnitt weggelassen.
Wie es in der 7 dargestellt ist, ist eine Gateelektrode
(Lesewortleitung) 26 auf einem Halbleitersubstrat (z. B.
p-Halbleitersubstrat) 21 mittels
eines Gateisolierfilms (nicht dargestellt) ausgebildet, und auf
dem Halbleitersubstrat 21 sind zu beiden Seiten der Gateelektrode 26 Diffusionsschichtgebiete
(z. B. n+-Diffusionsschichtgebiet) 27 und 28 so
ausgebildet, dass sie einen Auswähl-Feldeffekttransistor 24 konfigurieren.
Der oben genannte Feldeffekttransistor 24 wirkt als Schaltelement
für eine
Ausleseoperation. Es ist möglich,
statt dessen verschiedene Schaltelemente wie Dioden, Bipolartransistoren
und dergleichen zusätzlich
zu n- oder p-Feldeffekttransistoren
zu verwenden.
Im Diffusionsschichtgebiet 27 des
oben genannten Feldeffekttransistors 24 ist ein Kontakt
(z. B. Wolframkontaktpfropfen, was jedoch nicht dargestellt ist)
ausgebildet, und ferner ist eine Leseleitung (nicht dargestellt)
ausgebildet, die mit diesem Kontakt verbunden sein soll. Außerdem ist
im Diffusionsschichtgebiet 28 des oben genannten Feldeffekttransistors 24 ein
Kontakt (z. B. Wolframkontaktpfropfen) 30 ausgebildet.
Ein Ende der unteren Elektrode (Nebenschlussleitung) 17 ist
mit dem oben genannten Kontakt 30 verbunden, und das andere
Ende derselben ist mit einer Speicherzelle (z. B. TMR-Bauteil) 13 mit einem
magnetischen Tunnelübergang
(nachfolgend als MTJ bezeichnet) verbunden. Außerdem sind unter der Speicherzelle 13 eine
Schreibwortleitung 11 mittels der unteren Elektrode 17 und
ein Isolierfilm (nicht dargestellt) ausgebildet. Die oben genannte untere
Elektrode 17 besteht aus einem leitenden Material, und
sie kann durch eine Schichtstruktur aus einer leitenden Schicht
und einer antiferromagnetischen Schicht oder in einem Zustand hergestellt
werden, in dem eine magnetisch fixierte Schicht extensiv ausgebildet
ist.
Die oben genannte Speicherzelle 13 ist
auf der oben genannten antiferromagnetischen Schicht (nicht dargestellt)
und auch über
der oben genannten Schreibwortleitung 11 ausgebildet, und
sie ist so konfiguriert, dass sie eine unmagnetische Abstandsschicht
(Tunnelisolierschicht) 303 zwischen einer ferromagnetisch
fixierten Schicht 302 und einer ferromagnetisch freien
Schicht (Speicherschicht) 304, in der sich die Magnetisierung
leicht drehen kann, einbettet. Ferner ist auf der Speicherzelle 13 eine Schutzschicht
(nicht dargestellt) ausgebildet. Außerdem ist eine Bitleitung 12 so
ausgebildet, dass sie auf der Oberseite der oben genannten Speicherzelle 13 angeschlossen
ist und dreidimensional (z. B. rechtwinklig) die oben genannte Schreibwortleitung 11 schneidet,
während
sie die oben genannte Speicherzelle 13 einbettet.
Bei der auf die obige Weise aufgebauten
magnetischen Speichervorrichtung wird eine Schreiboperation dadurch
ausgeführt,
dass die Magnetisierungsrichtung der Speicherzelle 13 auf
Grundlage eines zusammengesetzten Magnetfelds kontrolliert wird,
das durch einen Strom hervorgerufen wird, der sowohl durch die Schreibwortleitung 11 als
auch die Bitleitung 12 fließt. Bei der Ausleseoperation
wird durch den Feldeffekttransistor 24 eine Zellenauswahl ausgeführt, und
die Differenz der Magnetisierungsrichtungen wird als Differenz einer
Signalspannung auf Grundlage des Magnetowiderstandseffekts der Speicherzelle 13 erfasst.
In diesem Fall können
verschiedene Transistoren, wie Feldeffekttransistoren, und Dioden
als Auswählbauteile
für die
Ausleseoperation verwendet werden.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme
auf ein in der 8 dargestelltes
schematisches Schaltbild ein MRAM-Zellenarray beschrieben, bei dem
an Hand der 7 beschriebene
magnetische Speichervorrichtungen mit bestimmter Regelmäßigkeit angeordnet
sind.
Wie es in der 8 dargestellt ist, sind die magnetischen
Speichervorrichtungen mit jeweils der unter Bezugnahme auf die 7 beschriebenen Konfiguration
durch eine Lesewort leitung 26, eine Schreibwortleitung 11 und
eine Bitleitung 12 in Matrixform verbunden. Das heißt, dass
in der Speicherzelle 13 jeder der magnetischen Speichervorrichtungen
die Seite der fixierten Schicht der Speicherzelle 13 mit
einer der Diffusionsschichten des Feldeffekttransistors 24 verbunden
ist, während
die Seite ihrer freien Schicht mit der Bitleitung 12 verbunden
ist. Außerdem
ist die andere der Diffusionsschichten des Feldeffekttransistors 24 mit
Masse verbunden, und seine Gateelektrode ist mit der Lesewortleitung 26 verbunden.
Ferner schneidet die Schreibwortleitung 11 die Bitleitung 12 dreidimensional
(rechtwinklig), und sie ist unter der Seite der festen Schicht der Speicherzelle 13 vorhanden.
Beim oben beschriebenen MRAM wird
die zugehörige
Schreiboperation dadurch ausgeführt, dass
die Magnetisierungsrichtung der ins Auge gefassten Speicherzelle 13,
wo sich die Schreibwortleitung 11 und die Bitleitung 12 schneiden,
durch ein zusammengesetztes Magnetfeld kontrolliert wird, das dadurch
hervorgerufen wird, dass sowohl durch die Schreibwortleitung 11 als
auch die Bitleitung 12 ein Strom geschickt wird. Für eine Ausleseoperation
betreffend die in der Speicherzelle abgespeicherte Information wird
ein Transistor verwendet. Das heißt, dass es möglich ist,
in der ins Auge gefassten Zelle, wo sich die Schreibwortleitung 11 und
die Bitleitung 12 einander schneiden, gespeicherte Information
dadurch auszulesen, dass die Lesewortleitung 26, mit der
die ins Auge gefasste Zelle verbunden ist, auf einen hohen Pegel
(ein) gesetzt wird und eine Spannungsänderung an der Bitleitung 12 erfasst
wird. In diesem Fall kennzeichnet das Potenzial der Bitleitung 12 einen
Wert, der proportional zum Magnetowiderstand ist (ΔR), der durch
die Magnetisierungsrichtung der Speicherzelle 13 bestimmt
ist.
Bei einer Zelle mit MTJ ist die Magnetisierungsrichtung
der ferromagnetisch fixierten Schicht durch eine antiferromagnetische
Schicht fixiert. Eine Schreiboperation wird dadurch ausgeführt, dass
die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetisch freien Schicht durch
das aktuelle Magnetfeld gedreht wird, das durch die Wortleitung
und eine Bitleitung erzeugt wird. In einer Zelle mit MTJ ändert sich
der Magnetowiderstand abhängig
vom Magnetisierungswinkel mittels einer ferromagnetisch freien Schicht
und einer ferromagnetisch fixierten Schicht. Der Wert des Magnetowiderstands
wird maximal, wenn die zwei Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetisch
fixierten Schicht und der ferromagnetisch freien Schicht antiparallel
sind, und er wird minimal, wenn diese Magnetisierungsrichtungen
parallel sind. Im Allgemeinen werden die obigen unterschiedlichen
Magnetisierungsbedingungen entsprechend der Information [0] und
der Information [1] gespeichert. Im Fall einer Ausleseoperation
wird dieser Unterschied des Magnetowiderstandswerts als unterschiedliches
Spannungssignal erfasst.
Um den in der 8 dargestellten MRAM stabil zu betreiben,
ist es wesentlich, eine Schwankung im Schaltmagnetfeld jeder Zelle
zu unterdrücken.
Dieses Schaltmagnetfeld hängt
von der Koerzitivfeldstärke
(Hc) der ferromagnetisch freien Schicht und dem Zwischenschicht-Kopplungsmagnetfeld
(Hf) ab, wie es zwischen der ferromagnetisch fixierten Schicht und
der ferromagnetisch freien Schicht wirkt. Hinsichtlich eines Verfahrens
zum Verringern einer Variation des Zwischenschicht-Kopplungsmagnetfelds
(Hf) existiert bereits eine Beschreibung in einer Patentanmeldung.
Beispielsweise kann auf die japanische Patentanmeldung 2002-091259
(offengelegt als OP2002-091259) Bezug genommen werden. Dieses offengelegte
Patent beschreibt, dass eine MTJ-Zelle mit besserer Flachheit dadurch
erzielt wird, dass ein mittlerer Korndurchmesser (30 nm oder weniger)
von Kristallkörnern
und die Kristallorientierung (keine Orientierung) entweder der antifer romagnetischen
Schicht oder der ferromagnetisch fixierten Schicht innerhalb der
Zelle mit MTJ festgelegt werden, und im Ergebnis ist es möglich, das
Zwischenschicht-Kopplungsmagnetfeld (Hf) zwischen der ferromagnetisch
fixierten Schicht und der ferromagnetisch freien Schicht auf einen
kleinen Wert zu unterdrücken
und ferner die Schwankungsverteilung im Zwischenschicht-Kopplungsmagnetfeld
(Hf) jeder Zelle herabzudrücken.
Andererseits wird hinsichtlich des Schwankungsfaktors der Koerzitivfeldstärke (Hc) auf
die Möglichkeit
einer Abhängigkeit
im Wesentlichen von der Form der Zelle mit MTJ hingewiesen. Als
Beispiel kann auf eine Nicht-Patentanmeldung
2 (Ricardo C. Sousa and Paulo P. Freitas, "Dynamic Switching of Tunnel Junction
MRAM Cell with Nanosecond Field Pulses", IEEE Transactions, (2000), Vol. 36,
No. 5, S. 2770 – 2772)
Bezug genommen werden. Jedoch wird im Fall der Herstellung eines tatsächlichen
MRAM-Bauteils, obwohl die Formen der Zellen mit MTJ beinahe gleich
ausgebildet sind, immer noch eine Variation der Koerzitivfeldstärke (Hc)
beobachtet, und demgemäß ist es
nahegelegt, dass die Möglichkeit
eines anderen Faktors existiert.
Herkömmlicherweise ist für eine MTJ-Zelle mit
einer antiferromagnetischen Schicht, einer ferromagnetisch fixierten
Schicht, einer unmagnetischen Abstandsschicht und einer ferromagnetisch
freien Schicht der Grund nicht vollständig geklärt, der eine Schwankung der
Koerzitivfeldstärke
(Hc) der ferromagnetisch freien Schicht bewirkt.
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung
hat herausgefunden, dass ein Kontaktwinkel α einer oberen Elektrode (Bitleitung),
die mit einer Zelle mit MTJ verbunden ist, ein wichtiger Parameter
als Faktor zum Erhöhen
der Schwankung der Koerzitivfeldstärke (Hc) ist. Demgemäß ist durch
die vorlie gende Erfindung eine magnetische Tisch-Speichervorrichtung ohne
jeglichen Schreibfehler dadurch geschaffen, dass der Faktor beseitigt
ist, der eine derartige Schwankung der Koerzitivfeldstärke (Hc)
verursacht, um diese Schwankung der Koerzitivfeldstärke (Hc) zu
verringern und die Schaltcharakteristik eines Bits des MRAM zu verbessern.
Demgemäß betrifft die Erfindung eine
magnetische Speichervorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer
derartigen magnetischen Speichervorrichtung sowie einen integrierten
Schaltkreis mit derartigen magnetischen Speichervorrichtungen, um die
oben genannten Probleme zu lösen.
Die erfindungsgemäße magnetische Speichervorrichtung
verfügt über eine
erste Leiterbahn, eine diese schneidende zweite Leiterbahn und eine Speicherzelle
zum Einschreiben/Lesen von Information mit einem magnetische Spin
im Schnittgebiet zwischen der ersten und der zweiten Leiterbahn,
wobei ein Seitenwand-Teilabschnitt der zweiten Leiterbahn in elektrischer
Verbindung mit der Speicherzelle, mit nach vorne verjüngter Form
mit einem Kontaktwinkel zur Oberseite der Speicherzelle von 45° oder mehr
ausgebildet ist.
Bei der oben genannten magnetischen
Speichervorrichtung ist der Seitenwand-Teilabschnitt der zweiten
Leiterbahn, in elektrischer Verbindung mit der Speicherzelle, mit
nach vorne verjüngter
Form mit einem Kontaktwinkel zur Oberfläche der Speicherzelle von 45° oder mehr
ausgebildet, so dass der Abstand zwischen der Oberseite der Speicherzelle und
der zweiten Leiterbahn gewährleistet
ist und die Speicherzelle hinsichtlich eines Empfangs einer Störung des
durch die zweite Leiterbahn erzeugten externen Magnetfeld vorzugsweise
hart ist, wodurch im Ergebnis eine magnetische Domäne an der
Oberseite der Speicherzelle stabil wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen
einer magnetischen Speichervorrichtung verfügt über einen Schritt des Herstellens
einer Leiterbahn, einen Schritt des Herstellens eines Resistmusters
auf einem Gebiet, in dem eine aus einem Stapelfilm bestehende Speicherzelle
hergestellt wird, nachdem auf der ersten Leiterbahn mittels eines
Isolierfilms der Stapelfilm hergestellt wurde, um die Speicherzelle
zum Schreiben/Lesen von Information eines magnetischen Spins auszubilden,
einen Schritt des Herstellens der Speicherzelle durch Strukturieren
des Stapelfilms durch Ätzen
unter Verwendung des Resistmusters als Maske, einen Schritt des
Herstellens einer Isolierschicht, während das Resistmuster auf
der Speicherzelle belassen wird, einen Schritt des Herstellens einer Öffnung auf
der Speicherzelle durch Entfernen der auf der Isolierschicht ausgebildeten
Isolierschicht gemeinsam mit dem Resistmuster, und einen Schritt
des Herstellens einer zweiten Leiterbahn in elektrischer Verbindung
mit der Speicherzelle durch die Öffnung
hindurch, die die erste Leiterbahn dreidimensional schneidet, während sie die
Speicherzelle einbetten, wobei die Seitenwand der Öffnung mit
nach vorne verjüngter
Form mit einem Kontaktwinkel zur Oberseite der Speicherzelle von
45 Grad oder mehr ausgebildet ist.
Beim Verfahren zum Herstellen der
oben genannten magnetischen Speichervorrichtung wird die Seitenwand
der Öffnung
mit nach vorne verjüngter Form
mit einem Kontaktwinkel zur Oberseite der Speicherzelle von 45 Grad
oder mehr ausgebildet, und sie wird so ausgebildet, dass der Abstand
zwischen der Oberseite der Speicherzelle und der zweiten Leiterbahn,
und die Speicherzelle ist hinsichtlich des Empfangs einer Störung des
von der zweiten Leiterbahn erzeugten externen Magnetfelds vorzugsweise
hart. Im Ergebnis ist die magnetische Domäne an der Oberseite der Speicherzelle
stabil gemacht.
Der erfindungsgemäße integrierte Schaltkreis
mit magnetischen Speichervorrichtungen verfügt über mehrere integrierte magnetische
Speichervorrichtungen mit jeweils einer ersten Leiterbahn, einer
zweiten Leiterbahn, die die erste Leiterbahn dreidimensional schneidet,
und einer Speicherzelle im Schnittstellengebiet zwischen der ersten
und der zweiten Leiterbahn, um Information eines magnetischen Spins
zu schreiben/zu lesen, wobei ein Seitenwand-Teilabschnitt der zweiten
Leiterbahn für
elektrische Verbindung mit der Speicherzelle mit nach vorne verjüngter Form
mit einem Kontaktwinkel zur Oberseite der Speicherzelle von 45 Grad
oder mehr ausgebildet ist.
Der integrierte Schaltkreis mit den
oben genannten magnetischen Speichervorrichtungen ist eine integrierte
Form der erfindungsgemäßen magnetischen
Speichervorrichtungen, so dass derselbe Betrieb und dieselben Effekte
wie bei der erfindungsgemäßen magnetischen
Speichervorrichtung erhalten werden.
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
1 ist
eine von Ausführungsformen
erfindungsgemäßer magnetischen
Speichervorrichtungen, und es handelt sich um eine schematische Schnittansicht
zum Darstellen eines Teils in Verbindung mit einer zweiten Leiterbahn
(Bitleitung) und einer Speicherzelle;
2 ist
eine schematische Schnittansicht, die eines von Konfigurationsbeispielen
der Speicherzelle zeigt;
3A und 3B sind schematische Schnittansichten,
die eine Ausführungsform
und ein Vergleichsbeispiel zur Erfindung zeigen;
4 ist
ein Kurvenbild, das eine Beziehung zwischen einer Koerzitivfeldstärke und
einem Kontaktwinkel α der
fixierten Schicht angibt;
5A, 5B und 5C sind schematische Schnittansichten,
die eine von Filmstrukturen der Speicherzelle zeigen;
6A bis 6G bilden eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Herstellen einer magnetischen Speichervorrichtung, und sie zeigen
Schnittansichten in Herstellprozessen für den Verbindungsabschnitt
der zweiten Leiterbahn (Bitleitung) und der Speicherzelle;
7 ist
eine schematische, perspektivische Ansicht der magnetischen Speichervorrichtung;
und
8 ist
ein schematisches Schaltbild, das eine Ausführungsform des integrierten
Schaltkreises mit mehreren magnetischen Speichervorrichtungen angibt.
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird eine Ausführungsform
betreffend die erfindungsgemäße magnetische
Speichervorrichtung beschrieben. Die erfindungsgemäße magnetische
Speichervorrichtung verfügt über die
in der 7 angegebene
Konfiguration, und sie ist speziell in einem Verbindungsabschnitt
einer zweiten Leiterbahn (Bitleitung) 12 und einer Speicherzelle 13 gekennzeichnet.
Nachfolgend wird der charakteristische Verbindungsabschnitt unter
Bezugnahme auf die in der 1 dargestellte
schematische Schnittansicht beschrieben.
Wie es in der 1 dargestellt ist, ist die Speicherzelle 13 mit
einem MTJ (magnetischer Tunnelübergang)
auf einer unteren Elektrode 17 ausgebildet. Im Allgemeinen
ist auf der Speicherzelle 13 eine leitende Schutzschicht
ausgebildet, was jedoch nicht dargestellt ist. Am Umfang der Speicherzelle 13 ist
ein Isolierfilm 41 ausgebildet, und ferner ist eine Öffnung 42 so
ausgebildet, dass sie die Oberseite der Speicherzelle 13 freilegt.
Der Isolierfilm 41 besteht z. B. aus Aluminiumoxid, oder
es kann ein Isolierfilm auf Siliciumbasis sein, wie ein Siliciumoxidfilm.
Die oben genannte Öffnung 42 wird
so hergestellt, dass ihre Seitenwand 42S eine nach vorne
verjüngte
Form mit einem Neigungswinkel α zur
Oberseite 13S der Speicherzelle 13 von 45 Grad
oder mehr aufweist. Ferner ist auf dem oben genannten Isolierfilm 41 die
zweite Leiterbahn (Bitleitung) 12, die die erste Leiterbahn
(Schreibwortleitung) dreidimensional (z. B. rechtwinklig) schneidet,
was jedoch nicht dargestellt ist, wobei die oben genannte Speicherzelle 13 eingebettet
ist, so hergestellt, dass die zweite Leiterbahn (Bitleitung) 12 durch
die Öffnung 42 mit dem
oberen Teil der Speicherzelle 13 verbunden ist. Demgemäß nimmt
der durch die Seitenwand 12S des Verbindungsabschnitts 12C,
wo die zweite Leiterbahn (Bitleitung) 12 mit der Speicherzelle 13 verbunden
ist, und der Oberseite 13S der Speicherzelle 13 den
Wert α (nachfolgend
als Kontaktwinkel bezeichnet) ein, um eine nach vorne verjüngte Form
mit dem Kontaktwinkel von 45 Grad oder mehr zu bilden. Bei der Beschreibung
der Ausführungsform
sind der Neigungswinkel der Seitenwand 42S der Öffnung 42 und
der Kontaktwinkel der Seitenwand 12S im Verbindungsabschnitt 12C der
zweiten Leiterbahn 12 gleich, so dass hier derselbe sin α gilt.
Nun wird der Effekt beschrieben,
wie der Kontaktwinkel α der
oberen Elektrode die Schwankung der Koerzitivfeldstärke (Hc)
der freien Schicht aus einem ferromagnetischen Material der Speicherzelle 13 mit
MTJ beeinflusst.
Die Konfiguration der Speicherzelle 13 verfügt über eine antiferromagnetische
Schicht 301, eine ferromagnetisch fixierte Schicht 302,
eine unmagnetische Abstandsschicht 303, eine ferromagnetisch
freie Schicht 304 und eine Schutzschicht 309 auf
der unteren Elektrode 17, wie es in der 2 dargestellt ist, und genauer gesagt,
besteht die antiferromagnetische Schicht 301 aus Platinmangan
(PtMn), und die ferromagnetisch fixierte Schicht 302 verfügt über eine
Dreischichtstruktur mit einer ferromagnetischen Schicht aus Ferrokobalt
(CoFe), einer leitenden Schicht aus Ruthenium (Ru) und einer ferromagnetischen
Schicht aus Ferrokobalt (CoFe). Außerdem besteht eine unmagnetische
Abstandsschicht 303 aus Aluminiumoxid, eine ferromagnetisch
freie Schicht 304 bildet eine ferromagnetisch Schicht aus Ferrokobalt
(CoFe), und eine Schutzschicht 309 besteht aus Tantal (Ta).
Ferner besteht die in der 1 beschriebene
Isolierschicht 41 aus Aluminiumoxid, und die oben genannte
zweite Leiterbahn (Bitleitung) 12 besteht aus Kupfer.
Ferner wird eine Korrelation zwischen
der Schwankung der Koerzitivfeldstärke (Hc) der freien Schicht
für magnetische
Speichervorrichtungen bewertet, die durch Ändern der Prozessbedingungen hergestellt
wurden (wie der Resistform und der Filmbildungsbedingungen für den Isolierfilm 41).
Nun wird eine Ausführungsform
einer Konfiguration einer so hergestellten Vorrichtung unter Bezugnahme
auf die schematische Schnittansicht in den 3A und 3B beschrieben.
Die 3A zeigt eine Konfiguration
der Ausführungsform
der Erfindung, und die 3B zeigt
ein Vergleichsbeispiel. Die Strukturdifferenz zwischen der vorliegenden
Ausführungsform
und dem Vergleichsbeispiel liegt im Kontaktwinkel α, wie er
durch die Seitenwand 12S im Verbindungsabschnitt der zweiten
Leiterbahn (Bitleitung) 12 und der Oberseite 13S der
Speicherzelle 13 gebildet ist, und der Kontaktwinkel α bei dieser
Ausführungsform
beträgt
80 Grad, während
er beim Ver gleichsbeispiel 15 Grad beträgt.
Um die Schwankung der Koerzitivfeldstärke (Hc)
der freien Schicht quantitativ auszuwerten, wird die Schwankung
der Koerzitivfeldstärke
(Hc) der freien Schicht unten definiert. Das heißt, dass die Koerzitivfeldstärke (Hc)
zum Zeitpunkt gemessen wird, zu dem das Magnetfeld der ferromagnetisch
freien Schicht umgekehrt wird, und die so erhaltene Verteilung an
eine Normalverteilung angepasst wird. Als Schwankung der Koerzitivfeldstärke (Hc)
wird ein Wert [σ/(Mittelwert
von Hc)] definiert, der dadurch erhalten wird, dass die Streuung σ der Normalverteilung
durch den Mittelwert der Koerzitivfeldstärke (Hc) geteilt wird.
Wenn die Schwankungen der Koerzitivfeldstärke (Hc)
zwischen der Ausführungsform
und dem Vergleichsbeispiel in den 3A und 3B verglichen werden, ist
die Schwankung beim Vergleichsbeispiel in der 3B, wo der durch die Seitenwand 12S der zweiten
Leiterbahn (Bitleitung) 12 und der Oberseite 13S der
Speicherzelle 13 gebildete Kontaktwinkel α 15 Grad
ist, in Bezug auf die Schwankung bei der Ausführungsform in der 3A, bei der der durch die Seitenwand 12S der
zweiten Leiterbahn (Bitleitung) 12 und der Oberseite 13S der
Speicherzelle 13 gebildete Kontaktwinkel α 18 Grad
ist, um ungefähr
4% verbessert.
Ferner wird durch Ändern der
Prozessbedingungen (Resistform und Filmbildungsbedingungen für den Isolierfilm 41)
eine Speicherzelle 13 mit einem MTJ mit variierendem Kontaktwinkel α der zweiten Leiterbahn
(Bitleitung) 12 hergestellt.
Nun wird unter Bezugnahme auf die 4 die Korrelation zwischen
dem durch die Seitenwand 12S der zweiten Leiterbahn (Bitleitung) 12 und
der Oberseite 13S der Speicherzelle 13 gebildeten
Kontaktwinkels α und
der Schwankung der Koerzi tivfeldstärke (Hc) der freien Schicht
beschrieben. In der 4 zeigt
die vertikale Achse die Schwankung der Koerzitivfeldstärke (Hc)
als Relativwert, und die Abszissenachse zeigt den Kontaktwinkel α der zweiten Leiterbahn
(Bitleitung) 12.
Wie es in der 4 dargestellt ist, nimmt die Schwankung
der Koerzitivfeldstärke
(Hc) ab, wenn der Kontaktwinkel α zunimmt,
wie es in der 4 dargestellt
ist, und die Schwankung wird konstant, wenn der Kontaktwinkel α größer als
45 Grad wird. Demgemäß ist es
ersichtlich, dass, um eine stabile Schwankungscharakteristik hinsichtlich
der Koerzitivfeldstärke
(Hc) der freien Schicht zu erzielen, der Kontaktwinkel α der zweiten
Leiterbahn (Bitleitung) 12 zur Speicherzelle 13 über 45 Grad
betragen muss.
Der Mechanismus gemäß dem die
Schwankung der Koerzitivfeldstärke
(Hc) der freien Schicht beeinträchtigt
ist, wenn der Kontaktwinkel α abnimmt, ist
nicht vollständig
geklärt.
Ein möglicher
Grund ist der, dass dann, wenn der Kontaktwinkel α klein wird, der
Abstand zwischen der Oberseite 13S der Speicherzelle 13 und
der zweiten Leiterbahn (Bitleitung) 12 kleiner wird, so
dass die Speicherzelle 13 leicht durch die Störung des
durch die zweite Leiterbahn (Bitleitung) 12 erzeugten externen
Magnetfeld beeinflusst wird, so dass es im Ergebnis wahrscheinlich
ist, dass sie magnetische Domäne
an der Oberfläche
der Speicherzelle 13 instabil wird.
Außerdem zeigen die oben genannten
Effekte bei einer Speicherzelle, die so konfiguriert ist, wie es
in den 5A bis 5C dargestellt ist, denselben Wert
ein, wie es nachfolgend beschrieben wird.
Als Nächstes wird eine Filmstruktur
der typischen Speicherzelle 13 unter Bezugnahme auf eine in
der 5 dargestell te schematische
Schnittansicht beschrieben.
Wie es in den 5A bis 5C dargestellt
ist, besteht die Speicherzelle 13 aus einem sogenannten magnetischen
Tunnelübergang
(nachfolgend als MTJ bezeichnet) mit einer antiferromagnetischen Schicht,
einer ferromagnetisch fixierten Schicht, einer unmagnetischen Abstandsschicht
und einer ferromagnetisch freien Schicht. Abhängig von der Stapelfolge der
antiferromagnetischen Schicht, der ferromagnetisch fixierten Schicht,
der unmagnetischen Abstandsschicht und der ferromagnetisch freien Schicht
existieren Stapelstrukturen wie ein Unterseitentyp (die antiferromagnetische
Schicht befindet sich an der Unterseite), ein Oberseitentyp (die
antiferromagnetische Schicht befindet sich an der Oberseite), ein
Doppeltyp (antiferromagnetische Schichten befinden sich oben und
unten), und dergleichen.
Der in der 5A dargestellte Unterseitentyp ist so
konfiguriert, dass er über
eine Grundschicht (untere Elektrode) 300, eine antiferromagnetische Schicht 301,
eine ferromagnetisch fixierte Schicht 302, eine unmagnetische
Abstandsschicht (Tunnelisolierschicht) 303, eine ferromagnetisch
freie Schicht (Speicherschicht) 304 und eine Schutzschicht
(Deckschicht und Bitleitungselektrode) 309 verfügt, die
in dieser Reihenfolge von unten her aufgeschichtet sind.
Der in der 5B dargestellte Oberseitentyp (die antiferromagnetische
Schicht ist an der Oberseite vorhanden) ist so konfiguriert, dass
er über
eine Grundschicht (untere Elektrode) 300, eine ferromagnetisch
fixierte Schicht 302, eine unmagnetische Abstandsschicht
(Tunnelisolierschicht) 303, eine ferromagnetisch freie
Schicht (Speicherschicht) 304, eine antiferromagnetische
Schicht (305) und eine Schutzschicht (Deckschicht und Bitleitungselektrode) 309 verfügt, die
in dieser Reihenfolge von unten her aufgeschichtet sind.
Der in der 5C dargestellte Doppeltyp (antiferromagnetische
Schichten an der Ober- und der Unterseite) ist so konfiguriert,
dass er über
eine Grundschicht (untere Elektrode) 300, eine antiferromagnetische
Schicht 301, eine ferromagnetisch fixierte Schicht 302,
eine unmagnetische Abstandsschicht (Tunnelisolierschicht) 303,
eine ferromagnetisch freie Schicht (Speicherschicht) 304,
eine unmagnetische Abstandsschicht (Tunnelisolierschicht) 306,
eine ferromagnetisch fixierte Schicht 307, eine antiferromagnetische
Schicht 308 und eine Schutzschicht (Deckschicht und Bitleitungselektrode) 309 verfügt, die
in dieser Reihenfolge von unten her aufgeschichtet sind.
Die erfindungsgemäße Speichervorrichtung kann
dadurch einen integrierten Schaltkreis konfigurieren, dass die magnetischen
Speichervorrichtungen beim in der oben genannten 8 beschriebenen integrierten Schaltkreis
angewandt werden.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme
auf die schematischen Schnittansichten in den 6A bis 6G eine
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Herstellen einer magnetischen Speichervorrichtung beschrieben.
Wie es in der 6A dargestellt ist, werden, nach dem
Herstellen eines Auswählbauteils,
eine Leseleitung und ein Isolierfilm zum Bedecken derselben sowie
eine erste Leiterbahn (Schreibwortleitung) und ein Isolierfilm zum
Bedecken derselben durch eine gut bekannte Herstelltechnik für eine magnetische Speichervorrichtung,
und dann eine untere Elektrode (Nebenschlussleitung) 17 hergestellt.
Außerdem
wird ein Filmstapel 31 zum Herstellen einer Speicherzelle mit
einem MTJ hergestellt. Ferner wird, wie es in der 6B dargestellt ist, auf dem oben genannten
Filmstapel 31 ein Resistfilm 32 hergestellt. Dieser
Resistfilm 32 wird z. B. durch ein Schleuderbeschichtungsverfahren
aus einem Harz auf organischer Basis mit einer Dicke von 300 nm
hergestellt. Es ist bevorzugt, dass die Dicke des Resistfilms 32 größer als
die eines Isolierfilms ist, der später hergestellt wird.
Dann werden, wie es in der 6C dargestellt ist, Belichtungs-
und Entwicklungsvorgänge ausgeführt, um
ein Resistmuster 33 auszubilden, das als Ätzmaske
dient, wenn die Speicherzelle mit MTJ durch den oben genannten Resistfilm 32 hergestellt wird.
Danach erfolgt, wie es in der 6B dargestellt ist,
ein Strukturieren am oben genannten Filmstapel 31 unter
Verwendung des oben genannten Resistmusters 33 mittels
z. B. Argonionenfräsen,
um die Speicherzelle 13 mit MTJ auszubilden.
Dann wird, wie es in der 6E dargestellt ist, auf
der oben genannten Speicherzelle 13 ein Isolierfilm 41 hergestellt,
während
das oben genannte Resistmuster 33 verbleibt. Dieser Isolierfilm 31 wird z.
B. dadurch hergestellt, dass Aluminiumoxid mit einer Dicke von 60
nm unter Verwendung z. B. eines Sputterverfahrens aufgeschichtet
wird. Dieses Sputtern wird innerhalb einer Mischgasatmosphäre aus Sauerstoff
und Argon ausgeführt,
während
ein Aluminiumtarget verwendet wird. In diesem Fall sammelt sich
Aluminiumoxid auch auf dem Resistmuster 33 an. Danach werden
das Resistmuster 33 und der Isolierfilm 41 aus
Aluminiumoxid, der sich auf ihm angesammelt hat, durch ein Abhebeverfahren
unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels entfernt, um das
Resistmuster 33 zu entfernen. Dadurch wird, wie es in der 6F dargestellt ist, die Öffnung 42 im Isolierfilm 41 auf
der Speicherzelle 13 ausgebildet.
Der Neigungswinkel α der Seitenwand
des Resistmusters 33 und die Filmbildungsbedingungen für den Isolierfilm 41 beim
Herstellen des oben genannten Resistmusters 33 werden so
einge stellt, dass die Seitenwand 42S der Öffnung 42 einen
Neigungswinkel von α =
45 Grad oder mehr in Bezug auf die oben genannte Oberseite 13S der
Speicherzelle 13 aufweist und sie mit einer sich nach vorne
verjüngenden
Form ausgebildet wird. Der Kontaktwinkel α einer zweiten Leiterbahn (Bitleitung),
die später
ausgebildet wird, zur Oberseite der Speicherzelle 13 ist durch
den Neigungswinkel α der
Seitenwand 42S der Öffnung 42 bestimmt.
Dieser Neigungswinkel α wird dadurch
kontrolliert, dass die Form des oben genannten Resistmusters 33 und
die Filmbildungsbedingungen für
den Isolierfilm 41 geändert
werden (wie der Druck der Filmbildungsatmosphäre, die Sputterleistung und
dergleichen). Ferner kann die Form des oben genannten Resistmusters 33 durch
eine Entwicklungsbedingung verändert
werden (Mischungsbedingung wie die Dichte, und Entwicklungszeit). Ferner
hängt der
Neigungswinkel α an
der Seitenwand 42S der Öffnung 42 von
der Randform der Speicherzelle 13 ab, so dass es möglich ist,
wenn sich die Randform der Speicherzelle 13 abhängig vom
Einfallswinkel von Argonionen beim Ionenfräsen zum Herstellen der Speicherzelle 13 als
Herstellparameter ändert,
auf indirekte Weise den Neigungswinkel α an der Seitenwand der Öffnung 42 des
Isolierfilms 41 zu kontrollieren.
Dann wird, wie es in der 2G dargestellt ist, ein
Metallfilm zum Herstellen der zweiten Leiterbahn (Bitleitung) 12 durch
eine Filmbildungstechnik wie ein Sputterverfahren und dergleichen
hergestellt, um die oben genannte Öffnung 42 einzubetten.
Danach wird die zweite Leiterbahn (Bitleitung) 12 durch Strukturieren
des Metallfilms ausgebildet. Demgemäß wird der durch die Seitenwand 12S im
Abschnitt der zweiten Leiterbahn (Bitleitung) 12, der mit
der Oberseite 13S der Speicherzelle 13 verbunden
ist, und der Oberfläche 13S der
Speicherzelle 13 gebildete Kontaktwinkel α gleich groß wie der
Neigungswinkel α an
der Seitenwand 42S der Öffnung 42,
und der durch die Seitenwand 12S im Abschnitt der zweiten Leiterbahn
(Bitleitung) 12, der mit der Oberseite 13S der
Speicherzelle 13 verbunden ist, und dieser Oberseite 13S der
Leiterbahn 13 beträgt
45 Grad oder mehr und bildet eine nach vorne verjüngte Form.
Wie oben beschrieben, wird bei einer
erfindungsgemäßen magnetischen
Speichervorrichtung, einem Verfahren zum Herstellen derselben und
einem integrierten Schaltkreis mit derartigen magnetischen Speichervorrichtungen
ein Seitenwand-Teilabschnitt
der zweiten Leiterbahn, der elektrisch mit der Speicherzelle verbunden
ist, mit nach vorne verjüngter
Form so ausgebildet, dass er zur Oberseite der Speicherzelle einen
Kontaktwinkel von über
45 Grad aufweist, so dass der Abstand zwischen der Oberseite der
Speicherzelle und der zweiten Leiterbahn, die Speicherzelle kaum
eine Störung
des durch die zweite Leiterbahn erzeugten externen Magnetfelds erfahren
kann, und im Ergebnis ist die magnetische Domäne an er Oberfläche der
Speicherzelle stabilisiert. Demgemäß ist eine Schwankung der Koerzitivfeldstärke der
magnetisch freien Schicht Speicherzelle mit dem MTJ verbessert.
Dadurch ist bei einem integrierten Schaltkreis mit magnetischen
Speichervorrichtungen, wie einem NRAM, der durch Integrieren der
vorliegenden magnetischen Speichervorrichtungen hergestellt wird,
die Schaltcharakteristik verbessert, und es ist möglich, eine
stabile magnetische Speichervorrichtung ohne Schreibfehler zu schaffen. Ferner
hängt der
Effekt der Erfindung nur von der Vorrichtungsstruktur (dem Kontaktwinkel α der oberen
Elektrode) ab, und er hängt
nicht vom Prozess und vom Verfahren zur Herstellung ab, wie bei
der Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.