DE102005018204A1

DE102005018204A1 - Magnetische Tunnelübergangsstruktur, MRAM-Zelle und Fotomaske

Info

Publication number: DE102005018204A1
Application number: DE102005018204A
Authority: DE
Inventors: Ki HA Suwon Young; Jang-Eun Suwon Lee; Se-Chung Yongin Oh; Jun-Soo Hwaseong Bae; Hyun-Jo Hwaseong Kim; Kyung-Tae Suwon Nam
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2005-11-10
Also published as: KR100541558B1; US20050230771A1; CN1734662A; KR20050101461A; US7582890B2; CN1734662B

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Tunnelübergangsstruktur (5) mit einer Struktur (46a) einer gepinnten Schicht, einer Tunnelisolationsschichtstruktur (47a) und einer Struktur (54a) einer freien Schicht, die auf einem Substrat gestapelt sind, wobei letztere einen Hauptkörper mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite sowie mit einer dritten und einer gegenüberliegenden vierten Seite beinhaltet, auf eine MRAM-Zelle mit einem auf einem integrierten Schaltkreissubstrat gebildeten Zugriffstransistor, einer Digitleitung, einer mit einem Ausgangsanschluss des Zugriffstransistors elektrisch verbundenen unteren Elektrode, einer magnetischen Tunnelübergangsstruktur der besagten Art, einer oberen Elektrode und einer elektrisch mit der oberen Elektrode verbundenen Bitleitung sowie auf eine Fotomaske mit einem Substrat und einem darauf gebildeten Muster zur Herstellung einer solchen magnetischen Tunnelübergangsstruktur. DOLLAR A Erfindungsgemäß beinhaltet das Muster der freien Schicht einen ersten Endabschlussbereich, der sich von einem ersten Punkt, an dem die zweite und dritte Seite zusammentreffen, aus erstreckt und die zweite und dritte Seite kontaktiert, und einen zweiten Endabschlussbereich, der sich von einem zweiten Punkt, an dem die zweite und die vierte Seite zusammentreffen, aus erstreckt und die zweite und vierte Seite kontaktiert. DOLLAR A Verwendung z. B. für Halbleiterspeicherbauelemente vom MRAM-Typ.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Tunnelübergangsstruktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, auf eine zugehörige magnetische Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Zelle) sowie auf eine zugehörige Fotomaske.
MRAM-Bauelemente können bei niedriger Spannung mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden und sind als nichtflüchtige Speicherbauelemente viel in Gebrauch. In einer Einheitszelle eines MRAM-Bauelements werden Daten in einer magnetischen Tunnelübergangsstruktur (MTJ-Struktur) eines magnetischen Widerstands gespeichert. Die MTJ-Struktur umfasst eine erste und eine zweite ferromagnetische Schicht und eine zwischen diesen liegende Tunnelisolationsschicht. Eine magnetische Polarisation der als freie Schicht bezeichneten ersten ferromagnetischen Schicht kann durch ein externes Magnetfeld geändert werden, das die MTJ-Struktur kreuzt. Das externe Magnetfeld kann z.B. durch einen um die MTJ-Struktur herum fließenden Strom induziert werden. Die magnetische Polarisation der freien Schicht kann parallel oder antiparallel zur fixierten magnetischen Polarisation der als gepinnte Schicht bezeichneten zweiten ferromagnetischen Schicht sein. Der Strom zur Erzeugung des Magnetfelds fließt durch leitfähige Schichten, die als Digitleitung bezeichnet werden und um die MTJ-Struktur herum angeordnet sind.
Aus quantenmechanischen Überlegungen folgt, dass ein die MTJ-Struktur passierender Tunnelstrom einen Maximalwert zeigt, wenn magnetische Spins in der freien Schicht und der gepinnten Schicht zueinander parallel liegen. Wenn sie antiparallel zueinander sind, nimmt dieser Tunnelstrom hingegen einen Minimalwert an. Dementsprechend können Daten der MRAM-Zelle gemäß der Richtung der magnetischen Spins in der freien Schicht unterschieden werden.
Die meisten MTJ-Strukturen sind in Draufsicht rechteck- oder ellipsenförmig. Denn die magnetischen Spins in der freien Schicht nehmen einen stabilen Zustand ein, wenn sie parallel zu einer Längsrichtung der freien Schicht orientiert sind.
Ein MRAM-Bauelement beinhaltet typischerweise eine Mehrzahl von MTJ-Strukturen. Diese zeigen aufgrund ihres zugehörigen Fabrikationsprozesses eventuell ungleichmäßige Umschalteigenschaften. Dies kann dazu führen, dass zum Speichern gewünschter Daten in den MTJ-Strukturen unterschiedliche externe Magnetfelder erforderlich sind. Dementsprechend wird die Schreibtoleranz der MRAM-Bauelemente um so stärker verringert, je ungleichmäßiger die Umschalteigenschaften der MTJ-Strukturen sind. Durch Herunterskalieren der MTJ-Strukturen zwecks Erzielung hoher Integrationsdichten kann die Schreibtoleranz deshalb beträchtlich reduziert werden. Wenn die MTJ-Struktur eine aus einer einzelnen ferromagnetischen Schicht bestehende gepinnte Schicht benutzt, kann es dazu kommen, dass sich ihre Hysteresekurve aufgrund eines parasitären Magnetfeldes von fixierten magnetischen Spins in der gepinnten Schicht verschiebt, d.h. die magnetischen Spins in der freien Schicht unterliegen selbst ohne an die MTJ-Struktur angelegtes exter nes Magnetfeld dem Einfluss des parasitären Magnetfeldes aufgrund der fixierten magnetischen Spins in der gepinnten Schicht. Dementsprechend kann es sein, dass der Absolutwert eines ersten externen Magnetfeldes, das benötigt wird, um die magnetischen Spins in der freien Schicht parallel zu den fixierten magnetischen Spins in der gepinnten Schicht auszurichten, verschieden von demjenigen eines zweiten externen Magnetfeldes ist, das benötigt wird, um die magnetischen Spins in der freien Schicht antiparallel zu den fixierten magnetischen Spins in der gepinnten Schicht auszurichten. Um dieser Problematik abzuhelfen, wird bereits vielfach eine synthetische antiferromagnetische (SAF)-Schicht als gepinnte Schicht eingesetzt.

Eine solche synthetische antiferromagnetische Schicht kann auch für die freie Schicht vorgesehen sein. In diesem Fall zeigt die freie Schicht eine bessere thermische Stabilität und geringere magnetische Polarisationsabweichungen im Vergleich zu einer aus einer einzelnen ferromagnetischen Schicht bestehenden freien Schicht. In der Patentschrift US 6.531.723 B1 ist eine derartige MTJ-Struktur mit einer gepinnten und einer freien Schicht beschrieben, die jeweils durch eine synthetische antiferromagnetische Schicht gebildet sind. Durch die rechteckförmige oder ellipsenförmige Gestaltung der MTJ-Struktur können allerdings Beschränkungen der Schreibtoleranz verbleiben.

In der Offenlegungsschrift US 2003/0169147 A1 sind MRAM-Bauelemente offenbart, die MTJ-Strukturen mit von den üblichen rechteckigen und elliptischen Gestaltungen verschiedener Form verwendet. Speziell erstreckt sich eine vertikale Schreibelektrode über einen Bereich zwischen einem Paar von C-förmigen, sich gegenüberliegenden freien Schichten. Die Schreibelektrode ist elektrisch mit einer gepinnten Schicht verbunden, die von den freien Schichten isoliert und unterhalb derselben angeordnet ist. Des weiteren sind elektrisch mit den freien Schichten verbundene Leseleitungen beidseits der Schreibelektrode vorgesehen. Zur Herstellung dieser MTJ-Strukturen ist ein entsprechend komplexer Fertigungsprozess erforderlich. Zudem werden diese MTJ-Strukturen nur durch einen vertikalen Strom geschaltet, der über die vertikale Schreibelektrode fließt. Es wird daher unter Umständen ein hoher Schreibstrom benötigt, um in diesen MTJ-Strukturen gespeicherte Daten zu ändern. Dies kann zu einem erhöhten Stromverbrauch während eines Schreibvorgangs führen.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer magnetischen Tunnelübergangsstruktur der eingangs genannten Art mit gegenüber den oben erwähnten, herkömmlichen Strukturen verbesserten Eigenschaften und insbesondere verbesserter Schreibtoleranz sowie einer MRAM-Zelle mit einer solchen Struktur und einer Fotomaske zur Herstellung einer solchen Struktur zugrunde.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer magnetischen Tunnelübergangsstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer MRAM-Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und einer Fotomaske mit den Merkmalen des Anspruchs 20. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß weist die magnetische Tunnelübergangsstruktur gebogene Endbereiche auf, die sich von zwei gegenüberliegenden Seiten eines mindestens vierseitigen Hauptkörpers erstrecken. Es zeigt sich, dass die magnetische Tunnelübergangsstruktur mit einer solchen Gestaltung eine vergleichsweise hohe Schreibtoleranz ermöglicht.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

1 ein Ersatzschaltbild einer MRAM-Zelle,

2A eine Draufsicht auf eine MRAM-Zelle,

2B eine Perspektivansicht einer magnetischen Tunnelübergangsstruktur der MRAM-Zelle von 2A,

3 eine Querschnittansicht längs einer Linie I-I' von 2A,

4 ein Kennliniendiagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Austauschkopplungsenergie von der Dicke einer Abstandsschicht einer typischen synthetischen antiferromagnetischen Schicht,

5 eine Querschnittansicht einer in einer freien und/oder gepinnten Schicht einer MRAM-Zelle verwendbaren, hybriden synthetischen antiferromagnetischen Schicht,

6 eine schematische Draufsicht auf eine freie Schicht der MTJ-Struktur gemäß den 2B und 3 zur Veranschaulichung von Magnetisierungseigenschaften,

7 eine ausschnittweise Draufsicht auf eine Fotomaske, die zur Bildung der freien Schicht von 6 verwendbar ist,

8 bis 11 Querschnittansichten zur Veranschaulichung aufeinanderfolgender Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer MRAM-Zelle nach Art der 2B und 3,

12 ein Diagramm mit Asteroidkurven zur Veranschaulichung von Messresultaten bezüglich Umschalteigenschaften herkömmlicher magnetischer Tunnelübergangsstrukturen,

13 ein Diagramm mit Asteroidkurven zur Veranschaulichung von Messergebnissen bezüglich Umschalteigenschaften erfindungsgemäß hergestellter magnetischer Tunnelübergangsstrukturen und

14 ein Kennliniendiagramm mit Messresultaten von Magnetisierungseigenschaften einer dreilagigen SAF-Schicht gemäß 3 und einer hybriden synthetischen antiferromagnetischen Schicht gemäß 5.

Wie aus dem Ersatzschaltbild von 1 ersichtlich, beinhaltet eine erfindungsgemäße MRAM-Zelle einen Zugriffstransistor TA, der auf einer Seite elektrisch mit einem magnetischen Widerstand MR verbunden ist. Der Zugriffstransistor TA kann z.B. ein MOS-Transistor mit einer Gateelektrode, einem Sourcebereich und einem Drainbereich sein, wobei letzterer dann mit dem magnetischen Widerstand MR verbunden ist. Die Gateelektrode setzt sich weiter als eine Wortleitung WL fort, und der Sourcebereich kann elektrisch mit einem Masseanschluss oder einer gemeinsamen Versorgungsleitung verbunden sein. Eine Digitleitung DL ist um den magnetischen Widerstand MR herum angeordnet und von diesem isoliert. An einem gegenüberliegende Ende ist der magnetische Widerstand MR elektrisch mit einer Bitleitung BL verbunden.
Die 2A, 2B und 3 veranschaulichen detaillierter den Aufbau einer erfindungsgemäßen MRAM-Zelle gemäß 1. Der Zugriffstransistor TA ist in einem vorgegebenen Bereich eines integrierten Schaltkreissubstrats 11 z.B. als MOS-Transistor in einem aktiven Gebiet 13a vorgesehen, das durch eine Isolationsschicht 13 definiert ist, die in einem vorgegebenen Bereich des integrierten Schaltkreissubstrat 11 ausgebildet ist. Speziell umfasst der MOS-Zugriffstransistor TA einen Sourcebereich 19s und einen Drainbereich 19d, die voneinander beabstandet im aktiven Bereich 13a gebildet sind. Eine Gateelektrode 17 ist über einem Kanalbereich zwischen dem Sourcebereich 19s und dem Drainbereich 19d angeordnet und kreuzt über das aktive Gebiet 13a, um als Wortleitung WL zu fungieren. Die Gateelektrode 17 ist vom aktiven Bereich 13a durch eine Gateisolationsschicht 15 isoliert.
Eine Drainkontaktstelle 25d und eine gemeinsame Sourceleitung 25s sind über dem Substrat 11 mit dem MOS-Zugriffstransistor TA angeordnet. Die Drainkontaktstelle 25d ist elektrisch über einen Drainkontaktstift 23d mit dem Drainbereich 19d verbunden, und die gemeinsame Sourceleitung 25s ist über einen Sourcekontaktstift 23s mit dem Sourcebereich 19s elektrisch verbunden. Der Drainbereich 19d bildet einen Ausgangsanschluss des MOS-Zugriffstransistors TA. Die gemeinsame Sourceleitung 25s kann elektrisch an einen Masseanschluss angeschlossen und parallel zur Wortleitung WL verlaufend angeordnet sein.
Die Digitleitung 29 bzw. DL ist über dem Substrat 11 mit der gemeinsamen Sourceleitung 25s und der Drainkontaktstelle 25d angeordnet, z.B. parallel zur Wortleitung WL. Der magnetische Widerstand MR befindet sich über der Digitleitung 29 und umfasst im gezeigten Beispiel eine untere Elektrode 37, eine magnetische Tunnelübergangsstruktur 5 und eine obere Elektrode 55a übereinander gestapelt. Die untere Elektrode 37 ist elektrisch mit der Drainkontaktstelle 25d über einen zugehörigen Kontaktstift 33 verbunden, wodurch sie auch elektrisch über den Drainkontaktstift 23d mit dem Drainbereich 19d verbunden ist. Die Digitleitung 29 ist vom magnetischen Widerstand MR isoliert.
Die gezeigte magnetische Tunnelübergangsstruktur 5 umfasst eine Pinningschichtstruktur 39a, eine Struktur 46a einer gepinnten Schicht, eine Tunnelisolationsschichtstruktur 47a und eine Struktur 54a einer freien Schicht, die sequentiell über der unteren Elektrode 37 gestapelt sind. Alternativ können in umgekehrter Folge die Struktur 54a der freien Schicht, die Tunnelisolationsschichtstruktur 47a, die Struktur 46a der gepinnten Schicht und die Pinningschichtstruktur 39a sequentiell auf der unteren Elektrode 37 gestapelt sein.
Die Pinningschichtstruktur 39a beinhaltet eine antiferromagnetische Schicht, und die Struktur 54a der freien Schicht sowie die Struktur 46a der gepinnten Schicht beinhalten eine ferromagnetische Schicht. Dementsprechend sind die magnetischen Spins der Struktur 46a der gepinnten Schicht, welche mit der Pinningschichtstruktur 39a in Kontakt steht, aufgrund der Anwesenheit der Pinningschichtstruktur 39a, d.h. der antiferromagnetischen Schicht, stets in eine bestimmte Richtung weisend fixiert. Die Tunnelisolationsschichtstruktur 47a kann z.B. eine isolierende Schicht wie eine Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Schicht sein.
Die Struktur 46a der gepinnten Schicht kann eine einzelne ferromagnetische Schicht oder eine synthetische antiferromagnetische (SAF)-Schicht beinhalten. In letzterem Fall umfasst die Struktur 46a der gepinnten Schicht eine untere ferromagnetische Schichtstruktur 41a, eine obere ferromagnetische Schichtstruktur 45a und eine zwischenliegende antiferromagnetische Kopplungsabstandsschichtstruktur 43a, z.B. eine Rutheniumschicht. Die untere ferromagnetische Schichtstruktur 41a weist dann magnetische Spins auf, die aufgrund der Pinningschichtstruktur 39a stets in eine bestimmte Richtung weisend fixiert sind, und die obere ferromagnetische Schicht 45a weist magnetische Spins auf, die aufgrund der Kopplungsabstandsschichtstruktur 43a stets in eine zu derjenigen der magnetischen Spins in der unteren ferromagnetischen Schicht 41a entgegengesetzte Richtung weisend fixiert sind. Dementsprechend kann die Vektorsumme der magnetischen Spins in der Struktur der aus der SAF-Schicht gebildeten gepinnten Schicht deutlich kleiner als die Vektorsumme der magnetischen Spins in der aus der einzelnen ferromagnetischen Schicht gebildeten Struktur der gepinnten Schicht sein, so dass eine magnetische Tunnelübergangsstruktur, welche die aus der SAF-Schicht gebildete Struktur der gepinnten Schicht verwendet, eine sehr stabile Hysteresekurve zeigt.
In gleicher Weise kann die Struktur 54a der freien Schicht eine einzelne ferromagnetische Schicht oder eine SAF-Schicht beinhalten. In letzterem Fall umfasst die Struktur 54a der freien Schicht eine untere ferromagnetische Schichtstruktur 49a, eine obere ferromagnetische Schichtstruktur 53a und eine zwischenliegende antiferromagnetische Kopplungsabstandsschichtstruktur 51a, wie in 3 gezeigt. Hierbei behalten die magnetischen Spins in der Struktur 54a der freien Schicht einen stabilen Zustand, selbst wenn die Struktur 54a der freien Schicht einer externen thermischen Belastung ausgesetzt ist. Magnetische Spins an beiden Enden der Struktur 54a der freien Schicht können allerdings eventuell einen instabilen Zustand aufgrund einer Ätzschädigung aufweisen, die während der Durchführung eines Ätzprozesses zur Bildung der Struktur 54a der freien Schicht auftreten kann. Falls die Struktur 54a der freien Schicht aus der SAF-Schicht gebildet ist, behalten die magnetischen Spins auch an den Endbereichen der Struktur 54a der freien Schicht eher einen stabilen Zustand bei, da die magnetischen Spins in der oberen ferromagnetischen Schicht 53a und die magnetischen Spins in der unteren ferromagnetischen Schicht 49a miteinander wechselwirken, um sich in entgegengesetzten Richtungen zu orientieren.
Wenn sowohl die Struktur 46a der gepinnten Schicht als auch die Struktur 54a der freien Schicht eine SAF-Schicht verwenden, ist der magnetische Widerstand der magnetischen Tunnelübergangsstruktur 4 durch eine Anordnungsrichtung der magnetischen Spins in der oberen ferromagnetischen Schicht 45a der Struktur 46a der gepinnten Schicht und durch eine Anordnungsrichtung der magnetischen Spins in der unteren ferromagnetischen Schicht 49a der Struktur 54a der freien Schicht bestimmt. Dies bedeutet, dass die magnetische Tunnelübergangsstruktur 5 einen minimalen Widerstandswert hat, wenn die magnetischen Spins in der oberen ferromagnetischen Schicht 45a parallel zu denen in der unteren ferromagnetischen Schicht 49a orientiert sind, während die magnetische Tunnelübergangsstruktur 5 einen maximalen Widerstandswert aufweist, wenn die magnetischen Spins in der oberen ferromagnetischen Schicht 45a antiparallel zu denen in der unteren ferromagnetischen Schicht 49a orientiert sind.
Die magnetische Tunnelübergangsstruktur 5 beinhaltet im gezeigten Beispiel, wie aus 2A ersichtlich, einen Hauptkörper 1 sowie einen ersten und einen zweiten Endabschlussbereich 3a, 3b, die sich von zwei entgegengesetzten Enden des Hauptkörpers 1 aus erstrecken. Genauer gesagt weist der Hauptkörper 1, wie in der Draufsicht von 2A zu erkennen, eine erste Seite 1a und eine dieser entgegengesetzte, zweite Seite 1b, eine sich von einem Ende der ersten Seite 1a bis zu einem Ende der zweiten Seite 1b erstreckende dritte Seite 1c und eine vierte Seite 1d auf, die sich vom anderen Ende der ersten Seite 1a bis zum anderen Ende der zweiten Seite 1b erstreckt und der dritten Seite 1c gegenüberliegt. Der erste Endabschlussbereich 3a erstreckt sich von einem ersten Punkt P1 aus, an dem die zweite und die dritte Seite 1b, 1c zusammentreffen, wobei er mit der zweiten Seite 1b und der dritten Seite 1c in Kontakt ist. In gleicher Weise erstreckt sich der zweite Endabschlussbereich 3b von einem zweiten Punkt P2 aus, an dem die zweite Seite 1b und die vierte Seite 1d zusammentreffen, wobei er mit der zweiten Seite 1b und der vierten Seite 1d in Kontakt ist. Somit erstrecken sich der erste und der zweite Endabschlussbereich 3a, 3b beidseits des Hauptkörpers 1 unter Bildung eines Paares gebogener Endbereiche.
Der Hauptkörper 1 weist in Draufsicht z.B. eine quadratische oder andere rechteckförmige Konfiguration auf. In diesem Fall haben die erste und zweite Seite 1a, 1b eine Länge L, wobei sie Längsseiten bilden, wäh rend die dritte und vierte Seite 1c, 1d Querseiten mit einer Länge W kleiner als die Länge L bilden.
Es ist günstig, wenn die erste Seite 1a, die der mit dem ersten und zweiten Endbereich 3a, 3b in Kontakt stehenden zweiten Seite 1b gegenüberliegt, geradlinig verläuft. Denn wenigstens die magnetischen Spins des Hauptkörpers 1 sollten möglichst parallel oder antiparallel zu einem leichten Magnetfeld angeordnet sein, das durch einen über die Digitleitung 29 fließenden Strom induziert wird. Wenn hingegen die erste Seite 1a einen in 2A gestrichelt angedeuteten, gerundeten Verlauf 1e an Stelle des geradlinigen Verlaufs 1a aufweist, können die magnetischen Spins im Hauptkörper Vortexzustände annehmen. Dies kann dazu führen, dass die magnetischen Spins in der Struktur 54a der freien Schicht instabile Zustände zeigen.
Die Struktur 46a der gepinnten Schicht und die Pinningschichtstruktur 39a können in Draufsicht eine von derjenigen der Struktur 54a der freien Schicht unterschiedliche Konfiguration aufweisen. In diesem Fall ist es günstig, wenn wenigstens die Struktur 54a der freien Schicht die Form des Hauptkörpers 1 und des ersten und zweiten Endbereichs 3a, 3b gemäß 2A aufweist.
Das Substrat mit dem oben beschriebenen magnetischen Widerstand MR ist von einer isolierenden Zwischenschicht 100 bedeckt, über der eine Bitleitung 59 bzw. BL verläuft. Die Bitleitung 59 ist elektrisch mit dem magnetischen Widerstand MR verbunden, z.B. speziell mit der oberen Elektrode 55a, wozu sich ein Bitleitungskontaktloch durch die isolierende Zwischenschicht 100 in diesem Bereich hindurch erstreckt. Die Bitleitung 59 kreuzt über der Digitleitung 29.
Die Eigenschaften der SAF-Schicht können sich abhängig von der Dicke der Abstandsschicht 43a bzw. 51a mit antiferromagnetischer Kopplung, die zwischen der oberen und der unteren ferromagnetischen Schicht liegt, ändern, wie in 4 gezeigt. Speziell stellt 4 im Diagramm die Austauchkopplungsenergie Jex einer typischen SAF-Schicht in Abhängigkeit von der Dicke TH einer Rutheniumschicht dar, die als Abstandshalterschicht mit antiferromagnetischer Kopplung für die SAF-Schicht dient, wobei die Schichtdicke TH auf der Abszisse und die Austauschkopplungsenergie Jex auf der Ordinate abgetragen sind. Wenn die Austauschkopplungsenergie Jex in positiver Richtung ansteigt, sind die magnetischen Spins in der oberen ferromagnetischen Schicht und der unteren ferromagnetischen Schicht stärker parallel zueinander ausgerichtet. Wenn andererseits die Austauschkopplungsenergie Jex in negative Richtung betraglich anwächst, sind die magnetischen Spins in der oberen ferromagnetischen Schicht und der unteren ferromagnetischen Schicht mit stärkerer antiparalleler gegenseitiger Kopplung angeordnet.
Wie in 4 dargestellt, oszilliert die Austauschkopplungsenergie Jex zwischen dem positiven und negativen Wertebereich mit sich ändernder Dicke TH der Rutheniumschicht, wobei sie tendenziell mit steigender Schichtdicke TH betraglich geringer wird. Folglich muss die Rutheniumschicht, um eine exzellente, für MRAM-Zellen hoher Leistungsfähigkeit geeignete SAF-Schicht zu realisieren, eine in 4 mit Top bezeichnete, optimale Dicke haben, bei der die Austauschkopplungsenergie Jex einen betraglich maximalen negativen Wert annimmt. Die optimale Dicke Top der Rutheniumschicht kann abhängig von den Materialien der oberen und der unteren ferromagnetischen Schicht unterschiedlich sein.
Wenn die obere und die untere ferromagnetische Schicht der SAF-Schicht beispielsweise NiFe-Schichten, d.h. Nickel-Eisen-Schichten, sind, beträgt die optimale Dicke Top der Rutheniumschicht etwa 0,8 nm. In diesem Fall zeigt die SAF-Schicht eine Austauschkopplungsenergie Jex von –0,036erg/cm². Wenn hingegen die obere und die untere ferromagnetische Schicht CoFeB-Schichten sind, beträgt die optimale Dicke Top der Rutheniumschicht etwa 0,6 nm. In diesem Fall zeigt die SAF-Schicht eine Austauschkopplungsenergie Jex von –0,021erg/cm². Wenn die obere und die untere ferromagnetische Schicht CoFe-Schichten sind, d.h. Kobalt-Eisen-Schichten, beträgt die optimale Dicke Top der Rutheniumschicht etwa 0,8nm. In diesem Fall zeigt die SAF-Schicht eine Austauschkopplungsenergie Jex von –0,18erg/cm². Dementsprechend weist die CoFe-Schicht verglichen mit der NiFe-Schicht und der CoFeB-Schicht eine für die obere und die untere ferromagnetische Schicht der SAF-Schicht günstigere Austauschkopplungsenergie Jex auf. Mit anderen Worten sind die NiFe-Schicht und die CoFeB-Schicht für die obere und die untere ferromagnetische Schicht der SAF-Schicht nicht so gut geeignet wie die CoFe-Schicht.
Die NiFe-Schicht und die CoFeB-Schicht zeigen relativ stabile Hystereseigenschaften ohne Knickeffekt, verglichen mit der CoFe-Schicht. Der Knickeffekt verschlechtert die Umschalteigenschaften der magnetischen Tunnelübergangsstruktur. Daher zeigt für den Fall, dass eine SAF-Hybridschicht durch Kombinieren einer ferromagnetischen Schicht mit ausgezeichneter Hysteresecharakteristik als einzelne freie Schicht und einer ferromagnetischen Schicht mit hoher Austauschkopplungsenergie Jex als SAF-Schicht implementiert wird, die SAF-Hybridschicht ausgezeichnete Eigenschaften verglichen mit den dreilagigen SAF-Schichten 54a bzw. 46a von 3.
5 veranschaulicht schematisch in einem Querschnitt eine SAF-Hybridschicht 54a' bzw. 46a', die jeweils anstelle der dreilagigen SAF-Schicht 54a bzw. 46a von Fig. verwendet werden kann. Wie aus 5 ersichtlich, umfasst die SAF-Hybridschicht 54a' bzw. 46a' eine untere ferromagnetische Hybridschicht 108a, eine antiferromagnetische Kopplungsabstandsschicht 109a und eine obere ferromagnetische Hybridschicht 114a, die sequentiell gestapelt sind. Die untere ferromagnetische Hybridschicht 108a weist eine erste untere ferromagnetische Schicht 105a und eine zweite untere ferromagnetische Schicht 107a auf. Letztere befindet sich zwischen der ersten unteren ferromagnetischen Schicht 105a und der antiferromagnetischen Kopplungsabstandsschicht 109a. Die obere ferromagnetische Hybridschicht 114a weist eine erste obere ferromagnetische Schicht 113a und eine zweite obere ferromagnetische Schicht 111a auf. Letztere befindet sich zwischen der ersten ferromagnetischen Schicht 113a und der antiferromagnetischen Kopplungsabstandsschicht 109a. Somit besteht die SAF-Hybridschicht 54a' bzw. 46a' aus mindestens fünf sequentiell gestapelten Schichten.
Die antiferromagnetische Kopplungsabstandsschicht 109a kann z.B. eine Rutheniumschicht oder eine Chromschicht sein. Es ist günstig, wenn die erste untere ferromagnetische Schicht 105a und die erste obere ferromagnetische Schicht 113a CoFeB-Schichten oder NiFe-Schichten sind. Des weiteren ist es von Vorteil, wenn die zweite untere ferromagnetische Schicht 107a und die zweite obere ferromagnetische Schicht 111a CoFe-Schichten sind, so dass sie dann gegenüber der ersten unteren ferromagnetischen Schicht 105a und der ersten oberen ferromagnetischen Schicht 113a eine höhere Austauschkopplungsenergie Jex haben.
Die erste und die zweite untere ferromagnetische Schicht 105a, 107a sind, wie aus 5 ersichtlich, direkt in Kontakt miteinander. Dementsprechend sind die magnetischen Spins in der ersten unteren ferromagnetischen Schicht 105a stets parallel zu denjenigen in der zweiten unteren ferromagnetischen Schicht 107a orientiert. Analog sind die erste und zweite obere ferromagnetische Schicht 113a, 111a in direktem Kontakt miteinander und daher die magnetischen Spins in der ersten oberen ferromagnetischen Schicht 113a stets parallel zu denjenigen in der zweien oberen ferromagnetischen Schicht 111a orientiert. Selbst wenn die zweite untere ferromagnetische Schicht 107a und die zweite obere ferromagnetische Schicht 111a, die in direktem Kontakt mit der antiferro magnetischen Kopplungsabstandsschicht 109a sind, in einer Dicke von mehreren Angström, d.h. mehreren zehntel Nanometern, gebildet werden, kann folglich die SAF-Hybridschicht 54a' bzw. 46a' gegenüber der dreilagigen SAF-Schicht 54a bzw. 46a von 3 verbesserte Eigenschaften zeigen, wenn die Dicke der ersten unteren ferromagnetischen Schicht 105a und der ersten oberen ferromagnetischen Schicht 113a erhöht wird.
6 veranschaulicht in Draufsicht auf die Struktur 54a der freien Schicht der magnetischen Tunnelübergangsstruktur 5 von 2B ein Umschaltverhalten der magnetischen Spins in derselben. Wie aus 6 ersichtlich, besteht die Struktur 54a der freien Schicht aus einem Hauptkörper 1', einem ersten Endbereich 3a' und einem zweiten Endbereich 3b' entsprechend dem Hauptkörper 1, dem ersten Endbereich 3a und dem zweiten Endbereich 3b des Strukturaufbaus gemäß 2A. Wenn die Struktur 54a der freien Schicht eine SAF-Schicht beinhaltet, kann es sich bei der Struktur von 6 insbesondere um diejenige der unteren ferromagnetischen Schicht 49a von 3 handeln. In diesem Fall umfassen die magnetischen Spins in der unteren ferromagnetischen Schicht 49a erste magnetische Spins S1 im Hauptkörper 1', zweite magnetische Spins S2 im ersten Endbereich 3a' und dritte magnetische Spins S3 im zweiten Endbereich 3b'.
Allgemein hängt die Anordnungsrichtung von magnetischen Spins in einer ferromagnetischen Schicht von der Form der ferromagnetischen Schicht ab. Wenn beispielsweise kein externes Magnetfeld an die ferromagnetische Schicht angelegt wird, tendieren die magnetischen Spins in der ferromagnetischen Schicht dazu, sich entlang einer Längsrichtung der ferromagnetischen Schicht zu orientieren, um dadurch einen stabilen Zustand einzunehmen. Dementsprechend ordnen sich die ersten magnetischen Spins S1 der unteren ferromagnetischen Schicht 49a gemäß 6 vorzugsweise parallel zur Längsrichtung des Hauptkörpers 1' an, d.h. parallel zu einer dort eingezeichneten x-Achse. Die zweiten magnetischen Spins S2 tendieren zu einer Anordnung in einem Zustand, in welchem sie gegenüber der x-Achse in Richtung einer in 6 ebenfalls eingezeichneten y-Achse um einen bestimmten Winkel verdreht sind, und die dritten magnetischen Spins S3 tendieren zu einer Orientierung in einem Zustand, in welchem sie gegenüber der x-Achse in Richtung der negativen y-Achse um einen bestimmten Winkel verdreht sind. Im Ergebnis erzeugen die ersten, zweiten und dritten magnetischen Spins S1, S2 und S3 ein kreisförmiges Magnetfeld Hc, wie in 6 veranschaulicht, um einen sehr stabilen Zustand beizubehalten. Mit anderen Worten haben die magnetischen Spins in der Struktur der freien Schicht dieser erfindungsgemäßen magnetischen Tunnelübergangsstruktur einen stabileren Zustand als im Fall der magnetischen Tunnelübergangsstruktur mit rechteckförmiger oder ellipsenförmiger freier Schicht, wenn sie sich in einem Gleichgewichtszustand ohne extern angelegtes Magnetfeld befinden.
Um Daten der magnetischen Tunnelübergangsstruktur 5 gemäß den 2A, 2B und 3 mit der unteren ferromagnetischen Schicht 49a zu konvertieren, sind die magnetischen Spins S1, S2 und S3 um 180° zu rotieren. Dazu müssen an die untere ferromagnetische Schicht 49a ein zur y-Achsenrichtung paralleles hartes Magnetfeld Hh und ein zur x-Achsenrichtung antiparalleles leichtes Magnetfeld He angelegt werden. Das harte Magnetfeld Hh kann z.B. durch Treiben eines ersten Schreibstroms in die Bitleitung BL der 2a und 3 erzeugt werden, während das leichte Magnetfeld He durch Treiben eines zweiten Schreibstroms in die Digitleitung DL von 2A und 3 erzeugt werden kann. In diesem Fall sollten die ersten und dritten magnetischen Spins S1 und S3 und dabei insbesondere die dritten magnetischen Spins S3 primär parallel zu den zweiten magnetischen Spins S2 angeordnet sein. Wie oben erläutert, besitzen die magnetischen Spins S1, S2 und S3 jedoch einen stabileren Zustand als die magnetischen Spins der herkömmlichen magneti schen Tunnelübergangsstruktur. Dementsprechend ist ein kritisches hartes Magnetfeld höher als ein bestimmter Wert erforderlich, um die ersten und dritten magnetischen Spins S1 und S3 parallel zu den zweiten magnetischen Spins S2 zu orientieren. Sobald jedoch die ersten und dritten magnetischen Spins S1 und S3 parallel zu den zweiten magnetischen Spins S2 orientiert sind, kann ein minimales leichtes Magnetfeld, das deutlich kleiner als ein entsprechendes leichtes magnetisches Feld zum Umschalten der herkömmlichen magnetischen Tunnelübergangsstruktur ist, zum Rotieren der ersten, zweiten und dritten magnetischen Spins S1, S2, S3 in einen zu ihrem Ausgangszustand antiparallelen Zustand genügen.
7 veranschaulicht in Draufsicht eine zur Bildung der freien Schicht gemäß 6 bzw. der magnetischen Tunnelübergangsstruktur der 2A und 2B verwendbare Fotomaske, die ein transparentes Substrat 101 und ein Muster 5m für einen magnetischen Tunnelübergang aufweist, das an einer Hauptoberfläche des transparenten Substrats 101 ausgebildet ist. Das Muster 5m für den magnetischen Tunnelübergang beinhaltet ein viereckiges Hauptmuster 1m sowie ein erstes und zweites Endabschlussmuster 3m' und 3m'', die beidseits an das Hauptmuster 1m anschließen. Speziell ist das Hauptmuster 1m von viereckiger Gestalt mit einer Länge L und einer demgegenüber kleineren Breite W. Es weist eine erste und zweite Seite, die sich gegenüberliegen, sowie eine dritte und vierte Seite auf, die sich gegenüberliegen. Die erste und zweite Seite besitzen die Länge L, die dritte und vierte Seite die Breite W. Die erste oder die zweite Seite verläuft zwischen zwei Eckpunkten P1 und P2.
Das erste und zweite Endabschlussmuster 3m' und 3m'' schließen an je einen der beiden Eckpunkte P1 und P2 an. Dabei ist es günstig, wenn das erste Endabschlussmuster 3m' von rechteckiger Form mit einer ersten Breitenausdehnung X1 und einer ersten Längenausdehnung Y1 und das zweite Endabschlussmuster 3m'' von rechteckiger Form mit einer zweiten Breitenausdehnung X2 und einer zweiten Längenausdehnung Y2 sind. Alternativ können das erste und zweite Endabschlussmuster 3m' und 3m'' auch von anderer Gestalt sein, beispielsweise kreisförmig. Ein Teil des ersten Endabschlussmusters 3m' überlappt mit einem ersten Eckbereich des Hauptmusters 1m einschließlich des ersten Eckpunktes P1, und ein Teil des zweiten Endabschlussmusters 3m'' überlappt mit einem zweiten Eckbereich des Hauptmusters 1m einschließlich des zweiten Eckpunktes P2. Im Ergebnis sind das erste und zweite Endabschlussmuster 3m' und 3m'' so angeordnet, dass sie sich vom ersten Eckpunkt P1 bzw. vom zweiten Eckpunkt P2 aus erstrecken.
Das erste Endabschlussmuster 3m' kann z.B. die gleiche Abmessung haben wie das zweite Endabschlussmuster 3m'', d.h. die erste Breitenausdehnung X1 ist dann gleich der zweiten Breitenausdehnung X2 und die erste Längenausdehnung Y1 gleich der zweiten Längenausdehnung Y2. Des weiteren kann das erste Endabschlussmuster 3m' bezüglich einer geraden Linie, die durch einen Mittelpunkt des Hauptmusters 1m verläuft, symmetrisch zum zweiten Endabschlussmuster 3m'' angeordnet sein. Mittelpunkte C1 und C2 des ersten bzw. zweiten Endabschlussmusters 3m', 3m'' können, wie aus 7 ersichtlich, außerhalb des Hauptmusters 1m liegen. In 7 sind die x- und y-Komponente des Abstands des ersten Mittelpunktes C1 zum ersten Endpunkt P1 mit X1' bzw. Y1' bezeichnet und die x- und y-Komponente des Abstands des zweiten Mittelpunktes C2 zum zweiten Endpunkt P2 sind mit X2' bzw. Y2' bezeichnet. Der erste Mittelpunkt C1 braucht folglich nicht auf Verlängerungen der ersten oder zweiten Seite und der dritten Seite liegen, die sich im ersten Endpunkt P1 treffen. In gleicher Weise braucht der zweite Mittelpunkt C2 nicht auf Verlängerungen der ersten oder zweiten Seite und der vierten Seite liegen, die sich im zweiten Endpunkt P2 treffen.
In entsprechenden Ausführungsformen ist die erste Breitenausdehnung X1 gleich der ersten Längenausdehnung Y1 und die zweite Breitenausdehnung X2 gleich der zweiten Längenausdehnung Y2, d.h. das erste und zweite Endabschlussmuster 3m' und 3m'' sind in diesem Fall quadratisch. Alternativ sind das erste und das zweite Endabschlussmuster 3m' und 3m'' rechteckförmig, d.h. ihre erste bzw. zweite Breitenausdehnung X1, X2 ist ungleich ihrer ersten bzw. zweiten Längenausdehnung Y1, Y2. In jedem Fall können die beiden Endabschlussmuster 3m' und 3m'' von gleicher Größe sein.
Das Hauptmuster 1m sowie das erste und zweite Endabschlussmuster 3m', 3m'' können lichtundurchlässig ausgebildet sein, z.B. in Form von Chrommustern.
Die 8 bis 11 veranschaulichen in Querschnittansichten längs der Linie 1-1' von 2A aufeinanderfolgende Schritte eines Verfahrens zur Herstellung von MRAM-Zellen mit magnetischer Tunnelübergangsstruktur gemäß der Erfindung, speziell einer MRAM-Zelle nach Art von 3. Wie aus 8 zu erkennen, wird hierfür zunächst die Isolationsschicht 13 in einem vorgegebenen Bereich des integrierten Schaltkreissubstrats 11 zur Festlegung des aktiven Gebietes 13a gebildet. Im aktiven Gebiet 13a wird der Zugriffstransistor TA mittels hierfür allgemein geläufiger Prozesse erzeugt. Der Zugriffstransistor TA ist in diesem Beispiel ein MOS-Transistor mit dem Sourcebereich 19s und dem davon beabstandeten Drainbereich 19d sowie der Gateelektrode 17 über dem Kanalbereich zwischen dem Sourcebereich 19s und dem Drainbereich 19d. Die Gateelektrode 17 kreuzt über dem aktiven Gebiet 13a und setzt sich als Wortleitung fort. Sie ist vom aktiven Gebiet 13a durch die Gateisolationsschicht 15 isoliert.
Anschließend wird auf dem Substrat mit dem Zugriffstransistor TA eine erste untere isolierende Zwischenschicht 21 gebildet und strukturiert, um ein Sourcekontaktloch und ein Drainkontaktloch zu erzeugen, welche den Sourcebereich 19s bzw. den Drainbereich 19d freilegen. Im Sourcekontaktloch und im Drainkontaktloch werden dann der Sourcekontaktstift 23s bzw. Drainkontaktstift 23d gebildet. Auf dem Substrat mit den Kontaktstiften 23s und 23d wird eine leitfähige Schicht aufgebracht und strukturiert, um die Drainkontaktstelle 25d zur Kontaktierung des Drainkontaktstifts 23d und die gemeinsame Sourceleitung 25s zu erzeugen, die den Sourcekontaktstift 23s kontaktiert und z.B. parallel zur Verlängerung der Gateelektrode 17 verläuft. Auf dem Substrat mit der Drainkontaktstelle 25d und der gemeinsamen Sourceleitung 25s wird dann eine erste obere isolierende Zwischenschicht 27 gebildet, die zusammen mit der ersten unteren isolierenden Zwischenschicht 21 eine erste isolierende Zwischenschicht 28 repräsentiert.
Gemäß 9 wird dann die Digitleitung 29 auf der ersten oberen isolierenden Zwischenschicht 27 gebildet, z.B. parallel zur Gateelektrode 17. Auf dem Substrat mit der Digitleitung 29 wird eine zweite untere isolierende Zwischenschicht 31 gebildet, die anschließend zusammen mit der ersten oberen isolierenden Zwischenschicht 27 strukturiert wird, um ein Kontaktloch zur Freilegung der Drainkontaktstelle 25d zu erzeugen, in welchem dann der Kontaktstift 33 für die untere Elektrode gebildet wird. Auf dem Substrat mit dem Kontaktstift 33 für die untere Elektrode wird eine zweite obere isolierende Zwischenschicht 35 gebildet, die zusammen mit der zweiten unteren isolierenden Zwischenschicht 31 eine zweite isolierende Zwischenschicht 36 repräsentiert. Die zweite obere isolierende Zwischenschicht 35 wird dann zur Bildung einer Vertiefung strukturiert, welche den Kontaktstift 33 für die untere Elektrode freilegt und mit einem Teil der Digitleitung 29 überlappt. In der Vertiefung wird die untere Elektrode 37 gebildet, z.B. unter Verwendung einer typischen Damszenertechnik.
Im Verfahrensstadium von 10 werden dann auf das Substrat mit der unteren Elektrode 37 eine Pinningschicht 39, eine gepinnte Schicht 46, eine Tunnelschicht 47, eine freie Schicht 54 und eine obere Elektrodenschicht 55 nacheinander aufgebracht. Alternativ können auf dem Substrat mit der unteren Elektrode 37 nacheinander die freie Schicht 54, die Tunnelschicht 47, die gepinnte Schicht 46, die Pinningschicht 39 und die obere Elektrodenschicht 55 in dieser Reihenfolge aufgebracht werden. Die Pinningschicht 39 kann eine antiferromagnetische Schicht sein, z.B. eine PtMn-Schicht, und die Tunnelschicht 47 kann eine isolierende Schicht sein, wie eine Al₂O₃-Schicht. Die gepinnte Schicht 46 kann eine einzelne ferromagnetische Schicht oder eine synthetische antiferromagnetische (SAF)-Schicht sein. Die einzelne ferromagnetische Schicht kann z.B. eine CoFe- oder eine NiFe-Schicht sein, die unter Verwendung einer Sputtertechnik aufgebracht wird. Wenn die gepinnte Schicht 46 eine SAF-Schicht ist, kann sie durch sequentielles Stapeln einer unteren ferromagnetischen Schicht 41, einer antiferromagnetischen Kopplungsabstandsschicht 43 und einer oberen ferromagnetischen Schicht 45 gebildet werden. Die untere ferromagnetische Schicht 41 und die obere ferromagnetische Schicht 45 können z.B. jeweils eine CoFe-Schicht oder eine NiFe-Schicht sein, und die antiferromagnetische Kopplungsabstandsschicht 43 kann eine Ru-Schicht sein.
In gleicher Weise kann die freie Schicht 54 eine einzelne ferromagnetische Schicht, z.B. eine CoFe-Schicht oder NiFe-Schicht, oder eine SAF-Schicht sein. In letzterem Fall kann die freie Schicht 54 ebenfalls durch sequentielles Stapeln einer unteren ferromagnetischen Schicht 49, einer antiferromagnetischen Kopplungsabstandsschicht 51 und einer oberen ferromagnetischen Schicht 53 gebildet werden. Die untere und die obere ferromagnetische Schicht 49, 53 können wiederum eine CoFe-Schicht, eine NiFe-Schicht oder eine CoNiFe-Schicht sein, und die antiferromagnetische Kopplungsabstandsschicht 51 kann z.B. eine Ru-Schicht sein.
Gemäß 11 werden dann wenigstens die obere Elektrodenschicht 55 und die freie Schicht 54 unter Verwendung der Fotomaske von 7 strukturiert. Dadurch entstehen die obere Elektrode 55a und die Struktur 54a der freien Schicht entsprechend der Draufsicht von 6 über der unteren Elektrode 57. Dabei kann auch vorgesehen sein, die obere Elektrodenschicht 55, die freie Schicht 54, die Tunnelschicht 47, die gepinnte Schicht 46 und die Pinningschicht 39 sukzessiv unter Verwendung der Fotomaske von 7 zu strukturieren. In diesem Fall werden die Pinningschichtstruktur 39a, die Struktur 46a der gepinnten Schicht, die Tunnelisolationsschichtstruktur 47a, die Struktur 54a der freien Schicht und die obere Elektrode 55a auf der unteren Elektrode 37 entsprechend dem in 2B gezeigten Aufbau gebildet. Die Pinningschichtstruktur 39a, die Struktur 46a der gepinnten Schicht, die Tunnelisolationsschichtstruktur 47a und die Struktur 54a der freien Schicht bilden zusammen die magnetische Tunnelübergangsstruktur 5.
Wenn die gepinnte Schicht 46, wie oben beschrieben, aus einer SAF-Schicht besteht, umfasst die Struktur 46a der gepinnten Schicht die Struktur 41a der unteren ferromagnetischen Schicht, die Struktur 43a der antiferromagnetischen Kopplungsabstandsschicht und die Struktur 54a der oberen ferromagnetischen Schicht, die sequentiell gestapelt sind. In gleicher Weise umfasst die Struktur 54a der freien Schicht, wenn die freie Schicht 54 aus einer SAF-Schicht besteht, die Struktur 49a der unteren ferromagnetischen Schicht, die Struktur 51a der antiferromagnetischen Kopplungsabstandsschicht und die Struktur 53a der oberen ferromagnetischen Schicht, die sequentiell gestapelt sind.
Auf dem Substrat mit der magnetischen Tunnelübergangsstruktur 5 und der oberen Elektrode 55a wird dann eine dritte isolierende Zwischenschicht 57 gebildet und strukturiert, um ein Bitleitungskontaktloch zu erzeugen, das die obere Elektrode 55a freilegt. Auf dem Substrat mit dem Bitleitungskontaktloch wird eine leitfähige Schicht, z.B. eine Aluminiumschicht, gebildet und strukturiert, um die Bitleitung 59 zu erzeugen, die elektrisch mit der oberen Elektrode 55a über das Bitleitungskontaktloch verbunden ist. Die Bitleitung 59 kreuzt über der Digitleitung 29.
Nachfolgend werden Umschalteigenschaften von hergestellten erfindungsgemäßen magnetischen Tunnelübergangsstrukturen und im Vergleich dazu von herkömmlichen magnetischen Tunnelübergangsstrukturen unter Bezugnahme auf die 12 bis 14 näher erläutert.
12 veranschaulicht graphisch Messresultate von Asteroidkurven zu Umschalteigenschaften von herkömmlich gefertigten magnetischen Tunnelübergangsstrukturen. Auf der Abszisse ist ein bezüglich eines koerzitiven Magnetfeldes He normiertes hartes Magnetfeld Hh/Hc abgetragen, während auf der Ordinate ein bezüglich des koerzitiven Magnetfeldes He normiertes leichtes Magnetfeld He/Hc abgetragen ist. Das koerzitive Magnetfeld He bezeichnet ein minimales leichtes Magnetfeld, das zum Umschalten der herkömmlichen magnetischen Tunnelübergangsstruktur ohne Anlegen eines harten Magnetfeldes benötigt wird.
Die zu den Messergebnissen von 12 gehörigen, herkömmlichen magnetischen Tunnelübergangsstrukturen wurden mit einer in Draufsicht rechteckigen Gestalt hergestellt. Speziell wurden die rechteckigen magnetischen Tunnelübergangsstrukturen durch Strukturieren unter Verwendung einer Fotomaske hergestellt, die ein rechteckiges Muster für einen magnetischen Tunnelübergang mit einer Länge von 0,8 μm und einer Breite von 0,4 μm aufweist.
Die rechteckigen magnetischen Tunnelübergangsstrukturen wurden durch sequentielles Stapeln einer Pinningschichtstruktur, einer Struktur einer gepinnten Schicht, einer Tunnelisolationsschichtstruktur und einer Struktur einer freien Schicht hergestellt, wobei die Pinningschichtstruktur aus einer PtMn-Schicht mit einer Dicke von 15 nm und die Tunnelisolationsschichtstruktur aus einer Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke von 1,2 nm erzeugt wurden. Für die Struktur der gepinnten Schicht wurde eine SAF-Schicht gewählt, für die sequentiell eine untere CoFe-Schicht mit einer Dicke von 3 nm, eine Ru-Schicht mit einer Dicke von 0,8 nm und eine obere CoFe-Schicht mit einer Dicke von 3 nm gestapelt wurden.
In 12 gehören mit einem Quadrat markierte Datenpunkte zu einer Asteroidkurve einer herkömmlichen magnetischen Tunnelübergangsstruktur mit einer Struktur einer freien Schicht aus einer einzelnen ferromagnetischen Schicht, und mit einem Kreis markierte Datenpunkte gehören zu einer Asteroidkurve einer herkömmlichen magnetischen Tunnelübergangsstruktur mit einer Struktur der freien Schicht aus einer SAF-Schicht. In ersterem Fall wurde die Struktur der einzelnen freien Schicht aus einer CoNiFe-Schicht mit einer Dicke von 3 nm erzeugt, in letzterem Fall wurde die Struktur der freien SAF-Schicht durch sequentielles Stapeln einer unteren CoNiFe-Schicht mit einer Dicke von 4 nm, einer Ru-Schicht mit einer Dicke von 0,8 nm und einer oberen CoNiFe-Schicht mit einer Dicke von 2 nm erzeugt.
Wenn ein hartes Magnetfeld gleich dem halben koerzitiven Magnetfeld He an die herkömmliche magnetische Tunnelübergangsschicht mit der Struktur der einzelnen freien Schicht angelegt wird, wird diese Struktur mit einem leichten Magnetfeld geschaltet, das mindestens etwa dem 0,63-fachen des koerzitiven Magnetfeldes He entspricht, siehe einen Datenwert α1 in 12. Wenn ein gleich großes hartes Magnetfeld, d.h. gleich dem halben koerzitiven Magneffeld Hc, an die herkömmliche magnetische Tunnelübergangsstruktur mit der Struktur der freien SAF-Schicht angelegt wird, wird diese Struktur mit einem leichten Magneffeld geschaltet, das mindestens etwa dem 0,57-fachen des koerzitiven Magnetfeldes He entspricht, siehe einen Datenwert α2 von 12. Dabei entsprechen die Faktoren α1 und α2 Zahlenwerten zur Bestimmung ei ner Schreibtoleranz der magnetischen Tunnelübergangsstrukturen, d.h. die Schreibtoleranz wächst umso mehr, je niedriger diese Faktoren sind.
13 veranschaulicht graphisch Messresultate von Asteroidkurven bezüglich Umschalteigenschaften erfindungsgemäß hergestellter magnetischer Tunnelübergangsstrukturen, wobei auf der Abszisse und der Ordinate die gleichen Parameter wie in 12 abgetragen sind. Die erfindungsgemäß hergestellten magnetischen Tunnelübergangsstrukturen von 13 unterscheiden sich in ihrer planaren Form von den herkömmlichen magnetischen Tunnelübergangsstrukturen der 12, wobei die jeweilige Form auch schematisch in einem jeweiligen Insert der 12 und 13 wiedergegeben ist. Speziell handelt es sich bei den magnetischen Tunnelübergangsstrukturen von 13 um solche, die unter Verwendung der Fotomaske von 7 hergestellt wurden, und zwar wurden für das Muster 5m des magnetischen Tunnelübergangs auf der Fotomaske Abmessungen benutzt, die in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengefasst sind.
Tabelle 1
Wenn an eine solche erfindungsgemäße magnetische Tunnelübergangsstruktur mit einer aus einer einzelnen Schicht gebildeten Struktur der freien Schicht ein hartes Magnetfeld von der halben Größe des koerzitiven Magnetfeldes He angelegt wird, wird die magnetische Tunnelübergangsstruktur mit einem leichten Magnetfeld geschaltet, das etwa dem 0,43-fachen des koerzitiven Magnetfeldes He entspricht, wie durch einen Datenwert α1' in 13 repräsentiert. Wenn ein hartes Magnetfeld gleicher Größe, d.h. der Hälfte des koerzitiven Magnetfeldes Hc, an eine solche erfindungsgemäße magnetische Tunnelübergangsstruktur angelegt wird, bei der das Muster der freien Schicht aus einer SAF-Schicht gebildet ist, wird die magnetische Tunnelübergangsstruktur mit einem leichten Magnetfeld geschaltet, das etwa dem 0,13-fachen des koerzitiven Magnetfeldes He entspricht, wie durch einen Datenwert α2' in 13 repräsentiert. Folglich zeigen die erfindungsgemäßen magnetischen Tunnelübergangsstrukturen eine im Vergleich zu den herkömmlichen magnetischen Tunnelübergangsstrukturen verbesserte Schreibtoleranz. Insbesondere ist die Schreibtoleranz für die erfindungsgemäße magnetische Tunnelübergangsstruktur, welche die Struktur der freien Schicht aus einer SAF-Schicht verwendet, deutlich verbessert.
14 veranschaulicht graphisch Messergebnisse von Magnetisierungskennlinien einer dreilagigen SAF-Schicht und einer SAF-Hybridschicht gemäß der Erfindung, wobei auf der Abszisse ein an die SAF-Schichten angelegtes externes Magnetfeld Hex und auf der Ordinate eine normierte Magnetisierung M abgetragen sind. Mit einem Quadratsymbol bezeichnete Datenpunkte gehören zu einer Magnetisierungskennlinie der dreilagigen SAF-Schicht, und mit einem Kreissymbol markierte Datenpunkte gehören zu einer Magnetisierungskennlinie der SAF-Hybridschicht. Die dreilagige SAF-Schicht wurde durch sequentielles Stapeln einer unteren NiFe-Schicht mit einer Dicke von 3,3 nm, einer Ru-Schicht mit einer Dicke von 0,8 nm und einer oberen NiFe-Schicht mit einer Dicke von 3 nm ganzflächig auf einem Substrat gebildet. Die SAF-Hybridschicht wurde durch sequentielles Stapeln einer unteren NiFe-Schicht mit einer Dicke von 3,3 nm, einer unteren CoFe-Schicht mit einer Dicke von 0,3 nm, einer Ru-Schicht mit einer Dicke von 0,8 nm, einer oberen CoFe-Schicht mit einer Dicke von 0,3 nm und einer oberen NiFe- Schicht mit einer Dicke von 3 nm ganzflächig auf einem Substrat gebildet.
Wie aus 14 ersichtlich, zeigt die dreilagige SAF-Schicht eine normierte Magnetisierung M von im Wesentlichen gleich 1,0, wenn ein externes Magnetfeld Hex von mindestens etwa 450 Oe angelegt wird. Hingegen zeigt die SAF-Hybridschicht eine normierte Magnetisierung M von etwa 1,0 erst unter einem externen Magnetfeld Hex von mehr als etwa 1.400 Oe. Der Wert 1,0 für die normierte Magnetisierung M entspricht hierbei der Situation, in der praktisch alle magnetischen Spins in einer oberen ferromagnetischen Schicht der SAF-Schichten vollständig parallel zu praktisch allen magnetischen Spins in einer unteren ferromagnetischen Schicht der SAF-Schichten orientiert sind. Um folglich die magnetischen Spins in allen ferromagnetischen Schichten der SAF-Hybridschicht parallel zueinander zu orientieren, wurde ein externes Magnetfeld Hex von mehr als 1.400 Oe benötigt, während bereits ein externes Magnetfeld von etwas 450 Oe ausgereicht hat, die magnetischen Spins in allen ferromagnetischen Schichten der dreilagigen SAF-Schicht in ihre zueinander parallele Orientierung zu bringen. Dies bedeutet, dass die SAF-Hybridschicht verglichen mit der dreilagigen SAF-Schicht eine betraglich höhere Austauschkopplungsenergie aufweist, d.h. eine betraglich höhere negative Austauschkopplungsenergie Jex gemäß 4. Folglich ist die SAF-Hybridschicht der dreilagigen SAF-Schicht in dieser Hinsicht überlegen.
Wie die obige Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele deutlich macht, stellt die Erfindung magnetische Tunnelübergangsstrukturen und diese enthaltende MRAM-Zellen zur Verfügung, bei denen die Struktur der freien Schicht einen mindestens viereckigen Hauptkörper und ein paar gebogener Endabschlüsse beinhaltet, die sich in Draufsicht gesehen von entgegengesetzten Endbereichen des Hauptkörpers aus erstrecken. Die magnetischen Spins in der Struktur der freien Schicht erzeu gen dadurch ein kreisförmiges Magnetfeld, um in einem stabilen Gleichgewichtszustand zu verbleiben, wenn kein externes Magnetfeld angelegt wird. Außerdem wird durch die gebogenen Endabschlüsse eine deutlich verbesserte Schreibtoleranz erzielt.

Claims

Magnetische Tunnelübergangsstruktur mit – einem Stapel aus einer Struktur (46a) einer gepinnten Schicht, einer Tunnelisolationsschichtstruktur (47a) und einer Struktur (54a) einer freien Schicht auf einem Substrat (11), – wobei die Struktur (54a) der freien Schicht einen Hauptkörper (1) mit einer ersten Seite (1a), einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite (1b), einer sich von einem Ende der ersten Seite bis zu einem Ende der zweiten Seite erstreckenden dritten Seite (1c) und einer sich vom anderen Ende der ersten Seite bis zum anderen Ende der zweiten Seite erstreckenden vierten Seite (1d) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Struktur (54a) der freien Schicht einen ersten Endabschlussbereich (3a), der sich von einem ersten Punkt (P1), an dem die zweite und dritte Seite zusammentreffen, aus erstreckt und die zweite und dritte Seite kontaktiert, und einen zweiten Endabschlussbereich (3b) aufweist, der sich von einem zweiten Punkt (P2), an dem die zweite und vierte Seite zusammentreffen, aus erstreckt und die zweite und vierte Seite kontaktiert.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Seite länger als die dritte und die vierte Seite sind.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite gleich lang wie die zweite Seite ist und/oder die dritte Seite gleich lang wie die vierte Seite ist.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass sich die Tunnelisolationsschichtstruktur zwischen der Struktur der freien Schicht und der Struktur der gepinnten Schicht befindet und die Tunnelisolationsschichtstruktur und die Struktur der gepinnten Schicht die gleiche Konfiguration wie die Struktur der freien Schicht aufweisen.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter gekennzeichnet durch eine Pinningschichtstruktur in Kontakt mit der Struktur der gepinnten Schicht auf deren der Tunnelisolationsschichtstruktur abgewandten Seite.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der gepinnten Schicht aus einer einlagigen ferromagnetischen Schicht gebildet ist.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der gepinnten Schicht aus einer synthetischen antiferromagnetischen Schicht gebildet ist.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der gepinnten Schicht aus einer hybriden synthetischen antiferromagnetischen Schicht aus wenigstens fünf Schichtlagen gebildet ist.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach Anspruch 8, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die hybride synthetische antiferro magnetische Schicht eine untere CoFeB-Schicht eine untere CoFe-Schicht, eine antiferromagnetische Kopplungsabstandsschicht, eine obere CoFe-Schicht und eine obere CoFeB-Schicht umfasst, die sequentiell gestapelt sind, wobei die antiferromagnetische Kopplungsabstandsschicht eine Rutheniumschicht oder eine Chromschicht ist.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach Anspruch 8, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die hybride synthetische antiferromagnetische Schicht eine untere NiFe-Schicht, eine untere CoFe-Schicht, eine antiferromagnetische Kopplungsabstandsschicht, eine obere CoFe-Schicht und eine obere NiFe-Schicht umfasst, die sequentiell gestapelt sind, wobei die antiferromagnetische Kopplungsabstandsschicht eine Rutheniumschicht oder eine Chromschicht ist.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der freien Schicht aus einer einlagigen ferromagnetischen Schicht gebildet ist.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der freien Schicht aus einer synthetischen antiferromagnetischen Schicht gebildet ist.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach Anspruch 12, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der freien Schicht aus einer hybriden synthetischen antiferromagnetischen Schicht mit wenigstens fünf Schichtlagen gebildet ist.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach Anspruch 13, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die hybride synthetische antiferromagnetische Schicht eine untere CoFeB-Schicht eine untere CoFe-Schicht, eine antiferromagnetische Kopplungsabstandsschicht, eine obere CoFe-Schicht und eine obere CoFeB-Schicht umfasst, die sequentiell gestapelt sind, wobei die antiferromagnetische Kopplungsabstandsschicht eine Rutheniumschicht oder eine Chromschicht ist.
Magnetische Tunnelübergangsstruktur nach Anspruch 13, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die hybride synthetische antiferromagnetische Schicht eine untere NiFe-Schicht, eine untere CoFe-Schicht, eine antiferromagnetische Kopplungsabstandsschicht, eine obere CoFe-Schicht und eine obere NiFe-Schicht umfasst, die sequentiell gestapelt sind, wobei die antiferromagnetische Kopplungsabstandsschicht eine Rutheniumschicht oder eine Chromschicht ist.
MRAM-Zelle mit – einem Zugriffstransistor (TA) auf einem integrierten Schaltkreissubstrat (11), – einer Digitleitung (21) über dem Substrat, – einer über der Digitleitung angeordneten, unteren Elektrode (37), die elektrisch mit einem Ausgangsanschluss des Zugriffstransistors verbunden ist, – einer magnetischen Tunnelübergangsstruktur (5) mit einer Struktur einer gepinnten Schicht, einer Tunnelisolationsschichtstruktur und einer Struktur einer freien Schicht, die auf der unteren Elektrode gestapelt sind, – einer über der magnetischen Tunnelübergangsstruktur angeordneten oberen Elektrode (55a) und – einer über der oberen Elektrode angeordneten und mit dieser elektrisch verbundenen Bitleitung (59), dadurch gekennzeichnet, dass – die magnetische Tunnelübergangsstruktur (5) eine solche nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ist.
MRAM-Zelle nach Anspruch 16, weiter gekennzeichnet durch eine Isolationsschicht (13) die in einem vorgegebenen Bereich des integrierten Schaltkreissubstrats zur Festlegung eines aktiven Gebietes gebildet ist, wobei der Zugriffstransistor als ein MOS-Transistor mit einem Sourcebereich und einem Drainbereich im aktiven Gebiet sowie einer Gateelektrode gebildet ist, die über einem Kanalbereich zwischen dem Sourcebereich und dem Drainbereich kreuzt, wobei der Drainbereich als der Ausgangsanschluss des MOS-Zugriffstransistors fungiert.
MRAM-Zelle nach Anspruch 16 oder 17, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper der magnetischen Tunnelübergangsstruktur eine rechteckige Form aufweist, bei der die erste und zweite Seite länger als die dritte und die vierte Seite sind.
MRAM-Zelle nach einem der Ansprüche 16 bis 18, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Tunnelübergangsstruktur eine Pinningschichtstruktur zwischen der unteren Elektrode und der Struktur der gepinnten Schicht beinhaltet.
Fotomaske mit einem Substrat (101) und einem auf einer Hauptoberfläche des Substrats gebildeten Muster (5m) für einen magnetischen Tunnelübergang, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster (5m) für den magnetischen Tunnelübergang folgende Bestandteile aufweist: – ein mindestens viereckiges Hauptmuster (1m) mit einer ersten Seite und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite sowie mit einer dritten Seite und einer dieser gegenüberliegenden vierten Seite, – ein erstes Endabschlussmuster (3m'), das sich von einem ersten Punkt (P1), an dem die zweite und dritte Seite zusammentreffen, aus erstreckt und teilweise mit einem den ersten Punkt enthaltenden ersten Eckbereich des Hauptmusters überlappt, und – ein zweites Endabschlussmuster (3m''), das sich von einem zweiten Punkt (P2), an welchem die zweite und die vierte Seite zusammentreffen, aus erstreckt und teilweise mit einem den zweiten Punkt enthaltenden zweiten Eckbereich des Hauptmusters überlappt.
Fotomaske nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptmuster rechteckig ist, wobei die erste und zweite Seite länger als die dritte und vierte Seite sind.
Fotomaske nach Anspruch 20 oder 21, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Endabschlussmuster jeweils einen außerhalb des Hauptmusters liegenden Mittelpunkt aufweisen.
Fotomaske nach Anspruch 22, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte des ersten und des zweiten Endabschlussmusters von Verlängerungen der zweiten, dritten und vierten Seite beabstandet sind.
Fotomaske nach einem der Ansprüche 20 bis 23, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Endabschluss muster bezüglich einer Linie symmetrisch sind, die durch einen Mittelpunkt des Hauptmusters verläuft.
Fotomaske nach einem der Ansprüche 20 bis 24, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Endabschlussmuster eine viereckige oder eine kreisförmige Konfiguration aufweisen.
Fotomaske nach einem der Ansprüche 20 bis 25, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptmuster sowie das erste und das zweite Endabschlussmuster als lichtundurchlässige Muster ausgebildet sind.
Fotomaske nach Anspruch 26, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die lichtundurchlässigen Muster Chrommuster sind.