DE102005059555A1 - Hartmasken zur Bereitstellung eines thermisch gestützten Umschaltens von Magnetspeicherelementen - Google Patents

Hartmasken zur Bereitstellung eines thermisch gestützten Umschaltens von Magnetspeicherelementen Download PDF

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Abstract

Ein exemplarischer Magnetdirektzugriffsspeicher weist eine Mehrzahl von Hartmasken, eine Mehrzahl von Magnetspeicherelementen, die jeweils unter Verwendung einer entsprechenden der Hartmasken gebildet wurden, und zumindest einen Leiter nahe den Hartmasken auf. Der Leiter ist in der Lage, einen Strom zum Erzeugen elektromagnetischer Hochfrequenzfelder zu tragen, die durch die Hartmasken absorbierbar sind, um die Hartmasken zu erwärmen, um die Temperatur eines oder mehrerer der Magnetspeicherelemente zu erhöhen, um ein Umschalten einer Magnetausrichtung derselben thermisch zu unterstützen.

Description

  • Ein Speicherchip weist allgemein eine Mehrzahl von Speicherelementen auf, die auf einen Siliziumwafer aufgebracht und über ein Array von Spaltenleitungsanschlussleitungen (Bitleitungen) und Zeilenleitungsanschlussleitungen (Wortleitungen) adressierbar sind. Üblicherweise befindet sich ein Speicherelement an dem Schnittpunkt einer Bitleitung und einer Wortleitung. Die Speicherelemente werden durch spezialisierte Schaltungen gesteuert, die Funktionen durchführen, wie z. B. ein Identifizieren von Zeilen und Spalten, von denen Daten gelesen oder an die Daten geschrieben werden. Üblicherweise speichert jedes Speicherelement Daten in der Form einer „1" oder einer „0", was ein Bit Daten darstellt.
  • Ein Array von Magnetspeicherelementen kann als ein Magnetdirektzugriffsspeicher oder MRAM bezeichnet werden. Ein MRAM ist allgemein ein nichtflüchtiger Speicher (d. h. ein Festkörperchip, der Daten behält, wenn eine Leistung abgeschaltet wird). 1 stellt ein exemplarisches Magnetspeicherelement 100 eines MRAM in der verwandten Technik dar. Das Magnetspeicherelement 100 umfasst eine Datenschicht 110 und eine Referenzschicht 130, die voneinander durch zumindest eine Zwischenschicht 120 getrennt sind. Die Datenschicht 110 könnte auch als eine Bitschicht, eine Speicherschicht oder eine Leseschicht bezeichnet werden. In einem Magnetspeicherelement könnte ein Bit Daten (z. B. eine „1" oder „0") durch ein „Schreiben" in die Datenschicht 110 über eine oder mehrere leitende Anschlussleitungen (z. B. eine Bitleitung und eine Wortleitung) gespeichert werden. Eine typische Datenschicht 110 könnte aus einem oder mehreren ferromagnetischen Materialien hergestellt sein. Die Schreiboperation wird üblicherweise über Schreibströme erzielt, die zwei externe Magnetfelder erzeugen, die, wenn diese kombiniert werden, die Ausrichtung des Magnetmoments in der Datenschicht auf eine vorbestimmte Richtung setzen.
  • Sobald das gespeicherte Bit Daten geschrieben wurde, kann es durch ein Bereitstellen eines Lesestroms durch eine oder mehrere leitende Anschlussleitungen (z. B. eine Leseleitung) an das Magnetspeicherelement gelesen werden. Für jedes Speicherelement sind die Ausrichtungen der Magnetmomente der Datenschicht 110 und der Referenzschicht 130 entweder parallel (in der gleichen Richtung) oder antiparallel (in unterschiedlichen Richtungen) zueinander. Der Grad an Parallelität beeinflusst den Widerstandswert des Elements und dieser Widerstandswert kann durch ein Lesen (z. B. über einen Leseverstärker) eines Ausgangsstroms oder einer -spannung, der/die durch das Speicherelement ansprechend auf den Lesestrom erzeugt wird, bestimmt werden.
  • Insbesondere weist, wenn die Magnetmomente parallel sind, der basierend auf dem Ausgangsstrom bestimmte Widerstandswert einen ersten relativen Wert (z. B. relativ niedrig) auf. Wenn die Magnetmomente antiparallel sind, weist der bestimmte Widerstandswert einen zweiten relativen Wert auf (z. B. relativ hoch). Die relativen Werte der beiden Zustände (d. h. parallel und antiparallel) sind üblicherweise ausreichend verschieden, um unterschiedlich erfasst zu werden. Eine „1" oder eine „0" könnte den jeweiligen relativen Widerstandswerten abhängig von einer Entwurfsspezifizierung zugewiesen sein.
  • Die Zwischenschicht 120, die auch als eine Abstandshalterschicht bezeichnet werden könnte, könnte ein isolierendes Material (z. B. Dielektrikum), ein nichtmagnetisches leitfähiges Material und/oder andere bekannte Materialien aufweisen.
  • Die oben beschriebenen Schichten und ihre jeweiligen Charakteristika sind typisch für Magnetspeicherelemente basierend auf Tunnelungsmagnetowiderstands- (TMR-) Effekten, die in der Technik bekannt sind. Andere Kombinationen von Schichten und Charakteristika könnten ebenso zur Herstellung von Magnetspeicherelementen basierend auf TMR-Effekten eingesetzt werden.
  • Wiederum andere Konfigurationen von Magnetspeicherelementen basieren auf anderen bekannten physischen Effekten (z. B. Riesenmagnetowiderstands- (GMR-), Anisotrop-Magnetowiderstands- (AMR-), Kollosal-Magnetowiderstands- (CMR-) und/oder anderen physischen Effekten).
  • In der gesamten Anmeldung werden verschiedene exemplarische Ausführungsbeispiele Bezug nehmend auf die TMR-Speicherelemente beschrieben, wie erstmals oben beschrieben. Fachleute auf dem Gebiet werden ohne Weiteres erkennen, dass die exemplarischen Ausführungsbeispiele gemäß den Anforderungen einer bestimmten Implementierung auch mit anderen Typen von Magnetspeicherelementen implementiert sein könnten, die in der Technik bekannt sind (z. B. anderen Typen von TMR-Speicherelementen, GMR-Speicherelementen, AMR-Speicherelementen, CMR-Speicherelementen, usw.).
  • Die verschiedenen leitenden Anschlussleitungen (z. B. Bitleitungen, Wortleitungen und Leseleitungen), die zur Auswahl der Speicherelemente in einem MRAM verwendet werden, sowie zum Lesen von Daten von oder Schreiben von Daten an die Speicherelemente, sind durch eine oder mehrere zusätzliche Schichten, die leitfähige Schicht(en) genannt werden, vorgesehen. 2 stellt ein exemplarisches Speicherarray 200 dar, das Magnetspeicherelemente 100a100d umfasst, die durch Bitleitungen 210a210b, Wortleitungen 220a220b und Leseleitungen (nicht gezeigt) während Lese- oder Schreiboperationen auswählbar sind. Die Magnetspeicherelemente 100a100d sind allgemein an den Kreuzungs punkten der Bitleitungen 210a210b und Wortleitungen 220a220b angeordnet.
  • Die Leseleitungen könnten auf oder unterhalb der Bitleitungen 210a210b oder der Wortleitungen 220a220b (und von denselben isoliert) oder in einer anderen geeigneten Konfiguration gemäß einer bestimmten Implementierung angeordnet sein.
  • Herkömmliche Magnetspeicherelemente, wie oben beschrieben, könnten beschrieben werden, wenn Ströme in der Bitleitung und der Wortleitung, die sich an einem ausgewählten Speicherelement schneiden, ausreichende kombinierte Magnetfelder erzeugen, um die Magnetausrichtung der Datenschicht des ausgewählten Speicherelements umzuschalten. Es ist bekannt, dass, wenn ein Magnetspeicherelement erwärmt wird (z. B. auf eine Temperatur, die höher als Raumtemperatur ist), die Magnetausrichtung der Datenschicht leichter umgeschaltet werden kann (z. B. durch ein kleineres kombiniertes Magnetfeld). So ist oft ein thermisch gestütztes Umschalten von Magnetausrichtungen in Speicherelementen ein wünschenswertes Merkmal.
  • Eine thermische Unterstützung wird typischerweise durch zusätzliche Heizerstrukturen bereitgestellt, die die Speicherelemente berühren oder nahe an denselben sind. Diese Heizerstrukturen sind üblicherweise zu dem einzigen Zweck eines Erwärmens ihres benachbarten Speicherelements gebildet. Ein Bilden zusätzlicher Heizerstrukturen jedoch bewirkt zusätzliche Herstellungskosten.
  • So besteht ein Markt für ein alternatives Verfahren zum Erwärmen von Speicherelementen, ohne notwendigerweise zusätzliche Heizerstrukturen zu bilden.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetdirektzugriffsspeicher, ein Verfahren zum Schreiben von Daten in ein thermisch gestütztes Magnetspeicherelement, ein Verfahren zum Herstellen einer thermisch gestützten Magnetspeicherstruktur, ein nichtflüchtiges Speicherarray oder eine Vorrichtung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Speicher gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 12, ein Speicherarray gemäß Anspruch 18 oder eine Vorrichtung gemäß Anspruch 19 gelöst.
  • Ein exemplarischer Magnetdirektzugriffsspeicher weist eine Mehrzahl von Hartmasken, eine Mehrzahl von Magnetspeicherelementen, die jeweils unter Verwendung einer entsprechenden der Hartmasken gebildet wurden, und zumindest einen Leiter nahe den Hartmasken auf. Der Leiter ist in der Lage, einen Strom zur Erzeugung elektromagnetischer Hochfrequenzfelder zu tragen, die durch die Hartmasken absorbierbar sind, um die Hartmasken zu erwärmen, um die Temperatur eines oder mehrerer der Magnetspeicherelemente zu erhöhen, um ein Umschalten einer Magnetausrichtung derselben thermisch zu unterstützen.
  • Weitere Ausführungsbeispiele und Implementierungen sind unten ebenso beschrieben.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein exemplarisches Magnetspeicherelement in der verwandten Technik;
  • 2 ein exemplarisches Speicherarray mit einer Mehrzahl von Magnetspeicherelementen in der verwandten Technik;
  • 3A eine exemplarische Koerzivität bei Raumtemperatur
  • und 3B bzw. eine exemplarische Koerzivität bei einer erhöhten Temperatur zum Umschalten der Magnetausrichtung eines Magnetspeicherelements;
  • 4 eine exemplarische Querschnittsansicht einer Magnetspeicherstruktur mit einer Hartmaske, die verwendet wurde, um ein Magnetelement während eines Herstellungsverfahrens zu bilden, und die nachfolgend verwendet werden kann, um das Speicherelement zu erwärmen;
  • 5 ein exemplarisches Verfahren zum Bilden der Magnetspeicherstruktur aus 4;
  • 6A bis 6I exemplarische Magnetspeicherstrukturen, die gemäß dem exemplarischen Verfahren aus 5 hergestellt werden; und
  • 7 eine exemplarische Draufsicht eines Arrays von Magnetspeicherstrukturen, die zusätzliche Leiter nahe einem Array von Magnetspeicherelementen aufweisen.
  • I. Übersicht
  • Abschnitt II beschreibt exemplarische Wirkungen von Wärme auf die Koerzivität eines Magnetspeicherelements.
  • Abschnitt III beschreibt eine exemplarische Magnetspeicherstruktur, die keine separate Heizerstruktur benötigt.
  • Abschnitt IV beschreibt ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der im Abschnitt III beschriebenen Magnetspeicherstrukturen.
  • Abschnitt V beschreibt eine exemplarische Draufsicht der im Abschnitt III beschriebenen mehreren Magnetspeicherstrukturen.
  • Abschnitt VI beschreibt exemplarische Anwendungen der im Abschnitt III beschriebenen exemplarischen Magnetspeicherstrukturen.
  • II. Exemplarische Wirkungen von Wärme auf die Koerzivität
  • In vielen herkömmlichen MRAMs wird eine „1" oder eine „0" in ein Speicherelement geschrieben, indem die Magnetausrichtung der Datenschicht in dem Speicherelement umgeschaltet wird. Die Magnetausrichtung wird üblicherweise durch (die Vektorsumme von) Magnetfelder(n) umgeschaltet, die aus Schreibströmen (Ix, Iy) resultieren, die in zwei orthogonalen Schreibleitern (d. h. einer Bitleitung und einer Wortleitung), einem oberhalb und einem unterhalb des Speicherelements, fließen. Das ausgewählte Speicherelement erfährt ein Bitleitungsfeld und ein Wortleitungsfeld, während andere Speicherelemente in der ausgewählten Zeile und Spalte nur eines des Bitleitungsfelds und des Wortleitungsfelds erfahren.
  • In einem thermisch gestützten MRAM wird ein ausgewähltes Speicherelement kurz vor oder während einer Schreiboperation erwärmt. Als ein Ergebnis der erhöhten Wärme wird die Koerzivität (d. h. die Leichtigkeit eines Umschaltens der Magnetausrichtung des Speicherelements) des erwärmten Speicherelements reduziert und kleinere Umschalt-Magnetfelder sind zum Beschreiben dieses Speicherelements nötig.
  • 3A stellt einen exemplarischen Graphen einer Koerzivität (Hc) bei Raumtemperatur dar und 3B stellt einen exemplarischen Graphen einer Koerzivität (Hc) bei einer erhöhten Temperatur (z. B. 50°C über Raumtemperatur) dar. Bei der erhöhten Temperatur schaltet die Magnetausrichtung der Datenschicht eines Magnetspeicherelements bei einem niedrigeren kombinierten Magnetfeld um. Deshalb ermöglicht ein Erwärmen eines Magnetspeicherelements ein Reduzieren der Größen eines oder beider der Schreibströme (Ix, Iy). Selbst wenn jedoch die Größen eines oder mehrerer Schreibströme nicht reduziert werden, schaltet ein erwärmtes Magnetspeicherelement bei Vorliegen eines kombinierten Magnetfelds zuverlässiger um als ein nicht erwärmtes Magnetspeicherelement. So können der Grad eines Erwärmens eines ausgewählten Magnetelementspeicherelements und die Schreibströme, die an das Speicherelement angelegt werden, abhängig von einer erwünschten Umschaltzuverlässigkeit eingestellt werden (z. B. abgewogen werden).
  • III. Eine exemplarische Magnetspeicherstruktur, die nicht notwendigerweise eine separate Heizstruktur benötigt
  • 4 stellt eine exemplarische Magnetspeicherstruktur 400 dar, die eine Hartmaske umfasst, die sowohl als eine Maske zum Strukturieren und Bilden des Magnetspeicherelements während einer Vorrichtungsherstellung als auch nachfolgend als ein Heizer zum Erwärmen des Magnetspeicherelements wirken kann. So ist keine separate Heizerstruktur zur Bereitstellung einer thermischen Unterstützung für das Magnetspeicherelement 100, z. B. während einer Schreiboperation, nötig.
  • Die Speicherstruktur 400 umfasst ein Magnetspeicherelement 100 (das eine Datenschicht 110, eine Abstandshalterschicht 120 und eine Referenzschicht 130 umfasst), eine Hartmaske 410 oberhalb des Magnetspeicherelements 100, einen ersten Schreibleiter 210 (z. B. eine Bitleitung) und einen zweiten Schreibleiter 220 (z. B. eine Wortleitung), ein Paar zusätzlicher Leiter 430a430b und ein isolierendes Material (z. B. Dielektrikum) 420 zum Isolieren des ersten Schreibleiters 210 von den zusätzlichen Leitern 430a430b.
  • Die Hartmaske 410 wird verwendet, um das Speicherelement 100 während der Vorrichtungsherstellung zu strukturieren (z. B. unter Verwendung eines in der Technik bekannten Photolithographieverfahrens), und wird nach dem Strukturierungsvorgang nicht entfernt. Durch die Hartmasken 410 strukturierte Magnetspeicherelemente 100 könnten eine konsistentere Form aufweisen als Elemente, die durch organische Masken strukturiert werden.
  • Allgemein ist es relativ schwieriger, eine Hartmaske wegzuätzen als ein organisches Photoresist. Exemplarische Hartmaskenmaterialien könnten amorphes C, TaN, SiC, SiNx und SiOx umfassen. In der Speicherstruktur 400 weist die Hartmaske 410 eines oder mehrere Materialien auf, die in der Lage sind, Energie von elektromagnetischen Hochfrequenzfeldern zu absorbieren, wie z. B. kohlenstoffartigen Diamant. Diamantartiger Kohlenstoff ist thermisch, elektrisch und strukturmäßig stabil, selbst bei Temperaturen von ganzen 400°C.
  • Bei einer exemplarischen Implementierung sind die lateralen Abmessungen der Hartmaske 410 im Wesentlichen die gleichen wie bei dem Magnetspeicherelement. Die Dicke der Hartmaske 410 hängt von der Ätzrate oder anderen Betrachtungen (z. B. dem verwendeten Material) ab. Eine diamantartige Kohlenstoffhartmaske kann sehr dünn sein, z. B. in der Größenordnung von 10–100 nm.
  • Die Hartmaske 410 könnte elektrisch leitfähig sein. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Hartmaske einen Widerstandswert zwischen etwa 0,5 % und 50 % des Widerstandswerts relativ zu dem Widerstandswert des Speicherelements 100 aufweisen. Bei einer exemplarischen Implementierung kann die Hartmaske 410 auch als ein lineares resistives Element wirken. Der spezifische Widerstand der Hartmaske 410 kann um Größenordnungen abhängig von Aufbringungsbedingungen variieren. Der spezifische Widerstand des diamantartigen Kohlenstoffs z. B. kann mit dem Grad einer Stickstoff- (N-) Dotierung während einer Aufbringung der Hartmaske 410 variieren. Ein durch die Hartmaske 410 bereitgestellter Widerstandswert kann nützlich sein, um zu verhindern, dass ein einzelnes kurzgeschlossenes Magnetspeicherelement einen spaltenbreiten (oder zeilenbreiten) Fehler bewirkt. Diese und andere Vorteile bezüglich der Implementierung einer Hartmaske 410 als einem zusätzlichen resistiven Element sind detaillierter in dem U.S.-Patent Nr. 6,633,497 von Nickel, das der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung zugewiesen ist, beschrieben, wobei dieses Patent hierin zu allen Zwecken durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Bei einer exemplarischen Implementierung könnte, wenn die Hartmaske 410 elektrisch leitfähig ist, eine isolierende Schicht (nicht gezeigt) zwischen der Hartmaske 410 und dem zweiten Leiter 220 gebildet sein.
  • Die Hartmaske 410 könnte die Datenschicht 110 kontaktieren (muss jedoch nicht) (z. B. könnten andere Schichten zwischen der Hartmaske 410 und der Datenschicht 110 sein), solange die Hartmaske 410 ausreichend nahe angeordnet ist, um die Datenschicht 110 des Magnetspeicherelements 100 z. B. unmittelbar vor oder während einer Schreiboperation zu erwärmen.
  • Bei einer exemplarischen Implementierung weisen die zusätzlichen Leiter 430a430b eines oder mehrere leitfähige Materialien auf, wie z. B. Cu, Al, AlCu, Ta, W, Au, Ag, Legierungen eines oder mehrerer der obigen und/oder eines oder mehrere weitere leitfähige Materialien und Legierungen.
  • Die physischen Konfigurationen der zusätzlichen Leiter 430a430b, die in 4 dargestellt sind, sind lediglich beispielhaft. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird ohne Weiteres erkennen, dass die zusätzlichen Leiter 430a430b in der Nähe von (z. B. in der Umgebung von, nahe bei, usw.) der Hartmaske 410 implementiert sein können, so dass die elektromagnetischen Hochfrequenzfelder, die von den Leitern ausgehen, wirksam durch die Hartmaske 410 absorbiert werden können, um die Hartmaske 410 auf eine erwünschte Temperatur zu erwärmen.
  • Speicherstrukturen mit zusätzlichen Schichten sind ebenso in der Technik bekannt und könnten in verschiedenen Ausführungsbeispielen, die hierin beschrieben werden, gemäß einer bestimmten Entwurfsauswahl implementiert werden. Eine weitere Magnetspeicherstruktur z. B. könnte auch eine Keimschicht, eine antiferromagnetische (AFM-) Schicht, eine Schutzabdeckungsschicht und/oder andere Schichten umfassen. Die Keimsicht verbessert eine Kristallinausrichtung innerhalb der AFM-Schicht. Exemplarische Materialien für eine Keimschicht umfassen Ta, Ru, NiFe, Cu oder Kombinationen dieser Materialien. Die AFM-Schicht verbessert eine magnetische Stabilität in der Referenzschicht 130. Exemplarische Materialien für eine AFM-Schicht umfassen IrMn, FeMn, NiMn, PtMn und/oder andere gut bekannte Materialien. Die Schutzabdeckschicht schützt die Datenschicht 110 vor der Umgebung (z. B. durch Reduzieren einer Oxidation der Datenschicht 110) und könnte unter Verwendung eines geeigneten in der Technik bekannten Materials gebildet sein. Exemplarische Materialien für eine Schutzabdeckschicht umfassen Ta, TaN, Cr, Al, Ti DLC und/oder wiederum andere Materialien. Zur Erleichterung einer Erklärung sind diese zusätzlichen Schichten in den Figuren nicht gezeigt.
  • Die Schreibleiter 210 und 220 könnten aus Cu, Al, AlCu, Ta, W, Au, Ag, Legierungen eines oder mehrerer der obigen und/oder einem oder mehreren weiteren leitfähigen Materialien und Legierungen hergestellt sein. Die Schreibleiter 210 und 220 könnten durch Aufbringung oder andere Techniken, die in der Technik bekannt sind (z. B. Zerstäubung, Verdampfung, Elektroplattieren, usw.), gebildet sein. Die Schreibleiter 210220, die in 4 dargestellt sind, sind lediglich beispielhaft. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass andere Konfigurationen auch gemäß einer bestimmten Entwurfsauswahl implementiert werden können. Einer oder mehrere Schreibleiter 210 und 220 z. B. könnten zumindest teilweise durch ein ferromagnetisches Umhüllungsmaterial umhüllt sein oder thermisch von dem Speicherelement 100 durch ein isolierendes Material (z. B. Dielektrikum, Luft, ein Vakuum, usw.) isoliert sein, usw. Wenn eine Umhüllung implementiert ist, könnte die Umhüllung eines oder mehrere Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit (z. B. amorphe metallische, dotierte Halbleiter- und/oder andere Materialien oder Legierungen) und/oder ferromagnetischen Eigenschaften aufweisen. Wenn eine Umhüllung implementiert ist, könnte z. B. in dem ersten Schreibleiter 210 das Speicherelement 100 einen elektrischen Kontakt zu einem Abschnitt der Umhüllung anstatt dem Schreibleiter 210 herstellen, um eine Wärmeübertragung durch den Schreibleiter 210 zu reduzieren.
  • Die Datenschicht 110 könnte eines oder mehrere ferromagnetische Materialien aufweisen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfassen ferromagnetische Materialien, die geeignet für die Datenschicht 110 sind, ohne Einschränkung NiFe, NiFeCo, CoFe, amorphe ferromagnetische Legierungen (z. B. CoZrNb, CoFeB) und andere Materialien. Bei einer exemplarischen Implementierung weist die Datenschicht 110 einen Ferromagneten (FM) auf, der in Kontakt mit einem Antiferromagneten (AFM) steht. Durch ein Koppeln einer FM-Schicht mit einer AFM-Schicht könnte eine erwünschte Temperaturabhängigkeit der Datenschichtkoerzivität erhalten werden. Eine hohe Koerzivität z. B. könnte bei Raumtemperatur aufgrund einer großen FM-RFM-Austauschanisotropie erzielt werden. Eine hohe Raumtemperatur-Koerzivität könnte ein unbeabsichtigtes Beschreiben nichtausgewählter Speicherelemente auf ausgewählten Zeilen und/oder Spalten verhindern. Beispiele von AFM-Materialien umfassen ohne Einschränkung Iridium-Mangan (IrMn), Eisen-Mangan (FeMn), Nickel-Mangan (NiMn), Nickel-Oxid (NiO), Platin-Mangan (PtMn) und/oder andere Materialien.
  • Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Abstandshalterschicht 120 eine Tunnelbarriereschicht (z. B. wenn das Speicherelement 100 ein TMR-Speicherelement ist). Bei diesem Ausführungsbeispiel könnte die Abstandshalterschicht 120 aus SiO2, SiNx, MgO, Al2O3, AlNx und/oder anderen isolierenden Materialien hergestellt sein.
  • Bei einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Abstandshalterschicht 120 eine nichtmagnetische leitfähige Schicht (z. B. wenn das Speicherelement 100 ein GMR-Speicherelement ist). Bei diesem Ausführungsbeispiel könnte die Abstandshalterschicht 120 aus Cu, Au, Ag und/oder anderen nichtmagnetischen leitfähigen Materialien hergestellt sein.
  • Die Referenzschicht 130 könnte eine einzelne Schicht eines Materials oder mehrere Schichten von Materialien aufweisen. Die Referenzschicht 130 könnte z. B. eines oder mehrere ferromagnetische Materialien aufweisen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfassen ferromagnetische Materialien, die geeignet für die Referenzschicht 130 sind, NiFe, NiFeCo, CoFe, amorphe ferromagnetische Legierungen (z. B. CoZrNb, CoFeB) und andere Materialien.
  • Allgemein könnte eine Speicherstruktur in einer oben festgelegten bzw. gepinnten Konfiguration hergestellt sein (bei der die Referenzschicht 130 auf der Datenschicht 110 ist) oder einer unten festgelegten Konfiguration (bei der die Referenzschicht 130 unterhalb der Datenschicht 110 ist). Zur Erleichterung einer Erläuterung stellt 4 eine exemplarische unten festgelegte Konfiguration dar. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass andere Konfigurationen (z. B. oben festgelegt) alternativ implementiert werden könnten. Bei einer oben festgelegten Konfiguration z. B. kann die Hartmaske 410 stattdessen benachbart zu der Referenzschicht 130 angeordnet sein.
  • 5 unten beschreibt ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der Speicherstruktur 400.
  • IV. Ein exemplarisches Verfahren zur Herstellung der Magnetspeicherstruktur aus 4
  • 5 stellt ein exemplarisches Verfahren zur Herstellung der Magnetspeicherstruktur 400 dar. Die 6A6I stellen exemplarische Magnetspeicherstrukturen dar, die gemäß den Verfahrensschritten aus 5 hergestellt werden.
  • Bei Schritt 510 wird eine Schicht eines dielektrischen Materials durch Aufbringung oder andere ähnliche Techniken, die in der Technik bekannt sind, gebildet. Bei einer exemplarischen Implementierung wird das gebildete dielektrische Material durch einen Planarisierungsvorgang, wie z. B. eine chemisch-mechanische Planarisierung (CMP), planarisiert. Eine exemplarische Schicht des planarisierten dielektrischen Materials 610 ist in 6A dargestellt.
  • Bei Schritt 520 sind Gräben in dem dielektrischen Material durch ein Trocken- oder Nassätzverfahren, das in der Technik bekannt ist, gebildet. 6B stellt die exemplarische Schicht dielektrischen Materials 610 mit Gräben 620 dar.
  • Bei Schritt 530 wird eine Schicht leitfähigen Materials durch Aufbringung oder andere ähnliche Techniken, die in der Technik bekannt sind, gebildet. 6C stellt eine exemplarische Schicht leitfähigen Materials 630 oberhalb der Schicht dielektrischen Materials 610 dar.
  • Bei Schritt 540 wird ein anisotropes Ätzen durchgeführt, um das leitfähige Material differenziell zu ätzen. Bei einer exemplarischen Implementierung entfernt das anisotrope Ätzen die leitfähigen Materialien auf der oberen und unteren Oberfläche, hinterlässt jedoch die leitfähigen Materialien an den Seitenwänden der Gräben im Wesentlichen intakt. Techniken zum Durchführen von anisotropen Ätzungen sind in der Technik bekannt und müssen hierin nicht detailliert beschrieben werden. 6D stellt exemplarische leitfähige Materialien 640 an den Seitenwänden der Gräben dar.
  • Bei Schritt 550 wird eine weitere Schicht dielektrischen Materials durch Aufbringung oder weitere ähnliche Techniken, die in der Technik bekannt sind, gebildet. Bei einer exemplarischen Implementierung wird das gebildete dielektrische Material durch einen Planarisierungsvorgang, wie z. B. eine chemisch-mechanische Planarisierung (CMP), planarisiert. 6E stellt eine weitere Schicht planarisierten dielektrischen Materials 650 dar, die auf den leitfähigen Materialien 640 und der ersten Schicht dielektrischen Materials 610 gebildet ist.
  • Bei Schritt 560 werden die ersten Leiter 210 gemäß in der Technik bekannten Techniken gebildet. Bei einer exemplarischen Implementierung sind die ersten Leiter durch eine dielektrische Schicht voneinander isoliert. 6F stellt erste Leiter 210 dar, die voneinander durch eine dielektrische Schicht 660 isoliert sind.
  • Bei Schritt 570 werden Materialien zum Bilden der Magnetspeicherelemente und eine Hartmaskenschicht durch in der Technik bekannte Aufbringungstechniken gebildet. Bei einer exemplarischen Implementierung umfassen die Magnetspeicherelemente eine Referenzschicht 130, eine Abstandshalterschicht 120 und eine Datenschicht 110, die in der genannten Reihenfolge (für eine unten festgelegte Konfiguration) aufgebracht werden. 6G stellt die Magnetspeicherelementschichten 110130 oberhalb der ersten Leiter 210 und eine Hartmaskenschicht 670 oberhalb der Datenschicht 110 dar.
  • Bei Schritt 580 wird die Hartmaskenschicht 670 durch in der Technik bekannte photolithographische Strukturierungstechniken strukturiert, um Hartmasken zu bilden, die im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie die (erwünschten) Magnetspeicherelemente aufweisen, und die Hartmasken 410 werden verwendet, um die Magnetspeicherelemente 100 zu bilden. 6H stellt exemplarische Speicherelemente 100 dar, die durch ein Verwenden der Hartmasken 410 als eine Maske strukturiert und gebildet werden.
  • Bei Schritt 590 werden die zweiten Leiter 220 oberhalb der Hartmasken 410 unter Verwendung in der Technik bekannter Techniken gebildet. Bei einer exemplarischen Implementierung wird eine Schicht aus einem dielektrischen Material (nicht gezeigt) gebildet, um die Magnetspeicherelemente voneinander zu trennen, dann geätzt (z. B. über CMP), um die Oberseite der Magnetspeicherelemente freizulegen, bevor die zweiten Leiter 220 gebildet werden. 6I stellt exemplarische Magnetspeicherstrukturen dar, die der Struktur 400 aus 4 ähneln. In 6I können die leitfähigen Materialien 640 mit einem Decodierer und einer Leistungsquelle (in 7 gezeigt) gekoppelt sein, um zusätzliche Leiter 430a430b zu bilden.
  • Zur Erleichterung einer Erläuterung ist in 6I nur die unten festgelegte Konfiguration gezeigt. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird ohne weiteres erkennen, dass die oben festgelegte Konfiguration alternativ unter Verwendung der hierin offenbarten exemplarischen Verfahren gemäß einer bestimmten Entwurfsanforderung implementiert werden könnte.
  • V. Eine exemplarische Draufsicht eines exemplarischen Arrays von Magnetspeicherstrukturen
  • 7 stellt eine exemplarische Draufsicht zusätzlicher Leiter 430a430b, die nahe einem Arrays von Magnetspeicherelementen 100a100c gebildet sind, dar. Zur Erleich terung einer Erläuterung sind verschiedene andere Elemente in den Magnetspeicherstrukturen nicht gezeigt (z. B, die Schreibleiter, Hartmasken, verschiedenen Schichten der Magnetspeicherelemente, usw.).
  • Die zusätzlichen Leiter 430a430b sind (an einem Ende) mit einem Decodierer 710 und einer Leistungsquelle 720 zum Bereitstellen eines Stroms bei einer Hochfrequenz, die zum Erwärmen von Hartmasken 410 (nicht gezeigt) nahe an den Magnetspeicherelementen 100a100c verwendbar ist, verbunden. Bei einer exemplarischen Implementierung sind für jede Zeile (oder Spalte) von Magnetspeicherelementen die zusätzlichen Leiter 430a430b (an einem anderen Ende) miteinander verbunden. So liefert, wenn ein Magnetspeicherelement in einer Zeile ausgewählt ist (z. B. bei einer Schreiboperation), der Decodierer 710, der mit der Leistungsquelle 720 gekoppelt ist, einen ausreichenden Strom an die zusätzlichen Leiter 430a430b dieser Zeile, um alle Hartmasken in der Zeile zu erwärmen. Bei einer exemplarischen Schreiboperation werden separate Schreibströme in die Schreibleiter 210 und 220 (nicht gezeigt), die sich an dem ausgewählten Magnetspeicherelement schneiden, zugeführt. Die kombinierten Magnetfelder, die von beiden der sich schneidenden Schreibleiter 210 und 220 ausgehen, schalten effektiv die Magnetausrichtung des ausgewählten (und erwärmten) Speicherelements um. Die anderen (erwärmten) Magnetspeicherelemente in der Zeile, die erwärmte Hartmasken aufweisen, erfahren ein Magnetfeld, das nur von einem der beiden Schreibleiter 210 und 220 ausgeht, das nicht ausreichend ist, um ihre Magnetausrichtung umzuschalten.
  • VI. Exemplarische Anwendungen der exemplarischen Magnetspeicherstrukturen
  • Die exemplarischen Magnetspeicherstrukturen, die hierin beschrieben sind, könnten in einem beliebigen MRAM implementiert sein. Ein MRAM kann in einem beliebigen System implementiert sein, das einen nichtflüchtigen Speicher benötigt. Ein MRAM könnte z. B. in einem Computer, einer Digitalkamera und/oder anderen Rechensystemen mit einem Prozessor und einem Schnittstellenmodul implementiert sein.
  • VII. Schlussfolgerung
  • Die vorangegangenen Beispiele stellen bestimmte exemplarische Ausführungsbeispiele dar, aus denen weitere Ausführungsbeispiele, Variationen und Modifizierungen für Fachleute auf dem Gebiet ersichtlich werden. Die Erfindungen sollen deshalb nicht auf die bestimmten oben erläuterten Ausführungsbeispiele eingeschränkt sein, sonder vielmehr durch die Ansprüche definiert werden.

Claims (19)

  1. Magnetdirektzugriffsspeicher mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von Hartmasken (410); einer Mehrzahl von Magnetspeicherelementen (100), die jeweils unter Verwendung einer entsprechenden der Hartmasken (410) gebildet wurden; und zumindest einem Leiter (430a, 430b) nahe den Hartmasken, wobei der Leiter in der Lage ist, einen Strom zur Erzeugung elektromagnetischer Hochfrequenzfelder zu tragen, die durch die Hartmasken (410) absorbierbar sind, um die Hartmasken zu erwärmen, um die Temperatur eines oder mehrerer der Magnetspeicherelemente (100) zu erhöhen, um ein Umschalten einer Magnetausrichtung derselben thermisch zu unterstützen.
  2. Speicher gemäß Anspruch 1, der ferner einen Decodierer aufweist, der mit dem Leiter gekoppelt und wirksam ist, um eines oder mehrere der Magnetspeicherelemente (100) zum Erwärmen auszuwählen.
  3. Speicher gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Hartmasken (410) diamantartigen Kohlenstoff umfassen.
  4. Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Magnetspeicherelement eine Datenschicht (110), eine Abstandshalterschicht (120) und eine Referenzschicht (130) aufweist.
  5. Speicher gemäß Anspruch 4, bei dem die Hartmaske benachbart zu der Datenschicht (110) ist.
  6. Speicher gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem die Datenschicht dadurch gekennzeichnet ist, dass ihre Magnet koerzivität reduziert wird, wenn ihre Temperatur erhöht wird.
  7. Verfahren zum Schreiben von Daten in ein thermisch gestütztes Magnetspeicherelement in einem Array von Speicherelementen (100), mit folgenden Schritten: Erwärmen einer Hartmaske (410), die einem ausgewählten Speicherelement entspricht, wobei die Hartmaske: zuvor verwendet wurde, um das ausgewählte Speicherelement während einer Herstellung des Arrays zu strukturieren; durch ein Absorbieren von Energie von einem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld nahe der Hartmaske erwärmt wird; und dadurch die Temperatur des ausgewählten Speicherelements erhöht, um die Magnetkoerzivität des ausgewählten Speicherelements zu reduzieren; und Anlegen eines Schreibstroms, der ausreichend ist, um den Magnetzustand des ausgewählten Speicherelements bei der reduzierten Magnetkoerzivität umzuschalten.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner ein Bereitstellen des elektromagnetischen Hochfrequenzfelds über einen Leiter (430a, 430b) nahe der Hartmaske (410) aufweist.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, das ferner ein Verwenden eines Decodierers, der mit dem Leiter gekoppelt ist, um das Magnetspeicherelement zum Erwärmen auszuwählen, aufweist.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Hartmaske (410) diamantartigen Kohlenstoff aufweist.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Hartmaske (410) benachbart zu einer Datenschicht des ausgewählten Speicherelements ist.
  12. Verfahren zum Herstellen einer thermisch gestützten Magnetspeicherstruktur, mit folgenden Schritten: Bilden einer Hartmaske (410); Strukturieren eines Speicherelements (100) unter Verwendung der Hartmaske; und Bilden zumindest eines Leiters (430a, 430b) zum Liefern eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes, um die Hartmaske zu erwärmen; derart, dass während einer nachfolgenden Datenspeicheroperation die Hartmaske (410) durch ein Absorbieren von Energie von dem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld erwärmt werden kann, wodurch ein Umschalten des Magnetzustands des Speicherelements auf das Anlegen eines Schreibstroms hin thermisch unterstützt wird.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 12, das ferner folgenden Schritt aufweist: Bilden von Lese- und Schreibleitern zum Durchführen von Lese- und Schreiboperationen an dem Speicherelement (100).
  14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, bei dem die Hartmaske (410) ein Material aufweist, das in der Lage ist, Energie von dem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld zu absorbieren.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Material diamantartigen Kohlenstoff umfasst.
  16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die Hartmaske benachbart zu einer Datenschicht (110) des Speicherelements ist.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem das Erwärmen eine Reduzierung der Magnetkoerzivität der Datenschicht bewirkt.
  18. Nichtflüchtiges Speicherarray mit einer Mehrzahl thermisch gestützter Magnetspeicherstrukturen, wobei jede der Magnetspeicherstrukturen durch ein Verfahren hergestellt wird, das folgende Schritte aufweist: Bilden einer Hartmaske (410); Strukturieren eines Speicherelements (100) unter Verwendung der Hartmaske; und Bilden zumindest eines Leiters (430a, 430b) zum Liefern eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes, um die Hartmaske zu erwärmen; derart, dass während einer nachfolgenden Schreiboperation die Hartmaske (410) durch ein Absorbieren von Energie von dem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld erwärmt werden kann, wodurch ein Umschalten des Magnetzustands des Speicherelements auf das Anlegen eines Schreibstroms hin thermisch unterstützt wird.
  19. Vorrichtung zum Schreiben von Daten in ein thermisch gestütztes Magnetspeicherelement in einem Array von Speicherelementen, mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung zum Erwärmen einer Hartmaske (410) nahe einem ausgewählten Speicherelement (100), um dessen Magnetkoerzivität zu reduzieren; wobei die Hartmaske: zuvor verwendet wurde, um das ausgewählte Speicherelement während einer Herstellung des Speicherelements zu strukturieren; und durch ein Absorbieren von Energie von einem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld in der Umgebung der Hartmaske erwärmt wird; und einer Einrichtung zum Anlegen eines Schreibstroms, der ausreichend ist, um den Magnetzustand des ausgewählten Speicherelements bei der reduzierten Magnetkoerzivität umzuschalten.
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