DE102010037257A1

DE102010037257A1 - Magnetspeichervorrichtungen

Info

Publication number: DE102010037257A1
Application number: DE102010037257A
Authority: DE
Inventors: Sechung Suwon Oh; Jangeun Suwon Lee; Jeahyoung Lee; Woojin Yongin Kim; Woo Chang Hwaseong Lim; Junho Suwon Jeong; Sukhun Suwon Choi
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2011-03-24
Also published as: US9048412B2; CN102024903B; US20140191346A1; JP2011061204A; JP5800480B2; CN102024903A; US8445979B2; TW201118870A; TWI520133B; US20110062537A1; US20130234269A1

Abstract

Eine Magnetspeichervorrichtung kann eine erste vertikale Magnetschicht (123), eine nicht-magnetische Schicht (130) auf der ersten vertikalen Magnetschicht (123), und eine erste magnetische Übergangsschicht (141) auf der ersten nicht-magnetischen Schicht (130) enthalten, wobei die nicht-magnetische Schicht (130) zwischen der ersten vertikalen Magnetschicht (123) und der ersten magnetischen Übergangsschicht (141) ist. Eine Tunnelbarriere (145) kann auf der ersten magnetischen Übergangsschicht (141) sein, wobei die erste magnetische Übergangsschicht (141) zwischen der nicht-magnetischen Schicht (130) und der Tunnelbarriere (145) ist. Eine zweite magnetische Übergangsschicht (149) kann auf der Tunnelbarriere (145) sein, wobei die Tunnelbarriere (145) zwischen der ersten (141) und zweiten magnetischen Übergangsschicht (149) ist, und eine zweite vertikale Magnetschicht (163) kann auf der zweiten magnetischen Übergangsschicht (149) sein, wobei die zweite magnetische Übergangsschicht (149) zwischen der Tunnelbarriere (145) und der zweiten vertikalen Magnetschicht (163) ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese nicht-vorläufige US Patentanmeldung beansprucht die Priorität der am 30. September 2009 eingereichten koreanischen Patentanmeldung 10-2009-0093306 und der am 11. September 2009 eingereichten koreanischen Anmeldung 10-2009-0086084 unter 35U.S.C.§119, deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit durch Inbezugnahme hierdurch mit aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Die hier vorliegende Offenbarung betrifft Speichervorrichtungen und insbesondere Magnetspeichervorrichtungen.
Da bei elektronischen Vorrichtungen hohe Zugriffsgeschwindigkeiten und geringer Stromverbrauch realisiert wurden, können Speichervorrichtungen ferner schnelle Lese/Schreibleistung und geringe Betriebsspannungen erfordern. Als Speichervorrichtungen werden Magnetspeichervorrichtungen untersucht, um erhöhte Geschwindigkeit und reduzierte Betriebsspannung bereitzustellen. Da Magnetspeichervorrichtungen hohe Zugriffsgeschwindigkeiten und/oder nicht-flüchtige Eigenschaften bereitstellen können, haben sie für die nächste Generation von Datenspeichern Aufmerksamkeit angezogen.
Gemeinhin bekannte Magnetspeichervorrichtungen können ein magnetisches Tunnelkontaktmuster (MTJ) enthalten. Das magnetische Tunnelkontaktmuster ist durch zwei magnetische Substanzen und einer dazwischen angeordneten Isolierschicht ausgebildet, wobei der Widerstandswert des magnetischen Tunnelkontaktmusters gemäß der Magnetisierungsrichtung der zwei magnetischen Substanzen variiert werden kann. Insbesondere kann, wenn die Magnetisierungsrichtungen der zwei magnetischen Substanzen anti-parallel zueinander sind, das magnetische Tunnelkontaktmuster einen hohen Widerstandswert aufweisen. Wenn die Magnetisierungsrichtungen der zwei magnetischen Substanzen zueinander parallel sind, kann das magnetische Tunnelkontaktmuster einen geringen Widerstandswert aufweisen. Der Unterschied zwischen diesen Widerstandswerten kann zum Schreiben/Lesen von Daten verwendet werden.
Zusammenfassung
Gemäß einigen Ausführungsformen des Erfindungskonzepts, kann eine Magnetspeichervorrichtung erhöhte Zuverlässigkeit, ein hohes Magnetwiderstands-Verhältnis und/oder reduzierte Betriebsleistung schaffen.
Bei einigen Ausführungsformen kann eine Magnetspeichervorrichtung eine Tunnelbarriere auf einem Substrat, erste und zweite magnetische Übergangsschichten und eine nicht-magnetische Schicht enthalten. Die erste magnetische Übergangsschicht kann eine Fläche der Tunnelbarriere berühren. Eine erste vertikale Magnetschicht kann von der Tunnelbarriere durch die erste magnetische Übergangsschicht getrennt werden. Die zweite magnetische Übergangsschicht kann die andere Fläche des Tunnelkontakts berühren und eine zweite vertikale Magnetschicht kann von der Tunnelbarriere durch die zweite magnetische Übergangsschicht getrennt werden. Die nicht-magnetische Schicht kann zwischen der ersten magnetischen Übergangsschicht und der ersten vertikalen Magnetschicht sein.
Bei anderen Ausführungsformen können die Magnetisierungsrichtungen der ersten vertikalen Magnetschicht und der zweiten vertikalen Magnetschicht vertikal zu der Ebene des Substrats sein, wenn die Magnetspeichervorrichtung arbeitet.
Bei anderen Ausführungsformen kann eine weitere nicht-magnetische Schicht zwischen der zweiten magnetischen Übergangsschicht und der zweiten vertikalen Magnetschicht angeordnet sein.
Bei anderen Ausführungsformen kann die erste magnetische Übergangsschicht und/oder die zweite magnetische Übergangsschicht eine erste Kristallstruktur aufweisen, während die erste vertikale Magnetschicht und/oder die zweite vertikale Magnetschicht eine zweite Kristallstruktur aufweisen kann, die sich von der ersten Kristallstruktur unterscheidet.
Bei anderen Ausführungsformen kann die Kristallebene der Tunnelbarriere an der Grenzfläche zwischen der Tunnelbarriere und dem ersten Übergang identisch zu der Kristallebene der ersten magnetischen Übergangschicht an der Genzfläche sein. Die erste Kristallstruktur kann eine Kristallstruktur vom Typ NaCl oder eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur sein, und die Kristallebenen können eine (001)-Kristallebene sein.
Bei weiteren Ausführungsformen kann die zweite Kristallstruktur eine L10-Kristallstruktur, eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur, oder ein hexagonal dicht gepacktes (hcp) Gitter sein.
Bei weiteren Ausführungsformen kann die erste vertikale Magnetschicht und/oder die zweite vertikale Magnetschicht eine RE-TM (Seltenerd-Übergangsmetall) Legierung sein.
Bei weiteren Ausführungsformen kann die erste vertikale Magnetschicht und/oder die zweite Magnetschicht mehrfach abwechselnd gestapelte nicht-magnetische Metallschichten und ferromagnetische Metalschichten enthalten, wobei die ferromagnetischen Metallschichten eine Dicke von einem bis mehreren Atomen aufweisen können.
Bei weiteren Ausführungsformen kann die erste magnetische Übergangsschicht und/oder die zweite magnetische Übergangsschicht ein magnetisches Legierungsmaterial enthalten, welches zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Kobalt (Co), Eisen (Fe) und Nickel (Ni) enthält, und die magnetische Legierungssubstanz kann ferner ein nicht-magnetisches Element enthalten.
Bei einigen Ausführungsformen kann die nicht-magnetische Schicht eine Dicke in einem Bereich von etwa 2 Å (Angström) bis etwa 20 Å (Angström) aufweisen.
Bei anderen Ausführungsformen kann die nicht-magnetische Schicht zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Metallen enthalten. Das nicht-magnetische Metall kann zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Übergangsmetallen sein.
Bei anderen Ausführungsformen können die erste vertikale Magnetschicht und die erste magnetische Übergangsschicht durch die nicht-magnetische Schicht miteinander austauschgekoppelt sein.
Bei anderen Ausführungsformen kann die nicht-magnetische Schicht ferner eine die Oberseite bzw. obere Fläche und/oder die Bodenfläche bzw. untere Fläche der nicht-magnetischen Schicht berührende Metallverbindungsschicht enthalten, und die Metallverbindungsschicht kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Metalloxid, Metallnitrid und Metalloxinitrid enthalten.
Bei anderen Ausführungsformen des Erfindungskonzepts können Magnetspeichervorrichtungen eine Tunnelbarriere auf einem Substrat, eine freie Magnetschicht, die eine Fläche der Tunnelbarriere berührt und eine parallele Ebene zu der Ebene des Substrats aufweist, und eine Referenz-Magnetschicht, welche die andere Fläche der Tunnelbarriere berührt und eine parallel Ebene zu der Ebene des Substrats aufweist, enthalten. Die freie Magnetschicht und die Referenz-Magnetschicht können Eisen (Fe) enthalten, wobei der Eisengehalt der freien Magnetschicht gleich oder mehr als der der Referenz-Magnetschicht sein kann.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Eisen(Fe)-Gehalt der freien Magnetschicht in einem Bereich von etwa 40% bis etwa 60% Atomprozent sein.
Bei weiteren Ausführungsformen kann die freie Magnetschicht und/oder die Referenz-Magnetschicht ferner zumindest ein ausgewähltes aus Co und Ni enthalten.
Bei anderen Ausführungsformen kann die freie Magnetschicht und/oder die Referenz-Magnetschicht ferner ein nicht-magnetisches Element enthalten.
Bei anderen Ausführungsformen können die freie Magnetschicht und die Referenz-Magnetschicht Magnetisierungsrichtungen vertikal (senkrecht) zu der Ebene/Oberfläche des Substrats aufweisen, wenn die Magnetspeichervorrichtung in Betrieb ist.
Bei anderen Ausführungsformen können die freie Magnetschicht und die Referenz-Magnetschicht Magnetisierungsrichtungen parallel zu der Ebene/Oberfläche des Substrats aufweisen, wenn die Magnetspeichervorrichtung in Betrieb ist.
Bei anderen Ausführungsformen des Erfindungskonzepts können Magnetspeichervorrichtungen ein Substrat enthalten. Eine erste magnetische Substanz, eine Tunnelbarriere und eine zweite magnetische Substanz können aufeinanderfolgend auf das Substrat gestapelt sein. Die erste magnetische Substanz kann eine zu dem Substrat benachbarte erste vertikale Magnetschicht enthalten und eine hexagonal dicht gepackte (hcp) Gitterstruktur aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen kann die C-Achse des hexagonal dicht gepackten Gitters im Wesentlichen vertikal zu der Ebene des Substrats sein.
Bei anderen Ausführungsformen kann die C-Achse eine Achse sein, bei der die erste vertikale Magnetschicht auf einfache Weise magnetisiert sein kann.
Bei anderen Ausführungsformen kann die Magnetspeichervorrichtung ferner eine Keimschicht enthalten, welche das hcp-Gitter zwischen dem Substrat und der ersten vertikalen Magnetschicht enthält.
Bei anderen Ausführungsformen kann das zweite magnetische Substrat ferner eine zweite vertikale Magnetschicht mit einer hexagonal dicht gepackten Gitterstruktur enthalten.
Bei anderen Ausführungsformen kann die erste magnetische Substanz eine erste magnetische Übergangsschicht enthalten, welche an die Tunnelbarriere auf der ersten vertikalen Magnetschicht angrenzt, und die zweite magnetische Substanz kann eine zweite magnetische Übergangsschicht enthalten, welche an die Tunnelbarriere unter der zweiten vertikalen Magnetschicht angrenzt.
Bei weiteren Ausführungsformen kann die zweite magnetische Übergangsschicht und die erste magnetische Übergangsschicht ein weichmagnetisches Material enthalten.
Bei anderen Ausführungsformen kann die Magnetspeichervorrichtung eine austauschgekoppelte Steuerungsschicht zwischen der ersten vertikalen Magnetschicht und der ersten magnetischen Übergangsschicht und/oder zwischen der zweiten vertikalen Magnetschicht und der zweiten magnetischen Übergangsschicht enthalten.
Bei weiteren Ausführungsformen kann die austauschgekoppelte Steuerungsschicht zumindest ein ausgewähltes aus Metallelementen enthalten, welche Übergangsmetallelemente enthalten.
Bei weiteren Ausführungsformen kann die austauschgekoppelte Steuerschicht ferner eine durch Oxidation der Oberfläche der austauschgekoppelten Steuerschicht ausgebildete Oxidschicht enthalten.
Bei alternativen Ausführungsformen kann die zweite magnetische Substanz ferner mehrfach abwechselnd gestapelte nicht-magnetische Schichten und ferromagnetische Schichten auf der zweiten vertikalen Magnetschicht enthalten. Die ferromagnetischen Schichten können die Dicke einer Atomlage aufweisen.
Bei alternativen Ausführungsformen kann die erste vertikale Magnetschicht eine ungeordnete Kobalt-Platin-Legierung mit einem Platingehalt in einem Bereich von etwa 10% bis 45% Atomprozent enthalten.
Bei alternativen Ausführungsformen kann die erste vertikale Magnetschicht Co₃Pt enthalten.
Bei alternativen Ausführungsformen kann die erste vertikale Magnetschicht ferner zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Bor (B), Chrom (Cr) und Kupfer (Cu) enthalten.
Bei alternativen Ausführungsformen kann die Tunnelbarriere zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Titan (Ti), Aluminium (Al), ein Oxid von Magensium-Zink (MgZn) und/oder Magnesium-Bor (MgB) und/oder einem Nitrid von Titan (Ti) und/oder Vanadium (V) enthalten.
Bei alternativen Ausführungsformen kann die Magnetspeichervorrichtung ferner eine Deckschicht auf der zweiten magnetischen Substanz enthalten. Die Deckschicht kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Titan (Ti), Tantalnitrid (TaN) und/oder Titannitrid (TiN) enthalten.
Bei alternativen Ausführungsformen kann der Strom in eine Richtung im Wesentlichen vertikal zu der Ebene des Substrats fließen, wenn die Magnetsspeichervorrichtung in Betrieb ist.
Bei alternativen Ausführungsformen können die Magnetisierungsrichtungen der zweiten Magnetschicht und der ersten Magnetschicht im Wesentlichen vertikal zu der Ebene des Substrats sein.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine Magnetspeichervorrichtung eine erste vertikale Magnetschicht, eine nicht-magnetische Schicht auf der ersten vertikalen Magnetschicht und eine erste magnetische Übergangsschicht auf der nicht-magnetischen Schicht enthalten, wobei die nicht-magnetische Schicht zwischen der ersten vertikalen Magnetschicht und der ersten magnetischen Übergangsschicht ist. Eine Tunnelbarriere kann auf der ersten magnetischen Übergangsschicht sein, wobei die erste magnetische Übergangsschicht zwischen der nicht-magnetischen Schicht und der Tunnelbarriere ist. Eine zweite magnetische Übergangsschicht kann auf der Tunnelbarriere sein, wobei die Tunnelbarriere zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Übergangsschicht ist. Eine zweite vertikale Magnetschicht kann auf der zweiten magnetischen Übergangsschicht sein, wobei die zweite magnetische Übergangsschicht zwischen der Tunnelbarriere und der zweiten vertikalen Magnetschicht ist.
Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen kann eine Magnetspeichervorrichtung eine Eisen (Fe) aufweisende freie Magnetschicht, eine Tunnelbarriere auf der freien magnetischen Schicht und eine Eisen (Fe) aufweisende Referenz-Magnetschicht auf der Tunnelbarriere enthalten. Die Tunnelbarriere kann zwischen der freien Magnetschicht und der Referenz-Magnetschicht sein. Eine Eisenkonzentration der freien Magnetschicht kann zumindest so groß wie eine Eisenkonzentration der Referenz-Magnetschicht sein.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann eine Magnetspeichervorrichtung ein Substrat, eine erste magnetische Substanz auf dem Substrat, eine Tunnelbarriere auf der ersten magnetischen Substanz und eine zweite magnetische Substanz auf der Tunnelbarriere enthalten. Die erste magnetische Substanz kann eine an das Substrat angrenzende vertikale Magnetschicht mit einer hexagonal dicht gepackten (hcp) Gitterstruktur enthalten. Die magnetische Substanz kann zwischen dem Substrat und der Tunnelbarriere sein, wobei die Tunnelbarriere zwischen der ersten und zweiten magnetischen Substanz sein kann.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die beigefügten Figuren für ein besseres Verständnis des Erfindungskonzepts enthalten, und bilden einen Teil sowie sind in diese Unterlagen integriert. Die Figuren stellen beispielhaft Ausführungsformen des Erfindungskonzepts dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erklären der Idee des Erfindungskonzepts. In den Figuren zeigt:
1 eine Ansicht, welche eine Magnetspeichervorrichtung gemäß den ersten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts darstellt;
2 eine Ansicht, welche ein modifiziertes Beispiel einer Magnetspeichervorrichtung gemäß den ersten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts darstellt;
3 eine Ansicht, welche ein weiteres modifiziertes Beispiel einer Magnetspeichervorrichtung gemäß den ersten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts darstellt;
4A bis 4C Ansichten, welche ein Verfahren für eine Magnetspeichervorrichtung gemäß den ersten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschreibt;
5 eine Ansicht, welche eine Magnetspeichervorrichtung gemäß den zweiten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts darstellt;
6 eine Ansicht, welche ein modifiziertes Beispiel einer Magnetspeichervorrichtung gemäß den zweiten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts darstellt;
7 eine Ansicht, welche eine Magnetspeichervorrichtung des Erfindungskonzepts darstellt;
8 eine Ansicht, welche ein Verfahren für eine Magnetspeichervorrichtung gemäß den dritten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschreibt;
9 eine Ansicht, welche eine Kristallstruktur gemäß den dritten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschreibt;
10 eine Ansicht, welche eine Magnetspeichervorrichtung gemäß den vierten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Magnetspeichervorrichtungen und -verfahren zum Ausbilden derselben gemäß den Ausführungsformen des Erfindungskonzepts werden nachstehend detaillierter mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben. Beschriebene Ausführungsformen werden so bereitgestellt, dass die Idee des Erfindungskonzepts durch den Fachmann auf einfache Weise verstanden werden kann, und das Erfindungskonzept sollte nicht hierauf beschränkt ausgelegt werden. Ausführungsformen des Erfindungskonzepts können in verschiedenen Formen ausgeführt werden, die unter den technischen Gedanken und Umfang des Erfindungskonzepts fallen. In den Figuren können die Dicken und die relativen Dicken von Elementen übertrieben sein, um die Ausführungsformen des Erfindungskonzepts klar darzustellen. Zu den Positionen zugehörige Begriffe sind, wie z. B. obere und untere in der Beschreibung, relative Ausdrücke, um die Beschreibung zu verdeutlichen und sollten nicht beschränkend auf die Positionen zwischen den absoluten Elementen ausgelegt werden.
Vorteile und Merkmale des Erfindungskonzepts und die Verfahren zum Ausführen derselben können auf einfache Weise mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen und den begleitenden Figuren verstanden werden. Erfindungskonzept kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgebildet sein und sollte nicht als auf die im Folgenden ausgeführten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen so bereitgestellt, dass diese Offenbarung durchgängig und vollständig sein wird, und wird den Umfang des Erfindungskonzepts den Fachmann vollständig vermittelt, und das Erfindungskonzept wird nur durch die angehängten Ansprüche definiert. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Elemente in der gesamten Beschreibung.
Es wird verstanden, dass ein Element als „verbunden mit” oder „gekoppelt an” ein anderes Element bezeichnet wird, wenn es direkt verbunden oder gekoppelt mit/an das andere Element sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „unmittelbar verbunden mit” oder „unmittelbar gekoppelt an” ein anderes Element bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Der hier verwendete Begriff „und/oder” enthält jede und alle Kombinationen von einem oder mehreren verbundenen, aufgeführten Begriffen.
Es wird verstanden werden, dass obwohl die Begriffe erstes, zweites usw. zum Beschreiben verschiedener Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte verwendet werden können, diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht auf diese Begriffe beschränkt sein sollen. Diese Begriffe werden nur dazu verwendet, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Somit könnte ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, die unten diskutiert sind, als ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre des Erfindungskonzepts abzuweichen.
Soweit nicht anders definiert, besitzen alle hier verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung wie sie von einem gewöhnlichen Fachmann in dem Bereich, zu dem das Erfindungskonzepts gehört, verstanden wird. Es wird weiter verstanden werden, dass hier verwendete Begriffe so interpretiert werden sollen, dass ihre Bedeutung übereinstimmend mit ihrer Bedeutung in dem Kontext dieser Beschreibung und der verwandten Technik ist, und nicht in einer idealisierten oder überformalen Art und Weise ausgelegt werden, außer wenn es ausdrücklich hier so definiert ist.
Außerdem können, wenn in dieser Beschreibung verwendete Begriffe nicht speziell definiert sind, alle in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) verstanden werden, wie sie ein Fachmann verstehen würde. Ferner, wenn allgemeine in den Wörterbüchern definierte Begriffe nicht besonderes definiert sind, haben diese Begriffe die in der Technik gewöhnliche Bedeutung.
Relative Ausdrücke wie z. B. ”unterhalb” oder ”über” oder ”oberes” oder ”unteres” oder ”horizontal” oder ”seitlich” oder ”senkrecht” können hier zum Beschreiben einer Beziehung von einem Element, einer Schicht oder einem Bereich mit einem anderen Element, einer anderen Schicht oder einem anderen Bereich verwendet werden, wie in den Figuren dargestellt ist. Es wird verstanden werden, dass diese Begriffe dazu gedacht sind, verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung zu umfassen.
Die hier verwendete Fachsprache ist nur zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und nicht dazu gedacht, beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen „ein/eine/einer/eines” und „der/die/das” so gedacht, dass sie die Pluralformen auch mit umfassen, sofern der Kontext nicht eindeutig anderes anzeigt. Es wird außerdem verstanden, dass die Begriffe „aufweisen” und/oder „aufweisend”, wenn sie hier verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale ganzen Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Schichten und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen einer oder mehrerer anderen Merkmalen ganze Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Schichten, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
Bei den Figuren können die dargestellten Merkmale aufgrund, z. B. Fertigungstechnologie und/oder Toleranz verändert werden. Demgemäß sollte verstanden werden, dass beispielhafte Ausführungsformen des Erfindungskonzepts nicht auf Figuren beschränkt sind, jedoch Modifikationen der Merkmale von Elementen enthalten, welche aufgrund z. B. Fertigungstoleranzen verursacht werden.
(Eine erste Ausführungsform und modifizierte Beispiele davon)
Bezug nehmend auf 1 wird eine Magnetspeichervorrichtung gemäß den ersten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Eine untere Elektrode 110 ist auf einem Substrat 100 angeordnet. Das Substrat 100 kann ein halbleiterbasiertes Halbleitersubstrat sein. Das Substrat 100 kann einen leitfähigen Bereich und/oder einen isolierenden Bereich enthalten. Die untere Elektrode 110 kann mit dem leitenden Bereich des Substrats 100 elektrisch verbunden sein. Die untere Elektrode 110 kann auf dem Substrat 100 und/oder in dem Substrat 100 angeordnet sein. Die untere Elektrode 110 kann z. B. irgendeine Form aufweisen, welche aus der Gruppe bestehend aus einer Linie, Insel und/oder Platte ausgewählt wird.
Eine erste vertikale Magnetschicht 123 kann auf der unteren Elektrode 110 angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform kann die erste vertikale Magnetschicht 123 abwechselnd gestapelte nicht-magnetische Schichten 121 und ferromagnetische Schichten 122 enthalten. Die ferromagnetischen Schichten 122 können zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten, und die nicht-magnetischen Schichten 121 können zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Chrom (Cr), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Rhenium (Re), Gold (Au) und/oder Kupfer (Cu) enthalten. Die erste vertikale Magnetschicht 123 kann z. B. [Co/Pt]m, [Co/Pd]m, [Ni/Pt]m (m ist eine Stapelzahl jeder Schicht und eine natürliche Zahl von zwei oder mehr) oder eine Kombination davon sein. Bei einer Ausführungsform können jeweils die nicht-magnetischen Schichten 121 und ferromagnetischen Schichten 122 in einem Bereich von etwa 2 bis etwa 20 Mal gestapelt sein. Wenn der Strom in eine Richtung vertikal (senkrecht) zu dem Substrat 100 und den Ebenen der ersten vertikalen Magnetschichten 123 fließt, kann die erste vertikale Magnetschicht 123 derart ausgebildet sein, dass sie eine Magnetisierungsrichtung parallel zu dem Strom aufweist. Für diese Konfiguration können die ferromagnetischen Schichten 122 dünn mit einer Dicke von einer oder mehreren Atomlagen ausgebildet sein.
Eine erste nicht-magnetische Schicht 130 kann auf der ersten vertikalen Magnetschicht 123 angeordnet sein. Die erste nicht-magnetische Schicht 130 kann eine relativ geringe Dicke aufweisen. Zum Beispiel kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 2 Å (Angström) bis etwa 20 Å (Angström) ausgebildet sein. Diese erste nicht-magnetische Schicht 130 kann keine Textur aufweisen. Zum Beispiel kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 gleichmäßig auf der ersten vertikalen Magnetschicht 123 ausgebildet sein und kann aufgrund der geringen Dicke keine Textur aufweisen.
Die erste nicht-magnetische Schicht 130 kann zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Metallelementen enthalten, welche ein nicht-magnetisches Übergansmetall aufweisen. Zum Beispiel kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Tantal (Ta), Gold (Au), Silber (Ag), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Molybdenum (Mo), Vanadium (V), Wolfram (W), Niob (Nb), Zirkonium (Zr), Yttrium (Y) und/oder Hafnium (Hf) enthalten.
Bei einer Ausführungsform kann die erste nicht-magnetische Schicht mit einer Mehrzahl von Schichten ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die nicht-magnetische Schicht 130 eine erste untere Metallverbindungsschicht 133, eine erste nicht-magnetische Metallschicht 136, und eine erste obere Metallverbindungsschicht 139 enthalten, welche aufeinanderfolgend auf der vertikalen Magnetschicht 123 gestapelt sind. Obwohl in 1 nicht gezeigt, kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 eine Metallverbindungsschicht/nicht-magnetische Metallschicht und/oder eine nicht-magnetische Metallschicht/Metallverbindungsschicht enthalten, welche nacheinander auf der vertikalen Magnetschicht 123 gestapelt sind. Die erste nicht-magnetische Metallschicht 136 kann zumindest eine aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Tantal (Ta), Gold (Au), Silber (Ag), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Molybdenum (Mo), Vanadium (V), Wolfram (W), Niob (Nb), Zirkonium (Zr), Yttrium (Y) und/oder Hafnium (Hf) ausgewählte enthalten. Die erste untere und obere Metallverbindungsschicht 133, 139 kann ein Metalloxid, ein Metallnitrid, ein Metalloxinitrid und/oder eine Kombination davon sein. Zum Beispiel kann jede Metallverbindungsschicht z. B. aus einer Verbindung der Metallschichten sein. Im umgekehrten Fall kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 nur eine einzelne Metallschicht oder eine Mehrzahl von Metallschichten enthalten. Die Diffusion von Metallatomen in der ersten nicht-magnetischen Metallschicht 136 in eine weitere angrenzende Schicht kann verhindert und/oder durch die erste untere und obere Metallverbindungsschicht 133, 139 reduziert werden.
Eine erste magnetische Übergangsschicht 141 kann auf der ersten nicht-magnetischen Schicht 130 angeordnet sein. Die erste magnetische Übergangsschicht 141 kann ein weichmagnetisches Material enthalten. Die erste Übergangsschicht 141 kann eine niedrige Dämpfungskonstante und ein hohes Spinpolarisationsverhältnis aufweisen. Zum Beispiel kann die erste magnetische Übergangsschicht 141 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus der Kobalt (Cu), Eisen (Fe) und/oder Nickel (Ni) enthalten. Die erste magnetische Übergangsschicht 141 kann ferner zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Materialien enthalten, welche Bor (B), Zink (Zn), Aluminium (Al), Titan (Ti), Ruthenium (Ru), Tantal (Ta), Silizium (Si), Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu), Kohlenstoff (C) und/oder Stickstoff (N) enthalten. Insbesondere kann die erste magnetische Übergangsschicht CoFe und/oder NiFe enthalten, und kann ferner Bor (B) enthalten. Darüber hinaus kann, um eine Sättigungsmagnetisierung der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 zu verringern, die erste magnetische Übergangschicht 141 ferner zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Titan (Ti), Aluminium (Al), Silizium (Si), Magnesium (Mg), Tantal (Ta) und/oder Silizium Si) enthalten.
Die erste nicht-magnetische Schicht 130 zwischen der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 und der ersten vertikalen Magnetschicht 123 kann die vertikale magnetische Anisotropie einer Magnetspeicherungszelle erhöhen, welche diese enthält. Zum Beispiel kann die erste magnetische Übergangsschicht 141 mit der ersten vertikalen Magnetschicht 123 durch die erste nicht-magnetische Schicht 130 antiferromagnetisch oder ferromagnetisch austauschgekoppelt sein. Da die erste vertikale Magnetschicht 123 eine hohe vertikale magnetische Anisotropie aufweist, kann die vertikale magnetische Anisotropie der mit der ersten vertikalen Magnetschicht 123 austauschgekoppelten ersten magnetischen Übergansschicht 141 auch erhöht sein. Die vertikale magnetische Anisotropie in der Beschreibung ist definiert als Eigenschaft der Schicht, in die Richtung vertikal zu der Ebene des Substrats 100 magnetisiert zu sein. Wie hier verwendet, kann sich der Begriff vertikal auf eine Richtung beziehen, welche senkrecht bezüglich einer Oberfläche des Substrats 100 ist.
Die Kristallstruktur der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 kann sich aufgrund der ersten nicht-magnetischen Schicht 130 von der der ersten vertikalen Magnetschicht 123 unterscheiden. Demgemäß kann das Magnetwiderstandsverhältnis eines magnetischen Tunnelkontakts weiter erhöht werden. Eine detaillierte Beschreibung dazu ist mit Bezug auf die Verfahren zum Ausbilden einer ersten Übergangsmetallschicht 141 bereitgestellt, die im Folgenden beschrieben werden soll.
Eine Tunnelbarriere 145 kann auf der ersten Übergangsmetallschicht 145 angeordnet sein. Die Tunnelbarriere 145 kann eine Dicke geringer als die Spindiffusionslänge aufweisen. Die Tunnelbarriere 145 kann ein nicht-magnetisches Material enthalten. Bei einer Ausführungsform kann die Tunnelbarriere 145 aus einer isolierenden Materialschicht ausgebildet sein. Im umgekehrten Fall kann die Tunnelbarriere 145 eine Mehrzahl von Schichten enthalten. Zum Beispiel kann die Tunnelbarriere 145 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Titan (Ti), Aluminium (Al), ein Oxid von Magnesium-Zink (MgZn) und/oder Magnesium-Bor (MgB) und/oder ein Nitrid von Titan (Ti) und/oder Vanadium (V) enthalten. Zum Beispiel kann die Tunnelbarriere aus einer Magnesiumoxid(MgO)-Schicht ausgebildet sein.
Die Tunnelbarriere 145 kann eine Kristallstruktur ähnlich zu der der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 aufweisen. Zum Beispiel kann die erste magnetische Übergangsschicht 141 ein magnetisches Material mit einer kubisch-raumzentrierten (krz) Struktur enthalten oder ein magnetisches Material mit einer kubischraumzentrierten Struktur enthalten, das ein nicht-magnetisches Element enthält. Wenn die erste magnetische Übergangsschicht 141 ein nicht-magnetisches Element enthält, kann das magnetische Material amorph werden. Die Tunnelbarriere 145 und die erste magnetische Übergangsschicht 141 können jeweils eine Kristallstruktur vom Typ NaCl und eine kubischraumzentrierte Struktur aufweisen, und die (001)-Kristallebene der Tunnelbarriere 145 kann die (001)-Kristallebene der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 derart berühren, dass eine Grenzfläche ausgebildet wird. Das Magnetowiderstandsverhältnis eines magnetischen Tunnelkontakts, welcher die Tunnelbarriere 145 und die erste magnetische Übergangsschicht 141 enthält, kann dadurch erhöht werden.
Eine zweite magnetische Übergangsschicht 149 kann auf der Tunnelbarriere angeordnet sein. Die zweite magnetische Übergangsschicht 149 kann ein weichmagnetisches Material enthalten. Zum Beispiel kann die zweite magnetische Übergangsschicht 149 Kobalt (Co)-, Eisen (Fe)- und/oder Nickel(Ni)-Atome enthalten, so dass der Gehalt der Atome bestimmt werden kann, um die Sättigungsmagnetisierung der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 zu reduzieren. Die zweite magnetische Übergangsschicht 149 kann eine geringe Dämpfungskonstante und hohes Spinpolarisationsverhältnis aufweisen. Um dies zu erreichen, kann die zweite magnetische Übergangsschicht 149 ferner zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Materialien enthalten, welche Bor (B), Zink (Zn), Aluminium (Al), Titan (Ti), Ruthenium (Ru), Tantal (Ta), Silizium (Si), Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu), Kohlenstoff (C) und/oder Stickstoff (N) enthalten. Zum Beispiel kann die zweite magnetische Übergangsschicht 149 CoFe und/oder NiFe enthalten, und kann ferner Bor enthalten. Darüber hinaus kann die zweite magnetische Übergangsschicht 149 zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Elementen enthalten, welche Titan (Ti), Aluminium (Al), Silizium (Si), Magnesium (Mg) und/oder Tantal (Ta) enthalten. Der Gehalt des ausgewählten nicht-magnetischen Elements in der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 kann in einem Bereich von etwa 1% bis etwa 15% Atomprozent sein. Wenn die zweite magnetische Übergangsschicht 149 als freie Schicht einer Magnetspeicherzelle verwendet wird, kann die Sättigungsmagnetisierung der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 auf einen geringeren Wert als der der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 gesteuert werden.
Die zweite magnetische Übergangsschicht 149 kann eine Kristallstruktur ähnlich der der Tunnelbarriere 145 aufweisen. Zum Beispiel können die Tunnelbarriere 145 und die zweite magnetische Übergangsschicht 149 eine Kristallstruktur vom Typ NaCl und eine kubisch-raumzentrierte Struktur aufweisen, und die (001)-Kristallebene der Tunnelbarriere 145 kann die (001)-Kristallebene der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 berühren, um eine Grenzfläche auszubilden. Das Magnetwiderstandsverhältnis eines magnetischen Tunnelkontakts, welcher die zweite magnetische Übergangsschicht 149 und die Tunnelbarriere 145 enthält, kann damit erhöht werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Gehalt von ferromagnetischen Atomen in der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 anders als der von ferromagnetischen Atomen in der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 sein. Zum Beispiel können die erste und zweite magnetische Übergangsschicht 141, 149 zumindest ein ausgewähltes aus Kobalt (Co), Nickel (Ni) und/oder Eisen (Fe) enthalten, während der Eisen(Fe)-Gehalt in der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 gleich oder mehr als der in der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 ist. In diesem Fall kann die zweite Magnetschicht 149 als freie Schicht dienen.
Eine zweite nicht-magnetische Schicht 150 kann auf der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 angeordnet sein. Die zweite nicht-magnetische Schicht 150 kann mit einer relativ geringen Dicke ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die zweite nicht-magnetische Schicht 150 derart ausgebildet sein, dass sie eine Dicke in einem Bereich von etwa 2 Å (Angström) bis 20 Å (Angström) aufzuweist. Die zweite nicht-magnetische Schicht 150 kann keine Textur aufweisen. Zum Beispiel kann die zweite nicht-magnetische Schicht 150 gleichmäßig auf der zweiten magnetischen Verbindungsschicht 149 ausgebildet sein und kann keine Textur aufgrund der geringen Dicke aufweisen.
Die zweite nicht-magnetische Schicht 150 kann zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Metallelementen enthalten, welche ein nicht-magnetisches Übergangsmetall enthalten. Zum Beispiel kann die zweite nicht-magnetische Schicht 150 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Tantal (Ta), Gold (Au), Silber (Ag), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Wolfram (W), Niob (Nb), Zirkonium (Zr), Yttrium (Y) und/oder Hafnium (Hf) enthalten.
Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite nicht-magnetische Schicht 150 mit einer Mehrzahl von Schichten ausgebildet. Zum Beispiel kann die zweite nicht-magnetische Schicht 150 eine zweite untere Metallverbindungsschicht 153, eine zweite nicht-magnetische Metallschicht 156, und eine zweite obere Metallverbindungsschicht 159 enthalten, welche aufeinanderfolgend auf der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 gestapelt sind. Obwohl nicht in 1 gezeigt, kann die zweite nicht-magnetische Schicht 150 eine Metallverbindungsschicht/nicht-magnetische Metallschicht oder eine nicht-magnetische Metallschicht/Metallverbindungsschicht enthalten, welche aufeinanderfolgend auf der zweiten magnetischen Verbindungsschicht 149 gestapelt sind. Die zweite nicht-magnetische Metallschicht 156 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Tantal (Ta), Gold (Au), Silber (Ag), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Wolfram (W), Niob (Nb), Zirkonium (Zr), Yttrium (Y) und/oder Hafnium (Hf) enthalten. Die zweite untere und obere Metallverbindungsschicht 153, 159 können ein Metalloxid, ein Metallnitrid, ein Metalloxinitrid, oder eine Kombination davon sein. Zum Beispiel können die zweite untere und obere Metallverbindungsschicht 153, 159 aus einer Verbindung der zweiten nicht-magnetischen Metallschicht 156 ausgebildet sein. Die Diffusion von Metallatomen in der zweiten nicht-magnetischen Metallschicht 156 in eine weitere angrenzende Schicht kann durch die zweite untere und obere Metallverbindungsschicht 153, 159 verhindert werden und/oder reduziert werden. Im umgekehrten Fall kann die zweite nicht-magnetische Schicht 150 nur eine einzelne Metallschicht oder eine Mehrzahl von Metallschichten enthalten.
Eine zweite vertikale Magnetschicht 163 kann auf der zweiten nicht-magnetischen Schicht 150 angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die zweite vertikale Magnetschicht 163 abwechselnd gestapelte nicht-magnetische Schichten 161 und ferromagnetische Schichten 162 enthalten. Die ferromagnetische Schichten 162 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten, während die nicht-magnetischen Schichten 161 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Chrom (Cr), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Rhenium (Re), Gold (Au) und/oder Silber (Cu) enthalten. Zum Beispiel kann die zweite vertikale Magnetschicht 163 [Co/Pt]n, [Co/Pd]n, [Ni/Pt]n (n ist eine Stapelzahl von jeder Schicht und eine natürliche Zahl von 2 oder mehr) oder eine Kombination davon enthalten. Die ferromagnetischen Schichten 162 können mit einer Dicke von einem bis mehreren Atomen ausgebildet sein. Die Austauschkopplung zwischen der zweiten vertikalen Magnetschicht 163 und der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 kann durch die zweite nicht-magnetische Schicht 150 verstärkt werden. Die vertikale magnetische Anisotropie der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 kann dadurch erhöht werden.
Die Stapelzahlen n von nicht-magnetischen Schichten 161 und ferromagnetischen Schichten 162 in der zweiten vertikalen Magnetschicht 163 kann anders als jene der m nicht-magnetischen Schichten 121 und ferromagnetischen Schichten 122 der ersten vertikalen Magnetschicht 123 sein. Zum Beispiel kann die Stapelzahl von nicht-magnetischen Schichten 161 und ferromagnetischen Schichten 162 der zweiten vertikalen Magnetschicht 163 kleiner als jene von nicht-magnetischen Schichten 121 und ferromagnetischen Schichten 122 der ersten vertikalen Magnetschicht 123 sein. In diesem Fall kann eine an die erste vertikale Magnetschicht 123 angrenzende erste magnetische Verbindungsschicht 141 als eine Referenzschicht einer Magnetspeicherzelle dienen, während eine an die zweite vertikale Magnetschicht 163 angrenzende zweite magnetische Übergangsschicht 149 als eine freie Schicht der Magnetspeicherzellen dient. Umgekehrt kann die Stapelzahl n von nicht-magnetischen Schichten 161 und ferromagnetischen Schichten 162 der zweiten vertikalen Magnetschicht 163 größer als jene der n nicht-magnetischen Schichten 121 und ferromagnetischen Schichten 122 der ersten vertikalen Magnetschicht 123 sein. In diesem Fall kann die zweite magnetische Übergangsschicht 141 als eine Referenzschicht dienen, während die erste magnetische Übergangsschicht 149 als eine freie Schicht dient.
Die erste und zweite magnetische Übergangsschicht 141, 149 können verschiedene magnetische Eigenschaften gemäß den Funktionen, welche ausgeführt werden, aufweisen. Zum Beispiel kann die als freie Schicht dienende magnetische Übergangsschicht eine kleinere Sättigungsmagnetisierung aufweisen als die der magnetischen Übergangsschicht, welche als Referenzschicht dient. Die Sättigungsmagnetisierung kann durch das Verhältnis eines enthaltenen ferromagnetischen Materials (Co, Ni und/oder Fe) und/oder Verhältnis von nicht-magnetischem Material gesteuert werden.
Die erste magnetische Übergangsschicht 141, die Tunnelbarriere 145, und die zweite magnetische Übergangsschicht 149 können einen magnetischen Tunnelkontakt einer Magnetspeicherzelle bilden. Daten können in eine die Magnettunnelkontakte enthaltene Magnetspeicherzelle durch Verwendung eines Unterschieds zwischen Widerstandswerten von magnetischen Tunnelkontakten gespeichert werden, ob die Magnetisierungsrichtungen der freien Schicht und der Referenzschicht parallel oder antiparallel zueinander sind. Die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht kann gemäß der Richtung des zu der Magnetspeicherzelle zugeführten Stroms variiert werden. Zum Beispiel kann die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht, in dem Fall das Strom von der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 zu der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 zugeführt wird, antiparallel sein, zu der in dem Fall das Strom von der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 zu der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 zugeführt wird. Die Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht und die freie Schicht können vertikal zu der Ebene des Substrats 100 sein. Die Referenzschicht kann vertikal zu der Ebene des Substrats 100 sein und eine festgelegte erste Magnetisierungsrichtung aufweisen. Die freie Schicht weist eine Magnetisierungsrichtung vertikal zu der Ebene des Substrats 100 auf, und die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht kann die erste Magnetisierungsrichtung oder eine zweite Magnetisierungsrichtung sein, welche antiparallel zu der ersten Magnetisierung gemäß der Richtung des zugeführten Stroms.
Eine Deckschicht 170 kann auf der zweiten vertikalen Magnetschicht 163 angeordnet sein. Die Deckschicht 170 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Titan (Ti), Ruthenium (Ru), Magnesium (Mg), Tantalnitrid (TaN) und/oder Titannitrid (TiN) enthalten.
Bezug nehmend auf 2 wird ein modifiziertes Beispiel einer Magnetspeichervorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Auf die Beschreibung der gleichen Elemente, im Wesentlichen identisch zu den in 1 beschriebenen Elementen, kann aufgrund der Klarheit und/oder Kürze verzichtet werden.
Eine untere Elektrode ist auf einem Substrat 100 angeordnet. Eine Keimschicht 115 und eine erste vertikale Magnetschicht 124 sind auf der unteren Elektrode 110 angeordnet. Die Keimschicht 115 kann Metallatome enthalten, welche ein hexagonal dichtes gepacktes (hcp) Gitter bilden. Die Keimschicht 115 kann derart ausgebildet sein, dass sie eine Dicke aufweist, welche sich von etwa 10 Å (Angström) bis etwa 100 Å (Angström) erstreckt. Die Keimschicht 115 kann Ruthenium (Ru) oder Titan (Ti) enthalten. Im umgekehrten Fall kann die Keimschicht 115 Metallatome enthalten, welche ein kubisch-flächenzentriertes (kfz) Gitter bilden. Zum Beispiel kann die Keimschicht 115 Platin (Pt), Palladium (Pd), Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu) und/oder Aluminium (Al) enthalten. Die Keimschicht 115 kann eine einzelne Schicht oder eine Mehrzahl von Schichten mit verschiedenen Kristallstrukturen enthalten. Im umgekehrten Fall kann, wenn ein die erste vertikale Magnetschicht 124 bildendes Material amorph ist, auf die Keimschicht 115 verzichtet werden.
Die Magnetisierungsrichtung der ersten vertikalen Magnetschicht 124 kann im Wesentlichen vertikal zu der Ebene des Substrats 100 sein und modifiziert sein. Um dies zu erreichen, kann die erste vertikale Magnetschicht 124 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus einem Material mit einer L10-Kristallstruktur, einem Material mit einem hexagonal dichtest gepackten (hcp) Gitter, und einer amorphen Seltenerd-Übergangsmetall(RE-TM)-Legierung enthalten. Zum Beispiel kann die erste vertikale Magnetschicht 124 zumindest ein ausgewähltes aus Materialen mit einer L10-Kristallstruktur sein, welche Fe₅₀Pt₅₀, Fe₅₀Pd₅₀, Co₅₀Pt₅₀, Co₅₀Pd₅₀ und/oder Fe₅₀Ni₅₀ enthalten Im umgekehrten Fall kann die erste vertikale Magnetschicht 124 eine ungeordnete Kobalt-Platin-Legierung mit einem Platingehalt von etwa 10% bis etwa 45% Atomprozent oder einer geordneten Co₃Pt Legierung mit einem hexagonal dicht gepackten (hcp) Gitter enthalten. Im umgekehrten Fall kann die erste vertikale Magnetschicht 124 zumindest eine aus amorphen RE-TM-Legierungen enthalten, welche zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) und zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Seltenerdterbium (Tb), Dysprosium (Dy) und/oder Gadolinium (Gd) enthalten.
Eine erste nicht-magnetische Schicht 130 kann auf der ersten vertikalen Magnetschicht 124 angeordnet sein. Die erste nicht-magnetische Schicht 130 kann mit einer geringen Dicke ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 derart ausgebildet sein, dass sie eine Dicke im Bereich von etwa 2 Å (Angström) bis etwa 20 Å (Angström) aufweist. Die erste nicht-magnetische Schicht 130 kann keine Textur aufweisen. Zum Beispiel kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 gleichmäßig auf der ersten vertikalen Magnetschicht 124 ausgebildet sein und kann aufgrund der geringen Dicke keine Textur aufweisen.
Die erste nicht-magnetische Schicht 130 kann zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Metallelementen enthalten, welche ein nicht-magnetisches Übergangsmetall enthalten. Bei einer Ausführungsform kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 mit einer Mehrzahl von Schichten ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 eine erste untere Metallverbindungsschicht 133, eine erste nicht-magnetische Metallschicht 136, und eine erste obere Metallverbindungsschicht 139 enthalten, welche aufeinanderfolgend auf der vertikalen Magnetschicht 124 gestapelt sind. Obwohl nicht in 2 gezeigt, kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 eine Metallverbindungsschicht/nicht-magnetische Metallschicht oder eine nicht-magnetische Metallschicht/Metallverbindungsschicht enthalten, welche aufeinanderfolgend auf der ersten vertikalen Magnetschicht 124 gestapelt sind. Die nicht-magnetische Metallschicht kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Tantal (Ta), Gold (Au), Silber (Ag), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Molybdenum (Mo), Vanadium (V), Wolfram (W), Niob (Nb), Zirkonium (Zr), Yttrium (Y) und/oder Hafnium (Hf) enthalten. Die erste untere und obere Metallverbindungsschicht 133, 139 können ein Metalloxid, ein Metallnitrid, ein Metalloxidnitrid oder eine Kombination davon sein. Zum Beispiel kann die Metallverbindungsschicht eine Verbindung der Metallschicht sein. Im umgekehrten Fall kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 nur eine einzelne Metallschicht oder eine Mehrzahl von Metallschichten enthalten.
Eine erste magnetische Übergangsschicht 141, eine Tunnelbarriere 145, und eine zweite magnetische Übergangsschicht 149 können aufeinanderfolgend auf der ersten nicht-magnetischen Schicht 130 gestapelt sein. Die erste magnetische Übergangsschicht 141, die Tunnelbarriere 145, und die zweite magnetische Übergangsschicht 149 können einen magnetischen Tunnelkontakt bilden. Die erste magnetische Übergangsschicht 141 kann mit der ersten vertikalen Magnetschicht 123 durch die erste nicht-magnetische Schicht 130 stark austauschgekoppelt sein. Eine vertikale magnetische Anisotropie der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 kann dabei erhöht werden. Die erste magnetische Übergangsschicht 141 und die zweite magnetische Übergangsschicht 149 können ein weichmagnetisches Material enthalten. Wenn eine Magnetspeicherzelle in Betrieb ist, kann entweder die erste magnetische Übergangsschicht 141 oder die zweite magnetische Übergangsschicht 149 als eine Referenzschicht dienen, und die andere kann als freie Schicht dienen. Die als freie Schicht dienende magnetische Übergangsschicht kann eine geringere Sättigungsmagnetisierung aufweisen als die der magnetischen Übergangsschicht, welche als Referenzschicht dient.
Eine zweite Nicht-magnetische Schicht 150 kann auf der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 angeordnet sein. Die zweite nicht-magnetische Schicht 150 kann mit einer geringen Dicke ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die zweite nicht-magnetische Schicht derart ausgebildet sein, dass sie eine Dicke in einem Bereich von etwa 2 Å (Angström) bis etwa 20 Å (Angström) aufweist. Die zweite nicht-magnetische Schicht 150 kann keine Textur aufweisen. Zum Beispiel kann die zweite nicht-magnetische Schicht 150 gleichmäßig auf der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 ausgebildet sein und kann aufgrund der geringen Dicke keine Textur aufweisen.
Eine zweite vertikale Magnetschicht 163 kann auf der zweiten nicht-magnetischen Schicht 150 angeordnet sein. Die zweite vertikale Magnetschicht 163 kann derart gestaltet sein, dass sie eine Magnetisierungsrichtung vertikal zu der Ebene des Substrats 100 aufweist. Zum Beispiel kann die zweite vertikale Magnetschicht 163 abwechselnd gestapelte nicht-magnetische Schichten 161 und ferromagnetische Schichten 162 aufweisen, wobei die ferromagnetischen Schichten 162 mit einer Dicke von einem bis mehreren Atomen ausgebildet sein können. Die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schichten 162 können vertikal zu der Ebene des Substrats 100 sein. Die zweite vertikale Magnetschicht 163 kann mit der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 durch die zweite nicht-magnetische Schicht 150 austauschgekoppelt sein.
Eine Deckschicht 170 kann auf der zweiten vertikalen Magnetschicht 163 ausgebildet sein. Die Deckschicht 170 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Titan (Ti), Ruthenium (Ru), Magnesium (Mg), Tantalnitrid (TaN) und/oder Titannitrid (TiN) enthalten.
Bezug nehmend auf 3 wird ein modifiziertes Beispiel einer Magnetspeichervorrichtung gemäß den Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Eine Keimschicht 115 und eine erste vertikale Magnetschicht 124 sind aufeinanderfolgend auf einem Substrat 100 und einer unteren Elektrode 110 angeordnet. Die Keimzelle 115 kann eine einzelne Metallschicht und eine Mehrzahl von Metallschichten enthalten. Die erste vertikale Magnetschicht 124 kann ein Material mit einer Achse vertikal zu der Ebene des Substrats 100 enthalten und auf einfache Weise magnetisiert werden. Die erste vertikale Magnetschicht 124 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus einem Metall mit einer L10-Kristallstruktur, einem Material mit einem hexagonal dicht gepackten (hcp) Gitter, und einer amorphen RE-TM-Legierung enthalten. Wenn die erste vertikale Magnetschicht 124 eine amorphe RE-TM-Legierung enthält, kann auf die Keimschicht 115 verzichtet werden.
Eine erste nicht-magnetische Schicht 130 kann auf der ersten vertikalen Magnetschicht 124 angeordnet sein. Die erste nicht-magnetische Schicht 130 kann mit einer geringen Dicke ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 derart ausgebildet sein, dass sie eine Dicke in einem Bereich von etwa 2 Å (Angström) bis etwa 20 Å (Angström) aufweist. Die erste nicht-magnetische Schicht 130 kann keine Textur aufweisen.
Die erste nicht-magnetische Schicht 130 kann zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Metallelementen enthalten, welche ein nicht-magnetisches Übergangsmetall enthalten. Bei einer Ausführungsform kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 mit einer Mehrzahl von Schichten ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 eine erste untere Metallverbindungsschicht 133, eine erste nicht-magnetische Metallschicht 136, und eine erste obere Metallverbindungsschicht 139 aufweisen, welche aufeinanderfolgend auf der vertikalen Magnetschicht 124 gestapelt sind. Im Gegensatz zu der Abbildung, kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 eine Metallverbindungsschicht/Nicht-magnetische Metallschicht oder eine nicht-magnetische Metallschicht/Metallverbindungsschicht enthalten, welche aufeinanderfolgend auf der ersten vertikalen Magnetschicht 124 gestapelt sind. Im umgekehrten Fall kann die erste nicht-magnetische Schicht 130 nur eine einzelne Metallschicht oder eine Mehrzahl von Metallschichten enthalten. Die erste vertikale Magnetschicht 123 kann mit der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 durch die erste nicht-magnetische Schicht 130 austauschgekoppelt sein.
Eine erste magnetische Übergangsschicht 141, eine Tunnelbarriere 145, eine zweite magnetische Übergangsschicht 149 können aufeinanderfolgend auf der ersten nicht-magnetischen Schicht 130 gestapelt sein. Die erste magnetische Übergangsschicht 141 und die zweite magnetische Übergangsschicht 149 können ein weichmagnetisches Material enthalten. Wenn eine Magnetspeicherzelle arbeitet, kann entweder die erste magnetische Übergangsschicht 141 oder die zweite magnetische Übergangsschicht 149, als Referenzschicht dienen, und die andere kann als eine freie Schicht dienen. Die als freie Schicht dienende magnetische Übergangsschicht kann eine kleinere Sättigungsmagnetisierung aufweisen als die der magnetischen Übergangsschicht, welche als eine Referenzschicht dient.
Eine zweite nicht-magnetische Schicht 150 kann auf der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 angeordnet sein. Die zweite nicht-magnetische Schicht 150 kann mit einer geringen Dicke ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die zweite nicht-magnetische Schicht 150 derart ausgebildet sein, dass sie eine Dicke in einem Bereich von etwa 2 Å (Angström) bis etwa 20 Å (Angström) aufweist. Die zweite nicht-magnetische Schicht 150 kann keine Textur aufweisen.
Eine zweite vertikale Magnetschicht 164 ist auf der zweiten nicht-magnetischen Schicht 150 angeordnet. Die zweite vertikale Magnetschicht 164 kann derart ausgestaltet sein, dass sie eine Magnetisierungsrichtung vertikal zu den Ebenen einer ersten magnetischen Übergangsschicht und einer zweiten magnetischen Übergangsschicht 141, 149 aufweist, welche den magnetischen Tunnelkontakt bilden. Die zweite vertikale Magnetschicht 164 kann mit der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 durch die zweite nicht-magnetische Schicht 150 austauschgekoppelt sein. Zum Beispiel kann die zweite vertikale Magnetschicht 164 eine amorphe RE-TM-Legierung enthalten. Eine Deckschicht 170 kann auf der zweiten vertikalen Magnetschicht 164 angeordnet sein.
Bezug nehmend auf 4A und 4C und 1 wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Magnetspeichervorrichtung gemäß den Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Auf einige Beschreibung kann mit Bezug auf 1 verzichtet werden.
Bezug nehmend auf 4A kann eine untere Elektrode 110 auf einem Substrat 100 ausgebildet werden. Die untere Elektrode 110 kann auf dem Substrat 100 und/oder in dem Substrat 100 ausgebildet werden.
Nicht-magnetische Schichten 121 und ferromagnetische Schichten 122 können abwechselnd auf der unteren Elektrode 110 gestapelt werden. Die Stapelzahl der nicht-magnetischen Schichten 121 und der ferromagnetischen Schichten 122 kann in einem Bereich von etwa 2 bis etwa 20 liegen. Die ferromagnetischen Schichten 122 können mit einer Dicke von einem bis mehreren Atomen ausgebildet werden. Die nicht-magnetischen Schichten 121 und ferromagnetischen Schichten 122 können eine erste vertikale Magnetschicht 123 bilden.
Bezug nehmend auf 4B kann eine erste untere Metallverbindungsschicht 133 auf der ersten vertikalen Magnetschicht 123 ausgebildet werden. Eine Metallschicht kann auf der ersten vertikalen Magnetschicht 123 dünn ausgebildet werden, gefolgt von Oxidation und/oder Nitridieren, um die erste untere Metallverbindungsschicht 133 auszubilden. Die Metallschicht kann zumindest ein ausgewähltes aus z. B. Übergangsmetallen enthalten.
Eine erste nicht-magnetische Metallschicht 136 kann auf der ersten unteren Metallverbindungsschicht 133 ausgebildet werden. Die erste nicht-magnetische Metallschicht 136 kann zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Metallen z. B. nicht-magnetischen Übergangsmetallen enthalten. Zum Beispiel können die erste nicht-magnetische Metallschicht 136 und die erste untere Metallverbindungsschicht 133 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Tantal (Ta), Gold (Au), Silber (Ag), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Molybdenum (Mo), Vanadium (V), Wolfram (W), Niob (Nb), Zirkonium (Zr), Yttrium (V) und/oder Hafnium (Hf) enthalten. Die erste nicht-magnetische Metallschicht 136 kann ein Metall identisch zu der ersten unteren Metallverbindungsschicht 133 enthalten.
Bezug nehmend auf 4C wird eine erste obere Metallverbindungsschicht 139 auf der ersten nicht-magnetischen Metallschicht 136 ausgebildet. Die erste obere Metallverbindungsschicht 139 kann durch Oxidation oder Nitridieren auf einer Oberseite der ersten nicht-magnetischen Metallschicht 136 ausgebildet werden. Für die Oxidation oder das Nitridieren kann eine kleine Menge von Oxidationsgas und/oder Nitridiergas auf einer Oberseite der ersten oberen Metallverbindungsschicht 139 bereitgestellt werden. Im umgekehrten Fall kann eine separate Metallschicht auf der ersten nicht-magnetischen Metallschicht 136 ausgebildet werden, gefolgt von Oxidation und/oder Nitridieren, um die erste obere Metallverbindungsschicht 139 auszubilden, oder eine separate Metallverbindungsschicht kann abgeschieden werden, um die erste obere Metallverbindungsschicht 139 auszubilden.
Eine erste magnetische Übergangsschicht 141, eine Tunnelbarriere 145, und eine zweite magnetische Übergangsschicht 149 können aufeinanderfolgend auf der ersten oberen Metallverbindungsschicht 139 ausgebildet werden. Die erste magnetische Übergangsschicht 141 und die zweite magnetische Übergangsschicht 149 können ein weichmagnetisches Material enthalten. Bei einer Ausführungsform können die erste magnetische Übergangsschicht 141 und die zweite magnetische Übergangsschicht 149 Materialien mit zueinander unterschiedlicher Sättigungsmagnetisierung enthalten. Die ersten und zweiten Magnetübergangsschichten 149 können in einem amorphen Zustand ausgebildet werden. Bei einer Ausführungsform kann ferner ein Verfahren zum Oxidieren eines oberen Abschnittes der ersten magnetischen Übergangsschicht 149 enthalten sein.
Die Tunnelbarriere 145 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Titan (Ti), Aluminium (Al), einem Oxid von Magnesium-Zink (MgZn) und/oder Magnesium-Bor (MgB) und/oder einem Nitrid von Titan (Ti) und/oder Vanadium (V) enthalten. Im umgekehrten Fall kann die Tunnelbarriere 145 eine Mehrzahl von Schichten enthalten. Die Mehrzahl von Schichten kann zumindest zwei Schichten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metallschichten, Metalloxidschichten, Metallnitridschichten und/oder Metalloxidnitridschichten sein. Die Tunnelbarriere 145 kann eine vorbestimmte Kristallstruktur z. B. ein Kristallstruktur vom Typ NaCl aufweisen.
Eine zweite magnetische Übergangsschicht 149 kann auf der Tunnelbarriere 145 ausgebildet werden. Wenn die zweite magnetische Übergangsschicht 149 als eine freie Schicht einer Magnetspeicherzelle verwendet wird, kann die zweite magnetische Verbindungsschicht 149 eine kleinere Sättigungsmagnetisierung aufweisen als die der ersten magnetischen Verbindungsschicht 141. Alternativ kann der Eisen(Fe)-Gehalt der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 größer oder zumindest gleich als der der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 sein.
Eine Oberseite der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 kann oxidiert und/oder nitridiert werden. Eine prä-untere Metallverbindungsschicht 152 kann somit in einem oberen Abschnitt der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 ausgebildet werden. Eine Oberseite der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 kann auf gleiche Weise oxidiert und/oder nitridiert werden wie die Oberseite der ersten nicht-magnetischen Metallschicht 136. Im umgekehrten Fall kann auf ein Oxidations- und/oder Nitridierverfahren der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 verzichtet werden.
Eine zweite nicht-magnetische Metallschicht 156 kann auf der zweiten magnetischen Übergangsschicht 149 und der prä-unteren Metallverbindungsschicht 152 ausgebildet werden. Die zweite nicht-magnetische Metallschicht 156 kann zumindest eine ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Tantal (Ta), Gold (Au), Silber (Ag), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Molybdenum (Mo), Vanadium (V), Wolfram (W), Niob (Nb), Zirkonium (Zr), Yttrium (V) und/oder Hafnium (Hf) enthalten.
Mit Bezug auf 1 wird eine zweite obere Metallverbindungsschicht 149 auf der zweiten nicht-magnetischen Metallschicht 156 ausgebildet. Die zweite obere Metallverbindungsschicht 159 kann durch Oxidation oder Nitridieren einer Oberseite der zweiten nicht-magnetischen Metallschicht 156 ausgebildet werden. Bei der Oxidation oder dem Nitridieren kann eine kleine Menge von Oxidationsgas und/oder Nitridiergas auf einer Oberseite der zweiten oberen Metallverbindungsschicht 159 bereitgestellt werden. Umgekehrt kann eine separate Metallschicht auf der zweiten nicht-magnetischen Metallschicht 156 ausgebildet werden, gefolgt von Oxidation und/oder Nitridieren, um die zweite obere Metallverbindungsschicht 159 auszubilden oder eine kann eine separate Metallverbindungsschicht abgeschieden werden, um die zweite obere Metallverbindungsschicht 159 auszubilden.
Nicht-magnetische Schichten 161 und ferromagnetische Schichten 162 können abwechselnd auf der zweiten oberen Metallverbindungsschicht 159 gestapelt werden.
Die ferromagnetischen Schichten 162 können mit einer Dicke von einem bis mehreren Atomen ausgebildet werden. Die nicht-magnetischen Schichten 161 und die ferromagnetischen Schichten 162 können in einer zweiten vertikalen Magnetschicht 163 enthalten sein. Die Stapelzahl der nicht-magnetischen Schichten 161 und ferromagnetischen Schichten 162 der zweiten vertikalen Magnetschicht 163 kann anders als jene der nicht-magnetischen Schichten 121 und ferromagnetischen Schichten 122 in der ersten vertikalen Magnetschicht 123 sein.
Bevor und/oder nach einer Ausbildung der zweiten vertikalen Magnetschicht 163 kann ein Temperverfahren duchgeführt werden. Durch das Temperverfahren können die amorphen ersten und zweiten magnetischen Übergangsschichten 141, 149 mit der Tunnelbarriere 145 als eine Keimschicht kristallisiert werden. Das Temperverfahren kann ein magnetisches Temperverfahren oder ein anderes Temperverfahren sein. Da die Tunnelbarriere 145 als eine Keimschicht dient, kann die Tunnelbarriere 145 eine Kristallstruktur ähnlich zu jener der ersten und zweiten magnetischen Übergangsschichten 141, 149 aufweisen. Alternativ können Flächen der ersten und zweiten magnetischen Übergangsschichten 141, 149, welche die Tunnelbarriere 145 berühren, gleiche Kristallebenen wie die Fläche der Tunnelbarriere aufweisen. Zum Beispiel können, wenn die obere und die untere Fläche der Tunnelbarriere 145 einer (001)-Kristallebene einer Kristallstruktur vom Typ NaCl entsprechen, Flächen der die Tunnelbarriere 145 berührenden ersten und zweiten magnetischen Übergangsschicht 141, 149 eine (001)-Kristallebene einer kubischraumzentrierten Struktur sein.
Während des Temperns können die ersten und zweiten nicht-magnetischen Schichten 130, 150 die Kristallisation der ersten und zweiten magnetischen Verbindungsschichten 141, 149 entlang der Kristallstruktur von anderen Schichten als die Tunnelbarriere 145 verhindern. Zum Beispiel kann, wenn die ersten und zweiten nicht-magnetischen Schichten 130, 150 weggelassen werden, die Kristallisation der ersten und zweiten magnetischen Übergangsschichten 141, 149 durch die ersten und zweiten vertikalen magnetischen Schichten 123, 163 beeinflusst werden. In diesem Fall können die ersten und zweiten magnetischen Übergangsschichten 141, 149 keine Kristallstrukturen und/oder Kristallebenen gleich zu jenen der Tunnelbarriere 145 aufweisen. Wenn die ersten und zweiten magnetischen Übergangsschichten 141, 149 Kristallstrukturen und/oder Kristallebenen anders als jene der Tunnelbarriere 145 aufweisen, kann der Widerstandswert des magnetischen Tunnelkontakts, welche diese enthalten, erheblich reduziert werden. Jedoch können, wenn die ersten und zweiten nicht-magnetischen Schichten 130, 150 zwischen der ersten vertikalen Magnetschicht 123 und der ersten magnetischen Übergangsschicht 141 und/oder zwischen der zweiten vertikalen Magnetschicht 163 und der zweiten magnetischen Übergangsschicht 140 gemäß den Ausführungsformen des Erfindungskonzepts angeordnet sind, die ersten und zweiten vertikalen Magnetschichten 123, 163 nicht als eine Keimschicht für Kristallisation der ersten und zweiten magnetischen Übergangsschichten 141, 149 dienen. Demgemäß können die Kristallstrukturen der ersten und zweiten magnetischen Übergangsschichten 141, 149 mit der Kristallstruktur der Tunnelbarriere 145 ausgerichtet werden. Dadurch kann das Magnetwiderstandsverhältnis eines magnetischen Tunnelkontakts, welche diese enthalten, erhöht werden.
Eine Deckschicht 170 kann auf der zweiten vertikalen Magnetschicht 163 ausgebildet werden. Die Deckschicht 170 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Titan (Ti), Ruthenium (Ru), Magnesium (Mg), Tantalnitrid (TaN) und/oder Titannitrid (TiN) enthalten.
Die erste vertikale Magnetschicht 123, die erste nicht-magnetische Schicht 130, die erste magnetische Übergangsschicht 141, die Tunnelbarriere 145, die zweite magnetische Übergangsschicht 149, die zweite nicht-magnetische Schicht 150, die zweite vertikale Magnetschicht 163, und die Deckschicht 170 können gemustert werden. Das Mustern bzw. Strukturieren kann durch ein aus verschiedenen Musterbildungsverfahren bzw. Strukturierungsverfahren ausgewähltes Verfahren durchgeführt werden, welche Photolithographie und/oder Elektronenstrahlmusterung enthalten. Das Muster bzw. Strukturieren kann durchgeführt werden, nachdem alle Schichten ausgebildet sind oder nachdem einige der Schichten ausgebildet sind. Wenn nur einige der Schichten gemustert werden, kann ein zusätzliches Muster bzw. Strukturieren durchgeführt werden, nachdem die anderen der Schichten ausgebildet sind.
Bezug nehmend auf 2 wird ein Verfahren zum Ausbilden eines modifizierten Beispiels einer Magnetspeichervorrichtung gemäß den Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Auf die Beschreibung des Verfahrens zum Ausbilden der mit Bezug auf 1 beschriebenen Elemente wird verzichtet.
Eine Keimschicht 115 kann auf einem Substrat 100 ausgebildet werden. Die Keimschicht 115 kann eine einzelne Metallschicht oder eine Mehrzahl von Metallschichten enthalten. Die Keimschicht 115 kann eine Metallschicht mit einer vorbestimmten Kristallstruktur enthalten. Zum Beispiel kann die Keimschicht 115 zumindest eine Kristallstruktur ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus kubisch-raumzentriertem (krz) Gitter, kubisch-flächenzentriertem (kfz) Gitter und hexagonal dicht gepacktem (hcp) Gitter aufweisen.
Eine erste vertikale Magnetschicht 124 kann auf der Keimschicht 115 ausgebildet werden. Die erste vertikale Magnetschicht 124, welche unter Verwendung der Keimschicht 115 als Keim bzw. Kristallkeim abgeschieden wird, kann eine hcp- oder eine L10-Kristallstruktur aufweisen. Wenn die erste vertikale Magnetschicht 124 aus einer amorphen RE-TM-Legierung gebildet wird, kann auf die Keimschicht 115 verzichtet werden.
Bezug nehmend auf 3 wird ein Verfahren zum Ausbilden eines modifizierten Beispiels einer Magnetspeichervorrichtung gemäß den Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Auf die Beschreibung des Verfahrens zum Ausbilden der mit Bezug auf 1 und 2 beschriebenen Elemente wird verzichtet.
Eine zweite vertikale Magnetschicht 164 wird auf einer zweiten nicht-magnetischen Schicht 150 ausgebildet. Die zweite vertikale Magnetschicht 164 kann z. B. eine amorphe RE-TM-Legierung enthalten. Obwohl nicht gezeigt, kann die zweite vertikale Magnetschicht 164 eine Mehrzahl von ferromagnetischen Schichten enthalten. Eine nicht-magnetische Metallschicht kann zwischen den ferromagnetischen Schichten angeordnet sein. Die zweite vertikale Magnetschicht 124 kann in unterschiedlichen Formen innerhalb des Bereichs der ferromagnetischen Materialschichten mit einer vertikalen Magnetisierungsrichtung modifiziert werden.
(Eine zweite Ausführungsform)
Bezug nehmend auf 5 wird eine Magnetspeichervorrichtung gemäß den zweiten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben.
Eine untere Elektrode 210 ist auf einem Substrat 200 angeordnet. Das Substrat 200 kann ein halbleiterbasiertes Halbleitersubstrat sein. Das Substrat 200 kann einen leitenden Bereich und/oder einen isolierenden Bereich enthalten. Die untere Elektrode 210 kann mit dem leitenden Bereich des Substrats 200 elektrisch verbunden sein. Die untere Elektrode 210 kann auf dem Substrat 200 und/oder in dem Substrat 200 angeordnet sein. Die untere Elektrode 210 kann jedes ausgewählte aus der Gruppe bestehend aus einer Linie, Insel und/oder Platte aufweisen.
Eine Pinningschicht 226 ist auf der unteren Elektrode 210 angeordnet. Die Pinningschicht kann ein antiferromagnetisches Material enthalten. Zum Beispiel kann die Pinningschicht 226 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus PtMn, IrMn, FeMn, NiMn, MnO, MnS, MnTe, MnF₂, FeF₂, FeCl₂, FeO, CoCl₂, CoO, NiCl₂, NiO und/oder Cr aufweisen. Die Pinningschicht 226 kann die Magnetisierungsrichtung einer angrenzenden magnetischen Schicht in einer Richtung fixieren.
Eine untere Referenzschicht 227 kann auf der Pinningschicht 226 vorgesehen werden. Die untere Referenzschicht 227 kann ein ferromagnetisches Material aufweisen. Zum Beispiel kann die untere Referenzschicht 227 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO₂, MnOFe₂O₃, FeOFe₂O₃, NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, EuO und/oder Y₃Fe₅O₁₂ aufweisen. Die Magnetisierungsrichtung der unteren Referenzschicht 227 kann in eine Richtung durch die Pinningschicht 226 fixiert werden. Die eine Richtung kann aus Richtungen parallel zu der Ebene des Substrats 200 ausgewählt sein. Zum Beispiel kann die Referenzschicht 227 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus einem Material L10-Kristallstruktur, einem Material mit einem hcp, und einer amorphen RE-TM-Legierung enthalten. In diesem Fall kann die Magnetisierungsrichtung der unteren Referenzschicht 227 vertikal (senkrecht) zu der Ebene des Substrats 200 sein.
Eine austauschgekoppelte Referenzschicht 228 kann auf der unteren Referenzschicht 227 angeordnet sein. Die austauschgekoppelte Referenzschicht 228 kann zumindest ein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Chrom (Cr) und/oder Rhodium (Rh) enthalten.
Eine obere Referenzschicht 241 kann auf der austauschgekoppelten Referenzschicht 228 ausgebildet sein. Die obere Referenzschicht 241 kann Eisen (Fe) enthalten. Die obere Referenzschicht 241 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten. Die obere Referenzschicht 241 kann ferner zumindest ein aus nicht-magnetischen Materialien enthalten, welche Bor (B), Zink (Zn), Aluminium (Al), Titan (Ti), Ruthenium (Ru), Tantal (Ta), Silizium (Si), Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu), Kohlenstoff (C) und/oder Stickstoff (N) enthalten. Die obere Referenzschicht 241 kann mit der unteren Referenzschicht 227 durch die austauschgekoppelte Referenzschicht 228 austauschgekoppelt sein.
Eine Tunnelbarriere 245 kann auf der oberen Referenzschicht 241 ausgebildet sein. Die Tunnelbarriere 245 kann ein nicht-magnetisches Material enthalten. Die Tunnelbarriere 245 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Titan (Ti), Aluminium (Al), einem Oxid von Magnesium-Zink (MgZn) und/oder Magnesium-Bor (MgB) und/oder einem Nitrid von Titan (Ti) und/oder Vanadium (V) enthalten. Zum Beispiel kann die Tunnelbarriere 245 eine Magnesiumoxid(MgO)-Schicht sein. Im umgekehrten Fall kann die Tunnelbarriere 245 eine Mehrzahl von Schichten enthalten, welche eine Metallschicht und eine Metallverbindungsschicht enthalten.
Die Tunnelbarriere 245 kann eine Kristallstruktur ähnlich der der oberen Referenzschicht 241 aufweisen. Zum Beispiel können die Tunnelbarriere 245 und die obere Referenzschicht 241 jeweils eine Kristallstruktur vom Typ NaCl und eine kubischraumzentrierte Struktur aufweisen. Die Schnittstelle zwischen der Tunnelbarriere 245 und der oberen Referenzschicht 241 können identische Kristallebenen enthalten. Zum Beispiel kann die (001) Kristallebene der Tunnelbarriere 245 die (001) Kristallebene der oberen Referenzschicht 241 enthalten.
Die untere freie Schicht 249 kann auf der Tunnelbarriere 245 angeordnet sein. Die untere freie Schicht 249 kann Eisen (Fe) enthalten. Die untere freie Schicht 249 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten. Die obere Referenzschicht 241 kann ferner zumindest ein aus nicht-magnetischen Materialien enthalten, welche Bor (B), Zink (Zn), Aluminium (Al), Titan (Ti), Ruthenium (Ru), Tantal (Ta), Silizium (Si), Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu), Kohlenstoff (C) und/oder Stickstoff (N) enthalten.
Der Eisen(Fe)-Gehalt in der unteren freien Schicht 249 kann höher als der in der oberen Referenzschicht 241 sein. Die Zuverlässigkeit einer die obere Referenzschicht 241 und die untere freie Schicht 249 enthaltene Magnetspeichervorrichtung kann durch einen hohen Eisengehalt in der unteren freien Schicht 249 erhöht werden. Wenn der Eisengehalt in der Referenzschicht zwischen der Referenzschicht und der freien Schicht, welche einen magnetischen Tunnelkontakt bilden hoch ist, kann die den magnetischen Tunnelkontakt enthaltene magnetische Speicherzelle ein abnormales Schaltverhalten zeigen. In einem Beispiel kann die Magnetisierungsrichtung einer freien Schicht, welche einen relativ geringen Eisengehalt enthält, nicht in einer Richtung parallel zu der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht beibehalten werden. Demgemäß kann, wenn die Magnetspeichervorrichtung in einem parallelen Zustand geschalten wird (einen Zustand, bei dem die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht parallel zu der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht ist), die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht abnormal umgekehrt werden. Die Zuverlässigkeit einer die freie Schicht enthaltenen Magnetspeicherzelle kann durch diese abnormalen Schaltphänomene herabgesetzt bzw. verschlechtert werden. Die untere freie Schicht 249 kann jedoch einen höheren Eisengehalt als die obere Referenzschicht 241 gemäß den Ausführungsformen des Erfindungskonzepts aufweisen. Demgemäß kann die Magnetisierungsrichtung der unteren freien Schicht 249 bei einem Schaltvorgang einer Magnetspeicherzelle in einem parallelen Zustand stabil in einem parallelen Zustand zu der Magnetisierungsrichtung der oberen Referenzschicht 241 beibehalten werden. Die Magnetisierungsrichtung der unteren freien Schicht 249 kann nicht abnormal umgekehrt werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der die untere freie Schicht 249 enthaltene Magnetspeichervorrichtung erhöht werden.
Eine freie austauschgekoppelte Schicht 265 kann auf der unteren freien Schicht 249 angeordnet sein. Die freie austauschgekoppelte Schicht 265 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Chrom (Cr) und/oder Rhodium (Rh) aufweisen.
Eine obere freie Schicht 266 kann auf der freien Austauschkopplungsschicht 265 angeordnet sein. Die obere freie Schicht 266 kann ein ferromagnetisches Metall enthalten. Zum Beispiel kann die obere freie Schicht 266 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO₂, MnOFe₂O₃, FeOFe₂O₃, NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, EuO und/oder Y₃Fe₅O₁₂ aufweisen. Wenn eine Magnetspeicherzelle arbeitet, kann die Magnetisierungsrichtung der oberen freien Schicht 266 in eine erste Richtung oder eine zweite Richtung parallel zu der Ebene des Substrats 200 verändert werden. Die obere freie Schicht 266 kann als weiteres Beispiel zumindest eine ausgewählte aus amorphen RE-TM-Legierungen enthalten. In diesem Fall kann die Magnetisierungsrichtung der oberen freien Schicht 266 in eine erste Richtung oder eine zweite Richtung vertikal zu der Ebene des Substrats 200 verändert werden, wenn eine Magnetspeicherzelle arbeitet. Die obere freie Schicht 266 kann mit der unteren freien Schicht 249 durch die freie Austauschkopplungsschicht 265 austauschgekoppelt sein.
Eine Deckschicht 270 ist auf der oberen freien Schicht 266 angeordnet. Die Deckschicht 270 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Titan (Ti), Tantalnitrid (TaN) und/oder Titannitrid (TiN) enthalten.
Obwohl nicht gezeigt, können die Positionen der unteren und oberen freien Schichten 249, 266 und die unteren und oberen Referenzschichten 227, 241 verändert sein. Zum Beispiel können die unteren und oberen freien Schichten 249, 266 unter der Tunnelbarriere 245 angeordnet sein, und die unteren und oberen Referenzschichten 227, 241 können über der Tunnelbarriere 245 angeordnet sein. In diesem Fall können eine obere freie Schicht 266, eine freie Austauschkopplungsschicht 265, und eine untere freie Schicht 249 zwischen der unteren Elektrode 210 und der Tunnelbarriere 245 aufeinanderfolgend gestapelt sein, während eine obere Referenzschicht 241, eine austauschgekoppelte Referenzschicht 228 und eine untere Referenzschicht 227 zwischen der Tunnelbarriere 245 und der Deckschicht 270 aufeinanderfolgend gestapelt sein können.
Bezug nehmend auf 6 wird ein modifiziertes Beispiel einer Magnetspeichervorrichtung gemäß den zweiten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Auf die Beschreibung der mit Bezug auf 5 beschriebenen Elemente kann verzichtet werden.
Eine vertikale untere Referenzschicht 223 kann auf der unteren Elektrode 210 angeordnet sein. Die vertikale untere Referenzschicht 223 kann abwechselnd gestapelte nicht-magnetische Schichten 221 und ferromagnetische Schichten 222 enthalten. Die ferromagnetischen Schichten 222 können zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten, während die nicht-magnetischen Schichten 121 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Chrom (Cr), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Rhenium (Re), Gold (Au) und/oder Kupfer (Cu) enthalten können. Zum Beispiel kann die vertikale untere Referenzschicht 223 [Co/Pt]m, [Co/Pd]m oder [Ni/Pt]m (m ist eine Stapelzahl von jeder Schicht und eine natürliche Zahl von 2 oder mehr) enthalten. Bei einigen Ausführungsformen können jeweils die nicht-magnetischen Schichten 221 und die ferromagnetischen Schichten 222 etwa 2 bis etwa 20 Mal gestapelt sein. Wenn der Strom in eine Richtung vertikal zu dem Substrat 200 und den Ebenen der vertikal unteren Referenzschichten 223 fließt, kann die vertikale untere Referenzschicht 223 derart gestaltet sein, dass deren Magnetisierungsrichtung parallel zu dem Strom ist. Für diese Konfiguration können die ferromagnetischen Schichten 222 mit einer Dicke von einer bis mehreren Atomschichten dünn ausgebildet sein.
Eine vertikale obere freie Schicht 263 kann auf einer unteren freien Schicht 249 angeordnet sein. Die vertikale obere freie Schicht 263 kann abwechselnd gestapelte nicht-magnetische Schichten 261 und ferromagnetische Schichten 262 enthalten. Die ferromagnetischen Schichten 262 können zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten, während die nicht-magnetischen Schichten 261 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Chrom (Cr), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Rhenium (Re), Gold (Au) und/oder Kupfer (Cu) enthalten können. Zum Beispiel kann die vertikale obere freie Schicht 263 [Co/Pt]n, [Co/Pd]n und/oder [Ni/Pt]n (n ist eine Stapelzahl von jeder Schicht und eine natürliche Zahl von 2 oder mehr) enthalten. Bei einigen Ausführungsformen können jeweils die nicht-magnetischen Schichten 261 und die ferromagnetischen Schichten 262 etwa 2 bis etwa 20 Mal gestapelt sein. Die Stapelzahl n von nicht-magnetischen Schichten 261 und ferromagnetischen Schichten 262 in der vertikalen oberen freien Schicht 263 kann kleiner als die Stapelzahl m von nicht-magnetischen Schichten 221 und ferromagnetischen Schichten 222 in der vertikalen unteren Referenzschicht 223 sein.
Bezug nehmend auf 5 wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Magnetspeichervorrichtung gemäß den zweiten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Eine untere Elektrode 210 wird auf einem Substrat 200 ausgebildet. Die untere Elektrode 210 kann auf einem Substrat 200 und/oder in dem Substrat 200 ausgebildet werden.
Eine Pinningschicht 226 wird auf der unteren Elektrode 210 ausgebildet. Die Pinningschicht 226 kann ein antiferromagnetisches Material enthalten. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Keimschicht ersatzweise für die Pinningschicht 226 ausgebildet werden. Die Keimschicht kann ein Metall mit einer vorbestimmten Kristallstruktur oder einer Metalllegierung enthalten.
Eine untere Referenzschicht 227 kann auf der Pinningschicht 226 ausgebildet werden. Die untere Referenzschicht 227 kann ein ferromagnetisches Material enthalten. Zum Beispiel kann die untere Referenzschicht 227 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO₂, MnOFe₂O₃, FeOFe₂O₃, NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, EuO und/oder Y₃Fe₅O₁₂ enthalten. Die untere Referenzschicht 227 kann als weiteres Beispiel zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus einem Material mit einer L10-Kristallstruktur, einem Material mit einem hexagonal dicht gepackten (hcp) Gitter, und einer amorphen RE-TM-Legierung enthalten.
Eine austauschgekoppelte Referenzschicht 228 kann auf der unteren Referenzschicht 227 ausgebildet werden. Die austauschgekoppelte Referenzschicht 228 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Chrom (Cr) und/oder Rhodium (Rh) enthalten.
Eine obere Referenzschicht 241, eine Tunnelbarriere 245, und eine untere freie Schicht 249 können auf der austauschgekoppelten Referenzschicht 228 ausgebildet werden. Die obere Referenzschicht 241 und die untere freie Schicht 249 können in einem amorphen Zustand ausgebildet werden, während die Tunnelbarriere 245 in einem Kristallzustand vom Typ NaCl ausgebildet werden kann. Die Kristallstruktur der oberen Referenzschicht 241 und die untere freie Schicht 249 können mit der Kristallstruktur der Tunnelbarriere 245 durch einen anschließendes Temperverfahren ausgerichtet werden.
Eine freie Austauschkopplungsschicht 265 kann auf der unteren freien Schicht 249 ausgebildet werden. Die austauschgekoppelte Referenzschicht 228 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Chrom (Cr) und/oder Rhodium (Rh) enthalten.
Eine obere freie Schicht 266 kann auf der freien Austauschkopplungsschicht 265 ausgebildet werden. Die obere freie Schicht 266 kann ein ferromagnetisches Metall enthalten. Eine Deckschicht 270 kann auf der oberen freien Schicht 266 ausgebildet werden.
Die auf der unteren Elektrode 210 gestapelten Schichten werden gemustert bzw. strukturiert. Das Muster bzw. Strukturieren kann durch zumindest ein aus verschiedenen Musterbildungsverfahren, welche Photolithographie und Elektronenstrahl enthalten, ausgewähltes Verfahren durchgeführt werden. Das Mustern kann nachdem alle Schichten ausgebildet sind, oder nachdem einige Schichten ausgebildet sind durchgeführt werden. Wenn nur einige der Schichten gemustert werden, kann eine zusätzliche Musterung durchgeführt werden, nachdem die anderen der Schichten ausgebildet sind.
Bezug nehmend auf 6 wird ein Verfahren zum Ausbilden eines modifizierten Beispiels einer Magnetspeichervorrichtung gemäß den zweiten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Auf die Beschreibung von Verfahren zum Ausbilden von zuvor in 5 beschriebenen Elementen wird verzichtet.
Nicht-magnetische Schichten 221 und ferromagnetische Schichten 222 können auf der unteren Elektrode 210 abwechselnd gestapelt werden. Die ferromagnetischen Schichten 222 können mit einer Dicke von einem bis mehreren Atomen abgeschieden werden. Die nicht-magnetischen Schichten 221 und ferromagnetischen Schichten 222, welche auf der unteren Elektrode 210 ausgebildet werden, können eine vertikal untere Referenzschicht 223 bilden.
Nicht-magnetische Schichten 261 und ferromagnetische Schichten 262 können auf der unteren freien Schicht 249 abwechselnd gestapelt werden. Die ferromagnetischen Schichten 262 können mit einer Dicke von einem bis mehreren Atomen ausgebildet werden. Nicht-magnetische Schichten 221 und ferromagnetische Schichten 222, welche auf der unteren freien Schicht 249 ausgebildet werden, können eine vertikale obere freie Schicht 263 bilden.
Die Stapelzahl der nicht-magnetischen Schichten 221 und der ferromagnetischen Schichten 222 in der vertikalen unteren Referenzschicht 223 kann größer als die Stapelzahl der nicht-magnetischen Schichten 261 und der ferromagnetischen Schichten 262 in der vertikalen oberen freien Schicht 262 sein.
(Dritte Ausführungsform)
Bezug nehmend auf 7 wird eine Magnetspeichervorrichtung gemäß den dritten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Eine untere Elektrode 320 ist auf einem Substrat 310 angeordnet. Das Substrat 310 kann irgendein aus verschiedenen Substraten ausgewähltes sein, welche ein halbleiterelementbasiertes Substrat und ein metallverbindungsbasiertes Substrat enthalten. Das Substrat 310 kann einen leitenden Bereich und/oder einen isolierenden Bereich enthalten. Obwohl die untere Elektrode 320 dargestellt ist, als sei sie auf dem Substrat 310 angeordnet, kann die Elektrode in dem Substrat 310 enthalten sein. Die untere Elektrode 320 kann eine Elektrode oder ein Elektrodenkontakt sein. Die untere Elektrode 320 kann mit dem leitenden Bereich in dem Substrat 310 elektrisch verbunden sein. Zum Beispiel kann die untere Elektrode 320 zumindest mit einer ausgewählt aus Schaltvorrichtungen elektrisch verbunden sein, welche einen Transistor und eine in dem Substrat 310 enthaltene Diode enthalten.
Eine Keimschicht 330 ist auf dem Substrat 310 angeordnet. Die Keimschicht 330 kann Metallatome, welche ein hexagonal dicht gepacktes (hcp) Gitter bilden, enthalten. Wie in 9 dargestellt, kann die hcp ein Gitter sein, welches drei A-Achsen, drei B-Achsen, die eine hexagonale Ebene mit den A-Achsen bilden, und C-Achsen im Wesentlichen vertikal zu der hexagonalen Ebene enthält. Eine durch die A-Achsen und B-Achsen gebildete hexagonale Ebene kann im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Substrats 310 sein, während die C-Achsen im Wesentlichen vertikal zu der Ebene des Substrats 310 sein kann. Die (001) Kristallebene einer die Keimschicht 330 bildende Kristallstruktur kann zu der Ebene des Substrats 310 parallel sein. Die Keimschicht 330 kann dünn ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Keimschicht 330 derart ausgebildet sein, dass sie eine Dicke in einem Bereich von etwa 10 Å (Angström) bis etwa 100 Å (Angström) aufweist. Die Keimschicht 330 kann Ruthenium (Ru) und/oder Titan (Ti) enthalten. Im umgekehrten Fall kann die Keimschicht 330 Metallatome enthalten, welche ein kubisch-flächenzentriertes (KFZ) Gitter bilden. Zum Beispiel kann die Keimschicht 330 Platin (Pt), Palladium (Pd), Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu) und/oder Aluminium (Al) enthalten.
Eine freie magnetische Substanz 340 kann auf der Keimschicht 330 angeordnet sein. Die freie magnetische Substanz 340 kann eine die Keimschicht 330 berührende vertikale freie Magnetschicht 342 und eine freie magnetische Übergangsschicht 348 auf der vertikalen freien magnetischen Schicht 342 enthalten. Im Gegensatz zu der Abbildung, kann die vertikale freie Magnetsubstanz 342 und die freie magnetische Übergangsschicht 348 eine Mehrzahl von Schichten enthalten.
Die vertikale freie Magnetschicht 342 kann ein ferromagnetisches Material enthalten. Die in der vertikalen freien magnetischen Schicht 342 enthaltenen Atome können ein hcp Gitter bilden. Wie in 9 dargestellt, kann das hcp Gitter der vertikalen freien Magnetschicht 342 eine A-Achse, eine B-Achse, und eine C-Achse enthalten. Die C-Achse des hcp Gitters, welche die vertikale freie Magnetschicht 342 bildet, kann im Wesentlichen vertikal zu der Ebene des Substrats 310 sein. Die (001) Ebene des hcp Gitters, welche die vertikale freie Magnetschicht 342 bildet, kann parallel zu der Ebene des Substrats 310 sein. Die auf einfache Weise magnetisierte Achse der vertikalen freien Magnetschicht 342 kann die C-Achse sein. Demgemäß kann die Magnetisierungsrichtung der vertikalen freien magnetischen Schicht 342 vertikal zu dem Substrat sein. Die vertikale freie Magnetschicht 342 kann eine magnetische Anisotropie in einer Richtung vertikal zu der Ebene des Substrats 310 aufweisen.
Die ferromagnetischen Eigenschaften und die Gitterstruktur der vertikalen freien Magnetschicht 342 können aufgrund der Art von Atomen, welche die vertikale freie Magnetschicht 342 bilden und/oder den Gehalt der Atome sein.
Bei einigen Ausführungsformen kann die vertikale freie Magnetschicht 342 eine ungeordnete Kobalt-Platin Legierung mit einem Platingehalt in einem Bereich von etwa 10% bis etwa 45% Atomprozent enthalten. Der Platinatomgehalt der vertikalen freien Magnetschicht 342 kann in einem Bereich von etwa 20% bis 30% Atomprozent sein. Die vertikale freie Magnetschicht 342 kann ferner ein nicht-magnetisches Material enthalten. Zum Beispiel kann die vertikale freie Magnetschicht 342 ferner zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Bor (B), Chrom (Cr) und/oder Kupfer (Cu) enthalten.
Bei weiteren Ausführungsformen kann die vertikale freie Magnetschicht 342 ferner Co₃Pt, welches eine geordnete Legierung ist, enthalten. Die vertikale freie Magnetschicht 342 kann ferner ein nicht-magnetisches Material enthalten. Zum Beispiel kann die vertikale freie Magnetschicht 342 ferner zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Bor (B), Chrom (Cr), Silizium (Si) und/oder Kupfer (Cu) enthalten.
Bei weiteren Ausführungsformen kann die vertikale freie Magnetschicht 342 in der Form einer Mehrzahl von Schichten ausgebildet sein. In diesem Fall kann die vertikale freie Magnetschicht 342 eine erste freie ferromagnetische Schicht mit einem hcp CP Gitter und einer zweiten freien ferromagnetischen Schicht auf der ersten freien magnetischen Schicht enthalten, welche aufeinanderfolgend auf der Keimschicht 330 gestapelt sind.
Die erste freie ferromagnetische Schicht kann eine ausgewählt aus Ausführungsformen der zuvor beschriebenen vertikalen freien Magnetschicht 342 sein, während die zweite ferromagnetische Schicht eine Legierung sein kann, welche zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) und zumindest ein ausgewähltes aus Seltenerdmetallen enthält. Zum Beispiel kann das Seltenerdmetall zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Terbium (Tb), Dysprosium (Dy) und/oder Gadolinium (Gd) sein. Im umgekehrten Fall kann die zweite freie ferromagnetische Schicht zumindest ein ausgewähltes aus ferromagnetischen Materialien mit einer L10-Kristallstruktur sein, welche Fe₅₀Pt₅₀, Fe₅₀Pd₅₀, Co₅₀Pt₅₀, Co₅₀Pd₅₀ und/oder Fe₅₀Ni₅₀ enthalten.
Die vertikale freie Magnetschicht 342 kann eine hohe vertikale magnetische Anisotropie durch eine Kristallstruktur der vertikalen freien magnetischen Schicht 342 aufweisen, d. h, eine hcp Gitterstruktur der vertikalen freien Magnetschicht 342. In der Spezifikation bedeutet die vertikale magnetische Anisotropie eine magnetische Anisotropie in einer Richtung vertikal zu der Ebene des Substrats 310. Die Zuverlässigkeit einer die vertikale freie Magnetschicht 342 enthaltene Magnetspeichervorrichtung kann erhöht werden und die Betriebsleistung der Magnetspeicherung kann durch die hohe vertikale magnetische Anisotropie reduziert werden. Insbesondere kann die Spinrichtung von vielen Elektronen unter Elektronen, welche durch die vertikale freie Magnetschicht 342 übertragen werden, in einer Richtung vertikal zu der Ebene des Substrats 310 durch die vertikale freie Magnetschicht 342 ausgerichtet werden. Demgemäß können viele Elektronen unter den Elektronen, welche durch die vertikale freie Magnetschicht 342 übertragen werden, im Wesentlichen bei dem Schreibvorgang der Magnetspeichervorrichtung verwendet werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit einer Magnetspeichervorrichtung erhöht werden, und die Magnetspeichervorrichtung kann unter Verwendung eines relativ kleinen Betrags eines Schaltstroms betrieben werden.
Eine untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 kann auf der vertikalen freien Magnetschicht 342 angeordnet sein. Die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 kann ein magnetisches Material mit einer großen Austauschkopplungskonstante oder einem nicht-magnetischen Material, welches die magnetische Oberflächenanisotropie erhöhen kann, enthalten. Zum Beispiel kann die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 zumindest ein aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten, welche eine große Austauschkopplungskonstante aufweisen. Die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 kann ferner Platin (Pt) enthalten. Die Dicke der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 kann in einem Bereich von etwa 2 Å (Angström) bis etwa 20 Å (Angström) sein. Die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 kann eine Austauschkopplung zwischen der vertikalen freien magnetischen Schicht 342 und einer freien magnetischen Übergangsschicht 348, welche beschrieben wird, verstärken. Da die vertikale freie Magnetschicht 342 eine hohe magnetische Anisotropie in eine Richtung vertikal zu der Ebene des Substrats aufweist, kann die durch die vertikale freie Magnetschicht 342 austauschgekoppelte freie magnetische Übergangsschicht 348 und die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 auch eine hohe magnetische Anisotropie in eine Richtung vertikal zu der Ebene des Substrats 310 aufweisen.
Als weiteres Beispiel kann die untere Austauschkopplungs-Steuerungsschicht 344 zumindest ein ausgewähltes aus Metallelementen enthalten, welche ein Übergangsmetall enthalten. Die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 kann zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Metallen enthalten, welche Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Aluminium (Al), Tantal (Ta), Palladium (Pd) und/oder Platin (Pt) enthalten. Demgemäß kann die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 die vertikal magnetische Anisotropie der Oberfläche der angrenzenden magnetischen Schichten erhöhen.
Bei einer Ausführungsform kann die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 ferner eine Oxidschicht auf der Oberfläche der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 enthalten. Die Oxidschicht kann ein Oxid eines Materials sein, welches die Oberfläche der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 bildet.
Eine freie magnetische Übergangsschicht 348 kann auf der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 angeordnet sein. Die freie magnetische Übergangsschicht 348 kann eine hohe vertikale Anisotropie durch die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 und/oder der vertikalen freien Magnetschicht 342 aufweisen. Zum Beispiel kann die freie magnetische Übergangsschicht 348 durch die vertikale freie Magnetschicht 342 und die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344, die eine hohe vertikale Anisotropie aufweisen, stark austauschgekoppelt sein. Weiter kann zum Beispiel die vertikale magnetische Anisotropie der Oberfläche der freien magnetischen Übergangsschicht 348 durch die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht, welche die nicht-magnetischen Metalle enthält, erhöht sein.
Die freie magnetische Übergangsschicht 348 kann ein weichmagnetisches Material enthalten. Die freie magnetische Übergangsschicht 348 kann eine geringe Dämpfungskonstante und ein hohes Spinpolarisationsverhältnis aufweisen. Zum Beispiel kann die freie magnetische Übergangsschicht 348 Kobalt (Co), Eisen (Fe) und/oder Nickel (Ni) Atome enthalten. Die freie magnetische Übergangsschicht 348 kann ferner zumindest ein aus nicht-magnetischen Materialien bestehend aus Bor (B), Zink (Zn), Aluminium (Al), Titan (Ti), Ruthenium (Ru), Tantal (Ta), Silizium (Si), Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu), Kohlenstoff (C) und/oder Stickstoff (N) enthalten. Insbesondere kann die freie magnetische Übergangsschicht 348 CoFe und/oder NiFe enthalten, und kann ferner Bor (B) enthalten. Um weiter die Sättigungsmagnetisierung der freien magnetischen Übergangsschicht 348 zu verringern, kann die freie magnetische Übergangsschicht 348 ferner zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Titan (Ti), Aluminium (Al), Silizium (Si), Magnesium (Mg), Tantal (Ta) und/oder Silizium (Si) enthalten. Wenn die Sättigungsmagnetisierung abnimmt, kann der Schaltstrom einer Magnetspeicherzelle, welche die freie magnetische Übergangsschicht 348 enthält, verringert werden.
Obwohl nicht gezeigt, kann die freie magnetische Übergangsschicht 348 eine Mehrzahl von magnetischen Schichten enthalten. Zum Beispiel kann die freie magnetische Übergangsschicht 348 eine erste freie ferromagnetische Schicht, eine freie nicht-magnetische Schicht, und eine zweite freie ferromagnetische Schicht enthalten, d. h. eine künstlich ferromagnetische (SAF) Schicht, welche aufeinanderfolgend auf der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 gestapelt sind. Die freie magnetische Übergangsschicht 348 kann magnetische Schichten mit einer veränderbaren Magnetisierungsrichtung in verschiedenen Formen enthalten.
Die Magnetisierungsrichtung von zumindest einer Schicht aus einer Mehrzahl von Schichten, welche die freie magnetische Substanz 340 bilden, kann verändert werden. Zum Beispiel kann die freie magnetische Übergangsschicht 348 eine veränderbare Magnetisierungsrichtung aufweisen. Die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Übergangsschicht 348 kann in eine erste Richtung vertikal zu dem Substrat 310 oder in eine zweite Richtung antiparallel zu der ersten Richtung durch von außen auf die freie magnetische Übergangsschicht 348 vorgesehenen elektrischen und/oder magnetischen Faktoren verändert.
Eine Tunnelbarriere 350 kann auf der freien magnetischen Substanz 340 angeordnet sein. Die Tunnelbarriere 350 kann eine geringere Dicke als der Spindiffusionsabstand aufweisen. Die Tunnelbarriere 350 kann ein nicht-magnetisches Material enthalten. Bei einigen Ausführungsformen kann die Tunnelbarriere 350 aus einer isolierenden Materialschicht ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Tunnelbarriere 350 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg)/Magnesiumoxid (MgO), Magnesiumoxid (MgO)/Magnesium (Mg) und/oder Magnesium (Mg)/Magnesiumoxid (MgO)/Magnesium (Mg) enthalten.
Eine magnetische Referenzsubstanz 360 kann auf der Tunnelbarriere 350 ausgebildet sein. Die magnetische Referenzsubstanz 360 kann eine magnetische Referenz-Übergangsschicht 361, eine untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 362, und die vertikale magnetische Referenzschicht 363 enthalten, welche aufeinanderfolgend auf der Tunnelbarriere 350 gestapelt sind. Eine Mehrzahl von oberen nicht-magnetischen Referenzschichten 364 und ferromagnetische Referenzschichten 365 können abwechselnd auf der vertikalen magnetischen Referenzschicht 363 gestapelt werden, Die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 kann ein weichmagnetisches Material enthalten. Zum Beispiel enthält die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 Kobalt (Co), Eisen (Fe) und/oder Nickel (Ni), und die Gehälter der Atome kann derart bestimmt werden, dass die Sättigungsmagnetisierung der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 gesenkt werden kann. Die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 kann eine geringe Dämpfungskonstante und ein hohes Spinpolarisationsverhältnis aufweisen. Zu diesem Zweck kann die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 ferner zumindest ein aus nicht-magnetischen Materialien enthalten, welche Bor (B), Zink (Zn), Aluminium (Al), Titan (Ti), Ruthenium (Ru), Tantal (Ta), Silizium (Si), Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu), Kohlenstoff (C) und/oder Stickstoff (N) enthalten. Zum Beispiel kann die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 CoFe und/oder NiFe enthalten, und kann ferner Bor enthalten. Darüber hinaus kann die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 ferner zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Elementen enthalten, welche Titan (Ti), Aluminium (Al), Silizium (Si), Magnesium (Mg) und/oder Tantal (Ta) enthalten. Der Gehalt des ausgewählten nicht-magnetischen Elements in der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 kann in einem Bereich von etwa 1% bis etwa 15% Atomprozent sein.
Die freie magnetische Übergangsschicht 348, die Tunnelbarriere 350, und die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 können einen magnetischen Tunnelkontakt bilden. Eine Magnetspeicherzelle gemäß den Ausführungsformen des Erfindungskonzepts kann Daten speichern unter Verwendung des Unterschieds von Widerstandswerten, ob die Magnetisierungsrichtungen von den magnetischen Tunnelkontakt bildenden zwei magnetischen Substanzen der freien magnetischen Übergangsschicht 348 und der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 parallel oder antiparallel zueinander sind. Insbesondere kann gemäß der Richtungen von Elektronen, welche durch den magnetischen Tunnelkontakt übertragen werden, die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Übergangsschicht 348 verändert werden.
Zum Beispiel können, wenn sich Elektronen in eine Richtung aus der freien magnetischen Übergangsschicht 348 zu der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 bewegen, mit einem Spin in eine erste Richtung der Magnetisierungsrichtung parallel zu der der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 aufweisende Elektronen durch die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 übertragen werden, während mit einem Spin in eine zweite Richtung der Magnetisierung antiparallel zu der der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 aufweisende Elektronen durch die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 nicht übertragen werden können (z. B. werden reflektiert) und werden zu der freien magnetischen Übergangsschicht 348 übertragen. Die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Übergangsschicht 348 kann eine zweite Richtung durch mit einem Spin in der zweiten Richtung aufweisende Elektronen sein. Demgemäß können die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 und die freie magnetische Übergangsschicht 348 eine Magnetisierungsrichtung antiparallel zueinander aufweisen. Ein magnetischer Tunnelkontakt, welcher durch magnetische Substanzen mit Magnetisierungsrichtungen antiparallel zueinander gebildet ist, kann einen relativ hohen Widerstandswert aufweisen. Bei den vorliegenden Ausführungsformen können die erste Richtung und die zweite Richtung Richtungen im Wesentlichen vertikal (senkrecht) zu der Ebene des Substrats 310 sein.
Für ein weiteres Beispiel können, wenn sich Elektronen von der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 zu der freien magnetischen Übergangsschicht 348 bewegen, mit einem Spin in eine erste Richtung, welche durch die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 übertragen wird, aufweisende Elektronen bei der freien magnetischen Übergangsschicht 348 ankommen. Die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Übergangsschicht 348 kann in die erste Richtung durch mit einem Spin in die erste Richtung aufweisende Elektronen, welche bei der freien magnetischen Übergangsschicht 348 angekommen sind, verändert werden. Demgemäß können die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 und die freie magnetische Übergangsschicht 348 eine Magnetisierungsrichtung in eine erste Richtung aufweisen. Ein durch magnetische Substanzen mit Magnetisierungsrichtungen parallel zueinander gebildeter magnetischer Tunnelkontakt kann einen relativ geringen Widerstandswert aufweisen.
Auf diese Weise können die Widerstandswerte des magnetischen Tunnelkontakts gemäß der Richtung von durch den magnetischen Tunnelkontakt fließende Elektronen variiert werden. Daten können in der magnetischen Speichervorrichtung unter Verwendung des Unterschieds von Widerstandswerten gespeichert werden.
Eine obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 kann auf die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 angeordnet sein. Die obere Austauschkopplungs-Steuerungsschicht 362 kann ein Material mit einer großen Austauschkopplungskonstante, z. B. ein ferromagnetisches Metall oder ein Material, welches die Orientierung einer magnetischen Substanz, z. B. ein nicht-magnetisches Metall steuern kann, enthalten. Die obere Austauschkopplungs-Steuerungsschicht 362 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten. Zum Beispiel kann die obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 364 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Aluminium (Al), Tantal (Ta), Palladium (Pd) und/oder Platin (Pt) enthalten. Bei einigen Ausführungsformen kann ferner die obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 eine Oxidschicht auf der Oberfläche der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 enthalten. Die Oxidschicht kann eine durch Oxidation von einigen der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 ausgebildete Schicht sein. Die Funktion und Zusammenstellung der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 kann im Wesentlichen identisch zu jener der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 sein.
Eine vertikale magnetische Referenzschicht 363 kann auf die obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 angeordnet sein. Die vertikale magnetische Referenzschicht 363 kann ein ferromagnetisches Material enthalten. Die Atome, welche die vertikale magnetische Referenzschicht 363 bilden, können eine Kristallstruktur mit einer auf einfache Weise magnetisierten Achse im Wesentlichen vertikal zu der Ebene des Substrats 310 bilden. Zum Beispiel kann die vertikale magnetische Referenzschicht 363 Kobalt (Co) und/oder Platin (Pt), geordnete Legierung oder ungeordnete Legierung enthalten, und die C-Achse des hcp Gitters kann vertikal zu der Ebene des Substrats 310 sein. Demgemäß kann die vertikale Anisotropie der vertikalen magnetischen Referenzschicht 363 erheblich erhöht werden. Die vertikale magnetische Referenzschicht 363 kann ferner zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Bor (B), Chrom (Cr), Silizium (Si) und/oder Kupfer (Cu) enthalten.
Eine obere Referenz-Magnetschicht 364, 365 können auf der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 363 angeordnet sein. Die obere magnetische Referenzschicht 364, 365 können abwechselnd gestapelte nicht-magnetische Referenzschichten 364 und ferromagnetische Referenzschichten 365 enthalten. Die nicht-magnetische Referenzschicht 364 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten, während die ferromagnetische Referenzschichten 365 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Chrom (Cr), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Rhenium (Re), Gold (Au) und/oder Kupfer (Cu) enthält. Die obere magnetische Referenzschicht 364, 365 können [Co/Pb]n, [Co/Pt]n, oder [Ni/Pt]n (n ist eine natürliche Zahl von 2 oder mehr) enthalten. Die Stapelzahlen der magnetischen Referenzschichten 364 und ferromagnetische Referenzschichten 365 können in einem Bereich von etwa 2 bis etwa 11 Mal sein. Die ferromagnetische Referenzschichten 365 können mit einer sehr geringen Dicke ausgebildet sein. Zum Beispiel können die ferromagnetische Referenzschichten 365. mit einer Atomschichtendicke ausgebildet sein.
Die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Referenzschicht 365 kann vertikal zu der Ebene des Substrats 310 sein.
Die oberen magnetischen Referenzschichten 364, 365 können in verschiedenen Formen angeordnet sein. Zum Beispiel können die oberen referenzmagnetischen Schichten 364, 365 eine erste ferromagnetische Referenzschicht, eine nicht-magnetische Referenzschicht und eine zweite ferromagnetische Referenzschicht, d. h. eine künstliche antiferromagnetische (SAF) Schicht, enthalten, welche aufeinanderfolgend auf die vertikale magnetischen Referenzschicht 363 gestapelt sind.
Eine Deckschicht 370 kann auf den oberen magnetischen Referenzschichten 364, 365 angeordnet sein. Die Deckschicht 370 kann ferner zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Titan (Ti), Tantalnitrid (TaN) und/oder Titannitrid (TiN) enthalten.
Bezug nehmend auf 7 und 8 wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Magnetspeichervorrichtung gemäß den dritten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Auf die zuvor beschriebene Beschreibung mit Bezug auf 7 kann verzichtet werden.
Bezug nehmend auf 8 wird eine untere Elektrode 320 auf einem Substrat 310 ausgebildet. Die untere Elektrode 320 kann ein Metall oder eine Metallverbindung enthalten.
Eine Keimschicht 330 wird auf der unteren Elektrode 320 ausgebildet. Die Keimschicht 330 kann Metalle mit einem hcp-Gitter oder einem kubisch-flächenzentrierten (kfz) Gitter enthalten. Zum Beispiel kann die Keimschicht 330 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Ruthenium (Ru), Titan (Ti), Platin (Pt), Palladium (Pd), Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu) und/oder Aluminium (Al) enthalten. Die Keimschicht 330 kann mit einer relativ geringen Dicke ausgebildet werden. Zum Beispiel kann die Keimschicht 330 derart ausgebildet werden, dass sie eine Dicke in einem Bereich von 2 Å (Angström) bis etwa 20 Å (Angström) aufweist.
Eine vertikale freie Magnetschicht 342 wird auf der Keimschicht 330 ausgebildet. Die Kristallstruktur der vertikalen freien Magnetschicht 342 kann mit der Kristallstruktur der Keimschicht 330 ausgerichtet werden. Zum Beispiel kann die vertikale freie Magnetschicht 342 mit einem hcp-Gitter ausgebildet werden, das gleich der Kristallstruktur der Keimzelle 330 ist. Die vertikale freie Magnetschicht 342 kann Kobalt (Co) und/oder Platin (Pt) enthalten. Die vertikale freie Magnetschicht 342 kann eine geordnete Legierung oder eine ungeordnete Legierung von Kobalt (Co) und Platin (Pt) enthalten.
Die vertikale freie Magnetschicht 342, welche unter Verwendung der Keimschicht 330 als Keim gewachsen wird, kann durch einen Verfahren bei relativ niedriger Temperatur ausgebildet werden. Zum Beispiel kann die vertikale freie Magnetschicht 342, welche unter Verwendung der Keimschicht 330 als Keim ausgebildet wird, bei Raumtemperatur abgeschieden werden.
Im Fall einer Magnetspeichervorrichtung mit der Magnetisierungsrichtung von magnetischen Substanzen vertikal zu einem Substrat, wird eine magnetische Substanz mit einer Kristallstruktur mit einer großen vertikalen Anisotropie, z. B. eine ferromagnetischen Substanz, welche durch eine geordnete L10-Legierung gebildet wird, verwendet. Um eine ferromagnetische Substanz mit der geordneten L10-Legierung auszubilden, kann eine Mehrzahl von Keimschichten, welche eine Chrom(Cr)-Keimschicht mit einem kfz-Gitter und eine Platin(Pt)-Keimschicht mit einem krz Gitter enthalten, erforderlich sein. Die Mehrzahl von Schichten ist dicker als eine Einzelkeimschicht ausgebildet. Dadurch kann die Größe einer Vorrichtung, welche die Keimschicht enthält, erhöht werden. Während eines Strukturierungsverfahrens der Keimschicht können andere magnetische Schichten und Isolierungsschichten durch Ätzen von Nebenprodukten der Keimschicht verschmutzt werden. Insbesondere kann, wenn die anschließend beschriebene Tunnelbarriere durch Ätzen von Nebenprodukten der Keimschicht verschmutzt wird, ein Kurzschlussphänomen auf der Tunnelbarriere auftreten, so dass die Funktion des Speichers verschlechtert wird. Darüber hinaus kann die geordnete L10-Legierung ausgebildet werden unter Verwendung eines Hochtemperatur-Abscheidungsverfahrens bei 400°C oder höher und/oder unter Verwendung eines Hochtemperatur-Temperverfahrens bei 600°C oder höher.
Im umgekehrten Fall kann, wenn eine vertikale freie Magnetschicht 342 mit einem hcp-Gitter gemäß den Ausführungsformen des Erfindungskonzepts ausgebildet wird, die Keimschicht 330 als eine Einzelschicht ausgebildet werden. Demgemäß kann die Dicke der Keimschicht 330 geringer als jene von einer Mehrzahl von Schichten sein. Die Kristallstruktur der vertikalen freien Magnetschicht 342 kann eine hohe Abhängigkeit von der Keimschicht 330 aufweisen. Demgemäß kann die vertikale freie Magnetschicht 342 gemäß den Ausführungsformen des Erfindungskonzepts mit der Kristallstruktur der Keimschicht 330 auch bei geringer Prozesstemperatur ausgerichtet werden. Das bedeutet, dass ein Hochtemperatur-Abscheidungsverfahren oder Hochtemperatur-Temperverfahren nicht wesentlich sein muss.
Eine untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 kann auf der vertikalen freien Magnetschicht 342 ausgebildet werden. Die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 kann ein ferromagnetisches Metall mit einer großen Austauschkopplungskonstante, z. B. zumindest ein ausgewähltes aus Metallen enthalten, welche Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten. Umgekehrt kann die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 ein nicht-magnetisches Material sein, welches die magnetische Oberflächenanisotropie einer angrenzenden magnetischen Substanz erhöht oder die Kristallorientierung einer magnetischen Substanz steuert, um auf der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 ausgebildet zu sein. Zum Beispiel kann die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Aluminium (Al), Tantal (Ta), Palladium (Pd) und/oder Platin (Pt) enthalten. Bei einigen Ausführungsformen kann die Oberfläche der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 oxidiert werden. Ein Verfahren für die Oxidation kann eine Einleitung einer winzigen Menge von Sauerstoff in eine Kammer enthalten, bei der ein Produkt, in dem die vertikale freie Magnetschicht 342 ausgebildet wurde, vor einer Ausbildung der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 beladen bzw. beschickt wird, oder eine Oxidationsschicht kann durch Einleiten einer winzigen Menge von Sauerstoff in die Kammer nach einer Ausbildung der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 mit einer Atomschichtendicke und einer anschließenden Ausbildung der restlichen unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 ausgebildet werden.
Eine freie magnetische Übergangsschicht 348 kann auf der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 ausgebildet werden. Die vertikale Anisotropie der freien magnetischen Übergangsschicht 348 kann durch die vertikale freie Magnetschicht 344 und/oder der untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 erhöht werden. Insbesondere kann die Kristallisation der freien magnetischen Übergangsschicht 348 in die Kristallstruktur der vertikalen freien Magnetschicht 342 durch die Kristallstruktur der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 verhindert und/oder reduziert werden. Zum Beispiel kann, wenn auf die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 verzichtet wird, die in einem amorphen Zustand ausgebildete freie magnetische Übergangsschicht 348 in die Kristallstruktur der vertikalen freien Magnetschicht 342 durch ein Wärmebehandlungsverfahren kristallisiert werden. In diesem Fall kann die Kristallstruktur der freien magnetischen Übergangsschicht 348 durch die Kristallstruktur der vertikalen freien Magnetschicht 342 ausgerichtet werden, d. h. eine (011)-Kristallebene anders als eine (001) Kristallebene einer krz-Struktur, und dann kann das Magnetwiderstandsverhältnis eines magnetischen Tunnelkontakts, welcher die freien magnetischen Übergangsschichten 348 enthält, verringert werden. Jedoch kann, da die vertikale freie Magnetschicht 342 von der freien magnetischen Übergangsschicht 348 durch die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 344 getrennt ist, die Kristallstruktur der freien magnetischen Übergangsschicht 348 nicht mit der Kristallstruktur der vertikalen freien Magnetschicht 342 ausgerichtet werden. Demgemäß kann das Magnetwiderstandsverhältnis eines magnetischen Tunnelkontakts erhöht sein.
Wieder Bezug nehmend auf 7 kann eine Tunnelbarriere 350 aus der freien magnetischen Übergangsschicht 348 ausgebildet werden. Die Tunnelbarriere kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Titan (Ti), Aluminium (Al), einem Oxid von Magnesium-Zink (MgZn) und/oder Magnesium-Bor (MgB) und/oder einem Nitrid von Titan (Ti) und/oder Vanadium (V) enthalten.
Zum Beispiel kann die Tunnelbarriere 350 eine Magnesiumoxid(MgO)-Schicht sein. Umgekehrt kann die Tunnelbarriere 350 eine Mehrzahl von Schichten enthalten. Zum Beispiel kann die Tunnelbarriere Magnesium (Mg)/Magnesiumoxid (MgO), Magnesiumoxid (MgO)/Magnesium (Mg) und/oder Magnesium (Mg)/Magnesiumoxid (MgO)/Magnesium (Mg) enthalten. Die Tunnelbarriere 350 kann durch Abscheiden des Metalloxids oder Metallnitrids auf der freien magnetischen Übergangsschicht 348 oder durch Ausbilden einer Metallschicht auf der freien magnetischen Übergangsschicht 348, und anschließender Oxidation der Metallschicht ausgebildet werden. Bei einer Ausführungsform kann die Tunnelbarriere 350 eine vorbestimmte Kristallstruktur aufweisen. Zum Beispiel kann die Tunnelbarriere 350 eine Kristallstruktur vom Typ NaCl (kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur) aufweisen.
Eine magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 kann auf der Tunnelbarriere 350 ausgebildet werden. Die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 kann eine relativ kleine Sättigungsmagnetisierung aufweisen. Die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 kann ein weichmagnetisches Material enthalten. Die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 kann ferner ein nicht-magnetisches Material enthalten. Die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 kann gleiche magnetische Eigenschaften wie jene der freien magnetischen Übergangsschicht 348 aufweisen. Im umgekehrten Fall kann die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 unterschiedliche magnetische Eigenschaften als jene der freien magnetischen Übergangsschicht 348 aufweisen. Zum Beispiel kann das Produkt der Dicke der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 und der Sättigungsmagnetisierung der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 größer als das der Dicke der freien magnetischen Übergangsschicht 348 und die Sättigungsmagnetisierung der freien magnetischen Übergangsschicht 348 sein.
Die Kristallstruktur der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 kann mit der Tunnelbarriere 350 ausgerichtet werden. Zum Beispiel kann, wenn die Tunnelbarriere 350 aus einem Magnesiumoxid (MgO) mit einer (001)-Kristallebene einer NaCl (kubisch-flächenzentrierten Gitter) Struktur parallel zu der Ebene des Substrats 310 ausgebildet wird, die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 mit der Kristallstruktur der Tunnelbarriere 350 ausgerichtet werden. Demgemäß kann die vertikale magnetische Anisotropie der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 erhöht werden. Die Kristallisation der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 kann durch ein Wärmebehandlungsverfahren durchgeführt werden.
Eine obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 kann auf der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 ausgebildet werden. Die obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 kann ein magnetisches Material mit einer großen Austauschkopplungskonstante enthalten. Demgemäß kann eine Austauschkopplung zwischen der vertikalen magnetischen Referenzschicht 363 und der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 erhöht werden, um die vertikale magnetische Anisotropie der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 zu erhöhen. Die obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 kann als eine Keimschicht dienen und derart ausgerichtet werden, dass leicht magnetisierbare Achse der vertikalen magnetischen Referenzschicht 363 vertikal zu der Ebene des Substrats 310 ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Oberfläche der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 oxidiert werden. Ein Verfahren zur Oxidation kann ein Einleiten einer winzigen Menge von Sauerstoff in eine Kammer enthalten, in das ein Produkt, bei dem die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 ausgebildet wurde, vor einer Ausbildung von der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 eingebracht wurde, oder eine Oxidationsschicht kann durch Einleitung einer winzigen Menge von Sauerstoff in die Kammer nach einer Ausbildung der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 mit einer Atomschichtendicke und anschließender Ausbildung der restlichen oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 ausgebildet werden.
Eine vertikale magnetische Referenzschicht 363 kann auf der magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 ausgebildet werden. Die vertikale magnetische Referenzschicht 363 kann eine amorphe ferromagnetische Schicht sein. Zum Beispiel kann die vertikale magnetische Referenzschicht 363 aus einer amorphen Kobalt (Co) und/oder Platin(Pt)-Legierung ausgebildet werden. Die vertikale magnetische Referenzschicht 363 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Bor (B), Chrom (Cr), Silizium (Si) und/oder Kupfer (Cu) enthalten.
Eine obere magnetische Referenzschicht 364, 365 kann auf der vertikalen magnetischen Referenzschicht 363 ausgebildet werden. Nicht-magnetische Referenzschichten 364 und ferromagnetische Referenzschichten 365 können mehrere Male abwechselnd gestapelt werden, um die obere magnetische Referenzschicht 364, 365 auszubilden. Die ferromagnetische Referenzschichten 365 können mit einer sehr geringen Dicke ausgebildet werden. Die ferromagnetische Referenzschichten 365 können mit einer Atomschichtendicke ausgebildet werden.
Die obere magnetische Referenzschicht 364, 365 kann in verschiedenen Formen ausgebildet werden. Zum Beispiel kann die obere Referenz-Magnetschicht 364, 365 eine erste ferromagnetische Referenzschicht, eine nicht-magnetische Referenzschicht und eine zweite ferromagnetische Referenzschicht, d. h. eine künstlich antiferromagnetische (SAF) Schicht, enthalten, welche aufeinanderfolgend auf der vertikalen magnetischen Referenzschicht 363 gestapelt werden.
Wenn die vertikale magnetische Referenzschicht 363 und/oder die obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 362 zwischen der nicht-magnetischen Referenzschicht 364 und der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 angeordnet wird, kann das Magnetwiderstandsverhältnis eines magnetischen Tunnelkontakts, welche die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 enthält, erhöht werden. Insbesondere kann, wenn die nicht-magnetische Referenzschicht 364 direkt auf der magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 ausgebildet wird, ein Metall, das die nicht-magnetische Referenzschicht 364 bildet, mit einem Metall, das die magnetische Referenzschicht 361 bildet, während eines Wärmebehandlungsverfahrens reagieren, um eine Schicht, die keine magnetischen Eigenschaften aufweist, auszubilden. Das Magnetwiderstandsverhältnis des magnetischen Tunnelkontakts kann durch die Schicht, welche keine magnetischen Eigenschaften aufweist, erheblich reduziert werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 mit einer Dicke gleich oder kleiner einer vorbestimmten kritischen Dicke dünn ausgebildet werden. In diesem Fall kann die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 durch Reaktion mit der nicht-magnetischen Referenzschicht 364 verbraucht werden, um das Magnetwiderstandsverhältnis zu reduzieren. Umgekehrt kann, da die vertikale magnetische Referenzschicht 363 und/oder die obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 364 zwischen der vertikalen magnetischen Referenz-Übergangsschicht 361 und der nicht-magnetischen Referenzschicht 364 gemäß den Ausführungsformen des Erfindungskonzepts ausgebildet wird/werden, eine Schicht, welche keine magnetischen Eigenschaften aufweist, nicht ausgebildet werden. Demgemäß wird die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 nicht unnötig verbraucht. Dadurch kann das Magnetwiderstandsverhältnis eines die magnetische Referenz-Übergangsschicht 361 enthaltenen magnetischen Tunnelkontakts erhöht werden.
Eine Deckschicht 370 kann auf der oberen magnetischen Referenzschicht 364, 365 ausgebildet werden. Die Deckschicht 370 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Titan (Ti), Tantalnitrid (TaN) und/oder Titannitrid (TiN) enthalten.
Die auf das Substrat 310 gestapelten Schichten können gemustert bzw. strukturiert werden. Das Mustern bzw. Strukturieren kann ausgeführt werden nachdem alle Schichten von der unteren Elektrode 310 bis zu der Deckschicht 370 gestapelt sind, oder das Muster von einigen Schichten kann vor der Stapelung der anderen Schichten ausgeführt werden. Das Muster kann unter Verwendung eines Ionenstrahlverfahrens und/oder eines Photolithographieverfahrens ausgeführt werden. Das Muster kann die Ausführung eines Anisotropieätzverfahrens enthalten.
(Vierte Ausführungsform)
Bezug nehmend auf 10 wird eine Magnetspeichervorrichtung gemäß den vierten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Eine untere Elektrode 420 ist auf einem Substrat 410 angeordnet. Das Substrat 410 kann einen leitenden Bereich und/oder einen isolierenden Bereich enthalten. Die untere Elektrode 420 kann mit dem leitenden Bereich in dem Substrat 410 elektrisch verbunden sein.
Eine Keimschicht 430 ist auf der unteren Elektrode 420 angeordnet. Die Keimschicht 430 kann hcp Gitter bildende Metallatome enthalten. Die hcp C-Achsen können im Wesentlichen vertikal zu der Ebene des Substrats 410 sein.
Eine magnetische Referenzsubstanz 440 kann auf der Keimschicht 430 angeordnet sein. Die magnetische Referenzsubstanz 440 kann eine vertikal magnetische Referenzschicht 442, eine untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 und/oder eine magnetische Referenz-Übergangsschicht 448 enthalten, welche aufeinanderfolgend auf der Keimschicht 430 gestapelt sind.
Die vertikal magnetische Referenzschicht 442 kann ein ferromagnetisches Material enthalten. Die vertikal magnetische Referenzschicht 442 kann eine auf einfache Weise magnetisierte Achse in eine Richtung vertikal zu dem Substrat 410 aufweisen. Zum Beispiel kann die vertikal magnetische Referenzschicht 442 ein hexagonal dicht gepacktes (hcp) Gitter enthalten. Wie in 9 gezeigt, kann das hexagonal dicht gepackte (hcp) Gitter der vertikalen Referenz-Magnetschicht 442 eine A-Achse, eine B-Achse, und eine C-Achse enthalten. Die C-Achse des die vertikale Referenz-Magnetschicht 442 bildenden hcp Gitters kann im Wesentlichen parallel zu der Keimschicht 430 bildende C-Achse sein. Die C-Achse des die vertikale Referenz-Magnetschicht 442 bildenden hcp Gitters kann im Wesentlichen vertikal zu der Ebene des Substrats 410 sein. Die auf einfache Weise magnetisierte Achse der vertikalen magnetischen Referenzschicht 442 kann die C-Achse sein. Demgemäß kann die Magnetisierungsrichtung der vertikalen magnetischen Referenzschicht 442 vertikal zu dem Substrat 410 sein.
Bei einer Ausführungsform kann die vertikal magnetische Referenzschicht 442 eine ungeordnete Kobalt-Platin(CoPt)-Legierung mit einem Platingehalt im Bereich von etwa 10% bis etwa 45% Atomprozent enthalten. Der Platinatomgehalt in der vertikalen magnetischen Referenzschicht 442 kann in einem Bereich von etwa 20% bis etwa 30% Atomprozent sein. Die vertikal magnetische Referenzschicht 442 kann ein nicht-magnetisches Material enthalten. Zum Beispiel kann die vertikal magnetische Referenzschicht 442 ferner zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Bor (B), Chrom (Cr) und/oder Kupfer (Cu) enthalten.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die vertikal magnetische Referenzschicht 442 Co₃Pt, das eine geordnete Legierung ist, enthalten. Die vertikal magnetische Referenzschicht 442 kann ferner ein nicht-magnetisches Material enthalten. Zum Beispiel kann die vertikal magnetische Referenzschicht 442 ferner zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Bor (B), Chrom (Cr), Silizium (Si) und/oder Kupfer (Cu) enthalten.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die vertikal magnetische Referenzschicht 442 eine Mehrzahl von Schichten enthalten. In diesem Fall kann die vertikal magnetische Referenzschicht 442 eine erste ferromagnetische Referenzschicht mit einem hcp Gitter und eine zweite ferromagnetische Referenzschicht auf der ersten ferromagnetischen Referenzschicht enthalten, welche aufeinanderfolgend auf der Keimschicht 430 gestapelt sind. Die erste ferromagnetische Referenzschicht kann eine ausgewählt aus verschiedenen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der vertikalen magnetischen Referenzschicht 442 sein, während die zweite ferromagnetische Referenzschicht eine Legierung, welche zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) und zumindest ein ausgewähltes aus Seltenerdmetallen enthält. Zum Beispiel kann das Seltenerdmetall zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Terbium (Tb), Dysprosium (Dy) und/oder Gadolinium (Gd) sein. Im umgekehrten Fall kann die zweite ferromagnetische Referenzschicht zumindest ein ausgewähltes aus ferromagnetischen Materialen mit einer L10-Kristallstruktur sein, welche Fe₅₀Pt₅₀, Fe₅₀Pd₅₀, Co₅₀Pt₅₀, Co₅₀Pd₅₀ und/oder Fe₅₀Ni₅₀ enthalten. Die vertikale magnetische Referenzschicht 442 kann eine hohe vertikale Anisotropie durch die hcp Struktur der vertikalen Referenz-Magnetschicht 442 aufweisen. Demgemäß können die Widerstandsverteilung und Schaltstromeigenschaften einer Magnetspeichervorrichtung, welche die vertikal magnetische Referenzschicht 442 enthält, verbessert werden.
Eine untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 kann auf der vertikalen magnetischen Referenzschicht 442 angeordnet sein. Die unter der Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 kann ein magnetisches Material mit einer großen Austauschkopplungskonstanten oder einem nicht-magnetischen Material, welches die magnetische Oberflächenanisotropie erhöhen kann, enthalten. Zum Beispiel kann die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 zumindest ein ausgewähltes aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten, welche eine hohe Austauschkopplungskonstante aufweisen. Die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 kann ferner Platin (Pt) enthalten. Die Dicke der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht (444) kann in einem Bereich von etwa 2 Å (Angström) bis etwa 20 Å (Angström) sein. Die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 kann eine Austauschkopplung zwischen der vertikalen magnetischen Referenzschicht 442 und einer magnetischen Referenz-Übergangsschicht 448, welche beschrieben wird, verstärken. Da die vertikal magnetische Referenzschicht 442 eine zuvor beschriebene hohe vertikale Anisotropie aufweist, kann die durch die vertikale magnetische Referenzschicht 442 und der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 austauschgekoppelten magnetischen Referenz-Übergangsschicht 448 außerdem eine hohe vertikale Anisotropie aufweisen.
Die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 kann als weiteres Beispiel zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Metallen enthalten, welche Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Aluminium (Al), Tantal (Ta), Palladium (Pd) und/oder Platin (Pt) enthalten. Die nicht-magnetischen Metalle können die Orientierung der Kristallstrukturen von angrenzenden Magnetschichten steuern. In einigen Ausführungsformen kann die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 eine Oxidationsschicht auf der Oberfläche der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 enthalten. Die Oxidationsschicht kann eine Schicht sein, bei der die Oberfläche der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 oxidiert ist. Die magnetische Oberflächenanisotropie der angrenzenden magnetischen Schichten können durch die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 erhöht werden.
Eine Tunnelbarriere 450 kann auf der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 448 angeordnet sein. Die Tunnelbarriere 450 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Titan (Ti), Aluminium (Al), einem Oxid von Magnesium-Zink (MgZn) und/oder Magnesium-Bor (MgB) und/oder einen Nitrid von Titan (Ti) und/oder Vanadium (V) enthalten. Die Tunnelbarriere 450 kann eine Mehrzahl von Schichten enthalten. Zum Beispiel kann die Tunnelbarriere 450 Magnesium (Mg)/Magnesiumoxid (MgO), Magnesiumoxid (MgO)/Magnesium (Mg) und/oder Magnesium (Mg)/Magnesiumoxid (MgO), Magnesiumoxid (MgO)/Magnesium (Mg) enthalten.
Eine freie magnetische Substanz 460 kann auf der Tunnelbarriere 450 angeordnet sein. Die freie magnetische Substanz 460 kann eine die Tunnelbarriere 450 berührende freie magnetische Übergangsschicht 461, eine Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 auf der freien magnetischen Übergangsschicht 461, und eine obere freie Magnetschicht 466 auf der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 enthalten.
Die freie magnetische Übergangsschicht 461 kann ein weichmagnetisches Material enthalten. Die freie magnetische Übergangsschicht 461 kann eine geringe Sättigungsmagnetisierung aufweisen. Die freie magnetische Übergangsschicht 461 kann außerdem eine geringe Dämpfungskonstante und ein hohes Spinpolarisationsverhältnis aufweisen. Die freie magnetische Übergangsschicht 461 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Kobalt (Co), Eisen (Fe) und/oder Nickel (Ni) enthalten. Die freie magnetische Übergangsschicht 461 kann ferner zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Materialien enthalten, welche Bor (B), Zink (Zn), Aluminium (Al), Titan (Ti), Ruthenium (Ru), Tantal (Ta), Silizium (Si), Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu), Kohlenstoff (C) und/oder Stickstoff (N) enthalten.
Zum Beispiel kann die freie Magnetübergangsschicht 461 CoFe und/oder NiFe enthalten, und kann ferner Bor (B) enthalten. Darüber hinaus kann die freie Magnetübergangsschicht 461 ferner zumindest ein ausgewähltes aus nicht-magnetischen Elementen enthalten, welche Titan (Ti), Aluminium (Al), Silizium (Si), Magnesium (Mg) und/oder Tantal (Ta) enthalten. Der Gehalt des ausgewählten nicht-magnetischen Elements in der freien magnetischen Übergangsschicht 461 kann in einem Bereich von etwa 1% bis etwa 15% Atomprozent sein.
Eine obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 kann auf der freien magnetischen Übergangsschicht 461 angeordnet sein. Die obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 kann ein Material mit einer großen Austauschkopplungskonstante, z. B. einem ferromagnetischen Material, oder einem Material, welches die Orientierung und vertikale Anisotropie einer angrenzenden magnetischen Substanz, z. B. ein nicht-magnetisches Metall, enthält. Zum Beispiel kann die obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten. Zum Beispiel kann die obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Aluminium (Al), Tantal (Ta), Palladium (Pd) und/oder Platin (Pt) enthalten. Bei einigen Ausführungsformen kann die obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 weiter eine die obere Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 berührende Oxidationsschicht enthalten. Die Oxidationsschicht kann ein Oxid von einigen der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 sein.
Die obere freie Magnetschicht 466 kann eine einzelne Magnetschicht oder ein Mehrzahl von Magnetschichten enthalten. Zum Beispiel kann die obere freie Magnetschicht 466 eine freie ferromagnetische Schicht, eine freie nicht-magnetische Schicht, und eine zweite freie ferromagnetische Schicht, d. h. eine künstlich antiferromagnetische (SAF) Schicht, enthalten, welche aufeinanderfolgend auf der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 gestapelt sind. Die obere freie Magnetschicht 466 kann magnetische Schichten mit einer veränderbaren Magnetisierungsrichtung in verschiedenen Formen enthalten.
Eine Deckschicht 470 ist auf der oberen freien Magnetschicht 466 angeordnet. Die Deckschicht kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Titan (Ti), Tantalnitrid (TaN) und/oder Titannitrid (TiN) enthalten.
Bezug nehmend auf 10, wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Magnetspeichervorrichtung gemäß den vierten Ausführungsformen des Erfindungskonzepts beschrieben. Auf weitere Diskussionen von zuvor beschriebenen Elementen kann zum Zwecke der Kürze verzichtet werden.
Bezug nehmend auf 10 wird eine untere Elektrode 420 und eine Keimschicht 430 auf einem Substrat 410 ausgebildet. Die Keimschicht 430 kann Metalle mit einem hcp-Gitter oder einem kfz-Gitter enthalten. Zum Beispiel kann die Keimschicht 430 zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Ruthenium (Ru), Titan (Ti), Palladium (Pd), Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu) und/oder Aluminium (Al) enthalten. Die Keimschicht 430 kann mit einer relativen geringen Dicke ausgebildet werden. Zum Beispiel kann die Keimschicht 430 derart ausgebildet werden, dass sie eine Dicke in einem Bereich von etwa 10 Å (Angström) bis etwa 100 Å (Angström) aufweist.
Eine vertikal magnetische Referenzschicht 442 wird auf der Keimschicht 430 ausgebildet. Die vertikal magnetische Referenzschicht 442 kann ein Material enthalten, welches eine hohe Abhängigkeit von der Keimschicht 430 aufweist. Zum Beispiel kann die Kristallstruktur der vertikalen magnetischen Referenzschicht 442 mit der Kristallstruktur der Keimschicht 430 ausgerichtet werden. Zum Beispiel kann die vertikal magnetische Referenzschicht 442 entlang der C-Achse der Keimschicht 430 wachsen. Demgemäß kann die vertikal magnetische Referenzschicht 442, welche unter Verwendung der Keimschicht 430 als Keim wächst, durch ein Verfahren bei relativ niedriger Temperatur ausgebildet werden.
Zum Beispiel kann die vertikal magnetische Referenzschicht 442 Kobalt (Co) und/oder Platin (Pt) enthalten. Die vertikal magnetische Referenzschicht 442 kann eine geordnete Legierung oder eine ungeordnete Legierung gemäß dem Kobalt (Co) und Platin(Pt)-Gehalt enthalten. Zum Beispiel kann die vertikal magnetische Referenzschicht 442, welche unter Verwendung der Keimschicht 330 als Keim ausgebildet ist, bei Raumtemperatur abgeschieden werden.
Eine untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 kann auf der vertikalen Magnetschicht 442 ausgebildet werden. Die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 kann ein ferromagnetisches Metall mit einer großen Austauschkopplungskonstanten, z. B. zumindest ein ausgewähltes aus Metallen enthalten, welche Eisen (Fe), Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) enthalten. Im umgekehrten Fall kann die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 die magnetische Oberflächenanisotropie einer angrenzenden magnetischen Substanz erhöhen. Zum Beispiel kann die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 ein nicht-magnetisches Material, z. B. ein nicht-magnetisches Materialelement oder ein Übergangsmetall enthalten. Die untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Titan (Ti), Chrom (Cr), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Aluminium (Al), Tantal (Ta), Palladium (Pd) und/oder Platin (Pt) enthalten.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Oberfläche der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 oxidiert werden. Ein Verfahren zum Oxidieren kann eine Einleitung einer winzigen Menge von Sauerstoff in eine Kammer enthalten, bei der ein Produkt, in dem die vertikale Magnetschicht 442 ausgebildet wurde, vor einer Ausbildung der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 eingeladen wird, oder eine Ausbildung einer Oxidationsschicht durch Einleitung einer winzigen Menge von Sauerstoff in die Kammer nach einer Ausbildung der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 mit einer Atomschichtendicke und anschließend einer Ausbildung der restlichen unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 444.
Eine magnetische Referenz-Übergangsschicht 448 kann auf der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 ausgebildet werden. Die vertikale Anisotropie der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 448 kann durch die vertikal magnetische Referenzschicht 442 und/oder der unteren Austauschkopplungs-Steuerschicht 444 erhöht werden.
Eine Tunnelbarriere 450 wird auf der magnetischen Referenz-Übergangsschicht 448 ausgebildet. Die Tunnelbarriere 450 kann zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Titan (Ti), Aluminium (Al), einem Oxid von Magnesium-Zink (MgZn) und/oder Magnesium-Bor (MgB) und/oder einem Nitrid von Titan (Ti) und/oder Vanadium (V) enthalten. Im umgekehrten Fall kann die Tunnelbarriere (450) eine Mehrzahl von Schichten enthalten. Zum Beispiel kann die Tunnelbarriere 450 Magnesium (Mg)/Magnesiumoxid (MgO), Magnesiumoxid (MgO)/Magnesium (Mg) und/oder Magnesium (Mg)/Magnesiumoxid (MgO)/Magnesium (Mg) enthalten. In einer Ausführungsform kann die Tunnelbarriere 450 eine Struktur vom Typ NaCl (kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur) aufweisen. Zum Beispiel kann die Tunnelbarriere 450 Magnesiumoxid (MgO) enthalten.
Eine freie magnetische Übergangsschicht 461 wird auf der Tunnelbarriere 450 ausgebildet. Die freie magnetische Übergangsschicht 461 kann eine relativ geringe Sättigungsmagnetisierung aufweisen. Die freie magnetische Übergangsschicht 461 kann ferner ein nicht-magnetisches Material enthalten. Die freie magnetische Übergangsschicht 461 kann in einem amorphen Zustand ausgebildet werden.
Eine untere Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 kann auf der freien magnetischen Übergangsschicht 461 ausgebildet werden. Bei einer Ausführungsform kann die freie magnetische Übergangsschicht 461 ein magnetisches Material mit einer großen Austauschkopplungskonstante enthalten. Demgemäß kann, wenn sich die Austauschkopplung zwischen der freien magnetischen Übergangsschicht 461 und einer oberen Referenz-Magnetschicht 466, welche anschließend beschrieben werden, erhöht, die vertikalen Anisotropie der freien magnetischen Übergangsschicht 461 erhöht werden. Insbesondere kann, wenn die Austauschkopplungs-Steuerschicht auf der freien magnetischen Übergangsschicht 461 ausgebildet wird, die Kristallstruktur der freien magnetischen Übergangsschicht 461 nicht in die Kristallstruktur der oberen freien Magnetschicht 466, welche anschließend beschrieben werden, kristallisiert werden, jedoch kann sie mit der Kristallstruktur der Tunnelbarriere 450 ausgerichtet werden. Wenn sich die freie magnetische Übergangsschicht 461 mit der Kristallstruktur der Tunnelbarriere 450 ausrichtet, kann das Magnetwiderstandsverhältnis eines magnetischen Tunneltakts, welcher die freie magnetische Übergangsschicht 461 enthält, erhöht werden. Bei einer Ausführungsform kann die Grenzfläche zwischen der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 und der freien magnetischen Übergangsschicht 461 oxidiert werden. Ein Verfahren zum Oxidieren kann durchgeführt werden durch Einleiten einer winzigen Menge von Sauerstoff in eine Kammer, in die das Substrat 410, auf dem die obere freie magnetische Übergangsschicht 461 ausgebildet wurde, nach einer Ausbildung der oberen freien magnetischen Übergangsschicht 461 eingebracht wurde, oder durch eine Ausbildung eines Oxids durch Einleitung einer winzigen Menge von Sauerstoff in die Kammer nach einer Ausbildung der Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 mit einer Atomschichtendicke und dann einer Ausbildung der restlichen Austauschkopplungs-Steuerschicht 463.
Eine obere freie Magnetschicht 466 kann auf der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 ausgebildet werden. Die obere freie Magnetschicht 466 kann eine einzelne Schicht, welche ein ferromagnetisches Material enthält, oder eine Mehrzahl von Schichten, welche die einzelne Schicht enthalten, enthalten. Bei einer Ausführungsform kann die obere freie Magnetschicht 466 eine ferromagnetische Schicht-antiferro-magnetische Schicht-ferromagnetische Schicht Struktur enthalten.
Eine Deckschicht 470 kann auf der oberen Austauschkopplungs-Steuerschicht 463 ausgebildet werden. Die Deckschicht 470 kann zumindest ein aus der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Titan (Ti), Tantalnitrid (TaN) und/oder Titannitrid (TiN) gewähltes enthalten.
Gemäß einigen Ausführungsformen des Erfindungskonzepts kann, wenn eine nicht-magnetische Schicht zwischen einer vertikalen Magnetschicht und einer magnetischen Übergangsschicht eingefügt ist, ein Magnetwiderstandsverhältnis und eine vertikale Magnetisierungseigenschaft eines magnetischen Tunnelkontakts, welcher die magnetische Übergangsschicht enthält, verbessert werden. Außerdem können, während des Betriebs der Magnetspeichervorrichtung, Schalteigenschaften durch eine freie Magnetschicht und eine Referenz-Magnetschicht, welche jeweils einen verschiedenen Gehalt von Eisen aufweisen, verbessert werden. Demgemäß kann die Zuverlässigkeit der Magnetspeichervorrichtung verbessert werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Erfindungskonzepts kann ein hexagonal dicht gepacktes (hcp) Gitter mit einer Achse, welche vertikal zu der Ebene des Substrats 100 und auf einfache Weise magnetisierbar ist, aufweisen. Demgemäß können die Richtungen der Spins von Elektronen zu einer senkrechten Richtung bezüglich des Substrats geordnet werden. Dadurch kann ein Magnetwiderstandsverhältnis einer magnetischen Tunnelkontakts verbessert werden. Außerdem kann der Schaltstrom der Magnetspeichervorrichtung, welche einen magnetischen Tunnelkontakt enthält, verringert werden.
Der obenstehende offenbarte Gegenstand wird darstellend und nicht beschränkend betrachtet, und die angehängten Ansprüche sind beabsichtigt, um alle derartigen Abwandlungen, Erweiterungen, und weitere Ausführungsformen zu umfassen, welche unter die hier offenbarte Idee und den Umfang des Erfindungskonzepts fallen. Somit ist im gesetzlich zulässigen Ausmaß der Umfang des Erfindungskonzepts durch die breitest zulässige Interpretation der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente zu bestimmten, und sollen nicht durch die vorstehende detaillierte Beschreibung beschränkt oder eingegrenzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 10-2009-0093306 [0001]
KR 10-2009-0086084 [0001]

Claims

Magnetspeichervorrichtung, aufweisend: eine erste vertikale Magnetschicht (123); eine nicht-magnetische Schicht (130) auf der ersten vertikalen Magnetschicht (123); eine erste magnetische Übergangsschicht (141) auf der nicht-magnetischen Schicht (130), wobei die nicht-magnetische Schicht (130) zwischen der ersten vertikalen Magnetschicht (123) und der ersten magnetischen Übergangsschicht (141) liegt; eine Tunnelbarriere (145) auf der ersten magnetischen Übergangsschicht (141), wobei die erste magnetische Übergangsschicht (141) zwischen der nicht-magnetischen Schicht (130) und der Tunnelbarriere (145) liegt; eine zweite magnetische Übergangsschicht (149) auf der Tunnelbarriere (145), wobei die Tunnelbarriere (145) zwischen der ersten (141) und der zweiten magnetischen Übergangsschicht (149) liegt; und eine zweite vertikale Magnetschicht (163) auf der zweiten magnetischen Übergangsschicht (149), wobei die zweite magnetische Übergangsschicht (149) zwischen der Tunnelbarriere (145) und der zweiten vertikalen Magnetschicht (163) liegt.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei Magnetisierungsrichtungen der ersten (123) und zweiten vertikalen Magnetschicht (163) senkrecht bezüglich einer Ebene der Tunnelbarriere (145) sind.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die nicht-magnetische Schicht (130) eine erste nicht-magnetische Schicht ist, und wobei die Vorrichtung weiter aufweist: eine zweite nicht-magnetische Schicht (150) zwischen der zweiten magnetischen Übergangsschicht (149) und der zweiten vertikalen Magnetschicht (163).
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste magnetische Übergangsschicht (141) und/oder die zweite magnetische Übergangsschicht (149) eine erste Kristallstruktur aufweist, und wobei die erste vertikale Magnetschicht (123) und/oder die zweite vertikale Magnetschicht (163) eine zweite Kristallstruktur, die von der ersten Kristallstruktur verschieden ist, aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Kristallebene der Tunnelbarriere (145) an einer Grenzfläche zwischen der Tunnelbarriere (145) und der ersten magnetischen Übergangsschicht (141) und eine Kristallebene der ersten magnetischen Übergangsschicht (141) an der Grenzfläche zwischen der Tunnelbarriere (145) und der ersten magnetischen Übergangsschicht (141) die gleichen sind.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste Kristallstruktur eine kubisch-raumzentrierte (krz) Kristallstruktur ist, und die Kristallebene eine (001)-Kristallebene ist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zweite Kristallstruktur eine L10-Kristallstruktur oder ein hexagonal dicht gepacktes Gitter ist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste vertikale Magnetschicht (123) und/oder die zweite Magnetschicht (163) mehrfach abwechselnd gestapelte nicht-magnetische Metallschichten (121, 161) und ferromagnetische Metallschichten (122, 162) aufweisen, und die ferromagnetischen Metallschichten (122, 162) eine Dicke von einem bis mehreren Atomen aufweisen.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste magnetische Übergangsschicht (141) und/oder die zweite magnetische Übergangsschicht (149) zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Kobalt (Co), Eisen (Fe) und/oder Nickel, sowie ein nicht-magnetisches Element aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste vertikale Magnetschicht (123) und/oder die zweite vertikale Magnetschicht (163) eine Seltenerd-Übergangsmetall (RE-TM)-Legierung aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die nicht-magnetische Schicht (130) eine Dicke in einem Bereich von etwa 2 Å (Angström) bis etwa 20 Å (Angström) aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die nicht-magnetische Schicht (130) ein nicht-magnetisches Metall aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die nicht-magnetische Schicht (130) ein nicht-magnetisches Übergangsmetall aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste vertikale Magnetschicht (123) und die erste magnetische Übergangsschicht (141) durch die nicht-magnetische Schicht (130) austauschgekoppelt sind.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die nicht-magnetische Schicht (130) eine Metallverbindungsschicht enthält, die zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus einem Metalloxid, einem Metallnitrid und/oder einem Metalloxinitrid aufweist.
Magnetspeichervorrichtung, aufweisend: eine Eisen (Fe) aufweisende freie Magnetschicht; eine Tunnelbarriere (145) auf der freien magnetischen Schicht; und eine Eisen (Fe) aufweisende Referenz-Magnetschicht auf der Tunnelbarriere (145), wobei die Tunnelbarriere (145) zwischen der freien Magnetschicht und der Referenz-Magnetschicht liegt, und wobei eine Eisenkonzentration in der freien Magnetschicht zumindest so groß wie eine Eisenkonzentration in der Referenzmagnetschicht ist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 16, wobei die freie Magnetschicht und/oder die Referenz-Magnetschicht zumindest ein ausgewähltes aus Kobalt (Co) und/oder Nitrid (Ni) aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 16, wobei die freie Magnetschicht und/oder die Referenzmagnetschicht ein nicht-magnetisches Element aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 16, wobei sowohl die freie Magnetschicht als auch die Referenz-Magnetschicht eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die senkrecht zu einer Ebene der Tunnelbarriere (145) ist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 16, wobei sowohl die freie Magnetschicht als auch die Referenz-Magnetschicht eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die parallel zu einer Ebene der Tunnelbarriere (145) ist.
Magnetspeichervorrichtung, aufweisend: ein Substrat (310); eine erste magnetische Substanz (340) auf dem Substrat (100), welche eine an das Substrat (310) angrenzende vertikale Magnetschicht (342) mit einer hexagonal dicht gepackten (hcp) Gitterstruktur aufweist; eine Tunnelbarriere auf der ersten magnetischen Substanz (340), wobei die erste magnetische Substanz (340) zwischen dem Substrat (310) und der Tunnelbarriere (350) liegt; und eine zweite magnetische Substanz (360) auf der Tunnelbarriere (350), wobei die Tunnelbarriere (350) zwischen der ersten (340) und zweiten magnetischen Substanz (360) liegt.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei eine C-Achse des hcp-Gitters im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene des Substrats (310) ist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 22, wobei die C-Achse eine Achse ist, in der die vertikale Magnetschicht (342) leicht magnetisierbar ist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, ferner aufweisend: eine Keimschicht (330) mit einer hcp-Gitterstruktur, wobei die Keimstruktur zwischen dem Substrat (310) und der vertikalen Magnetschicht (342) liegt.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die vertikale Magnetschicht (342) eine erste vertikale Magnetschicht ist, und wobei die zweite magnetische Substanz (360) eine zweite vertikale Magnetschicht (363) mit einer hcp-Gitterstruktur aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 25, wobei die erste magnetische Substanz (340) eine an die Tunnelbarriere (350) angrenzende erste magnetische Übergangsschicht (348) enthält, wobei die erste magnetische Übergangsschicht (348) zwischen der ersten vertikalen Magnetschicht (342) und der Tunnelbarriere (350) liegt, wobei die zweite magnetische Substanz (360) eine an die Tunnelbarriere (350) angrenzende zweite magnetische Übergangsschicht (361) enthält, und wobei die zweite magnetische Übergangsschicht (361) zwischen der Tunnelbarriere (350) und der zweiten vertikalen Magnetschicht (363) liegt.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 26, wobei sowohl die erste (348) als auch die zweite magnetische Übergangsschicht (361) ein weichmagnetisches Material aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 26, weiter aufweisend: eine Austauschkopplungs-Steuerschicht (344, 362) zwischen der ersten vertikalen Magnetschicht (342) und der ersten magnetischen Übergangsschicht (348) und/oder zwischen der zweiten vertikalen Magnetschicht (363) und der zweiten magnetischen Übergangsschicht (361).
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 28, wobei eine Kristallstruktur der Austauschkopplungs-Steuerschicht (344, 362) mit einer Kristallstruktur der ersten magnetischen Übergangsschicht (348) und/oder mit einer Kristallstruktur der zweiten magnetischen Übergangsschicht (361) ausgerichtet ist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 26, wobei die zweite magnetische Substanz (360) mehrfach abwechselnd auf der zweiten vertikalen Magnetschicht (363) gestapelte nicht-magnetische Schichten (364) und ferromagnetische Schichten (365) enthält.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die erste vertikale Magnetschicht (342) eine ungeordnete Kobalt-Platin-Legierung mit einem Platingehalt im Bereich von 10% bis 45% Atomprozent enthält.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die erste vertikale Magnetschicht (342) Co₃Pt aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die erste vertikale Magnetschicht weiter zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Bor (B), Chrom (Cr) und/oder Kupfer (Cu) aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Tunnelbarriere (350) zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Titan (Ti), Aluminium (Al), einem Oxid von Magnesium-Zink (MgZn) und/oder Magnesium-Bor (MgB), und/oder einem Nitrid von Titan (Ti) und/oder Vanadium aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, ferner aufweisend: eine Deckschicht (370) auf der zweiten magnetischen Substanz (360), wobei die Deckschicht (370) zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe bestehend aus Tantal (Ta), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Titan (Ti), Tantalnitrid (TaN) und/oder Titan-Nitrid (TiN) aufweist.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei während des Betriebs der Magnetspeichervorrichtung ein Strom in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene des Substrats (310) fließt.
Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei eine Magnetisierungsrichtung der ersten Magnetschicht (342) und/oder eine Magnetisierungsrichtung der zweiten Magnetschicht (363) im Wesentlichen senkrecht bezüglich einer Ebene des Substrats (310) ist.