DE102012105595A1

DE102012105595A1 - Magnetische Tunnelkontaktvorrichtungen, Speicher, Speichersysteme und elektronische Vorrichtungen

Info

Publication number: DE102012105595A1
Application number: DE102012105595A
Authority: DE
Inventors: Jeongheon Park; Younghyun Kim; Sang Hwan Park; Sechung Oh; Jangeun Lee; Woo Chang Lim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: JP6100482B2; US8987798B2; KR101831931B1; TW201308324A; JP2013038421A; US9356228B2; KR20130017283A; CN102956813B; DE102012105595B4; US20130042081A1; US20140297968A1; US8772846B2; US20150155477A1; TWI550604B; CN102956813A

Abstract

Bereitgestellt wird eine magnetische Tunnelkontaktvorrichtung mit einer ersten Struktur mit einer magnetischen Schicht; einer zweiten Struktur mit wenigstens zwei extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstrukturen, mit jeweils einer magnetischen Schicht und; einer Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schicht auf der magnetischen Schicht; und einer Tunnelbarriere zwischen den ersten und zweiten Strukturen.

Description

BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der Koreanischen Patentanmeldung 10-2011-0079627 , angemeldet am 10. August 2011 am Koreanischen Patentamt deren gesamten Inhalt durch Bezugnahme mit eingeschlossen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ausführungsformen erfindungsgemäßer Konzepte beziehen sich im Allgemeinen auf Halbleiterspeichervorrichtungen. Beispielsweise beziehen sich Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Konzepte auf Halbleiterspeichervorrichtungen mit magnetischen Tunnelkontaktvorrichtungen, Speichern, Speichersysteme und elektronischen Vorrichtungen.
Die wachsende Benutzung portabler Computervorrichtungen und drahtloser Kommunikationsvorrichtungen und Speichervorrichtungen erfordern eine höhere Dichte, geringere Leistung und/oder nichtflüchtige Eigenschaften. Magnetische Speichervorrichtungen können die vorher genannten technischen Anforderungen erfüllen.
Ein beispielhafter Datenspeichermechanismus einer magnetischen Speichervorrichtung ist der Tunnelmagnetwiderstand (TMR) Effekt eines magnetischen Tunnelkontaktes (MTJ). Beispielsweise wurden magnetische Speichervorrichtungen mit einem MTJ entwickelt so dass der MTJ ein TMR Verhältnis von mehreren Hundert zu mehreren Tausend Prozent aufweist. Da jedoch die Rastergrößen immer mehr abnehmen, wird es immer schwieriger thermisch stabile MTJs zu erhalten.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungsformen erfindungsgemäßer Konzepte stellen magnetische Speichervorrichtungen mit verbesserter thermischer Stabilität bereit.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen erfindungsgemäßer Konzepte umfasst eine magnetische Tunnelkontaktvorrichtung eine erste Struktur mit einer magnetischen Schicht, eine zweite Struktur mit wenigstens zwei extrinsischen Senkrecht-Magnetisierungs-Strukturen mit jeweils einer magnetischen Schicht und einer weiteren Schicht auf der magnetischen Schicht die eine senkrechte Magnetisierung erzeugt und eine Tunnelbarriere zwischen den ersten und zweiten Strukturen.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst die zweite Struktur außerdem zusätzliche extrinsische Senkrecht-Magnetisierungs-Strukturen mit jeweils einer magnetischen Schicht und einer Schicht auf der magnetischen Schicht die eine senkrechte Magnetisierung bewirkt.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst der magnetische Tunnelkontakt außerdem eine Senkrecht-Magnetisierungs-Erhaltungs-Schicht auf einer der die senkrechte Magnetisierung hervorrufende Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen weist jede magnetische Schicht eine geringere Sauerstoffaffinität auf als jede der die senkrechte Magnetisierung hervorrufenden Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen weist jede der Senkrecht-Magnetisierungs-Erhaltungs-Schichten eine geringere Sauerstoffaffinität auf als jede der senkrechte Magnetisierung hervorrufenden Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen bestehen die magnetischen Schichten aus ferromagnetischem Material.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen ist das ferromagnetische Material eines von CoFeB, CoFe, NeFe, CoFePt, CoFePd, CoFeCr, CoFeTb, CoFeGd oder CoFeNi.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen haben die magnetische Schichten eine Dicke im Bereich von 1 Å bis 30 Å.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen haben die magnetischen Schichten eine Dicke im Bereich von 3 bis etwa 17 Å.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen haben die eine Senkrecht-Magnetisierung hervorrufenden Schichten direkten Kontakt mit den magnetischen Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen bestehen die Senkrecht-Magnetisierung hervorrufenden Schichten aus Sauerstoff enthaltendem Material.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen bestehen die Senkrecht-Magnetisierung hervorrufenden Schichten aus Metalloxid.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen ist das Metalloxid wenigstens eines von Magnesiumoxid, Tantaloxid, Titaniumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumzinkoxid, Hafniumoxid, oder Magnesiumboroxid.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfassen die eine Senkrecht-Magnetisierung hervorrufenden Schichten wenigstens eines von Ta, Ti, U, Ba, Zr, Al, Sr, Hf, La, Ce, Sm, Mg, Th, Ca, Sc, oder Y.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen haben die eine senkrechte Magnetisierung hervorrufenden Schichten einen höheren elektrischen Widerstand als die magnetischen Schichten oder die Senkrecht-Magnetisierung-Erhaltenden-Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen haben die eine senkrechte Magnetisierung hervorrufenden Schichten eine geringere Dicke als die magnetischen Schichten oder die Senkrecht-Magnetisierung-Erhaltenden-Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen hat die Senkrecht-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht einen geringeren Widerstand als die Senkrecht-Magnetisierung hervorrufenden Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen ist die Senkrecht-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht aus wenigstens einem von Edelmetall oder Kupfer gebildet.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst das wenigstens eine Edelmetall Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt) oder Gold (Au).
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen ist die Senkrecht-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht aus wenigstens einem von einem Material mit einem geringeren Widerstand als Tantal oder Titanium gebildet.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst der magnetische Tunnelkontakt ein Substrat, wobei die erste Struktur eine untere Struktur ist, die näher an dem Substrat ist und wobei die zweite Struktur eine obere Struktur, weiter weg vom Substrat, ist.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen sind die magnetischen Schichten der zweiten Struktur freie magnetische Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst die erste Struktur feste magnetische Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst der magnetische Tunnelkontakt außerdem eine obere Elektrode auf der Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst der magnetische Tunnelkontakt außerdem ein Substrat, wobei die erste Struktur eine obere Struktur ist die weiter weg ist von dem Substrat und wobei die zweite Struktur eine untere Struktur ist die näher an dem Substrat ist.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst die erste Struktur wenigstens zwei extrinsische Senkrecht-Magnetisierungsstrukturen von denen jede eine magnetische Schicht und eine senkrechte Magnetisierung herbeiführende Schicht auf der magnetischen Schicht enthält, eine Metallschicht zwischen zwei der senkrechte Magnetisierung herbeiführenden Schichten, und eine senkrechte Magnetisierung erhaltende Schicht auf einer der senkrechte Magnetisierung herbeiführende Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen ist die Anzahl der wenigstens zwei extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstrukturen in der ersten Struktur größer als die Anzahl der wenigstens zwei extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstrukturen in der zweiten Struktur.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts umfasst eine elektronische Vorrichtung einen Bus, eine drahtlos Schnittstelle zum Übertragen von Daten oder zum Empfangen von Daten von einem drahtlos Kommunikationsnetzwerk das mit dem Bus verbunden ist, eine mit dem Bus verbunden I/O Vorrichtung; eine mit dem Bus verbunden Steuervorrichtung; und einen mit dem Bus verbundenen Speicher mit einer Halbleitervorrichtung mit einer magnetischen Tunnelkontaktvorrichtung zum Speichern eines Befehlcodes der von der Steuervorrichtung oder Benutzerdaten genutzt wird.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzeptes umfasst das Speichersystem eine Speichervorrichtung mit einer Halbleitervorrichtung mit einer magnetischen Tunnelkontaktvorrichtung zum Speichern von Daten; und einer Speichervorrichtung zum Steuern der Speichervorrichtung um in der Speichervorrichtung gespeicherte Daten auszulesen oder um in Antwort auf eine Lese/Schreibaufforderung eines Hosts die Daten in die Speichervorrichtung zu schreiben.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts umfasst die magnetische Tunnelkontaktvorrichtung eine erste Struktur mit einer festen magnetischen Schicht; einer Tunnelbarriere auf der ersten Struktur; eine zweite Struktur auf der Tunnelbarriere, wobei die zweite Struktur eine erste magnetische Schicht auf der Tunnelbarriere umfasst, eine erste senkrechte Magnetisierung herbeiführende Schicht auf der ersten magnetischen Schicht, eine Austauschkopplungsschicht auf der ersten senkrechten Magnetisierung herbeiführenden Schicht, eine zweite senkrechte Magnetisierung herbeiführende Schicht auf der Austauschkopplungsschicht, eine zweite magnetische Schicht auf der zweiten senkrechten Magnetisierung hervorrufenden Schicht, und eine dritte senkrechte Magnetisierung hervorrufende Schicht auf der zweiten magnetischen Schicht.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst die magnetische Tunnelkontaktvorrichtung außerdem eine senkrechte Magnetisierung Erhaltungsschicht auf der dritten senkrechte Magnetisierung herbeiführende Schicht.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen weist jede magnetische Schicht eine geringere Sauerstoffaffinität auf als jede senkrechte Magnetisierung herbeiführende Schicht.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen Weist jede senkrechte Magnetisierung erhaltende Schicht eine geringere Sauerstoffaffinität als jede senkrechte Magnetisierung herbeirufende Schicht.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen bestehen die senkrechte Magnetisierung herbeiführende Schichten aus Metalloxiden.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen entsprechen die Metalloxide wenigstens einem von Magnesiumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumzinkoxid, Hafniumoxid oder Magnesiumboroxid.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst die senkrechte Magnetisierung herbeirufenden Schichten wenigstens eine von Ta, Ti, U, Ba, Zr, Al, Sr, Hf, La, Ce, Sm, Mg, Th, Ca, Sc, oder Y.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen haben die senkrechte Magnetisierung hervorrufenden Schichten einen höheren elektrischen Widerstand als die magnetischen Schichten oder die senkrechte Magnetisierung erhaltenden Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen haben die eine senkrechte Magnetisierung herbeiführenden Schichten eine geringere Dicke als die magnetischen Schichten oder die senkrechte Magnetisierung erhaltenden Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst der magnetische Tunnelkontakt außerdem ein Substrat; wobei die erste Struktur eine untere Struktur ist die näher an dem Substrat angeordnet ist und wobei die zweite Struktur eine obere Struktur weiter entfernt vom Substrat angeordnet ist.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen sind die magnetischen Schichten der zweiten Struktur freie magnetische Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst die erste Struktur feste magnetische Schichten.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst der magnetische Tunnelkontakt außerdem eine obere Elektrode auf der magnetische Magnetisierung erhaltenden Schicht.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen umfasst der magnetische Tunnelkontakt außerdem ein Substrat; wobei die erste Struktur eine obere Struktur weiter entfernt von dem Substrat ist und wobei die zweite Struktur eine untere Struktur näher an dem Substrat ist.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts umfasst eine elektronische Vorrichtung einen Bus; eine drahtlos Schnittstelle zum Übertragen oder Empfangen von Daten von einem drahtlos Kommunikationsnetzwerk das mit dem Bus verbunden ist; eine mit dem Bus verbundene I/O Vorrichtung, eine mit dem Bus verbundene Steuervorrichtung, und eine mit dem Bus verbundenen Speicher mit einer Halbleitervorrichtung mit einer magnetischen Tunnelkontaktvorrichtung der geeignet ist einen von der Steuervorrichtung benutzten Befehlscode oder Benutzerdaten zu speichern.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts umfasst ein Speichersystem eine Speichervorrichtung mit einer magnetischen Tunnelkontaktvorrichtung zum Speichern von Daten; und einer Speichersteuervorrichtung zum Steuern der Speichervorrichtung um in der Speichervorrichtung gespeicherte Daten auszulesen oder um in Antwort auf eine Lese/Schreibaufforderung eines Hosts die Daten in die Speichervorrichtung zu schreiben.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beispielhaften Ausführungsformen lassen sich durch die folgende kurze Beschreibung zusammen mit den begleitenden Figuren klarer verstehen. Die begleitenden Figuren stellen die hier beschriebenen nicht beschränkenden beispielhaften Ausführungsformen dar.
1 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Einheitszelle einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts;
2 bis 6 zeigen Schaltungsdiagramme die beispielhaft Auswahlvorrichtungen gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts zeigen;
7 ist ein Diagramm das schematisch einen ersten Typ eines MTJ gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts zeigt;
8 ist ein Diagramm das schematisch einen zweiten Typ eines MTJ gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts darstellt;
9 bis 17 zeigen Querschnittsansichten beispielhaft dargestellter Schichtstrukturen die als Teil eines magnetischen Tunnelkontakts MTJ genutzt werden können;
18A und 18B zeigen Graphen die einige Aspekte einer extrinischen senkrechten Magnetisierungsstruktur darstellen;
19 zeigt einen Graphen der weitere Aspekte einer extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur darstellt;
20 zeigt ein Diagramm um noch weitere Aspekte einer extrinischen senkrechten Magnetisierungsstruktur darzustellen;
21 zeigt einen experimentellen Graphen der beispielhaft einige magnetische Eigenschaften einer MTJ gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts zeigt;
22 zeigt eine Querschnittsansicht die beispielhaft den ersten Typ eines magnetischen Tunnelkontakts gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts zeigt;
23 ist eine Querschnittsansicht die beispielhaft den zweiten Typ eines magnetischen Tunnelkontakts gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts zeigt;
24 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Einheitszelle einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts; und
25 und 26 zeigen schematische Blockdiagramme die schematisch elektronische Vorrichtungen mit einer Halbleitervorrichtung gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts zeigen.
Es wird klargestellt dass diese Figuren dazu dienen allgemeine Charakteristiken von Methoden, Strukturen und/oder Materialien die in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen genutzt werden darzustellen und um die folgende schriftliche Beschreibung zu ergänzen. Diese Figuren legen jedoch keinen Maßstab fest und geben die strukturellen oder Leistungseigenschaften der Ausführungsformen nicht exakt wieder, und sollen nicht ausgelegt werden um die von den beispielhaften Ausführungsformen umfassten Wertebereiche zu beschränken. Beispielsweise könnten die relativen Dicken und Positionen der Moleküle, Schichten, Regionen und/oder Strukturelementen aus Klarheitsgründen verringert oder vergrößert wiedergegeben werden. Die Verwendung gleicher oder identischer Bezugszeichen in verschiedenen Figuren soll gleiche oder identische Elemente oder Merkmale bezeichnen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Konzepte werden nun im Folgenden mit Bezug auf die begleitenden Figuren die beispielhaften Ausführungsformen zeigen ausführlicher beschrieben. Beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Konzepte können jedoch in vielen verschiedenen Arten ausgeführt werden und sollten nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen im Folgenden beschränkt ausgelegt werden, vielmehr werden die beispielhaften Ausführungsformen dargestellt, so dass diese Beschreibung sorgfältig und vollständig ist, und soll dem Fachmann das Konzept der beispielhaften Ausführungsformen komplett vermitteln. Aus Gründen der Klarheit sind in den Figuren die Dicken der Schichten und Regionen überhöht dargestellt. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche Elemente, so dass auf deren Beschreibung verzichtet wird.
Es ist klar, dass wenn ein Element als „verbunden” oder „gekoppelt” mit einem anderen Element dargestellt ist, es dann direkt verbunden oder gekoppelt sein kann mit einem anderen Element oder aber dass dazwischen liegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu wenn ein Element als „direkt verbunden” oder „direkt gekoppelt” mit einem anderen Element dargestellt wird, dann können keine Elemente dazwischen angeordnet sein. Gleiche Ziffern bezeichnen immer gleiche Elemente. Der Ausdruck „und/oder” umfasst jede und alle Kombinationen eines oder mehrerer der in diesem Zusammenhang aufgelisteten Elemente. Werden andere Worte genutzt um die Beziehung zwischen Elementen oder Schichten zu beschreiben, sollen diese auf die gleiche Art und Weise verstanden werden (zum Beispiel „zwischen” gegenüber „direkt dazwischen”, „benachbart” gegenüber „direkt benachbart”, „auf” gegenüber „direkt auf”).
Es ist klar, dass obwohl die Ausdrücke „erste”, „zweite” usw. im Folgenden verwendet werden um verschieden Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben diese Elemente, Komponenten, Regionen; Schichten und/oder Abschnitte nicht auf diese Ausdrücke begrenzt sind. Diese Ausdrücke werden lediglich genutzt um ein Element, Komponente, Region, Schicht oder Abschnitt von einem anderen ein Element, Komponente, Region, Schicht oder Abschnitt zu unterscheiden. Das heißt ein erstes Element, Komponente, Region, Schicht oder Abschnitt könnte ebenso als zweites Element, Komponente, Region, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden ohne von der Lehre der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Räumlich relative Ausdrücke, wie beispielsweise „darunter”, „unter”, „unten”, „darüber”, „oben” und Ähnliche werden benutzt um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element oder Merkmal wie in den Figuren dargestellt leicht zu beschreiben. Es ist klar, dass die räumlich relativen Ausdrücke verschiedene Richtungen der Vorrichtung während der Nutzung oder des Betriebs zusätzlich zur in den Figuren dargestellten Richtung umfasst. Beispielsweise falls die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, wären Elemente die mit „unter” oder „darunter” bezeichnet sind, wären dann Elemente oder Merkmale die als „über” den anderen Elementen oder Merkmalen bezeichnet werden. Das heißt der beispielhafte Ausdruck „darunter” kann beide Richtungen von darüber oder darunter umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in eine andere Richtung) und die räumlich relativen beschreibenden Ausdrücke müssen dann entsprechend interpretiert werden.
Die hierin genutzte Ausdrucksweise soll die bestimmten beispielhaften Ausführungsformen beschreiben und es ist nicht beabsichtigt die beispielhaften Ausführungsformen hierauf zu beschränken. Die im Folgenden genutzten Einzahlformen „ein”, „eines” und „der die das” umfassen auch die Pluralformen solange es der Zusammenhang klar erlaubt. Es ist außerdem klar dass die Ausdrücke „umfasst”, „enthält”, „schließt ein” und/oder „einschließend” im Folgenden benutzt werden um das Vorhandensein der Merkmale, Zahlen, Schritte, Befehle, Elemente und/oder Komponenten zu beschreiben das aber nicht zusätzliche oder weitere ein oder mehrere Merkmale, Zahlen, Schritte, Befehle, Vorgänge, Elemente, Komponenten, und/oder Gruppen davon ausgeschlossen sind.
Beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Konzepte sind im Folgenden in Bezug auf Querschnittsansichten beschrieben die schematische Darstellungen idealisierter Ausführungsformen (und Zwischenstrukturen) beispielhafter Ausführungsformen darstellen. Abwandlungen der dargestellten Formen, zum Beispiel aufgrund Herstellungstechniken und/oder Toleranzen sind daher zur erwarten. Das heißt die beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Konzepte sollten nicht auf die speziell dargestellten Formen von Regionen beschränkt werden sondern umfassen auch Abweichungen dieser Formen beispielsweise aufgrund des Herstellungsprozesses. Ein als Rechteck dargestellter implantierter Bereich kann daher abgerundet oder gebogen sein und/oder ein Übergang von einem implantierten zu einem nicht implantierten Bereich kann der Übergang eher als Gradient ausgebildet sein als ein binärer Wechsel. Auch kann ein durch Implantation hergestellter vergrabener Bereich auch etwas Implantation in dem Bereich zwischen dem vergrabenen Bereich und der Oberfläche durch den die Implantation hindurchgeführt wird vorhanden sein. Die in den Figuren dargestellten Regionen sind daher von Natur aus schematisch und es ist nicht beabsichtigt, dass ihr Formen die wirkliche Form eines Bereichs einer Vorrichtung darstellen und es ist auch nicht beabsichtigt die Darstellung auf die beispielhaften Ausführungsformen zu beschränken.
Solange nicht anders definiert haben die verwendeten Ausdrücke (inklusive der technischen und wissenschaftlichen Ausdrücke) die Bedeutungen wie sie ein Fachmann in Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts verstehen würde. Es ist außerdem klar, dass solche Ausdrücke wie sie von allgemein verwendeten Wörterbüchern genutzt werden so interpretiert werden müssen, dass sie konsistent mit ihrer Bedeutung im Zusammenhang des Standes der Technik verstanden werden und nicht solange nicht explizit anders definiert als idealisiert oder in einem überformalen Sinne.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts ist die magnetische Speichervorrichtung derart konfiguriert dass sie wie unten beschrieben eine extrinsische Senkrecht-Magnetisierungsstruktur aufweißt. Zusätzlich offenbart die koreanische Patentanmeldung Nummer 2011-0024429 , angemeldet am 18. März 2011 und 2011-0074500 , angemeldet am 28. Juli 2011, technische Merkmale in Bezug auf die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur. Der Gesamtinhalt wie er in den koreanischen Patentanmeldungen Nummer 2011-0024429 und 2011-0074500 offenbart ist, wird in seiner Gesamtheit hierin mit umfasst.
1 zeigt ein Schaltungsdiagramm das beispielhaft eine Einheitszelle einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts zeigt.
Bezugnehmend auf 1 ist eine Einheitszelle 100 zwischen ersten und zweiten sich kreuzenden Verbindungsleitungen 10 und 20 angeordnet. Die Einheitszelle 100 ist in Reihe mit den ersten und zweiten Verbindungsleitungen 10 und 20 verbunden. Die Einheitszelle 100 umfasst ein Auswahlelement 30 und ein magnetischer Tunnelkontakt MTJ. Das Auswahlelement 30 und der magnetische Tunnelkontakt MTJ sind in Reihe elektrisch miteinander verbunden. Gemäß einiger beispielhaften Ausführungsformen kann eine der ersten und zweiten Verbindungsleitungen 10 und 20 als Wortleitung und die andere als Bitleitung verwendet werden.
Das Auswahlelement 30 ist konfiguriert um selektiv den elektrischen Strom der durch den magnetischen Tunnelkontakt MTJ fließt zu steuern. Beispielsweise wie in den 2 bis 6 gezeigt kann das Auswahlelement 30 eines von einer Diode, einem PNP-Bipolar-Transitor, einem NPN-Bipolar-Transistor kommen, einem NMOS-Feldeffekt-Transistor (FET), oder einem PMOS FET sein. In dem Fall in dem das Auswahlelement 30 eine drei-anschlüssige Schaltvorrichtung ist, wie beispielsweise ein Bipolar-Transistor und/oder MOSFET ist eine zusätzliche Verbindungsleitung (nicht gezeigt) mit dem Auswahlelement 30 verbunden.
Der magnetische Tunnelkontakt MTJ kann eine untere Struktur 41, eine obere Struktur 42 und eine Tunnelbarriere 50 dazwischen enthalten. Jede der unteren und oberen Strukturen 41 und 42 können wenigstens eine magnetische Schicht enthalten, die aus einem magnetischen Material gebildet ist.
Eine der magnetischen Schichten kann ausgebildet sein um eine feste Magnetisierungsrichtung aufzuweisen, die sich unter gewöhnlichen Umständen beim Anlegen eines externen magnetischen Feldes nicht ändert.
Der Ausdruck „gepinnte Schicht PL” wird in der Beschreibung im Folgenden genutzt um eine magnetische Schicht mit festen Magnetisierungseigenschaften zu beschreiben. Im Gegensatz dazu können die anderen magnetischen Schichten derart ausgeführt sein, dass ihr Magnetisierungsrichtung durch Anlegen eines externen Magnetfeldes schaltbar ausgeführt wird. Der im Folgenden verwendete Ausdruck „freie Schicht FRL” wird benutzt um eine magnetische Schicht mit schaltbarer Magnetisierungseigenschaft zu beschreiben. Das heißt wie in den 7 und 8 gezeigt, enthält der magnetische Tunnelkontakt MTJ wenigstens eine aus einer freien Schicht FRL und wenigstens einer gepinnten Schicht PL, die durch eine Tunnelbarriere 50 voneinander getrennt sind.
Der elektrische Widerstand des magnetischen Tunnelkontaktes MTJ hängt von der relativen Orientierung der Magnetisierungsrichtungen der freien und gepinnten Schichten FRL und PL ab.
Zum Beispiel kann der elektrische Widerstand des magnetischen Tunnelkontaktes MTJ viel größer sein wenn die relative Orientierung antiparallel ist und nicht parallel. Das bedeutet dass der elektrische Widerstand des magnetischen Tunnelkontaktes MTJ durch Änderung der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht FRL gesteuert werden kann. Die magnetischen Speichervorrichtungen gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts können, basierend auf diesem Datenspeichermechanismus, realisiert werden.
Wie in den 7 und 8 gezeigt, können die unteren und oberen Strukturen 41 und 42 des magnetischen Tunnelkontaktes nacheinander auf dem Substrat SUB aufgebracht werden. In beispielhaften Ausführungsformen kann der magnetische Tunnelkontakt MTJ gemäß einer relativen Konfiguration zwischen der freien Schicht FRL und dem Substrat SUB oder einer Herstellungsreihenfolge der freien Schicht FRL und der gepinnten Schicht PL beispielsweise in zwei Typen geteilt werden: (1) ein erster Typ eines magnetischen Tunnelkontaktes MTJ1 ist derart konfiguriert, dass die oberen und unteren Strukturen 41 und 42 die gepinnte Schicht PL und die freie Schicht FRL enthalten, wie in 7 gezeigt, und (b) ein zweiter Typ eines magnetischen Tunnelkontaktes MTJ2 ist derart konfiguriert dass die oberen und unteren Strukturen 41 und 42 die freie Schicht FRL und die gepinnte Schicht PL enthalten, wie in 8 dargestellt.
Die 9 bis 17 sind Querschnittsansichten die beispielhaft geschichtete Strukturen darstellen wie sie als ein Bereich des magnetischen Tunnelkontaktes MTJ genutzt werden. Das heißt jede der unteren und oberen Strukturen 41 und 42 des magnetischen Tunnelkontaktes MTJ sind konfiguriert um eine der geschichteten Strukturen zu enthalten, wie es beispielhaft in den 9 bis 17 dargestellt ist. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen bei denen die geschichteten Strukturen der 9 bis 17 als Abschnitt der unteren Struktur 41 genutzt werden können sie auch als umgekehrte Strukturen (zum Beispiel umgekehrt zu den 9 bis 17 gezeigten Strukturen) bereitgestellt sein.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts ist wenigstens eine der unteren und oberen Strukturen 41 und 42 derart ausgebildet, dass sie alle oder Teile einer extrinsisch senkrecht magnetisierten Struktur (EPMS), wie beispielhaft in den 9 bis 15 beschrieben, enthält. Zum Beispiel kann die untere Struktur 41 derart ausgebildet sein um alle oder Teile einer extrinsisch senkrecht magnetisierten Struktur EPMS enthalten wie sie in Bezug auf die 9 bis 15 beschrieben ist, und die obere Struktur 42 kann derart konfiguriert sein um alle oder Teile einer intrinsisch senkrecht Magnetisierungsstruktur (IPMS) zu enthalten, wie es beispielsweise in Bezug auf die 16 und 17 beschrieben ist. Alternativ dazu kann die untere Struktur 41 ausgebildet sein um alle oder Teile einer der intrinsisch senkrecht Magnetisierungsstrukturen (IPMS) zu enthalten, wie es beispielhaft in den 16 und 17 beschrieben ist, und die obere Struktur 42 kann ausgebildet sein um einen oder einen Teil einer extrinsisch senkrecht Magnetisierungsstruktur EPMS zu enthalten, wie es in Bezug auf die 9 bis 15 beschrieben ist. Außerdem können gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen beide der unteren und oberen Strukturen 41 und 42 derart ausgebildet sein um alle oder einen Teil einer extrinsisch senkrechten Magnetisierungsstruktur EPMS zu enthalten, wie es bezugnehmend auf die 9 bis 15 beschrieben ist.
Bezugnehmend auf die 9 bis 15 kann die extrinsisch senkrecht Magnetisierungsstruktur EPMS wenigstens eine einer magnetischen Schicht MGL und/oder wenigstens eine Senkrechte-Magnetisierung-Induzierende-Schicht PMI enthalten die die magnetische Schicht MGL bedeckt. In dem Fall kann die magnetische Schicht MGL in der extrinsisch senkrecht Magnetisierungsstruktur EPMS als magnetische Schicht genutzt werden, die die untere Struktur 41 und/oder die obere Struktur 42 bildet. Mit anderen Worten kann die freie Schicht FRL oder die gepinnte Schicht PL realisiert werden indem die magnetische Schicht MGL der extrinsisch senkrecht Magnetisierungsstruktur EPMS genutzt wird.
In der extrinsischen Senkrecht-Magnetisierungsstruktur EPMS kann die magnetische Schicht MGL ferromagnetisches Material enthalten. Beispiele der magnetischen Schicht MGL können aus wenigstens einem von CoFeB, CoFe, NiFe, CoFePt, CoFePd, CoFeCr, CoFeTb, CoFeGd oder CoFeNi gebildet sein. Gemäß einiger Aspekte des erfindungsgemäßen Konzeptes kann die magnetische Schicht MGL als intrinsische horizontal magnetisierte Schicht mit intrinsischer horizontal Magnetisierungseigenschaft ausgebildet sein. Genauer gesagt, aufgrund der durch die geometrische Form der magnetischen Schicht MGL verursachte magnetische Anisotropie, kann die magnetische Schicht MGL (zum Beispiel aus CoFeB) eine Magnetisierungsrichtung aufweisen, die auf eine Ebene (zum Beispiel xy-Ebene) parallel zur Hauptoberfläche beschränkt ist. (In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck „Hauptoberfläche” eine Oberfläche der magnetischen Schicht MGL mit der größten Fläche und, in den meisten Fällen, wird das eine Oberste oder Bodenfläche der magnetischen Schicht MGL sein). Der Ausdruck „intrinsische horizontale Magnetisierungseigenschaft” repräsentiert diese geometrieabhängige horizontale magnetische Anisotropie. Die oben beispielhaft aufgeführten ferromagnetischen Materialien können diese intrinsische horizontale Magnetisierungseigenschaft ausüben.
Außerdem kann die magnetische Schicht MGL als dünnes Muster bereitgestellt sein dessen vertikale Dicke weit kleiner als dessen horizontale Länge ist. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann für die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS eine Dicke der entsprechenden magnetischen Schichten MGL in einem Bereich von etwa 1 Å bis etwa 30 Å liegen. Gemäß weiterer spezifischer Ausführungsformen kann die Dicke der entsprechenden magnetischen Schichten MGL in einem Bereich von etwa 3 Å bis etwa 14 oder etwa 17 Å liegen.
Die eine Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI kann im direkten Kontakt mit der magnetischen Schicht MGL ausgebildet werden, und wobei diese Konfiguration mit direkten Kontakt erlaubt die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht MGL von parallel zur Hauptoberfläche der magnetischen Schicht MGL zu senkrecht dazu zu ändern. Das heißt die Senkrechte-Magnetisierung-Herbeirufende-Schicht PMI kann als externer Einfluss dienen der die senkrechte Magnetisierungseigenschaft der magnetischen Schicht MGL mit der intrinsischen senkrechten Magnetisierungseigenschaft bewirkt. In diesem Fall bilden die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI und die damit in Kontakt stehende magnetische Schicht MGL miteinander eine magnetische Struktur mit extrinsisch senkrechter Magnetisierungseigenschaft (zum Beispiel, die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur). Im Folgenden wird die magnetische Schicht MGL in der extrinsisch senkrechten Magnetisierungsstruktur als „eine extrinsisch senkrechte magnetische Schicht (EPM)” gezeichnet.
Die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI kann ein Sauerstoffenthaltendes Material sein. Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen kann die Senkrechte-Magnetisierungs-Hervorrufende-Schicht PMI wenigstens ein Metalloxid sein. Beispielsweise kann die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI wenigstens eines von Magnesiumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumzinkoxid, Hafniumoxid, oder Magnesiumboroxid sein, wobei die beispielhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts nicht hierauf beschränkt sind. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen als die magnetische Schicht MGL. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann der elektrische Widerstand des magnetischen Tunnelkontaktes MTJ stark von dem elektrischen Widerstand der Senkrecht-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI abhängen. Um diese Abhängigkeit zu verringern, kann die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI dünn ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI mit einer Dicke geringer als die der magnetischen Schicht MGL ausgebildet sein. Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen hat die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI eine Dicke von etwa 1 bis 15 Å.
Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen wie beispielsweise in 9 gezeigt kann die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS die magnetische Schicht MGL und die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI enthalten, wobei jede davon als eine einfach geschichtete Struktur ausgebildet ist.
Gemäß weiterer beispielhafter Ausführungsformen wie beispielsweise in den 10 bis 15 dargestellt kann die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS die magnetischen Schichten MGL als multi-geschichtete Struktur und die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten PMI bereitgestellt als multi-geschichtete Strukturen enthalten. Die magnetischen Schichten MGL und die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten PMI können abwechselnd übereinander gestapelt sein. Beispielsweise kann wenigstens eine der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten PMI zwischen den magnetischen Schichten MGL angeordnet sein. In beispielhaften Ausführungsformen kann die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS derart konfiguriert sein, dass eine Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI, wie in den 10 und 11 dargestellt, oder zwei Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten PMI, wie in den 13 und 14 dargestellt, zwischen den magnetischen Schichten MGL benachbart zueinander angeordnet sein.
In extrinsischen senkrecht Magnetisierungsstrukturen EPMS bei denen die magnetischen Schichten MGL als multi-geschichtete Struktur ausgebildet sind, können die magnetischen Schichten MGL im Wesentlichen die gleiche Dicke und/oder Material aufweisen. Gemäß anderer beispielhafter Ausführungsformen können wenigstens zwei der magnetischen Schichten MGL im Bezug auf Dicke und/oder Material voneinander abweichen. Genauso können gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen die eine Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten PMI im Wesentlichen die gleiche Dicke und/oder Material aufweisen. Gemäß anderer beispielhafter Ausführungsformen jedoch unterscheiden sich wenigstens zwei der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten PMI im Bezug auf Dicke und/oder Material voneinander. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen, sind alle magnetischen Schichten MGL und alle Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten PMI mit im Wesentlichen dem gleichen Material und der gleichen Dicke, wie beispielhaft oben beschrieben, ausgebildet.
Außerdem kann die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS außerdem wenigstens eine Metallschicht enthalten, die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI bedeckt. Beispielsweise kann die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS außerdem eine Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP enthalten. Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen kann die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP als oberste oder unterste Schicht der extrinsisch senkrechten Magnetisierungsstruktur EPMS wie beispielsweise in den 9 bis 15 dargestellt enthalten. Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen kann wenigstens eine der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten PMI zwischen der Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht PMP und der magnetischen Schicht MGL benachbart zueinander angeordnet sein. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann eine oberste Elektrode auf der eine Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht PMP ausgebildet sein.
Die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP kann aus einem Material mit einem geringeren Widerstand als der der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schicht PMI gebildet sein. Beispielsweise kann die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP aus wenigstens einen von Edelmetallen, zum Beispiel Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platinum (Pt) oder Gold (Au) oder Kupfer ausgebildet sein. Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts, kann die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP aus wenigstens einem Material mit einem Widerstand kleiner als Tantal oder Titan ausgebildet sein.
Außerdem kann gemäß einiger Aspekte des erfindungsgemäßen Konzepts ein Abschnitt der Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht PMP der in Kontakt mit der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI in Kontakt steht aus einem Material ausgebildet sein, das schlecht mit Sauerstoffatomen reagiert. Die oben beschriebenen Edelmetalle oder Kupfer können als ein Material ausgewählt werden, dass diese Anforderungen an die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht PMP erfüllt. Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen kann die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP aus einem Material ausgebildet sein, das schwer mit Sauerstoffatomen reagiert, selbst wenn nachfolgende Prozessschritte unter normalen Betriebsbedingungen durchgeführt werden.
Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen kann die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS außerdem eine Austauschkopplungsschicht ECL zwischen den magnetischen Schichten MGL wie beispielsweise in den 13 bis 15 gezeigt enthalten. Die Austauschkopplungsschicht ECL kann aus einem von Edelmetallen zum Beispiel Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platinum (Pt), oder Gold (Au) ausgebildet sein.
Ein benachbart zueinander ausgebildetes Paar magnetischer Schichten MGL können parallele oder antiparallele Magnetisierungseigenschaften ausüben gemäß einem Material und einer Dicke der Austauschkopplungsschicht ECL. Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen, kann die Austauschkopplungsschicht ECL derart ausgebildet sein, dass ein Paar magnetischer Schichten MGL benachbart zueinander dazwischen angeordnet sind parallele Magnetisierungseigenschaften aufweisen. Zum Beispiel kann die Austauschkopplungsschicht ECL eine Ruthenium-Schicht mit einer Dicke von etwa 2 Ǻ bis etwa 10 Ǻ sein. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann der magnetische Tunnelkontakt MCJ mit verbesserter Stabilität wie beispielesweise einem schrittweisen Profil in der Hysterese-Kurve der magnetischen Momente, betrieben werden. Die beispielhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts sind jedoch nicht auf die Ausführungsformen mit paralleler Magnetisierungseigenschaft beschränkt.
In den 13 und 14 gezeigt, kann die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI zwischen der Austauschkopplungsschicht ECL und einer der magnetischen Schichten MGL benachbart dazu ausgebildet sein. Beispielsweise können beide, die Oberste und Bodenoberflächen der Austauschkupplungsschicht ECL mit der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten PMI bedeckt sein. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann die Schichtanzahl der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten PMI in der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur EPMS größer als die der magnetischen Schichten MGL sein. Gemäß weiterer beispielhafter Ausführungsformen jedoch, wie in 15 gezeigt, kann wenigstens eine der Obersten und Bodenoberflächen der Austauschkopplungsschicht ECL in direktem Kontakt mit der magnetischen Schicht MGL stehen.
Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen kann die Anzahl der Austauschkopplungsschichten ECL zweimal oder noch mehr kleiner sein als die der magnetischen Schichten MGL. Das bedeutet, dass die Austauschkopplungsschicht ECL nicht an allen Zwischenräumen zwischen den magnetischen Schichten MGL angeordnet sein muss (aber sein kann). Beispielsweise, wie in 15 gezeigt, kann die Senkrechte-Magnetisierungs-Erzeugende-Schicht PMI oder die Austauschkopplungsschicht ECL alleine zwischen den magnetischen Schichten MGL angeordnet sein.
Die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS kann außerdem wenigstens eine Metallschicht MTL enthalten, die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI bedeckt. Beispielsweise kann die Metallschicht MCL zwischen der magnetischen Schicht MGL und der Senkrechte-Magnetisierung-Erzeugende-Schicht PMI, wie in 12 dargestellt, angeordnet sein. Gemäß weiterer beispielhafter Ausführungsformen kann die Metallschicht MCL derart ausgebildet sein, dass sie als Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP dient. Zum Beispiel kann die Metallschicht MTL aus einem Material gebildet sein das nur schwer mit Sauerstoffatomen reagiert. Beispielsweise kann die Metallschicht MTL aus wenigstens einem von Edelmetall oder Kupfer ausgebildet sein. Gemäß anderer beispielhafter Ausführungsformen kann die Metallschicht MTL derart ausgebildet sein dass sie als Austauschkopplungsschicht (ECL) dient. Das heißt die Metallschicht MTL kann derart ausgebildet sein, dass ein paar magnetische Schichten MGL benachbart zu den Obersten und Bodenoberflächen der Metallschicht MTL ausgebildet ist und eine parallele oder antiparallele Magnetisierungseigenschaft ausübt.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts kann eine der untersten und oberen Strukturen 41 und 42 ausgebildet sein um eine intrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur IPMS, wie in den 16 und 17 dargestellt, ausgebildet sein.
Bezugnehmend auf die 16 und 17 kann die intrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur IPMS wenigstens eine intrinsische senkrechte magnetische Schicht IPML enthalten. Die intrinsische senkrechte magnetisierte Schicht IPML der intrinsisch senkrecht Magnetisierungsstruktur IPMS kann als magnetische Schicht, die die untere Struktur 41 und/oder die obere Struktur 42 bildet, dienen. Mit anderen Worten kann die freie Schicht FRL oder die gepinnte Schicht PL mittels der intrinsisch senkrecht magnetischen Schicht IPML ausgebildet werden.
Die intrinsisch senkrecht magnetische Schicht IPML kann aus einem Material gebildet sein das intrinsisch senkrechte Magnetisierungseigenschaften ausübt. Mit anderen Worten kann die intrinsich senkrechte magnetische Schicht IPML senkrechte Magnetisierungseigenschaften aufweisen, selbst wenn kein externes hervorgerufenes Element vorhanden ist, wie die Senkrechte-Magnetisierung-Erzeugende-Schicht PMI der extrinsisch senkrechten Magnetisierungsstruktur EPMS. Beispielsweise kann die intrinsisch senkrechte magnetisierte Schicht IMPL wenigstens eines von CoFeTb, von dem der relative Anteil von Tb 10% oder mehr ist, b) CoFeGd, in dem der relative Anteil von GD 10% oder mehr ist, c) CoFeDy, d) FePt mit der L1₀ Struktur, e) FePd mit der L1₀ Struktur, f) CoPd mit der L1₀ Struktur, g) CoPt mit der L1₀ Struktur, h) CoPt mit einer haxagonal dichtesten Packung (HCP) Struktur, i) Legierungen mit wenigstens einem der in den Punkten a) bis h) dargestellt wurden, oder j) eine multi-geschichtete Struktur mit abwechselnd magnetischen und nicht magnetischen gestapelten Schichten. Die multigeschichtete Struktur mit abwechselnd gestapelten magnetischen und nicht magnetischen Schichten kann wenigstens eines von (Co/Pt)n, (CoFe/Pt)n, (CoFe/Pd)n, (CoP)n, (Co/Ni)n, (CoNi/Pt)n, (CoCr/(Pt)n, oder (CoCr/Pd)n enthalten, wobei der Index n die Stapelanzahl beschreibt.
Genauer gesagt, wie in 16 gezeigt, kann die intrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur IPMS die intrinsische senkrecht magnetisierte Schicht IPML mit einfach geschichteter Struktur und einer Deckschicht CPL umfassen. Die Deckschicht CPL kann als ein Deckelement dienen, das geeignet ist um die intrinsisch senkrecht magnetisierte Schicht IPML darunter zu schützen. Die Deckschicht CPL kann aus wenigstens einem von Ruthenium (Ru), Tantal (Ta), Palladium (Pd), Titan (Ti), Platin (Pt), Silber (Ag), Gold (Au) oder Kupfer (Cu) gebildet sein.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann die intrinsische senkrecht Magnetisierungsstruktur IPMS, wie in 16 gezeigt, als invertierte Struktur die die untere Struktur 41 bildet, ausgebildet sein. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann die Deckschicht CPL als Keimschicht dienen um die intrinsisch senkrecht magnetisierte IPML darauf zu wachsen. Beispielsweise, falls die intrinsisch senkrecht magnetisierte Schicht IPML aus einem Material mit einer L1₀ Struktur gebildet ist, kann die Deckschicht CPL eine leitfähige Metallnitridschicht mit einer Sodiumchloridkristallstruktur (zum Beispiel Titannitrid, Tantalnitrid, Chromnitrid, oder Vanadiumnitrid) umfassen.
Bezugnehmend auf 17 kann die intrinsische senkrecht Magnetisierungsstruktur IPMS ein paar intrinsisch senkrecht magnetisierte Schichten IPML und eine Austauschkopplungsschicht ECL dazwischen umfassen. Die Austauschkopplungsschicht ECL kann aus einem von Edelmetallen, wie Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt) oder Gold (Au) gebildet sein. Ähnlich zu den beispielhaften Ausführungsformen, wie in den 13 bis 15 beschrieben, können das Paar der intrinsisch senkrecht magnetisierten Schichten IPML, die benachbart zueinander angeordnet sind, parallel oder antiparallele Magnetisierungseigenschaften ausüben gemäß dem Material und der Dicke der Austauschkopplungsschicht ECL. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann die Austauschkopplungsschicht ECL der intrinsisch senkrecht Magnetisierungsstruktur IPMS derart ausgebildet sein, dass die intrinsisch senkrecht magnetisierten Schichten IPML die antiparallele Magnetisierungseigenschaft ausüben (zum Beispiel synthetische antiferromagnetische Eigenschaft (SAF)).
Die 18A und 18B zeigen Graphen, die einige Aspekte der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts darstellen. Wie oben beschrieben kann die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP aus einem Material gebildet sein, das selbst während nachfolgender Prozessschritte oder unter normalen Betriebsbedingungen schwer mit Sauerstoffatomen reagiert.
Zum Beispiel wie in 18A gezeigt, kann die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP aus einem Material gebildet sein, das eine Sauerstoffaffinität aufweist, die kleiner als die metallische Elemente ist, die die Senkrecht-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI bilden. Die Sauerstoffaffinität kann wie in 18B gezeigt durch die Standardreaktionsenthalpie zur Bildung von Metalloxiden (ΔHOf [kJ/mol Sauerstoff]) wiedergegeben werden. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann die Standardreaktionsenthalpie ΔHOf der metallischen Elemente, die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI bilden kleiner als etwa –500 [kJ/mol Sauerstoff] sein, und die Standardreaktionsenthalpie ΔHOf der Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP kann größer als –300 [kJ/mol Sauerstoff] sein. Das heißt die Standardreaktionsenthalpie für die metallischen Elemente, die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI bilden kann größer sein als die der Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP vom Absolutwert her. Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen können die metallischen Elemente, die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI wenigstens eines von Ta, Ti, U, Ba, Zr, Al, Sr, Hf, La, Ce, Sm, Mg, Th, Ca, Sc oder Y, sein und die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP kann wenigstens eines von Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Cu, Re, oder Pb, sein. Wie in den 18A oder 18B gezeigt kann die magnetische Schicht MGL aus einem Material gebildet sein, das eine kleinere Sauerstoffaffinität als die metallischen Elemente aufweisen, die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schicht PMI bilden und größer als die der die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP bilden. Die chemische Reaktivität mit Sauerstoff kann außerdem durch verschiedene physikalische Eigenschaften beschrieben werden. Zum Beispiel können physikalische Eigenschaften wie ein Oxidationspotenzial oder die freie Oxidationsenergie genutzt werden, um die chemische Reaktivität anstelle der Sauerstoffaffinität oder Standardreaktionsenthalpie zu beschreiben.
19 zeigt einen Graph der weitere Aspekte der extrinsisch senkrecht Magnetisierungsstruktur darstellt.
Bezugnehmend auf 19 ergibt sich die extrinsische senkrechte Magnetisierungseigenschaft aus einer chemischen Kombination von Atomen in der magnetischen Schicht MGL und Sauerstoffatomen in der Senkrecht-Magnetisierungs-Hervorrufenden-Schicht PMI. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen, wie in 19 gezeigt, kann zwischen der magnetischen Schicht MGL und der Senkrecht-Magnetisierungs-Hervorrufenden-Schicht PMI ein Übergangsbereich TR ausgebildet sein, dessen Sauerstoffgehalt größer ist als der der magnetischen Schicht MGL und kleiner als der der Senkrecht-Magnetisierungs-Hervorrufen den -Schicht PMI.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen gibt es keinen Grund dafür, dass der Sauerstoffgehalt in dem Übergangsbereich TR linear sein sollte. Beispielsweise kann der Sauerstoffgehalt in dem Übergangbereich TR sich monoton mit einer speziellen Einhüllenden ENV, wie in 19 gezeigt, verändern.
Alternativ dazu kann die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP aus einem Material gebildet sein, das selbst während nachfolgender Prozesse oder unter normalen Betriebsbedingungen schwer mit Sauerstoffatomen reagiert. Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen, wie in 19 gezeigt, kann die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI mit endlichem Sauerstoffgehalt ausgebildet sein, und die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP kann mit im Wesentlichen infinitesimalen Sauerstoffgehalt (zum Beispiel weniger als der der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schicht PMI) ausgebildet sein. Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen kann sich der Sauerstoffgehalt an der Schnittstelle zwischen der Senkrecht-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schicht PMI und der Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht PMP abrupt ändern. Das heißt der absolute Wert des Gradienten des Sauerstoffgehaltes kann an der Schnittstelle zwischen der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schicht PMI und Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht PMP größer sein als in der Übergangsregion TR. Gemäß weiterer beispielhafter Ausführungsformen kann der Übergangbereich TR in dem gesamten Bereich der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schicht PMI ausgebildet sein. Beispielsweise in dem Graph von 19, kann der Gradient des Sauerstoffgehalts in Z-Richtung in dem gesamten Bereich der Senkrecht-Magnetisierung-Induzierenden-Schicht PMI oder zwischen der magnetischen Schicht MGL und der Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht PMP einen endlichen nicht vernachlässigbaren Wert haben. Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen kann der Sauerstoffgehalt der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schicht PMI in einem Bereich benachbart zu der Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht PMP größer sein, als in einem anderen Bereich benachbart zur magnetischen Schicht MGL.
20 zeigt ein Diagramm um andere Aspekte der extrinsischen senkrechte Magnetisierungsstruktur zu beschreiben.
Die Herstellung der magnetischen Speichervorrichtung kann außerdem Prozessschritte umfassen (zum Beispiel wenigsten einen aus einem thermischen Behandlungsschritt, einem Verdrahtungsschritt usw.), der nach dem ausbilden der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schicht PMI und der Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht PMP durchgeführt wird. Wie in 20 gezeigt kann eine thermische Energie, die während nachfolgender Prozessschritte oder durch den Normalbetrieb des Benutzers erzeugt wird an die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI abgegeben werden. Diese thermische Energie kann Sauerstoffatome aus der Senkrechte-Magnetisierung-Erzeugenden-Schicht PMI loslösen.
In dem Teil jedoch in dem die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht PMP mit niedrigen Sauerstoffaffinität ausgebildet ist um die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI zu bedecken, ist es möglich zu verhindern, dass losgelöste Sauerstoffatome aus der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI wegdiffundieren. Beispielsweise falls die thermische Energie nicht von außerhalb des magnetischen Tunnelkontaktes MTJ bereitgestellt wird, können die losgelösten Sauerstoffatome wieder in ihren chemisch stabilen Zustand gebracht werden. In dem Fall, wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen ist die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP aus einem Material mit niedriger Sauerstoffaffinität gebildet, so dass die losgelösten Sauerstoffatome wieder mit Metallelementen, die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI bilden rekombinieren aber nicht mit der Senkrechten-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht PMP. Das heißt die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht PMI kann schon vor der Zufuhr von thermischer Energie zu ihrem Originalzustand zurückgeführt werden.
21 zeigt einen experimentellen Graphen, der beispielhaft einige magnetische Eigenschaften eines MTJ gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts zeigt.
In diesem Experiment wurden zwei Probentypen getestet um die senkrechte Anisotropieenergiedichte der magnetischen Schicht im Bezug auf die Dicke der magnetischen Schicht zu messen. Die mit Bezugszeichen C1 gekennzeichnete Kurve im Graph von 21 zeigt experimentelle Daten, die von dem ersten Typ der MTJ-Proben mit der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur EPMS aus 9 erhalten wurden, und ein Punkt der mit Bezugszeichen C2 gekennzeichnet ist, stellt einen experimentellen Wert eines zweiten Typs eines MTJ mit der extrinsisch senkrecht Magnetisierungsstruktur EPMS aus 13 dar. Das heißt die Erste entspricht der extrinsisch senkrechten Magnetisierungsstruktur EPMS mit einer einfach beschichteten magnetischen Schicht, und die Zweite entspricht der extrinsisch senkrechten Magnetisierungsstruktur EPMS mit multi-geschichteten magnetischen Schichten.
In allen Proben war die Tunnelbarriere 50 aus Magnesiumoxid (MgO), die magnetische Schicht MGL und die Senkrecht-Magnetisierungs-Erzeugende-Schicht PMI waren aus CoFeB und Ta-O entsprechend gebildet. Und die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht PMP und die Austauschkopplungsschicht ECL waren aus Ru gebildet. Die übrigen Bedingungen des Experiments waren im Wesentlichen die Gleichen. In dem Graph von 21 entspricht die horizontale Achse einer totalen Dicke der magnetischen Schichten, die die extrinsisch senkrechte Magnetisierungsstruktur bilden, und die vertikale Achse entspricht einer senkrechten Anisotropieenergiedichte der magnetischen Schicht.
Bezugnehmend auf 21 hatte die magnetische Schicht aus CoFeB der mit Bezugszeichen C1 bezeichneten Proben eine positive senkrechte Anisotropieenergiedichte, wenn sie bis zu einer Dicke von etwa 14 Å oder weniger ausgebildet wurde. Das heißt für die extrinsisch senkrecht Magnetisierungsstruktur EPMS aus 9 oder die Proben des ersten Typs weist die magnetische Schicht in dem spezifischen dicken Bereich t von ungefähr 3 Å bis ungefähr 15 Å eine senkrechte Anisotropie auf, obwohl die magnetische Schicht aus CoFeB mit einer intrinsisch horizontalen Magnetisierungseigenschaft ausgebildet war.
Im Gegensatz dazu wie mit Bezugszeichen C2 bezeichnet, war die senkrechte Anisotropieenergiedichte, selbst wenn die multi-geschichteten magnetischen Schichten eine Gesamtdicke von etwa 20 Å hatten, positiv und war größer als die der einzelgeschichteten magnetischen Schicht der Struktur in 9. Das heißt wenn die magnetischen Schichten der extrinsisch senkrechten Magnetisierungsstruktur als multigeschichtete Struktur bereitgestellt werden, kann die extrinsich senkrechte Magnetisierungsstruktur mit einer größeren Gesamtdicke ausgebildet werden ohne Verringerung oder sogar mit einer Erhöhung der senkrechten Anisotropieenergiedichte. Der Anstieg in der Gesamtdicke der magnetischen Schichten erlaubt es einer Verschlechterung in der thermischen Stabilität der Senkrecht-Typ MTJs vorzubeugen, wie sie bei MTJs mit einer dünnen magnetischen Schicht auftritt.
Wie oben beschrieben dienen die geschichteten Strukturen, die beispielhaft in den 9 bis 17 dargstellt sind, als Teil eines magnetischen Tunnelkontakt MTJ1 und MTJ2 wie in den 7 und 8 entsprechend dargestellt. Beispielsweise wie beispielhaft in 22 dargestellt können die oberen und unteren Strukturen 42 und 41 durch zwei geschichtete Strukturen im Bezug auf die 10 und 17 entsprechend realisiert werden. Im Bezug auf 10 können die geschichteten Strukturen die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur darstellen, während die geschichtete Struktur, wie in 17 beschrieben, die intrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur IPMS mit SAF-Eigenschaft sein können. In diesem Sinn entspricht die Struktur aus 22 der MTJ-Struktur in 7, in der die obere Struktur 42 die freie Schicht FRL enthält und die untere Struktur 41 die Pinningschicht PL enthält.
Wie beispielhaft in 23 gezeigt, können die unteren und oberen Strukturen 41 und 42 realisiert werden indem zwei geschichtete Strukturen, wie in den 10 und 11 entsprechend beschrieben, genutzt werden. Hier ist die geschichtete Struktur in 11 im Bezug auf die Gesamtdicke der magnetischen Schichten hierin größer ausgebildet als in 10, und als Ergebnis dient die geschichtete Struktur in 11 als eine Hartschicht oder eine Pinningschicht des MTJ. In diesem Sinn entspricht die 23 der MTJ-Struktur aus 8, in der die obere Struktur 42 die Pinningschicht PL enthält und die untere Struktur 41 die freie Schicht FRL enthält.
Obwohl die magnetischen Tunnelkontakte gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts beispielhaft in Bezug auf die 22 und 23 beschrieben wurden, sind weitere beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts nicht hierauf beschränkt.
24 zeigt ein schematischen Schaltungsdiagramm einer Einheitszelle einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß modifizierter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts.
Bezugnehmend auf 24 kann ein magnetischer Tunnelkontakt MTJ gemäß der vorliegenden Ausführungsformen außerdem wenigstens eine einer unteren Elektrodenstruktur 61 unter der unteren Struktur 41 enthalten und eine obere Elektrodenstruktur 62 auf der oberen Struktur 42. Die untere Elektrodenstruktur 61 kann zwischen der ersten Verbindungsleitung 10 und der unteren Struktur 41 oder zwischen dem Auswahlelement 30 und der unteren Struktur 41 angeordnet sein und die obere Elektrodenstruktur 62 kann zwischen der zweiten Verbindungsleitung 20 und der oberen Struktur 42 angeordnet sein.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist wenigstens eine der unteren und oberen Elektrodenstrukturen 61 und 62 ausgebildet um eine einfach-geschichtete Struktur aufzuweisen. Gemäß anderer beispielhafter Ausführungsformen, ist wenigstens eine der unteren und oberen Elektrodenstrukturen 61 und 62 ausgelegt um eine multigeschichtete Struktur aufzuweisen. Außerdem kann die untere und obere Elektrodenstruktur 61 und 62 wenigstens eines einer leitfähigen Schicht (zum Beispiel Metall) enthalten. Beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts sind jedoch nicht hierauf beschränkt; zum Beispiel kann in anderen modifizierten beispielhaften Ausführungsformen der magnetische Tunnelkontakt MTJ auch ausgebildet sein auch ohne eine der unteren und oberen Elektrodenstrukturen 61 und 62 zu enthalten.
Anwendungen der Ausführungsformen
Die 25 und 26 zeigen Blockdiagramme, die elektronische Vorrichtungen mit einer Halbleitervorrichtung gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts darstellen.
Bezugnehmend auf 25 umfasst eine elektronische Vorrichtung 1300 eine Halbleitervorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts wie sie einem Personal Digital Assistant (PDA), einem Laptop Computer, einem mobilen Computer, einem Web Tablet PC, einem drahtlosen Telefon, einem Mobiltelefon, einem digitalen Musikabspielgerät, einer drahtgebundenen oder drahtlosen elektronischen Vorrichtung, oder einer komplexen elektronischen Vorrichtung mit wenigstens zwei davon genutzt wird. Die elektronische Vorrichtung 1300 kann eine Steuervorrichtung 1310, eine Eingabe/Ausgabevorrichtung 1320 wie eine Tastatur, ein Keypad, eine Anzeigevorrichtung, einen Speicher 1330, und eine drahtlose Schnittstelle 1340 die über einen Bus 1350 miteinander verbunden sind. Die Steuervorrichtung 1310 kann beispielsweise wenigstens einen Mikroprozessor, eine digitalen Signalprozessor, einen Mikrocontroller oder ähnliches umfassen. Der Speicher 1330 kann ausgebildet sein um einen Befehlscode, der von der Steuervorrichtung 1310 genutzt wird oder Nutzerdaten zu speichern. Der Speicher 1330 kann eine Halbleitervorrichtung gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts umfassen. Die Elektronische Vorrichtung 1300 kann die drahtlos Schnittstelle 1340 nutzen die ausgelegt ist um Daten von/zu einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk zu übertragen oder zu empfangen mittels eines RF Signals. Die Drahtlosschnittstelle 1340 kann beispielsweise eine Antenne, einen drahtlos Transceiver und weiteres enthalten. Das elektronische System 1300 kann zusammen mit einem Schnittstellenprotokoll eines Kommunikationssystems CDMA, GSM, NADC, E-TDMA, WCDMA, CDMA2000, Wi-Fi, Bluetooth, DECT, Wireless USB, Flash-OFDM, IEEE 802.20, GPRS, iBurst, WiBro, WiMAX-Advanced, UMTS-TDD, HSPA, EDVO, LTE-Advanced, MMDS und so weiter.
Bezugnehmend auf 26 wird ein Speichersystem mit einer Halbleitervorrichtung gemäß beispielhafter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts beschrieben. Das Speichersystem 1400 umfasst eine Speichervorrichtung 1410 zum Speichern großer Mengen von Daten und einer Speichersteuervorrichtung 1420. Die Speichersteuervorrichtung 1420 steuert die Speichersteuervorrichtung 1410 um die Daten die in der Speichervorrichtung 1410 gespeichert sind zu lesen oder um Daten in Antwort auf einen Lese/Schreibanforderung eines Host 1430 in die Speichervorrichtung 1410 zu schreiben. Die Speichersteuerungsvorrichtung 1420 kann eine Adressentschlüsselungstabelle zum Entschlüsseln einer Adresse die von dem Host 1430 (zum Beispiel eine mobile Vorrichtung oder ein Computersystem) bereitgestellt wurde in eine physikalische Adresse der Speichervorrichtung 1410. Die Speichervorrichtung 1410 kann eine Halbleitervorrichtung gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts sein.
Die Halbleiterspeichervorrichtungen, wie oben beschrieben, können mittels verschiedener und diverser Gehäusetechniken eingekapselt werden. Beispielsweise können die Halbleiterspeichervorrichtungen gemäß der vorgenannten beispielhaften Ausführungsformen mittels einer der Gehäusetechniken aus Package an Package (POP) Technik, Ball Grid Array (BGA) Technik, Chip Scale Package (CSP) Technik, Plastik angeschlossene Chipträgertechnik (PLCC), Plastik Dual In-Line Gehäusetechnik (PDIP), eine Chip in Waffelpack Technik, eine Chip in Waferform Technik, eine Chip auf Platine Technik (COB), einer Keramik Dual In-Line Gehäusetechnik (CERDIP), einer Plastik Quad Flat Package Technik (PQFP), einer Dünn Quad Flat Package Technik (TQFP), einer Small Outline Package Technik (SOIC), einer geschrumpften Small Outline Package Technik (SSOP), einer dünnen Small Outline Package Technik (TSOP) einer dünnen Quad Flat Package Technik (TQFP), einer System im Gehäusetechnik (SIP), einer Multichip Gehäusetechnik (MCP), einer Waver-Level hergestellten Gehäusetechnik (WFP) und einer Waver-Level prozessierten Stapelgehäusetechnik (WSP).
Das Gehäuse in dem die Halbleiterspeichervorrichtung gemäß einer der oben beispielhaft genannten Ausführungsformen montiert ist kann außerdem wenigstens eine Halbleitervorrichtung (zum Beispiel eine Steuervorrichtung und/oder eine logische Vorrichtung) enthalten die die Halbleitervorrichtung steuert.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts, kann der magnetische Tunnelkontakt ausgebildet sein um eine extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur zu enthalten. Die extrinsisch senkrechte Magnetisierungsstruktur kann eine Vielzahl magnetischer Schichten und wenigstens eine Senkrechte-Magnetisierungs-Hervorrufende-Struktur dazwischen umfassen. Obwohl jede der magnetischen Schichten mit einer Dicke kleiner als eine kritische Dicke die für die senkrechte Magnetisierungseigenschaft erforderlich hergestellt werden kann, kann die Gesamtdicke der magnetisch gekoppelten magnetischen Schichten in dem magnetischen Poolkontakt größer sein als die kritische Dicke. Der Anstieg in der Gesamtdicke der magnetischen Schichten erlaubt es die thermische Stabilität von Senkrecht-Typs MTJs zu verbessern.
Während beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Konzepts explizit gezeigt und beschrieben wurden, ist es für einen Fachmann klar, dass Abwandlungen in Form und Detail hiervon durchgeführt werden können ohne vom Sinn und vom Umfang der beiliegenden Ansprüche abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 10-2011-0079627 [0001]
KR 2011-0024429 [0073, 0073]
KR 2011-0074500 [0073, 0073]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE 802.20 [0128]

Claims

Eine magnetische Tunnelkontaktvorrichtung umfassend: eine erste Struktur mit einer magnetischen Schicht; eine zweite Struktur mit wenigstens zwei extrinsischen Strukturen senkrechter Magnetisierung mit jeweils einer magnetischen Schicht und; einer die Senkrechte-Magentisierung-Hervorrufenden-Schicht auf der magnetischen Schicht; und eine Tunnelbarriere zwischen den ersten und zweiten Strukturen.
Magnetischer Tunnelkontakt nach Anspruch 1, die zweite Struktur weiterhin umfassend zusätzliche extrinsische Strukturen senkrechter Magnetisierung mit jeweils einer magnetischen Schicht und; einer die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht auf der magnetischen Schicht.
Magnetischer Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht auf einer der die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, wobei jede magnetische Schicht eine geringere Sauerstoffaffinität aufweist als jede der die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, wobei jede der die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schichten eine geringere Sauerstoffaffinität aufweist als jede der die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die magnetischen Schichten aus einem ferromagnetischen Material gefertigt sind.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das ferromagnetische Material wenigstens eines von CoFeB, CoFe, NiFe, CoFePt, CoFePd, CoFeCr, CoFeTb, CoFeGd oder CoFeNi ist.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die magnetischen Schichten eine Dicke im Bereich von etwa 1 Ǻ bis etwa 3 Ǻ aufweisen.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die magnetischen Schichten eine Dicke in einem Bereich von etwa 3 Ǻ bis etwa 17 Ǻ aufweisen.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten in direktem Kontakt mit den magnetischen Schichten stehen.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten aus sauerstoff-enthaltendem Material bestehen.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden Schichten ein Metalloxid sind.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Metalloxid wenigstens eines aus Magnesiumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumzinkoxid, Hafniumoxid, oder Magensiumboroxid ist.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten wenigstens eines von Ta, Ti, U, Ba, Zr, Al, Sr, Hf, La, Ce, Sm, Mg, Th, Ca, Sc oder Y ist.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schichten einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen als die magnetischen Schichten oder die die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schichten eine geringere Dicke aufweisen als die magnetischen Schichten oder die die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht.
Die magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten.
Die magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht aus Edelmetall und/oder Kupfer gebildet ist.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Edelmetall wenigstens eines von Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt) oder Gold (Au).
Die magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht aus wenigstens einem von einem Material mit einem elektrischen Widerstand geringer als Tantal oder Titan gebildet ist.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: ein Substrat; wobei die erste Struktur eine untere Struktur ist, die näher am Substrat angeordnet ist und wobei die zweite Struktur eine obere Struktur ist, die weiter entfernt vom Substrat angeordnet ist.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 21, wobei die magnetischen Schichten der zweiten Struktur freie magnetische Schichten sind.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 21, wobei die erste Struktur feste magnetische Schichten enthält.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 21, weiterhin umfassend: eine oberste Elektrode auf der die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: ein Substrat; wobei die erste Struktur eine obere Struktur ist, die weiter von dem Substrat entfernt ist und wobei die zweite Struktur eine untere Struktur ist, die näher an dem Substrat angeordnet ist.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 25, wobei die erste Struktur umfasst wenigstens zwei extrinsische senkrechte Magnetisierungsstrukturen mit jeweils einer magnetischen Schicht und einer die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schicht auf der magnetischen Schicht; eine Metallschicht zwischen zweien der die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten und eine die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltenden-Schicht auf einer der die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Anzahl der wenigstens zwei extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstrukturen der ersten Struktur größer ist als die Anzahl der wenigstens zwei extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstrukturen in der zweiten Struktur.
Eine elektronische Vorrichtung umfassend: einen Guss; eine drahtlos Schnittstelle zum Übertagen zu oder Empfangen von Daten von/zu einem drahtlos Kommunikationsnetzwerk, das mit dem Bus verbunden ist; einer mit dem Bus verbundenen I/O Vorrichtung; einem mit dem Bus verbundenen Steuervorrichtung; und einem Speicher mit einer mit dem Bus verbundenen Halbleitervorrichtung mit einer magnetischen Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3, die geeignet ist um einen von der Steuervorrichtung genutzten Befehlscode oder Nutzerdaten zu speichern
Ein Speichersystem umfassend: eine Speichervorrichtung mit einer Halbleitervorrichtung mit der magnetischen Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 3 zum Daten speichern und; einer Speichersteuervorrichtung die geeignet ist um die Speichervorrichtung zu steuern um in Antwort auf eine Lese/Schreibanforderung eines Hosts Daten, die in der Speichervorrichtung gespeichert sind, zu lesen oder Daten in die Speichervorrichtung zu schreiben.
Eine magnetische Tunnelkontaktvorrichtung umfasst: eine erste Struktur mit einer festen magnetischen Schicht; eine Tunnelbarriere auf der ersten Struktur; eine zweite Struktur auf der Tunnelbarriere, wobei die zweite Struktur umfasst: eine erste magnetische Schicht auf der Tunnelbarriere, eine erste eine Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schicht auf der ersten magnetischen Schicht, eine Austauschkopplungsschicht auf der ersten die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht, eine zweite die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht auf der Austauschkopplungsschicht, eine zweite magnetische Schicht auf der zweiten die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht, eine dritte eine Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht auf der zweiten magnetischen Schicht.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 30, weiterhin umfassend: eine Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht auf der dritten Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schicht.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 31, wobei jede magnetische Schicht eine geringere Sauerstoffaffinität hat als jede der Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 31, wobei jede Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht eine geringere Sauerstoffaffinität aufweist als jede Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufende-Schicht.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 30, wobei die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten aus einem Metalloxid gebildet sind.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 34, wobei das Metalloxid wenigstens eines von Magnesiumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumzinkoxid, Hafniumoxid, oder Magnesiumboroxid ist.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 31, wobei die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten wenigstens eines von Ta, Ti, U, Ba, Zr, Al, Sr, Hf, La, Ce, Sm, Mg, Th, Ca, Sc, oder Y ist.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 31, wobei die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen als die magnetischen Schichten oder die die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 31, wobei die die Senkrechte-Magnetisierung-Hervorrufenden-Schichten eine geringere Dicke aufweisen als die magnetischen Schichten oder die die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 31, weiterhin umfassen: ein Substrat; wobei die erste Struktur eine untere Struktur ist, die näher an dem Substrat angeordnet ist und wobei die zweite Struktur eine obere Struktur ist, die weiter entfernt von Substrat angeordnet ist.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 39, wobei die magnetischen Schichten in der zweiten Struktur freie magnetische Schichten sind.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 39, wobei die erste Struktur feste magnetische Schichten enthält.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 39, weiterhin umfassend: eine oberste Elektrode auf der die Senkrechte-Magnetisierung-Erhaltende-Schicht.
Magnetische Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 32, weiterhin umfassend: ein Substrat; wobei die erste Struktur eine obere Struktur ist die weiter vom Substrat entfernt angeordnet ist und wobei die zweite Struktur eine untere Struktur ist, die näher am Substrat angeordnet ist.
Eine elektronische Vorrichtung umfassend: einen Bus; eine drahtlos Schnittstelle geeignet um Daten von einem mit dem Bus verbundenen Kommunikationsnetzwerk zu Übertragen oder zu Empfangen; eine mit dem Bus verbundene I/O Vorrichtung; eine mit dem Bus verbundene Steuervorrichtung; und einem Speicher mit einer mit dem Bus verbundenen Halbleitervorrichtung mit der magnetischen Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 31 geeignet um einen von der Steuervorrichtung genutzten Befehlscode oder Benutzerdaten zu speichern.
Speichersystem umfassend: eine Speichervorrichtung mit einer Halbleitervorrichtung mit der magnetischen Tunnelkontaktvorrichtung nach Anspruch 31 zum Speichern von Daten; und einer Speichersteuervorrichtung geeignet um in Antwort um auf eine Lese/Schreibanforderung eines Hosts die Speichervorrichtung zu steuern um in der Speichervorrichtung gespeicherte Daten zu lesen oder um Daten in die Speichervorrichtung zu schreiben.