DE102012213109A1

DE102012213109A1 - MTJ-Bauelement, Verfahren zur Herstellung desselben, elektronisches Bauelement und Speichersystem

Info

Publication number: DE102012213109A1
Application number: DE102012213109A
Authority: DE
Inventors: Jeongheon Park; Sechung Oh; Woojin Kim; Sang Hwan Park; Jangeun Lee; Woo Chang Lim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2013-06-13
Also published as: CN102683580B; CN102683580A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Tunnelübergangs(MTJ)-Bauelement, auf ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie auf ein elektronisches Bauelement und ein Speichersystem, die damit ausgerüstet sind. Ein MTJ-Bauelement gemäß der Erfindung beinhaltet eine fixierte magnetische Struktur, eine freie magnetische Struktur und eine Tunnelbarriere dazwischen, wobei wenigstens eine der fixierten magnetischen Struktur und der freien magnetischen Struktur eine eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht (PMP), eine magnetische Schicht (MGL) zwischen der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht und der Tunnelbarriere sowie eine eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht (PMI) zwischen der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht und der magnetischen Schicht beinhaltet. Verwendung z. B. in der Halbleiterspeichertechnologie.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Tunnelübergangs(MTJ)-Bauelement, auf ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie auf ein elektronisches Bauelement und ein damit ausgerüstetes Speichersystem.
Mit zunehmender Verwendung von tragbaren Computergeräten und drahtlosen Kommunikationsgeräten erfordern Speicherbauelemente eine höhere Dichte, eine geringere Leistung und/oder nicht-flüchtige Eigenschaften. Magnetische Speicherbauelemente sind in der Lage, den vorstehend erwähnten technischen Anforderungen zu genügen.
Ein beispielhafter Datenspeichermechanismus für ein magnetisches Speicherbauelement ist ein Tunnelmagnetwiderstands(TMR)-Effekt eines MTJ. Zum Beispiel wurde ein magnetisches Speicherbauelement mit einem MTJ derart entwickelt, dass ein MTJ ein TMR-Verhältnis von mehreren hundert bis mehreren tausend Prozent aufweist. Mit Reduzierung von Strukturabmessungen kann jedoch die Bereitstellung eines thermisch stabilen MTJ schwieriger werden.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines MTJ-Bauelements mit verbesserter thermischer Stabilität und die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines derartigen MTJ-Bauelements sowie die Bereitstellung eines elektronischen Bauelements und eines damit ausgerüsteten Speichersystems zugrunde.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines MTJ-Bauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 16, eines elektronischen Bauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 23, eines Speichersystems mit den Merkmalen des Anspruchs 24 und eines Verfahrens zur Herstellung eines magnetischen Bauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 25 oder 34. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend detaillierter beschrieben und sind in den Zeichnungen gezeigt, in denen:
1 ein schematisches Schaltbild einer Einheitszelle eines magnetischen Speicherbauelements ist,
2 bis 6 Schaltbilder sind, die Auswahlbauelemente, die in der Zelle von 1 verwendet werden können, exemplarisch darstellen,
7 eine schematische Ansicht ist, die einen ersten Typ von MTJ zur Verwendung in der Zelle von 1 darstellt,
8 eine schematische Ansicht ist, die einen zweiten Typ von MTJ zur Verwendung in der Zelle von 1 darstellt,
9 eine perspektivische Ansicht ist, die eine extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur zur Verwendung als ein Teil eines MTJ darstellt,
10A und 10B Diagramme sind, die einige Aspekte der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur darstellen,
11 ein Diagramm ist, das weitere Aspekte der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur darstellt,
12 ein Diagramm ist, das noch weitere Aspekte der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur darstellt,
13 eine Tabelle ist, die eine exemplarische Klassifizierung von unteren und oberen Strukturen eines MTJ zeigt,
14 bis 17 Schnittansichten der unteren Strukturen sind,
18 bis 21 Schnittansichten der oberen Strukturen sind,
22 eine Tabelle ist, die eine exemplarische Klassifizierung des ersten Typs von MTJ zeigt,
23 bis 25 Schnittansichten sind, die den ersten Typ von MTJ exemplarisch darstellen,
26 eine Tabelle ist, die eine exemplarische Klassifizierung des zweiten Typs von MTJ zeigt,
27 bis 29 Schnittansichten sind, die den zweiten Typ von MTJ exemplarisch darstellen,
30 ein schematisches Schaltbild einer weiteren, modifizierten Einheitszelle eines magnetischen Speicherbauelements ist,
31 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zur Herstellung eines MTJ exemplarisch darstellt,
32 ein Diagramm ist, das einige Aspekte des mittels des Verfahrens von 31 hergestellten MTJ darstellt,
33 ein Flussdiagramm ist, das ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines MTJ exemplarisch darstellt,
34 ein Diagramm ist, das einige Aspekte des mittels des Verfahrens von 33 hergestellten MTJ darstellt,
35 ein experimentelles Diagramm ist, das einige magnetische Eigenschaften eines MTJ exemplarisch zeigt,
36 ein experimentelles Diagramm ist, das weitere magnetische Eigenschaften eines MTJ exemplarisch zeigt, und
37 und 38 schematische Blockdiagramme sind, die elektronische Bauelemente darstellen, die ein Halbleiterbauelement mit einem MTJ-Bauelement beinhalten.
Es ist zu erwähnen, dass diese Figuren dazu gedacht sind, die allgemeinen Charakteristika von Verfahren, Struktur und/oder Materialien darzustellen, die in bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, und die nachstehend bereitgestellte Beschreibung zu ergänzen. Die Zeichnungen sind jedoch nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und spiegeln die präzisen strukturellen oder leistungsbezogenen Charakteristika irgendeiner gegebenen Ausführungsform möglicherweise nicht präzise wider und sollten nicht so interpretiert werden, dass sie den Bereich von Werten oder Eigenschaften, die von beispielhaften Ausführungsformen umfasst werden, definieren oder beschränken. Zum Beispiel können die relativen Dicken und die relative Positionierung von Molekülen, Schichten, Bereichen und/oder strukturellen Elementen zwecks Klarheit reduziert oder übertrieben dargestellt sein. Die Verwendung von ähnlichen oder identischen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen ist dazu gedacht, das Vorhandensein eines ähnlichen oder identischen Elements oder Merkmals anzuzeigen.
Nunmehr werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen vollständiger beschrieben. Die Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt sein und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die hierin dargelegten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist; stattdessen sind diese beispielhaften Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Beschreibung umfassend und vollständig ist und dem Fachmann das Konzept der Erfindung vollständig vermittelt.
Es versteht sich, dass wenn ein Element als ”verbunden” oder ”gekoppelt” mit einem anderen Element bezeichnet wird, dieses direkt verbunden oder gekoppelt mit dem anderen Element sein kann oder zwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu sind keine zwischenliegenden Elemente vorhanden, wenn ein Element als ”direkt verbunden” oder ”direkt gekoppelt” mit einem anderen Element bezeichnet wird. Weitere Ausdrücke, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen oder Schichten verwendet werden, sollten in einer ähnlichen Weise ausgelegt werden (z. B. ”zwischen” im Gegensatz zu ”direkt zwischen”, ”benachbart” im Gegensatz zu ”direkt benachbart”, ”auf” im Gegensatz zu ”direkt auf”).
Räumlich relative Ausdrücke, wie ”unterhalb”, ”unter”, ”untere”, ”über”, ”obere” und dergleichen, können hierin zur leichteren Beschreibung so verwendet werden, dass sie die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren weiteren Elementen oder Merkmalen beschreiben, wie in den Zeichnungen dargestellt. Es versteht sich, dass die räumlich relativen Ausdrücke dazu gedacht sind, verschiedene Orientierungen des Bauelements bei der Verwendung oder im Betrieb zusätzlich zu der in den Zeichnungen dargestellten Orientierung zu umfassen.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden hierin unter Bezugnahme auf Querschnittdarstellungen beschrieben, die schematische, idealisierte Darstellungen sind. Derart sind Abweichungen von den Formen der Darstellungen zum Beispiel als ein Ergebnis von Herstellungstechniken und/oder -toleranzen zu erwarten. Zum Beispiel kann ein als ein Rechteck dargestellter implantierter Bereich abgerundete oder gekrümmte Merkmale und/oder einen Gradienten der Implantationskonzentration an seinen Kanten anstelle einer binären Änderung vom implantierten zum nicht-implantierten Bereich aufweisen. In ähnlicher Weise kann ein mittels Implantation gebildeter, vergrabener Bereich in einer gewissen Implantation in dem Bereich zwischen dem vergrabenen Bereich und der Oberfläche resultieren, durch welche die Implantation stattfindet.
1 stellt exemplarisch eine Einheitszelle 100 von magnetischen Speicherbauelementen gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung dar. Bezugnehmend auf 1 ist die Einheitszelle 100 zwischen einer ersten und zweiten Zwischenverbindungsleitung 10 und 20 angeordnet, die einander kreuzen. Die Einheitszelle 100 ist seriell mit der ersten und zweiten Verbindungsleitung 10 und 20 verbunden. Die Einheitszelle 100 beinhaltet ein Auswahlelement 30 und einen magnetischen Tunnelübergang MTJ. Das Auswahlelement 30 und der magnetische Tunnelübergang MTJ sind seriell elektrisch miteinander verbunden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird eine der ersten und zweiten Zwischenverbindungsleitung 10 und 20 als eine Wortleitung verwendet, und die andere wird als eine Bitleitung verwendet.
Das Auswahlelement 30 ist so konfiguriert, dass es selektiv einen elektrischen Strom steuert, der den magnetischen Tunnelübergang MTJ durchläuft. Wie zum Beispiel in den 2 bis 6 gezeigt, kann das Auswahlelement 30 eines von einer Diode, einem pnp-Bipolartransistor, einem npn-Bipolartransistor, einem NMOS-Feldeffekttransistor (FET) und einem PMOS-FET sein. In dem Fall, dass das Auswahlelement 30 ein Schaltbauelement mit drei Anschlüssen ist, wie ein Bipolartransistor und/oder ein MOSFET, kann eine zusätzliche Zwischenverbindungsleitung (nicht gezeigt) mit dem Auswahlelement 30 verbunden sein.
Der magnetische Tunnelübergang MTJ beinhaltet eine untere Struktur 41, eine obere Struktur 42 und eine Tunnelbarriere 50 dazwischen. Jede der unteren und oberen Struktur 41 und 42 beinhaltet wenigstens eine magnetische Schicht, die aus einem magnetischen Material gebildet ist.
Eine der magnetischen Schichten ist so konfiguriert, dass sie eine feste Magnetisierungsrichtung aufweist, die durch ein externes magnetisches Feld, das unter üblichen Umständen erzeugt wird, nicht verändert wird. Im Folgenden wird zur einfachen Beschreibung ein Ausdruck 'gepinnte Schicht PL' verwendet, um die magnetische Schicht mit der festen Magnetisierungseigenschaft zu repräsentieren. Im Gegensatz dazu ist die andere der magnetischen Schichten so konfiguriert, dass sie eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die mittels eines daran angelegten externen magnetischen Felds umschaltbar ist. Im Folgenden wird ein Ausdruck 'freie Schicht FRL' verwendet, um die magnetische Schicht mit der umschaltbaren Magnetisierungseigenschaft zu repräsentieren. Das heißt, der magnetische Tunnelübergang MTJ beinhaltet, wie in den 7 und 8 gezeigt, wenigstens eine freie Schicht FRL und wenigstens eine gepinnte Schicht PL, die durch die Tunnelbarriere 50 getrennt sind.
Der elektrische Widerstand des magnetischen Tunnelübergangs MTJ kann sensitiv auf eine relative Orientierung von Magnetisierungsrichtungen der freien und gepinnten Schicht FRL und PL sein. Der elektrische Widerstand des magnetischen Tunnelübergangs MTJ kann zum Beispiel weit höher sein, wenn die relative Orientierung antiparallel ist, als wenn sie parallel ist. Dies bedeutet, dass der elektrische Widerstand des magnetischen Tunnelübergangs MTJ mittels Ändern der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht FRL gesteuert werden kann. Die magnetischen Speicherbauelemente gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung können basierend auf diesem Datenspeichermechanismus realisiert werden.
Wie in den 7 und 8 gezeigt, können die untere und obere Struktur 41 und 42 des magnetischen Tunnelübergangs MTJ sequentiell auf einem Substrat SUB gebildet werden. In beispielhaften Ausführungsformen kann der magnetische Tunnelübergang MTJ entsprechend einer relativen Konfiguration zwischen der freien Schicht FRL und dem Substrat SUB oder einer Bildungsreihenfolge der freien Schicht FRL und der gepinnten Schicht PL zum Beispiel in zwei Typen klassifiziert werden: (a) einen ersten Typ eines magnetischen Tunnelübergangs MTJ1, der in einer solchen Weise konfiguriert ist, dass die untere und obere Struktur 41 und 42 die gepinnte Schicht PL beziehungsweise die freie Schicht FRL beinhalten, wie in 7 gezeigt, und (b) einen zweiten Typ eines magnetischen Tunnelübergangs MTJ2, der in einer solchen Weise konfiguriert ist, dass die untere und obere Struktur 41 und 42 die freie Schicht FRL beziehungsweise die gepinnte Schicht PL beinhalten, wie in 8 gezeigt.
9 stellt exemplarisch eine extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur dar, die als ein Teil eines MTJ gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt sein kann, und die 10A und 10B sind Diagramme, die einige Aspekte der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur darstellen.
Gemäß einigen Aspekten der Erfindung konfiguriert wenigstens eine der unteren Struktur 41 und der oberen Struktur 42 eine extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMA. In einigen beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS eine magnetische Schicht MGL, eine eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP und/oder eine eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI, die zwischen die magnetische Schicht MGL und die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP eingefügt ist, wie in 9 gezeigt. Die magnetische Schicht MGL der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur EPMS kann als die magnetische Schicht verwendet werden, die in der unteren Struktur 41 und der oberen Struktur 42 enthalten ist. Mit anderen Worten kann die freie oder gepinnte Schicht FRL oder PL die magnetische Schicht MGL der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur EPMS sein.
Die magnetische Schicht MGL kann ein ferromagnetisches Material beinhalten. Zum Beispiel kann die magnetische Schicht MGL aus wenigstens einem von CoFeB, CoFe, NiFe, CoFePt, CoFePd, CoFeCr, CoFeTb, CoFeGd oder CoFeNi gebildet sein. Außerdem kann die magnetische Schicht MGL in einer Form einer dünnen Struktur bereitgestellt sein, deren senkrechte Dicke weit geringer als horizontale Längen derselben ist. Zum Beispiel kann eine Dicke der magnetischen Schicht MGL in einem Bereich von etwa 0,1 nm bis etwa 3 nm liegen. Spezieller kann die Dicke der magnetischen Schicht MGL in einem Bereich von etwa 0,3 nm bis etwa 1,7 nm liegen. In beispielhaften Ausführungsformen weist die magnetische Schicht MGL infolge magnetischer Anisotropie, die durch die geometrische Form der magnetischen Schicht MGL verursacht wird, eine Magnetisierungsrichtung auf, die auf eine Ebene (z. B. die xy-Ebene) parallel zu einer Oberseite derselben beschränkt ist. Im Folgenden wird diese magnetische Eigenschaft der magnetischen Schicht MGL als 'intrinsische horizontale Magnetisierungseigenschaft' bezeichnet. Das heißt, die magnetische Schicht MGL kann eine intrinsische horizontale magnetische Schicht mit der intrinsischen horizontalen Magnetisierungseigenschaft sein.
In modifizierten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist die magnetische Schicht MGL eine intrinsische senkrechte magnetische (IPM) Schicht mit einer intrinsischen senkrechten Magnetisierungseigenschaft. Das heißt, die magnetische Schicht MGL kann eine Magnetisierungsrichtung aufweisen, die spontan senkrecht zu der xy-Ebene oder der Oberseite derselben orientiert ist. Zum Beispiel kann die magnetische Schicht MGL wenigstens eines von a) CoFeTb, bei dem der relative Gehalt an Tb 10% oder mehr beträgt, b) CoFeGd, bei dem der relative Gehalt an Gd 10% oder mehr beträgt, c) CoFeDy, d) FePt mit einer L1₀-Struktur, e) FePd mit einer L1₀-Struktur, f) CoPd mit einer L1₀-Struktur, g) CoPt mit einer L1₀-Struktur, h) CoPt mit einer hexagonal dichten Packungs(HCP)-Struktur, i) Legierungen, die wenigstens eines der Materialien enthalten, die in den Punkten a) bis h) dargestellt sind, oder j) eine Mehrschichtstruktur beinhalten, die abwechselnd gestapelte magnetische und nicht-magnetische Schichten beinhaltet. Die Mehrschichtstruktur, die abwechselnd gestapelte magnetische und nicht-magnetische Schichten beinhaltet, 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 beinhalten, wobei der Index n die Stapelanzahl bezeichnet.
Die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI kann so ausgebildet sein, dass sie sich in direktem Kontakt mit der magnetischen Schicht MGL befindet, und diese direkt kontaktierende Konfiguration ermöglicht es, eine Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht MGL von parallel in senkrecht zu einer Oberseite der magnetischen Schicht MGL zu ändern. Das heißt, die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI kann als ein externer Faktor für die magnetische Schicht MGL dienen, um die senkrechte Magnetisierungseigenschaft aufzuweisen. In diesem Sinn kann die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI und die magnetische Schicht MGL, die in Kontakt miteinander sind, eine magnetische Struktur mit einer extrinsischen senkrechten Magnetisierungseigenschaft bilden (z. B. die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur). Im Folgenden kann die magnetische Schicht MGL in der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur als 'eine extrinsische senkrechte magnetische (EPM) Schicht' bezeichnet werden.
Die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI kann ein sauerstoffhaltiges Material sein. In einigen beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI wenigstens eines von Metalloxiden. Zum Beispiel kann die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI aus wenigstens einem von Magnesiumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumzinkoxid, Hafniumoxid oder Magnesiumboroxid bestehen. In beispielhaften Ausführungsformen weist die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der höher als jener der magnetischen Schicht MGL oder der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht PMP ist. In beispielhaften Ausführungsformen ist ein elektrischer Widerstand des magnetischen Tunnelübergangs MTJ stark abhängig von dem spezifischen elektrischen Widerstand der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI. Um diese Abhängigkeit zu reduzieren, kann die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI so gebildet sein, dass sie dünn ist. Zum Beispiel kann die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI so gebildet sein, dass sie eine Dicke aufweist, die geringer als jene der magnetischen Schicht MGL oder der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht PMP ist.
Die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP kann aus einem Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand gebildet sein, der niedriger als jener der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI ist. Zum Beispiel kann die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP aus wenigstens einem von Edelmetallen (wie Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt) oder Gold (Au)) oder Kupfer gebildet sein. Gemäß einigen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP aus wenigstens einem von Materialien mit einem spezifischen elektrischen Widerstand gebildet, der niedriger als jener von Tantal oder Titan ist.
Außerdem ist gemäß einigen Aspekten der Erfindung ein Teil der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht PMP, der mit der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI in Kontakt ist, aus einem Material gebildet, das kaum mit Sauerstoffatomen reagiert. Die vorstehend beschriebenen Edelmetalle oder das Kupfer können als ein Material gewählt werden, das dieser Anforderung für die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP genügt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP aus einem Material gebildet sein, das selbst während nachfolgenden Prozessschritten oder unter normalen Betriebsbedingungen kaum mit Sauerstoffatomen reagiert.
Wie zum Beispiel in 10A gezeigt, kann die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP ein Material mit einer Sauerstoffaffinität sein, die geringer als jene von metallischen Elementen ist, welche die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI bilden. In beispielhaften Ausführungsformen ist die Sauerstoffaffinität durch die Standardenthalpie der Reaktion zur Bildung eines Metalloxids (ΔH⁰ _f [kJ/mol Sauerstoff]) repräsentiert, wie in 10B gezeigt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist die Standardenthalpie der Reaktion ΔH⁰ _f der metallischen Elemente, welche die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI bilden, geringer als etwa –500 [kJ/mol Sauerstoff], und die Standardenthalpie der Reaktion ΔH⁰ _f der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht PMP ist größer als –300 [kJ/mol Sauerstoff]. Das heißt, die Standardenthalpie der Reaktion kann für die metallischen Elemente, welche die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI bilden, größer als für die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP sein, was den Absolutwert betrifft. In einigen beispielhaften Ausführungsformen sind die metallischen Elemente, welche die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI bilden, wenigstens eines von Ta, Ti, U, Ba, Zr, Al, Sr, Hf, La, Ce, Sm, Mg, Th, Ca, Sc oder Y, und die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP kann wenigstens eines von Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Cu, Re oder Pb beinhalten. Wie in den 10A oder 10B gezeigt, kann die magnetische Schicht MGL aus einem Material mit einer Sauerstoffaffinität gebildet sein, die geringer als jene der metallischen Elemente, welche die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI bilden, und höher als jene der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht PMP ist. In beispielhaften Ausführungsformen kann eine chemische Reaktivität mit Sauerstoff mittels verschiedener physikalischer Größen dargestellt werden. Zum Beispiel können physikalische Größen, wie ein Oxidationspotential oder eine freie Energie bei der Oxidation, anstelle der Sauerstoffaffinität oder der Standardenthalpie der Reaktion zur quantitativen Darstellung der chemischen Reaktivität mit Sauerstoff verwendet werden.
11 stellt weitere Aspekte der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur dar. Bezugnehmend auf 11 kann die extrinsische senkrechte Magnetisierungseigenschaft aus einer chemischen Kombination von Atomen in der magnetischen Schicht MGL und Sauerstoffatomen in der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI resultieren. In beispielhaften Ausführungsformen kann, wie in 11 gezeigt, ein Übergangsbereich TR, dessen Sauerstoffgehalt höher als jener der magnetischen Schicht MGL und niedriger als jener der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI ist, zwischen der magnetischen Schicht MGL und der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI ausgebildet sein. In einigen beispielhaften Ausführungsformen besteht kein Grund, dass der Sauerstoffgehalt in dem Übergangsbereich TR linear sein sollte. Zum Beispiel kann der Sauerstoffgehalt in dem Übergangsbereich TR monoton innerhalb einer spezifischen Einhüllenden ENV variieren, wie in 11 gezeigt.
Alternativ kann die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP aus einem Material gebildet sein, das selbst während nachfolgender Prozesse oder unter normalen Betriebsbedingungen kaum mit Sauerstoffatomen reagiert. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI, wie in 11 gezeigt, so gebildet sein, dass sie einen begrenzten Sauerstoffgehalt aufweist, und die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP kann so gebildet sein, dass sie einen im Wesentlichen infinitesimalen Sauerstoffgehalt aufweist. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann sich der Sauerstoffgehalt an einer Grenzfläche zwischen der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI und der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht PMP abrupt ändern. Das heißt, ein absoluter Wert eines Gradienten des Sauerstoffgehalts kann an der Grenzfläche zwischen der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI und der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht PMP höher als an dem Übergangsbereich TR sein.
In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann der Übergangsbereich TR in dem gesamten Bereich der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI gebildet sein. In dem Graph von 11 kann zum Beispiel ein Gradient des Sauerstoffgehalts in z-Richtung einen finiten, nicht-verschwindenden Wert in dem gesamten Bereich der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI oder zwischen der magnetischen Schicht MGL und der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht PMP aufweisen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der Sauerstoffgehalt der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI in einem Bereich benachbart zu der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht PMP höher als in einem anderen Bereich benachbart zu der magnetischen Schicht MGL sein.
12 stellt noch weitere Aspekte einer extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur dar. Die Bildung des magnetischen Speicherbauelements kann des Weiteren Prozessschritte beinhalten (zum Beispiel wenigstens einen thermischen Behandlungsschritt, einen Verdrahtungsschritt und so weiter), die nach der Bildung der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI und der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht PMP durchgeführt werden. Wie in 12 gezeigt, kann der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI eine thermische Energie zugeführt werden, die während dieser nachfolgenden Prozessschritte oder durch den normalen Betrieb des Anwenders erzeugt werden kann. Diese thermische Energie kann Sauerstoffatome von der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI dissoziieren.
In dem Fall jedoch, in dem die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP mit der niedrigen Sauerstoffaffinität ausgebildet ist, um die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI zu bedecken, ist es möglich zu verhindern, dass die dissoziierten Sauerstoffatome von der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI weg diffundieren. Wenn zum Beispiel die thermische Energie nicht von außerhalb des magnetischen Tunnelübergangs MTJ zugeführt wird, können die dissoziierten Sauerstoffatome in ihren chemisch stabilen Zustand zurückgeführt werden. Hierbei können in dem Fall, dass, wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP aus einem Material mit einer geringen Sauerstoffaffinität gebildet ist, die dissoziierten Sauerstoffatome mit Metallelementen rekombiniert werden, welche die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI, nicht die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP bilden. Das heißt, die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI kann vor der Zufuhr der thermischen Energie in ihren Originalzustand zurückgeführt werden.
Wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, kann jede der unteren und oberen Struktur 41 und 42 eine magnetische Schicht beinhalten, und gemäß ihrer Funktion kann die magnetische Schicht in die freie Schicht FRL oder die gepinnte Schicht PL klassifiziert werden, wie unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben. Wenn außerdem ein externes induzierendes Element (z. B. die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI) bereitgestellt ist, kann die magnetische Schicht als ein Teil der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur EPMS dienen, wie unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die IPM-Schicht mit der vorstehend beschriebenen intrinsischen senkrechten Magnetisierungseigenschaft als eine der magnetischen Schichten verwendet werden, die in der unteren und oberen Struktur 41 und 42 enthalten sind. Mit anderen Worten ist eine der magnetischen Schichten, die in der unteren und oberen Struktur 41 und 42 enthalten sind, so konfiguriert, dass sie die senkrechte Magnetisierungseigenschaft aufweist, selbst wenn kein externes induzierendes Element, wie die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI der extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstruktur EPMS, vorhanden ist. Zum Beispiel kann die IPM-Schicht eines von a) CoFeTb, bei dem der relative Gehalt von Tb 10% oder mehr beträgt, b) CoFeGd, bei dem der relative Gehalt von Gd 10% oder mehr beträgt, c) CoFeDy, d) FePt mit L1₀-Struktur, e) FePd mit L1₀-Struktur, f) CoPd mit L1₀-Struktur, g) CoPt mit L1₀-Struktur, h) CoPt mit hexagonal dichter Packungs(HCP)-Struktur, i) Legierungen, die wenigstens eines der in den Punkten a) bis h) dargestellten Materialien enthalten, oder j) eine Mehrschichtstruktur beinhalten, die abwechselnd gestapelte magnetische und nicht-magnetische Schichten beinhaltet. Die Mehrschichtstruktur, welche die abwechselnd gestapelten magnetischen und nicht-magnetischen Schichten beinhaltet, 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 beinhalten, wobei der Index n die Stapelanzahl bezeichnet.
Zusammengefasst kann jede der magnetischen Schichten, die den magnetischen Tunnelübergang MTJ bilden, in verschiedenen Weisen entsprechend ihrer Position, Funktion und Ursprung der lotrechten Richtung in der Magnetisierungsrichtung klassifiziert werden, wie exemplarisch in 13 gezeigt. Die 14 bis 21 zeigen exemplarisch die untere oder obere Struktur 41 oder 42 mit einer magnetischen Schicht gemäß dieser Klassifikation.
Bezugnehmend auf 13 kann entsprechend einer Positionsklassifikation jede der magnetischen Schichten in dem magnetischen Tunnelübergang MTJ eine magnetische Schicht 210 oder 215 für die untere Struktur 41, wie in den 14 bis 17 gezeigt, oder eine magnetische Schicht 310 oder 315 für die obere Struktur 42 sein, wie in den 18 bis 21 gezeigt. Das heißt, die untere Struktur 41 kann eine der in den 14 bis 17 gezeigten ersten bis vierten unteren Strukturen 201, 202, 203 und 204 sein, und die obere Struktur 42 kann eine der in den 18 bis 21 gezeigten ersten bis vierten oberen Strukturen 301, 302, 303 und 304 sein.
Entsprechend einer Funktionsklassifikation kann außerdem die magnetische Schicht 210, 215, 310 und 315 als die freie Schicht FRL mit einer umschaltbaren Magnetisierungseigenschaft, wie exemplarisch in den 14, 16, 18 und 20 dargestellt, oder als die gepinnte Schicht PL mit einer festen Magnetisierungseigenschaft verwendet werden, wie exemplarisch in, den 15, 17, 19 und 21 dargestellt. Das heißt, die erste und dritte untere Struktur 201 und 203 sowie die erste und dritte obere Struktur 301 und 303 können so konfiguriert sein, dass sie die freie Schicht FRL beinhalten, und die zweite und vierte untere Struktur sowie die zweite und vierte obere Struktur 302 und 304 können so konfiguriert sein, dass sie die gepinnte Schicht PL beinhalten.
Bezugnehmend auf die 15, 17, 19 und 21 kann die untere oder obere Struktur 41 oder 42 in dem Fall, dass die magnetische Schicht 210, 215, 310 oder 315 als die gepinnte Schicht PL verwendet wird, des Weiteren eine Pinning-Schicht 240 oder 340 beinhalten, welche die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 210, 215, 310 oder 315 fixiert. Das heißt, die zweite und vierte untere Struktur 202 und 204 sowie die zweite und vierte obere Struktur 302 und 304 können des Weiteren die Pinning-Schicht 240 oder 340 beinhalten.
Gemäß einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die Pinning-Schicht 240 oder 340 so konfiguriert sein, dass sie eine synthetische antiferromagnetische (SAF) Struktur aufweist. Zum Beispiel kann die Pinning-Schicht 240 oder 340 so konfiguriert sein, dass sie ein Paar der intrinsischen horizontalen magnetischen Schichten und eine dazwischen eingefügte Austauschkopplungsschicht beinhaltet. Die Austauschkopplungsschicht kann aus einem der Edelmetalle gebildet sein.
Gemäß weiteren beispielhaften Ausführungsformen ist die Pinning-Schicht 240 oder 340, wie exemplarisch in den 15 und 19 gezeigt, so konfiguriert, dass sie eine Mehrschichtstruktur mit einer ersten Pinning-Schicht 241 oder 341 und einer zweiten Pinning-Schicht 242 oder 342 aufweist. In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist die erste Pinning-Schicht 241 oder 341 so konfiguriert, dass sie die vorstehend erwähnte SAF-Struktur aufweist, und die zweite Pinning-Schicht 242 oder 342 kann die vorstehend beschriebene IPM-Schicht sein.
Wieder Bezug nehmend auf 13 kann die magnetische Schicht, die als die freie Schicht FRL dient, oder die gepinnte Schicht PL gemäß einer Klassifikation basierend auf dem Ursprung der senkrechten Magnetisierung eine extrinsische senkrechte magnetische (EPM) Schicht 210 oder 310, deren senkrechte Magnetisierung ihren Ursprung in einem externen Faktor hat, oder eine IPM-Schicht 215 oder 315 sein, deren senkrechte Magnetisierung ihren Ursprung in einem internen Faktor hat. Die EPM-Schicht 210 oder 310 kann so gebildet sein, dass sie sich in direktem Kontakt mit einer eine senkrechte Magnetisierung induzierenden (PMI) Schicht 220 oder 320 befindet, welche die senkrechte Magnetisierung derselben verursacht, wie in den 14, 15, 18 und 19 gezeigt. Die PMI-Schicht 220 oder 320 kann so konfiguriert sein, dass sie die gleichen technischen Merkmale wie die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI aufweist, die unter Bezugnahme auf 9 beschrieben ist. Demgemäß können die EMP-Schicht 210 oder 310 und die PMI-Schicht 220 oder 320 die unter Bezugnahme auf 9 beschriebene, extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS bilden.
In beispielhaften Ausführungsformen, in denen die magnetische Schicht als die EPM-Schicht 210 der unteren Struktur 41 verwendet wird, ist eine eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende (PMP) Schicht 230 unter der EPM-Schicht 210 angeordnet, und die PMI-Schicht 220 ist zwischen die PMP-Schicht 230 und die EPM-Schicht 210 eingefügt, wie in den 14 und 15 gezeigt. Das heißt, die PMI-Schicht 220 und die EPM-Schicht 210 sind sequentiell auf der PMP-Schicht 230 gestapelt. Des Weiteren kann in dem Fall, dass die magnetische Schicht als die EPM-Schicht 310 der oberen Struktur 42 verwendet wird, eine PMP-Schicht 330 auf der EPM-Schicht 330 angeordnet sein, und die PMI-Schicht 320 kann zwischen die EPM-Schicht 310 und die PMP-Schicht 330 eingefügt sein, wie in den 18 und 19 gezeigt. Das heißt, die PMI-Schicht 320 und die PMP-Schicht 330 können sequentiell auf der EPM-Schicht 310 gestapelt sein.
Die PMP-Schicht 230 und 330 kann aus einem Material gebildet sein, das kaum mit Sauerstoffatomen reagiert. Zum Beispiel kann die PMP-Schicht 230 und 330 ein Material sein, dessen Sauerstoffaffinität geringer als jene der Metallatome ist, die in der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht PMI enthalten sind. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die PMP-Schicht 230 und 330 aus einem Material gebildet sein, das die Standardreaktionsenthalpie von –300 [kJ/mol Sauerstoff] oder weniger aufweist, und die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI kann eine Verbindung sein, die Metallatome enthält, deren Standardreaktionsenthalpie –300 [kJ/mol Sauerstoff] oder mehr beträgt.
Demgemäß können die PMP-Schicht 230 oder 330, die EPM-Schicht 210 oder 310 und die PMI-Schicht 220 oder 320 die unter Bezugnahme auf 9 beschriebene extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS bilden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die PMP-Schicht 230 und 330 aus wenigstens einem der Edelmetalle oder Kupfer gebildet sein.
Wie in den 15 und 19 exemplarisch gezeigt, können in dem Fall, dass die Pinning-Schichten 240 und 340 die zweiten Pinning-Schichten 242 beziehungsweise 342 beinhalten, die zweiten Pinning-Schichten 242 und 342 im Vergleich zu den ersten Pinning-Schichten 241 und 341 näher bei den PMP-Schichten 230 beziehungsweise 330 liegen. In diesen beispielhaften Ausführungsformen kann die PMP-Schicht 230 oder 330 aus wenigstens einem der Materialien gebildet sein, die eine Austauschkopplung zwischen der EPM-Schicht 210 oder 310 und der zweiten Pinning-Schicht 242 oder 342 ermöglichen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist die EPM-Schicht 210 und 310 so konfiguriert, dass sie eine parallele oder antiparallele Magnetisierungsrichtung bezüglich der zweiten Pinning-Schicht 242 beziehungsweise 342 aufweist.
Die Austauschkopplung kann unter Verwendung einiger der Edelmetalle realisiert werden, die exemplarisch als ein Material für die PMP-Schichten 230 und 330 erwähnt wurden. Zum Beispiel kann die PMP-Schicht 230 oder 330 wenigstens eines von Ruthenium (Ru), Iridium (Ir) oder Rhodium (Rh) beinhalten. In weiteren Ausführungsformen kann die PMP-Schicht 230 und 330 aus wenigstens einem der nicht-magnetischen Metalle, wie Titan (Ti), Tantal (Ta) oder Magnesium (Mg), Oxiden derselben oder Nitriden derselben gebildet sein.
Wie in den 16 und 20 gezeigt, kann die magnetische Schicht als die IPM-Schicht 215 oder 315 hinsichtlich ihres Ursprungs der Vertikalität und als die freie Schicht FRL hinsichtlich ihrer Funktion verwendet werden. Gemäß diesen beispielhaften Ausführungsformen kann eine untere Schicht 235 unter der IPM-Schicht 215 angeordnet sein, oder eine obere Schicht 335 kann auf der IPM-Schicht 315 angeordnet sein. Die untere Schicht 235 und die obere Schicht 335 können aus wenigstens einem Metall gebildet sein. Zum Beispiel können die obere Schicht 335 und die untere Schicht 235 wenigstens eines von Ruthenium (Ru), Tantal (Ta), Palladium (Pd), Titan (Ti), Platin (Pt), Silber (Ag), Gold (Au) oder Kupfer (Cu) beinhalten.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen dient die untere Schicht 235 als eine Kristallkeimschicht zum Aufwachsen der IPM-Schicht 215 darauf. Zum Beispiel kann die untere Schicht 235 in dem Fall, dass die IPM-Schicht 215 aus einem Material mit L1₀-Struktur gebildet ist, eine leitfähige Metallnitridschicht mit der Natriumchloridkristallstruktur beinhalten (z. B. aus Titannitrid, Tantalnitrid, Chromnitrid oder Vanadiumnitrid). Die obere Schicht 335 kann als eine Deckschicht dienen, um die IPM-Schicht 315 darunter zu schützen.
Die ersten bis vierten unteren Strukturen 201, 202, 203 und 204 sowie die ersten bis vierten oberen Strukturen 301, 302, 303 und 304 können zur Realisierung des unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen magnetischen Tunnelübergangs MTJ gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden. In beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet der magnetische Tunnelübergang MTJ die untere Struktur 41, die Tunnelbarriere 50 und die obere Struktur 42, die sequentiell gestapelt sind, wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, und er ist der erste Typ von magnetischem Tunnelübergang MTJ1, der unter Bezugnahme auf 7 beschrieben wurde, oder der zweite Typ von magnetischem Tunnelübergang MTJ2, der unter Bezugnahme auf 8 beschrieben wurde.
Mit anderen Worten kann der erste Typ von magnetischem Tunnelübergang MTJ1, wie in 22 gezeigt, so konfiguriert sein, dass er die untere Struktur 41 mit der gepinnten Schicht PL und die obere Struktur 42 mit der freien Schicht FRL aufweist. Die untere Struktur 41 mit der gepinnten Schicht PL kann die in den 23 und 24 gezeigte zweite untere Struktur 202 oder die in 25 gezeigte vierte untere Struktur 204 sein. Die obere Struktur 42 mit der freien Schicht FRL kann die in den 23 und 25 gezeigte erste obere Struktur 301 oder die in 24 gezeigte dritte obere Struktur 303 sein.
Alternativ kann der zweite Typ von magnetischem Tunnelübergang MTJ2, wie in 26 gezeigt, so konfiguriert sein, dass er die untere Struktur 41 mit der freien Schicht FRL und die obere Struktur 42 mit der gepinnten Schicht PL aufweist. Die untere Struktur 41 mit der freien Schicht FRL kann die in den 27 und 28 gezeigte erste untere Struktur 201 oder die in 29 gezeigte dritte untere Struktur 203 sein. Die obere Struktur 42 mit der gepinnten Schicht PL kann die in den 27 und 29 gezeigte zweite obere Struktur 302 oder die in 28 gezeigte vierte obere Struktur 304 sein.
30 zeigt schematisch eine Einheitszelle eines magnetischen Speicherbauelements gemäß einer modifizierten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Bezugnehmend auf 30 beinhaltet ein magnetischer Tunnelübergang MTJ gemäß dieser Ausführungsform des Weiteren wenigstens eine von einer unteren Elektrodenstruktur 61, die unter der unteren Struktur 41 angeordnet ist, und einer oberen Elektrodenstruktur 62, die auf der oberen Struktur 42 angeordnet ist. Die untere Elektrodenstruktur 61 ist zwischen der ersten Zwischenverbindungsleitung 10 und der unteren Struktur 41 oder zwischen dem Auswahlelement 30 und der unteren Struktur 41 angeordnet, und die obere Elektrodenstruktur 62 ist zwischen der zweiten Zwischenverbindungsleitung 20 und der oberen Struktur 42 angeordnet.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist wenigstens eine der unteren und oberen Elektrodenstruktur 61 und 62 so konfiguriert, dass sie eine Einzelschichtstruktur aufweist. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen ist wenigstens eine der unteren und oberen Elektrodenstruktur 61 und 62 so konfiguriert, dass sie eine Mehrschichtstruktur aufweist. Außerdem beinhalten die untere und obere Elektrodenstruktur 61 und 62 wenigstens eine leitfähige Schicht (z. B. aus Metall). Zum Beispiel kann die leitfähige Schicht der oberen Elektrodenstruktur 62 eine dritte Deckschicht CL3 sein, die unter Bezugnahme auf die 31 und 32 beschrieben wird, und die leitfähige Schicht der unteren Elektrodenstruktur 61 kann eine erste Kristallkeimschicht SL1 sein, die unter Bezugnahme auf die 33 und 34 beschrieben wird. In weiteren modifizierten beispielhaften Ausführungsformen ist ein magnetischer Tunnelübergang MTJ so konfiguriert, dass er keine von der unteren und oberen Elektrodenstruktur 61 und 62 beinhaltet.
31 stellt exemplarisch ein Verfahren zur Herstellung eines MTJ gemäß der Erfindung dar, und 32 ist ein Diagramm, das einige Aspekte des mittels des Verfahrens von 31 hergestellten MTJ darstellt. 32 zeigt in beispielhaften Ausführungsformen eine temporäre Änderung des Sauerstoffgehalts in Schichten, die den MTJ bilden, und die horizontale und die vertikale Achse repräsentieren die Schicht beziehungsweise den Sauerstoffgehalt. Um die Komplexität in den Zeichnungen zu reduzieren und ein besseres Verständnis von beispielhaften Ausführungsformen der erfinderischen Konzepte bereitzustellen, zeigt 32 Sauerstoffgehalte in einigen unter Bezugnahme auf 31 beschriebenen Schritten zusammen.
Bezugnehmend auf die 31 und 32 wird eine magnetische Schicht MGL gebildet (Schritt S10). Die magnetische Schicht MGL kann aus einem ferromagnetischen Material oder der IPM-Schicht gebildet werden. Danach werden eine erste Deckschicht CL1, zum Beispiel eine eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI, und eine zweite Deckschicht CL3, zum Beispiel eine eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP, sequentiell auf der magnetischen Schicht MGL gebildet (Schritte S20 und S30). Die erste Deckschicht CL1 kann aus einem Material mit einer Sauerstoffaffinität gebildet werden, die höher als jene der magnetischen Schicht MGL und/oder der zweiten Deckschicht CL2 ist. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird die erste Deckschicht CL1 aus wenigstens einem von Magnesium, Tantal, Titan, Aluminium, Magnesiumzink, Hafnium oder Magnesiumbor gebildet, und die zweite Deckschicht CL2 wird aus wenigstens einem der Edelmetalle (z. B. Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt) oder Gold (Au)) oder Kupfer gebildet. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird die erste Deckschicht CL1 so gebildet, dass sie eine Dicke aufweist, die ein- bis dreimal größer als ihre Einzelschichtdicke ist (z. B. eine Dicke von einem Atom oder einem Molekül, das die erste Deckschicht CL1 bildet).
In einigen beispielhaften Ausführungsformen verbleiben die magnetische Schicht MGL, die erste Deckschicht CL1 und die zweite Deckschicht CL2, wie in 32 gezeigt, zu diesem Zeitpunkt in einem im Wesentlichen sauerstofffreien Zustand. Währenddessen wird ein Wafer während seiner Transfer- und/oder Warteprozeduren, die außerhalb einer Depositionskammer durchzuführen sind, einer externen Atmosphäre ausgesetzt, die Sauerstoffatome enthält. Demgemäß kann eine oberste Schicht auf dem Wafer einen spezifischen Sauerstoffgehalt (im Folgenden natürlicher Sauerstoffgehalt) aufweisen, der von einer Diffusion von Sauerstoffatomen herrührt. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung weisen die magnetische Schicht MGL, die erste Deckschicht CL1 und die zweite Deckschicht CL2 zu diesem Zeitpunkt Sauerstoffgehalte auf, die geringer als oder äquivalent zu dem natürlichen Sauerstoffgehalt sind.
An der zweiten Deckschicht CL2 wird eine Sauerstoffbehandlung durchgeführt (Schritt S40). Die Sauerstoffbehandlung wird durchgeführt, um wenigstens einen Teil einer freigelegten Oberfläche der zweiten Deckschicht CL2 zu oxidieren. Zum Beispiel kann die Sauerstoffbehandlung das Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases bei einer Temperatur von 0°C bis 500°C und einem Druck von etwa 0,1 mT bis etwa 1 T beinhalten. In einigen beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet das bei der Sauerstoffbehandlung zugeführte Gas wenigstens eines von Sauerstoff- und Ozongas.
Als das Ergebnis der Sauerstoffbehandlung weist die zweite Deckschicht CL2, wie in 32 gezeigt, einen im Vergleich zu dem Zustand in Schritt S30 erhöhten Sauerstoffgehalt auf. Zum Beispiel kann der oxidierte Teil der zweiten Deckschicht CL2 eine sauerstoffhaltige Edelmetallschicht oder eine sauerstoffhaltige Kupferschicht sein. In einigen beispielhaften Ausführungsformen zeigt der Sauerstoffgehalt der oxidierten zweiten Deckschicht CL2 einen von seiner freiliegenden Oberfläche (z. B. einer Oberseite) zu der magnetischen Schicht MGL hin abnehmenden Anteil auf, die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann der Sauerstoffgehalt in der zweiten Deckschicht CL2 in Abhängigkeit von Prozessbedingungen bei der Sauerstoffbehandlung S40 und/oder einem Material oder einer Struktur der zweiten Deckschicht CL2 eine Vielzahl von räumlichen Verteilungen aufweisen.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet die zweite Deckschicht CL2 nach der Sauerstoffbehandlung eine stöchiometrische Oxidschicht. Zum Beispiel kann die zweite Deckschicht CL2 vor der Durchführung der Sauerstoffbehandlung eine Rutheniumschicht sein, kann jedoch nach der Durchführung der Sauerstoffbehandlung eine Rutheniumoxidschicht beinhalten. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann die zweite Deckschicht CL2 nach der Durchführung der Sauerstoffbehandlung eine nicht-stöchiometrische Oxidschicht beinhalten. Zum Beispiel kann die zweite Deckschicht CL2 wenigstens einen Bereich beinhalten, dessen Sauerstoffgehalt höher oder niedriger als jener der stöchiometrischen Oxidschicht ist.
In noch weiteren beispielhaften Ausführungsformen können Sauerstoffatome nach der Sauerstoffbehandlung inhomogen in der zweiten Deckschicht CL2 verteilt sein. Das heißt, die zweite Deckschicht CL2 kann einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich mit einem Sauerstoffgehalt beinhalten, der höher als jener des ersten Bereichs ist. Zum Beispiel kann der Sauerstoffgehalt der oxidierten zweiten Deckschicht CL2, wie exemplarisch in 32 gezeigt, einen von seiner freigelegten Oberfläche (z. B. der Oberseite) zu der magnetischen Schicht MGL hin abnehmenden Anteil zeigen. Alternativ können Sauerstoffatome nach der Sauerstoffbehandlung homogen in der zweiten Deckschicht CL2 verteilt sein.
In einigen modifizierten beispielhaften Ausführungsformen kann die zweite Deckschicht CL2, wenn die Sauerstoffbehandlung nicht durchgeführt wird, ein Material mit einer Sauerstoffaffinität, die geringer als jene der ersten Deckschicht CL1 ist, und einem Sauerstoffgehalt sein, der höher als jener der ersten Deckschicht CL1 ist. Zum Beispiel kann die zweite Deckschicht CL2 so gebildet sein, dass sie einen Sauerstoffgehalt aufweist, der wesentlich höher als der natürliche Sauerstoffgehalt ist. In beispielhaften Ausführungsformen wird die Sauerstoffbehandlung weggelassen.
In weiteren modifizierten beispielhaften Ausführungsformen kann die erste Deckschicht CL1, wenn die Sauerstoffbehandlung nicht durchgeführt wird, so gebildet sein, dass sie einen Sauerstoffgehalt aufweist, der wesentlich höher als der natürliche Sauerstoffgehalt ist. Zum Beispiel kann die Bildung der ersten Deckschicht CL1 das Bilden der ersten Deckschicht CL1 unter einer sauerstoffhaltigen Umgebung beinhalten.
In noch weiteren modifizierten beispielhaften Ausführungsformen kann vor der Bildung der zweiten Deckschicht CL2 ein Oxidationsprozess durchgeführt werden, um wenigstens einen Teil einer freigelegten Oberfläche der ersten Deckschicht CL1 zu oxidieren. In beispielhaften Ausführungsformen wird die Sauerstoffbehandlung weggelassen.
Wieder Bezug nehmend auf 31 wird nach der Sauerstoffbehandlung eine dritte Deckschicht CL3 gebildet (Schritt S50), zum Beispiel eine obere oder untere Elektrode. Die dritte Deckschicht CL3 kann aus einem leitfähigen Material gebildet werden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die dritte Deckschicht CL3 aus einem leitfähigen Material mit einer Sauerstoffaffinität gebildet werden, die geringer als oder äquivalent zu jener der zweiten Deckschicht CL2 ist, an der die Sauerstoffbehandlung S40 noch nicht durchgeführt wurde, die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. In weiteren Ausführungsformen kann die dritte Deckschicht CL3 zum Beispiel aus einem leitfähigen Material mit einer Sauerstoffaffinität gebildet werden, die höher als jene der zweiten Deckschicht CL2 ist, an der die Sauerstoffbehandlung noch nicht durchgeführt wurde.
An der resultierenden Struktur, die mit der dritten Deckschicht CL3 versehen ist, wird eine thermische Behandlung durchgeführt, zum Beispiel Tempern (Schritt S60). In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird die thermische Behandlung bei einer Temperatur von 0°C bis 500°C und einem Druck von etwa 0,1 mT bis etwa 1 T während einer Dauer von etwa 1 s bis etwa 10000 s durchgeführt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird bei der thermischen Behandlung wenigstens eines von Stickstoff oder Inertgasen als ein Umgebungsgas zugeführt, die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel können Prozessbedingungen für die thermische Behandlung in Abhängigkeit von Materialien, Strukturen und Sauerstoffgehalten der ersten und zweiten Deckschicht CL1 und CL2 verschieden modifiziert werden.
Während der thermischen Behandlung können Sauerstoffatome in der zweiten Deckschicht CL2 nach unten diffundieren, um Metallatome der ersten Deckschicht CL1 zu oxidieren. Zum Beispiel können Metallatome der ersten Deckschicht CL1 mit den Sauerstoffatomen reagieren, die während der thermischen Behandlung von der zweiten Deckschicht CL2 zugeführt werden, und eine Metalloxidschicht bilden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann, wie in 32 gezeigt, ein Sauerstoffgehalt der ersten Deckschicht CL1 an einer Oberfläche benachbart zu der zweiten Deckschicht CL2 höher als an einer Oberfläche benachbart zu der magnetischen Schicht MGL sein. Dieser Unterschied im Sauerstoffgehalt kann aus der Tatsache resultieren, dass die meisten Sauerstoffatome in der ersten Deckschicht CL1 von der Diffusion der Sauerstoffatome in der zweiten Deckschicht CL2 herrühren.
In einigen modifizierten beispielhaften Ausführungsformen wird die Bildung der dritten Deckschicht CL3 weggelassen. Zum Beispiel kann die thermische Behandlung nach oder während der Sauerstoffbehandlung durchgeführt werden. In weiteren modifizierten beispielhaften Ausführungsformen wird die Bildung der dritten Deckschicht CL3 nach der thermischen Behandlung durchgeführt.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf die 31 und 32 beschrieben wurden, können die magnetische Schicht MGL, die erste Deckschicht CL1 und die zweite Deckschicht CL2 als die magnetische Schicht MGL, die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI beziehungsweise die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP in vorstehend beschriebenen, extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstrukturen EMPS dienen.
33 stellt exemplarisch ein Verfahren zur Herstellung eines MTJ gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung dar, und 34 ist ein Diagramm, das einige Aspekte des mittels des Verfahrens von 33 hergestellten MTJ darstellt. Detaillierter zeigt 34 eine zeitliche Änderung des Sauerstoffgehalts in Schichten, die den MTJ bilden, und die horizontale und die vertikale Achse repräsentieren die Schicht beziehungsweise den Sauerstoffgehalt. Um die Komplexität der Zeichnungen zu reduzieren und ein besseres Verständnis von beispielhaften Ausführungsformen der erfinderischen Konzepte bereitzustellen, zeigt 34 zusammen Sauerstoffgehalte in einigen Schritten, die unter Bezugnahme auf 33 beschrieben werden.
Bezugnehmend auf 33 und 34 werden eine erste Kristallkeimschicht SL1, zum Beispiel eine obere oder untere Elektrode oder eine extra Schicht, und eine zweite Kristallkeimschicht SL2, zum Beispiel eine eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP, sequentiell gebildet (Schritte S15 und S25). Die erste Kristallkeimschicht SL1 kann aus einem leitfähigen Material gebildet werden, und die zweite Kristallkeimschicht SL2 kann aus einem Material mit einer Sauerstoffaffinität gebildet werden, die geringer als jene von Tantal ist. Zum Beispiel kann die zweite Kristallkeimschicht SL2 aus wenigstens einem von Edelmetallen (z. B. Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt) oder Gold (Au)) oder Kupfer gebildet werden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird die erste Kristallkeimschicht SL1 aus einem leitfähigen Material mit einer Sauerstoffaffinität gebildet, die geringer als oder äquivalent zu jener der zweiten Kristallkeimschicht SL2 ist. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann die erste Kristallkeimschicht SL1 zum Beispiel aus einem Material mit einer Sauerstoffaffinität gebildet werden, die höher als jene der zweiten Kristallkeimschicht SL2 ist. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird die Bildung der ersten Kristallkeimschicht SL1 weggelassen.
An der zweiten Kristallkeimschicht SL2 wird eine Sauerstoffbehandlung durchgeführt (Schritt S35). Die Sauerstoffbehandlung kann durchgeführt werden, um wenigstens einen Teil einer freigelegten Oberfläche der zweiten Kristallkeimschicht SL2 zu oxidieren. Zum Beispiel kann die Sauerstoffbehandlung das Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases bei einer Temperatur von 0°C bis 500°C und/oder einem Druck von etwa 0,1 mT bis etwa 1 T beinhalten. In einigen beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet das bei der Sauerstoffbehandlung S35 zugeführte Gas wenigstens eines von Sauerstoff- und Ozongasen.
Als das Ergebnis der Sauerstoffbehandlung kann die zweite Kristallkeimschicht SL2, wie in 34 gezeigt, einen im Vergleich zu dem Zustand von Schritt S25 erhöhten Sauerstoffgehalt aufweisen. Zum Beispiel kann der oxidierte Bereich der zweiten Kristallkeimschicht SL2 eine sauerstoffhaltige Edelmetallschicht oder eine sauerstoffhaltige Kupferschicht sein. In einigen beispielhaften Ausführungsformen zeigt der Sauerstoffgehalt der oxidierten zweiten Kristallkeimschicht SL2 einen von seiner freigelegten Oberfläche (z. B. einer Oberseite) zu der ersten Kristallkeimschicht SL1 hin abnehmenden Anteil, die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann der Sauerstoffgehalt in der zweiten Kristallkeimschicht SL2 in Abhängigkeit von den Prozessbedingungen bei der Sauerstoffbehandlung und/oder einem Material oder einer Struktur der zweiten Kristallkeimschicht SL2 eine Vielzahl von räumlichen Verteilungen zeigen.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet die zweite Kristallkeimschicht SL2 nach der Sauerstoffbehandlung eine stöchiometrische Oxidschicht. Zum Beispiel kann die zweite Kristallkeimschicht SL2 vor der Durchführung der Sauerstoffbehandlung eine Rutheniumschicht sein, kann jedoch nach der Durchführung der Sauerstoffbehandlung eine Rutheniumoxidschicht beinhalten. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet die zweite Kristallkeimschicht SL2 nach der Durchführung der Sauerstoffbehandlung eine nicht-stöchiometrische Oxidschicht. Zum Beispiel kann die zweite Kristallkeimschicht SL2 nach der Sauerstoffbehandlung wenigstens einen Bereich beinhalten, dessen Sauerstoffgehalt höher oder niedriger als jener der stöchiometrischen Oxidschicht ist.
In noch weiteren beispielhaften Ausführungsformen sind die Sauerstoffatome nach der Sauerstoffbehandlung inhomogen in der zweiten Kristallkeimschicht SL2 verteilt. Das heißt, die zweite Kristallkeimschicht SL2 kann einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich mit einem Sauerstoffgehalt beinhalten, der höher als jener des ersten Bereichs ist. Zum Beispiel kann der Sauerstoffgehalt der oxidierten zweiten Kristallkeimschicht SL2, wie in 34 exemplarisch gezeigt, einen von seiner freiliegenden Oberfläche (z. B. der Oberseite) zu der ersten Kristallkeimschicht SL1 hin abnehmenden Anteil zeigen. Alternativ können die Sauerstoffatome nach der Sauerstoffbehandlung im Wesentlichen homogen in der zweiten Kristallkeimschicht SL2 verteilt sein.
Wieder Bezug nehmend auf 33 werden eine dritte Kristallkeimschicht SL3, zum Beispiel eine eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI, und eine magnetische Schicht MGL nach der Sauerstoffbehandlung sequentiell gebildet (Schritte S45 und S55). Die dritte Kristallkeimschicht SL3 kann aus einem Material mit einer Sauerstoffaffinität gebildet werden, die höher als jene der magnetischen Schicht MGL und/oder der zweiten Kristallkeimschicht SL2 ist. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird die magnetische Schicht MGL aus einem ferromagnetischen Material oder der PMI-Schicht gebildet, und die dritte Kristallkeimschicht SL3 wird aus einer Metallschicht mit einer Sauerstoffaffinität gebildet, die höher als jene der zweiten Kristallkeimschicht SL2 ist. Zum Beispiel kann die dritte Kristallkeimschicht SL3 aus wenigstens einem von Magnesium, Tantal, Titan, Aluminium, Magnesiumzink, Hafnium oder Magnesiumbor gebildet werden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird die dritte Kristallkeimschicht SL3 so gebildet, dass sie eine Dicke aufweist, die ein bis drei Mal größer als ihre Einzelschichtdicke ist (z. B. eine Dicke von einem Atom oder einem Molekül, das die dritte Kristallkeimschicht SL3 bildet).
In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist die zweite Kristallkeimschicht SL2, wenn die Sauerstoffbehandlung nicht durchgeführt wird, ein Material mit einer Sauerstoffaffinität, die geringer als jene der dritten Kristallkeimschicht SL3 ist, und einem Sauerstoffgehalt, der höher als jener der dritten Kristallkeimschicht SL3 ist. Zum Beispiel kann die zweite Kristallkeimschicht SL2 so gebildet werden, dass sie einen Sauerstoffgehalt aufweist, der wesentlich höher als der natürliche Sauerstoffgehalt ist. In beispielhaften Ausführungsformen wird die Sauerstoffbehandlung weggelassen.
An der resultierenden Struktur, die mit der magnetischen Schicht MGL versehen ist, wird eine thermische Behandlung durchgeführt (Schritt S65). In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird die thermische Behandlung bei einer Temperatur von 0°C bis 500°C und einem Druck von etwa 0,1 mT bis etwa 1 T während einer Dauer von etwa 1 s bis etwa 10000 s durchgeführt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird bei der thermischen Behandlung wenigstens eines von Stickstoff oder Inertgasen als Umgebungsgas zugeführt, die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel können die Prozessbedingungen für die thermische Behandlung in Abhängigkeit von Materialien, Strukturen und Sauerstoffgehalten der zweiten und dritten Kristallkeimschicht SL2 und SL3 verschieden modifiziert werden. In modifizierten beispielhaften Ausführungsformen wird die thermische Behandlung zwischen den Bildungen der magnetischen Schicht MGL und der dritten Kristallkeimschicht SL3 durchgeführt.
Während der thermischen Behandlung können Sauerstoffatome in der zweiten Kristallkeimschicht SL2 nach oben diffundieren, um Metallatome der dritten Kristallkeimschicht SL3 zu oxidieren. Zum Beispiel können Metallatome der dritten Kristallkeimschicht SL3 mit den Sauerstoffatomen reagieren, die von der zweiten Kristallkeimschicht SL2 während der thermischen Behandlung zugeführt werden, und eine Metalloxidschicht bilden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist, wie in 34 gezeigt, ein Sauerstoffgehalt der dritten Kristallkeimschicht SL3 an einer Oberfläche benachbart zu der zweiten Kristallkeimschicht SL2 höher als an einer Oberfläche benachbart zu der magnetischen Schicht MGL. Dieser Unterschied des Sauerstoffgehalts kann aus der Tatsache resultieren, dass die meisten Sauerstoffatome in der dritten Kristallkeimschicht SL3 von der Diffusion der Sauerstoffatome in der zweiten Kristallkeimschicht SL2 herrühren.
Gemäß unter Bezugnahme auf die 33 und 34 beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen können die magnetische Schicht MGL, die dritte Kristallkeimschicht SL3 und die zweite Kristallkeimschicht SL2 als die magnetische Schicht MGL, die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht PMI beziehungsweise die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht PMP in vorstehend beschriebenen extrinsischen senkrechten Magnetisierungsstrukturen EPMSs dienen.
35 ist ein experimentelles Diagramm, das exemplarisch einige magnetische Eigenschaften eines MTJ gemäß der Erfindung zeigt. Das Experiment wurde an Proben durchgeführt, bei denen die erste obere Struktur 301 mit den EPM-, PMI- und PMP-Schichten 310, 320 und 330, die in 18 dargestellt sind, auf der Tunnelbarriere 50 aus Magnesiumoxid (MgO) gebildet wurde. Für alle Proben wurden die EPM- und PMI-Schichten 310 und 320 aus CoFeB beziehungsweise MgO gebildet, während die PMP-Schicht 330 für einige der Proben aus Titan und für die anderen aus Ruthenium gebildet wurde. In 35 zeigen Kurven C1 und C2 Resultate, die von Proben mit den PMP-Schichten 330 aus Ru beziehungsweise Ti erhalten wurden. Die restlichen Bedingungen des Experiments waren im Wesentlichen dieselben.
In dem Diagramm repräsentiert die horizontale Achse eine Intensität eines extern angelegten senkrechten magnetischen Feldes, und die senkrechte Achse repräsentiert ein senkrechtes magnetisches Moment, das von der EPM-Schicht 310 gemessen wird. Bezugnehmend auf 35 gab es für Proben, die durch die Kurve C1 dargestellt sind, keinen bemerkenswerten Unterschied im senkrechten magnetischen Moment zwischen Fällen mit und ohne ein angelegtes externes senkrechtes magnetisches Feld (z. B. bei 0 Oe und bei 4000 Oe). Im Gegensatz dazu war für andere Proben, die durch die Kurve C2 dargestellt sind, das senkrechte magnetische Moment null, wenn kein externes senkrechtes magnetisches Feld angelegt worden war. Durch dieses Resultat kann festgestellt werden, dass die EPM-Schicht 310 aus Ru im Vergleich zu dem Fall von Titan eine verbesserte Eigenschaft des senkrechten magnetischen Moments zeigt.
36 ist ein experimentelles Diagramm, das exemplarisch weitere magnetische Eigenschaften eines MTJ gemäß der Erfindung zeigt. Zwei Typen von Proben wurden geprüft. Proben des ersten Typs wurden so hergestellt, dass sie die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS von 9 aufwiesen, und andere Proben des zweiten Typs wurden so hergestellt, dass sie nicht die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS aufwiesen. Detaillierter wurden Proben des ersten Typs so hergestellt, dass sie Schichten aus CoFeB, MgO und Ru beinhalteten, die sequentiell auf eine als die Tunnelbarriere 50 bereitgestellte Magnesiumoxidschicht gestapelt wurden, und Proben des zweiten Typs wurden so hergestellt, dass sie Schichten aus CoFeB und Ta beinhalteten, die sequentiell auf eine als die Tunnelbarriere 50 bereitgestellte Magnesiumoxidschicht gestapelt wurden.
In dem Experiment wurden senkrechte Anisotropieenergiedichten von den Proben des ersten und zweiten Typs in Abhängigkeit von einer Dicke der magnetischen Schicht (z. B. der COFeB-Schicht) gemessen. In dem Diagramm von 36 repräsentieren die horizontale und vertikale Achse eine Dicke beziehungsweise eine senkrechte Anisotropieenergiedichte der magnetischen Schicht, und Kurven C3 und C4 zeigen Resultate, die von Proben des ersten beziehungsweise zweiten Typs erhalten wurden.
Bezugnehmend auf 36 wies die magnetische Schicht positive senkrechte Anisotropieenergiedichten auf, wenn sie mit einer Dicke von 0,8 nm, 1 nm oder 1,4 nm gebildet wurde, wie durch die Kurve C3 dargestellt. Das heißt, für die extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur EPMS von 9 oder die Proben des ersten Typs zeigte die magnetische Schicht in einem spezifischen Dickenbereich t von ungefähr 0,3 nm bis ungefähr 1,7 nm eine senkrechte Anisotropie. Im Gegensatz dazu wiesen, wie durch die Kurve C4 dargestellt, alle Proben des zweiten Typs ungeachtet ihrer Dicken negative senkrechte Anisotropieenergiedichten auf. Das heißt, die magnetische Schicht der zweiten Struktur zeigte keine senkrechte Anisotropieeigenschaft.
Die 37 und 38 stellen schematisch elektronische Bauelemente mit einem Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung dar. Bezugnehmend auf 37 kann ein elektronisches Bauelement 1300 mit einem Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung in einem von einem Personal-Digital-Assistant (PDA), einem Laptop-Computer, einem mobilen Computer, einem Webtablet, einem drahtlosen Telefon, einem Mobiltelefon, einem digitalen Musikplayer, einem verdrahteten oder drahtlosen elektronischen Bauelement oder einem komplexen elektronischen Bauelement verwendet werden, das wenigstens zwei derselben beinhaltet. Das elektronische Bauelement 1300 beinhaltet eine Steuereinheit 1310, ein Eingabe-/Ausgabegerät 1320, wie ein Keypad, ein Keyboard oder eine Anzeige, einen Speicher 1330, und eine drahtlose Schnittstelle 1340, die durch einen Bus 1350 miteinander kombiniert sind. Die Steuereinheit 1310 beinhaltet zum Beispiel wenigstens einen Mikroprozessor, einen digitalen Signalprozessor, einen Mikrocontroller oder dergleichen. Der Speicher 1330 kann so konfiguriert sein, dass er einen von der Steuereinheit 1310 zu verwendenden Befehlscode oder Nutzerdaten speichert. Der Speicher 1330 beinhaltet ein Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das elektronische Bauelement 1300 kann eine drahtlose Schnittstelle 1340 verwenden, die so konfiguriert ist, dass sie unter Verwendung eines HF-Signals Daten zu einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk überträgt oder Daten von diesem empfängt. Die drahtlose Schnittstelle 1340 kann zum Beispiel eine Antenne, einen drahtlosen Sendeempfänger usw. beinhalten. Das elektronische System 1300 kann in einem Kommunikationsschnittstellenprotokoll eines Kommunikationssystems verwendet werden, wie CDMA, GSM, NADC, E-TDMA, WCDMA, CDMA2000, Wi-Fi, Muni Wi-Fi, Bluetooth, DECT, drahtloses USB, Flash-OFDM, IEEE 802.20, GPRS, iBurst, WiBro, WiMAX, WiMAX-Advanced, UMTS-TDD, HSPA, EVDO, LTE-Advanced, MMDS usw.
Bezugnehmend auf 38 wird ein Speichersystem 1400 mit einem Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung beschrieben. Das Speichersystem 1400 beinhaltet ein Speicherbauelement 1410 zum Speichern großer Datenmengen und eine Speichersteuereinheit 1420. Die Speichersteuereinheit 1420 steuert das Speicherbauelement 1410, um in Reaktion auf eine Lese-/Schreibanforderung eines Hosts 1430 in dem Speicherbauelement 1410 gespeicherte Daten zu lesen oder Daten in das Speicherbauelement 1410 zu schreiben. Die Speichersteuereinheit 1420 kann eine Adressenzuordnungstabelle beinhalten, um eine von einem Host 1430 (z. B. einem mobilen Bauelement oder einem Computersystem) bereitgestellte Adresse einer physikalischen Adresse des Speicherbauelements 1410 zuzuordnen. Das Speicherbauelement 1410 ist ein Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die vorstehend offenbarten Halbleiterspeicherbauelemente können unter Verwendung verschiedener und unterschiedlicher Packungstechniken verkapselt werden. Zum Beispiel können die vorstehend erwähnten Halbleiterspeicherbauelemente unter Verwendung von irgendeiner von einer der Techniken Package-on-Package(POP)-Technik, Ball-Grid-Arrays(BGAs)-Technik, Chip-Scale-Packungs(CSPs)-Technik, Plastic-Leaded-Chip-Carrier(PLCC)-Technik, Plastic-dual-In-Line-Packungs(PDIP)-Technik, Die-In-Waffle-Pack-Technik, Die-In-Wafer-Form-Technik, Chip-On-Board(COB)-Technik, Ceramic-Dual-In-Line-Packungs(CERDIP)-Technik, Plastic-Quad-Flat-Pack(PQFP)-Technik, Thin-Quad-Flatpack(TQFP)-Technik, Small-Outline-Packungs(SOIC)-Technik, Shrink-Small-Outline-Packungs(SSOP)-Technik, Thin-Small-Outline(TSOP)-Technik, Thin-Quad-Flatpack(TQFP)-Technik, System-In-Packung(SIP)-Technik, Multi-Chip-Packungs(MCP)-Technik, Wafer-Level-Fabricated-Packungs(WFP)-Technik und Wafer-Level-Processed-Stack-Packungs(WSP)-Technik verkapselt werden.
Die Packung, in der das Halbleiterspeicherbauelement gemäß der Erfindung angebracht ist, kann des Weiteren wenigstens ein Halbleiterbauelement (z. B. eine Steuereinheit und/oder ein Logikbauelement) beinhalten, welches das Halbleiterspeicherbauelement steuert.
Gemäß der Erfindung kann ein magnetischer Tunnelübergang so konfiguriert werden, dass er eine extrinsische senkrechte Magnetisierungsstruktur mit einer magnetischen Schicht, einer eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht und einer eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht dazwischen beinhaltet. Die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht kann aus einem Material mit einer geringen Sauerstoffaffinität gebildet werden, und dies ermöglicht es zu verhindern, dass eine senkrechte Anisotropie in einer Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht unter den nachfolgenden thermischen Umgebungen verschlechtert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE 802.20 [0107]

Claims

Magnetisches Tunnelübergangsbauelement mit – einer fixierten magnetischen Struktur (PL), – einer freien magnetischen Struktur (FRL) und – einer Tunnelbarriere (50) zwischen der fixierten magnetischen Struktur und der freien magnetischen Struktur, – wobei wenigstens eine von der fixierten magnetischen Struktur und der freien magnetischen Struktur beinhaltet: – eine eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht (PMP), – eine magnetische Schicht (MGL) zwischen der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht und der Tunnelbarriere und – eine eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht (PMI) zwischen der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht und der magnetischen Schicht.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach Anspruch 1, wobei die magnetische Schicht aus einem ferromagnetischen Material besteht.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach Anspruch 2, wobei das ferromagnetische Material wenigstens eines von CoFeB, CoFe, NiFe, CoFePt, CoFePd, CoFeCr, CoFeTb, CoFeGd oder CoFeNi ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die magnetische Schicht eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,1 nm bis etwa 3 nm aufweist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach Anspruch 4, wobei die magnetische Schicht eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,3 nm bis etwa 1,7 nm aufweist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht in direktem Kontakt mit der magnetischen Schicht befindet.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht wenigstens eines von Ta, Ti, U, Ba, Zr, Al, Sr, Hf, La, Ce, Sm, Mg, Th, Ca, Sc oder Y beinhaltet.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der höher als jener der magnetischen Schicht oder der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht eine Dicke aufweist, die geringer als jene der magnetischen Schicht oder der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der niedriger als jener der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht aus wenigstens einem von einem Edelmetall oder Kupfer gebildet ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach Anspruch 11, wobei das wenigstens eine Edelmetall Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt) oder Gold (Au) beinhaltet.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das des Weiteren ein Substrat beinhaltet, wobei die fixierte magnetische Struktur eine untere Struktur dichter bei dem Substrat ist und wobei die freie magnetische Struktur eine obere Struktur weiter entfernt von dem Substrat ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das des Weiteren ein Substrat beinhaltet, wobei die freie magnetische Struktur eine untere Struktur dichter bei dem Substrat ist und wobei die fixierte magnetische Struktur eine obere Struktur weiter entfernt von dem Substrat ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht aus wenigstens einem Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand gebildet ist, der niedriger als jener von Tantal oder Titan ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement mit: – einer ersten Struktur (41), die eine gepinnte Schicht (PL) beinhaltet, – einer zweiten Struktur (42), die eine freie Schicht (FRL) beinhaltet, und – einer Tunnelbarriere (50) zwischen der ersten und zweiten Struktur, – wobei die zweite Struktur beinhaltet: – eine magnetische Schicht (MGL), – eine eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht (PMI) auf der magnetischen Schicht, – eine eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht (PMP) auf der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht und – einer Deckschicht (62) auf der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die magnetische Schicht eine Sauerstoffaffinität aufweist, die geringer als jene der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht eine Sauerstoffaffinität aufweist, die geringer als jene der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht ein sauerstoffhaltiges Material ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach Anspruch 19, wobei die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht ein Metalloxid ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach Anspruch 20, wobei das Metalloxid wenigstens eines von Magnesiumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumzinkoxid, Hafniumoxid oder Magnesiumboroxid ist.
Magnetisches Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht eine Dicke aufweist, die geringer als jene der magnetischen Schicht oder der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht ist.
Elektronisches Bauelement mit – einem Bus (1350), – einer drahtlosen Schnittstelle (1340), die so konfiguriert ist, dass sie Daten zu einem mit dem Bus verbundenen drahtlosen Kommunikationsnetzwerk überträgt oder Daten von diesem empfängt, – einem mit dem Bus verbundenen I/O-Bauelement (1320), – einer mit dem Bus verbundenen Steuereinheit (1310) und – einem Speicher (1330) mit einem Halbleiterbauelement, welches das magnetische Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 22 beinhaltet, wobei der Speicher mit dem Bus verbunden und so konfiguriert ist, dass er einen von der Steuereinheit zu verwendenden Befehlscode oder Nutzerdaten speichert.
Speichersystem mit – einem Speicherbauelement (1410) mit einem Halbleiterbauelement, welches das magnetische Tunnelübergangsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 22 beinhaltet, zum Speichern von Daten und – einer Speichersteuereinheit (1420), die so konfiguriert ist, dass sie das Speicherbauelement in Reaktion auf eine Lese-/Schreibanforderung eines Hosts dazu steuert, in dem Speicherbauelement gespeicherte Daten zu lesen oder Daten in das Speicherbauelement zu schreiben.
Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Bauelements, das umfasst: – Bilden einer magnetischen Schicht, – Bilden einer eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht auf der magnetischen Schicht, – Bilden einer eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht auf der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht, – Oxidieren der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht und – Tempern der oxidierten, eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht, um Sauerstoff von der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht zu der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht zu diffundieren.
Verfahren nach Anspruch 25, das des Weiteren das Bilden einer Deckschicht auf der oxidierten, eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, wobei das Oxidieren der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht wenigstens eines von Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases bei einer Temperatur von 0°C bis 500°C, Bilden einer stöchiometrischen Oxidschicht und nicht-homogenem Verteilen von Sauerstoffatomen in der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das sauerstoffhaltige Gas des Weiteren Ozon beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei das Tempern der oxidierten, eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht eine thermische Behandlung beinhaltet, die das Zuführen von wenigstens einem von Stickstoff oder einem Inertgas als Umgebungsgas beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, wobei die magnetische Schicht aus einem ferromagnetischen Material besteht und/oder die magnetische Schicht eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,1 nm bis etwa 3 nm aufweist, insbesondere in einem Bereich von etwa 0,3 nm bis etwa 1,7 nm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, wobei sich die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht in direktem Kontakt mit der magnetischen Schicht befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 31, wobei die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht eine Dicke aufweist, die geringer als jene der magnetischen Schicht oder der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 32, wobei die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der niedriger als jener der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht ist.
Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Bauelements, umfassend: – Bilden einer Kristallkeimschicht, – Bilden einer eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht auf der Kristallkeimschicht, – Oxidieren der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht, – Bilden einer eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht auf der oxidierten, eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht, – Bilden einer magnetischen Schicht auf der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht und – Tempern der oxidierten, eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht, um Sauerstoff von der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht zu der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht zu diffundieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 34, wobei die magnetische Schicht eine Sauerstoffaffinität aufweist, die geringer als jene der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 35, wobei die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht eine Sauerstoffaffinität aufweist, die geringer als jene der eine senkrechte Magnetisierung induzierenden Schicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 36, wobei die magnetische Schicht wenigstens eines von CoFeB, CoFe, NiFe, CoFePt, CoFePd, CoFeCr, CoFeTb, CoFeGd oder CoFeNi ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 37, wobei die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht ein sauerstoffhaltiges Material ist.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht ein Metalloxid ist.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei das Metalloxid wenigstens eines von Magnesiumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumzinkoxid, Hafniumoxid oder Magnesiumboroxid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 40, wobei die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht wenigstens eines von Ta, Ti, U, Ba, Zr, Al, Sr, Hf, La, Ce, Sm, Mg, Th, Ca, Sc oder Y beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 41, wobei die eine senkrechte Magnetisierung induzierende Schicht einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der höher als jener der magnetischen Schicht oder der eine senkrechte Magnetisierung beibehaltenden Schicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 42, wobei die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht aus wenigstens einem Edelmetall oder Kupfer gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt) oder Gold (Au) beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 44, wobei die eine senkrechte Magnetisierung beibehaltende Schicht aus wenigstens einem Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand gebildet wird, der niedriger als jener von Tantal oder Titan ist.