DE102014013910A1

DE102014013910A1 - Magnetische Abschirmung von senkrechtem STT-MRAM

Info

Publication number: DE102014013910A1
Application number: DE201410013910
Authority: DE
Inventors: Robert Allinger; Karl Hofmann; Klaus Knobloch; Robert Strenz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2015-04-16
Also published as: US9564403B2; CN104518080B; US20150091109A1; CN104518080A; KR20150035433A

Abstract

Ein Speicher mit einem Feld von senkrechten STT-MRAM-Zellen (Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory, magnetischer Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher), wobei jede Zelle einen Magnetschichtstapel aufweist. Eine zwischen den Zellen angeordnete und eine Mindesthöhe von wenigstens der Höhe des Magnetschichtstapels aufweisende magnetische Abschirmung.

Description

HINTERGRUND
Senkrechter STT-MRAM (Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory, magnetischer Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher) ist eine eingebettete, auf Magnetowiderstand basierende Technologie für nichtflüchtigen Speicher.
1 veranschaulicht ein Schemadiagramm 100 eines mit einem Transistor 120 gekoppelten, senkrechten STT-MRAM-Stapelspeichers 110. Im Gegensatz zu typischen RAM-Technologien, die Daten als elektrische Ladung speichern, werden MRAM-Daten mittels magnetoresistiver Elemente gespeichert. Im Allgemeinen bestehen die magnetoresistiven Elemente aus zwei Magnetschichten, von denen jede eine Magnetisierung aufweist. Die Magnetisierung einer Schicht (der „fixierten Schicht” bzw. „festen Schicht” 110A) ist in ihrer magnetischen Ausrichtung fest, und die Magnetisierung der anderen Schicht (der „freien Schicht” 110C) kann mittels eines spin-polarisierten Programmierstroms geändert werden. Der Programmierstrom kann somit bewirken, dass die magnetische Ausrichtung der beiden Magnetschichten entweder gleichgerichtet ist, wodurch ein niedrigerer elektrischer Widerstand über die Schichten hinweg vorgesehen wird (Zustand „0”), oder entgegengerichtet ist, wodurch ein höherer elektrischer Widerstand über die Schichten hinweg vorgesehen wird (Zustand „1”). Die Umkehrung der magnetischen Ausrichtung der freien Schicht 110C und die sich daraus ergebenden Zustände mit hohem oder niedrigem Widerstand über die Magnetschichten hinweg sehen die Schreib- und Leseoperationen der typischen MRAM-Zelle vor.
Der Magnetschichtstapel 110 ist, in Verbindung mit einer oberen und einer unteren Elektrode, die sich oberhalb der freien Schicht bzw. unterhalb der fixierten Schicht befinden, als magnetisches Tunnelelement (MTJ) bekannt. Typischerweise fließt ein Programmierstrom durch den Zugriffstransistor 120 und das MTJ. Die fixierte Schicht polarisiert den Elektronen-spin des Programmierstroms, und während der spin-polarisierte Strom das MTJ durchläuft, wird ein Drehmoment erzeugt. Der Strom mit spin-polarisierten Elektronen interagiert mit der freien Schicht, indem er ein Drehmoment auf die freie Schicht ausübt. Wenn das Drehmoment des das MTJ durchlaufenden Stroms mit spin-polarisieren Elektronen größer ist als die kritische Schaltstromdichte, ist das von dem Strom mit spin-polarisierten Elektronen ausgeübte Drehmoment ausreichend, um die Magnetisierung der freien Schicht umzukehren. Somit kann die Magnetisierung der freien Schicht so ausgerichtet werden, dass sie in Bezug auf die fixierte Schicht entweder in derselben oder in der entgegengesetzten Richtung verläuft, und der Widerstandszustand durch das MTJ hindurch wird geändert.
2 veranschaulicht ein Schemadiagramm einer STT-MRAM-Zelle 200, die so gefertigt werden kann, dass sie ein Feld von Speicherzellen in einem eine Anzahl von Reihen und Spalten aufweisenden Gittermuster oder, je nach Systemanforderungen und Fertigungstechnologie, in verschiedenen anderen Anordnungen ausbildet. Die STT-MRAM-Zelle 200 weist den Magnetschichtstapel 210, die untere Elektrode 290, die obere Elektrode 295, die Bitleitung 220, die Source-Leitung 230, den Zugriffstransistor 240, die Wortleitung 250, die Lese-/Schreib-Schaltung 260, den Leseverstärker 270 und die Bitleitungsreferenz 280 auf.
Für die Schreiboperation der STT-MRAM-Zelle 200 wird ein Programmierstrom angelegt. Um den Programmierstrom anzustoßen, kann die Lese-/Schreib-Schaltung 260 einen Schreibstrom an die Bitleitung 220 und an die Source-Leitung 230 generieren. Die Polarität der Spannung zwischen der Bitleitung 220 und der Source-Leitung 230 bestimmt die Umkehrung der freien Schicht in dem Magnetschichtstapel 210. Sobald die freie Schicht 210C gemäß der Spin-Polarität des Programmierstroms magnetisiert wurde, wird der programmierte Zustand in die STT-MRAM-Zelle 200 geschrieben.
Um die STT-MRAM-Zelle 200 zu lesen, generiert die Lese-/Schreib-Schaltung 260 über den Magnetschichtstapel 210 und den Transistor 240 einen Lesestrom an die Bitleitung 220 und an die Source-Leitung 230. Der programmierte Zustand der STT-MRAM-Zelle 200 hängt von dem Widerstand durch den Magnetschichtstapel hindurch 210 ab, der mittels der Spannungsdifferenz zwischen der Bitleitung 220 und der Source-Leitung 230 bestimmt werden kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Spannungsdifferenz mit einem Referenzwert 280 verglichen und mittels eines Leseverstärkers 270 verstärkt werden.
Vertikale externe Magnetfelder können das magnetische Moment der freien Schicht beeinträchtigen, was zu unerwünschtem Bitkippen führt. Um Unordnung in die gespeicherten Informationen zu bringen, genügt ein vertikales Magnetfeld mit nur wenigen hundert Oersted (Oe). Viele Anwendungen von senkrechten STT-MRAMs erfordern eine höhere magnetische Robustheit.
100081 In der Ebene liegende STT-MRAMs sind im Gegensatz zu senkrechten STT-MRAMs anfällig gegenüber horizontalen externen Magnetfeldern. Dies liegt daran, dass in der Ebene liegende STT-MRAMs mittels eines Programmierstroms beschrieben werden, der bewirkt, dass die magnetische Ausrichtung von zwei Magnetschichten entweder horizontal parallel oder antiparallel ist. Die Stabilität von in der Ebene liegenden MRAMs im Hinblick auf externe Magnetfelder kann unter Verwendung von magnetischen Abschirmungen erhöht werden, die sich oben und unten auf den Rohchips befinden. Dieses Konzept der magnetischen Abschirmung ist jedoch nur auf in der Ebene liegende STT-MRAMs und nicht auf senkrechte STT-MRAMs anwendbar. Bei Anwendungen mit senkrechtem STT-MRAM geht es um die vertikalen Magnetfelder. Daher erfordern Anwendungen mit senkrechten STT-MRAMs eine wirksame Abschirmung gegenüber vertikalen externen Magnetfeldern.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Erscheinungsform wird ein Speicher vorgesehen, der Folgendes aufweist:
ein Feld von senkrechten STT-MRAM-Zellen (Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory, magnetischer Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher), wobei jede Zelle einen Magnetschichtstapel aufweist; und
eine zwischen den Zellen angeordnete und eine Mindesthöhe von wenigstens der Höhe der Magnetschichtstapel aufweisende magnetische Abschirmung, um dadurch die Zellen gegenüber speicherexternen Magnetfeldern abzuschirmen.
Zweckmäßigerweise ist die Höhe der magnetischen Abschirmung größer als die Höhe der Magnetschichtstapel.
Zweckmäßigerweise ist die magnetische Abschirmung so geformt, dass sie eine an wenigstens einer ihrer oberen Kanten ausgebildete, horizontale Verlängerung aufweist.
Zweckmäßigerweise weist wenigstens eine der Zellen eine oberhalb des Magnetschichtstapels ausgebildete Elektrode auf, und zweckmäßigerweise weist ein oberer Teil der Elektrode einen Durchmesser auf, der geringer ist als der Durchmesser des Magnetschichtstapels, um die horizontale Verlängerung der magnetischen Abschirmung aufzunehmen.
Zweckmäßigerweise entspricht die Höhe der magnetischen Abschirmung einer maximal möglichen Höhe zwischen der oberhalb bzw. unterhalb der Zellen befindlichen Bitleitung und Source-Leitung.
Zweckmäßigerweise befindet sich die magnetische Abschirmung in Bezug auf eine freie Magnetschicht innerhalb des Magnetschichtstapels in wenigstens einer von einer horizontalen und einer vertikalen symmetrischen Anordnung.
Zweckmäßigerweise weist die magnetische Abschirmung eine magnetische Permeabilität von wenigstens 10.000 auf.
Zweckmäßigerweise weist die magnetische Abschirmung eine magnetische Permeabilität zwischen 50.000 und 140.000 auf.
Zweckmäßigerweise besteht die magnetische Abschirmung aus einer oder mehreren Schichten von Ferromagneten.
Zweckmäßigerweise weisen die Ferromagneten Legierungen auf, die aus der Gruppe von aus Nickel (Ni), Eisen (Fe) und/oder Kobalt (Co) bestehenden Legierungen ausgewählt sind.
Zweckmäßigerweise weist die magnetische Abschirmung wenigstens eines von Ferrimagneten und Ferriten auf.
Zweckmäßigerweise weist die magnetische Abschirmung eine oder mehrere Schichten verschiedener Materialien auf.
Zweckmäßigerweise weist die magnetische Abschirmung im Wesentlichen keine magnetische Koerzitivkraft auf.
Zweckmäßigerweise weist der Speicher ferner Folgendes auf:
eine zwischen den Zellen und der magnetischen Abschirmung angeordnete dielektrische Zwischenschicht mit einer Dicke, die ausreicht, um eine elektrische Isolierung vorzusehen.
Zweckmäßigerweise ist eine horizontale Breite der zwischen den Zellen angeordneten magnetischen Abschirmung groß genug, um einen Raum auszufüllen, der von den aneinander angrenzenden Magnetstapeln und jeglichen dielektrischen Zwischenschichten nicht ausgefüllt wird.
Gemäß einer Erscheinungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Speichers die folgenden Schritte:
Vorsehen eines senkrechten STT-MRAM-Zellenstapels (Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory, magnetischer Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher);
Ätzen des Zellenstapels, um ein Feld von Zellen auszubilden, wobei jede Zelle einen Magnetschichtstapel aufweist; und
Abscheiden einer magnetischen Abschirmung zwischen den Zellen,
wobei die magnetische Abschirmung eine Mindesthöhe von wenigstens der Höhe des Magnetschichtstapels aufweist.
Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren ferner die folgenden Schritte:
Abscheiden einer dielektrischen Zwischenschicht auf dem Feld von Zellen, bevor die magnetische Abschirmung abgeschieden wird; und
Planarisieren der magnetischen Abschirmung auf der dielektrischen Zwischenschicht.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Planarisieren um chemisch-mechanisches Planarisieren (CMP), und zweckmäßigerweise ist die dielektrische Zwischenschicht eine CMP-Stoppschicht.
Zweckmäßigerweise ist die Höhe der magnetischen Abschirmung größer als die Höhe des Magnetschichtstapels.
Gemäß einer Erscheinungsform weist ein Speicher Folgendes auf:
ein Feld von STT-MRAM-Zellen (Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory, magnetischer Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher), wobei jede Zelle einen Magnetschichtstapel aufweist; und
eine zwischen den Zellen angeordnete und eine Mindesthöhe von wenigstens der Höhe der Magnetschichtstapel aufweisende magnetische Abschirmung, um dadurch die Zellen gegenüber speicherexternen Magnetfeldern abzuschirmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht ein Schemadiagramm eines mit einem Transistor gekoppelten, senkrechten STT-MRAM-Stapels.
2 veranschaulicht ein Schemadiagramm einer Speicherzelle.
3 veranschaulicht ein Diagramm mit einer Draufsicht eines Feldes senkrechter STT-MRAM-Zellen gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel.
4A bis 4B veranschaulichen Diagramme mit Seitenansichten von Feldern aus senkrechten STT-MRAM-Zellen gemäß beispielhaften Ausführungsbeispielen.
5 veranschaulicht Material für eine magnetische Abschirmung in einem homogenen Magnetfeld.
6A bis 6E veranschaulichen Darstellungen der magnetischen Flussdichte einer senkrechten STT-MRAM-Zelle in einem homogenen Magnetfeld gemäß beispielhaften Ausführungsbeispielen.
7A bis 7F veranschaulichen ein Verfahren zum Fertigen eines Feldes aus senkrechten STT-MRAM-Zellen gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung ist auf einen Speicher mit einem Feld aus senkrechen STT-MRAM-Zellen (Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory, magnetischer Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher) gerichtet, wobei jede Zelle einen Magnetschichtstapel aufweist. Eine zwischen den Zellen angeordnete und eine Mindesthöhe von wenigstens der Höhe des Magnetschichtstapels aufweisende magnetische Abschirmung.
3 veranschaulicht ein Diagramm mit einer Draufsicht eines Feldes 300 von senkrechten STT-MRAM-Zellen gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel. Eine magnetische Abschirmung 320 zum Schützen jeder Zelle mit dem Dipol 310 vor vertikalen externen Magnetfeldern befindet sich zwischen den Zellen 310.
4A veranschaulicht ein Diagramm mit einer Seitenansicht eines Feldes 400A von senkrechten STT-MRAM-Zellen gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel. Das STT-MRAM-Feld 400A weist das in dem Oxid 410 ausgebildete Metall Mx 420 auf. Das Metall Mx 420 ist der Metalldraht zwischen dem in 2 gezeigten Magnetschichtstapel 210 und dem Transistor 240. Die unteren Elektroden 430 sind auf dem Metall Mx 420 abgeschieden. Der Magnetschichtstapel 440, der aus der fixierten Magnetschicht 440A und der freien Magnetschicht 440C mit der Tunneloxidschicht 440B dazwischen besteht, ist auf der unteren Elektrode 430 abgeschieden. Der Einfachheit halber zeigt die Figur jeden Magnetschichtstapel 440 mit den Stapelschichten 440A, 440C und der Tunneloxidschicht 440B, aber bekanntlich gibt es in Wirklichkeit noch zusätzliche Schichten. Die obere Elektrode 450A ist auf dem Magnetschichtstapel 440 ausgebildet. Die dielektrische Zwischenschicht 460, die eine Dicke aufweist, die ausreicht, um eine elektrische Isolierung von der Magnetschicht 470 bereitzustellen, ist darauf abgeschieden. Die magnetische Abschirmung 470A ist vorzugsweise so nahe wie möglich an dem Magnetschichtstapel 440 platziert, um ihren Wirkungsgrad beim Schützen der STT-MRAM-Zellen vor vertikalen Magnetfeldern zu erhöhen. Außerdem befindet sich die magnetische Abschirmung 470A vorzugsweise in wenigstens einer von einer horizontalen und einer vertikalen symmetrischen Anordnung in Bezug auf die freien Magnetschichten 440C innerhalb der Magnetschichtstapel 440. Eine Isolationsschicht 465 ist auf der magnetischen Abschirmung 470A abgeschieden. Schließlich befindet sich die in dem Oxid 90 abgeschiedene Metallschicht M(x + 1) 480 oberhalb der Isolationsschicht 465. Die Metallschicht M(x + 1) 480 ist die in 2 gezeigte Bitleitung 220. Die obere Elektrode 450A stellt über die Durchkontaktierung 467 den elektrischen Kontakt zwischen dem Magnetschichtstapel 440C und der Metallschicht M(x + 1) 480 sicher. Wie es Fachleuten mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet klar sein sollte, sind die Elemente des Feldes 400A nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
4B veranschaulicht ein Diagramm mit einer Seitenansicht eines Feldes 400B von senkrechten STT-MRAM-Zellen gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel. Das STT-MRAM-Feld 400B ähnelt dem Feld 400A von 4A, mit der Ausnahme, dass die oberen Elektroden 450 und die magnetischen Abschirmungen 470 anders geformt sind. Genauer gesagt ist die magnetische Abschirmung 470B nicht, wie in 4A gezeigt, als Rechteck geformt, sondern sie ist stattdessen so geformt, dass an jeder ihrer oberen Kanten eine Verlängerung ausgebildet ist. Die obere Elektrode 450B ist so geformt, dass der Durchmesser ihres Oberteils geringer ist als der Durchmesser des Magnetschichtstapels 440, um die horizontale Verlängerung bzw. „Nase” der magnetischen Abschirmung 470B aufzunehmen. Unter Verwendung der Zwischenschicht 460 ist natürlich nach wie vor die elektrische Isolierung zwischen der Elektrode 450B und der magnetischen Abschirmung 470B vorhanden. Weitere Elemente von 4B ähneln denen von 4A, und daher werden ihre Beschreibungen in dem vorliegenden Dokument der Kürze halber weggelassen. Wie bei dem Feld 400A sind die Elemente des Feldes 400B nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
5 veranschaulicht Material für eine magnetische Abschirmung in einem homogenen Magnetfeld. Wie ersichtlich ist, zieht das Material der magnetischen Abschirmung 520 externe magnetische Felder an (reduziert sie, baut sie ab). Im Allgemeinen weist das Material bestimmte Eigenschaften auf, zum Beispiel eine hohe Permeabilität, wenig oder keine magnetische Koerzitivkraft und eine große Sättigungsmagnetisierung.
Eine hohe Permeabilität, typischerweise wenigstens 10.000, wird bevorzugt, obwohl ein Wert zwischen 50.000 und 140.000 zweckmäßig ist. Die Permeabilität ist ein Maß für die Fähigkeit der Abschirmung, die Ausbildung eines Magnetfeldes in sich selbst zu unterstützen. Indem sie eine hohe Permeabilität aufweist, zieht die magnetische Abschirmung vertikale Feldlinien an und verringert somit das Magnetfeld in ihrer Umgebung.
Vorzugsweise weist die magnetische Abschirmung außerdem wenig oder keine magnetische Remanenz auf. Magnetische Remanenz ist die Magnetisierung, die nach dem Entfernen eines magnetischen Feldes in dem Material verbleibt.
Eine große Sättigungsmagnetisierung, typischerweise in dem Bereich zwischen 500 mT bis 1,5 T (tesla), wird bevorzugt. Die Sättigung ist ein Zustand, der erreicht wird, wenn ein Anstieg in einem angelegten externen Magnetfeld die Magnetisierung des Materials nicht weiter erhöhen kann, sodass die gesamte magnetische Flussdichte gleich bleibt.
Das Material der magnetischen Abschirmung könnte eine oder mehrere Schichten von Ferromagneten aufweisen. Dies schließt Legierungen aus Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Kobalt (Co) (zum Beispiel Nickel-Eisen (NiFe), Nickel-Eisen-Kobalt (NiFeCo), Kobalt-Eisen (Co-Fe)), weitere Legierungen aus NiFe und Co, usw. mit relativ hoher Permeabilität, usw. in diversen Kombinationen, dotierte amorphe ferromagnetische Legierungen sowie weitere Materialien mit ein. Das Material kann Molybdän- und Chrom-Zusätze enthalten, zum Beispiel Mu-Metall (Ni + Fe), wobei es sich um einen Bereich von Nickel-Eisen-Legierungen handelt, die aus annähernd 77% Nickel, 16% Eisen, 5% Kupfer und 2% Chrom oder Molybdän bestehen. Außerdem können als Ferrimagnete oder Ferrite charakterisierte Materialien verwendet werden. Den Fachleuten auf diesem Gebiet sollte es klar sein, dass die magnetische Abschirmung aus einem beliebigen, zu dem Zweck des Anziehens von externen Magnetfeldern geeigneten Material bestehen kann.
6A bis 6E veranschaulichen Diagramme der magnetischen Flussdichte eines senkrechten STT-MRAM-Magnetschichtstapels 610 in einem homogenen Magnetfeld gemäß beispielhaften Ausführungsbeispielen.
6A veranschaulicht ein Diagramm der magnetischen Flussdichte 600A eines senkrechten STT-MRAM-Magnetschichtstapels 610 in einem homogenen Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 0,5 tesla (T), die 400.000 Ampere pro Meter (A/m) entspricht. Diese Figur weist keine magnetische Abschirmung auf, sodass sie als Vergleichsgrundlage für die nachfolgenden Figuren verwendet werden kann. Wie aus dem Dichtediagramm 600A in dem oberen Bereich der Figur ersichtlich ist, beträgt die magnetische Flussdichte in der näheren Umgebung der STT-MRAM-Zelle 192.000 A/m. Der untere Teil der Figur veranschaulicht einen Graphen für denselben Magnetfluss. Wie gezeigt, konzentriert der Magnetschichtstapel 610 den inneren Magnetfluss auf einen höheren Wert (–0,6 T) als den des extern anliegenden Magnetfeldes (–0,5 T). Weiter außerhalb des Magnetschichtstapels pendelt sich der Magnetfluss bei –0,5 T ein.
6B veranschaulicht ein Diagramm der magnetischen Flussdichte 600B eines senkrechten STT-MRAM-Magnetschichtstapels 610 mit einer horizontalen magnetischen Abschirmung 620B in seiner näheren Umgebung gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel. Das bereitgestellte homogene Magnetfeld ist dasselbe wie das in 6A. Um eine wirksame magnetische Abschirmung des STT-MRAM-Magnetschichtstapels 610 auszuführen, wird bevorzugt, dass die magnetische Abschirmung 620B in unmittelbarer Nähe des STT-MRAM-Magnetschichtstapels 610 platziert wird, um möglichst viel von den externen Magnetfeldern in der näheren Umgebung des STT-MRAM-Magnetschichtstapels 610 anzuziehen. Wie aus dem Dichtediagramm 600B in dem oberen Teil der Figur ersichtlich ist, sinkt die magnetische Flussdichte in dem Raum zwischen dem STT-MRAM-Magnetschichtstapel 610 und der magnetischen Abschirmung 620B auf 105.000 A/m ab. Der Graph in dem unteren Teil der Figur zeigt, dass die magnetische Flussdichte in der magnetischen Abschirmung 620B auf –0,6 T angestiegen ist, während die magnetische Flussdichte in dem Raum zwischen dem STT-MRAM-Magnetschichtstapel 610 und der magnetischen Abschirmung 620B auf –0,4 T abgesunken ist. Außerdem ist die magnetische Flussdichte in dem ganz links befindlichen Bereich des Graphen wesentlich geringer als der entsprechende Magnetfluss in 6A. Dies liegt daran, dass die magnetische Abschirmung 620B die magnetische Flussdichte abbaut, wodurch die magnetische Flussdichte in dem umgebenden Bereich abgesenkt wird.
6C veranschaulicht ein Diagramm der magnetischen Flussdichte 600C eines senkrechten STT-MRAM-Magnetschichtstapels 610 mit einer magnetischen Abschirmung 620B gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, die im Vergleich mit der von 6B eine größere Höhe aufweist. Das bereitgestellte homogene Magnetfeld ist dasselbe wie das in 6A. Um eine wirksame magnetische Abschirmung des STT-MRAM-Magnetschichtstapels 610 auszuführen, wird bevorzugt, dass die Höhe der magnetischen Abschirmung größer ist als der Magnetschichtstapel 430 des zu schützenden STT-MRAM-Magnetschichtstapels 610. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel weist die magnetische Abschirmung 620C eine größtmögliche Höhe zwischen oberhalb und unterhalb des Magnetzellenstapels befindlichen Metallverdrahtungsleitungen auf.
Wie aus dem Dichtediagramm 600C in dem oberen Teil der Figur ersichtlich ist, sinkt die magnetische Flussdichte in dem Raum zwischen dem STT-MRAM-Magnetschichtstapel 610 und der magnetischen Abschirmung 620C auf 115.000 A/m ab. Der Graph in dem unteren Teil der Figur zeigt, dass die magnetische Flussdichte in der magnetischen Abschirmung 620C auf –1,75 T angestiegen ist, während die magnetische Flussdichte in dem Raum zwischen dem STT-MRAM-Magnetschichtstapel 610 und der magnetischen Abschirmung 620C auf nur –0,25 T abgesunken ist. Außerdem ist die magnetische Flussdichte in dem ganz links befindlichen Bereich des Graphen wesentlich geringer als der entsprechende Magnetfluss in 6B.
Wie oben erwähnt, liegt dies daran, dass die magnetische Abschirmung 620C die magnetische Flussdichte abbaut, wodurch die magnetische Flussdichte in dem umgebenden Bereich abgesenkt wird.
6D veranschaulicht ein Diagramm der magnetischen Flussdichte 600D eines senkrechten STT-MRAM-Magnetschichtstapels 610 mit einer magnetischen Abschirmung 620C gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, die im Vergleich mit denjenigen von 6B und 6C eine größere horizontale Breite der Abschirmung aufweist. Das bereitgestellte homogene Magnetfeld ist dasselbe wie das in 6A. Um eine wirksame magnetische Abschirmung des STT-MRAM-Magnetschichtstapels 610 auszuführen, wird bevorzugt, dass die horizontale Breite der Abschirmung groß genug ist, um nicht von angrenzenden Magnetschichtstapeln belegten Raum auszufüllen. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel füllt die Abschirmung 620D so viel von dem Raum zwischen den STT-MRAM-Zellen aus wie möglich.
Wie aus dem Dichtediagramm 600D in dem oberen Teil der Figur ersichtlich ist, sinkt die magnetische Flussdichte in dem Raum zwischen dem STT-MRAM-Magnetschichtstapel 610 und der magnetischen Abschirmung 620D auf nur 24.000 A/m ab. Der Graph in dem unteren Teil der Figur zeigt, dass die magnetische Flussdichte in der magnetischen Abschirmung 620D auf –1,0 T angestiegen ist, während die magnetische Flussdichte in dem Raum zwischen dem STT-MRAM-Magnetschichtstapel 610 und der magnetischen Abschirmung 620D auf fast 0 T abgesunken ist. Außerdem ist die magnetische Flussdichte in dem ganz links befindlichen Bereich des Graphen wesentlich geringer als der entsprechende Magnetfluss in 6C. Dies wiederum liegt daran, dass die magnetische Abschirmung 620D die magnetische Flussdichte abbaut, wodurch die magnetische Flussdichte in dem umgebenden Bereich abgesenkt wird.
6E veranschaulicht ein Diagramm der magnetischen Flussdichte 600E eines senkrechten STT-MRAM-Magnetschichtstapels 610 mit einer magnetischen Abschirmung 620E gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, die eine größere horizontale Breite der Abschirmung ähnlich der von 6D aufweist, aber zusätzlich eine Nase in der oberen linken Ecke aufweist. Das bereitgestellte homogene Magnetfeld ist dasselbe wie das in 6A.
Wie aus dem Dichtediagramm 600E in dem oberen Teil der Figur ersichtlich ist, sinkt die magnetische Flussdichte in dem Raum zwischen dem STT-MRAM-Magnetschichtstapel 610 und der magnetischen Abschirmung 620E auf nur 14.000 A/m ab. Der Graph in dem unteren Teil der Figur zeigt, dass die magnetische Flussdichte in der magnetischen Abschirmung 620E auf –1,0 T angestiegen ist, während die magnetische Flussdichte in dem Raum zwischen dem STT-MRAM-Magnetschichtstapel 610 und der magnetischen Abschirmung 620E auf fast 0 T abgesunken ist. Außerdem ist die magnetische Flussdichte in dem ganz links befindlichen Bereich des Graphen wesentlich geringer als der entsprechende Magnetfluss in 6D. Dies liegt an der Nase der magnetischen Abschirmung 620E, welche die magnetischen Feldlinien weiter ablenkt und somit die Abschirmung verbessert.
7A bis 7F veranschaulichen ein Verfahren zum Fertigen eines Feldes aus senkrechten STT-MRAM-Zellen gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel. Aus Kostengründen sollte die magnetische Abschirmung während der FEOL-Verarbeitung (Front-End-of-Line, vorderes Ende der Produktionslinie) in das Zellenfeld integriert werden.
7A veranschaulicht das STT-MRAM 700A, welches das in dem Oxid 410 ausgebildete Metall Mx 420 aufweist. Die unteren Elektroden 430 sind auf der Oxidschicht 410 und auf dem Metall Mx 420 abgeschieden. Der aus den Magnetschichten 440A, 440C mit der Tunneloxidschicht 440B dazwischen bestehende Magnetschichtstapel 440 ist auf der unteren Elektrode 430 abgeschieden. Die obere Elektrode 450A ist auf dem Magnetschichtstapel 440 abgeschieden.
7B veranschaulicht das STT-MRAM-Feld 700B, nachdem das STT-MRAM 700A unter Verwendung einer Hartmaske und eines Ätzverfahrens so strukturiert wurde, dass es einzelne, aus der unteren Elektrode 430, den MRAM-Stapeln mit den Schichten 440A, 440B, 440C und der oberen Elektrode 450A bestehende magnetische Tunnelelemente ausbildet.
7C veranschaulicht das STT-MRAM-Feld 700C, nachdem eine dielektrische Zwischenschicht 460 zur elektrischen Isolierung auf dem STT-MRM-Feld 700B abgeschieden wurde.
7D veranschaulicht das STT-MRAM-Feld 700D, nachdem die magnetische Abschirmung 470A darauf abgeschieden wurde. Die magnetische Abschirmung 470A wird einer chemisch-mechanischen Planarisierung (CMP) unterzogen, wobei die dielektrische Zwischenschicht 460 als CMP-Stoppschicht dient.
7E veranschaulicht das STT-MRAM-Feld 700E, nachdem die Isolationsschicht 465 auf der magnetischen Abschirmung 470A abgeschieden wurde.
7F veranschaulicht das STT-MRAM-Feld 700F, nachdem unter Verwendung eines Prozesses mit Graben und Durchkontaktierung oberhalb der Isolationsschicht 465 die Metallschicht M(x + 1) 480 in dem Oxid 490 ausgebildet wurde. Dieser Prozess mit Graben und Durchkontaktierung bildet über die Durchkontaktierung 467 einen elektrischen Kontakt zwischen dem Metall M(x + 1) 480 und der oberen Elektrode 450A aus. Es sei angemerkt, dass das STT-MRAM-Feld 700F dem STT-MRAM-Feld 400A von 4A entspricht.
Den Fachleuten auf dem Gebiet sollte es klar sein, wie die einzelnen Schichten von 7A bis 7F ausgebildet werden, um die STT-MRAM-Zellen 400A von 4A zu ergeben, und es war ihnen außerdem klar, dass es mehr als eine Möglichkeit gibt, um die Schichten auszubilden. Eine ausführlichere Beschreibung des Verfahrens zum Fertigen eines Feldes aus senkrechten STT-MRAM-Zellen 400A wird, der Kürze halber, und um nicht unnötigerweise Erscheinungsformen der Offenbarung unverständlich zu machen, weggelassen.
Ferner würde es den Fachleuten auf diesem Gebiet anhand der obigen Beschreibung auch klar sein, wie ein Feld von senkrechten STT-MRAM-Zellen 400B von 4B gefertigt werden kann. Eine weitere ausführliche Beschreibung in dem vorliegenden Dokument wird daher als nicht notwendig erachtet.
Während die vorgenannten Ausführungen in Verbindung mit einem beispielhaftem Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, versteht es sich, dass der Begriff „beispielhaft” lediglich ein Beispiel und nicht „das beste” oder „optimal” bedeuten soll. Demgemäß soll die Offenbarung Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdecken, die innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung umfasst sein können.
Obwohl in dem vorliegenden Dokument spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben wurden, wird es den Fachleuten mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet klar sein, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen ersetzt werden können, ohne dass von dem Schutzumfang der vorliegenden Anwendung abgewichen wird. Diese Anmeldung soll jegliche Adaptionen oder Variationen der in dem vorliegenden Dokument erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele umfassen.

Claims

Speicher, der Folgendes aufweist: ein Feld von senkrechten STT-MRAM-Zellen (Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory, magnetischer Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher), wobei jede Zelle einen Magnetschichtstapel aufweist; und eine zwischen den Zellen angeordnete und eine Mindesthöhe von wenigstens der Höhe der Magnetschichtstapel aufweisende magnetische Abschirmung, um dadurch die Zellen gegenüber speicherexternen Magnetfeldern abzuschirmen.
Speicher nach Anspruch 1, wobei die Höhe der magnetischen Abschirmung größer ist als die Höhe der Magnetschichtstapel.
Speicher nach Anspruch 1, wobei die magnetische Abschirmung so geformt ist, dass sie eine an wenigstens einer ihrer oberen Kanten ausgebildete horizontale Verlängerung aufweist.
Speicher nach Anspruch 3, wobei wenigstens eine der Zellen eine oberhalb des Magnetschichtstapels ausgebildete Elektrode aufweist und ein oberer Teil der Elektrode einen Durchmesser aufweist, der geringer ist als der Durchmesser des Magnetschichtstapels, um die horizontale Verlängerung der magnetischen Abschirmung aufzunehmen.
Speicher nach Anspruch 1, wobei die Höhe der magnetischen Abschirmung einer maximal möglichen Höhe zwischen der oberhalb bzw. unterhalb der Zellen befindlichen Bitleitung und Source-Leitung entspricht.
Speicher nach Anspruch 1, wobei sich die magnetische Abschirmung in Bezug auf eine freie Magnetschicht innerhalb des Magnetschichtstapels in wenigstens einer von einer horizontalen und einer vertikalen symmetrischen Anordnung befindet.
Speicher nach Anspruch 1, wobei die magnetische Abschirmung eine magnetische Permeabilität von wenigstens 10.000 aufweist.
Speicher nach Anspruch 1, wobei die magnetische Abschirmung eine magnetische Permeabilität zwischen 50.000 und 140.000 aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Speichers, das die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen eines senkrechten STT-MRAM-Zellenstapels (Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory, magnetischer Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher); Ätzen des Zellenstapels, um ein Feld von Zellen auszubilden, wobei jede Zelle einen Magnetschichtstapel aufweist; und Abscheiden einer magnetischen Abschirmung zwischen den Zellen, wobei die magnetische Abschirmung eine Mindesthöhe von wenigstens der Höhe des Magnetschichtstapels aufweist.
Speicher, der Folgendes aufweist: ein Feld von STT-MRAM-Zellen (Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory, magnetischer Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher), wobei jede Zelle einen Magnetschichtstapel aufweist; und eine zwischen den Zellen angeordnete und eine Mindesthöhe von wenigstens der Höhe der Magnetschichtstapel aufweisende magnetische Abschirmung, um dadurch die Zellen gegenüber speicherexternen Magnetfeldern abzuschirmen.