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VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen
U.S.-Anmeldung Nr. 62/738,095 , eingereicht am 28. September 2018, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme vollständig aufgenommen ist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Viele moderne elektronische Vorrichtungen enthalten elektronischen Speicher. Der elektronische Speicher umfasst Festplattenlaufwerke und Direktzugriffsspeicher (RAMs). Ein Direktzugriffsspeicher kann ein flüchtiger Speicher sein, in dem gespeicherte Daten in Abwesenheit von Spannung verloren gehen, oder ein nichtflüchtiger Speicher, der Daten in Abwesenheit von Spannung speichert. Dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM) und statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM) sind zwei typische Arten von flüchtigem Speicher. Flashspeicher wurde weithin als nichtflüchtiger Speicher verwendet. Resistive oder magnetische Speichervorrichtungen mit Tunnelverbindungen (MTJs) können in Festplattenlaufwerken und/oder RAM verwendet werden und sind durch relativ einfache Strukturen und deren Kompatibilität mit komplementären Metalloxidhalbleiter-(CMOS) Logikherstellungsverfahren vielversprechende Kandidaten für Speicherlösungen der nächsten Generation. Aktuell werden diese verschiedenen Arten von Speichern in verschiedenen Chips vorbereitet und in einem einzigen Modul durch fortschrittliche Packaging-Verfahren wie System in Package (SiP) oder Multichipmodultechniken umgesetzt.
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Figurenliste
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind am besten über die folgende ausführliche Beschreibung zu verstehen, wenn diese zusammen mit den beiliegenden Figuren gelesen wird. Es wird angemerkt, dass dem Standardverfahren der Branche entsprechend verschiedene Eigenschaften nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Die Abmessungen der verschiedenen Eigenschaften können tatsächlich willkürlich vergrößert oder verkleinert werden, um die Erklärung klarer zu machen.
- 1 illustriert eine Querschnittsansicht einer magnetischen Speichervorrichtung mit einem magnetischen Tunnelverbindungs- (MTJ) Stapel mit einer Modulierungsschicht nach einigen Ausführungsformen.
- 2A und 2B illustrieren schematische Diagramme der magnetischen Speichervorrichtung aus 1, die eine Magnetwirkung der Modulierungsschicht nach einigen Ausführungsformen darstellen.
- 3A illustriert eine Querschnittsansicht einer integrierten Schaltung mit einem MTJ-Stapel mit einer Modulierungsschicht nach einigen alternativen Ausführungsformen.
- 3B illustriert eine Querschnittsansicht einer integrierten Schaltung mit einem MTJ-Stapel mit einer Modulierungsschicht nach einigen alternativen Ausführungsformen.
- 4 illustriert eine Querschnittsansicht einer integrierten Schaltung mit mehreren magnetischen Speichervorrichtungen mit verschiedenen Zusammensetzungen oder Abmessungen nach einigen Ausführungsformen.
- 5 illustriert eine Querschnittsansicht einer integrierten Schaltung mit mehreren magnetischen Speichervorrichtungen, die zwischen verschiedene Metallschichten der Verbindungsstruktur eingesetzt werden.
- 6 illustriert ein schematisches Diagramm eines integrierten Schaltungspackages mit einem integrierten Systemchip mit magnetischen Speichervorrichtungen nach einigen Ausführungsformen.
- 7 illustriert ein schematisches Diagramm eines integrierten Schaltungspackages mit einem integrierten Systemchip mit magnetischen Speichervorrichtungen nach einigen alternativen Ausführungsformen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Diese Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zur Umsetzung verschiedener Funktionen dieser Offenbarung bereit. Spezifische Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind nachfolgend beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und sind nicht als einschränkend vorgesehen. Beispielsweise kann die Formung eines ersten Merkmals oder eines zweiten Merkmals in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen enthalten, bei denen die ersten und zweiten Merkmale in direktem Kontakt geformt sind, und sie kann außerdem Ausführungsformen enthalten, in denen weitere Merkmale zwischen dem ersten und zweiten Merkmal geformt werden können, sodass die ersten und zweiten Merkmale nicht in direktem Kontakt stehen müssen. Weiterhin kann die vorliegende Offenbarung Referenzziffern und/oder Buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Klarheit und diktiert nicht für sich eine Beziehung zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
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Ferner können räumlich relative Begriffe wie „unter“, „darunter“, „unterer“, „über“, „oberer“ und ähnliches hierin für eine einfachere Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Element(en) oder Merkmal(en) wie in den Figuren illustriert zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollten zusätzlich zu der Ausrichtung, die in den Figuren dargestellt ist, verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung in Verwendung oder Betrieb umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die räumlich relativen Bezeichner, die hierin verwendet werden, können ebenfalls entsprechend ausgelegt werden.
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In einer elektronischen Vorrichtung werden verschiedene Speichertechnologien für Datenspeicher auf verschiedenen Ebenen einer Speicherhierarchie benötigt. Jede Technologie ist für eine bestimmte Leistungsmatrix optimiert. Beispielsweise kann in einem Computerspeicher SRAM für eine Core-Cache und eine geteilte Cache verwendet werden und optimiert sein, um eine hohe Geschwindigkeit zu erreichen; DRAM kann für On-Package-Speicher verwendet werden und optimiert sein, eine hohe Dichte zu erreichen; und ein Flashspeicher kann für Onlinespeicher verwendet werden und kann optimiert sein, zuverlässige Aufbewahrung zu erreichen. Solche Speicher werden durch verschiedene Technologien umgesetzt und auf getrennten Chips hergestellt. Speicherchips werden auch von Logikschaltungschips getrennt, da die Abläufe für Speicher- und Logikschaltungskomponenten üblicherweise nicht kompatibel sind. Speicherchips und Logikschaltungschips werden in einem einzelnen Modul (oder Package) durch System-in-Package (SiP), 3D-Packaging oder Multi-Chip-Modul- (MCM) Techniken umgesetzt. In einem Modul oder Package belegen mehrere Chips mit verschiedenen Funktionen (vor allem Speicher) einen großen Bereich und verbrauchen Leistung. Es entstehen Kosten- und Leistungseinbußen durch Zwischenverbindungen und Packaging.
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Mit Blick auf die obigen Nachteile sieht die vorliegende Offenbarung einen integrierten Systemchip vor, der kompatible einstellbare magnetische Module für verschiedene Speicher- und Schaltungsbedürfnisse verwendet. Nach einigen Ausführungsformen werden mehrere magnetische Module in eine „Back-End-of-Line“ (BEOL) eines integrierten Systemchips eingesetzt. Die mehreren magnetischen Module können verschiedene Abmessungen und/oder verschiedene Zusammensetzungen aufweisen, um für verschiedene Matrizen optimiert zu sein oder verschiedene Funktionen umzusetzen. Beispielsweise können einige magnetische Module eine Modulierungsschicht umfassen, die auf einer Seite eines MTJ-Stapels angeordnet ist. Die Modulierungsschicht ist für die Optimierung der Umschaltgeschwindigkeit oder Aufbewahrungsfähigkeit eines MTJ-Stapels unterschiedlich eingestellt. Einige magnetische Module können auch eine Auswahlschicht auf derselben oder der anderen Seite des MTJ-Stapels enthalten. Die Auswahlschicht kann den Ein-/Ausschalter des MTJ-Stapels steuern. Die Auswahlschicht kann auch die Funktion der magnetischen Module als Header/Footerschalter aktivieren, indem die Auswahlschicht auf einen wünschenswerten Schaltgrenze eingestellt wird. So können durch Einsetzen und Einstellung magnetischer Module in die Verbindungsstrukturen der BEOL eines integrierten Systemchips verschiedene Speichervorrichtungen und Schaltkreisvorrichtungen zusammen in der BEOL umgesetzt sein. Dadurch kann der Leistungsverbrauch wesentlich verringert werden.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht einer magnetischen Speichervorrichtung 100 mit einem eingestellten magnetischen Modul 130. Das eingestellte magnetische Modul 130 umfasst eine Modulierungsschicht 160 auf einer Seite eines magnetischen Tunnelverbindungs-(MTJ) Stapels 134 nach einigen Ausführungsformen. Der MTJ-Stapel 134 kann zwischen einer unteren Elektrode 132 und einer oberen Elektrode 136 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können die untere Elektrode 132 und die obere Elektrode 136 etwa aus Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN) oder Ruthenium (Ru) bestehen. In einigen Ausführungsformen umfasst der MTJ-Stapel 134 eine Referenzschicht 170, die über der unteren Elektrode 132 angeordnet ist, und eine freie Schicht 166, die über der Referenzschicht 170 angeordnet ist und von der Referenzschicht 170 durch eine Tunnelbarriereschicht 168 getrennt ist. Die Referenzschicht 170 ist eine ferromagnetische Schicht, die eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die „feststeht“. Beispielsweise kann die Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 170 „aufwärts“ sein, d. h. rechtwinklig zur Ebene der Referenzschicht, die auf die obere Elektrode 136 weist, wie durch den Pfeil in 1 dargestellt. Die Tunnelbarriereschicht 116, die sich in einigen Fällen als dünne dielektrische Schicht oder nichtmagnetische Metallschicht manifestieren kann, trennt die Referenzschicht 170 von der freien Schicht 166. Die Tunnelbarriereschicht 116 kann eine Tunnelbarriere sein, die dünn genug ist, quantenmechanisches Tunneln von Strom zwischen der Referenzschicht 170 und der freien Schicht 166 zu erlauben. In einigen Ausführungsformen kann die Tunnelbarriereschicht 168 eine amorphe Barriere umfassen, wie etwa Aluminiumoxid (AlOx) oder Titanoxid (TiOx), oder eine kristalline Barriere, wie etwa Manganoxid (MgO) oder ein Spinell (z. B. MgAl2O4). Die freie Schicht 166 und die Referenzschicht 170 können Eisen, Kobalt, Nickel, Eisenkobalt, Nickelkobalt, Kobalteisenborid, Eisenborid, Eisenplatin, Eisenpalladium oder dergleichen umfassen. Als ein Beispiel können die freie Schicht 166 und die Referenzschicht 170 jeweils Kobalteisenbor- (CoFeB) Schicht umfassen. Die freie Schicht 166 ist in der Lage, ihre Magnetisierungsrichtung zwischen einem von zwei Magnetisierungszuständen wechseln, die binären Datenzuständen entsprechen, die in der magnetischen Speichervorrichtung 100 gespeichert sind. Beispielsweise kann in einem ersten Zustand die freie Schicht 166 eine „Aufwärts“-Magnetisierungsrichtung aufweisen, in der die Magnetisierung der freien Schicht 166 parallel zu der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 170 liegen kann, wodurch der MTJ-Stapel 134 einen relativ geringen Widerstand aufweist. In einem zweiten Zustand kann die freie Schicht 166 eine „Abwärts“-Magnetisierungsrichtung aufweisen, an der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 170 ausgerichtet und in entgegengesetzter Richtung verläuft, wodurch der MTJ-Stapel 134 einen relativ hohen Widerstand aufweist. In einigen Ausführungsformen kann die freie Schicht 166 magnetisches Metall umfassen, wie etwa Eisen, Nickel, Kobalt, Bor und Legierungen davon, wie etwa beispielsweise eine ferromagnetische freie Schicht aus CoFeB.
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Eine synthetische antiferromagnetische (SyAF) Schicht 172 ist unter der Referenzschicht 170 oder an einer Seite der Referenzschicht der freien Schicht 166 gegenüber angeordnet. Die SyAF-Schicht 172 besteht aus ferromagnetischen Materialien, die eingeschränkte oder „feste“ Magnetisierungsrichtungen aufweisen. Diese „feste“ Magnetisierungsrichtung kann in einigen Fällen durch einen Initialisierungskontakt mit einem starken Magnetfeld erreicht werden, nachdem der gesamte Chip hergestellt wird. Beispielsweise kann die SyAF-Schicht 172 ein erstes Paar Pinningschichten umfassen, die eine erste Pinningschicht 172a und eine zweite Pinningschicht 172b enthalten, die entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen aufweisen, die an der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 170 ausgerichtet sind. Unter Verwendung desselben Beispiels wie oben kann die erste Pinningschicht 172a eine „Aufwärts“-Magnetisierungsrichtung aufweisen, die zu der Referenzschicht 170 parallel ist, und die zweite Pinningschicht 172b kann eine „Abwärts“-Magnetisierungsrichtung aufweisen, die der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 170 entgegengesetzt ist. Beispielsweise kann die erste Pinningschicht 172a Kobaltschichten und Nickelschichten übereinandergestapelt (Co/Ni)m umfassen. Die erste Pinningschicht 172a kann ein Kobaltpalladiumstapel (Co/Pd)m oder ein Kobaltplatinstapel (Co/Pt)m sein, wobei m eine positive ganze Zahl sein kann. Die zweite Pinningschicht 172b kann dieselben Zusammensetzungen der ersten Pinningschicht 172a mit selben der unterschiedlichen Lagenanzahlen umfassen. Beispielsweise kann die zweite Pinningschicht 172b Nickelschichten und Kobaltschichten übereinandergestapelt (Ni/Co)n, oder einen Palladiumkobaltstapel ((Pd/Co)n oder einen Platinkobaltstapel (Pt/Co)n umfassen, wobei n eine positive ganze Zahl sein kann.
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Auf der anderen Seite der Referenzschicht 170 der SyAF-Schicht 172 gegenüber kann eine Abdeckschicht 164 über der freien Schicht 166 angeordnet sein. Die Abdeckschicht 164 verbessert die Anisotropie der freien Schicht 166. Beispielsweise kann die Abdeckschicht 164 Magnesiumoxid (MgO) umfassen.
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Eine Modulierungsschicht 160 ist über der freien Schicht 166 und gegenüber der Referenzschicht 170 angeordnet. Die Modulierungsschicht 160 kann direkt auf der freien Schicht 166 angeordnet sein (nicht in der Figur dargestellt) oder von der freien Schicht 166 durch die Abdeckschicht 164 getrennt sein (wie in 1 dargestellt). Die Modulierungsschicht 160 ist konfiguriert, die Schaltgrenze des MTJ-Stapels 134 durch magnetische oder elektrische Interaktionen zu modulieren. In einigen Ausführungsformen kann die Modulierungsschicht 160 eine oder mehr magnetische Schichten umfassen, die den Schaltstrom des MTJ-Stapels 134 modulieren. Die Modulierungsschicht 160 kann aus ferromagnetischem Material bestehen, das eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die eingeschränkt oder „fest“ ist. Die Modulierungsschicht 160 kann das Streufeld einstellen, das an dem MTJ-Stapel 134 erzeugt wird, um die Schaltgrenze zu beeinflussen. Die Modulierungsschicht 160 kann durch Dicke und Zusammensetzungen Anwendungen entsprechend eingestellt werden. In einer Ausführungsform kann die Modulierungsschicht 160 einen Nickelkobaltstapel, in dem Nickelschichten und Kobaltschichten übereinandergestapelt sind, oder einen Palladiumkobaltstapel oder einen Platinkobaltstapel umfassen. In einigen alternativen Ausführungsformen kann die Modulierungsschicht 160 ein zweites Paar Pinningschichten umfassen, die eine dritte Pinningschicht 160a und eine vierte Pinningschicht 160b enthalten. Das zweite Paar Pinningschichten enthält eine dritte Pinningschicht 160a und eine vierte Pinningschicht 160b, die entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen aufwiesen, wobei eine davon eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die an der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 170 ausgerichtet ist und parallel dazu läuft, und die andere eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die an der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 170 ausgerichtet ist und in entgegengesetzter Richtung dazu läuft. Unter Verwendung desselben Beispiels wie oben kann die dritte Pinningschicht 160a eine „Abwärts“-Magnetisierungsrichtung aufweisen. Die vierte Pinningschicht 160b kann die „Aufwärts“-Magnetisierungsrichtung aufweisen. Beispielsweise kann die dritte Pinningschicht 160a Nickelschichten und Kobaltschichten übereinandergestapelt (Ni/Co)q, oder Palladiumkobaltstapel ((Pd/Co)q, oder Platinkobaltstapel (Pt/Co)q umfassen, wobei q eine positive ganze Zahl sein kann. Die vierte Pinningschicht 160b kann (Co/Ni)s, (Co/Pd)s, oder Kobaltplatinstapel (Co/Pt)s, umfassen, wobei s eine positive ganze Zahl sein kann und q größer als s sein kann.
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Die Modulierungsschicht 160 kann auch konfiguriert sein, magnetisch mit der freien Schicht 166 gekoppelt zu sein und die Stabilität der freien Schicht 166 zu verstärken. Ein Nettostreufeld wird auf die freie Schicht 166 durch die Magnetisierungen der Referenzschicht 170, der SyAF-Schicht 172 und der Modulierungsschicht 160 aufgebracht. Die Referenzschicht 170, die SyAF-Schicht 172 und die Modulierungsschicht 160 sind durch einstellbares Material, Dicke und Abscheidungen entworfen, sodass das Nettostreufeld, das auf die freie Schicht 166 aufgebracht wird, null oder vernachlässigbar ist. Dadurch sind der P (Parallel)-Zustand und der AP (Antiparallel)-Zustand der magnetischen Speichervorrichtung 100 ausgeglichen und beide stabilisiert. Ein Nettostreufeld wird auf die Referenzschicht 170 auch durch die Magnetisierungen der freien Schicht 166, der SyAF-Schicht 172 und der Modulierungsschicht 160 aufgebracht. Die freie Schicht 166, die SyAF-Schicht 172 und die Modulierungsschicht 160 sind durch einstellbares Material, Dicke und Abscheidungen entworfen, sodass das Nettostreufeld, das auf die Referenzschicht 170 aufgebracht wird, null oder in derselben Richtung wie die intrinsische Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 170 ist. Dadurch kann ein „Backstitching“-Problem eliminiert oder zumindest verringert werden.
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In einigen weiteren alternativen Ausführungsformen umfasst die Modulierungsschicht 160 möglicherweise eine oder mehr freier schaltende magnetische Schichten, die lose mit der freien Schicht 166 gekoppelt sind. 2A und 2B illustrieren schematische Diagramme der magnetischen Speichervorrichtung 100 von 1, die eine Magnetwirkung der Modulierungsschicht 160 nach einigen Ausführungsformen zeigen. Der MTJ-Stapel befindet sich in 2A im P-Zustand mit niedrigerem Widerstand und in 2B im AP-Zustand mit höherem Widerstand. Die Modulierungsschicht 160 verringert die Inkubationszeit durch Bereitstellen eines Ausgangswinkels und verbessert die Stabilität durch magnetische Koppelung mit der freien Schicht 166 und der Referenzschicht 170. Die Modulierungsschicht 160 ist ohne klare leichte Achse entworfen, wie durch die Pfeile 202 und 204 dargestellt, und magnetisch mit der freien Schicht 166 gekoppelt, wie durch die gestrichelten Pfeile 206 dargestellt. So muss die Magnetisierungsrichtung der Modulierungsschicht 160 nicht an einer leichten Achse der freien Schicht 166 ausgerichtet sein (die in diesem Beispiel rechtwinklig ist), was den Nichtnull-Ausgangswinkel in der freien Schicht 166 einleitet, der durch die Pfeile 206 und 208 dargestellt ist. Dadurch werden die Inkubationszeit und die Impulsbreite zum Umschalten verringert. So verstärkt die magnetische Koppelung zwischen der freien Schicht 166 und der Modulierungsschicht 160 die Stabilität der freien Schicht 166. Beispielsweise kann die Modulierungsschicht 160 Co80Ir20 oder NiFe2O4 umfassen.
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Mit Verweis zurück auf 1 kann die Modulierungsschicht 160 in einigen weiteren alternativen Ausführungsformen eine oder mehr Metall- oder Dielektrikumsschichten umfassen, um den Gesamtwiderstand der magnetischen Speichervorrichtung 100 einzustellen und die Spannung oder den Strom über den MTJ-Stapel 134 zu steuern.
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Weiterhin kann eine Auswahlschicht 174 zwischen der unteren Elektrode 132 und der SyAF-Schicht 172 angeordnet sein. Die Auswahlschicht 174 ist konfiguriert, den Strom basierend auf einer angelegten Vorspannung ein- und auszuschalten. In einigen Ausführungsformen umfasst die Auswahlschicht 174 Materialien wie Nickelchrom (NiCr), Kobalteisenbor (CoFeB), Magnesium (Mg), und/oder Tantal (Ta). Die Auswahlschicht selbst kann aus mehreren Schichten bestehen, aus Materialien wie Oxidhalbleiter, Mo, Ag, TiN und Schwermetallen wie Pt, Pd, Ir, Ru.
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In einer alternativen Umsetzung kann der MTJ-Stapel 134 vertikal „umgedreht“ werden, sodass die SyAF-Schicht 172 und die Referenzschicht 170 in der angegebenen Reihenfolge von oben nach unten über der freien Schicht 166 und der Modulierungsschicht 160 angeordnet sind.
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In einigen Ausführungsformen ist ein Zugangstransistor 234 mit dem MTJ-Stapel 134 durch eine untere Metallschicht 128 gekoppelt, die unter einer unteren Elektrode 132 angebracht ist. Eine Bitleitung (BL) ist mit einem Ende des MTJ-Stapels 134 durch eine obere Elektrode 136 gekoppelt, die unter einer oberen Metallschicht 152 angeordnet ist, und eine Sourceleitung (SL) ist an dem gegenüberliegenden Ende des MTJ-Stapels 134 durch den Zugangstransistor 234 angeordnet. So koppelt das Anlegen einer geeigneten Wortleitungs- (WL) Spannung an eine Gate-Elektrode des Zugangstransistors 234 den MTJ-Stapel 134 zwischen der BL und der SL. Infolgedessen kann der MTJ-Stapel 134 durch Bereitstellen von geeigneten Vorspannungsbedingungen zwischen dem ersten Zustand mit einem niedrigen Widerstand und dem zweiten Zustand mit einem hohen Widerstand umgeschaltet werden, um Daten zu speichern.
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3A und 3B zeigen jeweils Querschnittsansichten integrierte Schaltungen (ICs) 300a und 300b, die nach einigen Ausführungsformen über einem Substrat 101 angeordnet sind. Wie in 3A und 3B dargestellt, ist eine Verbindungsstruktur 105 über dem Substrat 101 angeordnet. In einigen Ausführungsformen umfasst die Verbindungsstruktur 105 eine untere Metallschicht 128, die durch eine untere Zwischenlagendielektrikums- (ILD) Schicht 104 umgeben ist, und eine obere Metallschicht 152, die durch eine obere ILD-Schicht umgeben ist 146. Die untere Metallschicht 128 und die obere Metallschicht 152 können Kupfer umfassen. Die untere Metallschicht 128 umfasst mehrere untere Metallleitungen, die lateral aneinander ausgerichtet sind, wie etwa eine erste untere Metallleitung 102a und eine zweite untere Metallleitung 102b at. Die untere Metallschicht 128 umfasst ferner mehreren untere Metallvias, die über den unteren Metallleitungen angeordnet sind, wie etwa ein erstes unteres Metallvia 112a, das mit der ersten unteren Metallleitung 102a gekoppelt ist, und ein zweites unteres Metallvia 112b, das mit der zweiten unteren Metallleitung 102b gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen sind eine untere Ätzstoppschicht 106 und/oder eine Schutzauskleidung 108 direkt entlang oberer Flächen der unteren Metallleitungen 102a, 102b und der unteren ILD-Schicht 104 angeordnet. Eine untere Dielektrikumsschicht mit niedrigem k-Wert 110 ist über der Schutzauskleidung 108 angeordnet, deren obere Fläche oberen Flächen der unteren untere Metallvias 112a, 112b ausgerichtet ist. Die untere Ätzstoppschicht 106 kann Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder Kombination daraus umfassen. Die Schutzauskleidung 108 kann ein Dielektrikum wie TEOS (Tetraethyl-Orthosilikat) umfassen. Die obere Metallschicht 152 überlagert die untere Metallschicht 128 und die untere ILD-Schicht 104. Die obere Metallschicht 152 kann mehrere obere Metallleitungen umfassen, die lateral aneinander ausgerichtet sind, wie etwa eine erste obere Metallleitung 150a und eine zweite obere Metallleitung 150b. Mehrere obere Metallvias sind jeweils mit den mehreren oberen Metallleitungen gekoppelt, darunter ein erstes oberes Metallvia 148a das mit der ersten oberen Metallleitung 150a gekoppelt ist, und ein zweites oberes Metallvia 148b, das mit der zweiten unteren Metallleitung 150b gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen sind eine obere Ätzstoppschicht 142 und/oder eine Schutzauskleidung 144 einen unteren Abschnitt der oberen Metallvias 148a, 148b umgebend angeordnet. Ein eingestelltes magnetisches Modul 130 ist zwischen dem ersten unteren Metallvia 112a und dem ersten oberen Metallvia 148a angeordnet. In einigen Ausführungsformen kann das eingestellte magnetische Modul 130 eine Struktur aufweisen, die ähnlich oder gleich ist wie das eingestellte magnetische Modul 130 aus 1. Wie bereits mit Verweis auf 1 illustriert, ist das eingestellte magnetische Modul 130 nach spezifischen Anwendungen von einem einstellbaren magnetischen Modul unter Verwendung der Modulierungsschicht 160 und/oder der Auswahlschicht 174 entworfen, um elektrische Eigenschaften des MTJ-Stapels 134 wie Widerstand, Schaltgrenze, Schaltimpulsbreite usw. einzustellen.
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In einigen Ausführungsformen ist mit Verweis auf 3A eine Zwischenmetallschicht 140 zwischen der oberen Metallschicht 152 und der unteren Metallschicht 128 angeordnet. Die Zwischenmetallschicht 140 umfasst an Zwischenmetallleitung 137, die an das zweite obere Metallvia 148b und das zweite untere Metallvia 112b anstößt und eine Höhe aufweist, die im Wesentlichen gleich einer Höhe des eingestellten magnetischen Moduls 130 ist. In einigen alternativen Ausführungsformen sind mit Verweis auf 1B mehrere Zwischenmetallschichten 140' zwischen der oberen Metallschicht 152 und der unteren Metallschicht 128 angeordnet. Beispielsweise sind eine erste Zwischenmetallleitung 139 und eine zweite Zwischenmetallleitung 143 zwischen dem zweiten oberen Metallvia 148b und dem zweiten unteren Metallvia 112b angeordnet und durch ein Zwischenmetallvia 141 verbunden. Durch Einbeziehen des eingestellten magnetischen Moduls 130 zum Überqueren einer oder mehrerer Zwischenmetallschichten können Abmessungen der Speicherzellen, Metallschichten und ILD-Schichten flexibel entworfen werden und müssen sich nicht gegenseitig eingeschränkten.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht einer integrierten Schaltung 400 mit mehreren magnetischen Speichervorrichtungen (z. B. 124a, 124b, 124c) mit verschiedenen Zusammensetzungen oder Abmessungen nach einigen Ausführungsformen. Ähnlich wie in 3A und 3B dargestellt, werden die mehreren magnetischen Speichervorrichtungen (e.g. 124a, 124b, 124c) in die Verbindungsstruktur 105 zwischen der oberen Metallschicht 152 und der unteren Metallschicht 128 innerhalb einer oder mehr Zwischenmetallschichten eingesetzt. Auch wenn die magnetischen Speichervorrichtungen 124a, 124b, 124c als in derselben Zwischenmetallschicht 140 eingesetzt dargestellt sind, versteht es sich, dass die mehreren magnetischen Speichervorrichtungen in einer oder mehr verschiedenen Metallschichtn angeordnet sein können. Ein Beispiel von zwei magnetischen Speichervorrichtungen, die in zwei separaten Metallschichten angeordnet sind, ist später in 5 dargestellt. Die mehreren magnetischen Speichervorrichtungen sind eingestellt, um verschiedene Zusammensetzungen oder Abmessungen für verschiedene funktionale Optimierungen aufzuweisen. Beispielsweise kann eine erste magnetische Speichervorrichtung 124a ein Array erster eingestellter magnetischer Module 130a für niedrigen Strom und hohe Geschwindigkeit umfassen, indem sie eine relativ kleine laterale Abmessung und eine relativ dicke, gut kristallisierte Tunnelbarriereschicht aufweist, um die Spintransferdrehmomenteffizienz zu erhöhen. Die erste magnetische Speichervorrichtung 124 kann für ein Kerncache oder ein geteiltes Cache für ein Computersystem verwendet werden, das aktuell einen SRAM-Speicher verwendet. Ein zweite magnetische Speichervorrichtung 124b kann ein Array zweiter eingestellter magnetische Module 130b umfassen, um Funktionen des aktuellen DRAM-Speichers zu ersetzen, die beispielsweise als On-Package-Speicher für das Computersystem verwendet werden sollen. Die laterale Abmessung ist größer als die erste magnetische Speichervorrichtung 124a, und der Strom wird entsprechend erhöht und die Geschwindigkeit im Vergleich mit der ersten magnetischen Speichervorrichtung 124a verringert. Die oben offenbarte Modulierungsschicht kann in der ersten magnetischen Speichervorrichtung 124a und der zweiten magnetischen Speichervorrichtung 124b zum Drehen der elektrischen Eigenschaften der Vorrichtungen verwendet werden. Eine dritte magnetische Speichervorrichtung 124c kann ein Array dritter eingestellter magnetischer Module 130c umfassen, um Funktionen des aktuellen Flashspeichers zu ersetzen und eine verbesserte Aufbewahrung zu erreichen. Die dritte magnetische Speichervorrichtung 124c kann einen lateralen Durchmesser aufweisen, der größer als die erste magnetische Speichervorrichtung 124a und die zweite magnetische Speichervorrichtung 124b ist. Eine freie Schicht eines MTJ-Stapels der dritten magnetischen Speichervorrichtung 124c ist eingestellt, die Gesamtmagnetisierung zu erhöhen, beispielsweise durch Verwendung eines Materials, das eine große gesättigte Magnetisierung aufweist, und/oder das Volumen der freien Schicht zu erhöhen. Die dritte magnetische Speichervorrichtung 124c kann aus der Schaltgrenzenmodulierungsschicht fehlen.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht einer integrierten Schaltung 500 mit mehreren magnetischen Speichervorrichtungen (z. B. 126a, 126b), die zwischen verschiedene Metallschichten einer Verbindungsstruktur 105 eingesetzt werden. Ähnlich wie in 3A und 3B dargestellt, werden die mehreren magnetischen Speichervorrichtungen (e.g. 126a, 126b) in die Verbindungsstruktur 105 zwischen der oberen Metallschicht 152 und der unteren Metallschicht 128 innerhalb einer oder mehr Zwischenmetallschichten eingesetzt. Die magnetischen Speichervorrichtungen 126a, 126b sind als in verschiedene Zwischenmetallschichten 140, 152 eingesetzt dargestellt. Eine erste magnetische Speichervorrichtung 126a ist in eine erste Zwischenmetallschicht 140 zwischen einer Metallleitung 158 einer zweiten Zwischenmetallschicht 154 und einer ersten unteren Metallleitung 102a der unteren Metallschicht 128 eingesetzt und elektrisch durch die Metallvias 112a und 156a gekoppelt. Eine zweite magnetische Speichervorrichtung 126b ist in die zweite Zwischenmetallschicht 154 zwischen einer Metallleitung 150b der oberen Metallschicht 152 und einer Metallleitung 137 der ersten Zwischenmetallschicht 140 eingesetzt und elektrisch durch die Metallvias 156b und 148b gekoppelt. Jede der mehreren magnetischen Speichervorrichtungen 126a, 126b kann auch über mehrere Zwischenmetallschichten angeordnet sein, wie in 3B dargestellt. Die mehreren magnetischen Speichervorrichtungen 126a, 126b können eingestellt werden, um verschiedene Zusammensetzungen oder Abmessungen für verschiedene funktionale Optimierungen aufzuweisen. Neben dem Ersetzen von SRAM, DRAM oder Flashspeicher wie oben mit Verweis auf 4 beschrieben kann das einstellbare magnetische Module auch eingestellt werden, um als andere Schaltungskomponenten verwendet zu werden. 5 zeigt zwei weitere Beispiele eingestellter magnetischer Module 130d, 130e. Ein viertes eingestelltes magnetisches Modul 130d kann als Hochwiderstandskomponente dienen, indem es eine kleinere laterale Abmessung und/oder eine dickere Tunnelbarriereschicht als die oben beschriebenen eingestellten magnetischen Module 130a bis c aufweist. Außerdem kann die Auswahlschicht 174 angeordnet sein, einen niedrigen und stabilen Ein-Strom aufzuweisen. Ein fünftes eingestelltes magnetisches Modul 130e kann als Header-/Footerschaltungskomponente dienen und einen kleinen Ein-Widerstand und einen kleinen Magnetwiderstand aufweisen. Das fünfte eingestellte magnetische Modul 130e kann im Vergleich mit den oben beschriebenen eingestellten magnetischen Modulen 130a bis c eine kleine Abmessung und eine fehlende Tunnelbarriereschicht aufweisen. Außerdem kann die Auswahlschicht 174 für Modul 130e mit einer gewünschten Schaltgrenze gewählt werden.
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6 zeigt ein schematisches Diagramm eines integrierten Schaltungspackages 600, das einen Prozessorchip 602 und einen integrierten Systemchip 604 enthält, die nach einigen Ausführungsformen zusammengepackt sind. Der integrierte Systemchip 604 enthält magnetische Speichervorrichtungen 124a, 124b, 124c, 126a und 126b, die in ein Substrat integriert sind. CMOS-Logikvorrichtungen können in das Substrat integriert sein. Die magnetischen Speichervorrichtungen 124a, 124b, 124c, 126a bzw. 126b umfassen mehrere eingestellte magnetische Module 130a, 130b, 130c, 130d und 130e. Die eingestellten magnetischen Module 130a, 130b, 130c, 130d und 130e bestehen aus einem einstellbaren magnetischen Modul durch Einstellung von Abmessungen und Zusammensetzungen. Beispiele der eingestellten magnetischen Module 130a, 130b, 130c, 130d und 130e sind mit 4 und 5 assoziiert dargestellt. Eine erste magnetische Speichervorrichtung 124a kann ein Array erster eingestellter magnetischer Module 130a für niedrigen Strom und hohe Geschwindigkeit umfassen, indem sie eine relativ kleine laterale Abmessung und eine relativ dicke, gut kristallisierte Tunnelbarriereschicht aufweist. Die erste magnetische Speichervorrichtung 124 kann für ein Kerncache oder ein geteiltes Cache für ein Computersystem verwendet werden, das aktuell einen SRAM-Speicher verwendet. Ein zweite magnetische Speichervorrichtung 124b kann ein Array zweiter eingestellter magnetische Module 130b umfassen, um Funktionen des aktuellen DRAM-Speichers zu ersetzen, die beispielsweise als On-Package-Speicher für das Computersystem verwendet werden sollen. Die laterale Abmessung der zweiten eingestellten magnetischen Module 130b ist größer als die der ersten eingestellten magnetischen Module 130a und der Strom wird entsprechend erhöht und die Geschwindigkeit im Vergleich mit der ersten magnetischen Speichervorrichtung 124a verringert. Die Modulierungsschicht kann in der ersten magnetischen Speichervorrichtung 124a und der zweiten magnetischen Speichervorrichtung 124b zum Drehen der elektrischen Eigenschaften der Vorrichtungen verwendet werden. Eine dritte magnetische Speichervorrichtung 124c kann ein Array dritter eingestellter magnetischer Module 130c umfassen, um Funktionen des aktuellen Flashspeichers zu ersetzen und eine verbesserte Aufbewahrung zu erreichen. Die dritten eingestellten magnetischen Module 130c können einen lateralen Durchmesser aufweisen, der größer als die ersten eingestellten magnetischen Module 130a und die zweiten eingestellten magnetischen Module 130b ist. Eine freie Schicht eines MTJ-Stapels der dritten eingestellten magnetischen Module 130c ist eingestellt, die Gesamtmagnetisierung zu erhöhen, beispielsweise durch Verwendung eines Materials, das eine große gesättigte Magnetisierung aufweist, und/oder das Volumen der freien Schicht zu erhöhen. Die dritten eingestellten magnetischen Module 130c können aus der Schaltgrenzenmodulierungsschicht fehlen. Eine vierte magnetische Speichervorrichtung 126a enthält mehrere vierte magnetische Module 130d. Das vierte eingestellte magnetische Modul 130d kann als Hochwiderstandskomponente dienen, indem es eine kleinere laterale Abmessung und/oder eine dickere Tunnelbarriereschicht als die oben beschriebenen eingestellten magnetischen Module 130a bis c aufweist. Außerdem kann die Auswahlschicht angeordnet sein, einen niedrigen und stabilen Ein-Strom aufzuweisen. Eine fünfte magnetische Speichervorrichtung 126b enthält mehrere fünfte magnetische Module 130e. Das fünfte eingestellte magnetische Modul 130e kann als Header-/Footerschaltungskomponente dienen und einen kleinen Ein-Widerstand und einen kleinen Magnetwiderstand aufweisen. Das fünfte eingestellte magnetische Modul 130e kann im Vergleich mit den oben beschriebenen eingestellten magnetischen Modulen 130a bis c eine kleine Abmessung und eine fehlende Tunnelbarriereschicht aufweisen. Außerdem kann die Auswahlschicht mit einer gewünschten Schaltgrenze gewählt werden. Die magnetischen Speichervorrichtungen 124a, 124b, 124c, 126a und 126b können in dieselbe Zwischenmetallschicht einer Verbindungsstruktur eingesetzt werden. Alternativ können die magnetischen Speichervorrichtungen 124a, 124b, 124c, 126a, und 126b auch in mehrere verschiedene Zwischenmetallschichten der Verbindungsstruktur eingesetzt werden. Die Verbindungsstruktur kann ein hinteres Ende der Leitungsstruktur des integrierten Systemchips 604 sein.
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7 illustriert ein schematisches Diagramm eines integrierten Schaltungspackages mit einem integrierten Systemchip mit mehreren magnetischen Speichervorrichtungen nach einigen alternativen Ausführungsformen. Im Vergleich mit 6 kann der Prozessor 702 in einen Chip 704 mit den magnetischen Speichervorrichtungen 124a, 124b, 124c, 126a und 126b in einem Substrat integriert sein. CMOS-Logikvorrichtungen können in das Substrat integriert sein.
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Es ist zu verstehen, dass zwar in diesem Dokument auf beispielhafte Strukturen verwiesen wird, um Aspekte der hierin beschriebenen Methoden zu erklären, dass diese Methoden aber nicht notwendigerweise auf die entsprechenden vorgestellten Strukturen begrenzt sind. Stattdessen sind die Methoden (und Strukturen) als voneinander unabhängig und eigenständig und ohne Beachtung eines der bestimmten Aspekte, die in den Figuren dargestellt sind, ausführbar zu betrachten. Weiterhin können hierin beschriebene Schichten in jeder geeigneten Weise geformt sein, wie etwa mit Spin-On-, Sputtering-, Wachstums- und/oder Abscheidungstechniken usw.
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Außerdem können einem Fachmann beim Lesen und/oder Verstehen der Vorgaben und beiliegenden Zeichnungen entsprechende Änderungen und/oder Modifikationen auffallen. Die Offenbarung hierin enthält solche Modifikationen und Änderungen und ist allgemein nicht als dadurch eingeschränkt zu betrachten. Beispielsweise versteht es sich dass, auch, wenn die hierin bereitgestellten Figuren mit einem bestimmten Dotierungstyp illustriert und beschrieben sind, dass alternative Dotierungstypen eingesetzt werden können, wie durch einen gewöhnlichen Fachmann in dem Gebiet zu erkennen sein wird.
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In einer Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine magnetische Speichervorrichtung. Die magnetische Speichervorrichtung enthält eine untere Elektrode, eine Auswahlschicht, die über der unteren Elektrode angeordnet ist, und einen MTJ-Stapel, der über der Auswahlschicht angeordnet ist, und eine Referenzschicht und eine freie Schicht, die über der Referenzschicht angeordnet ist, und die durch eine Tunnelbarriereschicht von der Referenzschicht getrennt ist, umfasst. Die magnetische Speichervorrichtung enthält ferner eine Modulierungsschicht, die über dem MTJ-Stapel angeordnet ist, und eine obere Elektrode, die über der Schaltgrenzenmodulierungsschicht angeordnet ist. Die Auswahlschicht ist konfiguriert, Strom basierend auf einer angelegten Vorspannung ein- und auszuschalten.
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In einer anderen Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen integrierten Systemchip. Der integrierte Systemchip enthält ein Substrat und eine untere Metallschicht, die über dem Substrat angeordnet ist. Die untere Metallschicht umfasst eine erste untere Metallleitung innerhalb einer ersten Region und eine zweite untere Metallleitung innerhalb einer zweiten Region. Der integrierte Systemchip enthält ferner eine obere Metallschicht, die über der unteren Metallschicht liegt und eine erste obere Metallleitung innerhalb der ersten Region und eine zweite obere Metallleitung innerhalb der zweiten Region umfasst. Der integrierte Systemchip enthält ferner eine erste magnetische Speichervorrichtung, die zwischen der ersten unteren Metallleitung und der ersten oberen Metallleitung angeordnet ist, und eine zweite magnetische Speichervorrichtung, die zwischen der zweiten unteren Metallleitung und der zweiten oberen Metallleitung angeordnet ist. Die erste magnetische Vorrichtung und die zweite magnetische Vorrichtung weisen verschiedene laterale Abmessungen auf.
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In noch einer anderen Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen integrierten Systemchip. Der integrierte Systemchip enthält ein Substrat und eine Zwischenverbindungsstruktur, die über dem Substrat angeordnet ist. Die Verbindungsstruktur umfasst mehrere Metallschichten, die je mehrere eingeebnete horizontale Metallleitungen umfassen. Die Verbindungsstruktur enthält eine untere Metallschicht, die über dem Substrat angeordnet ist, eine Zwischenmetallschicht, die über der unteren Metallschicht angeordnet ist, und eine obere Metallschicht, die über der Zwischenmetallschicht liegt. Der integrierte Systemchip enthält ferner eine erste magnetische Speichervorrichtung, die zwischen der unteren Metallschicht und der Zwischenmetallschicht angeordnet ist, und eine zweite magnetische Speichervorrichtung, die zwischen der Zwischenmetallschicht und der oberen Metallschicht angeordnet ist. Die erste magnetische Vorrichtung und die zweite magnetische Vorrichtung weisen verschiedene vertikale Dicken auf.
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Obiges umschreibt Merkmale mehrerer Ausführungsformen, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen. Fachleuten sollte bekannt sein, dass sie die vorliegende Offenbarung leicht als Grundlage für den Entwurf oder die Modifizierung anderer Verfahren und Strukturen verwenden können, um dieselben Zwecke zu erfüllen und/oder dieselben Vorteile der hierin vorgestellten Ausführungsformen zu erreichen. Fachleute sollten außerdem verstehen, dass solche entsprechenden Konstruktionen nicht vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass sie verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen hieran vornehmen können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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