DE102019115512B4

DE102019115512B4 - Magnetisches bauelement und magnetischer direktzugriffsspeicher

Info

Publication number: DE102019115512B4
Application number: DE102019115512.6A
Authority: DE
Inventors: Shy-Jay Lin; Mingyuan SONG
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2039-06-08
Also published as: CN111129288B; TW202034547A; CN111129288A; TWI791133B; US20220158083A1; US11239413B2; KR20200050352A; DE102019115512A1; US20200136022A1; KR102398190B1

Abstract

Magnetische Spin-Orbit-Torque-Vorrichtung, SOT-Vorrichtung, mit:
einer unteren Metallschicht (10, 210);
einer ersten Magnetschicht (20) als einer freien Magnetschicht, die über der unteren Metallschicht (10, 210) angeordnet ist;
einer Abstandshalterschicht (30, 230), die über der ersten Magnetschicht (20) angeordnet ist; und
einer zweiten Magnetschicht (40, 240), die über der Abstandshalterschicht (30, 230) angeordnet ist, wobei die erste Magnetschicht (20) eine untere Magnetschicht (22, 222), eine mittlere Schicht (25, 225), die aus einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt ist, und eine obere Magnetschicht (24, 224) aufweist, wobei die Richtung des Magnetfelds der unteren Magnetschicht (22, 222) senkrecht zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel von bis zu 30° zu einer Senkrechten zu der Schichtstapelrichtung ist, während die Richtung des Magnetfelds der oberen Magnetschicht (24, 224) parallel zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel von bis zu 30° zu der Schichtstapelrichtung ist, wobei die untere Magnetschicht (22, 222) eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor aufweist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Ein magnetischer Direktzugriffsspeicher (MRAM) bietet eine Leistung, die mit der eines flüchtigen statischen Direktzugriffsspeichers (SRAM) vergleichbar ist, und eine Dichte, die mit der eines flüchtigen dynamischen Direktzugriffsspeichers (DRAM) vergleichbar ist, und er hat einen niedrigeren Energieverbrauch als dieser. Im Vergleich zu einem nichtflüchtigen Flash-Speicher bietet ein MRAM viel kürzere Zugriffszeiten und zeigt eine minimale Leistungsminderung im Verlauf der Zeit, wobei ein Flash-Speicher nur mit einer begrenzten Häufigkeit wiederbeschrieben werden kann. Eine Art von MRAM ist ein Spin-Transfer-Torque-RAM (STT-RAM). Ein STT-RAM verwendet einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ), der zumindest teilweise mit einem Strom beschrieben wird, der über den MTJ geführt wird. Eine weitere Art eines MRAM ist ein Spin-Orbit-Torque-MRAM (SOT-MRAM).
Spin-Orbit-Torque-MRAM-Vorrichtungen sind beispielsweise aus der US 2016 / 0 300 999 A1 und der US 2018 / 0 219 152 A1 bekannt. Spin-Transfer-Torque-RAM-Vorrichtungen sind aus der US 2010 / 0 109 109 A1 , der US 2018 / 0 190 419 A1 und der US 2017 / 0 352 701 A1 bekannt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Darstellung einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Schnittansicht einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Schnittansicht einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Schnittansicht einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Schaltplan einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 6A und 6B zeigen eine von mehreren Stufen eines Herstellungsprozessablaufs für einen SOT-MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 7A und 7B zeigen eine von mehreren Stufen eines Herstellungsprozessablaufs für einen SOT-MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 8A und 8B zeigen eine von mehreren Stufen eines Herstellungsprozessablaufs für einen SOT-MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 9A und 9B zeigen eine von mehreren Stufen eines Herstellungsprozessablaufs für einen SOT-MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine von mehreren Stufen eines Herstellungsprozessablaufs für einen SOT-MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt eine von mehreren Stufen eines Herstellungsprozessablaufs für einen SOT-MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt eine von mehreren Stufen eines Herstellungsprozessablaufs für einen SOT-MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 13A und 13B zeigen eine von mehreren Stufen eines Herstellungsprozessablaufs für einen SOT-MRAM gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 14A und 14B zeigen eine von mehreren Stufen eines Herstellungsprozessablaufs für einen SOT-MRAM gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 15A und 15B zeigen eine von mehreren Stufen eines Herstellungsprozessablaufs für einen SOT-MRAM gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung stellt magnetische Spin-Orbit-Torque-Vorrichtungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 18 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Spin-Orbit-Torque-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 19 bereit. Beispielhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die nachstehende Beschreibung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale der Erfindung bereit. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Die Abmessungen von Elementen sind nicht auf den angegebenen Bereich oder die angegebenen Werte beschränkt, sondern sie können von Prozessbedingungen und/oder gewünschten Eigenschaften des Bauelements abhängig sein. Außerdem kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so hergestellt werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Verschiedene Elemente können der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber beliebig in verschiedenen Maßstäben gezeichnet sein. In den beigefügten Figuren können Schichten oder Strukturelemente der Einfachheit halber weggelassen werden.
Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden. Darüber hinaus kann der Begriff „hergestellt aus“ entweder „weist auf“ oder „besteht aus“ bedeuten. Außerdem kann es bei dem folgenden Herstellungsverfahren ein oder mehrere weitere Schritte in oder zwischen den beschriebenen Schritten geben, und die Reihenfolge der Schritte kann geändert werden. In der vorliegenden Erfindung bedeutet die Wendung „ein Element aus der Gruppe A, B und C“ „A, B und/oder C“ (A, B, C, A und B, A und C, B und C, oder A, B und C) und bedeutet nicht ein Element von A, ein Element von B und ein Element von C, wenn nicht anders angegeben.
Ein STT-MRAM ist nichtflüchtig, ist mit der Si-CMOS-Technologie kompatibel, hat eine hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeit, eine lange Lebensdauer und Datenerhaltung, eine relativ geringe Bitzellengröße und eine hohe Umweltrobustheit und ist daher die nächste revolutionäre Technologie für alle integrierten CMOS-Schaltkreise (CMOS-ICs), die einen Speicher benötigen. Eine neue wertvolle Anwendung für einen STT-MRAM ist ein Kleinleistungs-Cache für einen Hauptprozessor (CPU) oder eine Microcontroller-Einheit (MCU), der den attraktiven Vorzug einer Erhöhung der Systemgeschwindigkeit und eines kürzeren Einschaltvorgangs auf Grund seiner Nichtflüchtigkeit bietet. Diese Anwendung stellt jedoch eine hohe Anforderung an die Geschwindigkeit des Speichers, insbesondere an die Lesegeschwindigkeit, die viel niedriger als die Schreibgeschwindigkeit ist. Die Verwendung eines Cache für eine MCU erfordert zusätzlich einen niedrigen Energieverbrauch, der für einen STT-MRAM schwierig ist, dass er einen erheblichen Strom entnimmt, um den Magnetisierungszustand während einer Schreiboperation zu ändern. Bei einem herkömmlichen STT-MRAM können eine Verbesserung der Schreibgeschwindigkeit durch eine Schichtstapel- und Schreibsystem-Optimierung und eine Schreibstromreduzierung durch Stapel-Optimierung und CD-Reduzierung auf Grund des unumgänglichen Leistungskompromisses bei Lebensdauer und Datenerhaltung verzögert werden. Es sind zwar neue Ideen, zum Beispiel eine Hochfrequenz-unterstützte Schreiboperation, vorgeschlagen worden, aber diese sind nicht realisierbar. Es gibt eine erhebliche Diskrepanz zwischen der besten berichteten STT-MRAM-Schreibgeschwindigkeit und -strom und der Schreibgeschwindigkeit und dem Schreibstrom, die für Cache-Anwendungen erforderlich sind, was eine Fehlplanung bedeuten könnte.
Im Gegensatz dazu ist eine magnetische SOT-Umschaltung (SOT: Spin-Orbit-Transfer oder -Torque) ein neues Schreibkonzept, das das Potential hat, die Schreibgeschwindigkeit und den Schreibstrom um eine Größenordnung zu verbessern. SOT wird als eine Lösung für eine Hochgeschwindigkeits-Kleinleistungs-Cache-Anwendung angesehen.
Herkömmliche SOT-Bauelemente können jedoch einige Probleme haben, wie etwa thermische Stabilität der senkrechten magnetischen Anisotropie (PMA). Die senkrechte magnetische Anisotropie wird von einer Grenzfläche zwischen einer aktiven Spinbahnschicht (z. B. einer Schwermetallschicht) und einer freien magnetischen Schicht (z. B. einer Datenspeicherschicht) beeinträchtigt. Insbesondere kann eine Grenzflächendiffusion die Leistung der senkrechten magnetischen Anisotropie mindern. Defekte und eine nicht-ideale Struktur der Grenzfläche können zu einer Instabilität der senkrechten magnetischen Anisotropie und einer dickeren magnetischen Totschicht (MDL) führen, an der die ferromagnetische Ordnung verloren geht.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine neuartige Grenzfläche zwischen der aktiven Spinbahnschicht und der freien Magnetschicht gerichtet, um die vorgenannten Probleme bei dem magnetischen SOT-Bauelement zu lösen.
1 ist eine schematische Darstellung einer SOT-MRAM-Zelle (magnetisches SOT-Bauelement), für die eine Spin-Bahn-Interaktion beim Umschalten verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das magnetische SOT-Bauelement weist als eine aktive Spin-Bahn-Interaktionsschicht eine untere Metallschicht 10 auf, die über einem Trägersubstrat 5 hergestellt ist. Außerdem weist das magnetische SOT-Bauelement Folgendes auf: eine erste Magnetschicht 20, die eine freie Magnetschicht oder eine Datenspeicherschicht ist und über der unteren Metallschicht 10 angeordnet ist; eine nichtmagnetische Abstandshalterschicht 30, die über der ersten Magnetschicht 20 angeordnet ist; und eine zweite Magnetschicht 40 als eine Referenzschicht, die über der nichtmagnetischen Abstandshalterschicht 30 angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen ist eine obere leitfähige Schicht 50 als eine Elektrode über der zweiten Magnetschicht 40 angeordnet.
Das magnetische Moment der freien Schicht 20 (der ersten Magnetschicht) wird unter Verwendung des Spin-Bahn-Interaktionseffekts umgeschaltet. Bei einigen Ausführungsformen wird das magnetische Moment der ersten Magnetschicht 20 nur unter Verwendung des Spin-Bahn-Interaktionseffekts umgeschaltet. Bei anderen Ausführungsformen wird das magnetische Moment der ersten Magnetschicht 20 unter Verwendung einer Kombination aus mehreren Effekten umgeschaltet. Zum Beispiel wird das magnetische Moment der ersten Magnetschicht 20 unter Verwendung des Spin-Transfer-Torque als eines primären Effekts umgeschaltet, der von dem Drehmoment unterstützt werden kann, das von der Spin-Bahn-Interaktion verursacht wird. Bei anderen Ausführungsformen ist der primäre Umschaltmechanismus das Drehmoment, das von der Spin-Bahn-Interaktion verursacht wird. Bei diesen Ausführungsformen kann ein weiterer Effekt, wie etwa der Spin-Transfer-Torque, das Umschalten unterstützen.
Die untere Metallschicht 10 ist eine aktive Spinbahnschicht, die eine starke Spin-Bahn-Interaktion hat und beim Umschalten des magnetischen Moments der ersten Magnetschicht 20 verwendet werden kann. Die untere Metallschicht 10 wird beim Erzeugen eines Spinbahn-Magnetfelds H verwendet. Insbesondere können ein Strom, der in einer Ebene durch die untere Metallschicht 10 geleitet wird, und die zugehörige Spin-Bahn-Interaktion zu dem Spinbahn-Magnetfeld H führen. Das Spinbahn-Magnetfeld H entspricht dem Spin-Orbit-Torque T auf die Magnetisierung, wobei T = -γ [M ·H] in der ersten Magnetschicht 20 ist. Das Drehmoment und das Magnetfeld werden daher austauschbar als Spinbahnfeld und Spin-Orbit-Torque bezeichnet. Dies spiegelt den Umstand wider, dass die Spin-Bahn-Interaktion ihren Ursprung in dem Spin-Orbit-Torque und dem Spinbahnfeld hat. Der Spin-Orbit-Torque tritt bei einem Strom, der in einer Ebene in der unteren Metallschicht 10 geführt wird, und bei einer Spin-Bahn-Interaktion auf. Im Gegensatz dazu wird der Spin-Transfer-Torque von einem Strom verursacht, der senkrecht zu der Ebene durch die erste Magnetschicht 20, die nichtmagnetische Abstandshalterschicht 30 und die zweite Magnetschicht 40 (die Referenzschicht) fließt, die Spin-polarisierte Ladungsträger in die erste Magnetschicht 20 injiziert. Der Spin-Orbit-Torque T kann das magnetische Moment der ersten Magnetschicht 20 schnell von seinem Gleichgewichtszustand parallel zu der Vorzugsachse ablenken. Der Spin-Orbit-Torque T kann die Magnetisierung der ersten Magnetschicht 20 erheblich schneller als der herkömmliche Spin-Transfer-Torque mit einer ähnlichen maximalen Amplitude umlegen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Umschalten mit einem Spin-Orbit-Torque erfolgen. Bei anderen Ausführungsformen kann ein anderer Mechanismus, wie etwa Spin-Transfer, zum Umschalten verwendet werden. Das Spinbahnfeld / der Spin-Orbit-Torque, die erzeugt werden, können somit beim Umschalten des magnetischen Moments der ersten Magnetschicht 20 verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Interaktion mit der unteren Metallschicht 10 den Spin-Hall-Effekt. Bei dem Spin-Hall-Effekt wird ein Strom Je in der Ebene der unteren Metallschicht 10 (d. h., ein Strom in einer Ebene, im Wesentlichen in der xy-Ebene von 1) geführt. Mit anderen Worten, der Strom Je wird senkrecht zu der Stapelrichtung der Schichten geführt, die die untere Metallschicht 10 und die erste Magnetschicht 20 umfassen (d. h., senkrecht zu der Senkrechten zu der Oberfläche, also die z-Richtung in 1). Ladungsträger, die Spins mit einer bestimmten Orientierung haben, die senkrecht zu der Richtung des Stroms und zu der Senkrechten zu der Oberfläche (z-Richtung) ist, sammeln sich an den Oberflächen der unteren Metallschicht 10 an. Eine Mehrheit dieser Spin-polarisierten Träger diffundiert in die erste Magnetschicht 20 (freie Schicht) ein. Diese Diffusion führt zu einem Drehmoment T, das auf die Magnetisierung der ersten Magnetschicht 20 wirkt. Da das Drehmoment, das auf die Magnetisierung wirkt, dem effektiven Magnetfeld auf die Magnetisierung entspricht, wie vorstehend dargelegt worden ist, führt die Spin-Ansammlung entsprechend zu dem Feld H auf der ersten Magnetschicht 20. Das Spinbahnfeld bei dem Spin-Hall-Effekt ist das Kreuzprodukt aus der Spinbahn-Polarisierung und dem magnetischen Moment der ersten Magnetschicht 20. Somit ist die Größe des Drehmoments proportional zu der In-der Ebene-Stromdichte Je und der Spin-Polarisierung der Träger. Der Spin-Hall-Effekt kann beim Umschalten der in 1 gezeigten magnetischen Stapelschicht verwendet werden, wenn die Polarisierung, die von dem Spin-Hall-Effekt bewirkt wird, parallel zu der Vorzugsachse der ersten Magnetschicht 20 ist. Um den Spin-Orbit-Torque T zu erhalten, wird der Stromimpuls in einer Ebene durch die untere Metallschicht 10 geführt. Der resultierende Spin-Orbit-Torque T wirkt dem Dämpfungsmoment entgegen, was zum Umschalten der Magnetisierung der ersten Magnetschicht 20 analog zu der herkömmlichen STT-Umschaltung führt.
Wie vorstehend dargelegt worden ist, ist die untere Metallschicht 10 eine aktive Spin-Orbit-Schicht, die eine starke Spin-Orbit-Interaktion mit der ersten magnetischen Schicht 20 (freie Schicht) bewirkt. Bei einigen Ausführungsformen weist die untere Metallschicht 10 eine oder mehrere Schwermetalle oder Materialien auf, die mit Schwermetallen dotiert sind. Bei bestimmten Ausführungsformen werden α-W, β-W, Pt, Mo, Ru und/oder β-Ta als die untere Metallschicht 10 verwendet. Eine Dicke der unteren Metallschicht 10 beträgt bei einigen Ausführungsformen etwa 2 nm bis etwa 20 nm und bei anderen Ausführungsformen etwa 5 nm bis etwa 15 nm. Bei einigen Ausführungsformen wird zwischen der unteren Metallschicht 10 und der Trägerschicht 5 eine antiferromagnetische Schicht angeordnet, die zum Beispiel aus IrMn hergestellt ist. Bei anderen Ausführungsformen wird statt der Schwermetallschicht die antiferromagnetische Schicht als die untere Metallschicht 10 verwendet.
Die erste Magnetschicht 20 als eine Datenspeicherschicht ist eine freie Schicht, die ein magnetisches Moment hat, das umgeschaltet werden kann. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die erste Magnetschicht 20 eine untere Magnetschicht 22, eine mittlere Schicht 25 und eine obere Magnetschicht 24, wie in 2 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen besteht die untere Magnetschicht 22 aus Cobalt-Eisen-Bor (CoFeB), Cobalt-Palladium (CoPd) und/oder Cobalt-Eisen (CoFe), und sie hat bei einigen Ausführungsformen eine Dicke von etwa 0,6 nm bis etwa 1, 2 nm. Bei bestimmten Ausführungsformen besteht die untere Magnetschicht 22 aus Fe_xCo_yB_1-x-y, wobei 0,50 ≤ x ≤ 0,70 ist und 0,10 ≤ y ≤ 0,30 ist. Bei anderen Ausführungsformen gilt: 0,55 ≤ x ≤ 0,65 und 0,15 ≤ y ≤ 0,25.
Bei einigen Ausführungsformen besteht die obere Magnetschicht 24 aus Cobalt-Eisen-Bor (CoFeB), Cobalt-Palladium (CoPd) und/oder Cobalt-Eisen (CoFe), und sie hat bei einigen Ausführungsformen eine Dicke von etwa 1,0 nm bis etwa 3,0 nm, oder sie besteht aus NiFe und hat eine Dicke von etwa 0,4 nm bis etwa 3,0 nm. Bei bestimmten Ausführungsformen besteht die obere Magnetschicht 24 aus Fe_xCo_yB_1-x-y, wobei 0,50 ≤ x ≤ 0,70 ist und 0,10 ≤ y ≤ 0,30 ist. Bei anderen Ausführungsformen gilt: 0,55 ≤ x ≤ 0,65 und 0,15 ≤ y ≤ 0,25. Bei einigen Ausführungsformen ist die obere Magnetschicht 24 aus dem gleichen Material wie die untere Magnetschicht 22 hergestellt. Bei anderen Ausführungsformen ist die obere Magnetschicht 24 aus einem anderen Material als die untere Magnetschicht 22 hergestellt.
Die mittlere nichtmagnetische Schicht 25 ist eine Verbindungsschicht, und sie ist bei einigen Ausführungsformen aus W, Mo, Pt und/oder Ru und Legierungen davon hergestellt. Eine Dicke der mittleren nichtmagnetischen Schicht 25 beträgt bei einigen Ausführungsformen etwa 0,2 nm bis etwa 0,5 nm. Die untere Magnetschicht 22 und die obere Magnetschicht 24 der ersten Magnetschicht 20 werden durch das Verbindungsmaterial der mittleren nichtmagnetischen Schicht 25 verbunden. Eine solche Verbindung unterbricht die Symmetrie, und dadurch ist ein feldfreies Umschalten möglich. Wie in 2 gezeigt ist, ist bei einigen Ausführungsformen die Richtung des Magnetfelds der unteren Magnetschicht 22 im Wesentlichen horizontal (senkrecht zu der Schichtstapelrichtung), während die Richtung des Magnetfelds der oberen Magnetschicht 24 im Wesentlichen vertikal (parallel zu der Schichtstapelrichtung) ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Richtung des Magnetfelds, zum Beispiel der unteren Magnetschicht 22, schräg mit einem kleinen Winkel (z. B. 1° bis 30°) sein, was zu einer Verschlechterung des TMR-Verhältnisses (TMR: magnetischer Tunnelwiderstand) führen kann. Bei einigen Ausführungsformen kann das TMR-Verhältnis durch Steuern der Dicke der unteren Magnetschicht 22 und/oder der oberen Magnetschicht 24 optimiert werden.
Bei einigen Ausführungsformen, die in 3 gezeigt sind, werden Grenzflächenschichten 26 und 28 zwischen der unteren Magnetschicht 22 und der mittleren nichtmagnetischen Schicht 25 bzw. zwischen der mittleren nichtmagnetischen Schicht 25 und der oberen Magnetschicht 24 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen sind die Grenzflächenschichten 26 und 28 aus FeB hergestellt. Eine Dicke der Grenzflächenschichten 26 und 28 beträgt bei einigen Ausführungsformen etwa 0,5 nm bis etwa 2,0 nm. Wenn die mittlere nichtmagnetische Schicht 25 zwischen der unteren Magnetschicht 22 und der oberen Magnetschicht 24 angeordnet wird (mit anderen Worten, die mittlere nichtmagnetische Schicht 25 wird in die erste Magnetschicht 20 integriert), kann an der Grenzfläche zwischen der mittleren nichtmagnetischen Schicht 25 und der unteren Magnetschicht 22 und/oder der oberen Magnetschicht 24 eine Totschicht beobachtet werden, die die senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) schwächen kann. Durch Einfügen der Grenzflächenschichten 26 und 28 kann die Totschicht unterdrückt werden, und die PMA kann aufrechterhalten oder verbessert werden.
Die nichtmagnetische Abstandshalterschicht 30 ist aus einem dielektrischen Material hergestellt und fungiert als eine Tunnelsperrschicht. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die nichtmagnetische Abstandshalterschicht 30 eine kristalline oder amorphe Magnesiumoxid(MgO)-Schicht. Bei anderen Ausführungsformen ist die nichtmagnetische Abstandshalterschicht 30 aus Aluminiumoxid oder einem leitfähigen Material, wie etwa Cu hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen hat die nichtmagnetische Abstandshalterschicht 30 eine Dicke von etwa 0,3 nm bis etwa 1, 2 nm, und bei anderen Ausführungsformen beträgt ihre Dicke etwa 0,5 nm bis etwa 1,0 nm. In der vorliegenden Erfindung bedeutet eine „Elementschicht“ oder eine „Verbindungsschicht“ im Allgemeinen, dass der Gehalt des Elements oder der Verbindung größer als 99 % ist.
Die zweite Magnetschicht 40 ist eine Referenzschicht, deren magnetisches Moment sich nicht ändert. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Magnetschicht 40 aus dem gleichen Material wie die erste Magnetschicht 20 hergestellt, wie vorstehend dargelegt worden ist. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die zweite Magnetschicht 40 mehrere Schichten aus magnetischen Materialien. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Magnetschicht 40 eine Mehrschichtstruktur aus Cobalt (Co) und Platin (Pt). Eine Dicke der zweiten Magnetschicht 40 beträgt bei einigen Ausführungsformen etwa 0,2 nm bis etwa 1,0 nm und bei anderen Ausführungsformen etwa 0,3 nm bis etwa 0,5 nm.
Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Magnetschicht 40 eine Multischicht, die eine synthetische antiferromagnetische Schicht mit ferromagnetischen Schichten umfasst, die durch eine nichtmagnetische Schicht, wie etwa Ru, getrennt sind. Bei einigen Ausführungsformen wird eine Pinning-Schicht, wie etwa eine antiferromagnetische Schicht, die das magnetische Moment der zweiten Magnetschicht 40 fixiert, über der zweiten Magnetschicht 40 angeordnet, wobei eine Ru-Schicht dazwischen geschichtet wird. Die erste und die zweite Magnetschicht sind bei einigen Ausführungsformen kristallin.
Die obere leitfähige Schicht 50 als eine Elektrode umfasst eine oder mehrere Schichten aus Ta, Ru, Au, Cr und Pt.
Die Trägerschicht 5 ist aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumoxid, Siliziumoxidnitrid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder einem anderen geeigneten Material hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen ist die Trägerschicht 5 eine STI-Schicht (STI: flache Grabenisolation), eine Zwischenschichtdielektrikum-Schicht (ILD-Schicht) oder eine Zwischenmetall-Dielektrikumschicht (IMD-Schicht) in einem HalbleiterBauelement.
Wie außerdem in 2 gezeigt ist, wird bei einigen Ausführungsformen eine metallische Zwischenschicht 60 zwischen der nichtmagnetischen Abstandshalterschicht 30 und der zweiten Magnetschicht 40 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen ist die metallische Zwischenschicht 60 aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die metallische Zwischenschicht 60 aus Mg hergestellt. Eine Dicke der metallischen Zwischenschicht 60 beträgt bei einigen Ausführungsformen etwa 0,1 nm bis etwa 0,6 nm und bei anderen Ausführungsformen etwa 0,2 nm bis etwa 0,5 nm. Bei anderen Ausführungsformen wird keine metallische Zwischenschicht verwendet.
Bei einigen Ausführungsformen wird eine antiferromagnetische Schicht 70 über der zweiten Magnetschicht 40 hergestellt, und eine dritte Magnetschicht 80 wird über der antiferromagnetischen Schicht 70 hergestellt, wie in 2 gezeigt ist. Die antiferromagnetische Schicht 70 trägt zum Fixieren des magnetischen Moments der zweiten Magnetschicht 40 bei. Bei einigen Ausführungsformen weist die antiferromagnetische Schicht 70 Ruthenium (Ru) oder ein anderes geeignetes antiferromagnetisches Material auf. Bei einigen Ausführungsformen beträgt eine Dicke der antiferromagnetischen Schicht 70 etwa 0,2 nm bis etwa 0,8 nm.
Die dritte Magnetschicht 80 umfasst eine oder mehrere Schichten aus magnetischen Materialien. Bei einigen Ausführungsformen weist die dritte Magnetschicht 80 Cobalt, Eisen, Nickel und/oder Platin auf. Bei einigen Ausführungsformen ist das Material der dritten Magnetschicht 80 das Gleiche wie das der zweiten Magnetschicht 40 oder ist von diesem verschieden. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die dritte Magnetschicht 80 eine CoPt-Schicht. Eine Dicke der dritten Magnetschicht 80 beträgt bei einigen Ausführungsformen etwa 0,5 nm bis etwa 1,5 nm und bei anderen Ausführungsformen etwa 0,7 nm bis etwa 1, 2 nm.
Die in den 1 bis 3 gezeigten Schichten können jeweils mit geeigneten Schichtherstellungsverfahren hergestellt werden, wie etwa physikalische Aufdampfung (PVD), z. B. Sputtern; Molekularstrahlepitaxie (MBE); Impulslaser-Abscheidung (PLD); Atomlagenabscheidung (ALD); Elektronenstrahl-Epitaxie; chemische Aufdampfung (CVD); oder abgeleitete CVD-Verfahren, die wiederum Tiefdruck-CVD (LPCVD), Ultrahochvakuum-CVD (UHV-CVD) oder CVD bei reduziertem Druck (RPCVD) umfassen; oder Elektroplattierung; oder Kombinationen davon.
Bei einigen Ausführungsformen wird mit den vorgenannten Schichtherstellungsverfahren ein Schichtstapel hergestellt, und nach dem Herstellen des Schichtstapels wird ein Strukturierungsprozess, der einen oder mehrere lithografische und Ätzprozesse umfasst, an dem Schichtstapel durchgeführt, um eine SOT-Zelle herzustellen, wie sie in 1 gezeigt ist.
Bei einigen Ausführungsformen wird eine untere Metallschicht 10 über einer Trägerschicht 5 hergestellt. Die untere Metallschicht 10 kann durch PVD, CVD, ALD oder mit anderen geeigneten Schichtherstellungsverfahren hergestellt werden. Dann wird eine erste Magnetschicht 20 durch PVD, CVD, ALD oder mit anderen geeigneten Schichtherstellungsverfahren hergestellt. Wie vorstehend dargelegt worden ist, umfasst die erste Magnetschicht 20 die untere Magnetschicht 22, die mittlere nichtmagnetische Schicht 25 und die obere Magnetschicht 24. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die erste Magnetschicht 20 außerdem Grenzflächenschichten 26 und 28. Diese Schichten werden nacheinander über der unteren Metallschicht 10 hergestellt. Dann werden die übrigen Schichten nacheinander über der ersten Magnetschicht 20 hergestellt.
4 ist eine schematische Schnittansicht einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird die Reihenfolge der Stapelschichten umgekehrt.
5 ist ein Schaltplan einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Schreibstrom fließt von einer Schreib-Bitleitung (WBL) zu einer komplementären Schreib-Bitleitung (WBL) oder umgekehrt über einen oder mehrere Schalter (MOS-Transistoren). Die Schreib-Bitleitungen (WBLs) sind mit einer Stromquelle 110 (siehe 1) verbunden. Der Schreibstrom bewirkt ein vertikales Magnetfeld, das die Richtung des Magnetfelds der ersten Magnetschicht 20 (freie Schicht) ändern kann. Die obere Elektrode wird mit einer Lese-Bitleitung (RBL) verbunden, um Daten in dem SOT-MRAM zu lesen. Im Allgemeinen wird kein vertikaler Strom, der durch den SOT-MRAM-Stapel fließt, von außerhalb des SOT-MRAM angelegt.
Die 6A bis 12 zeigen verschiedene Stufen eines Herstellungsprozessablaufs für einen SOT-MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist klar, dass weitere Schritte vor, während und nach den in den 6A bis 12 gezeigten Prozessen vorgesehen werden können und einige der nachstehend beschriebenen Schritte bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens ersetzt oder weggelassen werden können. Die Reihenfolge der Schritte/Prozesse ist austauschbar. Materialien, Konfigurationen, Abmessungen, Prozesse und/oder Schritte, die denen gleichen oder ähnlich sind, die bei den vorstehenden Ausführungsformen beschrieben worden sind, können in den folgenden Ausführungsformen verwendet werden, und ihre detaillierte Erläuterung kann entfallen. Die 6A, 7A, 8A und 9A sind Draufsichten, und die 6B, 7B, 8B und 9B sind Schnittansichten.
Wie in den 6A und 6B gezeigt ist, werden untere Durchkontakte 205 in einer ersten ILD-Schicht 200 hergestellt. Die erste ILD-Schicht 200 umfasst eine oder mehrere dielektrische Schichten, wie etwa aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid, Fluorsilicatglas (FSG), Low-k-Dielektrika, wie etwa mit Kohlenstoff dotierte Oxide, Extrem-low-k-Dielektrika, wie etwa mit porösem Kohlenstoff dotiertes Siliziumdioxid, Polymere, wie etwa Polyimid, Kombinationen davon oder dergleichen. Bei einigen Ausführungsformen wird die erste ILD-Schicht 200 mit einem Verfahren wie CVD, fließfähige CVD (FCVD) oder einem Spin-on-Glass-Prozess, hergestellt, aber es kann jedes geeignete Verfahren verwendet werden. Anschließend wird ein Planarisierungsprozess, wie etwa eine chemisch-mechanische Polierung (CMP) und/oder ein Rückätzprozess, oder dergleichen durchgeführt.
Die unteren Durchkontakte 205 werden in Kontakt mit der unteren Metallverdrahtung (nicht dargestellt) hergestellt und gehen bei einigen Ausführungsformen durch die erste ILD-Schicht 200 hindurch. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der untere Durchkontakt 205 eine Deckschicht und eine Body-Schicht. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Deckschicht eine oder mehrere Schichten aus Ti, TiN, Ta oder TaN oder einem anderen geeigneten Material, und die Body-Schicht umfasst eine oder mehrere Schichten aus W, Cu, Al, Mo, Co, Pt, Ni und/oder Legierungen davon oder anderen geeigneten Materialien. Zum Herstellen des unteren Durchkontakts 205 wird bei einigen Ausführungsformen ein Damascene-Prozess verwendet. Bei einigen Ausführungsformen wird der untere Durchkontakt 205 jeweils über Schalttransistoren mit Bitleitungen verbunden.
Wie in den 7A und 7B gezeigt ist, wird dann eine Stapelschicht hergestellt. Die Stapelschicht weist die folgenden Schichten in der genannten Reihenfolge oder in der umgekehrten Reihenfolge auf: eine untere Metallschicht 210, die der unteren Metallschicht 10 der vorhergehenden Ausführungsformen entspricht; eine untere Magnetschicht 222, die der unteren Magnetschicht 22 der vorhergehenden Ausführungsformen entspricht; eine mittlere nichtmagnetische Schicht 225, die der mittleren nichtmagnetischen Schicht 25 der vorhergehenden Ausführungsformen entspricht; eine obere Magnetschicht 224, die der oberen Magnetschicht 24 der vorhergehenden Ausführungsformen entspricht; eine nichtmagnetische Abstandshalterschicht 230, die der nichtmagnetischen Abstandshalterschicht 30 der vorhergehenden Ausführungsformen entspricht; eine zweite Magnetschicht 240, die der zweiten Magnetschicht 40 der vorhergehenden Ausführungsformen entspricht; und eine obere leitfähige Schicht 250, die der oberen leitfähigen Schicht 50 der vorhergehenden Ausführungsformen entspricht. Bei einigen Ausführungsformen sind Schichten, die den Grenzflächenschichten 26 und 28, der metallischen Zwischenschicht 60, der antiferromagnetischen Schicht 70 und/oder der dritten Magnetschicht 80 entsprechen, Bestandteil der Stapelschicht. Die Schichten können jeweils mit geeigneten Schichtherstellungsverfahren hergestellt werden, wie etwa physikalische Aufdampfung (PVD), z. B. Sputtern; Molekularstrahlepitaxie (MBE); Impulslaser-Abscheidung (PLD); Atomlagenabscheidung (ALD); Elektronenstrahl-Epitaxie; chemische Aufdampfung (CVD); oder abgeleitete CVD-Verfahren, die wiederum Tiefdruck-CVD (LPCVD), Ultrahochvakuum-CVD (UHV-CVD) oder CVD bei reduziertem Druck (RPCVD) umfassen; oder Elektroplattierung; oder Kombinationen davon.
Durch Verwenden eines oder mehrerer lithografischer und Ätzprozesse wird die Stapelschicht bei einigen Ausführungsformen zu einer Linienstruktur strukturiert, wie in den 8A und 8B gezeigt ist. Die Breite der Linienstruktur beträgt bei einigen Ausführungsformen etwa 10 nm bis etwa 50 nm und bei anderen Ausführungsformen etwa 15 nm bis etwa 30 nm in der y-Richtung.
Wie in den 9A und 9B gezeigt ist, werden dann mit einem oder mehreren lithografischen und Ätzprozessen die untere Magnetschicht 222, die mittlere nichtmagnetische Schicht 225, die obere Magnetschicht 224, die nichtmagnetische Abstandshalterschicht 230, die zweite Magnetschicht 240 und die obere leitfähige Schicht 250 zu einem SOT-Schichtstapel strukturiert. Der Ätzprozess wird durchgeführt, um die untere Magnetschicht 222 gegenüber der unteren Metallschicht 210 selektiv zu entfernen. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Oxidationsprozess durchgeführt, um den spezifischen Widerstand des SOT-Schichtstapels einzustellen. Bei einigen Ausführungsformen beträgt eine Breite des strukturierten Schichtstapels etwa 10 nm bis etwa 50 nm und bei anderen Ausführungsformen etwa 15 nm bis etwa 30 nm in der x-Richtung. Wie in den 9A und 9B gezeigt ist, ist bei einigen Ausführungsformen die Abmessung des Schichtstapels entlang der x-Richtung kleiner als die Abmessung der unteren Metallschicht 210.
Wie in 10 gezeigt ist, werden anschließend eine oder mehrere isolierende Deckschichten 300 so hergestellt, dass sie die strukturierte Stapelschicht bedecken. Bei einigen Ausführungsformen ist eine der isolierenden Deckschichten 300 eine SiON-Schicht, eine SiCN-Schicht oder eine SiOCN-Schicht. Bei einigen Ausführungsformen weist eine der isolierenden Deckschichten 300 ein Isoliermaterial auf Zirconiumbasis auf, wie etwa Zirconiumnitrid (ZrN), Zirconiumcarbid (ZrC) oder Zirconiumdiborid (ZrB₂). Bei einigen Ausführungsformen ist eine der isolierenden Deckschichten 300 eine SiC-Schicht. Wenn eine SiC-Schicht verwendet wird, ist sie bei einigen Ausführungsformen die oberste Schicht der isolierenden Deckschichten 300.
Wie in 11 gezeigt ist, wird dann eine zweite ILD-Schicht 310 über der isolierenden Deckschicht 300 hergestellt. Die zweite ILD-Schicht 310 ist aus einer oder mehreren Schichten dielektrischem Material hergestellt und hat bei einigen Ausführungsformen die gleiche oder eine ähnliche Konfiguration wie die erste ILD-Schicht 200.
Wie in 12 gezeigt ist, werden dann die zweite ILD-Schicht 310 und die isolierende Deckschicht 300 mit einem oder mehreren lithografischen und Ätzprozessen strukturiert, um eine Kontaktöffnung zu erzeugen, und die Kontaktöffnung wird mit einem leitfähigen Material gefüllt, um einen oberen Durchkontakt 320 herzustellen.
Es ist klar, dass das in 12 gezeigte Bauelement weitere Halbleiter-Prozesse durchläuft, um verschiedene Strukturelemente, wie etwa metallische Verbindungsschichten, dielektrische Schichten, Passivierungsschichten und dergleichen, herzustellen.
Die 13A bis 15B zeigen verschiedene Stufen eines Herstellungsprozessablaufs für einen SOT-MRAM gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist klar, dass weitere Schritte vor, während und nach den in den 13A bis 15B gezeigten Prozessen vorgesehen werden können und einige der nachstehend beschriebenen Schritte bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens ersetzt oder weggelassen werden können. Die Reihenfolge der Schritte/Prozesse ist austauschbar. Materialien, Konfigurationen, Abmessungen, Prozesse und/oder Schritte, die denen gleichen oder ähnlich sind, die bei den vorstehenden Ausführungsformen beschrieben worden sind, können in den folgenden Ausführungsformen verwendet werden, und ihre detaillierte Erläuterung kann entfallen. Die 13A, 14A und 15A sind Draufsichten, und die 13B, 14B und 15B sind Schnittansichten.
Wie in 13A gezeigt ist, wird eine untere Metallschicht 210 durch Abscheiden eines metallischen Materials über dem unteren Durchkontakt 205 und der ersten ILD-Schicht 200 mit einem oder mehreren lithografischen und Ätzprozessen hergestellt.
Dann wird eine ILD-Schicht 310' über der strukturierten Metallschicht 210 hergestellt, und mit einem oder mehreren lithografischen und Ätzprozessen wird eine Öffnung 315 in der ILD-Schicht 310' erzeugt, Wie in den 14A und 14B gezeigt ist.
Wie in den 15A und 15B gezeigt ist, wird anschließend eine Stapelschicht hergestellt, die die folgenden Schichten in der genannten Reihenfolge oder in der umgekehrten Reihenfolge umfasst: eine untere Magnetschicht 222, eine mittlere nichtmagnetische Schicht 225, eine obere Magnetschicht 224, eine nichtmagnetische Abstandshalterschicht 230, eine zweite Magnetschicht 240 und eine obere leitfähige Schicht 250. Bei einigen Ausführungsformen sind Schichten, die den Grenzflächenschichten 26 und 28, der metallischen Zwischenschicht 60, der antiferromagnetischen Schicht 70 und/oder der dritten Magnetschicht 80 entsprechen, Bestandteil der Stapelschicht. Die Schichten können jeweils mit geeigneten Schichtherstellungsverfahren hergestellt werden, die Molekularstrahlepitaxie (MBE) und Atomlagenabscheidung (ALD) oder andere geeignete Schichtherstellungsverfahren umfassen.
Bei einigen Ausführungsformen werden eine oder mehrere weitere ILD-Schichten über der ILD-Schicht 310 hergestellt, und ein oberer Durchkontakt wird so hergestellt, dass er die obere leitfähige Schicht 250 kontaktiert.
Es ist klar, dass das in den 15A und 15B gezeigte Bauelement weitere Halbleiter-Prozesse durchläuft, um verschiedene Strukturelemente, wie etwa metallische Verbindungsschichten, dielektrische Schichten, Passivierungsschichten und dergleichen, herzustellen.
In der vorliegenden Erfindung unterbricht bei einem SOT-MRAM-Bauelement eine mittlere Schicht 25 als eine Verbindungsschicht, die zwischen eine untere freie Magnetschicht 22 und eine obere freie Magnetschicht 24 eingefügt wird, die Symmetrie und sie ermöglicht ein feldfreies Umschalten.
Es ist klar, dass hier nicht unbedingt alle Vorzüge erörtert worden sind, kein spezieller Vorzug für alle Ausführungsformen oder Beispiele erforderlich ist und andere Ausführungsformen oder Beispiele andere Vorzüge bieten können.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine magnetische SOT-Vorrichtung (SOT: Spin-Orbit-Torque) Folgendes auf: eine untere Metallschicht; eine erste Magnetschicht als eine freie Magnetschicht, die über der unteren Metallschicht angeordnet ist; eine Abstandshalterschicht, die über der ersten Magnetschicht angeordnet ist; und eine zweite Magnetschicht, die über der Abstandshalterschicht angeordnet ist. Die erste Magnetschicht umfasst eine untere Magnetschicht, eine mittlere Schicht, die aus einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt ist, und eine obere Magnetschicht. Die Richtung des Magnetfelds der unteren Magnetschicht ist senkrecht zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel bis zu 30° zu einer Senkrechten zu der Schichtstapelrichtung, während die Richtung des Magnetfelds der oberen Magnetschicht parallel zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel bis zu 30° zu der Schichtstapelrichtung ist. Die untere Magnetschicht weist eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor auf. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die obere Magnetschicht eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor und/oder eine Legierung aus Nickel und Eisen auf. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen beträgt eine Dicke der unteren Magnetschicht 0,6 nm bis 1, 2 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die obere Magnetschicht die Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor auf, und eine Dicke der Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor beträgt 1,0 nm bis 3,0 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die obere Magnetschicht die Legierung aus Nickel und Eisen auf, und eine Dicke der Legierung aus Nickel und Eisen beträgt 0,4 nm bis 3,0 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die untere Magnetschicht Fe_xCo_yB_1-x-y, wobei 0,50 ≤ x ≤ 0,70 ist und 0,10 ≤ y ≤ 0,30 ist. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen umfasst die mittlere nichtmagnetische Schicht eine oder mehrere Schichten aus W, Mo, Pt und Ru und Legierungen davon. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen beträgt eine Dicke der mittleren nichtmagnetischen Schicht 0,2 nm bis 0,5 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die untere Metallschicht aus Wolfram, Molybdän oder Tantal hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die magnetische SOT-Vorrichtung weiterhin eine metallische Zwischenschicht auf, die zwischen der Abstandshalterschicht und der zweiten Magnetschicht angeordnet ist. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die metallische Zwischenschicht aus Magnesium, und die Abstandshalterschicht aus Magnesiumoxid hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die magnetische SOT-Vorrichtung weiterhin eine obere Metallschicht auf, die über der zweiten Magnetschicht angeordnet ist. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die obere Metallschicht aus Ruthenium hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die zweite Magnetschicht Eisen, Cobalt und Bor auf. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen umfasst die erste Magnetschicht eine erste Grenzflächenschicht zwischen der unteren Magnetschicht und der mittleren Schicht und eine zweite Grenzflächenschicht zwischen der mittleren nichtmagnetischen Schicht und der oberen Magnetschicht. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen sind die erste und/oder die zweite Grenzflächenschicht aus FeB hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen haben die erste und/oder die zweite Grenzflächenschicht eine Dicke von 0,5 nm bis 2,0 nm.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine magnetische SOT-Vorrichtung (SOT: Spin-Orbit-Torque) Folgendes auf: eine untere Metallschicht; eine erste Magnetschicht als eine freie Magnetschicht, die unter der unteren Metallschicht angeordnet ist; eine Abstandshalterschicht, die unter der ersten Magnetschicht angeordnet ist; und eine zweite Magnetschicht, die unter der Abstandshalterschicht angeordnet ist. Die erste Magnetschicht umfasst eine untere Magnetschicht, eine mittlere Schicht, die aus einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt ist, und eine obere Magnetschicht. Die Richtung des Magnetfelds der oberen Magnetschicht ist senkrecht zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel bis zu 30° zu einer Senkrechten zu der Schichtstapelrichtung, während die Richtung des Magnetfelds der unteren Magnetschicht parallel zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel bis zu 30° zu der Schichtstapelrichtung ist. Die untere Magnetschicht weist eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor auf. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die obere Magnetschicht eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor und/oder eine Legierung aus Nickel und Eisen auf. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen beträgt eine Dicke der unteren Magnetschicht 0,6 nm bis 1, 2 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die obere Magnetschicht die Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor auf, und eine Dicke der Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor beträgt 1,0 nm bis 3,0 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die obere Magnetschicht die Legierung aus Nickel und Eisen auf, und eine Dicke der Legierung aus Nickel und Eisen beträgt 0,4 nm bis 3,0 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die untere Magnetschicht Fe_xCo_yB_1-x-y, wobei 0,50 ≤ x ≤ 0,70 ist und 0,10 ≤ y ≤ 0,30 ist. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen umfasst die mittlere nichtmagnetische Schicht eine oder mehrere Schichten aus W, Mo, Pt und Ru und Legierungen davon. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen beträgt eine Dicke der mittleren nichtmagnetischen Schicht 0,2 nm bis 0,5 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die untere Metallschicht aus Wolfram, Molybdän oder Tantal hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die magnetische SOT-Vorrichtung weiterhin eine metallische Zwischenschicht auf, die zwischen der Abstandshalterschicht und der zweiten Magnetschicht angeordnet ist. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die metallische Zwischenschicht aus Magnesium, und die Abstandshalterschicht aus Magnesiumoxid hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die magnetische SOT-Vorrichtung weiterhin eine obere Metallschicht auf, die über der zweiten Magnetschicht angeordnet ist. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die obere Metallschicht aus Ruthenium hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die zweite Magnetschicht Eisen, Cobalt und Bor auf. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen umfasst die erste Magnetschicht eine erste Grenzflächenschicht zwischen der unteren Magnetschicht und der mittleren Schicht und eine zweite Grenzflächenschicht zwischen der mittleren nichtmagnetischen Schicht und der oberen Magnetschicht. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen sind die erste und/oder die zweite Grenzflächenschicht aus FeB hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen haben die erste und/oder die zweite Grenzflächenschicht eine Dicke von 0,5 nm bis 2,0 nm.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein magnetischer Speicher eine magnetische SOT-Vorrichtung (SOT: Spin-Orbit-Torque) und eine Schaltvorrichtung auf. Die magnetische SOT-Vorrichtung weist Folgendes auf: eine untere Metallschicht; eine erste Magnetschicht als eine freie Magnetschicht, die über der unteren Metallschicht angeordnet ist; eine Abstandshalterschicht, die über der ersten Magnetschicht angeordnet ist; und eine zweite Magnetschicht, die über der Abstandshalterschicht angeordnet ist. Die Schaltvorrichtung ist mit der unteren Metallschicht und eine Stromquelle verbunden. Die erste Magnetschicht umfasst eine untere Magnetschicht, eine mittlere Schicht, die aus einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt ist, und eine obere Magnetschicht. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die untere Magnetschicht eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor auf. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die obere Magnetschicht eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor und/oder eine Legierung aus Nickel und Eisen auf. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen beträgt eine Dicke der unteren Magnetschicht 0,6 nm bis 1, 2 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die obere Magnetschicht die Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor auf, und eine Dicke der Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor beträgt 1,0 nm bis 3,0 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die obere Magnetschicht die Legierung aus Nickel und Eisen auf, und eine Dicke der Legierung aus Nickel und Eisen beträgt 0,4 nm bis 3,0 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die untere Magnetschicht Fe_xCo_yB_1-x-y, wobei 0,50 ≤ x ≤ 0,70 ist und 0,10 ≤ y ≤ 0,30 ist. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen umfasst die mittlere nichtmagnetische Schicht eine oder mehrere Schichten aus W, Mo, Pt und Ru und Legierungen davon. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen beträgt eine Dicke der mittleren nichtmagnetischen Schicht 0,2 nm bis 0,5 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die untere Metallschicht aus Wolfram, Molybdän oder Tantal hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die magnetische SOT-Vorrichtung weiterhin eine metallische Zwischenschicht auf, die zwischen der Abstandshalterschicht und der zweiten Magnetschicht angeordnet ist. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die metallische Zwischenschicht aus Magnesium, und die Abstandshalterschicht aus Magnesiumoxid hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die magnetische SOT-Vorrichtung weiterhin eine obere Metallschicht auf, die über der zweiten Magnetschicht angeordnet ist. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die obere Metallschicht aus Ruthenium hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die zweite Magnetschicht Eisen, Cobalt und Bor auf. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen umfasst die erste Magnetschicht eine erste Grenzflächenschicht zwischen der unteren Magnetschicht und der mittleren Schicht und eine zweite Grenzflächenschicht zwischen der mittleren nichtmagnetischen Schicht und der oberen Magnetschicht. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen sind die erste und/oder die zweite Grenzflächenschicht aus FeB hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen haben die erste und/oder die zweite Grenzflächenschicht eine Dicke von 0,5 nm bis 2,0 nm.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen einer magnetischen SOT-Vorrichtung (SOT: Spin-Orbit-Torque) die folgenden Schritte auf: Herstellen von unteren Durchkontakten in einer ersten Zwischenschichtdielektrikum-Schicht; Herstellen einer Stapelschicht, die eine untere Metallschicht, eine erste Magnetschicht, eine Abstandshalterschicht und eine zweite Magnetschicht umfasst; Strukturieren der Stapelschicht zu einer Linienstruktur; und Strukturieren der ersten Magnetschicht, der Abstandshalterschicht und der zweiten Magnetschicht zu einem SOT-Schichtstapel. Die erste Magnetschicht umfasst eine untere Magnetschicht, eine mittlere Schicht, die aus einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt ist, und eine obere Magnetschicht. Die Richtung des Magnetfelds der unteren Magnetschicht ist senkrecht zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel bis zu 30° zu einer Senkrechten zu der Schichtstapelrichtung, während die Richtung des Magnetfelds der oberen Magnetschicht parallel zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel bis zu 30° zu der Schichtstapelrichtung ist. Die untere Magnetschicht weist eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor auf. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die obere Magnetschicht eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor und/oder eine Legierung aus Nickel und Eisen auf. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen beträgt eine Dicke der unteren Magnetschicht 0,6 nm bis 1, 2 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die obere Magnetschicht die Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor auf, und eine Dicke der Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor beträgt 1,0 nm bis 3,0 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die obere Magnetschicht die Legierung aus Nickel und Eisen auf, und eine Dicke der Legierung aus Nickel und Eisen beträgt 0,4 nm bis 3,0 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die untere Magnetschicht Fe_xCo_yB_1-x-y, wobei 0,50 ≤ x ≤ 0,70 ist und 0,10 ≤ y ≤ 0,30 ist. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen umfasst die mittlere nichtmagnetische Schicht eine oder mehrere Schichten aus W, Mo, Pt und Ru und Legierungen davon. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen beträgt eine Dicke der mittleren nichtmagnetischen Schicht 0,2 nm bis 0,5 nm. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die untere Metallschicht aus Wolfram, Molybdän oder Tantal hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die magnetische SOT-Vorrichtung weiterhin eine metallische Zwischenschicht auf, die zwischen der Abstandshalterschicht und der zweiten Magnetschicht angeordnet ist. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die metallische Zwischenschicht aus Magnesium, und die Abstandshalterschicht aus Magnesiumoxid hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die magnetische SOT-Vorrichtung weiterhin eine obere Metallschicht auf, die über der zweiten Magnetschicht angeordnet ist. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen ist die obere Metallschicht aus Ruthenium hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen weist die zweite Magnetschicht Eisen, Cobalt und Bor auf. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen umfasst die erste Magnetschicht eine erste Grenzflächenschicht zwischen der unteren Magnetschicht und der mittleren Schicht und eine zweite Grenzflächenschicht zwischen der mittleren nichtmagnetischen Schicht und der oberen Magnetschicht. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen sind die erste und/oder die zweite Grenzflächenschicht aus FeB hergestellt. Bei einer oder mehreren der vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungsformen haben die erste und/oder die zweite Grenzflächenschicht eine Dicke von 0,5 nm bis 2,0 nm.

Claims

Magnetische Spin-Orbit-Torque-Vorrichtung, SOT-Vorrichtung, mit: einer unteren Metallschicht (10, 210); einer ersten Magnetschicht (20) als einer freien Magnetschicht, die über der unteren Metallschicht (10, 210) angeordnet ist; einer Abstandshalterschicht (30, 230), die über der ersten Magnetschicht (20) angeordnet ist; und einer zweiten Magnetschicht (40, 240), die über der Abstandshalterschicht (30, 230) angeordnet ist, wobei die erste Magnetschicht (20) eine untere Magnetschicht (22, 222), eine mittlere Schicht (25, 225), die aus einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt ist, und eine obere Magnetschicht (24, 224) aufweist, wobei die Richtung des Magnetfelds der unteren Magnetschicht (22, 222) senkrecht zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel von bis zu 30° zu einer Senkrechten zu der Schichtstapelrichtung ist, während die Richtung des Magnetfelds der oberen Magnetschicht (24, 224) parallel zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel von bis zu 30° zu der Schichtstapelrichtung ist, wobei die untere Magnetschicht (22, 222) eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor aufweist.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der unteren Magnetschicht (22, 222) 0,6 nm bis 1, 2 nm beträgt.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die obere Magnetschicht (24, 224) eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor und/oder eine Legierung aus Nickel und Eisen aufweist.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die obere Magnetschicht (24, 224) die Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor aufweist und eine Dicke von 1,0 nm bis 3,0 nm hat.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die obere Magnetschicht (24, 224) die Legierung aus Nickel und Eisen aufweist und eine Dicke von 0,4 nm bis 3,0 nm hat.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere Magnetschicht (22, 222) Fe_xCo_yB_1-x-y ist, wobei 0,50 ≤ x ≤ 0,70 ist und 0,10 ≤ y ≤ 0,30 ist.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mittlere nichtmagnetische Schicht (25, 225) eine oder mehrere Schichten aus W, Mo, Pt und Ru und Legierungen davon aufweist.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dicke der mittleren nichtmagnetischen Schicht (25, 225) 0,2 nm bis 0,5 nm beträgt.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere Metallschicht (10, 210) aus Wolfram, Molybdän oder Tantal hergestellt ist.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine metallische Zwischenschicht (60) aufweist, die zwischen der Abstandshalterschicht (30, 230) und der zweiten Magnetschicht (40, 240) angeordnet ist.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die metallische Zwischenschicht (60) aus Magnesium hergestellt ist und die Abstandshalterschicht (30, 230) aus Magnesiumoxid hergestellt ist.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine obere Metallschicht (50, 70, 80, 250) aufweist, die über der zweiten Magnetschicht (40, 240) angeordnet ist.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die obere Metallschicht (50, 70, 80, 250) aus Ruthenium hergestellt ist.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Magnetschicht (40, 240) Eisen, Cobalt und Bor aufweist.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Magnetschicht (20) eine erste Grenzflächenschicht (26) zwischen der unteren Magnetschicht (22, 222) und der mittleren nichtmagnetischen Schicht (25, 225) und eine zweite Grenzflächenschicht (28) zwischen der mittleren nichtmagnetischen Schicht (25, 225) und der oberen Magnetschicht (24, 224) aufweist.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die erste und/oder die zweite Grenzflächenschicht (26, 28) aus FeB hergestellt sind.
Magnetische SOT-Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die erste und/oder die zweite Grenzflächenschicht (26, 28) eine Dicke von 0,5 nm bis 2,0 nm haben.
Magnetische Spin-Orbit-Torque-Vorrichtung, SOT-Vorrichtung, mit: einer unteren Metallschicht (10, 210); einer ersten Magnetschicht (20) als einer freien Magnetschicht, die unter der unteren Metallschicht (10, 210) angeordnet ist; einer Abstandshalterschicht (30, 230), die unter der ersten Magnetschicht (20) angeordnet ist; und einer zweiten Magnetschicht (40, 240), die unter der Abstandshalterschicht (30, 230) angeordnet ist, wobei die erste Magnetschicht (20) eine untere Magnetschicht (24, 224), eine mittlere Schicht (25, 225), die aus einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt ist, und eine obere Magnetschicht (22, 222) aufweist, wobei die Richtung des Magnetfelds der oberen Magnetschicht (22, 222) senkrecht zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel von bis zu 30° zu einer Senkrechten zu der Schichtstapelrichtung ist, während die Richtung des Magnetfelds der unteren Magnetschicht (24, 224) parallel zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel von bis bis zu 30° zu der Schichtstapelrichtung ist, wobei die obere Magnetschicht (22, 222) eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Spin-Orbit-Torque-Vorrichtung, SOT-Vorrichtung, mit den folgenden Schritten: Herstellen von unteren Durchkontakten (205) in einer ersten Zwischenschichtdielektrikum-Schicht (200); Herstellen einer Stapelschicht, die eine untere Metallschicht (210), eine erste Magnetschicht, eine Abstandshalterschicht (230) und eine zweite Magnetschicht (240) aufweist; Strukturieren der Stapelschicht zu einer Linienstruktur; und Strukturieren der ersten Magnetschicht, der Abstandshalterschicht (230) und der zweiten Magnetschicht (240) zu einem SOT-Schichtstapel, wobei die erste Magnetschicht eine untere Magnetschicht (22, 222), eine mittlere Schicht (25, 225), die aus einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt ist, und eine obere Magnetschicht (24, 224) aufweist, wobei die Richtung des Magnetfelds der unteren Magnetschicht (22, 222) senkrecht zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel von bis zu 30° zu einer Senkrechten zu der Schichtstapelrichtung ist, während die Richtung des Magnetfelds der oberen Magnetschicht (24, 224) parallel zu der Schichtstapelrichtung oder in einem Winkel von bis zu 30° zu der Schichtstapelrichtung ist, wobei die untere Magnetschicht (22, 222) eine Legierung aus Eisen, Cobalt und Bor aufweist.