DE102019124487A1

DE102019124487A1 - Abkühlung zur verbesserung der senkrechtenmagnetischen anisotropie (pma) beimagnetischen spin-torque-transfer-direktzugriffsspeichervorrichtungen(stt-mram-vorrichtungen)

Info

Publication number: DE102019124487A1
Application number: DE102019124487.0A
Authority: DE
Inventors: Huanlong Liu; Guenole Jan; Ru-Ying Tong; Jian Zhu; Yuan-Jen Lee; Jodi Mari IWATA; Sahil Patel; Vignesh SUNDAR
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2020-05-14
Also published as: TW202018985A; US11956971B2; CN111162165A; US20200152698A1; US20210013260A1; KR102386037B1; KR20200054081A; US10784310B2

Abstract

Ein Herstellungsverfahren für eine STT-MTJ-MRAM-Vorrichtung (STT: Spin-Transfer Torque; MTJ: magnetischer Tunnelübergang; MRAM: magnetischer Direktzugriffsspeicher) umfasst Schritte zum Abkühlen der Vorrichtung auf einer einzigen Stufe oder auf mehreren Stufen bei ihrer Herstellung. Es wird nachgewiesen, dass der Abkühlprozess, der gleichermaßen auch während der Herstellung anderer mehrschichtiger Vorrichtungen verwendet werden kann, eine funktionsfähige Vorrichtung hervorbringt, die beständiger gegen nachteilige thermische Effekte während des Betriebs ist, die normalerweise dazu führen würden, dass eine ähnliche Vorrichtung, die nicht so hergestellt wird, gespeicherte Daten verliert und im Übrigen nicht richtig arbeitet.

Description

Hintergrund
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine magnetische Spin-Torque-Transfer-Direktzugriffsspeichervorrichtung (STT-MRAM-Vorrichtung) und die Verwendung eines Abkühlprozesses für Herstellungsprozesse als eine Methode zum Verbessern der Bauelementleistung.
Beschreibung
Ein kritischer Aspekt der MRAM-Leistung ist die thermische Stabilität, das heißt, das Vermögen einer Vorrichtung, gespeicherte Informationen bei Temperaturschwankungen ohne Aktualisierung oder andere externe Hilfe stabil zu halten. Dies ist besonders wichtig, wenn die MTJ-Einheitszellengröße (MTJ: magnetischer Tunnelübergang) für hochentwickelte CMOS-Technologieknoten (CMOS: komplementärer Metalloxidhalbleiter) kleiner wird, da die thermische Stabilität in der Theorie proportional zu der Größe des MTJ ist und in der Realität positiv mit der Größe des MTJ korreliert ist. Außerdem werden bei einigen üblichen Halbleiter-Montageprozessen die CMOS-Chips hohen Temperaturen (zum Beispiel 260 °C) ausgesetzt, denen der MRAM als ein Kandidat für eingebettete Speicher entsprechen muss. Bei diesen Temperaturen trifft die herkömmliche Ansicht, dass die thermische Stabilität eine Anforderung nur an die freie Schicht eines MTJ ist, nicht mehr zu. Zunächst kann die TemperaturAbhängigkeit der thermischen Stabilität des MTJ für die freie Schicht und die gepinnte Schicht unterschiedlich sein, da sie aus unterschiedlichen Materialien bestehen können. Da die Temperatur der Fertigungsbearbeitung so viel höher als der normale Temperaturbereich für typische Datenerhaltungsbelange ist, kann man ohne weitere Untersuchung nicht einfach behaupten, dass die gepinnte Schicht eine bessere thermische Stabilität als die freie Schicht hat, nur weil diese Temperatur in dem Betriebstemperaturbereich von Chips (normalerweise niedriger als 125 °C oder 150 °C) liegt. Zudem befindet sich die freie Schicht, nicht aber die gepinnte Schicht, normalerweise in einem oder in der Nähe eines symmetrischen Dipolfelds von einer gepinnten synthetischen antiferromagnetischen Schicht (gepinnten SAF-Schicht). Wenn die Temperatur steigt und die Koerzitivkraft sinkt, kann der Unterschied zwischen einem symmetrischen und einem unsymmetrischen Dipolfeld einen großen Einfluss auf die thermische Stabilität haben. Daher müssen die thermischen Stabilitäten sowohl für die freie Schicht als auch für die gepinnte Schicht für eingebettete MRAM-Anwendungen berücksichtigt werden, die nach den Standard-Herstellungsverfahren für Halbleiter hergestellt werden.
Da die Schichtstapel für Arbeits-MRAMs immer komplizierter werden und jede funktionelle Schicht tendenziell aus mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien für eine bessere Leistung hergestellt wird, ist eine einzelne Stapelschicht (d. h., eine Schicht, die unter Verwendung nur einer Gruppe von Abscheidungsanlagen-Parametern, unter anderem Targets, Kammerdruck, Gase und Durchsätze, abgeschieden wird) oft ultradünn und sie besteht nur aus einigen monoatomaren Lagen (einige Ä) von bestimmten Materialien, die über einem 200-mm- bis 300-mm-Wafer abgeschieden werden. Auf dieser Ebene haben die Schichten, die in dem MTJ-Stapel abgeschieden werden, ganz andere Eigenschaften als massive Materialien, und die Abscheidungsbedingungen können die Morphologie der Schicht signifikant ändern, was Auswirkungen auf die Gesamtleistung des MTJ, unter anderem die thermische Stabilität, hat.
Ein herkömmliches MTJ-Bauelement ist eine Form eines ultrahoch magnetoresistiven Bauelements, bei dem die relative Orientierung der magnetischen Momente von parallelen, vertikal getrennten, oberen und unteren magnetisierten Schichten den Strom von Spinpolarisierten Elektronen steuert, die eine sehr dünne dielektrische Schicht (die Tunnelsperrschicht) durchtunneln, die zwischen diesen Schichten hergestellt ist. Wenn injizierte Elektronen durch die obere Schicht hindurchgehen, werden ihre Spins durch Wechselwirkung mit dem magnetischen Moment dieser Schicht polarisiert. Die Mehrzahl der Elektronen tritt polarisiert in der Richtung des magnetischen Moments der oberen Schicht auf, und die Minderzahl wird entgegen dieser Richtung polarisiert. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein solches polarisiertes Elektron dann die dazwischen befindliche Tunnelsperrschicht durchtunnelt und in die untere Schicht eintritt, hängt von dem Vorhandensein von Zuständen in der unteren Schicht ab, die das durchtunnelnde Elektron einnehmen kann. Die Anzahl dieser Zustände hängt wiederum von der Magnetisierungsrichtung der unteren Elektrode ab. Die Tunnelungswahrscheinlichkeit ist damit Spin-abhängig, und die Größe des Stroms (Tunnelungswahrscheinlichkeit mal Anzahl von Elektronen, die auf die Sperrschicht auftreffen) hängt von der relativen Orientierung der Magnetisierungen der magnetischen Schichten über und unter der Sperrschicht ab. Das MTJ-Bauelement kann somit als eine Art Mehrzustands-Widerstand angesehen werden, da unterschiedliche relative Orientierungen (z. B. parallel und antiparallel) der magnetischen Momente die Größe des Stroms ändern, der durch das Bauelement fließt. Bei einer üblichen Art von Bauelement-Konfiguration (Spin-Filter) hat eine Schicht (die gepinnte Schicht) der magnetischen Schichten durch Austauschkopplung mit einer antiferromagnetischen Schicht ein magnetisches Moment mit einer festen Richtung, während die andere magnetische Schicht (die freie Schicht) ein frei bewegliches magnetisches Moment hat. Die Richtung des magnetischen Moments der freien Schicht wird dann von parallel zu der Richtung der gepinnten Schicht umgeschaltet, woraufhin der Tunnelstrom ansteigt, sodass die Richtung antiparallel zu der gepinnten Schicht ist, woraufhin der Tunnelstrom sinkt. Somit ist das Bauelement effektiv ein bistabiler Widerstand. Die Umschaltung der Richtung des Moments der freien Schicht (Schreiben) erfolgt durch magnetische Fremdfelder, die das Ergebnis von Strömen sind, die durch leitende Leitungen fließen, die zu der Zelle benachbart sind.
Einer der Abscheidungsparameter, der die Schicht-Eigenschaften stark beeinflusst, ist die Temperatur des Wafers, was eine Folge davon ist, dass Schichten, die auf dem Wafer aufgewachsen sind, im Allgemeinen das Ergebnis des Aufstäubens verschiedener Atomarten auf den Wafer sind. Wenn die zerstäubten Spezies auf eine kalte Oberfläche auftreffen, bewegen sie sich tendenziell weniger und/oder sie dringen weniger ein als beim Auftreffen auf eine heiße Oberfläche. Somit hängt das Ergebnis des Zerstäubungsprozesse von der Affinität des Materials, das gerade abgeschieden wird, und der des zuvor abgeschiedenen Materials ab. Durch Ausnutzen dieses Umstands kann die Wafertemperatur so eingestellt werden, dass eine gewünschte Morphologie (Bedeckungsgrad, Korngrenze usw.) für die neu abgeschiedene Schicht erhalten wird. Diese Erkenntnis führt uns zu der Behauptung, dass die eigentlichen Faktoren, die die thermische Stabilität eines in Betrieb befindlichen Bauelements gefährden, auch eine Rolle bei den Faktoren spielen, die die Herstellung dieses Bauelements beeinflussen. Diese Erkenntnis hat uns und einige der Erfinder des Standes der Technik zu der Behauptung veranlasst, dass thermische Bedingungen, die bei der Bauelementherstellung vorhanden sind, die thermische Stabilität des fertigen Bauelements beeinträchtigen können. Nachstehend werden Beispiele für frühere Versuche zum Regulieren der thermischen Bedingungen während der Herstellung zum Abschwächen von ungünstigen Betriebseigenschaften des fertigen Bauelements beschrieben.
Das US-Patent 9.761.795 (Park et al.) beschreibt ein Abkühlen eines Substrats in einer Abkühlkammer auf 50 K bis 300 K nach dem Herstellen einer gepinnten Schicht und vor dem Herstellen einer MgO-Schicht. Das Abkühlen erfolgt durch Einleiten eines Kältemittels in die Kammer.
Die US-Patentanmeldung 2013/0216702 (Kaiser et al.) offenbart ein Abkühlen eines Substrats in einer Abkühlkammer auf 50 K bis 293 K vor und nach dem Herstellen eines Teils einer freien Schicht.
Die US-Patentanmeldung 2016/0130693 (Sawada et al.) offenbart ein Abkühlen eines Substrats in einer Abkühlkammer auf Raumtemperatur vor dem Abscheiden einer Tunnelsperrschicht.
In der US-Patentanmeldung 2016/0099288 (Watanabe et al.) wird behauptet, dass es zweckmäßig ist, einen Abkühlprozess vor der Herstellung einer Aufzeichnungsschicht durchzuführen.
Wir haben herausgefunden, dass keiner dieser Ansätze zu den Ergebnissen des Verfahrens geführt hat, das hier offenbart werden soll.
Zusammenfassung
Ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein MRAM-Bauelement mit einer verbesserten Stabilität bei thermischen Schwankungen bereitzustellen, d. h., mit dem Vermögen, die Speicherung von Daten ohne Aktualisierungszyklen oder andere fremde Hilfe aufrechtzuerhalten.
Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches MRAM-Bauelement mit einem Herstellungsverfahren herzustellen, bei dem Temperaturen des in Herstellung befindlichen Bauelements während bestimmter Abschnitte des Herstellungsprozesses gesenkt werden.
Ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Problem der thermischen Stabilität durch Verwenden von Bearbeitungsverfahren anzugehen, die die günstigsten Auswirkungen auf die Eigenschaften der dünnen Schichten haben, die auf den Wafern abgeschieden werden.
Wie vorstehend dargelegt worden ist, ist einer der Abscheidungsparameter, der die Schicht-Eigenschaften stark beeinflusst, die Temperatur des Wafers. Wenn eine zerstäubte Spezies auf eine kalte Oberfläche auftrifft, bewegt sie sich tendenziell weniger und/oder sie dringt weniger ein als beim Auftreffen auf eine heiße Oberfläche. Somit hängt das Ergebnis des Zerstäubungsprozesses von der Affinität des Materials, das gerade abgeschieden wird, und der des zuvor abgeschiedenen Materials ab. Durch Ausnutzen dieses Umstands kann die Wafertemperatur so eingestellt werden, dass eine gewünschte Morphologie (Bedeckungsgrad, Korngrenze usw.) für die neu abgeschiedene Schicht erhalten wird.
Wir haben herausgefunden, dass durch Abscheiden eines Teils der gepinnten Schicht bei einer niedrigen Temperatur in einem unserer aktuell verwendeten Stapel die thermische Stabilität der gepinnten Schicht, und somit die des Chips insgesamt, signifikant und messbar steigt.
Diese Abkühlung wird in einer speziellen Abkühlkammer in der Abscheidungsanlage erreicht. Nach dem ersten Teil der Abscheidung der gepinnten Schicht wird der Wafer in einem Ultrahochvakuum zu der Abkühlkammer befördert. Dann wird er für eine bestimmte Zeit auf einem kalten Tisch (60 K) in der Kammer befestigt. Die tatsächliche Wafertemperatur sinkt zu Beginn dieses Prozesses und erreicht nach etwa 200 s eine konstante Temperatur, die dicht an der des Tisches ist. Dann wird der Wafer immer noch in dem Ultrahochvakuum schnell zu der Abscheidungskammer befördert, um die restliche Abscheidung der gepinnten Schicht durchzuführen. Die Wafertemperatur steigt während der restlichen Abscheidung der gepinnten Schicht langsam an, bleibt aber noch immer niedrig.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines MTJ-MRAM-Stapels, der mit dem hier beschriebenen Abkühlprozess hergestellt worden ist.
2 ist eine schematische Darstellung, die einen ersten Schritt bei der Herstellung des MTJ-MRAM-Stapels von 1 zeigt.
3 ist eine schematische Darstellung, die einen zweiten Schritt bei der Herstellung des MTJ-MRAM-Stapels von 1 zeigt.
Die 4A bis 4C sind schematische Darstellungen, die drei aufeinander folgende Prozesse zeigen, die zum Herstellen einer Schicht auf einem abgekühlten Werkstück während eines dritten Schritts bei der Herstellung des MTJ-MRAM-Stapels von 1 erforderlich sind.
5 ist eine schematische Darstellung, die einen vierten Schritt bei der Herstellung des MTJ-MRAM-Stapels von 1 zeigt.
6 ist eine schematische Darstellung, die einen fünften Schritt bei der Herstellung des MTJ-MRAM-Stapels von 1 zeigt.
7 ist eine schematische Darstellung, die einen sechsten Schritt bei der Herstellung des MTJ-MRAM-Stapels von 1 zeigt.
8 ist eine schematische Darstellung, die einen letzten Schritt bei der Herstellung des MTJ-MRAM-Stapels von 1 zeigt.

Detaillierte Beschreibung
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft die Herstellung einer beispielhaften STT-MTJ-MRAM-Zelle, die mit einer Temperatursenkung (d. h., einer Abkühlung) während jedes einzelnen von mehreren Schritten oder während mehrerer der Schritte in dem Prozess hergestellt wird. Es ist zu beachten, dass der Prozess keinesfalls auf die Herstellung einer beispielhaften Vorrichtung, wie etwa dieser Zelle, beschränkt ist, sondern dass diese spezielle Vorrichtung von Bedeutung in der Industrie ist und zahlreiche allgemein übliche Herstellungsverfahren umfasst, sodass die Abkühlprozess umfangreich getestet werden kann. Das beispielhafte MRAM-Bauelement ist eine mehrschichtige MTJ-Struktur (ein nichtstrukturierter Stapel), die bei Fertigstellung die nacheinander abgeschiedenen Schichten umfasst, die schematisch in 1 gezeigt sind. In den 2 bis 8 sind die Besonderheiten der einzelnen Abscheidungs- und Abkühlprozesse dargestellt und beschrieben, mit denen schließlich der Stapel von 1 erzeugt wird. Der Herstellungsprozess, der nachstehend unter Bezugnahme auf die 2 bis 8 beschrieben werden soll, wird auf die Verwendung eines Abkühlschritts an einem bestimmten Punkt bei der Herstellung begrenzt, der ein Schritt während der Herstellung einer AP1-Schicht in einer gepinnten synthetischen antiferromagnetischen Schicht (gepinnten SAF-Schicht) ist. In diesem Schritt wird die AP1-Schicht als zwei nacheinander abgeschiedene Schichten 44 und 42 hergestellt, und die Schicht 42 wird einem Abkühlschritt unterzogen, sodass die Schicht 44 auf der abgekühlten Schicht 42 abgeschieden werden kann. Es dürfte klar sein, dass der Abkühlschritt auch auf vielen anderen Stufen bei der Herstellung durchgeführt werden kann und dass die Figuren, die diese Stufen beschreiben, sich nur dadurch unterscheiden, wo der Schritt durchgeführt wird.
In 1 ist die folgende endgültige Aufeinanderfolge von hergestellten Schichten schematisch dargestellt, deren individuelle Eigenschaften nachstehend erörtert werden. Ein Wafersubstrat 5 wird als ein Trägermaterial bereitgestellt, auf dem die späteren Schichten hergestellt werden. Das Substrat 5 ist strukturiert worden (der Strukturierungsprozess ist nicht dargestellt), um einen Oberflächenbereich bereitzustellen, auf dem die nachfolgenden Schichten hergestellt werden sollen. Das Substrat 5 wird demontierbar an verschiedenen Tischen in einem Zerstäubungs-/Abscheidungs-Teilsystem eines vakuumdichten Mehrkammersystems befestigt, das getrennte Kammern umfasst, die für verschiedene Abscheidungs- und Bearbeitungsarten konfiguriert sind. Das Mehrkammersystem weist außerdem ein Teilsystem zur thermischen Behandlung auf, in dem die Temperatur abgesenkt wird. Dieses System wird nachstehend etwas näher beschrieben.
Auf dem Substrat 5 wird eine Schicht 7 aus Ta oder einem leitfähigen Nitrid, wie etwa TiN, hergestellt, die von einer SiO₂-Schicht umschlossen ist, und das Ganze wird mit einem CMP-Prozess (CMP: chemisch-mechanische Polierung) geglättet. Dies ermöglicht einen guten Kontakt für eine später abgeschiedene Seed-Schicht 10, auf der wiederum eine gepinnte synthetische antiferromagnetisch-gekoppelte Schicht (gepinnte SAF-Schicht) 55 hergestellt wird, deren Kopplung durch die Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-Wechselwirkung (RKKY-Wechselwirkung) aufrechterhalten wird. Dieses gekoppelte gepinnte Schichtsystem 55 selbst weist die folgenden drei Schichten auf: eine untere AP2-Schicht 20, eine RKKY-Wechselwirkungsschicht (oder -Kopplungsschicht) 30 und eine obere AP1-Doppelschicht 42/44. Es ist zu beachten, dass die AP1-Schicht hier aus zwei nacheinander abgeschiedenen Schichten hergestellt wird, die mit 42 und 44 bezeichnet sind und später unter Bezugnahme auf die 4A bis 4C näher erörtert werden. Die magnetischen Momente der Schichten AP1 und AP2 werden durch die RKKY-Wechselwirkung in einer antiparallelen Konfiguration, senkrecht zu ihren Herstellungs-Ebenen, gehalten, was durch die Kopplungsschicht 30 ermöglicht wird, deren Wirkung zum Koppeln von magnetischen Momenten zwischen benachbarten magnetischen Schichten auf dem Fachgebiet bekannt ist. Die Bezeichnung mit den Begriffen AP1 und AP2 für die zwei Schichten soll mit der Zahl 1 einfach die Nähe der AP1-Schicht zu einer Tunnelsperrschicht 50 angeben, die in diesem Beispiel eine Schicht aus MgO ist, die auf der Schicht AP1 hergestellt wird, aber es können auch andere Metalloxide verwendet werden. Die Schicht AP2 ist von der Tunnelsperrschicht 50 weiter entfernt. Dann wird eine freie ferromagnetische Schicht 60 auf der Tunnelsperrschicht 50 hergestellt, und anschließend wird eine MgO-Verkappungsschicht 70 auf der freien Schicht 60 hergestellt, und auf der Verkappungsschicht 70 wird eine Hartmaskenschicht 80 hergestellt, die in späteren Strukturierungsprozessen für den fertigen Stapel verwendet werden soll. Wie vorstehend dargelegt worden ist, werden diese einzelnen Schichten nacheinander mit Zerstäubungsprozessen in einem Mehrkammersystem hergestellt, in dem eine Kammer zum Abkühlen des Wafers ohne Zerstäubungs-/Abscheidungsfunktion bestimmt ist und mehrere andere Kammern für spezielle Zerstäubungs-/Abscheidungsprozesse verwendet werden. Der Abkühlprozess wird bei Bedarf durch Befördern des Werkstücks zu der Abkühlkammer und durch Befestigen des Werkstücks mit Spannvorrichtungen an einem Metalltisch durchgeführt, der durch Zuführen von Ar-Gas mit einer Temperatur von 60 K konstant auf dieser Temperatur gehalten wird. Dies ist in 4B gezeigt. Die Abkühlung des Werkstücks geschieht durch den Kontakt mit dem Tisch schnell, und zwar bei dem vorliegenden Prozess innerhalb von 200 s, und stabilisiert sich anschließend. Wenn die niedrigere Temperatur erreicht ist, wird das Werkstück zu der speziellen gesonderten Kammer befördert, in der die Abscheidung bei Umgebungstemperatur erfolgen soll. Es ist zu beachten, dass das System, das für diese Prozesse verwendet wird, im Handel erhältlich ist (CANON ANELVA C7100) und einen einfachen Transport zwischen der Abkühlkammer und den einzelnen Abscheidungskammern ermöglicht. Im Prinzip besteht das System (nicht dargestellt) aus einer zentralen Transporteinheit, von der sechs Nebenkammern abgehen, wobei eine Nebenkammer eine Abkühleinrichtung bereitstellt und die übrigen Nebenkammern Einrichtungen zum Durchführen verschiedener Schicht-Abscheidungen bereitstellen. Wenn das Werkstück zu der Abkühlkammer befördert wird, wird es an einem Metalltisch befestigt, auf dem ein guter Thermokontakt hergestellt wird, und dann wird das gesamte Werkstück mit einem Gastransferprozess abgekühlt. Wenn das Werkstück die gewünschte Temperatur erreicht, wird es aus der Abkühlkammer genommen und zu einer der Abscheidungskammern befördert, wo es erneut an einer Aufspannvorrichtung befestigt wird und die erforderliche Abscheidung abläuft, während das Werkstück innerhalb eines gewünschten niedrigeren Temperaturbereichs bleibt. Nachdem das Werkstück in einer Kammer platziert worden ist, in der der Abscheidungsprozess erfolgen soll, wird es nicht mehr aktiv abgekühlt, sodass seine Temperatur langsam auf die Umgebungstemperatur steigt. Wegen des langsamen Anstiegs der Temperatur wird der Abscheidungsprozess an dem Werkstück jedoch effektiv bei der gewünschten niedrigen Temperatur (hier 60 K) durchgeführt. Das System und dergleichen sind auf dem Fachgebiet bekannt, sodass es hier nicht mehr detailliert beschrieben wird.
In 2 ist ein erster Schritt in einer Reihe von Herstellungsprozessen schematisch dargestellt, die in dem vorstehend beschriebenen Mehrkammersystem erfolgen, in dem alle Prozesse im Vakuum und gegebenenfalls unter temperaturgesteuerten Bedingungen ablaufen können. Es ist zu beachten, dass jeder Abkühlschritt in der Abkühlkammer des Systems erfolgt. Die Beschreibung dieses beispielhaften Prozesses wird mit der Abkühlung begonnen, die nur in einem bestimmten Schritt in der Gesamtherstellung erfolgt. Dieser einzelne Abkühlprozess kann auch an anderen Stellen bei der Herstellung verwendet werden und wird dort ebenfalls beschrieben. Außerdem können auch mehrere Abkühlschritte während eines einzigen Herstellungsprozesses verwendet werden. Nachdem das Werkstück an einem Tisch in der Abkühlkammer (der in 4B gezeigt ist) befestigt und abgekühlt worden ist, wird es zu einer Kammer mit Umgebungstemperatur zurück befördert, die für den Abscheidungsprozess konzipiert ist, der dort durchgeführt werden soll. Der Abscheidungsprozess wird daher an einem Werkstück durchgeführt, das bereits kalt ist und nicht mehr aktiv abgekühlt wird.
Bleiben wir bei 2, in der ein Substrat 5 bereitgestellt wird, das strukturiert worden ist (hier nicht dargestellt), um einen Oberflächenbereich zu erzeugen, auf dem der MTJ-Stapel hergestellt werden soll. Auf diesem strukturierten Substrat 5 wird eine Schicht 7 aus Ta oder dem leitfähigen Nitrid TiN durch Sputtern mit einer Dicke von einigen hundert Ä, normalerweise 400 Å, hergestellt. Der Umgebungsbereich wird mit SiO₂ gefüllt, und dann wird der gesamte Bereich mit einem Oxid-CMP-Prozess geglättet. Dann wird eine Seed-Schicht 10 aus NiCr mit einer Dicke von etwa 30 Å bis etwa 100 Å auf der Schicht 7 abgeschieden, die eine AP2-Schicht 20 impft, die eine wiederholte Co/X-Mehrfachschicht mit einem guten Gitterwachstum entlang der (111)-Richtung ist. Hier kann X aus Ni, Pt oder Pd gewählt werden, und die einzelnen Schichten (d. h., Co und X) haben normalerweise eine Dicke von etwa 1 Å bis etwa 10 Å. Diese mehrschichtige Struktur stellt durch die mehrfachen Grenzflächen-Wechselwirkungen zwischen den Schichten eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) für den gesamten Stapel bereit. Außerdem wird durch die RKKY-Wechselwirkung die AP2-Schicht antiferromagnetisch mit der AP1-Schicht gekoppelt, sodass entgegengesetzt gerichtete magnetische Momente senkrecht zu ihren Abscheidungsebenen entstehen.
In 3 ist die Abscheidung einer RKKY-Wechselwirkungsschicht 30 gezeigt, die eine Schicht aus Ru mit einer Dicke von etwa 3,5 Å bis 4 Å, eine Schicht aus Ir mit einer Dicke von etwa 4,5 Å bis 5,5 Å oder eine Schicht aus Mo mit einer Dicke von etwa 5 Å bis 6 Å sein kann, die die Wechselwirkung durch antiferromagnetische Kopplung zwischen der AP2- und der Al-Schicht ermöglicht, die zu einer antiparallelen Orientierung ihrer magnetischen Momente führt.
Kommen wir nun zu den 4A bis 4C, in denen die Herstellung der AP1-Schicht gezeigt ist, die hier als die folgenden zwei Schichten hergestellt wird:

(I) eine dünne, im Allgemeinen amorphe, Phasentrennungsschicht 42 an der Unterseite, um die (111)-Kristallstruktur der AP2-Schicht von der (001)-Kristallstruktur der übrigen [AP1 / MgO-Sperrschicht / freie Schicht]-Struktur zu trennen, während sie durch die RKKY-Wechselwirkung magnetisch gekoppelt bleiben; und
(II) eine CoFeB-Schicht 44 an der Oberseite, die die MgO-Sperrschicht 50 kontaktiert.

Kommen wir zuerst zu 4A, in der die Herstellung der Schicht 42, wie vorstehend in (I), gezeigt ist, bei der das Werkstück auf der Umgebungstemperatur in der Kammer bleibt, in der die Schicht 30 hergestellt worden ist.
In 4B ist dann das Werkstück, nun mit der soeben abgeschiedenen Schicht 42, gezeigt, das zu der Abkühlkammer befördert wird, in der das Werkstück auf einem Metalltisch 3 platziert wird, demontierbar an einem Tisch 4 befestigt wird und durch Thermokontakt mit diesem Tisch, der wiederum mit einem Gasstrom 2 gekühlt wird, auf die Solltemperatur von 60 K abgekühlt wird.
Kommen wir nun zu 4C, in der das abgekühlte Werkstück gezeigt ist, das nun zurück zu einer Abscheidungskammer bei Umgebungstemperatur befördert wird, in der die Schicht 44, wie vorstehend bei (II), abgeschieden wird.
Das Werkstück kehrt nur sehr langsam zu der Umgebungstemperatur während der Abscheidung zurück, sodass die Schicht 44 tatsächlich auf einer kühlen Schicht 42 hergestellt wird. Die Temperatur des Wafers steigt langsam an, aber während der ersten Minuten der Abscheidung der übrigen AP1-Schicht sollte die Temperatur nicht sehr steigen.
Kommen wir nun zu 5, in der der Abkühlschritt beendet wird und die übrigen Abscheidungsschritte bei Umgebungstemperatur durchgeführt werden. Weitere Abkühlschritte sind jedoch bei Bedarf noch immer möglich, aber sie sind hier nicht dargestellt. Gezeigt wird nun die Herstellung der MgO-Sperrschicht 50 auf der CoFeB-Schicht 44. Die MgO-Sperrschicht 50 hat eine Dicke von 5 Å bis 30 Å. Auf dieser Stufe der Herstellung kann auch ein Abkühlschritt durchgeführt werden, bevor die MgO-Abscheidung beendet ist. Dieser Abkühlschritt könnte zusätzlich zu, oder statt, dem Abkühlschritt erfolgen, der vorstehend bei der Herstellung der AP1-Schicht erörtert worden ist. Es ist zu beachten, dass das MgO durch Sputterdeposition einer Mg-Schicht, die dann oxidiert wird, oder durch direktes Sputtern von einem Target aus MgO hergestellt werden kann.
Kommen wir nun zu 6, in der die Herstellung einer freien ferromagnetischen Schicht 60 gezeigt ist, die im Allgemeinen aus CoFeB-basierten Materialien und mit einer Dicke von 5 Å bis 25 Å hergestellt wird. Der Abkühlschritt kann auch vor oder während der Abscheidung der freien Schicht durchgeführt werden. Wenn der Abkühlschritt während der Abscheidung der freien Schicht durchgeführt wird, wird das Werkstück wieder zu der Abkühlkammer befördert, bevor die freie Schicht vollständig abgeschieden ist. Normalerweise würde eine solche Abkühlung zwischen Abscheidungen durchgeführt werden, wenn die Hälfte der freien Schicht abgeschieden worden ist, was auf halbem Weg zwischen einer freien Schicht mit einer Dicke von 5 Å und einer freien Schicht mit einer Dicke von 25 Å geschehen würde. Normalerweise wird die freie Schicht durch Abscheiden mehrerer Schichten hergestellt, wie etwa einer Schicht aus Fe₇₀B₃₀ und anschließend einer Schicht aus Co₂₀Fe₆₀B₂₀. In diesem Fall würde die Abkühlung vor der Abscheidung der Co₂₀Fe₆₀B₂₀-Schicht erfolgen.
Kommen wir nun zu 7, in der die Abscheidung einer MgO-Verkappungsschicht 70 auf der freien Schicht 60 gezeigt ist. Auch hier sei darauf hingewiesen, dass das MgO durch Oxidieren einer Schicht aus Mg oder durch Sputtern einer Schicht aus MgO hergestellt werden kann. Die MgO-Verkappungsschicht 70 hat eine Dicke von 5 Å bis 30 Å, und der Abkühlschritt kann nach Beendigung der Abscheidung der freien Schicht und vor der Abscheidung der MgO-Verkappungsschicht 70 durchgeführt werden. Es ist zu beachten, dass der Abkühlprozess als eine Reihe von Prozessen durchgeführt werden kann, wobei, wie vorstehend dargelegt worden ist, jeder Abkühlschritt vor oder während jedes Abscheidungsprozesses durchgeführt wird, nachdem das Werkstück zu der Abkühlkammer befördert worden ist. Es ist außerdem zu beachten, dass die meisten entsprechenden Herstellungsschritte für die Verwendung des Abkühlprozesses möglicherweise empirisch ermittelt werden müssen, da der spezielle Charakter des Stapels die vorteilhaften Eigenschaften der Abkühlung zu beeinträchtigen scheint.
Schließlich ist in 8 die Abscheidung einer Hartmaske 80 aus Ta mit einer Dicke von etwa 600 Å gezeigt, die zum Strukturieren des fertigen Stapels verwendet wird. Es ist zu beachten, dass hier keine Temperschritte angegeben werden, die erforderlich sein können, wenn Bauelemente in ein größeres MRAM-System integriert werden müssen. Diese Temperschritte haben weder Einfluss auf die Funktion der Abkühlschritte, noch sind sie zum Einstellen der Magnetisierung der RKKY-Wechselwirkung erforderlich.
Die Vorzüge dieses Herstellungsverfahrens können anhand von Aufschmelztests aufgezeigt werden. Wie in der nachstehenden Tabelle gezeigt ist, haben zwei ansonsten identische Strukturen, wobei die eine mit einem Abkühlschritt und die andere ohne einen Abkühlschritt beim Herstellen der AP1-Schicht einer gepinnten synthetischen antiferromagnetischen Schicht (gepinnten SAF-Schicht) hergestellt werden, unterschiedliche Fehlerraten nach einem Aufschmelzprozess. Aufschmelzen ist ein Chip-Herstellungsprozess, bei dem der Chip dadurch an einen Sockel gelötet wird, dass eine feste Schicht aus Lot erwärmt und verflüssigt (aufgeschmolzen) wird, und das Aufschmelzen ist eine wichtige Voraussetzung für die thermische Stabilität des MTJ-Stapels. Normalerweise wird ein Chip durch den Aufschmelzprozess für etwa 90 s einer Temperatur von etwa 260 °C ausgesetzt, und die Informationen, die in dem Chip vor dem Aufschmelzen gespeichert waren, dürfen während des Aufschmelzprozesses nicht verloren gehen.

Ohne Abkühlung Mit Abkühlung

Fehlerrate nach dem Aufschmelzen 10 ppm 1 ppm
Der Test wird auf der Waferebene wie folgt durchgeführt. Ein Wafer, der mehr als 50 Chips enthält, wird zwischen zwei Metallplatten in einem Ofen gesteckt. Die Temperatur der Metallplatten beträgt mindestens 260 °C, und der Wafer verbleibt mindestens 90 s in dem Ofen. Jeder Chip hat 10 Mb-MTJ-Einheiten und wurde so programmiert, dass er vor dem Test entweder die Information 0 oder 1 speichert. Jeder Chip wird nach dem Test ausgelesen, um die Anzahl von MTJ-Einheiten zu ermitteln, deren gespeicherte Information sich während des Härtungsprozesses geändert hat. Dann wird eine Fehlerrate als die Anzahl von MTJ-Einheiten mit geändertem Informationsgehalt dividiert durch die Gesamtanzahl der MTJ-Bauelemente berechnet.
Der ohne Abkühlung hergestellte Wafer zeigt eine Fehlerrate von 10 ppm (10 Fehler auf 1.000.000 Bauelemente), während der mit Abkühlung hergestellte Wafer eine Fehlerrate von nur 1 ppm zeigt. Die Daten zeigen deutlich eine signifikante Verbesserung der PMA der gepinnten Schicht durch den vorgeschlagenen Abkühlschritt.
Wie ein Fachmann schließlich erkennen dürfte, erläutern die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die vorliegende Erfindung, anstatt sie zu beschränken. An den Verfahren, Materialien, Strukturen und Abmessungen, die beim Herstellen und Bereitstellen einer Vorrichtung mit einer MTJ-MRAM-Zelle mit einem Prozess verwendet werden, der ein Abkühlen eines Werkstücks auf verschiedenen Stufen umfasst, können Abwandlungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne dass die Herstellung dieser Vorrichtung und die Bereitstellung ihres Herstellungsverfahrens von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen, die von den beigefügten Ansprüchen definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9761795 [0006]
US 2013/0216702 [0007]
US 2016/0130693 [0008]
US 2016/0099288 [0009]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer STT-MTJ-MRAM-Zelle (STT: Spin-Torque-Transfer; MTJ: magnetischer Tunnelübergang; MRAM: magnetischer Direktzugriffsspeicher), die als eine Abfolge von Materialschichten hergestellt wird, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines strukturierten Substrats; Herstellen einer Seed-Schicht auf dem Substrat; Herstellen einer ersten Schicht oder AP2-Schicht einer RKKY-gekoppelten Gepinnte-SAF-Schicht-Struktur (SAF-Schicht: synthetische antiferromagnetische Schicht; RKKY-Kopplung: Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-Kopplung) auf der Seed-Schicht; Herstellen einer RKKY-Kopplungsschicht auf der AP2-Schicht; Herstellen eines ersten Teils einer AP1-Schicht auf der RKKY-Kopplungsschicht; Abkühlen des Werkstücks; Herstellen eines zweiten Teils der AP1-Schicht auf dem ersten Teil des abgekühlten Werkstücks, wodurch die gepinnte Schicht fertig gestellt wird; und Herstellen von übrigen Elementen der STT-MTJ-MRAM-Zelle auf der gepinnten Schicht, wobei die übrigen Elemente eine Tunnelsperrschicht, eine freie ferromagnetische Schicht und eine Verkappungsschicht in der genannten Reihenfolge umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die Materialschichten durch Zerstäuben in Zerstäubungskammern eines vakuumdichten Mehrkammersystems hergestellt werden, das Abkühlen in einer gesonderten Abkühlkammer des Systems erfolgt, und das Werkstück von den Zerstäubungskammern zu der Abkühlkammer zum Abkühlen durch Thermokontakt befördert wird und dann zu den einzelnen Zerstäubungskammern für die restliche Bearbeitung zurückbefördert wird, während das Werkstück zu einer Umgebungstemperatur zurückkehrt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Werkstück auf eine Temperatur von 60 K abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Seed-Schicht eine Schicht aus NiCr mit einer Dicke von 30 Å bis 100 Å ist, um ein gutes Gitterwachstum in einer (111)-Richtung der AP2-Abscheidung zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die AP2-Abscheidung eine Abscheidung einer Co/X-Mehrfachschicht umfasst, wobei X Ni, Pt oder Pd oder dergleichen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die AP2-Abscheidung eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) für das gesamte Werkstück bereitstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die RKKY-Kopplungsschicht eine Schicht aus Ru mit einer Dicke von etwa 3,5 Å bis 4 Å oder eine Schicht aus Ir mit einer Dicke von etwa 4,5 Å bis 5,5 Å oder eine Schicht aus Mo mit einer Dicke von etwa 5 Å bis 6 Å ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Teil der AP1-Schicht eine, normalerweise amorphe, Phasentrennungsschicht ist, die zum Trennen der (111)-Kristallstruktur der AP2-Schicht von der (001)-Kristallstruktur der übrigen Struktur aus der AP1-Schicht, der MgO-Sperrschicht und der freien Schicht verwendet wird, während sie durch die RKKY-Wechselwirkung magnetisch gekoppelt bleiben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Teil der AP1-Schicht eine Schicht aus CoFeB ist, die mit einer Dicke von 5 Å bis 25 Å hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen einer STT-MTJ-MRAM-Zelle (STT: Spin-Torque-Transfer; MTJ: magnetischer Tunnelübergang; MRAM: magnetischer Direktzugriffsspeicher), die als eine Abfolge von Materialschichten hergestellt wird, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats; Herstellen einer Seed-Schicht auf dem Substrat; Herstellen einer RKKY-gekoppelten Gepinnte-SAF-Schicht-Struktur (SAF-Schicht: synthetische antiferromagnetische Schicht; RKKY-Kopplung: Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-Kopplung) auf der Seed-Schicht; Abkühlen des Werkstücks; Herstellen einer MgO-Tunnelsperrschicht auf der RKKY-gekoppelten Gepinnte-SAF-Schicht-Struktur des abgekühlten Werkstücks; Herstellen von übrigen Elementen der STT-MTJ-MRAM-Zelle auf der MgO-Tunnelsperrschicht, wobei die übrigen Elemente eine freie ferromagnetische Schicht und eine Verkappungsschicht in der genannten Reihenfolge umfassen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei: die Materialschichten durch Zerstäuben in Zerstäubungskammern eines vakuumdichten Mehrkammersystems hergestellt werden, das Abkühlen in einer gesonderten Abkühlkammer des Systems erfolgt, und das Werkstück von den Zerstäubungskammern zu der Abkühlkammer zum Abkühlen durch Thermokontakt befördert wird und dann zu den einzelnen Zerstäubungskammern für die restliche Bearbeitung zurückbefördert wird, während das Werkstück zu einer Umgebungstemperatur zurückkehrt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Werkstück auf eine Temperatur von 60 K abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Seed-Schicht eine Schicht aus NiCr mit einer Dicke von 30 Å bis 100 Å ist, um ein gutes Gitterwachstum in einer (111)-Richtung einer AP2-Abscheidung der RKKY-gekoppelten Gepinnte-Schicht-Struktur zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei: die gepinnte SAF-Schicht eine AP2-Schicht umfasst, die durch eine Abscheidung von Co/X-Mehrfachschichten hergestellt wird, wobei X Ni, Pt oder Pd oder dergleichen ist, auf der AP2-Schicht eine RKKY-Kopplungsschicht hergestellt wird, die eine Schicht aus Ru mit einer Dicke von etwa 3,5 Å bis 4 Å oder eine Schicht aus Ir mit einer Dicke von etwa 4,5 Å bis 5,5 Å oder eine Schicht aus Mo mit einer Dicke von etwa 5 Å bis 6 Å ist, und auf der RKKY-Kopplungsschicht eine AP1-Schicht in zwei Teilen hergestellt wird, wobei der erste Teil eine, normalerweise amorphe, Phasentrennungsschicht ist, die zum Trennen der (111)-Kristallstruktur der AP2-Schicht von der (001)-Kristallstruktur der übrigen Struktur aus der AP1-Schicht, der MgO-Sperrschicht und der freien Schicht verwendet wird, während sie durch die RKKY-Wechselwirkung magnetisch gekoppelt bleiben, und ein zweiter Teil der AP1-Schicht eine Schicht aus CoFeB ist, die mit einer Dicke von 5 Å bis 25 Å auf dem ersten Teil hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die MgO-Tunnelsperrschicht mit einer Dicke von etwa 5 Å bis 30 Å hergestellt wird und auf dem abgekühlten Werkstück durch Oxidation einer Schicht aus Mg oder durch eine Sputterdeposition unter Verwendung eines Targets aus MgO hergestellt werden kann.
Verfahren zum Herstellen einer STT-MTJ-MRAM-Zelle (STT: Spin-Torque-Transfer; MTJ: magnetischer Tunnelübergang; MRAM: magnetischer Direktzugriffsspeicher), die als eine Abfolge von Materialschichten hergestellt wird, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats; Herstellen einer Seed-Schicht auf dem Substrat; Herstellen einer RKKY-gekoppelten Gepinnte-SAF-Schicht-Struktur (SAF-Schicht: synthetische antiferromagnetische Schicht; RKKY-Kopplung: Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-Kopplung) auf der Seed-Schicht; Herstellen einer MgO-Tunnelsperrschicht auf der RKKY-gekoppelten Gepinnte-SAF-Schicht-Struktur; Abkühlen des Werkstücks; Herstellen einer freien ferromagnetischen Schicht auf der MgO-Tunnelsperrschicht des abgekühlten Werkstücks; und Herstellen von übrigen Elementen der STT-MTJ-MRAM-Zelle auf der freien ferromagnetischen Schicht, wobei die übrigen Elemente eine Verkappungsschicht umfassen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei: die Materialschichten durch Zerstäuben in Zerstäubungskammern eines vakuumdichten Mehrkammersystems hergestellt werden, das Abkühlen in einer gesonderten Abkühlkammer des Systems erfolgt, und das Werkstück von den Zerstäubungskammern zu der Abkühlkammer zum Abkühlen durch Thermokontakt befördert wird und dann zu den einzelnen Zerstäubungskammern für die restliche Bearbeitung zurückbefördert wird, während das Werkstück zu einer Umgebungstemperatur zurückkehrt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Werkstück auf eine Temperatur von 60 K abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Seed-Schicht eine Schicht aus NiCr mit einer Dicke von 30 Å bis 100 Å ist, um ein gutes Gitterwachstum in einer (111)-Richtung der AP2-Abscheidung der RKKY-gekoppelten Gepinnte-Schicht-Struktur zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei: die gepinnte SAF-Schicht eine AP2-Schicht umfasst, die durch eine Abscheidung von Co/X-Mehrfachschichten hergestellt wird, wobei X Ni, Pt oder Pd oder dergleichen ist, auf der AP2-Schicht eine RKKY-Kopplungsschicht hergestellt wird, die eine Schicht aus Ru mit einer Dicke von etwa 3,5 Å bis 4 Å oder eine Schicht aus Ir mit einer Dicke von etwa 4,5 Å bis 5,5 Å oder eine Schicht aus Mo mit einer Dicke von etwa 5 Å bis 6 Å ist, und auf der RKKY-Kopplungsschicht eine AP1-Schicht in zwei Teilen hergestellt wird, wobei ein erster Teil eine, normalerweise amorphe, Phasentrennungsschicht ist, die zum Trennen der (111)-Kristallstruktur der AP2-Schicht von der (001)-Kristallstruktur der übrigen Struktur aus der AP1-Schicht, der MgO-Sperrschicht und der freien Schicht verwendet wird, während sie durch die RKKY-Wechselwirkung magnetisch gekoppelt bleiben, und ein zweiter Teil der AP1-Schicht eine Schicht aus CoFeB ist, die mit einer Dicke von 5 Å bis 25 Å auf dem ersten Teil hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die AP2-Abscheidung eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) für das gesamte Werkstück bereitstellt.
Verfahren zum Herstellen einer STT-MTJ-MRAM-Zelle (STT: Spin-Torque-Transfer; MTJ: magnetischer Tunnelübergang; MRAM: magnetischer Direktzugriffsspeicher), die als eine Abfolge von Materialschichten hergestellt wird, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats; Herstellen einer Seed-Schicht auf dem Substrat; Herstellen einer RKKY-gekoppelten Gepinnte-SAF-Schicht-Struktur (SAF-Schicht: synthetische antiferromagnetische Schicht; RKKY-Kopplung: Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-Kopplung) auf der Seed-Schicht; Herstellen einer MgO-Tunnelsperrschicht auf der RKKY-gekoppelten Gepinnte-SAF-Schicht-Struktur; partielles Herstellen einer freien ferromagnetischen Schicht auf der MgO-Tunnelsperrschicht; Abkühlen des Werkstücks; Zurückbefördern des abgekühlten Werkstücks zu einem Zerstäubungs-Teilsystem und Fertigstellen der Herstellung der freien ferromagnetischen Schicht auf dem abgekühlten Werkstück; und Herstellen von übrigen Elementen der STT-MTJ-MRAM-Zelle auf der fertiggestellten freien ferromagnetischen Schicht, wobei die übrigen Elemente eine Verkappungsschicht umfassen.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei: die Materialschichten durch Zerstäuben in Zerstäubungskammern eines vakuumdichten Mehrkammersystems hergestellt werden, das Abkühlen in einer gesonderten Abkühlkammer des Systems erfolgt, und das Werkstück von den Zerstäubungskammern zu der Abkühlkammer zum Abkühlen durch Thermokontakt befördert wird und dann zu den einzelnen Zerstäubungskammern für die restliche Bearbeitung zurückbefördert wird, während das Werkstück zu einer Umgebungstemperatur zurückkehrt.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei das Werkstück auf eine Temperatur von 60 K abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die Seed-Schicht eine Schicht aus NiCr mit einer Dicke von 30 Å bis 100 Å ist, um ein gutes Gitterwachstum in einer (111)-Richtung einer AP2-Abscheidung der RKKY-gekoppelten Gepinnte-Schicht-Struktur zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei: die gepinnte SAF-Schicht eine AP2-Schicht umfasst, die durch eine Abscheidung von Co/X-Mehrfachschichten hergestellt wird, wobei X Ni, Pt oder Pd oder dergleichen ist, auf der AP2-Schicht eine RKKY-Kopplungsschicht hergestellt wird, die eine Schicht aus Ru mit einer Dicke von etwa 3,5 Å bis 4 Å oder eine Schicht aus Ir mit einer Dicke von etwa 4,5 Å bis 5,5 Å oder eine Schicht aus Mo mit einer Dicke von etwa 5 Å bis 6 Å ist, und auf der RKKY-Kopplungsschicht eine AP1-Schicht in zwei Teilen hergestellt wird, wobei ein erster Teil eine, normalerweise amorphe, Phasentrennungsschicht ist, die zum Trennen der (111)-Kristallstruktur der AP2-Schicht von der (001)-Kristallstruktur der übrigen Struktur aus der AP1-Schicht, der MgO-Sperrschicht und der freien Schicht verwendet wird, während sie durch die RKKY-Wechselwirkung magnetisch gekoppelt bleiben, und ein zweiter Teil der AP1-Schicht eine Schicht aus CoFeB ist, die mit einer Dicke von 5 Å bis 25 Å auf dem ersten Teil hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die AP2-Abscheidung eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) für das gesamte Werkstück bereitstellt.
Verfahren zum Herstellen einer STT-MTJ-MRAM-Zelle (STT: Spin-Torque-Transfer; MTJ: magnetischer Tunnelübergang; MRAM: magnetischer Direktzugriffsspeicher), die als eine Abfolge von Materialschichten hergestellt wird, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats; Herstellen einer Seed-Schicht auf dem Substrat; Herstellen einer RKKY-gekoppelten Gepinnte-SAF-Schicht-Struktur (SAF-Schicht: synthetische antiferromagnetische Schicht; RKKY-Kopplung: Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-Kopplung) auf der Seed-Schicht; Herstellen einer MgO-Tunnelsperrschicht auf der RKKY-gekoppelten Gepinnte-SAF-Schicht-Struktur; Herstellen einer freien Schicht auf der MgO-Tunnelsperrschicht; Abkühlen des Werkstücks; Zurückbefördern des abgekühlten Werkstücks zu einem Zerstäubungs-Teilsystem; und Herstellen einer Verkappungsschicht auf der freien ferromagnetischen Schicht des abgekühlten Werkstücks.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei: die Materialschichten durch Zerstäuben in Zerstäubungskammern eines vakuumdichten Mehrkammersystems hergestellt werden, das Abkühlen in einer gesonderten Abkühlkammer des Systems erfolgt, und das Werkstück von den Zerstäubungskammern zu der Abkühlkammer zum Abkühlen durch Thermokontakt befördert wird und dann zu den einzelnen Zerstäubungskammern für die restliche Bearbeitung zurückbefördert wird, während das Werkstück zu einer Umgebungstemperatur zurückkehrt.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei das Werkstück auf eine Temperatur von 60 K abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei die Seed-Schicht eine Schicht aus NiCr mit einer Dicke von 30 Å bis 100 Å ist, um ein gutes Gitterwachstum in einer (111)-Richtung einer AP2-Abscheidung der RKKY-gekoppelten Gepinnte-Schicht-Struktur zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, wobei: die gepinnte SAF-Schicht eine AP2-Schicht umfasst, die durch eine Abscheidung von Co/X-Mehrfachschichten hergestellt wird, wobei X Ni, Pt oder Pd oder dergleichen ist, auf der AP2-Schicht eine RKKY-Kopplungsschicht hergestellt wird, die eine Schicht aus Ru mit einer Dicke von etwa 3,5 Å bis 4 Å oder eine Schicht aus Ir mit einer Dicke von etwa 4,5 Å bis 5,5 Å oder eine Schicht aus Mo mit einer Dicke von etwa 5 Å bis 6 Å ist, und auf der RKKY-Kopplungsschicht eine AP1-Schicht in zwei Teilen hergestellt wird, wobei ein erster Teil eine, normalerweise amorphe, Phasentrennungsschicht ist, die zum Trennen der (111)-Kristallstruktur der AP2-Schicht von der (001)-Kristallstruktur der übrigen Struktur aus der AP1-Schicht, der MgO-Sperrschicht und der freien Schicht verwendet wird, während sie durch die RKKY-Wechselwirkung magnetisch gekoppelt bleiben, und ein zweiter Teil der AP1-Schicht eine Schicht aus CoFeB ist, die mit einer Dicke von 5 Å bis 25 Å auf dem ersten Teil hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die AP2-Abscheidung eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) für das gesamte Werkstück bereitstellt.
Verfahren zum Herstellen einer STT-MTJ-MRAM-Zelle (STT: Spin-Torque-Transfer; MTJ: magnetischer Tunnelübergang; MRAM: magnetischer Direktzugriffsspeicher), die als eine Abfolge von Materialschichten hergestellt wird, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats; Herstellen einer Seed-Schicht auf dem Substrat; Herstellen einer ersten Schicht oder AP2-Schicht einer RKKY-gekoppelten Gepinnte-SAF-Schicht-Struktur (SAF-Schicht: synthetische antiferromagnetische Schicht; RKKY-Kopplung: Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-Kopplung) auf der Seed-Schicht; Herstellen einer RKKY-Kopplungsschicht auf der AP2-Schicht; Herstellen eines ersten Teils einer AP1-Schicht auf der RKKY-Kopplungsschicht; Abkühlen des Werkstücks zum ersten Mal; Herstellen eines zweiten Teils der AP1-Schicht auf dem abgekühlten ersten Teil; Abkühlen des Werkstücks zum zweiten Mal; Herstellen einer Tunnelsperrschicht auf der gepinnten SAF-Schicht; Abkühlen des Werkstücks zum dritten Mal; Herstellen einer freien ferromagnetischen Schicht auf der Tunnelsperrschicht; Abkühlen des Werkstücks zum vierten Mal; und Herstellen einer Verkappungsschicht auf der freien ferromagnetischen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei: die Materialschichten durch Zerstäuben in Zerstäubungskammern eines vakuumdichten Mehrkammersystems hergestellt werden, jeder der vier Abkühlprozesse in einer gesonderten Abkühlkammer des Systems durchgeführt wird, und das Werkstück von den Zerstäubungskammern zu der Abkühlkammer zum Abkühlen durch Thermokontakt befördert wird und dann zu den einzelnen Zerstäubungskammern für die restliche Bearbeitung zurückbefördert wird, während das Werkstück zu einer Umgebungstemperatur zurückkehrt.
Verfahren nach Anspruch 34 oder 35, wobei das Werkstück während jedes Abkühlprozesses auf eine Temperatur von 60 K abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 36, wobei der erste Teil der AP1-Schicht eine, normalerweise amorphe, Phasentrennungsschicht ist, die zum Trennen der (111)-Kristallstruktur der AP2-Schicht von der (001)-Kristallstruktur der übrigen Struktur aus der AP1-Schicht, der MgO-Sperrschicht und der freien Schicht verwendet wird, während sie durch die RKKY-Wechselwirkung magnetisch gekoppelt bleiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 37, wobei der zweite Teil der AP1-Schicht eine Schicht aus CoFeB ist, die mit einer Dicke von 5 Å bis 25 Å hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 38, wobei die Seed-Schicht eine Schicht aus NiCr mit einer Dicke von 30 Å bis 100 Å ist, um ein gutes Gitterwachstum in einer (111)-Richtung einer AP2-Abscheidung der RKKY-gekoppelten Gepinnte-Schicht-Struktur zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 39, wobei die AP2-Schicht eine Co/X-Mehrfachschicht ist, wobei X Ni, Pt oder Pd oder dergleichen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 40, wobei die AP2-Abscheidung eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) für das gesamte Werkstück bereitstellt.