DE102019125887A1 - Magnetdirektzugriffspeicher-gestützte bauelemente und verfahren zur herstellung - Google Patents

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Abstract

Eine Magnetdirektzugriffsspeicher-gestütztes nichtflüchtiges Halleffektbauelement weist eine Spin-Bahn-Drehmomentschicht auf, die über einem Substrat angeordnet ist, und eine Magnetschicht, die über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet ist. Eine Metalloxidschicht ist über der Magnetschicht angeordnet. Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht erstrecken sich in einer Draufsicht von der Magnetschicht und der Metalloxidschicht auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung nach außen, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung 62/737 301 , eingereicht am 27. September 2018, deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Ein Magnetdirektzugriffsspeicher (MRAM) bietet Leistung, die mit einem flüchtigen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM) vergleichbar ist, und vergleichbare Dichte mit niedrigerem Leistungsverbrauch als flüchtige dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM). Verglichen mit Flashspeicher mit nichtflüchtigem Speicher (Non Volatile Memory, NVM), bietet ein MRAM viel schnellere Zugriffszeiten und erfährt im Laufe der Zeit weniger Beeinträchtigung, während ein Flashspeicher nur beschränkt häufig überschrieben werden kann. Ein Typ eines MRAM ist ein Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher (Spin Transfer Torque Random Access Memory, STT-RAM). Ein STT-RAM setzt einen Magnettunnelübergang (MTJ) ein, der mindestens teilweise durch einen Strom geschrieben wird, welcher durch den MTJ getrieben wird. Ein anderer Typ eines MRAM ist ein Spin-Bahn-Drehmoment-RAM (Spin Orbit Torque, SOT).
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Offenbarung versteht man am besten anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung mit den zugehörigen Zeichnungen. Es wird betont, dass in Übereinstimmung mit der branchenüblichen Praxis diverse Elemente nicht maßstabgerecht dargestellt sind und allein der Veranschaulichung dienen. Die Maße verschiedener Merkmale können nämlich zur Klarheit der Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 ist eine schematische Veranschaulichung eines MRAM-gestützten NVM-Halleffektbauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
    • 2 ist eine schematische Querschnittansicht eines MRAM-gestützten NVM-Halleffektbauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
    • 3 ist eine schematische Querschnittansicht eines MRAM-gestützten NVM-Halleffektbauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
    • 4 ist eine schematische Querschnittansicht eines MRAM-gestützten NVM-Halleffektbauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
    • 5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines MRAM-gestützten NVM-Halleffektbauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht.
    • Die 6A, 6B, 6C und 6D zeigen diverse Stadien eines Herstellungsvorgangs für ein MRAM-gestütztes NVM-Halleffektbauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • Die 7A, 7B, 7C und 7D zeigen eines der diversen Stadien eines Herstellungsvorgangs für ein MRAM-gestütztes NVM-Halleffektbauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • Die 8A, 8B und 8C zeigen eines der diversen Stadien eines Herstellungsvorgangs für ein MRAM-gestütztes NVM-Halleffektbauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • Die 9A, 9B und 9C zeigen eines der diversen Stadien eines Herstellungsvorgangs für ein MRAM-gestütztes NVM-Halleffektbauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • Die 10A und 10B zeigen ein MRAM-gestütztes NVM-Halleffektbauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 11 zeigt den Betrieb eines MRAM-gestützten NVM-Halleffektbauelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • Die 12A, 12B und 12C zeigen den Betrieb eines MRAM-gestützten NVM-Halleffektbauelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 13 zeigt ein MRAM-gestütztes nichtflüchtiges physisch unclonbares Bauelement gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
    • 14 zeigt das zufällige Wenden eines MRAM-gestützten nichtflüchtigen physisch unclonbaren Bauelements, wenn ein Schreibstrom angelegt wird.
    • 15 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines MRAM-gestützten Bauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht.
    • 16 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Schreiben zu einem MRAM-gestützten Bauelement gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht.
    • 17 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines MRAM-gestützten Bauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht.
    • 18 veranschaulicht die Zufälligkeit eines MRAM-gestützten nichtflüchtigen physisch unclonbaren Bauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
    • Die 19A und 19B veranschaulichen Schreiben zu einem und Lesen eines MRAM-gestützten Bauelements in einem Array gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung.
    • Die 20A, 20B und 20C veranschaulichen ein MRAM-gestütztes Bauelement, das in eine integrierte Schaltung eingebettet ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Man muss verstehen, dass die folgende Offenbarung viele unterschiedliche Ausführungsformen oder Beispiele zum Umsetzen unterschiedlicher Merkmale der Erfindung offenbart. Spezifische Ausführungsformen oder Beispiele von Bauelementen und Einrichtungen sind unten beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Es sind dies natürlich nur Beispiele und sie bezwecken nicht, einschränkend zu sein. Zum Beispiel sind die Maße von Merkmalen nicht auf den offenbarten Bereich oder die offenbarten Werte beschränkt, sondern können von Prozessumständen und/oder gewünschten Eigenschaften des Bauelements abhängen. Das Ausbilden eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung kann außerdem Ausführungsformen aufweisen, bei welchen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen aufweisen, bei welchen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal eingefügt ausgebildet werden können, so dass das erste und das zweite Merkmal eventuell nicht in direktem Kontakt sind. Diverse Merkmale können willkürlich in unterschiedlichen Maßstäben im Sinne der Einfachheit und Klarheit gezeichnet sein. In den begleitenden Zeichnungen können einige Schichten/Merkmale zur Vereinfachung weggelassen werden.
  • Ferner können räumliche Referenzbegriffe, wie „unterhalb“, „unter“, „niedriger“, „oberhalb“, „ober“ und dergleichen hier zur Erleichterung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder von Merkmalen mit einem oder mehr anderen Elementen oder Merkmalen, wie sie in den Figuren veranschaulicht sind, zu beschreiben. Die räumlichen Referenzbegriffe bezwecken, unterschiedliche Ausrichtungen des Bauelements beim Gebrauch oder Betrieb zusätzlich zu der Ausrichtung, die in den Figuren abgebildet ist, einzuschließen. Das Bauteil kann anders ausgerichtet sein (um 90° gedreht oder an anderen Ausrichtungen), und die räumlichen Bezugsdeskriptoren, die hier verwendet werden, werden entsprechend ausgelegt. Zusätzlich kann der Begriff „hergestellt aus“ entweder „umfassen“ oder „bestehen aus“ bedeuten. Ferner können bei dem folgenden Fertigungsprozess ein oder mehr zusätzliche Vorgänge in/zwischen den beschriebenen Vorgängen bestehen, und die Reihenfolge der Vorgänge kann geändert werden. Bei der vorliegenden Offenbarung bedeutet ein Satz „eines von 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, außer wenn Anderes beschrieben wird.
  • Ein STT-MRAM weist Merkmale, wie nichtflüchtige Beschaffenheit, Kompatibilität mit komplementärer Silizium-Metalloxidhalbleiter-(Si-CMOS)-Technologie, schnelle Lese- und Schreibgeschwindigkeit, hohe Ausdauer und Haltung von Daten, eine relativ kleine Bitzellengröße und Umgebungsbeständigkeit auf, und ist daher die nächste disruptive Technologie für alle integrierten CMOS-Schaltungen (ICs), die Speicher benötigen. Eine hochwertige hervortretende Anwendung für einen STT-MRAM ist ein Low-Level-Cache für eine Zentraleinheit (Central Processing Unit - CPU) oder eine Mikrosteuereinheit (Micro Control Unit - MCU), der seiner Nichtflüchtigkeit attraktiven Vorteil aus gesteigerter Systemgeschwindigkeit und schnellerem Einschalten bietet. Diese Anwendung auferlegt jedoch eine strapaziöse Forderung für die Geschwindigkeit des Speichers, insbesondere für die Schreibgeschwindigkeit, die viel langsamer ist als die Lesegeschwindigkeit. Die Cache-Anwendung für eine MCU erfordert zusätzlich niedrigen Leistungsverbrauch, was für einen STT-MRAM schwierig ist, weil es beträchtlichen Strom erfordert, um den Magnetisierungszustand während des Schreibvorgangs zu ändern. Bei den STT-MRAM des Stands können Schreibgeschwindigkeitsverbesserung über einen Folienstapel und Schreibsystemoptimierung sowie Schreibstromreduktion über Stapeloptimierung und CD-Reduktion aufgrund unvermeidlicher Leistungskompromisse im Bereich der Ausdauer und Datenhaltung zum Stillstand kommen. Neue Ideen, wie ein hochfrequenzgestützter Schreibvorgang, wurden vorgeschlagen, die eventuell nicht machbar sind. Es besteht eine erhebliche Kluft zwischen der besten gemeldeten STT-MRAM-Schreibgeschwindigkeit und Strom und den von Cache-Anwendungen geforderten, die sich als ein Show-Stopper herausstellen könnte.
  • Im Gegensatz dazu ist das magnetische Spin-Bahn-Transfer-(oder Drehmoment)-Schalten (Spin-Orbital-Transfer - SOT) ein hervortretendes Konzept, das das Potenzial besitzt, eine Verbesserung im Größenordnungsausmaß bei Schreibstrom und -geschwindigkeit bereitzustellen. SOT wird als eine Lösung für Cache-Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und niedriger Leistungsaufnahme betrachtet.
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines MRAM-gestützten nichtflüchtigen Speicher-(NVM)-Halleffektbauelements, das Spin-Bahn-Wechselwirkung beim Schalten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einsetzt.
  • Das MRAM-gestützte NVM-Halleffektbauelement weist eine metallische untere Schicht 10 als eine aktive Spin-Bahn-Wechselwirkungs-(SOT)-Schicht, die über einer Tragschicht 5 gebildet ist, auf. Weiter weist das MRAM-gestützte NVM-Halleffektbauelement eine erste Magnetschicht 20 auf, die eine freie Magnetschicht oder eine Datenspeicherschicht ist, die über der metallischen unteren Schicht 10 angeordnet ist, eine Metalloxidschicht 30, die über der ersten Magnetschicht angeordnet ist, und bei einigen Ausführungsformen eine zweite Magnetschicht 40 als eine Referenzschicht, die über der Metalloxidschicht 30 angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Metalloxidschicht nichtmagnetisch. Bei einigen Ausführungsformen wird eine obere leitende Schicht 50 als eine Elektrode über der zweiten Magnetschicht 40 angeordnet.
  • Das magnetische Moment der freien Schicht 20 (der ersten Magnetschicht) wird unter Verwenden des Spin Bahn-Wechselwirkungseffekts geschaltet. Bei einigen Ausführungsformen wird das magnetische Moment der ersten Magnetschicht 20 unter Verwenden nur des Spin Bahn-Wechselwirkungseffekts geschaltet. Bei anderen Ausführungsformen wird das magnetische Moment der ersten Magnetschicht 20 unter Verwenden einer Kombination von Effekten geschaltet. Das magnetische Moment der ersten Magnetschicht 20 wird zum Beispiel unter Verwenden von Spin-Transferdrehmoment als ein Primäreffekt geschaltet, der durch Drehmoment gestützt werden kann, das von der Spin-Bahn-Wechselwirkung induziert wird. Bei anderen Ausführungsformen ist der Primärschaltmechanismus Drehmoment, das durch die Spin-Bahn-Wechselwirkung induziert wird. Bei solchen Ausführungsformen kann ein anderer Effekt, einschließlich Spin-Transferdrehmoment, ohne darauf beschränkt zu sein, beim Schalten unterstützen.
  • Die metallische untere Schicht 10 ist eine aktive Spin-Bahn-Schicht, die eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung aufweist, und die beim Schalten des magnetischen Moments der ersten Magnetschicht 20 verwendet werden kann. Die metallische untere Schicht 10 wird beim Erzeugen eines Spin-Bahn-Magnetfelds H verwendet. Genauer gesagt können ein Strom, der in einer Ebene durch die metallische untere Schicht 10 getrieben wird und die dazu gehörende Spin-Bahn-Wechselwirkung in dem Spin-Bahn-Magnetfeld H resultieren. Dieses Spin-Bahn-Magnetfeld H ist mit dem Spin-Bahn-Drehmoment T bei Magnetisierung äquivalent, wobei in der ersten Magnetschicht 20 T=-γ[M×H]. Das Drehmoment und das Magnetfeld werden daher austauschbar ein Spin-Bahn-Feld und ein Spin-Bahn-Drehmoment genannt. Das gibt die Tatsache wieder, dass die Spin-Bahn-Wechselwirkung der Ursprung des Spin-Bahn-Drehmoments und des Spin-Bahn-Felds ist. Ein Spin-Bahn-Drehmoment tritt bei einem Strom auf, der in einer Ebene in der metallischen unteren Schicht 10 und einer Spin-Bahn-Wechselwirkung getrieben wird. Im Gegensatz dazu ist Spin-Transfer-Drehmoment auf einen Strom, der senkrecht zu einer Ebene durch die erste Magnetschicht 20, die nichtmagnetische Abstandsschicht 30 und die zweite Magnetschicht 40 (Referenzschicht) fließt, der spinpolarisierte Ladungsträger in die erste Magnetschicht 20 injiziert, zurückzuführen. Das Spin-Bahn-Drehmoment T kann das magnetische Moment der ersten Magnetschicht 20 rasch von seinem Gleichgewichtszustand parallel zu der Easy-Axis ablenken. Das Spin-Bahn-Drehmoment T kann die Magnetisierung der ersten Magnetschicht 20 beträchtlich schneller kippen als herkömmliches STT-Drehmoment mit ähnlicher maximaler Amplitude. Bei einigen Ausführungsformen kann das Schalten durch Verwenden von Spin-Bahn-Drehmoment vervollständigt werden. Bei anderen Ausführungsformen kann ein anderer Mechanismus, wie Spin-Transfer, verwendet werden, um das Schalten zu vervollständigen. Das erzeugte Spin-Bahn-Feld/Spin-Bahn-Drehmoment kann daher beim Schalten des magnetischen Moments der ersten Magnetschicht 20 verwendet werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist die Wechselwirkung der metallischen unteren Schicht den Spin-Halleffekt auf. Für den Spin-Halleffekt wird ein Strom I+ in der Ebene der metallischen unteren Schicht 10 in eine erste Richtung (x-Richtung) getrieben (das heißt Stromin-Ebene, im Wesentlichen in der x-y-Ebene in 1). Mit anderen Worten wird der Strom I+ senkrecht zu der gestapelten Richtung der Folien, einschließlich der metallischen unteren Schicht 10 und der ersten Magnetschicht 20, getrieben (das heißt senkrecht zu der Senkrechten der Oberfläche, in 1 die z-Richtung) Vertikalen. Ladungsträger, die Spins mit einer besonderen Ausrichtung senkrecht zu der Stromrichtung und zu der Senkrechten der Oberfläche (z-Richtung) aufweisen, sammeln sich an den Oberflächen der metallischen unteren Schicht 10 an. Ein Großteil dieser spinpolarisierten Träger diffundiert in die erste Magnetschicht 20 (die freie Schicht). Diese Diffusion resultiert in dem Drehmoment T auf der Magnetisierung der ersten Magnetschicht 20. Da Drehmoment auf der Magnetisierung, wie oben dargelegt, mit dem effektiven Magnetfeld auf der Magnetisierung gleichwertig ist, resultiert die Spinansammlung auf äquivalente Art in dem Feld H auf der ersten Magnetschicht 20. Das Spin-Bahn-Feld für den Spin-Halleffekt ist das Kreuzprodukt der Spin-Bahn-Polarisierung und des magnetischen Moments der ersten Magnetschicht 20. Das Ausmaß des Drehmoments ist daher zu der In-Ebene-Stromdichte I+ und Spinpolarisierung der Träger proportional. Der Spin-Halleffekt kann beim Schalten der gestapelten Magnetschicht, die in 1 gezeigt ist, verwendet werden, wenn die Polarisierung, die durch den Spin-Halleffekt induziert wird, zu der Easy-Axis der ersten Magnetschicht 20 parallel ist. Um das Spin-Bahn-Drehmoment T zu erhalten, wird der Stromimpuls in einer Ebene durch die metallische untere Schicht 10 getrieben. Das resultierende Spin-Bahn-Drehmoment T wirkt gegen Dämpfungsmoment, was in dem Schalten der Magnetisierung der ersten Magnetschicht 20 auf eine analoge Art mit dem herkömmlichen STT-Schalten resultiert.
  • Anhand einer Kombination des anormalen Halleffekts und des umgekehrten Spin-Halleffekts aufgrund des Durchgehens des Stroms I+ durch die SOT-Schicht, wird eine Querspannung (Hallspannung) in der SOT-Schicht erzeugt. Die Querspannung wird bei einigen Ausführungsformen als ein Signal/Speicher verwendet. Wie in 1 gezeigt, wird bei einigen Ausführungsformen ein Voltmeter 90 an Abschnitte der SOT-Schicht 10, die sich in eine zweite Richtung (y-Richtung) im Wesentlichen senkrecht (quer) zu der Stromflussrichtung (x-Richtung) erstrecken, angeschlossen. Das Voltmeter misst die Spannung auf den Kanten der SOT-Schicht in die zweite Richtung. Die gemessene Spannungsdifferenz gibt die magnetische Ausrichtung der Magnetschicht 20 an.
  • Wie oben dargelegt, ist die metallische untere Schicht 10 eine aktive Spin-Bahn-Schicht, die eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung mit der ersten Magnetschicht 20 (der freien Schicht) bewirkt. Bei einigen Ausführungsformen weist die SOT-Schicht 10 Schwermetalle oder Materialien, die mit Schwermetallen dotiert sind, auf. Solche Materialien können aus A und M dotiert durch B ausgewählt werden. A weist Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Cd, In, Sb, Te, Hf, Ta (einschließlich hoch resistiven amorphen β-Ta), W (einschließlich α-W und β-W), Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, At und/oder ihre Kombinationen auf; M weist mindestens eines von Al, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Ag, Hf, Ta, W, Re, Pt, Au, Hg, Pb, Si, Ga, GaMn oder GaAs auf, und B weist mindestens eines von V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, P, S, Zn, Ga, Ge, As, Se, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In Sb, Te, I, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, At, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die SOT-Schicht mit Ir dotiertes Cu und/oder mit Bi dotiertes Cu auf. Die Dotierung liegt in dem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 10 atomare Prozent. Bei anderen Ausführungsformen ist die SOT-Schicht eine oder mehrere aus Platin, Wolfram, Tantal und PtMn. Eine Stärke der metallischen unteren Schicht 10 liegt bei einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 2 nm bis etwa 20 nm, und bei anderen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 5 nm bis etwa 15 nm. Bei einigen Ausführungsformen wird eine antiferromagnetische Schicht, die zum Beispiel aus IrMn hergestellt wird, zwischen der metallischen unteren Schicht 10 und der Tragschicht 5 angeordnet.
  • In dieser Offenbarung bedeutet eine „Elementschicht“ oder eine „Verbindungsschicht“ im Allgemeinen, dass der Gehalt an dem Element oder der Verbindung mehr als 99 % beträgt.
  • Die erste Magnetschicht 20 als eine Datenspeicherschicht ist eine freie Schicht, die ein magnetisches Moment, das umschaltbar ist, aufweist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Magnetschicht 20 ferromagnetisch und weist eines oder mehrere von Fe, Ni und Co auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Magnetschicht 20 CoxFeyB auf. Die Werte von x und y können variieren, um unterschiedliche magnetische/kristalline Eigenschaften zu erhalten. Bei einigen Ausführungsformen weist die Magnetschicht 20 eine Koerzitivfeldstärke größer als etwa 500 Gauß auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Magnetschicht 20 eine Koerzitivfeldstärke von größer als etwa 500 Gauß bis etwa 750 Gauß auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Magnetschicht eine Koerzitivfeldstärke von größer als etwa 500 Gauß bis etwa 600 Gauß auf.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Magnetschicht 20 eine untere Magnetschicht 22, eine mittlere Magnetschicht 25 und eine obere Magnetschicht 24, wie in 2 gezeigt, auf. Bei einigen Ausführungsformen ist die untere Magnetschicht 22 eine Cobalt-Eisen-Bor-(CoFeB)-Schicht, eine Cobalt/Palladium-(CoPd)-Schicht und/oder eine Cobalt-Eisen-(CoFe)-Schicht, die bei einigen Ausführungsformen eine Stärke in einem Bereich von etwa 0,6 nm bis etwa 1, 2 aufweist, auf. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die untere Magnetschicht 22 FexCoyB1-x-y, wobei 0,50 ≤ x ≤ 0,70 und 0,10 ≤ y ≤ 0,30. Bei anderen Ausführungsformen 0,55 ≤ x ≤ 0,65 und 0,15 ≤ y ≤ 0,25.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist die obere Magnetschicht 24 eine Cobalt-Eisen-Bor-(CoFeB)-Schicht, eine Cobalt/Palladium-(CoPd)-Schicht und/oder eine Cobalt-Eisen-(CoFe)-Schicht, die bei einigen Ausführungsformen eine Stärke in einem Bereich von etwa 1,0 nm bis etwa 1, 2 aufweist, oder eine NiFe-Schicht, die eine Stärke in einem Bereich von etwa 0,4 nm bis etwa 3,0 nm aufweist, auf. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die obere Magnetschicht 24 FexCoyB1-x-y, wobei 0,50 ≤ x ≤ 0,70 und 0,10 ≤ y ≤ 0,30. Bei anderen Ausführungsformen 0,55 ≤ x ≤ 0,65 und 0,15 ≤ y ≤ 0,25. Bei einigen Ausführungsformen wird die obere Magnetschicht 24 aus dem gleichen Material wie die untere Magnetschicht 22 hergestellt. Bei anderen Ausführungsformen wird die obere Magnetschicht 22 aus einem Material, das von dem der unteren Magnetschicht 22 unterschiedlich ist, hergestellt.
  • Die mittlere nichtmagnetische Schicht 25 ist bei einigen Ausführungsformen eine Kopplungsschicht und wird aus einem oder mehreren von W, Mo, Pt und Ru und Legierung davon hergestellt. Die Stärke der mittleren nichtmagnetischen Schicht 25 liegt bei einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 0,2 nm bis etwa 0,5 nm. Durch das Kopplungsmaterial der mittleren nichtmagnetischen Schicht 25 werden die untere Magnetschicht 22 und die obere Magnetschicht 24 der ersten Magnetschicht 20 gekoppelt. Eine solche Kopplung würde die Symmetrie brechen und daher ist das feldfreie Schalten möglich. Wie in 2 gezeigt, ist die Richtung des Magnetfelds der unteren Magnetschicht 22 im Wesentlichen horizontal (zu der Folienstapelrichtung senkrecht), während bei einigen Ausführungsformen die Richtung des Magnetfelds der oberen Magnetschicht 24 im Wesentlichen vertikal (zu der Folienstapelrichtung parallel) ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Magnetfeldrichtung zum Beispiel der unteren Magnetschicht 22 in einem kleinen Winkel (zum Beispiel 1 bis 30 Grad) kippen, was eine Verschlechterung eines Tunnelmagnetwiderstands-(Tunneling Magnetoresistance - TMR)-Verhältnisses bewirken kann. Bei einigen Ausführungsformen kann das TMR-Verhältnis durch Steuern der Stärke mindestens einer der unteren Magnetschicht 22 und der oberen Magnetschicht 24 gesteuert werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen, wie in 3 gezeigt, werden Grenzflächenschichten 26 und 28 jeweils zwischen der unteren Magnetschicht 22 und der mittleren nichtmagnetischen Schicht 25 sowie zwischen der mittleren nichtmagnetischen Schicht 25 und der oberen Magnetschicht 24 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen werden die Grenzflächenschichten 26 und 28 aus FeB hergestellt. Die Stärke der Grenzflächenschichten 26 und 28 liegt bei einigen Ausführungsformen in einem Bereich von 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, wenn die mittlere nichtmagnetische Schicht 25 in die erste Magnetschicht 20 eingefügt wird), kann eine „Dead Layer“ an der Schnittfläche zwischen der mittleren nichtmagnetischen Schicht 25 und der unteren Magnetschicht 22 und/oder der oberen Magnetschicht 24, die senkrechte magnetische Anisotropie (Perpendicular Magnetic Anisotropy - PMA) schwächen kann, beobachtet werden. Durch Einfügen der Grenzflächenschichten 26 und 28 ist es möglich, die Dead-Layer zu eliminieren und die PMA aufrecht zu erhalten oder zu verbessern.
  • Die nichtmagnetische Metalloxidschicht 30 wird aus einem dielektrischen Material hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen weist die nichtmagnetische Metalloxidschicht 30 eine kristalline oder eine amorphe Magnesiumoxid-(MgO)-Schicht auf. Bei anderen Ausführungsformen wird die nichtmagnetische Metalloxidschicht 30 aus Aluminiumoxid hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen weist die Metalloxidschicht 30 eine Stärke in einem Bereich von etwa 0,3 nm bis etwa 2 nm auf, und bei anderen Ausführungsformen liegt die Stärke der nichtmagnetischen Schicht 30 in einem Bereich von etwa 0,5 nm bis etwa 1,0 nm. Die Metalloxidschicht 30 ist ein Material, das für die senkrechte magnetische Anisotropie der Magnetschicht 20 bei einigen Ausführungsformen benötigt wird.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist das Bauelement eine zweite Magnetschicht 40 auf. Die zweite Magnetschicht 40 ist eine Referenzschicht, deren magnetisches Moment sich nicht ändert. Bei einigen Ausführungsformen wird die zweite Magnetschicht 40 aus dem gleichen Material wie die erste Magnetschicht 20, wie oben dargelegt, hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen weist die zweite Magnetschicht 40 mehrere Schichten aus magnetischen Materialien auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die zweite Magnetschicht 40 eine mehrschichtige Struktur aus Cobalt (Co) und Platin (Pt) auf. Bei einigen Ausführungsformen liegt eine Stärke der zweiten Magnetschicht 40 in einem Bereich von etwa 0,2 nm bis etwa 1,0 nm, und bei anderen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 0,3 nm bis etwa 0,5 nm.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Magnetschicht 40 eine Multilayer, die eine synthetische antiferromagnetische Schicht aufweist, die ferromagnetische Schichten aufweist, die durch eine nichtmagnetische Schicht, wie Ru, getrennt sind. Bei einigen Ausführungsform wird eine Pinning-Schicht, wie eine antiferromagnetische Schicht, die das magnetische Moment der zweiten Magnetschicht 40 an Ort und Stelle fixiert, über der zweiten Magnetschicht 40 mit einer Ru zwischen ihnen eingefügt angeordnet. Die erste und die zweite Magnetschicht sind bei einigen Ausführungsformen kristallin.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist das Bauelement eine obere leitende Schicht 50 als eine Elektrode auf. Die obere leitende Schicht weist eine oder mehrere Schichten aus Ta, Ru, Au, Cr, Pt, Cu, Ni, W und Al auf.
  • Die Tragschicht 5 ist aus einem dielektrischen Material, wie Siliziumoxid, Siliziumoxinitrid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder einem anderen zweckdienlichen Material hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen ist die Tragschicht 5 eine Flachgrabenisolationsschicht, eine Zwischenschicht-Dielektrikum-(Interlayer Dielectric - ILD)-Schicht oder eine dielektrische Zwischenmetall-(Inter-Metal Dielectric Layer - IMD)-Schicht in einem Halbleiterbauelement.
  • Weiter, wie in 2 gezeigt, ist bei einigen Ausführungsformen eine metallische Zwischenschicht 60 zwischen der nichtmagnetischen Metalloxidschicht 30 und der zweiten Magnetschicht 40 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen wird die metallische Zwischenschicht 60 aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt. Bei bestimmten Ausführungsformen wird die metallische Zwischenschicht 60 aus Mg hergestellt. Eine Stärke der metallischen Zwischenschicht 60 liegt bei einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 0,1 nm bis etwa 0,6 nm, und bei anderen Ausführungsformen in einem Bereich von 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 gebildet, und eine dritte Magnetschicht 80 wird über der antiferromagnetischen Schicht 70, wie in 2 gezeigt, gebildet. Die antiferromagnetische Schicht 70 hilft beim Fixieren des magnetischen Moments der zweiten Magnetschicht 40. Bei einigen Ausführungsformen weist die antiferromagnetische Schicht 70 Ruthenium (Ru) oder ein anderes zweckdienliches antiferromagnetisches Material auf. Bei einigen Ausführungsformen liegt die Stärke der antiferromagnetischen Schicht 70 in einem Bereich von etwa 0,2 nm bis etwa 0,8 nm.
  • Die dritte Magnetschicht 80 weist eine oder mehrere Schichten aus magnetischen Materialien auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die dritte Magnetschicht 80 eines oder mehrere von Cobalt, Eisen, Nickel und Platin auf. Bei einigen Ausführungsformen ist das Material der dritten Magnetschicht 80 das gleiche wie das Material der zweiten Magnetschicht 40 oder unterschiedlich. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die dritte Magnetschicht 80 eine CoPt-Schicht. Eine Stärke der dritten Magnetschicht liegt bei einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 0,5 nm bis etwa 1,5 nm, und bei anderen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 0,7 nm bis etwa 1,2 nm.
  • Jede der Schichten, die in den 1 bis 3 gezeigt sind, kann durch zweckdienliches Folienbildungsverfahren gebildet werden, die physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition - PVD) einschließlich Sputtern; Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy - MBE); gepulste Laserabscheidung (Pulsed Laser Deposition - PLD); Atomschichtabscheidung (Atomic Layer Deposition - ALD); Elektronenstrahl-(Electron Beam - e-beam)-Epitaxie; chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition - CVD) oder derivative CVD-Prozesse auf, die weiter Niederdruck-CVD (LPCVD), Ultrahochvakuum-CVD (UHVCVD), CVD mit reduziertem Druck (RPCVD); galvanische Beschichtung oder beliebige Kombinationen davon aufweisen.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird ein Folienstapel durch die oben erwähnten Folienbildungsvorgänge gebildet, und nach dem Bilden der Folienstapel wird ein Strukturierungsvorgang, der einen oder mehrere Lithographie- und Ätzvorgänge aufweist, auf dem Folienstapel ausgeführt, um eine SOT-Zelle, wie in 1 gezeigt, zu bilden.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird eine metallische untere Schicht 10 über einer Tragschicht 5 gebildet. Die metallische untere Schicht 10 kann anhand von PVD, CVD, ALD oder beliebiger anderer zweckdienlicher Folienbildungsverfahren gebildet werden. Die metallische untere Schicht 20 kann anhand von PVD, CVD, ALD oder beliebiger anderer zweckdienlicher Folienbildungsverfahren gebildet werden. Wie oben dargelegt, weist die erste Magnetschicht 20 die untere Magnetschicht 22, die mittlere nichtmagnetische Schicht 25 und die obere Magnetschicht 24 auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Magnetschicht 20 weiter die Grenzflächenschichten 26 und 28 auf. Diese Schichten werden sequenziell über der unteren metallischen Schicht 10 gebildet. Weiter werden die verbleibenden Schichten sequenziell über der ersten Magnetschicht 20 gebildet.
  • 4 ist eine schematische Querschnittansicht einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bei dieser Ausführungsform ist die Reihenfolge der gestapelten Folien umgekehrt.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kombinieren einen Hallsensor mit einem magnetischen Direktzugriffsspeicher (MRAM), um ein nichtflüchtiges Speicher-(NVM)-Bauelement bereitzustellen. Anders als einen Hallsensor, der ein externes Magnetfeld erfordert, erfordern Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kein externes Magnetfeld. Die vorliegende Offenbarung stellt ein nichtflüchtiges Halleffektbauelement, das weniger kompliziert ist als herkömmliche Halleffektbauelemente, bereit.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines MRAM-gestützten NVM-Halleffektbauelements ist unter Bezugnahme auf die 5 bis 9C beschrieben. 5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines MRAM-gestützten NVM-Halleffektbauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht. Bei Vorgang S210 wird über einem Substrat 5 eine Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 gebildet. Dann wird über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 bei Vorgang S220 eine Magnetschicht 20 gebildet. Eine Metalloxidschicht wird anschließend über der Magnetschicht bei Vorgang S230 gebildet. Bei Vorgang S240 werden die Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10, die Magnetschicht 20 und die Metalloxidschicht 30 derart strukturiert, dass sich Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 in Draufsicht von der Magnetschicht 20 und der Metalloxidschicht 30 auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung nach außen erstrecken, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist.
  • Das Verfahren zum Herstellen eines MRAM-gestützten Bauelements gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung wird weiter unter Bezugnahme auf die 6A bis 9C beschrieben. Wie in 6A gezeigt, wird bei einigen Ausführungsformen über einem Halbleitersubstrat 5 eine Isolierschicht 15 gebildet. Bei einigen Ausführungsformen ist das Halbleitersubstrat 5 ein Siliziumsubstrat. Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat 5 ein Siliziumwafer und die Isolierschicht 15 ist eine Siliziumoxidschicht. Bei einigen Ausführungsformen wird die Isolierschicht 15 durch einen CVD- oder PVD-Vorgang gebildet, bei anderen Ausführungsformen wird die Isolierschicht durch thermisches Oxidieren des Substrats 5 gebildet.
  • Bei einigen Ausführungsformen werden untere Elektroden 45 entlang eines Abschnitts des Substrats 5 und der Isolierschicht 15, wie in 6B gezeigt, gebildet. Die Isolierschicht 15 wird durch Fotolithografie- und Ätzvorgänge, bei einigen Ausführungsformen gefolgt vom Abscheiden eines elektrisch leitenden Materials, gebildet. Bei einigen Ausführungsformen wird überschüssiges elektrisch leitendes Material durch einen Polier- oder Rückätzvorgang entfernt. Bei einigen Ausführungsformen wird ein chemisch mechanischer Polier-(Chemical Mechanical Polishing - CMP)-Vorgang ausgeführt, um die obere Oberfläche der unteren Elektroden 45 und die Isolierschicht 15 oder das Substrat 5 zu planarisieren. Bei einigen Ausführungsformen wird das elektrisch leitende Material aus Ta, Ru, Au, Cr, Pt, W, Cu, Ni, Al und Legierungen davon ausgewählt.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird dann eine SOT-Schicht 10 über der Isolierschicht 15 und den unteren Elektroden 45, wie in 6C gezeigt, gebildet. Bei einigen Ausführungsformen wird die SOT-Schicht 10 aus einem oder mehreren aus Platin, Wolfram, Tantal und PtMn gebildet.
  • Eine Magnetschicht 20 wird über der SOT-Schicht 10 gebildet, und eine Metalloxidschicht 30 wird über der Magnetschicht 20, wie in 6D gezeigt, gebildet. Bei einigen Ausführungsformen ist die Magnetschicht CoxFeyB, und die Metalloxidschicht 30 ist MgO, um einen Schichtstapel zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen weist der Schichtstapel eine oder mehrere zusätzliche Magnetschichten 40 auf, die über der Metalloxidschicht 30 gebildet werden, um die magnetischen Eigenschaften (Hc) der Magnetschicht 20 zu ändern.
  • der Schichtstapel wird anschließend, wie in den 7A, 7B und 7C gezeigt, strukturiert. 7A ist eine Draufsicht, 7B ist eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A' in 7A genommen, und 7C ist eine Querschnittansicht, entlang der Linie B-B' in 7A genommen. Wie gezeigt, werden die zweite Magnetschicht 40, die Metalloxidschicht 30, die erste Magnetschicht 20 und die SOT-Schicht 5 strukturiert, um eine Kreuzform zu bilden, obwohl die vorliegende Offenbarung nicht auf diese Form beschränkt ist. Der Schichtstapel wird unter Verwenden von Fotolithografie- und Ätzvorgängen strukturiert.
  • Dann werden die zweite Magnetschicht 40, die Metalloxidschicht 30 und die erste Magnetschicht 20 weiter strukturiert, um ihre Breiten bezüglich der SOT-Schicht 10, wie in den 8A, 8B und 8C gezeigt, zu reduzieren. 8A ist eine Draufsicht, 8B ist eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A' genommen, und 8C ist eine Querschnittansicht entlang der Linie B-B' in 8A genommen. Die zweite Magnetschicht 40, die Metalloxidschicht 30 und die erste Magnetschicht 40 werden weiter unter Verwenden von Fotolithografie- und Ätzvorgängen strukturiert. Die optionale zweite Magnetschicht 40, die Metalloxidschicht 30 und die erste Magnetschicht 20 werden derart strukturiert, dass diese strukturierten Schichten über einem zentralen Abschnitt der kreuzförmigen SOT-Schicht 10 liegen. Mit anderen Worten erstrecken sich entgegengesetzte Seiten der SOT-Schicht 10 von den Kanten der ersten Magnetschicht 20, der Metalloxidschicht 30 und optionalen zweiten Magnetschicht 40 in im Wesentlichen senkrechte Richtungen nach außen. Die unteren Elektroden 75 werden bei einigen Ausführungsformen elektrisch mit den vier Enden der kreuzförmigen SOT-Schicht 10 verbunden.
  • Ein oberer Kontakt 50, der ein elektrisch leitendes Material aufweist, wird bei einigen Ausführungsformen anschließend auf dem MRAM-gestützten Bauelement, wie in den 9A, 9B und 9C gezeigt, gebildet. 9A ist eine Draufsicht, 9B ist eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A' in 9A genommen, und 9C ist eine Querschnittansicht entlang der Linie B-B' genommen. Der obere Kontakt kann unter Verwenden von Fotolithografie- und Materialabscheidungstechniken gebildet werden.
  • 10A ist eine Querschnittansicht eines MRAM-gestützten NVM-Halleffektbauelements gemäß Ausführungsformen der Offenbarung, und 10B ist eine schematische isometrische Ansicht des Bauelements ohne das Substrat, die den Betrieb der Vorrichtung zeigt, bevor ein Schreibstrom angelegt wird.
  • 11 ist eine schematische isometrische Ansicht des MRAM-gestützten NVM-Halleffektbauelements der 10A und 10B, die den Betrieb der Vorrichtung zeigt, wenn die magnetische Ausrichtung initialisiert wird. Die anfängliche magnetische Ausrichtung wird von dem nach unten zeigenden Pfeil 125 angegeben. Die anfängliche magnetische Ausrichtung wird entweder durch Anlegen eines Magnetfelds 120, das von etwa 100 Oe (Oersted) zu etwa 2000 Oe reicht, oder eines hohen Stroms 115, eingestellt. Bei einigen Ausführungsformen reicht das Magnetfeld von etwa 200 Oe bis etwa 1000 Oe. Bei einigen Ausführungsformen wird der angelegte Strom 115 an die SOT-Schicht 10 mit einer Stromdichte von mehr als 1 × 1011 A/m2 entlang der x-Richtung angelegt. Bei einigen Ausführungsformen ist der Strom 115 ein Gleichstromimpuls, der während einer Dauer von mindestens 1 ns angelegt wird. Bei einigen Ausführungsformen wird der Gleichstromimpuls 15 während einer Dauer von 1 ns bis 1 s angelegt. Bei einigen Ausführungsformen wird der Gleichstromimpuls während einer Dauer von 1 ns bis 1 ms angelegt. Die Querspannung wird über die y-Richtung von einem Voltmeter 90 gemessen, das an Enden der SOT-Schicht 10 angeschlossen wird, um die magnetische Ausrichtung der Magnetschicht 20 zu bestimmen.
  • Die 12A bis 12C sind schematische isometrische Ansichten des MRAM-gestützten NVM-Halleffektbauelements. 12A ist eine schematische Ansicht, die das Anlegen eines Schreibstroms I+ an das MRAM-gestützte Bauelement der 11 zeigt. Der Schreibstrom I+ wird an die SOT-Schicht 10 entlang der x-Richtung angelegt, und die Querspannung wird durch das Voltmeter 90 über die y-Richtung von Abschnitten der SOT-Schicht 10, die sich über die Magnetschicht 20 entlang der y-Richtung hinaus erstrecken, gemessen. Falls, wie in 12B gezeigt, der Schreibstrom I+ kleiner ist als der Schwellenstrom des besonderen Bauelements, ändert sich die magnetische Ausrichtung 125 des Bauelements nicht von ihrem anfänglichen Zustand, während in 12C, wenn der Schreibstrom größer ist als der Schwellenwert, die magnetische Ausrichtung des Bauelements umgekehrt wird. Ob sich die magnetische Ausrichtung 125 geändert hat, wird durch Beobachten der Spannungsänderung unter Verwenden des Voltmeters 90 geprüft. Die magnetische Ausrichtung hängt von dem Strom ab. Bei einigen Ausführungsformen von SOT-MRAMs kehrt die magnetische Ausrichtung nicht von einer zweiten zu einer ersten magnetischen Ausrichtung bei dem Anlegen zusätzlicher Stromimpulse, die größer sind als der Schwellenstrom, in dieselbe Stromrichtung zurück.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird die magnetische Ausrichtung der Magnetschicht durch Anlegen einer Stromdichte von mindestens etwa 1×1011 A/m2 an die SOT-Schicht umgeschaltet. Bei einigen Ausführungsformen reicht die Stromdichte, die an die SOT-Schicht angelegt wird, von etwa 1×1011 A/m2 bis etwa 1×1012 A/m2. Die Erfindung ist nicht auf diese Stromdichten beschränkt, da der Wert der Stromdichte zum Ändern der magnetischen Ausrichtung von den Eigenschaften der Materialien der Bauelementkomponenten abhängt.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird eine Mehrzahl von MRAM-gestützten Bauelementen (oder Zellen) in einem Array eingerichtet. In Abhängigkeit von der Verarbeitungstemperatur der Mehrzahl von MRAM-gestützten Bauelemente und der Stärke der individuellen Schichten des MRAM-gestützten Bauelements, einschließlich der Tunnelsperrschicht, variieren die magnetischen Eigenschaften der MRAM-gestützten Bauelemente unter den individuellen Bauelementen (Zellen) in dem Array. Ein besonderer Schreibstrom nahe einer Schwellenspannung, der an eine Linie oder ein Array von Bauelementen angelegt wird, kann zum Beispiel einige Bauelemente veranlassen, ihre magnetische Ausrichtung umzukehren, während andere Bauelemente in dem Array nicht umschalten. Ob eine bestimmte Vorrichtung ihre magnetische Ausrichtung ändert ist zufällig und basiert auf stellenweisen Unterschieden in den Schichten jedes Bauelements. Die Koerzitivfeldstärke wird willkürlich innerhalb eines bestimmten Bereichs verteilt. Einige Bauelemente können daher die magnetische Ausrichtung bei einem besonderen Schreibstrom wechseln, während andere Bauelemente ihre magnetische Ausrichtung nicht wechseln.
  • Diese natürlich auftretende Zufälligkeit der Koerzitivfeldstärke erlaubt es, eine Mehrzahl MRAM-gestützter Bauelemente gemäß der vorliegenden Offenbarung bei Anwendungen mit physisch unclonbarer Funktion (Physical Unclonable Function - PUF) zu verwenden. Bei einer Ausführungsform werden die Bauelemente in einem Array 100 durch Anlegen eines Stroms I+ 130 oberhalb des Schwellenstroms jeder der Zellen an die SOT-Schicht 10 initialisiert (auf 0 gesetzt). Bei einigen Ausführungsformen wird ein externes Magnetfeld verwendet, um die Mehrzahl von Bauelementen in dem Array zu initialisieren. Wie in 13 gezeigt, wird die magnetische Ausrichtung 125 jedes individuellen Bauelements in dieselbe Richtung eingestellt. Dann wird in 14 ein Schreibstrom I+ 135 nahe dem Schwellenstrom an das Array angelegt. Da der Schreibstrom I+ 135, der an die Bauelemente angelegt wird, nahe dem Schwellenwert ist, kehren einige Bauelemente von 0 zu 1 um, während andere in dem o-Zustand, wie in 14 gezeigt, bleiben. Welches besondere Bauelement in einem Array umkehrt, ist zufällig und nicht vorhersagbar. Die Bauelemente sind daher physisch unclonbar. Die Zufälligkeit ist bei einigen Ausführungsformen ein Resultat des Herstellungsprozesses. Bei einigen Ausführungsformen wird die physisch unclonbare Funktion verwendet, um eine zufällige Struktur in dem Array 100 zu schaffen. Bei einigen Ausführungsformen wird diese zufällige Struktur als eine elektronische Identifikation verwendet. Bei einigen Ausführungsformen können diese zufälligen Strukturen als ein Sicherheitsmerkmal, wie ein Magnetstreifen auf einer Kreditkarte, verwendet werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird der Schreibstrom I+ 135 variiert, um die Anzahl von Bauelementen, die die magnetische Ausrichtung wechseln, zu variieren. Da der Schreibstrom I+ 135 nahe dem Schwellenstrom liegt, reduziert das Reduzieren des Schreibstroms I+ 135, der an die Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 angelegt wird, die Anzahl von Bauelementen, in welchen die magnetische Ausrichtung der Magnetschicht 20 geändert wird. Andererseits erhöht das Erhöhen des Schreibstroms die Anzahl von Bauelementen, in welchen die magnetische Ausrichtung der Magnetschicht 20 geändert wird.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist das Array ein lineares Array von Zellen 100, wie in 13 und 14 veranschaulicht. Die Zellen werden miteinander durch die Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 verbunden, und das lineare Array erstreckt sich entlang der Richtung des Flusses des Schreibstroms I+. Das lineare Array von Zellen 100 wird bei einigen Ausführungsformen durch Materialabscheidungs-, Fotolithografie- und Ätzvorgänge, wie hierin beschrieben, gebildet. Bei anderen Ausführungsformen wird eine Mehrzahl linearer Arrays MRAM-gestützter Zellen eingerichtet, um ein zweidimensionales Array, das eine Mehrzahl von Zeilen oder Spalten MRAM-unterstützter Zellen aufweist, wie in Draufsicht gesehen, zu bilden.
  • 15 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines MRAM-gestützten Bauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht. Bei Vorgang S310 wird über einem Substrat 5 eine Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 gebildet. Eine erste Magnetschicht 20 wird über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 bei Vorgang S320 gebildet. Dann wird eine Metalloxidschicht 30 über der Magnetschicht 20 bei Vorgang S330 gebildet. Bei einigen Ausführungsformen wird eine zweite Magnetschicht 40 anschließend über der Metalloxidschicht 30 bei Vorgang S340 gebildet. Bei Vorgang S350 werden die Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10, die erste Magnetschicht 20, die Metalloxidschicht 30 und die optionale zweite Magnetschicht 40 derart strukturiert, dass sich Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 von der ersten Magnetschicht 20, der Metalloxidschicht 30 und der zweiten Magnetschicht 40 auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung in Draufsicht nach außen erstrecken, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist. Bei einigen Ausführungsformen wird bei Vorgang S360 eine Zwischenschicht 60 gebildet, nachdem die Metalloxidschicht 30 gebildet wurde und bevor die zweite Magnetschicht 40 gebildet wird. Bei einigen Ausführungsformen wird eine leitende Schicht 50 über der zweiten Magnetschicht 40 bei Vorgang S370 gebildet.
  • 16 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Schreiben eines MRAM-gestützten Bauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht. Bei Vorgang S410 wird eine magnetische Ausrichtung einer ersten Magnetschicht des MRAM-gestützten Bauelements bestimmt. Das Bauelement weist eine Spin-Bahn-Drehmoment-(SOT)-Schicht 10, die über einem Substrat 5 angeordnet ist, auf. Eine erste Magnetschicht 20 wird über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 angeordnet, und eine Metalloxidschicht 30 wird über der ersten Magnetschicht 20 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen wird die magnetische Ausrichtung durch Messen der Querspannung über Abschnitte der SOT-Schicht, die sich von der Magnetschicht des Bauelements in Richtungen im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung des Stromflusses in der SOT-Schicht erstrecken, bestimmt. Bei Vorgang S420 wird eine Stromdichte von mindestens 1011 A/m2 an die Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 angelegt. Bei einigen Ausführungsformen wird bei Vorgang S430 bestimmt, ob sich die magnetische Ausrichtung der ersten Magnetschicht 20 nach dem Anlegen einer Stromdichte von mindestens 1011 A/m2 an eine Spin-Bahn-Drehmoment-/Schicht geändert hat. Bei einigen Ausführungsformen wird bestimmt, ob sich die magnetische Ausrichtung der ersten Magnetschicht 20 geändert hat, indem ein Lesestrom an die SOT-Schicht des MRAM-gestützten Bauelements bei Vorgang S440 angelegt wird. Bei einigen Ausführungsformen weist das Bestimmen der magnetischen Ausrichtung der ersten Magnetschicht das Anlegen eines Lesestroms an die SOT-Schicht des MRAM-gestützten nichtflüchtigen Halleffektbauelements bei Vorgang S450 auf.
  • 17 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines MRAM-gestützten Bauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht. Bei Vorgang S510 wird über einem Substrat 5 eine Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 gebildet. Die Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 wird strukturiert, um eine kreuzförmigen Spin-Bahn-Drehmomentschicht über dem Substrat 5 bei Vorgang S520 zu bilden. Bei Vorgang S530 wird eine erste Magnetschicht 20 über einem zentralen Abschnitt der kreuzförmigen Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 gebildet, und eine Metalloxidschicht 30 wird über der ersten Magnetschicht 20 bei Vorgang S540 gebildet. Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 erstrecken sich von der ersten Magnetschicht 20 und der Metalloxidschicht 30 auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung in einer Draufsicht nach außen, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist. Bei einigen Ausführungsformen wird eine zweite Magnetschicht 40 über der ersten Magnetschicht 20 bei Vorgang S550 gebildet. Bei einigen Ausführungsformen wird eine Maske mit einer Öffnung über einem zentralen Abschnitt der Spin-Bahn-Drehmomentschicht gebildet, und die zweite Magnetschicht wird in der Maskenöffnung gebildet. Bei einigen Ausführungsformen wird bei Vorgang S560 eine Zwischenschicht 60 zwischen den Bildungsvorgängen der ersten Magnetschicht 20 und der zweiten Magnetschicht 40 gebildet. Bei einigen Ausführungsformen wird eine Maske mit einer Öffnung über einem zentralen Abschnitt der Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 gebildet, und die Zwischenschicht 60 wird in der Maskenöffnung gebildet. Bei einigen Ausführungsformen wird eine Maskenschicht über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht gebildet, bevor die erste Magnetschicht bei Vorgang S570 gebildet wird, und eine Öffnung wird in der Maskenschicht bei Vorgang S580 gebildet, indem der zentrale Abschnitt der Spin-Bahn-Drehmomentschicht freigelegt wird. Bei einigen Ausführungsformen weist die Maskenschicht eine Fotolackschicht auf. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Metalloxidschicht 30 ein Material, das eine senkrechte magnetische Anisotropie der ersten Magnetschicht 20 aufrechterhält. Bei einigen Ausführungsformen wird eine elektrisch leitende Schicht 50 über der ersten Magnetschicht 20 bei Vorgang S590 gebildet.
  • 18 zeigt die Zufälligkeit in einem 10 X 8-Array 600 MRAM-gestützter Bauelemente bei dem Anlegen eines Schreibstroms, der nahe dem Schwellenstrom ist. Die Bauelemente, die die magnetische Ausrichtung wechseln, werden „1“ genannt, und Bauelemente, die die Ausrichtung nicht wechseln, werden „0“ genannt. Aufgrund geringfügiger Variationen der individuellen SOT-MRAM-Zellen, wie Variationen der Schichtstärken, wird eine zufällige Struktur aus Zellen, die die magnetische Ausrichtung wechseln, und Zellen, die die Ausrichtung nicht wechseln, erzeugt. Das Array kann daher bei Anwendungen physisch unclonbarer Funktionen (PUF), wie bei einer elektronischen Identifikation, verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen können diese zufälligen Strukturen als ein Sicherheitsmerkmal, wie ein Magnetstreifen auf einer Kreditkarte, verwendet werden.
  • 19A veranschaulicht einen Abschnitt der Verdrahtung einer Schaltung 700, die ein Array aus MRAM-gestützten Bauelementen gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung enthält. Die Bauelemente sind mit Wortleitungen WL, Source-Leitungen SL und Bitleitungen BL verbunden. Wie gezeigt, wird ein Schreibstrom an das Bauelement von der Source-Leitung SL1 zu der Wortleitung WL1 angelegt. Das Quer-(Hall)-Spannungssignal wird an der Bitleitung BL1 gemessen. Bei einigen Ausführungsformen ist der Abschnitt der Spin-Bahn-Drehmomentschicht 10 der V-Ausgabe entgegengesetzt spannungsfrei. Die Ladung sammelt sich auf der spannungsfreien Seite der SOT-Schicht an. Bei anderen Ausführungsformen weist die SOT-Schicht kein Floating auf. Bei einigen Ausführungsformen ist eine andere Bitleitung BL1-, BL2- an die entgegengesetzte Seite der Spin-Bahn-Drehmomentschicht von der V-Ausgabe, wie in 19B gezeigt, angeschlossen. Bei einigen Ausführungsformen stellt das Verbinden entgegengesetzter Seiten der Spin-Bahn-Drehmomentschicht an zwei Bitleitungen (zum Beispiel BL1 + und BL1-) verbesserte Signale bereit.
  • Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich das Hall-Spannungssignal von etwa 3 % bis etwa 50 % des angelegten Stroms. Der Wert des Hall-Spannungssignals hängt von dem SOT-Material ab. Wenn eine spezifische Wortleitung WL aktiviert wird, werden zwei Transistoren einer Zelle eingeschaltet. Dann fließt ein Eingangs-(oder Schreibe-Strom durch die Spin-Bahn-Drehmomentschicht des MRAM-gestützten Bauelements, was eine Hall-Spannung Vreadout erzeugt. Die Hall-Spannung Vreadout erscheint auf der Bitleitung als Daten der Zelle. Zum Beispiel bewirkt das Aktivieren von WL1 und SL1 eine Spannungsausgabe Vreadout an der 11-(WL1 und BLi)-Position. Wenn WL1 und BL2 aktiviert werden, bewirkt das eine Spannungsausgabe Vreadout an der 12-(WL1 und BL2)-Position usw.
  • Die 20A, 20B und 20C veranschaulichen eine Ausführungsform eines MRAM-gestützten Bauelements, das in eine integrierte Schaltung 800 eingebettet ist. Wie in 20A gezeigt, befindet sich das Bauelement 810 an dem M2-Verdrahtungsniveau über der Source-Leitung SL, Bitleitung BL und Wortleitung WL der integrierten Schaltung 800. Das Bauelement ist durch elektrisch leitende Kontakte 105 mit der Source-Leitung SL und den Source-/Drain-Bereichen 75 der Transistoren 115, 115' unter dem M1-Verdrahtungsniveau verbunden. Die Transistoren 115, 115' weisen eine Gate-Elektrode 85 und eine dielektrische Gate-Schicht 95 über einem Kanalbereich 65 zwischen den Source-/Drain-Bereichen 75, die in einem Halbleitersubstrat 55 gebildet sind, auf. Bei einigen Ausführungsformen werden die Gate-Elektroden 85 benachbarter Transistoren 115, 115' durch die Wortleitung WL verbunden. 20B ist eine isometrische (dreidimensionale) Ansicht des MRAM-gestützten Bauelements der 20A, und 20C ist eine Draufsicht des MRAM-gestützten Bauelements der 20A.
  • MRAM-gestützte Bauelemente gemäß der vorliegenden Offenbarung können eine Größenordnungsverbesserung von Schreibstrom und Geschwindigkeit bereitstellen. Bauelemente gemäß der vorliegenden Offenbarung sind für Cache-Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und niedriger Leistungsaufnahme vorteilhaft. Bei einigen Ausführungsformen werden MRAM-gestützte nichtflüchtige Speicher-Hall-Sensorschalter gebildet. Die MRAM-gestützten nichtflüchtigen Speicher-Hall-Sensorschalter erfordern kein externes Magnetfeld. Bei einigen Ausführungsformen behält der magnetische nichtflüchtige Speicher der Bauelemente gemäß der Offenbarung seine magnetische Ausrichtung für etwa 10 Jahre oder mehr. Die natürlich auftretende Zufälligkeit der Koerzitivfeldstärke von Bauelementen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist bei Anwendungen mit physisch unclonbarer Funktion (PUF), einschließlich elektronischer Identifikationsanwendungen, vorteilhaft.
  • Eine Ausführungsform der Offenbarung ist ein Magnetdirektzugriffsspeicher-gestütztes nichtflüchtiges Halleffektbauelement, das eine Spin-Bahn-Drehmomentschicht aufweist, die über einem Substrat angeordnet ist, und eine Magnetschicht, die über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet ist. Eine Metalloxidschicht ist über der Magnetschicht angeordnet. Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht erstrecken sich von der Magnetschicht und der Metalloxidschicht auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung in einer Draufsicht, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist. Bei einer Ausführungsform umfasst die Metalloxidschicht ein Material, das eine senkrechte magnetische Anisotropie der Magnetschicht aufrechterhält. Bei einer Ausführungsform weist die Magnetschicht eine Koerzitivfeldstärke größer als etwa 500 Gauß auf. Bei einer Ausführungsform umfasst die Metalloxidschicht MgO. Bei einer Ausführungsform weist die Magnetschicht ein CoFeB-Material auf. Bei einer Ausführungsform weist die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eines oder mehrere aus Platin, Wolfram, Tantal und PtMn auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat ein Halbleitersubstrat auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat Silizium auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat ein Halbleitersubstrat mit einer Isolierschicht auf, die zwischen das Halbleitersubstrat und die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eingefügt ist. Bei einer Ausführungsform ist die Spin-Bahn-Drehmomentschicht in Draufsicht kreuzförmig, und die Magnetschicht und die Metalloxidschichten sind über einem zentralen Abschnitt der kreuzförmigen Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet. Bei einer Ausführungsform wird eine magnetische Ausrichtung der Magnetschicht durch das Anlegen einer Stromdichte von 1011A/m2 an die Spin-Bahn-Drehmomentschicht geändert. Bei einer Ausführungsform behält das Bauelement seine magnetische Ausrichtung während 10 Jahren ohne das Anlegen des externen Stroms oder Magnetfelds. Bei einer Ausführungsform weist das Bauelement eine zweite Magnetschicht auf, die über der Metalloxidschicht angeordnet ist.
  • Eine Ausführungsform der Offenbarung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützten nichtflüchtigen Halleffektbauelements, das das Bilden einer Spin-Bahn-Drehmomentschicht über einem Substrat und das Bilden einer Magnetschicht über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht aufweist. Eine Metalloxidschicht wird über der Magnetschicht gebildet. Die Spin-Bahn-Drehmomentschicht, Magnetschicht und Metalloxidschicht werden derart strukturiert, dass sich Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht in Draufsicht von der Magnetschicht und der Metalloxidschicht auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung nach außen erstrecken, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist. Bei einer Ausführungsform umfasst die Metalloxidschicht ein Material, das eine senkrechte magnetische Anisotropie der Magnetschicht aufrechterhält. Bei einer Ausführungsform weist die Metalloxidschicht MgO auf. Bei einer Ausführungsform weist die Magnetschicht eine Koerzitivfeldstärke größer als etwa 500 Gauß auf. Bei einer Ausführungsform weist die Magnetschicht ein CoFeB-Material auf. Bei einer Ausführungsform weist die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eines oder mehrere aus Platin, Wolfram, Tantal und PtMn auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat ein Halbleitersubstrat auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat Silizium auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat ein Halbleitersubstrat mit einer Isolierschicht auf, die zwischen das Halbleitersubstrat und die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eingefügt ist. Bei einer Ausführungsform werden die Spin-Bahn-Drehmomentschicht, die Magnetschicht und die Metalloxidschicht derart strukturiert, dass die Spin-Bahn-Drehmomentschicht in Draufsicht kreuzförmig ist, und die Magnetschicht und die Metalloxidschicht werden über einem zentralen Abschnitt der kreuzförmigen Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet.
  • Eine andere Ausführungsform der Offenbarung ist ein Magnetdirektzugriffsspeicher-(MRAM)-gestütztes nichtflüchtiges Bauelement mit physisch unclonbarer Funktion (PUF), das eine Spin-Bahn-Drehmomentschicht aufweist, die einen ersten Bereich, der sich in eine erste Richtung erstreckt, über einem Substrat aufweist. Eine Mehrzahl zweiter Bereiche der Spin-Bahn-Drehmomentschicht erstreckt sich entlang einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung. Die Mehrzahl zweiter Bereiche ist voneinander entlang der ersten Richtung beabstandet. Eine Mehrzahl erster Magnetschichten ist auf dem ersten Bereich der Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet. Die ersten Magnetschichten befinden sich jeweils zwischen einem Paar zweiter Bereiche, die sich in die zweite Richtung von dem ersten Bereich der Spin-Bahn-Drehmomentschicht erstrecken. Eine Metalloxidschicht ist über jeder der ersten Magnetschichten angeordnet. Bei einer Ausführungsform weist das Bauelement eine zweite Magnetschicht auf, die über jeder der Metalloxidschichten angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform weist das Bauelement eine Zwischenschicht auf, die über jeder der Metalloxidschicht und den zweiten Magnetschichten angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform weist das Bauelement eine leitende Schicht auf, die über jeder der Metalloxidschichten angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform weist die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eines oder mehrere aus Platin, Wolfram, Tantal und PtMn auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat ein Halbleitersubstrat mit einer Isolierschicht auf, die zwischen das Halbleitersubstrat und die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eingefügt ist. Bei einer Ausführungsform weist die erste Magnetschicht ein CoFeB-Material auf. Bei einer Ausführungsform weisen die ersten Magnetschichten eine Koerzitivfeldstärke größer als etwa 500 Gauß auf. Bei einer Ausführungsform wird eine magnetische Ausrichtung einer oder mehrerer der ersten Magnetschichten durch das Anlegen einer Stromdichte von 1011 A/m2 an die Spin-Bahn-Drehmomentschicht geändert.
  • Eine andere Ausführungsform der Offenbarung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützten nichtflüchtigen Halleffektbauelements, das das Bilden einer Spin-Bahn-Drehmomentschicht über einem Substrat und das Strukturieren der Spin-Bahn-Drehmomentschicht aufweist, um eine kreuzförmige Spin-Bahn-Drehmomentschicht über dem Substrat zu bilden. Eine erste Magnetschicht wird über einem zentralen Abschnitt der kreuzförmigen Spin-Bahn-Drehmomentschicht gebildet, und eine Metalloxidschicht wird über der ersten Magnetschicht gebildet. Bei einer Ausführungsform erstrecken sich in Draufsicht Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht von der ersten Magnetschicht und der Metalloxidschicht auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung nach außen, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Bilden einer Maskenschicht über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht vor dem Bilden der ersten Magnetschicht auf. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Bilden einer Öffnung in der Maskenschicht, die den zentralen Abschnitt der Spin-Bahn-Drehmomentschicht freilegt, auf. Bei einer Ausführungsform weist die Maskenschicht eine Fotolackschicht auf. Bei einer Ausführungsform weist die Metalloxidschicht ein Material auf, das eine senkrechte magnetische Anisotropie der ersten Magnetschicht aufrechterhält. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Bilden einer leitenden Schicht über der ersten Magnetschicht auf. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Bilden einer zweiten Magnetschicht über der ersten Magnetschicht auf. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Bilden einer Maske mit einer Öffnung über einem zentralen Abschnitt der Spin-Bahn-Drehmomentschicht auf, wobei die zweite Magnetschicht in der Maskenöffnung gebildet wird. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Bilden einer Zwischenschicht zwischen der ersten Magnetschicht und der zweiten Magnetschicht auf. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Bilden einer Maske mit einer Öffnung über einem zentralen Abschnitt der Spin-Bahn-Drehmomentschicht auf, wobei die Zwischenschicht in der Maskenöffnung gebildet wird.
  • Eine andere Ausführungsform der Offenbarung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützten Bauelements, das das Bilden einer Spin-Bahn-Drehmomentschicht über einem Substrat und das Bilden einer ersten Magnetschicht über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht aufweist. Eine Metalloxidschicht wird über der Magnetschicht gebildet, und eine zweite Magnetschicht wird über der Metalloxidschicht gebildet. Die Spin-Bahn-Drehmomentschicht, die erste Magnetschicht, die Metalloxidschicht und die zweite Magnetschicht sind derart strukturiert, dass sich in Draufsicht Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht von der ersten Magnetschicht, der Metalloxidschicht und der zweiten Magnetschicht auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung nach außen erstrecken, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Bilden einer leitenden Schicht über der zweiten Magnetschicht auf. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Bilden einer Zwischenschicht zwischen der Metalloxidschicht und der zweiten Magnetschicht auf. Bei einer Ausführungsform weist die Metalloxidschicht ein Material auf, das eine senkrechte magnetische Anisotropie der ersten Magnetschicht aufrechterhält. Bei einer Ausführungsform weist die erste Magnetschicht eine Koerzitivfeldstärke größer als etwa 500 Gauß auf. Bei einer Ausführungsform umfasst die Magnetschicht ein CoFeB-Material. Bei einer Ausführungsform weist die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eines oder mehrere aus Platin, Wolfram, Tantal und PtMn auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat ein Halbleitersubstrat auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat Silizium auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat ein Halbleitersubstrat mit einer Isolierschicht auf, die zwischen das Halbleitersubstrat und die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eingefügt ist. Bei einer Ausführungsform werden die Spin-Bahn-Drehmomentschicht, die Magnetschicht und die Metalloxidschicht derart strukturiert, dass die Spin-Bahn-Drehmomentschicht in Draufsicht kreuzförmig ist, und die Magnetschicht und die Metalloxidschicht werden über einem zentralen Abschnitt der kreuzförmigen Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet.
  • Eine andere Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützten Bauelements, das das Bilden einer Spin-Bahn-Drehmomentschicht über einem Substrat und das Bilden einer ersten Magnetschicht über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht aufweist. Eine Metalloxidschicht wird über der Magnetschicht gebildet. Eine zweite Magnetschicht wird über der Metalloxidschicht gebildet. Die Spin-Bahn-Drehmomentschicht, die erste Magnetschicht, die Metalloxidschicht und die zweite Magnetschicht derart strukturiert, dass sich in Draufsicht Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht von der ersten Magnetschicht, der Metalloxidschicht und der zweiten Magnetschicht auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung nach außen erstrecken, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Bilden einer leitenden Schicht über der zweiten Magnetschicht auf. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Bilden einer Zwischenschicht zwischen der Metalloxidschicht und der zweiten Magnetschicht auf. Bei einer Ausführungsform umfasst die Metalloxidschicht ein Material, das eine senkrechte magnetische Anisotropie der ersten Magnetschicht aufrechterhält. Bei einer Ausführungsform weist die erste Magnetschicht eine Koerzitivfeldstärke größer als etwa 500 Gauß auf. Bei einer Ausführungsform weist die Magnetschicht ein CoFeB-Material auf. Bei einer Ausführungsform umfasst die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eines oder mehrere aus Platin, Wolfram, Tantal und PtMn. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat ein Halbleitersubstrat auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat Silizium auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat ein Halbleitersubstrat mit einer Isolierschicht auf, die zwischen das Halbleitersubstrat und die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eingefügt ist. Bei einer Ausführungsform werden die Spin-Bahn-Drehmomentschicht, die Magnetschicht und die Metalloxidschicht derart strukturiert, dass die Spin-Bahn-Drehmomentschicht in Draufsicht kreuzförmig ist, und die Magnetschicht und die Metalloxidschicht werden über einem zentralen Abschnitt der kreuzförmigen Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet.
  • Eine andere Ausführungsform ist ein Magnetdirektzugriffsspeicher-gestütztes Bauelement, das das Bilden einer Spin-Bahn-Drehmomentschicht, die über einem Substrat angeordnet ist, und einer ersten Magnetschicht, die über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet ist, aufweist. Eine Metalloxidschicht wird über der Magnetschicht angeordnet, und eine zweite Magnetschicht wird über der Metalloxidschicht angeordnet. Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht erstrecken sich in Draufsicht von der ersten Magnetschicht, der Metalloxidschicht und der zweiten Magnetschicht auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung nach außen, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist. Bei einer Ausführungsform weist die Metalloxidschicht ein Material auf, das eine senkrechte magnetische Anisotropie der ersten Magnetschicht aufrechterhält. Bei einer Ausführungsform weist die erste Magnetschicht eine Koerzitivfeldstärke größer als etwa 500 Gauß auf. Bei einer Ausführungsform weist die Metalloxidschicht MgO auf. Bei einer Ausführungsform weist die erste Magnetschicht ein CoFeB-Material auf. Bei einer Ausführungsform weist die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eines oder mehrere aus Platin, Wolfram, Tantal und PtMn auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat ein Halbleitersubstrat auf. Bei einer Ausführungsform weist das Substrat ein Halbleitersubstrat mit einer Isolierschicht auf, die zwischen das Halbleitersubstrat und die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eingefügt ist. Bei einer Ausführungsform ist die Spin-Bahn-Drehmomentschicht in Draufsicht kreuzförmig, und die Magnetschicht und die Metalloxidschichten sind über einem zentralen Abschnitt der kreuzförmigen Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet. Bei einer Ausführungsform weist das Bauelement eine leitende Schicht, die über der zweiten Magnetschicht angeordnet ist, auf. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren eine Zwischenschicht, die zwischen der Metalloxidschicht und der zweiten Magnetschicht angeordnet ist, auf. Bei einer Ausführungsform wird eine magnetische Ausrichtung der ersten Magnetschicht durch das Anlegen einer Stromdichte von 1011 A/m2 an die Spin-Bahn-Drehmomentschicht geändert. Bei einer Ausführungsform behält das Bauelement seine magnetische Ausrichtung während 10 Jahren ohne das Anlegen des externen Stroms oder Magnetfelds.
  • Eine andere Ausführungsform ist ein Verfahren des Schreibens zu einem Magnetdirektzugriffsspeicher-(MRAM)-gestützten Bauelement, das das Bestimmen einer magnetischen Ausrichtung einer ersten Magnetschicht des MRAM-gestützten nichtflüchtigen Halleffektbauelements aufweist. Das Bauelement weist eine Spin-Bahn-Drehmomentschicht, die über einem Substrat angeordnet ist, die erste Magnetschicht, die über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet ist und eine Metalloxidschicht, die über der ersten Magnetschicht angeordnet ist, auf. Eine Stromdichte von mindestens 1011A/m2 an einer Spin-Bahn-Drehmomentschicht. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Bestimmen, ob sich die magnetische Ausrichtung der ersten Magnetschicht nach dem Anlegen einer Stromdichte von mindestens 1011A/m2 an eine Spin-Bahn-Drehmomentschicht geändert hat, auf. Bei einer Ausführungsform weist das Bestimmen, ob sich die magnetische Ausrichtung der ersten Magnetschicht geändert hat, das Anlegen eines Lesestroms an das MRAM-gestützte Bauelement auf. Bei einer Ausführungsform weist das Bestimmen, ob sich die magnetische Ausrichtung einer ersten Magnetschicht geändert hat, das Anlegen eines Lesestroms an das MRAM-gestützte Bauelement auf.
  • Eine andere Ausführungsform ist ein Verfahren zum Erzeugen von Zufallsdaten, einschließlich des Initialisierens einer Mehrzahl Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützter Zellen, so dass die Magnetschicht jeder der Mehrzahl Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützter Zellen in eine erste Ausrichtung ausgerichtet wird. Jede der Mehrzahl Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützter Zellen weist Folgendes auf: eine Spin-Bahn-Drehmomentschicht, die Magnetschicht, die über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet ist, und eine nichtmagnetische Schicht, die über der Magnetschicht angeordnet ist. Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht erstrecken sich in Draufsicht von der Magnetschicht und der nichtmagnetische Schicht auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung nach außen, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist, und benachbarte Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützter Zellen sind miteinander entlang der ersten Richtung durch die Spin-Bahn-Drehmomentschicht verbunden. Ein Strom wird an die Spin-Bahn-Drehmomentschicht entlang der ersten Richtung derart angelegt, dass die magnetische Ausrichtung der Magnetschicht einer oder mehrerer der Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützten Zellen von der ersten Ausrichtung in eine zweite Ausrichtung geändert wird. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren das Variieren des Stroms auf, um eine Anzahl von Magnetschichten, die von der ersten Ausrichtung zu der zweiten Ausrichtung wechseln, zu variieren. Bei einer Ausführungsform das Initialisieren einer Mehrzahl Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützter Zellen derart, dass die Magnetschicht jeder der Mehrzahl Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützter Zellen in eine erste Richtung durch Anlegen eines externen Magnetfelds an die Mehrzahl Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützter Zellen ausgeführt wird. Bei einer Ausführungsform das Initialisieren einer Mehrzahl Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützter Zellen derart, dass eine Magnetschicht jeder der Mehrzahl Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützter Zellen in eine erste Richtung durch Anlegen von Strom in die erste Richtung an die Spin-Bahn-Drehmomentschicht ausgerichtet wird. Bei einer Ausführungsform ist die Mehrzahl Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützter Zellen ein lineares Array. Bei einer Ausführungsform ist die Mehrzahl Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützter Zellen in Draufsicht ein zweidimensionales Array. Bei einer Ausführungsform ist die nichtmagnetische Schicht eine Metalloxidschicht. Bei einer Ausführungsform ist das Metalloxid MgO. Bei einer Ausführungsform weist jede der Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützten Zellen eine zweite Magnetschicht, die über der nichtmagnetischen Schicht angeordnet ist, auf.
  • Es ist klar, dass hier nicht unbedingt alle Vorteile besprochen wurden, kein besonderer Vorteil ist für alle Ausführungsformen oder Beispiele erforderlich, und andere Ausführungsformen oder Beispiele können unterschiedliche Vorteile bieten.
  • Oben Stehendes umreißt Merkmale mehrerer Ausführungsformen oder Beispiele derart, dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser versteht. Der Fachmann sollte zu schätzen wissen, dass er die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Konzipieren oder Ändern anderer Prozesse und Strukturen zum Ausführen derselben Zwecke und/oder Verwirklichen derselben Vorteile der Ausführungsformen, die hier eingeführt werden, verwenden kann. Der Fachmann sollte auch erkennen, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht vom Geist und Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abweichen, und dass er diverse Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen hier ohne Abweichen vom Geist und Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung ausführen kann.
  • 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 62737301 [0001]

Claims (20)

  1. Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützte nichtflüchtige Halleffektvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Spin-Bahn-Drehmomentschicht, die über einem Substrat angeordnet ist; eine Magnetschicht, die über der Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet ist; und eine Metalloxidschicht, die über der Magnetschicht angeordnet ist, wobei sich Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht von der Magnetschicht und der Metalloxidschicht auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung in einer Draufsicht nach außen erstrecken, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist.
  2. Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützte nichtflüchtige Halleffektvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidschicht ein Material umfasst, das eine senkrechte magnetische Anisotropie der Magnetschicht aufrechterhält.
  3. Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützte nichtflüchtige Halleffektvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Magnetschicht eine Koerzitivfeldstärke von größer als 500 Gauß aufweist.
  4. Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützte nichtflüchtige Halleffektvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Metalloxidschicht MgO umfasst.
  5. Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützte nichtflüchtige Halleffektvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Magnetschicht ein CoFeB-Material umfasst.
  6. Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützte nichtflüchtige Halleffektvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eines oder mehrere von Platin, Wolfram, Tantal und PtMn umfasst.
  7. Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützte nichtflüchtige Halleffektvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein Halbleitersubstrat umfasst.
  8. Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützte nichtflüchtige Halleffektvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1, wobei das Substrat ein Halbleitersubstrat mit einer Isolierschicht, die zwischen das Halbleitersubstrat und die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eingefügt ist, umfasst.
  9. Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützte nichtflüchtige Halleffektvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spin-Bahn-Drehmomentschicht in einer Draufsicht kreuzförmig ist, und die Magnetschicht und die Metalloxidschichten über einem zentralen Abschnitt der kreuzförmigen Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet sind.
  10. Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützte nichtflüchtige Halleffektvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiter eine zweite Magnetschicht, die über der Metalloxidschicht angeordnet ist, umfasst.
  11. Magnetdirektzugriffsspeicher (MRAM)-gestützte nichtflüchtige Halleffektvorrichtung mit physisch unclonbarer Funktion (PUF), die Folgendes umfasst: eine Spin-Bahn-Drehmomentschicht, die einen ersten Bereich aufweist, der sich in eine erste Richtung erstreckt, über einem Substrat angeordnet aufweist; eine Mehrzahl zweiter Bereiche der Spin-Bahn-Drehmomentschicht, die sich entlang einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung erstreckt, wobei die Mehrzahl zweiter Bereiche voneinander entlang der ersten Richtung beabstandet ist; eine Mehrzahl erster Magnetschichten, die auf dem ersten Bereich der Spin-Bahn-Drehmomentschicht angeordnet ist, wobei die ersten Magnetschichten jeweils zwischen einem Paar zweiter Bereiche angeordnet sind, die sich in die zweite Richtung von dem ersten Bereich der Spin-Bahn-Drehmomentschicht erstrecken; und eine Metalloxidschicht, die über jeder der ersten Magnetschichten angeordnet ist.
  12. MRAM-gestützte nichtflüchtige PUF-Vorrichtung nach Anspruch 11, die ferner eine zweite Magnetschicht, die über jeder der Metalloxidschichten angeordnet ist, umfasst.
  13. MRAM-gestützte nichtflüchtige PUF-Vorrichtung nach Anspruch 12, die ferner eine Zwischenschicht, die zwischen jeder der Metalloxidschicht und zweiten Magnetschichten angeordnet ist, umfasst.
  14. MRAM-gestützte nichtflüchtige PUF-Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 13, die weiter eine leitende Schicht, die über jeder der Metalloxidschichten angeordnet ist, umfasst.
  15. MRAM-gestützte nichtflüchtige PUF-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Spin-Bahn-Drehmomentschicht eines oder mehrere von Platin, Wolfram, Tantal und PtMn umfasst.
  16. MRAM-gestützte nichtflüchtige PUF-Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 15, wobei das Substrat ein Halbleitersubstrat mit einer Isolierschicht, die zwischen dem Halbleitersubstrat und der Spin-Bahn-Drehmomentschicht eingefügt ist, umfasst.
  17. MRAM-gestützte PUF-Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 16, wobei die erste Magnetschicht ein CoFeB-Material umfasst.
  18. MRAM-gestützte PUF-Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 17, wobei die erste Magnetschicht eine Koerzitivfeldstärke von größer als 500 Gauß aufweist.
  19. Verfahren zum Herstellen einer Magnetdirektzugriffsspeicher-gestützten nichtflüchtigen Halleffektvorrichtung, das Folgendes umfasst: Bilden einer Spin-Bahn-Drehmomentschicht über einem Substrat; Strukturieren der Spin-Bahn-Drehmomentschicht, um eine kreuzförmige Spin-Bahn-Drehmomentschicht über dem Substrat zu bilden; Bilden einer ersten Magnetschicht über einem zentralen Abschnitt der kreuzförmigen Spin-Bahn-Drehmomentschicht; und Bilden einer Metalloxidschicht über der ersten Magnetschicht.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei sich Abschnitte der Spin-Bahn-Drehmomentschicht in Draufsicht von der ersten Magnetschicht und der Metalloxidschicht auf entgegengesetzten Seiten einer ersten Richtung und entgegengesetzten Seiten einer zweiten Richtung nach außen erstrecken, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist.
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