DE102019126969A1 - Magnetische vorrichtung und magnetischer direktzugriffsspeicher - Google Patents

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Abstract

Ein Magnetspeicher mit einer über einem Substrat angeordneten ersten Spin-Orbital-Transfer-Spin-Torque-Transfer-Hybridmagnet-Vorrichtung (SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung), einer über dem Substrat angeordneten zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung und einer damit verbundenen SOT-Leitungsschicht, die mit der ersten und der zweiten SOT-Vorrichtung verbunden ist. Jede der ersten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung umfasst eine erste Magnetschicht als magnetische freie Schicht, eine unter der ersten Magnetschicht angeordnete Abstandsschicht und eine unter der Abstandsschicht angeordnete zweite Magnetschicht als magnetische Referenzschicht. Die SOT-Leitungsschicht ist über der ersten Magnetschicht jeder der ersten und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung angeordnet.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/752,274 , eingereicht am 29. Oktober 2018, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • HINTERGRUND
  • Ein magnetischer Direktzugriffsspeicher (MRAM) bietet eine vergleichbare Leistung wie ein flüchtiger statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM) und eine vergleichbare Dichte bei geringerem Energieverbrauch wie ein flüchtiger dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM). Im Vergleich zu NVM-Flashspeichern (Non-Volatile Memory Flashspeichern) bietet ein MRAM viel schnellere Zugriffszeiten und eine minimale Verschlechterung im Laufe der Zeit, während ein Flashspeicher nur begrenzt oft überschrieben werden kann. Eine Art von MRAM ist ein Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher (STT-RAM). Ein STT-RAM verwendet einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ), der wenigstens teilweise von einem Strom geschrieben wird, der durch den MTJ getrieben wird. Eine andere Art von MRAM ist ein Spin-Orbit-Drehmoment-RAM (SOT-RAM).
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Offenbarung lässt sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstehen, wenn sie mit den beigefügten Figuren gelesen wird. Es ist zu beachten, dass wie in der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu dargestellt sind und nur zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet werden. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale für die Klarheit der Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 ist eine schematische Ansicht einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 04] 2 zeigt ein Schaltbild einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 05] 3 zeigt ein Schaltbild einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 06] 4 ist eine schematische Ansicht einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 07] 5A ist eine Querschnittsansicht einer Zelle einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 08] 5B ist eine Draufsicht einer Zelle einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 09] 6 zeigt eine Operation zum Schreiben von Daten in eine SOT-STT-Hybrid-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 10] 7 zeigt eine Speicherarraystruktur einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 1 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F, 8G, 8H, 81, 8J und 8K zeigen einen sequentiellen Herstellungsvorgang für eine SOT-STT-Hybrid-MRAM-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
    • 1 9A, 9B und 9C zeigen verschiedene Strukturen für eine SOT-Induktionsverdrahtungsschicht gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 13] 10 zeigt Operationen eines STT-MRAM und eines SOT-MRAM.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es ist zu versrtehen, dass die folgende Offenbarung viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale der Erfindung bereitstellt. Spezifische Ausführungsformen oder Beispiele von Komponenten und Anordnungen werden im Folgenden beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Dies sind natürlich nur Beispiele und sollen nicht als einschränkend verstanden werden. Beispielsweise sind die Abmessungen der Elemente nicht auf den offenbarten Bereich oder die offenbarten Werte beschränkt, sondern können von den Prozessbedingungen und/oder den gewünschten Eigenschaften der Vorrichtung abhängen. Darüber hinaus kann das Ausbilden eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, in denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, in denen zusätzliche Merkmale ausgebildet sein können, die zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal angeordnet sind, so dass das erste und das zweite Merkmal möglicherweise nicht in direktem Kontakt stehen. Verschiedene Merkmale können zur Vereinfachung und Klarheit willkürlich in verschiedenen Maßstäben gezeichnet werden. In den beigefügten Zeichnungen können einige Schichten/Merkmale zur Vereinfachung weggelassen werden.
  • Ferner können räumlich relative Ausdrücke, wie „darunter“, „unten“, „weiter unten“, „darüber“, „oben“ und dergleichen, zur Erleichterung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element/zu anderen Elementen oder einem anderen Merkmal/zu anderen Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Die räumlich relativen Ausdrücke sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung verschiedene Ausrichtungen der verwendeten oder betriebenen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders orientiert sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Orientierungen ausgerichtet) und die hier verwendeten räumlichen relativen Deskriptoren können ebenfalls entsprechend interpretiert werden. Zusätzlich kann der Ausdruck „gebildet aus“ entweder „aufweisend“ oder „bestehend aus“ bedeuten. Ferner können in dem folgenden Herstellungsprozess ein oder mehrere zusätzliche Vorgänge zwischen den beschriebenen Vorgängen vorhanden sein und die Reihenfolge der Vorgänge kann verändert sein. In der vorliegenden Offenbarung bedeutet ein Ausdruck „einer 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 aus A, ein Element aus B und ein Element aus C, sofern nicht anders beschrieben.
  • Ein magnetischer Direktzugriffsspeicher mit Spin-Torque-Transfer (STT-MRAM) ist eine der Technologien der nächsten Generation für integrierte CMOS-Schaltungen, die einen Speicher, der aufgrund seiner nichtflüchtigen Natur mit Si-CMOS Technologie kompatibel ist, schnelle Lese- und Schreibgeschwindigkeit, hohe Datenbeständigkeit und Rückhaltevermögen, relativ kleine Bitzellengröße sowie Robustheit gegenüber Umgebungsbedingungen erfordern. Eine hochwertige, an Bedeutung gewinnende Anwendung für einen STT-MRAM ist ein Low-Level-Cache für eine Zentraleinheit (CPU) oder eine Mikrosteuerungseinheit (MCU), die den attraktiven Vorteil einer Erhöhung der Systemgeschwindigkeit und eines schnelleren Einschaltens aufgrund seiner Nicht-Flüchtigkeit bietet. Diese Anwendung stellt jedoch hohe Anforderungen an die Speichergeschwindigkeit, insbesondere an die Schreibgeschwindigkeit, die viel langsamer ist als die Lesegeschwindigkeit. Die Cache-Anwendung für eine CPU und/oder eine MCU verlangt zusätzlich nach einem geringen Stromverbrauch, was für einen STT-MRAM schwierig ist, da es einen erheblichen Strombedarf erfordert, um den Magnetisierungszustand während des Schreibvorgangs zu ändern. In der gegenwärtigen STT-MRAM-Technik kann eine Verbesserung der Schreibgeschwindigkeit über einen Filmstapel und eine Optimierung des Schreibschemas sowie eine Reduzierung des Schreibstroms über eine Stapeloptimierung und eine Reduzierung der kritischen Abmessung (CD) aufgrund eines unvermeidlichen Zielkonflikts bei der Leistung in Bezug auf Haltbarkeit und Speicherung zum Stillstand kommen. Neuartige Ideen, wie eine hochfrequenzunterstützte Schreiboperation, wurden vorgeschlagen, die möglicherweise nicht durchführbar sind. Es besteht eine signifikante Lücke zwischen der besten gemeldeten STT-MRAM-Schreibgeschwindigkeit und dem besten gemeldeten Schreibstromverbrauch und jenen für Cache-Anwendungen erforderlichen Parametern, was zu einem Show-Stopper führen kann.
  • Im Gegensatz dazu ist das magnetische Schalten durch Spin-Orbital-Transfer (oder Spin-Orbital-Torque) (SOT) ein aufkommendes Schreibkonzept, welches das Potenzial hat, eine Verbesserung des Schreibstroms und der Schreibgeschwindigkeit um eine Größenordnung zu erzielen. SOT wird als Lösung für Hochgeschwindigkeits-Cache-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch angesehen.
  • 10 zeigt Operationen eines STT-MRAM und eines SOT-MRAM.
  • Eine STT-MRAM-Zelle weist einen magnetischen Tunnelübergangs- (MTJ-) Filmstapel 500 mit einer freien Magnetschicht 510 (FL), mit einer Referenz- oder gepinnten Magnetschicht 520 (RL) und mit einer Tunnelbarrierenschicht 530 auf. Magnetische Schichten können entweder in der Ebene oder senkrecht zur Ebene sein. Die FL 510 ist die magnetische Schicht, die zwei energetisch äquivalente magnetische Zustände aufweist, wobei die Magnetisierung in der FL 510 parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der RL 520 ist. Durch Anlegen eines Stroms senkrecht zum MTJ-Filmstapel 500 kann die magnetische Orientierung (Moment) der freien Magnetschicht geändert werden, wodurch Daten in die STT-MRAM-Zelle geschrieben werden.
  • Im Gegensatz dazu wird in einem SOT-MRAM das magnetische Moment der freien magnetischen Schicht unter Verwendung des Spin-Orbit-Wechselwirkungseffekts geschaltet, der durch einen parallel zum MTJ-Filmstapel 500 fließenden Strom verursacht wird. Das magnetische Moment der freien magnetischen Schicht wird nur unter Verwendung des Spin-Orbit-Wechselwirkungseffekts geschaltet oder das magnetische Moment der freien magnetischen Schicht wird unter Verwendung einer Kombination von Effekten geschaltet.
  • Eine SOT-Vorrichtungsstruktur weist jedoch verschiedene Probleme auf. Da die SOT-Vorrichtung beispielsweise Daten mit einem SOT-Stromplus als unterstützendes Magnetfeld schreibt, ist ein Design-In-Magnetfeld für die Herstellungskosten und die Skalierung des Geräts unerwünscht. Darüber hinaus weist ein SOT-Design keine harte Vorspannungsschicht auf, was zu einer unzureichenden Datenretention und zu einer unzureichenden Beständigkeit führt. Da sich eine SOT-Schicht (ein Schwermetalldraht) im Allgemeinen unter dem Magnet-Tunneling-Junction-Stapel (MTJ-Stapel) befindet, kann sich eine mögliche harte Vorspannungsschicht für den MTJ-Filmstapel nur auf dem MTJ-Filmstapel (oberster Stift) befinden und ein solches Top-Pin-Design kann zu einer schlechten Leistung führen. Darüber hinaus kann eine SOT-Stromleitung unterhalb des MTJ-Filmstapels nur mit einer 2T1R-Struktur (zwei Transistoren - ein Widerstand) realisiert werden, was zu einem großen Zellenfußabdruck führt.
  • In der vorliegenden Offenbarung wird ein implementierbarer SOT-gesteuerter STT-MRAM-Entwurf vorgeschlagen, der die hohe Schreibgeschwindigkeit und den Vorteil geringen Stromverbrauchs von SOT sowie die Datenbeständigkeit und -erhaltung von STT realisieren kann, kein zusätzliches Magnetfeld benötigt, eine 1T1R (One-transistor-onresistor)-Struktur mit einem kleinen Zellen-Footprint aufweist, eine gemeinsame SOT-Stromleitung besitzt, die einen Seitenschreibvorgang ermöglicht, eine SOT-Schicht über dem MTJ-Filmstapel hat, die den bewährten Bottom-Pin-STT-Entwurf ermöglicht, und ein effizientes Filmstapel-Design für SOT und STT besitzt.
  • 1 ist eine schematische Ansicht einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Die SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung enthält eine SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 als eine aktive Spin-Orbit-Wechselwirkungsschicht, die über einem MTJ-Filmstapel gebildet ist. Der MTJ-Filmstapel enthält eine erste Magnetschicht 20, die eine freie Magnetschicht oder eine Datenspeicherschicht ist, die unter der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 angeordnet ist, eine nichtmagnetische Abstandsschicht 30, die unter der ersten Magnetschicht 20 angeordnet ist, und eine zweite Magnetschicht 40 als eine Referenzschicht, die unter der nichtmagnetischen Abstandsschicht 30 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen ist eine Grenzflächenschicht 50 als Halteschicht zwischen der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 und der ersten Magnetschicht 20 offenbart. Ferner umfasst der MTJ-Filmstapel eine dritte magnetische Schicht 60 als eine harte Vorspannungsschicht, die unter der zweiten magnetischen Schicht 40 angeordnet ist, und eine Bodenelektrodenschicht 80. In einigen Ausführungsformen wird eine Keimschicht 70 auf der Bodenelektrodenschicht 80 gebildet. In einigen Ausführungsformen ist eine antiferromagnetische Schicht, beispielsweise eine Ru-Schicht, zwischen der zweiten magnetischen Schicht 40 und der dritten magnetischen Schicht 60 angeordnet. Ferner ist in einigen Ausführungsformen eine oberste leitfähige Schicht 5, beispielsweise eine oberste Elektrode, auf dem SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 angeordnet.
  • Das magnetische Moment der freien Schicht 20 (erste magnetische Schicht) wird unter Verwendung des Spin-Orbit-Wechselwirkungseffekts geschaltet. In einigen Ausführungsformen wird das magnetische Moment der ersten magnetischen Schicht 20 nur unter Verwendung des Spin-Orbit-Wechselwirkungseffekts geschaltet. In anderen Ausführungsformen wird das magnetische Moment der ersten magnetischen Schicht 20 unter Verwendung einer Kombination von Effekten geschaltet. Beispielsweise wird das magnetische Moment der ersten magnetischen Schicht 20 unter Verwendung des Spinübertragungsdrehmoments als ein primärer Effekt geschaltet, der durch das Drehmoment unterstützt werden kann, das durch die Spin-Orbit-Wechselwirkung induziert wird. In anderen Ausführungsformen ist der primäre Schaltmechanismus ein Drehmoment, das durch die Spin-Orbit-Wechselwirkung induziert wird. In solchen Ausführungsformen kann ein anderer Effekt, der das Spin-Transferdrehmoment einschließt, aber nicht darauf eingeschränkt ist, das Schalten unterstützen.
  • Die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 ist eine aktive Spin-Orbit-Schicht, die eine starke Spin-Orbit-Wechselwirkung aufweist und zum Schalten des magnetischen Moments der ersten Magnetschicht 20 verwendet werden kann. Die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 wird zum Erzeugen des Spin-Orbit-Magnetfeldes H verwendet. Insbesondere kann ein Strom, der in einer Ebene durch die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 getrieben wird, und die damit einhergehende Spin-Orbit-Wechselwirkung zu dem Spin-Orbit-Magnetfeld H führen. Dieses Spin-Orbit-Magnetfeld H ist äquivalent mit dem Spin-Orbit-Drehmoment T bei Magnetisierung, wobei T=-y[M×H] in der ersten Magnetschicht 20 ist. Das Drehmoment und das Magnetfeld werden daher austauschbar als Spin-Orbit-Feld und Spin-Orbit-Drehmoment bezeichnet. Dies spiegelt die Tatsache wider, dass die Spin-Orbit-Wechselwirkung der Ursprung des Spin-Orbit-Drehmoments und des Spin-Orbit-Felds ist. Das Spin-Orbit-Drehmoment tritt für einen in einer Ebene in der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 getriebenen Strom und eine Spin-Orbit-Wechselwirkung auf. Im Gegensatz dazu beruht das Spin-Transferdrehmoment auf einem Strom senkrecht zur Ebene, der durch die erste Magnetschicht 20, die nichtmagnetische Abstandsschicht 30 und die zweite Magnetschicht 40 (Referenzschicht) fließt und spinpolarisierte Ladungsträger in die erste Magnetschicht 20 injiziert. Das Spin-Orbit-Drehmoment T kann das magnetische Moment der ersten magnetischen Schicht 20 aus seinem Gleichgewichtszustand parallel zur einfachen Achse schnell ablenken. Das Spin-Orbit-Drehmoment T kann die Magnetisierung der ersten Magnetschicht 20 erheblich schneller kippen als ein herkömmliches STT-Drehmoment mit einer ähnlichen maximalen Amplitude. In einigen Ausführungsformen kann das Umschalten unter Verwendung eines Spin-Orbit-Drehmoments abgeschlossen werden. In anderen Ausführungsformen kann ein anderer Mechanismus, wie beispielsweise ein Spin-Transfer, verwendet werden, um das Umschalten abzuschließen. Das erzeugte Spin-Orbit-Feld/Spin-Orbit-Drehmoment kann somit zum Schalten des magnetischen Moments der ersten magnetischen Schicht 20 verwendet werden.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Wechselwirkung der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht den Spin-Hall-Effekt. Für den Spin-Hall-Effekt wird ein Strom Je in der Ebene der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 (d. h. Strom-in-Ebene, im Wesentlichen in der x-y-Ebene in 1) angesteuert. Mit anderen Worten wird der Strom Je senkrecht zu der Stapelrichtung der Filme einschließlich der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 und der ersten Magnetschicht 20 (d. h. senkrecht zu der Normalen zur Oberfläche, der z-Richtung in 1) getrieben. An den Oberflächen der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 sammeln sich Ladungsträger mit Spins einer bestimmten Orientierung senkrecht zur Stromrichtung und zur Normalen zur Oberfläche (z-Richtung) an. Ein Großteil dieser spinpolarisierten Ladungsträger diffundiert in die erste magnetische Schicht 20 (freie Schicht). Diese Diffusion führt zu dem Drehmoment T bei der Magnetisierung der ersten Magnetschicht 20. Da das Drehmoment bei der Magnetisierung äquivalent zu dem effektiven Magnetfeld bei der Magnetisierung ist, wie oben ausgeführt, führt die Spinakkumulation äquivalent zu dem Feld H auf der ersten magnetische Schicht 20. Das Spin-Orbit-Feld für den Spin-Hall-Effekt ist das Kreuzprodukt der Spin-Orbit-Polarisation und des magnetischen Moments der ersten magnetischen Schicht 20. Die Größe des Drehmoments ist daher also proportional zu der In-Ebene Stromdichte Je und der Spin-Polarisation der Ladungsträger. Der Spin-Hall-Effekt kann zum Schalten der in 1 gezeigten magnetischen Stapelschicht verwendet werden, wenn die durch den Spin-Hall-Effekt induzierte Polarisation parallel zur einfachen Achse der ersten magnetischen Schicht 20 ist. Um das Spin-Orbit-Drehmoment T zu erhalten, wird der Stromimpuls in der Ebene durch die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 getrieben. Das sich ergebende Spin-Orbit-Drehmoment T wirkt dem Dämpfungsdrehmoment entgegen, das in analoger Weise zum herkömmlichen STT-Schalten zum Umschalten der Magnetisierung der ersten Magnetschicht 20 führt.
  • Wie oben dargelegt, ist die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 eine aktive Spin-Orbit-Schicht, die eine starke Spin-Orbit-Wechselwirkung mit der ersten Magnetschicht 20 (freie Schicht) verursacht. In einigen Ausführungsformen weist die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 ein oder mehrere Schwermetalle oder Materialien auf, die mit Schwermetallen dotiert sind. In bestimmten Ausführungsformen wird α-W, β-W, Mo, Ru und/oder β-Ta als die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 verwendet. Eine Dicke der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 liegt in einem Bereich von etwa 2 nm bis 20 nm in einigen Ausführungsformen und liegt in anderen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 5 nm bis 15 nm. In einigen Ausführungsformen ist eine antiferromagnetische Schicht aus beispielsweise IrMn zwischen der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 und der oberen leitfähigen Schicht 5 angeordnet. In anderen Ausführungsformen wird anstelle der Schwermetallschicht die antiferromagnetische Schicht (beispielsweise IrMn) als die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 verwendet.
  • Die erste Magnetschicht 20 als Datenspeicherschicht ist eine freie Schicht mit einem schaltbaren magnetischen Moment. In einigen Ausführungsformen ist die erste magnetische Schicht 20 eine Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB) -Schicht, eine Kobalt/Palladium (CoPd) - Schicht und/oder eine Kobalt-Eisen (CoFe) -Schicht mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,6 nm bis etwa 1,2 nm in einigen Ausführungsformen. In bestimmten Ausführungsformen ist die erste magnetische Schicht 20 FexCoyB1-x-y, wobei 0,50:5 x ≤ 0,70 und 0,10 ≤ y ≤ 0,30 vorliegt. In anderen Ausführungsformen sind 0,55 ≤ x ≤ 0,65 und 0,15 ≤ y ≤ 0,25.
  • Die nichtmagnetische Abstandsschicht 30 ist aus einem dielektrischen Material gebildet und fungiert als Tunnelbarriere. In einigen Ausführungsformen umfasst die nichtmagnetische Abstandsschicht 30 eine kristalline oder eine amorphe Magnesiumoxid- (MgO-) Schicht. In anderen Ausführungsformen ist die nichtmagnetische Abstandsschicht 30 aus Aluminiumoxid oder einem leitfähigen Material wie Cu gebildet. In einigen Ausführungsformen hat die nichtmagnetische Abstandsschicht 30 eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,3 nm bis etwa 1,2 nm, und in anderen Ausführungsformen liegt die Dicke der nichtmagnetischen Schicht 30 in einem Bereich von etwa 0,5 nm bis etwa 1,0 nm. In dieser Offenbarung bedeutet eine „Elementschicht“ oder eine „Verbundschicht“ im Allgemeinen, dass der Gehalt des Elements oder der Verbindung mehr als 99% beträgt.
  • Die zweite magnetische Schicht 40 ist eine Referenzschicht, deren magnetisches Moment sich nicht ändert. In einigen Ausführungsformen ist die zweite Magnetschicht 40 aus dem gleichen Material gebildet wie die erste Magnetschicht 20, wie oben ausgeführt. In einigen Ausführungsformen umfasst die zweite magnetische Schicht 40 eine oder mehrere Schichten aus magnetischen Materialien. In einigen Ausführungsformen umfasst die zweite magnetische Schicht 40 eine Schicht aus Kobalt (Co), Eisen (Fe) und Bor (B) oder umfasst eine Schicht aus Fe und B. In einigen Ausführungsformen ist eine Dicke der zweiten magnetischen Schicht 40 in ein Bereich von etwa 0,2 nm bis etwa 1,0 nm und liegt in anderen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 0,3 nm bis etwa 0,5 nm.
  • Die dritte magnetische Schicht 60 ist eine harte Vorspannungsschicht, deren magnetisches Moment sich nicht ändert. In einigen Ausführungsformen umfasst die dritte Magnetschicht 60 eine Mehrschichtstruktur aus Cobalt (Co) und Platin (Pt). In einigen Ausführungsformen liegt eine Dicke der dritten magnetischen Schicht 60 in einem Bereich von etwa 0,2 nm bis etwa 2,0 nm und in anderen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 0,3 nm bis etwa 1,0 nm.
  • In einigen Ausführungsformen enthält eine Keimschicht 70 Ta. In einigen Ausführungsformen weist die Bodenelektrodenschicht 80 Ti, TiN, Ta und/oder TaN auf. In einigen Ausführungsformen ist eine CoHf-Pufferschicht zwischen der dritten Magnetschicht 60 und der Bodenelektrodenschicht 80 angeordnet.
  • Die obere leitfähige Schicht 5 ist eine Elektrode, die eine oder mehrere Schichten aus Ta, TiN, TaN, Ru, Au und Al aufweist.
  • Die Grenzflächenschicht 50 umfasst in einigen Ausführungsformen eine MgO-Schicht und/oder eine Co-Schicht. Die Grenzflächenschicht 50 kann die magnetische Interferenz zwischen der ersten magnetischen Schicht 20 und der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 minimieren, während deren magnetische Kopplung aufrechterhalten bleibt.
  • 2 zeigt ein Schaltbild einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind mehrere MTJ-Stapel mit einer SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 verbunden, wie in 2 gezeigt. Mit anderen Worten teilen sich mehrere MTJ-Stapel die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10. Wie in 2 gezeigt ist die Bodenelektrodenschicht 80 jedes der MTJ-Stapel mit einer Schaltvorrichtung SW1, wie beispielsweise einem MOS-FET, verbunden. In einigen Ausführungsformen ist ein Drain des MOS-FET mit der Bodenelektrodenschicht 80 verbunden und eine Source des MOS-FET ist mit einer Source-Leitung SL verbunden, die mit einer Source-Leitungstreiberschaltung verbunden ist, die eine Stromquelle aufweist. Ein Gate des MOS-FET ist mit einer STT-Wortleitung WL-STT verbunden. Ferner ist ein Ende der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 zusammen mit der oberen leitfähigen Schicht 5 mit einer Bitleitung BL-STT verbunden. Zusätzlich ist eine weitere Schaltvorrichtung SW2 (eine SOT-Schaltvorrichtung), beispielsweise ein MOS-FET, zwischen dem anderen Ende der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 und der Source-Leitung SL angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist ein Drain des SOT schaltenden MOS-FET SW2 mit der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 verbunden, und eine Source des SOT schaltenden MOS-SW2-FET ist mit der Source-Leitung SL verbunden. Ein Gate des SOT schaltenden MOS-FET SW2 ist mit einer SOT-Wortleitung WL-SOT verbunden. Die Wortleitungen WL-STT und WL-SOT sind in einigen Ausführungsformen mit einer Wortleitungstreiberschaltung verbunden. Die Bitleitung BL-STT ist in einigen Ausführungsformen mit einem Bitleitungstreiber verbunden.
  • In der Konfiguration von 2 werden in einem SOT-gesteuerten STT-MRAM-Entwurf Daten in den MTJ-Filmstapel geschrieben, indem ein SOT-Strom in der Ebene durch Einschalten des SOT schaltenden MOS-FET SW2 durch die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 benachbart zu der ersten Magnetschicht (freie magnetische Schicht) 20, die auf dem MTJ-Filmstapel angeordnet ist und einen vertikalen STT-Strom durch gleichzeitiges Einschalten des MOS-FET SW1 durch den MTJ-Filmstapel leitet. Somit kann der SOT-gesteuerte STT-MRAM Daten ohne ein unterstützendes Magnetfeld schreiben. Da sich mehrere MTJ-Filmstapel die gleiche SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 teilen, ist es ferner möglich, ein Seitenschreiben durchzuführen. Wie in 2 gezeigt, ist die Schaltungsstruktur eine 1T1R-Struktur mit einem kleinen Zellenfußabdruck.
  • 3 zeigt ein Schaltbild einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 4 ist eine schematische Ansicht einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Wie in den 3 und 4 gezeigt befinden sich die Schaltvorrichtungen (MOS-FETs) SW1 und SW2 unter den MTJ-Filmstapeln.
  • In einigen Ausführungsformen werden die MOS-FETs auf einem Substrat 100 gebildet. In einigen Ausführungsformen weist das Substrat 100 eine einkristalline Halbleiterschicht auf wenigstens seinem Oberflächenabschnitt auf. Das Substrat 100 kann ein einkristallines Halbleitermaterial umfassen, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, Si, Ge, SiGe, GaAs, InSb, GaP, GaSb, InAlAs, InGaAs, GaSbP, GaAsSb und InP. In bestimmten Ausführungsformen ist das Substrat 100 aus kristallinem Si gebildet.
  • Jeder der MOS-FETs umfasst ein Gate, eine Source und einen Drain, und die Source und/oder der Drain sind über einen oder mehrere Kontakte und Metallverdrahtungen elektrisch mit der Bodenelektrode 80 des MTJ-Filmstapels verbunden. Das andere von Source und Drain ist über einen oder mehrere Kontakte und Metallverdrahtungen elektrisch mit der Source-Leitung SL verbunden. In einigen Ausführungsformen sind die MOS-FETs planare MOS-FETs, Fin-FETs (Fin-FETs) und/oder Gate-All-Around-FETs (GAA-FETs).
  • In einigen Ausführungsformen, wie sie in 4 gezeigt sind, ist die Bodenelektrodenschicht 80 mit einer n-ten Metallschicht verbunden oder wird durch die n-te Metallschicht gebildet, wobei n 0, 1, 2, ... 10 oder mehr ist. Die obere leitfähige Schicht 5 ist über einen (n + 1) -ten Durchkontaktierungskontakt Vn + 1 mit einer (n + 2) -ten Metallverdrahtung Mn + 2x/y, welche die Bitleitung BL bildet, verbunden. In dieser Ausführungsform werden die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 und die obere leitfähige Schicht 5 als (n + 1) - te Metallschicht betrachtet. In einigen Ausführungsformen ist n 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10. In einigen Ausführungsformen befinden sich die obere leitfähige Schicht 5 und die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 auf der Mn + 1-Metallverdrahtungsebene.
  • In einigen Ausführungsformen, wie sie in 4 gezeigt sind, ist eine Source eines MOS-FET mit einer Source-Leitung SL verbunden, die auf der 0-ten Metallverdrahtungsschicht Mox angeordnet ist und sich über eine Source/Drain-Kontaktstruktur MD und VD in die X-Richtung erstreckt. Ein Drain eines MOS-FET ist mit der Bodenelektrode 80, welche die n-te Verdrahtung Mnx/y ist, die sich entweder in einer der X- oder der Y-Richtung erstreckt, über eine Source/Drain-Kontaktstruktur MD und VD, einen 0 -ten (Vo) bis einen (n-1) -ten (Vn-1) Durchkontaktierungskontakt und eine 0 -te (Mox) zu einer (n-1) -ten Metallverdrahtung in einigen Ausführungsformen verbunden. In einigen Ausführungsformen erstrecken sich ungeradzahlige Metallverdrahtungen (Miy,...) in der Y-Richtung und geradzahlige Metallverdrahtungen (Mox,...) erstrecken sich in der X-Richtung, welche die Y-Richtung kreuzt. In einigen Ausführungsformen ist die Wortleitung WL in der ersten Metallverdrahtungsschicht M1y angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist eine obere Elektroden-Durchkontaktierung TEVA zwischen der oberen leitfähigen Schicht 5 und dem (n + 1) -ten Kontakt Vn+1 angeordnet und eine Bodenelektroden-Durchkontaktierung BEVA ist zwischen dem MTJ-Filmstapel MTJ und der Bodenelektrode 80 (Mnx/y) angeordnet.
  • 5A ist eine Querschnittsansicht einer Zelle einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • In einigen Ausführungsformen weist die oberste leitfähige Schicht 5 eine Vertiefung (einen dünnen Abschnitt) über dem MTJ-Filmstapel auf, wobei eine Dicke der obersten leitfähigen Schicht 5 kleiner ist als der verbleibende Abschnitt der obersten leitfähigen Schicht 5. Diese Struktur ermöglicht eine Erhöhung des Stroms, der durch die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 fließt, um einen ausreichenden SOT-Effekt zu bewirken, während ein niedriger Widerstand zwischen benachbarten Zellen ermöglicht wird. In einigen Ausführungsformen liegt eine Dicke der oberen leitfähigen Schicht 5 in einem Bereich von etwa 2 nm bis 20 nm in einigen Ausführungsformen und liegt in einem Bereich von etwa 5 nm bis 15 nm in anderen Ausführungsformen und die Dicke des dünnen Abschnitts der oberen leitfähigen Schicht 5 macht etwa 40% bis etwa 80% der Dicke der oberen leitfähigen Schicht 5 an einer anderen Stelle als dem dünnen Abschnitt aus.
  • 5B ist eine Draufsicht einer Zelle einer SOT-STT-Hybrid-MRAM-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In anderen Ausführungsformen ist zusätzlich zu oder anstelle der Vertiefung ein schmaler Abschnitt vorgesehen, an dem die Breite der oberen leitfähigen Schicht 5 über dem MTJ-Film schmaler ist als der verbleibende Abschnitt der oberen leitfähigen Schicht 5. Die Breite des schmalen Abschnitts der oberen leitfähigen Schicht 5 beträgt etwa 50% bis etwa 90% der Breite der oberen leitfähigen Schicht 5 an einer anderen Stelle als an dem schmalen Abschnitt.
  • 6 zeigt eine Operation zum Schreiben von Daten in eine SOT-STT-Hybrid-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • In einigen Ausführungsformen wird ein SOT-Strom an die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 (und die obere leitfähige Schicht 5) angelegt, indem die SOT-Schaltvorrichtung SW2 eingeschaltet wird, und danach wird ein STT-Strom an eine der Zellen durch Einschalten der mit der einen Zelle verbundenen STT-Schaltvorrichtung SW1 angelegt, wodurch Daten durch Operationen des Wortleitungstreibers, des Bitleitungstreibers und/oder des Source-Leitungstreibers in die eine Zelle geschrieben werden. Ferner wird die STT-Schaltvorrichtung, die mit der einen der Zellen verbunden ist, ausgeschaltet, und danach wird die SOT-Schaltvorrichtung durch Operationen des Wortleitungstreibers, des Bitleitungstreibers und/oder des Source-Leitungstreibers ausgeschaltet.
  • In einigen Ausführungsformen sind der SOT-Strom und der STT-Strom Impulsströme, wie in 6 gezeigt. Die Amplitude des SOT-Stroms liegt in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 1 × 10-7 bis etwa 1 × 10-6 A/cm2 und eine Impulsdauer liegt in einem Bereich von etwa 1 ns bis etwa 20 ns. Die Amplitude des STT-Stroms ist größer als die des SOT-Stroms und liegt in einem Bereich von etwa 1 × 10-6 bis etwa 1 × 10-5 A/cm2 und eine Impulsdauer liegt in einem Bereich von etwa 500 ps bis etwa 10 ns in einigen Ausführungsformen. In einem Fall einer reinen STT-Vorrichtung beträgt der Schreibstrom etwa 1 × 10-5 A/cm2 für eine Dauer von 50 ns bis 500 ns und in einem Fall einer reinen SOT-Vorrichtung beträgt der Schreibstrom etwa 1 × 10-6 A/cm2 für eine Dauer von 100 ps bis 10 ns. Dementsprechend können in der SOT-STT-Hybrid-MRAM-Zelle gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein geringerer Betriebsstrom (d. h. ein geringerer Energieverbrauch) und eine höhere Schreibgeschwindigkeit erzielt werden. Ferner ist durch Einschalten mehrerer Schalter SW1 ein Seitenverdrahtungsvorgang möglich.
  • 7 zeigt eine Speicherarraystruktur gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Speicherarray enthält eine Matrix aus mehreren Speicherzellenabschnitten, und jeder der Speicherzellenabschnitte enthält 2 bis 32 Speicherzellen, die mit einer SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 und einer SOT-Schaltvorrichtung verbunden sind. Jede der SOT-Induktionsleitungen ist mit einer entsprechenden Bitleitung BL-1, BL-2 oder BL-3 verbunden. Jede der Schaltvorrichtungen SW1 ist mit einer entsprechenden Source-Leitung SL-1, SL-2 oder SL-3 verbunden. In einigen Ausführungsformen umfasst jeder der Speicherzellenabschnitte 2, 4, 8, 16, 32, 64 oder 128 Speicherzellen. In einigen Ausführungsformen weist jeder der Speicherzellenabschnitte eine oder mehrere redundante Speicherzellen auf, durch welche eine oder mehrere defekte Speicherzellen ersetzt werden können. In einigen Ausführungsformen enthält jeder der Speicherzellenabschnitte eine oder mehrere Dummy-Speicherzellen.
  • 8A - 8K zeigen einen sequentiellen Herstellungsvorgang für einen Hybrid-SOT-MRAM gemäß der vorliegenden Offenbarung. Es versteht sich von selbst, dass in dem sequentiellen Herstellungsprozess ein oder mehrere zusätzliche Vorgänge vor, während und nach den in den 8A - 8K gezeigten Schritten bereitgestellt werden können und dass einige der nachfolgend beschriebenen Operationen für zusätzliche Ausführungsformen des Verfahrens ersetzt oder weggelassen werden können. Die Reihenfolge der Operationen/Prozesse kann austauschbar sein. Materialien, Konfigurationen, Abmessungen, Prozesse und/oder Vorgänge, die mit Bezug auf 1 - 7 beschrieben wurden, können in den folgenden Ausführungsformen verwendet werden und es kann eine detaillierte Erläuterung davon weggelassen werden.
  • Wie in 8A gezeigt, ist eine Hartmaskenstruktur 220 über einer n-ten Verdrahtungsschicht mit einer Metallverdrahtung 210 ausgebildet, die in einer Zwischenschicht-Dielektrikum- (ILD-) Schicht 200 eingebettet ist. In einigen Ausführungsformen ist n 4, 5 oder 6. In einigen Ausführungsformen ist die Metallverdrahtung 210 aus Cu oder einer Cu-Legierung hergestellt. In einigen Ausführungsformen umfasst die Hartmaskenschicht 220 eine erste Schicht 222, eine zweite Schicht 224 und eine dritte Schicht 226. In einigen Ausführungsformen sind die erste bis dritte Schicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, SiC, SiCN oder Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder einem beliebigen anderen geeigneten dielektrischen Material gebildet. In bestimmten Ausführungsformen sind die erste und dritte Schicht 222 und 226 aus SiC und ist die zweite Schicht 224 aus Siliziumoxid hergestellt.
  • Dann wird die Hartmaskenschicht 220 strukturiert, um eine Öffnung auszubilden, um die obere Oberfläche der Metallverdrahtung 210 unter Verwendung von einem oder mehreren Lithographie- und Ätzvorgängen wenigstens teilweise freizulegen. Eine Auskleidungsschicht 230 ist in der Öffnung ausgebildet und eine leitfähige Schicht 240 ist über der Auskleidungsschicht 230 ausgebildet, wie in 8B gezeigt. In einigen Ausführungsformen ist die Auskleidungsschicht 230 aus Ti, Ta oder TaN gebildet, und die leitfähige Schicht 240 ist aus TiN gebildet. Nachdem die leitfähige Schicht 240 gebildet ist, wird ein Planarisierungsvorgang, wie beispielsweise chemisch-mechanisches Polieren (CMP), durchgeführt, um eine Elektrode 240 zu bilden, wie in 8C gezeigt. Die Elektrode 240 entspricht der Bodenelektrodendurchkontaktierung BEVA, die in 4 gezeigt ist, in einigen Ausführungsformen.
  • Anschließend werden Schichten für den MTJ-Filmstapel über der Elektrode 240 gebildet, wie in 8D gezeigt. In den 8D - 8K sind die Elektrode 240, die Metallverdrahtung 210 und die ILD-Schicht 200 weggelassen. Die Schicht für den MTJ-Filmstapel umfasst Schichten für eine Bodenelektrode BE, eine Keim- oder Pufferschicht Seed/Buff, eine Hartvorspannungsschicht HB, eine Referenzschicht RL, eine MgO-Schicht MgO, eine freie Schicht FL, eine Bewahrungsschicht Keeper, in einigen Ausführungsformen eine CMP-Stoppschicht und eine Hartmaskenschicht HM. Jede der Schichten des MTJ-Filmstapels kann durch geeignete Filmbildungsverfahren gebildet werden, die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) einschließlich Sputtern; Molekularstrahlepitaxie (MBE); gepulste Laserabscheidung (PLD); Atomlagenabscheidung (ALD); Elektronenstrahlepitaxie (Elektronenstrahlepitaxie); chemische Gasphasenabscheidung (CVD); oder abgeleitete CVD-Verfahren umfassen, die ferner Niederdruck-CVD (LPCVD), Ultrahochvakuum-CVD (UHVCVD), Vakuum-CVD (RPCVD); Galvanisieren oder beliebige Kombinationen davon umfassen.
  • Dann werden die gestapelten Schichten für den MTJ-Film unter Verwendung eines oder mehrerer Lithographie- und Ätzvorgänge zu einem MTJ-Filmstapel strukturiert, wie in 8E gezeigt. In einigen Ausführungsformen, wie in 8E gezeigt, hat die Querschnittsansicht des MTJ-Filmstapels eine sich verjüngende (Mesa) Form. Dann werden eine oder mehrere dielektrische Materialschichten ILD, wie beispielsweise Siliziumoxid, Si-OC, SiOCN, SiCN, gebildet, um den MTJ-Filmstapel vollständig zu bedecken, wie in 8F gezeigt. Eine Planarisierungsoperation, wie beispielsweise CMP, wird durchgeführt, um die oberste Schicht des MTJ-Filmstapels freizulegen, wie in 8G gezeigt. Dann werden eine leitfähige Schicht 250 für die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 und leitfähige Schichten 260 für die obere leitfähige Schicht 5 (siehe 1) ausgebildet, wie in 8H gezeigt. In einigen Ausführungsformen umfassen die leitfähigen Schichten 260 eine erste leitfähige Schicht 262, eine zweite leitfähige Schicht 264 als Ätzstoppschicht und eine dritte leitfähige Schicht 266. Die zweite leitfähige Schicht 264 ist aus einem anderen Material als die erste und die dritte leitfähige Schicht gebildet. In einigen Ausführungsformen wird keine erste leitfähige Schicht ausgebildet.
  • Ferner wird, wie in 8I gezeigt, eine Fotolackstruktur 270 über den leitfähigen Schichten 260 ausgebildet und die leitfähigen Schichten 260 werden unter Verwendung von einem oder mehreren Lithographie- und Ätzvorgängen strukturiert, wie in 8J gezeigt. Dann wird die Fotolackstruktur 270 entfernt, wie in 8K gezeigt, um die in 5A gezeigte Struktur zu erzielen. In einigen Ausführungsformen stoppt das Ätzen an der zweiten leitfähigen Schicht 264. In anderen Ausführungsformen wird ein zusätzliches Ätzen durchgeführt, so dass die erste leitfähige Schicht teilweise geätzt wird. In einigen Ausführungsformen werden vor oder nach den in den 8I - 8K die leitfähigen Schichten 250 und 260 strukturiert, um eine linienförmige Struktur auszubilden, und die Dicke der leitfähigen Schichten 260 wird durch die Operationen von 8I - 8K verringert.
  • 9A - 9C zeigen verschiedene Strukturen für die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht. In einigen Ausführungsformen ist die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10 eine einzelne Schwermetallschicht aus W, Ta und Mo, wie in 9A gezeigt. In anderen Ausführungsformen ist die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10" eine einzelne Schicht aus antiferromagnetischem Material wie IrMn, wie in 9B gezeigt. In anderen Ausführungsformen ist die SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 10" eine zweifache Schicht aus einer Schwermetallschicht 11 und einer antiferromagnetischen Materialschicht 12, wobei die Schwermetallschicht 11 in Kontakt mit dem MTJ-Filmstapel steht, wie in 9C gezeigt.
  • Es ist zu verstehen, dass hier nicht unbedingt alle Vorteile erörtert wurden, wobei kein besonderer Vorteil für alle Ausführungsformen oder Beispiele erforderlich ist und andere Ausführungsformen oder Beispiele andere Vorteile anbieten können.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Magnetspeicher eine erste SOT-STT (Spin-Orbital-Transfer-Spin-Torque-Transfer) -Hybridmagnet-Vorrichtung, die über einem Substrat angeordnet ist, eine zweite SOT-STT-Hybridmagnetenvorrichtung, die über dem Substrat angeordnet ist, und eine SOT-Leitungsschicht, die mit der ersten und der zweiten SOT-STT-Vorrichtung verbunden ist. Jede der ersten und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung umfasst eine erste Magnetschicht als magnetische freie Schicht, eine unter der ersten Magnetschicht angeordnete Abstandsschicht und eine unter der Abstandshalterschicht angeordnete zweite Magnetschicht als magnetische Referenzschicht. Die SOT-Leitungsschicht ist über der ersten magnetischen Schicht von jeder der ersten und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung angeordnet. In einer oder in mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen umfasst die leitfähige SOT-Schicht eine oder mehrere Schichten aus W, Ta, Mo und IrMn. In einer oder mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen umfasst die leitfähige SOT-Schicht eine aus W, Ta oder Mo hergestellte untere Schicht und eine aus IrMn hergestellte obere Schicht. In einer oder mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen umfasst der Magnetspeicher ferner eine obere Elektrodenschicht, die in Kontakt mit der leitfähigen SOT-Schicht angeordnet ist. In einer oder mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen umfasst die obere Elektrodenschicht einen schmalen Abschnitt mit einer Breite, die schmaler ist als ein verbleibender Abschnitt, oder einen dünnen Abschnitt mit einer Dicke, die kleiner ist als der verbleibende Abschnitt, über jeder der ersten und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtungen und der verbleibende Teil ist zwischen den ersten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtungen und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung angeordnet. In einer oder mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen umfasst jede der ersten und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung ferner eine Grenzflächenschicht, die über der ersten Magnetschicht angeordnet ist und mit der leitfähigen SOT-Schicht in Kontakt steht. In einer oder in mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen ist die erste magnetische Schicht FexCoyB1-x-y, wobei für x und y gilt: 0,50 ≤ x ≤ 0,70 und 0,10 ≤ y ≤ 0,30. In einer oder mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen weist die zweite magnetische Schicht wenigstens eine Schicht aus Co, Fe und B und eine Schicht aus Fe und B auf. In einer oder mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen weist jede von beiden eine Schicht aus Co, Fe und B und/oder eine Schicht aus Fe und B auf. Die erste und die zweite SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung umfassen ferner eine dritte Magnetschicht als eine Vorspannungsschicht unter der zweiten Magnetschicht und die dritte Magnetschicht umfasst eine Schicht aus Co und Fe. In einer oder in mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen umfasst jede der ersten und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung ferner eine Bodenelektrodenschicht, die unter der dritten Magnetschicht angeordnet ist. In einer oder in mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen umfasst jede der ersten und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung ferner eine STT-Schaltvorrichtung, wobei ein Anschluss der STT-Schaltvorrichtung mit der Bodenelektrode verbunden ist und ein weiterer Anschluss der Schaltvorrichtung mit einer Source-Leitung verbunden ist, wobei der Magnetspeicher ferner eine SOT-Schaltvorrichtung umfasst und ein Anschluss der SOT-Schaltvorrichtung mit der SOT-Leitungsschicht verbunden ist und ein weiterer Anschluss der SOT-Schaltvorrichtung mit der Source-Leitung verbunden ist. In einer oder in mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen ist die Source-Leitung mit einer Stromquelle verbunden. In einer oder in mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen befinden sich die STT-Schaltvorrichtung und die SOT-Schaltvorrichtung unter der ersten und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Magnetspeicher erste Wortleitungen, eine zweite Wortleitung, eine Bitleitung, eine Source-Leitung, Speicherzellen und einen leitfähigen Draht. Jede der Speicherzellen umfasst einen Filmstapel mit magnetischem Tunnelübergang (MTJ) und eine Transfer-Vorrichtung für Spin-Torque-Transfer (STT). Ein Anschluss der STT-Schaltvorrichtung ist mit einem Ende des MTJ-Filmstapels verbunden, ein weiterer Anschluss der STT-Schaltvorrichtung ist mit der Source-Leitung verbunden und ein Steueranschluss der STT-Schaltvorrichtung ist mit einer entsprechenden der ersten Wortleitungen verbunden. Ein anderes Ende des MTJ-Filmstapels ist mit dem leitfähigen Draht verbunden. Der leitfähige Draht ist mit der Bitleitung verbunden. Der Magnetspeicher umfasst ferner eine SOT-Schaltvorrichtung. Ein Anschluss der SOT-Schaltvorrichtung ist mit dem leitfähigen Draht verbunden, ein weiterer Anschluss der SOT-Schaltvorrichtung ist mit der Source-Leitung verbunden und ein Steueranschluss der SOT-Schaltvorrichtung ist mit der zweiten Wortleitung verbunden. In einer oder in mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen ist die Source-Leitung mit einer Stromquelle verbunden. In einer oder in mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen liegt eine Anzahl der mit dem leitfähigen Draht verbundenen Speicherzellen in einem Bereich von 2 bis 32. In einer oder in mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen umfasst der MTJ-Filmstapel eine erste Magnetschicht als magnetische freie Schicht, eine Abstandsschicht, die unter der ersten Magnetschicht angeordnet ist, und eine zweite Magnetschicht als magnetische Referenzschicht, die unter der Abstandsschicht angeordnet ist. Der leitfähige Draht ist über der ersten Magnetschicht angeordnet. In einer oder in mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen umfasst der Magnetspeicher ferner eine Treiberschaltung, die konfiguriert ist, um einen SOT-Strom an den leitfähigen Draht anzulegen, indem die SOT-Schaltvorrichtung eingeschaltet wird, und danach einen STT-Strom an eine der Speicherzellen anzulegen, indem die STT-Schaltvorrichtung, die mit der einen der Speicherzellen verbunden ist, eingeschaltet wird, wodurch Daten in die eine der Speicherzellen geschrieben werden. In einer oder in mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen ist die Treiberschaltung eingerichtet, um die mit der einen der Speicherzellen verbundene STT-Schaltvorrichtung auszuschalten und danach die SOT-Schaltvorrichtung auszuschalten.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung werden in einem Verfahren zum Herstellen eines Magnetspeichers mehrere Filmstapel mit magnetischem Tunnelübergang (MTJ) gebildet. Jeder der Vielzahl von MTJ-Filmstapeln umfasst eine erste Magnetschicht als magnetische freie Schicht, eine Abstandsschicht, die unter der ersten Magnetschicht angeordnet ist, und eine zweite Magnetschicht als magnetische Referenzschicht, die unter der Abstandsschicht angeordnet ist. Eine dielektrische Zwischenschicht wird gebildet, um die mehreren MTJ-Filmstapel voneinander zu isolieren. Ein leitfähiger Draht wird über der Vielzahl von MTJ-Filmstapeln gebildet, um mit der Vielzahl von Zellenstapeln verbunden zu werden. Der leitfähige Draht umfasst einen schmalen Abschnitt mit einer Breite, die schmaler ist als ein verbleibender Abschnitt, oder einen dünnen Abschnitt mit einer Dicke, die kleiner ist als der verbleibende Abschnitt über jedem der mehreren MTJ-Filmstapel, wobei der verbleibende Abschnitt zwischen benachbarten MTJ-Filmstapeln angeordnet ist. In einer oder in mehreren der vorhergehenden und folgenden Ausführungsformen weist der leitfähige Draht eine untere Schicht, die eine oder mehrere Schichten aus W, Ta, Mo und IrMn umfasst, und eine Deckschicht, die aus einem oder mehreren von TiN, Ru Ti, TaN und Al hergestellt ist, auf und das Verfahren umfasst ferner das Trimmen eines Teils der oberen Schicht, die sich über jedem der mehreren MTJ-Filmstapel befindet.
  • Das Vorstehende umreißt Merkmale mehrerer Ausführungsformen oder Beispiele, so dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Der Fachmann erkennt, dass sie die vorliegende Offenbarung leicht als Grundlage zum Ausarbeiten oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen zum Ausführen derselben Zwecke und/oder zum Erreichen derselben Vorteile der hierin vorgestellten Ausführungsformen oder Beispiele verwenden können. Der Fachmann erkennt ferner, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass sie verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen hierin vornehmen können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • 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 62752274 [0001]

Claims (20)

  1. Magnetspeicher, umfassend: eine erste Spin-Orbital-Transfer-Spin-Torque-Transfer (SOT-STT) -Hybridmagnet-Vorrichtung, die über einem Substrat angeordnet ist; und eine zweite SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung, die über dem Substrat angeordnet ist; und eine SOT-Leitungsschicht, die mit der ersten und der zweiten SOT-STT-Vorrichtung verbunden ist, wobei jede der ersten und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung umfasst: - eine erste Magnetschicht als magnetische freie Schicht; - eine Abstandsschicht, die unter der ersten Magnetschicht angeordnet ist; und - eine zweite Magnetschicht als magnetische Referenzschicht, die unter der Abstandshalterschicht angeordnet ist, wobei die SOT-Leitungsschicht über der ersten Magnetschicht der ersten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung angeordnet ist.
  2. Magnetspeicher nach Anspruch 1, wobei die SOT-Leitungsschicht eine oder mehrere Schichten aus W, Ta, Mo und IrMn aufweist.
  3. Magnetspeicher nach Anspruch 1 oder 2, wobei die SOT-Leitungsschicht eine untere Schicht aus W, Ta oder Mo und eine obere Schicht aus IrMn aufweist.
  4. Magnetspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer oberen Elektrodenschicht, die in Kontakt mit der SOT-Leitungsschicht angeordnet ist.
  5. Magnetspeicher nach Anspruch 4, wobei die obere Elektrodenschicht einen schmalen Abschnitt mit einer Breite, die schmaler ist als ein verbleibender Abschnitt, oder einen dünnen Abschnitt mit einer Dicke, die kleiner ist als der verbleibende Abschnitt, über jeder der ersten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung aufweist, wobei der verbleibende Abschnitt zwischen den ersten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtungen und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung angeordnet ist.
  6. Magnetspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der ersten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung ferner eine Grenzflächenschicht umfasst, die über der ersten Magnetschicht angeordnet ist und mit der SOT-Leitungsschicht in Kontakt steht.
  7. Magnetspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Magnetschicht FexCoyB1-x-yist, wobei für x und y gilt: 0,50 ≤ x ≤ 0,70 und 0,10 ≤ y ≤ 0,30.
  8. Magnetspeicher nach Anspruch 7, wobei die zweite Magnetschicht wenigstens eine Schicht aus Co, Fe und B und eine Schicht aus Fe und B aufweist.
  9. Magnetspeicher nach Anspruch 8, wobei: jede der ersten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung ferner eine dritte Magnetschicht als eine Vorspannungsschicht unter der zweiten Magnetschicht umfasst und die dritte magnetische Schicht eine Schicht aus Co und Fe aufweist.
  10. Magnetspeicher nach Anspruch 9, wobei jede der ersten und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung ferner eine Bodenelektrodenschicht umfasst, die unter der dritten Magnetschicht angeordnet ist.
  11. Magnetspeicher nach Anspruch 10, wobei: jede der ersten und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung ferner eine STT-Schaltvorrichtung umfasst, ein Anschluss der STT-Schaltvorrichtung mit der Bodenelektrode verbunden ist, und ein weiterer Anschluss der Schaltvorrichtung mit einer Source-Leitung verbunden ist, der magnetische Speicher ferner eine SOT-Schaltvorrichtung umfasst, und ein Anschluss der SOT-Schaltvorrichtung mit der SOT-Leitungsschicht verbunden ist, und ein weiterer Anschluss der SOT-Schaltvorrichtung mit der Source-Leitung verbunden ist.
  12. Magnetspeicher nach Anspruch 11, wobei die Source-Leitung mit einer Stromquelle verbunden ist.
  13. Magnetspeicher nach Anspruch 11 oder 12, wobei die STT-Schaltvorrichtung und die SOT-Schaltvorrichtung unter der ersten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung und der zweiten SOT-STT-Hybridmagnet-Vorrichtung angeordnet sind.
  14. Magnetspeicher, umfassend: erste Wortleitungen; eine zweite Wortleitung; eine Bitleitung; eine Source-Leitung; Speicherzellen; und einen leitfähigen Draht, wobei: jede der Speicherzellen einen magnetischen Tunnelübergang-Filmstapel (MTJ-Filmstapel) und eine Spin-Torque-Transfer-Schaltvorrichtung (STT-Schaltvorrichtung) umfasst, ein Anschluss der STT-Schaltvorrichtung mit einem Ende des MTJ-Filmstapels verbunden ist, ein weiterer Anschluss der STT-Schaltvorrichtung mit der Source-Leitung verbunden ist, und ein Steueranschluss der STT-Schaltvorrichtung mit einer entsprechenden der ersten Wortleitungen verbunden ist, ein anderes Ende des MTJ-Filmstapels mit dem leitfähigen Draht verbunden ist, der leitfähige Draht mit der Bitleitung verbunden ist, der magnetische Speicher ferner eine SOT-Schaltvorrichtung umfasst, und ein Anschluss der SOT-Schaltvorrichtung mit dem leitfähigen Draht verbunden ist, ein weiterer Anschluss der SOT-Schaltvorrichtung mit der Source-Leitung verbunden ist, und ein Steueranschluss der SOT-Schaltvorrichtung mit der zweiten Wortleitung verbunden ist.
  15. Magnetspeicher nach Anspruch 14, wobei die Source-Leitung mit einer Stromquelle verbunden ist.
  16. Magnetspeicher nach Anspruch 14 oder 15, wobei eine Anzahl der Speicherzellen, die mit dem leitfähigen Draht verbunden sind, 2 bis 32 beträgt.
  17. Magnetspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 16, wobei: der MTJ-Filmstapel umfasst: - eine erste Magnetschicht als magnetische freie Schicht; - eine Abstandsschicht, die unter der ersten Magnetschicht angeordnet ist; und - eine zweite Magnetschicht als magnetische Referenzschicht, die unter der Abstandshalterschicht angeordnet ist, und der leitfähige Draht über der ersten magnetischen Schicht angeordnet ist.
  18. Magnetspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 17, ferner umfassend eine Treiberschaltung, die eingerichtet ist zum: Anlegen eines SOT-Stroms an den leitfähigen Draht durch Einschalten der SOT-Schaltvorrichtung; und danach Anlegen eines STT-Stroms an eine der Speicherzellen, indem die mit der einen Speicherzelle verbundene STT-Schaltvorrichtung eingeschaltet wird, wodurch Daten in die eine der Speicherzellen geschrieben werden.
  19. Magnetspeicher nach Anspruch 18, wobei die Treiberschaltung eingerichtet ist zum: Ausschalten der mit der einen der Speicherzellen verbundenen STT-Schaltvorrichtung; und danach Ausschalten der SOT-Schaltvorrichtung.
  20. Verfahren zum Herstellen eines Magnetspeichers, umfassend: Ausbilden mehrerer magnetischen Tunnelübergang-Filmstapeln (MTJ -Filmstapeln), die jeweils umfassen: - eine erste Magnetschicht als magnetische freie Schicht; - eine Abstandsschicht, die unter der ersten Magnetschicht angeordnet ist; und - eine zweite Magnetschicht als magnetische Referenzschicht, die unter der Abstandshalterschicht angeordnet ist; Ausbilden einer dielektrischen Zwischenschicht, um die mehreren MTJ-Filmstapel voneinander zu isolieren; und Ausbilden eines leitfähigen Drahtes über den mehreren MTJ-Filmstapeln, um mit der Vielzahl von Zellenstapeln verbunden zu werden, wobei der leitfähige Draht einen schmalen Abschnitt mit einer Breite, die schmaler ist als ein verbleibender Abschnitt, oder einen dünnen Abschnitt mit einer Dicke aufweist, die kleiner ist als der verbleibende Abschnitt über jedem der mehreren MTJ-Filmstapel, wobei der verbleibende Abschnitt zwischen benachbarten MTJ-Filmstapeln angeordnet ist.
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