DE102020107569A1

DE102020107569A1 - Sot-mram mit dielektrischer grenzflächenschicht undverfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE102020107569A1
Application number: DE102020107569.3A
Authority: DE
Inventors: Wilman Tsai; Ming Yuan Song; Shy-Jay Lin
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2020-11-19
Also published as: KR20200133182A; KR102354657B1; US20220328559A1; TWI738340B; US11469267B2; CN111952444A; TW202109871A; US20200365653A1

Abstract

Ein Verfahren umfasst das Abscheiden mehrerer Schichten, was das Abscheiden einer Spin-Orbit-Kopplungsschicht, das Abscheiden einer dielektrischen Schicht über der Spin-Orbit-Kopplungsschicht, das Abscheiden einer freien Schicht über der dielektrischen Schicht, das Abscheiden einer Tunnelsperrschicht über der freien Schicht und das Abscheiden einer Referenzschicht über der Tunnelsperrschicht umfasst. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Ausführen eines ersten Strukturierungsprozesses, um die mehreren Schichten zu strukturieren, und das Ausführen eines zweiten Strukturierungsprozesses, um die Referenzschicht, die Tunnelsperrschicht, die freie Schicht und die dielektrische Schicht zu strukturieren. Der zweite Strukturierungsprozess stoppt auf einer Oberseite der Spin-Orbit-Kopplungsschicht.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH UND QUERVERWEIS
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/849,322 , eingereicht am 17. Mai 2019, mit dem Titel „SOT MRAM Having Dielectric Interfacial Layer and Method Forming Same“, die hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Halbleiterspeicher werden in integrierten Schaltkreisen für elektronische Anwendungen verwendet, darunter Mobiltelefone und persönliche Computergeräte. Eine Art von Halbleiterspeichervorrichtung ist magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher (Magneto-Resistive Random Access Memory, MRAM), der Spintronik enthält, die Halbleitertechnologie mit magnetischen Materialien und Vorrichtungen kombiniert. Die Spins von Elektronen - durch ihre magnetischen Momente und nicht durch die Ladung der Elektronen - werden zum Speichern von Bitwerten verwendet.
Herkömmliche MRAM-Zellen sind Spin-Transfer Torque (STT)-MRAM-Zellen. Eine typische STT-MRAM-Zelle kann einen magnetischen Tunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) enthalten, der eine pinnende Schicht, eine gepinnte Schicht über der pinnenden Schicht, eine Tunnelschicht über der pinnenden Schicht, und eine freie Schicht über der Tunnelschicht aufweist. Während der Bildung der MRAM-Zelle werden zunächst mehrere flächendeckende Schichten abgeschieden. Die flächendeckenden Schichten werden dann durch einen Photoätzprozess strukturiert, um den MTJ-Stapel zu bilden. Anschließend wird eine dielektrische Kappschicht gebildet, um die dielektrische Kappschicht zu schützen. Die dielektrische Kappschicht umfasst einige Abschnitte an den Seitenwänden und eventuell weitere Abschnitte über der Oberseite des MTJ-Stapels.
Die STT-MRAM-Zellen leiden unter einem Zuverlässigkeitsproblem aufgrund der Tatsache, dass Programmierströme durch die Tunnelschicht fließen müssen, wodurch die Tunnelschicht verschlechtert oder beschädigt wird. Dementsprechend wurde der Spin Orbit Torque (SOT)-MRAM entwickelt. Bei der Programmierung der SOT-MRAM-Zellen fließt der Programmierstrom nicht durch die Tunnelschicht, wodurch die Zuverlässigkeit des SOT-MRAM im Vergleich zum STT-MRAM verbessert wird.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Figuren gelesen wird. Es ist anzumerken, dass gemäß der gängigen Praxis in der Industrie verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Die Abmessungen der verschiedenen Merkmale können vielmehr im Interesse der Übersichtlichkeit der Besprechung nach Bedarf vergrößert oder verkleinert werden.

Die 1 bis 10 veranschaulichen die Querschnittsansichten und eine Draufsicht von Zwischenstufen bei der Bildung einer Spin Orbit Torque Magneto-Resistive Random Access Memory-Zelle (SOT-MRAM-Zelle) gemäß einigen Ausführungsformen.
11 veranschaulicht die Querschnittsansicht einer in derselben Ebene liegenden SOT-MRAM-Zelle gemäß einigen Ausführungsformen.
12 veranschaulicht die Schreib (Programmier)-Operation einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einigen Ausführungsformen.
13 veranschaulicht die Leseoperation einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einigen Ausführungsformen.
Die 14 und 15 veranschaulichen den Vergleich der Ergebnisse mehrerer SOT-MRAM-Zellen, die unterschiedliche Materialien aufweisen und zwischen den entsprechenden Spin-Orbit-Kopplungsschichten und freien Schichten eingefügt wurden, gemäß einigen Ausführungsformen.
16 veranschaulicht einen Prozessablauf zum Bilden einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einigen Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale der Erfindung bereit. Im Folgenden werden konkrete Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und dienen nicht der Einschränkung. Zum Beispiel kann die Bildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen die ersten und zweiten Merkmale in direktem Kontakt ausgebildet sind, und können auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Merkmale zwischen den ersten und zweiten Merkmalen ausgebildet sein können, so dass die ersten und zweiten Merkmale nicht unbedingt in direktem Kontakt stehen. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und schafft nicht automatisch eine Beziehung zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
Des Weiteren können räumlich relative Begriffe, wie zum Beispiel „darunterliegend“, „unter“, „unterer“, „darüberliegend“, „oberer“ und dergleichen, im vorliegenden Text zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren veranschaulicht, zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen auch andere Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren gezeigten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht, oder sonstige Ausrichtungen), und die im vorliegenden Text verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können gleichermaßen entsprechend interpretiert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden eine Spin Orbit Torque (SOT) Magneto-Resistive Random Access Memory (MRAM)-Zelle und das Verfahren zu ihrer Herstellung bereitgestellt. Gemäß einigen Ausführungsformen werden die Zwischenstufen bei der Bildung der SOT-MRAM-Zelle veranschaulicht. Einige Variationen einiger Ausführungsformen werden besprochen. Die im vorliegenden Text besprochenen Ausführungsformen sollen Beispiele geben, um die Herstellung oder Verwendung des Gegenstandes dieser Offenbarung zu ermöglichen. Dem Durchschnittsfachmann fallen sofort Modifizierungen ein, die vorgenommen werden können, ohne die vorgesehenen Geltungsbereiche verschiedener Ausführungsformen zu verlassen. In den verschiedenen Ansichten und veranschaulichenden Ausführungsformen werden gleiche Bezugszahlen verwendet, um gleiche Elemente zu bezeichnen. Obwohl Verfahrensausführungsformen als in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt besprochen werden können, können andere Verfahrensausführungsformen in jeder beliebigen logischen Reihenfolge ausgeführt werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst eine SOT-MRAM-Zelle eine Spin-Orbit-Kopplungsschicht und eine freie Schicht sowie eine dielektrische Grenzflächenschicht, die zwischen der Spin-Orbit-Kopplungsschicht und der freien Schicht eingefügt ist. Die dielektrische Grenzflächenschicht bewirkt eine Verbesserung der Spinpolarisationseffizienz, und der spinpolarisierte Strom kann erhöht werden. Dementsprechend kann der Programmierstrom, der durch die Spin-Orbit-Kopplungsschicht fließt, reduziert werden, ohne den spinpolarisierten Strom zu opfern.
Die 1 bis 10 veranschaulichen die Querschnittsansichten und eine Draufsicht von Zwischenstufen bei der Bildung einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die entsprechenden Prozesse sind auch in dem in 16 gezeigten Prozessfluss schematisch widergespiegelt.
Wie in 1 zu sehen, werden mehrere gestapelte Schichten gebildet. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden die mehreren gestapelten Schichten in einem Halbleiterwafer 10 gebildet, der auf der Basis eines Halbleitersubstrats, wie zum Beispiel eines Siliziumsubstrats, gebildet werden kann. Integrierte Schaltkreise (nicht gezeigt), die aktive Bauelemente wie zum Beispiel Transistoren und Dioden und passive Bauelemente wie zum Beispiel Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten oder ähnliches aufweisen können, können auf dem Halbleitersubstrat gebildet werden. Die Schaltkreise zum Betreiben der SOT-MRAM-Zelle, die eine Stromquelle, eine Spannungsquelle, einen Selektor (zum Auswählen der SOT-MRAM-Zelle für den Betrieb) oder dergleichen enthalten können, können auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet sein.
Gemäß einigen Ausführungsformen können die veranschaulichten mehreren Schichten in einer Interconnect-Struktur des Wafers (und des entsprechenden Bauelement-Dies) gebildet werden. Zum Beispiel können die mehreren gestapelten Schichten in einer Zwischenmetalldielektrikum-Schicht (Inter-Metal Dielectric, IMD) gebildet werden, die aus einem dielektrischen Material mit niedrigem k-Wert gebildet werden kann. Die IMD-Schichten werden zum Bilden von Metallleitungen und Durchkontaktierungen verwendet, welche die integrierten Schaltkreis-Bauelemente in dem Bauelement-Die miteinander verbinden.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird eine Keimschicht 20 gebildet. Der jeweilige Prozess ist als Prozess 202 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Die Keimschicht 20 kann aus einem Material gebildet werden, das eine gute kristalline Struktur besitzt, und kann aus einer dielektrischen Schicht, wie zum Beispiel MgO, gebildet werden. Die kristalline Struktur der Keimschicht 20 hat den Effekt, die Eigenschaften der darüberliegenden Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 zu verbessern. Das Verfahren zum Bilden der Keimschicht 20 kann zum Beispiel ein physikalisches Aufdampfen (Physical Vapor Deposition, PVD) umfassen.
Die Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 wird zunächst durch Abscheidung gebildet. Der jeweilige Prozess ist als Prozess 204 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Die Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 wirkt als der Generator für den spinpolarisierten Strom. Durch Leiten eines Stromes, der durch die Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 fließt, generiert die Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 spinpolarisierte Ströme in Querrichtungen, wobei diese spinpolarisierten Ströme zum Programmieren der darüberliegenden freien Schicht verwendet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 aus einem Schwermetall oder einer Metalllegierung gebildet, die aus W, Ta, Pt, AuPt, W₃Ta, Bi_xSe_y, BiSeTe, mehreren Schichten davon und/oder Legierungen davon ausgewählt werden kann. Die Dicke T1 der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 kann im Bereich zwischen etwa 1 nm und etwa 10 nm liegen. Gemäß einigen Ausführungsformen erfolgt die Bildung der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 durch PVD, aber es können auch andere brauchbare Verfahren (abhängig vom Material) wie zum Beispiel Plattieren, chemische Aufdampfung (CVD) oder dergleichen verwendet werden.
Die dielektrische Grenzflächenschicht 24 wird über und in Kontakt mit der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 gebildet. Der jeweilige Prozess ist als Prozess 206 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Gemäß einigen Ausführungsformen wird die dielektrische Grenzflächenschicht 24 aus einem dielektrischen Material, wie zum Beispiel einem Nitrid, einem Oxid, Legierungen daraus, Mehrfachschichten davon oder dergleichen, gebildet. Das Oxid kann zum Beispiel MgO, HfOx, AlOx, AgOx, CuO, SrO oder deren Kombinationen enthalten. Das Nitrid kann HfN, AlN, AgN, SrN oder Legierungen davon enthalten. Das dielektrische Material kann auch die Kombination des oben genannten Nitrids und Oxids sein.
Es versteht sich, dass der spinpolarisierte Strom, der in der anschließend strukturierten Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 generiert wird, in die darüberliegende freie Schicht 26 fließt, um die Spinpolarisationsrichtung der darüberliegenden freien Schicht 26 zu modifizieren. Die Dicke T2 der dielektrischen Grenzflächenschicht 24 ist daher klein genug, um das effektive Tunneln des spinpolarisierten Stroms (und von Trägern wie zum Beispiel Elektronen) durch sie hindurch zu ermöglichen. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist die Dicke T2 kleiner als etwa 10 Ä und kann im Bereich zwischen etwa 1Å und etwa 5Å liegen. Die experimentellen Ergebnisse zeigten auf, dass mit der Zunahme der Dicke T2 (zum Beispiel größer als etwa 5Å) der Nutzen des Vorhandenseins der dielektrischen Grenzflächenschicht 24 abzunehmen beginnt und dass mit einer weiteren Zunahme der Dicke der dielektrischen Grenzflächenschicht 24 der Nutzen vollständig verloren gehen kann und auch zum Ausfall der resultierenden SOT-MRAM-Zelle führen kann, zum Beispiel, wenn die Dicke T2 größer als etwa 10Å oder 15Å (abhängig vom Programmierstrom) ist. Die dielektrische Grenzflächenschicht 24 kann mittels Atomschichtabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD), CVD oder dergleichen gebildet werden.
Die freie Schicht 26 wird über der dielektrischen Grenzflächenschicht 24 als eine zustandserhaltende Schicht abgeschieden, und ihr Zustand bestimmt den Zustand der resultierenden SOT-MRAM-Zelle. Der jeweilige Prozess ist als Prozess 208 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Die freie Schicht 26 kann aus einem ferromagnetischen Material gebildet werden, das aus CoFe, NiFe, CoFeB, CoFeBW, deren Legierungen oder dergleichen gebildet sein kann oder dieses umfasst. Die freie Schicht 26 kann durch ein Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel PVD, CVD oder dergleichen gebildet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die resultierende SOT-MRAM-Zelle eine senkrechte SOT-MRAM-Zelle (wie in 10 gezeigt), deren Spinpolarisationsrichtungen senkrecht zu den Hauptflächen (der Ebene) der freien Schicht 26 und der darüber liegenden Referenzschicht 30 verlaufen. Die Dicke T3 der freien Schicht 26 der senkrechten SOT-MRAM-Zelle ist kleiner als etwa 1,2 nm und kann im Bereich zwischen etwa 0,4 nm und etwa 1,2 nm zum Generieren der senkrechten Spinpolarisationsrichtung liegen.
Gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist die resultierende SOT-MRAM-Zelle eine in derselben Ebene liegende SOT-MRAM-Zelle (wie in 11 gezeigt), deren Spinpolarisationsrichtungen parallel zu den Hauptflächen (der Ebene) der freien Schicht 26 und der darüber liegenden Referenzschicht 30 verlaufen. Dementsprechend ist die Dicke T3 der freien Schicht 26 größer als etwa 1,2 nm und kann im Bereich zwischen etwa 1,2 nm und etwa 3,0 nm zum Generieren der in derselben Ebene liegenden Spinpolarisation liegen.
Über der freien Schicht 26 wird die Tunnelsperrschicht 28 abgeschieden. Der jeweilige Prozess ist als Prozess 210 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die Tunnelsperrschicht 28 aus einem dielektrischen Material wie zum Beispiel MgO, AlO, AlN oder dergleichen gebildet. Die Dicke T4 der Tunnelsperrschicht 28 kann im Bereich zwischen etwa 0,1 nm und etwa 1,5 nm liegen. Das Verfahren zum Bilden der Tunnelsperrschicht 28 umfasst CVD, PVD, ALD oder dergleichen.
Dann wird eine synthetische anti-ferromagnetische Schicht (SAF-Schicht) 35 über der Tunnelsperrschicht 28 abgeschieden. Der jeweilige Prozess ist als Prozess 212 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst die SAF-Schicht 35 die Referenzschicht 30, die Kopplungsschicht 32 über der Referenzschicht 30 und die Hartschicht 34 über der Kopplungsschicht 32.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die Referenzschicht 30 aus einem ferromagnetischen Material gebildet, das aus CoFe, NiFe, CoFeB, CoFeBW, Legierungen davon oder dergleichen gebildet werden oder dieses umfassen kann. Die Dicke T5 der Referenzschicht 30 kann größer als etwa 0,5 nm sein und kann im Bereich zwischen etwa 0,5 nm und etwa 3 nm liegen. Das Verfahren zum Bilden der Referenzschicht 30 kann ein Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel PVD, CVD oder dergleichen umfassen.
Die Kopplungsschicht 32 wird über der Referenzschicht 30 abgeschieden. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die Kopplungsschicht 32 aus Cu, Ru, Ir, Pt, W, Ta, Mg, Legierungen davon oder dergleichen gebildet. Die Dicke T6 der Kopplungsschicht 32 kann im Bereich zwischen etwa 0,2 nm und etwa 2 nm liegen. Das Verfahren zum Bilden der Kopplungsschicht 32 umfasst PVD, CVD oder dergleichen.
Die Hartschicht 34 wird über der Kopplungsschicht 32 abgeschieden. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die Hartschicht 34 aus einem ferromagnetischen Material wie zum Beispiel CoFe, NiFe, CoFeB, CoFeBW, Legierungen davon oder dergleichen gebildet oder umfasst dieses. Die Dicke T7 der Hartschicht 34 kann im Bereich zwischen etwa 0,5 nm und etwa 3 nm liegen. Das Verfahren zum Bilden der Hartschicht 34 umfasst PVD, CVD oder dergleichen.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die SAF-Schicht 35 eine dreischichtige Struktur aufweisen, die drei Schichten 30, 32 und 34 aufweist, wie in 1 gezeigt. Gemäß alternativen Ausführungsformen kann die SAF-Schicht 35 aus mehreren ferromagnetischen Metallschichten gebildet werden, oder kann diese umfassen, die durch mehrere nichtmagnetische Abstandshalterschichten getrennt sind. Die magnetischen Metallschichten können aus Co, Fe, Ni oder dergleichen gebildet werden, die in Form von CoFe, NiFe, CoFeB, CoFeBW, Legierungen davon oder dergleichen vorliegen können. Die nicht-magnetischen Abstandshalterschichten können aus Cu, Ru, Ir, Pt, W, Ta, Mg oder dergleichen gebildet werden. Zum Beispiel können die magnetischen Schichten eine Co-Schicht und sich wiederholende (Pt/Co)x-Schichten über der Co-Schicht aufweisen, wobei x eine sich wiederholende Zahl darstellt und eine beliebige ganze Zahl von mindestens 1 sein kann.
Die anti-ferromagnetische Schicht 36 wird gemäß einigen Ausführungsformen über der SAF-Schicht 35 gebildet. Der jeweilige Prozess ist als Prozess 214 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die anti-ferromagnetische Schicht 36 aus PtMn, IrMn, RhMn, NiMn, PdPtMn, FeMn, Os, Mn oder dergleichen gebildet. Die Dicke T8 der anti-ferromagnetischen Schicht 36 kann im Bereich zwischen etwa 1 nm und etwa 5nm liegen. Das Verfahren zum Bilden der anti-ferromagnetischen Schicht 36 umfasst PVD, CVD oder dergleichen. Die anti-ferromagnetische Schicht 36 wird verwendet, um die Spinpolarisationsrichtung der Referenzschicht 30 auf eine fixe Richtung festzulegen. Dies gewährleistet die normale Funktion des resultierenden MTJ. Wenn die Spinpolarisationsrichtung der Referenzschicht 30 fixiert ist, können der niedrigohmige Zustand und der hochohmige Zustand der jeweiligen SOT-MRAM-Zelle durch Ändern der Spinpolarisationsrichtung der freien Schicht 26 manipuliert werden. In der gesamten Beschreibung der vorliegenden Offenbarung werden die Schichten 24, 26, 28, 30, 32, 34 und 36 zusammenfassend als MTJ-Stapel 38 (Magnetic Tunnel Junction, MTJ)) bezeichnet.
Über dem MTJ-Stapel 38 wird die Kappschicht 40 abgeschieden. Der jeweilige Prozess ist als Prozess 216 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die Kappschicht 40 aus einem leitfähigen Material wie zum Beispiel W, Ti, TiN, Ta, TaN, Ru, Zr, Kombinationen davon und Mehrfachschichten davon gebildet. Die Kappschicht 40 dient auch als die obere Elektrode des anschließend gebildeten MTJ (nach den anschließenden Strukturierungsprozessen).
Wie in 2 gezeigt, wird die Ätzmaske 42 gebildet und strukturiert. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthält die Ätzmaske 42 einen strukturierten Photoresist. Gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthält die Ätzmaske 42 eine Hartmaske und einen Photoresist über der Hartmaske. Der Photoresist kann zum Strukturieren der Hartmaske verwendet werden, und die Hartmaske kann zum Strukturieren der darunterliegenden Schichten verwendet werden. Die Hartmaske kann zum Beispiel aus TiN, TaN oder ähnlichen Materialien gebildet werden.
Die darunterliegende Kappschicht 40, der MTJ-Stapel 38 und die Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 werden dann in einem oder mehreren anisotropen Strukturierungsprozessen strukturiert. Der jeweilige Prozess ist als Prozess 218 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Die resultierende Struktur ist in 3 gezeigt. Das Ätzverfahren kann ein Plasmaätzverfahren umfassen, das reaktives Ionenstrahlätzen (Ion Beam Etching, IBE) umfassen kann. Das Ätzen kann mittels Glimmentladungsplasma (Glow Discharge Plasma, GDP), kapazitiv gekoppeltem Plasma (Capacitive Coupled Plasma, CCP), induktiv gekoppeltem Plasma (Inductively Coupled Plasma, ICP) oder dergleichen ausgeführt werden.
Die Ätzgase können aus Cl₂, N₂, CH₄, He, CH_xF_y, SF₆, NF₃, BCl₃, O₂, Ar, C_xF_y, HBr oder Kombinationen davon ausgewählt werden, und geeignete Gase zum Ätzen einer bestimmten Schicht werden gemäß dem Material der Schicht ausgewählt. Als Trägergase können N2, Ar und/oder He verwendet werden. Zum Beispiel kann zum Ätzen von Titan, Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid oder dergleichen Cl₂ zusammen mit anderen Gasen, wie zum Beispiel dem Trägergas, verwendet werden. Zum Ätzen von Wolfram kann CH_xF_y zusammen mit anderen Gasen, wie zum Beispiel dem Trägergas, verwendet werden. Da die geätzten Schichten mehrere Schichten aufweisen, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet werden, können mehrere Ätzgase gemäß der Reihenfolge des Ätzens der geätzten Schichten ausgewählt werden. Mit jedem der verwendeten ausgewählten Ätzgase können eine oder mehrere Schichten geätzt werden, und dann wird das Ätzgas gewechselt, und/oder das Ätzrezept wird angepasst, um die anschließend freigelegte darunterliegende Schicht zu ätzen. Gemäß einigen Ausführungsformen wird das Ätzen fortgesetzt, bis die Keimschicht 20 durchgeätzt ist. Das Ätzen kann auch auf der Keimschicht 20 enden, wobei die Keimschicht 20 nicht strukturiert wird. In den folgenden Absätzen werden die verbleibenden Abschnitte der Keimschicht 20 (falls strukturiert) und der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 als Keimschicht 20' bzw. Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22' bezeichnet. Nach dem Ätzprozess wird die Ätzmaske 42 (2) entfernt.
4 veranschaulicht die Bildung der strukturierten Ätzmaske 46. Die strukturierte Ätzmaske 46 kann unter Verwendung eines oder mehrerer Materialien gebildet werden, die aus derselben Gruppe in Frage kommender Materialien zum Bilden der Ätzmaske 42 ausgewählt werden (2). Zum Beispiel kann die strukturierte Ätzmaske 46 einen strukturierten Photoresist aufweisen und kann gegebenenfalls eine Hartmaske unter dem strukturierten Photoresist aufweisen.
Die strukturierte Ätzmaske 46 wird als eine Ätzmaske verwendet, um die darunterliegenden Schichten 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36 und 40 zu ätzen. Der jeweilige Prozess ist als Prozess 220 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Das Ätzen stoppt auf der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22, während die dielektrische Grenzflächenschicht 24 durchgeätzt wird. Die Ätzgase können aus Cl₂, N₂, CH₄, He, CH_xF_y, SF₆, NF₃, BCl₃, O₂, Ar, C_xF_y, HBr oder Kombinationen davon ausgewählt werden, und geeignete Gase zum Ätzen einer bestimmten Schicht werden gemäß dem Material der Schicht ausgewählt. Trägergase wie zum Beispiel N₂, Ar und/oder He können ebenfalls hinzugefügt werden. Wie in 5 gezeigt, werden die verbleibenden Abschnitte der Schichten 24, 26, 28, 30, 32, 34 und 36 im Folgenden als 24', 26', 28', 30', 32', 34' bzw. 36' bezeichnet und werden zusammen als MTJ (-Stapel) 38' bezeichnet. Der verbleibende Abschnitt der Kappschicht 40 wird im Folgenden auch als obere Elektrode 40' bezeichnet. Nach dem Ätzprozess wird die Ätzmaske 46 entfernt. Die resultierende Struktur ist in 6 gezeigt. Es versteht sich, dass, obgleich eine Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 und ein einzelner MTJ 38' als eine einzelne SOT-MRAM-Zelle veranschaulicht sind, dass aber auch mehrere SOT-MRAM-Zellen gleichzeitig gebildet werden können, die zum Beispiel ein Array bilden können.
Es versteht sich, dass es zu einem Überätzen kommen kann und dass ein Oberseitenabschnitt der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 kann geätzt werden. Die Strichlinien 22S' in den 5 und 6 veranschaulichen schematisch die Positionen der Oberseiten der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 aufgrund des Überätzens. Infolge dessen weist ein oberer Abschnitt der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22 Seitenwände auf, die mit den entsprechenden Seitenwänden der darüberliegenden dielektrischen Grenzflächenschicht 24' bündig sind.
7 veranschaulicht eine Ebenenansicht (Draufsicht) der in 6 gezeigten Struktur. Wie in den 6 und 7 gezeigt, kann die Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22' als ein länglicher Streifen ausgebildet werden. Der MTJ 38' (einschließlich der dielektrischen Grenzflächenschicht 24') und die obere Gate-Elektrode 40' überlappen einen Abschnitt der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22'. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist die Breite W1 des MTJ 38' kleiner als die entsprechende Breite W2 der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22'. Gemäß alternativen Ausführungsformen ist die Breite W1 des MTJ 38' gleich der entsprechenden Breite W2 der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22'. Dementsprechend sind zwei Ränder (der veranschaulichte obere Rand und untere Rand) des MTJ 38' und der dielektrischen Grenzflächenschicht 24' mit den entsprechenden beiden Rändern der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22' bündig, und der entsprechende MTJ 38' ist mit Strichlinien gezeigt.
8 veranschaulicht die Bildung der dielektrischen Kappschicht 50 gemäß einigen Ausführungsformen. Der jeweilige Prozess ist als Prozess 222 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die dielektrische Kappschicht 50 aus Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder dergleichen gebildet. Der Bildungsprozess kann ein CVD-Prozess, ein ALD-Prozess, ein plasmaverstärkter CVD-Prozess (PECVD-Prozess) oder dergleichen sein. Die dielektrische Kappschicht 50 kann als eine konforme Schicht gebildet werden.
Als Nächstes wird ein Lückenfüllprozess ausgeführt, bei dem dielektrisches Material 52 in die Lücken zwischen den MTJs 38' gefüllt wird (ein einzelner MTJ 38' ist veranschaulicht). Der jeweilige Prozess ist als Prozess 224 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Das dielektrische Material 52 kann aus Siliziumoxid, Phosphosilikatglas (PSG), Borsilikatglas (BSG), Bor-dotiertem Phosphosilikatglas (BPSG), undotiertem Silikatglas (USG), Fluorsilikatglas (FSG), SiOCH, fließfähigem Oxid, porenhaltigem Oxid oder dergleichen oder Kombinationen davon gebildet werden oder diese umfassen. Das dielektrische Material 52 kann auch aus einem dielektrischen Material mit niedrigem k-Wert gebildet werden. Das Bildungsverfahren kann CVD, PECVD, ALD, fließfähiges CVD (FCVD), Aufschleuderbeschichtung oder dergleichen umfassen. Nach dem Lückenfüllprozess kann ein Planarisierungsprozess wie zum Beispiel ein chemisch-mechanischer Polierprozess (CMP-Prozess) oder ein mechanischer Schleifprozess ausgeführt werden. Der Planarisierungsprozess kann unter Verwendung einer dielektrischen Kappschicht 50 oder oberer Elektroden 40' als CMP-Stoppschicht ausgeführt werden. Dementsprechend kann die Oberseite des dielektrischen Materials 52 mit der Oberseite der dielektrischen Kappschicht 50 oder der Oberseite der oberen Elektrode 40' bündig abschließen. Auf diese Weise wird die MRAM-Zelle 54 gebildet.
Wie in 9 gezeigt, werden die Ätzstoppschicht 56 und die dielektrische Schicht 58 abgeschieden. Gemäß einigen Ausführungsformen wird die Ätzstoppschicht 56 aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumoxynitrid, Siliziumoxynitrid, Siliziumoxycarbonitrid oder dergleichen gebildet. Die dielektrische Schicht 58 kann (gegebenenfalls) aus einem dielektrischen Material gebildet werden, das aus derselben (oder einer anderen) Gruppe in Frage kommender Materialien für die Bildung des dielektrischen Materials 52 ausgewählt wird.
10 veranschaulicht die Struktur nach der Bildung des leitfähigen Merkmals 64, bei dem es sich um Durchkontaktierungen, Leitungen (die Wortleitungen oder Bitleitungen sein können) oder dergleichen handeln kann. Der jeweilige Prozess ist als Prozess 226 in dem in 16 gezeigten Prozessfluss 200 veranschaulicht. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst das leitfähige Merkmal 64 die Sperrschicht 60 und die leitfähige Region 62 über der Sperrschicht 60. Die leitfähige Sperrschicht 60 kann aus Titan, Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid, Co oder dergleichen gebildet werden. Die leitfähige Region 62 kann aus Metallen wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Wolfram, Kobalt oder dergleichen oder den Legierungen dieser Metalle gebildet werden. Die SOT-MRAM-Zelle 54 weist drei Anschlüsse 70, 72 und 74 ist, die während Schreib- und Leseoperationen mit Stromquellen (nicht gezeigt) oder Spannungsquellen (nicht gezeigt) im jeweiligen Die verbunden sind.
Die SOT-MRAM-Zelle 54 kann an mehreren Stellen in einem Vorrichtungs-Die platziert werden, und sie kann ein Teil eines SOT-MRAM-Arrays sein. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann der Vorrichtungs-Die Transistoren (als Selektoren) aufweisen, die auf einer Fläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet werden. Über den Auswahltransistoren werden mehrere dielektrische Schichten wie zum Beispiel ein Zwischenschichtdielektrikum (Inter-Layer Dielectric, ILD, in dem Kontaktstecker ausgebildet sind), ein Zwischenmetalldielektrikum (Inter-Metal Dielectric, IMD, in dem Metallleitungen und Durchkontaktierungen ausgebildet sind), Passivierungsschichten und dergleichen gebildet. Die ILDs und IMDs können dielektrische Schichten mit niedrigem k-Wert oder dielektrische Schichten, die keinen niedrigen k-Wert haben, sein. Die SOT-MRAM-Zelle 54 kann in einer der ILD- oder IMD-Schichten gebildet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen wird die SOT-MRAM-Zelle 54 in einer der IMD-Schichten gebildet, wie zum Beispiel in derselben IMD-Schicht wie M3, M2, M1 oder dergleichen. Einer der Anschlüsse 70 und 72, wie zum Beispiel Anschluss 70 (10), kann elektrisch mit einer Source/Drain-Region eines ersten Auswahltransistors verbunden sein, und das Gate des ersten Auswahltransistors kann mit einer Lesewortleitung des jeweiligen SOT-MRAM-Arrays verbunden sein. Der andere Anschluss (zum Beispiel 72) der SOT-MRAM-Zelle 54 kann mit einer Schreibwortleitung der SOT-MRAM-Array verbunden werden. Der Anschluss 74 (10) kann elektrisch mit einer Source/Drain-Region eines zweiten Auswahltransistors verbunden werden, und das Gate des zweiten Auswahltransistors kann mit einer Schreibwortleitung des jeweiligen SOT-MRAM-Arrays verbunden werden.
Die SOT-MRAM-Zelle 54, die mit dem oben dargelegten Prozess gebildet wird, kann eine senkrechte MRAM-Zelle oder eine in derselben Ebene liegende MRAM-Zelle sein. Zum Beispiel veranschaulicht 10 die beispielhaften Spinpolarisationsrichtungen einer senkrechten MRAM-Zelle 54 gemäß einigen Ausführungsformen, wobei die Spinpolarisationsrichtungen der freien Schicht 26', der Referenzschicht 30' und der Hartschicht 34' in der +Z-Richtung oder in der -Z-Richtung liegen. In dem veranschaulichten Beispiel liegen die Spinpolarisationsrichtungen der Referenzschicht 30' und der Hartschicht 34' in der +Z-Richtung bzw. -Z-Richtung und sind fixiert. Diese Richtungen können gemäß anderen Ausführungsformen umgekehrt sein. Die Spinpolarisationsrichtung der freien Schicht 26' kann entweder in der +Z-Richtung oder in der -Z-Richtung programmiert werden. Wenn die Spinpolarisationsrichtung der freien Schicht 26' in derselben Richtung liegt wie die Spinpolarisationsrichtung der Referenzschicht 30', so befindet sich die SOT-MRAM-Zelle 54 in einem niedrigohmigen Zustand. Wenn hingegen die Spinpolarisationsrichtung der freien Schicht 26' entgegengesetzt zur Spinpolarisationsrichtung der Referenzschicht 30' verläuft, so befindet sich die SOT-MRAM-Zelle 54 in einem hochohmigen Zustand. Die Polarisation der anti-ferromagnetischen Schicht 36' verläuft in der +Z-Richtung und in der -Z-Richtung, was zum Generieren eines Streufeldes verwendet wird und zu einer anti-ferromagnetischen Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-Kopplung (RKKY-Kopplung) mit der darunterliegenden Hartschicht 34' führt.
11 veranschaulicht die Spinpolarisationsrichtungen einer in derselben Ebene liegenden SOT-MRAM-Zelle 54 gemäß einigen Ausführungsformen, wobei die Spinpolarisationsrichtungen der freien Schicht 26', der Referenzschicht 30' und der Hartschicht 34' in der +X- oder in der -X-Richtung verlaufen In dem veranschaulichten Beispiel verlaufen die Spinpolarisationsrichtungen der Referenzschicht 30' und der Hartschicht 34' in der -X-Richtung bzw. in der +X-Richtung und sind fixiert. Diese Richtungen können gemäß anderen Ausführungsformen umgekehrt sein. Die Spinpolarisationsrichtung der freien Schicht 26' kann entweder in der +X-Richtung oder in der -X-Richtung programmiert werden. Wenn die Spinpolarisationsrichtung der freien Schicht 26' parallel zur (in derselben Richtung wie die) Spinpolarisationsrichtung der Referenzschicht 30' verläuft, so befindet sich die SOT-MRAM-Zelle 54 in einem niedrigohmigen Zustand. Wenn hingegen die Spinpolarisationsrichtung der freien Schicht 26' anti-parallel (in entgegengesetzter Richtung) zur Spinpolarisationsrichtung der Referenzschicht 30' verläuft, so befindet sich die SOT-MRAM-Zelle 54 in einem hochohmigen Zustand. Die Spinpolarisation der anti-ferromagnetischen Schicht 36' verläuft in der +X- und in der -X-Richtung.
Die in den 10 und 11 gezeigten SOT-MRAM-Zellen 54 werden im Wesentlichen mittels des gleichen Prozesses gebildet, der anhand der 1 bis 10 beispielhaft erläutert wird. Durch Auswählen einer geeigneten Dicke T3 (1) für die freie Schicht 26' können die Spinpolarisationsrichtungen wie in 10 oder 11 gezeigt eingestellt werden. Wenn beispielsweise die Dicke T3 kleiner als etwa 1,2 nm ist, so werden die Spinpolarisationsrichtungen wie in 10 gezeigt eingestellt, und die resultierende SOT-MRAM-Zelle 54 ist eine senkrechte SOT-MRAM-Zelle. Wenn umgekehrt die Dicke T3 größer als etwa 1,2 nm ist, so werden die Spinpolarisationsrichtungen wie in 11 gezeigt eingestellt, und die resultierende SOT-MRAM-Zelle 54 ist eine in derselben Ebene liegende SOT-MRAM-Zelle.
12 veranschaulicht eine beispielhafte Schreiboperation gemäß einigen Ausführungsformen. Zum Beschreiben der SOT-MRAM-Zelle 54 wird ein Programmierstrom 11 angelegt, was durch Verbinden der Spannungsquelle VS1 (oder einer Stromquelle) zwischen den Anschlüssen 70 und 72 erreicht werden kann. Zum Beispiel können die Anschlüsse 70 und 72 mit der positiven Versorgungsspannung VDD bzw. der elektrischen Erde GND verbunden werden. Der Anschluss 74 kann von jeder Spannungsquelle und jeder Stromquelle getrennt werden. Wenn der Programmierstrom I1 durch die Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22' fließt, so generiert die Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22' spinpolarisierte Ströme, wobei ein Teil des spinpolarisierten Stroms eine Spinpolarisationsrichtung hat, die aus der der veranschaulichten Ebene heraus verläuft (durch den Punkt 80 dargestellt), und ein anderer spinpolarisierter Strom eine Spinpolarisationsrichtung hat, die in die veranschaulichte Ebene hinein verläuft (durch das „x“-Zeichen 82 dargestellt). Der spinpolarisierte Strom (Träger), dessen Spinpolarisationsrichtung 80 nach oben verläuft, durchdringt die dielektrische Grenzflächenschicht 24' und fließt in die freie Schicht 26'. In der freien Schicht 26 überträgt der spinpolarisierte Strom (Träger) seinen Spin auf die freie Schicht 26', wodurch die freie Schicht 26' programmiert wird. Der spinpolarisierte Strom mit der Spinpolarisationsrichtung 82 fließt dann nach unten und sammelt sich an der Grenzfläche zwischen der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22' und der darunterliegenden Keimschicht 20'. Der spinpolarisierte Strom mit der Spinpolarisationsrichtung 80 fließt, nachdem er in die freie Schicht 26' geflossen ist (wobei der Spin auf die freie Schicht 26' übertragen wird), in die richtige Richtung und dann nach unten zurück in die Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22', und fließt zu dem Anschluss 72. Während der Programmieroperation wird ein externes Magnetfeld (nicht gezeigt) angelegt, und die resultierende Spinpolarisationsrichtung der freien Schicht 26' hängt von dem externen Magnetfeld und der Stromrichtung I1 ab. Nachdem die Programmieroperation ausgeführt wurde, befindet sich die SOT-MRAM-Zelle 54 wie vorgesehen in einem hochohmigen Zustand oder einem niedrigohmigen Zustand. Wenn die SOT-MRAM-Zelle 54 auf einen anderen Zustand programmiert werden soll als in dem in 12 gezeigten Beispiel, so kann die Flussrichtung des Programmierstroms I1 der veranschaulichten Richtung entgegengesetzt sein, oder das externe Magnetfeld kann umgekehrt werden.
Eine konventionelle SOT-MRAM-Zelle hat eine Spin-Orbit-Kopplungsschicht, die direkt mit der entsprechenden freien Schicht in Kontakt steht. In den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird aufgrund des Vorhandenseins der dielektrischen Grenzflächenschicht 24' der spinpolarisierte Strom der SOT-MRAM-Zelle 54 im Vergleich zu dem spinpolarisierten Strom der konventionellen SOT-MRAM-Zelle erhöht, selbst wenn sowohl die SOT-MRAM-Zelle 54 als auch die konventionelle SOT-MRAM-Zelle mit dem gleichen Programmierstrom programmiert werden. Dementsprechend wird die Effizienz beim Generieren von spinpolarisiertem Strom aus dem Programmierstrom verbessert. Die Verbesserung ist möglicherweise auf die verstärkte Streuung an der Grenzfläche zwischen der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22' und der dielektrischen Grenzflächenschicht 24' zurückzuführen.
13 veranschaulicht ein Beispiel für eine Leseoperation gemäß einigen Ausführungsformen. Um SOT-MRAM-Zelle 54 zu lesen, wird eine Spannung an den Anschluss 74 und einen der Anschlüsse 70 und 72, zum Beispiel durch die Spannungsquelle VS2, angelegt. Zum Beispiel können die Anschlüsse 74 und 72 mit der positiven Versorgungsspannung VDD bzw. der elektrischen Erde GND verbunden werden. Die Spinpolarisationsrichtung der freien Schicht 26' relativ zur Referenzschicht 30' bestimmt den Widerstand der SOT-MRAM-Zelle 54, und der resultierende Strom 12, der durch die SOT-MRAM-Zelle 54 fließt, spiegelt den Widerstand der SOT-MRAM-Zelle 54 wider. Wenn beispielsweise die Spinpolarisationsrichtungen der freien Schicht 26' und der Referenzschicht 30' parallel (in derselben Richtung) verlaufen, so befindet sich die SOT-MRAM-Zelle 54 in einem niedrigohmigen Zustand. Wenn hingegen die Spinpolarisationsrichtungen der freien Schicht 26' und der Referenzschicht 30' anti-parallel sind (in entgegengesetzte Richtungen verlaufen), so befindet sich die SOT-MRAM-Zelle 54 in einem hochohmigen Zustand.
14 veranschaulicht einige experimentellen Ergebnisse, wobei die Werte des strominduzierten effektiven Feldes (H_zeff) verschiedener beispielhafter SOT-MRAM-Zellen gezeigt sind. Die Werte des strominduzierten effektiven Feldes geben an, wie effektiv der Spinpolarisationsstrom generiert werden kann, indem ein Programmierstrom in die Spin-Orbit-Kopplungsschicht geleitet wird. Die Y-Achse stellt das normalisierte strominduzierte effektive Feld H_zeff dar. Die X-Achse repräsentiert fünf Stichproben, bei denen an der Position der dielektrischen Grenzflächenschicht 24' (10 oder 11) stattdessen auch andere Materialien verwendet werden können. Die Werte des strominduzierten effektiven Feldes H_zeff werden durch Messung der Koerzitivfeldstärke Hc in derselben Ebene bei verschiedenen Strömen unter Verwendung dieser Stichproben geschätzt. Der Begriff „keine“ bedeutet, dass keine Schicht zwischen der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22' und der freien Schicht 26' gebildet wird. Die Begriffe „Co“, „FeB“, „Mg“ und „MgO“ bedeuten, dass dort, wo sich die dielektrische Grenzflächenschicht 24' befindet, eine Kobaltschicht, eine FeB-Schicht, eine Mg-Schicht bzw. eine MgO-Schicht gebildet wird. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Wert des strominduzierten effektiven Feldes der Stichproben-SOT-MRAM-Zelle, welche die MgO-Schicht enthält, die höchste unter den fünf Stichproben ist, was darauf hindeutet, dass der Effekt der dielektrischen Grenzflächenschicht 24' besser ist als bei allen anderen Stichproben.
15 veranschaulicht die experimentellen Ergebnisse, wobei der erforderliche Programmierstrom für die effektive Programmierung der SOT-MRAM-Zelle 54 (10 oder 11) von mehreren Stichproben-SOT-MRAM-Zellen gemessen wird. Die Y-Achse stellt den erforderlichen Programmierstrom (normalisiert) dar. Die X-Achse stellt vier Stichproben dar. Auch hier meint der Begriff „keine“, dass keine Schicht zwischen der Spin-Orbit-Kopplungsschicht 22' und der freien Schicht 26' gebildet wird. Die Begriffe „Co“, „Mg“ und „MgO“ bedeuten, dass eine Kobaltschicht, eine Mg-Schicht bzw. eine MgO-Schicht dort gebildet wird, wo sich die dielektrische Grenzflächenschicht 24' befindet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der erforderliche Strom für die Programmierung der SOT-MRAM-Zelle, die die MgO-Schicht aufweist, am niedrigsten ist, was darauf hindeutet, dass der Effekt der dielektrischen Grenzflächenschicht 24' besser als bei allen anderen Stichproben ist.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeichnen sich durch einige vorteilhafte Merkmale aus. Durch die Bildung einer dünnen dielektrischen Grenzflächenschicht zwischen der Spin-Orbit-Kopplungsschicht und der freien Schicht wird der spinpolarisierte Strom, der aus dem durch die Spin-Orbit-Kopplungsschicht geleiteten Strom generiert wird, stärker erhöht, als wenn keine dielektrische Grenzflächenschicht gebildet wird, und wird stärker erhöht, als wenn eine metallische Grenzflächenschicht gebildet wird. Die Spinpolarisationsrichtung der freien Schicht kann somit mit einem geringeren Programmierstrom als bei herkömmlichen SOT-MRAM-Zellen programmiert werden. Die Effizienz der Programmierung wird dadurch verbessert.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren: Abscheiden mehrerer Schichten, was umfasst: Abscheiden einer Spin-Orbit-Kopplungsschicht; Abscheiden einer dielektrischen Schicht über der Spin-Orbit-Kopplungsschicht; Abscheiden einer freien Schicht über der dielektrischen Schicht; Abscheiden einer Tunnelsperrschicht über der freien Schicht; und Abscheiden einer Referenzschicht über der Tunnelsperrschicht; Ausführen eines ersten Strukturierungsprozesses, um die mehreren Schichten zu strukturieren; und Ausführen eines zweiten Strukturierungsprozesses, um die Referenzschicht, die Tunnelsperrschicht, die freie Schicht und die dielektrische Schicht zu strukturieren, wobei der zweite Strukturierungsprozess auf einer Oberseite der Spin-Orbit-Kopplungsschicht stoppt. In einer Ausführungsform ist die Spin-Orbit-Kopplungsschicht dafür konfiguriert, spinpolarisierte Träger zu generieren, und die dielektrische Schicht ist dafür konfiguriert, die spinpolarisierten Träger durchtunneln zu lassen. In einer Ausführung wird die dielektrische Schicht auf eine Dicke von weniger als etwa 10Å abgeschieden. In einer Ausführungsform umfasst das Abscheiden der Spin-Orbit-Kopplungsschicht das physikalische Aufdampfen. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren das Bilden einer Magnesiumoxid-Keimschicht, die unter der Spin-Orbit-Kopplungsschicht liegt und mit dieser in Kontakt steht. In einer Ausführungsform wird die Magnesiumoxid-Keimschicht im ersten Strukturierungsprozess strukturiert. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren das Abscheiden einer dielektrischen Kappschicht, wobei die dielektrische Kappschicht eine Seitenwand der dielektrischen Schicht berührt. In einer Ausführungsform umfasst das Abscheiden der dielektrischen Schicht das Abscheiden einer Nitridschicht. In einer Ausführungsform umfasst das Abscheiden der dielektrischen Schicht das Abscheiden einer Oxidschicht.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren: Bilden einer Metallschicht; Bilden eines MTJ über der Metallschicht, wobei der MTJ umfasst: eine dielektrische Schicht über der Metallschicht; eine freie Schicht über der dielektrischen Schicht, wobei die dielektrische Schicht eine Dicke aufweist, die dafür konfiguriert ist, es zu erlauben, dass spinpolarisierte Träger in der Metallschicht durch die dielektrische Schicht in die freie Schicht fließen können; eine Tunnelsperrschicht über der freien Schicht; und eine Referenzschicht über der Tunnelsperrschicht; und Abscheiden einer dielektrischen Kappschicht an Seitenwänden des MTJ, wobei die dielektrische Kappschicht Ränder der dielektrischen Schicht berührt und sich auf einer Oberseite der Metallschicht erstreckt. In einer Ausführungsform erfolgt das Bilden der dielektrischen Schicht durch Atomschichtabscheidung. In einer Ausführungsform umfasst das Bilden der dielektrischen Schicht das Abscheiden eines Materials, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus MgO, HfOx, AlOx, AgOx, CuO, SrO, HfN, AlN, AgN, SrN und Kombinationen davon besteht. In einer Ausführungsform hat die freie Schicht eine in derselben Ebene liegende Spinpolarisationsrichtung. In einer Ausführungsform hat die freie Schicht eine senkrechte Spinpolarisationsrichtung.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Vorrichtung eine Spin-Orbit-Kopplungsschicht und einen MTJ-Stapel sowie eine dielektrische Schicht über der Spin-Orbit-Kopplungsschicht. Der MTJ-Stapel umfasst eine freie Schicht über der dielektrischen Schicht; eine Tunnelsperrschicht über der freien Schicht; und eine Referenzschicht über der Tunnelsperrschicht. Die Spin-Orbit-Kopplungsschicht erstreckt sich über Ränder des MTJ-Stapels in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, hinaus. In einer Ausführungsform umfasst die dielektrische Schicht ein Nitrid oder ein Oxid. In einer Ausführungsform werden die freie Schicht und die Referenzschicht aus ferromagnetischen Materialien gebildet. In einer Ausführungsform hat die dielektrische Schicht eine Dicke, die es spinpolarisierten Trägern in der Spin-Orbit-Kopplungsschicht ermöglicht, durch die freie Schicht zu tunneln und in diese hineinzufließen. In einer Ausführungsform erstreckt sich die Spin-Orbit-Kopplungsschicht seitlich über die Ränder des MTJ-Stapels in einer dritten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung und der zweiten Richtung verläuft, hinaus. In einer Ausführungsform hat die Spin-Orbit-Kopplungsschicht einen ersten Rand, der mit einem zweiten Rand des MTJ-Stapels bündig ist.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren das Programmieren einer SOT-MRAM-Zelle, wobei die SOT-MRAM-Zelle umfasst: eine Spin-Orbit-Kopplungsschicht; eine dielektrische Schicht über der Spin-Orbit-Kopplungsschicht; und eine freie Schicht über der dielektrischen Schicht, wobei das Programmieren das Anlegen eines Stroms umfasst, der durch die Spin-Orbit-Kopplungsschicht fließt, um eine Polarisationsrichtung der freien Schicht zu programmieren. In einer Ausführungsform umfasst die SOT-MRAM-Zelle des Weiteren eine SAF-Schicht über der SAF-Schicht, wobei die SAF-Schicht eine erste Spinpolarisationsrichtung aufweist und eine zweite Spinpolarisationsrichtung der freien Schicht so programmiert ist, dass sie parallel oder anti-parallel zu der ersten Spinpolarisationsrichtung verläuft. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren: Anlegen einer Spannung, um einen Strom zu generieren, der durch die freie Schicht, die dielektrische Schicht und die Spin-Orbit-Kopplungsschicht fließt; und Messen des Stroms, um einen hochohmigen Zustand oder einen niedrigohmigen Zustand des SOT-MRAM zu bestimmen. In einer Ausführungsform fließt der Strom weiter durch eine anti-ferromagnetische Schicht über einer SAF-Schicht über der freien Schicht. In einer Ausführungsform tunneln während der Programmierung spinpolarisierte Träger in der Spin-Orbit-Kopplungsschicht durch die dielektrische Schicht, um in die freie Schicht zu fließen.
Das oben Dargelegte umreißt Merkmale verschiedener Ausführungsformen, so dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Dem Fachmann ist klar, dass er die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als Basis für das Entwerfen oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen verwenden kann, um die gleichen Zwecke und/oder die gleichen Vorteile wie bei den im vorliegenden Text vorgestellten Ausführungsformen zu erreichen. Dem Fachmann sollte auch klar sein, dass solche äquivalenten Bauformen nicht das Wesen und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung verlassen, und dass er verschiedene Änderungen, Substituierungen und Modifizierungen an der vorliegenden Erfindung vornehmen kann, ohne vom Wesen und Schutzumfang 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 62/849322 [0001]

Claims

Verfahren, das umfasst: Abscheiden mehrerer Schichten, was umfasst: Abscheiden einer Spin-Orbit-Kopplungsschicht, wobei die Spin-Orbit-Kopplungsschicht dafür konfiguriert ist, spinpolarisierte Träger zu generieren; Abscheiden einer dielektrischen Schicht über der Spin-Orbit-Kopplungsschicht, wobei die dielektrische Schicht dafür konfiguriert ist, es zu erlauben, dass die spinpolarisierten Träger durchtunneln können; Abscheiden einer freien Schicht über der dielektrischen Schicht; Abscheiden einer Tunnelsperrschicht über der freien Schicht; und Abscheiden einer Referenzschicht über der Tunnelsperrschicht; Ausführen eines ersten Strukturierungsprozesses, um die mehreren Schichten zu strukturieren; und Ausführen eines zweiten Strukturierungsprozesses, um die Referenzschicht, die Tunnelsperrschicht, die freie Schicht und die dielektrische Schicht zu strukturieren, wobei der zweite Strukturierungsprozess auf einer Oberseite der Spin-Orbit-Kopplungsschicht stoppt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem ersten Strukturierungsprozess ein verbleibender Abschnitt der Spin-Orbit-Kopplungsschicht einen Streifen bildet, und das Verfahren des Weiteren das Verbinden gegenüberliegender Anschlüsse einer Spannungsquelle mit der Spin-Orbit-Kopplungsschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dielektrische Schicht auf eine Dicke von weniger als etwa 10Å abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abscheiden der Spin-Orbit-Kopplungsschicht ein physikalisches Aufdampfen umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das des Weiteren das Bilden einer Magnesiumoxid-Keimschicht umfasst, die unter der Spin-Orbit-Kopplungsschicht liegt und mit dieser in Kontakt steht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Magnesiumoxid-Keimschicht in dem ersten Strukturierungsverfahren strukturiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das des Weiteren das Abscheiden einer dielektrischen Kappschicht umfasst, wobei die dielektrische Kappschicht eine Seitenwand der dielektrischen Schicht berührt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei das Abscheiden der dielektrischen Schicht das Abscheiden einer Nitridschicht umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei das Abscheiden der dielektrischen Schicht das Abscheiden einer Oxidschicht umfasst.
Vorrichtung, die umfasst: eine Spin-Orbit-Kopplungsschicht; eine dielektrische Schicht über der Spin-Orbit-Kopplungsschicht; und einen MTJ-Stapel (Magnetic Tunnel Junction), der umfasst: eine freie Schicht über der dielektrischen Schicht; eine Tunnelsperrschicht über der freien Schicht; und eine Referenzschicht über der Tunnelsperrschicht, wobei sich die Spin-Orbit-Kopplungsschicht über Ränder des MTJ-Stapels in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, hinaus erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die dielektrische Schicht ein Nitrid oder ein Oxid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die freie Schicht und die Referenzschicht aus ferromagnetischen Materialien gebildet werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 12, wobei die dielektrische Schicht eine Dicke aufweist, die es spinpolarisierten Trägern in der Spin-Orbit-Kopplungsschicht ermöglicht, durch die freie Schicht zu tunneln und in diese hineinzufließen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, wobei sich die Spin-Orbit-Kopplungsschicht seitlich über Ränder des MTJ-Stapels in einer dritten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung und der zweiten Richtung verläuft, hinaus erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, wobei die Spin-Orbit-Kopplungsschicht einen ersten Rand aufweist, der mit einem zweiten Rand des MTJ-Stapels bündig ist.
Verfahren, das umfasst: Programmieren einer Spin Orbit Torque Magneto-Resistive Random Access Memory-Zelle (SOT-MRAM-Zelle), wobei die SOT-MRAM-Zelle umfasst: eine Spin-Orbit-Kopplungsschicht; eine dielektrische Schicht über der Spin-Orbit-Kopplungsschicht; und eine freie Schicht über der dielektrischen Schicht, wobei das Programmieren umfasst: Anlegen eines Stroms, der durch die Spin-Orbit-Kopplungsschicht fließt, um eine Polarisationsrichtung der freien Schicht zu programmieren.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die SOT-MRAM-Zelle des Weiteren umfasst: eine synthetische anti-ferromagnetische Schicht (SAF-Schicht) über der SAF-Schicht, wobei die SAF-Schicht eine erste Spinpolarisationsrichtung aufweist und eine zweite Spinpolarisationsrichtung der freien Schicht so programmiert ist, dass sie parallel oder anti-parallel zu der ersten Spinpolarisationsrichtung verläuft.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17 das des Weiteren umfasst: Anlegen einer Spannung, um einen Strom zu generieren, der durch die freie Schicht, die dielektrische Schicht und die Spin-Orbit-Kopplungsschicht fließt; und Messen des Stroms, um einen hochohmigen Zustand oder einen niedrigohmigen Zustand des SOT-MRAM zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Strom weiter durch eine anti-ferromagnetische Schicht über einer synthetischen anti-ferromagnetischen Schicht (SAF-Schicht) über der freien Schicht fließt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 16 bis 19, wobei während der Programmierung spinpolarisierte Träger in der Spin-Orbit-Kopplungsschicht durch die dielektrische Schicht tunneln, um in die freie Schicht zu fließen.