DE102020107939A1

DE102020107939A1 - Speicherzelle mit magnetischer zugangsauswahl-vorrichtung

Info

Publication number: DE102020107939A1
Application number: DE102020107939.7A
Authority: DE
Inventors: Mauricio Manfrini
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2021-09-23
Also published as: US20220310906A1; KR102367625B1; US11380840B2; KR20210118347A; TW202137579A; TWI764622B; US20210296573A1; CN113054095A

Abstract

Ein integrierter Chip weist eine Speicherzelle auf, die ein magnetisches Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement) und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung aufweist. Das MTJ-Bauelement weist eine freie Schicht und eine verstiftete Schicht auf. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung weist eine erste Metallstruktur und eine zweite Metallstruktur auf, die voneinander durch eine oder mehrere nicht-metallische Schicht(en) getrennt sind. Die erste Metallstruktur weist eine polarisierte magnetische Schicht auf. Die polarisierte magnetische Schicht erzeugt ein Magnetfeld, das sich durch die freie Schicht erstreckt, ihr Magnetfeld kippt und dadurch im Wesentlichen eine Schaltzeit für den MTJ-Bauelement verkürzt. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung kann ein bipolarer Auswahlschalter sein. Die polarisierte magnetische Schicht kann in eine Elektrode des bipolaren Auswahlschalters integriert sein. Sowohl die Zugangsauswahl-Vorrichtung als auch das MTJ-Bauelement können durch einen Stapel aus Materialschichten gebildet sein. Die resultierende Speicherzelle kann kompakt sein und eine gute Schreibgeschwindigkeit aufweisen.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Viele elektronische Bauelemente enthalten einen elektronischen Speicher, der zum Datenspeichern ausgestaltet ist. Ein elektronischer Speicher kann flüchtig oder nicht-flüchtig sein. Ein flüchtiger elektronischer Speicher verwendet Strom zum Pflegen der Daten, während ein nicht-flüchtiger Speicher geeignet ist, Daten ohne Strom zu speichern. Ein magneto-resistive random-access memory (MRAM) (magnetresistenter Datenzugriffsspeicher) ist ein Typ eines nicht-flüchtigen Speichers, an dem seit langem aktives Interesse besteht.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Offenbarung lassen sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.

1 stellt ein schematisches Diagramm einer Speicherschaltung mit Speicherzellen dar, aufweisend ein magnetisches Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement) und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung mit einer polarisierten magnetischen Schicht, die ausgestaltet ist, um im Wesentlichen eine Schaltzeit für die MTJ-Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen dieser Offenbarung zu verkürzen.
2A zeigt eine Spur eines Magnetfeld-Ausrichtungsvektors für die freie Schicht eines MTJ-Bauelements während des Schaltens.
2B zeigt eine weitere Spur eines Magnetfeld-Ausrichtungsvektors für die freie Schicht eines MTJ-Bauelements während des Schaltens, das im Vergleich zu 2A zeigt, wie ein anfänglicher Kippwinkel die Anzahl der Präzessionszyklen in einer Schaltoperation verringert.
Die 3A-3D stellen Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen von integrierten Schaltungen gemäß dieser Offenbarung mit Speicherzellen dar, die ein MTJ-Bauelement und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung mit einer polarisierten magnetischen Schicht aufweisen, die ausgestaltet ist, um eine Schaltzeit für das MTJ-Bauelement wesentlich zu verkürzen.
4 stellt ein Blockdiagramm einer Speicherschaltung dar, umfassend ein Speicher-Array mit mehreren Speicherzellen, die jeweils eine Zugangsauswahl-Vorrichtung aufweisen, aufweisend einen bipolaren Auswahlschalter.
5 stellt eine Querschnittsansicht gemäß einiger Ausführungsformen eines integrierten Chips mit Speicherzellen dar, die ein magnetisches Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement) und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung mit einer polarisierten magnetischen Schicht aufweisen, die ausgestaltet ist, um eine Schaltzeit für das MTJ-Bauelement wesentlich zu verkürzen.
Die 6-14 stellen einige Ausführungsformen eines Verfahrens zum Bilden eines integrierten Chips mit Speicherzellen dar, die ein magnetisches Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement) und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung mit einer polarisierten magnetischen Schicht aufweisen, die ausgestaltet ist, um eine Schaltzeit für das MTJ-Bauelement wesentlich zu verkürzen.
Die 15-16 stellen einige weitere Ausführungsformen eines Verfahrens zum Bilden eines integrierten Chips mit Speicherzellen dar, die ein magnetisches Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement) und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung mit einer polarisierten magnetischen Schicht aufweisen, die ausgestaltet ist, um eine Schaltzeit für das MTJ-Bauelement wesentlich zu verkürzen.
17 stellt ein Flussdiagramm für einige Ausführungsformen eines Verfahrens zum Bilden eines integrierten Chips mit Speicherzellen dar, die ein magnetisches Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement) und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung mit einer polarisierten magnetischen Schicht aufweisen, die ausgestaltet ist, um eine Schaltzeit für das MTJ-Bauelement wesentlich zu verkürzen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die nachstehende Offenbarung stellt viele unterschiedliche Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren unterschiedlicher Merkmale des bereitgestellten Gegenstandes bereit. Spezifische Beispiele von Bauelementen und Anordnungen werden nachstehend zum Vereinfachen dieser Offenbarung beschrieben. Es handelt sich selbstverständlich um reine Beispiele, die nicht als Einschränkung zu verstehen sind. Z.B. kann die Bildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen aufweisen, in denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt gebildet sind, und kann ebenfalls Ausführungsformen aufweisen, in denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal derart gebildet sind, dass das erste und das zweite Merkmal nicht in direktem Kontakt sein können. Weiterhin kann diese Offenbarung Bezugsziffern und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Vereinfachung und Klarheit und erzwingt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Ausgestaltungen.
Weiterhin können raumbezügliche Begriffe, wie z. B. „unterhalb“, „unten“, „unterer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen, die hierin zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet sind, zum Beschreiben der Beziehung eines Elements oder Merkmals zu (einem) anderen Element(en) oder Merkmal(en) gemäß Darstellung in den Figuren verwendet sein. Die raumbezüglichen Begriffe sind dazu bestimmt, unterschiedliche Ausrichtungen des Bauelements bei der Verwendung oder im Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung zu umfassen. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die hierin verwendeten raumbezüglichen Deskriptoren können auf ähnliche Weise dementsprechend interpretiert sein.
Magnetische Tunnelübergangs-Bauelemente (MTJ-Bauelemente) sind ein Typ eines MRAM-Bauelements, der ein MTJ aufweist, das zwischen leitenden Elektroden vertikal angeordnet ist. Der MTJ umfasst eine verstiftete Schicht, die von einer freien Schicht durch eine Tunnelschranken-Schicht getrennt ist. Die verstiftete Schicht ist magnetisch mit einer Ausrichtung, die statisch ist (d.h. fest), während die freie Schicht magnetisch ist mit einer Ausrichtung, die zwischen einer Ausgestaltung, die parallel zu der der verstifteten Schicht ist, und einer Ausgestaltung, die zu der der verstifteten Schicht anti-parallel ist, schaltbar ist. Die parallele Ausgestaltung sorgt für einen niedrigen ohmschen Status, der Daten als einen ersten Datenstatus digital speichert (z. B. eine logische „1“). Die anti-parallele Ausgestaltung sorgt für einen hohen ohmschen Status, der Daten als einen zweiten Datenstatus digital speichert (z. B. eine logische „0“).
Typischerweise sind die MTJ-Bauelemente innerhalb eines Speicher-Arrays in Zeilen und Spalten angeordnet. Auf einem MTJ -Bauelement ist innerhalb des Speicher-Arrays durch Aktivieren von Wortzeilen und Bitzeilen eine Lese- oder Schreiboperation durchgeführt, um eine Spannung und/oder einen Strom für das ausgewählte MTJ-Bauelement bereitzustellen. Eine Zugangsauswahl-Vorrichtung für ein MTJ -Bauelement lässt den selektiven Stromfluss durch das ausgewählte MTJ-Bauelement in einer der zwei entgegengesetzten Richtungen zu. Dies liegt daran, dass die Ausrichtung der Polarisierung der freien Schicht in einem MTJ - Bauelement zwischen anti-parallelen und parallelen Ausgestaltungen schaltet und dabei entweder einen hohen oder einen niedrigen ohmschen Status in Abhängigkeit von der Richtung des angewendeten Stroms bereitstellt. Z.B. kann ein Strom, der von einer unteren Elektrode zu einer oberen Elektrode wandert, einem MTJ- Bauelement eine anti-parallele Ausgestaltung verleihen, was zu einem hohen ohmschen Zustand führt, während ein Strom, der von der oberen Elektrode zur unteren Elektrode wandert, dem MTJ -Bauelement die parallele Ausgestaltung verleihen kann, was zu einem niedrigen ohmschen Status führt.
Ein Typ einer Zugangsauswahl-Vorrichtung für MTJ-Bauelemente ist ein MOSFET-Transistor. Während ein MOSFET-Transistor eine gute Leistung bietet, kann/können die relativ hohe Spannung und/oder der relativ hohe Strom, die/der während Schreiboperationen auf einem MTJ-Bauelement genutzt ist, verursachen, dass eine Größe des MOSFET-Transistors im Vergleich zum MTJ-Bauelement relativ groß ist. Die große Größe des MOSFET-Transistors begrenzt jedoch, wie klein Speicherzellen innerhalb eines Speicher-Arrays sein können. Ein weiterer Typ von Zugangsauswahl-Vorrichtungen weist zwei unipolare Auswahlschalter auf (d. h., Bauelemente, die jeweils Strom während des normalen Betriebs in nur einer einzigen Richtung durchlassen). Ein anderer Typ einer Zugangsauswahl-Vorrichtung ist ein bipolarer Auswahlschalter. Ein bipolarer Auswahlschalter, der durch einen Stapel aus dünnen Filmen gebildet ist, kann eine deutlich kleinere Größe aufweisen als ein MOSFET.
Ein integrierter Chip nach dieser Offenbarung weist eine Speicherzelle auf, die ein magnetisches Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement) und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung aufweist. Das MTJ-Bauelement umfasst eine freie Schicht und eine verstiftete Schicht auf. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung weist eine erste Metallstruktur und eine zweite Metallstruktur auf, die voneinander durch eine oder mehrere nicht-metallische Schicht(en) getrennt ist. Nach diesen Lehren weist die erste metallische Struktur eine polarisierte magnetische Schicht auf. Wie die verstiftete Schicht weist die polarisierte magnetische Schichte eine magnetische Ausrichtung auf, die statisch oder fest ist. Die magnetische Ausrichtung der polarisierten magnetischen Schicht ist allgemein unterschiedlich von der der verstifteten Schicht. In einigen Ausführungsformen ist die magnetische Ausrichtung der polarisierten magnetischen Schicht allgemein orthogonal zu der der verstifteten Schicht. Das von der polarisierten magnetischen Schicht erzeugte Magnetfeld erstreckt sich durch die freie Schicht, kippt ihre magnetische Ausrichtung weg von einer Richtung des Stromflusses verkürzt damit erheblich eine Schaltzeit für die MTJ-Vorrichtung. In einigen dieser Lehren ist die Zugangsauswahl-Vorrichtung ein bipolarer Auswahlschalter. In einigen dieser Lehren ist die polarisierte magnetische Schicht in eine Elektrode des bipolaren Auswahlschalters integriert. In einigen dieser Lehren weist der bipolare Auswahlschalter eine dielektrische Schicht auf, die durch Oxidieren eines Abschnitts der polarisierten magnetischen Schicht gebildet ist. Das Bilden der dielektrischen Schicht durch Oxidieren der polarisierten magnetischen Schicht führt zu einem vereinfachten Prozess und erleichtert das Integrieren des bipolaren Auswahlschalters in das MTJ-Bauelement. In einigen dieser Lehren sind sowohl die Zugangsauswahl-Vorrichtung als auch das MTJ-Bauelement durch einen Stapel aus Materialschichten gebildet. Eine Speicherzelle in einem integrierten Chip nach diesen Lehren kann effizient hergestellt sein, kann kompakt sein und kann eine gute Schreibgeschwindigkeit aufweisen.
1 stellt ein schematisches Diagramm einer Speicherzelle 100 gemäß einigen Ausführungsformen dieser Offenbarung mit einer Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 und einem magnetischen Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement) 109 dar. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 weist eine polarisierte magnetische Schicht 104a auf, die ausgestaltet ist, um eine Schaltzeit für das MTJ-Bauelement wesentlich zu verkürzen.
Das MTJ-Bauelement 109 weist ein MTJ 107 auf, das zwischen einer ersten Elektrode 108 und einer zweiten Elektrode 105 angeordnet ist. Die erste Elektrode 108 ist an eine Wortzeile WL gekoppelt und die zweite Elektrode 105 ist an eine Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 gekoppelt, die den Zugang (z.B. Lesezugang und/oder Schreibzugang) zum MTJ-Bauelement 109 moduliert. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 ist weiterhin an eine Bit-Zeile BL gekoppelt. In einigen Ausführungsformen ist die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 zwischen dem BL- und dem MTJ-Bauelement 109 angeordnet. In einigen alternativen Ausführungsformen ist die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 zwischen dem WL- und dem MTJ-Bauelement 109 angeordnet.
In einigen Ausführungsformen umfasst der MTJ 107 eine verstiftete Schicht 1070, die von einer freien Schicht 107a durch eine dielektrische Tunnelschranken-Schicht 107b getrennt ist. Die verstiftete Schicht 1070 weist eine magnetische Polarisierung auf, die fest ist, während die freie Schicht 107a eine magnetische Polarisierung aufweist, die durch eine Schaltoperation geändert sein kann, um entweder parallel (d.h. einen „P“-Status) oder anti-parallel (d.h. einen „AP“-Status) in Bezug auf die magnetische Polarisierung der verstifteten Schicht 1070 zu sein. Die Schaltoperation kann durch den Tunnelmagnetwiderstands-Effekt (TMR-Effekt) operieren. Eine Beziehung zwischen den magnetischen Polarisierungen der verstifteten Schicht 1070 und der freien Schicht 107a definiert einen ohmschen Status des MTJ 107 und ermöglicht damit dem MTJ 107 das Speichern eines Datenstatus.
In einigen Ausführungsformen ist die Polarisierung der verstifteten Schicht 1070 lotrecht (in einer ersten Richtung 110 oder einer zweiten Richtung 112). In einigen Ausführungsformen weist die verstiftete Schicht 1070 Kobalt (Co), Eisen (Fe), Bor (B), Nickel (Ni), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Platin (Pt) oder dergleichen auf. In einigen Ausführungsformen weist die dielektrische Tunnelschranke 107b Magnesiumoxid (MgO), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder dergleichen auf. In einigen Ausführungsformen weist die freie Schicht 107a Kobalt (Co), Eisen (Fe), Bor(B) oder dergleichen auf. In einigen Ausführungsformen weisen die erste Elektrode 108 und die zweite Elektrode 105 eines oder mehrere aus Titan, Tantal, Wolfram, Titannitrid, Tantalnitrid oder dergleichen auf.
Die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 kann eine bipolare Auswahlvorrichtung sein, die eine erste Elektrode 104, die eine Metallstruktur ist, und eine zweite Elektrode 102, die eine andere Metallstruktur ist, die von der Nicht-Metallstruktur 103 getrennt ist, aufweist. Die Nicht-Metallstruktur 103 kann eine oder mehrere Schicht(en) aus geeigneten Isolatoren oder Halbleitern sein. In einigen Ausführungsformen weist die Nicht-Metallstruktur 103 einen Isolator auf, der ein Oxid oder ein ferromagnetisches Metall, wie z.B. ein Kobaltoxid (CoOx), ein Nickeloxid (NiOx), ein Eisenoxid (FeOx) oder dergleichen ist. In einigen Ausführungsformen weist die Nicht-Metallstruktur 103 einen Isolator auf, der ein intrinsisches Oxid, wie z.B. ein Oxid eines Hafniumoxids (HfO₂), Titanoxids (TiO₂), Aluminiumoxids (Al₂O₃) oder dergleichen ist. In einigen Ausführungsformen weist die Nicht-Metallstruktur 103 eine Schicht auf, die ein Isolator ist, und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 ist ein bipolarer Auswahlschalter eines Metall-Isolatormetalls (MIM). In einigen Ausführungsformen weist die Nicht-Metallstruktur 103 einen ersten Isolator 103a und einen zweiten Isolator 103b auf, und die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 ist ein bipolarer Auswahlschalter (MIIM). In einigen Ausführungsformen weist der erste Isolator 103a eine erste Bandlücken-Energie auf und der zweite Isolator 103b weist eine zweite Bandlücken-Energie auf, die von der ersten Bandlückenenergie unterschiedlich ist. In einigen Ausführungsformen ist der erste Isolator 103a Titanoxid (TiO₂) oder dergleichen. In einigen dieser Ausführungsformen ist der zweite Isolator 103b ein Oxid eines magnetischen Metalls. In einigen dieser Ausführungsformen ist das Oxid eines magnetischen Metalls ein Kobaltoxid (CoOx), ein Eisenoxid (FeOx), ein Nickeloxid (NiOx) oder dergleichen. Z.B. kann das Oxid eines magnetischen Metalls Co₃O₄ sein.
In einigen Ausführungsformen weist die Nicht-Metallstruktur 103 eine Schicht auf, die ein Halbleiter ist, und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 ist ein bipolarer Auswahlschalter eines Metall-Halbleitermetalls (MSM). Zu den geeigneten Halbleitern für die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 können Silizium (Si), Geranium (Ge), Silizium-Geranium (SiGe), Oxid-Halbleiter, wie z.B. Indium-Galliumzinkoxid (IGZO), Materialien der Gruppe III-V, wie z.B. Indium-Galliumarsenid (InGaAS) oder dergleichen gehören. In einigen Ausführungsformen weist die Nicht-Metallstruktur 103 mehrere Halbleiterschichten auf. In einigen Ausführungsformen weist die Nicht-Metallstruktur 103 eine Mischung aus Isolator- und Halbleiterschichten auf. Zahlreiche Schichten aus unterschiedlichen Materialien können das Bereitstellen der gewünschten Rektifizierungsmerkmale für die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 erleichtern.
Während der Operation ermöglicht die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 Strömen, die durch vergleichsweise große Spannungsunterschiede getrieben sind, mit relativ kleinem Widerstand hindurchzutreten. Der Strom kann durch das MTJ-Bauelement 109 entweder in der ersten Richtung 110 (z.B. von der Wortzeile WL zur Bitzeile BL) oder der zweiten Richtung 112, die der ersten Richtung 110 entgegengesetzt ist 110 (z.B. von der Bitzeile BL zur Wortzeile WL) fortfahren. Strom, der durch das MTJ-Bauelement 109 entlang der ersten Richtung 110 hindurchtritt, ist zum Schreiben eines ersten Datenstatus (z.B. einer Logik „o“) zum MTJ-Bauelement 109 verwendet. Strom, der durch das MTJ-Bauelement 109 entlang der zweiten Richtung 112 hindurchtritt, ist zum Schreiben eines zweiten Datenstatus (z.B. einer Logik „1“) zum MTJ-Bauelement 109 verwendet. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 weist einen erheblich größeren Widerstand gegenüber durch kleinere Spannungsunterschiede getriebenen Strömen auf. Somit verringert die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 Kriechströme durch das MTJ-Bauelement 109, wenn die Speicherzelle 100 nicht ausgewählt ist.
Die erste Elektrode 104 und die zweite Elektrode 102 der Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 können ein oder mehrere Metall(e) aufweisen, wie z.B. Titan (Ti), Tantal (Ta), Wolfram (W), Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Kobalt (Co), Kupfer (Cu). Nach einigen Aspekten dieser Lehren weist eine der ersten Elektrode 104 und der zweiten Elektrode 102 eine polarisierte magnetische Schicht auf. Die polarisierte magnetische Schicht kann eine ferromagnetische Schicht sein. Eine ferromagnetische Schicht kann Kobalt (Co), Eisen (Fe), Nickel (Ni) oder dergleichen oder eine Legierung, wie z.B. Kobalt-Eisenbor (CoFeB) oder dergleichen oder, eine mehrschichtige ferromagnetische Struktur, wie z.B. Kobalt-Eisen/Nickel-Eisen (CoFe/NiFe) oder dergleichen sein. In einigen Ausführungsformen weist die polarisierte magnetische Schicht eine Polarisierung auf gleicher Ebene auf, die eine Polarisierung ist, die lotrecht sowohl zur ersten Richtung 110 als auch zur zweiten Richtung 112 ist. In einigen Ausführungsformen weist eine der ersten Elektrode 104 und der zweiten Elektrode 102 der Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 eine polarisierte ferromagnetische Schicht und ein Metall auf. Z.B. kann die erste Elektrode 104 die polarisierte magnetische Schicht 104a und eine nicht-magnetische Schicht 104b aufweisen, die ein Metall ist. In einem spezielleren Beispiel kann die polarisierte magnetische Schicht 104a Kobalt (Co) oder dergleichen sein und die nicht-magnetische Schicht 104b kann Titan (Ti) oder dergleichen sein.
Die polarisierte magnetische Schicht 104a erzeugt ein Magnetfeld 114, das betriebsbereit ist, um ein Magnetfeld in der freien Schicht 107a weg von einer Richtung des Stromflusses zu kippen, wodurch eine Schreibzeit (Schaltzeit) für das MTJ -Bauelement 109 verkürzt ist. Die 2A und 2B erläutern diese Auswirkungen. Wie in dem Schaubild 200a der 2A gezeigt, bewegt sich eine Richtung der Polarisierung 201a für ein Magnetfeld der freien Schicht 107a nicht auf einem direkten Pfad, wenn sie von einer ersten Richtung 203a zu einer zweiten Richtung 205a übergeht, sondern präzediert um eine Achse 209, um eine Spirale zu zeichnen. Die Achse dieser Spirale 209 ist in der Richtung des Stromflusses ausgerichtet, die die erste Richtung 110 oder die zweite Richtung 112 sein kann. Die Zeit für das Präzedieren ist als Inkubationsperiode für eine Schreiboperation bezeichnet. Die Inkubationsperiode kann z.B. in dem Bereich von ungefähr 5 Nanosekunden bis ungefähr 10 Nanosekunden liegen. Wie in 2B gezeigt, kann die Anzahl von Präzessionen und infolgedessen die Inkubationsperiode, erheblich gekürzt sein, wenn die Startrichtung der Polarisierung geringfügig von der Achse weg gekippt ist.
Bei Fehlen der polarisierten Magnetschicht 104a ist das Magnetfeld der freien Schicht 108a effektiv ungefähr parallel zur Achse 209 und bewegt sich anfänglich sehr langsam und mit zahlreichen Präzessionen von der Achse 209 weg. Die polarisierte Magnetschicht 104a veranlasst das Magnetfeld der freien Schicht 107a, anfänglich gekippt zu sein, was die Inkubationszeit stark verkürzen kann. In einigen Ausführungsformen kippt die polarisierte magnetische Schicht 104a das Magnetfeld der freien Schicht 107a von ungefähr einem Grad bis zu ungefähr fünf Grad. In einigen Ausführungsformen kippt die polarisierte magnetische Schicht 104a das Magnetfeld der freien Schicht 107a ausreichend, um die Inkubationszeit um die Hälfte oder mehr zu verkürzen. In einigen Ausführungsformen verkürzt das Kippen die Inkubationszeit um einen Faktor von acht oder mehr. Zum Aktivieren dieser Ergebnisse kann ein geringfügiges Kippen ausreichend sein.
Die 3A-3D stellen Querschnittsansichten 300, 320, 340 und 360 von integrierten Chips gemäß verschiedenen Ausführungsformen dieser Offenbarung dar, wobei jedes eine Speicherzelle aufweist, die ein MJT-Bauelement und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung mit einer mittleren Struktur aufweist, die zwischen zwei Metallstrukturen angeordnet ist, von der eine polarisierte magnetische Schicht aufweist, die ein Magnetfeld erzeugt, das wirksam ist, um eine Anzahl oder Präzessionszyklen zu verringern, die durch eine freie Schicht des MTJ-Bauelements während des Schaltens durchlaufen wurden.
3A stellt eine Querschnittsansicht 300 eines integrierten Chips mit einer dielektrischen Struktur 304 dar, die über einem Substrat 302 angeordnet ist. Die dielektrische Schicht 304 weist mehrere gestapelte Zwischendielektrikum-Schichten (ILD-Schichten) auf und umgibt eine erste Speicherzelle 305 und eine zweite Speicherzelle 305b, die seitlich an der ersten Speicherzelle 305a anliegt. Die erste Speicherzelle 305a und die zweite Speicherzelle 305b weisen jeweils eine Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 und ein MTJ-Bauelement 109 auf, das zum Speichern eines Datenstatus ausgestaltet ist. Innerhalb jeder der ersten Speicherzelle 305a und der zweiten Speicherzelle 305b sind sowohl die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 als auch das MTJ-Bauelement 109 durch einen einzelnen vertikalen Stapel dünner Filme oder Schichten gebildet. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 ist ein bipolarer Auswahlschalter, der eine polarisierte magnetische Schicht 104a aufweist, die ein Magnetfeld 114a erzeugt, das wirksam ist, um die Polarisierung der freien Schicht 107a weg von der Richtung des Stromflusses (entweder die erste Richtung 110 oder die zweite Richtung 112) zu kippen. Diese Wirkung kann unabhängig davon auftreten, ob die freie Schicht 107a in der parallelen oder der anti-parallelen Ausgestaltung ist. Die nicht-magnetische Schicht 104b der ersten Elektrode 104 liegt an der zweiten Elektrode 105 des MTJ-Bauelements 109 an. Diese anliegenden Schichten können durch eine einzelne Schicht aus einem Material gebildet sein.
Die dielektrische Struktur 304 umgibt weiterhin mehrere Metall-Interconnectschichten, die eine Interconnect-Schicht 306a und eine Interconnect-Schicht 306b aufweisen, die anliegend sind. Die erste Speicherzelle 305a und die zweite Speicherzelle 305b sind zwischen den Interconnect-Schichten 306a und 306b angeordnet. Die Interconnect-Schichten 306a und 306b können Interconnect-Drähte und Interconnect-Durchkontaktierungen aufweisen. Die Interconnect-Drähte und die Interconnect-Durchkontaktierungen weisen ein leitendes Material (z.B. Kupfer, Aluminium, Wolfram oder dergleichen) auf. Die Interconnect-Drähte und die Interconnect-Durchkontaktierungen können weiterhin eine Verteilerschranken-Schicht und/oder eine Klebeschicht aufweisen, die das leitende Material umgeben.
3B stellt eine Querschnittsansicht 320 eines integrierten Chips gemäß einigen anderen Ausführungsformen dieser Offenbarung dar. In der Querschnittsansicht 320 sind eine erste Speicherzelle 305c und eine zweite Speicherzelle 305d innerhalb der dielektrischen Struktur 304 angeordnet. Jede weist die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 und das MTJ-Bauelement 109 auf. Die polarisierte magnetische Schicht 104a der Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 erzeugt ein Magnetfeld 114b, das wirksam ist, um die Polarisierung der freien Schicht 107a von einer Richtung des Stromflusses weg zu kippen, ganz gleich, ob die freie Schicht 107a in der parallelen oder der anti-parallelen Ausgestaltung ist. Die erste Speicherzelle 305c und die zweite Speicherzelle 305 unterscheiden sich von der ersten Speicherzelle 305a und der zweiten Speicherzelle 305b der Querschnittsansicht 300 der 32A darin, dass das MTJ-Bauelement 109 oberhalb der Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 angeordnet ist. In dem Bauelement, das von der Querschnittsansicht 320 dargestellt ist, liegt die zweite Elektrode 102 des MTJ-Bauelements 109 an der ersten Elektrode 108 der Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 an. Diese Elektroden können durch eine einzelne Schicht aus einem Material gebildet sein. Anders ausgedrückt, eine obere Elektrode für das eine Bauelement kann eine untere Elektrode für das andere Bauelement bereitstellen.
Wie durch einen Vergleich der Querschnittsansicht 300 und der Querschnittsansicht 320 dargestellt, können die Schichten der Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 entweder oben auf den Schichten des MTJ-Bauelements 109 oder unterhalb der Schichten des MTJ-Bauelements 109 gebildet sein. Die polarisierte magnetische Schicht 104a der Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 kann auf dem MTJ-Bauelement 109 der Seite der Nicht-Metallstruktur 103 oder auf der entgegengesetzten Seite sein. Die freie Schicht 107a des MTJ-Bauelements 109 kann näher an der Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 sein als die verstiftete Schichte 1070 oder weiter. Unbeschadet dieser Alternativen kann die Wirksamkeit der polarisierten magnetischen Schicht 104a zum Erhöhen der Schreibgeschwindigkeit ansteigen, wenn die polarisierte magnetische Schicht 104a näher an der freie Schicht 107a angeordnet ist.
3C stellt eine Querschnittsansicht 340 eines anderen integrierten Chips dar, der seitlich angeordnete Speicherzellen 305e und 305f aufweist, von denen jede das MTJ-Bauelement 109 und die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 aufweist. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 kann seitlich von dem MTJ-Bauelement 109 in jeder der Speicherzellen 3060 und 305f abgesetzt sein. Während das MTJ-Bauelement 109 zwischen den Interconnect-Schichten 306a und 306b angeordnet ist, ist die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 in dieser Ausführungsform darüber hinaus zwischen den Interconnect-Schichten 306b und 306c angeordnet. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 ist eine bipolare Auswahlvorrichtung, die eine polarisierte magnetische Schicht 104a aufweist, die ein Magnetfeld 114c erzeugt, das wirksam ist, um die Polarisierung der freien Schicht 107a weg von der Richtung des Stromflusses (entweder die erste Richtung 110 oder die zweite Richtung 112) zu kippen.
3D stellt eine Querschnittsansicht 360 eines anderen integrierten Chips dar, der seitlich angeordnete Speicherzellen 305g und 305h aufweist, von denen jede das MTJ-Bauelement 109 und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung 361 aufweist. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung 361 weist einen ersten unipolaren Auswahlschalter 377 und einen zweiten unipolaren Auswahlschalter 365 auf. Der erste unipolare Auswahlschalter 377 und der zweite unipolare Auswahlschalter 365 sind jeweils ausgestaltet, um dem Strom zu erlauben, während des normalen Betriebs (z.B. außerhalb einer Störung) entlang einer Einzelrichtung hindurchzutreten. Z. B. ist der erste unipolare Auswahlschalter 377 ausgestaltet, um dem Strom zu ermöglichen, durch das MTJ-Bauelement 109 entlang der ersten Richtung 110 (z.B. Von der ersten Wortzeile WL1 zur Bitzeile BL1) hindurchzutreten, und der zweite unipolare Auswahlschalter 365 ist ausgestaltet, um dem Strom zu ermöglichen, durch das MTJ-Bauelement 109 entlang einer zweiten Richtung 112 hindurchzutreten, die der ersten Richtung 110 entgegengesetzt ist (z.B. von der Bitzeile BL₁ zur zweiten Wortzeile WL2). Wenn Strom durch das MTJ-Bauelement 109 entlang der ersten Richtung 110 hindurchtritt, kann ein erster Datenstatus (z.B. eine Logik „o“) zum MTJ-Bauelement 109 geschrieben sein. Wenn Strom, der durch das MTJ-Bauelement 109 entlang der zweiten Richtung 112 hindurchtritt, kann ein zweiter Datenstatus (z.B. eine Logik „1“) zum MTJ-Bauelement 109 geschrieben sein.
In einigen Ausführungsformen sind der erste unipolare Auswahlschalter 377 und der zweite unipolare Auswahlschalter 365 Dioden (z.B. PN-Diode, PiN-Dioden, Schottky-Dioden, Oxid-Halbleiterdioden oder dergleichen). In einigen Ausführungsformen ist auf das MTJ-Bauelement 109 für Lese- und Schreiboperationen unter Heranziehung von angewendeten Spannungsunterschieden zugegriffen, die größer als ein Schwellenwert der Dioden sind. In anderen Ausführungsformen sind eine oder beide des ersten unipolaren Auswahlschalters 377 und des zweiten unipolaren Auswahlschalters 365 drahtbasierte Auswahlschalter, Stromrichter, Auswahlschalter vom Varistortyp, Ovonik-Schwellenwertschalter (OTS), dotierte chalkogenidbasierte Auswahlschalter, Mott-Effekt-basierte Auswahlschalter, gemischte ionische elektronische leitende-basierte Auswahlschalter (MIEC-Auswahlschalter), feldgestützte Superliner-Schwellenwert-Auswahlschalter (FAST-Auswahlschaltern) oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen sind der erste unipolare Auswahlschalter 377 und der zweite unipolare Auswahlschalter 365 vom selben unipolaren Auswahlschaltertyp. In anderen Ausführungsformen sind der erste unipolare Auswahlschalter 377 und der zweite unipolare Auswahlschalter 365 von unterschiedlichen unipolaren Auswahlschaltertypen. In einigen Ausführungsformen z.B. kann der erste unipolare Auswahlschalter 377 eine Diode sein und der zweite unipolare Auswahlschalter kann ein drahtbasierter Auswahlschalter sein.
Eine Elektrode für den ersten unipolaren Auswahlschalter 377 weist eine Elektrode mit einer magnetischen Schicht 375 auf, die ein Magnetfeld 114d erzeugt, das wirksam ist, um die Polarisierung der freien Schicht 107a weg von der Richtung des Stromflusses (entweder der ersten Richtung 110 oder der zweiten Richtung 112) zu kippen und dadurch eine Inkubationsperiode zum Schreiben des MTJ-Bauelements 109 zu verkürzen. In anderen Ausführungsformen ist die magnetische Schicht 375 an anderer Stelle innerhalb der Zugangsauswahl-Vorrichtung 361 angeordnet. Z.B. kann die magnetische Schicht 375 die gesamte oder ein Teil einer unteren Elektrode 379 des ersten unipolaren Auswahlschalters 377, ein Crossbar 371, eine Durchkontaktierung 373 sein, die das MTJ-Bauelement 109 an den Crossbar 371a anschließt, eine Durchkontaktierung, die den zweiten unipolaren Auswahlschalter 365 an den Crossbar 371 anschließt, eine untere Elektrode 367 für den zweiten unipolaren Auswahlschalter 365 oder eine obere Elektrode 363 für den zweiten unipolaren Auswahlschalter 365 sein.
4 stellt ein Blockdiagramm einiger Ausführungsformen einer Speicherschaltung 400 dar, aufweisend ein Speicher- Array mit mehreren Speicherzellen, die jeweils eine Zugangsauswahl-Vorrichtung mit bipolaren Auswahlschaltern aufweisen.
Die Speicherschaltung 400 umfasst ein Speicher-Array 402 mit mehreren Speicherzellen 404_a,1-404_c,4 . Die mehreren Speicherzellen 404_a,1-404_c,4 sind innerhalb des Speicher-Arrays 402 in Zeilen und/oder Spalten angeordnet. Eine erste Zeile von Speicherzellen umfasst z.B. Speicherzellen 404_a,1-404_c,1 , während eine erste Säule von Speicherzellen 404_a,1-,404_a,4 umfasst. Die mehreren Speicherzellen 404_a,1-404_c,4 weisen jeweils ein MTJ-Bauelement 109 auf, das an eine Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 gekoppelt ist, die eine polarisierte magnetische Schicht 104a aufweist, die Schreibzeiten für das jeweilige MTJ-Bauelement 109 verkürzt. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 ist ausgestaltet, um selektiv den Zugang zu einem MTJ-Bauelement 109 innerhalb von einer oder mehreren Speicherzelle(n) 404_a,1-404_c,4 bereitzustellen, um dem Strom das Fließen durch die ausgewählten Speicherzellen 404_a,1-404_c,4 bei gleichzeitigem Hemmen von Kriechströmen durch nicht ausgewählte Zellen 404a,1-404c,4. zu ermöglichen.
Das Speicher-Array 402 ist zum Steuern der Schaltung mittels mehrerer Bit-Zeilen BL₁-BL₄ und mehrerer Wortzeilen WL₁-WL₃ . gekoppelt. In einigen Ausführungsformen weist die Steuerschaltung einen Bitzeilen-Dekodierer 406, der an die mehreren Bitzeilen BL₁-BL₄ gekoppelt ist, und einen Wortzeilen-Dekodierer 408, der an die mehreren Wortzeilen WL₁-WL₃ gekoppelt ist, auf. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung weiterhin einen Richtungsverstärker 410 aufweisen, der mittels mehrerer Wortzeilen WLr WLs an das Speicher-Array 402 gekoppelt ist. Der Richtungsverstärker 410 ist ausgestaltet, um Daten von den mehreren Speicherzellen 404_a,1-404_c,4 auszulesen.
Für den Zugriff auf das MTJ-Bauelement 109 einer Speicherzelle 404_a,1-404_c,4 ist der Bitzeilen-Dekodierer 406 zum selektiven Anwenden einer ersten Spannung auf eine oder mehrere Bitzeile(n) BL₁-BL₄ basierend auf einer ersten Adresse S_ADDR1 ausgelegt, die von einer Steuerschaltung 412 empfangen ist, während der Wortzeilen-Dekodierer 408 ausgestaltet ist, um eine zweite Spannung selektiv auf eine oder mehrere Wortzeile(n) WL₁-WL₃ basierend auf einer zweiten AdresseS_ADDR2 anzuwenden, die von der Steuerschaltung 412 empfangen ist. Die angewendeten Spannungen werden einen Strom zum Fließen durch die Zugangsauswahl-Vorrichtung 101 und das MTJ-Bauelement 109 der ausgewählten Speicherzelle 404_a,1-404_c,4 veranlassen.
5 stellt eine Querschnittsansicht eines integrierten Chips 500 nach einigen anderen Aspekten dieser Lehren mit einem Speicher-Array dar, das eine Vielzahl von Speicherzellen aufweist, wobei jede davon ein MTJ-Bauelement und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung mit einer polarisierten magnetischen Schicht aufweist, die eine Schreibzeit des MTJ verkürzt. Die polarisierte magnetische Schicht irgendeiner der Speicherzellen kann ebenfalls zu einer Verkürzung der Schreibzeit für die MTJs von einer oder mehreren anliegenden Zelle(n) beitragen. Der integrierte Chip 500 kann modifiziert sein, um die Konzepte aufzunehmen, die in Bezug auf irgendeine Querschnittsansicht 300 der 3A, Querschnittsansicht 320 der 3B, Querschnittsansicht 340 der 3C und Querschnittsansicht 360 der 3D beschrieben sind.
Der integrierte Chip 500 weist ein Substrat 202 auf, das eine eingebettete Speicherregion 508 und eine logische Region 510 aufweist. Über dem Substrat 202 ist eine dielektrische Struktur 204 angeordnet. Die dielektrische Struktur 204 weist mehrere gestapelte Zwischendielektrikum-Schichten (ILD-Schichten) 512a-512f auf, die vertikal von jeder Ätzstopp-Schicht 513a-513e getrennt sind. In einigen Ausführungsformen weisen die mehreren gestapelten ILD-Schichten 512a-512f eines oder mehrere aus Siliziumdioxid(e), SiCOH, ein Fluorsilikat-Glas, ein Phosphatglas (z.B. Borophosphat-Silikatglas) oder dergleichen auf. In einigen Ausführungsformen weisen die Ätzstopp-Schichten 513a-513e ein Nitrid (z.B. Siliziumnitrid), ein Karbid (z.B. Siliziumkarbid) oder dergleichen auf.
Innerhalb der eingebetteten Speicherregion 508 sind mehrere Speicherzellen 305i angeordnet, von denen jede eine Zugangsauswahl-Vorrichtung 505 aufweist, die an das MTJ-Bauelement 109 gekoppelt ist. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung 505 weist eine erste Metallstruktur 509 und eine obere Elektrode 501 auf, die voneinander durch eine oder mehrere nicht-metallische Schicht(en) 506 getrennt sind. Die erste Metallstruktur 509 umfasst eine polarisierte magnetische Schicht 504 mit einer Polarisierung auf gleicher Ebene. In einigen Ausführungsformen weist/weisen die eine oder mehreren nicht-metallischen Schicht(en) 506 eine erste dielektrische Schicht 503 auf, die an der polarisierten magnetischen Schicht 504 anliegt und ein Oxidationsprodukt der polarisierten magnetischen Schicht 504 ist. In einigen Ausführungsformen weist/weisen die eine oder die mehreren nicht-metallischen Schicht(en) 506 weiterhin eine zweite dielektrische Schicht 502 mit einer unterschiedlichen Bandlücken-Energie von der ersten dielektrischen Schicht 503 auf. In einigen Ausführungsformen ist die Zugangsauswahl-Vorrichtung 505 ein bipolarer Auswahlschalter.
Das MTJ-Bauelement 109 weist ein MTJ 107 auf, das zwischen einer ersten Elektrode 511 und einer zweiten Elektrode 507 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen sind Seitenwand-Abstandshalter 530 entlang entgegengesetzten Seiten des MTJ 107 angeordnet. In einigen Ausführungsformen erstrecken sich die Seitenwand-Abstandshalter 530, um die Seitenwände der Zugangsauswahl-Vorrichtung 505 zu flankieren. Die Seitenwand-Abstandshalter 530 können gekrümmte äußerste Seitenwände aufweisen, die von dem MTJ 107 abgewandt sind. In verschiedenen Ausführungsformen weisen die Seitenwand-Abstandshalter 530 Siliziumnitrid, Siliziumdioxid (SiO₂), Silizium-Oxynitrid (z.B. SiON) oder dergleichen auf. In einigen Ausführungsformen ist eine Verkapselungsschicht 534 über den Seitenwand-Abstandshaltern 530 angeordnet. In einigen Ausführungsformen weist die Verkapselungsschicht 534 ein Oxid (z.B. siliziumreiches Oxid), ein Nitrid (z.B. Siliziumnitrid), ein Karbid (z.B. Siliziumkarbid) oder dergleichen auf.
In einigen Ausführungsformen erstreckt sich eine obere Elektroden-Durchkontaktierung 536 durch die Verkapselungsschicht 534, um die obere Elektrode 501 der Speicherzelle 305i zu kontaktieren. Die obere Elektroden-Durchkontaktierung 536 koppelt die zweite Elektrode 105 an einen Interconnect-Draht 514c. In einigen Ausführungsformen weist die obere Elektroden-Durchkontaktierung 536 Aluminium, Kupfer, Wolfram oder dergleichen auf. In einigen Ausführungsformen ist ein zweiter Interconnect-Draht 514b unterhalb der Speicherzelle 305i angeordnet und von der Speicherzelle 305i durch eine untere isolierende Struktur 520 und die vierte Ätzstopp-Schicht 513d getrennt. Eine untere Elektroden-Durchkontaktierung 524 kann sich durch die untere Isolationsstruktur 520 erstrecken, um die erste Elektrode 511 an den zweiten Interconnect-Draht 514b zu koppeln.
Die untere Isolationsstruktur 520 kann eine oder mehrere Schichten verschiedener Isolatoren aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist die untere Isolationsstruktur 520 eine siliziumreiche Oxidschicht oder dergleichen auf. In einigen Ausführungsformen weist die untere Isolationsstruktur 520 eine größere (d.h. ausgedehntere) Dicke in der logischen Region 510 auf als in der eingebetteten Speicherregion 508. In einigen Ausführungsformen weist die untere Isolationsstruktur 520 eine Schicht aus Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder dergleichen auf. In einigen Ausführungsformen weist die untere Isolationsstruktur 520 die Verkapselungsschicht 534 auf. In einigen Ausführungsformen weist die untere Isolationsstruktur 520 eine Schicht aus Tetraethyl-Orthosilikat (TEOS) oder dergleichen auf.
In einigen Ausführungsformen ist der zweite Interconnect-Draht 514b an eine Wortzeile WL gekoppelt. Alternativ kann der zweite Interconnect-Draht 514 eine Wortzeile sein. In einigen Ausführungsformen ist der zweite Interconnect-Draht 5140 an eine Bitzeile BL₁ oder BL₂ gekoppelt. In einigen Ausführungsformen stellt der zweite Interconnect-Draht 5140 selbst die Bitzeile bereit. Die Speicherzelle 305i ist zwischen innerhalb der fünften ILD-Schicht 512e gebildet. Alternativ kann die Speicherzelle 305i innerhalb einer anderen ILD-Schicht oberhalb oder unterhalb der fünften ILD-Schicht 512 gebildet sein.
Innerhalb der logischen Region 510 ist/sind eine oder mehrere zusätzliche Interconnect-Schicht(en) innerhalb der dielektrischen Struktur 204 angeordnet. Die eine oder mehreren zusätzliche(n) Interconnect-Schicht(en) umfasst/umfassen einen leitenden Kontakt 540, einen Interconnect-Draht 542 und eine Interconnect-Durchkontaktierung 544. Die eine oder mehreren zusätzliche(n) Interconnect-Schicht(en) ist/sind an ein logisches Bauteil 538 gekoppelt, das innerhalb des Substrats 202 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann das logische Bauteil 538 ein Transistor-Bauteil (z.B. einen MOSFET, einen bipolaren Flächentransistor (BJT), einen Transistor mit hoher Elektronenmobilität (HEMT) oder dergleichen) aufweisen.
Die 6-14 zeigen Querschnittsansichten 600-1400, die ein Verfahren zum Bilden eines integrierten Chips mit einer Zugangsauswahl-Vorrichtung aufweisen, die einen bipolaren Auswahlschalter aufweisen, der eine polarisierte magnetische Schicht aufweist, die betriebsbereit ist, um eine Schreibzeit für ein zugeordnetes MTJ-Bauelement nach einigen Ausführungsformen dieser Offenbarung zu verkürzen. Obwohl die 6-14 in Bezug auf ein Verfahren beschrieben sind, wird man verstehen, dass die in den 6-14 offenbarten Strukturen nicht auf ein derartiges Verfahren beschränkt sind, sondern stattdessen als unabhängige Strukturen des Verfahrens stehen. Obwohl weiterhin die 6-14 bestimmte Strukturen und Zusammensetzungen für das MTJ-Bauelement und die Zugangsauswahl-Vorrichtung darstellen, ist das Verfahren problemlos auf andere Strukturen und Zusammensetzungen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung erweiterbar.
Wie in der Querschnittsansicht 600 der 6 gezeigt, ist über einer Metall-Interconnectstruktur 601, die ihrerseits über dem Substrat 220 gebildet ist, eine untere isolierende Struktur 605 gebildet. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat202 jeder beliebige Halbleiterkörper-Typ sein (z.B. Silizium, SiGe, SOI), wie z. B. ein Halbleiter-Wafer und/oder ein oder mehrere Die(s) auf einem Wafer, sowie jeder beliebige Halbleitertyp und/oder dazu zugeordnete epitaxiale Schichten. Die Metall-Interconnectstruktur 601 kann eine oder mehrere ILD-Schicht(en) aufweisen, die durch Ätzstopp-Schichten getrennt sind und leitende Drähte, Durchkontaktierungen und dergleichen umgeben. Die ILD-Schichten können ein oder mehrere dielektrische(s) Material(ien) aufweisen, wie z.B. Siliziumdioxid (Si02), SiCOH, ein Fluorosilikatglas, ein Phosphatglas (z.B. Borophosphat-Silikatglas) oder dergleichen. Das leitende Material, das innerhalb der Metall-Interconnectstruktur 601 Drähte, Durchkontaktierungen und dergleichen bildet, kann ein Metall (z.B. Aluminium, Kupfer, Wolfram) aufweisen, das anhand eines Aufbringungsprozesses (z.B. CVD, PVD, PE-CVD, ALD) gebildet ist.
In einigen Ausführungsformen ist die untere Isolationsstruktur 605 gebildet und dann selektiv strukturiert, um untere Elektroden-Durchkontaktierungsöffnungen 602 über Interconnect-Drähten 514b oder ähnlichen leitenden Merkmalen innerhalb einer Metall-Interconnectstruktur 601 zu definieren. In einigen Ausführungsformen weist die untere Isolationsstruktur 605 eine vierte Ätzstopp-Schicht 513d oder irgendeine andere Ätzstopp-Schicht und eine erste dielektrische Schicht 522 auf, die über der Ätzstopp-Schicht angeordnet ist. Die erste dielektrische Schicht 522 kann ein oder mehrere aus Siliziumkarbid, siliziumreichem Oxid, TEOS (Tetraethyl-Orthosilikat) oder dergleichen aufweisen.
Wie in der Querschnittsansicht 700 der 7 gezeigt, kann der MTJ-Bauelementstapel 717 über der unteren isolierenden Struktur 605 gebildet sein. Der MTJ-Bauelementstapel 717 kann eine untere Elektrodenstruktur 715, einen MTJ-Stapel 709 und eine obere Elektrodenschicht 701 aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist die untere Elektrodenstruktur 715 eine untere Elektrodenschicht 711 auf, die über einer unteren Elektroden-Durchkontaktierungsschicht 713 liegt. Die untere Elektroden-Durchkontaktierungsschicht 713 kann über der unteren Isolationsstruktur 605 liegen und die Öffnung 602 ausfüllen. Der MTJ-Stapel 709 kann eine verstiftete Schicht 707, eine dielektrische Schrankentunnel-Schicht 705 und eine freie Schicht 703 aufweisen. In einigen Ausführungsformen ist die verstiftete Schicht 707 zwischen der freien Schicht 703 und der unteren Elektrodenstruktur 715 angeordnet. In anderen (nicht gezeigten Ausführungsformen ist die freie Schicht 703 zwischen der verstifteten Schicht 707 und der unteren Elektrodenstruktur 715 angeordnet. Die obere Elektrodenschicht 701 ist über dem MTJ-Stapel 709 gebildet.
Wie in der Querschnittsansicht 800 der 8 gezeigt, kann über dem MTJ-Bauelementstapel 717 eine ferromagnetische Schicht 801 gebildet sein. In einigen Ausführungsformen beträgt die Dicke der ferromagnetischen Schicht 801 zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 200 nm. In einigen Ausführungsformen beträgt die Dicke der ferromagnetischen Schicht 801 zwischen ungefähr 15 nm und ungefähr 50 nm. In einigen Ausführungsformen ist die ferromagnetische Schicht 801 mit einer Polarisierung gebildet, die einen Kristallwachstumsprozes oder dergleichen verwendet. In anderen Ausführungsformen ist die ferromagnetische Schicht 801 nach dem Bilden polarisiert. In einigen Ausführungsformen weist die ferromagnetische Schicht 801 eine hohe Koerzivität auf, damit sie leichter zu einer statischen Schicht wird, die ihre Polarisierung über die Lebensdauer jedes daraus resultierenden Bauteils beibehält.
Wie in der Querschnittsansicht 900 der 9 gezeigt, kann die ferromagnetische Schicht 801 teilweise oxidiert sein, um eine erste dielektrische Schicht 901 zu bilden. In einigen Ausführungsformen weist die erste dielektrische Schicht eine Dicke zwischen ungefähr 2 nm und ungefähr 40 nm auf. In einigen Ausführungsformen weist die erste dielektrische Schicht eine Dicke zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 20 nm auf. In einigen Ausführungsformen verringert der Oxidationsprozess die ferromagnetische Schicht 801 auf eine Dicke zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 60 nm. In einigen Ausführungsformen verringert der Oxidationsprozess die ferromagnetische Schicht 801 auf eine Dicke zwischen ungefähr 10 nm und ungefähr 30 nm. Verwendet werden kann jeder geeignete Oxidationsprozess. In einigen Ausführungsformen ist die Oxidation durch den Kontakt der ferromagnetischen Schicht 801 mit Sauerstoff erreicht, In einigen Ausführungsformen ist die Oxidation durch den Kontakt der ferromagnetischen Schicht 801 mit einem Plasma erreicht, das sauerstoffhaltige Ionen oder Moleküle aufweist. In einigen Ausführungsformen ist die Oxidation dadurch erreicht, dass der ferromagnetischen Schicht 801 das Sauerstoffspülen von einer Sauerstoffschicht ermöglicht ist, die über der ferromagnetischen Schicht 801 angeordnet ist.
Wie in der Querschnittsansicht 1000 der 10 gezeigt, können zusätzliche Schichten über der in der Querschnittsansicht 900 der 9 gezeigten Struktur aufgebracht sein, um einen bipolaren Auswahlstapel 1007 zu bilden. Der bipolare Auswahlstapel 1007 kann die ferromagnetische Schicht 801, nicht-metallische Schichten 1005 und eine obere Elektrodenschicht 1003 aufweisen. Die nicht-metallischen Schichten 1005 können die erste dielektrische Schicht 901 und eine zweite dielektrische Schicht 1001 aufweisen, wobei die zweite dielektrische Schicht eine Bandlücken-Energie aufweist, die von einer Bandlücken-Energie der ersten dielektrischen Schicht 901 unterschiedlich ist. In einigen Ausführungsformen weist die zweite dielektrische Schicht 1001 eine Dicke zwischen ungefähr 2 nm und ungefähr 40 nm auf. In einigen Ausführungsformen weist die zweite dielektrische Schicht 1001 eine Dicke zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 20 nm auf. In einigen Ausführungsformen weist die obere Elektrodenschicht 1003 eine Dicke zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 60 nm auf. In einigen Ausführungsformen weist die obere Elektrodenschicht 1003 eine Dicke zwischen ungefähr 10 nm und ungefähr 30 nm auf.
Wie in der Querschnittsansicht 1100 der 11 gezeigt, kann eine Maskenschicht 1101 gebildet sein und der bipolare Auswahlstapel 1007 selektiv gemäß der Maskenschicht 1101 geätzt sein, um Speicherzellen 305i zu definieren. Die Maskenschicht 1101 kann Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder dergleichen sein. Das Ätzen definiert eine Zugangsauswahl-Vorrichtung 505 von dem bipolaren Auswahlstapel 1007. Das Strukturieren zum Definieren der Zugangsauswahl-Vorrichtung 505 weist das Definieren der oberen Elektrode 501 von der oberen Elektrodenschicht 1003, der zweiten dielektrischen Schicht 502 von der zweiten dielektrischen Schicht 1001 und der ersten dielektrischen Schicht 503 von der ersten dielektrischen Schicht 901 auf. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung 505 weist ebenfalls die erste Metallstruktur 509 auf, die eine polarisierte magnetische Schicht 504 aufweist, die von der ferromagnetischen Schicht 801 definiert ist. Die erste Metallstruktur 509 kann ebenfalls als alle oder einen Teil der zweiten Elektrode 507 enthaltend betrachtet werden, die von der oberen Elektrodenschicht 701 definiert ist. Das Ätzen mit der Maskenschicht 1101 kann weiterhin Abschnitte von MTJ-Bauelementen 109 definieren, die das Definieren der zweiten Elektrode 507 von der oberen Elektrodenschicht 701 und allen oder einigen der MTJs 107 aus dem MTJ-Stapel 709 aufweisen. Die Teile der MTJ 107, die vom MTJ-Stapel 709 durch das Ätzen der 11 gebildet sind, können die freie Schicht 107a, die dielektrische Tunnelschranke 107b und/oder die verstiftete Schicht 1070 aufweisen.
Wie in der Querschnittsansicht 1200 der 12 gezeigt, sind anliegend zu den Speicherzellen 305i, wie in der Querschnittsansicht 1100 der 11 gezeigt, Seitenwand-Abstandshalter 530 gebildet. Die Seitenwandabstandshalter 530 flankieren die Zugangsauswahl-Vorrichtung 505 und erstrecken sich, um Abschnitte der MTJs 107 zu flankieren, die wenigstens die dielektrischen Tunnelschranken 107b aufweisen. Ebenfalls in der Querschnittsansicht 1200 der 12 gezeigt, stellen die Seitenwand-Abstandshalter 530 eine Maskierungsfunktion zum selektiven Ätzen bereit, die die Definition der MTJ-Bauelemente 109 aus dem MTJ-Stapel 709 abschließt. Das selektive Ätzen definiert erste Elektroden 511 von der unteren Elektrodenschicht 711 und unteren Elektroden-Durchkontaktierungen 524 von der unteren Elektroden-Durchkontaktierungsschicht 713. Im Ergebnis können die Kanten der ersten Elektroden 511 mit dem Seitenwand-Abstandshalter 530 ausgerichtet sein. Das Ätzen kann die Maskenschicht 1101 beseitigen.
Wie in der Querschnittsansicht 1300 der 13 gezeigt, kann über den Speicherzellen 305i und dem Seitenwand-Abstandshalter 530 eine Verkapselungsschicht 534 gebildet sein. Die Verkapselungsschicht 534 flankiert die Seiten sowohl des MTJ-Bauelements 109 als auch der Zugangsauswahl-Vorrichtung 505. Wie in der Querschnittsansicht 1400 der 14 gezeigt, kann über der Verkapselungsschicht 534 eine vierte ILD-Schicht 512d gebildet sein. Die vierte ILD-Schicht 512d kann strukturiert sein, um Öffnungen zu definieren, die anschließend mit Metall gefüllt werden, um Elektroden-Durchkontaktierungen 536 und Interconnect-Drähte 5140 zu definieren. Die resultierende Struktur kann einen Abschnitt des in 5 gezeigten integrierten Chips 500 bilden.
In dem Beispiel des integrierten Chips 500 sind die Speicherzellen 305i mit einem einzelnen Satz von Seitenwand-Abstandshaltern 530 und einer einzelnen Verkapselungsschicht 534 gezeigt. In verschiedenen Ausführungsformen können zusätzliche Seitenwand-Abstandshalter, zusätzliche Verkapselungsschichten und eine oder mehrere Abdeckschichten für solche Zwecke verwendet sein wie das Verhindern einer Kreuzkontamination zwischen Schichten aus bipolarem Auswahlstapel 1007 und/oder Schichten aus dem MTJ-Bauelementstapel 717 während des Strukturierens, was das Strukturieren des bipolaren Auswahlstapels 1007 und/oder MTJ-Bauelementstapels 717 erleichtert und gewährleistet, dass die Durchkontaktierungen 536 auf den oberen Elektroden 501 landen, ohne Kurzschlüsse zu verursachen.
Die 15-16 stellen Querschnittsansichten 1500-1600 einiger Ausführungsformen eines anderen Verfahrens zum Bilden eines integrierten Chips mit einer Zugangsauswahl-Vorrichtung dar, die einen bipolaren Auswahlschalter aufweisen, der eine polarisierte magnetische Schicht aufweist, die betriebsbereit ist, um eine Schreibzeit für ein zugeordnetes MTJ-Bauelement zu verkürzen. Wie in der Querschnittsansicht 1500 der 15 gezeigt, kann die Bildung des bipolaren Auswahlschalters mit dem Bilden einer dritten dielektrischen Schicht 1501 und einer ferromagnetischen Schicht 1503 über einem MTJ-Bauelementstapel 717 beginnen. Die dritte dielektrische Schicht 1501 weist ein Oxid auf. Wie in der Querschnittsansicht 1600 der 16 gezeigt, kann dann eine vierte dielektrische Schicht 1601 durch teilweises Oxidieren der ferromagnetischen Schicht 1503 gebildet sein. Die Oxidation kann durch Spülen des Sauerstoffs aus der dritten dielektrischen Schicht 1501 auftreten. In dem resultierenden bipolaren Auswahlstapel 1605 kann die obere Elektrodenschicht 701 des MTJ-Stapels 709 als die untere Elektrode dienen, die ferromagnetische Schicht 1503 kann als die obere Elektrode dienen und die dritte dielektrische Schicht 1501 und die vierte dielektrische Schicht 1601 können als die nicht-metallischen Schichten 1005 dienen, die die obere Elektrode von der unteren Elektrode trennen.
17 stellt ein Flussdiagramm einiger Ausführungsformen eines Verfahrens 1700 zum Bilden eines integrierten Chips mit einer Speicherzelle bereit, die ein MTJ-Bauelement und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung aufweisen, wobei die Zugangsauswahl-Vorrichtung eine polarisierte magnetische Schicht aufweist, die betriebsbereit ist, um eine Schreibzeit für eine zugeordnete Speicherzelle zu verkürzen. Während das Verfahren 1700 nachstehend als eine Serie von Handlungen oder Ereignissen dargestellt und beschrieben ist, wird man verstehen, dass die dargestellte Reihenfolge derartiger Handlungen oder Ereignisse nicht im eingeschränkten Sinne zu interpretieren ist. Einige Handlungen können z.B. in unterschiedlicher Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen abgesehen von denen auftreten, die hierin dargestellt und/oder beschrieben sind. Zusätzlich dazu müssen nicht alle dargestellten Handlungen zwangsläufig einen oder mehrere Aspekte(e) oder Ausführungsform(en) der Beschreibung hierin implementieren. Weiterhin kann/können eine oder mehrere hierin aufgezeigte Handlung(en) in einer oder mehreren getrennten Handlung(en) und/oder Phase(n) ausgeführt sein.
Handlung 1701 bildet einen MTJ-Bauelementstapel oberhalb eines Substrats. Die Querschnittsansicht 700 der 7 zeigt eine Ausführungsform, die der Handlung 1701 entspricht, in der der MTJ-Bauelementstapel 717 über dem Substrat 220 gebildet ist.
Die Handlung 1703 bildet eine Elektrodenschicht für einen bipolaren Auswahlstapel, der eine magnetische Schicht aufweist. Die Querschnittsansicht 800 der 8 zeigt eine Ausführungsform, die der Handlung 1703 entspricht, in der die magnetische Schicht die ferromagnetische Schicht 801 ist. Die Querschnittsansicht 1500 der 15 zeigt ein anderes Beispiel, in dem die magnetische Schicht die ferromagnetische Schicht 1503 ist. Die Schichten des bipolaren Auswahlstapels können, wie in den Querschnittsansichten 800-1000 und 1500-1600 der 8-10 und 15-16 gezeigt, direkt über den Schichten des MTJ-Bauelementstapels 717 gebildet sein. In einigen alternativen Ausführungsformen sind die Schichten des MTJ-Vorrichtungsstapels 717 über den Schichten des bipolaren Auswahlschalters gebildet. In anderen Ausführungsformen können der MTJ-Bauelementstapel und die Zugangsauswahl-Vorrichtung eine unterschiedliche räumliche Beziehung aufweisen.
Die Handlung 1705 oxidiert einen Abschnitt der magnetischen Schicht zum Bilden einer dielektrischen Schicht für einen bipolaren Auswahlstapel. Die Querschnittsansicht 900 der 9 zeigt ein Beispiel, in dem die dielektrische Schicht 901 durch teilweises Oxidieren der ferromagnetischen Schicht 801 gebildet ist. Die Querschnittsansicht 1600 der 16 zeigt ein anderes Beispiel, in dem die vierte dielektrische Schicht 1601 durch teilweises Oxidieren der ferromagnetischen Schicht 1503 gebildet ist.
Die Handlung 1707 bildet verbleibende Schichten des bipolaren Auswahlstapels. Die Querschnittsansicht 1000 der 10 zeigt ein Beispiel, in dem der bipolare Auswahlstapel 1007 durch Bilden der zweiten dielektrischen Schicht 1001 und der oberen Elektrodenschicht 1003 über der ersten dielektrischen Schicht 901 fertiggestellt ist. Die Querschnittsansicht 1600 der 16 zeigt ein weiteres Beispiel, in dem der bipolare Auswahlstapel 1007 durch Oxidieren eines Abschnitts der ferromagnetischen Schicht 1503 zum Bilden der vierten dielektrischen Schicht 1601 fertiggestellt sein kann.
Handlung 1709 ist ein Strukturieren zum Bilden individueller Bauelemente aus dem bipolaren Auswahlstapel und dem MTJ-Bauelementstapel. Die Querschnittsansicht 1100 der 11 zeigt ein Beispiel, in dem das Strukturieren die Zugangsauswahl-Vorrichtung 505 definiert und teilweise das MTJ-Bauelement 109 für jede Speicherzelle 305i definiert.
Die Handlung 1711 bildet Seitenwand-Abstandshalter, die an den individuellen Bauelementen anliegen, die von dem Strukturieren der Handlung 1709 gebildet ist. Die Querschnittsansicht 1200 der 12 zeigt ein Beispiel, in dem die Seitenwand-Abstandshalter 530 anliegend zu der Zugangsauswahl-Vorrichtung 505 und Abschnitten des MTJ-Bauelements 109 gebildet sind, das die dielektrische Tunnelschranke 107b für jede Speicherzelle 305i aufweist.
Die Handlung 1713 verwendet Seitenwand-Abstandshalter, die durch die Handlung 1711 zum Strukturieren einer unteren Elektrodenschicht für die Speicherzellen gebildet ist. Die Querschnittsansicht 1200 der 12 zeigt ein Beispiel, in dem die Seitenwand-Abstandshalter 530 zum Strukturieren der ersten Elektrode 511 und die untere Elektroden-Durchkontaktierung 524 für jede Speicherzelle 305i verwendet sind.
Die Handlung 1715 bildet eine Verkapselungsschicht, die die Seiten des bipolaren Auswahlschalters und das MTJ-Bauelement jeder Speicherzelle abdeckt. Die Querschnittsansicht 1300 der 13 zeigt ein Beispiel, in dem die Verkapselungsschicht 534 die Seiten der Zugangsauswahl-Vorrichtung 505 und das MTJ-Bauteil 109 jeder Speicherzelle 305i abdeckt.
Die Handlung 1715 bildet eine Durchkontaktierung, die die obere Elektrode der Speicherzelle bildet. Die Querschnittsansicht 1400 der 14 zeigt ein Beispiel, in dem die Durchkontaktierung 536 zum Kontaktieren der oberen Elektrode 511 in jeder Speicherzelle 305i hergestellt ist.
Einige Aspekte dieser Lehren beziehen sich auf einen integrierten Chip, der ein magnetisches Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement) und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung aufweist. Die Vorrichtung weist eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf. Die Zugangsauswahl-Vorrichtung weist eine erste Metallstruktur und eine zweite Metallstruktur auf, die voneinander durch eine oder mehrere nicht-metallische Schicht(en) getrennt sind. Eine der ersten Metallstruktur und der zweiten Metallstruktur ist an die zweite Elektrode gekoppelt. Nach diesen Lehren weist die erste Metallstruktur der Zugangsauswahl-Vorrichtung eine polarisierte ferromagnetische Schicht auf.
In einigen Lehren ist die erste Metallstruktur eine Elektrode für die Zugangsauswahl-Vorrichtung. In einigen dieser Lehren ist die Zugangsauswahl-Vorrichtung ein bipolarer Auswahlschalter. In einigen dieser Lehren ist die eine oder sind die mehreren nicht-metallische(n) Schicht(en) zwei Isolatoren mit unterschiedlichen Bandlücken-Energien. In einigen dieser Lehren ist einer der zwei Isolatoren, der unterschiedliche Bandlücken-Energien aufweist, ein Oxid eines Metalls der polarisierten ferromagnetischen Schicht. In einigen dieser Lehren sind der MTJ und die Zugangsauswahl-Vorrichtung durch einen Stapel aus Materialschichten gebildet. In einigen dieser Lehren ist einer der einen oder mehreren nicht-metallischen Schichten ein Oxid der polarisierten ferromagnetischen Schicht. In einigen dieser Lehren weist die polarisierte ferromagnetische Schicht eine Polarisierung auf gleicher Ebene auf. In diesen Lehren kann das MTJ-Bauelement eine verstiftete Schicht mit einer lotrechten magnetischen Polarisierung aufweisen. In einigen dieser Lehren weist die erste Metallstruktur eine Elektrodenschicht auf, die von der polarisierten ferromagnetischen Schicht unterschiedlich ist. Das MTJ-Bauelement weist eine freie Schicht und eine verstiftete Schicht auf. Die polarisierte ferromagnetische Schicht erzeugt ein Magnetfeld, das sich durch die freie Schicht erstreckt. Das Magnetfeld kippt eine Richtung der Polarisierung der freien Schicht des MTJ-Bauteils derart, dass eine Schaltzeit für das MTJ-Bauelement verkürzt ist.
Einige Aspekte dieser Lehren beziehen sich auf einen integrierten Chip, der ein magnetisches Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement) aufweist, das innerhalb einer dielektrischen Struktur über einem Substrat angeordnet ist. Das MTJ-Bauelement weist einen MTJ auf, der zwischen einer ersten MTJ-Elektrode und einer zweiten MJT-Elektrode angeordnet ist. Der integrierte Chip weist ebenfalls einen bipolaren Auswahlschalter (BS) auf, der eine mittlere Struktur aufweist, die zwischen einer ersten BS-Elektrode und einer zweiten BS-Elektrode angeordnet ist. Die zweite BS-Elektrode ist an die erste MTJ-Elektrode gekoppelt oder fester Bestandteil davon. Die mittlere Struktur ist eine oder mehrere Schicht(en) von Isolatoren und/oder Halbleitern. Eine der ersten BS-Elektrode und der zweiten BS-Elektrode weist eine polarisierte magnetische Schicht auf.
In einigen dieser Lehren weist die polarisierte magnetische Schicht eine Polarisierung auf gleicher Ebene auf. In einigen dieser Lehren stellt die BS-Elektrode die polarisierte magnetische Schicht bereit. In einigen dieser Lehren weist das MTJ-Bauelement eine freie Schicht und eine verstiftete Schicht auf und die polarisierte magnetische Schicht weist ein Magnetfeld auf, das wirksam ist, um eine Zahl oder Präzessionszyklen zu verringern, die durch die freie Schicht des MTJ-Bauelements während des Schaltens durchlaufen wurden.
Einige Aspekte dieser Lehren beziehen sich auf ein Verfahren zum Bilden eines integrierten Chips. Das Verfahren weist das Bilden eines magnetischen Tunnelübergangs-Bauelements (MTJ-Bauelement) über einem Halbleitersubstrat und das Bilden eines bipolaren Auswahlschalters für das MTJ-Bauelement auf. Das MTJ-Bauelement weist ein MTJ auf, das zwischen einer ersten-Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordnet ist. Der bipolare Auswahlschalter weist eine Schicht aus ferromagnetischem Material mit einer Polarisierung auf gleicher Ebene über dem Halbleitersubstrat auf und ist an die zweite Elektrode gekoppelt.
In einigen dieser Lehren ist der bipolare Auswahlschalter direkt über oder unter dem MTJ-Bauelement gebildet. In einigen dieser Lehren ist die Schicht aus ferromagnetischem Material ausgestaltet, um eine Schreibspannung des MTJ-Bauelements zu verringern. In einigen dieser Lehren umfasst der bipolare Auswahlschalter (BS) eine oder mehrere Nicht-Metallschicht(en), die zwischen einer ersten BS-Elektrode und einer zweiten BS-Elektrode angeordnet ist/sind. In einigen dieser Lehren ist der bipolare Auswahlschalter zum Teil durch das Oxidieren eines Abschnitts der Schicht aus ferromagnetischem Material zum Bilden einer oder mehrerer Nicht-Metallschicht(en) gebildet.
Einige Aspekte dieser Lehren beziehen sich auf ein Verfahren zum Schalten der Polarisierung einer freien Schicht in einem magnetischen Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement). Das Verfahren weist das Bilden eines magnetischen Tunnelübergangs-Bauelements (MTJ-Bauelement) über einem Halbleiter-Substrat auf, wobei das MTJ-Bauelement ein MTJ aufweist, das zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordnet ist. Das Verfahren weist ebenfalls das Bilden eines bipolaren Auswahlschalters mit einer Schicht aus ferromagnetischem Material mit einer Polarisierung auf gleicher Ebene über dem Halbleitersubstrat in einer Ausgestaltung derart auf, dass das ferromagnetische Material eine Polarisierungsrichtung in der freien Schicht von einer Richtung des Stromflusses weg kippt und dadurch eine Schreibzeit für das MTJ-Bauelement verkürzt.
Die voranstehende Beschreibung skizziert Merkmale mehrerer Ausführungsformen derart, dass der Fachmann die Aspekte dieser Offenbarung besser verstehen kann. Der Fachmann wird verstehen, dass er diese Offenbarung problemlos als eine Grundlage zum Planen oder Abändern anderer Prozesse und Strukturen zum Ausführen derselben Zwecke und/oder Erreichen derselben Vorteile der hierein eingeführten Ausführungsformen verwenden kann. Dem Fachmann muss ebenfalls klar sein, dass solche gleichwertigen Konstruktionen nicht vom Sinn und Umfang dieser Offenbarung abweichen und dass er verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Umbildungen hieran vornehmen kann, ohne vom Sinn und Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.

Claims

Integrierter Chip, umfassend: ein magnetisches Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement) mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode; und eine Zugangsauswahl-Vorrichtung für das MTJ-Bauelement, das eine erste Metallstruktur und eine zweite Metallstruktur aufweist, die voneinander durch eine oder mehrere nicht-metallische Schicht(en) getrennt ist/sind; wobei eine der ersten Metallstruktur und der zweiten Metallstruktur an die zweite Elektrode gekoppelt ist; und die erste Metallstruktur eine polarisierte magnetische Schicht aufweist.
Integrierter Chip nach Anspruch 1, wobei die erste Metallstruktur eine Elektrode für die Zugangsauswahl-Vorrichtung ist.
Integrierter Chip nach Anspruch 2, wobei die Zugangsauswahl-Vorrichtung ein bipolarer Auswahlschalter ist.
Integrierter Chip nach Anspruch 3, wobei die eine oder die mehreren nicht-metallische(n) Schicht(en) zwei Isolatoren mit unterschiedlichen Bandlücken-Energien aufweist/ aufweisen.
Integrierter Chip nach Anspruch 4, wobei einer der zwei Isolatoren, der unterschiedliche Bandlücken-Energien aufweist, ein Oxid eines Metalls der polarisierten ferromagnetischen Schicht ist.
Integrierter Chip nach Anspruch 3 oder 4, wobei der MTJ und die Zugangsauswahl-Vorrichtung durch einen Stapel aus Materialschichten gebildet sind.
Integrierter Chip nach Anspruch 6, wobei eine der einen oder mehreren nicht-metallischen Schicht(en) ein Oxid der polarisierten ferromagnetischen Schicht ist.
Integrierter Chip nach Anspruch 6 oder 7, wobei die polarisierte ferromagnetische Schicht eine Polarisierung auf gleicher Ebene aufweist.
Integrierter Chip nach Anspruch 8, wobei das MTJ-Bauelement eine verstiftete Schicht mit lotrechter magnetischer Polarisierung aufweist.
Integrierter Chip nach irgendeinem der voranstehenden Ansprüche, wobei die erste Metallstruktur eine Elektrodenschicht aufweist, die von der polarisierten ferromagnetischen Schicht unterschiedlich ist.
Integrierter Chip nach irgendeinem der voranstehenden Ansprüche, wobei die polarisierte ferromagnetische Schicht eine Richtung der Polarisierung einer freien Schicht des MTJ-Bauelements kippt.
Integrierter Chip nach irgendeinem der voranstehenden Ansprüche, wobei: das MTJ-Bauelement eine freie Schicht und eine verstiftete Schicht aufweist; und die polarisierte ferromagnetische Schicht ein Magnetfeld aufweist, das sich derart durch die freie Schicht erstreckt, dass sie eine Schaltzeit für das MTJ-Bauelement verkürzt.
Integrierter Chip, umfassend: ein magnetisches Tunnelübergangs-Bauelement (MTJ-Bauelement), das innerhalb einer dielektrischen Struktur über einem Substrat angeordnet ist, wobei das MTJ-Bauelement einen MTJ aufweist, der zwischen einer ersten MTJ-Elektrode und einer zweiten MTJ-Elektrode angeordnet ist; und einen bipolaren Auswahlschalter (BS), der eine mittlere Struktur aufweist, die zwischen einer ersten BS-Elektrode und einer zweiten BS-Elektrode angeordnet ist; wobei die zweite BS-Elektrode an die erste MTJ-Elektrode gekoppelt oder fester Bestandteil davon ist; die mittlere Struktur eine oder mehrere Schicht(en) von Isolatoren und/oder Halbleitern ist (sind); und eine der ersten BS-Elektrode und der zweiten BS-Elektrode eine polarisierte magnetische Schicht aufweist.
Integrierter Chip nach Anspruch 13, wobei die polarisierte magnetische Schicht eine Polarisierung auf gleicher Ebene aufweist.
Integrierter Chip nach Anspruch 13 oder 14, wobei die erste BS-Elektrode die polarisierte magnetische Schicht aufweist.
Integrierter Chip nach irgendeinem der voranstehenden Ansprüche 13 bis 15, wobei: das MTJ-Bauelement eine freie Schicht und eine verstiftete Schicht aufweist; und die polarisierte magnetische Schicht ein Magnetfeld aufweist, das wirksam ist, um eine Zahl oder Präzessionszyklen zu verringern, die durch die freie Schicht des MTJ-Bauelements während des Schaltens durchlaufen wurden.
Verfahren zum Bilden eines integrierten Chips, umfassend: Bilden eines magnetischen Tunnelübergangs-Bauelements (MTJ-Bauelement) über einem Halbleiter-Substrat, wobei das MTJ-Bauelement einen MTJ aufweist, der zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordnet ist; und Bilden eines zweiten bipolaren Auswahlschalters für das MTJ-Bauelement; wobei der bipolare Auswahlschalter eine Schicht aus ferromagnetischem Material mit fester Polarisierung umfasst; und der bipolare Auswahlschalter an die zweite Elektrode gekoppelt ist;
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der bipolare Auswahlschalter direkt über oder unter dem MTJ-Bauelement gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das MTJ-Bauelement eine verstiftete Schicht mit einer Polarisierung umfasst, die nahezu orthogonal zu einer Polarisierung der Schicht aus ferromagnetischem Material ist.
Verfahren nach irgendeinem der voranstehenden Ansprüche 17 bis 19, wobei: der bipolare Auswahlschalter (BS) eine oder mehrere Nicht-Metallschicht(en) umfasst, die zwischen einer ersten BS-Elektrode und einer zweiten BS-Elektrode angeordnet ist/sind; und das Bilden des bipolaren Auswahlschalters das Oxidieren eines Abschnitts der Schicht aus ferromagnetischem Material zum Bilden einer oder mehrerer Nicht-Metallschicht(en) umfasst.