DE102021100773A1 - Verspannte ferromagnetische hall-metall-sot-schicht - Google Patents

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Abstract

Eine Magnetspeichervorrichtung umfasst eine Spin-Bahn-Drehmoment- (SOT-) Induktionsstruktur, die verspannt und keimfrei sein kann und mit senkrechter magnetischer Anisotropie ausgebildet sein kann. Ein magnetischer Tunnelkontakt- (MTJ-) Stapel ist über der SOT-Induktionsstruktur angeordnet. Eine Abstandshalterschicht kann Schichten zwischen der SOT-Induktionsstruktur und dem MTJ-Stapel entkoppeln oder Schichten innerhalb des MTJ-Stapels entkoppeln. Ein Ende der SOT-Induktionsstruktur kann mit einem ersten Transistor gekoppelt sein und ein anderes Ende der SOT-Induktionsstruktur kann mit einem zweiten Transistor gekoppelt sein.

Description

  • PRIORITÄTSANSPRUCH UND QUERVERWEIS
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung 63/023,384 , eingereicht am 12. Mai 2020, die hiermit durch Verweis als vollständig hierin aufgenommen gilt.
  • HINTERGRUND
  • Ein Magnetdirektzugriffsspeicher (MRAM - Magnetic Random Access Memory) bietet vergleichbare Leistungsfähigkeit wie ein flüchtiger statischer RAM (SRAM) und eine vergleichbare Speicherdichte wie ein flüchtiger dynamischer RAM (DRAM) bei niedrigerem Energieverbrauch. Ein MRAM bietet im Vergleich zu einem nichtflüchtigen Flash-Speicher eine wesentlich schnellere Zugriffszeit und erleidet mit der Zeit nur eine minimale Degradation, außerdem ist beim Flash-Speicher die Anzahl von Überschreibvorgängen begrenzt. Ein Typ von MRAM ist ein Spin-Transfer-Drehmoment-Magnetdirektzugriffsspeicher (Spin-Transfer-Torque- bzw. STT-MRAM). Ein STT-MRAM nutzt einen magnetischen Tunnelkontakt (MTJ - Magnetic Tunneling Junction), der wenigstens teilweise durch einen Strom durch den MTJ geschrieben wird. Ein anderer Typ von MRAM ist ein Spin-Bahn-Drehmoment-MRAM (Spin-Orbit-Torque- bzw. SOT-MRAM), welcher im Allgemeinen einen geringeren Schaltstrom benötigt als ein STT-MRAM.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verständlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Figuren gelesen wird. Es sei noch angemerkt, dass entsprechend der üblichen Branchenpraxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zur Klarheit der Diskussion beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 ist eine schematische Ansicht einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 2 ist eine schematische Ansicht einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 3A und 3B sind Veranschaulichungen von SOT-Induktionsstrukturen gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht einer SOT-MRAM-Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 5 bis 14 sind Zwischenschritte, die bei der Ausbildung einer SOT-MRAM-Vorrichtung verwendet werden, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 15 ist eine Querschnittsansicht einer SOT-MRAM-Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 16 ist eine perspektivische Ansicht einer SOT-MRAM-Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 17 ist ein Schaltbild einer SOT-MRAM-Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 18 veranschaulicht einen Betrieb einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einigen Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung stellt viele unterschiedliche Ausführungsformen bzw. - beispiele zum Implementieren unterschiedlicher Merkmale der Erfindung bereit. Um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen, werden nachstehend konkrete Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben. Diese sind natürlich lediglich Ausführungsbeispiele und sollen nicht einschränkend sein. Zum Beispiel kann die Ausbildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei welchen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet werden, und auch Ausführungsformen umfassen, bei welchen zusätzliche Merkmale derart zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal ausgebildet werden können, dass das erste und das zweite Merkmal möglicherweise nicht in direktem Kontakt sind. Außerdem kann die vorliegende Offenbarung in den verschiedenen Beispielen Bezugszeichen und/oder Buchstaben wiederholen. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Klarheit und gibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen diskutierten Ausführungsformen und/oder Ausgestaltungen vor.
  • Ferner können räumlich relative Begriffe wie „unter“, „unterhalb“, „unterer“, „über“, „oberer“ und dergleichen vorliegend zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elementes oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen bzw. Merkmalen, wie in den Figuren veranschaulicht, zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren gezeigten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung (des Bauelements) im Gebrauch oder Betrieb umfassen. Der Gegenstand kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen), und die vorliegend verwendeten räumlich relativen Beschreibungen können ebenso entsprechend interpretiert werden. Außerdem kann der Begriff „hergestellt aus“ entweder „umfassend“ oder „bestehend aus“ bedeuten. Bei dem folgenden Fertigungsprozess können in/zwischen den beschriebenen Vorgängen ein oder mehrere zusätzliche Vorgänge stattfinden, und die Reihenfolge der Vorgänge kann geändert werden. Sofern nicht anders beschrieben ist, bedeutet der Ausdruck „eines aus A, B und C“ in der vorliegenden Offenbarung „A, B und/oder C“ (A, B, C, A und B, A und C, B und C oder A, B und C) und nicht ein Element von A, ein Element von B und ein Element von C. Materialien, Ausgestaltungen, Abmessungen, Prozesse und/oder Vorgänge, die mit Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben wurden, können in den anderen Ausführungsformen verwendet werden; eine detaillierte Erläuterung davon kann weggelassen werden.
  • Ausführungsformen verwenden verschiedene Vorgehensweisen, um die Effizienz und den Betrieb einer SOT-MRAM-Vorrichtung zu verbessern, um den Spin und den effektiven Widerstand eines MRAM-Schichtstapels zu steuern. In einigen Ausführungsformen wird eine Hall-Metall-SOT-Induktionsstruktur verwendet, die verspannt ist, damit sie eine starke senkrechte magnetische Anisotropie (PMA - Perpendicular Magnetic Anisotropy) aufweist. Die SOT-Induktionsstruktur kann, um einen hohen Spin-Hall-Winkel (SHA - Spin Hall Angle) zu behalten, ohne Keimschicht direkt auf einer dielektrischen Schicht errichtet werden. Eine Abstandshalterschicht zur Abstimmung der magnetischen Kopplung kann zwischen der SOT-Induktionsstruktur und dem magnetischen Tunnelkontakt- (MTJ-) Schichtstapel des SOT-MRAM derart angeordnet werden, dass ein Magnetfeld, das innerhalb der SOT-Induktionsstruktur erzeugt wird, das Schalten der freien Schicht des MTJ-Schichtstapels unterstützen kann. Ausführungsformen können kombiniert und auf andere MTJ-Schichtstapelanordnungen angewendet werden, um ein SOT-Schalten mit verringertem Strombedarf bereitzustellen.
  • Ein Spin-Drehmoment-Transfer-Magnetdirektzugriffsspeicher (STT-MRAM) ist eine Speichertechnologie der nächsten Generation für integrierte CMOS-Schaltungen (CMOS-ICs). Allerdings erfordern Schnellzugriffsanwendungen wie L1-Cache kurze Zugriffszeiten, wobei die Schreibgeschwindigkeit im Allgemeinen langsamer ist als die Lesegeschwindigkeit. Cache-Anwendungen für eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) und/oder einen Mikrocontroller (MCU) erfordern außerdem einen geringen Energieverbrauch. Ein STT-MRAM benötigt jedoch einen erheblichen Strom, um während eines Schreibvorgangs den Magnetisierungszustand zu ändern. Eine STT-MRAM-Zelle weist im Allgemeinen einen magnetischen Tunnelkontakt-(MTJ-) Schichtstapel auf, der eine freie Magnetschicht, eine Referenzschicht oder gepinnte (fest magnetisierte) Magnetschicht und eine Tunnelsperrschicht umfasst. Die Magnetisierung der Magnetschichten kann entweder in der Ebene oder senkrecht zur Substratebene ausgerichtet sein. Die freie Schicht ist eine Magnetschicht mit zwei energetisch äquivalenten magnetischen Zuständen, nämlich mit der Magnetisierung der freien Schicht parallel oder antiparallel zu der Magnetisierung der Referenzschicht. Durch Anlegen eines Stroms senkrecht zu dem MTJ-Schichtstapel kann die magnetische Orientierung (bzw. das magnetische Moment) der freien Magnetschicht geändert werden, was zu einer Änderung des Widerstands durch den MTJ-Schichtstapel führt, wodurch wiederum effektiv Daten in die STT-MRAM-Zelle geschrieben werden können.
  • Im Gegensatz dazu besitzt das Schalten der Magnetisierung durch das Spin-Bahn-Drehmoment (SOT) das Potenzial, den Schreibstrom und die Schreibgeschwindigkeit um Größenordnungen zu verbessern, was SOT für Hochgeschwindigkeit-Cachespeicheranwendungen mit geringem Energiebedarf vielversprechend macht.
  • In einem SOT-MRAM wird das magnetische Moment der freien Magnetschicht eines MTJ-Schichtstapels unter Verwendung der Spin-Bahn-Wechselwirkung geschaltet, die durch einen Strom hervorgerufen wird, der benachbart zur freien Magnetschicht des MTJ-Schichtstapels fließt. Dieser Strom kann in einer SOT-Induktionsstruktur fließen. Das Manipulieren der Orientierung der freien Magnetschicht bewirkt eine Widerstandsänderung des MTJ-Schichtstapels, welche verwendet werden kann, um einen Datenwert in der Zelle zu speichern. Das magnetische Moment der freien Magnetschicht kann entweder nur durch das Spin-Bahn-Drehmoment oder mit einem Hilfsmagnetfeld geschaltet werden. Es gibt drei allgemeine Typen von SOT-MRAM, die sich hinsichtlich der relativen Orientierung der Magnetisierung der freien Magnetschicht und des durch die SOT-Induktionsstruktur fließenden Schreibstroms unterscheiden. Bei einem SOT-MRAM vom x-Typ ist das magnetische Moment der freien Magnetschicht parallel zu dem Strom durch die SOT-Induktionsstruktur und es existiert ein Hilfsmagnetfeld, das orthogonal zu der Ebene des Stromflusses in der SOT-Induktionsstruktur ist. Bei einem SOT-MRAM vom y-Typ ist das magnetische Moment der freien Magnetschicht senkrecht zu der Richtung des Stroms durch die SOT-Induktionsstruktur, liegt jedoch in der gleichen Ebene. Bei einem SOT-MRAM vom z-Typ ist das magnetische Moment der freien Magnetschicht orthogonal zu der Ebene des Stromflusses durch die SOT-Induktionsstruktur und es ist ein Hilfsmagnetfeld erforderlich, das parallel zu dem Stromfluss ist.
  • Zwar bezieht sich die vorliegende Offenbarung im Allgemeinen auf einen SOT-MRAM vom x-Typ, einige der vorliegend erörterten Aspekte können jedoch auf die anderen Typen von SOT-MRAM-Vorrichtungen übertragbar sein, etwa wie nachstehend erörtert. Bei einer SOT-MRAM-Vorrichtung vom x-Typ kann das Hilfsmagnetfeld zum Schalten der freien Magnetschicht außerhalb der Zelle erzeugt werden, wodurch die Zellstruktur kompliziert wird. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verbessern die Leistungsfähigkeit auf verschiedene Art. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird eine verspannte ferromagnetische SOT-Induktionsstruktur bereitgestellt. Die verspannte ferromagnetische SOT-Induktionsstruktur stellt nicht nur den SOT-Strom bereit, sondern auch ein eingebautes senkrechtes Magnetfeld, das durch ihre parallele magnetische Anisotropie (PMA) hervorgerufen wird und das Schalten des Moments der freien Magnetschicht unterstützt. In einigen dieser Ausführungsformen kann die verspannte ferromagnetische SOT-Induktionsstruktur ohne Keimschicht ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann eine Abstandshalterschicht zwischen dem MTJ-Schichtstapel und der SOT-Induktionsstruktur bereitgestellt werden, um die magnetische Kopplung zwischen diesen zu modulieren. Die sorgfältige Abstimmung der Dicke der Abstandshalterschicht dient dazu, die Stärke der magnetischen Kopplung zwischen der senkrechten SOT-Induktionsstruktur und der freien Magnetschicht in der Ebene zu optimieren, um die Schreibeffizienz zu verbessern, ohne Lesevorgänge zu beeinträchtigen. Eine optimale Kopplung ermöglicht das Erzeugen des orthogonalen Hilfsmagnetfelds, das notwendig ist, um das magnetische Moment der freien Magnetschicht zu schalten, ohne dass ein externes Feld erforderlich ist, wodurch das Design und der Betrieb der Speicherzelle vereinfacht werden. Diese Ausführungsformen können auch in verschiedenen Kombinationen kombiniert werden.
  • 1 veranschaulicht eine schematische Ansicht der SOT-MRAM-Funktionselemente einer SOT-MRAM-Zelle 90 (siehe 2) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Diese Elemente können eine untere Elektrode 5 und/oder Pufferschicht 7, eine SOT-Induktionsstruktur 10 und einen MTJ-Schichtstapel 100 umfassen. Es versteht sich, dass diese Schichten mehrere Unterschichten umfassen können, die unterschiedliche Materialien umfassen, welche nachfolgend im Detail erörtert werden. Die SOT-Induktionsstruktur 10 dient als aktive Schicht für die Spin-Bahn-Wechselwirkung, um eine Induktionswirkung auf den MTJ-Schichtstapel 100 auszuüben. Die SOT-Induktionsstruktur 10 ist eine senkrechte Hall-Metall-Struktur und wird auch als p-HM-Struktur 10 bezeichnet (wobei p-HM für „perpendicular Hall metal“ bzw. senkrechtes Hall-Metall steht).
  • Der MTJ-Schichtstapel 100 kann auch verschiedene Ausgestaltungen aufweisen. In einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise in 1 veranschaulicht, ist eine freie Schicht 30 über der SOT-Induktionsstruktur 10 angeordnet, eine Sperrschicht 40 über der freien Schicht 30 angeordnet und eine Referenzschicht 50 über der Sperrschicht 40 angeordnet. In einigen Ausführungsformen kann eine Abstandshalterschicht 20 zur Abstimmung der magnetischen Kopplung (z. B. eine Abstandshalterschicht 20A und/oder eine Abstandshalterschicht 20B) zwischen der SOT-Induktionsstruktur 10 und der freien Schicht 30 angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen können andere Anordnungen für den MTJ-Schichtstapel 100 verwendet werden. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Struktur aus 1, einschließlich aller Schichten des MTJ-Schichtstapels 100, invertiert sein. Wie veranschaulicht ist, umfasst der MTJ-Schichtstapel 100 eine gepinnte Schicht 60 und ist „oben gepinnt“. In Ausführungsformen, in denen die Struktur des MTJ-Schichtstapels 100 invertiert ist, wird der sich ergebende Schichtstapel als „unten gepinnt“ betrachtet. Dies wird nachstehend detaillierter erörtert.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird das magnetische Moment der freien Schicht 30 unter Verwendung des Spin-Bahn-Drehmoment-Effekts geschaltet. In einigen Ausführungsformen wird das magnetische Moment der freien Schicht 30 unter alleiniger Verwendung des Spin-Bahn-Drehmoment-Effekts geschaltet. In anderen Ausführungsformen wird das magnetische Moment der freien Schicht 30 unter Verwendung einer Kombination von Effekten geschaltet. Beispielsweise wird das magnetische Moment der freien Schicht 30 unter Verwendung des Spin-Transfer-Drehmoments als primärem Effekt geschaltet, der durch den Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt unterstützt werden kann. In anderen Ausführungsformen ist der primäre Schaltmechanismus der Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt. In derartigen Ausführungsformen kann ein anderer Effekt, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Spin-Transfer-Drehmoment, das Schalten unterstützen.
  • Die SOT-Induktionsstruktur 10 kann über einer optionalen unteren Elektrode 5 und/oder einer optionalen Pufferschicht 7 ausgebildet sein. Die untere Elektrode 5 kann eine oder mehrere Schichten aus Cu, W, Ta, TiN, TaN, Ru, Au und Al aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht als strukturelle Isolationsschicht der darüberliegenden SOT-Induktionsstruktur 10 dienen, d. h., sie kann die Struktur der unteren Elektroden 5 von der Struktur der SOT-Induktionsstruktur 10 trennen. In einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht 7 auch als Keimschicht für die SOT-Induktionsstruktur 10 dienen. In einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht 7 eine dünn abgeschiedene Schicht aus isolierendem Material mit Tunnelfähigkeit umfassen, wie zum Beispiel mit einer Dicke von zwischen 2 Å und 9 Å abgeschiedenem MgO.
  • Wie vorstehend angemerkt ist, ist die SOT-Induktionsstruktur 10 eine aktive Spin-Bahn-Grenzfläche, die eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung aufweist und die verwendet werden kann, um das magnetische Moment der freien Schicht 30 zu schalten. Die SOT-Induktionsstruktur 10 wird verwendet, um ein Spin-Bahn-Magnetfeld Hz zu erzeugen. Spezieller wird ein Strom Jc in einer Ebene durch die SOT-Induktionsstruktur 10 bewirkt. Da die SOT-Induktionsstruktur 10 ein senkrechtes Hall-Metall (p-HM) ist, wird das Spin-Bahn-Magnetfeld Hz senkrecht (orthogonal) zu der Richtung des Stroms Jc erzeugt. Für die Magnetisierung ist dieses Spin-Bahn-Magnetfeld Hz äquivalent zu dem Spin-Bahn-Drehmoment T, wobei T = -γ[M × Hz] in der freien Magnetschicht 30. Daher werden das Drehmoment und das Magnetfeld austauschbar als Spin-Bahn-Feld und Spin-Bahn-Drehmoment bezeichnet. Dies spiegelt die Tatsache wider, dass die Spin-Bahn-Wechselwirkung der Ursprung des Spin-Bahn-Drehmoments und des Spin-Bahn-Feldes ist. Das Spin-Bahn-Drehmoment tritt bei dem Strom Je, der in einer Ebene in der SOT-Induktionsstruktur 10 fließt, und einer Spin-Bahn-Wechselwirkung auf. Im Gegensatz dazu ist das Spin-Transfer-Drehmoment auf einen Strom senkrecht zu der Ebene zurückzuführen, der durch die freie Schicht 30, die Sperrschicht 40 und die Referenzschicht 50 fließt und spinpolarisierte Ladungsträger in die freie Schicht 30 injiziert. Das Spin-Bahn-Drehmoment T kann das magnetische Moment der freien Schicht 30 schnell aus dem Gleichgewichtszustand parallel zur leichten Richtung auslenken. Das Spin-Bahn-Drehmoment T kann die Magnetisierung der freien Schicht 30 deutlich schneller kippen als ein herkömmliches STT-Drehmoment mit vergleichbarer Maximalamplitude. In einigen Ausführungsformen kann das Schalten unter Verwendung des Spin-Bahn-Drehmoments abgeschlossen werden. In anderen Ausführungsformen kann ein anderer Mechanismus, etwa Spin-Transfer-Drehmoment, verwendet werden, um das Schalten abzuschließen. Demzufolge kann das erzeugte Spin-Bahn-Feld/Spin-Bahn-Drehmoment zum Schalten des magnetischen Moments der freien Schicht 30 verwendet werden.
  • Die SOT-Induktionsstruktur 10 umfasst mehrere Schichten, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Wie vorstehend angemerkt ist, ist die SOT-Induktionsstruktur 10 in 1 p-HM bzw. weist, anders ausgedrückt, eine magnetische Anisotropie senkrecht zur Ebene (PMA) auf. Die Ausgestaltungen und Materialien der SOT-Induktionsstruktur 10 werden nachfolgend mit Bezug auf 3A und 3B detaillierter erörtert.
  • Einige Ausführungsformen nutzen eine verspannte SOT-Induktionsstruktur 10, die eine hohe PMA und einen hohen Spin-Hall-Winkel (SHA) bereitstellt, ohne dass eine dicke (z. B. zwischen 1 nm und 10 nm dicke) Schwermetall-Keimschicht (z. B. Tantal) erforderlich ist. Schwermetall-Keimschichten können zwar verwendet werden, um eine hohe PMA zu erreichen, Schwermetall-Keimschichten mindern jedoch üblicherweise den SHA. Mit anderen Worten stellen dickere Schwermetall-Keimschichten Stromnebenschlusspfade bereit, ohne zum SHA beizutragen. Die Vermeidung der Verwendung einer Schwermetall-Keimschicht bzw. die Reduzierung der Dicke einer Schwermetall-Keimschicht ist somit zur Erhöhung des SHA vorteilhaft, sofern eine hohe PMA beibehalten werden kann. Eine hohe PMA und ein hoher SHA sind für die Schalteffizienz vorteilhaft, wodurch der Schreibstrom beim Schalten der freien Schicht verringert wird.
  • Wie vorstehend angemerkt ist, verwendet die SOT-Induktionsstruktur 10 ein Hall-Metall, daher umfasst die Wechselwirkung der SOT-Induktionsstruktur 10 den Spin-Hall-Effekt. Um den Spin-Hall-Effekt auszulösen, wird ein Strom Jc in der Ebene der SOT-Induktionsstruktur 10 (d. h. ein In-der-Ebene-Strom, im Wesentlichen in der x-y-Ebene in 1) bewirkt. Mit anderen Worten fließt der Strom Jc senkrecht zur Stapelrichtung der Schichten, zu denen die SOT-Induktionsstruktur 10 und die freie Schicht 30 gehören (d. h. senkrecht zur Oberflächennormalen, der z-Richtung in 1). Ladungsträger mit Spins einer bestimmten Orientierung senkrecht zur Stromflussrichtung und zur Oberflächennormalen (z-Richtung) sammeln sich an den Oberflächen der SOT-Induktionsstruktur 10 an. Der größte Teil dieser spinpolarisierten Ladungsträger diffundiert in die freie Schicht 30. Diese Diffusion führt zu dem Drehmoment T auf die Magnetisierung der freien Schicht 30. Da Drehmoment auf die Magnetisierung äquivalent zu dem effektiven Magnetfeld an der Magnetisierung ist, führt die Spin-Ansammlung, wie vorstehend dargelegt, auf äquivalente Weise zu dem Feld Hz an der freien Schicht 30. Das Spin-Bahn-Feld des Spin-Hall-Effekts ist das Kreuzprodukt der Spin-Bahn-Polarisation und des magnetischen Moments der freien Schicht 30. Somit ist die Größe des Drehmoments proportional zu der Stromdichte Jc in der Ebene und der Spin-Polarisation der Ladungsträger. Der Spin-Hall-Effekt kann verwendet werden, um die in 1 gezeigte gestapelte Magnetschicht zu schalten, wenn die durch den Spin-Hall-Effekt induzierte Polarisation parallel zur leichten Richtung der freien Schicht 30 ist. Um das Spin-Bahn-Drehmoment T zu erzielen, wird ein Stromimpuls in der Ebene durch die SOT-Induktionsstruktur 10 bewirkt. Das sich ergebende Spin-Bahn-Drehmoment T wirkt dem Dämpfungsdrehmoment entgegen, was auf analoge Weise zu dem herkömmlichen STT-Schalten zu einem Schalten der Magnetisierung der freien Schicht 30 führt.
  • Die freie Schicht 30 ist eine Datenspeicherschicht mit einem schaltbaren magnetischen Moment. Innerhalb des MTJ-Schichtstapels 100 einer SOT-MRAM-Zelle 90 dient die freie Schicht 30 als Zustandshalteschicht, und ihr magnetischer Zustand bestimmt den Zustand der SOT-MRAM-Zelle 90. Zum Beispiel ist das magnetische Moment der freien Schicht 30 steuerbar (z. B. durch Steuern eines in der SOT-Induktionsstruktur 10 fließenden Stroms), und durch derartiges Steuern des magnetischen Moments der freien Schicht 30 kann der Widerstand der SOT-MRAM-Zelle 90 in einen Zustand hohen Widerstands oder einen Zustand niedrigen Widerstands versetzt werden. Ob sich die SOT-MRAM-Zelle 90 in einem Zustand hohen Widerstands oder einem Zustand niedrigen Widerstands befindet, hängt von der relativen Orientierung der Magnetisierungen der freien Schicht 30 und der Referenzschicht 50 ab (für weitere Details zur Referenzschicht 50 siehe nachstehend).
  • Die freie Schicht 30 kann aus einem oder mehreren ferromagnetischen Materialien gebildet werden, etwa Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB), Kobalt/Palladium (CoPd), Kobalt-Eisen (CoFe), Kobalt-Eisen-Bor-Wolfram (CoFeBW), Nickel-Eisen (NiFe), Ru, Co, Legierungen davon, Kombinationen davon oder dergleichen. Die freie Schicht 30 kann mehrere Schichten verschiedener Materialien umfassen, etwa eine Schicht aus Ru zwischen zwei Schichten aus CoFeB, eine Schicht aus Co zwischen zwei Schichten aus CoFeB oder eine Schicht aus Ru und eine Schicht aus Co zwischen zwei Schichten aus CoFeB, es können jedoch auch andere Ausgestaltungen von Schichten oder Materialien verwendet werden. In einigen Ausführungsformen umfasst das Material der freien Schicht 30 ein kristallines Material, das so abgeschieden ist, dass es eine bestimmte kristallografische Orientierung, etwa eine (100)-Orientierung, aufweist. Die Gesamtdicke der freien Schicht 30 kann zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 4 nm betragen. Ausführungsformen nutzen eine freie Schicht 30 mit magnetischer Anisotropie in der Ebene (IMA - In-plane Magnetic Anisotropy). Eine geeignete Dicke der freien Schicht 30 kann durch die Zusammensetzung der freien Schicht 30 oder die magnetischen Eigenschaften der freien Schicht 30 bestimmt werden.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Sperrschicht 40 aus einem oder mehreren Materialien wie etwa Magnesiumoxid und Aluminiumoxid oder dergleichen oder Kombinationen davon gebildet. In einigen Ausführungsformen umfasst das Material der Sperrschicht 40 ein kristallines Material, das so abgeschieden ist, dass es eine bestimmte kristallografische Orientierung, etwa eine (100)-Orientierung, aufweist. Das Material der Sperrschicht 40 kann so abgeschieden sein, dass es die gleiche kristallografische Orientierung aufweist wie die freie Schicht 30. In einigen Ausführungsformen kann die Sperrschicht 40 eine Dicke zwischen ungefähr 0,3 nm und ungefähr 3 nm aufweisen. In einigen Fällen kann das Steuern der Dicke der Sperrschicht 40 die Steuerung des Widerstands (RMTJ) des MTJ-Schichtstapels 100 unterstützen. Zum Beispiel kann eine dickere Sperrschicht 40 den Widerstand des MTJ-Schichtstapels 100 erhöhen. In einigen Ausführungsformen kann die Leistungsfähigkeit einer SOT-MRAM-Zelle 90 durch Steuern des Widerstands RMTJ des MTJ-Schichtstapels 100, um ihn auf einen parasitären Widerstand der mit der SOT-MRAM-Zelle 90 verbundenen Schaltung(en) abzustimmen, verbessert werden. In einigen Fällen kann ein derartiges Abstimmen der Widerstände den Bereich von Betriebsbedingungen vergrößern, bei welchen die SOT-MRAM-Zelle 90 ausgelesen werden kann. Die Sperrschicht 40 kann dünn genug sein, dass Elektronen durch die Sperrschicht 40 tunneln können.
  • Die Referenzschicht 50 ist eine zweite Magnetschicht, deren magnetisches Moment sich nicht ändert. Die Referenzschicht 50 kann aus beliebigen der für die freie Schicht 30 verwendeten Materialien, wie sie vorstehend dargelegt wurden, hergestellt sein und kann die gleiche Materialzusammensetzung wie die freie Schicht 30 aufweisen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Referenzschicht 50 eine oder mehrere Schichten magnetischer Materialien. In einigen Ausführungsformen umfasst die Referenzschicht 50 eine Schicht aus einer Kombination von Kobalt (Co), Eisen (Fe) und Bor (B), etwa Co, Fe und B; Fe und B; Co und Fe; Co; und so weiter. In einigen Ausführungsformen umfasst das Material der Referenzschicht 50 ein kristallines Material, das so abgeschieden ist, dass es eine bestimmte kristallografische Orientierung, etwa eine (100)-Orientierung, aufweist. Das Material der Referenzschicht 50 kann so abgeschieden sein, dass es die gleiche kristallografische Orientierung aufweist wie die Sperrschicht 40. In einigen Ausführungsformen liegt die Dicke der Referenzschicht 50 im Bereich von ungefähr 0,2 nm bis ungefähr 8 nm.
  • Die gepinnte Schicht 60 ist eine hart vormagnetisierte Schicht, die verwendet wird, um die Richtung der Spin-Polarisierung der Referenzschicht 50 in einer feststehenden Richtung zu pinnen. Das Pinnen der Spinpolarisierungsrichtung der Referenzschicht 50 ermöglicht, dass die SOT-MRAM-Zelle durch Ändern der Spinpolarisierungsrichtung der freien Schicht 30 relativ zu der Referenzschicht 50 zwischen einem Zustand niedrigen Widerstands und einem Zustand hohen Widerstands hin- und hergeschaltet werden kann. Da die gepinnte Schicht 60 über der Referenzschicht 50 ausgebildet ist, kann der in 1 gezeigte beispielhafte MTJ-Schichtstapel 100 als „oben gepinnter“ MTJ-Stapel betrachtet werden. In einigen Ausführungsformen kann jedoch die Reihenfolge der Schichten des MTJ-Schichtstapels 100 umgekehrt sein. Da in solchen Ausführungsformen die Referenzschicht 50 über der gepinnten Schicht 60 ausgebildet ist, kann ein derartiger MTJ-Schichtstapel als „unten gepinnter“ MTJ-Schichtstapel betrachtet werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann die gepinnte Schicht 60 mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufweisen und auch als eine künstlich antiferromagnetische Schicht (Synthetic Anti-ferromagnetic- bzw. SAF-Schicht) bezeichnet werden. Die gepinnte Schicht 60 kann zum Beispiel einen Stapel aus einer oder mehreren ferromagnetischen Schichten und einer oder mehreren nichtferromagnetischen Schichten umfassen. Zum Beispiel kann die gepinnte Schicht 60 aus einer nichtferromagnetischen Schicht gebildet sein, die zwischen zwei ferromagnetischen Schichten angeordnet ist, oder kann ein Stapel aus abwechselnd nichtferromagnetischen Schichten und ferromagnetischen Schichten sein. Die ferromagnetischen Schichten können aus einem Material wie Co, Fe, Ni, CoFe, NiFe, CoFeB, CoFeBW, Legierungen davon oder dergleichen oder Kombinationen davon gebildet werden. Die nichtferromagnetischen Schichten können aus einem Material wie Cu, Ru, Ir, Pt, W, Ta, Mg oder dergleichen oder Kombinationen davon gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann/können die ferromagnetische(n) Schicht(en) der gepinnten Schicht 60 eine Dicke zwischen ungefähr 2 nm und ungefähr 5 nm aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann eine dickere gepinnte Schicht 60 stärkere antiferromagnetische Eigenschaften aufweisen oder robuster gegenüber äußeren Magnetfeldern oder Temperaturschwankungen sein. In einigen Ausführungsformen kann/können die nichtferromagnetische(n) Schicht(en) der gepinnten Schicht 60 eine Dicke zwischen ungefähr 2 Å und ungefähr 10 Å aufweisen. Beispielsweise kann die gepinnte Schicht 60 eine Schicht aus Ru mit einer Dicke zwischen ungefähr 4 Å und ungefähr 8,5 Ä aufweisen, allerdings sind auch andere Schichten oder Dicken möglich. In einigen Ausführungsformen umfassen eine oder mehrere Schichten der gepinnten Schicht 60 ein kristallines Material, das so abgeschieden ist, dass es eine bestimmte kristallografische Orientierung, etwa eine (111)-Orientierung, aufweist. Die gepinnte Schicht 60 kann so ausgebildet sein, dass sie eine magnetische Anisotropie in der Ebene (IMA), das heißt in der gleichen Ebene wie die horizontale Richtung der gepinnten Schicht 60, aufweist. In einigen Ausführungsformen liegt die Gesamtdicke der gepinnten Schicht 60 in einem Bereich von ungefähr 3 nm bis 25 nm.
  • In einigen Ausführungsformen kann die gepinnte Schicht 60 eine Schicht aus antiferromagnetischem Material (AFM), wie zum Beispiel PtMn oder IrMn, aufweisen, um einen starken Austauschversatz (Exchange Bias) bereitzustellen, um die gepinnte Schicht zu fixieren. Dies bildet eine „Spinventilstruktur“ und sorgt für eine bessere Stabilität der gepinnten Schicht. Ohne die AFM-Schicht ist die gepinnte Schicht 60 weniger stabil und wird auch als „Pseudo-Spinventil“ bezeichnet.
  • Die Deckschicht 70 kann eine Einschicht- oder Mehrschichtstruktur sein, die sowohl zum Schutz der Schichten unterhalb der Deckschicht 70 während nachfolgender Prozesse dient als auch zur Bereitstellung einer oberen Elektrode zur Verbindung mit einer darüberliegenden Durchkontaktierung oder Metallleitung. Diese Schicht(en) kann/können aus einem nichtferromagnetischen Material wie z.B. Cu, Ru, Ir, Pt, W, Ta, Mg, Ti, TaN, TiN oder dergleichen oder Kombinationen davon gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht 70 zwei Schichten aus nichtferromagnetischem Material aufweisen, zwischen denen eine weitere Schicht aus nichtferromagnetischem Material, etwa einem anderen Material aus Cu, Ru, Ir, Pt, W, Ta, Mg, Ti, TaN, TiN oder dergleichen, angeordnet ist. Zum Beispiel kann die Deckschicht in einigen Ausführungsformen Ta oder Ti umfassen, das zwischen zwei Schichten aus Ru angeordnet ist. Die Dicke der Deckschicht 70 kann zwischen ungefähr 3 nm und ungefähr 25 nm betragen, allerdings werden auch andere Dicken in Betracht gezogen. In Ausführungsformen, in denen mehrere Schichten als Deckschicht 70 verwendet werden, kann jede Schicht zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 12 nm betragen.
  • Auf der Deckschicht 70 kann eine obere Elektrode 75 angeordnet sein. Die obere Elektrode 75 kann verwendet werden, um eine elektrische Verbindung zu einer leitfähigen Struktur bereitzustellen, die mit der Oberseite des MTJ-Schichtstapels 100 gekoppelt ist. Die obere Elektrode 75 kann aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, etwa Titan, Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid oder dergleichen oder Kombinationen davon.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Abstandshalterschicht 20 (z. B. die Abstandshalterschicht 20A und/oder die Abstandshalterschicht 20B) zwischen der freien Schicht 30 und der SOT-Induktionsstruktur 10 angeordnet. Die Abstandshalterschicht 20 relaxiert die Austauschkopplung zwischen der SOT-Induktionsstruktur 10 und der freien Schicht 30. Da die SOT-Induktionsstruktur 10 eine PMA (senkrechte magnetische Anisotropie) aufweist und die freie Schicht 30 eine IMA (magnetische Anisotropie in der Ebene) aufweist, dient die Abstandshalterschicht 20 dazu, die Austauschkopplung zwischen der SOT-Induktionsstruktur 10 und der freien Schicht 30 derart anzupassen, dass diese ihre jeweilige magnetische Anisotropie behalten, ohne dass nachteilige Kopplungseffekte zwischen ihnen auftreten. Eine optimale Kopplung ermöglicht das interne Erzeugen des Feldes Hz, um ein Schalten der freien Schicht 30 während eines Schreibvorgangs zu unterstützen. Die ferromagnetische SOT-Induktionsstruktur 10 mit PMA verbessert den Spin-Hall-Winkel (SHA) und verringert dadurch den Schreibstrom.
  • Die Abstandshalterschicht 20 kann aus einem metallischen Material oder einem dielektrischen Material wie einem Metalloxid gebildet werden. Wird die Abstandshalterschicht 20 aus einem metallischen Material gebildet, kann die Abstandshalterschicht 20 aus einem metallischen Material wie einem nichtferromagnetischen Material wie W, Ru, Pt, Mo, Ti, Mg oder dergleichen oder einer Kombination davon gebildet werden. Wird die Abstandshalterschicht 20 aus einem dielektrischen Material gebildet, kann die Abstandshalterschicht 20 aus einem dielektrischen Material wie Magnesiumoxid (MgOx), Kobaltoxid (CoOx), Aluminiumoxid (AlOx) oder dergleichen oder Kombinationen davon gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Abstandshalterschicht 20 aus mehreren Schichten gebildet sein, wobei jede Schicht ein anderes Material sein kann - einschließlich einem metallischen Material und/oder einem dielektrischen Material. In einigen Ausführungsformen kann die Abstandshalterschicht 20A zusammen mit der SOT-Induktionsstruktur 10 ausgebildet und strukturiert werden und kann eine ähnliche Grundfläche wie die SOT-Induktionsstruktur 10 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Abstandshalterschicht 20B strukturiert werden, wenn der MTJ-Schichtstapel 100 strukturiert wird, sodass die Abstandshalterschicht 20B eine ähnliche Grundfläche aufweisen kann wie der MTJ-Schichtstapel 100. In einigen Ausführungsformen kann sowohl die Abstandshalterschicht 20A als auch die Abstandshalterschicht 20B vorhanden sein.
  • Die Gesamtdicke der Abstandshalterschicht 20 (welche die Abstandshalterschicht 20A und die Abstandshalterschicht 20B umfasst) hängt von den Materialien der freien Schicht 30 und der SOT-Induktionsstruktur 10 ab. Die Abstandshalterschicht 20 muss eine minimale Dicke aufweisen, die durch die minimale Dicke bestimmt ist, die erforderlich ist, um die Austauschkopplung der freien Schicht 30 und der SOT-Induktionsstruktur 10 zu verringern. Die maximale Dicke der Abstandshalterschicht 20 wird durch den SOT-Effekt bestimmt. Wenn die freie Schicht 30 und die SOT-Induktionsstruktur 10 zu weit voneinander getrennt sind, wird der SOT-Effekt abgeschwächt, wodurch die SOT-Effizienz (der Spin-Hall-Winkel) reduziert wird und der Magnetwiderstand beeinflusst wird. Ist die Abstandshalterschicht 20 ein dielektrisches Material, beeinflusst außerdem die Dicke der Abstandshalterschicht 20 den Widerstand des MTJ-Schichtstapels 100. Abhängig von den für die Abstandshalterschicht 20, die freie Schicht 30 und die SOT-Induktionsstruktur 10 gewählten Materialien kann die Abstandshalterschicht 20 eine Gesamtdicke zwischen ungefähr 2 Å und ungefähr 13 Å aufweisen. In einigen Ausführungsformen, beispielsweise wenn die Abstandshalterschicht 20 aus einem Magnesiumoxid hergestellt ist, kann die Abstandshalterschicht 20 eine Gesamtdicke zwischen ungefähr 6,5 Ä und ungefähr 8,5 Ä aufweisen. In anderen Ausführungsformen, beispielsweise wenn die Abstandshalterschicht 20 aus Magnesium hergestellt ist, kann die Abstandshalterschicht 20 eine Gesamtdicke zwischen ungefähr 10 Å und ungefähr 13 Å aufweisen. In weiteren Ausführungsformen, beispielsweise wenn die Abstandshalterschicht 20 aus Titan hergestellt ist, kann die Abstandshalterschicht 20 eine Gesamtdicke zwischen ungefähr 6,5 Ä und ungefähr 10 Å aufweisen. In noch weiteren Ausführungsformen, beispielsweise wenn die Abstandshalterschicht 20 aus Wolfram hergestellt ist, kann die Abstandshalterschicht 20 eine Gesamtdicke zwischen ungefähr 5 Å und ungefähr 10 Ä aufweisen.
  • 2 veranschaulicht eine vereinfachte schematische Ansicht einer SOT-MRAM-Zelle 90 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In den folgenden Ausführungsformen können Materialien, Ausgestaltungen, Abmessungen, Prozesse und/oder Vorgänge verwendet werden, die unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen mit Bezug auf 1 beschrieben wurden; eine detaillierte Erläuterung davon kann weggelassen werden.
  • In einigen Ausführungsformen ist die SOT-Induktionsstruktur 10 an einem Ende mit einem Schaltbauelement (z. B. einem Feldeffekttransistor (FET)) gekoppelt, das vorliegend als FET 110 bezeichnet wird. In einigen Ausführungsformen ist die SOT-Induktionsstruktur 10 über eine oder mehrere leitfähige Strukturen (z. B. eine Durchkontaktierung, eine Verdrahtung, Leitungen und/oder ein Pad) mit einem Drain (oder einer Source) des FET 110 (oder FET1) gekoppelt, und ein Gate des FET ist über eine oder mehrere leitfähige Strukturen mit einer Wortleitung WL1 120 gekoppelt. Eine Source (oder ein Drain) des FET1 ist über eine oder mehrere leitfähige Strukturen mit einer Sourceleitung SL1 125 gekoppelt. Ein anderes Ende der SOT-Induktionsstruktur 10 ist mit einem anderen Schaltbauelement (z. B. einem Feldeffekttransistor (FET)) gekoppelt, das vorliegend ebenfalls als FET 110 (oder FET2) bezeichnet wird. In einigen Ausführungsformen ist die SOT-Induktionsstruktur 10 über eine oder mehrere leitfähige Strukturen mit einem Drain (oder einer Source) des FET2 gekoppelt, und ein Gate des FET2 ist über eine oder mehrere leitfähige Strukturen mit einer Wortleitung WL2 120 gekoppelt. Eine Source (oder ein Drain) des FET2 ist über eine oder mehrere leitfähige Strukturen mit einer Sourceleitung SL2 125 gekoppelt.
  • In einigen Ausführungsformen ist der MTJ-Schichtstapel 100 in vertikaler Richtung (Schichtstapelrichtung) (Z-Richtung) über der SOT-Induktionsstruktur 10 angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist die Abstandshalterschicht 20 zwischen dem MTJ-Schichtstapel 100 und der SOT-Induktionsstruktur 10 angeordnet. Eine Bitleitung 160 ist über eine oder mehrere leitfähige Strukturen elektrisch mit der Oberseite des MTJ-Schichtstapels 100 gekoppelt.
  • In einigen Ausführungsformen kann der MTJ-Schichtstapel 100 invertiert sein und die SOT-Induktionsstruktur 10 über dem MTJ-Schichtstapel 100 angeordnet sein. In solchen Ausführungsformen kann die Deckschicht 70 weggelassen werden, die obere Elektrode 75 (siehe 1) kann eine untere Elektrode 5 werden und die untere Elektrode 5 kann eine obere Elektrode 75 werden. Die freie Schicht 30 des MTJ-Schichtstapels 100 kann an einer Oberseite des invertierten MTJ-Schichtstapels 100 angeordnet sein. In Ausführungsformen, in denen eine Abstandshalterschicht 20 verwendet wird, kann die Abstandshalterschicht zwischen der SOT-Induktionsstruktur 10 und dem MTJ-Schichtstapel 100 angeordnet sein. In solchen Ausführungsformen kann außerdem die Verdrahtungsanordnung die gleiche bleiben, wobei ein Drain (oder eine Source) des FET1 FET 110 über eine leitfähige Struktur mit dem einen Ende der SOT-Induktionsstruktur 10 gekoppelt ist und ein Drain (oder eine Source) des FET2 FET 110 über eine leitfähige Struktur mit dem anderen Ende der SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist. In ähnlicher Weise kann die Bitleitung 160 über eine oder mehrere leitfähige Strukturen mit der nun unteren Seite des MTJ-Schichtstapels 100 gekoppelt sein. Variationen dieser Aspekte werden nachstehend mit Bezug auf die verschiedenen Figuren erörtert.
  • Unter Verwendung der in 2 dargestellten Anordnung von Elementen kann die SOT-MRAM-Zelle 90 ein Speicherelement vom x-Typ umsetzen, ohne dass ein externes Hilfsfeld erforderlich ist, um die freie Schicht 30 zu schalten. Außerdem ist durch Nutzung von SOT-MRAM-Zellen 90 anstelle von STT-MRAM-Zellen der Leistungsbedarf geringer, sodass auch die Designgröße der Transistoren der FETs 110 (FET1 und FET2) verringert werden kann. In einigen Ausführungsformen kann die Flächengröße der SOT-MRAM-Vorrichtung ungefähr 50 % bis 75 % der Flächengröße einer vergleichbaren SRAM-Vorrichtung betragen und ungefähr der Größe einer STT-MRAM-Vorrichtung entsprechen, wobei weniger Leistung benötigt wird und schnelleres Schalten und eine robustere Langlebigkeit (eine größere Anzahl von Schaltzyklen) erreicht werden.
  • Wenn die Wortleitung WL1 120 positiv vorgespannt ist und die Wortleitung WL2 120 positiv vorgespannt ist, sind die Gates der FETs 110 (FET1 und FET2) offen. Dann kann der Strom Jc in einer Richtung über die SOT-Induktionsstruktur 10 fließen, wodurch eine Richtungsänderung der Magnetisierung der freien Schicht 30 induziert wird. Wenn die Stromrichtung umgekehrt wird, dann kann der Strom Jc in entgegengesetzter Richtung über die SOT-Induktionsstruktur 10 fließen, wodurch eine umgekehrte Richtungsänderung der Magnetisierung der freien Schicht 30 induziert wird. Wenn hingegen einer der Transistoren FET 110 (FET1 oder FET2) nicht eingeschaltet ist, fließt kein Strom über die SOT-Induktionsstruktur 10 und an der Bitleitung 160 kann über den MTJ-Schichtstapel 100 ein Lesevorgang durchgeführt werden. Die Lese- und Schreibvorgänge werden nachstehend mit Bezug auf 18 detailliert erörtert.
  • 3A und 3B veranschaulichen die SOT-Induktionsstruktur 10 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die SOT-Induktionsstruktur 10 ist eine aktive Spin-Bahn-Schicht, welche eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung mit der freien Schicht 30 verursacht. In 3A und 3B ist die SOT-Induktionsstruktur 10 eine verspannte ferromagnetische Struktur mit senkrechter magnetischer Anisotropie (PMA). Wie vorstehend angemerkt ist, ist eine verspannte SOT-Induktionsstruktur 10 vorteilhaft für ein Erhöhen der SOT-Schalteffizienz, da sowohl eine hohe magnetische Anisotropie senkrecht zur Ebene (PMA) als auch ein hoher Spin-Hall-Winkel (SHA) ohne Nutzung einer dicken Schwermetall-Keimschicht erreicht wird.
  • In 3A umfasst die SOT-Induktionsstruktur 10 Paare 14 aus abwechselnden Metallschichten. Diese Metallschichtpaare 14 werden gestapelt, um die SOT-Induktionsstruktur 10 zu bilden. Die erste Metallschicht 14A kann aus einem nichtferromagnetischen Metall wie Platin oder Palladium hergestellt sein und die zweite Metallschicht 14B kann aus einem ferromagnetischen Metall wie Kobalt hergestellt sein. Die erste Metallschicht 14A kann eine Dicke zwischen 1 nm und 2 nm aufweisen, und die zweite Metallschicht 14B kann eine Dicke zwischen 0,01 nm und 0,7 nm aufweisen. Andere Dicken werden in Betracht gezogen und können auch verwendet werden. Die Metallschichtpaare 14 werden in wiederholten Zyklen ausgebildet, um die SOT-Induktionsstruktur 10 mit mehreren Sätzen von Metallschichtpaaren 14 auszubilden. Die SOT-Induktionsstruktur 10 kann zwei oder mehr dieser Metallschichtpaare 14, beispielsweise zwei bis acht Metallschichtpaare 14, beispielsweise drei bis sechs Metallschichtpaare 14, aufweisen.
  • Durch Erhöhen des Verhältnisses der Dicke der ersten Metallschicht 14A zu der Dicke der zweiten Metallschicht 14B und Erhöhen der Anzahl von Zyklen der Metallschichtpaare 14 kann die effektive magnetische Anisotropie senkrecht zur Ebene (PMA) der SOT-Induktionsstruktur 10 erhöht werden. Die PMA ist aufgrund der hohen elastischen Verspannung zwischen der ersten Metallschicht 14A und der zweiten Metallschicht 14B bedingt durch eine hohe Gitterfehlanpassung zwischen dem Metall der ersten Metallschicht 14A und dem Metall der zweiten Metallschicht 14B erhöht. Zum Beispiel kann die Gitterfehlanpassung zwischen der ersten Metallschicht 14A und der zweiten Metallschicht 14B zwischen ungefähr 6 % und ungefähr 10 % betragen. Zusätzliche Zyklen der Metallschichtpaare 14 erhöhen die Verspannung in der SOT-Induktionsstruktur 10 und stellen eine hohe PMA bereit, die ähnlich derjenigen ist, die ansonsten durch eine Schwermetall-Keimschicht bereitgestellt wird (welche weggelassen werden kann). In ähnlicher Weise erhöht das hohe Verhältnis der Dicke der ersten Metallschicht 14A zu der Dicke der zweiten Metallschicht 14B die Verspannung und die PMA. In einigen Ausführungsformen kann das Verhältnis zwischen ungefähr 2 und 20 betragen, in anderen Ausführungsformen zwischen ungefähr 3 und 10.
  • Das Ausmaß des mit der PMA assoziierten Magnetismus kann durch die Magnetisierungsstärke (Koerzitivfeldstärke, Hc) oder den Magnetisierungsgrad (Sättigungsmagnetisierung, Ms) der SOT-Induktionsstruktur 10 charakterisiert werden. In einigen Ausführungsformen kann die Koerzitivfeldstärke zwischen 200 Oe und 1000 Oe betragen, beispielsweise zwischen ungefähr 300 Oe und 600 Oe. Das Ausmaß des mit der PMA assoziierten Magnetismus kann auch durch das Verhältnis Mr/Ms der Restmagnetisierung Mr bei einer Feldstärke von null zur Sättigungsmagnetisierung Ms bei einer sättigenden Feldstärke (z. B. 10000 Oe) charakterisiert werden. In einigen Ausführungsformen kann das Mr/Ms-Verhältnis größer als ungefähr 0,30 sein, zum Beispiel zwischen ungefähr 0,30 und 0,90 betragen oder zwischen ungefähr 0,60 und 0,80 betragen, was eine starke PMA aufzeigt.
  • Die SOT-Induktionsstruktur 10 kann durch Abscheiden des metallischen Materials der ersten Metallschicht 14A unter Verwendung einer flächendeckenden Abscheidungstechnik ausgebildet werden, einschließlich einer beliebigen geeigneten Abscheidungstechnik wie CVD, PVD, ALD oder dergleichen oder Kombinationen davon. Als Nächstes kann das metallische Material der zweiten metallischen Schicht 14B unter Verwendung einer flächendeckenden Abscheidungstechnik ausgebildet werden, einschließlich einer der Abscheidungstechniken, die auch zum Abscheiden der ersten Metallschicht 14A verwendet wurden.
  • Nach der zyklischen Abscheidung der Metallschichtpaare 14 kann die Gesamtdicke der SOT-Induktionsstruktur 10 zwischen ungefähr 2 nm und ungefähr 25 nm betragen, z.B. zwischen ungefähr 3 nm und 18 nm, z. B. ungefähr 5 nm, allerdings werden auch andere Werte in Betracht gezogen und können verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann nach der zyklischen Abscheidung der Metallschichtpaare 14 die Abstandshalterschicht 20 (z. B. die Abstandshalterschicht 20A aus 1) abgeschieden werden. Die SOT-Induktionsstruktur 10 kann in einem nachfolgenden Schritt durch Strukturieren in die endgültige Form gebracht werden oder zu diesem Zeitpunkt (vor der Ausbildung des MTJ-Schichtstapels 100) durch Strukturieren in ihre endgültige Form gebracht werden.
  • Nach der zyklischen Abscheidung der Metallschichtpaare 14 kann ein Tempern durchgeführt werden. Tempern nach der Abscheidung sorgt für eine Bergauf-Diffusion in den Metallschichtpaaren 14 und erhöht die PMA der SOT-Induktionsstruktur 10 weiter. Das Nachtempern kann bei einer Temperatur zwischen ungefähr 300 °C und ungefähr 400 °C und einer Dauer zwischen 0,5 Stunden und 3 Stunden stattfinden. In einigen Ausführungsformen kann während des Nachtempems ein senkrechtes In-situ-Magnetfeld (außerhalb der Ebene) angelegt werden, um die PMA aufgrund der Kristallanisotropie der Metallschichtpaare 14 weiter zu erhöhen. Während des Temperns kann das Magnetfeld zwischen ungefähr 1 Tesla und 5 Tesla betragen. In einigen Ausführungsformen kann die Verwendung des senkrechten In-situ-Felds während des Temperns die SOT-Induktionsstruktur 10 von superparamagnetisch (weder in der Ebene noch senkrecht) in vorwiegend mit senkrechter magnetischer Anisotropie umwandeln. In einigen Ausführungsformen kann die SOT-Induktionsstruktur 10 im Anschluss an die Ausbildung eine teilweise in der Ebene liegende und teilweise senkrechte Anisotropie aufweisen, und die Verwendung eines senkrechten In-situ-Feldes während des Temperns kann die senkrechten magnetischen Eigenschaften um zwischen ungefähr 10 % und 50 % derart erhöhen, dass die SOT-Induktionsstruktur 10 nach dem Tempern eine vorwiegend senkrechte magnetische Anisotropie aufweist. Das Tempern nach der Abscheidung kann unmittelbar nach dem Abscheiden der Metallschichtpaare 14 zur Ausbildung der SOT-Induktionsstruktur 10 durchgeführt werden oder in einem späteren Prozess, zum Beispiel nach dem Ausbilden des MTJ-Schichtstapels 100, durchgeführt werden.
  • 3B ist 3A ähnlich, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Die SOT-Induktionsstruktur 10 in 3B weist eine Basismetallschicht 12 auf. Die Basismetallschicht 12 stellt eine ähnliche Funktion für die SOT-Induktionsstruktur 10 bereit wie die Nutzung eines hohen Verhältnisses der Schichtdicken der Metallschichtpaare 14, wie vorstehend mit Bezug auf 3A erörtert. Die Nutzung der Basismetallschicht 12 erlaubt eine größere Flexibilität bei der Abscheidung der Metallschichtpaare 14 unter Beibehaltung höherer PMA der SOT-Induktionsstruktur 10. In einigen Ausführungsformen kann die Basismetallschicht 12 das gleiche Material wie das Metall der ersten Metallschicht 14A sein. Im Grunde kann das Metall der ersten Metallschicht 14A im ersten Zyklus dicker ausfallen als in nachfolgenden Zyklen. In anderen Ausführungsformen kann die Basismetallschicht 12 ein anderes Material als das Metall der ersten Metallschicht 14A sein. Zum Beispiel kann das Metall der ersten Metallschicht 14A Platin sein und das Metall der Basismetallschicht 12 Palladium sein, oder umgekehrt.
  • Die Dicke der ersten Metallschicht 14A und die Dicke der zweiten Metallschicht 14B können jeweils zwischen ungefähr 0,01 nm und 2 nm betragen, und die Dicke der Basismetallschicht 12 kann zwischen 2 nm und 5 nm betragen. Aufgrund des Vorhandenseins der Basismetallschicht 12 können die Dicke der ersten Metallschicht 14A und die Dicke der zweiten Metallschicht 14B gleich sein und es kann dennoch eine hohe PMA und ein hoher SHA erzielt werden. Im Gegensatz zu der in 3A veranschaulichten Anordnung ist das Dickenverhältnis der ersten Metallschicht 14A zur zweiten Metallschicht 14B nicht so kritisch, um eine hohe PMA aufrechtzuerhalten. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen die PMA der SOT-Induktionsstruktur 10 bei Verwendung der Basismetallschicht 12 direkt nach Abscheidung um ungefähr 30 % bis ungefähr 60 % größer sein als ohne die Basismetallschicht 12, selbst wenn die Dicke der ersten Metallschicht 14A gleich der Dicke der zweiten Metallschicht 14B ist.
  • Die Basismetallschicht 12, die erste Metallschicht 14A und die zweite Metallschicht 14B aus 3B können unter Verwendung von Prozessen und Materialien abgeschieden und getempert werden, die denjenigen ähnlich sind, die vorstehend mit Bezug auf 3A erörtert wurden. Das senkrechte In-situ-Feld während des Temperns kann die PMA der SOT-Induktionsstruktur aus 3B um zwischen ungefähr 10 % und ungefähr 40 % erhöhen.
  • 4, 14 und 15 sind schematische Querschnittsansichten eines Abschnitts einer SOT-MRAM-Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Einige Aspekte der veranschaulichten Schichten der SOT-MRAM-Vorrichtung können in diesen Querschnittsansichten verflacht sein, und es versteht sich, dass manche der dargestellten Merkmale in anderen Querschnitten tatsächlich vorliegen können. 16 ist eine dreidimensionale Darstellung der in 4, 14 und 15 veranschaulichten SOT-MRAM-Vorrichtungen. 17 ist ein Schaltbild, das stimmig mit diesen in 4, 14 und 15 gezeigten Ausführungsformen ist.
  • In den folgenden Ausführungsformen können Materialien, Ausgestaltungen, Abmessungen, Prozesse und/oder Vorgänge verwendet werden, die mit Bezug auf 1, 2, 3A und 3B beschrieben wurden; eine detaillierte Erläuterung davon kann weggelassen werden. Allgemein bezugnehmend auf 4, 14 und 15 umfasst die SOT-MRAM-Vorrichtung in einigen Ausführungsformen eine geschichtete Struktur mit Mehrfachverdrahtungsschichtstruktur. In einigen Ausführungsformen umfasst die Mehrfachverdrahtungsschichtstruktur „Mx“- (x = 0, 1, 2, 3, ...) Metallverdrahtungsschichten, die sich in jeweiligen über einem Substrat angeordneten Ebenen befinden, und „Vy“- (y = 0, 1, 2, 3, ...) Durchkontaktierungen (Kontakte), welche die My-Metallverdrahtungsschicht mit der My+1-Metallverdrahtungsschicht verbinden. Die Metallverdrahtungsschichten umfassen Metallleitungen, die in einer Schicht aus dielektrischem Material eingebettet sind. Die Durchkontaktierungen weisen leitfähige Kontaktanschlüsse auf, die in einem Zwischenschichtdielektrikum (Interlayer Dielectric bzw. ILD) eingebettet sind, das benachbarte Metallverdrahtungsschichten trennt. Für Veranschaulichungs- und Bezeichnungszwecke entsprechen auf „A“ endende Elemente den Ebenen x = 0, y = 0, auf „B“ endende Elemente den Ebenen x = 1, y = 1, auf „C“ endende Elemente den Ebenen x = 3, y = 3 und so weiter. In einigen Ausführungsformen erstrecken sich die Metallverdrahtungsschichten mit geraden Nummern in einer Richtung (z. B. X-Richtung) und die Metallverdrahtungsschichten mit ungeraden Nummern in einer anderen Richtung (z. B. Y-Richtung), welche die eine Richtung schneidet. In einigen Ausführungsformen kann der Teilungsabstand der Metallverdrahtungen im Allgemeinen zunehmen, je höher die entsprechende Ebene liegt. Zum Beispiel kann der Teilungsabstand der Metallverdrahtung in den Ebenen M3 und M4 gleich sein, während der Teilungsabstand der Metallverdrahtung in den Ebenen M5 und darüber gleich sein kann und größer als der Teilungsabstand der Metallverdrahtung in M3 und M4 sein kann.
  • In einigen Ausführungsformen sind die Metallverdrahtungen und Durchkontaktierungen aus Aluminium, Kobalt, Kupfer, einer Kupferlegierung, Wolfram, Titan, Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid, Legierungen davon, Kombinationen davon und/oder dergleichen hergestellt. Die Durchkontaktierungen können auch Sperr- oder Haftmaterialschichten aufweisen, welche die Seiten der Durchkontaktierungen umgeben und von einer oder mehreren Schichten aus Titan, Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid, Wolframnitrid, Ruthenium, Rhodium, Platin, anderen Edelmetallen, anderen hochschmelzenden Metallen, deren Nitriden, Kombinationen davon oder dergleichen gebildet werden.
  • In einigen Ausführungsformen werden die ILD-Schichten aus einem beliebigen geeigneten dielektrischen Material gebildet, einschließlich beispielsweise einem Nitrid wie Siliziumnitrid, einem Oxid wie Siliziumoxid, SiOC und SiOCN, SiCN, Phosphorsilikatglas (PSG), Borsilikatglas (BSG), bordotiertem Phosphorsilikatglas (BPSG) oder dergleichen oder Kombinationen davon.
  • Die Kontaktstecker 118 verbinden einen Source-Bereich 112S oder einen Drain-Bereich 112D der FETs 110 durch eine dielektrische Schicht 104 mit der MO-Metallverdrahtungsschicht (z. B. einer Leitung 130A). Die Sourceleitung SL1 125 befindet sich in der M0-Metallverdrahtungsschicht und ist mit dem Source-Bereich 112S des FET 110 FET1 gekoppelt. Die Sourceleitung SL2 125 befindet sich in der M0-Metallverdrahtungsschicht und ist mit dem Source-Bereich 112S des FET 110 FET2 gekoppelt. Der Drain-Bereich 112D des FET 110 FET1 ist mit einem Ende der SOT-Induktionsstruktur 10 gekoppelt. Der Drain-Bereich 112D des FET 110 FET2 ist mit dem anderen Ende der SOT-Induktionsstruktur 10 gekoppelt. Die Bitleitung BL160 befindet sich über dem MTJ-Schichtstapel 100 in der M2-Metallverdrahtungsschicht und ist mit der Oberseite des MTJ-Schichtstapels 100 gekoppelt. Die Wortleitung WL1 ist mit der Gate-Elektrode des FET 110 FET1 gekoppelt, und die Wortleitung WL2 ist mit der Gate-Elektrode des FET 110 FET2 gekoppelt.
  • Es versteht sich außerdem, dass das Schema in 4 nur eine Veranschaulichung einer Ausführungsform ist und dass Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist der Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel versteht es sich, dass nach Bedarf mehrere Zwischenschichten enthalten sein können, um eine beliebige gewünschte Verdrahtungsanordnung aufzunehmen. Wenn ein bestimmtes Element als in einer bestimmten Metallverdrahtungsschicht enthalten beschrieben ist, zieht die Offenbarung insbesondere in Betracht, dass eine beliebige gewünschte Anzahl von Metallverdrahtungsschichten zwischen den beschriebenen Metallverdrahtungsschichten angeordnet sein kann. Wird zum Beispiel ein Element als in der M2-Metallverdrahtungsschicht enthalten beschrieben und ein anderes Element als in der M3-Metallverdrahtungsschicht enthalten beschrieben, kann zwischen der M2-Metallverdrahtungsschicht und der M3-Metallverdrahtungsschicht eine beliebige Anzahl von Metallverdrahtungsschichten vorhanden sein. Außerdem kann, wie vorstehend angemerkt ist, der MTJ-Schichtstapel 100 derart ausgebildet sein, dass die SOT-Induktionsstruktur 10 über dem MTJ-Schichtstapel 100 angeordnet ist.
  • In einigen Ausführungsformen sind die FETs 110 planare FETs, Finnen-FETs oder Gate-all-around-FETs. Die Elektrode 80 ist mit einem Drain-Bereich 112D eines FET 110 gekoppelt und ein Source-Bereich 112S des FET 110 ist mit der Sourceleitung SL 125 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen wird der Source-Bereich 112S von zwei benachbarten FETs 110 gemeinsam benutzt (siehe 15). In einigen Ausführungsformen ist ein Paar von FETs 110 (FET1 und FET2) durch eine Dummy-Gatestruktur 121 von einem anderen Paar von FETs 110 (z. B. in MC2 in 4) getrennt. Die Wortleitungen WL 120 sind mit den Gates der FETs 110 gekoppelt und schalten, ob ein Strom von der Sourceleitung SL 125 über den MTJ-Schichtstapel 100 zu der Bitleitung BL160 fließen kann.
  • Unter Bezugnahme auf 4 sind zwei SOT-MRAM-Zellen 90 der SOT-MRAM-Vorrichtung 300 veranschaulicht, die MC1 und MC2 umfassen. Wie in 4 veranschaulicht ist, können die Source-Bereiche 112S benachbarter SOT-MRAM-Zellen 90 durch eine Dummy-Gatestruktur 121 getrennt sein - ähnlich der Trennung der Drain-Bereiche 112D der FETs 110 (FET1 und FET2) durch die Dummy-Gatestruktur 121. In einigen Ausführungsformen können zwei der benachbarten SOT-MRAM-Zellen 90 einen gemeinsamen Source-Bereich 112S gemeinsam benutzen (siehe z. B. 15).
  • Die SOT-Induktionsstruktur 10 kann in der M1-Metallverdrahtungsschicht angeordnet sein und jeweils mit dem Drain-Bereich 112D (oder dem Source-Bereich 112S) der einzelnen FETs 110 in MC1 gekoppelt sein. Der MTJ-Schichtstapel 100 kann in der V1-Schicht auf der SOT-Induktionsstruktur 10 angeordnet sein, zum Beispiel in einem unteren Abschnitt VIA der V1-Schicht. Eine Durchkontaktierung 126B kann die Oberseite des MTJ-Schichtstapels 100 mit dem Bitleitungs-BL-Signal 160 in der M2-Metallverdrahtungsschicht verbinden. Die Sourceleitung SL1 und die Sourceleitung SL2 können in der M0-Metallverdrahtungsschicht angeordnet sein und jeweils mit dem Source-Bereich 112S (oder dem Drain-Bereich) der einzelnen FETs 110 (FET 1 und FET2) gekoppelt sein. Die Wortleitung WL1 und die Wortleitung WL2 sind jeweils mit der Gate-Elektrode der einzelnen FETs 110 (FET 1 bzw. FET2) verbunden. Diese Verbindungen können durch Durchkontaktierungen und Verdrahtungsstrukturen in einem anderen Querschnitt in die Metallverdrahtungsschichten hochgezogen werden. Wie in 4 veranschaulicht ist, verlaufen die Sourceleitungen (z. B. SL1 und SL2) jeweils in Y-Richtung und weisen in X-Richtung einen kleinen Querschnitt auf.
  • In einigen Ausführungsformen können die MTJ-Schichtstapel 100, die SOT-Induktionsverdrahtungsstrukturen 10, die Sourceleitungen 125 (SL1 und SL2) und die Bitleitungen BL160 jeweils eine Metallverdrahtungsschicht weiter unten oder eine oder mehrere Metallverdrahtungsschichten weiter oben angeordnet sein.
  • 5 bis 14 veranschaulichen Zwischenschritte bei der Ausbildung der SOT-MRAM-Vorrichtung 300 aus 4. Zum Ausbilden der verschiedenen Strukturen und Elemente der SOT-MRAM-Vorrichtung 300 verwendbare Materialien sind vorstehend beschrieben und werden nicht wiederholt.
  • 5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Substrats 102 und mehrerer FETs 110, die auf dem Substrat 102 ausgebildet sind, gemäß einigen Ausführungsformen. Die FETs 110 sind Teil der nachfolgend ausgebildeten SOT-MRAM-Zellen 90 der SOT-MRAM-Vorrichtung 300. Einige beispielhafte FETs 110 sind in 5 angedeutet. Das Substrat 102 kann ein dotiertes oder undotiertes Halbleitersubstrat, etwa aus Silizium, oder eine aktive Schicht eines Halbleiter-auf-Isolator- (Semiconductor-on-Insulator- bzw. SOI-) Substrats sein. Das Halbleitersubstrat kann andere Halbleitermaterialien wie Germanium; einen Verbindungshalbleiter, etwa Siliziumkarbid, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Galliumnitrid, Indiumphosphid, Indiumarsenid und/oder Indiumantimonid; einen Legierungshalbleiter, etwa Siliziumgermanium (SiGe), GaAsP, AlInAs, AlGaAs, GaInAs, GaInP und/oder GaInAsP; oder Kombinationen davon enthalten. Andere Substrate, wie mehrschichtige oder Gradientensubstrate, können ebenfalls verwendet werden.
  • In einigen Ausführungsformen sind die FETs 110 Finnen-Feldeffekttransistoren (FinFETs), welche Finnen (bzw. Kanalbereiche) 116, Gatestrukturen 114, Source-Bereiche 112S und Drain-Bereiche 112D umfassen. Wie in 5 gezeigt ist, sind die Finnen 116 auf dem Substrat 102 ausgebildet und können das gleiche Material wie das Substrat 102 oder ein anderes Material umfassen. In einigen Ausführungsformen können zwischen manchen Finnen 116 Dummy-Finnen (nicht gezeigt) ausgebildet werden, um die Prozesseinheitlichkeit zu verbessern. Die Gatestrukturen 114 werden über mehreren Finnen 116 ausgebildet und erstrecken sich in einer Richtung senkrecht zu den Finnen 116. In einigen Ausführungsformen können Abstandshalter (in den Figuren nicht gezeigt) auf den Seitenwänden der Gatestrukturen 114 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können zwischen manchen Gatestrukturen 114 Dummy-Gatestrukturen 121 ausgebildet werden, um die Prozesseinheitlichkeit zu verbessern. In einigen Ausführungsformen können die Dummy-Gatestrukturen 121 als „Dummy-Transistoren“ oder als „Dummy-FinFETs“ betrachtet werden. Einige Gatestrukturen 114 dienen in der SOT-MRAM-Vorrichtung 300 als Wortleitungen (nachstehend detaillierter beschrieben) und sind entsprechend als „WL“, z. B. als „WL2“, bezeichnet. Die Source-Bereiche 112S und die Drain-Bereiche 112D werden in den Finnen 116 zu beiden Seiten der Gatestrukturen 114 ausgebildet. Die Source-Bereiche 112S und die Drain-Bereiche 112D können zum Beispiel implantierte Bereiche der Finnen 116 sein oder ein epitaktisches Material sein, das in Vertiefungen in den Finnen 116 aufgewachsen wird. In der in 5 gezeigten Ausführungsform weist eine Seite jeder Finne 116 benachbarte Source-Bereiche 112S und die andere Seite jeder Finne 116 benachbarte Drain-Bereiche 112D auf.
  • Die in den Figuren gezeigten FETs 110 sind repräsentativ, und einige Merkmale der FETs 110 können in den Figuren der Klarheit halber weggelassen worden sein. In anderen Ausführungsformen kann die Anordnung, Ausgestaltung, Größe oder Form von Merkmalen, wie z.B. Finnen 116, Dummy-Finnen, Gatestrukturen 114, Dummy-Gatestrukturen 21, Source-Bereichen 112S, Drain-Bereichen 112D oder anderen Merkmalen, von der gezeigten abweichen. In anderen Ausführungsformen können die FETs 110 Transistoren anderen Typs sein, etwa planare Transistoren.
  • In 6 ist gemäß einigen Ausführungsformen eine dielektrische Schicht 104 über dem Substrat 102 ausgebildet und strukturiert, um die Source-Bereiche 112S und Drain-Bereiche 112D freizulegen. Die dielektrische Schicht 104 kann die FETs 110 bedecken und kann in einigen Ausführungsformen als Zwischenschichtdielektrikumschicht (ILD) betrachtet werden. Die dielektrische Schicht 104 kann aus einem beliebigen geeigneten dielektrischen Material ausgebildet werden, einschließlich beispielsweise eines beliebigen der vorstehend für eine ILD aufgeführten Materialien. Die dielektrische Schicht 104 kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Abscheidungsprozesses ausgebildet werden, wie beispielsweise Schleuderbeschichten, physikalische Gasphasenabscheidung (PVD - Physical Vapor Deposition), chemische Gasphasenabscheidung (CVD - Chemical Vapor Deposition) oder dergleichen oder eine Kombination davon. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 104 ein dielektrisches Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante (k-Wert) sein, zum Beispiel kleiner als ungefähr 3,0.
  • Die dielektrische Schicht 104 kann strukturiert werden, um Öffnungen 106 zu bilden, welche die Source-Bereiche 112S und die Drain-Bereiche 112D für eine nachfolgende Ausbildung von Kontaktsteckern 118 freilegen (siehe 3). Die dielektrische Schicht 104 kann unter Verwendung eines geeigneten Fotolithografie- und Ätzprozesses strukturiert werden. Zum Beispiel kann eine Fotolackstruktur (nicht gezeigt) über der dielektrischen Schicht 104 ausgebildet und strukturiert werden. Die Öffnungen 106 können durch Ätzen der dielektrischen Schicht 104 unter Verwendung der strukturierten Fotolackstruktur als Ätzmaske gebildet werden. Die dielektrische Schicht 104 kann unter Verwendung eines geeigneten Ätzprozesses, etwa eines Nassätzprozesses oder eines Trockenätzprozesses, geätzt werden.
  • Nun zu 7. Gemäß einigen Ausführungsformen werden Kontaktstecker 118 ausgebildet, um elektrische Verbindungen zu den Source-Bereichen 112S und den Drain-Bereichen 112D zu bilden. In einigen Ausführungsformen werden die Kontaktstecker 118 durch Abscheiden einer Sperrschicht (nicht separat gezeigt), die sich in die Öffnungen 106 erstreckt, Abscheiden eines leitfähigen Materials über der Sperrschicht und Durchführen eines Planarisierungsprozesses wie etwa eines chemisch-mechanischen Polier- (CMP-) Prozesses oder eines Schleifprozesses zum Entfernen von überschüssigen Abschnitten der flächendeckenden leitfähigen Sperrschicht und des leitfähigen Materials ausgebildet. Die Sperrschicht oder das leitfähige Material der Kontaktstecker 118 können unter Verwendung eines geeigneten Prozesses ausgebildet werden, wie etwa chemische Gasphasenabscheidung (CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), Atomlagenabscheidung (ALD - Atomic Layer Deposition), Plattieren oder dergleichen. Wenn die Sperrschicht verwendet wird, kann sie aus einem beliebigen geeigneten Material wie etwa TiN, Ti, TaN, Ta oder dergleichen oder Kombinationen davon gebildet werden.
  • Nun zu 8. Es werden Leitungen 130A ausgebildet, um die Kontaktstecker 118 elektrisch zu verbinden und eine elektrische Verschaltung innerhalb der SOT-MRAM-Vorrichtung bereitzustellen. Die Leitungen 130A können innerhalb einer dielektrischen Schicht 128A ausgebildet werden, die über der dielektrischen Schicht 104 ausgebildet ist. Die dielektrische Schicht 128A kann aus einem Material sein, das den vorstehend für die dielektrische Schicht 104 (siehe 6) beschriebenen ähnlich ist, und kann unter Verwendung ähnlicher Techniken abgeschieden werden wie die dielektrische Schicht 104. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 128A als Zwischenmetalldielektrikumschicht (Inter-metal Dielectric bzw. IMD) betrachtet werden.
  • Die Leitungen 130A können unter Verwendung einer geeigneten Technik ausgebildet werden, wie zum Beispiel Damascene, Dual-Damascene, Plattieren, Abscheidung oder dergleichen oder Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen werden die Leitungen 130A durch Abscheiden der dielektrischen Schicht 128A und Strukturieren der dielektrischen Schicht 128A, um Öffnungen zu bilden (z. B. unter Verwendung eines geeigneten Fotolithografie- und Ätzprozesses), und anschließendes Füllen der Öffnungen in der dielektrischen Schicht 128A mit leitfähigem Material ausgebildet. Zum Beispiel können die Leitungen 130A durch Abscheiden einer optionalen flächendeckenden Sperrschicht (nicht separat gezeigt) über der strukturierten dielektrischen Schicht 128A, Abscheiden eines leitfähigen Materials über der flächendeckenden Sperrschicht und Durchführen eines Planarisierungsprozesses, wie etwa eines CMP-Prozesses oder eines Schleifprozesses zum Entfernen überschüssiger Abschnitte der flächendeckenden leitfähigen Sperrschicht und des leitfähigen Materials, ausgebildet werden. Die Sperrschicht oder das leitfähige Material können den vorstehend für die Kontaktstecker 118 (siehe 7) beschriebenen ähnlich sein und können unter Verwendung ähnlicher Techniken abgeschieden werden. In einigen Ausführungsformen kann das leitfähige Material der Kontaktstecker 118 und der Leitungen 130A im gleichen Schritt abgeschieden werden, zum Beispiel, wenn ein Dual-Damascene-Prozess verwendet wird, um die Kontaktstecker 118 und die Leitungen 130A auszubilden.
  • In einigen Ausführungsformen werden die Leitungen 130A durch Abscheiden der optionalen flächendeckenden Sperrschicht über der dielektrischen Schicht 104 und den Kontaktsteckern 118, Abscheiden eines leitfähigen Materials über der flächendeckenden Sperrschicht und anschließendes Strukturieren der Sperrschicht und des leitfähigen Materials (z. B. unter Verwendung eines geeigneten Fotolithografie- und Ätzprozesses) zum Bilden der Leitungen 130A ausgebildet. Die dielektrische Schicht 128A kann über den Leitungen 130A abgeschieden werden, und es kann ein Planarisierungsprozess durchgeführt werden, um die Leitungen 130A freizulegen.
  • In 9 sind gemäß einigen Ausführungsformen Durchkontaktierungen 126A innerhalb einer dielektrischen Schicht 124A ausgebildet, um elektrische Verbindungen zu den Leitungen 130A zu bilden. In einigen Ausführungsformen wird zuerst die dielektrische Schicht 124A über den Leitungen 130A und der dielektrischen Schicht 128A ausgebildet. Die dielektrische Schicht 124A kann aus einem Material sein, das den vorstehend für die dielektrische Schicht 104 beschriebenen ähnlich ist, und die Durchkontaktierungen 126A können unter Verwendung von Prozessen und Materialien ausgebildet werden, die den vorstehend mit Bezug auf die Kontaktstecker 118 beschriebenen ähnlich sind. Der Prozess zum Ausbilden der Leitungen und der Durchkontaktierungen wird wiederholt, um eine gewünschte Anzahl von Metallverdrahtungsschichten auszubilden.
  • In einigen Ausführungsformen können die unterhalb der SOT-Induktionsstruktur 10 ausgebildeten Durchkontaktierungen 126A unter Verwendung eines einfachen Damascene-Prozesses aus Kupfer, Wolfram oder Titannitrid gebildet werden und können als untere Elektrode 5 (siehe 1) der SOT-Induktionsstruktur 10 dienen. Wie vorstehend mit Bezug auf die Kontaktstecker 118 erörtert, kann auch eine optionale Sperrschicht verwendet werden, um zu verhindern, dass das Material der Kontaktstecker 118 zu der umgebenden dielektrischen Schicht 124A diffundiert.
  • Wie in 9 veranschaulicht ist, kann nach dem Ausbilden der Durchkontaktierungen 126A der Schichtstapel der SOT-Induktionsstruktur 10 abgeschieden werden. Wie vorstehend angemerkt ist, können in einigen Ausführungsformen die Durchkontaktierungen 126A als untere Elektrode 5 dienen. In einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht 7 über der Durchkontaktierung 126A unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Prozesses separat ausgebildet werden oder zusammen mit der Abscheidung der SOT-Induktionsstruktur 10 ausgebildet werden. In Ausführungsformen, in denen eine Pufferschicht genutzt wird, kann die Pufferschicht Magnesiumoxid oder dergleichen enthalten, das mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,2 und 0,9 nm abgeschieden wird. Die untere Elektrode 5 kann unter Verwendung der vorstehend mit Bezug auf die Ausbildung der Leitungen 130A erörterten Techniken ausgebildet werden.
  • Nach dem Ausbilden der Pufferschicht 7 (falls verwendet) kann der Schichtstapel der SOT-Induktionsstruktur 10 abgeschieden werden. Die SOT-Induktionsstruktur 10 wird unter Verwendung von Prozessen und Materialien wie den vorstehend mit Bezug auf 3A und 3B erörterten ausgebildet. Die Abstandshalterschicht 20 wird unter Verwendung von Prozessen und Materialien wie den vorstehend mit Bezug auf 3A und 3B erörterten über der SOT-Induktionsstruktur 10 ausgebildet.
  • In einigen Ausführungsformen wird der MTJ-Schichtstapel 100 nach Abscheidung der Abstandshalterschicht 20, wie nachstehend erörtert, ohne einen Bruch des Vakuums in sämtlichen Abscheidungsprozessen zur Abscheidung der optionalen Pufferschicht 7, der SOT-Induktionsstruktur 10 und des MTJ-Schichtstapels 100 sequenziell abgeschieden.
  • In einigen Ausführungsformen kann nach dem Abscheiden des Schichtstapels der SOT-Induktionsstruktur 10 ein Tempern vorkommen, um die senkrechte magnetische Anisotropie zu erhöhen, wie vorstehend mit Bezug auf 3A und 3B erörtert wurde. In einigen Ausführungsformen kann das Tempern auch in einem senkrechten In-situ-Feld durchgeführt werden, um die senkrechte magnetische Anisotropie weiter zu erhöhen. In einigen Ausführungsformen kann die SOT-Induktionsstruktur 10 alternativ oder zusätzlich nach dem Abscheiden des MTJ-Schichtstapels 100 getempert werden.
  • In 10 kann der MTJ-Schichtstapel 100 in aufeinanderfolgenden Schichten abgeschieden werden, wie dies zum Beispiel mit Bezug auf 1 angedeutet ist. Schichten für den MTJ-Schichtstapel 100 werden über der SOT-Induktionsstruktur 10 ausgebildet, hierzu zählen die freie Schicht 30, die Sperrschicht 40, die Referenzschicht 50, die gepinnte Schicht 60 und die Deckschicht 70. In einigen Ausführungsformen wird dann die obere Elektrode 75 (siehe 1) abgeschieden, in anderen Ausführungsformen kann dagegen die Hartmaske 101 (siehe 11B) als obere Elektrode dienen. In einigen Ausführungsformen kann eine Abstandshalterschicht 20 als erste Schicht unter der freien Schicht 30 ausgebildet werden. Jede Schicht des MTJ-Schichtstapels 100 kann durch geeignete Schichtbildungsverfahren ausgebildet werden, welche die Fähigkeit zur genauen Dickensteuerung bereitstellen können. Zu derartigen Verfahren zählen zum Beispiel physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und Sputtern. Außerdem können dazu zählen: Molekularstrahlepitaxie (MBE); Laserstahlverdampfen (PLD - Pulsed Laser Deposition); Atomlagenabscheidung (ALD); Elektronenstrahlepitaxie; oder beliebige Kombination davon. Sollte die Dickenabscheidung genau gesteuert werden können, kann es möglich sein, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder davon abgeleitete Prozesse zu verwenden.
  • Nach der Abscheidung der Schichten des MTJ-Schichtstapels 100 kann ein Tempern durchgeführt werden. Wird nach der Abscheidung der SOT-Induktionsstruktur 10 ein erstes Tempern durchgeführt, dann kann in einigen Ausführungsformen nach der Abscheidung des MTJ-Schichtstapels 100 ein zweites Tempern in Gegenwart eines horizontalen Magnetfelds durchgeführt werden, um die in der Ebene liegende kristalline Anisotropie der AFM-Schicht einzurichten. Im Speziellen kann das Nachtempern bei einer Temperatur zwischen ungefähr 300 °C und ungefähr 400 °C und einer Dauer zwischen 0,5 Stunden und 3 Stunden stattfinden. Während des Temperns kann das Magnetfeld zwischen ungefähr 1 Tesla und 5 Tesla betragen. Wird nach der Abscheidung der SOT-Induktionsstruktur 10 kein erstes Tempern durchgeführt, dann kann das erste Tempern nach Abscheidung des MTJ-Schichtstapels 100 in Gegenwart eines senkrechten Magnetfelds durchgeführt werden, um die PMA der SOT-Induktionsstruktur 10 zu verstärken. Es kann dann ein zweites Tempern in Gegenwart eines horizontalen Magnetfelds durchgeführt werden, um die AFM-Schicht einzurichten.
  • 11A, 11B, 11C, 11D, 11E, 11F und 11G veranschaulichen verschiedene Ansichten in einem Prozess zum Strukturieren des MTJ-Schichtstapels 100, um eine MTJ-Säule zu bilden, und Strukturieren des Schichtstapels der SOT-Induktionsstruktur 10, um die SOT-Induktionsstruktur 10 zu bilden. In 11A wird eine Hartmaskenschicht 101 über den Schichten des MTJ-Schichtstapels 100 abgeschieden. Die Hartmaskenschicht 101 kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Prozesses abgeschieden werden und kann aus einem beliebigen geeigneten Material, etwa Siliziumnitrid, oder aus einer leitfähigen Metallschicht, etwa Tantal, Wolfram, Titannitrid oder dergleichen oder Kombinationen davon, wie zum Beispiel einer ersten Schicht eines leitfähigen Metalls und einer zweiten Schicht eines Dielektrikums, etwa Siliziumnitrid, hergestellt sein. In Ausführungsformen, in denen die Hartmaskenschicht 101 ein Metall enthält, kann die Hartmaskenschicht 101 auch als obere Elektrode 75 (1) über dem MTJ-Schichtstapel 100 dienen. Die Hartmaskenschicht 101 wird, wie in 11B gezeigt, unter Verwendung eines oder mehrerer Lithografie- und Ätzvorgänge strukturiert.
  • In 11C wird die Hartmaskenschicht 101 als Maske verwendet, um die verschiedenen Schichten des MTJ-Schichtstapels 100 zu strukturieren. In einigen Ausführungsformen kann die Abstandshalterschicht 20 zusammen mit dem MTJ-Schichtstapel 100 strukturiert werden, wie in 11C (und der linken Seite von 12) veranschaulicht ist, in anderen Ausführungsformen kann die Abstandshalterschicht 20 hingegen zusammen mit dem Schichtstapel der SOT-Induktionsstruktur 10 strukturiert werden, wie in 11E (und der rechten Seite von 12) veranschaulicht ist. In anderen Ausführungsformen kann durch Strukturieren aus der Abstandshalterschicht 20 eine erste und eine zweite Abstandshalterschicht 20A und 20B werden, wie in 1 veranschaulicht ist. In einigen Ausführungsformen weist die Querschnittsansicht des MTJ-Schichtstapels 100, wie in 11C gezeigt, eine konische Form (Mesa-Form) auf. In einigen Ausführungsformen kann die Hartmaskenschicht 101 oder ein dielektrischer Abschnitt der Hartmaskenschicht 101 bei der Strukturierung des MTJ-Schichtstapels 100 verbraucht werden. Der verbleibende metallische Abschnitt der Hartmaskenschicht 101 kann als die obere Elektrode 75 (im Folgenden als obere Elektrode 75 bezeichnet) dienen.
  • In 11D wird eine dielektrische Schutzschicht 103 unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Abscheidungstechnik wie PVD, CVD, ALD oder dergleichen oder Kombinationen davon flächendeckend abgeschieden. Die dielektrische Schutzschicht 103 wird über den Schichten der SOT-Induktionsstruktur 10 und dem strukturierten MTJ-Schichtstapel 100 abgeschieden und kann aus einem beliebigen geeigneten Material, etwa Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder dergleichen oder Kombinationen davon gebildet werden.
  • In 11E wird der Schichtstapel der SOT-Induktionsstruktur 10 unter Verwendung geeigneter Lithografie- und Ätztechniken strukturiert, um die SOT-Induktionsstruktur 10 zu bilden. Wird die optionale Pufferschicht 7 verwendet, wird sie zusammen mit dem Schichtstapel der SOT-Induktionsstruktur 10 strukturiert, damit sie in der Draufsicht die gleiche Form aufweist. 11E zeigt auch eine Ausführungsform, in der die Abstandshalterschicht 20 nicht als Teil des MTJ-Schichtstapels 100, sondern als Teil des SOT-Induktionsstruktur 10 strukturiert wird. Wie vorstehend angemerkt ist, kann die Abstandshalterschicht 20, wie zum Beispiel in 1 veranschaulicht, eine partielle Abstandshalterschicht 20B, die als Teil des MTJ-Schichtstapels 100 strukturiert wird, und eine partielle Abstandshalterschicht 20A umfassen, die als Teil der SOT-Induktionsstruktur 10 strukturiert wird.
  • 11F und 11G veranschaulichen Draufsichten auf den MTJ-Schichtstapel 100 und die SOT-Induktionsstruktur 10. In diesen Ansichten sind die dielektrische Schutzschicht 103 und die obere Elektrode 75 weggelassen und die Durchkontaktierungen 126A sind gestrichelt umrissen, da sie sich unter der SOT-Induktionsstruktur 10 befinden. Die Form der SOT-Induktionsstruktur 10 kann rechteckig (wie in 11F) oder oval sein und kann in einigen Ausführungsformen, etwa wie in 11G veranschaulicht, (wie bei einer Sanduhr oder einer Krawattenschleife) in der Mitte einen Abschnitt aufweisen, der schmaler als die äußeren Abschnitte ist, wobei der schmale Abschnitt auf den MTJ-Schichtstapel 100 ausgerichtet ist.
  • In 12 werden nach dem Strukturieren des MTJ-Schichtstapels 100 und der SOT-Induktionsstruktur 10 eine oder mehrere Schichten aus dielektrischem Material, z.B. eine ILD 124B, die beliebige der vorstehend beschriebenen möglichen ILD-Materialien enthält, abgeschieden, um den MTJ-Schichtstapel 100 vollständig zu bedecken. Ein Planarisierungsvorgang, wie zum Beispiel eine CMP, kann durchgeführt werden, um die obere Oberfläche der ILD 124B zu ebnen. In einigen Ausführungen kann die CMP, wie in 12 veranschaulicht, an einer unbestimmten Position in der ILD 124B enden. In anderen Ausführungen kann die CMP an der schützenden dielektrischen Schicht 103 enden. Wie vorstehend angemerkt ist, werden der MTJ-Schichtstapel 100, die Abstandshalterschicht 20 und die SOT-Induktionsstruktur 10 auf der linken Seite derart strukturiert, dass die Abstandshalterschicht 20 zusammen mit dem MTJ-Schichtstapel 100 strukturiert wird und die gleiche Form wie der MTJ-Schichtstapel 100 aufweist. Der MTJ-Schichtstapel 100, die Abstandshalterschicht 20 und die SOT-Induktionsstruktur 10 auf der rechten Seite werden derart strukturiert, dass die Abstandshalterschicht 20 zusammen mit der SOT-Induktionsstruktur 10 strukturiert wird und die gleiche Form wie die SOT-Induktionsstruktur 10 aufweist. Diese Ansicht der Ausführungsform wird in nachfolgenden Figuren weggelassen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann auch eine Kombination der beiden genutzt werden.
  • In 13 können nach dem Ausbilden der MTJ-Schichtstapel 100, dem Abscheiden der ILD 124B und dem Durchführen einer CMP Durchkontaktierungen 126B durch die ILD 124B und die schützende dielektrische Schicht 103 ausgebildet werden, um die obere Elektrode 75 oberhalb des MTJ-Schichtstapels 100 zu kontaktieren. Die Durchkontaktierungen 126B können unter Verwendung von Prozessen und Materialien ausgebildet werden, die den zum Ausbilden der Durchkontaktierungen 126A verwendeten ähnlich sind. Zum Beispiel können die Durchkontaktierungen 126B unter Verwendung eines Damascene-Prozesses ausgebildet werden, bei dem eine Maske verwendet wird, um Öffnungen in der ILD 124B zu strukturieren und die dielektrische Schutzschicht 103 zu ätzen, und eine optionale Diffusionssperrschicht in den Öffnungen abgeschieden wird, gefolgt von einem leitfähigen Kontaktanschlussmaterial, gefolgt von einer CMP.
  • In 14 werden Leitungen 130C ausgebildet, um die Durchkontaktierungen 126B elektrisch zu verbinden und eine elektrische Verschaltung mit den Bitleitungen 160 innerhalb der SOT-MRAM-Vorrichtung 300 bereitzustellen. Die Leitungen 130C können innerhalb einer dielektrischen Schicht 128C ausgebildet werden, die über der ILD 124B ausgebildet ist. Die dielektrische Schicht 128C kann aus einem Material sein, das den vorstehend für die dielektrische Schicht 104 beschriebenen ähnlich ist, und kann unter Verwendung ähnlicher Techniken abgeschieden werden wie die dielektrische Schicht 104. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 128C als Zwischenmetalldielektrikumschicht (Inter-metal Dielectric bzw. IMD) betrachtet werden.
  • 15 veranschaulicht eine Ausführungsform einer SOT-MRAM-Vorrichtung 400, in der der Source-Bereich 112S benachbarter FETs 110 von zwei SOT-MRAM-Zellen 90, z. B. MC1 und MC2, gemeinsam benutzt wird. Das gemeinsame Benutzen der Sourceleitung SL (z. B. SL2/3, wie veranschaulicht) und der Source-Bereiche 112S ermöglicht eine größere Bauelementdichte. Die SOT-MRAM-Vorrichtung 400 kann unter Verwendung von Prozessen und Materialien ausgebildet werden, die den zum Ausbilden der SOT-MRAM-Vorrichtung 300 verwendeten ähnlich sind.
  • 16 veranschaulicht eine dreidimensionale Ansicht einer SOT-MRAM-Zelle 90, z. B. MC1, der SOT-MRAM-Vorrichtung 300 aus 14 gemäß einigen Ausführungsformen. In den folgenden Ausführungsformen können Materialien, Ausgestaltungen, Abmessungen, Prozesse und/oder Vorgänge verwendet werden, die mit Bezug auf 1 bis 14 beschrieben wurden; eine detaillierte Erläuterung davon kann weggelassen werden.
  • In einigen Ausführungsformen erstreckt sich eine Wortleitung 120 (mit einem Gate des FET 110 gekoppelt) in Y-Richtung und die Sourceleitungen 125 SL1 und SL2 erstrecken sich in X-Richtung. Die SOT-Induktionsstruktur 10 befindet sich über den Source- oder Drain-Bereichen zweier benachbarter FETs 110 und ist an jedem Ende über Durchkontaktierungen und Metallverdrahtungsschichten mit den entsprechenden Source- bzw. Drain-Bereichen der zwei benachbarten FETs 110 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen kann die SOT-Induktionsstruktur 10 eine Ausrichtung aufweisen, die vorwiegend in X-Richtung liegt.
  • Wie in 16 gezeigt ist, ist in einigen Ausführungsformen der MTJ-Schichtstapel 100 über der SOT-Induktionsstruktur 10 angeordnet, wobei eine Abstandshalterschicht 20 zwischen dem MTJ-Schichtstapel 100 und der SOT-Induktionsstruktur 10 angeordnet ist. Der MTJ-Schichtstapel 100 kann die Form einer abgerundeten Säule oder eines elliptischen Zylinders aufweisen, die sich wie in anderen Figuren gezeigt verjüngen kann. Die Bitleitung 160 ist über eine Durchkontaktierung und/oder obere Elektrode des MTJ-Schichtstapels elektrisch mit der Oberseite des MTJ-Schichtstapels 100 verbunden und kann sich in X-Richtung erstrecken.
  • 17 ist ein Abschnitt eines Schaltbilds einer SOT-MRAM-Vorrichtung, die stimmig mit der SOT-MRAM-Vorrichtung 300 ist, gemäß einigen Ausführungsformen. In den folgenden Ausführungsformen können Materialien, Ausgestaltungen, Abmessungen, Prozesse und/oder Vorgänge genutzt werden, die mit Bezug auf 1-14 beschrieben wurden; eine detaillierte Erläuterung davon kann weggelassen werden.
  • In einigen Ausführungsformen erstrecken sich Bitleitungen BL und Sourceleitungen (z. B. SL1 und SL2) in einer Zeilenrichtung und Wortleitungen (z. B. WL1 und WL2) in einer Spaltenrichtung. In einigen Ausführungsformen sind SOT-MRAM-Zellen an Orten angeordnet, die durch eine Bitleitung BL, zwei Wortleitungen WL1 und WL2 und zwei Sourceleitungen SL1 und SL2 definiert sind. Die Anzahl von Speicherzellen, die mit denselben Wortleitungen und/oder denselben Bitleitungen gekoppelt sind, ist nicht auf drei oder vier beschränkt, sondern kann größer als 3 sein, z.B. 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 oder 1024 oder mehr. Die Wortleitungen WL1 und WL2 sind mit einer Wortansteuerschaltung (einem Zeilendecodierer) gekoppelt und die Sourceleitungen SL1 und SL2 sind mit einer Stromquellenschaltung gekoppelt, die in Verbindung mit der Wortansteuerschaltung auch als Schreibansteuerschaltung dient. Ein Ende der SOT-Induktionsstruktur 10 (SOT) ist mit einer Source oder einem Drain eines FET 110 gekoppelt (siehe 14), und das andere Ende der SOT-Induktionsstruktur SOT ist mit einer anderen Source oder einem anderen Drain des FET 110 gekoppelt. Ein Ende des MTJ-Schichtstapels M ist mit einer SOT-Induktionsstruktur SOT gekoppelt, und das andere Ende des MTJ-Schichtstapels M ist mit einer entsprechenden Bitleitung BL gekoppelt. Die Gates der FETs 110 sind mit den Wortleitungen WL1 und WL2 gekoppelt, und Drain oder Source der entsprechenden FETs 110 sind mit Sourceleitungen SL1 bzw. S12 gekoppelt.
  • In der Ausführungsform der 17 sind in Spaltenrichtung vertikal benachbarte SOT-MRAM-Zellen mit denselben Lese-Wortleitungen WL1 und WL2 gekoppelt. In Zeilenrichtung horizontal benachbarte SOT-MRAM-Zellen sind mit denselben Bitleitungen BL und denselben Sourceleitungen SL1 und SL2 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen können benachbarte FETs 110 von in Zeilenrichtung nebeneinanderliegenden SOT-MRAM-Zellen dieselbe Sourceleitung SL gemeinsam benutzen, wie dies beispielsweise in 15 veranschaulicht ist.
  • 18 zeigt den Betrieb einer SOT-MRAM-Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bei einem Schreibvorgang fließt ein Schreibstrom über die SOT-Induktionsstruktur SOT. Beim Schreiben eines ersten Datentyps (z. B. „0“) in den MTJ-Schichtstapel 100 werden die Wortleitung WL1 und die Wortleitung WL2 so gesetzt, dass sie die Gate-Elektroden der FETs 110 einschalten. Die erste Sourceleitung SL1 wird auf ein erstes Potenzial (z. B. eine Schreibspannung Vw) gesetzt und die zweite Sourceleitung SL2 wird auf ein zweites Potenzial (z. B. Masse oder 0 V) gesetzt, wobei das erste Potenzial größer als das zweite Potenzial ist. Die Bitleitungen BL können potenzialfrei sein. Elektronen, die in dem parallelen Hall-Metall der SOT-Induktionsstruktur 10 fließen, weisen einen positiven Spin-Hall-Winkel auf und induzieren ein Spin-Bahn-Drehmoment in der freien Schicht 30, was dazu führt, dass sich die Spin-Eigenschaften der Elektronen der freien Schicht 30 ändern.
  • Beim Schreiben eines zweiten Datentyps (z. B. „1“) in den MTJ-Schichtstapel 100 werden die Wortleitung WL1 und die Wortleitung WL2 so gesetzt, dass sie die Gate-Elektroden der FETs 110 einschalten. Die erste Sourceleitung SL1 wird auf das zweite Potenzial (z.B. Masse oder 0 V) gesetzt und die zweite Sourceleitung SL2 wird auf das erste Potenzial (z. B. die Schreibspannung Vw) gesetzt, wobei das erste Potenzial größer als das zweite Potenzial ist. Die Bitleitungen BL können potenzialfrei sein. Elektronen, die in entgegengesetzter Richtung in dem parallelen Hall-Metall der SOT-Induktionsstruktur 10 fließen, weisen einen negativen Spin-Hall-Winkel auf und induzieren ein Spin-Bahn-Drehmoment in der freien Schicht 30, was dazu führt, dass sich die Spin-Eigenschaften der Elektronen der freien Schicht 30 ändern.
  • Beim Lesen von Daten aus dem MTJ-Schichtstapel 100 kann der Lesevorgang auf unterschiedliche Art durchgeführt werden. Eine der Wortleitungen WL1 oder WL2 schaltet den entsprechenden FET 110 ein, während der andere ausgeschaltet ist. Die mit dem ausgeschalteten Gate verbundene SL1 bzw. SL2 kann potenzialfrei sein, während die mit dem eingeschalteten Gate verbundene SL1 bzw. SL2 mit dem zweiten Potenzial (z. B. Masse oder 0 V) gekoppelt ist. Das Potenzial Vread an der Bitleitung BL kann verwendet werden, um den Widerstand des SOT und des MTJ zu berechnen, und bestimmt, ob der MTJ auf den Zustand „1“ oder den Zustand „0“ gesetzt ist. In einigen Ausführungsformen beträgt die Amplitude von Vread ungefähr 1/2 bis ungefähr 1/50 Vw. In anderen Ausführungsformen fließt der Lesestrom in entgegengesetzter Richtung von der Bitleitung BL zu der Sourceleitung SL1 bzw. SL2 von dem MTJ-Schichtstapel 100 zu der SOT-Induktionsverdrahtungsschicht 15, mit anderen Worten von der Lese-Bitleitung RBL zu der Sourceleitung SL. In einem solchen Fall ist Vread höher als die Spannung der Sourceleitung (z. B. ist Vread positiv).
  • Ausführungsformen stellen vorteilhaft mehrere Ausgestaltungen bereit, um die Effizienz einer SOT-MRAM-Vorrichtung zu verbessern und ihre Komplexität und ihren Energieverbrauch zu verringern. In einigen Ausführungsformen wird eine verspannte PMA-Hall-Metall-SOT-Induktionsstruktur verwendet, um ein Spin-Bahn-Drehmoment in einer freien Schicht zu induzieren. Die verspannte PMA-Hall-Metall-SOT-Induktionsstruktur ermöglicht die Ausbildung einer SOT-MRAM-Vorrichtung ohne Verwendung einer dicken Schwermetall-Keimschicht zur Bereitstellung von senkrechter magnetischer Anisotropie, wodurch der Energieverbrauch verringert und der Spin-Hall-Winkel vergrößert wird. Einige Ausführungsformen verwenden auch eine Abstandshalterschicht zwischen der SOT-Induktionsstruktur und der freien Schicht eines MTJ-Schichtstapels. Die Abstandshalterschicht sorgt für Flexibilität beim Optimieren der magnetischen Kopplung zwischen der SOT-Induktionsstruktur mit PMA und der freien Schicht mit IMA. Dies ermöglicht den Betrieb der SOT-Induktionsstruktur unter einem intern erzeugten Magnetfeld anstelle eines extern erzeugten Magnetfelds. In Ausführungsformen können die (keimfreie) verspannte SOT-Induktionsstruktur und die Abstandshalterschicht kombiniert werden, um bei verringertem Energieverbrauch weitere Effizienzvorteile bereitzustellen, wodurch die Verwendung kleinerer Schalttransistoren ermöglicht wird.
  • Eine Ausführungsform ist eine Magnetspeichervorrichtung mit einer ersten Spin-Bahn-Drehmoment- (SOT-) Induktionsstruktur, wobei die erste SOT-Induktionsstruktur ein Hall-Metall mit senkrechter magnetischer Anisotropie umfassen kann. Die Magnetspeichervorrichtung umfasst auch einen ersten magnetischen Tunnelkontakt- (MTJ-) Stapel, der über der ersten SOT-Induktionsstruktur angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst auch eine erste Leitung, die mit einer ersten Seite der ersten SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist. Die Vorrichtung umfasst auch eine zweite Leitung, die mit einer zweiten Seite der ersten SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist. In einer Ausführungsform kann die erste SOT-Induktionsstruktur abwechselnde Metallschichten eines ersten nichtferromagnetischen Metalls und eines zweiten ferromagnetischen Metalls umfassen. In einer Ausführungsform weist eine unterste Schicht des ersten Metalls eine größere Dicke auf als eine zweite Schicht des ersten Metalls, wobei eine erste Schicht des zweiten Metalls zwischen der untersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet ist. In einer Ausführungsform weist das erste Metall eine erste Gitterkonstante auf und das zweite Metall weist eine zweite Gitterkonstante auf, wobei die erste Gitterkonstante und die zweite Gitterkonstante unterschiedlich sind. In einer Ausführungsform weist das erste Metall eine erste Dicke auf, wobei das zweite Metall eine zweite Dicke aufweist und wobei die SOT-Induktionsstruktur keine Metall-Keimschicht mit einer dritten Dicke aufweist, die größer als das Zehnfache der ersten Dicke oder das Zehnfache der zweiten Dicke ist. In einer Ausführungsform kann die Magnetspeichervorrichtung umfassen: eine Abstandshalterschicht, die zwischen der ersten SOT-Induktionsstruktur und dem ersten MTJ-Stapel angeordnet ist. In einer Ausführungsform kann die Abstandshalterschicht ein Metall oder ein Metalloxid umfassen. In einer Ausführungsform kann die Abstandshalterschicht Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Kobaltoxid, Wolfram, Ruthenium, Platin, Molybdän, Titan oder Magnesium umfassen.
  • Eine weitere Ausführungsform ist eine Magnetspeichervorrichtung mit einer ersten Spin-Bahn-Drehmoment- (SOT-) Induktionsstruktur, wobei die erste SOT-Induktionsstruktur ein Hall-Metall umfasst. Die Magnetspeichervorrichtung umfasst auch einen oben gepinnten magnetischen Tunnelkontakt- (MTJ-) Stapel, der über der ersten SOT-Induktionsstruktur angeordnet ist, wobei der MTJ-Stapel eine Abstandshalterschicht umfasst, die zwischen einer freien Schicht des MTJ-Stapels und der ersten SOT-Induktionsstruktur angeordnet ist. Die Magnetspeichervorrichtung umfasst auch eine erste Leitung, die mit einer ersten Seite der ersten SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist. Die Magnetspeichervorrichtung umfasst auch eine zweite Leitung, die mit einer zweiten Seite der ersten SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist. In einer Ausführungsform umfasst der MTJ-Stapel: die freie Schicht, eine Sperrschicht über der freien Schicht, die Referenzschicht über der Sperrschicht, eine zweite Abstandshalterschicht über der Referenzschicht und die gepinnte Schicht über der zweiten Abstandshalterschicht. In einer Ausführungsform umfasst die erste SOT-Induktionsstruktur abwechselnde Metallschichten eines ersten ferromagnetischen Materials und eines zweiten nichtferromagnetischen Materials. In einer Ausführungsform beträgt die Gitterfehlanpassung zwischen dem ersten ferromagnetischen Material und dem zweiten nichtferromagnetischen Material zwischen 6 % und 10 %. In einer Ausführungsform weist die Abstandshalterschicht in der Draufsicht eine Form auf, die die gleiche Form ist wie eine Form der SOT-Induktionsstruktur.
  • Eine weitere Ausführungsform ist eine Magnetspeichervorrichtung mit einer ersten Spin-Bahn-Drehmoment- (SOT-) Induktionsstruktur, wobei die erste SOT-Induktionsstruktur ein mehrschichtiges Hall-Metall mit senkrechter magnetischer Anisotropie umfassen kann. Die Magnetspeichervorrichtung umfasst auch einen ersten magnetischen Tunnelkontakt- (MTJ-) Stapel, der über der ersten SOT-Induktionsstruktur angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst auch einen ersten Source/Drain eines ersten Transistors, der mit einer ersten Seite der ersten SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist. Die Vorrichtung umfasst auch einen zweiten Source/Drain eines zweiten Transistors, der mit einer zweiten Seite der ersten SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist. In einer Ausführungsform kann die erste SOT-Induktionsstruktur abwechselnde Metallschichten eines ersten Metalls und eines zweiten Metalls umfassen, wobei eine erste Dicke des ersten Metalls zwischen 1 nm und 2 nm beträgt und eine zweite Dicke des zweiten Metalls zwischen 0,01 nm und 0,7 nm beträgt. In einer Ausführungsform kann die erste SOT-Induktionsstruktur umfassen: eine erste Metallschicht kann ein erstes Metall, wobei eine Dicke der ersten Metallschicht zwischen 2 nm und 5 nm beträgt, und abwechselnde Metallschichten eines zweiten Metalls und eines dritten Metalls umfassen, wobei eine Dicke jeder der abwechselnden Metallschichten zwischen 0,01 nm und 2 nm beträgt. In einer Ausführungsform sind das erste Metall und das zweite Metall das gleiche Material. In einer Ausführungsform beträgt eine erste Dicke der ersten Metallschicht zwischen 2 nm und 5 nm, wobei eine zweite Dicke jeder der abwechselnden Metallschichten des zweiten Metalls und des dritten Metalls zwischen 0,01 nm und 2 nm beträgt. In einer Ausführungsform kann die Magnetspeichervorrichtung eine Abstandshalterschicht umfassen, die zwischen dem ersten MTJ-Stapel und der ersten SOT-Induktionsstruktur angeordnet ist. In einer Ausführungsform kann die erste SOT-Induktionsstruktur abwechselnde Metallschichten eines ersten Metalls und eines zweiten Metalls umfassen, wobei eine Gitterfehlanpassung zwischen dem ersten Metall und dem zweiten Metall zwischen 6 % und 10 % beträgt.
  • Das Vorstehende umreißt Merkmale mehrerer Ausführungsformen, sodass die Fachperson die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Die Fachperson sollte sich darüber im Klaren sein, dass sie die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als Grundlage für das Entwerfen oder Abwandeln anderer Prozesse und Strukturen verwenden kann, um dieselben Zwecke auszuführen und/oder dieselben Vorteile der vorliegend vorgestellten Ausführungsformen zu erzielen. Die Fachperson sollte auch erkennen, dass derartige äquivalente Konstruktionen nicht von dem Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass sie verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Modifikationen hieran vornehmen kann, ohne von dem Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 63/023384 [0001]

Claims (20)

  1. Magnetspeichervorrichtung, umfassend: eine erste Spin-Bahn-Drehmoment- (SOT-) Induktionsstruktur, wobei die erste SOT-Induktionsstruktur ein Hall-Metall mit senkrechter magnetischer Anisotropie umfasst; einen ersten magnetischen Tunnelkontakt- (MTJ-) Stapel, der über der ersten SOT-Induktionsstruktur angeordnet ist; eine erste Leitung, die mit einer ersten Seite der ersten SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist; und eine zweite Leitung, die mit einer zweiten Seite der ersten SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist.
  2. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste SOT-Induktionsstruktur abwechselnde Metallschichten eines ersten nichtferromagnetischen Metalls und eines zweiten ferromagnetischen Metalls umfasst.
  3. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine unterste Schicht des ersten Metalls eine größere Dicke als eine zweite Schicht des ersten Metalls aufweist, wobei eine erste Schicht des zweiten Metalls zwischen der untersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet ist.
  4. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das erste Metall eine erste Gitterkonstante aufweist und das zweite Metall eine zweite Gitterkonstante aufweist, wobei die erste Gitterkonstante und die zweite Gitterkonstante unterschiedlich sind.
  5. Magnetspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das erste Metall eine erste Dicke aufweist, wobei das zweite Metall eine zweite Dicke aufweist und wobei die SOT-Induktionsstruktur keine Metall-Keimschicht mit einer dritten Dicke aufweist, die größer als das Zehnfache der ersten Dicke oder das Zehnfache der zweiten Dicke ist.
  6. Magnetspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend: eine Abstandshalterschicht, die zwischen der ersten SOT-Induktionsstruktur und dem ersten MTJ-Stapel angeordnet ist.
  7. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Abstandshalterschicht ein Metall oder ein Metalloxid umfasst.
  8. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Abstandshalterschicht Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Kobaltoxid, Wolfram, Ruthenium, Platin, Molybdän, Titan oder Magnesium umfasst.
  9. Magnetspeichervorrichtung, umfassend: eine erste Spin-Bahn-Drehmoment- (SOT-) Induktionsstruktur, wobei die erste SOT-Induktionsstruktur ein Hall-Metall umfasst; einen magnetischen Tunnelkontakt- (MTJ-) Stapel, der über der ersten SOT-Induktionsstruktur angeordnet ist, wobei der MTJ-Stapel eine Abstandshalterschicht umfasst, die zwischen einer freien Schicht des MTJ-Stapels und der ersten SOT-Induktionsstruktur angeordnet ist; eine erste Leitung, die mit einer ersten Seite der ersten SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist; und eine zweite Leitung, die mit einer zweiten Seite der ersten SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist.
  10. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der MTJ-Stapel umfasst: die freie Schicht, eine Sperrschicht über der freien Schicht, die Referenzschicht über der Sperrschicht, eine zweite Abstandshalterschicht über der Referenzschicht und die gepinnte Schicht über der zweiten Abstandshalterschicht.
  11. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die erste SOT-Induktionsstruktur abwechselnde Metallschichten eines ersten ferromagnetischen Materials und eines zweiten nichtferromagnetischen Materials umfasst.
  12. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Gitterfehlanpassung zwischen dem ersten ferromagnetischen Material und dem zweiten nichtferromagnetischen Material zwischen 6 % und 10 % beträgt.
  13. Magnetspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Abstandshalterschicht in der Draufsicht eine Form aufweist, die die gleiche Form ist wie eine Form der SOT-Induktionsstruktur.
  14. Magnetspeichervorrichtung, umfassend: eine erste Spin-Bahn-Drehmoment- (SOT-) Induktionsstruktur, wobei die erste SOT-Induktionsstruktur ein mehrschichtiges Hall-Metall mit senkrechter magnetischer Anisotropie umfasst; einen ersten magnetischen Tunnelkontakt- (MTJ-) Stapel, der über der ersten SOT-Induktionsstruktur angeordnet ist; einen ersten Source/Drain eines ersten Transistors, der mit einer ersten Seite der ersten SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist; und einen zweiten Source/Drain eines zweiten Transistors, der mit einer zweiten Seite der ersten SOT-Induktionsstruktur gekoppelt ist.
  15. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die erste SOT-Induktionsstruktur abwechselnde Metallschichten eines ersten Metalls und eines zweiten Metalls umfasst, wobei eine erste Dicke des ersten Metalls zwischen 1 nm und 2 nm beträgt und eine zweite Dicke des zweiten Metalls zwischen 0,01 nm und 0,7 nm beträgt.
  16. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei die erste SOT-Induktionsstruktur umfasst: eine erste Metallschicht, die ein erstes Metall umfasst, wobei eine Dicke der ersten Metallschicht zwischen 2 nm und 5 nm beträgt, und abwechselnde Metallschichten eines zweiten Metalls und eines dritten Metalls, wobei eine Dicke jeder der abwechselnden Metallschichten zwischen 0,01 nm und 2 nm beträgt.
  17. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 16, wobei das erste Metall und das zweite Metall das gleiche Material sind.
  18. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei eine erste Dicke der ersten Metallschicht zwischen 2 nm und 5 nm beträgt, wobei eine zweite Dicke jeder der abwechselnden Metallschichten des zweiten Metalls und des dritten Metalls zwischen 0,01 nm und 2 nm beträgt.
  19. Magnetspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, ferner umfassend eine Abstandshalterschicht, die zwischen dem ersten MTJ-Stapel und der ersten SOT-Induktionsstruktur angeordnet ist.
  20. Magnetspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die erste SOT-Induktionsstruktur abwechselnde Metallschichten eines ersten Metalls und eines zweiten Metalls umfasst, wobei eine Gitterfehlanpassung zwischen dem ersten Metall und dem zweiten Metall zwischen 6 % und 10 % beträgt.
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