DE102021118318A1 - Halbleitervorrichtung und herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Shy-Jay Lin
Yen-Lin Huang
Ming Yuan Song
Tung Ying Lee
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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung weist Folgendes auf: ein Paar aktive Vorrichtungen; eine zusammengesetzte Spin-Hall-Elektrode; und einen magnetischen Tunnelkontakt. Die zusammengesetzte Spin-Hall-Elektrode ist mit dem Paar aktive Vorrichtungen elektrisch verbunden. Der magnetische Tunnelkontakt ist auf einer Seite der zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode angeordnet, die dem Paar aktive Vorrichtungen gegenüberliegt. Die Spin-Hall-Elektrode weist ein Paar Schwermetallschichten auf, wobei zwischen dem Paar Schwermetallschichten eine Abstandshalterschicht angeordnet ist. Die Schwermetallschichten sind aus einem Schwermetall in einem metastabilen Zustand hergestellt. Die Abstandshalterschicht weist ein erstes Material auf, das von dem Material des Paars Schwermetallschichten verschieden ist.

Description

  • Prioritätsanspruch und Querverweis
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 13. Januar 2021 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 63/136.737 und dem Titel „Spin-Hall Electrode of SOT-MRAM“ („Spin-Hall-Elektrode eines SOT-MRAM“), die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist.
  • Hintergrund
  • Halbleitervorrichtungen kommen in integrierten Schaltkreisen für elektronische Geräte zum Einsatz, wie zum Beispiel Radios, Fernsehgeräte, Mobiltelefone und Personal Computers. Um der stärkeren Forderung nach Miniaturisierung, höherer Geschwindigkeit und besserer elektrischer Leistungsfähigkeit (z. B. niedrigerer Energieverbrauch, höhere Zuverlässigkeit) gerecht zu werden, werden neue Strukturen und Materialien intensiv erforscht. Zum Beispiel sind vor Kurzem neue Speichertypen, wie etwa magnetischer Spin-Transfer-Torque-Direktzugriffsspeicher (STT-MRAM) und Spin-Orbit-Torque-MRAM (SOT-MRAM), in dem Bestreben entwickelt worden, den Energieverbrauch und/oder die Zugriffszeiten zu verringern, die Zuverlässigkeit zu erhöhen oder andere Leistungsindikatoren zu verbessern, die für die beabsichtigte Anwendung erforderlich sind.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Vielmehr können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
    • 2 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Speicherzelle einer Halbleitervorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
    • 3 ist ein Schaltbild einer Speicherzelle einer Halbleitervorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
    • 4 ist eine schematische Schnittansicht eines Teils einer Speicherzelle einer Halbleitervorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
    • Die 5 und 6 sind schematische Schnittansichten von Speicherzellen von Halbleitervorrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
    • Die 7A bis 7C sind schematische perspektivische Darstellungen von Halbleitervorrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
    • Die 8A bis 10C sind Diagramme, die Charakterisierungsdaten einiger Halbleitervorrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung grafisch darstellen.
    • Die 11 bis 20 sind schematische Darstellungen von Strukturen, die bei der Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung entstehen.
    • Die 21A und 21B sind schematische Schnittansichten von Speicherzellen von Halbleitervorrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
    • Die 22A und 22B sind schematische perspektivische Darstellungen von Halbleitervorrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
    • Die 23A bis 24 sind Diagramme, die Charakterisierungsdaten einiger Halbleitervorrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung grafisch darstellen.
    • Die 25 und 26 sind schematische Schnittansichten von Speicherzellen von Halbleitervorrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
    • Die 27 bis 29 sind schematische Darstellungen von Halbleitervorrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element hergestellt werden können, sodass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können entsprechend interpretiert werden.
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Halbleitervorrichtung SD10 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung. Bei einigen Ausführungsformen weist die Halbleitervorrichtung SD10 ein Halbleitersubstrat 102 und eine Interconnect-Struktur IN auf, die auf dem Halbleitersubstrat 102 hergestellt ist. Bei einigen Ausführungsformen weist das Halbleitersubstrat 102 ein oder mehrere Halbleitermaterialien auf, die elementare Halbleitermaterialien, Verbindungshalbleitermaterialien oder Halbleiterlegierungen sein können. Die elementaren Halbleitermaterialien können zum Beispiel Si oder Ge sein. Die Verbindungshalbleitermaterialien und die Halbleiterlegierungen können SiGe, SiC oder SiGeC bzw. ein III-V-Halbleiter, ein II-VI-Halbleiter oder Halbleiteroxid-Materialien sein. Die Halbleiteroxid-Materialien können zum Beispiel ein oder mehrere ternäre oder höhere (z. B. quarternäre usw.) Halbleiteroxide sein, wie etwa Indiumgalliumzinkoxid (IGZO), Indiumzinkoxid (IZO) oder Indiumzinnoxid (ITO). Bei einigen Ausführungsformen kann das Halbleitersubstrat 102 ein Halbleiter-auf-Isolator-Substrat sein, das mindestens eine Schicht aus einem dielektrischen Material (z. B. eine vergraben Oxidschicht) aufweist, die zwischen einem Paar Halbleiterschichten angeordnet ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen können funktionelle Schaltungen in und/oder auf dem Halbleitersubstrat 102 hergestellt werden. Zum Beispiel sind in 1 Transistoren 110 und 120 (d. h., zwei aktive Vorrichtungen) gezeigt, die auf einigen Bereichen des Halbleitersubstrats 102 hergestellt sind. Die Transistoren 110 weisen jeweils ein Paar Source- und Drainbereiche 112S und 112D, die in das Halbleitersubstrat 102 eingebettet sind, und eine Gatestruktur 114 auf, die zwischen den Source- und Drainbereichen 112S und 112D auf einem Teil des Halbleitersubstrats 102 angeordnet ist, der als ein Kanalbereich 116 des Transistors 110 fungiert. Bei einigen Ausführungsformen können die Source- und Drainbereiche 112S und 112D zum Beispiel mit n- oder p-Materialien dotiert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Transistor 120 ebenfalls ein Paar Source- und Drainbereiche 122S und 122D und eine Gatestruktur 124 aufweisen, die zwischen den Source- und Drainbereichen 122S und 122D auf einem Teil des Halbleitersubstrats 102 angeordnet ist, der als ein Kanalbereich 126 des Transistors 120 fungiert. Es ist zu beachten, dass die Erfindung nicht die Architektur der Transistoren 110 und 120 beschränkt. Die Transistoren 110 und 120 können zum Beispiel planare Feldeffekttransistoren, Finnen-Feldeffekttransistoren, Gate-all-around-Transistoren oder Transistoren mit einer anderen Architektur sein. Außerdem sollen unterschiedliche Gatekontakt-Schemata, wie etwa vorderes Gate, hinteres Gate, Doppel-Gate, versetztes Gate und dergleichen, innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. In 1 ist zwar gezeigt, dass Transistoren 110 und 120 über dem Halbleitersubstrat 102 hergestellt werden, aber es können auch andere aktive Vorrichtungen (z. B. Dioden oder dergleichen) und/oder passive Vorrichtungen (z. B. Kondensatoren, Widerstände oder dergleichen) als Teil der funktionellen Schaltung hergestellt werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Halbleitervorrichtung SD10 eine Speichervorrichtung sein oder aufweisen. Zum Beispiel wird eine Speichermatrix mit einer Mehrzahl von Speicherzellen MC1 und MC2 in mindestens einem Bereich der Halbleitervorrichtung SD10 hergestellt. In 1 sind zwei derartige Speicherzellen MC1 und MC2 zur Erläuterung dargestellt, aber es versteht sich, dass die Erfindung die Anzahl von Speicherzellen MC1 und MC2, die in der Halbleitervorrichtung SD10 enthalten sind, nicht beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen weisen die Speicherzellen MC1 und MC2 paarige Transistoren 110 und 120 auf, die als Treibertransistoren für die Speicherzellen MC1 und MC2 fungieren können. Bei einigen Ausführungsformen sind die Transistoren 110 und 120 derselben Speicherzelle (z. B. MC1 oder MC2) durch einen Teil des Halbleitersubstrats 102 voneinander getrennt, der als ein Dummy-Kanal 130 fungiert. Der Dummy-Kanal 130 kann zum Beispiel zwischen dem Drainbereich 112D des Transistors 110 und dem Drainbereich 122D des Transistors 120 angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Dummy-Gatestruktur 132 auf dem Dummy-Kanal 130 hergestellt werden. Die Dummy-Gatestruktur 132 kann in Bezug auf die Transistoren 110 und 120 elektrisch floatend sein und kann so hergestellt werden, dass sie die Prozessgleichmäßigkeit verbessert, ohne mit dem Betrieb der Speicherzellen MC1 und MC2 verbunden zu sein. Bei einigen Ausführungsformen können weitere Dummy-Kanäle 140 und Dummy-Gatestrukturen 142 zwischen den Transistoren 110 und 120 benachbarter Speicherzellen MC1 und MC2 angeordnet werden. Zum Beispiel werden der Dummy-Kanal 140 und die darüber befindliche Dummy-Gatestruktur 142 zwischen dem Sourcebereich 122S des Transistors 120 der Speicherzelle MC1 und dem benachbarten Sourcebereich 112S des Transistors 110 der Speicherzelle MC2 angeordnet.
  • Die Interconnect-Struktur IN wird über dem Halbleitersubstrat 102 hergestellt, um die aktiven und passiven Vorrichtungen zu integrieren, die auf dem Halbleitersubstrat 102 in einer oder mehreren funktionellen Schaltungen hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen weist die Interconnect-Struktur IN abwechselnd aufeinandergestapelte leitfähige Durchkontaktierungen und leitfähige Leitungen auf, die in Zwischenschichtdielektrika (ILDs) eingebettet sind, die die aktiven und passiven Vorrichtungen, die auf dem Halbleitersubstrat 102 hergestellt sind, miteinander und mit weiteren Elementen verbinden, die in die Interconnect-Struktur IN eingebettet sind. Zum Beispiel werden in der Interconnect-Struktur IN Speicherelemente ME1 und ME2 hergestellt, die durch Metallisierungsverdrahtungen der Interconnect-Struktur IN mit den Transistoren 110 und 120 der entsprechenden Speicherzellen MC1 und MC2 verbunden werden. Zum Beispiel wird das Speicherelement ME1 der Speicherzelle MC1 mit den Transistoren 110 und 120 der Speicherzelle MC1 verbunden, und so weiter.
  • Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich ein ILD 150 auf dem Halbleitersubstrat 102, und leitfähige Durchkontaktierungen 160 erstrecken sich durch das ILD 150, um die Source- und Drainbereiche 112S, 112D, 122S und 122D der Transistoren 110 und 120 zu kontaktieren. Über dem ILD 150 werden leitfähige Leitungen 182 und 184 und leitfähige Strukturen 192 und 194 hergestellt, um mit den Transistoren 110 und 120 elektrisch verbunden zu werden. Bei einigen Ausführungsformen verbinden leitfähige Durchkontaktierungen 162 die leitfähigen Leitungen 182 mit den Sourcebereichen 112S der Transistoren 110, leitfähige Durchkontaktierungen 164 verbinden die leitfähigen Strukturen 192 mit den Drainbereichen 112D der Transistoren 110, leitfähige Durchkontaktierungen 166 verbinden die leitfähigen Strukturen 194 mit den Drainbereichen 122D der Transistoren 120, und leitfähige Durchkontaktierungen 168 verbinden die leitfähigen Leitungen 184 mit den Sourcebereichen 122S der Transistoren 120. Bei einigen Ausführungsformen können die leitfähigen Durchkontaktierungen 162, 164, 166 und 168 kollektiv als leitfähige Durchkontaktierungen 160 bezeichnet werden. In Abhängigkeit von dem für ihre Herstellung verwendeten Prozess (z. B. Single-Damascene-Prozess, Dual-Damascene-Prozess usw.) können die leitfähigen Leitungen 182 und 184 und die leitfähigen Strukturen 192 und 194 in einem gesonderten ILD 170 oder in dem ILD 150 vergraben werden. In 1 verbinden weitere leitfähige Durchkontaktierungen 210, die sich durch ein ILD 200 erstrecken, die leitfähigen Strukturen 192 und 194 mit den Speicherelementen ME1 und ME2.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist die Halbleitervorrichtung SD10 ein Spin-Orbit-Transfer-MRAM (SOT-MRAM; MRAM: magnetischer Direktzugriffsspeicher) oder sie weist diesen auf, und die Speicherelemente ME1 und ME2 weisen zumindest eine Spin-Hall-Elektrode 240 und einen magnetischen Tunnelkontakt (MTJ) 270 auf, der auf der Spin-Hall-Elektrode 240 angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Spin-Hall-Elektrode 240 durch leitfähige Durchkontaktierungen 212 und 214 mit den Treibertransistoren 110 bzw. 120 verbunden, und der MTJ 270 ist auf der Spin-Hall-Elektrode 240 auf einer Seite angeordnet, die den leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 gegenüberliegt. Bei einigen Ausführungsformen können die leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 kollektiv als leitfähige Durchkontaktierungen 210 bezeichnet werden. Bei einigen Ausführungsformen verbindet eine leitfähige Durchkontaktierung 300 den MTJ 270 mit einer leitfähigen Leitung 320, die sich über dem MTJ 270 und der Spin-Hall-Elektrode 240 erstreckt.
  • 2 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Speicherzelle (z. B. MC1) der Halbleitervorrichtung SD10 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung. Wie durch Vergleich von 1 mit 2 zu erkennen ist, werden in den schematischen Darstellungen wie der von 1 Elemente, die zu unterschiedlichen xz- oder yz-Ebenen gehören, nur zur Erläuterung verwendet, während es keine einzige xyz-Ebene geben kann, in der die in 1 gezeigten Elemente gleichzeitig sichtbar sind. In der nachstehenden Beschreibung wird unterstellt, dass die Richtungen x, y und z eine Gruppe von orthogonalen kartesischen Koordinaten bilden.
  • In den 1 und 2 erstrecken sich bei einigen Ausführungsformen die Gatestrukturen 114 und 124 und die Dummy-Gatestrukturen 132 (und 142) entlang der y-Richtung, und die Source- und Drainbereiche 112S, 112D, 122S und 122D sind auf gegenüberliegenden Seiten der entsprechenden Gatestrukturen 114 und 124 entlang der x-Richtung angeordnet. Die leitfähigen Leitungen 182 und 184 können Leitungen sein, die sich entlang der x-Richtung, senkrecht zu den Gatestrukturen 114 und 124, erstrecken. Die leitfähigen Strukturen 192 und 194 können Platten sein, die die entsprechenden tieferliegenden leitfähigen Durchkontaktierungen 164 und 166 mit entsprechenden höherliegenden leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 verbinden. Bei einigen Ausführungsformen können die leitfähigen Durchkontaktierungen 164, 166, 212 und 214 und die leitfähigen Strukturen 192 und 194 zwischen den leitfähigen Leitungen 182 und 184 entlang der y-Richtung hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Spin-Hall-Elektrode 240, der MTJ 270 und die leitfähige Leitung 320 außerdem eine längliche Form entlang der x-Richtung haben. Bei einigen Ausführungsformen sind die Speicherzellen MC1 und MC2 entsprechend Spalten und Zeilen einer Matrix entlang der x- und der y-Richtung angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen können Speicherzellen MC1 und MC2, die entlang der x-Richtung auf derselben Höhe entlang der y-Richtung verteilt sind, die leitfähigen Leitungen 182, 184 und 320 gemeinsam verwenden, während Speicherzellen MC1 und MC2, die entlang der y-Richtung auf derselben Höhe entlang der x-Richtung verteilt sind, die Gatestrukturen 114 und 124 gemeinsam verwenden können. Jede Speicherzelle MC1 und MC2 hat ein zugehöriges Speicherelement ME1 bzw. ME2. Individuelle Speicherzellen MC1 und MC2 können durch Anlegen von Spannungen oder Lesen von Potentialen von Kombinationen aus den entsprechenden Gatestrukturen 114 und 124 und leitfähigen Leitungen 182, 184 und 320 selektiv adressiert werden.
  • 3 ist ein Schaltbild einer Speicherzelle MC1 der Halbleitervorrichtung SD10 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung. Obwohl sich im Folgenden die Beschreibung auf die Speicherzelle MC1 konzentriert, können Struktur und Betrieb der Speicherzelle MC2 identisch sein. In den 1 und 3 weist bei einigen Ausführungsformen die Speicherzelle MC1 die Treibertransistoren 110 und 120 auf, die mit zwei Anschlüssen der Spin-Hall-Elektrode 240 auf einer Seite der Spin-Hall-Elektrode 240 an gegenüberliegenden Enden der Spin-Hall-Elektrode 240 verbunden sind, während der MTJ 270 auf einer Seite der Spin-Hall-Elektrode 240 angeordnet ist, die den Treibertransistoren 110 und 120 gegenüberliegt. Bei einigen Ausführungsformen ist zwischen die Spin-Hall-Elektrode 240 und den MTJ 270 eine Trennungsschicht 250 geschichtet, die als eine strukturelle Pufferschicht zum Kompensieren einer Nichtübereinstimmung zwischen Strukturen von Schichten der Spin-Hall-Elektrode 240 dienen kann. Bei einigen Ausführungsformen kann die Trennungsschicht 250 ein metallisches oder ein dielektrisches Material aufweisen (und bei einigen Ausführungsformen aus diesem hergestellt werden). Das metallische Material kann ein nicht-ferromagnetisches Material, wie etwa Ru, Pt, Mo, Ti, Mg oder eine Kombination davon, sein, und das dielektrische Material kann ein Metalloxid, wie etwa Magnesiumoxid, Cobaltoxid, Aluminiumoxid oder eine Kombination davon, sein.
  • Die Struktur des MTJ 270 ist nicht besonders beschränkt, und es kann jede bekannte Struktur verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen weist der MTJ 270 zumindest eine magnetische Schicht auf, die ein magnetisches Moment hat, das durch die Wirkung eines von der Spin-Hall-Elektrode 240 erzeugten Spin-Orbit-Torques umgeschaltet werden kann. Bei einigen Ausführungsformen kann die magnetische Schicht die Schicht des MTJ 270 sein, die dichter an der Spin-Hall-Elektrode 240 ist, und sie kann durch die Trennungsschicht 250 von der Spin-Hall-Elektrode 240 getrennt sein. Bei einigen Ausführungsformen weist der MTJ 270 weitere Schichten auf, wie etwa eine Sperrschicht, eine Referenzschicht, eine gepinnte Schicht und/oder eine Verkappungsschicht oder dergleichen.
  • Wie vorstehend dargelegt worden ist, können die Speicherzellen (wie etwa die Speicherzelle MC1) der Halbleitervorrichtung SD10 als Zellen eines SOT-MRAM betrieben werden. Bei einem SOT-MRAM wird das magnetische Moment der Magnetschicht des MTJ 270 durch einen Spin-Orbit-Wechselwirkungseffekt umgeschaltet, der von einem Strom Jc erzeugt wird, der benachbart zu der Magnetschicht des MTJ 270 fließt. Durch Manipulieren der Orientierung der Magnetschicht wird eine Änderung des Widerstands des MTJ 270 bewirkt, die zum Aufzeichnen einen Datenwerts in den Speicherzellen MC1 verwendet werden kann. Das magnetische Moment der Magnetschicht kann nur mit dem Spin-Orbit-Torque oder mit einem zusätzlichen Magnetfeld umgeschaltet werden. Es gibt drei allgemeine Arten von SOT-MRAMs, die nach der Orientierungsbeziehung zwischen der Magnetisierung der Magnetschicht und dem Schreibstrom Jc, der durch die Spin-Hall-Elektrode 240 fließt, eingeteilt werden können. Ein x-SOT-MRAM hat ein Magnetschichtmoment, das parallel zu dem Strom Jc durch die Spin-Hall-Elektrode 240 ist, und ein zusätzliches Magnetfeld, das senkrecht zu der Ebene des Stromflusses in der Spin-Hall-Elektrode 240 ist. Ein y-SOT-MRAM hat ein freies Magnetschichtmoment, das senkrecht zu der Richtung des Stroms Jc durch die Spin-Hall-Elektrode 240 ist, aber in derselben Ebene wie diese Richtung liegt. Ein z-SOT-MRAM hat ein freies Magnetschichtmoment, das senkrecht zu der Ebene des Stroms Jc ist, der durch die Spin-Hall-Elektrode 240 fließt, wobei ein zusätzliches Magnetfeld erforderlich sein kann, das parallel zu dem Stromfluss Jc ist. Nachstehend wird zwar ein x-SOT-RAM erörtert, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und andere Arten von SOT-MRAMs sollen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen.
  • Wie vorstehend dargelegt worden ist, ist die Spin-Hall-Elektrode 240 eine aktive Spin-Orbit-Grenzfläche, die eine starke Spin-Orbit-Wechselwirkung hat und zum Umschalten des magnetischen Moments der Magnetschicht des MTJ 270 verwendet werden kann. Die Spin-Hall-Elektrode 240 dient zum Erzeugen eines Spin-Orbit-Magnetfelds HY. Insbesondere wird der Strom Jc in einer Ebene (senkrecht zu der z-Richtung) durch die Spin-Hall-Elektrode 240 geführt, und das Spin-Orbit-Magnetfeld HY wird senkrecht zu der Richtung des Stroms Jc erzeugt. Dieses Spin-Orbit-Magnetfeld HY entspricht einem Spin-Orbit-Torque T, das auf die Magnetisierung der Magnetschicht des MTJ 270 einwirkt. Das Torque T und das Magnetfeld HY werden daher synonym als Spin-Orbit-Torque T bzw. Spin-Orbit-Feld HY bezeichnet. Dies widerspiegelt den Umstand, dass die Spin-Orbit-Wechselwirkung der Ursprung des Spin-Orbit-Torques T und des Spin-Orbit-Felds HY ist. Das Spin-Orbit-Torque T tritt bei dem Strom Jc auf, der in einer Ebene in der Spin-Hall-Elektrode 240 geführt wird. Das Spin-Orbit-Torque T kann das magnetische Moment der Magnetschicht des MTJ 270 schnell aus seinem Gleichgewichtszustand bringen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann ein Fluss des Stroms Jc durch die Spin-Hall-Elektrode 240 über die Treibertransistoren 110 und 120 zum Beispiel durch Anlegen von geeigneten Potentialen an die leitfähigen Leitungen 182 und 184 und die Gatestrukturen 114 und 124 gesteuert werden. Bei einigen Ausführungsformen können die leitfähigen Leitungen 182 und 184 als Sourceleitungen der Speicherzellen MC1 funktionieren, die Gatestrukturen 114 und 124 können als Wortleitungen der Speicherzellen MC1 funktionieren, und die leitfähigen Leitungen 320 können als Bitleitungen der Speicherzellen MC1 funktionieren. Um zum Beispiel Daten in den MTJ 270 zu schreiben, wird eine Spannung angelegt, sodass die Gatestrukturen 114 und 124 der Transistoren 110 und 120 eingeschaltet werden. Dann wird eine Schreibspannung an eine der leitfähigen Leitungen 182 und 184 angelegt, während die jeweils andere leitfähige Leitung 182 oder 184 geerdet wird. Der resultierende Strom Je erzeugt das Spin-Orbit-Torque T, das die Magnetisierung des MTJ 270 umschaltet, sodass Daten in dem MTJ 270 aufgezeichnet werden. Durch Umkehren der an die leitfähigen Leitungen 182 und 184 angelegten Spannung können andere Daten in den MTJ 270 geschrieben werden. Wenn zum Beispiel eine Schreibspannung an die leitfähige Leitung 182 angelegt wird, während die leitfähige Leitung 184 geerdet wird, fließt der Strom Jc in einer Richtung (z. B. von dem Transistor 110 zu dem Transistor 120) durch die Spin-Hall-Elektrode 240, sodass ein Spin-Orbit-Torque T erzeugt wird, das die Magnetisierung des MTJ 270 auf einen ersten Zustand setzt, der zum Beispiel einer „o“ entspricht. Wenn die Spannung zwischen den leitfähigen Leitungen 182 und 184 umgekehrt wird (z. B. eine Schreibspannung an die leitfähige Leitung 184 angelegt wird, während die leitfähige Leitung 182 geerdet wird), wird die Fließrichtung des Stroms Jc in der Spin-Hall-Elektrode 240 umgekehrt, und daher wird ein entgegengesetztes Spin-Orbit-Torque T an den MTJ 270 angelegt. Dadurch wird der MTJ 270 auf einen zweiten Zustand gesetzt, der zum Beispiel einer „1“ entspricht. Während Schreiboperationen kann die leitfähige Leitung 320 floatend sein. Zum Lesen von Daten aus dem MTJ 270 wird einer der Transistoren 110 und 120 ausgeschaltet (zum Beispiel dadurch, dass die entsprechenden Gatestrukturen 114 und 124 floatend gelassen werden), und die leitfähige Leitung 182 oder 184, die mit dem aktiven Transistor 110 oder 120 verbunden ist, wird geerdet. Durch Lesen des Potentials auf der leitfähigen Leitung 320 kann der Zustand des MTJ 270 errechnet werden, und die in den MTJ 270 geschriebenen Daten können ermittelt werden.
  • 4 ist eine schematische Schnittansicht eines Speicherelements ME1 der Halbleitervorrichtung SD10 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung. Wie vorstehend dargelegt worden ist, kann in den 1 und 4 das Speicherelement ME1 durch die leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 mit den Transistoren 110 und 120 verbunden werden. Optional kann eine Pufferschicht 230 zwischen die Spin-Hall-Elektrode 240 und die leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 geschichtet werden. Die Pufferschicht 230 erstreckt sich zum Beispiel auf dem ILD 200, das die leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 bedeckt, und auf der Pufferschicht 230 ist die Spin-Hall-Elektrode 240 angeordnet. Die Pufferschicht 230 kann eine dünne Schicht aus einem Isoliermaterial wie MgO, die mit einer Dicke entlang der z-Richtung von etwa 2 Å bis etwa 9 Å abgeschieden wird, aufweisen (und kann bei einigen Ausführungsformen von dieser gebildet werden). Bei einigen Ausführungsformen ist die Dicke der Pufferschicht 230 so groß, dass eine elektrische Verbindung zwischen den Transistoren 110 und 120 und der Spin-Hall-Elektrode 240 nicht verhindert wird. Die Trennungsschicht 250 und der MTJ 270 können auf der Spin-Hall-Elektrode 240 auf einer Seite angeordnet werden, die der Pufferschicht 230 und den leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 gegenüberliegt.
  • Bei einigen Ausführungsformen hat die Spin-Hall-Elektrode 240 eine Verbundstruktur, die Metallschichten 242 und 246 und Abstandshalterschichten 244 aufweist, die abwechselnd aufeinandergestapelt sind. Zum Beispiel weist die Spin-Hall-Elektrode 240 von 2 zwei Metallschichten 242 und 246 auf, die durch die Abstandshalterschicht 244 getrennt sind. Bei einigen Ausführungsformen wird entlang der z-Richtung (der Stapelrichtung) die Metallschicht 242 direkt auf der Pufferschicht 230 angeordnet, die Abstandshalterschicht 244 wird direkt auf die Metallschicht 242 gestapelt, und die Metallschicht 246 wird direkt auf die Abstandshalterschicht 244 gestapelt. Bei einigen Ausführungsformen können die Metallschichten 242 und 246 ein metallisches Material aufweisen (oder daraus hergestellt werden), bei dem die Spin-Orbit-Kopplung zum Erzeugen eines Spin-Orbit-Felds HY zum Umschalten der Magnetisierung des MTJ 270 ausreichend ist, wenn der Strom Jc durch die Spin-Hall-Elektrode 240 fließt. Die Metallschichten 242 und 246 können zum Beispiel Schwermetalle aufweisen und können als Schwermetallschichten bezeichnet werden. Die Schwermetalle können zum Beispiel Übergangsmetalle aus der Periode 5 oder 6 der Tabelle des Periodensystems sein, die Valenzelektronen in den Orbitalen 4d und 5d haben, wie etwa Gold, Palladium, Platin, Tantal und Wolfram, und die Metallschichten 242 und 246 können diese Elemente oder Legierungen davon aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann das in den Metallschichten 242 und 246 enthaltene metallische Material in einem metastabilen Zustand sein, und es kann unter bestimmten Bedingungen, wie etwa Erhöhen der Dicke der Metallschichten 242 und 246 oder Behandlung bei erhöhten Temperaturen, was bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen erforderlich sein kann, tendenziell in einen stabileren Zustand übergehen. Das in den Metallschichten 242 und 246 enthaltene metallische Material kann zum Beispiel in Abhängigkeit von der individuellen Dicke der Metallschichten 242 und 246 oder von der Behandlung bei erhöhten Temperaturen aus dem metastabilen Zustand tendenziell in einen stabileren Zustand übergehen. Bei einigen Ausführungsformen kann der metastabile Zustand des metallischen Materials sehr gute Leistungsparameter für Spin-Hall-Anwendungen haben, da der metastabile Zustand zum Beispiel einen größeren Spin-Hall-Winkel (der als ein Verhältnis der Dichte des erzeugten Spinstroms zu der Ladungsstromdichte definiert wird) und/oder einen niedrigeren Energieverbrauch als der stabilere Zustand des metallischen Materials haben kann. Der Spin-Hall-Winkel nimmt im Allgemeinen mit zunehmender Dicke der Schicht aus dem metastabilen metallischen Material zu, sodass dickere Schichten aus dem metastabilen metallischen Material von Interesse für verbesserte Leistungsparameter der Spin-Hall-Elektrode 240 wären. Bei einigen Ausführungsformen können durch Einfügen von Abstandshalterschichten (wie etwa der Abstandshalterschicht 244) zwischen metastabile Metallschichten (wie etwa die Metallschichten 242 und 246) die metastabilen Metallschichten 242 und 246 stabilisiert werden, wodurch größere Dicken (und somit größere Spin-Hall-Winkel) für die Spin-Hall-Elektrode 240 erzielt werden können. Bei einigen Ausführungsformen kann das Material für die Abstandshalterschicht 244 unter Berücksichtigung der Eigenschaften des metallischen Materials für die Metallschichten 242 und 246 gewählt werden. Wenn zum Beispiel der metastabile Zustand und der stabile Zustand (Zustände können auch als Phasen bezeichnet werden) des metallischen Materials der Metallschichten 242 und 246 unterschiedliche 3D-Atomstrukturen (entweder eine kristalline, eine amorphe oder eine Hybrid-Atomstruktur) haben, wird die 3D-Atomstruktur des Materials der Abstandshalterschicht 244 so gewählt, dass sie von der 3D-Atomstruktur des stabilen Zustands des metallischen Materials verschieden ist, sodass sie nicht als eine Schablone für die Umwandlung des metallischen Materials in den metastabilen Zustand fungiert. Die Abstandshalterschicht 244 kann zum Beispiel eine amorphe Schicht sein, oder sie kann Atome haben, die entsprechend einem Kristallgitter angeordnet sind, das von dem Kristallgitter des metastabilen Zustands des metallischen Materials der Metallschichten 242 und 246 verschieden ist. Die Abstandshalterschicht 244 kann zum Beispiel eine Umordnung der Atome des metallischen Materials von dem metastabilen Zustand in den stabilen Zustand unterbrechen, sodass die Umwandlung in den stabilen Zustand verlangsamt oder sogar inhibiert wird. Bei einigen Ausführungsformen kann das Material für die Abstandshalterschicht 244 so gewählt werden, dass nach der Abscheidung eine geringe Oberflächenrauheit erzielt werden kann. Bei einigen Ausführungsformen kann die Abstandshalterschicht 244 mit einer Oberflächenrauheit abgeschieden werden, die so klein ist, dass eine spätere Abscheidung der Materialien für den MTJ 270 nicht beeinträchtigt wird. Die Oberflächenrauheit der Abstandshalterschicht 244 hat zum Beispiel eine arithmetische mittlere Abweichung des Oberflächenprofils (Ra) von weniger als 0,2 nm, z. B. von etwa 0,1 nm bis etwa 0,2 nm. Die Oberflächenrauheit der Abstandshalterschicht 244 kann mittels Rasterkraftmikroskopie (RFM) gemessen werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Material für die Abstandshalterschicht 244 einen elektrischen Leiter oder einen elektrischen Isolator aufweisen. Wenn ein Isolator verwendet wird, kann die Abstandshalterschicht 244 so dünn hergestellt werden, dass ein elektrischer Strom durchfließen kann. Bei einigen Ausführungsformen kann die Spin-Hall-Elektrode 240 eine längliche Form entlang einer bestimmten Richtung D1 (z. B. der x-Richtung von 2) haben, wobei die Schnittansicht von 4 in einer Ebene erstellt ist, die von der Stapelrichtung z der Metallschichten 242 und 246 und der Ausdehnungsrichtung D1 der Spin-Hall-Elektrode 240 definiert wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die unterste Metallschicht 242 im Wesentlichen aus dem metallischen Material in dem metastabilen Zustand (z. B. β-Wolfram) bestehen, während ein Teil des metallischen Materials in der oberen Metallschicht 246 in den stabilen Zustand (z. B. α-Wolfram) übergegangen sein kann. Das heißt, in der oberen Metallschicht 246 kann das metallische Material als ein Gemisch aus dem stabilen und dem metastabilen Zustand vorliegen.
  • Beispiele für das metallische Material für die Metallschichten 242 und 246 sind Wolfram oder eine Wolfram-Tantal-Legierung. Wolfram kann als ein metastabiles Gemisch aus einer α- und einer β-Wolfram-Form, als β-Wolfram oder als eine stabilere α-Wolfram-Form vorliegen. Bei einigen Ausführungsformen hat die α-Wolfram-Form eine kubischraumzentrierte Kristallstruktur, während die β-Wolfram-Form eine Struktur zwischen amorphem Wolfram und α-Wolfram (z. B. A15 kubisch-raumzentriert) haben kann. Bei einigen Ausführungsformen hat das Gemisch aus α- und β-Wolfram einen größeren Spin-Hall-Winkel als α-Wolfram, und es führt zu einem niedrigeren Energieverbrauch als das stabilere α-Wolfram. Bei einigen Ausführungsformen hat das Gemisch aus α- und β-Wolfram die Tendenz, in α-Wolfram überzugehen, zum Beispiel bei einer zunehmenden Dicke der Schichten aus dem Gemisch aus α- und β-Wolfram oder wenn diese Schichten erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden, wie es bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen erforderlich sein kann. Bei einigen Ausführungsformen kann die Tendenz des Gemisches aus α- und β-Wolfram, in α-Wolfram überzugehen, mit steigender Dicke der entsprechenden Schicht zunehmen. Zum Beispiel können dickere Schichten aus einem Gemisch aus α- und β-Wolfram bei niedrigeren Temperaturen als dünnere Schichten aus einem Gemisch aus α- und β-Wolfram in α-Wolfram übergehen. Bei einigen Ausführungsformen kann, wenn die Metallschichten 242 und 246 ein Gemisch aus α- und β-Wolfram aufweisen (oder daraus hergestellt sind), die Abstandshalterschicht 244 ein Material aufweisen (oder daraus hergestellt sein), das eine andere 3D-Atomstruktur als α-Wolfram hat. Das Material für die Abstandshalterschicht 244 ist nicht besonders beschränkt und kann zum Beispiel Folgendes umfassen: ein oder mehrere Metalle oder deren Oxide, wie etwa Magnesium, Cobalt, Magnesiumoxid, Cobaltoxid, Aluminiumoxid oder dergleichen; ferromagnetische Materialien, wie etwa ternäre Gemische aus Cobalt-Eisen-Bor (CoFeB), Cobalt-Palladium (CoPd), Cobalt-Eisen (CoFe), Cobalt-Eisen-Bor-Wolfram (CoFeBW), Nickel-Eisen (NiFe), Magnesium-Cobalt (MgCo) oder Kombinationen davon; oder andere geeignete Materialien. Die Abstandshalterschicht 244 kann zum Beispiel Magnesiumoxid aufweisen, das im Gegensatz zu der kubisch-raumzentrierten Struktur von α-Wolfram eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur hat, und sie kann daher die Umwandlung des Gemisches aus α- und β-Wolfram der Metallschichten 242 und 246 in α-Wolfram hemmen oder verhindern.
  • Bei alternativen Ausführungsformen kann die Abstandshalterschicht eine Verbundstruktur haben. Zum Beispiel ist in 5 eine Schnittansicht eines Speicherelements ME12 einer Halbleitervorrichtung SD12 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Die Halbleitervorrichtung SD12 kann eine ähnliche Struktur haben, wie sie vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 von 1 beschrieben worden ist, und daher können Einzelheiten, die nachstehend nicht explizit angesprochen werden, als mit dem identisch angesehen werden, was vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 dargelegt worden ist. Bei einigen Ausführungsformen weist das Speicherelement ME12 eine Spin-Hall-Elektrode 340 und den MTJ 270 auf. Die Spin-Hall-Elektrode 340 wird mit den leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 verbunden, wobei optional die Pufferschicht 230 zwischen der Spin-Hall-Elektrode 340 und den leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 angeordnet werden kann. Die Spin-Hall-Elektrode 340 weist wiederum Metallschichten 342 und 348 auf, die ähnliche Zusammensetzungen wie die haben können, die vorstehend für die Metallschichten 242 und 246 des Speicherelements ME1 von 4 beschrieben worden sind. Bei einigen Ausführungsformen weisen die Metallschichten 342 und 348 ein Gemisch aus α- und β-Wolfram auf (oder sie sind daraus hergestellt). Zwischen den Metallschichten 342 und 348 ist eine Abstandshalterschicht 344 angeordnet, ähnlich wie es vorstehend für die Abstandshalterschicht 244 von 4 dargelegt worden ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Abstandshalterschicht 344 eine Verbundschicht, die eine Schicht 345 aus einem ersten Material und eine Schicht 346 aus einem zweiten Material mit einer anderen Zusammensetzung als das erste Material aufweist. Die Schicht 345 wird auf die Metallschicht 342, zwischen die Metallschicht 342 und die Schicht 346, gestapelt. Die Schicht 346 wird auf die Schicht 345, zwischen die Schicht 345 und die Metallschicht 348, gestapelt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Material für jede Schicht 345 oder 346 einzeln gewählt werden, wie es vorstehend für das Material der Abstandshalterschicht 244 dargelegt worden ist. Zum Beispiel können die Materialien für die Schicht 345 und die Schicht 346 so gewählt werden, dass sie eine 3D-Atomstruktur haben, die von der des stabilen Zustands des Materials der Metallschichten 342 und 348 verschieden ist, um die Umwandlung des metastabilen Materials der Metallschichten 342 und 348 in die stabilere Form zu verhindern oder zu inhibieren. Wenn zum Beispiel ein Gemisch aus α- und β-Wolfram als das Material für die Metallschichten 342 und 348 verwendet wird, kann die Abstandshalterschicht 344 eine Schicht 345 aus Magnesium (das eine hexagonale Kristallstruktur hat) und eine Schicht 346 aus (amorphem) CoFeB aufweisen. Natürlich ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und andere Kombinationen von Materialien sollen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Zum Beispiel kann die Reihenfolge der Schichten 345 und 346 geändert werden, oder es können andere Kombinationen von Materialien verwendet werden.
  • In 6 ist eine Schnittansicht eines Speicherelements ME14 einer Halbleitervorrichtung SD14 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Die Halbleitervorrichtung SD14 kann eine ähnliche Struktur wie die haben, die vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 von 1 beschrieben worden ist, und daher können Einzelheiten, die nachstehend nicht explizit angesprochen werden, als mit dem identisch angesehen werden, was vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 dargelegt worden ist. Bei einigen Ausführungsformen weist das Speicherelement ME14 eine Spin-Hall-Elektrode 360 und den MTJ 270 auf. Die Spin-Hall-Elektrode 360 wird mit den leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 verbunden, wobei optional die Pufferschicht 230 zwischen der Spin-Hall-Elektrode 360 und den leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 angeordnet wird. Zwischen der Spin-Hall-Elektrode 360 und dem MTJ 270 kann die Trennungsschicht 250 angeordnet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Spin-Hall-Elektrode 360 eine einfache Struktur haben, die nur eine Metallschicht aufweist, ohne dass die in der Spin-Hall-Elektrode 240 von 4 oder die in der Spin-Hall-Elektrode 340 enthaltenen Abstandshalterschichten von 5 verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen weist die einzige Metallschicht der Spin-Hall-Elektrode 360 ein metallisches Material auf, das als das metallische Material für die Metallschichten 242 und 246 von 4 gewählt worden ist. Zum Beispiel weist die Spin-Hall-Elektrode 360 eine Wolframschicht auf, die zunächst als β-Wolfram hergestellt werden kann.
  • Um die Spin-Hall-Elektrode 240 von 4, die Spin-Hall-Elektrode 340 von 5 und die Spin-Hall-Elektrode 360 von 6 zu charakterisieren, wurde eine Reihe von Halbleitervorrichtungen SD16, SD18 und SD20 hergestellt, die in den 7A, 7B bzw. 7C gezeigt sind. In den Halbleitervorrichtungen SD16, SD18 und SD20 wurden Strukturen, die den Spin-Hall-Elektroden 240, 340 und 360 entsprechen, auf einem Substrat 400 hergestellt. Das Substrat 400 wies Silizium auf, und es wurde eine Oxidschicht 410 mit einer Dicke von etwa 200 nm durch thermische Oxidation hergestellt. Auf dem Substrat 400 wurden einzelne Halbleitervorrichtungen SD16, wie etwa die von 7A, hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen wurde ein Halbleiterwafer als das Substrat 400 verwendet.
  • In den Halbleitervorrichtungen SD16 von 7A wurden Spin-Hall-Elektroden 420 mit einer Struktur hergestellt, die vorstehend für die Spin-Hall-Elektrode 240 beschrieben worden ist. Zunächst wurde durch Abscheiden von Wolfram eine Metallschicht auf der Oxidschicht 410 hergestellt. Wolfram für die Metallschicht wurde durch Sputtern (z. B. Gleichstrom-Sputtern) durch Anlegen einer Leistung von etwa 40 W an ein Wolfram-Target abgeschieden. Die resultierende Metallschicht hatte ein Keilprofil (z. B. mit schrittweise abnehmender Dicke) entlang einer Richtung senkrecht zu der Richtung des angelegten Stromflusses, um eine Reihe von Halbleitervorrichtungen SD16 mit unterschiedlichen Dicken von Metallschichten 422 und 426 gleichzeitig herstellen zu können. Anschließend wurde auf den Metallschichten 422 eine Abstandshalterschicht 424 der Halbleitervorrichtungen SD16 durch Abscheiden einer Schicht aus Magnesiumoxid mit einer Dicke T424 abgeschieden. Anschließend wurde eine zweite Abscheidung von Wolfram unter den vorgenannten Bedingungen durchgeführt, um eine weitere keilförmige Metallschicht mit einer anderen Dicke herzustellen. Das heißt, es wurden Halbleitervorrichtungen SD16 mit Metallschichten 422 und 426 unterschiedlicher Dicken T422 und T426 hergestellt, die unterschiedlichen Bereichen der keilförmigen Metallschichten entsprachen. Die Abscheidungsbedingungen für das Wolfram für die Metallschichten 422 und 426 wurden so gewählt, dass eine Abscheidung eines Gemisches aus α- und β-Wolfram favorisiert wurde. Nach der Abscheidung der obersten Metallschicht 426 wurde ein Temperprozess (Vakuum von etwa 10-6 Torr, planares Magnetfeld von 1 Tesla, 400 °C, 30 min) durchgeführt.
  • Dadurch wurden mehrere Halbleitervorrichtungen SD16 mit Metallschichten 422 und 426, die unterschiedliche Gesamtdicken (T422 + T426) darstellten, auf unterschiedlichen Bereichen des Substrats 400 hergestellt. Diese Bereiche mit unterschiedlichen Dicken ermöglichten eine eingehende Untersuchung des Einflusses der Gesamtdicken der Metallschichten 422 und 426 in einzelnen Halbleitervorrichtungen SD16 entsprechend der Struktur von 7A. Die Dicken T422 und T426 wurden zwischen unterschiedlichen Halbleitervorrichtungen SD16, die auf demselben Substrat 400 hergestellt wurden, geändert, während die Metallschichten 422 und 426 in einer einzelnen Halbleitervorrichtung SD16 so hergestellt wurden, dass sie dieselben Dicken T422 und T426 hatten. In allen Halbleitervorrichtungen SD16 wurde die Dicke T424 der Abstandshalterschicht 424 auf 0,7 nm eingestellt.
  • Gemäß einem Prozess, der im Wesentlichen dem ähnlich ist, der vorstehend für die Halbleitervorrichtungen SD16 beschrieben worden ist, wurden mehrere Halbleitervorrichtungen SD18 von 7B hergestellt. Wolfram-Metallschichten 442 wurden so hergestellt, wie es vorstehend für die Metallschichten 422 beschrieben worden ist. Dann wurde eine Magnesiumschicht (Mg-Schicht) 445 einer Abstandshalterschicht 444 auf der Metallschicht 442 abgeschieden. Anschließend wurden nacheinander eine Co20Fe60B20-Schicht 446 der Abstandshalterschicht 444 und eine Metallschicht 448 aus einem Gemisch aus α- und β-Wolfram auf der Mg-Schicht 445 abgeschieden, wie es vorstehend für die Abstandshalterschicht 424 bzw. die Metallschicht 426 dargelegt worden ist. Schließlich wurden die Strukturen getempert (Vakuum von etwa 10-6 Torr, planares Magnetfeld von 1 Tesla, 400 °C, 30 min). Es wurden mehrere Halbleitervorrichtungen SD18 mit unterschiedlichen Gesamtdicken (T442 + T448) der Metallschichten 442 und 448 auf demselben Substrat 400 hergestellt, wie es vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD16 dargelegt worden ist. In der Halbleitervorrichtung SD18 hatte die Abstandshalterschicht 444 eine einheitliche Dicke T444 von etwa 1,35 nm, während die Dicke T446 der Co20Fe60B20-Schicht 446 etwa 0,8 nm betrug und die Dicke T445 der Magnesiumoxidschicht 445 etwa 0,55 nm betrug.
  • Es wurden mehrere Halbleitervorrichtungen SD20 von 7C durch Abscheiden von Metallschichten aus einem Gemisch aus α- und β-Wolfram mit unterschiedlichen Dicken T460 hergestellt, um Spin-Hall-Elektroden 460 auf der Oxidschicht 410 herzustellen. Die Abscheidungsbedingungen für das Wolfram waren die, die vorstehend für die Metallschichten 422 und 426 von 7A beschrieben worden sind. Es wurden dieselben Temperbedingungen verwendet, die vorstehend beschrieben worden sind (Vakuum von etwa 10-6 Torr, planares Magnetfeld von 1 Tesla, 400 °C, 30 min).
  • Die Halbleitervorrichtungen SD16, SD18 und SD20, die wie vorstehend beschrieben hergestellt wurden, wurden untersucht, um die Stabilität der entsprechenden Strukturen nach dem Temperprozess zu beurteilen und um den Schichtwiderstand Rs, den spezifischen Widerstand p und den Spin-Hall-Winkel α zu messen. Der Schichtwiderstand Rs wurde mit einem Vier-Punkt-Sonde-Verfahren gemessen, und der spezifische Widerstand p wurde dann unter Berücksichtigung der Dicke abgeleitet. Der Spin-Hall-Winkel α wurde mit strukturierten Hall-Stabvorrichtungen mittels ferromagnetischer Spin-Torque-Resonanz (ST-FMR) gemessen. Die Dicken-abhängige Wolframschichtstruktur in den Metallschichten 422 und 426 wurde durch Beobachten von Röntgenbeugungsbildern (Cu-Ka-Röntgenstrahl; streifender Einfallswinkel: 0,5°; 20: 20° bis 80°, o,o6°/Schritt, 4 s/Schritt) der getemperten Halbleitervorrichtung SD16 identifiziert, um zu ermitteln, ob das Gemisch aus der α- und β-Wolfram-Form der Metallschichten 422 und 426 bestehen geblieben ist oder in die α-Wolfram-Form übergangen ist.
  • Die Ergebnisse der vorgenannten Untersuchungen sind in den Diagrammen der 8A bis 10C angegeben. In den Diagrammen der 8A bis 9 und in der nachstehenden Erörterung bezeichnet die auf den x-Achsen aufgetragene Gesamtdicke die vereinte Dicke (T422 + T426, T442 + T448 oder T460) der entsprechenden Metallschichten 422, 426, 442, 448 oder 460 der Halbleitervorrichtungen SD16, SD18 und SD20 ohne Berücksichtigung der Dicken T424 und T444 der Abstandshalterschichten 424 und 444. Zum Beispiel entspricht bei den Halbleitervorrichtungen SD16 die Gesamtdicke, die in dem Diagramm von 8A aufgetragen ist, den addierten Dicken T422 und T426 der Metallschichten 422 und 426, und sie weicht von der Dicke T420 der Spin-Hall-Elektrode 420 dadurch ab, dass sie nicht die Dicke T424 der Abstandshalterschicht 424 enthält. In ähnlicher Weise entspricht bei den Halbleitervorrichtungen SD18 die Gesamtdicke, die in dem Diagramm von 8A aufgetragen ist, den addierten Dicken T442 und T448 der Metallschichten 442 und 448, und sie weicht von der Dicke T440 der Spin-Hall-Elektrode 440 dadurch ab, dass sie nicht die Dicke T444 der Abstandshalterschicht 444 enthält. Bei den Halbleitervorrichtungen SD20 entspricht die Gesamtdicke, die in dem Diagramm von 8A aufgetragen ist, der Dicke T460 der einzigen Metallschicht, die die Spin-Hall-Elektrode 460 bildet. Es wurden Halbleitervorrichtungen SD16, SD18 und SD20 mit entsprechenden Gesamt(metall)dicken T422 + T426, T442 + T448 oder T460 von etwa 34 Å, 37,5 Å, 41 Å, 44,5 Å, 48 Å, 52 Å, 55,5 Å, 59 Å, 62,5 Å und 65 Å hergestellt und untersucht.
  • In den 8A und 8B sind der gemessene spezifische Widerstand p bzw. der gemessene Schichtwiderstand Rs für die Halbleitervorrichtungen SD16, SD18 und SD20 aufgetragen. Die Datenreihe 470 von 8A und die Datenreihe 475 von 8B wurden für die Halbleitervorrichtungen SD16 gemessen, die Datenreihe 472 von 8A und die Datenreihe 477 von 8B wurden für die Halbleitervorrichtungen SD20 gemessen, und die Datenreihe 474 von 8A und die Datenreihe 479 von 8B wurden für die Halbleitervorrichtungen SD18 gemessen. Bei einigen Ausführungsformen fallen der spezifische Widerstand p und der Schichtwiderstand Rs bei den Halbleitervorrichtungen SD20 stark ab, wenn die Gesamtdicke T460 der einzigen Metallschicht der Spin-Hall-Elektrode 460 größer als etwa 50 Å wird, was ein Hinweis darauf ist, dass beim Tempern von Schichten mit einer Dicke von mehr als etwa 50 Å das ursprünglich abgeschiedene Gemisch aus α- und β-Wolfram in das stabilere α-Wolfram übergeht. Wenn hingegen eine Abstandshalterschicht 424 oder 444 wie bei den Halbleitervorrichtungen SD16 und SD18 eingefügt wird, kann die Umwandlung des Gemisches aus α- und β-Wolfram in α-Wolfram verzögert oder sogar gestoppt werden. In den Datenreihen für die Halbleitervorrichtungen SD16, die die einfache Abstandshalterschicht 424 aufweisen, sind der spezifische Widerstand p und der Schichtwiderstand Rs im Allgemeinen höher, und die Geschwindigkeiten der Änderung des spezifische Widerstands p und des Schichtwiderstands Rs mit der Gesamtdicke T422 + T426 der Metallschichten 422 und 426 sind niedriger als die entsprechenden Werte, die bei den Halbleitervorrichtungen SD20 beobachtet wurden. Das heißt, durch Integrieren der Abstandshalterschicht 424 in die Halbleitervorrichtungen SD16 wird die Umwandlung von dem Gemisch aus α- und β-Wolfram in α-Wolfram zumindest teilweise verhindert, was eine Herstellung von Spin-Hall-Elektroden 420 mit einer größeren Gesamtdicke T422 + T426 der Metallschichten 422 und 426 ermöglicht. Wenn die zusammengesetzte Abstandshalterschicht 444 in die Halbleitervorrichtungen SD18 integriert wird, bleibt der spezifische Widerstand p in dem gemessenen Bereich der Gesamtdicke T442 + T448 im Wesentlichen konstant, und der Schichtwiderstand Rs hat eine signifikant niedrigere Änderungsgeschwindigkeit als die, die bei den Halbleitervorrichtungen SD20 beobachtet wurde, was ein Hinweis darauf ist, dass die zusammengesetzte Abstandshalterschicht 444 beim Stabilisieren der Struktur der Metallschichten 422 und 428 in der Halbleitervorrichtung SD18 besonders effektiv sein kann. Bei einigen Ausführungsformen kann die Umwandlung des Gemisches aus α- und β-Wolfram in α-Wolfram in Spin-Hall-Elektroden 440, die eine zusammengesetzte Abstandshalterschicht 444 aufweisen, (vollständig) gestoppt werden.
  • Die vorgenannten Beobachtungen wurden außerdem durch die Daten erhärtet, die in 9 für den gemessenen Spin-Hall-Winkel α aufgetragen sind. In 9 wurde eine Datenreihe 482 für die Halbleitervorrichtungen SD16 gemessen, eine Datenreihe 484 wurde für die Halbleitervorrichtungen SD18 gemessen, und eine Datenreihe 486 wurde für die Halbleitervorrichtungen SD20 gemessen. Die Daten von 9 lassen erkennen, dass die zusammengesetzten Spin-Hall-Elektroden 420 und 440 unabhängig von der Struktur der Abstandshalterschicht 424 oder 444 größere Spin-Hall-Winkel a haben, wobei die Spin-Hall-Winkel a bis zu 0,45 erreichen und im Allgemeinen größer als die der Halbleitervorrichtung SD20 sind, die die dickste Schicht aus dem Gemisch aus α- und β-Wolfram mit etwa 50 Å hat.
  • Die erhöhte Stabilität der Schichten aus dem Gemisch aus α- und β-Wolfram in den Halbleitervorrichtungen SD16 und SD18 wird außerdem von den Röntgenbeugungsbildern bestätigt, die in den 10A bis 10C dargestellt sind. Die Daten von 10A wurden für Halbleitervorrichtungen SD16 gemessen, die eine Gesamtdicke T422 + T426 der Metallschichten 422 und 426 von etwa 38 Ä (Kurve 492) und 63 Ä (Kurve 494) hatten. Die Daten von 10B wurden für Halbleitervorrichtungen SD18 gemessen, die eine Gesamtdicke T442 + T4448 der Metallschichten 442 und 448 von etwa 38 Å (Kurve 502) und 63 Å (Kurve 504) hatten. Die Daten von 10C wurden für Halbleitervorrichtungen SD20 gemessen, die eine Dicke T460 von 38 Ä (Kurve 512) und 63 Ä (Kurve 514) hatten. Aus den 10A bis 10C geht hervor, dass bei den Kurven für die kleineren Dicken (Kurven 492, 502 und 512) die Peak-Struktur des kristallinen a-Wolframs im Wesentlichen bei allen Halbleitervorrichtungen SD16, SD18 und SD20 fehlt, während bei der Kurve 514 für die größere Dicke die Halbleitervorrichtung SD20 markante Peaks aufgrund des kristallinen a-Wolframs zeigt. Hingegen sind a-Wolfram-Peaks bei den dickeren Halbleitervorrichtungen SD16 mit der einfachen Abstandshalterschicht 424 (Kurve 494) kaum zu sehen, und bei den dickeren Halbleitervorrichtungen SD18 mit der zusammengesetzten Abstandshalterschicht 444 fehlen sie weitgehend. Das heißt, auch die Röntgenstrahl-Beugungsanalyse bestätigt, dass die einfache Abstandshalterschicht 424 der Halbleitervorrichtungen SD16 die Stabilität der dickeren Schichten aus dem Gemisch aus a- und β-Wolfram zumindest verbessert, während die zusammengesetzte Abstandshalterschicht 444 der Halbleitervorrichtungen SD18 die Umwandlung des Gemisches aus α- und β-Wolfram in α-Wolfram weiter stabilisieren kann oder sogar vollständig stoppen kann.
  • Aufgrund des Vorstehenden können die Spin-Hall-Elektrode 240 von 4 (oder die Spin-Hall-Elektrode 420 von 7A) und die Spin-Hall-Elektrode 340 von 5 (oder die Spin-Hall-Elektrode 440 von 7B) mit den einfachen Abstandshalterschichten 244 (oder 424) oder den zusammengesetzten Abstandshalterschichten 344 (oder 444) mit einer Gesamtdicke des metastabilen Spin-Hall-Materials (z. B. des Gemisches aus α- und β-Wolfram) von mehr als 5 nm erhalten werden, sie können den Temperbedingungen standhalten und können Spin-Hall-Winkel α von mehr als 0,4 zeigen. Bei einigen Ausführungsformen können die einzelnen Dicken der Metallschichten 242 und 246 oder 342 und 348 etwa 1 nm bis etwa 4 nm betragen, und die einzelnen Dicken der Abstandshalterschichten 244 und 344 können in dem Bereich liegen, der der Dicke einer Monolage aus Abstandshaltermaterial (z. B. einer Monolage aus Magnesium oder Magnesiumoxid von 0,07 nm bis 0,3 nm; oder einer Viertel Monolage aus CoFeB von etwa 0,05 nm; oder einer Viertel Monolage aus Co von 0,07 nm bis 0,13 nm) oder der Dicke mehrerer (z. B. 3 bis 8) Monolagen aus Abstandshaltermaterialien (z. B. vier Monolagen aus Magnesiumoxid von etwa 0,8 nm bis 1,3 nm; vier Monolagen aus Magnesium von etwa 1 nm oder etwa sechs Monolagen aus CoFeB von etwa 0,86 nm oder vier Monolagen aus Co von etwa 1 nm bis 2 nm) entspricht.
  • Die 11 bis 20 sind schematische Darstellungen, die Strukturen zeigen, die während eines Herstellungsprozesses für Halbleitervorrichtungen, wie etwa der Halbleitervorrichtung SD10 von 1, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung entstehen. In 11 ist das Halbleitersubstrat 102 mit den darauf hergestellten Transistoren 110 und 120 gezeigt. Das Substrat 102 kann so strukturiert werden, dass darauf Mikrostrukturen wie Finnen, Platten und dergleichen zum Beispiel entsprechend der angestrebten Architektur für die Transistoren 110 und 120 entstehen. Ebenso können die Transistoren 110 und 120 mit jedem geeigneten Herstellungsprozess hergestellt werden, wie etwa einem Gate-First-Prozess oder einem Gate-Last-Prozess. Die Gatestrukturen 114 und 124 sowie die Dummy-Gatestrukturen 132 und 142 können einen oder mehrere Abstandshalter sowie Haftschichten, Grenzflächenschichten, dielektrische High-k-Schichten, Austrittsarbeits-Einstellschichten, Gateelektroden und dergleichen entsprechend den Anforderungen an die Schaltungen aufweisen. Die Erfindung beschränkt die Strukturen der Transistoren 110 und 120 nicht.
  • In 12 wird über dem Substrat 102 das ILD 150 hergestellt, das die Transistoren 110 und 120 zunächst vergräbt. Das ILD 150 kann dielektrische Low-k-Materialien aufweisen, wie etwa Xerogel, Aerogel, amorphen Fluorkohlenstoff, Parylen, BCB (Bis-Benzocyclobuten), Wasserstoff-Silsesquioxan (HSQ), fluoriertes Siliziumoxid (SiOF) oder eine Kombination davon. Bei einigen Ausführungsformen kann das ILD 150 mit einer geeigneten Dicke durch fließfähige chemische Aufdampfung (FCVD), CVD, chemische Aufdampfung mit einem Plasma hoher Dichte (HDP-CVD), chemische Aufdampfung bei Unterdruck (SACVD), Aufschleudern, Sputtern oder mit anderen geeigneten Verfahren hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das ILD 150 während mehrerer Schritte hergestellt werden und kann von zwei oder mehr Schichten gebildet werden, die dieselben oder unterschiedliche dielektrische Materialien aufweisen können. Das ILD 150 wird so strukturiert, dass Öffnungen entstehen, die an ihrer Unterseite die Source- und Drainbereiche 112S, 112D, 122S und 122D der Transistoren 110 und 120 freilegen. Es können noch weitere Öffnungen erzeugt werden, die die Gatestrukturen 114 und 124 freilegen. Anschließend werden die Öffnungen des ILD 150 mit einem leitfähigen Material gefüllt, um die leitfähigen Durchkontaktierungen 160 herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen ist das leitfähige Material für die leitfähigen Durchkontaktierungen 160 Aluminium, Titan, Kupfer, Nickel, Wolfram und/oder eine Legierung davon, und es kann mit einer Reihe von Abscheidungsprozessen (z. B. CVD, Plattierung oder anderen geeigneten Prozessen) und Planarisierungsprozessen (z. B. chemischmechanische Polierung) hergestellt werden.
  • In 13 werden die leitfähigen Leitungen 182 und 184 und die leitfähigen Strukturen 192 und 194 über den leitfähigen Durchkontaktierungen 160 hergestellt. Das ILD 170 kann unter Verwendung von ähnlichen Materialien und ähnlichen Prozessen wie das ILD 150 hergestellt werden und kann die leitfähigen Leitungen 182 und 184 und die leitfähigen Strukturen 192 und 194 einbetten. Bei einigen Ausführungsformen kann zuerst ein ILD 170 hergestellt werden, das Öffnungen aufweist, die an ihrer Unterseite die leitfähigen Durchkontaktierungen 160 freilegen. Diese Öffnungen werden dann mit einem leitfähigen Material gefüllt, um die leitfähigen Leitungen 182 und 184 und die leitfähigen Strukturen 192 und 194 herzustellen. Bei einigen alternativen Ausführungsformen können zuerst die leitfähigen Leitungen 182 und 184 und die leitfähigen Strukturen 192 und 194 zum Beispiel dadurch hergestellt werden, dass das leitfähige Material über dem ILD 150 und den leitfähigen Durchkontaktierungen 160 abgeschieden wird und anschließend strukturiert wird und anschließend das Material für das ILD 170 abgeschieden wird. Bei einigen Ausführungsformen werden die ILDs 150 und 170 gemeinsam hergestellt, und die leitfähigen Leitungen 182 und 184 und die leitfähigen Strukturen 192 und 194 werden in Einheit mit den entsprechenden leitfähigen Durchkontaktierungen 160 hergestellt. Im Allgemeinen kann die Position (hinsichtlich der Höhe in Bezug auf das Halbleitersubstrat 102) der Grenzen zwischen den ILDs (z. B. 150 und 170) von dem Prozess abhängen, der sich für die Herstellung der Interconnect-Struktur IN anschließt.
  • In 14 werden ein weiteres ILD 200 und weitere leitfähige Durchkontaktierungen 210 unter Verwendung von ähnlichen Prozessen und Materialien hergestellt, wie sie vorstehend für das ILD 150 bzw. die leitfähigen Durchkontaktierungen 160 beschrieben worden sind. Anschließend werden Vorläuferschichten für die Speicherelemente ME1 und ME2 (die z. B. in 1 gezeigt sind) auf dem ILD 200 und den leitfähigen Durchkontaktierungen 210 abgeschieden, sodass ein Schichtstapel entsteht, der das ILD 200 schützend bedeckt. Zum Beispiel kann zunächst die Pufferschicht 230 über dem gesamten ILD 200 so hergestellt werden, dass sie sich über den Bereich erstreckt, in dem mehrere Speicherzellen MC1 und MC2 hergestellt werden sollen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht 230 mit geeigneten Abscheidungsverfahren wie CVD, PVD (physikalische Aufdampfung), ALD (Atomlagenabscheidung) oder dergleichen abgeschieden werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht 230 Magnesiumoxid oder andere geeignete Materialien aufweisen und kann mit einer Dicke von etwa 0,2 nm bis 0,9 nm abgeschieden werden. Dann können nacheinander die Schichten für die Spin-Hall-Elektrode 240 zum Beispiel gemäß dem Verfahren abgeschieden werden, das vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD16 von 7A beschrieben worden ist, oder, wenn zusammengesetzte Abstandshalterschichten gewünscht werden, gemäß Verfahren, die vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD18 von 7B beschrieben worden sind. Anschließend kann das Material für die Trennungsschicht 250 auf der Spin-Hall-Elektrode 240 abgeschieden werden, und dann können die Schichten für den MTJ 270 auf der Trennungsschicht 250 hergestellt werden. In der Struktur, die in 14 gezeigt ist, erstrecken sich die Schichten der Spin-Hall-Elektrode 240 und des MTJ 270 (sowie der Trennungsschicht 250, falls vorhanden) über den Bereich, in dem die Speicherzellen MC1 und MC2 hergestellt werden sollen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann ein Temperprozess durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Temperprozess in situ mit einem senkrechten Magnetfeld durchgeführt werden, um eine senkrechte magnetische Anisotropie der getemperten Schichten zu erhöhen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Temperprozess in situ mit einem horizontalen Magnetfeld durchgeführt werden, um eine planare magnetische Anisotropie der getemperten Schichten zu erhöhen. Bei einigen Ausführungsformen werden die Schichten für die Spin-Hall-Elektrode 240 und den MTJ 270 vor der Durchführung eines normalen Temperprozesses abgeschieden. Bei einigen Ausführungsformen können durch Aufrechterhalten eines Vakuums während der Abscheidung der Spin-Hall-Elektrode 240 und des MTJ 270 Grenzflächen zwischen den abgeschiedenen Schichten entstehen, die eine höhere Qualität haben. Bei einigen Ausführungsformen hat die Spin-Hall-Elektrode 240 eine Verbundstruktur mit einer Abstandshalterschicht, wie etwa der Abstandshalterschicht 244 von 4 oder der Abstandshalterschicht 344 von 5. Daher kann, auch wenn Metallschichten (z. B. 242 und 246 von 4 oder 342 und 348 von 5) der Spin-Hall-Elektrode 240 ein metastabiles Spin-Hall-Material aufweisen, das metastabile Material dem Temperprozess standhalten, ohne, oder nur in einem beschränkten Umfang, in mehrere stabile Formen überzugehen.
  • In 15 wird auf der obersten Schicht des MTJ 270 eine Hartmaske 280 hergestellt. Die Hartmaske 280 kann mit jedem geeigneten Verfahren und aus jedem geeigneten Material hergestellt werden. Zum Beispiel kann die Hartmaske 280 dielektrische Materialien, wie etwa Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxidnitrid, oder leitfähige Materialien, wie etwa Tantal, Wolfram oder Titannidrid, oder Kombinationen davon aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Hartmaske 280 mehrere Schichten aufweisen, wobei die oberen Schichten zum Definieren von Strukturen der unteren Schichten (z. B. der Schichten, die sich dichter an dem MTJ 270 erstrecken) verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann eine untere Schicht der Hartmaske 280 Tantal aufweisen, und eine obere Schicht der Hartmaske 280 kann Siliziumnitrid aufweisen, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und gegebenenfalls können auch andere geeignete Kombinationen von Materialien verwendet werden.
  • In den 15 und 16 wird die Struktur der Hartmaske 280 zum Beispiel während eines oder mehrerer Ätzschritte auf die Schichten des MTJ 270 übertragen. Die Ätzung kann mit jedem geeigneten Ätzverfahren erfolgen, wie etwa Nass- oder Trockenätzung, einer reaktiven Ionenätzung (RIE), einer Neutralstrahlätzung (NBE), einer induktiv gekoppelten Plasmaätzung (ICP), einer Ionenstrahlätzung (IBE) oder dergleichen oder einer Kombination davon. Die Ätzung kann anisotrop sein. Nach dem Strukturieren der Schichten des MTJ 270 wird eine Mehrzahl von MTJs 270 entsprechend den angestrebten Positionen für die Speicherzellen MC1 und MC2 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen können die MTJs 270 in Abhängigkeit von den Strukturierungsbedingungen konische Seitenwände haben. Bei einigen Ausführungsformen können die Hartmasken 280 auch nach dem Strukturierungsprozess auf den MTJs 270 verbleiben. Bei einigen Ausführungsformen endet die Ätzung der Schichten des MTJ 270 auf der Trennungsschicht 250. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann die Ätzung durch die Trennungsschicht 250 durchgeführt werden, und es können sogar die Schichten der Spin-Hall-Elektrode 240 teilweise ausgespart werden.
  • In 17 wird eine Schutzschicht 290 über den strukturierten MTJs 270 und den darüber befindlichen Hartmasken 280 durch Schutzabscheidung abgeschieden. Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Schutzschicht 290 schützend über den gesamten Bereich, in dem die Speicherzellen MC1 und MC2 hergestellt werden sollen. Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Schutzschicht 290 auf der Trennungsschicht 250 (falls vorhanden), die nach dem Strukturieren der MTJs 270 freigelegt worden ist, und sie bedeckt konform die Seitenwände der MTJs 270. Bei einigen Ausführungsformen weist die Schutzschicht 290 ein dielektrisches Material wie Siliziumcarbid, Siliziumoxidcarbid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumoxidnitrid, Siliciumcarbooxidnitrid oder andere geeignete dielektrische Materialien auf. Bei einigen Ausführungsformen wird die Schutzschicht 290 mit einem geeigneten Abscheidungsverfahren wie PVD, CVD, ALD oder dergleichen oder einer Kombination davon hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen weist die Schutzschicht 290 Siliziumnitrid auf, das durch CVD hergestellt wird. Bei einigen Ausführungsformen können auch Oxide verwendet werden, die mit weniger reaktiven Verfahren, wie etwa PVD, erzeugt werden.
  • In 18 werden die Schutzschicht 290 und die darunter befindlichen Schichten der Spin-Hall-Elektrode 240 (sowie die Trennungsschicht 250 und die Pufferschicht 230, falls vorhanden) zum Beispiel mit einem oder mehreren Ätzprozessen strukturiert, um die Spin-Hall-Elektroden 240 für die einzelnen Speicherzellen MC1 und MC2 zu definieren. Die Ätzung kann mit jedem geeigneten Ätzverfahren erfolgen, wie etwa Nass- oder Trockenätzung, RIE, NBE oder dergleichen oder einer Kombination davon. Die Ätzung kann anisotrop sein.
  • In 19 wird nach dem Strukturieren der Spin-Hall-Elektroden 240 ein ILD 260 so hergestellt, dass es die Spin-Hall-Elektroden 240 und die MTJs 270 verkapselt. Die Materialien und Verfahren zum Herstellen des ILD 200 können so gewählt werden, wie es vorstehend für das ILD 150 dargelegt worden ist. Bei einigen Ausführungsformen wird das ILD 260 mit einer ausreichenden Dicke hergestellt, sodass es die Schutzschicht 290 auch nach der Durchführung der Planarisierung vollständig bedeckt. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann das ILD 260 planarisiert werden, um die Schutzschicht 290 auf der Hartmaske 280 freizulegen oder um sogar einen Teil der Schutzschicht 290, der sich auf der Hartmaske 280 erstreckt, zu entfernen, sodass die Hartmaske 280 freigelegt wird.
  • In 20 werden die leitfähigen Durchkontaktierungen 300 durch das ILD 260 so hergestellt, dass sie die MTJs 270 kontaktieren. Die Materialien und Verfahren zum Herstellen der leitfähigen Durchkontaktierungen 300 können so gewählt werden, wie es vorstehend für die leitfähigen Durchkontaktierungen 160 dargelegt worden ist. Bei einigen Ausführungsformen erstrecken sich die leitfähigen Durchkontaktierungen 300 durch die Schutzschicht 290 und die Hartmaske 280, um die MTJs 270 zu kontaktieren. Wenn bei einigen Ausführungsformen die Hartmasken 280 aus einem leitfähigen Material hergestellt werden und als obere Elektroden der MTJs 270 verwendet werden, können die leitfähigen Durchkontaktierungen 300 auf den Hartmasken 280 aufsetzen. Die Halbleitervorrichtung SD10 von 1 kann aus der Struktur von 20 dadurch erhalten werden, dass ein ILD 310 und die leitfähigen Leitungen 320 zum Beispiel unter Verwendung der Materialien und Prozesse hergestellt werden, die vorstehend für das ILD 170 und die leitfähigen Leitungen 182 und 184 beschrieben worden sind. Bei einigen Ausführungsformen können weitere Prozessschritte verwendet werden, um zum Beispiel weitere Interconnect-Schichten herzustellen oder um leitfähige Kontakthügel bereitzustellen, um eine Integration der Halbleitervorrichtung SD10 in größere Vorrichtungen zu ermöglichen.
  • In 21A ist eine Schnittansicht eines Speicherelements ME22 einer Halbleitervorrichtung SD22 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Die Halbleitervorrichtung SD22 kann eine ähnliche Struktur wie die haben, die vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 von 1 beschrieben worden ist, und daher können Einzelheiten, die nachstehend nicht explizit angesprochen werden, als mit dem identisch angesehen werden, was vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 dargelegt worden ist. Bei einigen Ausführungsformen weist das Speicherelement ME22 eine Spin-Hall-Elektrode 520 und den MTJ 270 auf. Die Spin-Hall-Elektrode 520 wird mit den leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 verbunden, wobei optional die Pufferschicht 230 zwischen der Spin-Hall-Elektrode 520 und den leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 angeordnet werden kann. Zwischen der Spin-Hall-Elektrode 520 und dem MTJ 270 kann die Trennungsschicht 250 angeordnet werden. Bei einigen Ausführungsformen weist die Spin-Hall-Elektrode 520 drei Metallschichten 521, 523 und 525 auf, die wechselweise mit zwei Abstandshalterschichten 522 und 524 aufeinandergestapelt sind. Die Metallschichten 521, 523 und 525 kann ähnliche Zusammensetzungen wie die haben, die vorstehend für die Metallschichten 242 und 246 des Speicherelements ME1 von 4 beschrieben worden sind, und die Abstandshalterschichten 522 und 524 können ähnliche Zusammensetzungen wie die haben, die vorstehend für die Abstandshalterschicht 224 von 4 beschrieben worden sind. Bei einigen Ausführungsformen weisen die Metallschichten 521, 523 und 525 ein Gemisch aus α- und β-Wolfram auf (oder sie sind daraus hergestellt), und die Abstandshalterschichten 522 und 524 weisen Magnesiumoxid auf (oder sie sind daraus hergestellt). Die Abstandshalterschichten 522 und 524 trennen aufeinanderfolgende Metallschichten 521, 523 und 525 in ähnlicher Weise, wie es vorstehend für die Abstandshalterschicht 224 von 4 dargelegt worden ist.
  • In der Halbleitervorrichtung SD22 haben die Abstandshalterschichten 522 und 524 eine Einschichtstruktur wie die Abstandshalterschicht 224 von 4, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel weist in Speicherelementen ME24 einer Halbleitervorrichtung SD24, die in 21B gezeigt ist, eine Spin-Hall-Elektrode 530 Metallschichten 531, 535 und 539 auf, die durch zusammengesetzte Abstandshalterschichten 532 und 536 voneinander getrennt sind, wobei jede Abstandshalterschicht 532 und 536 eine ähnliche Struktur wie die hat, die vorstehend für die Abstandshalterschicht 344 von 5 beschrieben worden ist. Die Abstandshalterschicht 532 kann zum Beispiel zwischen den Metallschichten 531 und 535 angeordnet sein, und sie kann eine Schicht 533, die auf der Metallschicht 531 hergestellt ist, und eine Schicht 534 aufweisen, die auf der Schicht 533 hergestellt ist, wobei die Metallschicht 535 auf der Schicht 534 hergestellt ist. Die Schicht 533 kann ein anderes Material als die Schicht 534 aufweisen. Die Materialien für die Schichten 533 und 534 können so gewählt werden, wie es vorstehend für die Schichten 345 und 346 von 5 dargelegt worden ist. Zum Beispiel kann die Schicht 534 eine (amorphe) CoFeB-Schicht sein, und die Schicht 533 kann eine (hexagonale) Magnesiumschicht sein. Die Abstandshalterschicht 536 kann dieselbe Struktur wie die Abstandshalterschicht 532 haben, wobei zum Beispiel eine Schicht 538 eine (amorphe) CoFeB-Schicht ist und eine Schicht 537 eine (hexagonale) Magnesiumschicht ist. Die Erfindung ist natürlich nicht darauf beschränkt, und es sind auch andere Kombinationen von Materialien möglich, die ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen sollen.
  • Um die Spin-Hall-Elektrode 520 von 21A und die Spin-Hall-Elektrode 530 von 21B zu charakterisieren, wurden Halbleitervorrichtungen SD26, die in 22A gezeigt sind, und Halbleitervorrichtungen SD28, die in 22B gezeigt sind, hergestellt. In den Halbleitervorrichtungen SD26 und SD28 wurden Strukturen, die den Spin-Hall-Elektroden 520 und 530 entsprechen, mit ähnlichen Prozessen, wie sie vorstehend beschrieben worden sind, über dem Substrat 400 hergestellt. In einer einzelnen Halbleitervorrichtung SD26 wurden Metallschichten 541, 543 und 545 mit gleichgroßen Dicken T541, T543 und T545 hergestellt, und Abstandshalterschichten 542 und 544 wurden mit gleichgroßen Dicken T542 und T544 hergestellt. Das Gleiche gilt für Metallschichten 551, 555 und 559 und Abstandshalterschichten 552 und 556 der Halbleitervorrichtungen SD28. Es wurden eine Reihe von Halbleitervorrichtungen SD26 und SD28 mit unterschiedlichen Gesamtdicken T541 + T543 + T545 und T551 + T555 + T559 der Metallschichten 541, 543, 545, 551, 555 und 559 hergestellt. In den Halbleitervorrichtungen SD26 dieser Reihe waren die Abstandshalterschichten 542 und 544 Magnesiumoxidschichten mit einzelnen Dicken T542 und T544 von etwa 0,7 nm. In den Halbleitervorrichtungen SD28 dieser Reihe wiesen die Abstandshalterschichten 552 und 556 Co2oFe6oB2o-Schichten 554 und 558 mit einzelnen Dicken T554 und T558 von etwa 0,8 nm und Magnesiumschichten 553 und 557 mit einzelnen Dicken T553 und T557 von etwa 0,55 nm auf.
  • Es wurden Halbleitervorrichtungen SD26 und SD28 mit entsprechenden Gesamt(metall)dicken T541 + T543 + T545 oder T551 + T555 + T559 von etwa 34 Å, 37,5 Å, 41 Ä, 44,5 Å 48 Å, 52 Å, 55,5 Å, 59 Å, 62,5 Å und 65 Å in derselben Weise hergestellt und untersucht, wie es vorstehend für die Halbleitervorrichtungen SD16, SD18 und SD20 der 7A bis 7C dargelegt worden ist. In den Diagrammen der 23A und 23B bezeichnet die auf den Abszissenachsen aufgetragene Gesamtdicke die vereinte Dicke T541 + T543 + T545 oder T551 + T555 + T559 der Metallschichten 541, 543 und 545 oder 551, 555 und 559 aus einem Gemisch aus α- und β-Wolfram ohne Berücksichtigung der Dicken T542, T544, T552 und T556 der Abstandshalterschichten 542, 544, 552 und 556. In den 23A und 23B wurden Datenreihen 562 und 566 von den Halbleitervorrichtungen SD26 erhalten, und Datenreihen 564 und 568 wurden von den Halbleitervorrichtungen SD28 erhalten. Für einen einfachen Vergleich sind in den 23A und 23B auch die Datenreihen 470 und 475, die von den Halbleitervorrichtungen SD16 erhalten wurden, sowie die Datenreihen 474 und 479 aufgetragen, die von den Halbleitervorrichtungen SD18 erhalten wurden.
  • Wie durch die in den 23A und 23B aufgetragenen Daten gezeigt ist, haben Spin-Hall-Elektroden, die mehrere einfache Abstandshalterschichten aufweisen, wie etwa die Spin-Hall-Elektrode 520 von 21A oder die Spin-Hall-Elektrode 540 von 22A, einen höheren spezifischen Widerstand p und einen höheren Schichtwiderstand Rs als Spin-Hall-Elektroden, die nur eine einfache Abstandshalterschicht aufweisen, wie etwa die Spin-Hall-Elektroden 240 von 4 oder die Spin-Hall-Elektroden 420 von 7A. Ohne sich auf eine Theorie beschränken zu wollen, kann der beobachtete Anstieg des spezifischen Widerstands p und des Schichtwiderstands Rs von einer erhöhten Streuung an den Grenzflächen zwischen den Magnesiumoxid-Abstandshalterschichten (z. B. 542 und 544) und den Metallschichten (z. B. 5,41, 543 und 545) verursacht werden. Die erhöhte Stabilität des metastabilen Gemisches aus α- und β-Wolfram ist auch bei den Halbleitervorrichtungen SD26 zu beobachten.
  • Hingegen haben Spin-Hall-Elektroden, die mehrere zusammengesetzte Abstandshalterschichten aufweisen, wie etwa die Spin-Hall-Elektrode 530 von 21B oder die Spin-Hall-Elektrode 550 von 22B, einen niedrigeren spezifischen Widerstand p als Spin-Hall-Elektroden, die nur eine zusammengesetzte Abstandshalterschicht aufweisen, wie etwa die Spin-Hall-Elektrode 340 von 5 oder die Spin-Hall-Elektrode 430 von 7B. Ohne sich auf eine Theorie beschränken zu wollen, kann die beobachtete Abnahme des spezifischen Widerstands p auf den Parallelwiderstandseffekt zurückzuführen sein. Der Vergleich der Datenreihe 474 mit der Datenreihe 564 und der Vergleich der Datenreihe 479 mit der Datenreihe 568 zeigen, dass die Stabilität der Metallschichten aus dem Gemisch aus α- und β-Wolfram (z. B. der Metallschichten 551, 555 und 559) mit der Stabilität vergleichbar ist, die für die Spin-Hall-Elektrode 340 oder 430 beobachtet wurde, die nur eine zusammengesetzte Abstandshalterschicht aufweisen. Das heißt, die Umwandlung des Gemisches aus α- und β-Wolfram in α-Wolfram wird stark inhibiert, wenn nicht gar vollständig gestoppt. Die vergleichbare Stabilität der Schichten aus dem metastabilen Gemisch aus α- und β-Wolfram wird außerdem durch die Analyse des Röntgenbeugungsdiagramms für die Halbleitervorrichtungen SD28 bestätigt, das in 24 aufgetragen ist. Ein Vergleich der Beugungsbilder, die für die Halbleitervorrichtungen SD28 mit einer Gesamtdicke T551 + T555 + T559 der Metallschichten 551, 555 und 559 von etwa 38 Å (Kurve 582) und 63 Å (Kurve 584) gemessen wurden, zeigt, wenn überhaupt, nur geringe Änderungen, ohne einen signifikanten Anstieg von Peaks, die von α-Wolfram stammen.
  • In 25 ist eine Schnittansicht eines Speicherelements ME30 einer Halbleitervorrichtung SD30 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Die Halbleitervorrichtung SD30 kann eine ähnliche Struktur wie die haben, die vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 von 1 beschrieben worden ist, und daher können Einzelheiten, die nachstehend nicht explizit angesprochen werden, als mit dem identisch angesehen werden, was vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 dargelegt worden ist. Bei einigen Ausführungsformen weist das Speicherelement ME30 eine Spin-Hall-Elektrode 590 und den MTJ 270 auf. Die Spin-Hall-Elektrode 590 wird mit den leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 verbunden, wobei optional die Pufferschicht 230 zwischen der Spin-Hall-Elektrode 590 und den leitfähigen Durchkontaktierungen 212 und 214 angeordnet werden kann. Zwischen der Spin-Hall-Elektrode 590 und dem MTJ 270 kann die Trennungsschicht 250 angeordnet werden. Bei einigen Ausführungsformen weist die Spin-Hall-Elektrode 590 mehrere Metallschichten 591, 593, 595, 597 und 599 auf, die wechselweise mit Abstandshalterschichten 592, 594, 596 und 598 aufeinandergestapelt sind. In 25 sind nur einige Metallschichten 591, 593, 595, 597 und 599 und nur einige Abstandshalterschichten 592, 594, 596 und 598 gezeigt, wobei weitere Schichten schematisch durch Punkte dargestellt sind. In der Erfindung ist die Anzahl von Metallschichten 591, 593, 595, 597 und 599 oder von Abstandshalterschichten 592, 594, 596 und 598 nicht beschränkt, und die Anzahlen können jeweils in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Anwendung festgelegt werden. Die Metallschichten 591, 593, 595, 597 und 599 können ähnliche Zusammensetzungen wie die haben, die vorstehend für die Metallschichten 242 und 246 des Speicherelements ME1 von 4 beschrieben worden sind, und die Abstandshalterschichten 592, 594, 596 und 598 können ähnliche Zusammensetzungen wie die haben, die vorstehend für die Abstandshalterschicht 224 von 4 beschrieben worden sind. Bei einigen Ausführungsformen weisen die Metallschichten 591, 593, 595, 597 und 599 ein Gemisch aus α- und β-Wolfram auf (oder sie sind daraus hergestellt), und die Abstandshalterschichten 592, 594, 596 und 598 weisen Magnesiumoxid auf (oder sie sind daraus hergestellt). Zum Beispiel kann jede Metallschicht 591, 593, 595, 597 und 599 eine Schicht aus einem Gemisch aus α- und β-Wolfram mit einer Dicke von etwa 1 nm bis 3 nm, z. B. von etwa 2,5 nm, sein, und jede Abstandshalterschicht 592, 594, 596 und 598 kann eine Magnesiumoxidschicht mit einer Dicke von etwa 0,21 nm bis etwa 0,84 nm sein, was etwa 1 bis 4 Monolagen aus Magnesiumoxid entspricht. Eine solche Spin-Hall-Elektrode 590 hat eine thermische Stabilität bis zu 400 °C und einen Spin-Hall-Winkel α von etwa 0,45. Die Abstandshalterschichten 592, 594, 596 und 598 trennen aufeinanderfolgende Metallschichten 591, 593, 595, 597 und 599 in ähnlicher Weise, wie es vorstehend für die Abstandshalterschicht 224 von 4 dargelegt worden ist.
  • In der Halbleitervorrichtung SD30 haben die Abstandshalterschichten 592, 594, 596 und 598 eine Einschichtstruktur wie die Abstandshalterschicht 224 von 4, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel weist in Speicherelementen ME32 einer Halbleitervorrichtung SD32, die in 26 gezeigt ist, eine Spin-Hall-Elektrode 600 Metallschichten 601, 605, 609, 613 und 617 auf, die durch zusammengesetzte Abstandshalterschichten 602, 606, 610 und 614 voneinander getrennt sind, wobei jede Abstandshalterschicht 602, 606, 610 und 614 eine ähnliche Struktur wie die hat, die vorstehend für die Abstandshalterschicht 344 von 5 beschrieben worden ist. Die Abstandshalterschicht 602 kann zum Beispiel zwischen den Metallschichten 601 und 605 angeordnet sein, und sie kann eine Schicht 603, die auf der Metallschicht 601 hergestellt ist, und eine Schicht 604, die auf der Schicht 603 hergestellt ist, aufweisen, wobei die Metallschicht 605 auf der Schicht 604 hergestellt ist. Die Schicht 603 kann ein anderes Material als die Schicht 604 aufweisen. Die Materialien für die Schichten 603 und 604 können so gewählt werden, wie es vorstehend für die Schichten 345 und 346 von 5 dargelegt worden ist. Zum Beispiel kann die Schicht 604 eine (amorphe) CoFeB-Schicht sein, und die Schicht 603 kann eine (hexagonale) Magnesiumschicht sein. Die anderen Abstandshalterschichten 606, 610 und 614 können dieselbe Struktur wie die Abstandshalterschicht 602 haben, wobei Schichten 608, 612 und 616 zum Beispiel (amorphe) CoFeB-Schichten sind und Schichten 607, 611 und 615 zum Beispiel (hexagonale) Magnesiumschichten sind. Zum Beispiel kann jede Metallschicht 601, 605, 609, 613 und 617 eine Schicht aus einem Gemisch aus α- und β-Wolfram mit einer Dicke von etwa 1 nm bis 4 nm, z. B. von 3,3 nm, sein. Jede Schicht 604, 608, 612 und 616 kann eine CoFeB-Schicht mit einer Dicke von etwa 0,14 nm bis etwa 0,86 nm sein, was etwa 1 bis 6 Monolagen aus CoFeB mit einer Dicke z. B. von etwa 0,8 nm entspricht. Jede Schicht 603, 607, 611 und 615 kann eine Magnesiumschicht mit einer Dicke von etwa 0,07 nm bis etwa 1,04 nm sein, was etwa 1 bis 4 Monolagen aus Magnesium entspricht. Eine solche Spin-Hall-Elektrode 600 hat eine thermische Stabilität bis zu 400 °C und einen Spin-Hall-Winkel α von etwa 0,39. Natürlich ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und es sind auch andere Kombinationen von Materialien möglich, die innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen sollen.
  • In 27 ist eine schematische Darstellung einer Halbleitervorrichtung SD34 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Die Halbleitervorrichtung SD34 kann eine ähnliche Struktur haben, wie sie vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 von 1 beschrieben worden ist, und daher können Einzelheiten, die nachstehend nicht explizit angesprochen werden, als mit dem identisch angesehen werden, was vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 dargelegt worden ist. Die Halbleitervorrichtung SD34 weist Speicherzellen MC33 und MC34 auf, die eine ähnliche Struktur wie die Speicherzellen MC1 und MC2 von 1 haben. Ein Unterschied zwischen Speicherelementen ME33 und ME34 der Halbleitervorrichtung SD34 einerseits und den Speicherelementen ME1 und ME2 der Halbleitervorrichtung SD10 andererseits liegt in der relativen Verlängerung der Trennungsschicht 250 in Bezug auf die darunter befindliche Spin-Hall-Elektrode 240. Zum Beispiel werden in dem Prozess, der in den 15 bis 17 dargestellt ist, die Trennungsschichten 250 gemeinsam mit den Schichten der Spin-Hall-Elektroden 240 strukturiert, sodass die Trennungsschichten 250 seitlich in Bezug auf die darüber befindlichen MTJs 270 überstehen und im Wesentlichen dieselbe Grundfläche wie die darunter befindlichen Spin-Hall-Elektroden 240 haben. In der Halbleitervorrichtung SD34 werden die Trennungsschichten 250 jedoch gemeinsam mit den darüber befindlichen MTJs 270 strukturiert, sodass die Spin-Hall-Elektroden 240 seitlich in Bezug auf die darüber befindlichen Trennungsschichten 250 überstehen. Folglich sind die Schutzschichten 290 in Kontakt mit Teilen der Spin-Hall-Elektroden 240, die nicht mehr von den Trennungsschichten 250 bedeckt sind. Bei einigen Ausführungsformen weicht die 3D-Atomstruktur der Schutzschichten 290 von der 3D-Atomstruktur der obersten Metallschicht der Spin-Hall-Elektrode 240 ab. Zwar sind die Spin-Hall-Elektroden 240 in der Halbleitervorrichtung SD34 enthalten, aber die Erfindung ist natürlich nicht darauf beschränkt. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann statt der Spin-Hall-Elektrode 240 eine andere vorstehend erörterte Spin-Hall-Elektrode verwendet werden, unter anderem die Spin-Hall-Elektrode 340 von 5, die Spin-Hall-Elektrode 520 von 21A oder die Spin-Hall-Elektrode 530 von 21B. Anders ausgedrückt, der Strukturierungsprozess für die Trennungsschicht 250, wie er bei der Halbleitervorrichtung SD34 durchgeführt wird, kann für jedes andere Speicherelement der Erfindung verwendet werden.
  • In 28 ist eine schematische Darstellung einer Halbleitervorrichtung SD36 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Die Halbleitervorrichtung SD36 kann eine ähnliche Struktur haben, wie sie vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 von 1 beschrieben worden ist, und daher können Einzelheiten, die nachstehend nicht explizit angesprochen werden, als mit dem identisch angesehen werden, was vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 dargelegt worden ist. Die Halbleitervorrichtung SD36 weist Speicherzellen MC35 und MC36 auf, die eine ähnliche Struktur wie die Speicherzellen MC1 und MC2 von 1 haben. Ein Unterschied zwischen den Speicherzellen MC35 und MC36 der Halbleitervorrichtung SD36 einerseits und den Speicherzellen MC1 und MC2 der Halbleitervorrichtung SD10 andererseits besteht darin, dass der Transistor 120 der Speicherzelle MC35 den Sourcebereich 122S gemeinsam mit dem Transistor 110 der benachbarten Speicherzelle MC36 verwendet. Das heißt, eine gemeinsame leitfähige Leitung 185 kann durch eine gemeinsame leitfähige Durchkontaktierung 169 mit dem Sourcebereich 122S verbunden werden. Da jede Speicherzelle MC35 und MC36 von einem Paar Treibertransistoren 110 und 120 gesteuert wird, können, auch wenn eine der leitfähigen Leitungen 185, die als eine Sourceleitung fungiert, von den zwei Speicherzellen MC35 und MC36 gemeinsam genutzt wird, die Speicherzellen MC35 und MC36 wegen der nicht gemeinsam genutzten leitfähigen Leitungen 182 und 184 immer noch selektiv in Bezug auf einander adressiert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann dadurch, dass benachbarte Speicherzellen MC35 und MC36 eine einzige leitfähige Leitung 185 gemeinsam nutzen, die Vorrichtungsdichte der Halbleitervorrichtung SD36 erhöht werden. Zwar sind die Spin-Hall-Elektroden 240 in der Halbleitervorrichtung SD36 enthalten, aber die Erfindung ist natürlich nicht darauf beschränkt. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann statt der Spin-Hall-Elektrode 240 eine andere vorstehend beschriebene Spin-Hall-Elektrode verwendet werden, unter anderem die Spin-Hall-Elektrode 340 von 5, die Spin-Hall-Elektrode 520 von 21A oder die Spin-Hall-Elektrode 530 von 21B.
  • In 29 ist eine schematische Darstellung einer Halbleitervorrichtung SD38 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Die Halbleitervorrichtung SD38 kann eine ähnliche Struktur wie die haben, die vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 von 1 beschrieben worden ist, und daher können Einzelheiten, die nachstehend nicht explizit angesprochen werden, als mit dem identisch angesehen werden, was vorstehend für die Halbleitervorrichtung SD10 dargelegt worden ist. Die Halbleitervorrichtung SD38 weist außerdem ein Halbleitersubstrat 620 auf, auf dem aktive und passive Vorrichtungen, wie etwa Transistoren 630, hergestellt sind. Die Transistoren 630 können eine ähnliche Struktur wie die Transistoren 110 und 120 haben, und sie weisen Source- und Drainbereiche 632; und Gatestrukturen 634 auf, die auf Kanalbereichen 636 zwischen den Source- und Drainbereichen 632 angeordnet sind. Die Transistoren 630 können jede Transistorgeometrie haben und können unter anderem Planartransistoren, Finnen-Feldeffekttransistoren, Gate-all-around-Transistoren oder dergleichen sein. Zwischen benachbarten Transistoren 630 können Dummy-Kanäle 640 und Dummy-Gatestrukturen 642 für eine höhere Prozessgleichmäßigkeit hergestellt werden. Auf dem Halbleitersubstrat 620 können ein oder mehrere ILDs 650 und 652 hergestellt werden, die leitfähige Durchkontaktierungen 660 und leitfähige Leitungen 670 aufweisen, die sich durch diese erstrecken, um die auf dem Halbleitersubstrat 620 hergestellten aktiven und passiven Vorrichtungen zu kontaktieren. Auf den untersten ILDs 650 und 652 können weitere Interconnect-Schichten hergestellt werden, wobei jede weitere Schicht ihr eigenes Zwischenschichtdielektrikum 680 und ihre eigenen Leiterbahnen 682 (die in 29 schematisch durch Punkte dargestellt sind) und 684 aufweist.
  • Bei einigen Ausführungsformen sind Transistoren 700 und 710 in ein oberes ILD 690 in einer Interconnect-Struktur IN2 der Halbleitervorrichtung SD38 eingebettet. Die Transistoren 700 und 710 können BEOL-Transistoren (BEOL: Back End of Line) sein, die jeweils eine entsprechende Halbleiter-Kanalschicht 701 oder 711, eine dielektrische High-k-Schicht 703 oder 713, Source- und Drainkontakte 705S und 705D oder 715S und 715D und einen Gatekontakt 707 oder 717 aufweisen. Teile der Zwischenschichtdielektrikum-Schicht 690 können die Transistoren 700 und 710 voneinander und von den darunter befindlichen leitfähigen Leitungen 684 trennen. Die Transistoren 700 und 710 sind in 29 zwar mit einer bestimmten Geometrie dargestellt worden, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und entsprechend den Anforderungen an die Anwendung kann jede Transistor-Architektur für die Transistoren 700 und 710 verwendet werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen werden die Transistoren 700 und 710 als Treibertransistoren für Speicherzellen MC38 der Halbleitervorrichtung SD38 verwendet. Das heißt, in der Halbleitervorrichtung SD38 können die Transistoren 630, die auf dem Halbleitersubstrat 620 hergestellt sind, zum Ausführen anderer logischer Funktionen verwendet werden, während die BEOL-Transistoren 700 und 710 in die Speicherzellen MC38 integriert werden. Die Source- und Drainkontakte 705S, 705D, 715S und 715D und die Gatekontakte 707 und 717 der Treibertransistoren 700 und 710 werden von dedizierten Durchkontakten 720 kontaktiert, um mit entsprechenden leitfähigen Leitungen 731, 732, 735 und 736 oder leitfähigen Strukturen 733 und 734 verbunden zu werden. Zum Beispiel können die leitfähigen Leitungen 731 und 736 als Sourceleitungen für die Speicherzellen MC38 verwendet werden, und die leitfähigen Leitungen 732 und 735 können zum Anlegen eines Potentials an die Gatekontakte 707 und 717 und als Wortleitungen für die Speicherzellen MC38 verwendet werden. Die leitfähigen Strukturen 733 und 734 schalten die leitfähigen Durchkontaktierungen 720, die auf den Drainkontakten 705D und 715D aufsetzen, in Brücke mit leitfähigen Durchkontaktierungen 750, die sich durch ein ILD 740 erstrecken, um die Transistoren 700 und 710 mit den Speicherelementen ME38 der Speicherzellen MC38 zu verbinden. Die Speicherelemente ME38 können die Struktur eines anderen Speicherelements der Erfindung haben. Zum Beispiel können die Speicherelemente ME38 eine Spin-Hall-Elektrode 770 und einen MTJ 790 aufweisen, wobei die Spin-Hall-Elektrode 770 die Struktur einer vorstehend beschriebenen Spin-Hall-Elektrode haben kann, unter anderem der Spin-Hall-Elektrode 240 von 4, der Spin-Hall-Elektrode 340 von 5, der Spin-Hall-Elektrode 520 von 21A oder der Spin-Hall-Elektrode 530 von 21B. Optional können eine Pufferschicht 760 und eine Abstandshalterschicht 780 verwendet werden, wobei sich die Abstandshalterschicht 780 mit der Spin-Hall-Elektrode 770 oder dem MTJ 790 decken kann. Die Speicherelemente ME38 können außerdem Hartmasken 800 und eine Schutzschicht 810 aufweisen, die gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen konfiguriert sein können und gegebenenfalls in ein ILD 820 eingebettet sein können. Leitfähige Durchkontaktierungen 830 verbinden die MTJs 790 mit leitfähigen Leitungen 850, die in ein ILD 840 eingebettet sind, wobei die leitfähigen Leitungen 850 als Bitleitungen der Speicherzellen MC38 verwendet werden. In 29 sind die Treibertransistoren 700 und 710 zwar zwischen den Spin-Hall-Elektroden 770 und dem Halbleitersubstrat 620 angeordnet, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Bei einigen alternativen Ausführungsformen können die MTJs 790 zwischen den Spin-Hall-Elektroden 770 und dem Halbleitersubstrat 620 angeordnet werden, und die Spin-Hall-Elektroden 770 können zwischen den Treibertransistoren 700 und 710 und dem Halbleitersubstrat 620 angeordnet werden.
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Spin-Hall-Elektroden (z. B. 240, 340, 360, 420, 440, 460, 520, 530, 540, 550, 590, 600 und 770) wurden im Allgemeinen als Spin-Hall-Elektroden beschrieben und dargestellt, bei denen vor einer Abstandshalterschicht zunächst eine Metallschicht hergestellt wurde, aber die vorgenannten Spin-Hall-Elektroden können auch eine Abstandshalterschicht haben, die vor einer Metallschicht hergestellt wird. Zum Beispiel kann in 4 nach der Herstellung der Abstandshalterschicht 244 die Metallschicht 242 auf der Abstandshalterschicht 244 hergestellt werden. In diesem Beispiel kann eine weitere Abstandshalterschicht auf der Metallschicht 242 hergestellt werden, und anschließend kann optional eine weitere Metallschicht 246 hergestellt werden, wie es für den Spin-Hall-Elektroden-Entwurf vorgegeben ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen können Schichtstapel in den Spin-Hall-Elektroden bis zu 10-mal wiederholt werden. Zum Beispiel kann in der Spin-Hall-Elektrode 240 von 4 der Schichtstapel 242/244/246 bis zu 10-mal wiederholt werden.
  • Eine Ausführungsform betrifft eine Halbleitervorrichtung. Die Halbleitervorrichtung weist Folgendes auf: ein Paar Transistoren auf einem Halbleitersubstrat; und eine Interconnect-Struktur über dem Paar Transistoren, wobei die Interconnect-Struktur Folgendes aufweist: Metallleitungen und -durchkontaktierungen, die über dem Paar Transistoren angeordnet sind und mit diesem verbunden sind, eine zusammengesetzte Spin-Hall-Elektrode über den Metallleitungen und -durchkontaktierungen, wobei die zusammengesetzte Spin-Hall-Elektrode mit dem Paar Transistoren durch die Metallleitungen und -durchkontaktierungen elektrisch verbunden ist und eine erste Metallschicht und eine erste Abstandshalterschicht aufweist, wobei die erste Metallschicht ein erstes Schwermetall in einem Gemisch aus α- und β-Zuständen enthält und die erste Abstandshalterschicht ein erstes Material enthält, das von dem der ersten Metallschicht verschieden ist. Die Vorrichtung weist außerdem einen magnetischen Tunnelkontakt über der zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode auf.
  • Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale haben. Das erste Metall ist ein Gemisch aus α- und β-Wolfram. Die erste Abstandshalterschicht enthält ein Metalloxid. Das Metalloxid ist Magnesiumoxid mit einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur. Die erste Abstandshalterschicht ist über der ersten Metallschicht angeordnet. Die Halbleitervorrichtung weist weiterhin eine zweite Metallschicht über der ersten Abstandshalterschicht auf, wobei die zweite Metallschicht ein erstes Schwermetall in einem Gemisch aus α- und β-Zuständen enthält. Die erste Metallschicht ist über der ersten Abstandshalterschicht angeordnet. Die Halbleitervorrichtung weist weiterhin eine zweite Abstandshalterschicht über der ersten Metallschicht auf, wobei die zweite Abstandshalterschicht das von der ersten Metallschicht verschiedene erste Material enthält. Die erste Abstandshalterschicht ist aus einem Isoliermaterial hergestellt. Die erste Abstandshalterschicht ist aus einem kristallinen Metall und einem amorphen ferromagnetischen Material hergestellt.
  • Eine Ausführungsform betrifft eine Speichervorrichtung. Die Speichervorrichtung weist eine erste Speicherzelle über einem Substrat auf, wobei die erste Speicherzelle Folgendes aufweist: einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor auf dem Substrat; erste leitfähige Leitungen und erste leitfähige Durchkontaktierungen über und in elektrischer Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Transistor; eine zusammengesetzte Spin-Hall-Elektrode über und in elektrischer Verbindung mit den ersten leitfähigen Leitungen und den ersten leitfähigen Durchkontaktierungen, wobei die zusammengesetzte Spin-Hall-Elektrode eine erste wolframbasierte Schicht und eine zweite wolframbasierte Schicht, die durch einen ersten Abstandshalter getrennt sind, aufweist, wobei die erste wolframbasierte Schicht ein erstes Gemisch aus α- und β-Wolfram enthält und die zweite wolframbasierte Schicht ein zweites Gemisch aus α- und β-Wolfram enthält; einen magnetischen Tunnelkontakt über der zweiten wolframbasierten Schicht; und zweite leitfähige Leitungen und zweite leitfähige Durchkontaktierungen über und in elektrischer Verbindung mit dem magnetischen Tunnelkontakt.
  • Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale haben. In der Speichervorrichtung ist der erste Abstandshalter so konfiguriert, dass er die Umwandlung von Wolfram von der β-Phase in die α-Phase in der ersten und der zweiten wolframbasierten Schicht unterbricht. Die zusammengesetzte Spin-Hall-Elektrode weist weiterhin eine dritte wolframbasierte Schicht über der zweiten wolframbasierten Schicht auf und ist durch einen zweiten Abstandshalter von der zweiten wolframbasierten Schicht getrennt, wobei die dritte wolframbasierte Schicht ein drittes Gemisch aus α- und β-Wolfram enthält. Der zweite Abstandshalter weist eine Mehrzahl von Schichten auf, wobei mindestens eine der Mehrzahl von Schichten ein kristallines Material ist und mindestens eine der Mehrzahl von Schichten ein amorphes Material ist, wobei das kristalline Material Magnesium umfasst und das amorphe Material Cobalt umfasst. Die Speichervorrichtung weist weiterhin eine Pufferschicht zwischen den ersten leitfähigen Leitungen und den ersten leitfähigen Durchkontaktierungen einerseits und der zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode andererseits auf.
  • Eine Ausführungsform betrifft ein Verfahren. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Herstellen von Transistoren auf einem Substrat; Herstellen einer zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode über und in elektrischer Verbindung mit den Transistoren; und Herstellen eines magnetischen Tunnelkontakts über der zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode. Das Herstellen der zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode umfasst Folgendes: Abscheiden einer ersten Schicht aus einem ersten Material, wobei das erste Material ein Hall-Metall in einem metastabilen Zustand ist und in einen stabilen Zustand übergehen kann; Abscheiden einer zweiten Schicht aus einem zweiten Material auf der ersten Schicht aus dem ersten Material, wobei die zweite Schicht eine andere Zusammensetzung als das erste Material hat; und Abscheiden einer dritten Schicht aus dem ersten Material in dem metastabilen Zustand auf der zweiten Schicht aus dem zweiten Material. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Tempern der ersten, der zweiten und der dritten Schicht, wobei nach dem Tempern das erste Material in der ersten Schicht und in der dritten Schicht in einem Gemisch aus dem metastabilen Zustand und dem stabilen Zustand vorliegt.
  • Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale haben. Das Herstellen der zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode umfasst weiterhin ein Abscheiden einer vierten Schicht aus einem dritten Material auf der zweiten Schicht vor dem Abscheiden der dritten Schicht, wobei das dritte Material eine andere Zusammensetzung als das zweite Material hat. Das dritte Material und/oder das zweite Material bleiben nach dem Tempern amorph. Die erste Schicht und die dritte Schicht enthalten ein Gemisch aus α- und β-Wolfram.
  • Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung 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 63/136737 [0001]

Claims (20)

  1. Halbleitervorrichtung mit: einem Paar Transistoren auf einem Halbleitersubstrat; einer Interconnect-Struktur über dem Paar Transistoren, wobei die Interconnect-Struktur Folgendes aufweist: Metallleitungen und -durchkontaktierungen, die über dem Paar Transistoren angeordnet sind und mit diesem verbunden sind, und eine zusammengesetzte Spin-Hall-Elektrode über den Metallleitungen und -durchkontaktierungen, wobei die zusammengesetzte Spin-Hall-Elektrode durch die Metallleitungen und -durchkontaktierungen mit dem Paar Transistoren elektrisch verbunden ist und eine erste Metallschicht und eine erste Abstandshalterschicht aufweist, wobei die erste Metallschicht ein erstes Schwermetall in einem Gemisch aus einem α- und einem β-Zustand enthält und die erste Abstandshalterschicht ein erstes Material enthält, das von dem der ersten Metallschicht verschieden ist; und einem magnetischen Tunnelkontakt über der zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Metall ein Gemisch aus α- und β-Wolfram ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Abstandshalterschicht ein Metalloxid aufweist.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Metalloxid Magnesiumoxid mit einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Abstandshalterschicht über der ersten Metallschicht angeordnet ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine zweite Metallschicht über der ersten Abstandshalterschicht aufweist, wobei die zweite Metallschicht ein erstes Schwermetall in einem Gemisch aus einem α- und einem β-Zustand enthält.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Metallschicht über der ersten Abstandshalterschicht angeordnet ist.
  8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, die weiterhin eine zweite Abstandshalterschicht über der ersten Metallschicht aufweist, wobei die zweite Abstandshalterschicht das von der ersten Metallschicht verschiedene erste Material enthält.
  9. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Abstandshalterschicht aus einem Isoliermaterial hergestellt ist.
  10. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Abstandshalterschicht aus einem kristallinen Metall und einem amorphen ferromagnetischen Material hergestellt ist.
  11. Speichervorrichtung mit einer ersten Speicherzelle über einem Substrat, wobei die erste Speicherzelle Folgendes aufweist: einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor auf dem Substrat; erste leitfähige Leitungen und erste leitfähige Durchkontaktierungen über und in elektrischer Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Transistor; eine zusammengesetzte Spin-Hall-Elektrode über und in elektrischer Verbindung mit den ersten leitfähigen Leitungen und den ersten leitfähigen Durchkontaktierungen, wobei die zusammengesetzte Spin-Hall-Elektrode eine erste wolframbasierte Schicht und eine zweite wolframbasierte Schicht, die durch einen ersten Abstandshalter getrennt sind, aufweist, wobei die erste wolframbasierte Schicht ein erstes Gemisch aus α- und β-Wolfram enthält und die zweite wolframbasierte Schicht ein zweites Gemisch aus α- und β-Wolfram enthält; einen magnetischen Tunnelkontakt über der zweiten wolframbasierten Schicht; und zweite leitfähige Leitungen und zweite leitfähige Durchkontaktierungen über und in elektrischer Verbindung mit dem magnetischen Tunnelkontakt.
  12. Speichervorrichtung nach Anspruch 11, wobei der erste Abstandshalter so konfiguriert ist, dass er die Umwandlung von Wolfram von der β-Phase in die α-Phase in der ersten und der zweiten wolframbasierten Schicht unterbricht.
  13. Speichervorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die zusammengesetzte Spin-Hall-Elektrode weiterhin eine dritte wolframbasierte Schicht über der zweiten wolframbasierten Schicht aufweist und durch einen zweiten Abstandshalter von der zweiten wolframbasierten Schicht getrennt ist, wobei die dritte wolframbasierte Schicht ein drittes Gemisch aus α- und β-Wolfram enthält.
  14. Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der zweite Abstandshalter eine Mehrzahl von Schichten aufweist, wobei mindestens eine der Mehrzahl von Schichten ein kristallines Material ist und mindestens eine der Mehrzahl von Schichten ein amorphes Material ist, wobei das kristalline Material Magnesium umfasst und das amorphe Material Cobalt umfasst.
  15. Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, die weiterhin eine Pufferschicht zwischen den ersten leitfähigen Leitungen und den ersten leitfähigen Durchkontaktierungen einerseits und der zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode andererseits aufweist.
  16. Verfahren mit den folgenden Schritten: Herstellen von Transistoren auf einem Substrat; Herstellen einer zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode über und in elektrischer Verbindung mit den Transistoren; und Herstellen eines magnetischen Tunnelkontakts über der zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode, wobei das Herstellen der zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode Folgendes umfasst: Abscheiden einer ersten Schicht aus einem ersten Material, wobei das erste Material ein Hall-Metall in einem metastabilen Zustand ist und in einen stabilen Zustand übergehen kann, Abscheiden einer zweiten Schicht aus einem zweiten Material auf der ersten Schicht aus dem ersten Material, wobei die zweite Schicht eine andere Zusammensetzung als das erste Material hat, und Abscheiden einer dritten Schicht aus dem ersten Material in dem metastabilen Zustand auf der zweiten Schicht aus dem zweiten Material; und Tempern der ersten, der zweiten und der dritten Schicht, wobei nach dem Tempern das erste Material in der ersten Schicht und in der dritten Schicht in einem Gemisch aus dem metastabilen Zustand und dem stabilen Zustand vorliegt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Herstellen der zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode weiterhin Folgendes umfasst: Abscheiden einer vierten Schicht aus einem dritten Material auf der zweiten Schicht vor dem Abscheiden der dritten Schicht, wobei das dritte Material eine andere Zusammensetzung als das zweite Material hat.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das dritte Material und/oder das zweite Material nach dem Tempern amorph bleiben.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die erste Schicht und die dritte Schicht ein Gemisch aus α- und β-Wolfram enthalten.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das Herstellen der zusammengesetzten Spin-Hall-Elektrode weiterhin Folgendes umfasst: Abscheiden einer vierten Schicht aus dem ersten Material in dem metastabilen Zustand auf der zweiten Schicht aus dem zweiten Material; und Abscheiden einer fünften Schicht aus dem zweiten Material auf der vierten Schicht aus dem ersten Material vor dem Abscheiden der ersten Schicht, wobei die dritte Schicht aus dem ersten Material auf der fünften Schicht abgeschieden wird.
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