DE102021130636A1

DE102021130636A1 - Dreidimensionale trichterartige spin-transfer-drehmoment-mram-zelle mit ungleichmässiger dicke in jeder schicht

Info

Publication number: DE102021130636A1
Application number: DE102021130636.1A
Authority: DE
Inventors: Janusz Jozef Nowak
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2021-11-23
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2041-11-24
Also published as: GB2603275A; DE102021130636B4; US20220199687A1; GB202117432D0; CN114649471A; US11917835B2; GB2603275B; JP2022098498A

Abstract

Ein Ansatz liegt im Bereitstellen eines trichterförmigen magnetoresistiven Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher-Bauelements (STT-MRAM-Bauelements) mit einem doppelten magnetischen Tunnelübergang. Der Ansatz umfasst ein Bereitstellen einer Metallsäule auf einer Verbindung zu einem Halbleiterbauelement. Der Ansatz umfasst ein Bereitstellen einer ersten Referenzschicht auf der Metallsäule und auf einem Abschnitt eines ersten Zwischenschichtdielektrikums neben der Metallsäule. Der Ansatz umfasst ein Bereitstellen einer ersten Tunnelbarriere auf der ersten Referenzschicht und einer freien Schicht auf der ersten Tunnelbarriereschicht. Der Ansatz umfasst ein Bereitstellen einer zweiten Tunnelbarriere auf der freien Schicht und einer zweiten Referenzschicht auf der zweiten Tunnelbarriere der Halbleiterstruktur des trichterförmigen Spin-Transfer-Drehmoment-MRAM-Bauelements.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Halbleiterspeichereinheiten-Technologie und insbesondere magnetoresistive Direktzugriffsspeicher-Bauelemente.
Magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher (MRAM), der auf der Integration von siliciumgestützter komplementärer Silicium-Oxid-Halbleiter- (CMOS-) und Magnettunnelübergangs-Technologie (MTJ-Technologie) beruht, ist heute eine vielversprechende nichtflüchtige Speichertechnologie mit vielen Vorteilen in Bezug auf Schreib-/Lese-Geschwindigkeit, Leistungsaufnahme und Lebensdauer gegenüber anderen handelsüblichen Speicherarten wie beispielsweise SRAM, DRAM, Flash usw. Herkömmliche MRAM-Bauelemente enthalten eine magnetische Tunnelübergangsstruktur (MTJ-Struktur) mit magnetischen Schichten, die durch eine dazwischenliegende nichtmagnetische Tunnelbarriereschicht getrennt sind. In dem Speicherelement können digitale Informationen gespeichert werden und können durch die Richtung von Magnetisierungsvektoren dargestellt sein. Als Reaktion auf einen an den MTJ angelegten Strom weist das Magnetspeicherelement unterschiedliche Widerstandswerte auf und ermöglicht es einem MRAM-Bauelement, Informationen bereitzustellen, die in dem Magnetspeicherelement gespeichert sind. Üblicherweise können MRAM-Bauelemente mit einem Feldeffekttransistor (FET) hergestellt sein, der auf das MRAM-Bauelement zugreifen kann.
Eine neuere Entwicklung in der MRAM-Technologie verwendet Spin-Transfer-Drehmoment (Spin-Transfer-Torque, STT) beim Ausbilden der MRAM-Bauelemente. STT-MRAM-Bauelemente werden mit einem senkrechten MTJ ausgebildet, der den Spin von Elektronen mit einem polarisierenden Strom manipuliert, um den magnetischen Zustand der freien Schicht des MTJ zu ändern, um die Bits in das Speicherarray zu schreiben. STT-MRAM-Bauelemente verwenden Spin-Transfer-Schalten, wobei bezüglich Spin ausgerichtete bzw. polarisierte Elektronen in einer Schicht ein Drehmoment erzeugen, wenn sie auf eine zweite Schicht fließen, und den Spin in der zweiten Schicht umschalten.
KURZDARSTELLUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen eine Struktur eines trichterförmigen magnetoresistiven Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher-Bauelements (STT-MRAM-Bauelements) mit einem einzigen oder doppelten magnetischen Tunnelübergang vor. Die Halbleiterstruktur enthält eine Metallsäule auf einer Verbindung mit einem Halbleiterbauelement. Die Halbleiterstruktur enthält eine erste Referenzschicht auf den Wänden der Metallsäule und auf einem Abschnitt eines ersten Zwischenschichtdielektrikums neben der Metallsäule. Die Halbleiterstruktur enthält eine erste Tunnelbarriere auf der ersten Referenzschicht und eine freie Schicht auf der ersten Tunnelbarriereschicht. Ferner enthält die Halbleiterstruktur eine zweite Tunnelbarriere auf der freien Schicht und eine zweite Referenzschicht auf der zweiten Tunnelbarriere.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen ein Verfahren zum Ausbilden eines magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher-Bauelements (MRAM-Bauelements) vor. Das Verfahren umfasst ein Abscheiden einer freien Schicht auf einer Zwischenschichtdielektrikums-Schicht und auf einer Metallsäule. Die Metallsäule weist abgewinkelte Seiten auf und liegt über einem Kontakt zu einem Halbleiterbauelement. Das Verfahren umfasst ein Abscheiden einer Tunnelbarriereschicht über der freien Schicht. Das Verfahren umfasst ein Abscheiden einer Referenzschicht über der Tunnelbarriereschicht. Darüber hinaus umfasst das Verfahren ein Entfernen eines horizontalen Abschnitts der freien Schicht, der Tunnelbarriereschicht, der Referenzschicht und eines oberen Abschnitts des Zwischenschichtdielektrikums neben der Metallsäule und ein Ausbilden eines Kontakts über einem verbleibenden Abschnitt der Referenzschicht.
Figurenliste
Die obigen und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher.

1 ist eine Querschnittsansicht einer Säule, die verwendet wird, um ein trichterförmiges Spin-Transfer-Drehmoment-MRAM-Bauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszubilden.
2 ist eine Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur nach einem Ausbilden einer freien Schicht über der Säule gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur nach einem Ausbilden einer Barriereschicht über der freien Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur nach einem Abscheiden einer Referenzschicht über der Barriereschicht und einem Passivieren der Referenzschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur nach einem Abscheiden einer oberen Kontaktschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur nach einem Ätzen der oberen Kontaktschicht zum Ausbilden einer Bitleitung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur nach einem Abscheiden einer Schicht aus ILD-Material und nach einem Durchführen eines chemisch-mechanischen Polierens (CMP) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur eines zweiten trichterförmigen STT-MRAM-Bauelements nach dem Abscheiden aller Schichten, die zum Ausbilden eines DMTJ benötigt werden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur des zweiten trichterförmigen STT-MRAM-Bauelements mit dem DMTJ nach einem Ausbilden eines oberen Kontakts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass herkömmliche Strukturen und Verfahren zum Ausbilden von magnetoresistiven Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher-Bauelementen (STT-MRAM-Bauelementen) mit senkrechter magnetischer Anisotropie (PMA) eine Reihe von technischen Herausforderungen stellen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass herkömmliche STT-MRAMs mit PMA aufgrund der Schwierigkeit, gleichzeitig sowohl eine hohe PMA als auch eine niedrige Dämpfung zu erreichen, eine niedrige Schalteffizienz aufweisen. Materialien mit hoher PMA enthalten üblicherweise Schwermetalloxide, die aufgrund der starken Spin-Orbital-Kopplung der Schwermetalloxide eine hohe Dämpfung aufweisen, während Materialien mit niedriger Dämpfung keine ausreichend hohe PMA bieten, um mit einer Barriereschicht wie einer MgO-Schicht zu funktionieren. Ein zweites Verfahren zum Erzielen einer hohen PMA durch ein Erhöhen der Anzahl von MgO/Ferromagnet-Grenzflächen funktioniert ebenfalls nicht, da das von der Referenzschicht bereitgestellte Spin-Transfer-Drehmoment nur auf die erste ferromagnetische Schicht wirkt und nicht groß genug ist, um die gesamte zusammengesetzte freie Schicht mit zusätzlichem Mg0/Ferromagnet-Grenzflächen zu schalten.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass herkömmlicher STT-MRAM mit PMA eine abnehmende PMA sowohl in der freien Schicht als auch in der Referenzschicht des MTJ aufweist, wenn die Größe des STT-MRAM-Bauelements abnimmt. Bei sehr kleinen STT-MRAM-Bauelement-Größen sind sowohl die freie Schicht als auch die Referenzschichten instabil. Instabilitäten der Referenzschicht können Schreibfehler auf tiefen WER-Boden-Ebenen verursachen. Instabile freie Schichten können Retentionsausfälle verursachen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass in herkömmlichem STT-MRAM mit PMA diese Instabilitäten in kleinerem STT-MRAM stärker sind und daher ein Skalieren von STT-MRAM mit sehr kleinen Bauelementen oder Transistoren auf Grundlage von komplementären Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS) herausfordernd und/oder eingeschränkt ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass herkömmlicher STT-MRAM mit PMA auch erfordern kann, dass Referenzschichten sehr komplexe Strukturen aufweisen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass herkömmlicher STT-MRAM mit PMA häufig synthetische Antiferromagnete (SAF) mit mehreren Magnetmaterialschichten verwenden, um lokale Magnetfelder zu minimieren, die von der Referenzschicht ausgehen und auf die freie Schicht wirken. Ein Abscheiden mehrerer Materialschichten, um die Referenzschicht mit einer synthetischen antiferromagnetischen Schicht auszubilden, verkompliziert Herstellungsverfahren, erhöht die Kosten und verringert die Ausbeute. Um eine gute PMA und Stabilität zu gewährleisten, wird die Referenzschicht außerdem sehr dick.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass herkömmliche STT-MRAM mit PMA Schwierigkeiten haben, sowohl ein hohes Magnetowiderstandsverhältnis (MR) als auch ein schnelles STT-Schalten zu erreichen. Materialien mit hohem MR, die eine gute Lesefähigkeit von Daten bieten, haben normalerweise hohe magnetische Momente, die die STT-Schaltgeschwindigkeiten begrenzen. Somit berücksichtigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, dass herkömmlicher STT-MRAM mit PMA Schwierigkeiten hat, schnell schaltende Bauelemente bereitzustellen, die auch eine effektive Lesefähigkeit bieten, wenn Materialien mit niedrigem MR verwendet werden, um die Schaltgeschwindigkeiten zu erhöhen. Idealerweise können Materialien mit hoher magnetischer Sättigung und geringer Dicke (z.B. im Bereich von 5 bis 20 Angström) für schnellere Schaltgeschwindigkeiten mit guter Lesefähigkeit sorgen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass der Strom von herkömmlichem STT-MRAM mit PMA für einen CMOS-Transistor einer gegebenen Größe eng mit der MTJ-Fläche des MRAM-Bauelements oder genauer mit dem Widerstand des MTJ in Ohm pro Fläche in Quadratmikrometer zusammenhängt. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass herkömmlicher STT-MRAM mit PMA durch die Größe des CMOS-Transistors und den zugehörigen Strom eingeschränkt ist, da kleinere MTJs dünnere Tunnelbarriereschichten aufweisen müssen, um zu kleineren Strömen der CMOS-Transistoren zu passen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass eine Optimierung der Tunnelbarriere und/oder der Dicke aufgrund einer Größe des CMOS-Auswahltransistors eingeschränkt ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass herkömmlicher STT-MRAM mit PMA im Allgemeinen auf ein Ausbilden von Speicherzellen mit einer freien Schicht über der Referenzschicht eingeschränkt ist. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass ein Ausbilden einer stabilen Referenzschicht über einer Tunnelbarriereschicht aus MgO herausfordernd ist, insbesondere wenn die Referenzschicht ein SAF mit mehreren Magnetmaterialschichten ist. Aus diesem Grund liegt die freie Schicht bei den meisten herkömmlichen STT-MRAMs mit PMA im Allgemeinen über der Referenzschicht. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen jedoch, dass eine Referenzschicht über der Tunnelbarriereschicht elektrisch besser mit n-CMOS-Transistoren zusammenpasst und für eine glattere Tunnelbarriereschicht mit besserer Bauelementmagnetik und besserer Schalteffizienz sorgt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen, dass bei herkömmlichem STT-MRAM mit PMA ein effizientestes MRAM-Design ein duales MTJ-Design (DMTJ-Design) sein kann, das zwei Referenzschichten und zwei Tunnelbarriereschichten mit einer freien Schicht umfasst, wobei die freie Schicht über einer ersten Referenzschicht und einer ersten Tunnelbarriereschicht und unter einer zweiten Referenzschicht und Tunnelbarriere angeordnet ist. Bei herkömmlichem STT-MRAM mit PMA wird das Ausbilden zahlreicher magnetischer Schichten in den verschiedenen Referenzschichten, die SAFs erfordern, äußerst schwierig in der Herstellung.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen eine neue MRAM-Geometrie für STT-MRAM-Bauelemente und ein Verfahren zum Ausbilden der neuen STT-MRAM-Bauelemente unter Verwendung einer trichterartigen Halbleiterstruktur vor. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden einen Abscheidungsprozess, der sehr gleichförmig ist. Eine Verwendung einer physikalischen Gasphasenabscheidung oder lonenstrahlabscheidung mit hochparallelen Strahlen über die Halbleitersubstratoberfläche hinweg oberhalb der Waferoberfläche, wobei die Halbleitersubstratoberfläche eine dreidimensionale Oberfläche mit Metallsäulenstrukturen ist, führt aufgrund der dreidimensionalen Beschaffenheit der Halbleitersubstratoberfläche zu einer uneinheitlichen Dicke in jeder Schicht. Das Verfahren zum Ausbilden der trichterartigen STT-MRAM-Bauelemente erzeugt eine variable Dicke in jeder Schicht einer magnetischen Tunnelübergangsstruktur (MTJ-Struktur). Der trichterartige STT-MRAM mit einem MTJ weist ferromagnetische Schichten auf, die durch eine dazwischenliegende nichtmagnetische Tunnelbarriereschicht getrennt sind. Die trichterartigen STT-MRAM-Bauelemente enthalten einen MTJ, bei dem sich die Materialdicke in jeder der MTJ-Schichten an den Seiten des Trichters über der Metallsäule und die Materialdicke jeder Schicht des MTJs, die sich auf den Oberflächen parallel zu einem Halbleitersubstrat oder der Waferoberfläche befinden, unterscheidet. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die die neuen trichterartigen STT-MRAM-Bauelemente verwenden, können Schichten des MTJ mit jeweils unterschiedlicher Dicke aufweisen und zusätzlich für eine unterschiedliche Dicke innerhalb jeder Schicht des MTJ sorgen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die die neue trichterartige SST-MRAM-Struktur verwenden, und das Verfahren zum Ausbilden der trichterartigen MRAM-Struktur stellen ein trichterartiges STT-MRAM-Bauelement bereit, das für eine effiziente, hohe Schaltgeschwindigkeit sorgen kann, während jede der mit der herkömmlichen STT-MRAM-Technologie verbundenen oben beschriebenen Herausforderungen gelöst wird oder bei ihr Fortschritte erzielt werden. Die ungleichmäßige Dicke in jeder Schicht der MTJ-Schichten tritt auf, indem ein schiefer Abscheidungswinkel für die Schichten des MTJ verwendet wird. Für verschiedene Schichten des MTJ-Stapels schwankt der schiefe Abscheidungswinkel in Abhängigkeit von der abgeschiedenen Schicht des MTJ-Stapels. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen ein trichterartiges STT-MRAM-Bauelement vor, das direkt auf einer Verbindung bzw. einem Kontakt zu einem CMOS-Bauelement bzw. -Transistor ausgebildet werden kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die die neuen trichterartigen STT-MRAM-Bauelemente verwenden, die ein bestimmtes Verhältnis von Trichterrohrradius zu Trichterrohrhöhe und eine geeignete Dicke jeder der magnetischen Schichten in dem MTJ verwenden, können einen Wirbelzustand in der trichterartigen STT-MRAM-Bauelementstruktur aufweisen. Ein Wirbelzustand ist eine geschlossene Magnetflussstruktur, bei der sich lokale Magnetisierungsvektoren in der Ebene des trichterförmigen Rohres krümmen und parallel zur Ober- und Unterseite des trichterartigen Rohres verlaufen. Der Wirbelzustand der trichterartigen STT-MRAM-Struktur ist energetisch stabil und bietet darüber hinaus eine gute Retention über einen breiten Temperaturbereich hinweg. Bei Verwendung eines Wirbelzustands mit geschlossenem Fluss in den trichterartigen STT-MRAM-Bauelementen ermöglicht eine Verwendung eines kurzen Nanotrichters in dem trichterartigen STT-MRAM-Bauelement, dass das Spin-Transfer-Drehmoment nur die Austauschkräfte überwindet, so dass eine dynamische Domänenwand gebildet wird, die das Bit umkehrt. In diesem Fall wird in sehr kleinen oder ultrakleinen trichterartigen STT-MRAM-Bauelementen im Bereich von ein bis fünf Nanometern, die nur durch Superparamagnetismus oder Spin-Quanten-Tunneln begrenzt sind, eine gute BitRetention aufrechterhalten.
Aufgrund des Vorhandenseins eines Wirbelzustands in trichterartigen STT-MRAM-Bauelementen benötigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung keine PMA-Materialien mit Schwermetallen oder mehrpoligen MgO/Ferromagnet-Grenzflächen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bilden die neuen trichterartigen STT-MRAM-Bauelemente unter Verwendung von Magnetmaterialien mit niedriger Dämpfung wie beispielsweise Co₂₅Fe₇₅ oder Fe₅₀Ni₅₀ aus. Die Verwendung von Magnetmaterialien mit niedriger Dämpfung in den trichterartigen STT-MRAM-Bauelementen ermöglicht eine hohe Schalteffizienz und -geschwindigkeit. Darüber hinaus sorgt eine geschlossene Flussstruktur, die einen Wirbelzustand bildet, für eine gute magnetische Retention in trichterartigen STT-MRAM-Bauelementstrukturen bei kleinen und sehr kleinen Speicherzellen. Auf diese Weise sehen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein trichterartiges STT-MRAM-Bauelement mit Materialien mit niedrigem magnetischem Moment vor, die mit CoFeB-Materialien (CFB-Materialien) verschiedener Zusammensetzungen als freien Schichten laminiert sind, um ein schnelles Schalten und ein Signal mit gutem MR zu erhalten, ohne dass PMA oder PMA-Materialien erforderlich sind. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Verwendung eines trichterartigen STT-MRAM-Bauelements mit gutem Austausch oder einer hohen Magnetisierung, während niedrige lokale Magnetfelder an den Rändern des trichterartigen Rohrs erhalten bleiben.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen ein trichterartiges STT-MRAM-Bauelement mit den Wirbelzuständen sowohl in der freien Schicht als auch in der Referenzschicht vor. Das Rohr der freien Schicht ist relativ kurz und besitzt eine Austauschlänge, die größer als die Abmessungen des trichterartigen STT-MRAM-Bauelements ist. Aus der Modellierung ergibt sich insbesondere, dass wenn bei einem trichterartigen STT-MRAM-Bauelement ein Verhältnis von Trichterrohrhöhe zu Trichterrohrradius ungefähr weniger als 1,81 beträgt, sich die lokale Magnetisierung des Nanotrichters im Trichter herum wickelt. In diesem Fall weist das trichterartige STT-MRAM-Bauelement mit einem Wirbelzustand einen geschlossenen magnetischen Fluss auf. Der Wirbelzustand sowohl für die freie Schicht als auch für die Referenzschicht minimiert die magnetostatische Kopplung zwischen der freien Schicht und der Referenzschicht und vereinfacht dadurch die dynamische STT-Umkehr der freien Schicht. Darüber hinaus begünstigen kurze Nanotrichter mit dünnen freien Schichten energetisch die Erzeugung und Ausbreitung der Neel-Wand entlang des Trichterrohrumfangs während des STT-Schaltens. Wenn lokale magnetische Richtungen entlang der Nanorohrwände gewickelt sind, kann das STT-Schalten schnell und effizient sein, und zusätzlich ist die Bitretention gut, da eine spontane Umkehr der gesamten Wirbelstruktur durch thermische Fluktuationen sehr unwahrscheinlich oder schwierig ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen ein trichterartiges STT-MRAM-Bauelement vor und stellen eine Fähigkeit zur Herstellung sowohl trichterartiger STT-MRAM-Bauelemente mit einer freien Schicht oben auf der Referenzschicht als auch eine Fähigkeit zur Herstellung invertierter STT-MRAM-Bauelemente mit Referenzschichten über bzw. oben auf der freien Schicht bereit. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen ein trichterartiges STT-MRAM-Bauelement mit einer dualen MTJ-Bauelementstruktur (DMTJ-Bauelementstruktur) vor, wobei beide Referenzschichten stabil sind und eine freie Schicht die höchstmögliche Retention für ein gegebenes magnetisches Volumen besitzt.
Außerdem sehen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden von STT-MRAM-Bauelementen vor, bei denen Nicht-SAF-Referenzschichten sowohl dünner als auch einfacher herzustellen sein können und als solche gegenüber verschiedenen herkömmlichen STT-MRAM-Designs vorteilhaft sind.
Detaillierte Ausführungsformen der beanspruchten Strukturen und Verfahren werden hierin offenbart. Die unten beschriebenen Verfahrensschritte bilden keinen vollständigen Prozessablauf zum Herstellen integrierter Schaltungen, wie beispielsweise Halbleiterbauelementen. Die vorliegenden Ausführungsformen können in Verbindung mit den derzeit in der Technik verwendeten Herstellungstechniken für integrierte Schaltungen für MRAM-Bauelemente praktiziert werden, und es sind nur so viele der üblicherweise praktizierten Prozessschritte aufgenommen, wie für das Verständnis der beschriebenen Ausführungsformen notwendig sind. Die Figuren stellen Querschnittsabschnitte eines MRAM-Bauelements nach der Herstellung dar und sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet, sondern sind stattdessen gezeichnet, um die Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen zu beschreiben. Spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hierin offenbart sind, sollten nicht als einschränkend, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage verstanden werden, um Fachleute anzuweisen, die Verfahren und Strukturen der vorliegenden Offenbarung auf verschiedene Weise anzuwenden. In der Beschreibung können Details wohlbekannter Merkmale und Techniken weggelassen werden, um ein unnötiges Verdunkeln der angegebenen Ausführungsformen zu vermeiden.
Bezüge in der Beschreibung auf „eine bestimmte Ausführungsform“, „eine weitere Ausführungsform“, „eine andere Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“ usw. zeigen an, dass die beschriebene Ausführungsform ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Eigenschaft enthalten kann, aber alle Ausführungsformen das bestimmte Merkmal, die bestimmte Struktur oder Eigenschaft nicht notwendigerweise enthalten müssen. Darüber hinaus beziehen sich solche Ausdrücke nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform. Wenn ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Eigenschaft in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben wird, versteht es sich, dass Fachleute das Wissen besitzen, ein solches Merkmal, eine solche Struktur oder Eigenschaft in Verbindung mit weiteren Ausführungsformen zu ändern, ob explizit beschrieben oder nicht.
Für die Zwecke der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich die Begriffe „oben“, „unten“, „rechts“, „links“, „vertikal“, „horizontal“, „obere“, „untere“ und deren Ableitungen auf die vorliegenden offenbarten Strukturen und Verfahren so, wie sie in den Figuren orientiert sind. Die Begriffe „darüber“, „oben auf“, „über“, „auf“, „angeordnet auf“ oder „angeordnet oben auf“ bedeuten, dass ein erstes Element auf einem zweiten Element vorhanden ist, wobei dazwischenliegende Elemente, wie z.B. eine Grenzflächenstruktur, zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element vorhanden sein können. Der Begriff „in direktem Kontakt“ bedeutet, dass ein erstes Element und ein zweites Element ohne dazwischenliegende leitfähige, isolierende oder Halbleiterschichten an der Grenzfläche der beiden Elemente verbunden sind.
Um die Darstellung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht zu verdunkeln, können in der folgenden detaillierten Beschreibung einige der Verarbeitungsschritte, Materialien oder Vorgänge, die in der Technik bekannt sind, zu Darstellungs- und Beschreibungszwecken miteinander kombiniert worden sein und müssen in einigen Fällen nicht im Detail beschrieben sein. Außerdem muss der Kürze halber, und um den Fokus auf charakteristische Merkmale von Elementen der vorliegenden Erfindung zu erhalten, die Beschreibung der zuvor beschriebenen Materialien, Prozesse und Strukturen in Bezug auf die nachfolgenden Figuren nicht wiederholt werden. In anderen Fällen müssen einige bekannte Verarbeitungsschritte oder -vorgänge nicht beschrieben werden. Es versteht sich, dass sich die folgende Beschreibung eher auf die charakteristischen Merkmale oder Elemente der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung konzentriert. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe trichterförmiges STT-MRAM-Bauelement und trichterartiges STT-MRAM-Bauelement als gleich oder austauschbar angesehen.
1 ist eine Querschnittsansicht einer Metallsäule, die verwendet wird, um ein trichterartiges oder trichterförmiges STT-MRAM-Bauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszubilden. Wie gezeigt, umfasst 1 die Metallsäule auf einer Oberfläche wie beispielsweise einer Oberfläche eines Abschnitts einer Halbleiterstruktur über einem Halbleiterwafer oder auf einem Abschnitt eines Halbleiterwafers (in 1 nicht gezeigt), wobei der Winkel einer Außenwand der Metallsäule in Bezug auf die horizontale Fläche der Winkel α ist und Abscheidungswinkel θ₁ und θ₂ schiefe Abscheidungswinkel gegenüber einer Bezugsrichtung senkrecht bzw. rechtwinklig zur horizontalen Fläche wie in 1 gezeigt darstellen. In verschiedenen Ausführungsformen liegt der Winkel α zum Ausbilden der Metallsäule zwischen 90 Grad und 45 Grad zur horizontalen Fläche eines Halbleitersubstrats oder -wafers (nicht gezeigt). Die Metallsäule weist eine trichterartige Form mit flacher Oberseite bzw. eine abgeflachte Kegelform auf. Die Abscheidungswinkel θ₁ und θ₂ sind schiefe Abscheidungswinkel. Die Abscheidungswinkel θ₁ und θ₂ sind in Bezug auf eine Richtung gemessen, die senkrecht zu dem Halbleitersubstrat oder der Waferoberfläche (bzw. rechtwinklig zur Waferoberfläche) ist. In verschiedenen Ausführungsformen wird der Abscheidungswinkel θ₁ beim Abscheiden der freien Schichten und einer oder mehrerer Referenzschichten auf der Metallsäule verwendet, während der Abscheidungswinkel θ₂ beim Abscheiden von Tunnelbarrierematerialien verwendet wird. Der Halbleiterwafer (nicht gezeigt) wird während des Abscheidens der verschiedenen Schichten der trichterartigen STT-MRAM-Bauelemente gedreht, die unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 beschrieben sind.
2 ist eine Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 200 nach dem Ausbilden einer freien Schicht 2 über der Metallsäule 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, umfasst 2 ein Zwischenschichtdielektrikum (ILD 8), einen Kontakt 9, eine Metallsäule 10 und eine freie Schicht 2, die auf der Metallsäule 10 abgeschieden ist. In verschiedenen Ausführungsformen befindet sich das ILD 8 über einem Halbleiterbauelement (nicht gezeigt) in einem Halbleitersubstrat oder Halbleiterwafer (nicht gezeigt). Das ILD 8 kann ein beliebiges Dielektrikumsmaterial sein, das über einem Halbleiterbauelement zur elektrischen Isolierung abgeschieden ist, z.B. SiO₂. Das ILD 8 hat eine horizontale obere Fläche über dem Halbleiterwafer (nicht gezeigt). In verschiedenen Ausführungsformen ist der Kontakt 9 eine Durchkontaktierung bzw. eine metallische Verbindung zu einem darunterliegenden Halbleiterbauelement, beispielsweise einem CMOS-Transistor. In einigen Ausführungsformen steht der Kontakt 9 in direktem Kontakt mit einem Source/Drain oder mit einem Source/Drain-Kontakt des Halbleiterbauelements.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Metallsäule 10 direkt über dem Kontakt 9 mit einem Winkel α gegenüber der oberen Fläche des ILD 8 ausgebildet. Der Winkel α liegt, wie zuvor beschrieben, zwischen 90 Grad und 45 Grad. Ein üblicher Winkel α für die trichterartigen STT-MRAM-Strukturen, die in den 2 bis 9 gezeigt sind, kann für eine übliche für jede Schicht beschriebene Dicke im Bereich von 80 Grad liegen, sofern nicht anders angegeben. Wie in 2 gezeigt, weist die Metallsäule 10 eine flache Oberseite auf, wodurch eine trichterartige Form für die Metallsäule 10 gebildet wird, aber die Oberseite der Metallsäule kann auch abgerundet sein. In verschiedenen Ausführungsformen liegt eine übliche Höhe der Metallsäule 10 zwischen 4 nm und 40 nm, ist jedoch nicht auf diese Höhen beschränkt.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die freie Schicht 2 eine Schicht aus einem Magnetmaterial, das mit einem Abscheidungswinkel θ₁ abgeschieden wird, während das Halbleitersubstrat oder der Wafer (nicht gezeigt), der die Halbleiterstruktur 200 enthält, sich um eine Achse senkrecht zur Halbleiterwafer-Oberfläche dreht bzw. um diese rotiert. Wie zuvor mit Bezug auf 1 beschrieben, kann der schiefe Abscheidungswinkel (d.h. der Abscheidungswinkel θ₁) üblicherweise in einem Bereich von 70 bis 80 Grad gegenüber bzw. gemessen zu einer Richtung senkrecht zu einer Halbleiterwafer-Oberfläche liegen, jedoch ist der Abscheidungswinkel θ₁ nicht auf diese Winkel beschränkt. In verschiedenen Ausführungsformen stellt die Drehung des Halbleitersubstrats oder -wafers ein gleichmäßiges Abscheiden von Materialien entlang der Seiten der Metallsäule 10 sicher. In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Strom von Atomen über der Metallsäule 10 und der oberen Fläche des ILD 8 abgeschieden, beispielsweise unter Verwendung von physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder lonenstrahlabscheidung (IBD).
Ein schiefes Abscheiden der freien Schicht 2 unter Verwendung des Abscheidungswinkels θ₁ führt zu zwei unterschiedlichen Dickewerten der abgeschiedenen freien Schicht 2 auf den Seiten der Metallsäule 10 im Vergleich zu der abgeschiedenen freien Schicht 2 auf horizontalen Flächen der Halbleiterstruktur 200. In verschiedenen Ausführungsformen ist die freie Schicht 2 an den Seiten der Metallsäule 10 dicker und ist auf der Oberseite der Metallsäule 10 und auf dem ILD 8 viel dünner. Zum Beispiel beträgt bei einem Abscheidungswinkel θ₁ im Bereich von 70 bis 80 Grad eine Dicke der freien Schicht 2 auf den Seiten der Metallsäule 10 ungefähr 15 bis 25 Angström, während eine Dicke der freien Schicht 2 auf der oberen Fläche des ILD 8 und oben auf der Metallsäule 10 im Bereich von 3 bis 5 Angström liegt. Bei einem Abscheidungswinkel θ₁ von 80 Grad ist eine Dicke der freien Schicht 2 an den Seiten der Metallsäule 10 ungefähr fünfmal so groß wie die Dicke der freien Schicht 2 auf horizontalen Flächen (z.B. auf der Oberseite der Metallsäule 10 und auf freiliegenden horizontalen Flächen des ILD 8 über der Halbleiterwafer-Oberfläche (nicht gezeigt)). In weiteren Beispielen, die andere Abscheidungsparameter oder einen anderen Winkel α der Metallsäule 10 verwenden, kann eine Dicke der freien Schicht 2 auf den Seiten der Metallsäule 10 zwischen 10 bis 50 Angström liegen. Als Ergebnis des abgewinkelten Abscheidens der freien Schicht 2 sind die Abschnitte der freien Schicht 2, die sich auf der Oberfläche des ILD 8 und auf der Oberseite der Säule 10 befinden, aufgrund der extrem dünnen Materialschicht, die auf den horizontalen Flächen abgeschieden wurde, im Wesentlichen nicht leitfähig. Infolgedessen fließt in den horizontalen Abschnitten der freien Schicht 2 ein geringer oder vernachlässigbarer elektrischer Strom. Außerdem weisen die sehr dünnen horizontalen Abschnitte der freien Schicht 2 im Wesentlichen wenig bis keine Magnetisierung auf und wirken als solche wie eine nichtferromagnetische Schicht. Daher stören die dünnen horizontalen Abschnitte der freien Schicht 2 nicht die magnetischen Eigenschaften der dickeren Abschnitte der freien Schicht 2, die sich auf den abgewinkelten Seitenwänden der Säule 10 befinden.
Die freie Schicht 2 kann aus verschiedenen Magnetmaterialien mit unterschiedlicher Zusammensetzung und Dicke bestehen. Beispielsweise kann die freie Schicht 2 aus einer oder mehreren Zusammensetzungen aus Kobalt, Eisen und Bor (CFB) in einem Bereich der Dicke zwischen 10 und 50 Angström bestehen. In einem weiteren Beispiel kann die freie Schicht 2 aus Doppelschichten aus CFB für ein hohes MR und Co₂₅Fe₇₅ für eine niedrige Dämpfung bestehen, um ein schnelles Schalten des trichterartigen STT-MRAM-Bauelements zu ermöglichen. In weiteren Beispielen kann die freie Schicht 2 aus CoX oder FeX bestehen, wobei X ein Leichtmetall wie Li, Be, Mg, AI oder ein beliebiges Übergangsmetall ist. In einem weiteren Beispiel können Doppelschichten aus ultradünnem CFB für ein hohes MR und Heusler-Legierungen wie beispielsweise CoFeAI oder NiMnSb als Materialien mit niedriger Dämpfung verwendet werden. In noch einem weiteren Beispiel kann die freie Schicht 2 aus Doppelschichten aus CFB und Weichmagnetmaterialien wie Mu-Metall („Permalloy“, d.h. eine magnetische Nickel-Eisen-Legierung) bestehen, um ein Ausbilden von Domänenwänden zu vermeiden. Die freie Schicht 2 ist nicht auf diese Materialien beschränkt.
3 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur 300 nach einem Ausbilden einer Tunnelbarriere 3 über der freien Schicht 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, umfasst 3 das ILD 8, den Kontakt 9, die Metallsäule 10, die freie Schicht 2 und die Tunnelbarriere 3. Wie bei dem Abscheiden der freien Schicht 2 und allen folgenden Abscheidungen von MTJ-Materialschichten dreht sich das Halbleitersubstrat oder der Wafer während des Abscheidens. In verschiedenen Ausführungsformen wird der Abscheidungswinkel θ₂ zum Abscheiden der Tunnelbarriere 3 verwendet. Zum Beispiel kann ein schiefer Abscheidungswinkel θ₂ im Bereich von 10 bis 15 Grad liegen, was zu einer geringen Dicke der Tunnelbarriere 3 auf den Seiten der Metallsäule 10 (ungefähr 10 Angström) und ungefähr 16 bis 40 Angström auf der Oberseite der Metallsäule 10 und auf der Oberseite des ILD 8 (unter Annahme eines Winkels α von 80 Grad) führt. In weiteren Beispielen, die andere Abscheidungsparameter verwenden, kann eine Dicke der Tunnelbarriere 3 auf den abgewinkelten Seiten der freien Schicht 2 über den Seiten der Metallsäule 10 zwischen 8 Angström und 20 Angström liegen (abhängig von den verschiedenen Materialien, die als Tunnelbarriere verwendet werden). Das Abscheiden der Materialien der Tunnelbarriere 3 mit ungleichmäßiger Dicke führt zu einer sehr dicken Schicht der Tunnelbarriere 3 auf der horizontalen Fläche der freien Schicht 2 über dem ILD 8 und einem Abscheiden der Tunnelbarriere 3 mit hoher Dicke auf der freien Schicht 2 über der Oberseite bzw. dem horizontalen Abschnitt der Metallsäule 10. Diese dicken Abschnitte der Tunnelbarriere 3 können als im Wesentlichen nichtleitfähig betrachtet werden. Elektrischer Strom kann nicht durch diese dicken horizontalen Abschnitte der Tunnelbarriere 3 fließen oder ist vernachlässigbar oder nahe Null. Eine dünnere Schicht der Tunnelbarriere 3 mit einer Dicke von ungefähr 8 bis 20 Angström kann auf der freien Schicht 2 über den Seiten der Metallsäule 10 vorhanden sein, was es den Elektronen ermöglicht, durch diese Bereiche zu tunneln. Der Abschnitt der Tunnelbarriere 3 auf der Seitenwand der Metallsäule 10 ist dünn genug, um ein Elektronentunneln zu ermöglichen, und die horizontalen Abschnitte der Tunnelbarriere 3 sind dick genug, um ein Elektronentunneln zu verhindern.
In verschiedenen Ausführungsformen besteht die Tunnelbarriere 3 aus MgO. In einigen Ausführungsformen besteht die Tunnelbarriere 3 aus TiO₂, CsO_x, BaO_x, SrO_x, ZrO₂, HfO₂, Al₂O₃, MgAlO oder einer beliebigen Kombination oder Verbindung dieser Materialien, die gute Tunnelbarrieren bereitstellen können, wobei x eine beliebige Anzahl von Sauerstoffatomen für ein Ausbilden eines Verbundmaterials für eine gute Tunnelbarriere sein kann, aber die Tunnelbarriere 3 ist nicht auf diese Materialien beschränkt.
4 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur 400 nach einem Abscheiden einer Referenzschicht 4 über der Tunnelbarriere 3 und einem Passivieren der Referenzschicht 4 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Referenzschicht 4 wird unter Verwendung des Abscheidungswinkels θ₁ auf der Tunnelbarriere 3 abgeschieden. Wenn beispielsweise ein Abscheidungswinkel θ₁ von 80 Grad verwendet wird, liegt eine Dicke der abgeschiedenen Schicht auf der Tunnelbarriere 3 über den Seiten der Metallsäule 10 im Bereich von 25 bis 35 Angström, während eine abgeschiedene Dicke der Referenzschicht 4 auf den horizontalen Flächen der Tunnelbarriere 3 (z.B. über dem ILD 8 und über der Oberseite der Metallsäule 10) im Bereich von 3 bis 6 Angström liegt. In weiteren Beispielen kann ein Bereich der Dicke der Referenzschicht 4 über der Tunnelbarriere 3 über den abgewinkelten Seiten der Metallsäule 10 zwischen 20 bis 100 Angström liegen, wenn andere Abscheidungswinkel verwendet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Dicke der Referenzschicht 4 auf abgewinkelten Seiten der Metallsäule und auf horizontalen Flächen der Halbleiterstruktur 400 ist die Referenzschicht 4 auf der Tunnelbarriere 3 über dem ILD 8 aufgrund der extrem dünnen Schicht der Referenzschicht 4 auf der horizontalen Fläche im Wesentlichen nicht leitfähig (z.B. leitet sie wenig bis keinen elektrischen Strom).
In verschiedenen Ausführungsformen besteht die Referenzschicht 4 aus CFB. In einigen Ausführungsformen besteht die Referenzschicht 4 aus einer oder mehreren Doppelschichten aus CFB und hochdämpfenden Materialien (z.B. Schwermetallen), um die Stabilität der Referenzschicht 4 beim STT-Schalten zu verbessern. In weiteren Ausführungsformen besteht die Referenzschicht 4 aus Doppelschichten aus CFB und einer oder mehreren antiferromagnetischen Schichten zum Fixieren des CFB. In einer Ausführungsform besteht die Referenzschicht 4 aus Doppelschichten einer CFB- und einer SAF-Schicht, um dynamische Streufelder zu minimieren, die von der Referenzschicht 4 ausgehen und die während des STT-Schaltens auf die freie Schicht 2 wirken können.
In dem MTJ-Stapel eines trichterartigen STT-MRAM-Bauelements kann die Referenzschicht 4 zwei- oder mehrmals so dick wie die freie Schicht 2 sein, um die Stabilität während des STT-Schaltens sicherzustellen. In einer weiteren Ausführungsform des MTJ-Stapels wird die Referenzschicht 4 für gutes STT-Schalten mit einer antiferromagnetischen Schicht (AFM-Schicht) laminiert. In noch einer weiteren Ausführungsform des MTJ-Stapels wird die Referenzschicht 4 mit einer hochdämpfenden Schicht wie beispielsweise Ta, W, Ir und Pt laminiert.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Referenzschicht 4 direkt auf der Metallsäule 10 abgeschieden. In dieser Ausführungsform kann die Tunnelbarriere 3 direkt auf der Referenzschicht 4 abgeschieden werden und die freie Schicht 2 kann auf der Tunnelbarriere 3 abgeschieden werden, unter Verwendung der zuvor beschriebenen Abscheidungswinkel (z.B. des Abscheidungswinkels θ₁ für die Referenzschicht 4 und die freie Schicht 2 und des Abscheidungswinkels θ₂ für die Tunnelbarriere 3). Wenn die Abscheidung aller Schichten des MTJ-Stapels (z.B. der Referenzschicht 4, der Tunnelbarriere 3 und der freien Schicht 2) abgeschlossen ist, bildet ein MTJ-Stapel ein invertiertes trichterartiges STT-MRAM-Bauelement. Der MTJ-Stapel zum Ausbilden eines inversen STT-MRAM-Bauelements kann eine freie Schicht 2 über der Tunnelbarriere 3 und eine Tunnelbarriere 3 über der Referenzschicht 4 aufweisen, und die Referenzschicht 4 ist direkt auf der Metallsäule 10 abgeschieden.
In verschiedenen Ausführungsformen erfolgt eine Passivierung der Referenzschicht 4 unter Verwendung von hochparallelen Sauerstoffionenstrahlen, wenn die Referenzschicht 4 in der horizontalen Ebene über dem ILD 8 dicker als 5 Angström ist und wenn ein DMTJ für das trichterartige STT-MRAM-Bauelement ausgebildet wird, der später in Bezug auf die 8 bis 9 beschrieben wird. Wenn die Dicke der Referenzschicht 4 in den horizontalen Abschnitten über dem ILD 8 größer als 5 Angström ist, können die stark parallelen Sauerstoffionenstrahlen auf die obere Fläche der Halbleiterstruktur 400 gerichtet werden. Die Sauerstoffstrahlen sind rechtwinklig zur horizontalen Waferoberfläche, wie in 4 gezeigt. Die Dicke der Passivierungsschicht der Referenzschicht 4 schwankt entsprechend des Orts der Referenzschicht 4. Die Passivierung bzw. Oxidation der Referenzschicht verringert die elektrische Leitfähigkeit der Referenzschicht 4. Die passivierten Abschnitte der Referenzschicht 4 erhalten einen elektrischen Widerstand.
In horizontalen Abschnitten der Referenzschicht 4 kann die Passivierung vollständig über die Dicke der Referenzschicht 4 erfolgen. Wie beispielsweise im linken Fragmentabschnitt des horizontalen Abschnitts der Referenzschicht 4 über dem ILD 8 gezeigt, ist er vollständig passiviert und weist einen sehr hohen elektrischen Widerstand auf. Die vollständige Passivierung der horizontalen Abschnitte der Referenzschicht 4 begrenzt die Leitfähigkeit der horizontalen Abschnitte der Referenzschicht 4 und bewirkt, dass sich die horizontalen Abschnitte wie ein nicht ferromagnetisches Material verhalten. Die Energie des Sauerstoffionenstrahls kann beispielsweise zwischen 50 eV bis 800 eV eingestellt werden, um eine gewünschte Passivierungseindringtiefe zu erreichen. Wenn beispielsweise die horizontalen Abschnitte der Referenzschicht 4 ungefähr 5 Angström betragen, kann die Energie des Sauerstoffionenstrahls so eingestellt werden, dass eine Passivierungsdicke von 5 Angström in den horizontalen Abschnitten der Referenzschicht 4 erreicht wird.
In der Halbleiterstruktur 400 ist die Dicke der Passivierung der Referenzschicht 4 über den Seiten der Metallsäule 10 sehr gering, beispielsweise im Bereich von einem Angström, wenn die Dicke der Referenzschicht 4 über den abgewinkelten Seiten der Metallsäule 10 bei etwa 25 bis 35 Angström liegt. Die Eindringtiefe der Passivierung an den abgewinkelten bzw. geneigten Seiten der Metallsäule 10 wird durch den Winkel α (d.h. den Winkel der Seiten der Metallsäule 10) und die Energie des Sauerstoffionenstrahls beeinflusst. Ein Beispiel für die Dicke der Passivierung der Referenzschicht 4 ist im rechten Fragment der Referenzschicht 4 über den Seiten der Metallsäule 10 gezeigt.
5 ist eine Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 500 nach einem Abscheiden eines oberen Kontakts 66 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel kann eine Metallschicht für den oberen Kontakt 66 über der Halbleiterstruktur 500 abgeschieden werden. In einigen Ausführungsformen wird die Schicht des Materials des oberen Kontakts 66 selektiv abgeschieden. Zum Beispiel wird die Schicht des oberen Kontakts 66 selektiv mit bekannten Halbleiterprozessen zum Ausbilden eines oberen Kontakts 66 (der z.B. die Bitleitung oder -leitungen bildet) abgeschieden. Der obere Kontakt 66 kann aus jedem Kontaktmetall bestehen, das in MRAM- oder CMOS-Bauelementen verwendet wird.
6 ist eine Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 600 nach dem Ausbilden des oberen Kontakts 66 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der obere Kontakt 66 kann selektiv unter Verwendung herkömmlicher Photolithographie- und Ätzprozesse zum Ausbilden des oberen Kontakts 66 strukturiert und geätzt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann der obere Kontakt 66 über der Referenzschicht 4 ausgebildet werden. Der obere Kontakt 66 liegt über den magnetischen Schichten des MTJ des trichterartigen STT-MRAM-Bauelements. Das Ätzen des oberen Kontakts 66 kann unter der unteren Fläche der Metallsäule 10 beendet bzw. dorthin erweitert werden. In verschiedenen Ausführungsformen wird das Ätzen des oberen Kontakts 66 in einen oberen Abschnitt des ILD 8 neben der Metallsäule 10 fortgesetzt. Wenn die horizontalen Abschnitte des MTJ (z.B. der Referenzschicht 4, der Tunnelbarriere 3 und der freien Schicht 2) freiliegen, können die horizontalen Abschnitte des MTJ durch Einwirkung von Sauerstoffplasma passiviert werden. In verschiedenen Ausführungsformen dient der obere Kontakt 66 als Bitleitung.
7 ist eine Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 700 nach einem Abscheiden einer Schicht aus einem ILD 70 und nach einem Durchführen eines chemisch-mechanischen Polierens (CMP) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In verschiedenen Ausführungsformen wird das ILD 70 über der Halbleiterstruktur 700 abgeschieden und zum Entfernen eines oberen Abschnitts des ILD 70 wird ein CMP durchgeführt, bis Kontakt zum oberen Kontakt 66 hergestellt wird. In einigen Fällen kann das CMP einen oberen Abschnitt des oberen Kontakts 66 entfernen. Die Halbleiterstruktur 700 zeigt eine Ausführungsform eines trichterartigen STT-MRAM. In verschiedenen Ausführungsformen stellt die Halbleiterstruktur 700 einen trichterartigen STT-MRAM mit einem einzelnen MTJ-Stapel dar, der aus einer freien Schicht 2, einer Tunnelbarriere 3 und einer Referenzschicht 4 besteht, wobei die freie Schicht 2 auf der Metallsäule 10 liegt. In verschiedenen Ausführungsformen ist der MTJ-Stapel durch den oberen Kontakt 66 abgedeckt. In verschiedenen Ausführungsformen wird eine obere Fläche der Halbleiterstruktur 700 für weitere Halbleiterprozesse wie beispielsweise Ätzprozesse oder Abscheidungsprozesse freigelegt, um weitere Verbindungen, Halbleiterbauelemente oder Verbindungsschichten auf der Halbleiterstruktur 700 auszubilden. Weitere Metall-, Dielektrikums- oder andere Materialschichten können auf der Halbleiterstruktur 700 abgeschieden werden, um das Ausbilden eines oder mehrerer Halbleiterchips abzuschließen.
Wie zuvor beschrieben, bildet die Halbleiterstruktur 700 ein trichterartiges STT-MRAM-Bauelement, das für einen stabilen bzw. geschlossenen Wirbelzustand in dem trichterartigen STT-MRAM-Bauelement sorgt. Aus den zuvor beschriebenen Gründen ist ein stabiler bzw. geschlossener Wirbelzustand in dem trichterartigen STT-MRAM wünschenswert. Unter Verwendung der oben in den 1 bis 7 beschriebenen Verfahren und Strukturen kann das trichterartige STT-MRAM-Bauelement mit einer Vielzahl von Strukturen so ausgebildet werden, dass es zu einem bestimmten Transistorwiderstand passt. Zum Beispiel kann für verschiedene Bauelementgeometrien ein Zielwiderstand von 10 kOhm für das trichterartige STT-MRAM-Bauelement erreicht werden, so dass es zu einem Widerstand eines bestimmten CMOS-Transistors passt. Durch Ändern von Tunnelbarriereeigenschaften wie beispielsweise Widerstand pro Fläche aufgrund unterschiedlicher Tunnelbarrieregeometrien und/oder -materialien, kann ein Zielwiderstand erreicht werden, indem das Verhältnis der Höhe zum Durchmesser des trichterartigen STT-MRAM-Bauelements geändert wird. Beispielsweise sorgt eine Tunnelbarriere mit 20 Ohm pro Quadratmikrometer und einem mittleren Trichterradius von 20 nm und einer Trichterhöhe von 16 nm für einen sehr stabilen Wirbelzustand, ebenso wie eine Tunnelbarriere mit 5 Ohm pro Quadratmikrometer und 4 nm Trichterhöhe. Dieses Beispiel zeigt, dass für einen breiten Bereich von Widerstand pro Fläche für die Tunnelbarriere 3 (z.B. von 5 bis 20 Ohm pro Quadratmikrometer) ein Zielwiderstand des trichterartigen STT-MRAM-Bauelements durch Ändern der Höhe des trichterartigen STT-MRAM-Bauelements (d.h. durch Einstellen der Höhe des Nanotrichters) erreicht werden kann.
8 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur 800 eines zweiten trichterförmigen bzw. trichterartigen STT-MRAM-Bauelements mit einem DMTJ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In verschiedenen Ausführungsformen verwendet die Halbleiterstruktur 800 die Verfahren, die zuvor in den 1 bis 7 beschrieben wurden, um die Schichten eines DMTJ auf der Metallsäule 10 abzuscheiden.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Referenzschicht 81 über der Metallsäule 10 abgeschieden. Das Abscheiden der Referenzschicht 81 kann unter Verwendung eines Abscheidungswinkels θ₁ erfolgen. Zum Beispiel kann, wie zuvor beschrieben, ein Abscheidungswinkel im Bereich von 80 Grad für eine dickere Abscheidung der Referenzschicht 81 (d.h. einer ersten Referenzschicht im DMTJ) auf den abgewinkelten Seiten der Metallsäule 10 sorgen. In einigen Ausführungsformen ist die Dicke der auf der Seitenwand der Metallsäule 10 abgeschiedenen Referenzschicht 81 zweimal so dick wie der Abschnitt der Referenzschicht 81 oder mehr, der auf den horizontalen Flächen über der Halbleiterwafer-Oberfläche (z.B. auf der flachen Oberseite der Metallsäule 10 und auf freiliegenden horizontalen Flächen bzw. horizontalen Abschnitten des ILD 8) abgeschieden wird. Die für die Referenzschicht 81 verwendeten Materialien und Materialdicken können denen der Materialien gleichen oder ähneln, die für die Referenzschicht 4 in Bezug auf 4 beschrieben wurden, sind jedoch nicht auf diese Materialien oder Materialdicken beschränkt.
Eine Tunnelbarriere 83 kann über der Referenzschicht 81 abgeschieden werden. Die Tunnelbarriere 83 ist eine erste Tunnelbarriereschicht, die aus MgO bestehen kann, ist jedoch nicht auf dieses Material beschränkt. Die Tunnelbarriere 83 kann mit einem Abscheidungswinkel θ₂ so abgeschieden werden, dass auf den horizontalen Flächen der Halbleiterstruktur 800 eine dickere Schicht als auf den abgewinkelten Flächen über der Metallsäule 10 bereitgestellt wird.
Eine freie Schicht 85 wird über der Tunnelbarriere 83 unter Verwendung des Abscheidungswinkels θ₁ abgeschieden, der für eine dickere Schicht der freien Schicht 85 über den abgewinkelten Seiten der Metallsäule 10 und eine viel dünnere Schicht der freien Schicht 85 auf den horizontalen Flächen der Tunnelbarriere 83 sorgt. In verschiedenen Ausführungsformen ist die freie Schicht 85 ein synthetischer Antiferromagnet (SAF), der aus drei Schichten besteht. Jede der drei Schichten der freien Schicht 85 wird bei einem Abscheidungswinkel θ₁ abgeschieden. Die freie Schicht 85 kann aus einer Schicht eines ersten Materials einer freien Schicht, beispielsweise eines Materials wie es in Bezug auf die freie Schicht 2 in 2 beschrieben wurde, und einer mittleren Schicht aus einem nichtmagnetischen Abstandshaltermaterial bestehen, das für eine antiferromagnetische Kopplung zwischen einem ersten und einem zweiten Abschnitt der freien Schicht sorgt. Beide Abschnitte der freien SAF-Schicht können aus magnetischen Doppelschichten wie Co_xFe_yB_z/Co und Co/Co_xFe_yB_z bestehen, um einen SAF mit starker antiferromagnetischer Kopplung herzustellen. Ein nichtmagnetischer Abstandshalter muss für eine antiferromagnetische Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-Kopplung (RKKY-Kopplung) zwischen dem ersten und dem zweitem Abschnitt der freien Schicht 2 sorgen. Üblicherweise verwendete nichtmagnetische Abstandshaltermaterialien für die mittlere Schicht der freien Schicht 85 können Ru und Ir sein. In einer Ausführungsform kann eine Struktur der freien Schicht 85 (z.B. eine Struktur eines SAF für die freie Schicht 85) aus Co_xFe_yB_z/Co/Ir/Co/Co_x1Fe_y1B_z1 oder Co_xFe_vBz/Co/Ru/Co/Co_x1Fe_y1B_z1 bestehen, wobei x, y und z eine Anzahl von Atomen bezeichnen und wobei x₁, y₁ und z₁ eine weitere Anzahl von Atomen bezeichnen, jedoch ist die freie Schicht 85 nicht auf diese Materialien beschränkt.
Wenn die Dicke der horizontalen Abschnitte der freien Schicht 85 größer als 5 Angström ist, kann die freie Schicht 85 in einigen Ausführungsformen unter Verwendung eines Sauerstoffionenstrahl-Prozesses passiviert werden. Die Passivierung kann erfolgen, um die Leitfähigkeit der horizontalen Abschnitte der freien Schicht 85 zu minimieren. Es kann der Passivierungsprozess verwendet werden, der zuvor ausführlich mit Bezug auf 4 beschrieben wurde. Beispielsweise kann eine Passivierung der freien Schicht 85 unter Verwendung hochparalleler Sauerstoffionenstrahlen erfolgen. Die Passivierung kann nach dem Abscheiden der ersten Schicht (z.B. der ersten freien Schicht des SAF) der freien Schicht 85 oder nach dem Abscheiden des zweiten Abschnitts bzw. der nichtmagnetischen Schicht der freien Schicht 85 erfolgen.
Eine Tunnelbarriere 87 kann eine zweite Tunnelbarriereschicht sein. In verschiedenen Ausführungsformen besteht die Tunnelbarriere 87 aus einem anderen Material als die Tunnelbarriere 83 und weist andere Dickemaße als die Tunnelbarriere 83 auf. Zum Beispiel kann die Tunnelbarriere 83 aus MgO bestehen, und die Tunnelbarriere 87 kann aus Mg₂AlO₄ oder einem anderen von MgO verschiedenen Oxid bestehen. Eine übliche Dicke der Tunnelbarriere 87 (z.B. bei einem Abscheidungswinkel von 15 Grad für den Abscheidungswinkel θ₂) kann 16 bis 40 Angström in horizontalen Abschnitten der Referenzschicht 85 betragen.
Eine übliche Dicke der Tunnelbarriere 87 (z.B. bei dem Winkel θ₂ = 15 Grad) auf der Referenzschicht 85 über den abgewinkelten Seiten der Metallsäule 10 kann 8 bis 20 Angström betragen. Durch Abscheiden anderer Materialien mit einer anderen Dicke für die Tunnelbarriere 87 als für die Tunnelbarriere 83 kann gleichzeitig eine Optimierung des MR-Signals vom DMTJ und des vom DMTJ erzeugten Spin-Drehmoments erfolgen (z.B. können sowohl das MR-Signal als auch das Spin-Drehmoment gleichzeitig maximiert werden).
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Referenzschicht 89 über der Tunnelbarriere 87 unter Verwendung des Abscheidungswinkels θ₂ abgeschieden. Die Abscheidung der Referenzschicht 89 unter Verwendung des Abscheidungswinkels θ₂ sorgt für eine dickere Schicht der Referenzschicht 89 auf der Tunnelbarriere 87 über den abgewinkelten Seiten der Metallsäule 10 und eine dünnere Abscheidung der Referenzschicht 89 auf den horizontalen Flächen der Tunnelbarriere 87. In einigen Ausführungsformen ist die auf der Tunnelbarriere 87 über den Seitenwänden der Metallsäule 10 abgeschiedene Schicht der Referenzschicht 89 zwei- bis sechsmal so dick wie der Abschnitt der Referenzschicht 89, der auf den horizontalen Flächen der Tunnelbarriere 87 (z.B. über der flachen Oberseite der Metallsäule 10 und auf der Tunnelbarriere 87 über der Halbleiterwafer-Oberfläche) abgeschieden wird. Wie zuvor beschrieben, sind auf diese Weise die dünnen horizontalen Abschnitte der Referenzschicht 89 im Wesentlichen elektrisch nicht leitfähig bzw. magnetisch inaktiv. In Fällen, in denen eine Dicke der horizontalen Abschnitte der zweiten Referenzschicht 89 größer als 5 Angström ist (diese z.B. leitfähig ist), kann der in 4 beschriebene Passivierungsschritt verwendet werden, um die Leitfähigkeit in den horizontalen Abschnitten der Referenzschicht 89 zu minimieren.
In verschiedenen Ausführungsformen besteht die Referenzschicht 89 aus anderen Materialien und weist eine andere Dicke als die Referenzschicht 81 auf. Das Verändern der Materialien und Dicke der Referenzschicht 89 über den Seiten der Metallsäule 10 (d.h. auf den abgewinkelten Seiten der Tunnelbarriere 87) gegenüber den Materialien und der Dicke der Referenzschicht 81 ermöglicht eine Optimierung der magnetischen Stabilität der Referenzschicht 89. Außerdem sorgt das Ändern der Materialien und Dicke der Referenzschicht 89 gegenüber der Referenzschicht 81 für eine optimale Umgebung zum Einstellen der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 89 und der Referenzschicht 81. Wenn beispielsweise die Referenzschicht 81 eine 30 Angström dicke Schicht aus CFB auf den abgewinkelten Oberflächen der Tunnelbarriere 83 (d.h. über den abgewinkelten Seiten der Metallsäule 10) ist, kann die Referenzschicht 89 über den abgewinkelten Seiten der Tunnelbarriere 87 50 Angström dick sein. In diesem Fall kann durch Abkühlen dieser Struktur in einem schwachen externen Magnetfeld, das senkrecht zur Waferoberfläche steht, eine antiparallele Anordnung von Wirbeln in beiden Referenzschichten erreicht werden. Die Dicke der Referenzschicht 89 auf den abgewinkelten Oberflächen der Tunnelbarriere 87 kann im Bereich von 10 bis 50 Angström liegen, ist jedoch nicht auf diese Dickemaße beschränkt. Einige Beispiele von Materialien für die Referenzschicht 89 umfassen CFB, Mu-Metall, CoFe und Kombinationen dieser Materialien, die mit Schwermetallen laminiert sind, um die Dämpfung zu erhöhen. Die Auswahl der spezifischen Materialien und der Materialdicke der Referenzschicht 89 kann auf verschiedene Weise optimiert werden. Zum Beispiel können die spezifischen Materialien und die Materialdicke der Referenzschicht 89 so ausgewählt werden, dass ein Signal mit maximalem MR erreicht wird, eine maximale Schalteffizienz der Einheit erreicht wird, eine gute Bitstabilität bei erhöhten Temperaturen (z.B. in Automobilanwendungen) gewährleistet und/oder eine gute Stabilität der Referenzschichten gewährleistet wird.
9 ist eine Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 900 nach Fertigstellung eines oberen Kontakts 66 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Prozesse des Abscheidens des oberen Kontakts, des Ätzens des oberen Kontakts 66, des Abscheidens des ILD 70 und des Planarisierens einer oberen Fläche der Halbleiterstruktur 900 durch CMP wurden zuvor unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 beschrieben. In 9 kann der obere Kontakt 66 um die Referenzschicht 89 herum unter Verwendung bekannter Halbleiterprozesse zur Metallkontaktbildung ausgebildet werden. Zum Beispiel kann eine Metallschicht abgeschieden werden, die Metallschicht kann strukturiert und kann geätzt werden, um den oberen Kontakt 66 auszubilden. In verschiedenen Ausführungsformen ist der obere Kontakt 66 eine Bitleitung, die sich senkrecht aus der Ebene von 9 heraus erstreckt. Der Ätzprozess des oberen Kontakts 66 kann auf einem Niveau unterhalb der unteren Fläche der Metallsäule 10 enden. Bei diesem Vorgang können die horizontalen Abschnitte des DMTJ (z.B. der Referenzschicht 81, der Tunnelbarriere 83, der freien Schicht 85, der Tunnelbarriere 87 und der Referenzschicht 89), die nicht benachbart zur Metallsäule 10 sind, entfernt werden. Unter Verwendung bekannter Halbleiterprozesse kann eine zweite Schicht aus Zwischenschichtdielektrikumsmaterial (d.h. das ILD 70) über den oberen Flächen der Halbleiterstruktur 900 abgeschieden werden. Das ILD 70 kann den oberen Kontakt 66 umgeben, kann auf den freiliegenden Seiten der Referenzschicht 89 des DMTJ und auf einem freiliegenden Abschnitt des ILD 9 liegen. Das ILD 70 wird durch CMP planarisiert, bis die obere Fläche des oberen Kontakts 66 erreicht ist, wie zuvor mit Bezug auf 7 beschrieben. Der obere Kontakt 66 kann als Bitleitung in dem trichterartigen STT-MRAM-Bauelement mit einem DMTJ dienen.
Die Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde zu Zwecken der Veranschaulichung angegeben, ist aber nicht als erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt anzusehen. Viele Modifikationen und Varianten sind für Fachleute offensichtlich, ohne vom Umfang und Geist der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde ausgewählt, um die Grundsätze der Ausführungsformen und die praktische Anwendung oder technische Verbesserung gegenüber Technologien, die am Markt vorhanden sind, am besten zu beschreiben oder anderen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

Halbleiterstruktur eines trichterförmigen magnetoresistiven Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher-Bauelements (STT-MRAM-Bauelements) mit einem doppelten magnetischen Tunnelübergang, wobei die Halbleiterstruktur aufweist: eine Metallsäule auf einer Verbindung zu einem Halbleiterbauelement; eine erste Referenzschicht auf der Metallsäule und auf einem Abschnitt eines ersten Zwischenschichtdielektrikums neben der Metallsäule; eine erste Tunnelbarriere auf der ersten Referenzschicht; eine freie Schicht auf der ersten Tunnelbarriereschicht; eine zweite Tunnelbarriere auf der freien Schicht; und eine zweite Referenzschicht auf der zweiten Tunnelbarriere.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei die freie Schicht ein synthetischer Antiferromagnet ist.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 2, wobei die freie Schicht aus einer ersten freien Schicht, einem nichtmagnetischen Abstandshalter und einer zweiten freien Schicht besteht.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei ein erster Abschnitt der ersten Referenzschicht, der freien Schicht und der zweiten Referenzschicht auf einer Seitenwand der Metallsäule dicker als ein zweiter Abschnitt der ersten Referenzschicht, der freien Schicht und der zweiten Referenzschicht auf einer horizontalen Fläche über einer Halbleiterwafer-Oberfläche und auf einer horizontalen Fläche über einer flachen Oberseite der Metallsäule ist.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 4, wobei der erste Abschnitt der ersten Referenzschicht, der freien Schicht und der zweiten Referenzschicht auf der Seitenwand der Metallsäule zweimal so dick wie der zweite Abschnitt der ersten Referenzschicht, der freien Schicht und der zweiten Referenzschicht auf der horizontalen Fläche über der Halbleiterwafer-Oberfläche und auf der horizontalen Fläche über der flachen Oberseite der Metallsäule oder dicker ist.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 4, wobei der zweite Abschnitt der ersten Referenzschicht, der freien Schicht und der zweiten Referenzschicht, der auf der horizontalen Fläche über der Halbleiterwafer-Oberfläche und auf der horizontalen Fläche über der flachen Oberseite der Metallsäule abgeschieden ist, elektrisch nicht leitfähig und nicht ferromagnetisch ist.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei eine Dicke eines oder mehrerer horizontaler Abschnitte der ersten Tunnelbarriere und eine Dicke eines oder mehrerer horizontaler Abschnitte der zweiten Tunnelbarriere dicker als ein Abschnitt der ersten Tunnelbarriere und ein Abschnitt der zweiten Tunnelbarriere sind, die auf Seitenwänden der Metallsäule abgeschieden sind.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei die erste Referenzschicht, die erste Tunnelbarriere, die freie Schicht, die zweite Tunnelbarriere und die zweite Referenzschicht einen doppelten magnetischen Tunnelübergang in dem trichterförmigen Spin-Transfer-Drehmoment-MRAM-Bauelement bilden.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Kontaktmetall über der zweiten Referenzschicht, wobei ein zweites Zwischenschichtdielektrikum das Kontaktmetall auf freiliegenden Seiten der zweiten Referenzschicht, der zweiten Tunnelbarriere, der freien Schicht, der ersten Tunnelbarriere, der ersten Referenzschicht und auf einem freigelegten Abschnitt des ersten Zwischenschichtdielektrikums umgibt.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 9, wobei das Kontaktmetall über der zweiten Referenzschicht als Bitleitung dient.
Halbleiterstruktur eines trichterförmigen magnetoresistiven Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher-Bauelements (STT-MRAM-Bauelements), wobei die Struktur aufweist: eine Metallsäule auf einer Verbindung zu einem Halbleiterbauelement; eine freie Schicht auf der Metallsäule und auf einem Abschnitt eines ersten Zwischenschichtdielektrikums neben der Metallsäule; eine Tunnelbarriere auf der freien Schicht; und eine Referenzschicht auf der Tunnelbarriereschicht.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 11, wobei die freie Schicht aus einem Material der folgenden Gruppe besteht: Kobalt-Eisen-Bor, einer Doppelschicht aus Kobalt-Eisen-Bor und Kobalt-Eisen, einem Leichtmetall, einer Doppelschicht aus Kobalt-Eisen-Bor und einer Heusler-Legierung oder einer Doppelschicht aus Kobalt-Eisen-Bor und einem Weichmagnetmaterial.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 12, wobei die freie Schicht aus einer Doppelschicht aus Kobalt-Eisen-Bor und Kobalt-Eisen-Aluminium, Kobalt-Eisen-Bor und Nickel-Mangan-Antimon oder Kobalt-Eisen-Bor und Mu-Metall besteht.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 11, wobei ein erster Abschnitt der Referenzschicht auf einer Seitenwand der Metallsäule und ein erster Abschnitt der freien Schicht über der Seitenwand der Metallsäule dicker als ein oder mehrere Abschnitte der freien Schicht und ein zweiter Abschnitt der Referenzschicht über einer horizontalen Fläche über einer Halbleiterwafer-Oberfläche und auf einer horizontalen Fläche über einer flachen Oberseite der Metallsäule sind.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 14, wobei eine Dicke der freien Schicht auf der Seite der Metallsäule fünfmal so groß wie eine Dicke der freien Schicht 2 auf der horizontalen Fläche über der Halbleiterwafer-Oberfläche und auf der horizontalen Fläche über der flachen Oberseite der Metallsäule ist.
Verfahren zum Ausbilden eines trichterartigen magnetoresistiven Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher-Bauelements (STT-MRAM-Bauelements), wobei das Verfahren aufweist: Abscheiden einer freien Schicht auf einer Metallsäule und auf einer Zwischenschichtdielektrikumsschicht, wobei die Metallsäule, die über einem Kontakt zu einem Halbleiterbauelement liegt, abgewinkelte Seiten hat; Abscheiden einer Tunnelbarriereschicht über der freien Schicht; Abscheiden einer Referenzschicht über der Tunnelbarriereschicht; Entfernen eines horizontalen Abschnitts der freien Schicht, der Tunnelbarriereschicht, der Referenzschicht und eines oberen Abschnitts des Zwischenschichtdielektrikums neben der Metallsäule; und Ausbilden eines Kontakts über einem verbleibenden Abschnitt der Referenzschicht.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die freie Schicht und die Referenzschicht bei einem ersten schiefen Abscheidungswinkel abgeschieden werden, wobei der erste schiefe Abscheidungswinkel in einem Bereich von 70 bis 80 Grad gegenüber einer Bezugsrichtung senkrecht zu einer Halbleiterwafer-Oberfläche liegt, während der Halbleiterwafer gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Abscheiden der freien Schicht und der Referenzschicht bei einem gleichen Abscheidungswinkel für einen dünnen Abschnitt der freien Schicht und einen dünnen Abschnitt der Referenzschicht über einer horizontalen Fläche des Zwischenschichtdielektrikums neben der Metallsäule und über einer oberen Fläche des Halbleiterwafers sorgt, und wobei der dünne Abschnitt der freien Schicht und der dünne Abschnitt der Referenzschicht nicht leitfähig sind.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Tunnelbarriereschicht bei einem zweiten schiefen Abscheidungswinkel abgeschieden wird, wobei der zweite schiefe Abscheidungswinkel für die Tunnelbarriereschicht in einem Bereich von 10 bis 15 Grad gemessen zur Bezugsrichtung senkrecht zu der Halbleiterwafer-Oberfläche liegt, und wobei der Halbleiterwafer während des Abscheidens der Tunnelbarriereschicht gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Tunnelbarriereschicht bei dem ersten schiefen Abscheidungswinkel abgeschieden wird, wobei ein erster Abschnitt der Tunnelbarriere an einer Seitenwand der Metallsäule dünn genug ist, um ein Elektronentunneln zu erlauben, und ein oder mehrere horizontale Abschnitte der Tunnelbarriere dick genug sind, um ein Elektronentunneln zu verhindern.