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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein eine MRAM-Vorrichtung, die über einer Isolationsschicht und innerhalb einer Schutzseitenwand eine fixierte Schicht (Pinned Layer) aufweist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Konstrukteure von integrierten Schaltungen befinden sich seit jeher auf der Suche nach dem idealen Halbleiterspeicher: Eine Vorrichtung, die einem Zufallszugriff zugänglich ist, in die rasch geschrieben und aus der rasch gelesen werden kann, die nicht flüchtig ist, die jedoch unendlich geändert werden kann, und die wenig Strom verbraucht. Die Magneto-Widerstands-Zugriffsspeicher(MRAM)technik wird zunehmend als diese Vorteile bietend angesehen.
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Ein magnetisches Speicherelement weist eine Struktur auf, die Magnetschichten enthält, die durch eine nichtmagnetische Schicht getrennt sind. Information kann als „1“ und „0“ in Gestalt der Richtungen von Magnetisierungsvektoren in diesen Magnetschichten gelesen werden. Magnetvektoren in einer (einzigen) Magnetschicht sind magnetisch fixiert oder festgelegt, während Magnetvektoren anderer Magnetschichten nicht fixiert sind, so dass die Magnetisierungsrichtung frei umschaltbar ist zwischen „parallelen“ und „antiparallelen“ Zuständen relativ zu der fixierten Schicht. Infolge der parallelen und antiparallelen Zustände repräsentiert das magnetische Speicherelement zwei unterschiedliche Widerstandzustände, die durch die Speicherschaltung als entweder „1“ oder „0“ gelesen werden. Eben diese Ermittlung dieser Widerstandszustände für die unterschiedlichen magnetischen Orientierungen erlaubt es, dass der MRAM Information liest und schreibt.
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Bei der standardmäßigen MRAM-Verarbeitung gibt es bestimmte Probleme in Bezug auf die Verwendung der optischen Fotolithografie. Typischerweise wird die freie Magnetschicht getrennt von einer vorab abgeschiedenen Kupferverbindungsleitung und der fixierten Magnetschicht strukturiert, die über ihr ruht. Dieses getrennte Strukturieren erfordert einen Belichtungs- bzw. Fotoschritt, bei dem die Registerhaltigkeit kritisch ist bei der Anordnung der freien Schicht über der fixierten Schicht.
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Typischerweise wird Schleuderätzen oder Spinätzen eingesetzt, um die fixierte Schicht zu bilden. Schleuderätzen oder Spinätzen führt dazu, dass die fixierte Schicht im Zentrum mit einem größeren Grad als die äußeren Bereiche eingetieft oder „einwärts gekrümmt“ wird. Die eingetiefte Form ist erwünscht, weil davon ausgegangen wird, dass sie einen größeren Teil des elektromagnetischen Felds dazu veranlasst, an der freien Magnetschicht gerichtet zu werden, wodurch der Strom verringert wird, der benötigt wird, den Zustand der freien Schicht zu ändern. Schleuderätzen verläuft notorisch ungleichmäßig, weil es von Veränderungen zwischen dem zentralen und äußeren Bereichen des Wafers abhängt. Außerdem bestehen Probleme in Bezug auf Schiefheit am nacheilenden Schleuderrand, hervorgerufen durch diesen Prozess.
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Es besteht ein Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung der MRAM-Struktur, durch das die Struktur genauer und zuverlässiger gebildet wird. Ein Seitenwandschutz der MRAM-Struktur, eine Verhinderung von Kupfermigration bzw. -wanderung und eine genaue Definition der Struktur stellen sämtliche Eigenschaften dar, die möglichst verbessert werden sollen. Außerdem ist eine Verarbeitung der MRAM-Struktur ohne Notwendigkeit für Schleuderätzen zur Erzielung einer gleichmäßigeren bzw. gleichförmigeren Struktur über dem Wafer ebenfalls von Vorteil.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 100 43 947 A1 ist eine integrierte Schaltungsanordnung mit mindestens einem Stromleiter, der im stromgeschlossenen Zustand ein Magnetfeld erzeugt, dass auf wenigstens ein weiteres Teil der Schaltungseinordnung einwirkt, bekannt, wobei zur Beeinflussung des erzeugbaren Magnetfelds der Stromleiter querschnittlich gesehen wenigstens eine Ausnehmung oder Eintiefung oder einen Bereich geringerer Leitfähigkeit an der dem Teil zugewandten Seite aufweist. Die integrierte Schaltungsanordnung ist in Form eines MRAMs ausführbar, bei der mehrere in zwei Ebenen liegende und sich im wesentlichen rechtwinklige Stromleiter vorgesehen sind. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltungsanordnung mit einem oder mehreren in einer Ebene liegenden Stromleitern bekannt, bei dem eine Schicht auch nicht leitendem Materials entsprechend der Lage eines nachfolgend zu erzeugenden Stromleiters erzeugt wird, die Dicke und/oder Breite der Materialschicht reduziert wird und ein die Materialschicht überdeckender Stromleiter aufgebracht wird. Eine zweite Verfahrensalternative sieht vor, dass vor der Erzeugung des weiteren Teils in Form einer durch ein Magnetfeld beinflussbaren Schicht ein oder mehrere Stromleiter auf einem Substrat erzeugt wird und ein Bereich niedriger Leitfähigkeit an der freien Seite eines Stromleiters zur Reduktion der für die Ausbildung eines Magnetfelds bei Stromfluss relevanten Leiterdicke erzeugt wird, wonach die beinflussbare Schicht auf einem Stromleiter erzeugt wird. Eine weitere Verfahrensvariante zur Ausbildung eines untenliegende, vergrabenen Stromleiters sieht vor der Erzeugung des weiteren Teils in Form einer durch einen Magnetfeld veränderbaren oder beeinflussbaren Schicht vor, dass ein oder mehrere Stromleiter auf einem Substrat erzeugt werden, dass eine Ausnehmung oder Vertiefung an der freien Seite eines Stromleiters zur Reduktion der für die Ausbildung eines Magnetfelds bei Stromfluss relevant in Leiterdicke erzeugt wird und dass ein nichtleitendes Material in die Ausnehmung oder Vertiefung eingebracht wird, wonach die beeinflussbare Schicht auf einen Stromleiter erzeugt wird. Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante zur Herstellung einer Schaltungsanordnung werden eine oder mehrere Stromleiter auf einem Substrat erzeugt, eine Schicht aus nichtleitendem Material wird auf einem Stromleiter erzeugt, die Dicke und/oder Breite der Materialschicht wird reduziert und weitere, die verbliebene reduzierte Materialschicht seitlich umgebene Abschnitte des Stromleiters werden zur Bildung eines Stromleiters mit einer für die Ausbildung eines Magnetfelds bei Stromfluss reduzierten relevanten Leiterdicke erzeugt, wonach die beeinflussbare Schicht auf einem Stromleiter erzeugt wird.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 195 34 856 A1 ist eine digitale Speichereinrichtung für Lese- und/oder Schreiboperationen bekannt, die eine erste und eine zweite magnetische Schicht und eine zwischen den magnetischen Schichten angeordnete Zwischenschicht umfasst, wobei eine unveränderbare Magnetisierungsrichtung in der ersten magnetischen Schicht und eine veränderbare Magnetisierungsrichtung in der zweiten magnetischen Schicht vorgesehen sind. Ferner weist die Speichereinrichtung Leiterbahnen zum Leiten von Lese- und/oder Schreibströmen auf, wobei für eine Leseoperation ein Strom eine über die Zeitspanne des fließenden Stroms andauernde Richtungsänderung der Magnetisierung in der zweiten magnetischen Schicht bewirkt und für eine Schreiboperation ein zusätzlicher Strom eine nach Abschalten der Ströme andauernde Magnetisierungsrichtung in der zweiten magnetischen Schicht bewirkt. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung einer digitalen Speichereinrichtung mit zwei magnetischen Schichten und einer unmagnetischen Zwischenschicht bekannt, bei dem die magnetischen Schichten derart ausgebildet werden, dass die unmagnetische Zwischenschicht mit einer geringeren Dicke als die der magnetischen Schichten zwischen den magnetischen Schichten angeordnet ist, eine magnetische Formanisotopie derart in den magnetischen Schichten aufgeprägt wird, dass die Magnetisierung in der ersten magnetischen Schicht unveränderbar wird, eine erste untere Leiterbahn unterhalb der unteren magnetischen Schicht und isoliert von dieser ausgebildet wird, eine zweite untere Leiterbahn unter der ersten unteren Leiterbahn und isoliert von dieser ausgebildet wird, eine erste obere Leiterbahn oberhalb der oberen magnetischen Schichten und einer Kontaktstelle zwischen den beiden ausgebildet wird und eine zweite obere Leiterbahn oberhalb der ersten oberen Leiterbahn und isoliert von dieser und mit einer weiteren Kontaktstelle zwischen der zweiten oberen Leiterbahn und der oberen magnetischen Schicht ausgebildet wird.
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Aus der Patentanmeldung
WO 00 / 31 794 A1 ist eine Methode zur Erzeugung einer mikroelektronischen Schaltungsanordnung bekannt, bei der chemisch-mechanisches Polieren zum Ebnen der Schichten eingesetzt wird. Diese Schichten können eine Barrierenschicht, eine Bodenelektrode, eine ferroelektrische Schicht, eine Oberflächenelektrode und eine dielektrische isolierende Schicht umfassen. Die Barrierenschicht kann als Stopschicht für die Einebnungstiefe in dem dielektrischen isolierenden Material dienen. Eine weitere isolierende Schicht kann über der Struktur abgelagert werden. Die mikroelektronische Schaltungsanordnung bzw. Struktur, die durch das beschriebene Verfahren hergestellt wird, kann ebenfalls Leitungsbahnen enthalten, die in einem Material von hoher magnetischer Permeabilität eingelagert sind.
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Aus der Patentanmeldung
WO 00 / 72324 A1 ist ein monolithisch geformter ferromagnetischer Dünnfilm-Speicher bekannt, der lokale Schutzvorrichtungen an zumindest zwei Seiten von ausgewählten magnetischen Speicherelementen aufweist. Die lokalen Schutzvorrichtungen dienen dazu, extern generierte elektromagnetische Störungen, intern generierte Interferenzen und andere unerwünschte Felder in der magnetischen Bit-Region zu reduzieren und die gewünschten magnetischen Felder in der Bit-Region zu verstärken. Ferner ist eine Methode zur monolithischen Erzeugung eines ferromagnetischen Dünnfilm-Speicherelements beschrieben, bei der eine untere Schutzschicht aus einem weichen magnetischen Material geformt wird, ein magnetisches Speichermittel über der unteren Schutzschicht geformt wird, eine obere Schutzschicht aus weichem magnetischem Material über dem magnetischen Speichermittel geformt wird und die unteren Schutzmittel, die oberen Schutzmittel und die magnetischen Speichermittel alle monolithisch auf einem gemeinsamen Substrat gebildet werden. Ferner kann eine erste leitende Schicht zwischen der unteren Schutzschicht und dem magnetischen Speichermittel gespeichert werden. Eine zweite magnetische Schicht kann zwischen der oberen Schutzschicht und dem magnetischen Speichermittel gebildet werden. Eine erste Barrierenschicht kann zwischen der unteren Schutzschicht und der ersten leitenden Schicht geformt werden. Eine zweite Barrierenschicht kann zwischen der oberen Schutzschicht und der zweiten leitenden Schicht geformt werden. Weiter ist eine Methode zur Erzeugung eines ferromagnetischen Dünnfilm-Speicherelements beschrieben, dass ein oberes magnetisches Schild und ein unteres magnetisches Schild umfasst, bei dem eine isolierende Schicht zur Verfügung gestellt wird, eine Aushöhlung in der isolierenden Schicht gebildet wird, wobei die Aushöhlung eine Bodenfläche und zwei beabstandete Seitenflächen aufweist, eine erste Schicht aus weichem magnetischen Material über der Bodenfläche der Aushöhlung zur Verfügung gestellt wird, eine erste leitende Schicht in der Aushöhlung und über der ersten Schicht aus weichem magnetischen Material zur Verfügung gestellt wird, eine erste isolierende Schicht gegenüber der ersten leitenden Schicht zur Verfügung gestellt wird, eine magneto-rezessive Bit-Region über der ersten isolierenden Schicht gebildet und über der magneto-rezessiven Bit-Region zur Verfügung gestellt wird, eine zweite leitende Schicht über der zweiten isolierenden Schicht zur Verfügung gestellt wird und eine zweite Schicht aus magnetischem Material über der Oberfläche der zweiten leitenden Schicht zur Verfügung gestellt wird.
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Aus der Patentschrift
US 59 56 267 A ist eine monolithisch geformte magneto-resistive Speichereinheit bekannt, die eine dielektrische Schicht umfasst, in der eine geätzte Aushöhlung geformt ist, wobei die Aushöhlung eine Bodenfläche und zwei beabstandete Seitenflächen aufweist. Eine Leiterbahn ist in der Aushöhlung vorgesehen und benachbart zu einem Magnetfeldhalter angeordnet. Ebenfalls beschrieben ist ein Verfahren zur Herstellung der Speichereinheit. Ein Polierverfahrensschritt kann eingesetzt werden, um Teile des Magnetfeldhalters und/oder der Leitungsbahn, die über der Oberfläche der elektrischen Schicht liegen zu entfernen. Eine Materialschicht aus weichem magnetischen Material, die vorzugsweise die deckende erste und zweite Barrierenschichten umfasst, ist auf dem Boden und/oder den Seitenflächen der Aushöhlung vorgesehen.
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Aus der
US 61 69 686 B1 geht ein Halbleiterspeicher mit einer Anordnung von magnetischen Speicherzellen und einem Satz von Leitern hervor. Ein Verfahrensschritt, der ein Muster der Leiter erzeugt, erzeugt ebenfalls ein Muster von magnetischen Schichten in den magnetischen Speicherzellen, wodurch die Notwendigkeit einer präzisen Ausrichtung zwischen verschiedenen Muster-Masken vermieden wird. Magnetische Halbleiterspeicher gehen auch aus
US 55 87 943 A und
JP H09 - 306 160 A hervor.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine MRAM-Vorrichtung und ein Prozessorsystem zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweisen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die MRAM-Struktur gemäß der Erfindung weist keine fixierte Schicht auf, die in einem Graben eingetieft ist, sondern bildet diese über einer Isolationsschicht aus. Ein nicht zur Erfindung gehörendes Verfahren sieht einen Seitenwandschutz für die Bodenmagnetschicht der MRAM-Struktur vor und gewährleistet eine zuverlässigere Struktur, die außerdem eine Definition der MRAM-Baugruppe bzw. des -Stapels durch einen selbsteinstellenden Prozess. Durch diesen selbsteinstellenden Prozess wird der Bodenabschnitt der MRAM-Baugruppe, der die Bodenmagnetschicht enthält, in einem einzigen Ätzschritt definiert und der obere Abschnitt, der die obere Magnetschicht enthält, wird über der Bodenmagnetschicht in einem weiteren, einzigen, selbsteinstellenden Ätzschritt definiert, der die obere Magnetschicht über der unteren Magnetschicht positioniert.
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Dieser Prozess erlaubt die Herstellung von MRAM-Strukturen ohne die Verwendung der Grabenprozesstechnik. Er beseitigt zahlreiche der Probleme, die mit der optischen Lithografie verbunden sind, sowie die Prozessvariabilitäten, die mit Schleuderätzen des Eintiefungsbereichs der fixierten Schicht verbunden sind. Schließlich erlaubt er eine genaue Steuerung der oberen Magnetschicht bezüglich ihrer Positionierung über der unteren Magnetschicht, um die elektrischen Eigenschaften des MRAM zu verbessern.
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Diese sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Verarbeitungszwischenstufe für die MRAM-Stufe in Übereinstimmung mit der Erfindung;
- 2 zeigt eine Verarbeitungsstufe für die MRAM-Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung, folgend auf die in 1 gezeigte Stufe; 3 zeigt eine Verarbeitungsstufe für die MRAM-Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung, folgend auf die in 2 gezeigte Stufe;
- 4 zeigt eine Verarbeitungsstufe für die MRAM-Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung, folgend auf die in 3 gezeigte Stufe;
- 5 zeigt eine Verarbeitungsstufe für die MRAM-Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung, folgend auf die in 4 gezeigte Stufe;
- 6 zeigt eine Verarbeitungsstufe für die MRAM-Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung, folgend auf die in 5 gezeigte Stufe;
- 7 zeigt eine Verarbeitungsstufe für die MRAM-Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung, folgend auf die in 6 gezeigte Stufe;
- 8 zeigt eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht von Mehrfach-MRAM-Vorrichtungen unter Darstellung der Verbindung zwischen oberen Magnetschichtinseln in Bezug auf darunter liegende bodenseitige bzw. untere Magnetschichtleitungen; und 9 zeigt ein auf einem Prozessor basierendes System mit einer Speicherschaltung und die MRAM-Vorrichtung enthaltend, die in Übereinstimmung mit der Erfindung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf verschiedene spezielle Ausführungsformen Bezug genommen, in denen die Erfindung in die Praxis umgesetzt ist. Diese Ausführungsformen werden ausreichend detailliert erläutert, um einen Fachmann auf diesem Gebiet der Technik in die Lage zu versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, und es wird bemerkt, dass weitere Ausführungsformen verwendet werden können, und dass strukturelle und elektrische Änderungen ausgeführt werden können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Die Begriffe „Substrat“ und „Wafer“ werden gegenseitig bzw. einander ersetzend in der folgenden Beschreibung verwendet und sie können eine beliebige, auf einem Halbleiter basierende Struktur umfassen. Unter Struktur wird eine solche verstanden, die Silizium, Silizium auf einem Isolator (SOI), Silizium auf Saphir (SOS), dotierte und undotierte Halbleiter, Epitaxialschichten aus Silizium, getragen durch ein Basishalbleiterfundament, und andere Halbleiterstrukturen enthält. Der Halbleiter muss nicht auf Silizium basieren. Bei dem Halbleiter kann es sich um Silizium-Germanium, um Germanium oder um Galliumarsenid handeln. Soweit in der nachfolgenden Beschreibung auf Substrat Bezug genommen wird, können vorausgehende Prozessschritte verwendet werden, um Bereiche oder Übergänge in dem Basishalbleiter bzw. dem Fundament oder über diesem zu bilden.
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Der Begriff „Metall“ soll nicht nur elementares Metall enthalten, sondern auch Metall mit Spuren anderer Metalle oder in verschiedenen legierten Kombinationen mit anderen Metallen, wie auf dem Gebiet der Halbleitertechnik bekannt, solange derartige Legierung die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Metalls beibehält. Der Begriff „Metall“ soll außerdem leitende Oxide aus diesen Metallen enthalten.
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Für die nachfolgend erläuterten Verfahrensschritte ist keine spezielle Abfolge erforderlich, mit Ausnahme von solchen, die logischerweise die Ergebnisse vorausgehender Schritte erfordern. Während zahlreiche der nachfolgend erläuterten Schritte als in einer beispielhaften Abfolge durchgeführt diskutiert sind, kann diese Abfolge eine andere sein.
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Es wird ein nicht zur Erfindung gehörendes Verfahren zum Bilden einer MRAM-Struktur beschrieben, wobei die MRAM-Struktur die fixierte Schicht nicht erfordert, d. h., die bodenseitige bzw. untere Magnetschicht (M1-Schicht), die in einem Graben eingetieft werden muss. Dieses Verfahren führt außerdem zu einer Schutzseitenwand für die MRAM-Struktur. Eine derartige Schutzseitenwand erbringt zusätzlich eine verbesserte Zuverlässigkeit durch Verhindern der Migration bzw. Wanderung von Kupfer aus der M1-Verbindungsleitung, d. h., der Zahlenleitung, und sie erlaubt es außerdem, dass die MRAM-Baugruppe bzw. der -Stapel während der Verarbeitung genau definiert wird. Unter Verwendung des Prozesses werden zahlreiche mit der optischen Lithografie verbundene Probleme beseitigt, wie etwa die Verarbeitungsvariabilitäten, die mit Schleuderätzen eines Eintiefungsbereichs für die fixierte Schicht verbunden sind. Schließlich erlaubt das Verfahren eine genaue Steuerung der Größe der oberen Magnetschicht (M2-Schicht) und das Positionierung über der M1-Schicht, um die elektrischen Eigenschaften der MRAM-Struktur zu verbessern.
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In den Zeichnungen sind gleiche Elementen mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. 1 zeigt einen Querschnitt einer MRAM-Speicherzelle während der Verarbeitung in einer Zwischenstufe, in der eine Halbleiterschicht 8, eine CMOS-Schicht 10 mit CMOS-Zugriff und Logiktransistoren über der Halbleiterschicht 8, und eine Schicht aus Isolationsmaterial, im Folgenden als Isolationsschicht 11 bezeichnet, bevorzugt aus TEOS- oder CVD-Nitrid, vorgesehen sind. Die Isolationsschicht 11 sollte etwa 5000 Angstrom dick sein. CMOS-Zugrifftransistoren (nicht gezeigt) können über der Halbleiterschicht 8 und in der CMOS-Schicht 10 in den Bereichen um und unter dem Umfang bzw. Rand der MRAM-Gruppierung hergestellt werden, um die Funktion (das Lesen und Schreiben) der MRAM-Vorrichtungen zu steuern, die durch den Prozess hergestellt werden sollen. Weitere Transistoren, wie etwa Logik- oder Decodiertransistoren werden in derselben CMOS-Schicht 10, jedoch unter der MRAM-Gruppierung hergestellt. Eine derartige Konfiguration aus den MRAM-Transistoren führt zur Einsparung von wertvollem Platz auf dem Wafer. Sämtliche nachfolgend diskutieren MRAM-Herstellungsschritte finden über der CMOS-Schicht 10 statt, in der die CMOS-Transistorstrukturen gebildet sind, und der Oberfläche der planaren Isolationsschicht 11, die über diesen Strukturen gebildet ist. Die Halbleiterschicht 8, die CMOS-Schicht 10 und die Isolationsschicht 11 können als Substrat 200 für weitere Herstellungsschritte angesehen werden.
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Eine Oxidschicht 12 wird über der Isolationsschicht 11 gebildet. Dies kann durch auf diesem Gebiet der Technik an sich bekannte, herkömmliche Mittel erfolgen, wie etwa durch chemische Dampfabscheidung (CVD). Diese Oxidschicht 12 wird mit einer ersten Fotolackmaske 14 strukturiert, um Ätzen von Bereichen zu vermeiden, die bis zu späteren Verarbeitungsschritten nicht entfernt werden sollen. Die geschützten Bereiche der Oxidschicht 12 dienen als Trennelemente für die MRAM-Stapel bzw. -Baugruppen während der ersten Herstellungsstufe.
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Wie in 2 gezeigt, werden Teile der Oxidschicht 12 unter Verwendung der ersten Fotolackmaske 14 entfernt, um die darunter liegende Isolationsschicht 11 freizulegen. Dies kann in vielfach unterschiedlicher Weise erfolgen, nachdem die erste Fotolackmaske 14 über diesen nicht zu entfernenden Teilen entwickelt bzw. ausgebildet ist. Abstandhalteroxidätzen inklusiver Facettenätzen können eingesetzt werden; Abstandhalterätzen kann eingesetzt werden; und die Verwendung eines Oxidimplantats in eine nicht oxidierte Schicht, gefolgt durch selektives Nassätzen zur Entfernung der oxidierten Bereiche kann ebenfalls eingesetzt werden. Die erste Fotolackmaske 14 wird von der Oberseite der verbleibenden Abschnitt der Oxidschicht 12 ebenfalls entfernt. Dieser Schritt belässt die Oxidschicht 12 über Abschnitten des Substrats 200, die zwischen zukünftigen MRAM-Baugruppen 32 zu liegen kommen (siehe 7), wie in 2 gezeigt. Diese verbleibenden Abschnitte der Oxidschicht 12 dienen zur Bereitstellung von Umrissen für die Oberseite des Wafers.
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Wie in 3 gezeigt, wird als nächstes eine Reihe von Schichten über der Isolationsschicht 11 und der verbleibenden Oxidschicht 12 abgeschieden, um den Bodenabschnitt 38 (siehe 4) der MRAM-Baugruppe 32 zu bilden (siehe 7). Die erste dieser Schichten ist eine isolierende Schicht 16, im Folgenden isolierende Nitridschicht 16. Die Nitridschicht 16 kann durch CVD, PECVD oder ALD gebildet werden und sie sollte dick genug sein, damit Seitenwände 24 gebildet werden können, wobei eine Dicke kleiner als 200 Å ausreichen sollte. Weitere Isolationsschichten können alternativ für die Nitridschicht 16 verwendet werden, wie etwa Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Aluminiumnitrid. Über der Nitridschicht 16 wird eine erste Grenzschicht 18, im Folgenden Tantalschicht 18, abgeschieden. Die Tantalschicht 18 bildet eine Haft-, Grenz- und Ätzstoppschicht, und sie kann mit einer Dicke von etwa 100 Å durch Zerstäuben abgeschieden werden. Als nächstes wird eine erste leitende Schicht 20, im Folgenden Kupferschicht 20, über der Tantalschicht 18 abgeschieden. Diese Kupferschicht 20 bildet eine Verbindungsleitung und sie stellt den Stromträger zwischen der fixierten MRAM-Schicht, im Folgenden als erste Magnetschicht 22 oder M1-Schicht 22 bezeichnet, und der zugeordneten CMOS-Schaltung in der darunter liegenden CMOS-Schicht 10 dar und sie kann durch Elektroplattieren oder Zerstäuben gebildet werden und sollte etwa 2000 Å dick sein. Diese Kupferschicht 20 kann als Zahlenleitung oder Bitleitung für die MRAM-Vorrichtung genutzt werden. Über der Kupferschicht 20 wird eine weitere oder zweite Grenzschicht 19 abgeschieden, die Tantal umfasst. Die Grenzschicht 19 kann etwa 20 - 400 Å dick sein. Diese Grenzschicht 19 trennt das Kupfer der Zahlenleitung von den nachfolgend gebildeten Schichten. Über der Nitridschicht 16, der Tantalschicht 18, der Grenzschicht 19 und der Kupferschicht 20 wird als nächstes eine (Kristallisations-) Keimschicht 21 für den bodenseitigen bzw. unteren Magnetschichtbereich abgeschieden. Die Keimschicht 21 kann NiFe umfassen und sie sollte etwa 10 - 100 Å dick sein. Diese Keimschicht 21 ermöglicht das korrekte Kristallwachstum für die als nächstes abzuscheidende antiferromagnetische Schicht 23. Eine antiferromagnetische Schicht 23 wird über der Keimschicht 21 gebildet, um das Fixieren der unteren bzw. bodenseitigen Magnetschicht zu ermöglichen. Die antiferromagnetische Schicht 23 sollte FeMn sein und sie sollte etwa 10 - 100 Å dick sein. Über diese antiferromagnetischen Schicht 23 wird die M1-Schicht 22 gebildet.
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Die Nitridschicht 16, die Tantalschicht 18, die Grenzschicht 19, die Kupferschicht 20, die Keimschicht 21, die antiferromagnetische Schicht 23 und die M1-Schicht 22 werden konform abgeschieden, wie in 3 gezeigt, so dass an ihrem höchsten Punkt relativ zu dem darunter liegenden Substrat 200 die Nitridschicht 16, die über und auf den Lateralseiten der verbleibenden Abschnitte der Oxidschicht 12 abgeschieden ist, eine höhere Höhe bzw. Höhenlage aufweist als der tiefste Abschnitt der M1-Schicht 22 relativ zu dem darunter liegenden Substrat 200.
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Die Nitridschicht 16 bildet eine Schutz- und Einschließungsschicht. Sie erlaubt einerseits oder zum Teil die Selbsteinstellung nachfolgender Prozessschritte, weil sie eine Differenzialschicht bereit stellt, um eine Nassentfernung des Oxids in einer späteren Verarbeitungsstufe zu ermöglichen; sie wirkt als Stoppschicht für den nachfolgend erläuterten CMP-Prozess; sie bildet eine Einschließungsgrenze gegenüber einer seitlichen Beschädigung der MRAM-Struktur und sie trägt dazu bei, eine Migration des Kupfers aus der Kupferschicht 20 zu verhindern, die die Zahlenleitungen bildet.
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Die M1-Schicht 22 kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren abgeschieden werden, wie etwa durch Sprüh- oder Verdampfungstechniken, und abhängig von den verwendeten Materialien sollte sie eine Dicke von etwa 10 -100 Å aufweisen. Bei der M1-Schicht 22 kann es sich um eine oder mehrere Schichten einer beliebigen Vielzahl von Materialien mit guten magnetischen Eigenschaften handeln, wie etwa Nickeleisenkobalt-(NiFeCo)legierung oder beliebige ähnliche Verbindungen oder Legierungen. Die M1-Schicht 22 besteht bevorzugt aus Nickeleisen (NiFe). Die M1-Schicht 22 bildet die fixierte Magnetschicht, was bedeutet, dass die Magnetorientierung der Schicht während eines Zugriffs auf die M1-Schicht 22 während des MRAM-Betriebs festgelegt ist. Diese M1-Schicht 22 ist fixiert auf Grund ihrer Zuordnung zu der darunter liegenden antiferromagnetischen Schicht 23, wodurch ein singulär ausgerichtetes fixiertes Magnetfeld für die M1-Schicht 22 erzeugt wird.
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Wie in 4 gezeigt, werden die soeben abgeschiedenen Schichten, nämlich die Nitridschicht 16, die Tantalschicht 18, die Grenzschicht 19, die Kupferschicht 20, die Keimschicht 21, die antiferromagnetische Schicht 23, die M1-Schicht 22, und die darunter liegende verbleibende Oxidschicht 12 derart strukturiert und geätzt, dass die Bereiche dieser Schichten über der verbleibenden Oxidschicht 12 und die Oxidschicht 12 selbst entfernt werden, während die darunter liegende Isolationsschicht 11 freigelegt wird. Dies wird durch Ätzen mit HF-Säure bewirkt. Die Nitridschicht 16, die Tantalschicht 18, die Grenzschicht 19, die Kupferschicht 20, die Keimschicht 21, die antiferromagnetische Schicht 23 und die M1-Schicht 22 sollten über der Isolationsschicht 11 dort verbleiben, wo die Oxidschicht 12 zuerst entfernt wurde, wie unter Bezug auf 2 erläutert, so dass die Schichten über der Nitridschicht 16 und innerhalb der Seitenwände 24 verbleiben, die durch die selektive Entfernung der unerwünschten Abschnitte der Schichten erzeugt wurden. Als nächstes sollten die Schichten durch CMP (chemisches mechanisches Polieren) unter Verwendung der Nitridschicht 16 als Stoppschicht poliert werden, um Stapel von Schichten für den MRAM-Bodenabschnitt 38 zu bilden, wie in 4 gezeigt. Diese resultierende Struktur sollte derart sein, dass die Nitridschicht 16 vollständige Seitenwände 24 über die gesamte Höhe und einen verbleibenden Bodenabschnitt der Nitridschicht 16 über die Länge des Bodens der MRAM-Struktur bildet, wie in 4 und 8 gezeigt. Außerdem sollte die oberste erste M1-Schicht 22 der Struktur einen eingetieften Bereich 26 enthalten, wie in 4 und 8 gezeigt, der unter der Oberseite der Seitenwände 24 liegt. Bei diesem eingetieften Bereich 26 der M1-Schicht 22 handelt es sich um das normale Auftreten der konformen Abscheidung der der Nitridschicht 16, der Tantalschicht 18, der Grenzschicht 19, der Kupferschicht 20, der Keimschicht 21, der antiferromagnetischen Schicht 23 und der M1-Schicht 22, und des CMP-Prozesses, und wie nachfolgend unter Bezug auf 3 erläutert, wurde er ermöglicht, weil die Nitridschicht 16 mit maximaler Höhe gebildet worden war, die über diesem eingetieften Bereich 26 der M1-Schicht 22 vorlag. Das Bilden des eingetieften Bereichs 26 durch dieses Verfahren beseitigt Prozessvariablen, die mit dem Schleuderätzen einer Eintiefung für die fixierte Schicht verbunden sind, die im Stand der Technik verwendet wird, weshalb ein gleichförmigere bzw. gleichmäßigere Struktur erzielt wird. Die Seitenwand 24 sorgt für Strukturzuverlässigkeit durch Verhindern einer Brückenbildung zwischen Strukturen, die im Stand der Technik auf Grund der Abhängigkeit vom anisotropen Ätzen zur Erzielung der Vorrichtungstrennung auftreten. Die Seitenwand 24 begrenzt außerdem die Kupferschicht 20 oder Pufferschicht und verhindert eine Kupfermigration aus der Zahlenleitung in beliebige umgebende Schichten. Bei Verwendung der Technik mit der Seitenwand 24 handelt es sich um ein genaueres Verfahren zum Definierten einer MRAM-Baugruppe 32, weil es sich bei dem anfänglichen Oxidmuster, das zur Ausbildung der Seitenwand 24 beiträgt, um eine einzige kritische Einstellung mit einer 1F-Größe handelt, die nicht empfindlich für Registerhaltigkeit ist.
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Wie in 5 gezeigt, wird als nächstes eine nichtmagnetische Schicht 28 konform über den Schichtstapeln und der Isolationsschicht 11 abgeschieden. Bei dieser nichtmagnetischen Schicht 28 kann es sich um Aluminiumoxid (Al2O3) oder ein anderes geeignetes Material mit äquivalenten Eigenschaften handeln und sie kann durch Abscheidung einer Aluminiumdünnschicht über dem Substrat 200 und Schichtstapeln gebildet werden, woraufhin die Aluminiumdünnschicht durch eine Oxidationsquelle, wie etwa RF-Sauerstoffplasma, oxidiert wird. Diese nichtmagnetische Schicht 28 sollte etwa 5 - 25 Å dick sein. Wie vorstehend angeführt, ist diese Schicht nichtmagnetisch und dient als Tunneloxid-, Elektronenaufteilungs- oder Barrierenschicht für die magnetischen Schichten während des MRAM-Betriebs. Die nichtmagnetische Schicht 28 wirkt als Elektronenteilungsschicht, wenn die magnetische Ausrichtung der beiden Magnetschichten entgegengesetzt ist, was dazu führt, dass sie sich anziehen. Elektronen werden durch die Valenzbänder der nichtmagnetischen Schicht 28, die auch nichtleitend ist, geteilt, was eine Elektronenmigration ermöglicht. Wenn die magnetische Ausrichtung der beiden Magnetschichten gleich ist, was dazu führt, dass sie sich abstoßen, stellt diese nichtmagnetische Schicht 28 eine wirksame Barrierenschicht bereit, die Elektronenmigration verhindert.
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Über dieser nichtmagnetischen Schicht 28 wird eine zweite Magnetschicht 30, im Folgenden als M2-Schicht 30 bezeichnet, konform abgeschieden. Diese M2-Schicht 30 bildet eine freie Schicht der MRAM-Baugruppe 32. Die M2-Schicht 30 kann außerdem aus einer oder mehreren Schichten von Materialien ähnlich denjenigen der M1-Schicht 22 bestehen, bevorzugt aus NiFe, und sie sollte ebenfalls etwa 10 - 100 Å dick sein. Über der M2-Schicht 30 wird eine Abdeck- und Barrierenschicht 31 gebildet, um einen Oxidations- und Diffusionsbarrierenschutz bereit zu stellen. Diese Barrierenschicht 31 kann aus Tantal bestehen und sie sollte etwa 20 - 400 Å dick sein.
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Im Gegensatz zu der M1-Schicht 22 (die fixierte Schicht) besitzt die M2-Schicht 30 keine feststehende Magnetisierungsausrichtung und sie kann sich in dieser Ausrichtung frei verschieben und wirkt dadurch als Element zum Ermitteln des gespeicherten Werts einer Speicherzelle. Dieses Verschiebung der Magnetausrichtung der M2-Schicht 30 erlaubt es, dass die MRAM-Vorrichtung Daten als einen von zwei logischen Pegeln speichert. Bewirkt wird dies durch Ändern des Stromflusses in der Erfassungsleitung der M2-Schicht 30, die sich in der einen oder der entgegen gesetzten Richtung befindet, was zur Folge hat, dass die betreffenden Magnetfelder umgekehrt werden. Entgegengesetzt gerichteter Strom, der für die M2-Schicht 30 fließt, führt zu Magnetfeldern entgegengesetzter Polarität, die mit dem fixierten Magnetfeld der M1-Schicht 22 interagieren, so dass entweder „0“ oder „1“ durch die Erfassungsleitung als unterschiedliche Widerstände gelesen werden.
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Wie in 6 gezeigt, werden die MRAM-Stapel bzw. - Baugruppen 32 nunmehr über dem Substrat 200 strukturiert. Hierbei handelt es sich um einen selbsteinstellenden Prozess. Eine weitere, zweite Fotolackmaske 15 wird gebildet und über der Barrierenschicht 31 und der M2-Schicht 30 sowie den verbleibenden Schichten, nämlich der Nitridschicht 16, der Tantalschicht 18, der Grenzschicht 19, der Kupferschicht 20, der Keimschicht 21, der antiferromagnetischen Schicht 23, und der M1-Schicht 22 des Bodenabschnitts 38 der MRAM-Baugruppe 32 strukturiert. Diese zweite Fotolackmaske 15 definiert diskrete und isolierte Bereiche der M2-Schicht 30 und der nichtmagnetischen Schicht 28 über der M1-Schicht 22 (abgedeckt mit der Barrierenschicht 31).
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Wie in 7 gezeigt, werden als nächstes die Barrierenschicht 31, die M2-Schicht 30 und die nichtmagnetische Schicht 28 entfernt, um die darunter liegende Isolationsschicht 11 sowie Teile des Bodenabschnitts 38 der MRAM-Baugruppe 32 freizulegen. Bewirkt wird dies durch selektives Ätzen der Barrierenschicht 31, der M2-Schicht 30 und der nichtmagnetischen Schicht 28 über den darunter liegenden Materialien, um diskrete Inseln 34 der Barrierenschicht 31, der M2-Schicht 30, und der nichtmagnetischen Schicht 28 über den Reihen der Bodenabschnitte 38 der MRAM-Stapel bzw. - Baugruppen 32 zu belassen. Daraufhin wird die zweite Fotolackmaske 15 entfernt und die Inseln 34 über den MRAM-Baugruppen 32 werden durch CMP poliert, um die MRAM-Baugruppen 32 zu bilden, die in 7 gezeigt sind.
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Durch das Verfahren kann die M2-Schicht 30 bezüglich ihrer Positionierung über sowie unter Bezug auf die M1-Schicht 22 durch die Maskierungs- und Ätzschritte genau gesteuert werden, die unter Bezug auf 6 und 7 erläutert wurden. Diese genaue Steuerung verbessert die elektrischen Eigenschaften der MRAM-Vorrichtung. Auf Grund der Unterschiede in den Eigenschaften zwischen dem Magnetmaterial und dem nichtmagnetischen Material und der Seitenwand 24 können die Außenränder der M2-Schicht 30 so eingestellt werden, dass sie außerhalb oder innerhalb von denjenigen der M1-Schicht 22 liegen, ohne dass mehrere Strichplatten erforderlich wären, abhängig von der erwünschten Anwendung. Diese Erfindung verringert außerdem die laterale Richtungsempfindlichkeit beim Positionieren der M2-Schicht 30 über der M1-Schicht 22, weil die fertig gestellte MRAM-Baugruppe 32, die die bereits gebildete darunter liegende Struktur mit der M1-Schicht 22 und der nunmehr gebildeten M2-Schicht 30 enthält, in einem einzigen selbsteinstellenden Schritt definiert wird, wenn die M2-Schicht 30 und die nichtmagnetische Schicht 28 geätzt werden, um diejenigen Schichten zurückzulassen, die ausschließlich über der bereits definierten M1-Schicht 22 vorliegen.
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Wie in 8 gezeigt, werden nach der Bildung der MRAM-Baugruppe 32 die Inseln 34 der M2-Schicht 30 und der nichtmagnetischen Schicht 28 (und der Barrierenschicht 31) auf der Oberseite der MRAM-Baugruppe 32 isoliert durch Abscheiden einer Schicht aus dielektrischem Material, im Folgenden als dielektrische Schicht 40 bezeichnet, über den Inseln 34, den freiliegenden Reihen des Bodenabschnitts 38 der MRAM-Baugruppen 32 und des darunter liegenden Wafers. Die dielektrische Schicht 40 kann aus TEOS- oder CVD-Nitrid bestehen.
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Die Barrierenschicht 31 jeder Insel 34 werden durch Ätzen der dielektrischen Schicht 40 erneut freigelegt, um die Bildung von Verbindungsleitungen zu ermöglichen. Die M2-Schicht 30 der Insel 34 ist (durch die Barrierenschicht 31) mit einer oberen leitenden Verbindungsleitung 36 verbunden, bei der es sich um die Erfassungsleitung oder Wortleitung handelt, gebildet senkrecht zu dem darunter liegenden Bodenabschnitt 38 der MRAM-Baugruppe 32. Die M2-Schicht 30 der Insel 34 ist dadurch mit der M2-Schicht 30 weiterer Inseln 34 über weitere M1-Schichten 22 durch diese obere leitende Verbindungsleitung 36 verbunden. Diese obere leitende Verbindungsleitung 36 besteht bevorzugt aus Kupfer und ist etwa 2000 Å dick. Als nächstes wird eine (nicht gezeigte) weitere dielektrische Schicht über den MRAM-Stapeln bzw. -Baugruppen 32 und über den leitenden Verbindungsleitungen 36 abgeschieden. Diese weitere dielektrische Schicht wird poliert, um eine eingeebnete Oberfläche über den oberen leitenden Verbindungsleitungen 36 zu bilden (der klare Teil war nicht gezeigt). Diese weitere dielektrische Schicht kann auch aus TEOS- oder CVD-Nitrid bestehen.
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Wie vorstehend angeführt, verlaufen der Bodenabschnitt 38 von jeder MRAM-Baugruppe 32 einschließlich der Nitridschicht 16, der Tantalschicht 18, der Kupferschicht 20 und der M1-Schicht 22 aneinander anschließend unter den Inseln 34 unter Verbindung von mehreren Inseln 34 in Reihen orthogonal zu den oberen leitenden Verbindungsleitungen 36. Sämtliche der Inseln 34, die nicht auf derselben oberen leitenden Verbindungsleitung 36 oder auf derselben M1-Schicht 22 zur Verbindung gebracht sind, sind elektrisch voneinander durch die dielektrische Schicht 40 isoliert, die über dem gesamten Wafer abgeschieden ist. Die darunter liegenden Bodenabschnitte 38 von jeder MRAM-Baugruppe 32 sind außerdem elektrisch von weiteren MRAM-Baugruppen 32 durch diese dielektrische Schicht 40 isoliert.
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Nach der Bildung der MRAM-Baugruppen 32, der Inseln 34, der Isolation der MRAM-Baugruppen 32 und der Inseln 34 und der Ausbildung der oberen leitenden Verbindungsleitungen 36 wird die Verarbeitung des MRAM fortgesetzt, wie an sich bekannt.
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Wie bereits erläutert, sind die MRAM-Vorrichtungen verbunden mit Steuertransistoren. Diese (nicht gezeigten) Steuertransistoren sind in der CMOS-Schicht 10 hergestellt und sie können im Rand bzw. Umfang um die MRAM-Gruppierung angeordnet sein. Es können Kontakte von den Kupferverbindungsleitungen, nämlich der Kupferschicht 20 und der oberen leitenden Verbindungsleitung 36, den Zahlen- und Erfassungsleitungen für die M1- und M2-Schichten 22, 30 vorgesehen sein, wobei jeweils ein Kontakt für jede Kupferverbindung vorgesehen ist. Jeder Kontakt ist mit zumindest einem Steuertransistor im Umfang bzw. dem Rand bzw. der Peripherie verbunden, der verwendet wird, um die Speichervorrichtungen ein- oder auszuschalten. Diese Transistoren können durch standardmäßige CMOS-Prozessführung gebildet werden, wie an sich bekannt. Um Waferplatz einzusparen, können zumindest einige der begleitenden Transistoren, wie etwa diejenigen für die Logik und die Decodierung, unterhalb der MRAM-Gruppierung angeordnet sein.
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Dieses Verfahren ermöglicht die Ausbildung von erfindungsgemäß bevorzugten MRAM-Vorrichtungen, wie vorstehend erläutert, mit hohen vertikalen Integrationspegeln. Bewirkt wird dies durch Bilden von mehreren ähnlichen Stapeln bzw. Baugruppen und Verbindungen in vertikaler Richtung. Die MRAM-Baugruppen 32 und -Verbindungen können, wie vorstehend unter Bezug auf 1 bis 8 erläutert, vielfach in vertikaler Richtung dupliziert werden, wodurch wertvoller Waferplatz gespart wird. Diese zusätzlichen Integrationspegel können über der weiteren dielektrischen Schicht gebildet werden, die über und um die oberen Verbindungsleitungen 36 der MRAM-Vorrichtung gebildet sind, wie vorstehend erläutert. Der zweite Integrationspegel ist durch denselben Prozess gebildet, wie vorstehend unter Bezug auf 1 bis 8 erläutert, und zwar über dieser weiteren dielektrischen Schicht.
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9 zeigt ein Prozessorsystem (beispielsweise ein Computersystem), mit dem ein Speicher mit einer MRAM-Speichervorrichtung eingesetzt werden kann, wie vorstehend erläutert. Das Prozessorsystem umfasst einen Prozessor 102, im Folgenden als zentrale Prozessoreinheit (CPU) 102 bezeichnet, eine Speicherschaltung 104 und eine Ein-/Ausgabeeinrichtung (I/O) 100. Die Speicherschaltung 104 enthält einen MRAM und möglicherweise eine weitere Speichervorrichtung, einschließlich Vorrichtungen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erstellt sind. Die CPU 102 kann selbst ein integrierter Prozessor sein, in dem sowohl die CPU 102 wie die Speicherschaltung 104 auf einem einzigen Chip integriert sein können, um die Vorteile der Erfindung vollständig zu nutzen. Diese dargestellte Prozessorsystemarchitektur ist lediglich beispielhaft für zahlreiche unterschiedliche Prozessorsystemarchitekturen, mit denen die vorliegende Erfindung verwendet werden kann.
