DE112012002231B4 - Transistoreinheiten mit magnetischem Tunnelübergang - Google Patents

Transistoreinheiten mit magnetischem Tunnelübergang Download PDF

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Abstract

Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang, die aufweist:eine erste Source-/Drain-Elektrode;eine zweite Source-/Drain-Elektrode;eine Gate-Elektrode;einen magnetischen Tunnelübergang, der zwischen der Gate-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode angeordnet ist, wobei der magnetische Tunnelübergang eine magnetische freie Schicht aufweist, die sich der Länge nach zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode erstreckt und von diesen überlagert ist;wobei die Gate-Elektrode die magnetische freie Schicht zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode vollständig überlagert,dadurch gekennzeichnet, dassdie Transistoreinheit des Weiteren eine Gate-Dielektrikum-Schicht aufweist, die zwischen die Gate-Elektrode und die magnetische freie Schicht eingefügt ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Transistoreinheiten mit einem magnetischen Tunnelübergang (MTJT-Einheiten, Magnetic Tunnel Junction Transistor) und spezieller auf Transistoreinheiten mit einem zweifachen magnetischen Tunnelübergang mit drei Anschlüssen sowie auf Verfahren zum Betreiben und Bilden von MTJT-Einheiten.
  • Hintergrund
  • Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, beinhaltet eine einfache MTJ-Einheit eine gepinnte Schicht, eine Tunnelbarrierenschicht und eine freie Schicht. Die Magnetisierung der gepinnten Schicht ist in einer Richtung unveränderlich, und der Widerstand der Einheit ist von der relativen Orientierung der Magnetisierungen der freien Schicht und der gepinnten Schichten abhängig. Jüngste Entwicklungen beinhalten die Verwendung von magnetischen Tunnelübergangsschichten auf der Grundlage von Magnesiumoxid (MgO). Im Gegensatz zu einem einfachen MTJ-Element beinhaltet eine zweifache MTJ-Einheit zwei Tunnelbarrierenschichten und wenigstens zwei magnetische Schichten, die eine dünne mittlere freie magnetische Schicht und wenigstens eine äußere magnetische Schicht beinhalten. Der Widerstand der zweifachen MTJ-Einheit ist von der relativen Orientierung der Magnetisierung der mittleren Schicht in Bezug auf eine oder beide der äußeren Schichten abhängig.
  • Die Leistungsfähigkeit von komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Einheiten (CMOS-Einheiten, Complementary Metal Oxide Semiconductor) ist gegenwärtig durch die Verlustleistung beschränkt. Eine Verringerung der Arbeitsleistung innerhalb einer CMOS-Einheit ist ebenfalls sehr eingeschränkt. Somit wird gegenwärtig die Spannungssteuerung des Magnetismus für eine Anwendung auf Speichereinheiten und logische Einheiten in dem Bestreben untersucht, die notwendige Arbeitsleistung zu verringern.
  • Die Druckschrift US 2003/0076707 A1 lehrt den Aufbau und die Herstellung eines magnetischen RAM-Speichers, mit einem magnetischen Tunnelübergang, der zwischen einer Gate- und einer Source/Drain-Elektrode angeordnet ist und eine freie magnetische Schicht aufweist. Eine Gate-Dielektrikum-Schicht fehlt jedoch.
  • Kurzdarstellung
  • Aspekte der Erfindung beinhalten Transistoreinheiten mit einem magnetischen Tunnelübergang sowie Verfahren zum Betreiben und Bilden von Transistoreinheiten mit einem magnetischen Tunnelübergang. In einem Aspekt der Erfindung beinhaltet eine Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang eine erste Source-/ Drain-Elektrode, eine zweite Source-/Drain-Elektrode, eine Gate-Elektrode und einen magnetischen Tunnelübergang, der zwischen der Gate-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode angeordnet ist. Der magnetische Tunnelübergang beinhaltet eine magnetische freie Schicht, die sich der Länge nach zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode erstreckt und von diesen überlagert ist. Die Gate-Elektrode überlagert die magnetische freie Schicht zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode vollständig. Dabei weist die Transistoreinheit des Weiteren eine Gate-Dielektrikum-Schicht auf, die zwischen die Gate-Elektrode und die magnetische freie Schicht eingefügt ist,
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet eine Transistoreinheit mit einem zweifachen magnetischen Tunnelübergang eine erste Source-/Drain-Elektrode, eine zweite Source-/Drain-Elektrode, eine Gate-Elektrode und einen zweifachen magnetischen Tunnelübergang, der zwischen der Gate-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode angeordnet ist. Der zweifache magnetische Tunnelübergang beinhaltet eine magnetische freie Schicht, die sich der Länge nach zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode erstreckt und von diesen überlagert ist, wobei die Gate-Elektrode die magnetische freie Schicht zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode vollständig überlagert. Der zweifache magnetische Tunnel beinhaltet des Weiteren eine erste Tunnelbarrierenschicht aus MgO, die auf einem Teil der magnetischen freien Schicht unterhalb der zweiten Source-/Drain-Elektrode ausgebildet ist, eine resonante Tunnelschicht, die auf der ersten Tunnelbarrierenschicht aus MgO ausgebildet ist, eine zweite Tunnelbarrierenschicht aus MgO, die auf der resonanten Tunnelschicht ausgebildet ist, eine magnetische gepinnte Schicht aus CoFeB, die auf der zweiten Tunnelbarrierenschicht aus MgO ausgebildet ist, eine koppelnde Schicht, die auf der magnetischen gepinnten Schicht aus CoFeB ausgebildet ist, eine magnetische gepinnte Schicht aus CoFe, die auf der koppelnden Schicht ausgebildet ist, sowie eine antiferromagnetische Schicht, die auf der magnetischen gepinnten Schicht aus CoFe ausgebildet ist. Dabei weist die Transistoreinheit des Weiteren eine Gate-Dielektrikum-Schicht auf, die zwischen die Gate-Elektrode und die magnetische freie Schicht eingefügt ist,
  • In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang bereitgestellt, die eine erste Source-/Drain-Elektrode, eine zweite Source-/Drain-Elektrode, eine Gate-Elektrode und einen magnetischen Tunnelübergang aufweist, der zwischen der Gate-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode angeordnet ist, wobei der magnetische Tunnelübergang eine magnetische freie Schicht aufweist, die sich der Länge nach zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode erstreckt und von diesen überlagert ist, und wobei die Gate-Elektrode die magnetische freie Schicht zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode vollständig überlagert. Das Verfahren zum Betreiben des Transistors mit einem magnetischen Tunnelübergang beinhaltet ein Umpolen einer Magnetisierungsorientierung der magnetischen freien Schicht mittels Anlegen einer Gate-Spannung an die Gate-Elektrode, wodurch ein Widerstand zwischen der ersten und der zweiten Source-/ Drain-Elektrode durch die magnetische freie Schicht hindurch geändert wird. In einem weiteren Aspekt schaltet die Transistoreinheit auf der Grundlage der an die Gate-Elektrode angelegten Gate-Spannung zwischen einem Ein-Zustand und einem Aus-Zustand um, wobei die Gate-Spannung in einem Bereich zwischen 0 Millivolt (mV) und ungefähr 100 (mV) liegt. Dabei weist die Transistoreinheit des Weiteren eine Gate-Dielektrikum-Schicht auf, die zwischen die Gate-Elektrode und die magnetische freie Schicht eingefügt ist,
  • In noch weiteren Aspekten des Verfahrens zum Betreiben der Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang liegt eine Magnetisierungsorientierung der magnetischen freien Schicht, wenn sich die Transistoreinheit im Aus-Zustand befindet, in einer Ebene mit und antiparallel zu einer Magnetisierungsorientierung einer magnetischen gepinnten Schicht des magnetischen Tunnelübergangs, so dass sich der Widerstand zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode durch die magnetische freie Schicht hindurch in einem hochohmigen Zustand befindet. Wenn sich die Transistoreinheit im Ein-Zustand befindet, liegt eine Magnetisierungsorientierung der magnetischen freien Schicht senkrecht zu einer Magnetisierungsorientierung einer magnetischen gepinnten Schicht des magnetischen Tunnelübergangs, so dass sich der Widerstand zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode durch die magnetische freie Schicht hindurch in einem niederohmigen Zustand befindet.
  • Diese und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich, die in Verbindung mit den begleitenden Figuren zu lesen ist.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Querschnittansicht einer Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung.
    • 2 ist eine Ansicht der Oberseite der Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang von 1 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung.
    • 3 ist eine Querschnittansicht einer Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung.
    • 4 ist ein Schaubild, das einen AUS-Zustand der Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang von 3 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung schematisch darstellt.
    • 5 ist ein Schaubild, das einen EIN-Zustand der Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang von 3 gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung schematisch darstellt.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Nunmehr werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf Transistoreinheiten mit einem magnetischen Tunnelübergang (MTJT-Einheiten) sowie Verfahren zum Betreiben und Bilden von MTJT-Einheiten detaillierter beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Techniken der vorliegenden Erfindung nicht auf die Einheiten und Verfahren beschränkt sind, die hierin gezeigt und beschrieben sind. Für den Fachmann werden Modifikationen zu den illustrativen Ausführungsformen offensichtlich. Es versteht sich außerdem, dass die verschiedenen Schichten und/oder Bereiche, die in den begleitenden Figuren gezeigt sind, nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind und dass eine oder mehrere Halbleiterschichten und/oder Bereiche eines Typs, der üblicherweise in derartigen integrierten Schaltkreisen verwendet wird, in einer gegebenen Figur zur Erleichterung der Darlegung möglicherweise nicht explizit gezeigt sind. Insbesondere in Bezug auf Prozessschritte ist zu betonen, dass die hierin bereitgestellten Beschreibungen nicht alle von den Prozessschritten umfassen sollen, die zur Bildung einer funktionsfähigen integrierten Halbleitereinheit erforderlich sein können. Stattdessen sind bestimmte Prozessschritte, die üblicherweise beim Bilden von Halbleitereinheiten verwendet werden, wie zum Beispiel Nassreinigungs- und Temperschritte, zwecks Einsparung bei der Beschreibung hierin absichtlich nicht beschrieben. Ein Fachmann erkennt jedoch ohne Weiteres jene Prozessschritte, die in diesen generalisierten Beschreibungen weggelassen wurden.
  • 1 ist eine Querschnittansicht einer Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung. Im Einzelnen zeigt 1 eine Transistoreinheit 100 mit einem magnetischen Tunnelübergang, die eine erste Source-/Drain-Elektrode 105, eine zweite Source-/ Drain-Elektrode 110 und eine Gate-Elektrode 115 aufweist. In einer exemplarischen Ausführungsform kann die erste Elektrode 105 eine Source-Elektrode sein, und die zweite Elektrode 110 kann eine Drain-Elektrode sein, oder in einer alternativen Ausführungsform kann die erste Elektrode 105 eine Drain-Elektrode sein, und die zweite Elektrode 110 kann eine Source-Elektrode sein. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Ausdruck „Source-/Drain-Elektrode“, wie er hierin verwendet wird, auf die Tatsache, dass die Elektroden 105 und 110 eine Source- oder eine Drain-Elektrode sein können.
  • Die Transistoreinheit 100 mit einem magnetischen Tunnelübergang weist des Weiteren eine Gate-Dielektrikum-Schicht 120, die auf der Gate-Elektrode 115 ausgebildet ist, und einen magnetischen Tunnelübergang 125 auf, der auf der Gate-Dielektrikum-Schicht 120 zwischen der Gate-Elektrode 115 und der zweiten Source-/ Drain-Elektrode 110 ausgebildet ist. Der magnetische Tunnelübergang 125 weist eine erste magnetische Schicht 130 (eine freie magnetische Schicht) auf, die auf der Gate-Dielektrikum-Schicht 120 ausgebildet ist und sich der Länge nach entlang der Länge der Gate-Elektrode 115 zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode 105, 110 erstreckt. Der magnetische Tunnelübergang 125 weist des Weiteren einen Stapel von zusätzlichen Schichten 135 auf, der wenigstens eine magnetische Schicht und eine Tunnelbarrierenschicht aufweist, wobei ein Rahmenwerk für den Stapel des einfachen magnetischen Tunnelübergangs bereitgestellt wird. In weiteren exemplarischen Ausführungsformen können die zusätzlichen gestapelten Schichten 135 zwei oder mehr magnetische Schichten und zwei oder mehr Tunnelbarrierenschichten sowie weitere Schichten beinhalten, die üblicherweise realisiert werden, um weitere Typen von magnetischen Tunnelübergangsstrukturen aufzubauen, wie Strukturen mit einem zweifachen magnetischen Tunnelübergang. 2 ist eine Ansicht der Oberseite der Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang von 1 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung. Der erste und der zweite Source-/ Drain-Bereich 105, 110 und ein Teil der freien magnetischen Schicht 130, der sich zwischen den Source-/Drain-Bereichen erstreckt, sind aus einer Sicht von oben auf die Einheit 100 gezeigt.
  • Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, ist eine grundlegende Komponente eines magnetischen Tunnelübergangs ein Sandwich aus zwei dünnen ferromagnetischen (und/oder ferrimagnetischen) Schichten, die durch eine sehr dünne isolierende Schicht getrennt sind, durch die Elektronen tunneln können. Der Tunnelstrom ist typischerweise höher, wenn die magnetischen Momente der ferromagnetischen (F-) Schichten parallel sind, und niedriger, wenn die magnetischen Momente der zwei ferromagnetischen Schichten antiparallel sind. Die Änderung in der Konduktanz für diese zwei magnetischen Zustände kann als ein Magnetowiderstand beschrieben werden. Im Allgemeinen ist der Tunnel-Magnetowiderstand (TMR, Tunneling MagnetoResistance) eines magnetischen Tunnelübergangs (MJT) als (RAP - Rp)/Rp definiert, wobei RP und RAP der Widerstand des MTJ für eine parallele beziehungsweise eine antiparallele Ausrichtung der ferromagnetischen Schichten sind.
  • Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung, wie in 1 dargestellt, ist die magnetische Schicht 130 eine „freie“ magnetische Schicht des magnetischen Tunnelübergangs 125, die sich in Anwesenheit einer an die Gate-Elektrode 115 angelegten Spannung drehen darf. Der verbleibende Stapel 135 weist wenigstens eine unveränderliche magnetische Schicht mit einem magnetischen Moment auf, dessen Drehen in Anwesenheit einer an die Gate-Elektrode 115 angelegten Spannung unterbunden ist. Wie nachstehend detaillierter erläutert wird, sind die magnetischen Momente der freien magnetischen Schicht 130 und wenigstens einer unveränderlichen magnetischen Schicht innerhalb des Stapels 135 bei Fehlen einer an die Gate-Elektrode 115 angelegten Spannung im Allgemeinen antiparallel ausgerichtet, was den magnetischen Tunnelübergang 125 in einen hochohmigen Zustand versetzt, der den Tunnelstrom verringert, der von der zweiten Source-/Drain-Elektrode 110 durch den magnetischen Tunnelübergang 125 hindurch und in Richtung der ersten Source-/Drain-Elektrode 105 durch die freie magnetische Schicht 130 fließt. Wie des Weiteren nachstehend erläutert, dreht sich das magnetische Moment der freien magnetischen Schicht 130 um 90 Grad aus der Ebene der magnetischen Schicht 130 heraus (entweder nach oben zeigend oder nach unten zeigend), wenn eine Spannung (z.B. 100 mV) an die Gate-Elektrode 115 angelegt wird, was den magnetischen Tunnelübergang 125 in einen niederohmigen Zustand versetzt, der den Tunnelstrom erhöht, der von der zweiten Source-/Drain-Elektrode 110 durch den magnetischen Tunnelübergang 125 hindurch und in Richtung der ersten Source-/Drain-Elektrode 105 durch die freie magnetische Schicht 130 fließt.
  • 3 ist eine Querschnittansicht einer Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung. Im Einzelnen zeigt 3 eine Transistoreinheit 200 mit einem magnetischen Tunnelübergang mit drei Anschlüssen, die ähnlich wie die Transistoreinheit 100 mit einem magnetischen Tunnelübergang von 1 eine erste Source-/Drain-Elektrode 105, eine zweite Source-/Drain-Elektrode 110, eine Gate-Elektrode 115 aufweist. 3 stellt eine exemplarische Ausführungsform eines Aufbaus mit einem zweifachen magnetischen Tunnelübergang 205 dar, der als der generische, magnetische Tunnelübergangsstapel 125 auf hohem Niveau von 1 realisiert sein kann. Wie bei dem magnetischen Tunnelübergang 125 von 1 weist der magnetische Tunnelübergang 205 von 2 eine freie magnetische Schicht 130 auf, die auf der Gate-Dielektrikum-Schicht 120 ausgebildet ist, die sich entlang der Länge der Gate-Elektrode 115 zwischen dem ersten und dem zweiten Source-/Drain-Bereich 105, 110 erstreckt.
  • In der exemplarischen Ausführungsform von 2 weist der Stapel des magnetischen Tunnelübergangs 205 des Weiteren eine erste Tunnelbarrierenschicht 210, die auf einem Teil der freien magnetischen Schicht 130 ausgebildet ist, eine resonante Tunnelschicht 215, die auf der ersten Tunnelbarrierenschicht 210 ausgebildet ist, eine zweite Tunnelbarrierenschicht 220, die auf der resonanten Tunnelschicht 215 ausgebildet ist, eine erste gepinnte magnetische Schicht 225, die auf der zweiten Tunnelbarrierenschicht 220 ausgebildet ist, eine koppelnde Schicht 230, die auf der ersten gepinnten Schicht 225 ausgebildet ist, eine zweite gepinnte Schicht 235, die auf der koppelnden Schicht 230 ausgebildet ist, und eine antiferromagnetische Schicht 240 auf, die auf der zweiten gepinnten Schicht 235 in Kontakt mit einer Deckschicht 110 ausgebildet ist (der zweiten Source-/Drain-Elektrode).
  • In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können die Source-/Drain-Elektrode 105, 100 und die Gate-Elektrode 115 aus Tantal (Ta) oder anderen geeigneten metallischen Elektrodenmaterialien gebildet sein. Die Gate-Dielektrikum-Schicht 120 kann aus Magnesiumoxid (MgO) oder irgendeinem anderen geeigneten isolierenden oder dielektrischen Material gebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gate-Dielektrikum-Schicht 120 aus MgO mit einer Dicke von etwa 3 nm gebildet. Die freie magnetische Schicht 130 kann aus Eisen (Fe) oder einem magnetischen Material gebildet sein, das wenigstens eines von Kobalt (Co) oder Eisen (Fe) oder Nickel (Ni) oder irgendeine Kombination derselben beinhaltet. Die freie magnetische Schicht 130 kann mit einer Dicke in einem Bereich zwischen ungefähr 0,5 Nanometern (nm) und ungefähr 2 Nanometern (nm) gebildet sein.
  • In weiteren exemplarischen Ausführungsformen können die erste und die zweite Tunnelbarrierenschicht 210 und 220 aus wenigstens einem von Magnesiumoxid (MgO), Aluminiumoxid (AIO) oder Titanoxid (TiO) oder irgendwelchen anderen geeigneten Materialien gebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die zweite Tunnelbarrierenschicht 210 und 220 aus MgO mit einer Dicke in einem Bereich zwischen ungefähr 0,5 Nanometern (nm) und ungefähr 2 Nanometern (nm) gebildet. Die resonante Tunnelschicht 215 ist vorzugsweise eine nichtmagnetische Tunnelschicht, die aus Vanadium gebildet ist und eine Dicke von etwa 1 nm aufweist.
  • In weiteren exemplarischen Ausführungsformen können die erste und die zweite gepinnte Schicht 225 und 235 aus einem magnetischen Material gebildet sein, das wenigstens eines von Kobalt (Co) oder Eisen (Fe) oder irgendeine Kombination derselben beinhaltet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste gepinnte Schicht 225 eine Referenzschicht, die aus CoFeB gebildet ist, und die zweite gepinnte Schicht 235 ist aus CoFe gebildet. Des Weiteren können die erste und die zweite gepinnte Schicht 225 und 235 mit einer vorgegebenen Dicke im Bereich zwischen ungefähr 1 Nanometer (nm) und ungefähr 5 Nanometern (nm) gebildet sein. Die koppelnde Schicht 230 ist aus einem Material wie Ru (Ruthenium) gebildet, das die zwei magnetischen Schichten 225 und 235 auf der Oberseite und der Unterseite der koppelnden Schicht 230 koppelt. Die koppelnde Schicht 230 stellt sicher, dass die Magnetisierung der gepinnten magnetischen Schicht 225 (der Referenzschicht) antiparallel zu der Magnetisierung der gepinnten Schicht 235 ist. Die antiferromagnetische Schicht 240 ist vorzugsweise aus PtMn (Platinmangan) oder irgendeinem anderen geeigneten Material hergestellt, das die magnetische Orientierung der ferromagnetischen Dünnschicht pinnen kann, welche die gepinnte Schicht 235 bildet. Wie bekannt ist, können Antiferromagnete mit Ferromagneten koppeln, zum Beispiel durch einen Mechanismus, der als Austauschanisotropie bekannt ist (bei der zum Beispiel ein ausrichtendes magnetisches Feld entweder, wenn eine ferromagnetische Dünnschicht auf dem Antiferromagneten aufgewachsen wird, oder während eines nachfolgenden Tempervorgangs angelegt wird), der bewirkt, dass sich die Oberflächenatome des Ferromagneten zu den Oberflächenatomen des Antiferromagneten ausrichten. Dies stellt die Fähigkeit bereit, die Orientierung einer ferromagnetischen Dünnschicht zu pinnen.
  • In der exemplarischen Ausführungsform von 3 bildet der Stapel von Schichten 130/210/215/220/225 ein Rahmenwerk für einen zweifachen magnetischen Tunnelübergang, das einen hohen Magnetowiderstand für das Betreiben der Transistoreinheit 200 mit einem magnetischen Tunnelübergang bereitstellt. Gemäß einem exemplarischen Betriebsmodus für die MTJT-Einheit 200 verbleibt die Magnetisierung der gepinnten Referenzschicht 225 in einer unveränderlichen Position (nach links oder nach rechts zeigend), während die Magnetisierungsorientierung der freien magnetischen Schicht 130 mittels Anlegen einer Gate-Spannung an die Gate-Elektrode 115 umgepolt wird. Wenn eine Gate-Spannung von 0 V an die Gate-Elektrode 115 angelegt ist, befindet sich die Einheit 200 in einem hochohmigen (HighR) Zustand, und wenn eine Gate-Spannung von Vdd (z.B. 100 mV) an die Gate-Elektrode 115 angelegt ist, befindet sich die Einheit 200 in einem niederohmigen (LowR) Zustand, und es fließt ein beträchtlicher Strom (wie durch die gestrichelte Linie angezeigt) von der zweiten Source-/Drain-Elektrode 110 durch den magnetischen Tunnelübergang 205 hindurch und in Richtung der ersten Source-/Drain-Elektrode 105 durch die freie magnetische Schicht 130. Nunmehr werden exemplarische Betriebsmodi für die Transistoreinheit 200 mit einem magnetischen Tunnelübergang von 3 unter Bezugnahme auf die 4 und 5 detaillierter beschrieben.
  • 4 ist ein Schaubild, das einen AUS-Zustand der Transistoreinheit 200 mit einem magnetischen Tunnelübergang von 3 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung schematisch darstellt, und 5 ist ein Schaubild, das einen EIN-Zustand der Transistoreinheit 200 mit einem magnetischen Tunnelübergang von 3 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung schematisch darstellt. Wie allgemein in den 4 und 5 dargestellt, wird der Widerstand des Stapels des magnetischen Tunnelübergangs 205 durch Anlegen einer Gate-Spannung (z.B. zwischen 0 und 100 mV) moduliert, um die Magnetisierungsorientierung der freien magnetischen Schicht 130 zwischen in der Ebene und senkrecht umzupolen. Durch Bilden der freien magnetischen Schicht 130 mit einer anderen Dicke als jener der ersten gepinnten Schicht 225 (Referenzschicht) kann die Einheit 200 eine normalerweise in der Ebene liegende und eine normalerweise senkrechte Magnetisierung aufweisen.
  • Spezieller befindet sich die Transistoreinheit 200 mit einem magnetischen Tunnelübergang in einem AUS-Zustand, wenn eine Spannung von 0 V an den Gate-Anschluss 115 angelegt ist, wie in 4 dargestellt. Während sie sich in einem AUS-Zustand befindet, liegt die Magnetisierungsorientierung der freien magnetischen Schicht 130 in der Ebene und antiparallel zu einer Magnetisierungsorientierung der ersten gepinnten Schicht 225, so dass sich ein Widerstand zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode in einem hochohmigen Zustand befindet. In 4 ist die zweite gepinnte Schicht 235 so gezeigt, dass sie eine in der Ebene liegende Magnetisierung aufweist, die nach links zeigt, während die erste gepinnte Schicht 225 so gezeigt ist, dass sie eine in der Ebene liegende Magnetisierung aufweist, die nach rechts zeigt, so dass die in der Ebene liegenden Magnetisierungen der ersten und der zweiten gepinnten Schicht 225 und 235 antiparallel sind. In dieser exemplarischen Ausführungsform trägt die zweite gepinnte Schicht 235 nicht signifikant zu der Magnetowiderstands-Charakteristik des magnetischen Tunnelübergangsstapels 205 bei, die zweite gepinnte Schicht 235 dient jedoch (in Verbindung mit der koppelnden Schicht 230) dazu, die in der Ebene liegende Magnetisierung der ersten gepinnten Schicht 225 so zu pinnen, dass sie nach rechts weist. Diese unveränderliche in der Ebene liegende Magnetisierung der ersten gepinnten Schicht 225 ist antiparallel zu der in der Ebene liegenden Magnetisierung der magnetischen freien Schicht 130, während sich die Einheit 200 in dem AUS-Zustand befindet.
  • Als nächstes bezugnehmend auf 5 ist die Transistoreinheit 100 mit einem magnetischen Tunnelübergang in einen EIN-Zustand geschaltet, wenn eine Gate-Spannung von Vdd (z.B. 100 mV) an die Gate-Elektrode 115 angelegt ist, wobei die Magnetisierungsorientierung der freien magnetischen Schicht 130 um 90 Grad nach oben (oder nach unten) gedreht ist, um senkrecht zu der in der Ebene liegenden Magnetisierungsorientierung der ersten gepinnten Schicht 225 zu sein. Unter diesen Bedingungen befindet sich die Einheit 200 mit einem magnetischen Tunnelübergang in einem LowR-Zustand, und es fließt ein Strom von der zweiten Source-/Drain-Elektrode 110 hinunter durch den magnetischen Tunnelübergang 205 hindurch und in Richtung der ersten Source-/Drain-Elektrode 105 durch die freie magnetische Schicht 130.
  • Im Einzelnen modifiziert die Gate-Dielektrikum-Schicht 120, wenn eine Spannung an die Gate-Elektrode 115 angelegt ist, die Anisotropie der freien magnetischen Schicht 130 derart, dass, wenn die Spannung angelegt ist, die Modifikation von Ladung und Bindung an einer Grenzfläche zwischen der freien magnetischen Schicht 130 und der Tunnelbarriere 210 bewirkt, dass sich die Magnetisierung der freien magnetischen Schicht 130 von in der Ebene liegend zu senkrecht ändert, wie in den 4 beziehungsweise 5 gezeigt, und umgekehrt. Darüber hinaus bewirkt die Änderung in der Magnetisierungsrichtung in Bezug auf die unveränderliche Magnetisierungsrichtung der ersten gepinnten Schicht 225 eine Verschiebung in den quantisierten Energieniveaus in der freien magnetischen Schicht 130, wodurch der Widerstand des magnetischen Tunnelübergangsstapels 205 geändert und der Strom moduliert wird, der zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode 105 und 110 fließt. Des Weiteren schaltet eine Einheit 200, die von einem im Normalfall hohen Widerstand ist, auf einen niedrigen Widerstand um, wenn eine Spannung an die Gate-Elektrode 115 angelegt wird, und eine Einheit 200 von einem im Normalfall niedrigen Widerstand schaltet auf einen hohen Widerstand um, wenn eine Spannung an die Gate-Elektrode 115 angelegt wird.
  • Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung stellen Transistoreinheiten mit einem magnetischen Tunnelübergang mit drei Anschlüssen sowie Verfahren zum Betreiben von Einheiten mit einem magnetischen Tunnelübergang mit drei Anschlüssen bereit, die in integrierten Schaltkreisen mit verschiedenen analogen und digitalen Schaltungsaufbauten verwendet werden können. Im Einzelnen können integrierte Schaltkreischips hergestellt werden, die Transistoreinheiten mit einem magnetischen Tunnelübergang und weitere Halbleitereinheiten aufweisen, wie Feldeffekttransistoren, bipolare Transistoren, Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren, Dioden, Widerstände, Kondensatoren, Induktoren etc., die analoge und/oder digitale Schaltkreise bilden. Die Transistoreinheiten mit einem magnetischen Tunnelübergang können auf oder innerhalb eines Halbleitersubstrats gebildet werden, wobei der Chip auch das Substrat aufweisen kann. Ein integrierter Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung kann in Anwendungen, in Hardware und/oder in elektronischen Systemen eingesetzt werden. Eine geeignete Hardware und geeignete Systeme zum Realisieren der Erfindung können Personalcomputer, Kommunikationsnetzwerke, elektronische Handelssysteme, tragbare Kommunikationseinheiten (z.B. Mobiltelefone), Festkörper-Media-Speichereinheiten, funktionelle Schaltungsaufbauten etc. beinhalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Systeme und Hardware, die derartige integrierte Schaltkreise enthalten, werden als Teil dieser Erfindung betrachtet. In Anbetracht der hierin bereitgestellten Lehren der Erfindung ist ein Fachmann in der Lage, weitere Realisierungen und Anwendungen der Techniken der Erfindung ins Auge zu fassen.
  • Wenngleich hierin exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben wurden, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf jene genauen Ausführungsformen beschränkt ist und dass verschiedene weitere Änderungen und Modifikationen von einem Fachmann darin durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der angefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims (23)

  1. Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang, die aufweist: eine erste Source-/Drain-Elektrode; eine zweite Source-/Drain-Elektrode; eine Gate-Elektrode; einen magnetischen Tunnelübergang, der zwischen der Gate-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode angeordnet ist, wobei der magnetische Tunnelübergang eine magnetische freie Schicht aufweist, die sich der Länge nach zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode erstreckt und von diesen überlagert ist; wobei die Gate-Elektrode die magnetische freie Schicht zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode vollständig überlagert, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoreinheit des Weiteren eine Gate-Dielektrikum-Schicht aufweist, die zwischen die Gate-Elektrode und die magnetische freie Schicht eingefügt ist.
  2. Transistoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Tunnelübergang eine Struktur mit einem einfachen magnetischen Tunnelübergang ist.
  3. Transistoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Tunnelübergang eine Struktur mit einem zweifachen magnetischen Tunnelübergang ist.
  4. Transistoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Dielektrikum-Schicht aus MgO gebildet ist.
  5. Transistoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Source-/ Drain-Elektrode sowie die Gate-Elektrode aus Tantal gebildet sind.
  6. Transistoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Tunnelübergang des Weiteren aufweist: eine erste Tunnelbarrierenschicht, die auf einem Teil der magnetischen freien Schicht ausgebildet ist; eine resonante Tunnelschicht, die auf der ersten Tunnelbarrierenschicht ausgebildet ist; eine zweite Tunnelbarrierenschicht, die auf der resonanten Tunnelschicht ausgebildet ist; und eine erste magnetische gepinnte Schicht, die auf der zweiten Tunnelbarrierenschicht ausgebildet ist.
  7. Transistoreinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Tunnelbarriere aus MgO gebildet sind.
  8. Transistoreinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die resonante Tunnelschicht aus Vanadium gebildet ist.
  9. Transistoreinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste magnetische gepinnte Schicht aus einem magnetischen Material gebildet ist, das wenigstens eines von Kobalt (Co) oder Eisen (Fe) oder irgendeine Kombination derselben beinhaltet.
  10. Transistoreinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Tunnelübergang des Weiteren aufweist: eine koppelnde Schicht, die auf der ersten magnetischen gepinnten Schicht ausgebildet ist; eine zweite magnetische gepinnte Schicht, die auf der koppelnden Schicht ausgebildet ist; eine antiferromagnetische Schicht, die auf der zweiten magnetischen gepinnten Schicht ausgebildet ist.
  11. Transistoreinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die koppelnde Schicht aus Ru gebildet ist.
  12. Transistoreinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite magnetische gepinnte Schicht aus einem magnetischen Material gebildet ist, das wenigstens eines von Kobalt (Co) oder Eisen (Fe) oder irgendeine Kombination derselben beinhaltet.
  13. Transistoreinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die antiferromagnetische Schicht aus PtMn gebildet ist.
  14. Transistoreinheit mit einem zweifachen magnetischen Tunnelübergang, die aufweist: eine erste Source-/Drain-Elektrode; eine zweite Source-/Drain-Elektrode; eine Gate-Elektrode; und einen zweifachen magnetischen Tunnelübergang, der zwischen der Gate-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode angeordnet ist, wobei der zweifache magnetische Tunnelübergang aufweist: eine magnetische freie Schicht, die sich der Länge nach zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode erstreckt und von diesen überlagert ist, wobei die Gate-Elektrode die magnetische freie Schicht zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode vollständig überlagert; eine erste Tunnelbarrierenschicht aus MgO, die auf einem Teil der magnetischen freien Schicht unterhalb der zweiten Source-/Drain-Elektrode ausgebildet ist; eine resonante Tunnelschicht, die auf der ersten Tunnelbarrierenschicht aus MgO ausgebildet ist; eine zweite Tunnelbarrierenschicht aus MgO, die auf der resonanten Tunnelschicht ausgebildet ist; eine magnetische gepinnte Schicht aus CoFeB, die auf der zweiten Tunnelbarrierenschicht aus MgO ausgebildet ist; eine koppelnde Schicht, die auf der magnetischen gepinnten Schicht aus CoFeB ausgebildet ist; eine magnetische gepinnte Schicht aus CoFe, die auf der koppelnden Schicht ausgebildet ist; und eine antiferromagnetische Schicht, die auf der magnetischen gepinnten Schicht aus CoFe ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoreinheit des Weiteren eine Gate-Dielektrikum-Schicht aufweist, die zwischen die Gate-Elektrode und die magnetische freie Schicht eingefügt ist.
  15. Transistoreinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Dielektrikum-Schicht aus MgO mit einer Dicke von etwa 3 nm gebildet ist.
  16. Transistoreinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Source-/ Drain-Elektrode und die Gate-Elektrode aus Tantal gebildet sind.
  17. Transistoreinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die resonante Tunnelschicht aus Vanadium mit einer Dicke von etwa 1 nm gebildet ist.
  18. Verfahren zum Betreiben einer Transistoreinheit mit einem magnetischen Tunnelübergang, die eine erste Source-/Drain-Elektrode, eine zweite Source-/ Drain-Elektrode, eine Gate-Elektrode, und einen magnetischen Tunnelübergang aufweist, der zwischen der Gate-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode angeordnet ist, wobei der magnetische Tunnelübergang eine magnetische freie Schicht aufweist, die sich der Länge nach zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode erstreckt und von diesen überlagert ist, und wobei die Gate-Elektrode die magnetische freie Schicht zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode vollständig überlagert, wobei das Verfahren aufweist: Umpolen einer Magnetisierungsorientierung der magnetischen freien Schicht mittels Anlegen einer Gate-Spannung an die Gate-Elektrode, wodurch ein Widerstand zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode durch die magnetische freie Schicht hindurch geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoreinheit des Weiteren eine Gate-Dielektrikum-Schicht aufweist, die zwischen die Gate-Elektrode und die magnetische freie Schicht eingefügt ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoreinheit auf der Grundlage der an die Gate-Elektrode angelegten Gate-Spannung zwischen einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand umschaltet.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Spannung in einem Bereich zwischen ungefähr 0 Millivolt (mV) und ungefähr 100 (mV) liegt.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetisierungsorientierung der magnetischen freien Schicht, wenn sich die Transistoreinheit in dem AUS-Zustand befindet, in der Ebene mit und antiparallel zu einer Magnetisierungsorientierung einer magnetischen gepinnten Schicht des magnetischen Tunnelübergangs ist, so dass sich der Widerstand zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode durch die magnetische freie Schicht hindurch in einem hochohmigen Zustand befindet.
  22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetisierungsorientierung der magnetischen freien Schicht, wenn sich die Transistoreinheit in dem EIN-Zustand befindet, senkrecht zu einer Magnetisierungsorientierung einer magnetischen gepinnten Schicht des magnetischen Tunnelübergangs ist, so dass sich der Widerstand zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode durch die magnetische freie Schicht hindurch in einem niederohmigen Zustand befindet.
  23. Integrierter Halbleiterschaltkreis, der eine Vielzahl von Transistoreinheiten mit einem magnetischen Tunnelübergang aufweist, die auf einem Volumensubstrat ausgebildet sind, wobei jede der Transistoreinheiten mit einem magnetischen Tunnelübergang aufweist: eine erste Source-/Drain-Elektrode; eine zweite Source-/Drain-Elektrode; eine Gate-Elektrode; einen magnetischen Tunnelübergang, der zwischen der Gate-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode angeordnet ist, wobei der magnetische Tunnelübergang eine magnetische freie Schicht aufweist, die sich der Länge nach zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode erstreckt und von diesen überlagert ist; wobei die Gate-Elektrode die magnetische freie Schicht zwischen der ersten und der zweiten Source-/Drain-Elektrode vollständig überlagert, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Transistoreinheiten mit einem magnetischen Tunnelübergang des Weiteren eine Gate-Dielektrikum-Schicht aufweist, die zwischen die Gate-Elektrode und die magnetische freie Schicht eingefügt ist.
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