DE112016007579T5

DE112016007579T5 - Senkrechter-spin-transfer-torque-speicher- (psttm-) bauelemente mit verbesserter senkrechter anisotropie und verfahren zum bilden derselben

Info

Publication number: DE112016007579T5
Application number: DE112016007579.0T
Authority: DE
Inventors: Md Tofizur Rahman; Christopher J. Wiegand; Kaan Oguz; Daniel G. OUELLETTE; Brian Maertz; Kevin P. O'Brien; Mark L. Doczy; Brian S. Doyle; Oleg Golonzka; Tahir Ghani
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Tahoe Research Ltd
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2019-10-17
Also published as: CN110024148A; US20190378972A1; US10770651B2; WO2018125221A1

Abstract

Ein Materialschichtstapel für ein pSTTM-Bauelement umfasst eine feste magnetische Schicht, eine Tunnelbarriere, die über der festen magnetischen Schicht angeordnet ist, und eine freie Schicht, die auf der Tunnelbarriere angeordnet ist. Die freie Schicht umfasst ferner einen Stapel von Doppelschichten, wobei eine oberste Doppelschicht durch eine magnetische Schicht, umfassend Eisen, abgedeckt ist und wobei jede von den Doppelschichten in der freien Schicht eine nicht-magnetische Schicht wie beispielsweise Wolfram, Molybdän, umfasst, die auf der magnetischen Schicht angeordnet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die nicht-magnetischen Schichten eine kombinierte Dicke auf, die weniger als 15 % einer kombinierten Dicke der magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten ist. Ein Stapel von Doppelschichten, umfassend nicht-magnetische Schichten in der freien Schicht, kann die Sättigungsmagnetisierung des Materialschichtstapels für das pSTTM-Bauelement reduzieren und anschließend die senkrechte magnetische Anisotropie erhöhen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind auf dem Gebiet der Integrierte-Schaltung-Herstellung und insbesondere von Senkrechter-Spin-Transfer-Torque-Speicher- (pSTTM-; perpendicular spin transfer torque memory; senkrechter Spindrehmoment-Speicher)) Bauelementen mit verbesserter senkrechter Anisotropie und Verfahren zum Bilden derselben.
HINTERGRUND
In den letzten Jahrzehnten war die Skalierung von Merkmalen bei integrierten Schaltungen eine Treibkraft hinter einer ständig wachsenden Halbleiterindustrie. Das Skalieren auf immer kleinere Merkmale ermöglicht erhöhte Dichten von funktionalen Einheiten auf der begrenzten Grundfläche von Halbleiterchips. Zum Beispiel ermöglicht eine schrumpfende Transistorgröße die Einbringung einer erhöhten Anzahl von Speicherbauelementen auf einem Chip, was die Herstellung von Produkten mit erhöhter Funktionalität ermöglicht. Das Streben nach immer höherer Funktionalität verläuft jedoch nicht problemlos. Es ist immer wichtiger geworden, sich stark auf innovative Herstellungstechniken zu verlassen, um die äußerst engen, durch Skalierung auferlegten Toleranzanforderungen zu erfüllen.
Ein nichtflüchtiger eingebetteter Speicher mit pSTTM-Bauelementen kann Energie- und Recheneffizienz ermöglichen. Die technischen Herausforderungen bei der Anordnung eines pSTTM-Stapels zum Bilden von funktionalen Bauelementen stellen heutzutage jedoch gewaltige Hindernisse für die Kommerzialisierung dieser Technologie dar. Insbesondere das Reduzieren von Schaltstrom bei pSTTM-Bauelementen ohne Beeinträchtigung des Tunnelmagnetowiderstands (TMR; Tunnel Magnetoresistance) und des Widerstandsbereichs (RA; Resistance Area) sind einige wichtige Bereiche der Prozessentwicklung. Daher sind erhebliche Verbesserungen bei der pSTTM-Stapel-Entwicklung erforderlich, die diese Herausforderungen angehen.
Figurenliste

1 stellt eine Querschnittansicht eines Materialschichtstapels für ein pSTTM-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
2A-2C veranschaulichen Querschnittsansichten verschiedener pSTTM-Materialschichtstapel, wobei eine Speicherschicht zwei durch eine Kopplungsschicht getrennte freie Schichten umfasst und wobei eine oder mehrere freie Schichten einen Stapel von Doppelschichten umfassen.
2A stellt eine Querschnittsansicht eines Materialschichtstapels für ein pSTTM-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
2B stellt eine Querschnittansicht eines Materialschichtstapels für ein pSTTM-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
2C stellt eine Querschnittansicht eines Materialschichtstapels für ein pSTTM-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht von individuellen Schichten einer synthetischen antiferromagnetischen Schicht.
4A-4C veranschaulichen Querschnittsansichten, die verschiedene Operationen bei einem Verfahren zum Herstellen eines pSTTM-Materialschichtstapels darstellen.
4A veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Bildung einer ersten freien Schicht umfassend einen Stapel von Doppelschichten auf einer Tunnelbarriere.
4B veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Bildung einer zweiten freien Schicht umfassend einen Stapel von Doppelschichten über der ersten freien Schicht.
4C veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Bildung einer Schutzschicht, einer Oxidschicht, einer Deckschicht und einer oberen Elektrode auf der zweiten freien Schicht.
5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines pSTTM-Bauelements, das auf einer leitfähigen Zwischenverbindung gebildet ist, die mit einem Transistor gekoppelt ist.
6 stellt eine Rechenvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dar.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Senkrechter-Spin-Transfer-Torque-Speicher- (pSTTM-) Bauelemente mit verbesserter senkrechter Anisotropie und Herstellungsverfahren sind beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details ausgeführt, wie beispielsweise neuartige strukturelle Schemata und detaillierte Herstellungsverfahren, um ein tiefgreifendes Verständnis von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in der Praxis ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Merkmale, wie beispielsweise Transistoroperationen und Schaltoperationen, die dem eingebetteten Speicher zugeordnet sind, weniger detailliert beschrieben, um Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht unnötig unklar zu machen. Weiterhin versteht es sich, dass die verschiedenen, in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele veranschaulichende Darstellungen sind, und nicht zwingend maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Ein pSTTM-Bauelement fungiert als variabler Widerstand, wobei der Widerstandswert des Bauelements zwischen einem Hoher-Widerstandswert-Zustand und einem Niedriger-Widerstandswert-Zustand schalten kann. Der Widerstandswert-Zustand eines pSTTM-Bauelements wird durch die relative Magnetisierungsausrichtung von zwei magnetischen Schichten (feste und freie) definiert, die durch eine Tunnelbarriere getrennt sind. Wenn die Magnetisierung der beiden magnetischen Schichten Orientierungen aufweist, die in die gleiche Richtung sind, gilt, dass das pSTTM-Bauelement in einem Niedriger-Widerstandswert-Zustand ist. Umgekehrt, wenn die Magnetisierung der beiden magnetischen Schichten Orientierungen aufweist, die in entgegengesetzten Richtungen sind, gilt, dass das pSTTM-Bauelement in einem Hoher-Widerstandswert-Zustand ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Widerstandswert-Schalten durch Leiten einer kritischen Menge an spinpolarisiertem Strom durch das pSTTM-Bauelement bewirkt, um die Orientierung der Magnetisierung der freien Schicht zum Ausrichten mit der Magnetisierung der festen magnetischen Schicht zu beeinflussen. Durch Ändern der Richtung des Stroms kann die Magnetisierung in der freien Schicht relativ zu derjenigen der festen magnetischen Schicht umgekehrt werden. Da die freie Schicht keine Leistung benötigt, um die relative Magnetisierungsorientierung beizubehalten, wird der Widerstandswert-Zustand des pSTTM-Bauelements beibehalten, auch wenn keine Leistung an das pSTTM-Bauelement angelegt wird. Aus diesem Grund gehört pSTTM zu einer Speicherklasse, die als nichtflüchtiger Speicher bekannt ist.
Das Integrieren eines nichtflüchtigen Speicherbauelements, wie beispielsweise eines STTM-Bauelements, auf einem Zugriffstransistor ermöglicht die Bildung eines eingebetteten Speichers für System-auf-Chip- oder für andere Anwendungen. Ansätze zum Integrieren eines STTM-Bauelements auf einem Zugriffstransistor stellen jedoch Herausforderungen dar, die mit der Skalierung immer gewaltiger geworden sind. Beispiele für solche Herausforderungen reichen von der Reduzierung des Schaltstroms, der Verbesserung der thermischen Stabilität von STTM-Bauelementen gegen Störkräfte, der Reduzierung von Retentionsverlust hin zur Ermöglichung der Strukturierung von STTM-Bauelementen bei Merkmalsgrößen von weniger als 40 nm. Während die Skalierung weitergeht, hat die Notwendigkeit, dass kleinere Speicherbauelemente in eine skalierte Zellengröße zu passen haben, die Industrie in die Richtung „senkrechter“ STTM oder pSTTM getrieben. Glücklicherweise weisen pSTTM-Bauelemente zwar eine höhere Stabilität für kleine Speicherelementgrößen auf, aber die Reduzierung des Schaltstroms zusammen mit der Verbesserung anderer Bauelementparameter ist weiterhin eine Herausforderung.
Ein pSTTM-Bauelement umfasst typischerweise einen Mehrschichtstapel aus magnetischen und nicht-magnetischen Materialien. Der Mehrschichtstapel ist so konstruiert, dass er eine senkrechte Anisotropie besitzt. Die Stärke der senkrechten Anisotropie hängt jedoch von der Sättigungsmagnetisierung der freien Schicht ab. Ein einfaches Ausführungsbeispiel eines pSTTM-Bauelements umfasst eine feste oder Referenz- magnetische Schicht, eine Tunnelbarriere, die auf der festen magnetischen Schicht angeordnet ist, und eine freie Schicht, die auf der Tunnelbarriere angeordnet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die freie Schicht einen Stapel von abwechselnden Schichten aus magnetischen Schichten und nicht-magnetischer Schicht umfassen. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann der Stapel von abwechselnden Schichten aus magnetischen Schichten und nicht-magnetischen Schichten die Sättigungsmagnetisierung der freien Schicht verringern. Da die Sättigungsmagnetisierung eine Funktion des netto-magnetischen Moments der Atome der magnetischen Schichten in der freien Schicht ist, kann die Einschließung einer nicht-magnetischen Schicht zwischen magnetischen Schichten das netto-magnetische Moment und damit die Sättigungsmagnetisierung der freien Schicht reduzieren. Da effektive senkrechte Anisotropie einer freien Schicht zunimmt, wenn die Sättigungsmagnetisierung reduziert wird, kann das Vorhandensein nicht-magnetischer Schichten in der freien Schicht ferner zu einer verbesserten senkrechten Anisotropie führen.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfasst ein Materialschichtstapel für ein pSTTM-Bauelement eine feste magnetische Schicht, eine Tunnelbarriere, die über der festen magnetischen Schicht angeordnet ist, und eine freie Schicht, die auf der Tunnelbarriere angeordnet ist. Die freie Schicht umfasst einen Stapel von Doppelschichten, wobei jede von den Doppelschichten eine nicht-magnetische Schicht wie beispielsweise Mo oder W umfasst, die auf einer magnetischen Schicht wie beispielsweise CoFeB angeordnet ist. Eine zusätzliche magnetische Schicht, die auch Teil der freien Schicht ist, ist auf dem obersten Doppelschichtstapel angeordnet. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die nicht-magnetischen Schichten Sub-Monoschichten und können ausreichend dick sein, damit die magnetischen und nicht-magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten die Schichtintegrität aufrechterhalten können. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind die nicht-magnetischen Schichten dünn genug, um diskontinuierlich zu sein. Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die nicht-magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten eine kombinierte Gesamtdicke auf, die weniger als 15 % der kombinierten Gesamtdicke aller magnetischen Schichten in der freien Schicht ist. Der Stapel von Doppelschichten aus magnetischen und nicht-magnetischen Schichten in der freien Schicht reduziert die Sättigungsmagnetisierung der freien Schicht und erhöht die senkrechte magnetische Anisotropie.
1 stellt eine Querschnittdarstellung eines Materialschichtstapels 100 für ein pSTTM-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Der Materialschichtstapel 100 umfasst eine feste magnetische Schicht 102 mit einer senkrechten Anisotropie, die auf einer unteren Elektrodenschicht 104 angeordnet ist. Eine Tunnelbarriere 106, die ein MgO umfasst, ist auf der festen magnetischen Schicht 102 angeordnet. Der Materialschichtstapel 100 umfasst ferner eine freie Schicht 108, die auf der Tunnelbarriere 106 angeordnet ist.
Die freie Schicht 108 umfasst einen Stapel von Doppelschichten 110, wobei jede von den Doppelschichten 110A eine nicht-magnetische Schicht 112 umfasst, die auf einer magnetischen Schicht 114 angeordnet ist, und wobei eine oberste Doppelschicht 110A durch eine oberste magnetische Schicht 114A abgedeckt ist. Jede Doppelschicht 110 bewirkt eine Sättigungsmagnetisierungsreduzierung in der freien Schicht 108. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Gesamtzahl von Doppelschichten 110A in dem Stapel von Doppelschichten 110 zumindest 2. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Gesamtzahl von Doppelschichten 110A in dem Stapel von Doppelschichten 110 zwischen 2 - 12. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die kombinierte Gesamtdicke von nicht-magnetischen Schichten 112 in dem Stapel von Doppelschichten 110 weniger als 15 % der kombinierten Gesamtdicke der magnetischen Schichten 114 in dem Stapel von Doppelschichten 110. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die kombinierte Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112 in dem Stapel von Doppelschichten 110 weniger als 5 % der kombinierten Dicke der magnetischen Schichten 114 und der obersten magnetischen Schicht 114A in dem Stapel von Doppelschichten 110. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die freie Schicht 108 eine Dicke auf, die zumindest 1 nm, aber weniger als 3 nm ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen die magnetischen Schichten 114 in der freien Schicht 108 eine Legierung wie beispielsweise CoFe und CoFeB. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die magnetischen Schichten 114 CoFeB. Bei einen Ausführungsbeispiel weist die magnetische Schicht 114 in einer untersten Doppelschicht 110A, die mit der Tunnelbarriere 106 in Kontakt ist, eine Dicke auf, die größer ist als die Dicke von irgendeiner der anderen magnetischen Schichten 114 in der freien Schicht 108. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die magnetische Schicht 114 in der untersten Doppelschicht 110A eine Dicke auf, die zumindest 0,45 nm ist, und jede von den anderen magnetischen Schichten 114 in der freien Schicht 108 weist eine Dicke von zumindest 0,15 nm auf. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die magnetische Schicht 114, die mit der Tunnelbarriere 106 in Kontakt ist, eine Dicke auf, die zwischen 1 bis 6 mal größer ist als die Dicke von jeder von den anderen magnetischen Schichten 114 oder 114A. Die auf der Tunnelbarriere 106 angeordnete magnetische Schicht 114 ist ausreichend dick, um eine Diffusion von Material von der nicht-magnetischen Schicht 112 in die Tunnelbarriere 106 zu verhindern. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die kombinierte Dicke von jeder von der magnetischen Schicht 114 in der freien Schicht 108 zumindest 0,6 nm, aber weniger als 2,85 nm.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die nicht-magnetische Schicht 112 ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend, aber nicht beschränkt auf, Molybdän, Ruthenium, Wolfram, Tantal und Aluminium, Hafnium. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die nicht-magnetische Schicht 112 eine Sub-Monoschicht. Bei einem Ausführungsbeispiel ist jede von den nicht-magnetischen Schichten 112 ausreichend dick, um als individuelle Schichten in dem Stapel von Doppelschichten 110 zu bleiben. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind die nicht-magnetischen Schichten 112 dünn genug, um diskontinuierlich zu sein. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die nicht-magnetischen Schichten 112 zumindest 0,01 nm. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die kombinierte Dicke der nicht-magnetischen Schichten 112 in dem Stapel von Doppelschichten 110 zumindest 0,05 nm. Ferner weisen die nicht-magnetischen Schichten 112 Dicken auf, die nicht ausreichend sind, um als Kopplungsschichten zwischen jeder magnetischen Schicht 114 zu fungieren. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die nicht-magnetischen Schichten 112 geringer als 0,025 nm, eine Dicke, die weniger als ausreichend ist, um die senkrechte Grenzflächenanisotropie in dem Stapel von Doppelschichten 110 zu verbessern.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die feste magnetische Schicht 102 Legierungen Metalle, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Co, Fe und B, und weist eine Dicke auf, die zum Aufrechterhalten einer festen senkrechten Magnetisierung geeignet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die feste magnetische Schicht 102 eine einzelne Schicht aus Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB). Bei einem Ausführungsbeispiel weist die feste magnetische Schicht 102 eine Dicke auf, die zwischen 2-3 nm ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Tunnelbarriere 106 ein Material, das geeignet ist, um Elektronenstrom mit einem Mehrheitsspin die Tunnelbarriere 106 passieren zu lassen, während gleichzeitig zumindest zum Teil verhindert wird, dass Elektronenstrom mit einem Minderheitsspin die Tunnelbarriere 106 passiert. Somit kann die Tunnelbarriere 106 (oder Spinfilterschicht) auch als Tunnelungsschicht für Elektronenstrom einer bestimmten Spinorientierung bezeichnet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Tunnelbarriere 106 ein Material wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Magnesiumoxid (MgO) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃). Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Tunnelbarriere 106 MgO und weist eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 nm auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Materialschichtstapel 100 ferner eine Oxidschicht 116, die auf der freien Schicht 108 angeordnet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Oxidschicht 116 MgO. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Oxidschicht 116 eine Dicke auf, die zwischen 0,3 nm - 1,5 nm ist. Das Oxid stellt eine Sauerstoffquelle bereit, die eine Sauerstoff-Eisen-Hybridisierung an einer Grenzfläche 117 ermöglicht, die sich zwischen einer obersten Oberfläche der freien Schicht 108 und einer untersten Oberfläche der Oxidschicht 116 befindet. Die Sauerstoff-Eisen-Hybridisierung in der Grenzfläche 117 ermöglicht eine Grenzflächen-Senkrechte- Anisotropie in der freien Schicht 108.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Schutzschicht 118 auf der Oxidschicht 116 angeordnet, wie in 1 dargestellt. Die Schutzschicht 118 fungiert als Schutzbarriere für die Oxidschicht 116 gegen direkte physische Sputterschäden während der Bildung einer nachfolgenden Schicht, wie beispielsweise einer leitfähigen Deckschicht 120. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Schutzschicht 118 eine Dicke auf, die zwischen 0,3 nm - 1,5 nm ist. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Schutzschicht 118 eine Stöchiometrie des Kobalts und des Eisens in dem Film und eine Dicke auf, um das CoFeB nicht-magnetisch zu machen, und zusätzlich eine Dicke, die ausreichend ist, um Sputterschäden bei der Abscheidung der leitfähigen Deckschicht 120 zu verhindern.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine leitfähige Deckschicht 120 auf der Schutzschicht 118 angeordnet, wie in 1 dargestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die leitfähige Deckschicht 120 ein Metall, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Osmium, Rhodium, Molybdän, Ruthenium, Wolfram, Iridium, Gold, Palladium oder Platin. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die leitfähige Deckschicht 120 Molybdän. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die leitfähige Deckschicht 120 ein Metall, das eine Sauerstoffaffinität aufweist, die geringer ist als die Sauerstoffaffinität von Tantal. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die leitfähige Deckschicht 120 eine Dicke auf, die zwischen 1,5 nm - 6 nm ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die leitfähige Deckschicht 120 ein Metall mit einer geringen Sauerstoffaffinität umfassen. Da Sauerstoffatome aus der leitfähigen Deckschicht 120 durch die Schutzschicht 118 diffundieren können und mit dem Metall (Oxidation) in der Grenzfläche 117 reagieren können, wird ein Metall mit geringer Sauerstoffaffinität verwendet, um eine leitfähige Deckschicht 120 zu bilden.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die untere Elektrodenschicht 104 ein Material oder einen Stapel von Materialien, die geeignet sind zum elektrischen Kontaktieren der Feste-Magnetische-Schicht- 102 Seite des Materialschichtstapels 100. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die untere Elektrodenschicht 104 eine topographisch glatte Elektrode. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel umfasst die untere Elektrodenschicht 104 Ru-Schichten, die mit Ta-Schichten verschachtelt sind. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die untere Elektrodenschicht 104 TiN. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die untere Elektrodenschicht 104 eine Dicke zwischen 20 nm - 50 nm auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die obere Elektrodenschicht 122 ein Material wie beispielweise Ta oder TiN. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die obere Elektrodenschicht 122 ein Material, das geeignet ist, eine Hartmaske zum Ätzen des Materialschichtstapels 100 bereitzustellen, um pSTTM-Bauelemente zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die obere Elektrodenschicht 122 ein Material als Kontaktelektrode fungieren kann. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die obere Elektrodenschicht 122 eine Dicke zwischen 30 nm-70 nm auf. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die obere Elektroden- und die untere ElektrodenSchicht 104 ein gleiches Metall, wie beispielweise Ta oder TiN.
2A-2C veranschaulichen Querschnittsansichten verschiedener pSTTM-Materialschichtstapel, wobei eine Speicherschicht zwei durch eine Kopplungsschicht getrennte, freie Schichten umfasst und wobei eine oder mehrere freie Schichten einen Stapel von Doppelschichten umfassen.
2A veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines pSTTM-Materialschichtstapels 200A mit einer Speicherschicht 201A. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Speicherschicht 201A eine freie Schicht 108 und eine zweite freie Schicht 204, die durch eine Kopplungsschicht 202 direkt dazwischen getrennt sind. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die freie Schicht 108, die auf der Tunnelbarriere 106 angeordnet ist, ähnlich ausgebildet wie die freie Schicht 108, die in Verbindung mit 1 beschrieben ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl von Stapeln von Doppelschichten 110 in der freien Schicht 108 zwischen 2-12.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Kopplungsschicht 202 ein Übergangsmetall, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Niob oder Iridium. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Kopplungsschicht 202 ein gleiches Metall wie das Metall der nicht-magnetischen Schichten 112. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Kopplungsschicht 202 ein anderes Metall als das Metall der nicht-magnetischen Schichten 112.
Die Kopplungsschicht 202 ist eine einzelne Schicht aus nicht-magnetischem Material, ähnlich den nicht-magnetischen Schichten 112 in der freien Schicht 108. Die Kopplungsschicht 202 ist jedoch zwischen der freien Schicht 108 und der zweiten freien Schicht 204 angeordnet, um die Grenzflächenanisotropie der Speicherschicht 201A zu erhöhen, während der Zweck der nicht-magnetischen Schichten 112 darin besteht, die Sättigungsmagnetisierung der freien Schicht 108 zu reduzieren. Als solches umfasst die Kopplungsschicht 202 ein Metall und weist eine Dicke auf, die ausreichend ist, um eine kontinuierliche Schicht zu bilden, und (a) eine Grenzflächenanisotropie an der Grenzfläche zwischen der Kopplungsschicht 202 und der zweiten freien Schicht 204 bereitzustellen und (b) eine Grenzflächenanisotropie an der Grenzfläche zwischen der Kopplungsschicht 202 und der obersten magnetischen Schicht 114A der freien Schicht 108 bereitzustellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Kopplungsschicht 202 ein Übergangsmetall, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Niob oder Iridium. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Kopplungsschicht 202 ein gleiches Metall wie das Metall der nicht-magnetischen Schichten 112. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Kopplungsschicht 202 ein anderes Metall als das Metall der nicht-magnetischen Schichten 112.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Kopplungsschicht 202 eine Dicke zwischen 0,2 nm - 0,7 nm auf. Die Kopplungsschicht 202 ist ebenfalls dicker als jede von jeder von den nicht-magnetischen Schichten 112 in dem Stapel von Doppelschichten 110. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Kopplungsschicht 202 eine Dicke auf, die zwischen 10-60 mal größer ist als die Dicke jeder der nicht-magnetischen Schichten 112 in der freien Schicht 108. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Kopplungsschicht 202 eine Dicke zwischen 2-10 mal größer auf als die kombinierte Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112 auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zweite freie Schicht 204 eine einzelne magnetische Schicht. Die zweite freie Schicht 204 ist ein schwächerer freier Magnet als die freie Schicht 202, die über der Kopplungsschicht 108 angeordnet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zweite freie Schicht 204 CoFeB und weist eine Dicke zwischen 0,6 nm - 1,5 nm auf. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die zweite freie Schicht 204 eine Dicke auf, die geringer ist als die kombinierte Gesamtdicke der magnetischen Schichten 114 und der obersten magnetischen Schicht 114A in der freien Schicht 108. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die magnetischen Schichten 114, die oberste magnetische Schicht 114A in der freien Schicht 108 und die zweite freie Schicht 204 CoFeB. Ein von der Zusammensetzung her eisenreiches CoFeB macht die magnetische Anisotropie stärker. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel weist das CoFeB in der magnetischen Schicht 114 eine 80 %-ige Eisenzusammensetzung auf, während das CoFeB in der zweiten freien Schicht 204 eine 75 %-ige Eisenzusammensetzung aufweist.
2B veranschaulicht einen Materialschichtstapel 200B, wobei die zweite freie Schicht 204 nun direkt auf der Tunnelbarriere 106 angeordnet ist. Die Kopplungsschicht 202 ist auf der zweiten freien Schicht 204 angeordnet, und die freie Schicht 108 ist auf der Kopplungsschicht 202 angeordnet, wie in 2B dargestellt.
Die Kopplungsschicht 202 der Speicherschicht 201B weist eine im Wesentlichen ähnliche Materialzusammensetzung und -dicke auf wie die Kopplungsschicht 202 in der Speicherschicht 201A, die in Verbindung mit 2A beschrieben ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Dicke der Kopplungsschicht 202 aus ähnlichen Gründen wie vorangehend beschrieben zwischen 2-8 mal die kombinierten Gesamtdicken der nicht-magnetischen Schichten 112 in der freien Schicht 108.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die freie Schicht 108, die auf der Kopplungsschicht 202 angeordnet ist, ähnlich ausgebildet wie die freie Schicht 108, die in Verbindung mit 1 beschrieben ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl von Stapeln von Doppelschichten 110 in der freien Schichten 108, in der Speicherschicht 201B zwischen 2-5. Unter erneuter Bezugnahme auf 2B ist die unterste magnetische Schicht 114 in dem Stapel von Doppelschichten 110 nun direkt auf der Kopplungsschicht 202 angeordnet. Da die unterste magnetische Schicht 114 nicht als Diffusionsbarriere fungieren muss, kann sie bis zu 0,2 nm dünn sein. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Dicke jeder der magnetischen Schichten 114 und der obersten magnetischen Schicht 114A im Wesentlichen ähnlich sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Dicke jeder der magnetischen Schichten 114 und 114A 0,2 nm. Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die magnetischen Schichten 114 und die oberste magnetische Schicht 114A eine kombinierte Gesamtdicke zwischen 0,6 nm-1,5 nm auf.
Die zweite freie Schicht 204 in der Speicherschicht 201B ist ein stärkerer freier Magnet als die freie Schicht 108, die über der Kopplungsschicht 202 angeordnet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zweite freie Schicht 204, die auf der Tunnelbarriere 106 gebildet ist, von der Zusammensetzung her eisenreicher als die freie Schicht 108. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zweite freie Schicht 204 eine eisenreiche Co_1-xFe_xB-Schicht, wobei X > 0,75, und die freie Schicht 108 eine Co_1-xFe_xB-Schicht, wobei X kleiner oder gleich 0,75 ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zweite freie Schicht 204 eine einzelne magnetische Schicht mit einer Dicke zwischen 1 nm - 3 nm. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die zweite freie Schicht 204 eine Dicke auf, die größer ist als die kombinierte Gesamtdicke der magnetischen Schichten 114 und der obersten magnetischen Schicht 114A in der Speicherschicht 201B.
2C stellt eine Querschnittsansicht eines pSTTM-Materialschichtstapels 200C mit einer Speicherschicht 20IC dar. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Speicherschicht 201C eine freie Schicht 108, die auf der Tunnelbarriere 106 angeordnet ist, getrennt von einer zweiten freien Schicht 108' durch die Kopplungsschicht 202. Die freie Schicht 108 umfasst einen Stapel von Doppelschichten, der durch die oberste magnetische Schicht 114A abgedeckt ist, und die zweite freie Schicht 108' umfasst einen zweiten Stapel von Doppelschichten 110', die durch eine oberste magnetische Schicht 114A' abgedeckt sind, wie in 2C dargestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zweite freie Schicht 108' ähnlich der freien Schicht 108 ausgebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die zweite freie Schicht 108' einen Stapel von Doppelschichten 110', der von der Zusammensetzung her dem Stapel von Doppelschichten 110 ähnlich ist. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Stapel von Doppelschichten 110' eine nicht-magnetische Schicht 112', die auf einer magnetischen Schicht 114' angeordnet ist.
Die Kopplungsschicht 202 der Speicherschicht 201C weist eine im Wesentlichen ähnliche Materialzusammensetzung und -dicke auf wie die Kopplungsschicht 202 in der Speicherschicht 201A, die in Verbindung mit 2A beschrieben ist. Die Kopplungsschicht 202 ist zwischen zwei freien Schichten 108 und 108' angeordnet, um die senkrechte Grenzflächenanisotropie der Speicherschicht 201C zu erhöhen. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Kopplungsschicht 202 eine Dicke auf, die zwischen 0,3 nm - 0,7 nm ist, um die senkrechte Grenzflächenanisotropie beizubehalten. Bei einem Ausführungsbeispiel weist jede von den nicht-magnetischen Schichten 112 und nicht-magnetischen Schichten 112' eine Dicke auf, die zwischen 0,011-0,023 nm ist, um beim Reduzieren der Sättigungsmagnetisierung zu helfen. Somit ist das Verhältnis der Dicke der Kopplungsschicht 202 zu der nicht-magnetischen Schicht 112 oder nicht-magnetischen Schicht 112' zumindest 10:1.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Dicke der Kopplungsschicht 202 zwischen 1-10 mal die kombinierte Gesamtdicke der nicht-magnetischen Schichten 112' in der zweiten freien Schicht 108'. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Kopplungsschicht 202 eine Dicke auf, die zwischen 1-6 mal die kombinierte Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112 ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die magnetischen Schichten 114' von der Zusammensetzung her der obersten magnetischen Schicht 114A' ähnlich. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die magnetischen Schichten 114' und die oberste magnetische Schicht 114A' von der Zusammensetzung her jeweils den magnetischen Schichten 114 und der obersten magnetischen Schicht 114A ähnlich. Bei einem Ausführungsbeispiel können die magnetischen Schichten 114' und die oberste magnetische Schicht 114A' CoFeB sein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfassen die magnetischen Schichten 114 und die oberste magnetische Schicht 114A CoFeB, das im Vergleich zu dem CoFeB in der magnetischen Schicht 114' und in der obersten magnetischen Schicht 114A' von der Zusammensetzung her eisenreich ist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel weist das CoFeB in der magnetischen Schicht 114 eine 80 %-ige Eisenzusammensetzung auf, während das CoFeB in der zweiten magnetischen Schicht 114' eine 75 %-ige Eisenzusammensetzung aufweist.
Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die magnetischen Schichten 114 und die oberste magnetische Schicht 114 eine kombinierte Gesamtdicke auf, die größer als die kombinierte Gesamtdicke aller magnetischen Schichten 114' der obersten magnetischen Schicht 114A' ist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel ist die kombinierte Dicke aller magnetischen Schichten 114 und der obersten magnetischen Schicht 114A zwischen 1 nm - 2,85 nm und die kombinierte Dicke aller magnetischen Schichten 114' und der obersten magnetischen Schicht 114A'ist zwischen 0,6 nm und 1,9 nm. Zusätzlich kann, wie vorangehend erörtert wurde, die Dicke jeder der magnetischen Schichten 114' in der zweiten freien Schicht 108', die über der Deckschicht 202 angeordnet ist, im Wesentlichen ähnlich sein und kann eine Dicke von zumindest 0,2 nm aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die nicht-magnetische Schicht 112 und die nicht-magnetische Schicht 112' ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Molybdän, Ruthenium, Wolfram, Tantal und Aluminium. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die nicht-magnetische Schicht 112 ein gleiches Metall wie das Metall der nicht-magnetischen Schicht 112'. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die nicht-magnetische Schicht 112 ein Metall, das anders ist als das Metall der nicht-magnetischen Schicht 112'. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112 im Wesentlichen ähnlich der Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112'. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112 größer als die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112'. Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112 geringer als die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112'.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine Speicherschicht 201C mehr als zwei freie Schichten umfassen, wie beispielsweise die freie Schicht 108, wobei eine freie Schicht von der anderen durch eine Kopplungsschicht, wie beispielsweise eine Kopplungsschicht 202, dazwischen getrennt ist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann jede der freien Schichten einen Stapel von Doppelschichten, wie beispielsweise die Doppelschichten 110, umfassen, die durch eine magnetische Schicht, wie beispielsweise eine magnetische Schicht 114, abgedeckt sind.
2C stellt eine Querschnittsansicht eines pSTTM-Materialschichtstapels 200C mit einer Speicherschicht 201C dar. Bei einem Ausführungsbeispiel eine freie Schicht 108, die einen Stapel von Doppelschichten umfasst, der durch die oberste magnetische Schicht 114A abgedeckt ist, die auf der Tunnelbarriere 106 angeordnet ist. Die Kopplungsschicht 202 ist auf der obersten magnetischen Schicht 114A der freien Schicht 108 angeordnet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine zweite freie Schicht 108' auf der Kopplungsschicht 202 angeordnet, wobei die zweite freie Schicht 108' einen zweiten Stapel von Doppelschichten 110' umfasst, der durch eine oberste magnetische Schicht 114A' abgedeckt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zweite freie Schicht 108' ähnlich der freien Schicht 108 ausgebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die zweite freie Schicht 108' einen Stapel von Doppelschichten 110', der von der Zusammensetzung her dem Stapel von Doppelschichten 110 ähnlich ist. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Stapel von Doppelschichten 110' eine nicht-magnetische Schicht 112', die auf einer magnetischen Schicht 114' angeordnet ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die magnetischen Schichten 114' von der Zusammensetzung her der obersten magnetischen Schicht 114A' ähnlich. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die magnetischen Schichten 114' und die oberste magnetische Schicht 114A' von der Zusammensetzung her jeweils den magnetischen Schichten 114 und der obersten magnetischen Schicht 114A' ähnlich. Bei einem Ausführungsbeispiel können die magnetischen Schichten 114' und die oberste magnetische Schicht 114A' CoFeB sein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist das magnetische Material 114' eine CoFeB-Schicht auf, die im Vergleich zu dem CoFeB in der magnetischen Schicht 114' von der Zusammensetzung her eisenreich ist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel weist das CoFeB in der magnetischen Schicht 114 eine 80%-ige Eisenzusammensetzung auf, während das CoFeB in der zweiten magnetischen Schicht 114' eine 75 %-ige Eisenzusammensetzung aufweist.
Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die magnetischen Schichten 114 und die oberste magnetische Schicht 114A eine kombinierte Gesamtdicke auf, die größer als die kombinierte Gesamtdicke aller magnetischen Schichten 114' der obersten magnetischen Schicht 114A' ist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel ist die kombinierte Dicke aller magnetischen Schichten 114 und der obersten magnetischen Schicht 114 zwischen 1 nm - 2,85 nm und die kombinierte Dicke aller magnetischen Schichten 114' und der obersten magnetischen Schicht 114' ist zwischen 0,6 nm und 1,9 nm. Zusätzlich kann, wie vorangehend erörtert wurde, die Dicke jeder der magnetischen Schichten 114' in der zweiten freien Schicht 108', die über der Deckschicht 202 angeordnet ist, im Wesentlichen ähnlich sein und kann eine Dicke von zumindest 0,2 nm aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die nicht-magnetische Schicht 112 und die nicht-magnetische Schicht 112' ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Molybdän, Ruthenium, Wolfram, Tantal und Aluminium. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die nicht-magnetische Schicht 112 ein gleiches Metall wie das Metall der nicht-magnetischen Schicht 112'. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die nicht-magnetische Schicht 112 ein Metall, das anders ist als das Metall der nicht-magnetischen Schicht 112'. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112 im Wesentlichen ähnlich der Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112'. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112 größer als die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 112'.
3 stellt eine Querschnittansicht einer synthetischen antiferromagnetischen (SAF-; synthetic antiferromagnetic) Schicht 220 dar. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die SAF-Schicht 220 eine SAF-nicht-magnetische Schicht 220B, die zwischen einer ersten SAF-magnetischen Schicht 220A und einer zweiten SAF-magnetischen Schicht 220C sandwichartig angeordnet ist. Eine SAF-Schicht 220 kann zwischen der unteren Elektrodenschicht 104 und der festen magnetischen Schicht 102 in jedem der Materialschichtstapel 200A, 200B oder 200C angeordnet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die SAF-Erste-Magnetische-Schicht 220A ein Metall, wie beispielsweise, aber beschränkt auf Co, Ni/Pt, Pd, eine SAF-Nicht-Magnetische-Schicht 220B, die Ruthenium ist, und eine zweite SAF-Magnetische-Schicht 220C, die Co, Ni/Pt, Pd-Mehrschichten-CoFeB ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine auf Ruthenium basierende SAF-Nicht-Magnetische-Schicht 220B auf einen Dickenbereich von 4-9 Angström beschränkt, um sicherzustellen, dass die Kopplung zwischen der ersten SAF-Magnetische-Schicht 220A und der zweiten SAF-Magnetische-Schicht 220C anti-ferromagnetischer Natur ist.
4A-4C veranschaulichen Querschnittsansichten, die verschiedene Operationen bei einem Verfahren zum Herstellen des pSTTM-Materialschichtstapels 200C darstellen, der in 2C dargestellt ist.
4A veranschaulicht eine Querschnittsansicht nach der Bildung der festen magnetischen Schicht 102, der Tunnelbarriere 106 und des Stapels von Doppelschichten 110. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die untere Elektrode 104 auf einem Substrat abgeschieden. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die feste magnetische Schicht 102, die Tunnelbarriere 106 und der Stapel von Doppelschichten 110 und die magnetische Schicht 114 aufeinanderfolgend durch Abscheidungsverfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, auf der unteren Elektrode 104 Deckschicht (blanket) -abgeschieden.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Dicke der nicht-magnetischen Schichten 114 und 114' zwischen 0,01nm und 0,025nm. Somit kann der Abscheidungsprozess nicht-magnetische Schichten 114 und 114' ergeben, die diskontinuierlich sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Verfahren, das verwendet wird zum Abscheiden der unteren Elektrodenschicht 104, der festen magnetischen Schicht 102, der Tunnelbarriere 106, des Stapels von Doppelschichten 110 und der magnetischen Schicht 114 ohne Luftbruch durchgeführt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die untere Elektrodenschicht 104 zuerst Deckschicht-abgeschieden und planarisiert. Die feste magnetische Schicht 102, die Tunnelbarriere 106, der Stapel von Doppelschichten 110 und die magnetische Schicht 114 werden anschließend auf der planarisierten unteren Elektrodenschicht 104 Deckschicht-abgeschieden.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Prozess zum Abscheiden des Stapels von Doppelschichten 110 in einer Weise durchgeführt, die nicht zu einem Vermischen zwischen der magnetischen Schicht 114 und der nicht-magnetischen Schicht 112 führt. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die nicht-magnetischen Schichten 112 in einer Dicke abgeschieden, derart, dass Abschnitte der nicht-magnetischen Schichten 112 diskontinuierlich sind. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel, wenn die magnetische Schicht 114 auf einer solchen diskontinuierlichen nicht-magnetischen Schicht 112 abgeschieden wird, sind Abschnitte der magnetischen Schichten 114 über der nicht-magnetischen Schicht 112 in Kontakt mit Abschnitten der magnetischen Schicht unter der nicht-magnetischen Schicht 112. Daher verbessert die Bildung von Doppelschichten mit Diskontinuitäten in den nicht-magnetischen Schichten 112 nicht die Grenzflächen-senkrechte Anisotropie.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die oben beschriebene SAF-Schicht 220 zwischen der unteren Elektrodenschicht 104 und der festen magnetischen Schicht 102 abgeschieden.
4B veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Bildung einer Kopplungsschicht 202 und einer zweiten freien Schicht 108' umfassend einen Stapel von Doppelschichten 110' über der ersten freien Schicht 108. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Kopplungsschicht 202 unter Verwendung einer reaktiven Sputterabscheidungstechnik abgeschieden und umfasst ein Material wie beispielsweise CoFeB. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Kopplungsschicht 202 eine Dicke zwischen 0,3 nm - 0,7 nm auf. Somit ist eine Dicke zwischen 0,3nm - 0,7nm ausreichend genug, um einen kontinuierlichen Film aus CoFeB-Kopplungsschicht zu bilden.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Materialien und Verfahren zum Bilden der zweiten freien Schicht 108', umfassend den Stapel von Doppelschichten 110' und der obersten magnetischen Schicht 114A', den Verfahren und Materialien ähnlich, die verwendet werden, um die freie Schicht 108 zu bilden, umfassend den Stapel von Doppelschichten 110 und die oberste magnetische Schicht 114.
Bei einem Ausführungsbeispiel werden die untere Elektrode 104, die feste magnetische Schicht 102, die freie Schicht 108, die Kopplungsschicht 202 und die zweite freie Schicht 108' alle in situ ohne Luftbruch abgeschieden.
4C veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Bildung einer Schutzschicht 118 auf der zweiten freien Schicht 108', einer leitfähigen Deckschicht 120 auf der Schutzschicht 118, gefolgt von der Bildung einer oberen Elektrodenschicht 122 auf der leitfähigen Deckschicht 120.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Schutzschicht 118 eine Dicke auf, die ausreichend ist, um gegen Sputterschäden während der nachfolgenden Abscheidung der leitfähigen Deckschicht 120 standzuhalten. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Kobaltzusammensetzung in der CoFeB-Legierung auf ein Niveau unter 25 % bezüglich der Eisenzusammensetzung abgestimmt. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel ist die sich ergebende Co_xFe_1-xB-Schutzschicht 118 (wobei x <0,25) mit einer Dicke von 0,3 bis 1,5 nm eine magnetisch-tote Schicht.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die leitfähige Deckschicht 120 ein Metall, wie beispielsweise Molybdän oder Ruthenium. Metalle mit mangelnder Sauerstoffaffinität, wie beispielsweise Molybdän und Ruthenium, bieten Schutz vor Sauerstoffaufnahme (scavenging) von der Grenzfläche 117 (beschrieben in Verbindung mit 1). Bei einem Ausführungsbeispiel wird die leitfähige Deckschicht 120 unter Verwendung eines Niedrigenergie-Physikalische-Gasphasenabscheidungs- (PVD-; Physical Vapor Deposition) Prozesses auf der Oberfläche der Schutzschicht 118 Deckschicht-abgeschieden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die leitfähige Deckschicht 120 in einer Dicke von 1,5 nm - 5 nm abgeschieden.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird die obere Elektrodenschicht 122 auf der Oberfläche der leitfähigen Deckschicht 120 Deckschicht-abgeschieden. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die obere Elektrodenschicht 122 ein Material wie beispielweise Ta. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Dicke der oberen Elektrodenschicht 122 zwischen 30-70 nm.
Magnetische Messungen der Koerzitivfeldstärke und TMR können gemessen werden, nachdem der Materialschichtstapel 200A gebildet worden ist. Bei einem Ausführungsbeispiel lassen die Koerzitivitätsmessungen des Materialschichtstapels 200A erkennen, dass das Implementieren eines Stapels von Doppelschichten 110 in der freien Schicht 108 die Koerzitivfeldstärke des Materialschichtstapels 200A um nahezu 35-50 % gegenüber der Verwendung einer freien Schicht 108 mit einer einzelnen Schicht aus magnetischem Material erhöht. Eine Erhöhung der Koerzitivfeldstärke des Materialschichtstapels 200A ist ein Hinweis auf die Verbesserung der senkrechten Anisotropie und der Bit-Stabilität.
Bei einem Ausführungsbeispiel weisen TMR-Messungen des Materialschichtstapels 200A einen ähnlichen TMR auf wie die Verwendung einer freien Schicht 108 mit einer einzelnen Schicht aus magnetischem Material.
5 veranschaulicht ein pSTTM-Bauelement 500, das auf einer leitfähigen Zwischenverbindung 502 gebildet ist, die auf einer Kontaktstruktur 504 über einer Drain-Region 506 eines über einem Substrat 510 angeordneten Zugriffstransistors 508 angeordnet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der in 2A beschriebene Materialschichtstapel 200A auf einer leitfähigen Zwischenverbindung 502 Deckschicht-abgeschieden. Der Materialschichtstapel 200A wird lithografisch strukturiert und anschließend geätzt, um ein pSTTM-Bauelement 500 zu bilden, wie in 5 dargestellt ist. Das pSTTM-Bauelement 500 umfasst die feste magnetische Schicht 102, die auf der unteren Elektrodenschicht 104 gebildet wird. Die Tunnelbarriere 106 wird auf der festen magnetischen Schicht 102 gebildet. Die Speicherschicht 201A wird auf der Tunnelbarriere 106 gebildet. Die Oxidschicht 116 wird auf der Speicherschicht 201A gebildet. Die Schutzschicht 118 wird auf der Oxidschicht 116 gebildet. Die leitfähige Deckschicht 120 wird auf der Schutzschicht 118 gebildet. Die obere Elektrodenschicht 122 wird auf der Schutzschicht 118 gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das pSTTM-Bauelement 500 von einer Dielektrischer-Abstandhalter-Schicht 501 umgeben.
Bei einem Ausführungsbeispiel repräsentiert ein darunterliegendes Substrat 510 eine Oberfläche, die zum Herstellen integrierter Schaltungen verwendet wird. Ein geeignetes Substrat 510 umfasst ein Material wie beispielsweise ein Einkristall-Silizium, polykristallines Silizium und Silizium auf Isolator (SOI; Silicon On Insulator) sowie ähnliche Substrate, die aus anderen Halbleitermaterialien gebildet sind. Das Substrat 510 kann auch Halbleitermaterialien, Metalle, Dielektrika, Dotierstoffe und andere Materialien umfassen, die sich üblicherweise in Halbleitersubstratenfinden.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind der dem Substrat 510 zugeordneten Zugriffstransistor 508 Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET (MOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) oder einfach MOS-Transistoren), die auf dem Substrat 510 hergestellt werden. Bei verschiedenen Implementierungen der Erfindung kann der Zugriffstransistor 508 planare Transistoren, nicht-planare Transistoren oder eine Kombination aus beidem sein. Nicht-planare Transistoren können FinFET-Transistoren umfassen, wie beispielsweise Doppel-Gate-Transistoren und Tri-Gate-Transistoren sowie Wrap-Around (Umwickel-) oder Allaround- (Ringsum-) Gate-Transistoren, wie etwa Nanoband- und Nanodraht-Transistoren.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Zugriffstransistor 508 des Substrats 510 einen Gate-Stapel, der aus zumindest zwei Schichten, einer Gate-Dielektrikum-Schicht 514 und einer Gate-Elektrodenschicht 512 gebildet ist. Die Gate-Dielektrikum-Schicht 514 kann eine Schicht oder einen Stapel von Schichten umfassen. Die eine oder die mehreren Schichten können Siliziumoxid, Siliziumdioxid (SiO₂) und/oder ein High-k-Dielektrikumsmaterial umfassen. Das High-k-Dielektrikumsmaterial kann Elemente umfassen, wie beispielsweise Hafnium, Silizium, Sauerstoff, Titan, Tantal, Lanthan, Aluminium, Zirkonium, Barium, Strontium, Yttrium, Blei, Scandium, Niobium und Zink. Beispiele von High-k-Materialien, die in der Gate-Dielektrikum-Schicht verwendet werden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Hafniumoxid, Hafniumsiliziumoxid, Lanthanoxid, Lanthanaluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Zirkoniumsiliziumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Barium-Strontium-Titanoxid, Bariumtitanoxid, Strontiumtitanoxid, Yttriumoxid, Aluminiumoxid, Blei-Scandium-Tantal-Oxid und Blei-Zink-Niobat. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann ein Temperprozess auf der Gate-Dielektrikum-Schicht 514 durchgeführt werden, um deren Qualität zu verbessern, wenn ein High-k-Material verwendet wird.
Die Gate-Elektrodenschicht 512 des Zugriffstransistors 508 des Substrats 510 wird auf der Gate-Dielektrikum-Schicht 514 gebildet und kann zumindest ein P-Typ-Arbeitsfunktions-Metall oder N-Typ-Arbeitsfunktions-Metall umfassen, abhängig davon, ob der Transistor ein PMOS- oder NMOS-Transistor sein soll. Bei einigen Implementierungen kann die Gate-Elektrodenschicht 512 aus einem Stapel von zwei oder mehreren Metallschichten bestehen, wobei eine oder mehrere Metallschichten Arbeitsfunktions-Metallschichten sind und zumindest eine Metallschicht eine leitfähige Füllschicht ist.
Für einen PMOS-Transistor umfassen Metalle, die für die Gate-Elektrodenschicht 512 verwendet werden können, Ruthenium, Palladium, Platin, Kobalt, Nickel und leitfähige Metalloxide, z. B. Rutheniumoxid, sind aber nicht darauf beschränkt. Eine P-Typ-Metallschicht ermöglicht die Bildung einer PMOS-Gate-Elektrode mit einer Arbeitsfunktion, die zwischen ungefähr 4,9 eV und ungefähr 5,2 eV ist. Für einen NMOS-Transistor umfassen Metalle, die für die Gate-Elektrode verwendet werden können, Hafnium, Zirkonium, Titan, Tantal, Aluminium, Legierungen dieser Metalle und Carbide dieser Metalle, wie beispielsweise Hafniumcarbid, Zirkoniumcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid und Aluminiumcarbid, sind aber nicht darauf beschränkt. Eine N-Typ-Metallschicht ermöglicht die Bildung einer NMOS-Gate-Elektrode mit einer Arbeitsfunktion, die zwischen ungefähr 3,9 eV und ungefähr 4,2 eV ist.
Bei einigen Implementierungen kann die Gate-Elektrode eine „U“-förmige Struktur umfassen, die einen Bodenabschnitt im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrats und zwei Seitenwandabschnitte, die im Wesentlichen senkrecht zu der oberen Oberfläche des Substrats sind, umfasst. Bei einer anderen Implementierung kann zumindest eine der Metallschichten, die die Gate-Elektrode 512 bilden, einfach eine planare Schicht sein, die im Wesentlichen parallel zu der oberen Oberfläche des Substrats ist und keine Seitenwandabschnitte im Wesentlichen senkrecht zu der oberen Oberfläche des Substrats umfasst. Bei weiteren Implementierungen der Erfindung kann die Gate-Elektrode eine Kombination aus U-förmigen Strukturen und planaren, nicht U-förmigen Strukturen umfassen. Zum Beispiel kann die Gate-Elektrode 512 eine oder mehrere U-förmige Metallschichten umfassen, die auf einer oder mehreren, planaren, nicht U-förmigen Schichten gebildet sind.
Bei einigen Implementierungen der Erfindung kann ein Paar von Seitenwand-Abstandhaltern 516 auf gegenüberliegenden Seiten des Gate-Stapels gebildet sein, die den Gate-Stapel umklammern. Die Seitenwand-Abstandhalter 516 können aus einem Material, wie beispielsweise Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid, mit Kohlenstoff dotiertem Siliziumnitrid und Siliziumoxynitrid, gebildet sein. Prozesse zum Bilden von Seitenwand-Abstandhaltern sind im Stand der Technik bekannt und umfassen im Allgemeinen Abscheidungs- und Ätz-Prozess-Operationen. Bei einer alternativen Implementierung kann eine Mehrzahl von Abstandhalterpaaren verwendet werden, zum Beispiel können zwei Paare, drei Paare oder vier Paare von Seitenwand-Abstandhaltern auf gegenüberliegenden Seiten des Gate-Stapels gebildet sein.
Wie im Stand der Technik bekannt ist, werden die Source-Region 518 und die Drain-Region 506 innerhalb des Substrats benachbart zu dem Gate-Stapel jedes MOS-Transistors gebildet. Die Source-Region 518 und die Drain-Region 506 werden im Allgemeinen unter Verwendung entweder eines Implantation/Diffusionsprozesses oder eines Ätz/Abscheidungsprozesses gebildet. Bei dem ersteren Prozess können Dotierstoffe wie beispielsweise Bor, Aluminium, Antimon, Phosphor oder Arsen in das Substrat Ionen-implantiert werden, um die Source-Region 518 und die Drain-Region 506 zu bilden. Ein Temperprozess, der die Dotierstoffe aktiviert und sie zum weiteren Diffundieren in das Substrat veranlasst, kann typischerweise dem Ionen-Implantationsprozess folgen. Bei dem späteren Prozess kann das Substrat zuerst geätzt werden, um Vertiefungen an den Orten der Source- und Drain-Regionen zu bilden. Ein epitaxialer Abscheidungsprozess kann dann durchgeführt werden, um die Vertiefungen mit Material zu füllen, das verwendet wird, um die Source-Region 518 und die Drain-Region 506 herzustellen. Bei einigen Implementierungen können die Source-Region 518 und die Drain-Region 506 unter Verwendung einer Siliziumlegierung, wie beispielsweise Silizium-Germanium oder Siliziumcarbid, hergestellt werden. Bei einigen Implementierungen kann die epitaxial abgeschiedene Siliziumlegierung in situ mit Dotierstoffen, wie beispielsweise Bor, Arsen oder Phosphor, dotiert werden. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können die Source-Region 518 und die Drain-Region 506 unter Verwendung von einem oder mehreren alternativen Halbleitermaterialien gebildet werden, wie beispielsweise Germanium oder einem Material oder Legierung der Gruppe III-V. Und bei weiteren Ausführungsbeispielen können eine oder mehrere Schichten aus Metall und/oder Metalllegierungen verwendet werden, um die Source-Region 518 und die Drain-Region 506 zu bilden.
Bei einem Ausführungsbeispiel werden ein Gate-Kontakt 520 und ein Source-Kontakt 522 jeweils über der Gate-Elektrode 512 und der Source-Region 518 gebildet.
6 stellt eine Rechenvorrichtung 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Die Rechenvorrichtung 600 häust eine Hauptplatine 602. Die Hauptplatine 602 kann eine Anzahl von Komponenten umfassen, einschließlich aber nicht beschränkt auf einen Prozessor 604 und zumindest einen Kommunikationschip 606. Der Prozessor 604 ist physisch und elektrisch mit der Hauptplatine 602 gekoppelt. Bei einigen Implementierungen ist der zumindest eine Kommunikationschip 606 auch physisch und elektrisch mit der Hauptplatine 602 gekoppelt. Bei weiteren Implementierungen ist der Kommunikationschip 606 Teil des Prozessors 604.
Abhängig von ihren Anwendungen kann die Rechenvorrichtung 600 andere Komponenten umfassen, die physisch und elektrisch mit der Hauptplatine 602 gekoppelt sein können oder nicht. Diese anderen Komponenten umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, einen flüchtigen Speicher (z. B. DRAM), einen nichtflüchtigen Speicher (z. B. ROM), einen Flash-Speicher, einen Graphikprozessor, einen digitalen Signalprozessor, einen Krypto-Prozessor, einen Chipsatz, eine Antenne, eine Anzeige, eine Touchscreen-Anzeige, eine Touchscreen-Steuerung, eine Batterie, einen Audio-Codec, einen Video-Codec, einen Leistungsverstärker, ein GPS-Bauelement (Global Positioning System; globales Positionierungssystem), einen Kompass, ein Akzelerometer, ein Gyroskop, einen Lautsprecher, eine Kamera, und eine Massenspeichervorrichtung (z. B. Festplattenlaufwerk, CD (Compact Disk), DVD (Digital Versatile Disk) usw.).
Der Kommunikationschip 606 ermöglicht eine drahtlose Kommunikation für die Übertragung von Daten zu und von der Rechenvorrichtung 600. Der Ausdruck „drahtlos“ und seine Ableitungen können verwendet werden, um Schaltungen, Bauelemente, Systeme, Verfahren, Techniken, Kommunikationskanäle etc. zu beschreiben, die Daten durch die Verwendung modulierter, elektromagnetischer Strahlung durch ein nicht-festes Medium kommunizieren können. Der Ausdruck impliziert nicht, dass die zugeordneten Bauelemente nicht irgendwelche Drähte enthalten, obwohl sie dies bei einigen Ausführungsbeispielen möglicherweise nicht tun. Der Kommunikationschip 606 kann irgendeine von einer Anzahl von drahtlosen Standards oder Protokollen implementieren, einschließlich aber nicht beschränkt auf Wi-Fi (IEEE 802.11-Familie), WiMAX (IEEE 802.1-Familie), IEEE 802.20, Long Term Evolution (LTE), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, und Ableitungen davon, sowie irgendwelche anderen drahtlosen Protokolle, die bezeichnet werden als 3G, 4G, 5G und darüber hinaus. Die Rechenvorrichtung 600 kann eine Mehrzahl von Kommunikationschips 606 umfassen. Zum Beispiel kann ein erster Kommunikationschip 606 zweckgebunden sein für drahtlose Kommunikation mit kürzerem Bereich, wie beispielsweise Wi-Fi und Bluetooth, und ein zweiter Kommunikationschip 606 kann zweckgebunden sein für drahtlose Kommunikation mit längerem Bereich, wie beispielsweise GPS, EDGE, GPRS, CDMA, WiMAX, LTE, Ev-DO, und andere.
Der Prozessor 604 der Rechenvorrichtung 600 umfasst einen Integrierte-Schaltung-Die, der innerhalb des Prozessors 604 gehäust ist. Bei einigen Implementierungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst der Integrierte-Schaltung-Die des Prozessors ein oder mehrere Speicherelemente, wie beispielsweise ein pSTTM-Bauelement 500, das mit einem pSTTM-Materialschichtstapel 200C gemäß Ausführungsbeispielen vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Der Ausdruck „Prozessor“ kann sich auf irgendein Bauelement oder Abschnitt eines Bauelements beziehen, das/der elektronische Daten aus Registern und/oder Speicher verarbeitet, um diese elektronischen Daten in andere elektronische Daten zu transformieren, die in Registern und/oder Speicher gespeichert werden können.
Der Kommunikationschip 606 umfasst auch einen Integrierte-Schaltung-Die, der innerhalb des Kommunikationschips 606 gehäust ist. Gemäß einer anderen Implementierung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung umfasst der Integrierte-Schaltung-Die des Kommunikationschips ein pSTTM-Bauelement integriert mit Zugriffstransistoren, die gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind.
Bei weiteren Implementierungen kann eine andere Komponente, die innerhalb der Rechenvorrichtung 600 gehäust ist, einen alleinstehenden Integrierte-Schaltung-Speicher-Die umfassen, der ein oder mehrere Speicherelemente umfasst, die gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegen Erfindung eingebaut sind.
Bei verschiedenen Implementierungen kann die Rechenvorrichtung 600 ein Laptop, ein Netbook, ein Notebook, ein Ultrabook, ein Smartphone, ein Tablet, ein PDA (Personal Digital Assistant = persönlicher digitaler Assistent), ein ultramobiler PC, ein Mobiltelefon, ein Desktop-Computer, ein Server, ein Drucker, ein Scanner, ein Monitor, eine Set-Top-Box, eine Unterhaltungs-Steuereinheit (entertainment control unit), eine Digitalkamera, ein tragbarer Musikspieler oder ein digitaler Videorecorder sein. Bei weiteren Implementierungen kann die Rechenvorrichtung 600 irgendein anderes elektronisches Bauelement sein, das Daten verarbeitet.
Dementsprechend beziehen sich ein oder mehrere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen auf die Herstellung eines eingebetteten mikroelektronischen Speichers. Der mikroelektronische Speicher kann nichtflüchtig sein, wobei der Speicher gespeicherte Information auch behalten kann, wenn er nicht mit Leistung versorgt wird. Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf die Herstellung eines pSTTM-Materialschichtstapels 200C. Ein solcher pSTTM-Materialschichtstapel 200C kann in einer Eingebetteter-Nichtflüchtiger-Speicher-Anwendung verwendet werden.
Somit umfassen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Senkrechter-Spin-Transfer-Torque-Speicher- (pSTTM-) Bauelemente mit verbesserter senkrechter Anisotropie und Herstellungsverfahren sind beschrieben. Somit umfassen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Senkrechter-Spin-Transfer-Torque-Speicher- (pSTTM-) Bauelemente mit verbesserter senkrechter Anisotropie und Herstellungsverfahren sind beschrieben.
Beispiel 1: Ein Materialschichtstapel für ein pSTTM-Bauelement umfasst eine feste magnetische Schicht und eine Tunnelbarriere, die über der festen magnetischen Schicht angeordnet ist. Eine freie Schicht ist auf der Tunnelbarriere angeordnet, wobei eine oberste Doppelschicht durch eine magnetische Schicht abgedeckt ist, wobei jede von den Doppelschichten eine nicht-magnetische Schicht umfasst, auf einer magnetischen Schicht angeordnet ist, und wobei die nicht-magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten eine kombinierte Dicke aufweisen, die weniger als 15 % einer kombinierten Dicke der magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten ist.
Beispiel 2: Der Materialschichtstapel von Beispiel 1, wobei die Anzahl von Doppelschichten zumindest 2 ist.
Beispiel 3: Der Materialschichtstapel von Beispiel 1 oder 2, wobei die Anzahl von Doppelschichtstapeln zwischen 2-12 ist.
Beispiel 4: Der Materialschichtstapel von Beispiel 1, 2 oder 3, wobei die nicht-magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten eine kombinierte Dicke aufweisen, die weniger als 5 % der kombinierten Dicke von jeder der magnetischen Schichten in der Mehrzahl der Doppelschichten ist.
Beispiel 5: Der Materialschichtstapel von Beispiel 1, 2, 3 oder 4, wobei die magnetische Schicht in einer untersten Doppelschicht in Kontakt mit der Tunnelbarriere ist und eine Dicke aufweist, die größer ist als die Dicke von jeder der magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten, der nicht mit der Tunnelbarriere in Kontakt ist.
Beispiel 6: Der Materialschichtstapel von Beispiel 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei die magnetische Schicht in Kontakt mit der Tunnelbarriere eine Dicke aufweist, die zumindest 0,45 nm ist.
Beispiel 7: Der Materialschichtstapel von Beispiel 1, 2, 3, 5 oder 6, wobei die kombinierte Dicke der magnetischen Schichten in der freien Schicht zumindest 1,0 nm ist.
Beispiel 8: Der Materialschichtstapel von Beispiel 1, 2, 3, oder 4, wobei jede von den nicht-magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten eine Monoschicht ist.
Beispiel 9: Der Materialschichtstapel von Beispiel 1, 2, 3, 4 oder 8, wobei die kombinierte Dicke der nicht-magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten zumindest 0,05 nm ist.
Beispiel 10: Der Materialschichtstapel von Beispiel 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, wobei die magnetische Schicht Kobalt, Bor und Eisen umfasst.
Beispiel 11: Der Materialschichtstapel von Beispiel 1, 2, 3, 8 oder 9, wobei die nicht-magnetische Schicht ein Metall umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Molybdän, Ruthenium, Wolfram, Tantal und Aluminium.
Beispiel 12: Der Materialschichtstapel von Beispiel 1, wobei der Materialschichtstapel ferner eine Oxidschicht umfasst, die auf der freien Schicht angeordnet ist. Eine Schutzschicht ist auf der Oxidschicht angeordnet und eine leitfähige Deckschicht ist direkt auf der Schutzschicht angeordnet.
Beispiel 13: Ein Materialschichtstapel für ein pSTTM-Bauelement umfasst eine feste magnetische Schicht und eine Tunnelbarriere, die über der festen magnetischen Schicht angeordnet ist. Eine Speicherschicht ist auf der Tunnelbarriere angeordnet. Die Speicherschicht umfasst eine erste freie Schicht, die auf der Tunnelbarriere angeordnet ist. Eine Kopplungsschicht ist auf der ersten freien Schicht angeordnet und eine zweite freie Schicht ist auf der Kopplungsschicht angeordnet, wobei eine von der ersten freien Schicht oder der zweiten freien Schicht einen Stapel von Doppelschichten umfasst. Ein oberster Doppelschichtstapel ist durch eine magnetische Schicht abgedeckt, und jede von den Doppelschichten umfasst eine nicht-magnetische Schicht, die auf einer magnetischen Schicht angeordnet ist, und wobei die nicht-magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten eine kombinierte Dicke aufweisen, die weniger als 15 % einer kombinierten Dicke der magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten ist.
Beispiel 14: Der Materialschichtstapel von Beispiel 13, wobei die erste freie Schicht den Stapel von Doppelschichten umfasst und die zweite freie Schicht eine einzelne magnetische Schicht umfasst.
Beispiel 15: Der Materialschichtstapel von Beispiel 13 oder 14, wobei die zweite freie Schicht einen zweiten Stapel von Doppelschichten umfasst, der durch eine magnetische Schicht abgedeckt sind, und wobei jeder von dem zweiten Stapel von Doppelschichten eine nicht-magnetische Schicht umfasst, die auf einer magnetischen Schicht angeordnet ist. Die magnetischen Schichten in dem zweiten Stapel von Doppelschicht weisen eine kombinierte Dicke auf, die geringer als die kombinierte Gesamtdicke der magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten in der ersten magnetischen Schicht ist.
Beispiel 16: Der Materialschichtstapel von Beispiel 13, wobei die erste freie Schicht eine einzelne magnetische Schicht umfasst und die zweite freie Schicht den Stapel von Doppelschichten umfasst und wobei die kombinierte Dicke der magnetischen Schichten in der zweiten freien Schicht geringer ist als die Dicke der ersten freien Schicht, die eine einzelne magnetische Schicht umfasst.
Beispiel 17: Der Materialschichtstapel von Beispiel 13, wobei der Stapel von Doppelschichten, der in der ersten freien Schicht gebildet ist, eine unterste magnetische Schicht in Kontakt mit der Tunnelbarriere aufweist. Die Dicke der untersten magnetischen Schicht ist größer als die Dicke von jeder der magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten, der nicht mit der Tunnelbarriere in Kontakt ist.
Beispiel 18: Der Materialschichtstapel von Beispiel 13, 14 oder 17, wobei die kombinierte Gesamtdicke der magnetischen Schichten in der ersten freien Schicht zumindest 1,0 nm ist und wobei die unterste magnetische Schicht in der ersten freien Schicht eine Dicke aufweist, die zumindest 0,45 nm ist.
Beispiel 19: Der Materialschichtstapel von Beispiel 13, 14 oder 17, wobei die kombinierte Gesamtdicke der nicht-magnetischen Schicht in der ersten oder in der zweiten freien Schicht zumindest 0,045 nm ist.
Beispiel 20: Der Materialschichtstapel von Beispiel 13, wobei die magnetische Schicht Kobalt, Bor und Eisen umfasst und wobei das nicht-magnetische Material ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Molybdän, Ruthenium, Wolfram, Tantal und Aluminium.
Beispiel 21: Der Materialschichtstapel von Beispiel 13 umfasst eine leitfähige Oxidschicht, die auf der Speicherschicht angeordnet ist. Eine Schutzschicht ist auf der leitfähigen Oxidschicht angeordnet und eine leitfähige Deckschicht ist direkt auf der Schutzschicht angeordnet. Eine untere Elektrodenschicht ist unter der festen magnetischen Schicht angeordnet und eine obere Elektrodenschicht ist über der Deckschicht angeordnet. Eine synthetische antiferromagnetische Schicht ist zwischen der festen Schicht und der unteren Elektrodenschicht angeordnet.
Beispiel 22: Ein Verfahren zum Herstellen eines Materialschichtstapels für ein nichtflüchtiges Speicherbauelement umfasst ein Bilden einer unteren Elektrodenschicht. Das Verfahren umfasst ein Bilden einer festen magnetischen Schicht. Das Verfahren umfasst ein Bilden einer Tunnelbarriere auf einer festen magnetischen Schicht. Eine Speicherschicht wird auf der Tunnelbarriere gebildet, wobei das Bilden einer Speicherschicht ferner ein Bilden einer ersten freien Schicht auf der Tunnelbarriere, ein Bilden einer Kopplungsschicht auf der ersten freien Schicht, ein Bilden einer zweiten freien Schicht auf der Kopplungsschicht, ein Bilden eines Stapels von Doppelschichten in einer von der ersten freien Schicht oder der zweiten freien Schicht umfasst. Das Verfahren zum Bilden jedes der Doppelschichtstapel umfasst ferner ein Bilden einer nicht-magnetischen Schicht auf einer magnetischen Schicht und ein Abdecken eines obersten Doppelschichtstapels mit der magnetischen Schicht. Das Verfahren umfasst ein Bilden einer leitfähigen Oxidschicht auf der Kopplungsschicht und ein Bilden einer Schutzschicht auf der leitfähigen Oxidschicht. Das Verfahren umfasst ein Bilden einer leitfähigen Abdeckung direkt auf der Schutzschicht. Das Verfahren umfasst ein Bilden einer oberen Elektrodenschicht auf der leitfähigen Deckschicht.
Beispiel 23: Das Verfahren von Beispiel 22, wobei das Bilden des Stapels von Doppelschichten ein Bilden des Stapels von Doppelschichten in der ersten freien Schicht umfasst.
Beispiel 24: Das Verfahren von Beispiel 23, wobei das Bilden eines zweiten Stapels von Doppelschichten ein Bilden eines zweiten Stapels von Doppelschichten in der zweiten freien Schicht, die durch eine magnetische Schicht abgedeckt ist, umfasst. Jede von dem zweiten Stapel von Doppelschichten umfasst eine nicht-magnetische Schicht, die auf einer magnetischen Schicht angeordnet ist, und wobei die nicht-magnetischen Schichten in dem zweiten Stapel von Doppelschichten eine kombinierte Dicke aufweisen, die weniger als 15 % einer kombinierten Dicke der magnetischen Schichten in dem zweiten Stapel von Doppelschichten ist.

Claims

Ein Materialschichtstapel für ein pSTTM-Bauelement, der Materialschichtstapel umfassend: eine feste magnetische Schicht; eine Tunnelbarriere, die über der festen magnetischen Schicht angeordnet ist; und eine freie Schicht, die auf der Tunnelbarriere angeordnet ist, wobei die freie Schicht einen Stapel von Doppelschichten umfasst, wobei eine oberste Doppelschicht durch eine magnetische Schicht abgedeckt ist, wobei jede von den Doppelschichten eine nicht-magnetische Schicht umfasst, die auf einer magnetischen Schicht angeordnet ist, und wobei die nicht-magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten eine kombinierte Dicke aufweisen, die weniger als 15 % einer kombinierten Dicke der magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 1, wobei die Anzahl von Doppelschichten zumindest 2 ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 1, wobei die Anzahl von Doppelschichtstapeln zwischen 2-12 ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 1, wobei die nicht-magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten eine kombinierte Dicke aufweisen, die weniger als 5 % der kombinierten Dicke von jeder der magnetischen Schichten in dem Stapel der Doppelschichten ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 1, wobei die magnetische Schicht in einer untersten Doppelschicht in Kontakt mit der Tunnelbarriere ist und eine Dicke aufweist, die größer ist als die Dicke von jeder der magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten, der nicht mit der Tunnelbarriere in Kontakt ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 5, wobei die magnetische Schicht in Kontakt mit der Tunnelbarriere eine Dicke aufweist, die zumindest 0,45 nm ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 1, wobei die kombinierte Dicke der magnetischen Schichten in der freien Schicht zumindest 1,0 nm ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 1, wobei jede von den nicht-magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten eine Sub-Monoschicht ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 1, wobei die kombinierte Dicke der nicht-magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten zumindest 0,05 nm ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 1, wobei die magnetische Schicht Kobalt, Bor und Eisen umfasst.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 1, wobei die nicht-magnetische Schicht ein Metall umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend, aber nicht beschränkt auf, Molybdän, Ruthenium, Wolfram, Tantal, Aluminium und Hafnium.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 1, wobei der Materialschichtstapel ferner umfasst: eine Oxidschicht, die auf der freien Schicht angeordnet ist; eine Schutzschicht, die auf der Oxidschicht angeordnet ist; und eine leitfähige Deckschicht, umfassend eine siderophile Schicht, wobei die siderophile Schicht direkt auf der Schutzschicht angeordnet ist.
Ein Materialschichtstapel für ein pSTTM-Bauelement, der Materialschichtstapel umfassend: eine feste magnetische Schicht; eine Tunnelbarriere, die über der festen magnetischen Schicht angeordnet ist; eine Speicherschicht, die auf der Tunnelbarriere angeordnet ist, wobei die Speicherschicht eine erste freie Schicht umfasst, die auf der Tunnelbarriere angeordnet ist, eine Kopplungsschicht, die auf der ersten freien Schicht angeordnet ist, eine zweite freie Schicht, die auf der Kopplungsschicht angeordnet ist, wobei eine von der ersten freien Schicht oder der zweiten freien Schicht einen Stapel von Doppelschichten umfasst, wobei ein oberster Doppelschichtstapel durch eine magnetische Schicht abgedeckt ist, wobei jede von den Doppelschichten eine nicht-magnetische Schicht umfasst, die auf einer magnetischen Schicht angeordnet ist, und wobei die nicht-magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten eine kombinierte Dicke aufweisen, die weniger als 15 % einer kombinierten Dicke der magnetischen Schichten in dem Stapel der Doppelschichten ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 13, wobei die erste freie Schicht den Stapel von Doppelschichten umfasst und die zweite freie Schicht eine einzelne magnetische Schicht umfasst.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 14, wobei die zweite freie Schicht einen zweiten Stapel von Doppelschichten umfasst, der durch eine magnetische Schicht abgedeckt ist, wobei jede von dem zweiten Stapel von Doppelschichten eine nicht-magnetische Schicht umfasst, die auf einer magnetischen Schicht angeordnet ist, und wobei die magnetischen Schichten in dem zweiten Stapel von Stapel von Doppelschicht eine kombinierte Dicke aufweisen, die geringer als diejenige der kombinierten Dicke der magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten in der ersten magnetischen Schicht ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 13, wobei die erste freie Schicht eine einzelne magnetische Schicht umfasst und die zweite freie Schicht den Stapel von Doppelschichten umfasst und wobei die kombinierte Dicke der magnetischen Schichten in der zweiten freien Schicht geringer ist als die Dicke der ersten freien Schicht, die eine einzelne magnetische Schicht umfasst.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 13, wobei der Stapel von Doppelschichten, der in der ersten freien Schicht gebildet ist, eine unterste magnetische Schicht in Kontakt mit der Tunnelbarriere umfasst, wobei die Dicke der untersten magnetischen Schicht größer ist als die Dicke von jeder von den magnetischen Schichten in dem Stapel von Doppelschichten, der mit der Tunnelbarriere nicht in Kontakt ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 13, wobei die kombinierte Gesamtdicke der magnetischen Schichten in der ersten freien Schicht zumindest 1,0 nm ist und wobei die unterste magnetische Schicht in der ersten freien Schicht eine Dicke aufweist, die zumindest 0,45 nm ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 13, wobei die kombinierte Gesamtdicke der nicht-magnetischen Schicht in der ersten oder in der zweiten freien Schicht zumindest 0,045 nm ist.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 13, wobei die magnetische Schicht Kobalt, Bor und Eisen umfasst und wobei das nicht-magnetische Material ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Molybdän, Ruthenium, Wolfram, Tantal und Aluminium.
Der Materialschichtstapel gemäß Anspruch 13, wobei der Materialschichtstapel ferner umfasst: eine leitfähige Oxidschicht, die auf der Speicherschicht angeordnet ist; eine Schutzschicht, die auf der leitfähige Oxidschicht angeordnet ist; eine leitfähige Deckschicht, umfassend eine siderophile Schicht, wobei die siderophile Schicht direkt auf der Schutzschicht angeordnet ist; eine untere Elektrodenschicht, die unter der Festen angeordnet ist; eine obere Elektrodenschicht, die über der Deckschicht angeordnet ist; und eine synthetische antiferromagnetische Schicht ist zwischen der festen Schicht und der unteren Elektrodenschicht angeordnet.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Materialschichtstapels für ein nichtflüchtiges Speicherbauelement, das Verfahren umfassend: Bilden einer unteren Elektrodenschicht; Bilden einer festen magnetischen Schicht; Bilden einer Tunnelbarriere auf der festen magnetischen Schicht; Bilden einer Speicherschicht, wobei das Bilden einer Speicherschicht ferner ein Bilden einer ersten freien Schicht auf der Tunnelbarriere, ein Bilden einer Kopplungsschicht auf der ersten freien Schicht, ein Bilden einer zweiten freien Schicht auf der Kopplungsschicht, ein Bilden eines Stapels von Doppelschichten in einer von der ersten freien Schicht oder der zweiten freien Schicht umfasst, wobei jeder von den Doppelschichtstapel ferner ein Bilden einer nicht-magnetischen Schicht auf einer magnetischen Schicht und das Abdecken eines obersten Doppelschichtstapels mit der magnetischen Schicht umfasst; Bilden einer leitfähigen Oxidschicht auf der Kopplungsschicht; Bilden einer Schutzschicht auf der leitfähigen Oxidschicht; Bilden einer leitfähigen Abdeckung direkt auf der Schutzschicht; Bilden einer oberen Elektrodenschicht auf der leitfähigen Abdeckungsschicht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei das Bilden des Stapels von Doppelschichten ein Bilden des Stapels von Doppelschichten in der ersten freien Schicht umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei das Bilden eines zweiten Stapels von Doppelschichten ein Bilden eines zweiten Stapels von Doppelschichten in der zweiten freien, durch eine magnetische Schicht abgedeckten Schicht umfasst, wobei jede von dem zweiten Stapel von Doppelschichten eine nicht-magnetische Schicht umfasst, die auf einer magnetischen Schicht angeordnet ist, und wobei die nicht-magnetischen Schichten in dem zweiten Stapel von Doppelschichten eine kombinierte Dicke aufweisen, die weniger als 15% einer kombinierten Dicke der magnetischen Schichten in dem zweiten Stapel von Doppelschichten ist.