DE112018004354T5 - Initialisierungsprozess für produktion von magnetdirektzugriffsspeicher (mram) - Google Patents

Initialisierungsprozess für produktion von magnetdirektzugriffsspeicher (mram) Download PDF

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Huanlong Liu
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Abstract

Es ist ein Initialisierungsprozess für einen senkrechten magnetischen Tunnelübergang (p-MTJ) offenbart, wobei die Schaltfehlerrate von einem typischen Bereich von 30-100 ppm auf kleiner als 10 ppm verringert ist. In einer Ausführungsform wird ein Magnetfeld in der Ebene nach Durchführung eines abschließenden Temperschritts während Fertigung der Speichervorrichtung durchgeführt, sodass alle Magnetisierungen in der freien Schicht und der AP1- und der AP2 gepinnten Schicht vorübergehend „in-Ebene“ ausgerichtet sind. Nach Entfernen des angelegten Felds führt eine senkrechte magnetische Grenzflächenanisotropie (PMA) an einer Tunnelsperrschicht/API-Grenzfläche eine einzelne AP1-magnetische Domäne mit einer Magnetisierung in einer ersten vertikalen Richtung herbei. Grenzflächen-PMA an einer FL/Tunnelsperrschicht-Grenzfläche liefert eine einzelne FL Domäne mit Magnetisierung in der ersten Richtung oder entgegengesetzt zu dieser. AP2-Magnetisierung ist infolge einer antiferromagnetischen Kopplung mit der AP1-Schicht der ersten Richtung entgegengesetzt. Alternativ kann ein Magnetfeld senkrecht zur Ebene zur Initialisierung angelegt werden.

Description

  • VERWANDTE PATENTANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung betrifft Aktenzeichen HT17-011, Seriennummer 15/668,113, eingereicht am 8/3/17; und HT17-038, Seriennummer 16/056791, eingereicht am 8/7/18; die einem gemeinsamen Anmelder übertragen wurden und die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen werden.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Einrichten einer einzelnen Domäne in der gepinnten Schicht eines magnetischen Tunnelübergangs (MTJ, Magnetic Tunnel Junction), wodurch eine niedrigere Schaltfehlerrate einer benachbarten freien Schicht während eines Schreibprozesses erreicht wird und die zu einem niedrigeren Stromverbrauch bei längerer Lebensdauer der Vorrichtung führt.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Senkrecht magnetisierte magnetische Tunnelübergänge (p-MTJs) sind eine wesentliche aufkommende Technologie zur Verwendung in eingebetteten MRAM-Anwendungen, in eigenständigen MRAM-Anwendungen und in Spin-Übertragungsdrehmoment-MRAM (Spin-Torque Transfer, STT-, MRAM). STT-MRAM ist eine p-MTJ-Technologie, die ein Spin-Drehmoment zum Schreiben von Speicherbits verwendet, die von C. Slonezewski in „Current driven excitation of magnetic multilayers", J. Magn. Magn. Mater. V 159, L1-L7 (1996), beschrieben wurde. P-MTJ-Technologien, die eine hohe Betriebsgeschwindigkeit, niederen Stromverbrauch, ausgezeichnete Belastbarkeit, Nicht-Flüchtigkeit und Skalierbarkeit aufweisen, sind mit bestehenden Halbleiterspeichertechnologien wie SRAM, DRAM und Flash äußerst konkurrenzfähig.
  • MRAM und STT-MRAM verwenden eine p-MTJ-Zelle als eine Schalt- und Datenspeichervorrichtung. P-MTJs weisen eine grundsätzliche Struktur auf, bei der eine isolierende Tunnelsperrschicht zwischen zwei magnetischen Schichten liegt. eine der magnetischen Schichten wird als die gepinnte Schicht bezeichnet und weist eine Magnetisierung auf, die in einer Richtung aus der Ebene, zum Beispiel in der (+z)-Richtung, festgelegt wird, wenn die Ebene der magnetischen Schicht entlang der x-Achsen- und y-Achsenrichtung gebildet ist. Die gepinnte Schicht kann eine synthetische antiparallele Konfiguration (SyAP Konfiguration) aufweisen, bei der eine innere magnetische Schicht (AP1-Schicht), die an die Tunnelsperrschicht angrenzt, antiferromagnetisch mit einer äußeren magnetischen Schicht (AP2-Schicht) durch eine dazwischen liegende antiferromagnetische Kopplungsschicht (Antiferromagnetic Coupling (AFC) Schicht) wie Ru gekoppelt ist. Die zweite magnetische Schicht, als die freie Schicht bezeichnet, hat auch eine Magnetisierung aus der Ebene mit einer Richtung, die frei ist, entweder parallel in einer (+z)-Richtung (P-Zustand) oder anti-parallel in einer (-z)-Richtung (AP-Zustand) zu jener der AP1-Schicht zu sein. Der Unterschied im Widerstand zwischen dem P-Zustand (RP) und AP-Zustand (RAP) kann durch die Gleichung (RAP-RP)/RP charakterisiert werden, die auch als DRR oder das magnetoresistive Verhältnis (MR-Verhältnis) bekannt ist. Für p-MTJ-Vorrichtungen ist wichtig, einen großen DDR-Wert zu haben, da diese Eigenschaft direkt mit dem Lesespielraum für das Speicherbit oder der Leichtigkeit, zwischen dem P-Zustand und AP-Zustand (0 oder 1 Bit) zu differenzieren, in Zusammenhang steht.
  • Die Stabilität der Magnetisierungen für die gepinnten AP1- und AP2-Schichten ist für eine optimale p-MTJ-Leistung sehr wichtig, da die antiparallele Ausrichtung der zwei Schichten den richtigen Spin-Strom zum Umschalten der Magnetisierung der freien Schicht während eines Schreibprozesses bereitstellt. Im Idealfall wird eine einzelne Domäne sowohl in der AP1- als auch AP2-Schicht gebildet. Infolge des MRAM-Fertigungsprozesses jedoch bilden sich im Allgemeinen mehrere Domänen in beiden gepinnten Schichten. Daher ist ein Spin-Strom während eines Schreibprozesses häufig schwach und unzureichend, um die Magnetisierung der freien Schicht umzuschalten.
  • Damit p-MTJs mit konkurrierenden Speichertechnologien konkurrenzfähiger sind, muss Schreibleistung signifikant verbessert werden, während die anderen kritischen Vorrichtungseigenschaften wie DRR beibehalten werden. Da STT-MRAM typischerweise in komplementären Metalloxid-Halbleitervorrichtungen (Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Vorrichtungen) eingebettet sind, müssen die Magnetisierungen der gepinnten Schicht und freien Schicht einer Wärmebearbeitung bei Temperaturen bis zu 400°C standhalten.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Eine Zielsetzung der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung eines Initialisierungsprozesses zum Eliminieren mehrerer Domänen in einer gepinnten Schicht in einer p-MTJ-Zelle, sodass der Strom, der notwendig ist, um Magnetisierung der freien Schicht umzuschalten einheitlicher und über mehrere p-MTJ-Zellen in Speichervorrichtungen, aufweisend MRAM und STT-MRAM, und in anderen Spintronik-Vorrichtungen minimiert ist. Eine zweite Zielsetzung der vorliegenden Offenbarung ist die Durchführung des Initialisierungsprozesses gemäß der ersten Zielsetzung, sodass die Fehlerrate zum Umschalten von Magnetisierung der freien Schicht kleiner als 10 ppm ist.
  • Gemäß bevorzugten Ausführungsformen werden diese Zielsetzungen mit einem einzigen Initialisierungsschritt erreicht, wobei ein Magnetfeld an einen p-MTJ-Stapel von Schichten in einer (horizontalen) Richtung in der Ebene (in plane) oder in einer (vertikalen) Richtung senkrecht zur Ebene angelegt wird. Der p-MTJ-Stapel von Schichten kann die Form mehrerer p-MTJ-Zellen aufweisen, die jeweils eine oberste Deckschicht und eine Seitenwand aufweisen, die auf einem Substrat wie einer Bodenelektrode stoppt. Der p-MTJ-Stapel weist mindestens eine gepinnte Schicht und freie Schicht (FL, Free Layer) und eine Tunnelsperrschicht zwischen der FL und gepinnten Schicht auf. In bevorzugten Ausführungsformen weist die gepinnte Schicht eine synthetische antiparallele Konfiguration (SyAP Konfiguration) auf, wobei eine innere gepinnte Schicht (AP1-Schicht) an die Tunnelsperrschicht angrenzt und antiferromagnetisch (AF) an eine äußere gepinnte Schicht (AP2-Schicht) durch eine dazwischen liegende AF-Kopplungsschicht (AFC-Schicht) wie Ru gekoppelt ist.
  • In einer Boden-Spin-Ventil Ausführungsform liegt die SyAP gepinnte Schicht unter der Tunnelsperrschicht und FL. Es gibt auch eine Oberseiten-Spin-Ventilausführungsform für den p-MTJ, wo die SyAP gepinnte Schicht über der Tunnelsperrschicht und FL liegt. Die vorliegende Offenbarung umfasst auch eine Doppel-Spin-Ventilstruktur, wo eine erste SyAP gepinnte Schicht unter einem ersten, nicht magnetischen Abstandhalter (SP1) gebildet ist, eine zweite SyAP gepinnte Schicht über einem zweiten, nicht magnetischen Abstandhalter (SP2) gebildet ist und die FL zwischen SP1 und SP2 liegt. Jeder von SP1 und SP2 kann eine Tunnelsperrschicht oder eine Verbundschicht mit leitfähigen Metallpfaden in einer dielektrischen Matrix sein.
  • In einer ersten Ausführungsform, wo das angelegte Magnetfeld zur Initialisierung „in der Ebene“ und parallel zu den Ebenen der p-MTJ-Schichten ist, hat das Feld ausreichende Magnitude, um alle magnetischen AP1- und AP2-Domänen in einer horizontalen Richtung auszurichten. Nachdem das angelegte Feld entfernt wurde, leitet die Tunnelsperrschicht/AP1-Grenzfläche senkrechte magnetische Anisotropie (PMA, Perpendicular Magnetic Anisotropy) an der Grenzfläche ein, sodass alle AP1-Domänen eine Magnetisierung in einer vertikalen Richtung haben. Aufgrund einer AF Kopplung sind alle Domänen in der AP2-Schicht antiparallel zu den AP1-Domänen ausgerichtet. Effektiv hat jede der AP1- und AP2-Schichten eine einzelne Domäne, die in einer vertikalen Richtung ausgerichtet ist.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird der Initialisierungsprozess mit einem Magnetfeld ausgeführt, das in der vertikalen Richtung ausgerichtete ist. Das angelegte Feld bewirkt, dass Magnetisierungen in allen Regionen der AP1- und AP2-Schichten in der Richtung des angelegten Feldes ausgerichtet sind. Sobald das angelegte Feld entfernt wird, bewirkt eine AF-Kopplung durch die AFC-Schicht, dass Magnetisierungen in allen Regionen der AP1-Schicht antiparallel zu den vertikalen Magnetisierungen in der AP2-Schicht ausgerichtet sind und jede der AP1- und AP2-Schichten effektiv eine einzelne Domäne aufweist.
  • In manchen Ausführungsformen wird der Initialisierungsschritt nach einem abschließenden Temperschritt durchgeführt, nachdem die MTJ-Zelle strukturiert wurde. Ferner kann der Initialisierungsschritt vor, während oder nach Abscheiden einer Verkapselungsschicht zum elektrischen Isolieren von p-MTJ-Zellen voneinander erfolgen. In anderen Ausführungsformen kann der Initialisierungsschritt mehrere Male durchgeführt werden und der abschließende Initialisierungsschritt erfolgt nach dem abschließenden Tempern.
  • Figurenliste
    • 1a und 1b sind Querschnittsansichten eines p-MTJ wobei eine Magnetisierung der freien Schicht (FL) antiparallel bzw. parallel zu einer Magnetisierung der gepinnten AP1-Schicht in einer Boden-Spin-Ventil-Konfiguration gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgerichtet ist.
    • 2a und 2b sind Querschnittsansichten eines p-MTJ, wobei eine FL Magnetisierung antiparallel bzw. parallel zu einer Magnetisierung der gepinnten AP1-Schicht in einer Oberseiten-Spin-Ventil-Konfiguration gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgerichtet ist.
    • 3a und 3b sind Querschnittsansichten eines doppelten magnetischen Tunnelübergangs (DMTJ), wobei eine FL Magnetisierung antiparallel bzw. parallel mit zwei Magnetisierungen der AP1-Schicht ausgerichtet ist, um AP/AP- und P/P-Magnetzustände gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu erhalten.
    • 3c und 3d sind Querschnittsansichten eines DMTJ, wobei eine FL-Magnetisierung parallel zu einer Magnetisierung der AP1-Schicht und antiparallel zu der anderen Magnetisierung der AP1-Schicht ausgerichtet ist, um P/AP- und AP/P-Magnetzustände gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu erhalten.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines p-MTJ, wobei mehrere magnetische Domänen in der freien Schicht und in der AP1- und der AP2 gepinnten Schicht infolge von Tempern oder Streumagnetfeldern gebildet sind.
    • 5 ist eine Querschnittsansicht des p-MTJ in 4 während eines Initialisierungsprozesses, der Anlegen eines horizontalen Magnetfelds gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst.
    • 6a-6b sind Querschnittsansichten, die gleiche Wahrscheinlichkeiten von Magnetisierungen in den p-MTJ-Schichten in 5 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen, nachdem das angelegte Magnetfeld entfernt wurde und Grenzflächen-PMA vertikale magnetische Domänen in der freien Schicht und AP1-Schicht erzeugt hat und AF Kopplung für eine AP2-Magnetisierung antiparallel zur AP1-Magnetisierung verantwortlich ist,.
    • 7 ist eine Querschnittsansicht des p-MTJ in 4 während eines Initialisierungsprozesses gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, der Anlegen eines vertikalen Magnetfelds umfasst.
    • 8 ist eine Querschnittsansicht, die Magnetisierungen in den p-MTJ-Schichten in 7 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen, nachdem das vertikale Magnetfeld entfernt wurde, und AF-Kopplung für AP2-Magnetisierung verantwortlich ist, die antiparallel zu AP1-Magnetisierung ist.
    • 9 ist eine Ansicht von oben nach unten einer Gruppe von p-MTJ-Zellen, die durch eine Verkapselungsschicht isoliert und gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet sind.
    • 10 ist eine Kurve des Unterschieds im gemessenen Strom für parallele (P) und antiparallele (AP) Zustände als Funktion des Schaltstroms im P-Zustand für p-MTJ-Zellen, die keinem Initialisierungsprozess der vorliegenden Offenbarung unterzogen wurden.
    • 11 ist eine Kurve des Unterschieds im gemessenen Strom für parallele (P) und antiparallele (AP) Zustände als Funktion des Schaltstroms im P-Zustand für parallele p-MTJ-Zellen, die einem Initialisierungsprozess der vorliegenden Offenbarung unterzogen wurden.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung ist ein Initialisierungsschritt, umfassend das Anlegen eines Magnetfelds zum vorübergehenden Einstellen aller magnetischen Domänen in der freien Schicht (FL), der AP1-gepinnten Schicht und der gepinnten Schicht in einer ersten Richtung, die entweder in den Ebenen der p-MTJ-Schichten oder orthogonal zu den Ebenen der p-MTJ-Schichten ist. Nach Entfernen des angelegten Feldes führt eine senkrechte Grenzflächenanisotropie (PMA), die sich aus Metalloxid/ferromagnetischen Schicht-Grenzflächen an den AP1-/Tunnelsperrschicht- und Tunnelsperrschicht/FL-Grenzen ergibt, eine PMA-Eigenschaft in den AP1- und FL Schichten ein. AF Kopplung durch eine AFC-Schicht ist zum Errichten einer AP2-Magnetisierung verantwortlich, die zu jener von AP1 antiparallel ist. Obwohl nur eine p-MTJ-Zelle in den Zeichnungen mit Querschnittsansichten gezeigt ist, ist einem Fachmann klar, dass in einer typischen Speichervorrichtungsstruktur mehrere p-MTJ-Zellen in einer Gruppe von Reihen und Spalten gebildet sind. Die Ebenen der p-MTJ-Schichten sind entlang der x-Achsen- und y-Achsenrichtung ausgelegt und eine Dicke jeder Schicht ist in der z-Achsenrichtung. Der hier beschriebene Initialisierungsschritt wird vorteilhaft zur Senkung des Schaltstroms und Senken der Schaltfehlerrate während eines Schreibprozesses in einer Speichervorrichtung wie MRAM, STT-MRAM oder in Spintronik-Vorrichtungen verwendet, aufweisend, ohne aber darauf beschränkt zu sein, einen Spin-Drehmoment-Oszillator (STO), Sensoren und Biosensoren.
  • Unter Bezugnahme auf 1a umfasst die vorliegende Offenbarung einen p-MTJ 10 mit einer Seitenwand 10s, die auf der Deckfläche 8t von Substrat 8 endet. Der p-MTJ weist eine Boden-Spin-Ventil-Konfiguration auf, wobei eine optionale Seed-Schicht 11, gepinnte Schicht 15, nicht magnetischer Abstandhalter 16, FL 17 und Deckschicht 18 mit Deckfläche 18t der Reihe nach auf dem Substrat gebildet werden, das in manchen Ausführungsformen eine Bodenelektrode (BE) ist. Die Bodenelektrode kann eine mehrschichtige Struktur sein und ist typischerweise in einer dielektrischen Schicht (nicht dargestellt) eingebettet. Vorzugsweise weist die gepinnte Schicht eine SyAP Konfiguration auf, wobei die innere AP1-Schicht 14 mit einer Bodenfläche der Tunnelsperrschicht in Kontakt ist, die äußere AP2-Schicht 12 an eine Deckfläche der Seed-Schicht oder die Bodenelektrode in anderen Ausführungsformen angrenzt und AFC-Schicht 13 zwischen der AP1- und der AP2-Schicht liegt. Die vorliegende Offenbarung nimmt auch vorweg, dass mindestens eine zusätzliche Schicht in dem oben erwähnten MTJ-Stapel aufgewiesen sein kann, wie eine Metalloxid-Hk-Verstärkungsschicht (nicht dargestellt) zwischen der FL und Deckschicht, die PMA in der FL durch Einführen einer zusätzlichen FL/Metalloxid Grenzfläche verstärkt.
  • In der beispielhaften Ausführungsform weist die FL 17 eine Magnetisierung 17a auf, die in einer positiven z-Achsenrichtung ausgerichtet ist, die AP1-Schicht 14 weist Magnetisierung 14m auf, die in einer negativen z-Achsenrichtung zur BE-Deckfläche 8t ausgerichtet ist, und die AP2-Schicht weist eine Magnetisierung 12a auf, die antiparallel zu 14m ist. Alternativ könnten alle der oben genannten Magnetisierungen um 180° gedreht sein (nicht dargestellt), um effektiv denselben AP-Zustand zu erhalten, wie in 1a gezeigt.
  • Ein Schreibprozess, der Schaltstrom Iw1 umfasst, kann zum Umschalten des AP-Zustands in p-MTJ 10 in 1a zum P-Zustand in 1b verwendet werden. Magnetisierungen 14m, 12a für die AP1-bzw. AP2-Schicht bleiben im p-MTJ unverändert. FL-Magnetisierung 17m jedoch ist nun parallel zu 14m in dem p-MTJ ausgerichtet, wie in 1b dargestellt. Schaltstrom Iw2 wird zum Umschalten des P-Zustands von p-MTJ 10 in 1b zum AP-Zustand in 1a verwendet. Fachleuten wird klar sein, dass eine oder mehr p-MTJ-Zellen in der Speichergruppe selektiv vom P-Zustand zum AP-Zustand, oder umgekehrt, während eines Schreibprozesses geschaltet werden können.
  • In allen hier offenbarten Ausführungsformen kann Seed-Schicht 11 eines oder mehr von NiCr, Ta, Ru, Ti, TaN, Cu, Mg oder anderen Elementen oder Legierungen umfassen, die typischerweise benutzt werden, um eine glatte und gleichförmige Kornstruktur in übereinander liegenden p-MTJ-Schichten zu fördern. Innerhalb der SyAP Schicht 15 ist die AFC-Schicht 13 vorzugsweise Ru mit einer Dicke von 4, 9 oder 14 Ångström, um eine optimale AF-Kopplung zwischen der AP1-Schicht 14 und der AP2-Schicht 12 bereitzustellen. Optional können Rh oder Ir als die AFC-Schicht dienen. Jede der AP1- und AP2-Schichten kann eines oder mehrere von Co, Fe und Ni oder eine Legierung davon mit B umfassen. In anderen Ausführungsformen können eine oder beider der AP1- und der AP2-Schicht mit inhärenter PMA wie (Co/Ni)n, (CoFe/Ni)n, (Co/NiFe)n, (Co/Pt)n, (Co/Pd)n oder dergleichen laminiert werden, wo n die Zahl an Laminierungen ist. Ferner kann eine Übergangsschicht wie CoFeB zwischen der obersten Schicht im laminierten Stapel und Tunnelsperrschicht 16 eingesetzt sein, um eine CoFeB-Grenzfläche mit der Tunnelsperrschicht bereitzustellen, wodurch DRR für MTJ 10 verbessert wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der nicht magnetische Abstandhalter 16 eine Tunnelsperrschicht mit einer Metalloxidzusammensetzung, die eine von MgO, TiOx, AlTiO, MgZnO, Al2O3, ZnO, ZrOx, HfOx oder MgTaO ist. Bevorzugter ist MgO als die Tunnelsperrschicht ausgewählt, da MgO das höchste magnetoresistive Verhältnis (DRR) bereitstellt, insbesondere, wenn es zum Beispiel zwischen zwei CoFeB-Schichten liegt. In anderen Ausführungsformen kann der nicht magnetische Abstandhalter eine sogenannte CCP-Schicht sein, wobei leitende Strompfade aus Metall in einer Metalloxidmatrix gebildet sind. Freie Schicht 17 kann dasselbe Material wie in AP1-Schicht 14, oder in AP2-Schicht 12 umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann die FL eine das nicht magnetische Moment verdünnende Schicht aufweisen, wie Ta oder Mg, die zwischen zwei ferromagnetisch gekoppelten CoFe- oder CoFeB-Schichten eingesetzt ist. Überdies kann die FL eine SyAP Konfiguration wie FL1/Ru/FL2 aufweisen, wo FL1 und FL2 die erste und zweite ferromagnetische Schicht (FM-Schicht) sind, die antiferromagnetisch gekoppelt sind. Deckschicht 18 dient als eine Hartmaske während Strukturierungs- und Planarisierungsprozessen, die verwendet werden, um p-MTJ 10 zu bilden, und umfasst typischerweise eines oder mehrere von Ta, Ru, TaN, Ti, TiN und W oder dergleichen. Alle p-MTJ-Schichten können mit einem DC-Sputterabscheidungsprozess abgeschieden werden, der im Allgemeinen Argonsputtergas und einen Basisdruck zwischen 5 × 10-8 und 5 × 10-9 Torr umfasst In einer verwandten Anmeldung, Seriennummer 15/668,113, offenbarten wir einen Prozessablauf, der zur Bildung mehrere p-MTJ-Zellen und einer Verkapselungsschicht verwendet werden kann, die benachbarte p-MTJ-Zellen elektrisch isoliert.
  • In der beispielhaften Ausführungsform, die in 9 gezeigt ist, werden p-MTJ-Zellen mit Deckfläche 18t in einer Kreisform gebildet, sodass Breite b in der x-Achsenrichtung im Wesentlichen gleich Länge c in der y-Achsenrichtung ist. In anderen Ausführungsformen können die p-MTJ-Zellen jedoch eine elliptische oder eine polygonale Form aufweisen, sodass Dimension b ungleich c ist. Verkapselungsschicht 35 trennt benachbarte p-MTJ-Zellen.
  • In einer alternativen Ausführungsform, dargestellt in 2a, sind alle der p-MTJ-Schichten aus der ersten Ausführungsform in 1a beibehalten. Die Reihenfolge der Stapelung ergibt jedoch p-MTJ 19 mit Seitenwand 19s und einer Oberseiten-Spin-Ventil-Konfiguration, wobei optional Seed-Schicht 11, FL 17, nicht magnetischer Abstandhalter 16, SyAP gepinnte Schicht 15 und Deckschicht 18 der Reihe nach auf Substrat 8 gebildet sind. FL-Magnetisierung 17m ist antiparallel zu Magnetisierung der AP1-Schicht 14a, während die AP2-Schicht Magnetisierung 12m antiparallel zu jener der AP1-Schicht ausgerichtet hat. Es ist zu beachten, dass alle der zuvor genannten Magnetisierungen um 180° gedreht werden könnten (nicht dargestellt), um effektiv denselben AP-Zustand für p-MTJ 19 bereitzustellen, wie in 2a dargestellt ist.
  • Während eines Schreibprozesses, der Schaltstrom Iw3 umfasst, wird der AP-Zustand in 2a zum P-Zustand in 2b umgeschaltet. Magnetisierungen 14a, 12m für die AP1-bzw. AP2-Schicht bleiben jedoch in dem p-MTJ unverändert. FL-Magnetisierung 17a ist nun zu 14a in dem p-MTJ, der in 2b dargestellt ist, parallel ausgerichtet. Schaltstrom Iw4 kann angelegt werden, um den P-Zustand von p-MTJ 10 in 2b zu dem AP-Zustand in 2a umzuschalten. Auch hier können eine oder mehrere p-MTJ-Zellen in der Speichergruppe während eines Schreibprozesses selektiv von dem P-Zustand zum AP-Zustand, oder umgekehrt, umgeschaltet werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, gezeigt in 3a, ist der p-MTJ in 1a durch Hinzufügen eines zweiten, nicht magnetischen Abstandhalters 26 auf FL 17 modifiziert, gefolgt, der Reihe nach, von einer zweiten SyAP gepinnten Schicht 25 und einer obersten Deckschicht 18. Die zweite SyAP gepinnte Schicht weist AP1-Schicht 24 auf, die eine Deckfläche des zweiten, nicht magnetischen Abstandhalters kontaktiert, eine mittlere AFC-Schicht 23 und AP2-Schicht 22 auf der mittleren AFC-Schicht. Daher wird eine erste Spin-Ventilstruktur 10-1, die p-MTJ-Schichten 11-17 umfasst, auf Substrat 8 gebildet und eine zweite Spin-Ventilstruktur 10-2, die FL 17, zweiten Abstandhalter 26, SyAP Schicht 25 und Deckschicht 18 umfasst, wird auf Struktur 10-1 gebildet. Der Doppelstapel von Schichten wird häufig als doppelter magnetischer Tunnelübergang (DMTJ) 10-1/10-2 bezeichnet. Schichten 25, 26 können dieselbe Zusammensetzung wie in Schicht 15 bzw. 16 aufweisen, die zuvor beschrieben wurden.
  • Es wird behauptet, dass der DMTJ in 3a einen AP/AP-Zustand hat, da FL-Magnetisierung 17a antiparallel zu Magnetisierungen der AP1-Schicht 14m in Spin-Ventilstruktur 10-1 ausgerichtet ist und antiparallel zu Magnetisierung der AP1-Schicht 24m in der zweiten Spin-Ventilstruktur 10-2 ist. Die AP2-Schicht 22 weist eine Magnetisierung 22a auf, die antiparallel zu jener von AP1-Schicht 24 ist, und die AP2-Schicht 12 weist eine Magnetisierung 12a auf, die antiparallel zu 14m ist. FL-Magnetisierung 17a kann zu FL-Magnetisierung 17m in 3b durch Benutzen von Schaltstrom Iw5 umgeschaltet werden, um einen P/P-Zustand zu erzeugen, wo FL-Magnetisierung nun parallel zu beiden AP1-Schichtmagnetisierungen 14m, und 24m ist. Ähnlich kann der P/P-Zustand in einer oder mehreren p-MTJ-Zellen durch Anlegen von Schaltstrom Iw6 selektiv zu einem AP/AP-Zustand umgeschaltet werden.
  • Wie wir in der verwandten Patentanmeldung HT17-038 beschrieben haben, ist die DMTJ-Konfiguration in 3a-3b ein sogenannter Nicht-Arbeitszustand für den Zweck, kritischen Schaltstrom (Ic) zu senken, da das Spin-Drehmoment, das auf die FL von der AP1-Schicht 14 ausgeübt wird, effektiv jene von AP1-Schicht 24 aufhebt, wenn das Produkt aus Widerstand × Fläche (RA, Resistance × Area) für Abstandhalter 16 gleich dem RA für Abstandhalter 26 ist. Andererseits stellt die in 3c-3d gezeigt DMTJ-Konfiguration einen sogenannten Arbeitszustand dar, der (Ic) im Wesentlichen senkt, da das FL 17 angelegte Spin-Drehmoment, wenn ein Strom (Iw7 oder Iw8) durch AP1-Schicht 14 geleitet wird, das Spin-Drehmoment auf der FL vom Strom durch AP1-Schicht 24 erhöht. Daher schaltet Strom Iw7 den DMTJ von einem P/AP-Magnetzustand in 3c zu einem AP-Magnetzustand in 3d und Strom Iw8 schaltet den AP/P-Magnetzustand zu einem P/AP-Magnetzustand. Wir offenbarten auch Ausführungsformen zum wesentlichen Verringern des RA für den ersten Abstandhalter 16 verglichen mit dem RA für den zweiten Abstandhalter 26, um eine annehmbare DRR für den DMTJ zu erzeugen.
  • Unter Bezugnahme auf 4 sollte klar sein, dass p-MTJ-Zellen typischerweise Temperprozessen und Streumagnetfeldern ausgesetzt werden, die bewirken, dass die AP1- und die AP2-Schicht und FL mehrere magnetische Domänen anstelle der idealen Situation einer einzelnen Domäne, die in einer Richtung senkrecht zur Ebene ausgerichtet ist, umfassen. Daher, zusätzlich zu Magnetisierung 17a in FL 17, können mehrere FL-Domänen vorhanden sein, wobei eine oder mehrere Domänen eine Magnetisierung 17x aufweisen, die sowohl eine horizontale als auch vertikale Komponente umfasst, sodass das Nettomoment nicht rein senkrecht zur Ebene ist. Es sollte klar sein, dass Magnetisierung 17a, die einen AP-Zustand darstellt, durch Magnetisierung 17m ersetzt werden kann, die einen P-Zustand (nicht dargestellt) für die p-MTJ-Zelle darstellt. Ebenso neigen eine oder mehrere AP1-Schichtdomänen dazu, Magnetisierung 14x aufzuweisen, die sowohl eine horizontale als auch vertikale Komponente hat, und eine oder mehrere AP2-Schichtdomänen eine Magnetisierung 12x aufweisen, die sowohl eine horizontale als auch vertikale Komponente hat.
  • Es können eine oder mehrere Domänen in jeder der FL, AP1- und AP2-Schichten vorhanden sein, in welchen eine Magnetisierung entgegengesetzt zu der Richtung vorwiegend senkrecht zur Ebene oder rein in der Ebene (in plane) ausgerichtet ist. Zum Beispiel ist AP2-Schicht mit mindestens einer Domäne mit Magnetisierung 12m dargestellt, die Magnetisierungen 12a entgegengesetzt ist. Wir haben festgestellt, dass mehrere Domänen in einer oder mehreren der magnetischen Schichten, und insbesondere in der AP1- und AP2-Schicht, zu einem anomalen Umschaltverhalten führen. Mit anderen Worten, der „normale“ Schreibstrom, der zum Umschalten eines p-MTJ mit einer einzelnen magnetischen Domäne in jeder der magnetischen Schichten von einem AP-Zustand zu einem P-Zustand, oder umgekehrt (1a-1b) erforderlich ist, ist häufig unzureichend, um die FL umzuschalten, wenn die AP1- und AP2-Schichten mehrere Domänen aufweisen, wie in 4. In gewissen p-MTJ-Zellen mit einer kritischen Dimension von 100 nm oder weniger, kann die Versagensrate (Fehlerrate) beim Umschalten von FL-Magnetisierung im Bereich von 30 ppm bis 100 ppm liegen, was inakzeptabel ist, um MRAM oder STT-MRAM mit anderen Speichertechnologien konkurrenzfähig zu machen.
  • Gemäß hier beschriebenen Initialisierungsverfahren wird die Schaltfehlerrate wesentlich, auf kleiner als 10 ppm, verringert. Eine erste Ausführungsform eines Initialisierungsverfahrens der vorliegenden Offenbarung ist in 5 gezeigt und umfasst einen Schritt zum Anlegen eines Magnetfelds 30 in der Ebene (in plane) der p-MTJ-Schichten. Infolgedessen sind FL-Magnetisierung 17h, Magnetisierung der AP1-Schicht 14h und Magnetisierung der AP2-Schicht 12h jeweils in der Ebene ihrer entsprechenden Schichten und orthogonal zu der z-Achsenrichtung. Das Magnetfeld in der Ebene hat eine Magnitude von etwa 1000 Oe bis 30000 Oe und wird bei einer Temperatur nahe Raumtemperatur und in Abwesenheit eines angelegten elektrischen Stroms angelegt. In manchen Ausführungsformen ist die Dauer des Magnetfelds in der Ebene Im Wesentlichen kleiner als 1 Sekunde. Obwohl das Magnetfeld in der Ebene während eines Teils des p-MTJ-Fertigungsprozesses angelegt wird, wird der Prozess vorzugsweise nach dem abschließenden Temperprozess durchgeführt. In manchen Ausführungsformen kann das abschließende Tempern nach Bildung einer p-MTJ-Seitenwand 10s in 1a (oder 19s in 2a) durchgeführt werden. In anderen Ausführungsformen wird ein abschließendes Tempern während oder nach Abscheiden einer Verkapselungsschicht durchgeführt, um benachbarte p-MTJ-Zellen elektrisch voneinander zu isolieren. Die Dauer des Initialisierungsschritts kann mehrere Sekunden betragen oder mehrere Millisekunden kurz sein. Ferner kann der Initialisierungsprozess ein oder mehrere Male nach Beenden der Vorrichtungsfertigung wiederholt werden.
  • Unter Bezugnahme auf 6a, nachdem das angelegte Magnetfeld 30 entfernt wurde, führt Metalloxid/FM-Schicht-Grenzfläche 40 zwischen nicht magnetischem Abstandhalter 16 und AP1-Schicht 14 eine einzelne magnetische Domäne in der AP1-Schicht ein, wobei Magnetisierung 14m in allen Regionen der AP1-Schicht senkrecht zur Ebene ist. Ebenso gibt es eine Metalloxid/FM-Schicht-Grenzfläche 41, wo der nicht magnetische Abstandhalter an FL 17 angrenzt. Grenzfläche 41 führt eine einzelne magnetische Domäne in der FL herbei, in der FL-Magnetisierung 17m in allen FL-Regionen senkrecht zur Ebene und in derselben vertikalen Richtung wie in der AP1-Schicht ist, um einen P-Magnetzustand für den p-MTJ zu erhalten. Es ist zu beachten, dass eine gleiche Wahrscheinlichkeit vorliegt, dass Grenzfläche 41 eine einzelne FL-Domäne (AP-Zustand) herbeiführt, in welcher FL-Magnetisierung entgegengesetzt zu jener, die in 6a dargestellt ist, ausgerichtet ist. Aufgrund einer angemessenen Dicke von AFC-Schicht 13 wird AF-Kopplung zwischen der AP1-Schicht und der AP2-Schicht 12 maximiert und eine einzelne Domäne tritt in der AP2-Schicht auf, wobei Magnetisierung 12a in allen AP2-Regionen in einer vertikalen Richtung entgegengesetzt zu jener in der AP1-Schicht ausgerichtet ist. Es gibt eine gleiche Wahrscheinlichkeit, dass Grenzfläche 40 Magnetisierung der AP1-Schicht 14a (6b) herbeiführt und infolge einer AF-Kopplung AP2-Schichtmagnetisierung 12m zu 14a entgegengesetzt ist.
  • Obwohl die Wirkung des Initialisierungsverfahrens in Bezug auf SyAP Schicht 15 in einer Boden-Spin-Ventil-Konfiguration gezeigt ist, wird auch eine einzelne Domäne für jede der AP1- und AP2-Schichten innerhalb von SyAP Schicht 15 in einer Oberseiten-Spin-Ventil-Konfiguration und innerhalb SyAP Schichten 15, 25 in der doppelten Spin-Ventilstruktur, die zuvor in Bezug auf 3a-3b beschrieben wurden, und dem DMTJ in 3c-3d gebildet.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform umfasst das Initialisierungsverfahrender vorliegenden Offenbarung das Anlegen eines Magnetfelds in einer Richtung senkrecht zur Ebene, um eine einzelne Domäne in jeder der AP1-Schicht 14, AP2-Schicht 12 und FL 17 einzurichten. Zum Beispiel kann Magnetfeld 31 in einer negativen z-Achsenrichtung angelegt werden, die orthogonal zur Substratdeckfläche 8t ist. Infolgedessen sind alle Magnetisierungen, die 17m in der FL, 14m in der AP1-Schicht und 12m in der AP2-Schicht aufweisen, parallel zu der Richtung des angelegten Felds ausgerichtet. In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) kann das angelegte Feld in einer positiven z-Achsenrichtung sein, sodass alle Magnetisierungen in der FL, der AP1- und der AP2-Schicht vorübergehend 180° ausgerichtet sind, entgegengesetzt zu 17m, 14m bzw. 12m in 7.
  • Unter Bezugnahme auf 8 weist Magnetisierung 14a in AP1-Schicht 14 wegen einer AF-Kopplung durch AFC-Schicht 13 in SyAP gepinnter Schicht 15 und wegen einer senkrechten Grenzflächenanisotropie, die durch die Metalloxid/magnetische Schicht Grenzfläche 40 herbeigeführt wird, eine Ausrichtung entgegengesetzt zu jener von Magnetisierung 12m in AP2-Schicht 12 auf, nachdem das angelegte Feld entfernt wurde. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist Magnetisierung 12m gestaltet, eine größere Magnitude als jene von Magnetisierung 14a zu haben, um Streufelder auf der freien Schicht 17 aufzuheben. Daher kehrt Magnetisierung 14m in 7 die Richtung um, sobald das angelegte Feld 31 entfernt ist. die AFC-Schicht hat eine angemessene Dicke, um AF-Kopplung zu maximieren. Zum Beispiel ist eine bevorzugte Dicke 4 Ångström für eine AFC-Schicht aus Ru. Daher sind Magnetisierungen in jeder Region der AP1- und der AP2-Schicht in einer Richtung senkrecht zur Ebene ausgerichtet, sodass jede der AP1- und AP2-Schichten effektiv eine einzelne magnetische Domäne aufweist.
  • In 9 ist eine Ansicht von oben nach unten einer Speichergruppe, die p-MTJ 10 in 1a-1b, p-MTJ 19 in 2a-2b oder p-MTJ 10-2 in 3a-3b umfasst. In der beispielhaften Ausführungsform weist jede der p-MTJ-Zellen eine Kreisform mit einer Breite b und Länge c auf und ist von Verkapselungsschicht 35 umgeben. In anderen Ausführungsformen (nicht dargestellt) kann jeder p-MTJ eine elliptische oder polygonale Form haben, sodass b ungleich c sind.
  • Verkapselungsschicht 35 kann eine von SiOYNz, AlOYNz, TiOYNz, SiCYNz oder MgO oder jede Kombination der zuvor erwähnten Materialien sein, wo y + z > o. In alternativen Ausführungsformen kann die Verkapselungsschicht ein Metallcarbid oder ein anderes Metalloxid, Metallnitrid, Metalloxynitrid oder Metallcarbonitrid sein, das in der Technik verwendet wird. Typischerweise wird die Verkapselungsschicht auf der Substratdeckfläche abgeschieden, um Räume zwischen benachbarten p-MTJ-Zellen vollständig zu füllen. Danach wird ein Planarisierungsverfahren, wie ein chemisch-mechanischer Polierprozess (CMP-Prozess) verwendet, um eine Verkapselungsschichtdeckfläche zu bilden, die mit p-MTJ-Deckfläche 18t komplanar ist.
  • Nach dem Planarisierungsprozess zur Bildung der p-MTJ-Gruppe in 9 wird eine obere Elektrodenschicht, die mehrere parallele Leiter (nicht dargestellt) umfasst, durch ein herkömmliches Verfahren auf den mehreren MTJ-Zellen gebildet. Daher wird jeder p-MTJ zwischen einem oberen Leiter und einer Bodenelektrode (BE) gebildet. Während eines Schreibprozesses mit einem der zuvor beschriebenen Schaltströme Iw1-Iw8 fließt der Schaltstrom von einem oberen Leiter zur BE, oder in einer umgekehrten Richtung.
  • Wie haben die Vorteile des Initialisierungsprozess der vorliegenden Offenbarung mit Ergebnissen aus einem Versuch gezeigt, wo mehrere kreisförmige p-MTJ-Zellen, wo b = c = 100 nm (9), in einer Gruppe auf einem 10 Mb MRAM-Chip gefertigt wurden. Jeder p-MTJ wurde mit einer Boden-Spin-Ventil-Konfiguration gebildet, die durch p-MTJ 10 in 1a-1b dargestellt ist. Die p-MTJ-Zellen mit Deckfläche 18t wurden mit einem herkömmlichen Prozessablauf strukturiert, aufweisend Strukturieren einer Fotolackschicht (nicht dargestellt) auf einer Deckfläche eines p-MTJ-Stapels von Schichten und Überführen der Struktur von kreisförmigen Inseln durch den p-MTJ-Stapel mit einem Ätzprozess, der aus mehreren reaktiven Ionenätzschritten bestand. Die strukturierten p-MTJ-Zellen wurden mit einer Temperatur von 400°C mehr als 2 Stunden getempert. Danach wurde Verkapselungsschicht 35, die aus SiOyNz bestand, abgeschieden und ein CMP-Prozess wurde wie zuvor beschrieben durchgeführt. Schließlich wurde eine obere Elektrodenschicht (nicht dargestellt) so gebildet, dass ein Leiter jede p-MTJ Deckfläche kontaktierte.
  • Der Strom (Ip) für den P-Zustand und Strom (IAP) des AP-Zustands wurden für 5120 p-MTJ normale Zellen und Fehlerbits gemessen. Ergebnisse sind in 10 gezeigt, wo die Differenz (Ip - IAP) als eine Funktion von IP eingetragen ist. Idealerweise sollten die Ergebnisse von allen p-MTJ-Zellen ungefähr auf Linie 50 und in eine Region nahe Oval 42 fallen. Zusätzlich zu den sogenannten normalen p-MTJs in der oben erwähnten Region beobachteten wir jedoch eine beachtliche Zahl „anomaler“ p-MTJs in einer Region 40 im Wesentlichen unter Linie 50 und eine kleinere Anzahl anomaler p-MTJs in Region 41 bei höheren IP-Werten als p-MTJs in Region 40.
  • Wir haben bestimmt, dass die Grundursache für anomale p-MTJs in Region 40 mehrere Domänen in AP1- und AP2-Schichten in der SyAP gepinnten Schicht sind. Mit anderen Worten, der Schaltstrom zum Umschalten der freien Schicht von einem P- zu einem AP-Zustand, oder umgekehrt, in einem normalen p-MTJ ist nicht ausreichend, um die freie Schicht in einem anomalen p-MTJ umzuschalten. Da eine Schlüsselaufgabe hochentwickelter MRAM- und STT-MRAM-Designs Senkung von Stromverbrauch ist, ist der höhere Schaltstrom für anomale p-MTJs in der Konkurrenz mit anderen Technologien, wie statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM, Static Random Access Memory) nicht akzeptabel. Ferner übt höherer Schaltstrom mehr Belastung auf den nicht magnetischen Abstandhalter (d.h. Tunnelsperrschicht), aus, die zu kürzerer Lebensdauer der Vorrichtung führt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wurde dieselbe Gruppe von p-MTJ-Zellen, die die in 10 gezeigten Ergebnisse erzeugte, einem Initialisierungsverfahren, das ein angelegtes vertikales Feld von 20000 Oe umfasste, hunderten von Millisekunden unterzogen. Nach Entfernen des angelegten Felds wurden IP und IAP erneut für die 5120 p-MTJ normalen Zellen und Fehlerbits gemessen. Ergebnisse sind in 11 bereitgestellt und zeigen, dass im Wesentlichen alle anomalen p-MTJ-Zellen in Region 40 vor Initialisierung, korrigiert waren, um nun IAP und IP aufzuweisen, die in den Bereich einer normalen Zelle in Region 42 fallen. Anomale p-MTJs mit Datenpunkten in Region 41 werden einer defekten Tunnelsperrschicht zugeschrieben und sind nicht zu einer normalen Zelle durch das Anlegen eines angelegten Felds gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform korrigiert. Daher ist eine Gleichförmigkeit im Schaltstrom für mehrere p-MTJ-Zellen auf dem MRAM-Chip durch Verwendung eines Initialisierungsverfahrens der vorliegenden Offenbarung signifikant verbessert.
  • Zusammenfassend haben wir beobachtet, dass eine typische Schaltfehlerrate im Bereich von 30 ppm bis 100 ppm für p-MTJ-Zellen, die nicht initialisiert wurden, signifikant auf kleiner als 10 ppm verringert ist, wenn die p-MTJ-Zellen einem Initialisierungsprozess gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unterzogen werden. Ferner kann der Initialisierungsprozess ein oder mehrere Male nach Fertigung der Vorrichtung wiederholt werden, um die Wirkung von Streufeldern oder Temperaturüberschreitungen auszugleichen, die ein Wiederauftreten mehrerer Domänen in der freien Schicht und gepinnten Schicht verursachen könnten.
  • Während diese Offenbarung insbesondere in Bezug auf ihre bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben wurde, ist Fachleuten klar, dass verschiedene Änderungen an Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • C. Slonezewski in „Current driven excitation of magnetic multilayers“, J. Magn. Magn. Mater. V 159, L1-L7 (1996) [0003]

Claims (20)

  1. Initialisierungsprozess zur Bereitstellung einer einzelnen Domäne in einer freien Schicht (FL) und in AP1- und AP2-Schichten innerhalb einer synthetischen antiparallelen (SyAP) gepinnten Schicht in einer senkrechten magnetischen Tunnelübergangszelle (p-MTJ-Zelle), umfassend: (a) Bereitstellen einer p-MTJ-Zelle auf einem Substrat wobei die p-MTJ-Zelle eine SyAP gepinnte Schicht mit einer antiferromagnetischen (AF) Kopplungsschicht zwischen einer AP1-Schicht und einer AP2-Schicht, einer FL und einer Tunnelsperrschicht, die eine erste Grenzfläche mit der AP1-Schicht und eine zweite Grenzfläche mit der FL bildet, umfasst; (b) Anlegen eines Magnetfelds in einer Richtung in-Ebene, sodass alle Magnetisierungen in jeder der FL, der AP1-Schicht und der AP2-Schicht in der Richtung des angelegten magnetischen Felds ausgerichtet sind; und (c) Entfernen des angelegten Magnetfelds, um eine einzelne magnetische Domäne in jeder der FL, AP1- und AP2-Schichten zu erhalten, umfassend: (1) Magnetisieren in allen Regionen der AP1-Schicht, die in einer ersten (vertikalen) Richtung senkrecht zur Ebene ausgerichtet ist, infolge einer senkrecht magnetischen Grenzflächenanisotropie (PMA) an der ersten Grenzfläche; (2) Magnetisierenh in allen Regionen der FL, die in der ersten vertikalen Richtung oder entgegengesetzt zu der ersten vertikalen Richtung ausgerichtet ist, infolge einer Grenzflächen-PMA an der zweiten Grenzfläche; und (3) Magnetisieren in allen Regionen der AP2-Schicht in einer zweiten vertikalen Richtung entgegengesetzt zu der ersten vertikalen Richtung infolge einer AF-Kopplung mit der AP1-Schicht durch die AF-Kopplungsschicht.
  2. Initialisierungsprozess nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeld in der Ebene bei einer Temperatur nahe Raumtemperatur und in Abwesenheit eines elektrischen Stroms angelegt wird.
  3. Initialisierungsprozess nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeld in der Ebene für eine Dauer von deutlich weniger als 1 Sekunde angelegt wird.
  4. Initialisierungsprozess nach Anspruch 1, wobei der p-MTJ eine Boden-Spin-Ventil-Konfiguration, Oberseiten-Spin-Ventil-Konfiguration oder eine doppelte Spin-Ventilkonfiguration aufweist.
  5. Initialisierungsprozess nach Anspruch 1, wobei die AF-Kopplungsschicht Ru ist, die eine Dicke von 4, 9 oder 14 Ängström aufweist, um AF-Kopplung zwischen der AP1- und der AP2-Schicht zu maximieren.
  6. Initialisierungsprozess nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeld in der Ebene nach Durchführung eines abschließenden Temperschritts während der Fertigung der p-MTJ-Zelle angelegt wird.
  7. Initialisierungsprozess nach Anspruch 1, wobei die p-MTJ-Zelle während der Fertigung einer Magnetdirektzugriffsspeichervorrichtung (MRAM-Vorrichtung), eines Spin-Drehmomentübertragungs-MRAM (STT-MRAM) oder einer Spintronik-Vorrichtung gebildet wird, die ein Spin-Drehmoment-Oszillator (STO), Sensor oder Biosensor ist.
  8. Initialisierungsprozess nach Anspruch 1, wobei die Stärke des angelegten Magnetfelds etwa 1000 Oe bis 30000 Oe ist.
  9. Initialisierungsprozess nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeld in der Ebene nach Abscheiden einer Verkapselungsschicht, um die p-MTJ-Zelle von benachbarten p-MTJ-Zellen elektrisch zu isolieren, angelegt wird.
  10. Initialisierungsprozess nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeld in der Ebene mehrere Male während Fertigung der p-MTJ-Zelle angelegt wird.
  11. Initialisierungsprozess zur Bereitstellung einer einzelnen Domäne in einer freien Schicht (FL) und in der AP1- und der AP2-Schichten innerhalb einer synthetischen antiparallelen (SyAP) gepinnten Schicht in einer senkrechten magnetischen Tunnelüberganszelle (p-MTJ-Zelle), umfassend: (a) Bereitstellen einer p-MTJ-Zelle auf einem Substrat, wobei die p-MTJ-Zelle eine SyAP gepinnte Schicht mit einer antiferromagnetischen (AF) Kopplungsschicht zwischen einer AP1-Schicht und einer AP2-Schicht, einer FL und einer Tunnelsperrschicht, die eine erste Grenzfläche mit der AP1-Schicht und eine zweite Grenzfläche mit der FL bildet, umfasst; (b) Anlegen eines Magnetfelds in einer ersten (vertikalen) Richtung senkrecht zur Ebene, sodass alle Magnetisierungen in jeder der FL, der AP1-Schicht und der AP2-Schicht in der ersten vertikalen Richtung ausgerichtet sind; und (c) Entfernen des angelegten Magnetfelds, um eine einzelne magnetische Domäne in jeder der FL, der AP1- und der AP2-Schicht zu erhalten, umfassend: (1) Magnetisieren in allen Regionen der AP2-Schicht, die in der ersten vertikalen Richtung ausgerichtet sind; (2) Magnetisieren in allen Regionen der FL, die in der ersten vertikalen Richtung oder entgegengesetzt zu der ersten vertikalen Richtung ausgerichtet sind, infolge einer Grenzflächen-PMA an der zweiten Grenzfläche; und (3) Magnetisieren in allen Regionen der AP1-Schicht in einer zweiten vertikalen Richtung, entgegengesetzt zu der ersten vertikalen Richtung infolge einer AF-Kopplung mit der AP2-Schicht durch die AF-Kopplungsschicht und infolge einer senkrecht magnetischen Grenzflächenanisotropie (PMA) an der ersten Grenzfläche.
  12. Initialisierungsprozess nach Anspruch 11, wobei das vertikale Magnetfeld bei einer Temperatur nahe Raumtemperatur und in Abwesenheit eines angelegten elektrischen Stroms angelegt wird.
  13. Initialisierungsprozess nach Anspruch 11, wobei das vertikale Magnetfeld in der Ebene für eine Dauer im Wesentlichen kleiner als 1 Sekunde angelegt wird.
  14. Initialisierungsprozess nach Anspruch 11, wobei der p-MTJ eine Boden-Spin-Ventil-Konfiguration, Oberseiten-Spin-Ventil-Konfiguration oder eine doppelte Spin-Ventilkonfiguration aufweist.
  15. Initialisierungsprozess nach Anspruch 11, wobei die AF-Kopplungsschicht Ru ist, die eine Dicke von 4, 9 oder 14 Ångström aufweist, um AF-Kopplung zwischen der AP1- und der AP2-Schicht zu maximieren.
  16. Initialisierungsprozess nach Anspruch 11, wobei das vertikale Magnetfeld nach Durchführung eines abschließenden Temperschritts während Fertigung der p-MTJ-Zelle angelegt wird.
  17. Initialisierungsprozess nach Anspruch 11, wobei die p-MTJ-Zelle während Fertigung einer Magnetdirektzugriffsspeichervorrichtung (MRAM-Vorrichtung), eines Spin-Drehmomentübertragungs-MRAM (STT-MRAM) oder einer Spintronik-Vorrichtung gebildet wird, die ein Spin-Drehmoment-Oszillator (STO) oder Biosensor ist.
  18. Initialisierungsprozess nach Anspruch 11, wobei die Stärke des angelegten vertikalen Magnetfelds etwa 1000 Oe bis 30000 Oe ist.
  19. Initialisierungsprozess nach Anspruch 11, wobei das vertikale Magnetfeld nach Abscheiden einer Verkapselungsschicht, um die p-MTJ-Zelle von benachbarten p-MTJ-Zellen elektrisch zu isolieren, angelegt wird.
  20. Initialisierungsprozess nach Anspruch 11, wobei das vertikale Magnetfeld mehrere Male während Fertigung der p-MTJ-Zelle angelegt wird.
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