DE112021000241T5

DE112021000241T5 - Mtj-stapel, der eine obere gepinnte magnetische schicht mit starker senkrechter magnetischer anisotropie enthält

Info

Publication number: DE112021000241T5
Application number: DE112021000241.4T
Authority: DE
Inventors: Seonghoon Woo; Matthias Georg Gottwald
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2022-09-08
Also published as: AU2021217208A1; WO2021156690A1; AU2021217208B2; GB2608307A; GB202213043D0; CN115053349A; US20210249060A1; US11302372B2; JP2023514517A

Abstract

Es wird ein oben gepinnter Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel) bereitgestellt, welcher eine gepinnte magnetische Schichtstruktur enthält, die eine zweite gepinnte magnetische Schicht umfasst, die eine starke senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) aufweist. Die gepinnte magnetische Schichtstruktur umfasst eine Kristallkornwachstums-Steuerschicht, welche zwischen einer ersten gepinnten magnetischen Schicht, die eine kubisch-raumzentrierte Struktur (BCC-Struktur) aufweist, und der zweiten gepinnten magnetischen Schicht angeordnet ist. Das Vorliegen der Kristallkornwachstums-Steuerschicht erleichtert die Bildung einer zweiten gepinnten magnetischen Schicht, welche eine kubisch-flächenzentrierte Struktur (FCC-Struktur) oder eine Struktur einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (HCP-Struktur) aufweist, was wiederum eine starke PMA der zweiten gepinnten magnetischen Schicht der gepinnten magnetischen Schichtstruktur fördert.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Anmeldung betrifft einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (Magnetoresistive Random Access Memory, MRAM). Insbesondere betrifft die vorliegende Anmeldung einen oben gepinnten Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel), welcher eine gepinnte magnetische Schichtstruktur enthält, die eine zweite gepinnte magnetische Schicht umfasst, die eine starke senkrechte magnetische Anisotropie (Perpendicular Magnetic Anisotropy, PMA) aufweist.
Bei Spin-Transfer-Torque-MRAM-Einheiten (STT-MRAM-Einheiten) wird eine Einheit mit 2 Anschlüssen verwendet, welche einen MTJ-Stapel umfasst, der eine gepinnte magnetische Schicht (Referenzschicht), eine Tunnelbarrierenschicht und eine freie magnetische Schicht enthält. MTJ-Stapel können zu zwei Typen klassifiziert werden. Der erste Typ eines MTJ-Stapels ist ein unten gepinnter MTJ-Stapel, wie zum Beispiel in 1 dargestellt. Der in 1 veranschaulichte unten gepinnte MTJ-Stapel umfasst eine gepinnte magnetische Schicht (oder Referenzschicht) 10, eine Tunnelbarrierenschicht 12 und eine freie magnetische Schicht 14. Auf der freien magnetischen Schicht 14 des unten gepinnten MTJ-Stapels, der in 1 dargestellt ist, ist typischerweise eine MTJ-Deckschicht 16 vorhanden. In 1 zeigt der Pfeil innerhalb der gepinnten magnetischen Schicht 10 eine mögliche Orientierung dieser Schicht und der Doppelpfeil in der freien magnetischen Schicht 14 veranschaulicht, dass die Orientierung in dieser Schicht gewechselt werden kann.
Der zweite Typ eines MTJ-Stapels ist ein oben gepinnter MTJ-Stapel, wie zum Beispiel in 2 dargestellt. Der oben gepinnte MTJ-Stapel umfasst eine freie magnetische Schicht 20, eine Tunnelbarrierenschicht 22 und eine gepinnte magnetische Schicht (oder Referenzschicht) 24 des oben gepinnten MTJ-Stapels, der in 2 dargestellt ist. Auf der gepinnten magnetischen Schicht 24 des oben gepinnten MTJ-Stapels, der in 2 dargestellt ist, ist typischerweise eine MTJ-Deckschicht 26 vorhanden. In 2 zeigt der Pfeil innerhalb der gepinnten magnetischen Schicht 24 eine mögliche Orientierung dieser Schicht und der doppelköpfige Pfeil in der freien magnetischen Schicht 20 veranschaulicht, dass die Orientierung in dieser Schicht gewechselt werden kann.
Bei einem STT-MRAM wird für die MTJ-Stapel ein Auswahltransistor benötigt, weil die Schreiboperation der MTJ-Stapel durch Ströme aus zwei verschiedenen Richtungen geleitet wird. In einem typischen STT-MRAM ist der Schwellenspannung-Umschaltstrom für eine antiparallele Konfiguration, I_c (P(paralleler Zustand) → AP(antiparalleler Zustand)), höher als der für eine parallele Konfiguration, I_c (AP → P). Jedoch weist die Ansteuerleistung eines Transistors auch eine Asymmetrie auf, die nicht mit der Schreibstromasymmetrie eines herkömmlichen unten gepinnten MTJ-Stapels (BP-MTJ-Stapels) kompatibel ist, in welchem für verbesserte Materialstrukturierungen von einer Metallkeimschicht gepinnte synthetischantiferromagnetische Referenzschichten (SAF-Referenzschichten) unterhalb einer Tunnelbarrierenschicht abgeschieden sind.
STT-MRAM-Einheiten mit oben gepinnten MTJ-Stapeln (TP-MTJ-Stapeln) lösen dieses Asymmetrieproblem und erhöhen deswegen die Leistungseffizienz von STT-MRAM-Einheiten. Es ist jedoch eine Herausforderung, stabile TP-MTJ-Stapel herzustellen, die mit Hochtemperatur-Temperzyklen (Back-End-of-the-Line-Verfahren (BEOL-Verfahren) bei 400°C, die für Speicheranwendungen des Einbettungstyps erforderlich sind) kompatibel sind. Dies hängt mit einer unkontrollierbaren Strukturisierung oben auf der Tunnelbarrierenschicht nach einer Hochtemperaturverarbeitung zusammen, was es schwierig macht, 400°C-kompatible obere SAF-Referenzschichten herzustellen.
KURZDARSTELLUNG
Es wird ein oben gepinnter Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel) bereitgestellt, welcher eine gepinnte magnetische Schichtstruktur enthält, die eine zweite gepinnte magnetische Schicht umfasst, die eine starke senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) aufweist. In der vorliegenden Anmeldung umfasst die gepinnte magnetische Schichtstruktur eine Kristallkornwachstums-Steuerschicht, die zwischen einer ersten gepinnten magnetischen Schicht, die eine kubisch-raumzentrierte Struktur (BCC-Struktur) aufweist, und der zweiten gepinnten magnetischen Schicht angeordnet ist. Das Vorliegen der Kristallkornwachstums-Steuerschicht erleichtert die Bildung einer zweiten gepinnten magnetischen Schicht, welche eine kubisch-flächenzentrierte Struktur (FCC-Struktur) oder eine Struktur einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (HCP-Struktur) aufweist, was wiederum eine starke PMA der zweiten gepinnten magnetischen Schicht der gepinnten magnetischen Schichtstruktur fördert. Mit „starker PMA“ ist gemeint, dass das Feld mit magnetischer In-Field-Anisotropie stärker als 4 kOe ist.
In einer Erscheinungsform der vorliegenden Anmeldung wird ein oben gepinnter MTJ-Stapel bereitgestellt. In einer Ausführungsform umfasst der oben gepinnte MTJ-Stapel eine freie magnetische Schicht, welche eine kubisch-raumzentrierte Struktur (BCC-Struktur) aufweist, eine Tunnelbarrierenschicht, welche eine BCC-Struktur aufweist und auf der freien magnetischen Schicht angeordnet ist, und eine gepinnte magnetische Schichtstruktur, welche auf der Tunnelbarrierenschicht angeordnet ist. Gemäß der vorliegenden Anmeldung umfasst die gepinnte magnetische Schichtstruktur von unten nach oben eine erste gepinnte magnetische Schicht, welche eine BCC-Struktur aufweist, eine Kristallkornwachstums-Steuerschicht und eine zweite gepinnte magnetische Schicht, welche eine kubisch-flächenzentrierte Struktur (FCC-Struktur) oder eine Struktur einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (HCP-Struktur) aufweist.
In einigen Ausführungsformen umfasst die zweite gepinnte magnetische Schicht eine untere gepinnte magnetische Zone und eine obere gepinnte magnetische Zone, wobei die untere gepinnte magnetische Zone und die obere gepinnte magnetische Zone durch eine synthetische antiferromagnetische Kupplungsschicht getrennt sind. In einer solchen Ausführungsform weisen die untere gepinnte magnetische Zone und die obere gepinnte magnetische Zone beide eine FCC-Struktur oder eine HCP-Struktur auf und somit ist für eine starke PMA gesorgt.
In einer anderen Erscheinungsform der vorliegenden Anmeldung wird eine STT-MRAM-Einheit bereitgestellt. In einer Ausführungsform umfasst die STT-MRAM-Einheit einen oben gepinnten MTJ-Stapel, welcher auf einer Fläche einer unteren Elektrode angeordnet ist. In einer Ausführungsform umfasst der oben gepinnte MTJ-Stapel eine freie magnetische Schicht mit einer BCC-Struktur, eine Tunnelbarrierenschicht mit einer BCC-Struktur, welche auf der freien magnetischen Schicht angeordnet ist, und eine gepinnte magnetische Schichtstruktur, welche auf der Tunnelbarrierenschicht angeordnet ist. Gemäß der vorliegenden Anmeldung umfasst die gepinnte magnetische Schichtstruktur von unten nach oben eine erste gepinnte magnetische Schicht mit einer BCC-Struktur, eine Kristallkornwachstums-Steuerschicht und eine zweite gepinnte magnetische Schicht mit einer FCC-Struktur oder einer HCP-Struktur.
In noch einer anderen Erscheinungsform der vorliegenden Anmeldung wird ein Verfahren zum Bilden eines oben gepinnten MTJ-Stapels bereitgestellt. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren Bilden einer Tunnelbarrierenschicht, welche eine kubisch-raumzentrierte Struktur (BCC-Struktur) aufweist, auf einer freien magnetischen Schicht, welche eine BCC-Struktur aufweist. Als Nächstes wird auf der Tunnelbarrierenschicht eine erste gepinnte magnetische Schicht gebildet, welche eine BCC-Struktur aufweist. Anschließend wird auf der ersten gepinnten magnetischen Schicht eine Kristallkornwachstums-Steuerschicht abgeschieden, wobei die Kristallkornwachstums-Steuerschicht die Bildung eines magnetischen Materials erleichtert, welches eine kubisch-flächenzentrierte Struktur (FCC-Struktur) oder eine Struktur einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (HCP-Struktur) aufweist. Danach wird auf der Kristallkornwachstums-Steuerschicht eine zweite gepinnte magnetische Schicht gebildet, welche die FCC-Struktur oder die HCP-Struktur aufweist. Gemäß der vorliegenden Anmeldung wird nach dem Abscheiden der Kristallkornwachstums-Steuerschicht ein In-situ-Tempern durchgeführt.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung wird das In-situ-Tempern nach dem Abscheiden der Kristallkornwachstums-Steuerschicht, aber vor dem Bilden der zweiten gepinnten magnetischen Schicht durchgeführt. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung wird das In-situ-Tempern nach dem Abscheiden der Kristallkornwachstums-Steuerschicht und nach dem Bilden zumindest eines Abschnitts der zweiten gepinnten magnetischen Schicht durchgeführt.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht eines unten gepinnten MTJ-Stapels des Standes der Technik, welcher von unten nach oben eine gepinnte magnetische Schicht (oder Referenzschicht), eine Tunnelbarrierenschicht, eine freie magnetische Schicht und eine MTJ-Deckschicht umfasst.
2 ist eine Querschnittsansicht eines oben gepinnten MTJ-Stapels des Standes der Technik, welcher von unten nach oben eine freie magnetische Schicht, eine Tunnelbarrierenschicht, eine gepinnte magnetische Schicht (oder Referenzschicht) und eine MTJ-Deckschicht umfasst.
3 ist eine Querschnittsansicht eines oben gepinnten MTJ-Stapels gemäß der vorliegenden Anmeldung, welche auf einer Fläche einer unteren Elektrode angeordnet ist.
4 ist eine Querschnittsansicht eines anderen oben gepinnten MTJ-Stapels gemäß der vorliegenden Anmeldung, welche auf einer Fläche einer unteren Elektrode angeordnet ist.
5A bis 5C sind Schaubilder, welche die Out-of-Plane-Hystereseschleife der oben gepinnten MTJ-Stapel gemäß der vorliegenden Anmeldung und nach einem BEOL bei 400 °C zeigen.
6A bis 6C sind Schaubilder, welche die In-Plane-Hystereseschleife der oben gepinnten MTJ-Stapel gemäß der vorliegenden Anmeldung und nach einem BEOL bei 400 °C zeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Anmeldung wird nun unter Bezugnahme auf die folgende Erörterung und auf die Zeichnungen, die die vorliegende Anmeldung begleiten, detaillierter beschrieben. Es sei angemerkt, dass die Zeichnungen der vorliegenden Anmeldung lediglich Veranschaulichungszwecken dienen und die Zeichnungen daher nicht maßstabsgetreu sind. Es sei ebenso angemerkt, dass gleiche und einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet werden.
In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Einzelheiten ausgeführt, wie z.B. bestimmte Strukturen, Komponenten, Materialien, Abmessungen, Verarbeitungsschritte und Techniken, um für ein Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung zu sorgen. Der Fachmann erkennt jedoch, dass die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung auch ohne diese speziellen Einzelheiten ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind gut bekannte Strukturen oder Verarbeitungsschritte nicht detailliert beschrieben worden, um zu vermeiden, dass die vorliegende Anmeldung unklar wird.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element wie eine Schicht, eine Zone oder ein Substrat als „auf“ oder „über“ einem anderen Element befindlich bezeichnet wird, es sich direkt auf dem anderen Element befinden kann oder auch dazwischen angeordnete Elemente vorhanden sein können. Wenn hingegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt über“ einem anderen Element befindlich bezeichnet wird, sind keine dazwischen angeordneten Elemente vorhanden. Es versteht sich außerdem, dass, wenn ein Element als „unterhalb“ eines anderen Elements oder „unter“ einem anderen Element befindlich bezeichnet wird, es sich direkt unterhalb des anderen Elements oder unter dem anderen Element befinden kann oder dazwischen angeordnete Elemente vorhanden sein können. Wenn hingegen ein Element als „direkt unterhalb“ eines anderen Elements oder „direkt unter“ einem anderen Element befindlich bezeichnet wird, sind keine dazwischen angeordneten Elemente vorhanden.
Die vorliegende Anmeldung stellt einen oben gepinnten Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel) bereit, welcher eine gepinnte magnetische Schichtstruktur enthält, die eine zweite gepinnte magnetische Schicht mit einer starken PMA (d.h. einem Feld mit magnetischer In-Field-Anisotropie von mehr als 4 kOe) umfasst. In der vorliegenden Anmeldung umfasst die gepinnte magnetische Schichtstruktur eine Kristallkornwachstums-Steuerschicht, welche zwischen einer ersten gepinnten magnetischen Schicht, die eine BCC-Struktur aufweist, und der zweiten gepinnten magnetischen Schicht angeordnet ist. Das Vorliegen der Kristallkornwachstums-Steuerschicht vereinfacht die Bildung einer zweiten gepinnten magnetischen Schicht, welche eine FCC-Struktur oder eine HCP-Struktur aufweist, was wiederum eine starke PMA, wie oben definiert, der zweiten gepinnten magnetischen Schicht der gepinnten magnetischen Schichtstruktur fördert. Die zweite gepinnte magnetische Schicht des oben gepinnten Magnettunnelübergangs-Stapels (MTJ-Stapels) behält die starke PMA sogar nach Durchführung eines BEOL-Temperverfahrens bei 400 °C oder darüber, welches für Speicheranwendungen des Einbettungstyps angewendet wird.
In der vorliegenden Anmeldung beziehen sich die Begriffe „kubisch-flächenzentrierte Struktur oder FCC-Struktur“ auf eine Kristallstruktur mit eine Einheitszelle, die aus einem Atom an jeder Würfelecke und einem Atom in der Mitte jeder Würfelfläche besteht; es ist eine dicht gepackte Ebene, in welcher angenommen wird, dass sich die jeweiligen Flächen der Würfelatome entlang der Flächendiagonalen berühren. Die Begriffe „kubisch-raumzentrierte Struktur oder BCC-Struktur“ beziehen sich auf eine Kristallstruktur mit einer Einheitszelle, in welcher ein würfelförmiges Gitter ausgebildet ist, wobei sich ein Atom in der Mitte befindet und vier andere Atome an den Ecken des Würfels um dieses herum angeordnet sind. Die Begriffe „Struktur hexagonal dichtester Kugelpackung oder HCP-Struktur“ beziehen sich auf eine Kristallstruktur, mit einer Einheitszelle, die aus drei Schichten von Atomen besteht, die obere und die untere Schicht enthalten sechs Atome an den Ecken eines Sechsecks und ein Atom in der Mitte jedes Sechsecks, die mittlere Schicht enthält drei Atome, die zwischen den Atomen der oberen und der unteren Schicht eingebettet sind.
Zunächst Bezug nehmend auf 3 bis 4, sind dort verschiedene oben gepinnte MTJ-Stapel gemäß der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht. Wie sowohl in 3 als auch in 4 dargestellt, ist der oben gepinnte MTJ-Stapel auf einer unteren Elektrode 30 angeordnet. Insbesondere umfasst der in 3 veranschaulichte MTJ-Stapel eine freie magnetische Schicht 32 mit einer BCC-Struktur, eine Tunnelbarrierenschicht 34 mit einer BCC-Struktur, welche auf der freien magnetischen Schicht 32 angeordnet ist, und eine gepinnte magnetische Schichtstruktur 36, welche auf der Tunnelbarrierenschicht 34 angeordnet ist. Gemäß der vorliegenden Anmeldung umfasst die gepinnte magnetische Schichtstruktur 36 von unten nach oben eine erste gepinnte magnetische Schicht 38, welche eine BCC-Struktur aufweist, eine Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40 und eine zweite gepinnte magnetische Schicht 42, welche eine FCC-Struktur oder eine HCP-Struktur aufweist.
Der oben gepinnte MTJ-Stapel, der in 4 veranschaulicht ist, umfasst eine freie magnetische Schicht 32 mit einer BCC-Struktur, eine Tunnelbarrierenschicht 34 mit einer BCC-Struktur, welche auf der freien magnetischen Schicht 32 angeordnet ist, und eine gepinnte magnetische Schichtstruktur 36, welche auf der Tunnelbarrierenschicht 34 angeordnet ist. Gemäß der vorliegenden Anmeldung umfasst die gepinnte magnetische Schichtstruktur 36 von unten nach oben eine erste gepinnte magnetische Schicht 38, welche eine BCC-Struktur aufweist, eine Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40 und eine zweite gepinnte magnetische Schicht 42, welche eine FCC-Struktur oder eine HCP-Struktur aufweist. In dieser Ausführungsform umfasst die zweite gepinnte magnetische Schicht 42 eine untere gepinnte magnetische Zone 44 und eine obere gepinnte magnetische Zone 48, wobei die untere gepinnte magnetische Zone 44 und die obere gepinnte magnetische Zone 48 durch eine synthetische antiferromagnetische Kupplungsschicht 46 getrennt sind.
In jeder Ausführungsform kennzeichnet der Doppelpfeil in der freien magnetischen Schicht 32, dass die Orientierung in dieser Schicht gewechselt werden kann, während der Einzelpfeil in den verschiedenen magnetischen Schichten oder Zonen der gepinnten magnetischen Schichtstruktur 36 kennzeichnet, dass die Orientierung in diesen Schichten oder Zonen festgelegt ist. Außerdem und in jeder Ausführungsform erleichtert die Kristallkornwachstums-Steuerschicht die Bildung einer zweiten gepinnten magnetischen Schicht 42, welche eine FCC-Struktur oder eine HCP-Struktur aufweist, was wiederum eine starke PMA der zweiten gepinnten magnetischen Schicht 42 der gepinnten magnetischen Schichtstruktur 36 fördert.
Nun werden detaillierter die verschiedenen Elemente/Komponenten der Strukturen beschrieben, die in 3 bis 4 dargestellt sind. Wie oben erwähnt, sind die in 3 und 4 dargestellten oben gepinnten MTJ-Stapel auf einer unteren Elektrode 30 angeordnet. Zusammen stellen die untere Elektrode 30 und der oben gepinnte MTJ-Stapel der vorliegenden Anmeldung, wie zum Beispiel in 3 bis 4 dargestellt, Komponenten/Elemente einer STT-MRAM-Einheit bereit. Die untere Elektrode 30 der in 3 bis 4 dargestellten Strukturen ist typischerweise auf einer Fläche einer (nicht dargestellten) elektrisch leitfähigen Struktur angeordnet. Die elektrisch leitfähige Struktur ist in eine (ebenfalls nicht dargestellte) dielektrische Verbindungsmaterialschicht eingebettet. Eine andere (nicht dargestellte) dielektrische Verbindungsmaterialschicht kann die in 3 bis 4 veranschaulichten oben gepinnten MTJ-Stapel einbetten. Eine andere elektrisch leitfähige Struktur und eine obere Elektrode (welche beide nicht dargestellt sind) können über der obersten Fläche der in 3 bis 4 veranschaulichten oben gepinnten MTJ-Stapel angeordnet sein. Die untere Elektrode 30 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebaut sein, wie zum Beispiel einem elektrisch leitfähigen Metall, einer elektrisch leitfähigen Metalllegierung oder einem elektrisch leitfähigen Metallnitrid. Beispiele für elektrisch leitfähige Metalle, die verwendet werden können, um die untere Elektrode 30 bereitzustellen, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Kupfer (Cu), Ruthenium (Ru), Kobalt (Co), Rhodium (Rh), Wolfram (W), Aluminium (AI), Tantal (Ta) oder Titan (Ti). Ein Beispiel für eine elektrisch leitfähige Metalllegierung, die verwendet werden kann, um die untere Elektrode 30 bereitzustellen, umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, Cu-Al und ein Beispiel für ein elektrisch leitfähiges Metallnitrid, das verwendet werden kann, um die untere Elektrode 30 bereitzustellen, umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, TaN oder TiN. Die untere Elektrode 30 kann unter Anwendung von Techniken gebildet werden, die dem Fachmann gut bekannt sind. Das leitfähige Material, das die untere Elektrode 30 bereitstellt, kann unter Anwendung eines Abscheidungsverfahrens wie zum Beispiel chemischer Abscheidung aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition, CVD), plasmaunterstützter chemischer Abscheidung aus der Gasphase (Plasma Enhanced CVD, PECVD), Sputtern oder Plattieren gebildet werden. Die untere Elektrode 30 kann eine Dicke von 10 nm bis 200 nm aufweisen; wenngleich auch andere Dicken möglich sind und als die Dicke der unteren Elektrode 30 verwendet werden können. Die untere Elektrode 30 kann auf einer ausgesparten Fläche oder einer nicht-ausgesparten Fläche der (nicht dargestellten) elektrisch leitfähigen Struktur gebildet werden.
Wenngleich in den Zeichnungen nicht dargestellt, ist typischerweise, aber nicht notwendigerweise immer, zwischen der unteren Elektrode 30 und der freien magnetischen Schicht 32 eine metallische Keimschicht positioniert. Falls vorhanden, ist die metallische Keimschicht auf einer physisch frei liegenden Fläche der unteren Elektrode 30 ausgebildet. Die metallische Keimschicht, die in der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden kann, erleichtert das Anwachsen einer freien magnetischen Schicht mit einer kubischraumzentrierten Struktur (BCC-Struktur). In einer Ausführungsform kann die metallische Keimschicht aus einer Bischicht aus Tantal (Ta) und Ruthenium (Ru) aufgebaut sein. In einer anderen Ausführungsform kann die metallische Keimschicht aus einer Bischicht aus Ta und Platin (Pt) aufgebaut sein. Die metallische Keimschicht kann eine Gesamtdicke von 1 nm bis 50 nm aufweisen. Die metallische Keimschicht kann durch ein Abscheidungsverfahren gebildet werden, umfassend zum Beispiel CVD, PECVD, physikalische Abscheidung aus der Gasphase (Physical Vapor Deposition, PVD), Atomschichtabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) oder Sputtern.
Anschließend wird entweder auf der metallischen Keimschicht oder auf der unteren Elektrode 30 die freie magnetische Schicht 32 gebildet, welche eine BCC-Struktur aufweist. Die freie magnetische Schicht 32 ist aus mindestens einem magnetischen Material mit einer Magnetisierung aufgebaut, deren Orientierung relativ zu der Magnetisierungsorientierung der gepinnten magnetischen Schicht (d.h. der Referenzschicht) geändert werden kann. Beispielhafte magnetische Materialien für die freie magnetische Schicht 32 umfassen Legierungen und/oder Multischichten von Kobalt (Co), Eisen (Fe), Kobalt-Eisen-Legierungen (Co-Fe), Nickel (Ni), Nickel-Eisen-Legierungen (Ni-Fe) und Kobalt-Eisen-Bor-Legierungen (Co-Fe-B). Typischerweise ist die freie magnetische Schicht 32 aus Multischichten von Co oder Multischichten von Co-Legierung aufgebaut, die mindestens 50 Atomprozent Co enthalten. Die freie magnetische Schicht 32, die in der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden kann, kann eine Dicke von 1 nm bis 3 nm aufweisen, wenngleich auch andere Dicken für die freie magnetische Schicht 32 verwendet werden können. Die freie magnetische Schicht 32 kann durch ein Abscheidungsverfahren gebildet werden, umfassend zum Beispiel CVD, PECVD, PVD, ALD oder Sputtern.
Die Tunnelbarrierenschicht 34 mit einer BCC-Struktur ist aus einem Isolatormaterial aufgebaut und wird in einer solchen Dicke gebildet, dass für einen geeigneten Tunnelwiderstand gesorgt wird. Beispielhafte Materialien für die Tunnelbarrierenschicht 34 umfassen Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Titanoxid oder Materialien höherer elektrischer Tunnelleitfähigkeit, z.B. Halbleiter oder Isolatoren mit niedriger Bandlücke. In einer Ausführungsform wird Magnesiumoxid als das Material verwendet, welches die Tunnelbarrierenschicht 34 bereitstellt. Die Dicke der Tunnelbarrierenschicht 34 kann 0,5 nm bis 1,5 nm betragen; wenngleich auch andere Dicken für die Tunnelbarrierenschicht 34 verwendet werden können, sofern die ausgewählte Dicke für einen gewünschten Tunnelbarrierenwiderstand sorgt. Die Tunnelbarrierenschicht 34 kann durch ein Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel CVD, PECVD, PVD, ALD oder Sputtern gebildet werden.
Anschließend wird auf der Tunnelbarrierenschicht 34 die gepinnte magnetische Schichtstruktur 36 gebildet. In der Ausführungsform, die in 3 veranschaulicht ist, umfasst die gepinnte magnetische Schichtstruktur 36 von unten nach oben eine erste gepinnte magnetische Schicht 38, welche eine BCC-Struktur aufweist, eine Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40 und eine zweite gepinnte magnetische Schicht 42, welche eine FCC-Struktur oder eine HCP-Struktur aufweist. In der Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, umfasst die gepinnte magnetische Schichtstruktur 36 von unten nach oben eine erste gepinnte magnetische Schicht 38, welche eine BCC-Struktur aufweist, eine Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40, eine untere gepinnte magnetische Zone 44 und eine obere gepinnte magnetische Zone 48, wobei die untere gepinnte magnetische Zone 44 und die obere gepinnte magnetische Zone 48 durch eine synthetische antiferromagnetische Kupplungsschicht 46 getrennt sind. In der Ausführungsform, die in 4 veranschaulicht ist, bilden die untere gepinnte magnetische Zone 44, die synthetische antiferromagnetische Kupplungsschicht 46 und die obere gepinnte magnetische Zone 48 eine zweite gepinnte magnetische Schicht 42, welche eine FCC-Struktur oder eine HCP-Struktur aufweist. In jeder Ausführungsform kann die gepinnte magnetische Schichtstruktur 36 durch ein Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel CVD, PECVD, PVD, ALD oder Sputtern gebildet werden.
Die erste gepinnte magnetische Schicht 38 mit der BCC-Struktur, die in der vorliegenden Anmeldung eingesetzt wird, weist eine feste Magnetisierung auf. Das magnetische Material, das beim Bereitstellen der ersten gepinnten magnetischen Schicht 38 eingesetzt wird, kann so gewählt werden, dass die Barriere an der Grenzfläche der Tunnelbarrierenschicht 36 optimiert wird. Beispiele für eine solche Optimierung könnten einen hohen Tunnelmagnetwiderstand (Tunnel Magnetoresistance, TMR), eine hohe Grenzflächenanisotropie oder eine gute Grenzflächenbenetzung umfassen. Somit und in einigen Ausführungsformen kann die erste gepinnte magnetische Schicht 38 aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufgebaut sein, welche ein oder mehrere Metalle umfasst, die eine hohe Spinpolarisation zeigen. In alternativen Ausführungsformen umfassen beispielhafte Metalle für die Bildung der ersten gepinnten magnetischen Schicht 38 Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, Bor und Mangan. Beispielhafte Metalllegierungen können die oben beispielhaft angegebenen Metalle umfassen (d.h. Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, Bor und Mangan). In einigen Ausführungsformen ist die erste gepinnte magnetische Schicht 38 aus einer Kobalt-Eisen-Bor-Legierung (Co-Fe-B-Legierung) oder einem mehrschichtigen Co-Fe-B-Legierungsstapel aufgebaut, der zusätzliches Eisen enthält. In dem mehrschichtigen Co-Fe-B-Legierungsstapel kann eine Metallinsertionsschicht vorhanden sein, wobei die Metallinsertionsschicht Wolfram (W), Tantal (Ta), Iridium (Ir) oder Terbium (Tb) aufweist. Die erste gepinnte magnetische Schicht 38 kann durch ein Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel CVD, PECVD, PVD, ALD oder Sputtern gebildet werden. Die erste gepinnte magnetische Schicht 38 kann eine Dicke von 3 nm bis 20 nm aufweisen; wenngleich auch andere Dicken für die erste gepinnte magnetische Schicht 38 verwendet werden können.
Anschließend wird auf der ersten gepinnten magnetischen Schicht 38 die Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40 gebildet. Die Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40 ist aus einem Metall aufgebaut, welches die Bildung eines magnetischen Materials erleichtert, das eine FCC-Struktur oder eine HCP-Struktur aufweist. Veranschaulichende Beispiele für Metalle, welche die Bildung eines magnetischen Materials erleichtern, das eine FCC-Struktur oder eine HCP-Struktur aufweist, umfassen Rhodium (Rh), Gadolinium (Gd), Holmium (Ho), Tantal (Ta), Hafnium (Hf) oder Wolfram (W). Die Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40 kann eine Dicke von 0,05 nm bis 2 nm aufweisen. In einigen Beispielen umfasst die Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40 Rh mit einer Dicke von 0,5 nm, Rh mit einer Dicke von 1 nm oder Rh mit einer Dicke von 1,5 nm.
Die Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40 kann durch ein Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel CVD, PECVD, PVD, ALD oder Sputtern gebildet werden. Nach dem Abscheiden der Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40 wird ein In-situ-Tempern durchgeführt. Das In-situ-Tempern ist entscheidend, um die FCC- oder die HCP-Struktur für die anschließend gebildete zweite gepinnte magnetische Schicht 42 bereitzustellen. Ohne das In-situ-Tempern weist die zweite gepinnte magnetische Schicht eine BCC-Struktur auf und somit wird keine starke PMA erhalten.
In einigen Ausführungsformen wird das In-situ-Tempern nach dem Abscheiden der Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40, aber vor dem Bilden der zweiten gepinnten magnetischen Schicht 42 durchgeführt. In anderen Ausführungsformen wird das In-situ-Tempern nach dem Abscheiden der Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40 und nach dem Bilden zumindest eines Abschnitts der zweiten gepinnten magnetischen Schicht 42 durchgeführt. In dieser Ausführungsform kann das In-situ-Tempern durchgeführt werden, wenn nur ein Abschnitt oder die Gesamtheit der zweiten gepinnten magnetischen Schicht 42 gebildet ist.
In jeder Ausführungsform wird das In-situ-Tempern in einer inerten Umgebung (d.h. Atmosphäre) und bei einer Temperatur von 300 °C bis 400 °C für eine Dauer von 1 Stunde bis 3 Stunden durchgeführt. Beispielhafte inerte Umgebungen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Helium, Argon oder ein Helium-Argon-Gemisch.
In der Ausführungsform, die in 3 veranschaulicht ist, weist die zweite gepinnte magnetische Schicht 42 eine feste Magnetisierung auf. In einer Ausführungsform kann die zweite gepinnte magnetische Schicht 42 des oben gepinnten MTJ-Stapels, der in 3 dargestellt ist, aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufgebaut sein, welche ein oder mehrere Metalle umfasst, die eine hohe Spinpolarisation zeigen. In alternativen Ausführungsformen umfassen beispielhafte Metalle für die Bildung der zweiten gepinnten magnetischen Schicht 42 des oben gepinnten MTJ-Stapels, der in 3 dargestellt ist, Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, Bor und Mangan. Beispielhafte Metalllegierungen können die oben beispielhaft angegebenen Metalle umfassen (d.h. Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, Bor und Mangan). In einigen Ausführungsformen ist die zweite gepinnte magnetische Schicht 42 des oben gepinnten MTJ-Stapels, der in 3 dargestellt ist, aus einer Multischicht oder einem Übergitter aus Kobalt (Co) und Platin (Pt), einer Multischicht oder einem Übergitter aus Kobalt (Co) und Palladium (Pd) oder einer Multischicht oder einem Übergitter aus Kobalt (Co), Nickel (Ni) und Platin (Pt) aufgebaut. Die zweite gepinnte magnetische Schicht 42 des oben gepinnten MTJ-Stapels, der in 3 dargestellt ist, kann durch ein Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel CVD, PECVD, PVD, ALD oder Sputtern gebildet werden. Die zweite gepinnte magnetische Schicht 42 des oben gepinnten MTJ-Stapels, der in 3 dargestellt ist, kann eine Dicke von 3 nm bis 20 nm aufweisen; wenngleich auch anderen Dicken für die zweite gepinnte magnetische Schicht 42 verwendet werden können.
In einigen Ausführungsformen und wie in 4 dargestellt, kann die zweite gepinnte magnetische Schicht 42 eine Multischichtanordnung sein, welche (1) eine Zone hoher Spinpolarisation, die unter Verwendung der oben erwähnten Metalle (d.h. Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, Bor und Mangan) aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung gebildet wird, und (2) eine Zone aufweist, die aus einem Material oder Materialien aufgebaut ist, die eine starke magnetische Anisotropie (starke PMA) zeigen. Beispielhafte Materialien mit starker PMA, die verwendet werden können, umfassen ein Metall wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir) oder Ruthenium (Ru) und können als abwechselnde Schichten angeordnet sein. Die Zone starker PMA kann auch Legierungen umfassen, welche eine starke PMA zeigen, wobei beispielhafte Legierungen Kobalt-Eisen-Terbium, Kobalt-Eisen-Gadolinium, Kobalt-Chrom-Platin, Kobalt-Platin, Kobalt-Palladium, Eisen-Platin und/oder Eisen-Palladium umfassen. Die Legierungen können als abwechselnde Schichten angeordnet sein. In einer Ausführungsform können auch Kombinationen dieser Materialien und Zonen eingesetzt werden. In der Ausführungsform, die in 4 veranschaulicht ist, umfasst die zweite gepinnte magnetische Schicht 42 eine untere gepinnte magnetische Zone 44 und eine obere gepinnte magnetische Zone 48, wobei die untere gepinnte magnetische Zone 44 und die obere gepinnte magnetische Zone 48 durch eine synthetische antiferromagnetische Kupplungsschicht 46 getrennt sind. In einer solchen Ausführungsform können die untere gepinnte magnetische Zone 44 und die obere gepinnte magnetische Zone 48 aus einer Multischicht oder einem Übergitter aus Kobalt (Co) und Platin (Pt), einer Multischicht oder einem Übergitter aus Kobalt (Co) und Palladium (Pd) oder einer Multischicht oder einem Übergitter aus Kobalt (Co), Nickel (Ni) und Platin (Pt) aufgebaut sein und die synthetische antiferromagnetische Kupplungsschicht 46 ist aus einem Metall wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir) oder Ruthenium (Ru) aufgebaut. Die zweite gepinnte magnetische Schicht 42 des oben gepinnten MTJ-Stapels, der in 4 dargestellt ist, kann durch ein oder mehrere Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel CVD, PECVD, PVD, ALD oder Sputtern gebildet werden. Die zweite gepinnte magnetische Schicht 42 des oben gepinnten MTJ-Stapels, der in 4 dargestellt ist, kann eine Dicke von 3 nm bis 20 nm aufweisen; wenngleich auch andere Dicken für die zweite gepinnte magnetische Schicht 42 verwendet werden können. Die synthetische antiferromagnetische Kupplungsschicht 46 innerhalb der zweiten gepinnten magnetischen Schicht 42 kann eine Dicke von 0,2 nm bis 0,8 nm aufweisen.
Auf der zweiten gepinnten magnetischen Schicht 42, die entweder in 3 oder in 4 dargestellt ist, wird typischerweise eine (nicht dargestellte) MTJ-Deckschicht gebildet. Die MTJ-Deckschicht ist vorzugsweise aus Magnesiumoxid (MgO) aufgebaut. Andere Materialien für die MTJ-Deckschicht umfassen Aluminiumoxid (Al₂O₃), Calciumoxid (CaO), Tantaloxid (Ta₂O₅), Nioboxid (Nb₂O₅) oder ternäre Oxide wie zum Beispiel Mg_yTi(_1-y)O_x. Die MTJ-Deckschicht kann eine Dicke von 0,3 nm bis 2 nm aufweisen; andere Dicken sind möglich und können in der vorliegenden Anmeldung als die Dicke der MTJ-Deckschicht verwendet werden. Die MTJ-Deckschicht kann durch ein oder mehrere Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel CVD, PECVD, PVD, ALD oder Sputtern gebildet werden.
Über der MTJ-Deckschicht wird typischerweise eine (nicht dargestellte) Hartmaske gebildet. Die Hartmaske kann aus einem Metallnitrid wie zum Beispiel Tantalnitrid (TaN) oder Titannitrid (TiN) oder einem Metall wie zum Beispiel Titan (Ti) oder Tantal (Ta) aufgebaut sein. In einigen Ausführungsformen kann die Hartmaske als eine obere Elektrode der STT-MRAM-Einheit eingesetzt werden. In anderen Ausführungsformen kann auf der Hartmaske eine separate obere Elektrode (aufgebaut aus einem der elektrisch leitfähigen Materialien, die oben für die untere Elektrode 30 erwähnt werden) gebildet werden. Die Hartmaske kann eine Dicke von 50 nm bis 1500 nm aufweisen; wenngleich in der vorliegenden Anmeldung auch andere Dicken für die Hartmaske verwendet werden können.
Der oben gepinnte MTJ-Stapel der vorliegenden Anmeldung (und die MTJ-Deckschicht und die Hartmaske) kann durch Abscheiden der verschiedenen Materialschichten, welche den speziellen oben gepinnten MTJ-Stapel der vorliegenden Anmeldung (und die MTJ-Deckschicht und die Hartmaske) bereitstellen, gefolgt von einem Strukturierungsverfahren wie zum Beispiel Lithographie und Ätzen, gebildet werden. Der oben gepinnte MTJ-Stapel der vorliegenden Anmeldung (und die MTJ-Deckschicht und die Hartmaske) kann eine kritische Abmessung (Critical Dimension, CD) aufweisen, die kleiner oder gleich der kritischen Abmessung (CD) der unteren Elektrode 30 ist. Die Abscheidung der verschiedenen Materialschichten, welche den oben gepinnten MTJ-Stapel der vorliegenden Anmeldung (und die MTJ-Deckschicht und die Hartmaske) bereitstellen, kann in demselben Abscheidungswerkzeug oder in verschiedenen Abscheidungswerkzeugen durchgeführt werden.
Die oben gepinnten MTJ-Stapel der vorliegenden Anmeldung sind bei Hochtemperatur-Temperzyklen (Back-End-of-the-Line-Verfahren (BEOL-Verfahren) bei 400 °C, die für Speicheranwendungen des Einbettungstyps erforderlich sind) stabil. Dies liegt an der gesteuerten Struktur der zweiten gepinnten magnetischen Schicht 42, welche durch die Verwendung der Kristallkornwachstums-Steuerschicht 40 und die Anwendung des In-situ-Temperns, wie oben beschrieben, erhalten wird.
Dies wird veranschaulicht durch Betrachten der Daten, die in 5A, 5B, 5C, 6A, 6B und 6C dargestellt sind. Insbesondere sind 5A bis 5C Diagramme, welche die Out-of-Plane-Hystereseschleife oben gepinnter MTJ-Stapel gemäß der vorliegenden Anmeldung und nach einem BEOL bei 400 °C zeigen, während 6A bis 6C Diagramme sind, welche die In-Plane-Hystereseschleife oben gepinnter MTJ-Stapel gemäß der vorliegenden Anmeldung und nach einem BEOL bei 400 °C zeigen. Die oben gepinnten MTJ-Stapel, die bei der Erzeugung der Diagramme verwendet wurden, die in 5A, 5B, 5C, 6A, 6B und 6C dargestellt sind, waren identisch, mit Ausnahme der Dicke der Rhodium-Kristallkornwachstums-Steuerschicht (Rh-Kristallkornwachstums-Steuerschicht). In den oben gepinnten MTJ-Stapeln, die beim Erzeugen der Daten verwendet wurden, die in 5A, 5B, 5C, 6A, 6B und 6C dargestellt sind, war unterhalb der Kristallkornwachstums-Steuerschicht eine BCC-Struktur angeordnet, während oberhalb der Kristallkornwachstums-Steuerschicht eine FCC-Struktur angeordnet war. Jeder oben gepinnte MTJ-Stapel umfasste eine metallische Ta-Keimschicht, eine freie magnetische Co-Fe-B-Schicht, eine Magnesiumoxid-Tunnelbarrierenschicht, eine erste gepinnte magnetische Co-Fe-B-Schicht, eine Rh-Kristallkornwachstums-Steuerschicht (mit unterschiedlichen Dicken) und eine zweite freie magnetische Schicht einer Co- und Pt-Multischicht. Für die Daten, die in 5A und 6A dargestellt sind, wies die Rh-Kristallkornwachstums-Steuerschicht eine Dicke von 0,5 nm auf, für die Daten, die in 5B und 6B dargestellt sind, wies die Rh-Kristallkornwachstums-Steuerschicht eine Dicke von 1,0 nm auf und für die Daten, die in 5C und 6C dargestellt sind, wies die Rh-Kristallkornwachstums-Steuerschicht eine Dicke von 1,5 nm auf. Sowohl die Out-of-Plane- als auch die In-Plane-Hystereseschleife wurden durch Magnetometrie mit vibrierender Probe (Vibrating Sample Magnetometry, VSM) erzeugt.
Obwohl die vorliegende Anmeldung speziell in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass die vorstehenden und andere Änderungen an Formen und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Anmeldung abzuweichen. Die vorliegende Anmeldung soll daher nicht auf die beschriebenen und veranschaulichten genauen Formen und Einzelheiten beschränkt sein, sondern durch den Umfang der anhängenden Patentansprüche bestimmt werden.

Claims

Oben gepinnter Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel), aufweisend: eine freie magnetische Schicht, welche eine kubisch-raumzentrierte Struktur (BCC-Struktur) aufweist; eine Tunnelbarrierenschicht, welche eine BCC-Struktur aufweist und auf der freien magnetischen Schicht angeordnet ist; und eine gepinnte magnetische Schichtstruktur, welche auf der Tunnelbarrierenschicht angeordnet ist, wobei die gepinnte magnetische Schichtstruktur von unten nach oben eine erste gepinnte magnetische Schicht, welche eine BCC-Struktur aufweist, eine Kristallkornwachstums-Steuerschicht und eine zweite gepinnte magnetische Schicht aufweist, welche eine kubisch-flächenzentrierte Struktur (FCC-Struktur) oder eine Struktur einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (HCP-Struktur) aufweist.
Oben gepinnter MTJ-Stapel nach Anspruch 1, wobei die zweite gepinnte magnetische Schicht eine untere gepinnte magnetische Zone und eine obere gepinnte magnetische Zone aufweist, wobei die untere gepinnte magnetische Zone und die obere gepinnte magnetische Zone durch eine synthetische antiferromagnetische Kupplungsschicht getrennt sind.
Oben gepinnter MTJ-Stapel nach Anspruch 1, wobei die Kristallkornwachstums-Steuerschicht aus einem Metall aufgebaut ist, welches die Bildung eines magnetischen Materials erleichtert, das die FCC-Struktur oder die HCP-Struktur aufweist.
Oben gepinnter MTJ-Stapel nach Anspruch 3, wobei das Metall, welches die Bildung eines magnetischen Materials erleichtert, das die FCC-Struktur oder die HCP-Struktur aufweist, Rhodium (Rh), Gadolinium (Gd), Holmium (Ho), Tantal (Ta), Hafnium (Hf) oder Wolfram (W) umfasst.
Oben gepinnter MTJ-Stapel nach Anspruch 1, wobei die Kristallkornwachstums-Steuerschicht eine Dicke von 0,05 nm bis 2 nm aufweist.
Oben gepinnter MTJ-Stapel nach Anspruch 1, wobei die erste gepinnte magnetische Schicht aus einer Kobalt-Eisen-Bor-Legierung (Co-Fe-B-Legierung) oder einem mehrschichtigen Co-Fe-B-Legierungsstapel aufgebaut ist, der zusätzliches Eisen enthält.
Oben gepinnter MTJ-Stapel nach Anspruch 6, welcher ferner eine Metallinsertionsschicht aufweist, die in dem mehrschichtigen Co-Fe-B-Legierungsstapel vorhanden ist, wobei die Metallinsertionsschicht Wolfram (W), Tantal (Ta), Iridium (Ir) oder Terbium (Tb) aufweist.
Oben gepinnter MTJ-Stapel nach Anspruch 1, wobei die zweite gepinnte magnetische Schicht aus einer Multischicht oder einem Übergitter aus Kobalt (Co) und Platin (Pt), einer Multischicht oder einem Übergitter aus Kobalt (Co) und Palladium (Pd) oder einer Multischicht oder einem Übergitter aus Kobalt (Co), Nickel (Ni) und Platin (Pt) aufgebaut ist.
Magnetoresistive Spin-Transfer-Torque-Direktzugriffsspeicher-Einheit (STT-MRAM-Einheit), aufweisend: einen oben gepinnten Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel), der auf einer unteren Elektrode angeordnet ist, wobei der oben gepinnte MTJ-Stapel aufweist: eine freie magnetische Schicht, welche eine kubisch-raumzentrierte Struktur (BCC-Struktur) aufweist; eine Tunnelbarrierenschicht, welche eine BCC-Struktur aufweist und auf der freien magnetischen Schicht angeordnet ist; und eine gepinnte magnetische Schichtstruktur, welche auf der Tunnelbarrierenschicht angeordnet ist, wobei die gepinnte magnetische Schichtstruktur von unten nach oben eine erste gepinnte magnetische Schicht, welche eine BCC-Struktur aufweist, eine Kristallkornwachstums-Steuerschicht und eine zweite gepinnte magnetische Schicht aufweist, welche eine kubisch-flächenzentrierte Struktur (FCC-Struktur) oder eine Struktur einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (HCP-Struktur) aufweist.
STT-MRAM-Einheit nach Anspruch 9, wobei die zweite gepinnte magnetische Schicht eine untere gepinnte magnetische Zone und eine obere gepinnte magnetische Zone aufweist, wobei die untere gepinnte magnetische Zone und die obere gepinnte magnetische Zone durch eine synthetische antiferromagnetische Kupplungsschicht getrennt sind.
STT-MRAM-Einheit nach Anspruch 9, wobei die Kristallkornwachstums-Steuerschicht aus einem Metall aufgebaut ist, welches die Bildung eines magnetischen Materials erleichtert, das die FCC-Struktur oder die HCP-Struktur aufweist.
STT-MRAM-Einheit nach Anspruch 11, wobei das Metall, welches die Bildung eines magnetischen Materials erleichtert, das die FCC-Struktur oder die HCP-Struktur aufweist, Rhodium (Rh), Gadolinium (Gd), Holmium (Ho), Tantal (Ta), Hafnium (Hf) oder Wolfram (W) umfasst.
STT-MRAM-Einheit nach Anspruch 9, wobei die Kristallkornwachstums-Steuerschicht eine Dicke von 0,05 nm bis 2 nm aufweist.
STT-MRAM-Einheit nach Anspruch 9, wobei die erste gepinnte magnetische Schicht aus einer Kobalt-Eisen-Bor-Legierung (Co-Fe-B-Legierung) oder einem mehrschichtigen Co-Fe-B-Legierungsstapel aufgebaut ist, der zusätzliches Eisen enthält.
STT-MRAM-Einheit nach Anspruch 14, welcher ferner eine Metallinsertionsschicht aufweist, die in dem mehrschichtigen Co-Fe-B-Legierungsstapel vorhanden ist, wobei die Metallinsertionsschicht Wolfram (W), Tantal (Ta), Iridium (Ir) oder Terbium (Tb) aufweist.
STT-MRAM-Einheit nach Anspruch 9, wobei die zweite gepinnte magnetische Schicht aus einer Multischicht oder einem Übergitter aus Kobalt (Co) und Platin (Pt), einer Multischicht oder einem Übergitter aus Kobalt (Co) und Palladium (Pd) oder einer Multischicht oder einem Übergitter aus Kobalt (Co), Nickel (Ni) und Platin (Pt) aufgebaut ist.
Verfahren zum Bilden eines oben gepinnten Magnettunnelübergangs-Stapels (MTJ-Stapels), wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer Tunnelbarrierenschicht, welche eine kubisch-raumzentrierte Struktur (BCC-Struktur) aufweist, auf einer freien magnetischen Schicht, welche eine BCC-Struktur aufweist; Bilden einer ersten gepinnten magnetischen Schicht, welche eine BCC-Struktur aufweist, auf der Tunnelbarrierenschicht, Abscheiden einer Kristallkornwachstums-Steuerschicht auf der ersten gepinnten magnetischen Schicht, wobei die Kristallkornwachstums-Steuerschicht die Bildung eines magnetischen Materials erleichtert, welches eine kubisch-flächenzentrierte Struktur (FCC-Struktur) oder eine Struktur einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (HCP-Struktur) aufweist; und Bilden einer zweiten gepinnten magnetischen Schicht, welche die FCC-Struktur oder die HCP-Struktur aufweist, auf der Kristallkornwachstums-Steuerschicht, wobei nach dem Abscheiden der Kristallkornwachstums-Steuerschicht ein In-situ-Tempern durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das In-situ-Tempern nach dem Abscheiden der Kristallkornwachstums-Steuerschicht, aber vor dem Bilden der zweiten gepinnten magnetischen Schicht durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das In-situ-Tempern nach dem Abscheiden der Kristallkornwachstums-Steuerschicht und nach dem Bilden zumindest eines Abschnitts der zweiten gepinnten magnetischen Schicht durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Kristallkornwachstums-Steuerschicht aus Rhodium (Rh), Gadolinium (Gd), Holmium (Ho), Tantal (Ta), Hafnium (Hf) oder Wolfram (W) aufgebaut ist und eine Dicke von 0,05 nm bis 2 nm aufweist.