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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetische Elemente zur
Informationsspeicherung und/oder -erfassung und auf deren Herstellungsverfahren
und im Besonderen auf ein Verfahren zur Herstellung und somit Definition
des magnetischen Elementes eines MRAM-Elementes (MRAM = magnetischer
Schreib-/Lesespeicher).
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine ebenfalls anhängige Anmeldung,
die die Motorola-Prozesslistennummer CR97-133 und die US-Seriennummer
09/144,686 trägt,
mit dem Titel MAGNETIC RANDOM ACCESS MEMORY AND FABRICATING METHOD
THEREOF", eingereicht
am 31. August 1998, die hierin durch diese Referenz einbezogen wird,
und auf die ebenfalls anhängige
Anmeldung, die die Motorola- Prozesslistennummer
CR 97-158 und die US-Seriennummer 08/986,764 trägt, mit dem Titel "PROCESS OF PATTERNING
MAGNETIC FILMS",
eingereicht am 8. Dezember 1997, die hierin durch Referenz einbezogen
wird.
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Ein
magnetisches Speicherelement verfügt über eine Struktur, die ferromagnetische
Schichten umfasst, die durch eine nicht-magnetische Schicht getrennt
sind. Informationen werden als Ausrichtungen von Magnetisierungsvektoren
in magnetischen Schichten gespeichert. Die magnetischen Vektoren in
einer magnetischen Schicht sind zum Beispiel magnetisch fest oder
verstiftet, während
die Magnetisierungsausrichtung der anderen magnetischen Schicht zwischen
den selben und entgegengesetzten Ausrichtungen umschalten darf,
die "parallele" beziehungsweise "antiparallele" Zustände genannt
werden. In Reaktion auf parallele und antiparallele Zustände zeigt
das magnetische Speicherelement zwei verschiedene Widerstände. Der
Widerstand verfügt über minimale
und maximale Werte, wenn die Magnetisierungsvektoren der zwei magnetischen
Schichten in im Wesentlichen dieselbe beziehungsweise entgegengesetzte
Richtung zeigen. Demgemäss
gestattet es eine Erfassung von Widerstandsänderungen einer MRAM-Vorrichtung,
in dem magnetischen Speicherelement gespeicherte Informationen zur Verfügung zu
stellen.
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Eine
MRAM-Vorrichtung verknüpft
magnetische Speicherelemente mit anderen Schaltungen, zum Beispiel
einer Steuerschaltung für
magnetische Speicherelemente, Komparatoren zum Erfassen von Zuständen in
einem magnetischen Speicherelement, Eingangs-/Ausgangsschaltungen,
und so weiter. Diese Schaltungen werden in dem Prozess einer CMOS-Technologie
hergestellt (CMOS = Komplementär-Metalloxid-Halbleiter),
um den Stromverbrauch der MRAM-Vorrichtung zu senken. Der CMOS-Prozess
erfordert zum Beispiel Hochtemperaturschritte, die 300°C überschreiten,
zum Aufbringen von dielektrischen Schichten und Metallschichten
und zum Ausglühen
von Dotierungen.
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Magnetische
Schichten setzen ein ferromagnetisches Material ein, wie zum Beispiel
Legierungen von Nickel (Ni), Eisen (Fe) und/oder Kobalt (Co), das ein
Verarbeiten unter 300°C
erfordert, um ein durch hohe Temperaturen verursachtes Vermischen
von magnetischen Materialien zu verhindern. Dementsprechend müssen magnetische
Speicherelemente bei einer anderen Stufe nach einer CMOS-Verarbeitung
hergestellt werden.
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Magnetische
Speicherelemente enthalten Komponenten, die leicht oxidiert werden
und außerdem
korrosionsanfällig
sind. Um magnetische Speicherelemente vor einer zunehmenden Schädigung zu
schützen
und um die Leistung und Verlässlichkeit der
MRAM-Vorrichtung zu erhalten, wird eine Passivierungsschicht über magnetische
Speicherelemente gebildet.
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Zusätzlich umfasst
ein magnetisches Speicherelement sehr dünne Schichten, von denen einige mehrere
zehn Angström
dick sind. Die Leistung des magnetischen Speicherelementes reagiert
empfindlich auf die Beschaffenheit der Oberflächen, auf die magnetische Schichten
aufgebracht werden. Dementsprechend ist es erforderlich, eine flache
Oberfläche
herzustellen, um zu verhindern, dass sich die Merkmale einer MRAM-Vorrichtung
zunehmend verschlechtern. Das US-Patent 5,861,328 offenbart ein Verfahren
zur Herstellung von Vorrichtungen, die einen riesigen magnetischen
Widerstand zeigen. Das US-Patent 5,838,608 offenbart ein Verfahren
zur Herstellung von magnetischen Mehrschichtvorrichtungen.
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Metallleitungen
werden eingesetzt, um magnetische Felder zum Schreiben von Zuständen in
ein magnetisches Speicherelement und/oder Lesen von Zuständen in
einem magnetischen Speicherelement zu erzeugen. Eine geringere Menge
an Strom ist erforderlich, um einen Stromverbrauch zu minimieren.
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Während einer
typischen MRAM-Element-Herstellung umfasst die Kopfelektrode eine Schicht
aus ferromagnetischem Material, wie zum Beispiel Legierungen von
Ni, Fe und/oder Co. Obwohl diese Schicht relativ dünn ist,
ist sie schwierig zu ätzen.
Typischerweise wird die Kopfelektrode unter Verwendung von Standard-Ionenfräs- oder
-Trockenätztechniken,
wie zum Beispiel reaktive Ionenätztechniken
(RIE = reaktives Ionenätzen)
definiert, die dadurch, dass es keinen richtigen Ätzstopp gibt,
zu Überätz- und
Unterätzproblemen
führen. Nassätzen ätzt isotropisch
und ätzt
somit die Elektrode seitlich. Zusätzlich gibt es ein Problem
mit einer ungesteuerten Seitenoxidation der Schichten aufgrund der
Freilegung der Seiten und des Oberteils der Elektrode nach einem Ätzen. Diese
natürliche Oxidation,
oder thermische Schädigung,
der Seiten der Elektroden hängt,
wenn sie der Luft ausgesetzt sind, davon, wie lange der Wafer der
Luft ausgesetzt bleibt, und von der Feuchtigkeit und Temperatur
der Luft ab. Diese Überätz- und
Unterätzprobleme,
sowie die ungesteuerte Oxidation der Schichten, führt zu einer
Verkürzung
innerhalb der Vorrichtung, zu Variationen in dem Schaltfeld und
zu einer Verschlechterung der Speicherzellenleistung.
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Dementsprechend
besteht ein Zweck der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte MRAM-Vorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, die ein magnetisches Speicherelement wäh rend der
Herstellung der Vorrichtung vor einer thermischen Schädigung und
vor Ätzproblemen
bewahrt.
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Ein
anderer Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte
MRAM-Vorrichtung zur Verfügung
zu stellen, die definierte magnetische Speicherelemente umfasst.
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Noch
ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren zum Bilden von MRAM-Vorrichtungs-Kopfelektroden durch
ein Definieren von Isolierbereichen und nicht magnetischen Bereichen
um die gewünschten
aktiven Bereiche herum zur Verfügung
zu stellen, wodurch individuelle MRAM-Vorrichtungselemente ohne
eine Vorrichtungsschädigung
gebildet werden.
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Noch
ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren zum Bilden eines MRAM-Elementes zur Verfügung zu
stellen, das einer Herstellung mit hoher Durchsatzleistung zugänglich ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer magnetischen
Vorrichtung gemäß Anspruch
1 offenbart.
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Den
Anforderungen des vorherigen Abschnittes und anderen wird im Wesentlichen
durch eine Bereitstellung eines Magnetwiderstands-Schreib-/Lesespeichers
(MRAM) genüge
getan, der magnetische Speicherelemente auf einem Schaltkreis zum
Steuern des Betriebes von magnetischen Speicherelementen umfasst.
Zuerst wird der Schaltkreis auf einem Substrat unter dem CMOS-Prozess
gebildet, der eine Wärmebehandlung
von 300°C
oder mehr erfordert. Während
der Schaltkreis her gestellt wird, werden außerdem leitfähige Leitungen
gebildet, die verwendet werden, um magnetische Felder zum Schreiben
von Zuständen in
das magnetische Speicherelement und/oder Lesen von Zuständen in
dem magnetischen Speicherelement zu erzeugen. Die Metallleitungen
werden durch ein Material von hoher Permeabilität umhüllt, wie zum Beispiel eine
Permalloy-Schicht, die es magnetischen Feldern ermöglicht,
sich auf das magnetische Speicherelement zu konzentrieren. Nach
einer Fertigstellung des Schaltkreises wird eine Oberfläche der
Schicht, die den Schaltkreis umfasst, durch den CMP-Prozess (CMP
= chemisches/mechanisches Polieren) poliert, der eine glatte Oberfläche auf
der Schicht erzeugt, die den Schaltkreis umfasst, dann wird eine
dielektrische Schicht mit gefüllten
Bohrungsöffnungen,
damit der magnetische Speicher einen Kontakt mit dem CMOS-Schaltkreis aufnehmen kann,
auf die Oberfläche
aufgebracht.
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Als
nächstes
wird eine untere Kontaktmetallschicht aufgebracht und geätzt, gefolgt
von einem magnetischen Speicher und einem Aufbringen einer oberen
leitfähigen
Metallschicht. Alternativ wird eine Deckschicht, die ein unteres
leitfähiges
Metall, einen magnetischen Speicher und ein oberes leitfähiges Metall
bildet, über
die dielektrische Schicht aufgebracht. Als nächstes wird, unter Verwendung
von Trockenätztechniken,
wie zum Beispiel RIE und/oder Ionenfräsen, die gesamte Deckschicht
in die Form des unteren Kontaktmetalls geätzt, die gleich der, oder größer als
die Form des oberen Kontaktmetalls ist. Die elektrisch leitfähige Schicht,
die die Kontaktmetallbeläge
definieren, wird unter Verwendung von Standard-RIE-Techniken geätzt, und
dient dadurch als eine Maske zum Umwandeln, typischerweise durch
eine Oxidation oder Nitridierung, von Teilen der Kopfelektrode oder
der obersten Deckschicht in ein Isoliermaterial. Diese Oxidation
oder Nitridierung der obersten Deckschicht bewirkt, dass ein maskierter Bereich
metallisch und magnetisch und somit aktiv bleibt, und bewirkt, dass
der Teil, der Gegenstand der Oxidation und Nitridierung ist, inaktiv
wird, als ein Isolator dient und somit ein magnetisches Speicherelement
definiert und eine oberste glatte Oberfläche umfasst. In einer alternativen
Ausführungsform
wird eine Oxidation und Nitridierung des freigelegten Teils durchgeführt, um
so die ausgewählten
Bereiche der Deckschicht, die alle Schichten umfassen, die die Deckschicht
ausmachen, in ein Isoliermaterial umzuwandeln. Nach einem Bilden
des magnetischen Speicherelementes wird auf der glatten Oberfläche eine
elektrisch leitfähige
Leitung gebildet, die durch die Metallkontaktbeläge an das magnetische Speicherelement
gekoppelt wird. Eine Herstellung des magnetischen Speicherelementes,
oxidierte/nitridierte Teile, die die individuellen Speicherelemente
definieren, umfassend, verbessert die Schaltfeldleistung aufgrund
einer besseren Größensteuerung,
und die Verlässlichkeit
der individuellen magnetischen Speicherelemente, aufgrund der Tatsache,
dass der resultierende Isolator die Kanten der Speicherelemente schützt, und
vermeidet Verkürzungsprobleme über die
Tunnelgrenze in dem magnetischen Speicherelement und eine thermische
Schädigung
der magnetischen Speicherelemente während des Herstellungsprozesses.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1–13 zeigen
Querschnittsansichten sequenzieller Schritte in der Bildung einer MRAM-Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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1–13 stellen
Querschnittsansichten sequenzieller Schritte zur Herstellung einer MRAM-Vorrichtung
dar, die Transistoren zum Schalten von magnetischen Speicherelementen
in einen Lesebetrieb umfasst.
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Es
wird im Besonderen auf 1 Bezug genommen, darin wird
eine Querschnittsansicht einer teilweise hergestellten magnetischen
Vorrichtung 10, im Besonderen einer MRAM-Vorrichtung (MRAM
= Magnetwiderstands-Schreib-/Lesespeicher) dargestellt, wobei die
Vorrichtung 10 ein p-leitendes Siliziumsubstrat 11 umfasst.
Die Vorrichtung 10 verfügt über Schaltkreise,
zum Beispiel die NMOS-Schalttransistoren 12a und 12b,
die durch den gut bekannten CMOS-Prozess hergestellt werden. Andere Schaltelemente,
zum Beispiel eine Eingangs-/Ausgangsschaltung, Daten/Adressen-Decodierer
und Komparatoren können
in der MRAM-Vorrichtung enthalten sein, sie sind jedoch der Einfachheit
halber in den Zeichnungen weggelassen.
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Als
Erstes wird das Substrat 11 zur Verfügung gestellt, um Fenster für die N+
Bereiche 13a, 13b und 13c zu bemustern
und die Source/Drain-Bereiche 13a, 13b und 13c zu
dotieren. Dann werden die Isolationsbereiche 14a und 14b für eine Trennung gebildet.
Als nächstes
werden die Poly-Si-Schichten 15a und 15b zur
Bildung von Gate-Bereichen auf das Substrat 11 aufgebracht.
Die Metallschichten 16a und 16b werden für Source-Elektroden
auf die N+ Bereiche 13a und 13b aufgebracht, während die
Metallschicht 16c für
eine Drain-Elektrode auf den N+ Bereich 13c aufgebracht
wird. weiterhin werden die Metallschichten 17a und 17b für Gate-Elektroden auf die
Poly-Si-Schichten 15a, beziehungsweise 15b, aufgebracht.
Auf der Metallschicht 16c wird eine Leiterbahn 18 gebildet,
die den magnetischen Speicherelementen durch die Transistoren 12a und 12b einen Prüfstrom zuführt. Ein
magnetisches Speicherelement wird nachstehend erklärt. Die
Steckerleiter 19a und 19b, die dafür arbeiten,
einen Prüfstrom
zu den magnetischen Speicherelementen zu leiten, werden auf den
Metallschichten 16a beziehungsweise 16b gebildet
und mit diesen jeweils verbunden. Alle Schaltungselemente auf einer
MRAM-Vorrichtung, außer
magnetische Speicherelemente, Ziffernleitungen und Wortleitungen,
werden auf dem Substrat 11 integriert, bevor das dielektrische
Material 20 eingefüllt
wird. Dann wird die Oberfläche
der Vorrichtung 10 unter Verwendung von CMP-Techniken (Chemisches/Mechanisches
Polieren) glatt poliert.
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Nachdem
die teilweise hergestellte MRAM-Vorrichtung 10 fertig gestellt
worden ist, werden magnetische Speicherelemente zusammen mit Ziffernleitungen
und Wortleitungen auf der Vorrichtung 10 gebildet. Wie
in 2 gezeigt, wird eine Ätzstoppschicht 21,
die Materialien, wie zum Beispiel AlN, AlO und SiN, einsetzt, auf
die Oberfläche
der Vorrichtung 10 aufgebracht. Anstatt der Ätzstoppschicht 21 können andere
Techniken, wie zum Beispiel Endpunktkanten, verwendet werden. Eine
Siliziumdioxidschicht 22 wird mit einer Dicke von 4000
bis 6000 Å auf
jede Ätzstoppschicht 21 aufgebracht.
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In
dem nächsten
Schritt wird eine Maskierschicht auf die Siliziumdioxidschicht 22 aufgebracht und
unter Verwendung einer Standard-Lithographietechnik bemustert und
als eine Ätzmaske
definiert. Wie in 2 gezeigt, wird das Siliziumdioxid 20 bis zu
der Ätzstoppschicht 21 weggeätzt, wodurch
die Rinnen 23a–23d in
der Siliziumdioxidschicht 22 gebildet werden, und dann
wird die freigelegte Ätzstoppschicht
von den Rinnen 23a–23d entfernt.
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Es
wird auf 3 Bezug genommen, darin wird
eine dünne
Feldfokussierschicht 24, die über eine hohe Permeabilität verfügt, wie
zum Beispiel Nickel-Eisen, aufgetragen, die über den Rinnen 23a–23d und
einer dielektrischen Siliziumdioxidschicht 25 liegt. Die
hochpermeable Schicht 24 ist 5–500 Å dick. Um die Adhäsion der
Feldfokussierschicht 24 zu verbessern und eine Grenze für eine Ni-
oder Fe-Diffusion
in die dielektrische Schicht zur Verfügung zu stellen, kann eine
Schicht aus Ta, oder TaN, oder anderen solchen Materialien, zwischen
der Feldfokussierschicht 24 und der dielektrischen Schicht 25 eingefügt werden.
Dann wird eine Leitermetallschicht 26 auf die Feldfokussierschicht 24 aufgetragen.
Als ein Leitermetall werden Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer
und Kupferlegierungen eingesetzt. Um die Adhäsion der Feldfokussierschicht 24 zu
verbessern und eine Grenze für
eine Ni- oder Fe-Diffusion in den Leiter und/oder das Dielektrikum
zur Verfügung
zu stellen, kann eine Schicht aus Ta, oder TaN, oder solchen Materialien,
zwischen der Feldfokussierschicht 24 und der Leiterschicht 26 hinzugefügt werden.
Nach einem Aufbringen der Metallschicht 26, wird das Metall,
das sich aus den Rinnen 23a–23d und der hochpermeablen
Schicht 24 auf der Siliziumdioxidschicht 25 vorwölbt, durch
den CMP-Prozess von einer Deckoberfläche entfernt, sodass, wie in 4 gezeigt,
eine teilweise hergestellte MRAM-Vorrichtung 27 erzeugt
wird, die über
eine glatte Deckoberfläche 28 verfügt.
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Die
teilweise hergestellte MRAM-Vorrichtung 27 umfasst die
Dreh- oder Ziffernleitungen 29 und 30, auf denen
magnetische Speicherelemente gebildet werden. Die Ziffernleitungen 29 und 30 tragen
einen Strom, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das bewirkt, dass magnetische
Speicherelemente Zustände
speichern. Die Ziffernleitungen 29 und 30 werden
durch die hochpermeablen Schichten 31 und 32 umhüllt, wobei
ein Teil auf der Deckoberfläche 28 ausgenommen
ist. Die Schicht 31 schirmt zum Beispiel das Magnetfeld,
das durch einen Strom erzeugt wird, der in der Ziffernleitung 29 fließt, gegen
eine Magnetflussableitung ab und ermöglicht dem Magnetfeld, auf
ein magnetisches Speicherelement zu fokussieren, das auf der Ziffernleitung 29 durch
die Deckoberfläche 28,
die nicht durch die Schicht 31 bedeckt ist, angeordnet
ist. Zusätzlich
schirmt die Schicht 31 magnetische Streufelder ab, die
auf benachbarte magnetische Elemente oder externe Quellen, entfernt
von dem magnetischen Element, das auf der Ziffernleitung 29 angeordnet
ist, zurückzuführen sind,
was es somit ermöglicht,
einen dicht gepackten Speicher zu bauen, der bis zu einem gewissen
Maße gegen
externe Magnetfelder immun ist.
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Es
wird auf 5 Bezug genommen, darin wird
eine dielektrische Schicht 33 über die Ziffernleitungen 29 und 30 und
die dielektrische Schicht 25 aufgebracht und eine Leiterschicht 34 über die
dielektrische Schicht 33 aufgebracht. Die dielektrische Schicht 33 wird
zwischen den Ziffernleitungen 29 und 30 und der
Leiterschicht 34 angeord net, um dazwischen eine elektrische
Isolierung zur Verfügung
zu stellen. Die dielektrische Schicht 33 wird teilweise
geätzt,
um die Fenster 35 und 36 auf den Metallleitern 37 und 38 zu
bilden, die eingesetzt werden, um die Steckerleiter 19a und 19b an
die Leiterschicht 34 elektrisch anzuschließen. Nachdem
die Fenster 35 und 36 gebildet worden sind, wird
die Leiterschicht 34 mit einer Dicke von ungefähr 500 Å über die
dielektrische Schicht 33 und die Metallleiter 37 und 38 aufgebracht.
Um magnetische Speicherelemente auf der Leiterschicht 34 zu
bilden, muss eine Deckoberfläche
der Leiterschicht 34 eben und glatt sein, weil magnetische
Speicherelemente über
sehr dünne
Filme verfügen,
wodurch eine gute Bedingung für
ein magnetisches Speicherelement erhalten wird. Die Oberfläche 39 wird
durch einen Planarisierungsprozess, wie zum Beispiel CMP, poliert
und gebildet.
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Als
nächstes
wird, wie in 6 gezeigt, eine Mehrzahl von
Magnetelementdeckschichten, oder Magnetspeicherdeckschichten, 40–42 für magnetische
Speicherelemente entweder durch physikalische Aufdampf (PVD)- oder
Ionenstrahlaufbring (IBS)-Techniken auf die Oberfläche 39 der
Leiterschicht 34 aufgebracht. Die untere und die obere
magnetische Schicht 40 beziehungsweise 42 verwenden
ein magnetisches Material, wie zum Beispiel Legierungen von Ni,
Fe und/oder Co, während
die Schicht 41 ein nicht-magnetisches Material, wie zum Beispiel
Al2O3, oder Cu,
einsetzt. Die untere Schicht 40 dient zum Beispiel als
eine harte magnetische Schicht, in der eine Magnetisierung gestiftet
oder fest ist, während
die Magnetisierungsausrichtungen in der oberen magnetischen Schicht 42 frei
sind. Die nichtmagnetische Schicht 41 wird durch die folgenden
Verfahren gebildet. Ein Aluminiumfilm wird über die untere magnetische
Schicht 40 aufgebracht, dann wird der Aluminiumfilm durch
eine Oxidationsquelle, wie zum Beispiel ein RF-erzeugtes Sauerstoffplasma, oxidiert.
In einem alternativen Verfahren wird Aluminium zusammen mit einem
Oxid auf die Schicht 40 aufgebracht und dann wird eine
Oxidation in einer entweder beheizten oder unbeheizten Sauerstoffumgebung
ausgeführt.
Die Schichten in dem magnetischen Speicherelement sind sehr dünn, wobei magnetische
Schichten von 3 bis 200 Å und
die nicht-magnetische Schicht 41 von 3 bis 100 Å variieren.
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Als
nächstes,
wie in 6 dargestellt, wird eine Maskierschicht 51,
im Besonderen eine Schicht eines leitfähigen Materials, über die
Schicht 42 aufgebracht. Auf der leitfähigen Schicht 51 wird
ein Maskenmuster gebildet und bis zu der dielektrischen Schicht 33 herunter
geätzt,
um die Leiterbahnen 45 und 46 auf der dielektrischen
Schicht 33 zu definieren. Die Leiterbahnen 45 und 46 koppeln
das magnetische Speicherelement 43 durch den Steckerleiter 19a elektrisch
an den Transistor 12a, beziehungsweise das magnetische
Speicherelement 44 durch den Steckerleiter 19b elektrisch
an die Transistoren 12b. Die Leiterbahnen 45 und 46 werden
gegenüber
den Ziffernleitungen 29 beziehungsweise 30 durch
die dielektrische Schicht 33 isoliert.
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Als
nächstes
wird auf der Schicht 51 ein neues Maskenmuster gebildet.
Die Maskierschicht, oder Schicht aus leitfähigem Material, 51 und
die Deckschichten 40–42 werden
unter Verwendung von RIE-Techniken (RIE = reaktives Ionenätzen) geätzt, um
die Mehrzahl von magnetischen Elementen elektrisch zu definieren
und eine Mehrzahl von Kontaktmetallbelägen, oder leitfähigen Leitungen, 52 zu
bilden, wie in 7 dargestellt. Nach der Bildung
der Mehrzahl von Kontaktmetallbelägen 52 werden Teile der
Schicht 42 unter Verwendung von entweder Oxidations- oder
Nitridierungstechniken in ein Material geändert, das über dielektrische Eigenschaften
verfügt.
Im Besonderen werden ausgewählte
Bereiche der obersten Schicht 42 aus magnetischem Material in
ein Isoliermaterial umgewandelt und bilden dielektrische Isolatoren.
Während
des Ablaufes einer Umwandlung der Schicht 42 in ein Isoliermaterial
agieren die Kontaktmetallbeläge 52 als
eine Maske, sodass, nachdem die Oxidation, oder Nitridierung, stattgefunden
hat, eine Mehrzahl von aktiven Bereichen 42a definiert
worden sind, die metallisch bleiben, und eine Mehrzahl von inaktiven
Bereichen, oder dielektrischen Isolatoren, 42b definiert
worden sind, wo die nun isolierenden Teile lokalisiert sind. Oxidationstechniken,
die verwendet werden können,
umfassen Plasma-Oxidation,
Ausglühen
in einer Atmosphäre,
die Sauerstoff enthält,
und Thermo-Oxidation bei Raumtemperaturen, wie zum Beispiel eine
Temperatur innerhalb eines Bereiches von 0–50°C, oder bei einer höheren Temperatur,
wie zum Beispiel einer Temperatur von mehr als 50°C. Nitridierungstechniken,
die verwendet werden können,
umfassen Plasma-Nitridierung und Thermo-Nitridierung bei Raumtemperaturen,
wie zum Beispiel einer Temperatur innerhalb eines Bereiches von
0–50°C, oder bei
einer höheren
Temperatur, wie zum Beispiel einer Temperatur von mehr als 50°C, im Besonderen
bei einer Temperatur von mehr als 100°C.
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In
einer alternativen Ausführungsform
werden Oxidations- oder Nitridierungstechniken verwendet, um freigelegte
Teile der Deckschichten 40, 41 und 42 umzuwandeln,
um diese Teile somit in ein Isoliermaterial umzuwandeln und sie
somit inaktiv zu machen.
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Es
wird auf 8 und 9 Bezug
genommen, darin werden eine vergrößerte Querschnittsansicht einer
MRAM-Vorrichtung 47 und eine Teilquerschnittsansicht durch
die Ziffernleitung 29, das magnetische Speicherelement 43 und
eine Bitleitung 48, durch die Pfeile 9-9 in 8 angezeigt,
dargestellt. Es ist zu beachten, dass, obwohl der Einfachheit drei Bitleitungen 48 und 49 und
drei magnetische Speicherelemente 43 und 50 in 9 gezeigt
werden, mehr Bitleitungen und magnetische Speicherelemente für die MRAM-Vorrichtung 47 gebildet
werden.
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Es
wird auf 8 Bezug genommen, darin wird,
nachdem das Oxidieren oder Nitridieren der Schicht 42 abgeschlossen
worden ist, um die magnetischen Speicherelemente, oder Zellen, 43 und 44 zu bilden,
wie in 7 gezeigt, die dielektrische Schicht 53 über die
magnetischen Speicherelemente 43 und 44 und die
inaktiven Teile 42b der Deckschicht 42 aufgebracht.
Als nächstes
wird eine Ätzstoppschicht 54 auf
die dielektrische Schicht 53 aufgebracht und weiterhin
wird eine dielektrische Schicht 55 in 9 auf
jede obere Schicht 54 aufgebracht. Als nächstes wird
eine Maske auf der dielektrischen Schicht 55 bemustert,
um Rinnen für
die Bitleitungen 48 und 49 zu bilden.
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Entsprechend
der Maske, wie in 9 gezeigt, wird die dielektrische
Schicht 55 bis herunter zu der Ätzstoppschicht 54 geätzt, um
die Rinnen für
die Bitleitungen 48 und 49 zu bilden. Als nächstes wird eine
Permalloy-Schicht 56 über
die dielektrische Schicht 55 und in die Rinnen aufgebracht.
Die Permalloy-Schicht wird durch ein anisotropes Ätzen geätzt, was
nur eine Permalloy-Schicht 56 auf den Seitenwänden der
Rinnen übrig
lässt und
die Permalloy-Schicht
auf der dielektrischen Schicht 55 und dem Boden der Rinnen
entfernt. Nach einem Bilden der Permalloy-Schicht 56 wird
eine Schicht 57, die elektrisch leitfähig ist, auf die Oberfläche der
leitfähigen
Leitungen 52 und 69 aufgebracht und ein Metall, wie
zum Beispiel Al, W und Cu, wird in die Rinne gefüllt, um die Bitleitungen 48 und 49 zu
bilden. Als nächstes
wird unnötiges
Material auf der dielektrischen Schicht 55 entfernt und
die Oberfläche
der dielektrischen Schicht 55 und der Bitleitungen 48 und 49 wird
zu einer glatten Oberfläche
poliert. Schließlich
wird eine Permalloy-Schicht 58 auf die dielektrische Schicht 55 und
die Bitleitungen 48 und 49 aufgebracht und bemustert.
Die Permalloy-Schichten 56 und 58 umfassen die
Bitleitung 48, wodurch ein magnetisches Feld, das durch
einen Bitstrom in der Bitleitung 48 erzeugt wird, in Richtung
auf das magnetische Speicherelement 43 konzentriert und
abgeschirmt wird, um Informationen in anderen magnetischen Speicherelementen
zu schützen.
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Es
wird erneut auf 8 Bezug genommen, darin werden
nachstehend Lese- und Schreiboperationen der MRAM-Vorrichtung kurz
diskutiert. Es wird zum Beispiel angenommen, dass das magnetische Speicherelement 43 ausgewählt wird.
In einem Lesebetrieb wird der Gate-Elektrode 17a ein Einschaltsignal
zugeführt,
um den Transistor 12a einzuschalten, was gestattet, dass
ein Prüfstrom
von der Drain-Elektrode 18 durch
die Metallschicht 16a, den Steckerleiter 19a,
die Leiterbahn 45 und das magnetische Speicherelement 43 zu
der Bitleitung 48 fließt.
Dieser Prüfstrom
erzeugt einen Spannungsabfall über
dem magnetischen Speicherelement 43, was Zustände bestimmt,
die in dem magnetischen Spei cherelement 43 gespeichert
sind. Das heißt,
der Spannungsabfall wird Spannungskomparatoren (nicht gezeigt) zur Verfügung gestellt,
die mit Referenzspannungen vergleichen, um die in dem magnetischen
Speicherelement 43 gespeicherten Zustände zu geben.
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Um
zum Beispiel Zustände
in das magnetische Speicherelement 43 zu schreiben, erzeugen Bit-
und Ziffernströme,
die der Bitleitung 48, beziehungsweise der Ziffernleitung 29,
zugeführt
werden, magnetische Felder. Das durch den Ziffernstrom erzeugte
magnetische Feld wird dem durch den Bitstrom erzeugten magnetischen
Feld überlagert,
so dass das gesamte magnetische Feld Schreibzuständen in dem magnetischen Speicherelement 43 zugeführt wird.
Die Ausrichtungen von kombinierten magnetischen Feldern bestimmen
die Magnetisierungsrichtungen in der freien magnetischen Schicht 42,
dadurch speichert das magnetische Speicherelement 43 Zustände oder
Informationen ab. Die Ziffernleitung 29 wird durch die
Permalloy-Schicht 31 umhüllt, während die Bitleitung 48 durch
die Permalloy-Schichten 56 und 58 umhüllt wird.
Die Permalloy-Schichten 31, 56 und 58 ermöglichen
es den durch die Ziffern- und Bitströme erzeugten magnetischen Feldern,
auf das magnetische Speicherelement 43 zu fokussieren.
Dementsprechend wird weniger Strom benötigt, um Zustände in die
magnetischen Speicherelemente zu schreiben und in ihnen zu erfassen.
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Eine
andere Ausführungsform
zum Bilden einer Bitleitung wird in 10 und 11 dargestellt. 11 ist
eine Teilquerschnittsansicht durch die Ziffernleitung 29,
das magnetische Speicherelement 43 und eine Bitleitung 59,
angezeigt durch die Pfeile 11-11 in 10. Nachdem
die in 7 gezeigte Bildung abgeschlossen ist, wie in 10 gezeigt,
wird eine dielektrische Schicht 53 über die magnetischen Speicherelemente 43 und 44 aufgebracht
und die Deckoberfläche
der dielektrischen Schicht 53 wird poliert. Dann werden
eine Ätzstoppschicht 60 und eine
dielektrische Schicht 61 sequentiell auf die Oberfläche der Ätzstoppschicht 60 aufgetragen.
Eine Maske wird auf die dielektrische Schicht 61 aufgetragen
und bemustert, um Rinnen für
die Bitleitungen 59 und 62 in 11 zu
bilden.
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Als
nächstes
wird, unter Bezug auf 11, die dielektrische Schicht 61 bis
zu der Ätzstoppschicht 60 entsprechend
der Maske geätzt,
sodass Rinnen für
die Bitleitungen 59 und 62 gebildet werden. Dann
wird eine Permalloy-Schicht
auf die dielektrische Schicht 61 und in die Rinnen aufgebracht.
Die Permalloy-Schicht wird bemustert und durch ein anisotropes Ätzen geätzt, was
nur eine Permalloy-Schicht 63 an
den Seitenwänden
der Rinnen übrig
lässt.
Weiterhin wird der Boden der Rinne herunter bis zu der Deckoberfläche der
magnetischen Speicherelemente 43 und 66 geätzt, um
die konkaven Teile 64 und 65 zu bilden, die das
magnetische Speicherelement 43 an die Bitleitung 60,
beziehungsweise die magnetischen Speicherelemente 66 an
die Bitleitung 62 anschließen. Auf die Bodenoberfläche der
Rinne wird eine Schicht 67, wie zum Beispiel Ta, TaN oder
TiN, und so weiter, aufgetragen, die die magnetischen Speicherelemente 43 beziehungsweise 66 an
die Bitleitungen 59 beziehungsweise 62 anschließt. Ein
leitendes Material, wie zum Beispiel Cu, wird in die konkaven Teile 63 und 64 und die
Rinnen aufgebracht beziehungsweise gefüllt, was die Bitleitungen 59 und 62 bildet.
Die Deckoberfläche der
Bitleitungen 59 und 62 und der dielektrischen Schicht 59 werden
dann poliert und eine Permalloy-Schicht 68 wird darauf aufgebracht
und bemustert. Die Bitleitung 59 wird zum Beispiel durch
die Permalloy-Schichten 63 und 68 umhüllt, was
es einem durch einen Bitstrom in der Bitleitung 59 erzeugten
magnetischen Feld ermöglicht,
auf die magnetischen Speicherelemente 43 zu fokussieren.
Die Lese- und Schreiboperationen werden durch die selben Schritte
ausgeführt,
wie zuvor erwähnt.
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12 und 13 stellen
weiterhin eine andere Ausführungsform
zum Bilden der Bitleitungen 70 und 71 dar. 13 ist
eine Teilquerschnittsansicht durch die Ziffernleitung 29,
das magnetische Speicherelement 43 und eine Bitleitung 70,
angezeigt durch die Pfeile 13-13 in 12. Nachdem
die magnetischen Speicherelemente 43 und 44 gebildet
worden sind, wie in 7 gezeigt, wird eine dielektrische Schicht 72 über die
Elemente 43 und 44 aufgebracht und bemustert und
bis zu einer Deckoberfläche
der Elemente 43 und 44 geätzt, um die Rinnen 73 und 74 zu
bilden. Als nächstes
wird ein Metallmaterial, wie zum Beispiel Al und Cu, in die Rinnen 73 und 74 gefüllt, um
die Bitleitungen 70 und 71 zu bilden. Die über den
Bitleitungen 73 und 74 liegende dielektrische
Schicht wird entfernt und eine Feldfokussierschicht 75,
wie zum Beispiel NiFe, wird auf die Bitleitungen 73 und 74 und
die dielektrische Schicht 72 aufgebracht. Dann wird eine
dielektrische Schicht 76 auf die Feldfokussierschicht 75 aufgebracht.
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Somit
werden eine MRAM-Vorrichtung mit einer verbesserten und neuen Konfiguration
und ihr Herstellungsverfahren offenbart, in dem ein Schaltkreis
zur Steuerung eines magnetischen Speicherelementes zuerst unter
dem CMOS-Prozess
hergestellt wird und dann die magnetischen Speicherelemente durch
Bilden von inaktiven und aktiven Teilen hergestellt und definiert
werden. Dementsprechend werden magnetische Speicherelemente unter
Verwendung von Oxidation und/oder Nitridierung von Teilen der magnetischen
Deckschichten hergestellt und somit vor einer durch hohe Temperaturen
verursachten Schädigung
einer Metallzusammensetzung bewahrt. Weiterhin werden, weil Ziffern-
und Bitleitungen durch eine Permalloy-Schicht umhüllt werden,
durch Ziffern- und
Bitströme
erzeugte magnetische Felder abgeschirmt und auf magnetische Speicherelemente
fokussiert und es ist weniger Strom erforderlich. Wie offenbart,
kann diese Technik auf andere Vorrichtungen angewendet werden, die
bemusterte magnetische Elemente verwenden, wie zum Beispiel magnetische
Sensoren, magnetische Aufnahmeköpfe,
magnetische Aufnahmemittel, oder dergleichen. Dementsprechend sollen
solche Beispiele durch die vorliegende Offenbarung umfasst werden.