DE60108543T2 - Verbesserte Referenzschichtstruktur in einer magnetischen Speicherzelle - Google Patents
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Description
- Hintergrund der Erfindung
- 1. Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Magnetspeichern. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine verbesserte Referenzschichtstruktur bei einer Magnetspeicherzelle.
- Hintergrund der Technik
- Ein Magnetspeicher, wie beispielsweise ein Magnetdirektzugriffsspeicher (MRAM = magnetic random access memory) umfasst typischerweise eine oder mehrere Magnetspeicherzellen. Jede Magnetspeicherzelle umfasst gewöhnlich eine aktive Schicht und eine Referenzschicht. Die aktive Schicht ist gewöhnlich eine Schicht aus einem magnetischen Material, das Magnetisierungsstrukturen in Ausrichtungen speichert, die durch die Anlegung von Magnetschaltfeldern geändert werden können. Die Referenzschicht ist gewöhnlich eine Schicht aus einem magnetischen Material, bei der eine Magnetisierung in eine spezielle Richtung fest oder „festgelegt" (pinned) ist.
- Der Logikzustand einer derartigen Magnetspeicherzelle hängt typischerweise von dem Widerstandswert derselben für einen elektrischen Stromfluss ab. Der Widerstandswert derselben hängt gewöhnlich von den relativen Magnetisierungsausrichtungen in der aktiven und der Referenzschicht derselben ab. Eine Magnetspeicherzelle ist typischerweise in einem Niedrigwiderstandszustand, falls die Gesamtmagnetisierungsausrichtung in der aktiven Schicht derselben parallel zu der Magnetisierungsausrichtung in der Referenzschicht derselben ist. Eine Magnetspeicherzelle befindet sich jedoch typischerweise in einem Hochwiderstandszustand, falls die Gesamtmagnetisierungsausrichtung in der aktiven Schicht derselben antiparallel zu der Magnetisierungsausrichtung in der Referenzschicht derselben ist.
- Eine derartige Magnetspeicherzelle wird gewöhnlich zu einem erwünschten Logikzustand durch ein Anlegen von Magnetschaltfeldern geschrieben, die die Magnetisierungsausrichtung in der aktiven Schicht derselben drehen. Es ist gewöhnlich erwünscht, dass ein Magnetschaltfeld eines vorhersagbaren Betrags in eine Richtung eine Magnetspeicherzelle zu dem Niedrigwiderstandszustand derselben umschaltet und ein Magnetschaltfeld des gleichen vorhersagbaren Betrags in die entgegengesetzte Richtung die Magnetspeicherzelle zu dem Hochwiderstandszustand derselben umschaltet. Ein derartiges Schaltverhalten kann als symmetrische Schaltcharakteristika bezeichnet werden. Leider kann eine Vielfalt von Wirkungen, die häufig bei bekannten Magnetspeicherzellen gefunden werden, eine Magnetisierung in einer aktiven Schicht unterbrechen und asymmetrische Schaltcharakteristika erzeugen.
- Zum Beispiel erzeugt die Referenzschicht bei einer typischen bekannten Magnetspeicherzelle die Magnetisierungsfelder, die die Magnetisierung in der aktiven Schicht zu der antiparallelen Ausrichtung hin drücken. Diese Demagnetisierungsfelder erhöhen gewöhnlich den Schwellenbetrag des Magnetschaltfelds, der benötigt wird, um die aktive Schicht zu dem Niedrigwiderstandszustand zu drehen, und verringern den Schwellenbetrag des Magnetschaltfelds, der benötigt wird, um die aktive Schicht zu dem Hochwiderstandszustand zu drehen. Dies erhöht typischerweise die Leistung, die benötigt wird, um die Magnetspeicherzelle zu dem Niedrigwiderstandszustand zu schreiben, und kann ein versehentliches Schreiben zu dem Hochwiderstandszustand bewirken. In extremen Fällen können diese Demagnetisierungsfelder bewirken, dass eine Magnetspeicherzelle in dem Hochwiderstandszustand bleibt, ungeachtet der Historie der angelegten Magnetschaltfelder.
- Zusätzlich drücken Kopplungsfelder zwischen der Referenzschicht und der aktiven Schicht bei einer bekannten Magnetspeicherzelle gewöhnlich die Magnetisierung in der aktiven Schicht derselben zu der parallelen Ausrichtung hin. Diese Kopplungsfelder erhöhen gewöhnlich die Leistung, die benötigt wird, um eine Magnetspeicherzelle zu dem Hochwiderstandszustand zu schreiben, und können ein versehentliches Schreiben zu dem Niedrigwiderstandszustand bewirken. In extremen Fällen können diese Kopplungsfelder bewirken, dass eine Magnetspeicherzelle in dem Niedrigwiderstandszustand bleibt, ungeachtet der Historie der angelegten Magnetschaltfelder.
- Der Grad an Unterbrechung bei der Magnetisierung in einer aktiven Schicht, der durch Demagnetisierungs- und Kopplungsfelder bewirkt wird, kann außerdem unter den Magnetspeicherzellen in einem MRAM-Array variieren. Zusätzlich können derartige Unterbrechungen zwischen unterschiedlichen MRAM-Arrays aufgrund einer Variation bei den Strukturierungsschritten und/oder Aufbringungsschritten einer Vorrichtungsherstellung variieren. Derartige Variationen erzeugen typischerweise eine Unsicherheit hinsichtlich des Verhaltens von einzelnen Magnetspeicherzellen während Schreiboperationen.
- Die EP-A-0 875 901 beschreibt ein Magnetspeicherelement, das eine Sandwich-Struktur von zwei äußeren ferromagnetischen Schichten aufweist, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht getrennt sind, wobei die äußeren Schichten gekoppelt sind, um eine Magnetschaltung zu bilden, die ein Demagnetisierungsfeld eliminieren soll.
- Die WO-A-0010178 beschreibt ein Magnetowiderstandselement, das eine erste und eine zweite ferromagnetische Schicht aufweist, die durch eine dritte nichtmagnetische Schicht getrennt sind. Die Länge der ersten Schicht ist größer als dieselbe der zweiten Schicht, derart, dass die erste Schicht eine höhere Schaltschwelle als die zweite Schicht aufweist.
- Die US-A-4945397 beschreibt eine Magnetspeicherzelle, die eine Sandwich-Struktur aus zwei äußeren ferromagnetischen Schichten aufweist, die durch eine dünne Zwischenschicht getrennt sind, die angeordnet ist, um eine Austauschkopplung zwischen den zwei äußeren Schichten zu verhindern.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Magnetspeicherzelle gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
- Die Erfindung erstreckt sich auf einen Magnetspeicher, der ein Array derartiger Magnetspeicherzellen aufweist.
- Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbauen einer Magnetspeicherzelle gemäß Anspruch 4 vorgesehen.
- Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf spezielle exemplarische Ausführungsbeispiele derselben beschrieben und folglich wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, in denen:
-
1 –2 eine Magnetspeicherzelle darstellen, die strukturiert ist, um Unterbrechungen bei einer Magnetisierung in der aktiven Schicht derselben zu mini mieren, die durch Demagnetisierungsfelder von der Referenzschicht derselben bewirkt werden; -
3 ein Graph ist, der das Demagnetisierungsfeld und das Kopplungsfeld von einer Referenzschicht darstellt; -
4 eine Magnetspeicherzelle darstellt, die strukturiert ist, um die Wirkungen von Kopplungsfeldern und Demagnetisierungsfeldern von der Referenzschicht derselben auszugleichen, die auf die aktive Schicht derselben wirken; -
5 eine Draufsicht eines Magnetspeichers ist, der die vorliegenden Lehren umfasst; -
6a –6d beispielhafte Prozessschritte zeigen, die bei einem Bilden von Speicherzellen gemäß den vorliegenden Lehren betroffen sind. - Detaillierte Beschreibung
-
1 –2 stellen eine Anordnung für eine Magnetspeicherzelle40 dar, die eine aktive Schicht50 und eine Referenzschicht54 aufweist und die strukturiert ist, um Unterbrechungen bei einer Magnetisierung in der aktiven Schicht50 durch Demagnetisierungsfelder von der Referenzschicht54 zu minimieren.1 zeigt eine Seitenansicht und2 zeigt eine Draufsicht. - Die aktive Schicht
50 hält einen veränderbaren Magnetisierungszustand (M2) und die Referenzschicht54 weist eine festgelegte Magnetisierungsausrichtung (M1) auf. Die Länge der Referenzschicht54 in die x-Richtung ist größer als die Länge der aktiven Schicht50 in die x-Richtung und ein Paar von gegenüberliegenden Kanten60 und62 der Referenzschicht54 überlappen entsprechende Kanten der aktiven Schicht50 . - Der Abstand bzw. die Strecke einer Überlappung der Kanten
60 und62 ist im Wesentlichen gleich c. Die Überlappungsstrecke c ist vorausgewählt, um die Wirkungen von Demagnetisierungsfeldern, die aus den Bereichen nahe den Kanten60 und62 ausstrahlen, auf die Magnetisierung in der aktiven Schicht50 zu minimieren. - Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Magnetspeicherzelle
40 eine Tunnelbarriere52 zwischen der aktiven Schicht50 und der Referenzschicht54 . Die Magnetspeicherzelle40 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Spintunnelvorrichtung, bei der während Leseoperationen eine elektrische Ladung durch die Tunnelbarriere52 wandert. Diese elektrische Ladungswanderung durch die Tunnelbarriere52 tritt auf, wenn eine Lesespannung an die Magnetspeicherzelle40 angelegt ist. - Die Referenzschicht
54 kann ein ferromagnetisches Material sein, wie beispielsweise Nickeleisen oder Nickeleisenkobalt, um wenige Beispiele zu nennen. Die Tunnelbarriere52 kann ein isolierendes Material sein, wie beispielsweise Aluminiumoxid mit etwa 10 bis etwa 20 Angström Dicke. Die aktive Schicht50 kann ein ferromagnetisches Material sein, wie beispielsweise Nickeleisen oder Nickeleisenkobalt, um wenige Beispiele zu nennen. Die Referenzschicht54 kann durch ein antiferromagnetisches Material festgelegt sein, wie beispielsweise Eisenmangan oder Iridiummangan, um wenige Beispiele zu nennen. -
3 ist ein Graph, der das Demagnetisierungsfeld und das Kopplungsfeld von der Referenzschicht54 bei einem geringen vertikalen Abstand über der Oberfläche der Referenzschicht54 darstellt. Bei dem Graphen entsprechen Werte von x nahe –0,4 und +0,4 Regionen nahe den Kanten60 und62 der Referenzschicht54 , während Werte von x nahe 0 einer inneren Region der Referenzschicht54 entsprechen. Die Graphen zeigen, dass das Demagnetisierungsfeld nahe den Kanten60 und62 der Referenzschicht54 am stärksten ist. Die Überlap pungsstrecke c ist ausgewählt, sodass das hohe Demagnetisierungsfeld nahe den Kanten60 und62 eine reduzierte Wirkung auf die aktive Schicht50 verglichen mit bekannten Speicherzellen aufweist, bei denen die aktive und die Referenzschicht im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen. -
4 stellt eine Anordnung für die Magnetspeicherzelle40 dar, bei der die Referenzschicht54 strukturiert ist, um die Wirkungen von Kopplungsfeldern und Demagnetisierungsfeldern von der Referenzschicht54 auszugleichen, die auf die aktive Schicht50 wirken. Die Kanten60 und62 der Referenzschicht54 überlappen entsprechende Kanten der aktiven Schicht50 um eine Strecke, die im Wesentlichen gleich c ist. Zusätzlich ist die Referenzschicht54 um eine Strecke in die y-Richtung dünner, die im Wesentlichen gleich d in den Bereichen der Referenzschicht54 ist, die außerhalb der aktiven Schicht50 überlappen. - Der Betrag des Kopplungsfelds von der Referenzschicht
54 , das auf die aktive Schicht50 wirkt, ist häufig eine Funktion der Dicke der Tunnelbarriere52 . Bei dieser Anordnung sind die Strecken c und d gewählt, um das Demagnetisierungsfeld und das Kopplungsfeld auszugleichen, die auf die aktive Schicht50 wirken. Für einen größeren Wert von c ist ein großer Wert von d geeignet, um den Ausgleich zu erreichen, während für einen kleineren Wert von c ein kleinerer Wert von d geeignet ist, um diesen Ausgleich zu erreichen. Mit anderen Worten gibt es zwei zusätzliche Parameter, die steuerbar sind, um einen ausgeglichenen Datenfilm zu erhalten. Dies steht im Gegensatz zu bekannten Zellen, bei denen der Daten- und der Referenzfilm mit der gleichen Breite hergestellt sind und die Strecke d immer die gleiche wie die gesamte Referenzfilmdicke ist. - Diese Fähigkeit, die Wirkungen von Demagnetisierungsfeldern und Kopplungsfeldern zu steuern, überlässt es einem Entwickler, Dicken für die Schichten
50 und54 zu wählen, die einen relativ hohen Magnetowiderstand in der Magnetspei cherzelle40 ergeben werden. Ein Entwickler muss die Dicken der Referenzschicht nicht reduzieren, was einen Magnetowiderstand reduziert, wie es im Stand der Technik üblich ist, um die Unterbrechungen bei der aktiven Schicht zu reduzieren. Ein hoher Magnetowiderstand ist erwünscht, weil derselbe das Lesesignal von der Magnetspeicherzelle40 erhöht. - Bei beispielhaften Ausführungsbeispielen können die Dicken der aktiven Schicht
50 und der Referenzschicht54 zwischen etwa 2 und etwa 20 Nanometern liegen. Die Strecke c kann zwischen 0,01 und 0,5 Mikrometern liegen und die Strecke d kann zwischen 0 und etwa 20 Nanometern liegen. -
5 ist eine Draufsicht eines Magnetspeichers10 , eines MRAM, der die vorliegenden Lehren umfasst. Der Magnetspeicher10 umfasst ein Array von Magnetspeicherzellen, das die Magnetspeicherzelle40 zusammen mit zusätzlichen Magnetspeicherzellen41 –43 umfasst, die jeweils mit Strukturen gebildet sind, die oben beschrieben sind und die Unterbrechungen bei aktiven Schichten in den Magnetspeicherzellen41 –43 minimieren. Der Magnetspeicher10 umfasst eine Anordnung von Leitern20 –21 und30 –31 , die einen Lese- und Schreibzugriff auf die Magnetspeicherzellen40 –43 ermöglichen. - Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Abmessungen dx und dy der Magnetspeicherzellen
40 –43 ausgewählt, um im Wesentlichen gleich zu sein und eine quadratische Form zu bilden. Die quadratische Form verbessert die Dichte, die bei einem MRAM im Vergleich zu derselben erhalten werden kann, die erhalten werden kann, wenn rechteckige Speicherzellen verwendet werden. Dies ist so, weil bei einer gegebenen minimalen Merkmalsgröße mehr quadratische Magnetspeicherzellen auf einer gegebenen Substratfläche gebildet sein können als rechteckige Magnetspeicherzellen. Bei anderen Ausführungsbeispielen können rechteckige Formen verwendet werden. -
6a –6d zeigen beispielhafte Prozessschritte, die bei einem Bilden von Speicherzellen gemäß den vorliegenden Lehren betroffen sind.6a zeigt einen Materialienstapel, der auf ein Substrat100 aufgebracht wird und unter Verwendung einer Strukturmaske120 und eines Ionenfrässchritts strukturiert wird. Der Ionenfrässchritt entfernt Bereiche des Materialienstapels außerhalb der Strukturmaske120 bis zu dem Substrat100 . Der Materialstapel ist einer, der typischerweise zum Bilden von Spintunnel-Speicherzellen verwendet wird, und umfasst eine Leiterschicht102 , eine ferromagnetische Impfschicht104 , eine antiferromagnetische Festlegungsschicht106 , eine untere ferromagnetische Schicht, die die Referenzschicht54 liefert, eine Tunnelbarriereschicht, die die Tunnelbarriere52 liefert, eine obere ferromagnetische Schicht, die die aktive Schicht50 liefert, und eine Abdeckschicht114 . - Nach einem Ionenfräsen weist der Materialienstapel eine Länge von L1 in die x-Richtung auf. Die Strukturmaske
120 wird dann zu einer Länge L2 = L1 – 2c geschrumpft, wie es in6b gezeigt ist. Die Strukturmaske120 wird unter Verwendung einer reaktiven Ionenätzung geschrumpft, bei der Sauerstoff mit Kohlenstoff in der Strukturmaske120 reagiert, um CO2 zu bilden, das dann entfernt wird. Die Zeit, die bei der aktiven Ionenätzung verbracht wird, ist ausgewählt, um den Betrag bzw. die Größe zu steuern, um den bzw. die die Strukturmaske120 geschrumpft wird, d. h. die Strecke c zu steuern. - Der Materialienstapel wird dann einem Ionenfrässchritt unterzogen, um Material bis zu der Referenzschicht
54 zu entfernen und die Referenzschicht54 in den Kantenbereichen der Referenzschicht54 um eine Strecke d zu verdünnen.6c zeigt das Ergebnis des Ionenfrässchritts. Die Zeit, die bei dem Ionenfräsen verbracht wird, ist ausgewählt, um die Strecke d zu steuern, um die die Referenzschicht54 in den Kantenregionen derselben verdünnt wird. - Die Strukturmaske
120 wird dann entfernt, was in der in6d gezeigten Struktur für die Magnetspeicherzelle40 resultiert. Ein oberer Leiter kann dann gebildet werden. - Die vorhergehende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist für die Zwecke einer Darstellung bereitgestellt und soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf das präzise offenbarte Ausführungsbeispiel begrenzen. Folglich ist der Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert.
Claims (5)
- Eine Magnetspeicherzelle (
40 ), die folgende Merkmale aufweist: eine aktive Schicht (50 ); eine Referenzschicht (54 ), die ein Paar von gegenüberliegenden Kanten (60 ,62 ) aufweist, die ein Paar von gegenüberliegenden Kanten der aktiven Schicht (50 ) überlappen und eine erste Dicke bei den gegenüberliegenden Kanten der Referenzschicht (54 ) und eine zweite Dicke bei einer inneren Region aufweisen, wobei die erste Dicke geringer als die zweite Dicke ist, wodurch Unterbrechungen bei einer Magnetisierung in der aktiven Schicht (50 ) minimiert werden. - Eine Magnetspeicherzelle (
40 ) gemäß Anspruch 1, bei der der Betrag, um den die erste Dicke geringer als die zweite Dicke ist, und der Abstand, um den die gegenüberliegenden Kanten überlappen, ausgewählt sind, um die Demagnetisierungs- und Kopplungsfelder auszugleichen, die auf die aktive Schicht (50 ) wirken. - Ein Magnetspeicher, der ein Array von Magnetspeicherzellen (
40 ) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 aufweist. - Ein Verfahren zum Aufbauen einer Magnetspeicherzelle (
40 ), das folgende Schritte aufweist: Bilden einer aktiven Schicht (50 ) und einer Referenzschicht (54 ) für die Magnetspeicherzelle (40 ); Fräsen der aktiven Schicht (50 ) und der Referenzschicht (54 ), derart, dass die Referenzschicht (54 ) ein Paar von gegenüberliegenden Kanten (60 ,62 ) aufweist, die ein Paar von gegenüberliegenden Kanten der aktiven Schicht (50 ) überlappen; Fräsen der aktiven Schicht (50 ) und der Referenzschicht (54 ), derart, dass die Referenzschicht (54 ) eine erste Dicke bei den gegenüberliegenden Kanten (60 ,62 ) der Referenzschicht (54 ) und eine zweite Dicke bei einer inneren Region aufweist, wobei die erste Dicke geringer als die zweite Dicke ist; wodurch Unterbrechungen bei einer Magnetisierung in der aktiven Schicht (50 ) minimiert werden. - Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, das ein Auswählen des Betrags, um den die erste Dicke geringer als die zweite Dicke ist, und des Abstands, um den die gegenüberliegenden Kanten überlappen, aufweist, um die Demagnetisierungs- und Kopplungsfelder auszugleichen, die auf die aktive Schicht (
50 ) wirken.
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