JP2006237183A - Method of manufacturing data track to be used in magnetic shift register memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、「ShiftableMagnetic Shift Register and Method of Using the Same」と題する同時係属中の米国特許出願連続番号第10/458,554号、および、「Systemand method for Writing to a Magnetic Shift Register」と題する連続番号第10/458,147号に関する。これらは双方とも、2003年6月10日に出願され、引用により、その全体が本願にも関連するものとする。 The present invention relates to co-pending US patent application Ser. No. 10 / 458,554 entitled “Shiftable Magnetic Shift Register and Method of Using the Same” and a series of “System and method for Writing to a Magnetic Shift Register”. No. 10 / 458,147. Both of these were filed on June 10, 2003 and are hereby incorporated by reference in their entirety.
本発明は、一般に、メモリ保存システムに関し、具体的には、磁区の磁気モーメントを用いてデータを保存するメモリ保存システムに関する。特に、本発明は、磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスにおいて用いる磁気データ・トラックを製造するための方法に関する。 The present invention generally relates to memory storage systems, and more particularly to a memory storage system that stores data using magnetic moments of magnetic domains. In particular, the present invention relates to a method for manufacturing a magnetic data track for use in a magnetic shift register memory device.
2つの最も一般的な従来の不揮発性データ保存デバイスは、ディスク・ドライブおよび固体ランダム・アクセス・メモリ(RAM)である。ディスク・ドライブは、大量すなわち100GBを超えるデータを安価に保存することができる。しかしながら、ディスク・ドライブは本来、信頼性が低い。ハード・ドライブは、固定した読み取り/書き込みヘッドおよび移動媒体を備え、この移動媒体上にデータを書き込む。移動部品を有するデバイスは、摩耗および故障が生じやすい傾向がある。固体ランダム・アクセス・メモリは、現在、デバイス当たり約1GB(ギガバイト)のデータを保存し、ディスク・ドライブに比べ、保存ユニット当たり比較的高価である。 The two most common conventional non-volatile data storage devices are disk drives and solid state random access memory (RAM). A disk drive can store large amounts of data, ie, over 100 GB, at low cost. However, disk drives are inherently unreliable. The hard drive has a fixed read / write head and a moving medium on which data is written. Devices with moving parts tend to be subject to wear and failure. Solid state random access memory currently stores about 1 GB (gigabytes) of data per device and is relatively expensive per storage unit compared to disk drives.
固体RAMの最も一般的なタイプは、フラッシュ・メモリである。フラッシュ・メモリは、トランジスタのオン−オフ制御ゲートの下の酸化物に配置された薄いポリシリコン層を利用する。このポリシリコン層は、浮動ゲートであり、シリコンによって制御ゲートおよびトランジスタ・チャネルから分離している。フラッシュ・メモリは、速度が比較的遅く、読み取りおよび書き込み時間は約1マイクロ秒である。更に、フラッシュ・メモリのセルは、100万回未満の書き込みサイクルの後にデータを喪失し始める可能性がある。これは、用途によっては充分である場合もあるが、フラッシュ・メモリ・セルは、コンピュータのメイン・メモリにおけるように絶えず新しいデータの書き込みに用いられると、短時間で故障し始めることがある。更に、フラッシュ・メモリのアクセス時間は、コンピュータ用途では、あまりにも長すぎる。 The most common type of solid state RAM is flash memory. Flash memory utilizes a thin polysilicon layer located in the oxide under the transistor on-off control gate. This polysilicon layer is a floating gate and is separated from the control gate and transistor channel by silicon. Flash memory is relatively slow with read and write times of about 1 microsecond. In addition, flash memory cells may begin to lose data after less than one million write cycles. While this may be sufficient for some applications, flash memory cells may begin to fail in a short time when used constantly for writing new data, such as in a computer's main memory. Furthermore, flash memory access times are too long for computer applications.
RAMの別の形態は、強誘電体RAM(ferroelectricRAM)すなわちFRAMである。FRAMは、強誘電体ドメインが示す方向に基づいてデータを保存する。FRAMは、フラッシュ・メモリよりもはるかにアクセス時間が速く、標準的なダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)よりもエネルギ消費が小さい。しかしながら、市販のメモリの容量は現在、約0.25MB(メガバイト)と小さい。更に、FRAMにおけるメモリ保存は、物理的に移動する原子に頼っており、結果として媒体の劣化およびメモリの故障を招く。 Another form of RAM is a ferroelectric RAM (FRAM). The FRAM stores data based on the direction indicated by the ferroelectric domain. FRAM has much faster access times than flash memory and consumes less energy than standard dynamic random access memory (DRAM). However, the capacity of commercially available memories is currently as small as about 0.25 MB (megabytes). Furthermore, memory storage in FRAM relies on physically moving atoms, resulting in media degradation and memory failure.
更に別の形態のRAMは、相変化メモリ(OUM:OvonicUnified Memory)であり、結晶およびアモルファス相間で交番する材料を利用してデータを保存する。この用途において用いられる材料は、カルコゲニド合金(chalcogenide alloy)である。カルコゲニド合金が加熱および冷却サイクルを経た後、これを、多結晶およびアモルファスという2つの安定相のうち1つを受け入れるようにプログラムすることができる。2相の各抵抗の差によって、カルコゲニド合金をメモリ保存装置として用いることが可能となる。データ・アクセス時間は約50nsである。しかしながら、これらのメモリのサイズはまだ小さく、現在、約4MBである。更に、OUMは、結晶からアモルファスに材料を物理的に変化させることに頼っているので、結局は材料が劣化したり故障したりする可能性が高い。 Yet another form of RAM is phase change memory (OUM: OvonicUnified Memory), which stores data using alternating materials between crystalline and amorphous phases. The material used in this application is a chalcogenide alloy. After the chalcogenide alloy has undergone a heating and cooling cycle, it can be programmed to accept one of two stable phases, polycrystalline and amorphous. The chalcogenide alloy can be used as a memory storage device due to the difference in resistance between the two phases. Data access time is about 50 ns. However, the size of these memories is still small, currently about 4 MB. Furthermore, since OUM relies on physically changing the material from crystalline to amorphous, it is likely that the material will eventually degrade or fail.
半導体磁気抵抗RAM(MRAM:magnetoresistiveRAM)は、材料の磁気モーメントの方向を利用することによって、強磁性体材料においてデータ・ビットを符号化する。強磁性体の原子は、外部の磁界に応答し、それらの磁気モーメントを印加された磁界の方向に整列させる。磁界を取り除くと、原子の磁気モーメントは、誘導された方向に整列したままである。反対の方向に磁界を印加すると、原子は新しい方向に再整列する。通常、強磁性体材料のボリューム内の原子の磁気モーメントは、磁気交換相互作用によって相互に並列に整列する。次いで、これらの原子は、概ね1つのマクロ磁気モーメントまたは磁区として、外部の磁界に対して共に応答する。 Semiconductor magnetoresistive RAM (MRAM) encodes data bits in a ferromagnetic material by utilizing the direction of the magnetic moment of the material. Ferromagnetic atoms respond to external magnetic fields and align their magnetic moments in the direction of the applied magnetic field. When the magnetic field is removed, the magnetic moments of the atoms remain aligned in the induced direction. When a magnetic field is applied in the opposite direction, the atoms realign in the new direction. Usually, the magnetic moments of atoms in a volume of ferromagnetic material are aligned in parallel with each other by magnetic exchange interactions. These atoms then respond together to an external magnetic field, generally as one macro magnetic moment or domain.
MRAMに対する1つの手法は、メモリ・セルとして磁気トンネル接合(magnetic tunneling junction)を用いる。磁気トンネル接合は、薄い絶縁材料によって分離した2層の強磁性体材料から成る。磁区の方向は、1つの層では固定されている。第2の層では、磁区の方向は、印加された磁界に応答して動くことができる。この結果、第2の層の磁区の方向は、第1の層に対して平行または逆であり、1およびゼロの形態でデータを保存することが可能となる。しかしながら、現在利用可能なMRAMは、1Mb(メガバイト)まで保存することができるのみであり、ほとんどのメモリ用途に必要なものよりはるかに少ない。もっと大きなメモリは、現在、開発段階である。更に、各MRAMメモリ・セルは、1ビット・データを保存できるだけであり、このため、かかるデバイスの可能な最大メモリ容量が制限される。 One approach to MRAM uses a magnetic tunneling junction as the memory cell. The magnetic tunnel junction consists of two layers of ferromagnetic material separated by a thin insulating material. The direction of the magnetic domains is fixed in one layer. In the second layer, the direction of the magnetic domains can move in response to the applied magnetic field. As a result, the magnetic domain direction of the second layer is parallel or opposite to the first layer, and data can be stored in the form of 1s and zeros. However, currently available MRAM can only store up to 1 Mb (megabytes), far less than what is needed for most memory applications. Larger memories are currently in development. Furthermore, each MRAM memory cell can only store 1-bit data, which limits the maximum possible memory capacity of such devices.
磁気シフト・レジスタは、磁気記録ハード・ディスク・ドライブ、ならびに、DRAM、SRAM、FeRAM、およびMRAM等の多くの固体メモリを含むがこれらに限定されない多くの従来のメモリ・デバイスに取って代わる。磁気シフト・レジスタは、従来のメモリ・デバイスにおいて与えられるものに匹敵する大容量の保存を提供するが、移動部品を全く用いず、コストはハード・ディスク・ドライブと同程度である。 Magnetic shift registers replace many conventional memory devices including, but not limited to, magnetic recording hard disk drives and many solid state memories such as DRAM, SRAM, FeRAM, and MRAM. The magnetic shift register provides a large storage capacity comparable to that provided in conventional memory devices, but does not use any moving parts and is as costly as a hard disk drive.
簡潔に言えば、磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスは、強磁性体材料における磁壁の固有かつ天然の性質を用いてデータを保存する。磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスは、1つの読み取り/書き込みデバイスを利用して、約100ビット以上という多数ビットのデータにアクセスする。従って、小数の論理要素で、何百ビットものデータにアクセスすることができる。 Briefly, magnetic shift register memory devices store data using the intrinsic and natural properties of domain walls in ferromagnetic materials. A magnetic shift register memory device uses a single read / write device to access multiple bits of data, such as about 100 bits or more. Therefore, hundreds of bits of data can be accessed with a small number of logical elements.
磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスは、スピンに基づいたエレクトロニクス(spin-based electronics)を用いて、強磁性体材料におけるデータの書き込みおよび読み取りを行うので、磁気シフト・レジスタの材料の物理的性質は不変である。シフト可能磁気シフト・レジスタは、強磁性体材料から成る材料の細いワイヤまたは細片で形成されたデータ・トラックを備える。ワイヤは、物理的に均一で磁気的に均質な強磁性体材料または異なる強磁性体材料の層から成るものとすることができる。情報は、トラックにおける磁区内の磁気モーメントの方向として保存される。ワイヤは、ある方向または別の方向に小さいセクション単位で磁化することができる。 Magnetic shift register memory devices use spin-based electronics to write and read data in ferromagnetic materials, so the physical properties of magnetic shift register materials are Is unchanged. A shiftable magnetic shift register comprises a data track formed of a thin wire or strip of material made of a ferromagnetic material. The wire may consist of a physically uniform and magnetically homogeneous ferromagnetic material or a layer of different ferromagnetic materials. Information is stored as the direction of the magnetic moment in the magnetic domain at the track. The wire can be magnetized in small sections in one direction or another.
トラックに電流を印加して、トラックに沿って電流の方向に、読み取りまたは書き込み要素またはデバイスを超えて磁区を移動させる。磁壁を有する磁気材料において、磁壁を通過した電流は、電流の方向に磁壁を移動させる。電流が磁区を通過すると、これは「スピン偏極」になる。このスピン偏極電流が、磁壁を超えて次の磁区へと移動すると、これはスピン・トルクを生じる。このスピン・トルクが磁壁を移動させる。磁壁速度は極めて速く、約100から500m/秒である。 A current is applied to the track to move the magnetic domain across the read or write element or device in the direction of the current along the track. In a magnetic material having a domain wall, a current passing through the domain wall moves the domain wall in the direction of the current. When the current passes through the magnetic domain, it becomes “spin polarized”. As this spin-polarized current moves across the domain wall to the next domain, this creates spin torque. This spin torque moves the domain wall. The domain wall speed is very fast, about 100 to 500 m / sec.
要約すると、トラック(交互の方向の一連の磁区を有する)を通過した電流が、読み取りおよび書き込み要素を超えてこれらの磁区を移動させることができる。そして、読み取りデバイスは、磁気モーメントの方向を読み取ることができる。書き込みデバイスは、磁気モーメントの方向を変えることによって、トラックに情報を書き込むことができる。 In summary, current that has passed through a track (with a series of magnetic domains in alternating directions) can move these domains across read and write elements. The reading device can then read the direction of the magnetic moment. The writing device can write information to the track by changing the direction of the magnetic moment.
磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスを構築するために必要な磁気データ・トラックを製造するための改良した方法が望まれている。 It would be desirable to have an improved method for producing the magnetic data tracks necessary to build a magnetic shift register memory device.
本発明は、この必要性を満足させ、磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスを構築するために必要な磁気データ・トラックを製造するための方法を提示する。 The present invention satisfies this need and presents a method for manufacturing the magnetic data tracks necessary to build a magnetic shift register memory device.
磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスは、読み取りおよび書き込み要素を備えた平面に概ね垂直な磁気ワイヤにおける情報の保存を含む。これらの読み取りおよび書き込み要素は、従来のCMOS技術を用いて構築する。磁気シフト・レジスタ・メモリでは、従来のCMOSメモリに比べて100倍の密度向上が期待される。磁気ワイヤは、背が高く(約10ミクロン)幅の狭い(約0.1ミクロン)柱として形成することができ、柱の1端部でこれらの柱の2つの間を接続する。 The magnetic shift register memory device includes the storage of information in a magnetic wire generally perpendicular to a plane with read and write elements. These read and write elements are constructed using conventional CMOS technology. The magnetic shift register memory is expected to have a density improvement of 100 times that of a conventional CMOS memory. The magnetic wire can be formed as a tall (about 10 microns) and narrow (about 0.1 micron) column, connecting between two of these columns at one end of the column.
磁気データ・トラックは、シリコンまたは誘電体から形成された異なる材料で交互の層の多層スタックを形成することによって製造する。この多層スタック構造に、約1から10ミクロンの高さで、縦が約100nmで横が約100nmの断面を有するバイアをエッチングする。バイアは、楕円、矩形、方形、または他のいずれかの所望もしくは適切な形状の断面を有することができる。これらの寸法のバイアを作成するための製造技法は、DRAMが用いるトレンチ・キャパシタを製造するために用いられる技法に基づく。これらのトレンチ・キャパシタを製造するための従来の技法は、約9から10ミクロンの深さおよび約0.1ミクロンの断面という寸法を達成している。米国特許番号第6,544,838号および第6,284,666号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。 Magnetic data tracks are manufactured by forming a multi-layer stack of alternating layers of different materials formed from silicon or dielectric. Vias having a cross section with a height of about 1 to 10 microns, a length of about 100 nm and a width of about 100 nm are etched into the multilayer stack structure. The via can have an oval, rectangular, square, or any other desired or suitable cross-section. The manufacturing technique for creating these size vias is based on the technique used to manufacture the trench capacitor used by DRAM. Conventional techniques for manufacturing these trench capacitors have achieved dimensions of about 9 to 10 microns deep and about 0.1 microns cross-section. See U.S. Patent Nos. 6,544,838 and 6,284,666. These patents are also incorporated herein by reference.
1つの実施形態では、非選択的なエッチングによりバイアをエッチングして、円滑な壁を有するバイアを形成することができる。交互のタイプの強磁性体またはフェリ磁性体金属の層を電気めっきすることによって、バイアを充填する。各層の厚さは、例えば約50nmおよび500nmの間とすることができる。交互の強磁性体またはフェリ磁性体層は、異なる磁化または磁気交換または磁気異方性を有する磁気材料から成る。これらの異なる磁気特性によって、これらの層の間の境界またはこれらの層の1つの内部に磁壁を固定することができる。 In one embodiment, vias can be etched by non-selective etching to form vias with smooth walls. Vias are filled by electroplating layers of alternating types of ferromagnetic or ferrimagnetic metals. The thickness of each layer can be, for example, between about 50 nm and 500 nm. The alternating ferromagnetic or ferrimagnetic layers are made of magnetic materials having different magnetization or magnetic exchange or magnetic anisotropy. These different magnetic properties allow the domain wall to be fixed at the boundary between these layers or within one of these layers.
別の実施形態では、バイアを非選択的にエッチングした後に、選択的なエッチングを実行する。この選択的なエッチングにより、多層スタック構造における材料の層を、他の材料の層よりも高いレートで除去して、バイアの壁にノッチまたは突出を形成する。 In another embodiment, selective etching is performed after the vias are non-selectively etched. This selective etching removes layers of material in the multilayer stack structure at a higher rate than layers of other materials, forming notches or protrusions in the via walls.
バイアに、例えば電気めっきまたは化学的気相堆積法(CVD)によって、均質な強磁性体材料を充填する。磁壁は、バイアの壁に沿ってノッチまたは突出に生じる強磁性体または強磁性体材料における切れ目の付近に形成される。 Vias are filled with a homogeneous ferromagnetic material, for example by electroplating or chemical vapor deposition (CVD). The domain wall is formed in the vicinity of a break in a ferromagnetic or ferromagnetic material that occurs in a notch or protrusion along the wall of the via.
データ・トラックに沿って磁壁を移動させるために電流を注入する目的で、各データ・トラックの各端部に電流リード線を接続する手段を提供する。 Means are provided for connecting current leads to each end of each data track for the purpose of injecting current to move the domain wall along the data track.
本発明の様々な特徴およびそれらを達成する方法を、以下の記載、特許請求の範囲、および図面を参照して、更に詳細に説明する。図面において、適宜、参照番号を再利用して、参照した要素間の対応を示す。 Various features of the present invention and methods of accomplishing them will be described in further detail with reference to the following description, claims and drawings. In the drawings, reference numbers are reused where appropriate to indicate correspondence between referenced elements.
以下の定義および説明は、本発明の技術分野に関連する背景情報を提供し、その範囲を限定することなく本発明の理解を容易にすることを意図している。 The following definitions and descriptions provide background information relevant to the technical field of the present invention and are intended to facilitate understanding of the present invention without limiting its scope.
均質の磁気材料とは、磁気材料の連続的なボリュームを意味し、これは複雑な形状を有する場合があり、磁化、磁気異方性、磁気交換、および磁気減衰等の磁気特性は、ボリューム内の位置とは無関係に、名目上は同一である。 Homogeneous magnetic material means a continuous volume of magnetic material, which may have a complex shape, and magnetic properties such as magnetization, magnetic anisotropy, magnetic exchange, and magnetic damping are within the volume. Regardless of their position, they are nominally the same.
不均質の磁気材料とは、磁気材料の連続的なボリュームを意味し、これは複雑な形状を有する場合があり、例えば材料組成の変化のため、および/またはこの材料の堆積中または材料を堆積した後に材料に作用する何らかの物理的プロセスのため、磁化、磁気異方性、磁気交換、および磁気減衰等の磁気特性は、ボリューム内の位置と共に変動する場合がある。 Heterogeneous magnetic material means a continuous volume of magnetic material, which may have a complex shape, for example due to changes in material composition and / or during deposition of this material or depositing material Because of some physical process that subsequently affects the material, magnetic properties such as magnetization, magnetic anisotropy, magnetic exchange, and magnetic damping may vary with position within the volume.
図1および図2は、磁気メモリ・システム100の例示的な高レベルのアーキテクチャを示し、これは、書き込みデバイス(本明細書中では、書き込み要素とも呼ぶ)15および読み取りデバイス(本明細書中では、読み取り要素とも呼ぶ)20を利用する磁気シフト・レジスタ10を備えている。読み取りデバイス20および書き込みデバイス15は、双方とも、システム100の読み取り/書き込み要素を形成する。
FIGS. 1 and 2 illustrate an exemplary high level architecture of a
磁気シフト・レジスタ10は、好ましくは強磁性体または強磁性体材料から成る細いデータ・トラック11を備えている。データ・トラック11は、ある方向または別の方向に、小さいセクションすなわち磁区単位で磁化することができる。情報は、データ・トラック11における磁区25、30等の領域に保存される。トラックが作製される磁気材料の配列パラメータ、すなわち磁化方向または磁気モーメントの方向は、方向ごとに変わる。この磁気モーメントの方向のばらつきは、データ・トラック11に情報を保存するための基礎を形成する。
The
1つの実施形態では、磁気シフト・レジスタ10は、中央領域42によって連結されたデータ領域35および蓄積部40を備えている。データ領域35は、データを保存する磁区25、30等の1組の連続した磁区を備える。蓄積部40の形態で、磁気シフト・レジスタ10に、追加の長さを与える。
In one embodiment, the
蓄積部40は、充分に長く形成して、中央領域42において磁区の書き込みおよび読み取りを行う目的のため、データ領域35内の磁区をデータ領域35から中央領域42を介して書き込み要素15および読み取り要素20を通って完全に移動させた場合に、全ての磁区を収容するようになっている。このため、いずれかの所与の時点では、磁区は、一部がデータ領域35に、一部が蓄積部40に保存されるので、保存要素を形成するのは、データ領域35、蓄積部40、および中央領域42の組み合わせである。1つの実施形態では、蓄積部40は、休止状態では磁区を有しない。
The
このため、いずれかの所与の時点で、データ領域35は、磁気シフト・レジスタ10の異なる部分内に位置することができ、蓄積部40は、データ領域35の両側の2つの領域に分割させることができる。データ領域35は1つの連続的な領域であり得るが、データ領域35がシフト・レジスタ10内のどこに位置していようとも、データ領域35内の磁区の空間的な分布および範囲は、ほぼ同一とすることができる。別の実施形態では、特に読み取り要素20および書き込み要素15を通ってこの領域が移動する間、保存領域の部分を拡大することができる。データ領域35の一部または全体を蓄積部40内に移動させて、特定の磁区のデータにアクセスする。
Thus, at any given time, the
図1に示す蓄積部40は、データ領域35とほぼ同じサイズを有する。しかしながら、他の代替的な実施形態では、蓄積部40がデータ領域35とは異なるサイズを有することも可能である。1例として、各磁気シフト・レジスタ10ごとに、2つ以上の読み取り要素20および書き込み要素15を用いる場合、蓄積部40をデータ領域35よりもはるかに小さくすることができる。例えば、1つの磁気シフト・レジスタ10について2つの読み取り要素20および2つの書き込み要素15を用い、データ領域35の長さに沿って等しく配置した場合、蓄積部40は、データ領域35のほぼ半分の長さしか必要としない。
The
データ・トラック11に電流45を印加して、データ・トラック11に沿って、更に読み取りデバイス20または書き込みデバイス15を超えて、磁区25、30内の磁気モーメントを移動させる。磁壁を有する磁気材料では、磁壁を通過した電流は、電流の方向に磁壁を動かす。電流が磁区を通過すると、これは「スピン偏極」になる。このスピン偏極電流が、介在する磁壁を通って次の磁区内に移動すると、スピン・トルクを生じる。このスピン・トルクが磁壁を動かす。磁壁の速度は極めて速く、すなわち約100から数百m/秒であるので、特定の磁区を読み取る目的のため、または書き込み要素によってその磁気状態を変化させるためにこの磁区を必要な位置に動かすプロセスを、極めて短くすることができる。
A current 45 is applied to the
磁区25、30、31等の磁区を、書き込みデバイス15および読み取りデバイス20上で前後に移動させ(シフトさせ)て、図3、4、5に示すように、蓄積部40の内部および外部にデータ領域35を移動させる。図3の例では、データ領域35は、最初は磁気シフト・レジスタ10のくぼみ部分すなわち中央領域42の左側にあり、蓄積部40に磁区は存在しない。図5は、データ領域35が全体的に磁気シフト・レジスタ10の右側にある場合を示す。
The
磁区31等の特定の磁区にデータを書き込むために、磁気シフト・レジスタ10に電流45を印加して、書き込みデバイス15上に、かつ書き込みデバイス15とアラインメントするように、磁区31を移動させる。磁気シフト・レジスタ10に電流を印加すると、データ領域35の全ての磁区が動く。
In order to write data to a particular magnetic domain, such as
磁区の移動は、電流の大きさおよび方向ならびに電流を印加する時間の双方によって制御される。1つの実施形態では、指定した形状(大きさ対時間)および持続時間の1つの電流パルスを印加して、1増分またはステップだけ、保存領域において磁区を移動させる。一連の電流パルスを印加することで、必要な増分またはステップ数だけ磁区を移動させる。このため、データ領域35のシフトした部分205(図4)は、蓄積部領域40内に押し出される(シフトまたは移動される)。
The movement of the magnetic domains is controlled by both the magnitude and direction of the current and the time for which the current is applied. In one embodiment, a single current pulse of specified shape (magnitude versus time) and duration is applied to move the magnetic domains in the storage region by one increment or step. By applying a series of current pulses, the magnetic domains are moved by the required increment or number of steps. For this reason, the shifted portion 205 (FIG. 4) of the
データ・トラック11内の磁区の移動方向は、印加した電流の方向に依存する。電流パルスの長さは、2〜300ピコ秒から数十ナノ秒の範囲とすることができ、電流の大きさに依存する。電流の大きさが大きくなるほど、必要な電流パルスの長さは短くなる。また、電流パルスの形状(すなわちパルスにおける電流対時間の詳細な依存関係)は、磁壁の最適な移動を達成するように調節することができる。電流パルスの形状は、トラックの強磁性体材料の詳細な特質に関連付けて適正に設計して、次の最大位置を超えて移動するような多大なエネルギまたは推進力を有することなく、磁壁をある位置から次の位置に移動させるようにしなければならない。
The direction of movement of the magnetic domains in the
磁区25等の特定の磁区においてデータを読み取るために、磁気シフト・レジスタ10に追加の電流を印加して、読み取りデバイス20上に、かつ読み取りデバイス20とアラインメントするように、磁区25を移動させる。データ領域35のもっと大きなシフト部分が、蓄積部40内に押し出される(シフトまたは移動される)。
In order to read data in a particular magnetic domain, such as
図1から図5に示す読み取りデバイス20および書き込みデバイス15は、読み取りデバイス20および書き込みデバイス15を配列する基準面を確定する制御回路の一部を形成する。1つの実施形態では、磁気シフト・レジスタ10は、この基準面に概ね直交して、基準面の外側に垂直に直立する。
The
磁気シフト・レジスタ10を動作させるため、制御回路は、読み取り要素20および書き込み要素15の他に、様々な目的のための論理および他の回路を備えている。その様々な目的には、読み取り要素20および書き込み要素15の動作、磁気シフト・レジスタ10内で磁区を移動させるための電流パルスの供給、および磁気シフト・レジスタ10におけるデータの符号化および復号の手段が含まれる。1つの実施形態では、制御回路は、シリコン・ウエハ上のCMOSプロセスを用いて製造される。好ましくは、磁気シフト・レジスタ10は、できるだけ低いコストを維持するため最小のシリコン面積を用いながらメモリ・デバイスの保存容量を最大化するように、シリコン・ウエハ上に小さい設置面積を有するように設計する。
In order to operate the
図1から図3に示す実施形態では、磁気シフト・レジスタ10の設置面積は、読み取り要素20および書き込み要素15によって占められるウエハの面積によって概ね決定する。このため、磁気シフト・レジスタ10は、ウエハ面の外側の方向に主に延出するデータ・トラック11で構成される。垂直方向のデータ・トラック11の長さは、磁気シフト・レジスタ10の保存容量を決定する。垂直範囲は、水平方向のデータ・トラック11の範囲よりもはるかに大きくすることができるので、水平面において磁気シフト・レジスタ10が占める面積が極めて小さいにもかかわらず、何百もの磁気ビットを磁気シフト・レジスタ10に保存することができる。このため、磁気シフト・レジスタ10は、従来の固体メモリと比較して、同一のシリコン・ウエハ領域に対して、もっと多くのビットを保存することができる。
In the embodiment shown in FIGS. 1-3, the footprint of the
磁気シフト・レジスタ10のデータ・トラック11は、読み取り要素20および書き込み要素の面(回路面)に概ね直交しているように図示するが、これらのデータ・トラック11は、一例として、密度を高める目的のため、またはこれらのデバイスの製造を容易にするため、この基準面に対してある角度で傾斜させることができる。
Although the
図6に、磁気シフト・レジスタ10を動作させる方法300を示し、更に図3、4、5を参照する。図3を参照すると、メモリ・システム100は、ブロック305において、書き込みデバイス15または読み取りデバイス20のいずれかまで磁区25を移動させるために必要なビット数を決定する。また、ブロック310において、メモリ・システム100は、磁区25を移動させるために必要な方向を決定する。図3において、磁区25は、書き込みデバイス15および読み取りデバイス20の左側にある。例えば、磁区25を右に移動させるために、正の電流45が必要であり、磁区25を左に移動させるために、負の電流45が必要である場合がある。
FIG. 6 shows a
次いで、ブロック315において、メモリ・システム100は、所望の電流45を磁気シフト・レジスタ10に印加する。電流45は、1つのパルスまたは一連のパルスであり、磁区25を1度に1ビットずつ移動させることができる。また、パルス内の電流の持続時間の長さもしくは大きさ、またはパルス形状(パルス内の電流対時間)を変えて、1つのパルスを印加する間に、データ領域35内の磁区25を数増分だけ移動させることも可能である。ブロック320において、データ領域35の磁区は、電流45に応答して移動する。磁区25は、所望のデバイスすなわち書き込みデバイス15または読み取りデバイス20において停止する(ブロック325)。
Next, at
図7および図8を参照すると、代替的な磁気シフト・レジスタ10Aは、図1から5に示す磁気シフト・レジスタ10と同様とすることができるが、磁気シフト・レジスタ10A内の磁区の可能な位置を固定するために、交互の磁気層を備えている。磁区の可能な位置を固定することにより、指定した磁区が動いてしまうことを防ぐ。
Referring to FIGS. 7 and 8, an alternative
磁気層は、様々な強磁性体またはフェリ磁性体材料から成るものとすることができる。これらの磁気材料は、主に、それらの磁化の大きさ(ボリューム当たりの磁気モーメント)、交換パラメータ、磁気異方性、および減衰係数に基づいて、適切に選択する。また、これらの材料の選択は、それらの製造しやすさ、および磁気シフト・レジスタを製造するために用いるプロセスとの適合性に左右される。 The magnetic layer can be made of various ferromagnetic or ferrimagnetic materials. These magnetic materials are selected appropriately based mainly on the magnitude of their magnetization (magnetic moment per volume), exchange parameters, magnetic anisotropy, and damping coefficient. Also, the selection of these materials depends on their ease of manufacture and compatibility with the process used to manufacture the magnetic shift register.
磁気シフト・レジスタ10Aの領域405に示すように、磁区410、420のためにあるタイプの磁気材料を用い、これらに交互に配置した磁区415、425のために異なるタイプの磁気材料を用いることができる。別の実施形態では、多数のタイプの磁気材料を、様々な材料の順序で使用可能である。
As shown in
磁気シフト・レジスタ10Aにおける異なる強磁性体層の導入により、「ポテンシャル井戸(potential well)」と同様の局所的なエネルギ最小値が生じ、このため、異極性の磁区間の磁壁は、交互の強磁性体層410、415等の間の境界に並ぶ。このため、磁区の範囲およびサイズは、磁気層の厚さによって決定する。
The introduction of different ferromagnetic layers in the
磁気シフト・レジスタ10Aに印加される電流パルス45によって、領域405内の磁区410、415、420、425は、電流45の方向に移動する。しかしながら、電流パルス45が充分な振幅および持続時間を有しなければ、磁区410、415、420、425は、2つの異なるタイプの磁気材料間の境界を超えて移動しない場合がある。従って、データ領域35を1度に1ビット移動させることができ、磁区が所望の位置よりも先へ動くことは不可能となる。
Due to the
磁区の可能な位置を固定することに加えて、異なる層の磁気材料を用いることによって、電流振幅およびパルス持続時間について許容差の増大が可能となる。この実施形態では、書き込みデバイス15および読み取りデバイス20上を通過する磁気シフト・レジスタ10Aの部分は、図9に示すように均質の磁気材料または図7に示すように異なる磁気材料の層とすることができる。
In addition to fixing the possible locations of the magnetic domains, using different layers of magnetic material allows for increased tolerances in current amplitude and pulse duration. In this embodiment, the portion of the
交互の磁気領域410、420等および415、425等の長さは、異なる場合がある。更に、磁気領域410、420等および420、425等の各タイプの長さは、磁気シフト・レジスタ10A全体を通して同一であることが好ましいが、これは必須ではなく、これらの長さは、磁気シフト・レジスタ10A全体でいくらか変動し得る。重要なことは、ポテンシャルによって、電流パルスが誘導した電流誘導移動に対して画定した位置に磁区を固定することである。
The length of the alternating
図10および図11を参照すると、均質の磁気材料から成る別の磁気シフト・レジスタ10Bは、データ・トラック11の幅または面積を物理的に変えることによって、不均質にすることができる。磁気シフト・レジスタ10Bを物理的に整形することによって、磁気シフト・レジスタ10B内で局所的エネルギ最小値を作成することができる。
Referring to FIGS. 10 and 11, another
図10および図11の整形手法では、磁気シフト・レジスタ10Bの強磁性体材料に、切れ込み505、506等の切れ込みを設ける。切れ込み505、506は、開放しても良いし、または、金属もしくは絶縁性とすることができる材料を充填しても良い。
In the shaping method of FIGS. 10 and 11, notches such as
1つの実施形態では、これらの切れ込み505、506は均等な間隔で配置することができる。別の実施形態では、これらの切れ込み505、506間の間隔は、磁気シフト・レジスタ10Bの長さに沿って非均等とすることができる。切れ込み505、506は、データ・トラック511の各側で相互にアラインメントする。
In one embodiment, these
データ・トラック511の一方側のみに切れ込みを有する磁気シフト・レジスタを製造することが好都合である場合がある。これらの切れ込み505、506を用いて磁壁を固定するので、データ・トラック511の一方側の1つのみの切れ込みにより、充分な固定ポテンシャルを供給することができる。切れ込みは、図10および図11に示すデータ・トラック511の4つの側面のうちいずれかの1つまたは2つまたはそれ以上に配することができる。また、製造を容易にするため、切れ込みは、トラックに沿って連続した固定位置を得るように、側面ごとに交互に設けることも可能である(例えば、全ての切れ込みをトラックの単一側面上に配置することによって可能になるよりも、トラックに沿ってもっと高密度の1組の固定位置を形成するため)。
It may be advantageous to manufacture a magnetic shift register that has a notch on only one side of the
別の実施形態では、切れ込み505、506の代わりに、データ・トラック511の幅を局所的に大きくし狭くない突出を設ける。必要なのは、磁壁について局所的ポテンシャルを変えることによって磁区を固定する手段である。
In another embodiment, instead of the
更に別の実施形態では、データ・トラック511の幅または面積を連続した領域で交互に形成して、データ・トラック511が互い違いの幅または面積の領域から成るようにする。
In yet another embodiment, the width or area of the
磁気シフト・レジスタ10Bでは、その長さに沿って切れ込みもしくは突出または交互の磁気領域を均一に形成する必要はない。磁気シフト・レジスタ10Bには、充分な数のこのような固定位置を形成して、データ領域35が、電流パルス当たり1増分だけ、または指定した数の増分だけ移動するようになっていれば良い。例えば、N個の磁区当たり1つのみの固定位置で充分である場合がある。ここで、Nは2以上とすることができる。
In the
蓄積部40は、これらの切れ込みを含む場合もあるし含まない場合もある。書き込みデバイス15および読み取りデバイス20を横切る磁気シフト・レジスタ10Bの底部510は、これらの切れ込み505、506を含む場合もあるし含まない場合もある。
The
更に別の実施形態では、磁気シフト・レジスタ10Bは、切れ込み505、506を有する異なる強磁性体材料の組み合わせから成り、磁気シフト・レジスタ10Aおよび10Bの特徴を結び付ける。
In yet another embodiment, the
一般的に、磁気シフト・レジスタ10のデータ・トラック11は、交互のシリコンおよび/または誘電体材料の層から成る多層スタックを形成することによって製造される。この交互のシリコンまたは誘電体層の多層スタックに、高さが0.5から10ミクロンであり、断面が縦約100nm横100nmであるバイアをエッチングする。全体を通して寸法を提示するが、これらの寸法は例示の目的のためのみに与えられ、本発明はこれらの値または寸法に限定されないことは理解されよう。例えば、バイアの高さは約0.5ミクロンおよび約10ミクロンの間の範囲を取ることができる。バイアの断面は、縦約10nm横10nm間、および縦約1ミクロン横1ミクロンの範囲を取ることができる。次いで、これらのバイアに、強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して、図1の磁気シフト・レジスタ10のデータ・トラック11のデータ領域35および蓄積部40を形成する。
In general, the
バイアは、楕円、矩形、または方形の断面を有することができる。単一のシリコン層の場合、DRAMが用いるトレンチ・キャパシタに基づいてこれらの寸法のバイアを作成するための製造技法が存在する。これらのトレンチ・キャパシタを製造するための従来の技法は、深さ約1から10ミクロンおよび断面が約0.1ミクロンの寸法を達成している。米国特許第6,544,838号、第6,284,666号、第5,811,357号、第6,345,399号を参照のこと。これらは、引用により本願にも含まれるものとする。これらの製造技法を用いて、図12から図32に示す磁気シフト・レジスタ10のデータ・トラック11を製造する。
The via can have an elliptical, rectangular, or square cross section. In the case of a single silicon layer, there are manufacturing techniques to create vias of these dimensions based on the trench capacitors used by DRAM. Conventional techniques for manufacturing these trench capacitors have achieved dimensions of about 1 to 10 microns in depth and about 0.1 microns in cross section. See U.S. Patent Nos. 6,544,838, 6,284,666, 5,811,357, and 6,345,399. These are also incorporated herein by reference. Using these manufacturing techniques, the
図12から図14は、データ・トラック11の底部すなわち中央領域42を形成する実施形態を示す。例えば二酸化シリコンまたは窒化シリコン等の絶縁体605を、厚さ約300nmに形成する。絶縁体605にフォトレジストを塗布して、矩形610の形状にパターニングする。標準的なエッチング技法を用いて、矩形610を深さ約200nmにエッチングして、トレンチ615を形成する。窒化シリコン・エッチングのプロセスに関するこれ以上の詳細については、米国特許番号第6,051,504号を、二酸化シリコン・エッチングのプロセスに関するこれ以上の詳細については、米国特許番号第5,811,357号を参照のこと。これらは、引用により本願にも含まれるものとする。
FIGS. 12-14 illustrate an embodiment for forming the bottom or
図14において、トレンチ615にある材料を充填して、ブロック620を形成する。ブロック620は、例えば、強磁性体材料およびフェリ磁性体から成る群から選択された、中央領域42に対応する均質の磁気材料から成るものとすることができる。この場合、ブロック620を平坦化し研磨する。ブロック620において用いられる例示的な強磁性体またはフェリ磁性体材料は、パーマロイ、ニッケル−鉄合金、コバルト−鉄合金、Ni、Co、およびFeのうち1つ以上から形成された合金、Ni、Co、およびFeおよび他の元素、例えばB、Zr、Hf、Cr、Pd、Pt等のうち1つ以上から形成された合金である。あるいは、ブロック620は、例えば、図7の領域410、420、および415、425に示すものと同様の、異なる強磁性体またはフェリ磁性体材料の交互の領域から成る不均質の磁気材料から形成することも可能である。これらの領域は、図12から図15に図示しない追加の処理ステップによって形成することができる。この追加の処理ステップには、追加のリソグラフィ、パターニング、エッチング、例えばめっきまたはスパッタ堆積またはCVDを用いた材料堆積、および平坦化ステップが含まれる場合がある。あるいは、ブロック620は、後にエッチングによって除去される犠牲材料を含むことも可能である。犠牲材料は、低圧化学的気相堆積の後に化学機械研磨により平坦化を行うことによって形成することができる。
In FIG. 14, the material in
次いで、絶縁体605の上に、例えば窒化シリコンである薄い誘電体層625を堆積して、底部キャッピング層として機能させ、必要であれば、以降のプロセス・ステップの間トレンチを保護することができる。底部キャッピング層の厚さは、約10から500nmの間の範囲である。底部キャッピング層625は、窒化シリコン、酸化シリコン、または他のいずれかの適切な誘電体から成るものとすることができる。別の実施形態では、底部キャッピング層625は必要でない場合もある。
A
図16は、2つのバイアを形成し、データ・トラック11のデータ領域35および蓄積部40を作成することができる構造の製造を示す。多層スタック構造705は、交互のシリコン/誘電体または誘電体/誘電体材料(材料AおよびBとして示す)で形成されている。材料AおよびBは、エッチング特性を考慮して選択する。好適な実施形態では、材料Aは二酸化シリコン(SiO2)で、材料Bはシリコン(Si)で構成される。あるいは、材料Aは二酸化シリコン、材料Bは窒化シリコン(Si3N4)を含む。
FIG. 16 illustrates the fabrication of a structure that can form two vias and create the
図16の例では、層710、715、720等の第1組の層は、例えば二酸化シリコンのような材料Aで形成される。層725、720、735等の第2組の層は、例えばシリコンまたは窒化シリコンのような材料Bで形成される。第1および第2の組の層は、様々な技法を用いて形成可能である。例えば、低圧化学的気相堆積法を用いて多結晶シリコン層を形成し、スパッタ堆積を用いてアモルファス・シリコン層を形成することができる。多層スタック構造705の上に、例えば窒化シリコンのような薄い誘電体層を堆積して、上部キャッピング層740として機能させることができる。上部キャッピング層740の厚さは、約10から500nmの間の範囲である。上部キャッピング層は、窒化シリコン、酸化シリコン、または他のいずれかの適切な誘電体から成るものとすることができる。
In the example of FIG. 16, the first set of layers, such as
材料Aおよび材料Bは、異なるエッチング・レートを有するように選択し、バイアの壁にノッチまたは突出の形成を可能とする。図16には等しい厚さで示すが、材料Aおよび材料Bから形成される層は、異なる厚さを有する場合がある。 Material A and Material B are selected to have different etch rates, allowing the formation of notches or protrusions in the via walls. Although shown with equal thickness in FIG. 16, the layers formed from material A and material B may have different thicknesses.
多層スタック構造705は、例えば、約100層の材料Aおよび材料Bの交互の層を含み、合計の厚さを例えば約0.5から10ミクロン以上とすることができる。例えば層710、715、720、725、730、735を形成する材料Aおよび材料Bの厚さは、データ・トラック11のデータ領域35または蓄積部40における磁壁の分離距離に等しい。
The
材料Aおよび材料Bをエッチングして、ノッチまたは突出を形成する。例えば材料Aによって表される1つの材料の厚さは、データ・トラック11における磁壁間の分離距離に対応する。例えば材料Bによって表される他の材料は、データ・トラック11におけるデータ領域35または蓄積部40のノッチまたは突出を形成する。かかるデータ・トラック11の構成は、図10および図11に示されている。層710、715、720、725、730、735によって表される層Aおよび層Bは等しい厚さで示すが、実際には、それらは極めて異なる厚さである場合がある。各ノッチまたは突出の幅は、約5nmから100nmの間の範囲とすることができる。
Material A and material B are etched to form notches or protrusions. For example, the thickness of one material represented by material A corresponds to the separation distance between the domain walls in the
図17、18、19、20、および21は、多層スタック構造705におけるバイア805、810の形成を示す。材料B(すなわち層725、730、735)としてシリコンを利用する実施形態では、バイア805、810の側壁を酸化させて、二酸化シリコンの薄い絶縁層を形成する(厚さは約3nmから30nmの間の範囲である)。バイア805、810に、均質の強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して、データ・トラック11のデータ領域35および蓄積部40を形成することができる。図18に、バイア805、810に対して垂直に見た多層スタック構造705の断面図を示し、バイア805、810の方形の断面を例示する。バイア805、810は、他の様々な断面に形成することも可能である。例えば、図19に示すバイア805A、810Aに示すような矩形の断面、図20に示すバイア805B、810Bに示すような円形の断面、および図21に示すバイア805C、810Cに示すような楕円の断面である。
17, 18, 19, 20, and 21 illustrate the formation of
図22の断面図に示すように、バイア805、810は、多層スタック構造705を通して絶縁体605内のブロック620までエッチングする。図17から図21の例では、バイア805、810は、バイアをエッチングするプロセスによって、平坦で円滑な壁を有するように形成する。材料B(すなわち層725、730、735)がシリコンから成る実施形態では、二酸化シリコンに比べてシリコンに選択的なプロセスとシリコンに比べて二酸化シリコンに選択的なプロセスとで、ドライ・エッチング・プロセスを交互に行うことによって、バイア805、810を形成することができる。「選択的」という言葉は、エッチング液が、第2の材料よりも速く第1の材料をエッチングすることを示すために用いる。換言すると、二酸化シリコンに対して選択的なシリコンのためのドライ・エッチング・プロセスでは、より優れたエッチング制御を得るために、シリコンは、二酸化シリコンよりも速いレートでエッチングされる。二酸化シリコンに対して選択的なシリコンのためのドライ・エッチング・プロセスに関するこれ以上の詳細については、米国特許番号第6,544,838号および第6,284,666号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。シリコンに対して選択的な二酸化シリコンのためのドライ・エッチング・プロセスに関するこれ以上の詳細については、米国特許番号第6,294,102号および5,811,357号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。
As shown in the cross-sectional view of FIG. 22, vias 805, 810 etch through
材料Aを酸化シリコンで形成し、材料Bを窒化シリコンで形成する場合、バイア805、810は、酸化シリコンよりも窒化シリコンを優先的にエッチングするプロセス(米国特許番号第6,461,529号および第6,051,504号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする)と、窒化シリコンよりも二酸化シリコンを優先的にエッチングするプロセス(米国特許番号第6,294,102号および第5,928,967号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする)とで、連続的に交互にドライ・エッチング・プロセスを行うことによって、同様に形成可能である。ブロック620が、強磁性体またはフェリ磁性体材料等の金属から成る場合、エッチング液がブロック620の材料内まで著しくエッチングする可能性は低い。バイア805、810を形成した後に、キャッピング層625をエッチングして、均質の強磁性体またはフェリ磁性体材料の底部すなわちブロック620に対するコンタクトを開放する。
When material A is formed of silicon oxide and material B is formed of silicon nitride, vias 805, 810 are processes that preferentially etch silicon nitride over silicon oxide (US Pat. No. 6,461,529 and No. 6,051,504, which are incorporated herein by reference) and a process for preferentially etching silicon dioxide over silicon nitride (US Pat. Nos. 294,102 and 5,928,967, which are also incorporated herein by reference) by performing a dry etching process alternately and continuously. Can be formed similarly. If
バイア805、810をエッチングする前に、適切なエッチング液を用いてキャッピング層740をエッチングするか、または、層AおよびBの材料の構成要素ならびに層740のものに応じて、層AまたはBのためのエッチング液の一方を用いて、キャッピング層740をエッチングすることができる。交互のシリコンおよび/または誘電体層の多層スタック構造の最上層がシリコンから成る場合に、キャッピング層740を用いて、例えば、このスタックの上層の酸化を防ぐことができる。
Prior to
図23、24、25、26、27は、バイア805、810を形成した後に選択的なウエット・エッチング・プロセスを用いた結果を示す。図23、24、25、26、27において、多層スタック構造705では、キャッピング層740も基板キャッピング層625も図示していない。選択的なウエット・エッチング・プロセスを用いることによって、材料Aおよび材料Bを異なるレートでエッチングすることができる。1例として、酸化シリコンおよび窒化シリコンの双方に選択的に二酸化シリコンをウエット・エッチングするため、フッ化水素酸(HF)系の化学薬品(例えば緩衝または希釈HF)を使用可能であり、二酸化シリコンに選択的に窒化シリコンをウエット・エッチングするため、リン酸H3PO4系の化学薬品を使用可能である。
23, 24, 25, 26, 27 show the results of using a selective wet etch process after forming
異なるレートでの材料Aおよび材料Bのエッチングにより、バイア805、810の断面に規則的な変動が形成される。強磁性体またはフェリ磁性体で充填すると、バイア805、810の断面の変動は、データ・トラック11のデータ領域35または蓄積部40に突出またはノッチを作成する。磁気材料トラック11の突出またはノッチを用いて、データ領域35および蓄積部40において磁壁を固定することができる。バイア805、810のノッチまたは突出の構成は、磁気シフト・レジスタ10のデータ・トラック11の最適な性能を得るように選択される。具体的には、ノッチまたは突出の長さおよび深さならびにそれらの形状を変えて、磁壁の固定ポテンシャルを変動させることができる。
Etching of material A and material B at different rates creates regular variations in the cross-section of
図23は、バイア1002の一部の断面を示し、材料A(層1004、1008によって表す)のエッチングが材料B(層1006、1010によって表す)よりも速く行われる選択的なエッチング・プロセスを例示する。バイア1002に強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填すると、データ・トラック11のデータ領域35または蓄積部40において、層1004、1008は突出を形成し、層1006、1010はノッチを形成する。
FIG. 23 shows a cross-section of a portion of via 1002 illustrating a selective etching process in which material A (represented by
図24は、バイア1012の部分の断面図を示し、ここでは、材料A(層1014、1018によって表す)が材料B(層1016、1020によって表される)よりも遅くエッチングされる。バイア1012に強磁性体または強磁性体材料を充填すると、データ・トラック11のデータ領域35または蓄積部40において、層1014、1018はノッチを形成し、層1016、1020は突出を形成する。
FIG. 24 shows a cross-sectional view of a portion of via 1012 where material A (represented by
材料A、材料B、およびエッチング・プロセスは、図23および24に示すような浅いノッチ、または図25のバイア1022によって示すようなもっと深いノッチを設けるように選択することができる。材料B(層1026、1030によって表される)は、材料A(層1024、1028によって表される)よりもはるかに速くエッチングする。
Material A, material B, and the etching process can be selected to provide shallow notches as shown in FIGS. 23 and 24, or deeper notches as shown by
また、図26および27に示すように、材料Aおよび材料Bの層の厚さは変動することがある。図26は、材料Aの層(層1034、1038によって表される)が材料Bの層(層1036、1040によって表される)よりも厚いバイア1032の断面を示す。バイア1032に強磁性体または強磁性体材料を充填すると、データ・トラック11のデータ領域35または蓄積部40において、層1036、1040は薄い突出を形成し、層1034、1038は広いノッチを形成する。
Also, as shown in FIGS. 26 and 27, the layer thicknesses of material A and material B may vary. FIG. 26 shows a cross section of via 1032 where the layer of material A (represented by
図27は、材料Aの層(層1046、1050によって表される)が材料Bの層(層1044、1048によって表される)よりも薄いバイア1042の断面を示す。バイア1042に強磁性体または強磁性体材料を充填すると、データ・トラック11のデータ領域35または蓄積部40において、層1046、1050は薄いノッチを形成し、層1044、1048は広い突出を形成する。
FIG. 27 shows a cross section of a via 1042 in which a layer of material A (represented by layers 1046, 1050) is thinner than a layer of material B (represented by
図28、29は、バイア1105、1110(多層スタック構造1115にエッチングされる)およびトレンチ1120を備えたデータ・トラック11の1形態の断面を示す。トレンチ1120を作成するため、ブロック620に犠牲誘電体材料(図12〜15)を充填する。この材料は、バイア1105、1110を形成した場合にエッチングにより除去される。図29に示す代替的な実施形態では、ブロック620は、バイア1105、1110を作成した後に残る強磁性体またはフェリ磁性体材料1125を備える。
FIGS. 28 and 29 show a cross-section of one form of
図28に示すように、材料A(層1130、1135によって表される)は材料B(層1140、1145によって表される)よりも速いレートでエッチングされる。この結果、バイア1105、1110によって形成されるデータ・トラック11は、規則的に離間したノッチおよび突出、ならびに、等しい厚さの材料Aおよび材料Bの層を有することになる。
As shown in FIG. 28, material A (represented by
図30、31は、充填したバイア1205、1210および底部領域1220によって示すように、バイア1105、1110、およびトレンチ1120に強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填することによって作成されたトラック1215を示す。充填されたバイア1205はデータ領域35に対応し、充填された1210は蓄積部40に対応し、底部領域1220は中央領域42に対応する。
FIGS. 30 and 31 show a
バイア1105、1110、およびトレンチ1120は、例えば無電解めっきまたは電気めっきのような様々な方法によって充填することができる。無電解めっきのプロセスについては米国特許番号第3,702,263号を、電気めっきのプロセスについては米国特許番号第4,315,985号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。あるいは、ブロック1125は、バイア1105、1110を充填する前に、強磁性体またはフェリ磁性体材料等の磁気材料を含むことができる。ブロック1125の磁気材料は、バイア1105、1110を充填するために用いるものと同一である場合もあるし、そうでない場合もある。ブロック1125の金属は、無電解または電気めっきプロセスのためのシード層電極として使用可能である。電気めっきプロセスは無電解めっきプロセスよりもはるかに高速であるので、電気めっきプロセスを用いることが望ましい。電気めっきを実行するため、シード層電極にコンタクトを提供しなければならない。これは、犠牲ワイヤまたはコンタクト(図には示さない)を介して達成可能であり、またはバイア1105、1110の側壁上に堆積されたAl等の極めて薄い金属層とすることができる。めっきプロセスが完了した後、側壁上のAl金属を酸化させて、ほぼ300Cの温度でトラックを加熱することにより、絶縁性である酸化アルミニウムを形成することができる。犠牲層が除去された図28の場合は、バイアを充填する前に、化学的気相堆積法等のプロセスによって薄いシード層電極を堆積することができる。
図32のプロセス・フローチャートによって、トラック1215を製造するための方法1300を示す。ステップ1305では、絶縁体605を形成する(図12)。ステップ1310では、絶縁体605上に矩形610をパターニングする(図12)。ステップ1315において、矩形610をエッチングして、トレンチ615を形成する(図13)。ステップ1320では、トレンチ615に、犠牲誘電体、強磁性体、またはフェリ磁性体材料を充填する(図14)。次いで、ステップ1325において、トレンチ620をキャッピング層625によって被覆すると好ましい。
A
ステップ1330において、絶縁体605に、交互の材料Aおよび材料Bの多層を加えて、多層スタック構造705を形成する(図16)。多層スタック構造705は、例えば、約100層の交互の材料AおよびBを含み、合計の厚さは例えば約10ミクロンとすることができる。ステップ1335では、多層スタック構造705の上部にキャッピング層740を形成する。
In
ステップ1340では、多層スタック構造705を貫通してブロック620まで、バイア805、510を非選択的にエッチングする(図17から図22)。ブロック620に犠牲誘電体材料を充填した場合、ステップ1340では、この犠牲誘電体材料もエッチングにより除去される(図11)。
In
ステップ1345において、オプションの選択的エッチング・プロセスを用いて、ある材料を他のものよりも速く選択的にエッチングし、バイア805、810の壁にノッチおよび突出を形成することができる(図23から図29)。ステップ1350では、バイア805、810に強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填し(図30、31)、磁気シフト・レジスタ10のデータ・トラック11を形成する。
In
データ・トラック11の製造の別の実施形態では、下部絶縁層に導電性パッドを形成し、多層スタック構造705の上層に中央領域42を形成する。この製造プロセスを、図33〜47に図示する。
In another embodiment of manufacturing the
図34、35、36、37は、データ・トラック11の底部におけるデータ領域35および蓄積部40に接続する導電パッドの製造を示す。例えば窒化シリコンまたは二酸化シリコン等の絶縁体1405を、約300nmの厚さに形成する。
34, 35, 36, and 37 illustrate the manufacture of conductive pads that connect to the
絶縁体1405にフォトレジストを塗布し、矩形1410、1415の形態にパターニングする。標準的なエッチング技法を用いて、矩形1410、1415を約200nmの深さまでエッチングして、トレンチ1420、1425を形成する。窒化シリコン・エッチングのプロセスについては、米国特許番号第6,051,504号を、二酸化シリコンのエッチングのプロセスについては、米国特許番号第5,811,357号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。
A photoresist is applied to the
図35において、トレンチ1420、1425にある材料を充填して、ブロックすなわち底部パッド1430、1435を形成する。ブロック1430、1435は、導電性材料から成り、データ・ブロック11の底部の導電性パッドを形成する。ブロック1430、1435に用いられる例示的な導電性材料は、導電シリコン、銅等である。あるいは、ブロック1430、1435は、後にエッチングにより除去される犠牲材料から成ることも可能である。犠牲材料は、例えば二酸化シリコンから成るものとすることができる。犠牲材料は、低圧化学的気相堆積法の後に化学機械研磨を行って平坦化することにより形成する。次いで、絶縁体1405の上部に、例えば窒化シリコンのような薄い誘電体層を堆積し、キャッピング層1440として機能させる。キャッピング層1440の厚さは、約10および500nmの間の範囲である。キャッピング層1440は、窒化シリコン、酸化シリコン、または他のいずれかの適切な誘電体から成るものとすることができる。
In FIG. 35, the material in
図37は、2つのバイアを形成し、データ・トラック11のデータ領域35および蓄積部40を作成する構造の製造を示す。多層スタック構造1505は、交互に配された材料すなわち材料Aおよび材料Bから形成される。材料AおよびBは、シリコン/誘電体または誘電体/誘電体材料から形成される。好適な実施形態では、材料Aは二酸化シリコンから成り、材料Bはシリコンから形成される。シリコンは、低圧化学的気相堆積法プロセスによって多結晶シリコンとして形成可能であり、または、スパッタ堆積プロセスによりアモルファス・シリコンから形成可能である。あるいは、材料Aは二酸化シリコンを、材料Bは窒化シリコンを含む。
FIG. 37 illustrates the manufacture of a structure that forms two vias and creates the
図37の例では、層1510、1515、1520等の第1組の層は、例えば二酸化シリコンのような材料Aで形成される。層1525、1530、1535等の第2組の層は、例えばシリコンまたは窒化シリコンのような材料Bで形成される。多層スタック構造1505の上部に、例えば窒化シリコンのような薄い誘電体層を堆積し、キャッピング層1540として機能させる。キャッピング層1540の厚さは、約10nmおよび500nmの間の範囲である。底部キャッピング層1540は、窒化シリコン、酸化シリコン、または他のいずれかの適切な誘電体から成るものとすることができる。
In the example of FIG. 37, the first set of layers, such as
材料Aおよび材料Bは、異なるエッチング・レートを有するように選択し、バイアの壁にノッチまたは突出の形成を可能とする。図37には等しい厚さで示すが、材料Aおよび材料Bは異なる厚さを有する場合がある。 Material A and Material B are selected to have different etch rates, allowing the formation of notches or protrusions in the via walls. Although shown with equal thickness in FIG. 37, material A and material B may have different thicknesses.
多層スタック構造1505は、例えば、約100層の交互の材料Aおよび材料Bを含み、合計の厚さは例えば約10ミクロンとすることができる。層1510、1515、1520、1525、1530、1535等の層の厚さは、個々の磁区に対応するか、またはデータ・トラック11のデータ領域35または蓄積部40における磁壁固定位置として機能する。
材料Aまたは材料Bをエッチングして、ノッチまたは突出を形成する。層1510、1515、1520、1525、1530、1535等の層は等しい厚さで示すが、実際には、それらは異なる厚さである可能性がある。例えば材料Aが表す1つの材料の厚さは、データ・トラック11における磁壁間の分離距離に相当する場合がある。例えば材料Bが表す他の材料は、データ・トラックのデータ領域35または蓄積部40においてノッチまたは突出を形成する。かかるデータ・トラック11の構成は、図10および11に示す。トラックを形成する材料の磁気特性に応じて、磁壁は、ノッチもしくは突出に限定するか、または、ノッチもしくは突出間の領域内に限定することができる。
Material A or material B is etched to form notches or protrusions. Layers such as
図38は、多層スタック構造1505におけるバイア1605、1610の形成を示す。材料B(すなわち層1525、1530、1535)としてシリコンを用いる実施形態では、バイア1605、1610の側壁を酸化させて、二酸化シリコンの薄い絶縁体層を形成する(厚さは約3nmおよび30nmの間の範囲である)。バイア1605、1610に、強磁性体またはフェリ磁性体材料等の均質の磁気材料を充填して、データ・トラック11のデータ領域35および蓄積部40を形成することができる。
FIG. 38 shows the formation of
図39の断面図に示すように、バイア1605、1610は、多層スタック構造1505およびキャッピング層1440を貫通してブロック1430、1435までエッチングされている。図38および39の例では、バイア1605および1610は、バイアを非選択的にエッチングするプロセスによって平坦かつ円滑な壁を有するように形成する。材料A(すなわち層1510、1515、1520)が二酸化シリコンから成り、材料B(すなわち層1525、1530、1535)がシリコンから成る実施形態では、バイア1605、1610は、二酸化シリコンに選択的なシリコンのドライ・エッチング・プロセスおよびシリコンに選択的な二酸化シリコンのドライ・エッチング・プロセスを交互に行うことによって形成することができる。二酸化シリコンに選択的なシリコンのドライ・エッチング・プロセスを交互に行うプロセスについては、米国特許番号第6,544,838号および第6,284,666号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。シリコンに選択的な二酸化シリコンのドライ・エッチング・プロセスを交互に行うプロセスについては、米国特許番号第6,294,102号および第5,811,357号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。
As shown in the cross-sectional view of FIG. 39,
材料Aが酸化シリコンから形成され、材料Bが窒化シリコンから形成される代替的な実施形態では、酸化シリコンに選択的な窒化シリコンのドライ・エッチング・プロセス(米国特許番号第6,461,529号および第6,051,504号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする)および窒化シリコンに選択的な二酸化シリコンのドライ・エッチング・プロセス(米国特許番号第6,294,102号および第5,928,967号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする)を交互に行うことによって、バイア1605および1610を形成可能である。非選択的なエッチング・プロセスは、材料Aおよび材料Bを同一のレートでエッチングする。ブロック1430、1435が導電シリコン、銅等の導体で構成される場合、エッチング材料はブロック1430、1435の材料を実質的に浸食しない。
In an alternative embodiment where material A is formed from silicon oxide and material B is formed from silicon nitride, a silicon nitride dry etch process selective to silicon oxide (US Pat. No. 6,461,529). And US Pat. No. 6,051,504, which are hereby incorporated by reference) and a silicon dioxide dry etching process selective to silicon nitride (US Pat. No. 6 , 294,102 and 5,928,967, which patents are hereby incorporated by reference) to
図40は、異なるエッチング・レートで材料に選択的エッチング・プロセスを用いた結果を示す。選択的なエッチング・プロセスを用いることにより、多層スタック構造1505の材料Aおよび材料Bを異なるレートでエッチングすることができる。例えば、フッ化水素酸HF系の化学薬品(例えば緩衝または希釈HF)を、シリコンに選択的な二酸化シリコンのウエット・エッチングに用いることができ、リン酸H3PO4系の化学薬品を、二酸化シリコンに選択的な窒化シリコンのウエット・エッチングに用いることができる。
FIG. 40 shows the results of using a selective etch process on the material with different etch rates. By using a selective etching process, material A and material B of the
異なるレートでの材料Aおよび材料Bのエッチングによって、バイア1805、1810の断面に規則的なばらつきが形成される。強磁性体または強磁性体材料で充填すると、バイア1805、1810の断面のばらつきは、データ・トラック11のデータ領域35または蓄積部40における突出またはノッチを生成する。トラック11の突出またはノッチは、トラック11の磁気領域間の可能な境界、すなわち、例えば図2に示す書き込み要素15を用いてトラックに書き込まれる磁壁を表すように機能する。このため、これらのノッチまたは突出を用いて、データ領域35および蓄積部40においてトラックの磁壁を休止状態に固定する。バイア1805、1810のノッチまたは突出の構成は、データ・トラック11の最適な性能を与えるように選択される。バイア1805、1810の構成ならびに材料Aおよび材料Bの厚さの選択は、図23、24、25、26、27のものと同様とすることができる。
Etching of material A and material B at different rates creates regular variations in the cross-section of
図41は、多層スタック構造1505から材料を除去して領域または上部トレンチ1905を形成した結果を示す。材料を除去して領域1905を形成することは、例えば、フォトレジスト等を用いてエッチングすることによって実施可能である(米国特許番号第6,461,529号および第6,051,504号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする)。次いで、領域1905に強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して、図42のデータ・トラック2005によって示すように、データ・トラック11の中央領域2010を形成する。
FIG. 41 shows the result of removing material from the
図42は、バイア1805、1810および領域1905に強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填することによって作成したデータ・トラック2005を示す。バイア1805、1810および領域1905は、例えば無電解めっきまたは電気めっきのような様々な方法により充填することができる。無電解めっきのプロセスについては、米国特許番号第3,702,263号を、電気めっきのプロセスについては第4,315,985号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。
FIG. 42 shows a
図43、44の断面図に示すように、バイア2105、2110は、多層スタック構造1505を貫通してブロック1430、1435までエッチングされている。バイア2105、2110は、ブロック1430、1435との接触により、データ・トラック2005に外部回路を接続する導体を形成する。材料Aが酸化シリコンから形成され、材料Bが窒化シリコンから形成される実施形態では、バイア2105、2110は、酸化シリコンに選択的な窒化シリコンのドライ・エッチング・プロセス(米国特許番号第6,461,529号および第6,051,504号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。)および窒化シリコンに選択的な二酸化シリコンのドライ・エッチング・プロセス(米国特許番号第6,294,102号および第5,928,967号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。)を交互に行うことによって形成可能である。
As shown in the cross-sectional views of FIGS. 43 and 44, the
代替的な実施形態では、ブロック1430、1435は犠牲誘電体材料から構成され、これは、バイア2105、2110を形成するエッチング・プロセスによって除去される。この結果、図44に示すようにトレンチ2115、2120が形成される。
In an alternative embodiment, blocks 1430, 1435 are composed of sacrificial dielectric material, which is removed by an etching process that forms
図45、46は、バイア2105、2110に、ポリシリコン、タングステン等の導電性材料を、ブロック1430、1435(図45)まで充填した結果を示す。代替的な実施形態では、トレンチ2115、2120に、バイア2105、2110のものと同じプロセスによって、バイア2105、2110を充填するのと同じ導電性材料を充填して、導電性パッドを形成する。
45 and 46 show the results of filling the
データ・トラック2005に導電性接続を形成するための技法の一例として、バイア2105、2110の構成を示す。更に別の実施形態では、図47に示すように、絶縁体1405を貫通してバイア2305、2310をエッチングすることによって、ブロック1430、1435までの導体を形成可能である。バイア2305、2310に導電性材料を充填することにより、データ・トラック2005を、金属バイアを介して絶縁体1405の底部まで電気的に接続し、例えばトラック11まで送信される電流パルスを形成するためのデバイスに接続することができる。
As an example of a technique for forming a conductive connection in
データ・トラック2005を製造するための方法2400を、図48、49のプロセス・フローチャートによって示す。ステップ2405において、絶縁体1405を形成する(図33)。ステップ2410では、絶縁体1405上に矩形1410、1415をパターニングする(図33)。ステップ2415において、矩形1410、1415をエッチングして、トレンチ1420、1425を形成する(図34)。ステップ2420では、トレンチ1420、1425に犠牲誘電体または導電性材料を充填して(図35)、ブロック1430、1435を形成する。次いで、ステップ2425において、絶縁体1405の表面にキャッピング層を適用する。
A
ステップ2430では、絶縁体1450に、交互の材料AおよびBの多層を加え、多層スタック構造1505を形成する(図37)。多層スタック構造1505は、例えば、約100層の交互の材料AおよびBを含み、合計の厚さは例えば約10ミクロンとすることができる。ステップ2435において、多層スタック構造1505の上部にキャッピング層1540を形成する。ステップ2440では、多層スタック構造1505を貫通してブロック1430、1435まで、バイア1605、1610を非選択的にエッチングする(図38、39)。
In
ステップ2445では、オプションの選択的エッチング・プロセスを用いて、バイア1605、1610の壁において、ある材料を他のものよりも選択的に速くエッチングし、バイア1605、1610の壁にノッチおよび突出を形成することができる(図40、41)。
In
ステップ2450において、エッチングにより領域1905を除去して、バイア1805をバイア1810と接続するトレンチ1905を形成する(図41)。ステップ2455では、バイア1805、1810およびトレンチ1905に、強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填し(図42)、データ・トラック2005を形成する。
In
ステップ2460では、多層スタック構造1505の上部からブロック1430、1435まで、バイア2105、2110をエッチングする。ブロック1430、1435に犠牲誘電体材料を充填し、ステップ2460において、犠牲誘電体材料もエッチングにより除去し(図44)、トレンチ2115、2120を形成する。ステップ2465では、バイア2105、2110に導電性材料を充填し、データ・トラック2005を通して電流経路を形成する(図45、46)。ステップ2460において、ブロック1430、1435から犠牲誘電体材料をエッチングにより除去した場合、ステップ2465では、トレンチ2115、2120も充填し、導電性パッド2215、2220を形成する。
In
図50、51、52は、データ・トラック11の底部すなわち中央領域42を形成する実施形態を示す。例えば窒化シリコンまたは二酸化シリコン等の絶縁体2505を、厚さ約300nmに形成する。絶縁体2505にフォトレジストを塗布し、矩形2510の形状にパターニングする。標準的なエッチング技法を用いて、矩形2510を約200nmの深さまでエッチングして、トレンチ2515を形成する。窒化シリコン・エッチングのプロセスについては、米国特許番号第6,051,504号を、二酸化シリコンのエッチングのプロセスについては、米国特許番号第5,811,357号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。
50, 51, 52 illustrate an embodiment that forms the bottom or
トレンチ2515に図52の材料を充填して、ブロック2520を形成する。ブロック2520は、強磁性体またはフェリ磁性体材料から成り、データ・ブロック11の中央領域42に対応する。ブロック2520が強磁性体またはフェリ磁性体材料から成る場合、ブロック2520を平坦化し研磨する。ブロック2520において用いる例示的な強磁性体またはフェリ磁性体材料は、パーマロイ、ニッケル鉄等である。あるいは、ブロック2520は、後にエッチングにより除去される犠牲材料から成るものとすることができる。犠牲材料は、低圧化学的気相堆積法の後に平坦化のため化学機械研磨を行うことによって形成可能である。次いで、例えば窒化シリコンのような薄い誘電体層を、絶縁体2505の上部に堆積させて、キャッピング層として機能させる(図25には示さない)。キャッピング層の厚さは、約10nmおよび500nmの間の範囲である。キャッピング層は、窒化シリコン、酸化シリコン、または他のいずれかの適切な誘電体から成るものとすることができる。
The
図53は、2つのバイアを形成し、データ・トラック11のデータ領域35および蓄積部40を作成することができる構造の製造を示す。均一な層構造2605(本明細書中では均一層2605とも称する)を、例えば約10ミクロンの厚さに形成する。層2605は、シリコンまたは、二酸化シリコンもしくは窒化シリコンのような誘電体材料から構成することができる。層2605がシリコンから形成される場合、シリコン層の表面の酸化を防ぐため、均一層2605の上部に、例えば窒化シリコンのような薄い誘電体層を堆積して、キャッピング層2610として機能させることができる。キャッピング層2610の厚さは、例えば約10および500nmの間の範囲とすることができる。底部キャッピング層2610は、窒化シリコン、酸化シリコン、または他のいずれかの適切な誘電体から成るものとすることができる。
FIG. 53 illustrates the manufacture of a structure that can form two vias and create the
図54は、均一層2605におけるバイア2705、2710の形成を示す。バイア2705、2710に、強磁性体またはフェリ磁性体材料を充填して、データ・トラック11のデータ領域35および蓄積部40を形成することができる。均一層2605としてシリコンを利用する実施形態では、バイア2705、2710の側壁を酸化させて、二酸化シリコンの薄い絶縁層を形成する(厚さは約3nmおよび30nmの間の範囲である)。
FIG. 54 shows the formation of
図55の断面図に示すように、バイア2705、2710は、均一層2605を貫通して絶縁体2505のブロック2520までエッチングされている。バイア2705、2710は、平坦かつ円滑な壁を有するように形成する。均一層2605がシリコンである場合、バイア2705、2710の側壁を酸化させて、二酸化シリコンの薄い絶縁層を形成する(厚さは約3nmおよび30nmの間の範囲である)。バイア2705、2710を形成した後に、キャッピング層2610をエッチングして、均質の強磁性体またはフェリ磁性体材料の底部すなわちブロック2520までコンタクトを開放する。キャッピング層2610は、絶縁体2505と同様に酸化に対して強いResistant。ブロック2520が強磁性体またはフェリ磁性体材料等の金属から構成される場合、エッチング材料は実質的にブロック2520内までエッチングしない。
As shown in the cross-sectional view of FIG. 55,
図56、57は、バイア2705、2710(均一層2605)およびトレンチ2905を備えたデータ・トラック11の1形態の断面を示す。トレンチ2905を作成するため、ブロック2520に犠牲誘電体材料を充填する(図52)。この材料は、バイア2705、2710を形成するとエッチングにより除去される。図57に示す代替的な実施形態では、ブロック2910は強磁性体またはフェリ磁性体材料から構成され、これはバイア2705、2710を作成した後にも残る。
56 and 57 show a cross section of one form of
図58は、バイア2705、2710、およびトレンチ2905(図56、57)に、異なるタイプの強磁性体またはフェリ磁性体材料の交互の層を充填することによって作成されたトラック3005を示す。バイア2705、2710、およびトレンチ2905は、例えば無電解めっきまたは電気めっきのような様々な方法によって充填することができる。無電解めっきのプロセスについては米国特許番号第3,702,263号を、電気めっきのプロセスについては米国特許番号第4,315,985号を参照のこと。これらの特許は、引用により本願にも含まれるものとする。トレンチ2905に、1つの磁気材料すなわち材料Iを充填し、ブロック3010を作成する。ブロック3010は、データ・トラック11の中央領域42に対応する。
FIG. 58 shows a
次いで、ブロック3010上の層に磁気材料IIを堆積して、層3015を形成する。次いで、層3015上に磁気材料Iを堆積して、層3020を形成する。磁気材料Iおよび磁気材料IIをバイア内で交互に堆積して、例えば合計で約100層の交互の層を形成する。層3015、3020等の各層の厚さは、例えば約50および500nmの間とすることができる。交互の強磁性体またはフェリ磁性体層3015、3020は、磁化および/または磁気交換および/または磁気異方性を含む磁気特性が異なる磁気材料から成る。これらの異なる磁気特性によって、これらの層間の境界または層内に磁壁を固定することができる。
A magnetic material II is then deposited on the layer above
あるいは、バイア2705、2710を充填する前に、ブロック2520が強磁性体またはフェリ磁性体等の材料を含むことも可能である。ブロック2520の金属を、電気めっきプロセスの電極として用いることができる。ブロック2520の磁気材料は、バイア2705、2710を充填するために用いるものと同じである場合もあるし、同じでない場合もある。
Alternatively, before filling
交互の磁気層の間に、磁壁3025、3030が生じ得る。交互の強磁性体またはフェリ磁性体層3020、3035は、異なる磁化または磁気交換または磁気異方性を有する磁気材料から成る。これらの異なる磁気特性によって、層3020、3035間の境界3025に磁壁を固定することができる。例えば、層3020と層3035との間に磁壁3025が生じる。層3035と層3040との間には磁壁3030が生じる。
代替的な実施形態では、磁気材料の1つ、例えば磁気材料IIの各層内に、磁壁3045、3050が生じる可能性がある。磁気材料内に磁壁を有する層を形成することができる能力は、強磁性体またはフェリ磁性体材料の特性に依存する。データ・トラック11内の磁壁の配置は、磁気材料Iおよび磁気材料IIに用いる磁気材料の選択によって、意図的に最適化することができる。
In an alternative embodiment, domain walls 3045, 3050 may occur in each layer of one of the magnetic materials, eg, magnetic material II. The ability to form a layer with a domain wall in a magnetic material depends on the properties of the ferromagnetic or ferrimagnetic material. The arrangement of the domain walls in the
図59、60、61に示すように、磁気材料の層の厚さは変動する場合がある。例示を容易にするため、図59、60、61にキャッピング層は図示しない。図59は、等しい厚さの磁気層から成るデータ・トラック3005を示す。図60は、異なる厚さの磁気層から成るデータ・トラック3105を示す。図60において、磁気材料Iの層(層3110、3115によって表す)は薄い。磁気材料IIの層(層3120、3125によって表す)は厚い。図61において、データ・トラック3130も、異なる厚さの磁気層から成る。図61では、磁気材料Iの層(層3135、3140によって表す)は厚い。磁気材料IIの層(層3145、3150によって表す)は薄い。
As shown in FIGS. 59, 60, 61, the thickness of the layer of magnetic material may vary. For ease of illustration, the capping layer is not shown in FIGS. FIG. 59 shows a
図62は、異なる強磁性体またはフェリ磁性体の層から成るデータ・トラック3005を製造する方法3200を示す。ステップ3205では、絶縁体2505を形成する(図50)。ステップ3210では、絶縁体2505上に矩形2510をパターニングする(図50)。ステップ3215において、矩形2510をエッチングして、トレンチ2515を形成する(図51)。ステップ3220では、トレンチ2515に、犠牲誘電体、強磁性体、またはフェリ磁性体材料を充填し(図52)、ブロック2520を形成する。ステップ3225において、絶縁体に均一層2605を加える(図53)。均一層2605は、例えば約10ミクロンの厚さを有することができる。ステップ3230では、均一層2605の上にキャッピング層2610を形成する(図53)。ブロック2520を完成した後に、層2505の上にもキャッピング層を適用することができる。
FIG. 62 shows a
ステップ3235では、非選択的エッチング・プロセスを用いて、均一層2605を貫通してブロック2520まで、バイア2705、2710をエッチングする(図54、55、56、57)。ブロック2520に犠牲誘電体材料を充填した場合、ステップ3235において、この犠牲誘電体材料もエッチングにより除去される(図56)。
In
ステップ3240では、バイア2705、2710に、異なるタイプの強磁性体材料またはフェリ磁性体材料の交互の磁気層を充填し(図58)、データ・トラック3005を形成する。トラック3005の磁気材料層の厚さは、様々に異なる場合がある(図59〜61)。
In
方法3200を用いてトラック11を作成するプロセスは、多層の磁気材料を用いることを除いて、方法1300を用いてトラック11を製造するプロセスと同様である。同様に、方法3200を用いてトラック11を製造することができる。この実施形態では、均一な誘電材料を多層スタック構造1505の代わりに用い、データ・トラック2005に、均一な磁気材料でなく交互の層の磁気材料を充填する。
The process of creating
これまで説明した本発明の具体的な実施形態は、本発明の原理のいくつかの利用を単に例示したことは理解されよう。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書中に記載した磁気シフト・レジスタ・システムに用いるデータ・トラックを製造する方法に対して、多数の変更が可能である。本明細書中に記載した寸法は、例示の目的のみで与えたものであり、本発明の範囲をこれらの寸法に限定する意図は全く無いことは、極めて明白であろう。 It will be appreciated that the specific embodiments of the present invention described above are merely illustrative of some uses of the principles of the present invention. Numerous modifications can be made to the method of manufacturing data tracks used in the magnetic shift register system described herein without departing from the spirit and scope of the present invention. It will be very clear that the dimensions described herein are given for illustrative purposes only and that there is no intent to limit the scope of the invention to these dimensions.
Claims (67)
絶縁体基板にトレンチをエッチングするステップと、
前記トレンチにトレンチ材料を充填して中央領域を形成するステップと、
前記絶縁体基板および前記トレンチ材料の上に多層スタック構造を形成するステップと、
前記多層スタック構造を貫通するように2つのバイアを形成して前記中央領域を露呈させるステップと、
前記2つのバイアに磁気材料を充填してデータ領域および蓄積部を形成し、これによって前記データ領域、前記中央領域、および前記蓄積部が前記データ・トラックを形成するようにするステップと、
を備えることを特徴とする、方法。 A method of manufacturing a magnetic shift register with a data track, comprising:
Etching a trench in an insulator substrate;
Filling the trench with a trench material to form a central region;
Forming a multilayer stack structure on the insulator substrate and the trench material;
Forming two vias through the multilayer stack structure to expose the central region;
Filling the two vias with a magnetic material to form a data region and a storage portion, whereby the data region, the central region, and the storage portion form the data track;
A method comprising:
絶縁体基板に2つの下部トレンチをエッチングするステップと、
前記2つの下部トレンチに導電性トレンチ材料を充填して、前記データ・トラックの上部に導電性パッドを形成するステップと、
前記絶縁体基板および前記2つの下部トレンチ材料の上に多層スタック構造を形成するステップと、
前記多層スタック構造を貫通するように2つのバイアを形成して前記2つの下部トレンチを露呈させるステップと、
前記多層スタック構造に、前記2つのバイアを接続する上部トレンチを形成するステップと、
前記2つのバイアおよび前記上部トレンチに磁気材料を充填して、前記データ・トラックのデータ領域、中央領域、および蓄積部を形成するステップと、
を備えることを特徴とする、方法。 A method of manufacturing a magnetic shift register with a data track, comprising:
Etching two lower trenches in an insulator substrate;
Filling the two lower trenches with a conductive trench material to form a conductive pad on top of the data track;
Forming a multilayer stack structure on the insulator substrate and the two lower trench materials;
Forming two vias through the multilayer stack structure to expose the two lower trenches;
Forming an upper trench connecting the two vias in the multilayer stack structure;
Filling the two vias and the upper trench with magnetic material to form a data region, a central region, and a storage portion of the data track;
A method comprising:
絶縁体基板にトレンチをエッチングするステップと、
前記トレンチにトレンチ材料を充填して中央領域を形成するステップと、
前記絶縁体基板および前記トレンチ材料の上に均一層を形成するステップと、
前記均一層を貫通するように2つのバイアを形成して前記中央領域を露呈させるステップと、
前記2つのバイアに磁気材料の交互の層を充填してデータ領域および蓄積部を形成し、これによって前記データ領域、前記中央領域、および前記蓄積部が前記データ・トラックを形成するようにするステップと、
を備えることを特徴とする、方法。 A method of manufacturing a magnetic shift register with a data track, comprising:
Etching a trench in an insulator substrate;
Filling the trench with a trench material to form a central region;
Forming a uniform layer over the insulator substrate and the trench material;
Forming two vias through the uniform layer to expose the central region;
Filling the two vias with alternating layers of magnetic material to form a data region and a storage portion, whereby the data region, the central region, and the storage portion form the data track; When,
A method comprising:
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