WO2000004555A2 - Speicherzellenanordnung, bei der ein elektrischer widerstand eines speicherelements eine information darstellt und durch ein magnetfeld beeinflussbar ist, und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Speicherzellenanordnung, bei der ein elektrischer widerstand eines speicherelements eine information darstellt und durch ein magnetfeld beeinflussbar ist, und verfahren zu deren herstellung Download PDF

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Definitions

  • Memory cell arrangement in which an electrical resistance of a memory element represents information and can be influenced by a magnetic field, and method for its production
  • the invention relates to a memory cell arrangement in which an electrical resistance of a memory element represents information and can be influenced by a magnetic field, and a method for its production.
  • GMR giant magnetoresistive
  • the GMR effect is understood to mean the fact that an electrical resistance of the GMR element depends on whether the magnetizations in the two ferromagnetic layers are aligned parallel or antiparallel to one another. The magnetization direction of one or both layers and consequently the electrical resistance of the GMR element can be changed by means of a magnetic field.
  • the GMR element has a different electrical resistance and magnetoresistive effect with current flow to the layers of the storage element (CPP arrangement) than with current flow parallel to the layers of the storage element layer (CIP arrangement, current in plane) (see FW Patten at al, Overview of the DARPA Non-Volatile Magnetic Memory Program, IEEE 1996, pages 1-2).
  • non-magnetic layer is conductive, one speaks of the SV (spin valve) effect. If the non-magnetic layer is insulating, one speaks of ST- (spin tunneling) or TMR- (tunnelmg magnetoresistance) effect (see Patten et al op. cit.).
  • the threshold fields i. the smallest fields required to change the magnetization directions are different for the layers.
  • the height of the threshold fields is due to the choice of materials, the thickness of the
  • Influencing the layer consists in arranging an antiferromagnetic layer adjacent to the ferromagnetic layer, which virtually holds the direction of magnetization of the ferromagnetic layer and thus effectively increases the threshold field of the ferromagnetic layer.
  • GMR elements In DD Tang et al, IEDM 95, pages 997 to 999 and m DD Tang et al, IEEE Trans, on Magnetics, Vol. 31, No. 6, 1995, pages 3206 to 3208, it has been proposed to use such GMR elements as To use memory elements in a memory row arrangement.
  • the direction of magnetization of a first ferromagnetic layer of a memory element is recorded by an adjacent antiferromagnetic layer.
  • the direction of magnetization of a second ferromagnetic layer cannot be changed by a magnetic field that is larger than the threshold field of the second layer, without the direction of magnetization of the first layer being changed. So that each memory element can be programmed separately, write lines are provided which intersect in the area of the memory elements.
  • the magnetic field is generated by sending current through the associated two write lines.
  • the electricity Strengths are dimensioned so that only the superposition of the magnetic fields of the two write lines is sufficient to exceed the minimum strength required to change the direction of magnetization of the second ferromagnetic layer.
  • the memory elements are connected in series. One row each forms a bit line.
  • the write lines are electrically isolated from the bit lines and the memory elements.
  • a read current is first sent through the corresponding bit line and the total voltage dropping thereon is measured. Then a magnetic field is generated by the two write lines, which is larger than the threshold field of the second layer.
  • the magnetic field changes the direction of magnetization of the second layer, with the result that the total voltage changes .
  • a GMR element as the storage element which has ferromagnetic layers of different thicknesses.
  • the magnetic field for writing information is dimensioned such that it exceeds the minimum strength for changing the direction of magnetization of the thicker of the two ferromagnetic layers.
  • a magnetic field is set which magnetizes the thinner but not the thicker of the two layers in an excellent direction, and the associated voltage is measured on a bit line.
  • a magnetic field is then set which magnetizes the thinner layer in the opposite direction and measures the associated voltage on the bit line. The sign of the difference in the voltages gives the direction of magnetization of the thicker layer.
  • the magnetization in the thicker of the two ferromagnetic layers remains unaffected by the reading.
  • the readout process by comparing two voltages measured in succession requires an increased amount of circuitry and takes a long time.
  • US Pat. No. 5,640,343 describes an MRAM cell arrangement in which memory elements are arranged in an x-y grid. First lines run perpendicular to second lines. The memory elements are each connected between one of the first lines and one of the second lines. A large number of parallel current paths exist for each storage element, which makes it difficult to reliably determine resistance.
  • US Pat. No. 5,173,873 describes an MRAM cell arrangement in which a memory element has a magnetoresistive layer which is arranged between two ferromagnetic layers. The direction of magnetization of one of the ferromagnetic layers is changed by an external magnetic field. The other of the ferromagnetic layers has a higher coercive force and its direction of magnetization is not changed by the magnetic field.
  • the magnetic field is generated by a line that runs past the storage element. The sign of the current flow through the line determines whether information 0 or 1 is written to the memory element.
  • the line is connected to a write line via a transistor, which selects the memory element from other memory elements during writing.
  • the invention is based on the problem of specifying a memory cell arrangement in which an electrical resistance of a memory element represents information and can be influenced by a magnetic field, and in which the information can be read out with reduced circuit complexity or faster. A production method for such a memory cell arrangement is also to be specified.
  • a memory cell arrangement comprises memory cells, each comprising a memory element, the electrical resistance of which represents information and can be influenced by a magnetic field, and a single transistor, the transistor allowing the selection of the associated memory cell from the memory cells when reading the information .
  • the transistors enable the selection of a memory cell, the measurement of two voltages to determine the resistance of the memory cell to be read is not necessary.
  • the other memory cells have no influence on the voltage. This reduces both the reading time and the circuitry. The reliability of the resistance measurement is not impaired even by large cell fields.
  • the memory cells are connected to bit lines. Memory cells adjacent to one another along one of the bit lines are not connected in a row to one another. In order to read out one of the memory cells, the associated transistor is controlled via a gate line, which extends transversely to the bit line, and the resistance of the memory element is determined from the current or the voltage of the associated bit line. Since the Memory cells are not connected as part of the bit line m row, only the memory cell to be read influences the current or the voltage of the associated bit line. The remaining memory cells have no influence on the current or the voltage.
  • the memory cells are often connected in a row.
  • the current to be measured not only flows through the memory cell to be read, which is why it is reduced in size by other memory cells. Due to the downsizing of the
  • An advantage of the circuit proposed in the context of the invention is that the current does not flow through other memory cells and is therefore not unnecessarily reduced.
  • a particularly high packing density of the memory cell arrangement can be achieved since fewer read amplifiers are required.
  • write lines are provided which run transversely to the bit lines and which cross the bit lines in the regions of the memory elements.
  • the memory elements can be arranged below, above or between the intersecting write lines and bit lines.
  • a current is sent through the associated write line and a current through the associated bit line.
  • the currents generate a magnetic field that is stronger in the memory cell than in the other memory cells. So that the magnetic field m of the memory cell is as large as possible, it is advantageous if the bit line and the write line are arranged as close as possible to the memory element.
  • one memory cell to be programmed can be programmed among the others Memory cells can be selected.
  • the memory cell does not require any transistors to be selected when writing, so that a greater packing density can be realized. leaves.
  • the gate electrodes of the transistors are part of the gate lines.
  • the transistor can e.g. be planar. This offers: the advantage that the standard technology for manufacturing the transistor can be used. To increase the packing density, it is also advantageous if the transistors of memory cells adjacent along the bit line have a common source / drain region in pairs.
  • the transistor In order to increase the packing density of the memory cell arrangement, the transistor can be designed vertically.
  • the memory cells can be connected to a common voltage connection. When reading out the memory cell, the current flows through the memory cell between the voltage connection and the bit line.
  • the memory cells can be connected to the write lines in such a way that, when reading out, the current between the associated write line and the associated bit line flows through the memory cell to be read out.
  • the write line and the gate line coincide. This is possible in particular if the memory cells are connected to the common voltage connection. Since, in the standard technology, the gate electrodes are produced immediately after the generation of gated electronics, it is advantageous if the gate electrodes are part of the gate lines. liable when the gate lines are first generated and in a later process step the write lines are generated adjacent to the gate lines. In this case, different materials can be used for the write line and for the gate line. Alternatively, the write line and the gate line are generated in one step as a common line.
  • a semiconductor structure can be produced in which a first source / drain region of the transistor is arranged above a channel region.
  • a second source / drain region of the transistor can be arranged below the channel region or diagonally downwards, offset from the channel region.
  • the gate line is arranged at least on a first flank of the semiconductor structure r.
  • a gate line adjacent to the gate line is connected to a second, the first.
  • Flank opposite flank is arranged.
  • Case borders an area in the canal area ment that prevents the formation of a channel on the second flank. This prevents the adjacent gate line from controlling the transistor.
  • the gate line can e.g. be arranged both on the first flank and on the second flank.
  • the element that prevents the formation of a channel can be used to increase the packing density e.g. be a channel stop area.
  • the channel stop region is doped with the same conductivity type as the channel region, but has a higher dopant concentration.
  • the channel stop area can e.g. be generated by oblique implantation or by diffusion of dopant from a material.
  • the element that prevents the formation of a channel can be used to increase the packing density e.g. can also be produced in the form of a preferably spacer-shaped insulating structure.
  • trenches can be produced in a substrate or in m layers arranged above the substrate, as a result of which the semiconductor structure is produced in the form of a strip.
  • the gate lines are created in the trench.
  • the semiconductor structure is part of memory cells that are adjacent to one another along the gate line. So that the gate line between first source / dram regions of the semiconductor structure does not generate any channels, further elements which prevent the formation of channels can be arranged between adjacent first source / dram regions.
  • a semiconductor structure is produced for each memory cell by producing a lattice-shaped depression in the form of first trenches and second trenches running transversely to the first trench in the substrate or in layers arranged above the substrate, as a result of which the semiconductor structure is formed in the form of a cuboid.
  • the gate lines are in the lattice-shaped depression, for example in and along the first gray. Insulating structures which prevent the formation of channels can be produced between semiconductor structures adjacent along the gate line in the lattice-shaped depression, for example in the second trench.
  • the gate line in the lattice-shaped depression between the semiconductor structures adjacent along the gate line.
  • the gate line surrounds the semiconductor structure in a ring. This arrangement is advantageous for increasing the channel width and thus for increasing the current through the transistor. So that neighboring semiconductor structures can be driven across the gate line by different gate lines, adjacent gate lines share one of the first trenches. To increase the packing density, it is advantageous if parts of the gate lines arranged in the first trench are spacer-shaped.
  • the gate line is arranged only on the first flank of the semiconductor structure and folded bit lines are provided, it is advantageous to increase the packing density if gate lines which are adjacent to one another are arranged together in one of the trenches. In this case, the elements which prevent the formation of channels alternately adjoin a first flank and a second flank of the graves in which the gate lines are arranged. To increase the packing thickness, it is particularly advantageous if the gate lines are spacer-shaped. If no folded bit lines are provided, it is advantageous to simplify the process if the gate line fills the trench.
  • any element whose electrical resistance can be influenced by a magnetic field is suitable as a memory element.
  • the so-called Lorentz force acts perpendicular to the direction of movement on moving electrons that pass through a magnetic field.
  • a layer made of a material in which the Lorentz force causes the electrons to be pushed to one side of the layer can be used as the storage element.
  • the magnetic field effectively reduces the cross section of the layer perpendicular to the current flow and consequently increases the electrical resistance.
  • a layer made of a material which exhibits the so-called anisotropic magnetoresistance effect can be provided as the storage element. This effect is a property of the material and causes the size of the electrical resistance to depend on whether the magnetic field is perpendicular or parallel to the current flow.
  • the storage element is a GMR element.
  • TMR elements can also be used.
  • the memory element comprises a first magnetic layer, which requires a first threshold field to change its: magnetization direction, and a second magnetic? Layer which requires a second threshold field to change its direction of magnetization, the two magnetic layers being separated from one another by a non-magnetic layer.
  • the non-magnetic layer can be a dielectric or conductive, for example.
  • Configuration of the memory element such as the arrangement of an antiferromagnetic layer to hold the direction of magnetization of one of the magnetic layers, can be found, for example, in the prior art, which is shown in the introductory part of this description.
  • the magnetic layers are, for example, ferromagnetic.
  • the current flow through the memory element can be perpendicular (CPP arrangement or parallel (CIP arrangement) to the planes of the layers of the memory element.
  • the dimensions of the magnetic layers are such that each layer comprises only one magnetic domain.
  • the magnetization direction is essentially homogeneous within a domain. If the magnetic field penetrates most of the layer, the direction of magnetization of the entire domain and thus of the entire region does not change.
  • Another advantage is that the resistance of such a memory element takes on defined values. If, on the other hand, the layer comprises several domains, the resistance can vary due to different magnetization directions of the domains.
  • the switching speed of the memory element, the magnetic layers of which each comprise only one domain is also greater, since a change in the magnetization direction is effected by rotating the magnetization. In the case of a storage element whose magnetic layers each comprise a plurality of domains, the change in the direction of magnetization takes place both by rotating the magnetization and by shifting the domain walls.
  • Suitable materials for the magnetic layers are e.g. Ni, Fe, Co, Cr, Mn, Gd, Dy and alloys thereof, such as NiFe, NiFeCo, CoFe, CoCrFe, as well as MuBi, BiFe, CoS, CoPt, CoMnB, CoFeB.
  • Suitable insulating materials for the non-magnetic layer are e.g. AI2O3, MgO, NiO, HfC> 2, T1O2, NbC, S1O2 and DLC (diamonc-like carbon).
  • Suitable conductive materials for the non-magnetic layer are e.g. Cu or Ag.
  • a separation of the Material in a magnetic field or annealing the deposited material in a magnetic field can also produce a particularly large wave field.
  • Preferred directions of magnetization can be generated by depositing or annealing the magnetic layers in the magnetic field. These methods are based on physical effects such as stall anisotropy and uniaxial anisotropy.
  • the storage element can have more than two magnetic layers arranged one above the other, which are separated from one another by non-magnetic layers.
  • the Speicnerelement can be arranged next to the transistor. To increase the packing density, it is advantageous if the memory element is arranged above or below the transistor.
  • a contact can be arranged on the first source / drain region.
  • the write line on which insulation is arranged, can be arranged next to the contact.
  • the storage element is produced above the insulation and above and adjacent to the contact.
  • the bit line can be generated above the memory element.
  • the insulation on the write line is as thin as possible so that the influence of the write line on the memory element, i.e. the magnetic field generated by the write line at the location of the memory element is as large as possible.
  • the contact can be produced from a hard conductive material to produce the insulation.
  • the upper surfaces of which are initially at the same height, for example, the write line is removed somewhat by chemical mechanical polishing until the contact protrudes somewhat due to the hardness of the material.
  • the top surfaces of the The writing line and the contact are now at different heights.
  • insulating material is deposited and planarized by chemical mechanical polishing until the upper surface of the contact is exposed. The thickness of the insulation depends on the difference between the heights of the upper surfaces of the write line and the contact ao, ie it depends on how far the contact protruded.
  • the write line should be arranged as close as possible to the memory element, it is advantageous to increase the packing density if the contact and the write line are arranged as close as possible to one another.
  • an insulating layer can be produced, in which the contact is produced. With the help of a strip-like mask that partially overlaps the contact, the insulating layer is selectively etched to the contact. Then conductive material is deposited and jerked or planarized, which creates the write line.
  • a separating layer can be created at least on the exposed surfaces of the contact before the write line is produced.
  • a contact hole is first created to produce the contact, the side faces of which are provided with the separating layer and which is then filled with conductive material.
  • the interface layer is selectively etched into the insulating layer when the write line is generated. This also applies analogously to the bit line if the bit line is arranged under the memory element.
  • the insulating layer is cut through when the write line is generated until the gate line is exposed.
  • the contact can also contact the storage element from the side instead of from below. This is particularly advantageous in the event that the current flow through the storage element runs parallel to the planes of its layers. If the current flow is vertical to the planes of the layers of the storage element, then if the contact is made after the storage element, a contact hole can first be produced which is adjacent to the storage element. The separating layer, which extends to below the first magnetic layer of the storage element, is produced on side surfaces of the contact hole by means of separators and etching back. The contact hole is filled by depositing conductive material. The conductive material is then etched back until a contact is made, the upper surface of which is at the level of the first magnetic layer. The second magnetic layer is contacted by the bit line.
  • the memory cell arrangement can in particular be used as an MRAM memory cell arrangement.
  • the transistor For reading out, the transistor is driven via the associated gate line and a current is sent through the memory cell, which is read out on the bit line.
  • the current through or the voltage drop across the memory cell depends on the electrical resistance of the memory element, which in turn depends on the direction of magnetization of the softer of the two magnetic layers.
  • FIG. 1 a shows a cross section through a first substrate after a first layer, a second layer, strip-shaped doped regions and a first mask have been produced.
  • Figure lb shows a perpendicular to the cross section of Figure la. Cross section through the first substrate, after the process steps from Figure la.
  • FIG. 2 shows the cross section from FIG. 1 a after trenches, semiconductor structures, first source / drain regions, channel regions, second source / drain regions and channel stop regions have been produced.
  • Figure 3a shows the cross section of Figure 2 after a gate dielectric, gate lines, a first insulating? Layer, separation layers, contacts and write lines were created.
  • FIG. 3b shows the cross section from FIG. 1b after the process steps from FIG. 3a.
  • FIG. 3c shows a top view of the first substrate, in which the trenches, contacts and a second mask are shown.
  • FIG. 4a shows the cross section from FIG. 3a after an insulation, a first magnetic layer, a non-magnetic layer, a second magnetic layer
  • FIG. 4b shows the cross section from FIG. 3b after the process steps from FIG. 4a.
  • FIG. 4c shows a circuit diagram of a first MRAM cell arrangement.
  • FIG. 5a shows a cross section through a second substrate after a first layer, a second layer, a third layer and a first mask have been produced.
  • FIG. 5b shows a cross section perpendicular to the cross section from FIG. 5a through the second substrate after the process steps from FIG. 5a.
  • FIG. 6a shows the cross section from FIG. 5a after a lattice-shaped depression, semiconductor structures, a gate dielectric, first source / drain regions, channel regions, second source / drain regions and gate
  • FIG. 6b shows the cross section from FIG. 5b after the process steps from FIG. 6a.
  • FIG. 7a shows the cross section from FIG. 6a after a first insulating layer, separating layers, contacts, write lines and a second insulating layer have been produced.
  • FIG. 7b shows the cross section from FIG. 6b after the process steps from FIG. 7a.
  • FIG. 8a shows the cross section from FIG. 7a after an insulation, storage elements, a third insulating
  • FIG. 8b shows the cross section from FIG. 7b after the process steps from FIG. 8a.
  • FIG. 9 shows the top view of a third substrate after an insulating structure has been produced.
  • FIG. 10 shows a cross section through the third substrate after the first insulating structure, first source / drain regions, second source / drain regions, channel regions, gate lines and etch stop structures have been produced.
  • FIG. 11a shows the cross section from FIG. 10 after a first insulating layer, separating layers, contacts and write lines have been produced.
  • FIG. 11b shows a cross section perpendicular to the cross section from FIG. 11a through the third substrate after the process steps from FIG. 11a.
  • Figure 12a shows the cross section of Figure 11a after a
  • Isolation, memory elements, a second insulating layer and bit lines were generated.
  • FIG. 12b shows the cross section from FIG. 11b after the process steps from FIG. 12a.
  • FIG. 13 shows a cross section through a fourth substrate after a first mask, trenches, semiconductor structures, first source / drain regions, channel regions, second source / drain regions, channel stop regions, a gate dielectric, gate lines, a first insulating layer, write lines, an insulation, a second metal layer, a first magnetic layer, a dielectric, a second magnetic
  • FIG. 14 shows the cross section from FIG. 13 after a third insulating layer, a fourth insulating layer
  • FIG. 15 shows a cross section from FIG. 14 after contacts have been produced.
  • FIG. 16a shows a cross section from FIG. 15 after a fifth insulating layer and bit lines have been produced.
  • FIG. 16b shows a cross section perpendicular to the cross section from FIG. 16a through the fourth substrate after the process steps from FIG. 16a.
  • FIG. 17a shows a cross section through a fifth substrate after generation of a fifth MRAM cell arrangement in which a memory cell comprises a vertical transistor and a memory element, two gate lines being produced in graves.
  • FIG. 17b shows a circuit diagram of the fifth MRAM cell arrangement.
  • FIG. 18a shows a cross section through a sixth substrate after generation of a sixth MRAM
  • a memory cell comprises a vertical transistor and in which a gate line is electrically connected to a write line.
  • FIG. 18fc shows a circuit diagram of the sixth MRAM cell arrangement.
  • FIG. 19a shows a cross section through a seventh substrate after generation of a seventh MRAM cell arrangement in which a memory cell comprises a planar transistor and the memory cell is connected between a write line and a bit line.
  • FIG. 19b shows a circuit diagram of the seventh MRAM cell arrangement.
  • FIG. 20a shows a cross section through an eighth substrate after generation of an eighth MRAM cell arrangement in which a memory cell comprises a planar transistor, in which the memory cell is connected between a write line and a bit line and in which the write line is electrically connected to a gate line connected is.
  • FIG. 20b shows a circuit diagram of the eighth MRAM cell arrangement.
  • a first substrate a is a silicon wafer which is p-doped and has a dopant concentration of approx. 10 ⁇ 5 c ⁇ rT J.
  • An approximately 500 nm thick n-doped first layer Sia is produced by in situ doped epitaxy and has a dopant concentration of approximately 5 * 10-22 cm -3.
  • an approximately 450 nm thick p-doped second layer S2a is generated by in situ doped epitaxy, which has a dopant concentration of approximately 3 * 10 17 cm ⁇ 3 (see Figures la and lb).
  • the stripes of which are approx. 500 nm wide have a distance of approx. 500 nm from each other and run parallel to an x-axis X, approx. 100 nm thick n- doped stripe-shaped areas GE produced (see Figures la and lb).
  • the dopant concentration of the stripe-shaped doped Areas GE is about 5x ⁇ 0 20 cm 'i .
  • Their dopant is activated by a tempering step.
  • the x-axis x runs parallel to a surface Oa of the first substrate a.
  • first mask Mla In order to produce a first mask Mla, S1O2 is deposited using a TEOS process with a thickness of approximately 100 nm and structured in strips by a photolithographic process.
  • the strips of the first mask Mla run parallel to a y-axis Y, which runs perpendicular to the x-axis X and parallel to the surface 0a.
  • the strips of the first mask Mla are approximately 750 nm wide and have a spacing of approximately 500 nm from one another (see FIGS. 1 a and 1 b).
  • silicon is e.g. HBr + NF3 + He - O2 etched about 600 nm deep, which creates trenches Ga.
  • the trenches Ga cut through the strip-shaped doped regions GE, and the second layer S2a and extend into the first layer Sla up to m.
  • Strip-shaped semiconductor structures STa are formed between the trenches Ga.
  • first source / drain regions IS / Da of vertical transistors arise from the strip-shaped regions GE.
  • Parts of the second layer S2a which are arranged below the first source / drain regions IS / Da are suitable as channel regions KAa.
  • Parts of the first layer Sla, which are arranged below the channel regions KAa, are suitable as second source / drain regions 2S / Da.
  • the second source / drain regions 2S / Da of the transistors are therefore electrically connected to one another. They are connected to a voltage connection.
  • channel stop regions Ca are generated in the region of the channel regions KAa and adjacent to first flanks Ga (see FIG. 2).
  • a dimension of the channel stop regions Ca parallel to the x-axis X is approximately 100 nm.
  • the dopant concentration of the channel stop regions Ca is approximately 10 19 c ⁇ tT 3 .
  • An approximately 10 nm thick gate dielectric GDa is produced by thermal oxidation (see FIG. 3a).
  • To generate gate lines GLa n-doped polysilicon is deposited in situ to a thickness of approx. 150 nm and etched back with approx. 200 nm, for example with C2Fg + O2. This creates the gate lines GLa, which fill the trench Ga. Parts of the gate lines GLa, which are arranged in the region of the channel regions KAa, are suitable as gate electrodes of the transistors.
  • a first insulating layer 1a is produced by depositing S1O2 m with a thickness of approx. 1500 nm and by chemical mechanical polishing to a thickness of approx. 1000 nm (see FIGS. 3a and 3b).
  • contact locators are etched in the first insulating layer 1 a by a photolithographic process until the first source / drain regions IS / Da are exposed.
  • an etchant e.g. CHF3 + O2, CHF3 + CF4 ,. C4F8 + CO suitable.
  • silicon nitride is deposited in a thickness of approximately 50 nm and etched back, as a result of which the separating layer Ta is formed in the form of spacers.
  • an etchant e.g. CHF3 + O2 suitable.
  • the contacts Ka are produced in the contact holes by depositing tungsten with a thickness of approximately 500 nm and scratching it back.
  • an etchant e.g. SFg + H2 + O2 suitable (see Figures 3a and 3b).
  • a strip-shaped second mask M2a is produced from photoresist (see FIG. 3c).
  • the strips of the second mask M2a are approx. 530 nm wide, are at a distance of approx. 750 nm from one another, run parallel to the y-axis Y and partially overlap the contacts Ka.
  • the second mask M2a is used to selectively etch S O2 to a depth of approximately 500 nm to form tungsten and silicon nitride.
  • C2F5 + O2 is suitable as an etchant.
  • the separating layer Ta is partially exposed. After the second mask M2a has been removed, copper is deposited in a thickness of approximately 1 ⁇ m.
  • the body and part of the first insulating layer 1 a are removed by chemical mechanical polishing until the contacts Ka protrude by about 50 nm due to the greater hardness of tungsten (see FIGS. 3a and 3b).
  • Write lines SLa are formed from the copper.
  • S1O2 is deposited with a thickness vc of approx. 100 nm and applied by chemical mechanical polishing until an upper surface of the contacts Ka is exposed. This creates the approx. 50 nm thick insulation la above the write lines SLa.
  • Co m is deposited to a thickness of approximately 10 nm.
  • Ea Al2O3 is produced by applying aluminum with a thickness of approx. 3 nm and oxidizing it in a plasma.
  • NiFe is deposited in a thickness of 10 nm.
  • the second magnetic layer F2a, the dielectric Ea and the first magnetic layer Fla are etched with the aid of a third photoresist mask analogous to the second Masxe M2a. by sputtering with Ar (see Figure 4a).
  • a third photoresist mask analogous to the second Masxe M2a. by sputtering with Ar (see Figure 4a).
  • To create a second insulating layer 2a we; Deposited S1O2 in a thickness of approximately 100 nm and planarized by chemical mechanical polishing until the second magnetic layer F2a is exposed.
  • bit lines Ba copper is deposited with a thickness of approximately 500 nm.
  • S1O2 is deposited with a thickness of approx. 50 nm and structured in the form of a strip by means of a photolithographic process.
  • the stripes of the fourth mask M4a are approximately 5C nm wide and are approximately 500 nm apart open, cover the contacts Ka and run parallel to the x-axis X.
  • the fourth mask M4a is used to etch copper with, for example, BCI3 + CI2 + CH4, which creates the bit lines Ba.
  • the second magnetic layer F2a, the dielectric Ea and the first magnetic layer Fla are then severed (see FIGS. 4a and 4b). In this way, memory elements are formed above the write lines SLa, each of which comprises a part of the first magnetic layer Fla, the dielectric Ea and the second magnetic layer F2a.
  • a first MRAM cell arrangement is generated by the described method.
  • a memory cell comprises one of the memory elements and one of the vertical transistors (see FIG. 4c). The memory element and the transistor are connected in series.
  • the memory cell is connected between the bit line Ba connected to the second magnetic layer F2a and the voltage connection (ground) (see FIG. 4c).
  • a current is sent through the write line SLa, which traverses the memory cell, and through the bit line Ba.
  • a magnetic field is generated which in the storage element exceeds a threshold field of the associated part of the second magnetic layer F2a, as a result of which its magnetization is aligned in accordance with the magnetic field.
  • the magnetic field is smaller than the threshold field of the associated part of the first magnetic layer Fla, which is harder than the second magnetic layer F2a, which is why its direction of magnetization is retained. Since the magnetic field is a superimposition of a magnetic field of the cry line SLa and a magnetic field of the bit line Ba, and no currents flow through the other bit lines Ba and write lines SLa, the magnetic field in the memory element is greatest in comparison to the other memory elements. In the remaining memory elements, the magnetic field is smaller than the threshold field of the second magnetic layer F2a, which is why the other memory cells are not programmed.
  • the transistor is driven via the gate line GLa that is connected to it. The current that flows between the bit line Ba and the voltage connection is measured.
  • the voltage drop between the bit line Ba and the voltage connection is measured.
  • the current or the voltage depends on the electrical resistance of the storage element.
  • the direction of magnetization of the associated part of the second magnetic layer F2a and thus the information of the memory cell can thus be determined from the current or the voltage.
  • a second substrate b a p-ootized silicon wafer, the dopant concentration of which is approximately 10 ⁇ cm -3 .
  • An approximately 500 nm thick n-doped first layer S1b is generated by in situ doped epitaxy, the dopant concentration of which is approximately 5 * 10-20 cm ⁇ 3 .
  • An approximately 350 nm thick p-doped second layer S2b, the dopant concentration of which is approximately 3 * 10 ⁇ 7 cm -3, is generated by in situ doped epitaxy.
  • a TEOS method S1O2 is deposited to a thickness of approximately 100 nm and is structured in a strip-like manner by a photolithographic method with a first photoresist mask (not shown).
  • the strips have a width of approx. 500 nm and a spacing of approx. 500 nm from one another and run parallel to a y-axis Y.
  • spacers become spaced on the flanks creates, which widens the stripes.
  • the width of the widened strips is approximately 750 nm.
  • CHF3 + O2 for example, is suitable as an etchant.
  • the stripes of which are parallel to an x-axis X, perpendicular to the y-axis Y and parallel to a surface of the second sub- strats b runs, run, have a width of approx. 500 nm and a distance of approx. 500 nm from each other, S1O is etched, whereby the widened stripes result in the first mask Mlb (see FIGS. 5a and 5b).
  • first source / drain regions IS / Db of vertical transistors emerge from the third layer S3b and channel regions KAb of the transistors from the second layer S2b.
  • Parts of the first rails S1b arranged under the channel regions KAb are suitable as second source / drain regions 2S / Db of the transistors.
  • the second source / drain regions 2S / Db are electrically connected to one another (see FIGS. 6a and 6b). They are electrically connected to a voltage connection.
  • m are formed in the lattice-shaped recess V itself, ie without using masks to be adjusted, gate lines GLb running parallel to the x-axis X, which form the semiconductor structures STb in a ring shape umgeoen (see Figures 6a and 6b). Since distances between semiconductor structures STb adjacent along the x axis X are smaller than distances between semiconductor structures STb adjacent along the y axis Y, the gate dielectric GDb between the semiconductor structures STb adjacent along the x axis X is not exposed.
  • the gate lines GLo act as gate electrodes of the transistors.
  • the gate lines GLb are spacer-shaped.
  • a first insulating layer 1b SiO ? deposited in a thickness of approx. 1500 nm and reduced to a thickness of approx. 1000 nm by chemical mechanical polishing.
  • copper is deposited in a thickness of approximately 1 .mu.m and structured in a strip shape by means of a photolithographic method, for example BCI3 + CI2 + CH4.
  • the strips of the write lines SLb run parallel to the x-axis X, are approximately 500 nm wide and are at a distance of approximately 500 nm from one another (see FIG. 7b).
  • the write lines are staggered but not complementary to the second photoresist mask.
  • S1O2 is deposited with a thickness of approximately 1 .mu.m and pianized by chemical mechanical polishing until the upper surfaces of the write lines SLb are exposed.
  • a third photoresist mask (not shown), which does not cover rectangular regions which partially overlap the write lines SLb, S1O2 is selectively etched to the write lines SLb until the first source / dram regions IS / Db are exposed.
  • the first insulating layer 1b and the second insulating layer 2b are cut through.
  • the rectangular areas are selected in such a way that contact holes are produced which end at the first source / drain regions 15 / Db (see FIGS. 7a and 7b).
  • silicon nitride is deposited with a thickness of approximately 50 nm and etched back, as a result of which the separating layer Tb is formed on the side surfaces of the contact holes in the form of spacers.
  • tungsten is deposited in a thickness of approx. 500 nm and etched back, to what extent. de contact hole with wolf ram are filled up and contacts Kb arise.
  • the separation layer Tb the contacts Kb from the write lines SLb.
  • the write lines SLb and the second insulating layer 2b are applied approximately 50 nm by chemical mechanical polishing.
  • the contacts Kb protrude about 50 nm due to the greater hardness of tungsten (see FIGS. 7a and 7b).
  • S1O2 is deposited with a thickness of approx. 100 nm and planed by chemical mechanical polishing until an upper surface of the contacts Kb is exposed. This creates the approx. 50 nm thick insulation Ib above the write lines SLb.
  • a first magnetic layer Flb and a second magnetic layer F2b are produced, which are structured in the form of a strip by means of a photolithographic method, the strips running parallel to the x-axis X and being approximately 500 nm wide, a distance apart 500 nm from each other and partially cover the contacts Kb and - separated by the insulation lb - the write lines SLb.
  • bit lines Bb are generated a third isolated layer 3b analogous to the second insulating layer 2a and memory elements SPb, the bit lines Bb running parallel to the y-axis Y (see FIGS. 8a and 8b).
  • a second MRAM cell arrangement is generated by the written method.
  • a third substrate c made of silicon, which is p-doped and has a dopant concentration of approximately 10 15 cm -3 .
  • depressions m are etched onto the third substrate c and filled up with S1O2.
  • the insulating structure Ilc comprises strips running parallel to an x-axis X and strips running parallel to a y-axis Y.
  • the x-axis X runs perpendicular to the y-axis Y.
  • the strips running parallel to the y-axis Y are approximately 500 nm wide and are at a distance of approximately 2.5 ⁇ m from one another.
  • the strips running parallel to the x-axis X are approximately 500 nm wide and are spaced approximately 500 nm apart.
  • the strips running parallel to the x-axis X are not continuous, but are divided into m regularly arranged sections. The sections are each 2.5 ⁇ m long.
  • the strips running parallel to the y-axis Y cross the centers of the sections (see FIG. 9).
  • the insulating structure Ilc is approximately 500 nm deep.
  • the third substrate c By implantation with p-doping ions, an approximately 500 nm deep well W is produced in the third substrate c, which has a dopant concentration of approximately 3 * 10 17 cm ⁇ 3 . Your dopant is activated by a tempering step.
  • An approximately 10 nm thick gate dielectric GDc is generated on a surface Oc of the third substrate c by thermal oxidation.
  • Gate lines GLc are formed from the tungsten silicide parallel to the y-axis Y, each of which is approximately 500 nm wide. In each case two gate lines GLc are arranged between the strips of the insulating structure Ilc running parallel to the y-axis Y and are at a distance of approximately 500 nm from one another (see FIG. he figure IC,.
  • silicon nitride is deposited to a thickness of approx. IOC nm and etched back, as a result of which spacers are formed on the flanks of the gate lines GLc, which, together with the silicon nitride, form etch stop structures Ac on the gate lines GLc (see FIG. 10).
  • first source / drain regions IS / DLC and second source / drain regions 2S / DC of planar transistors (see FIG. 10).
  • the second source / drain regions 2S / Dc arise between the two mutually adjacent gate lines GLc, which are arranged between the strips of the first insulating structure Ilc running along the y-axis Y.
  • the first source / drain regions IS / Dc and the second source / drain regions 2S / Dc are approximately 100 nm deep.
  • Second source / drain regions 2S / Dc of transistors adjacent along the y axis Y form a common strip-shaped doped region and are consequently electrically connected to one another.
  • first insulating layer 1c SiO 2 is deposited in a thickness of approximately 1.5 ⁇ m and reduced to a thickness of approximately 1 ⁇ m by chemical mechanical polishing. Contact holes are produced over the first source / drain regions IS / Dc by means of a photolithographic method. CHF3 + O2 is suitable as an etchant.
  • silicon nitride is deposited to a thickness of approximately 50 nm and etched back, as a result of which the separating layer Tc is formed in a spacer-like manner on the side faces of the contact holes (see FIGS. 11a and 11b).
  • tungsten is deposited to a thickness of approximately 500 nm and etched back, as a result of which the contact holes are filled and contacts Kc are produced which contact the first source / drain regions IS / Dc.
  • SFg + H2 + C'2 is suitable as an etchant (see FIGS. 11a and 11b).
  • a strip-like second photoresist mask (not shown, SiO 2 is etched selectively to tungsten and silicon nitride to a depth of approximately 500 nm with, for example, C2S5 + O2.
  • the strips of the second photoresist mask are essentially complementary to the strips provided for the generation of the gate lines GLc first photoresist mask, with the difference that the strips are somewhat thinner and therefore the contacts Kc are partially exposed.
  • An insulation Ic, memory elements SPc, a second insulating layer 2c and bit lines Bc running parallel to the x-axis X are then generated analogously to the previous two exemplary embodiments (see FIGS. 12a and 12b.
  • a third MRAM is
  • a fourth substrate d is a silicon wafer, the p- is doped and has a dopant concentration of approximately 10 15 crrf 3 .
  • a first layer Sld, a second layer S2d, stripe-shaped doped regions, a first mask Mld, trenches Gd running perpendicular to an x-axis X, stripe-shaped semiconductor structures STd, first source / drain regions IS / Dd, channel regions KAd, second source / drain regions 2S / Dd, channel stop regions Cd, a gate dielectric GDd and gate lines GLd are generated.
  • first insulating layer Id S1O2 m is deposited to a thickness of approximately 1 ⁇ m and is planed to a thickness of approximately 500 nm by chemical mechanical polishing (see FIG. 13). Subsequently, a first metal layer made of AlSiCu with a thickness of approx. 1 ⁇ m, an insulation Id made of approx. 20 nm thick made of S1O2, an approx.
  • SiOm is deposited to a thickness of approximately 500 nm and planarized by chemical mechanical polishing until the third metal layer Me3, which acts as an etch stop, is exposed.
  • SiO 2 is deposited in a thickness of approximately 20 nm.
  • a mask made of tungsten M2d is then produced by depositing tungsten in a thickness of approximately 20 nm and structuring it photolithographically.
  • the mask made of tungsten M2d does not cover rectangular areas. The rectangular areas are arranged such that a part of the fourth metal layer Me4 and the first source / drain regions IS / Dd are exposed during the subsequent etching of SiO 2 (see FIG. 14).
  • SiO 2 is deposited to a thickness of approximately 50 nm and etched back until the second metal layer Me2, which acts as an etching stop, is exposed, but the write lines SLd are not exposed (see FIG. 14).
  • contacts Kd To produce contacts Kd, tungsten is then deposited to a thickness of approximately 500 nm and planarized by chemical "mechanical polishing until the fourth insulating layer 4d is exposed. The mask made of tungsten M2d is removed. Then tungsten is selectively etched back to SiO 2 , until an upper surface of the resulting contacts Kd lies in the region of the second metal layer Me2, the fourth insulating layer 4d acting as a mask, a part of the fourth metal layer Me4 being removed in the process.
  • the contacts Kd each connect a first source / drain region IS / Dd with part of the second metal layer Me2 (see FIG. 15).
  • SiO 2 is deposited to a thickness of approximately 500 nm and planarized by chemical mechanical polishing until an upper surface of the fourth metal layer Me4 is exposed.
  • the fourth metal layer Me4 is removed with the help of SFg + H2 + O2.
  • SiO 2 is planarized by chemical mechanical polishing until an upper surface of the third metal layer Me3 is exposed.
  • the second insulating layer 2d is removed.
  • bit lines Bd AlSiCu m is deposited to a thickness of approximately 1 ⁇ m and etched together with the third metal layer Me3, the second magnetic layer F2d, the dielectric Ed, the first magnetic layer Fld and the second metal layer Me2.
  • the write lines SLd are separated from the memory elements by the insulation Id (see FIGS. 16a and 16b).
  • a fourth MREM cell arrangement is generated by the described method.
  • the memory elements are contacted from the side.
  • a fifth substrate e is a silicon wafer which is p-doped and has a dopant concentration of approximately 10 ⁇ cm -3 .
  • first flanks of the trenches Ge are doped by oblique implantation. This creates p-doped channel stop areas Ce.
  • second flanks of the oblique implantation are made Trenches Ge implanted. This creates additional channel stop areas Ce.
  • the dopant concentration of the channel stop regions Ce is approx. 10 19 cm ⁇ 3 .
  • Channel stop regions Ce adjacent to one of the trenches Ge are arranged alternately on the first flank and on the second flank of the trench Ge.
  • GDe An approximately 10 nm thick gate dielectric GDe is generated by thermal oxidation.
  • in-situ n-doped polysilicon is deposited to a thickness of approximately 150 nm and etched back until the gate lines GLe are formed in the form of spacers on the first flanks and on the second flanks of the trenches Ge.
  • insulating layers le, 3e, 5e, write lines SLe, insulation le, memory elements SPe, contacts Ke, separating layers Te and bit lines Be are produced (see FIG. 17a).
  • a fifth MRAM cell arrangement is generated by the described method.
  • the fifth MRAM is generated by the described method.
  • Memory cell arrangement has folded bit lines Be, since the alternating arrangement of the channel stop regions Ce ensures that adjacent memory cells, i.e. Memory cells which are connected to mutually adjacent bit lines Be are not driven by the same gate line GLe (see FIG. 17b).
  • a sixth exemplary embodiment analogously to the first exemplary embodiment, starting from a sixth substrate f, a first mask Mlf, trenches Gf, vertical transistors T, channel stop regions Cf, gate lines GLf, write lines SLf, separating layers Tf, contacts Kf and a first Insulating layer lf produced with the difference that the first mask Mlf is produced from silicon nitride.
  • the write lines SLf when the write lines SLf are generated, the device is etched until the gate lines GLf are exposed. By filling with copper, the write lines SLf are created adjacent to the gate lines GLf.
  • An insulation lf, memory elements SPf, a second insulating layer 2f and bit lines Bf are produced analogously to the first exemplary embodiment (see FIG. 18a).
  • a sixth MRAM cell arrangement is generated by the described method.
  • the associated transistor T is driven because the associated write line SLf is electrically connected to the gate line GLf of the transistor T (see FIG. 18b).
  • a seventh substrate is g, a silicon wafer
  • the p-doped and a dopant concentration of approximately l ⁇ ! 5 comprises C m-3.
  • depressions are produced by a photolithographic process, which are filled with S1O2.
  • the insulating structure Ilg has strips running parallel to a y-axis and strips running parallel to an x-axis X.
  • the y-axis runs perpendicular to the x-axis X, both of which run parallel to a surface Og of the seventh substrate g.
  • the strips of the insulating structure Ilg running parallel to the y-axis have a width of approximately 500 nm and a distance of approximately 1500 nm from one another.
  • the strips of the structure Ilg running parallel to the x-axis X have a width of approximately 500 nm and a distance of approximately 500 nm from one another.
  • planar transistors, gate lines GLg running parallel to the y-axis and etch-stop structures Ag are produced, one in each case
  • Transistor between two adjacent to each other in parallel the y-axis extending strips of the insulating structure Ilg are arranged.
  • a SiG 2 is deposited in a thickness of approximately 1 ⁇ m in order to produce a first insulating layer 1g and planarized by chemical mechanical polishing.
  • Contact holes up to a first source / drain region IS / Dg of the transistors are produced by a photolithographic method. The contact holes are then filled with tungsten to produce deep contacts KTg.
  • SiO 2 is deposited to a thickness of approximately 1 ⁇ m and planarized.
  • contacts Kg are produced via second source / drain regions 2S / Dg of the transistors, which contacts are provided with a separating layer Tg on the side surfaces.
  • write lines SLg are generated, with the difference that the write lines SLg are so wide that they overlap the deep contacts KTg.
  • the first source / drain regions IS / Dg are therefore connected to the write lines SLg.
  • An insulation Ig, memory elements SPg, a third insulating layer Sg and bit lines Bg are generated analogously to the previous exemplary embodiments (see FIG. 19a).
  • a seventh MRAM cell arrangement is generated by the described method.
  • Memory cells each include one of the transistors and one of the memory elements that are connected in series.
  • the memory cells are each connected between the associated bit line Bg and the associated write line SLg (see FIG. 19b).
  • an insulating structure Ilh, planar transistors Th, gate lines GLh, etch stop structures Ah and a first insulating layer lh are produced as in the seventh exemplary embodiment.
  • contact holes for deep contacts KTh are produced, with the difference that the etch stop structures Ah made of silicon nitride are also etched.
  • an etchant e.g. CHF3 + O2 suitable.
  • the lower contacts KTh additionally contact the gate lines GLh.
  • a second insulating layer 2h contacts Kh, write lines SLh, memory elements SPh, a third insulating layer 3h and bit lines Bh are produced (see FIG. 20a).
  • Memory cells each include one of the transistors Th and one of the memory elements SPh, which are connected in series.
  • the memory cells are each connected between the associated bit line Bh and the associated write line SLh.
  • the associated transistor Th is driven, since the associated write line SLh is electrically connected to the gate line GLh of the transistor Th (see FIG. 20b).
  • the dimensions of the layers, trenches, masks, spacers, regions, lines and structures described can be adapted to the respective requirements as desired. The same applies to the proposed dopant concentrations. Conductivity types of layers, areas, wells and substrates can be interchanged.
  • the exemplary embodiments can be scaled, for example. For this, the dimensions are corrected according to a scaling factor.
  • One difference between the fourth and fifth exemplary embodiments is that folded bit lines are provided in the fifth exemplary embodiment, which are realized with the aid of alternately arranged channel stop regions and by arranging two gate lines per trench. These features can easily be integrated into the first and the sixth exemplary embodiment in order to obtain variants with folded bit lines.
  • Features from the fourth and fifth exemplary embodiments, which enable the lateral contacting of the memory elements, can take the place of contacting from below.

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Abstract

Eine Speicherzelle umfaßt ein Speicherelement, dessen elektrischer Widerstand eine Information darstellt und von einem Magnetfeld beeinflußbar ist, und einen Transistor, wobei der Transistor beim Auslesen der Information die Auswahl der zugehörigen Speicherzelle unter den Speicherzellen gestattet. Zum Schreiben der Information sind eine Schreibleitung (SLa) und eine Bitleitung (Ba) vorgesehen, die sich im Bereich des Speicherelements kreuzen und das Magnetfeld erzeugen können. Das Speicherelement und der Transistor können in Reihe geschaltet sein. Die Speicherzelle kann zwischen der Bitleitung (Ba) und einem für die Speicherzellen gemeinsamen Spannungsanschluß geschaltet sein. Die Speicherzelle kann zwischen der Bitleitung (Ba) und der Schreibleitung (SLa) geschaltet sein. Die Schreibleitung (SLa) kann mit einer Gate-Leitung (GLa), die den Transistor ansteuert, zusammenfallen. Der Transistor kann planar oder vertikal ausgebildet sein. Das Speicherelement und der Transistor können nebeneinander oder übereinander angeordnet sein.

Description

Beschreibung
Speicherzellenanordnung, bei der ein elektrischer Widerstand eines Speicherelements eine Information darstellt und durch ein Magnetfeld beeinflußbar ist, und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Speicherzellenanordnung, bei der ein elektrischer Widerstand eines Speicherelements eine In- formation darstellt und durch ein Magnetfeld beeinflußbar ist, und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Es gibt Elemente, deren elektrische Widerstände durch Magnetfelder beeinflußbar sind. Dazu gehören die sogenannten GMR- Elemente, die mindestens zwei ferromagnetische Schichten und eine dazwischen angeordnete nicht magnetische Schicht aufweisen und den sogenannten GMR- (giant magnetoresistiven) Effekt, das heißt sehr großen magnetoresistiven Effekt, zeigen. Unter dem GMR-Effekt wird die Tatsache verstanden, daß ein elektrischer Widerstand des GMR-Elements abhängig davon ist, ob die Magnetisierungen in den beiden ferromagnetischen Schichten parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sind. Durch ein Magnetfeld lassen sich die Magnetisierungsrichtung einer oder beider Schichten und folglich der elek- trische Widerstand des GMR-Elements ändern. Das GMR-Ele ent weist bei zu den Ebenen der Schichten des Speicherelements senkrechtem Stromfluß ( CPP-Anordnung, current perpendicular to plane) einen anderen elektrischen Widerstand und Magnetowiderstandseffekt auf als bei zu den Ebenen der Schichten des Speicherelements parallelem Stromfluß ( CIP-Anordnung, current in plane) (vgl. F.W. Patten at al, Overview of the DARPA Non-Volatile Magnetic Memory Program, IEEE 1996, Seiten 1-2) .
Ist die nicht magnetische Schicht leitend, so spricht man vom SV- (spin valve) Effekt. Ist die nicht magnetische Schicht isolierend, so spricht man vom ST- (spin tunneling) oder TMR- (tunnelmg magnetoresistance) Effekt (vgl. Patten et al a.a.O.) .
Um die Magnetisierungsrichtungen der beiden ferromagnetischeπ Schichten mit einem Feld, das beide Schichten durchdringt, parallel bzw. antiparallel zueinander ausrichten zu können, sind die Schwellenfelder, d.h. die kleinsten Felder, die zur Änderung der Magnetisierungsrichtungen erforderlich sind, für die Schichten unterschiedlich. Die Hohe der Schwellenfelder ist durch die Wahl der Materialien, durch die Dicke der
Schichten, durch die Große und Richtung des Magnetfelds beim Abscheiden der Schichten und durch die Temperatur beim Abscheiden der Schichten beeinflußbar (vgl. J.S. Moodera et al, J. Appl. Phys. 79 (8) 1996 Seiten 4724 bis 4729). Eine andere Möglichkeit, das Schwellenfeld einer ferromagnetischen
Schicht zu beeinflussen, besteht darin, angrenzend an die ferromagnetische Schicht eine antiferromagnetische Schicht anzuordnen, die die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht quasi festhalt und somit das Schwellenfeld der -ferromagnetischen Schicht effektiv erhöht.
In D. D. Tang et al, IEDM 95, Seiten 997 bis 999 und m D. D. Tang et al, IEEE Trans, on Magnetics, Vol. 31, Nr. 6, 1995, Seiten 3206 bis 3208, ist vorgeschlagen worden, derartige GMR-Elemenτe als Speicherelemente in einer Speicherzeilenanordnung zu verwenden. Die Magnetisierungsrichtung einer ersten ferromagnetischen Schicht eines Speicherelements wird durch eine benachbarte antiferromagnetische Schicht festgehalten. Die Magnetisierungsrichtung einer zweiten ferromagne- tischen Scnicht kann durch ein Magnetfeld, das großer als das Schwellenfeld der zweiten Schicht ist, verändert werden, ohne daß die Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht verändert wird. Damit jedes Speicherelement separat programmiert werden kann, sind Schreibleitungen vorgesehen, die sich im Bereich der Speicherelemente kreuzen. Zum Programmieren der Speicherzelle wird das Magnetfeld erzeugt, indem Strom durch die zugehörigen zwei Schreibleitungen geschickt wird. Die Strom- stärken sind so bemessen, daß erst die Überlagerung der Magnetfelder beider Schreibleitungen ausreicht, um die zur Veränderung der Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht erforderliche Mindeststärke zu überschreiten. Die Speicherelemente sind in Reihe geschaltet. Jeweils eine Reihe bildet eine Bitleitung. Die Schreibleitungen sind gegenüber den Bitleitungen und den Speicherelementen elektrisch isoliert. Zum Auslesen der Speicherzelle, d.h. zur Ermittlung der Magnetisierungsrichtung ihrer zweiten Schicht, wird zu- erst ein Lesestrom durch die entsprechende Bitleitung geschickt und die daran abfallende Gesamtspannung gemessen. Dann wird durch die beiden Schreibleitungen ein Magnetfeld erzeugt, das größer als das Schwellenfeld der zweiten Schicht ist. Stimm" die Richtung des Magnetfeldes mit der ursprüngli- chen, d.h. der Information darstellenden Magnetisierungsrichtung der zweiten Schicht überein, so ändert sich die Gesamtspannung an der Bitleitung nicht. Andernfalls ändert das Magnetfeld die Magnetisierungsrichtung der zweiten Schicht mit der Folge, daß sich die Gesamtspannung ändert.
In S. Tehrani et al, IEDM 96, Seite 193 ff., ist vorgeschlagen worden, als Speicherelement ein GMR-Element zu verwenden, das unterschiedlich dicke ferromagnetische Schichten aufweist. Das Magnetfeld zum Einschreiben von Information wird so bemessen, daß es die Mindeststärke zur Änderung der Magnetisierungsrichtung der dickeren der beiden ferromagnetischen Schichten überschreitet. Zum Auslesen, d.h. zur Bestimmung der Magnetisierungsrichtung der dickeren Schicht, wird ein Magnetfeld eingestellt, das die dünnere, aber nicht die dik- kere der beiden Schichten in eine ausgezeichnete Richtung ma- gnetisiert, und die zugehörige Spannung an einer Bitleitung gemessen. Anschließend wird ein Magnetfeld eingestellt wird, das die dünnere Schicht in die entgegengesetzte Richtung ma- gnetisiert und die zugehörige Spannung an der Bitleitung ge- messen. Aus dem Vorzeichen der Differenz der Spannungen erhält man d e Magnetisierungsrichtung der dickeren Schicht. Die Magnetisierung in der dickeren der beiden ferromagnetischen Schichten bleibt vom Auslesen unbeeinflußt.
Der Auslesevorgang über den Vergleich zweier hintereinander gemessener Spannungen erfordert einen erhöhten Schaltungsaufwand und dauert lange.
In US 5 640 343 wird eine MRAM-Zellenanordnung beschrieben, bei der Speicherelemente in einem x-y-Raster angeordnet sind. Erste Leitungen verlaufen senkrecht zu zweiten Leitungen. Die Speicherelemente sind jeweils zwischen einer der ersten Leitungen und einer der zweiten Leitungen geschaltet. Für jedes Speicherelement existiert eine Vielzahl paralleler Strompfade, durch die eine zuverlässige Widerstandsbestimmung er- schwert wird.
In US 5 173 873 wird eine MRAM-Zellenanordnung beschrieben, bei der ein Speicherelement eine magnetoresistive Schicht aufweist, die zwischen zwei ferromagnetischen Schichten ange- ordnet ist. Die Magnetisierungsrichtung einer der ferromagnetischen Schichten wird durch ein äußeres Magnetfeld geändert. Die andere der ferromagnetischen Schichten hat eine höhere Koerzitivkraft und ihre Magnetisierungsrichtung wird durch das Magnetfeld nicht verändert. Das Magnetfeld wird durch ei- ne Leitung, die am Speicherelement vorbeiläuft, erzeugt. Das Vorzeichen des Stromflusses durch die Leitung bestimmt, ob die Information 0 oder 1 auf das Speicherelement geschrieben wird. Die Leitung ist über einen Transistor, der das Speicherelement unter anderen Speicherelementen beim Schreiben auswählt, mit einer Schreibleitung verbunden. Zum Schreiben und zum Auslesen der Information sind mehrere Transistoren und mehrere Leitungen pro Speicherelement vorgesehen, die das Speichereiement unter anderen Speicherelementen auswählen. Nachteilig an dieser MRAM-Zellenanordnung ist, daß aufgrund der vielen Transistoren und Leitungen pro Speicherzelle ihre Packungsdichte niedrig ist. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Speicherzel- lenanordnung anzugeben, bei der ein elektrischer Widerstand eines Speicherelements eine Information darstellt und durch ein Magnetfeld beeinflußbar ist, und bei der die Information mit verringertem Schaltungsaufwand oder schneller ausgelesen werden kann. Ferner soll ein Herstellungsverfahren für eine solche Speicherzellenanordnung angegeben werden.
Dieses Problem wird gelost durch eine Speicherzellenanordnung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 11. Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen nervor .
Eine erfmdungsgemaße Speicherzellenanordnung umfaßt Spei- cherzellen, die jeweils ein Speicherelement, dessen elektrischer Widerstand eine Information darstellt und von einem Magnetfeld beeinflußbar ist, und einen einzigen Transistor umfassen, wobei der Transistor beim Auslesen der Information die Auswahl der zugehörigen Speicherzelle unter den Speicher- zellen gestattet.
Da die Transistoren die Auswahl einer Speicherzelle ermöglichen, ist die Messung zweier Spannungen zur Ermittlung des Widerstanαes der zu lesenden Speicherzelle nicht erforder- lieh. Die anderen Speicherzellen haben keinen Einfluß auf die Spannung. Dies verringert sowohl die Lesedauer als auch den Schaltungsaufwand. Die Zuverlässigkeit der Messung des Widerstands wird auch durch große Zellenfelder nicht beeinträchtigt.
Die Speicherzellen sind mit Bitleitungen verbunden. Entlang einer der Bitleitungen zueinander benachbarte Speicherzellen sind nicht m Reihe zueinander geschaltet. Zum Auslesen einer der Speicnerzellen wird der zugehörige Transistor über eine Gate-Leitung, αie quer zur Bitleitung verlauft, angesteuert und der Widerstand des Speicherelements aus dem Strom oder der Spannung der zugehörigen Bitleitung bestimmt. Da die Speicherzellen nicht als Teil der Bitleitung m Reihe geschaltet sind, beeinflußt nur die zu lesende Speicherzelle den Strom oder die Spannung der zugehörigen Bitleitung. Die übrigen Speicherzellen haben keinen Einfluß auf den Strom oder die Spannung.
Im Stand der Technik sind die Speicherzellen oft m Reihe geschaltet. Der zu messende Strom fließt nicht nur durch die auszulesende Speicherzelle, weshalb er durch andere Speicher- zellen verkleinert wird. Aufgrund der Verkleinerung des
Stroms, muß schon für eine geringe Zahl von hintereinander geschalteten Speicherzellen ein Leseverstarker vorgesehen werden, was einen großen Flachenbedarf zur Folge hat.
Ein Vorteil der im Rahmen der Erfindung vorgeschlagenen Ver- schaltung ist, daß der Strom nicht durch andere Speicherzellen fließt und deshalb nicht unnötig verkleinert wird. Außerdem laßt sich eine besonders hohe Packungsdichte der Speicherzellenanordnung erzielen, da weniger Leseverstarker beno- tigt werden.
Für die erfmdungsgemaße Schaltungsanordnung sind Schreibleitungen vorgesehen, die quer zu den Bitleitungen verlaufen unα die in Bereichen der Speicherelemente die Bitleitungen kreu- zen. Die Speicherelemente können unterhalb, oberhalb oder zwischen den sich kreuzenden Schreibleitungen und Bitleitungen angeordnet sein. Zum Programmieren einer Speicherzelle wird ein Strom durch die zugehörige Schreibleitung und ein Strom durch die zugehörige Bitleitung geschickt. Dabei erzeu- gen die Strome ein Magnetfeld, das m der Speicherzelle starker ist als m den m den übrigen Speicherzellen. Damit das Magnetfeld m der Speicherzelle möglichst groß ist, ist es vorteilhaft, wenn die Bitleitung und die Schreibleitung möglichst nah am Speicherelement angeordnet sind.
Durch die sich kreuzenden Schreibleitungen und Bitleitungen kann eine zu programmierende Speicherzelle unter den anderer Speicherzellen ausgewählt werden. Im Gegensatz zu US 5 173 873 benötigt die Speicherzelle keinen Transistoren zur Auswahl beim Schreiben, so daß sich eine größere Packungsdichte realisierer. läßt.
Zur Prozeßvereinfachung und zur Erhöhung der Packungsdichte ist es vorteilhaft, wenn Gateelektroden der Transistoren Teile der Gate-Leitungen sind.
Der Transistor kann z.B. planar ausgebildet sein. Dies biete: den Vorteil, daß die Standardtechnologie zur Herstellung des Transistors anwendbar ist. Zur Erhöhung der Packungsdichte ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn die Transistoren von entlang der Bitleitung benachbarten Speicherzellen paarweise ein gemeinsames Source/Drain-Gebiet aufweisen.
Zur Erhöhung der Packungsdichte der Speicherzellenanordnung kann der Transistor vertikal ausgebildet sein.
Die Speicherzellen können mit einem gemeinsamen Spannungsanschluß verbunden sein. Beim Auslesen der Speicherzelle fließ: der Strom zwischen dem Spannungsanschluß und der Bitleitung durch die Speicherzelle.
Alternativ können die Speicherzellen mit den Schreibleitunge: so verbunden sein, daß beim Auslesen der Strom zwischen der zugehörigen Schreibleitung und der zugehörigen Bitleitung durch die auszulesende Speicherzelle fließt.
Um die Anzahl an Leitungen zu verkleinern und folglich die Packungsdichte zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn die Schreibleitung und die Gate-Leitung zusammenfallen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Speicherzellen mit dem gemeinsamen Spannungsanschluß verbunden sind. Da in der Stan- dardtechnclogie die Gateelektroden gleich nach der Erzeugunc von Gated elektrika erzeugt werden, ist es für den Fall, daß die Gateelektroden Teile der Gate-Leitungen sind, vorteil- haft, wenn zunächst die Gate-Leitungen und in einem späteren Prozeßschritt angrenzend an die Gate-Leitungen die Schreibleitungen erzeugt werden. In diesem Fall können für die Schreibleitung und für die Gate-Leitung unterschiedliche Ma- terialien verwendet werden. Alternativ werden die Schreibleitung und die Gate-Leitung in einem Schritt als gemeinsame Leitung erzeugt.
Um Hintergrundrauschen, das für benachbarte Bitleitungen ähn- lieh ist, herauszufiltern, ist es vorteilhaft, die Speicherzellenanordnung mit folded Bitleitungen zu versehen. Bei foi- ded Bitleitungen wird beim Auslesen der Speicherzelle die Differenz zwischen Strömen oder Spannungen der entsprechender. Bitleitung und einer benachbarten Bitleitung gebildet. Damit der Strom bz. Die Spannung der benachbarten Bitleitung nur Hintergrundrauschen darstellt, ist es erforderlich, daß die zur Speicherzelle zugehörige Gate-Leitung mit keiner Speicherzelle elektrisch verbunden ist, die mit der benachbarten Bitleitung elektrisch verbunden ist.
Zur Prozeßvereinfachung ist es vorteilhaft, keine folded Bitleitungen vorzusehen. Man spricht dann von sogenannten open Bitleitungen.
Wird der Transistor als vertikaler Transistor ausgebildet, kann eine Halbleiterstruktur erzeugt werden, in der ein erstes Source/Drain-Gebiet des Transistors über einem Kanalgebiet angeordnet ist. Ein zweites Source/Drain-Gebiet des Transistors kann unterhalb des Kanalgebiets oder diagonal nach unter, versetzt zum Kanalgebiet angeordnet sein. Die Gate-Leitung ist mindestens an einer ersten Flanke der Halble - terstrukt r angeordnet.
Zur Erhöhung der Packungsdichte ist es vorteilhaft, wenn eine zur Gate-Leitung benachbarte Gate-Leitung an einer zweiten, der erster. Flanke gegenüberliegenden Flanke angeordnet ist. In dieser. Fall grenzt im Bereich des Kanalgebiets ein Ele- ment, das die Ausbildung eines Kanals verhindert, an die zweite Flanke an. Auf diese Weise wird verhindert, daß die benachbarte Gate-Leitung den Transistor steuert.
Alternativ Kann die Gate-Leitung z.B. sowohl an der ersten Flanke als auch an der zweiten Flanke angeordnet sein.
Das Element, das die Ausbildung eines Kanals verhindert, kann zur Erhöhung der Packungsdichte z.B. ein Channel-Stop-Gebiet sein. Das Channel-Stop-Gebiet ist vom selben Leitfahigkeits- typ wie das Kanalgebiet dotiert, weist aber eine höhere Dotierstoffkonzentration auf. Das Channel-Stop-Gebiet kann z.B. durch schräge Implantation oder durch Ausdiffusion von Dotierstoff aus einem Material erzeugt werden.
Das Element, das die Ausbildung eines Kanals verhindert, kann zur Erhöhung der Packungsdichte z.B. auch in Form einer vorzugsweise spacerformigen isolierenden Struktur erzeugt werden.
Zur Erzeugung der Halbleiterstruktur können Graben m einem Substrat oder m über dem Substrat angeordneten Schichten erzeugt werden, wodurch die Halbleiterstruktur m Form eines Streifens entsteht. Die Gate-Leitungen werden m den Graben erzeugt. Die Halbleiterstruktur ist Teil von Speicherzellen, die entlang der Gate-Leitung zueinander benachbart sind. Damit die Gate-Leitung zwischen ersten Source/Dram-Gebieten der Halbleiterstruktur keine Kanäle erzeugt, können zwischen benachbarten ersten Source/Dram-Gebieten weitere Elemente, die die Ausbildung von Kanälen verhindern, angeordnet sein.
Alternativ wird für ede Speicherzelle eine Halbleiterstruktur erzeugt, indem m dem Substrat oder in über dem Substrat angeordneten Schichten, eine gitterformige Vertiefung m Form von ersten Graben und quer zu den ersten Graben verlaufenden zweiten Graben erzeugt wird, wodurch die Halbleiterstruktur m Form eines Quaders entsteht. Die Gate-Leitungen werden in der gitterformigen Vertiefung, z.B. m den und entlang der ersten Graoen, erzeugt. Zwischen entlang der Gate-Leitung benachbarten Halbleiterstrukturen können m der gitterformigen Vertiefung, z.B. m den zweiten Graben, isolierende Struktu- ren erzeugt werden, die die Ausbildung von Kanälen verhindern.
Ebenfalls möglich ist es, die Gate-Leitung in der gitterformigen Vertiefung auch zwischen den entlang der Gate-Leitung benachbarten Halbleiterstrukturen anzuordnen. In diesem Fall umgibt die Gate-Leitung die Halbleiterstruktur ringförmig. Diese Anordnung ist zur Vergrößerung der Kanalweite und damit zur Erhöhung der Stromstarke durch den Transistor vorteilhaft. Damit quer zur Gate-Leitung benachbarte Halbleiter- Strukturen von verschiedenen Gate-Leitungen angesteuert werden können, teilen sich zueinander benachbarte Gate-Leitungen einen der ersten Graben. Zur Erhöhung der Packungsdichte ist es vorteilhaft, wenn m den ersten Graben angeordnete Teile der Gate-Leitungen spacerformig sind.
Ist die Gate-Leitung nur an der ersten Flanke der Halbleiterstruktur angeordnet und sind folded Bitleitungen vorgesehen, so ist es zur Erhöhung der Packungsdichte vorteilhaft, wenn zueinander oenachßarte Gate-Leitungen zusammen in einem der Graben angeordnet sind. In diesem Fall grenzen die Elemente, die die Ausoildung von Kanälen verhindern, alternierend an eine erste Flanke und an eine zweite Flanke der Graoen an, in denen die Gate-Leitungen angeordnet sind. Zur Erhöhung der Packungsdicnte ist es besonders vorteilhaft, wenn die Gate- Leitungen spacerformig sind. Sind keine folded Bitleitungen vorgesehen, ist es zur Prozeßvereinfachung vorteilhaft, wenn die Gate-Leitung den Graben ausfüllt.
Als Speicnerelement ist jedes Element geeignet, dessen elek- trischer Widerstand durch ein Magnetfeld beeinflußbar ist. Auf bewegte Elektronen, die ein Magnetfeld durchlaufen, wirkt die sogenannte Lorentzkraft senkrecht zur Bewegungsrichtung. Als Speicherelement läßt sich eine Schicht aus einem Material verwenden, bei dem die Lorentzkraft bewirkt, daß die Elektronen an eine Seite der Schicht gedrängt werden. Im Vergleich zum elektrischen Widerstand der Schicht ohne Magnetfeld bewirkt das Magnetfeld eine effektive Verkleinerung des zum Stromfluß senkrechten Querschnitts der Schicht und demzufolge eine Vergrößerung des elektrischen Widerstands.
Als Speicherelement kann eine Schicht aus einem Material vorgesehen sein, der den sogenannten anisotropen Magnetowiderstandseffekt zeigt. Dieser Effekt ist eine Eigenschaft des Materials und bewirkt, daß die Größe des elektrischen Wider- Stands davon abhängt, ob das Magnetfeld senkrecht oder parallel zum Stromfluß anliegt.
Es liegt im. Rahmen der Erfindung, wenn das Speicherelement ein GMR-Element ist. Es können auch TMR-Elemente eingesetzt werden .
Beispielsweise umfaßt das Speicherelement eine erste magnetische Schicht, die ein erstes Schwellenfeld zur Änderung ihre: Magnetisierungsrichtung benötigt, und eine zweite magnetisch? Schicht, die ein zweites Schwellenfeld zur Änderung ihrer Ma- gnetisier ngsrichtung benötigt, wobei die zwei magnetischen Schichten durch eine nicht magnetische Schicht voneinander getrennt sind. Die nicht magnetische Schicht kann z.B. ein Dielektrikum oder leitend sein. Alternative Möglichkeiten zu: Ausgestaltung des Speicherelements, wie z.B. die Anordnung einer antiferromagnetischen Schicht zum Festhalten der Magnetisierungsrichtung einer der magnetischen Schichten, finden sich z.B. m Stand der Technik, der im einleitenden Teil dieser Beschreibung dargestellt ist. Die magnetischen Schichten sind beispielsweise ferromagnetisch. Der Stromfluß durch das Speicherelement kann senkrecht (CPP- Anordnung oder parallel (CIP-Anordnung) zu den Ebenen der Schichten des Speicherelements verlaufen.
Damit das zur Programmierung erzeugte Magnetfeld nicht das gesamte Speicherelement homogen durchdringen muß, ist es vorteilhaft, wenn die Abmessungen der magnetischen Schichten derart sind, daß jede Schicht jeweils nur eine magnetische Domäne umfaßt. Innerhalb einer Domäne ist die Magnetisie- rungsπchtung im wesentlichen homogen. Durchdringt das Magnetfeld den größten Teil der Schicht, so ändert sich die Magnetisierungsrichtung der gesamten Domäne und damit der gesamten Scnicht. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Widerstand eines solchen Speicherelements wonldefmierte Werte annimmt. Umfaßt die Schicht dagegen mehrere Domänen, so kann der Widerstand aufgrund unterschiedlicher Magnetisierungsrichtungen der Domänen variieren. Auch die Schaltgeschwindigkeit des Speicherelements, dessen magnetische Schichten jeweils nur eine Domäne umfassen, ist großer, da eine Änderung der Magne- tisienmgsπchtung durch Drehung der Magnetisierung erfolgt. Bei einem Speicherelement, dessen magnetische Schichten jeweils mehrere Domänen umfassen, erfolgt die Änderung der Magnetisierungsrichtung sowohl durch Drehung der Magnetisierung als auch durch Verschiebung von Domanenwanden .
Als Materialien für die magnetiscnen Schichten eignen sich z.B. Ni, Fe, Co, Cr, Mn, Gd, Dy und Legierungen daraus, wie NiFe, NiFeCo, CoFe, CoCrFe, sowie MuBi, BiFe, CoS , CoPt, CoMnB, CoFeB. Als isolierende Materialien für die nicht ma- gnetische Schicht eigenen sich z.B. AI2O3, MgO, NiO, HfC>2, T1O2, NbC, S1O2 und DLC (diamonc-like carbon) . Als leitende Materialien für die nicht magnetische Schicht eignen sich z.B. Cu oder Ag.
Um ein hinreichend großes Schwelienfeld zu erzielen, kann f r die betreffende magnetische Scnicht ein Material mit einer nohen Koerzitivkraft verwendet werden. Eine Abscheidunσ des Materials m einem Magnetfeld oder Tempern des abgeschiedenen Materials in einem Magnetfeld kann ebenfalls ein besonders großes Scnwellenfeld bewirken.
Vorzugsrichtungen der Magnetisierungen können durch Abscheidung oder Tempern der magnetischen Schichten im Magnetfeld erzeugt werden. Diesen Methoden liegen physikalische Effekte, wie Kπstallanisotropie und uniaxiale Anisotropie, zugrunde.
Das Speicnerelement kann mehr als zwei übereinander angeordnete magnetische Schichten aufweisen, die durch nicht magnetische Schichten voneinander getrennt sind.
Das Speicnerelement kann neben dem Transistor angeordnet sein. Zur Erhöhung der Packungsdichte ist es vorteilhaft, wenn das Speicherelement über oder unter dem Transistor angeordnet ist.
Ist das Speicherelement über dem Transistor angeordnet, kann auf dem ersten Source/Drain-Gebiet ein Kontakt angeordnet sein. Neben dem Kontakt kann die Schreibleitung angeordnet sein, auf der eine Isolation angeordnet ist. Oberhalb der Isolation und oberhalb und angrenzend an den Kontakt wird das Speicherelement erzeugt. Über dem Speicherelement kann die Bitleitung erzeugt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die Isolation auf der Schreibleitung möglichst dünn ist, damit der Einfluß der Schreibleitung auf das Speicnerelement, d.h. das von der Schreibleitung erzeugte Magnetfeld am Ort des Speicherelements, möglichst groß ist.
Zur Erzeugung der Isolation kann der Kontakt im Gegensatz zur Schreibleitung aus einem harten leitenden Material erzeugt werden. Nach Erzeugung des Kontakts und der Schreibleitung, deren obere Flachen beispielsweise zunächst auf gleicher Hohe liegen, wird die Schreibleitung durch chemisch mechanisches Polieren etwas abgetragen, bis der Kontakt aufgrund der Harte des Materials etwas hervorsteht. Die oberen Flachen der Schreibleitung und des Kontakts liegen nun auf unterschiedlichen Hohen. Zur Erzeugung der Isolation wird isolierendes Material abgeschieden und durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert, bis die obere Flache des Kontakts freigelegt wird. Die Dicke der Isolation hangt von der Differenz zwischen den Hohen der oberen Flachen der Schreibleitung und des Kontakts ao, d.h. sie hangt davon ab, wie weit der Kontakt nervorragte .
Da der Kontakt an das Speicherelement angrenzt und die
Schreibleitung möglichst nah am Speicherelement angeordnet sein sollte, ist es zur Erhöhung der Packungsdichte vorteilhaft, wenn der Kontakt und die Schreibleitung möglichst dicht beieinander angeordnet sind. Dazu kann nach Erzeugung des Transistors eine isolierende Schicht erzeugt werden, m der der Kontakt erzeugt wird. Mit Hilfe einer streifenformigen Maske, die den Kontakt teilweise überlappt, wird die isolierende Schicht selektiv zum Kontakt geatzt. Anschließend wird leitendes Material abgeschieden und ruckgeatzt oder planari- siert, wodurch die Schreibleitung erzeugt wird.
Um die Schreibleitung elektrisch vom Kontakt zu isolieren, kann vor Erzeugung der Schreibleitung eine Trennschicht mindestens an den freigelegten Flachen des Kontakts erzeugt wer- den. Alternativ wird zur Erzeugung des Kontakts zunächst ein Kontaktloch erzeugt, deren Seitenflachen mit der Trennschicht versehen werden und das anschließend mit leitendem Material gefüllt wird. Die Trennschicht wird bei der Erzeugung der Schreibleitung selektiv zur isolierenden Schicht geatzt. Dies gilt analog auch für die Bitleitung, falls die Bitleitung unter dem Speicnerelement angeordnet ist.
Soll die Gate-Leitung mit der Schreibleitung zusammenfallen, wird bei der Erzeugung der Schreibleitung die isolierende Schicht durchtrennt, bis die Gate-Leitung freigelegt wird. Der Kontakt kann das Speicherelement statt von unten auch von der Seite kontaktieren. Dies ist insbesondere vorteilhaft für den Fall, daß der Stromfluß durch das Speicherelement parallel zu de Ebenen seiner Schichten verläuft. Verläuft der Stromfluß vertikal zu den Ebenen der Schichten des Speicherelements, so kann, falls der Kontakt nach dem Speicherelement erzeugt wird, zunächst ein Kontaktloch erzeugt werden, das an das Speicherelement angrenzt. Durch Abscheiderund Rückätzen wird an Seitenflächen des Kontaktlochs die Trennschicht erzeugt, die bis unterhalb der ersten magnetischen Schicht des Speicherelements reicht. Durch Abscheiden von leitendem Material wird das Kontaktloch gefüllt. Anschließend wird das leitende Material rückgeätzt, bis ein Kontakt erzeugt wird, dessen obere Fläche in der Höhe der er- sten magnetischen Schicht liegt. Die zweite magnetische Schicht wird von der Bitleitung kontaktiert.
Die Speicherzellenanordnung kann insbesondere als MRAM- Speicherzellenanordnung verwendet werden.
Im folgenden wird eine mögliche Betriebsweise erläutert
Zum Programmieren einer Speicherzelle wird Strom durch die zugehörige Schreibleitung und durch die zugehörige Bitleitung geschickt. Je nach Richtung der Ströme wird die Magnetisierungsrichtung der magnetisch weicheren der beiden magnetischen Schichten parallel oder antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der magnetisch härteren der beiden magnetischer. Schichten, deren Magnetisierungsrichtung nicht verändert • wird, eingestellt.
Zum Auslesen wird der Transistor über die zugehörige Gate- Leitung angesteuert und es wird ein Strom durch die Speicherzelle geschickt, der an der Bitleitung ausgelesen wird. Der Strom durch die oder der Spannungsabfall an der Speicherzelle hängt vom elektrischen Widerstand des Speicherelements ab, der wiederum von der Magnetisierungsrichtung der weicheren der beiden magnetischen Schichten abhängt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert.
Figur la zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Substrat, nachdem eine erste Schicht, eine zweite Schicht, streifenförmige dotierte Gebiete und eine erste Mas- ke erzeugt wurden.
Figur lb zeigt einen zum Querschnitt aus Figur la senkrechter. Querschnitt durch das erste Substrat, nach den Prozeßschritten aus Figur la.
Figur 2 zeigt den Querschnitt aus Figur la, nachdem Gräben, Halbleiterstrukturen, erste Source/Drain-Gebiete, Kanalgebiete, zweite Source/Drain-Gebiete und Chan- nel-Stop-Gebiete erzeugt wurden.
Figur 3a zeigt den Querschnitt aus Figur 2, nachdem ein Gatedielektrikum, Gate-Leitungen, eine erste isolierend? Schicht, Trennschichten, Kontakte und Schreibleitungen erzeugt wurden.
Figur 3b zeigt den Querschnitt aus Figur lb nach den Prozeßschritten aus Figur 3a.
Figur 3c zeigt eine Aufsicht auf das erste Substrat, in der die Gräben, Kontakte und eine zweite Maske dargestellt sind.
Figur 4a zeigt den Querschnitt aus Figur 3a, nachdem eine Isolation, eine erste magnetische Schicht, eine nicht magnetische Schicht, eine zweite magnetische
Schicht, eine zweite isolierende Schicht, Bitleitun- σen und eine vierte Maske erzeugt wurden. Figur 4b zeigt den Querschnitt aus Figur 3b nach den Prozeßschritten aus Figur 4a.
Figur 4c zeigt ein Schaltbild einer ersten MRAM- Zellenanordnung.
Figur 5a zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Substrat, nachdem eine erste Schicht, eine zweite Schicht, ei- ne dritte Schicht und eine erste Maske erzeugt wurden.
Figur 5b zeigt einen zum Querschnitt aus Figur 5a senkrechten Querschnitt durch das zweite Substrat nach den Pro- zeßschπtten aus Figur 5a.
Figur 6a zeigt den Querschnitt aus Figur 5a, nachdem eine gitterformige Vertiefung, Halbleiterstrukturen, ein Gatedielektrikum, erste Source/Drain-Gebiete, Kanal- gebiete, zweite Source/Drain-Gebiete und Gate-
Leitungen erzeugt wurden.
Figur 6b zeigt den Querschnitt aus Figur 5b nach den Prozeßschritten aus Figur 6a.
Figur 7a zeigt den Querschnitt aus Figur 6a nachdem eine erste isolierende Schicht, Trennschichten, Kontakte, Schreibleitungen und eine zweite isolierende Schicht erzeugt wurden.
Figur 7b zeigt den Querschnitt aus Figur 6b nach den Prozeßschritten aus Figur 7a.
Figur 8a zeigt den Querschnitt aus Figur 7a, nachdem eine Isolation, Speicherelemente, eine dritte isolierende
Schicht und Bitleitungen erzeugt wurden. Figur 8b zeigt den Querschnitt aus Figur 7b nach den Prozeßschritten aus Figur 8a.
Figur 9 zeigt die Aufsicht auf ein drittes Substrat, nachdem eine isolierende Struktur erzeugt wurde.
Figur 10 zeigt einen Querschnitt durch das dritte Substrat, nachdem die erste isolierende Struktur, erste Source/Drain-Gebiete, zweite Source/Drain-Gebiete, Kanalgebiete, Gate-Leitungen und Atzstop-Strukturen erzeugt wurden.
Figur 11a zeigt den Querschnitt aus Figur 10, nachdem eine erste isolierende Schicht, Trennschichten, Kontakte und Schreib-Leitungen erzeugt wurden.
Figur 11b zeigt einen zum Querschnitt aus Figur 11a senkrechten Querschnitt durch das dritte Substrat nach den Prozeßschritten aus Figur 11a.
Figur 12a zeigt den Querschnitt aus Figur 11a, nachdem eine
Isolation, Speicherelemente, eine zweite isolierende Schicht und Bitleitungen erzeugt wurden.
Figur 12b zeigt den Querschnitt aus Figur 11b nach den Prozeßschritten aus Figur 12a.
Figur 13 zeigt einen Querschnitt durch ein viertes Substrat, nachdem eine erste Maske, Gräben, Halbleiterstruktu- ren, erste Source/Drain-Gebiete, Kanalgebiete, zweite Source/Drain-Gebiete, Channel-Stop-Gebiete, ein Gatedielektπkum, Gate-Leitungen, eine erste isolierende Schicht, Schreibleitungen, eine Isolation, eine zweite Metallschicht, eine erste magnetische Schicht, ein Dielektrikum, eine zweite magnetische
Schicht, eine dritte Metallschicht, eine zweite iso- lierende Schicht und eine vierte Metallschicht erzeugt wurden.
Figur 14 zeigt den Querschnitt aus Figur 13 nachdem eine dritte isolierende Schicht, eine vierte isolierende
Schicht, eine zweite Maske, Kontaktlöcher und Trennschichten erzeugt wurden.
Figur 15 zeigt einen Querschnitt aus Figur 14 nachdem Kontak- te erzeugt wurden.
Figur 16a zeigt einen Querschnitt aus Figur 15, nachdem eine fünfte isolierende Schicht und Bitleitungen erzeugt wurden .
Figur 16b zeigt einen zum Querschnitt aus Figur 16a senkrechten Querschnitt durch das vierte Substrat nach den Prozeßschritten aus Figur 16a.
Figur 17a zeigt einen Querschnitt durch ein fünftes Substrat, nach Erzeugung einer fünften MRAM-Zellenanordnung, bei der eine Speicherzelle einen vertikalen Transistor und ein Speicherelement umfaßt, wobei in Gräber, jeweils zwei Gate-Leitungen erzeugt wurden.
Figur 17b zeigt ein Schaltbild der fünften MRAM- ∑ellenanordnung.
Figur 18a zeigt einen Querschnitt durch ein sechstes Sub- strat, nach Erzeugung einer sechsten MRAM-
∑ellenanordnung, bei der eine Speicherzelle einen vertikalen Transistor umfaßt, und bei der eine Gate- Leitung mit einer Schreibleitung elektrisch verbunden ist.
Figur 18fc zeigt ein Schaltbild der sechsten MRAM- Zellenanordnung. Figur 19a zeigt einen Querschnitt durch ein siebtes Substrat, nach Erzeugung einer siebten MRAM-Zellenanordnung, bei der eine Speicherzelle einen planaren Transistor umfaßt, und die Speicherzelle zwischen einer Schreibleitung und einer Bitleitung geschaltet ist.
Figur 19b zeigt ein Schaltbild der siebten MRAM- Zellenanordnung .
Figur 20a zeigt einen Querschnitt durch ein achtes Substrat, nach Erzeugung einer achten MRAM-Zellenanordnung, bei der eine Speicherzelle einen planaren Transistor umfaßt, bei der die Speicherzelle zwischen einer Schreibleitung und einer Bitleitung geschaltet ist und bei der die Schreibleitung mit einer Gate- Leitung elektrisch verbunden ist.
Figur 20b zeigt ein Schaltbild der achten MRAM- Zellenanordnung.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Substrat a eine Siliziumscheibe, die p-dotiert ist und eine Dotierstoffkonzentration von ca. 10^5 cιrTJ aufweist. Durch insitu do- tierte Epitaxie wird eine ca. 500 nm dicke n-dotierte erste Schicht Sia erzeugt, die eine Dotierstoffkonzentration von ca. 5*lθ22cm-3 aufweist. Darüber wird durch insitu dotierte Epitaxie eine ca. 450 nm dicke p-dotierte zweite Schicht S2a erzeugt, die eine Dotierstoffkonzentration von ca. 3*1017cm~3 aufweist (siehe Figuren la und lb) .
Mit Hilfe einer ersten Fotolackmaske (nicht dargestellt) , deren Streifen ca. 500 nm breit sind, einen Abstand von ca. 500 nm voneinander aufweisen und parallel zu einer x-Achse X ver- laufen, werden durch Implantation ca. 100 nm dicke n-dotierte streifenfcrmige Gebiete GE erzeugt (siehe Figuren la und lb) . Die Dotierstoffkonzentration der streifenförmigen dotierten Gebiete GE betragt ca. 5x\020cm'i . Deren Dotierstoff wird durch einen Temperschritt aktiviert. Die x-Achse x verlauft parallel zu einer Oberflache Oa des ersten Substrats a.
Zur Erzeugung einer ersten Maske Mla wird S1O2 m einem TEOS- Verfahren in einer Dicke von ca. 100 nm abgeschieden und durch ein fotolithographisch.es Verfahren streifenformig strukturiert. Die Streifen der ersten Maske Mla verlaufen parallel zu einer y-Achse Y, die senkrecht zur x-Achse X und parallel zur Oberflache 0a verlauft. Die Streifen der ersten Maske Mla sind ca. 750 nm breit und weisen einen Abstand von ca. 500 nm voneinander auf (siehe Figuren la und lb) .
Mit Hilfe der ersten Maske Mla wird Silizium mit z.B. HBr + NF3 + He - O2 ca. 600 nm tief geatzt, wodurch Graben Ga entstehen. Die Graben Ga durchtrennen die streifenformigen dotierten Gebiete GE, und die zweite Schicht S2a und reichen bis m die erste Schicht Sla hinein. Zwischen den Graben Ga entstehen streifenformige Halbleiterstrukturen STa. Als Teile der Halbleiterstrukturen STa entstehen aus den streifenformi- gen Gebieten GE erste Source/Drain-Gebiete IS/Da von vertikalen Transistoren. Teile der zweiten Schicht S2a, die unterhalb der ersten Source/Drain-Gebiete IS/Da angeordnet sind, sind als Kanalgebiete KAa geeignet. Teile der ersten Schicht Sla, die unterhalb der Kanalgebiete KAa angeordnet sind, sind als zweite Source/Drain-Gebiete 2S/Da geeignet. Die zweiten Source/Drain-Gebiete 2S/Da der Transistoren sind also elektrisch miteinander verbunden. Sie werden mit einem Spannungsanschluß verbunden.
Durch eine schräge Implantation mit Hilfe von p-dotierenden Ionen werden im Bereich der Kanalgebiete KAa und angrenzend an erste Flanken der Graben Ga Channel-Stop-Gebiete Ca erzeugt (siene Figur 2) . Eine zur x-Achse X parallele Abmessung der Channel-Stop-Gebiete Ca betragt ca. 100 nm. Die Dotierstoffkonzentration der Channel-Stop-Gebiete Ca betragt ca. 1019cιtT3. Durch thermische Oxidation wird ein ca. 10 nm dickes Gatedielektrikum GDa erzeugt (siehe Figur 3a) . Zur Erzeugung von Gate-Leitungen GLa wird insitu n-dotiertes Polysilizium in einer Dicke von ca. 150 nm abgeschieden und mit z.B. C2Fg + O2 ca. 200 nm zuruckgeatzt . Dadurch entstehen die Gate-Leitungen GLa, die d e Graben Ga auffüllen. Teile der Gate-Leitungen GLa, die im Bereich der Kanalgebiete KAa angeordnet sind, sind als Gateelektroden der Transistoren geeignet.
Durch Abscheiden von S1O2 m einer Dicke von ca. 1500 nm und durch chemisch mechanisches Polieren bis auf eine Dicke von ca. 1000 nm, wird eine erste isolierende Schicht la erzeugt (siehe Fiσuren 3a und 3b) .
Zur Erzeugung von Kontakten Ka werden m der ersten isolierenden Schicht la durch ein fotolithographisch.es Verfahren Kontaktlocner geatzt, bis die ersten Source/Drain-Gebiete IS/Da freigelegt werden. Als Atzmittel ist z.B. CHF3 + O2, CHF3+CF4,. C4F8+CO geeignet. Zur Erzeugung einer Trennschicht Ta an Seitenflächen der Kontaktlocher wird Siliziumnitπd in einer Dιcκe von ca. 50 nm abgeschieden und ruckgeatzt, wodurch die Trennschicht Ta in Form von Spacern entstehen. Als Atzmittel st z.B. CHF3 + O2 geeignet.
Durch Abscheiden von Wolfram m einer Dicke von ca. 500 nm und Ruckatzen werden in den Kontaktlochern die Kontakte Ka erzeugt. Als Atzmittel ist z.B. SFg + H2 + O2 geeignet (siehe Figuren 3a und 3b) .
Aus Fotolack wird eine streifenformige zweite Maske M2a erzeugt (siene Figur 3c) . Die Streifen der zweiten Maske M2a sind ca. 530 nm breit, weisen einen Abstand von ca. 750 nm voneinander auf, verlaufen parallel zur y-Achse Y und uber- läppen die Kontakte Ka teilweise. Mit Hilfe der zweiten Maske M2a wird S O2 selektiv zu Wolfram und Siliziumnitrid ca. 500 nm tief geatzt. Als tzmittel ist z.B. C2F5 + O2 geeignet. Dabei wird die Trennschicht Ta teilweise freigelegt. Nach Entfernung der zweiten Maske M2a wird Kupfer m einer Dicke von ca. 1 um abgeschieden. Durcn chemisch mechanisches Polieren wird Kαpfer und ein Teil der ersten isolierenden Schicht la abgetragen, bis die Kontakte Ka aufgrund der größeren Harte von Wolfram ca. 50 nm herausragen (siehe Figuren 3a und 3b) . Aus dem Kupfer entstehen Schreibleitungen SLa.
Zur Erzeugung einer Isolation la wird S1O2 m einer Dicke vc ca. 100 nm. abgeschieden und durcn chemisch mechanisches Polieren angetragen, bis eine obere Flache der Kontakte Ka freigelegt wird. Dadurch entsteht oberhalb der Schreibleitungen SLa die ca. 50 nm dicke Isolation la.
Zur Erzeugung einer ersten magnetischen Schicht Fla wird Co m einer Dicke von ca. 10 nm abgeschieden. Darüber wird zur Erzeugung eines Dielektrikums Ea AI2O3 erzeugt, indem Aluminium in einer Dicke von ca. 3 nm aufgebracht und in einem Plasma au oxidiert wird. Zur Erzeugung einer zweiten magnet_- s hen Scnicht F2a wird NiFe m einer Dicke von 10 nm abgeschieden.
Mit Hilfe einer zur zweiten Masxe M2a analogen dritten Maske aus Fotolack, werden die zweite magnetische Schicht F2a, das Dielektrikum Ea und die erste magnetische Schicht Fla geatzt Dies kann z.B. durch Sputtern mit Ar erfolgen (siehe Figur 4a) . Zur Erzeugung einer zweiten isolierenden Schicht 2a wir; S1O2 in einer Dicke von ca. 100 nm abgeschieden und durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert, bis die zweite magnetische Schicht F2a freigelegt wird.
Zur Erzeugung von Bitleitungen Ba wird Kupfer m einer Dicke von ca. 500 nm abgeschieden. Zur Erzeugung einer vierten Maske M4a w rd S1O2 m einer Dicke von ca. 50 nm abgeschieden und durcn ein fotolithographiscnes Verfahren streifenformig strukturiert. Die Streifen der vierten Maske M4a sind ca. 5C nm breit, weisen einen Abstand von ca. 500 nm voneinander auf, bedecken die Kontakte Ka und verlaufen parallel zur x- Achse X. Mit Hilfe der vierten Maske M4a wird Kupfer mit z.B. BCI3 + CI2 + CH4 geatzt, wodurcn die Bitleitungen Ba entstehen. Anschließend werden die zweite magnetische Schicht F2a, das Dielektrikum Ea und die erste magnetische Schicht Fla durchtrennt (siehe Figuren 4a und 4b) . Dabei entstehen oberhalb der Schreibleitungen SLa Speicherelemente, die jeweils einen Teil der ersten magnetischen Schicht Fla, des Dielektrikums Ea und der zweiten magnetischen Schicht F2a umfassen.
Durch das beschriebene Verfahren wird eine erste MRAM- Zellenanordnung erzeugt. Eine Speicherzelle umfaßt eines der Speicherelemente und einen der vertikalen Transistoren (siehe Figur 4c) . Das Speicherelement und der Transistor sind m Reihe geschaltet. Die Speicherzelle ist zwischen der mit der zweiten magnetischen Schicht F2a verbundenen Bitleitung Ba und dem Spannungsanschluß (Ground) geschaltet (siehe Figur 4c) . Zum Programmieren der Speicherzelle wird durch die Schreibleitung SLa, die die Speicherzelle durchquert, und durch die Bitleitung Ba jeweils ein Strom geschickt. Dabei wird ein Magnetfeld erzeugt, das in dem Speicherelement ein Schwellenfeld des zugehörigen Teils der zweiten magnetischen Schicht F2a überschreitet, wodurch seine Magnetisierung entsprechend dem Magnetfeld ausgerichtet wird. Das Magnetfeld ist kleiner als das Schwellenfeld des zugehörigen Teils der ersten magnetischen Schicht Fla, die harter als die zweite magnetische Schicht F2a ist, weshalb ihre Magnetisierungsrichtung erhalten bleibt. Da das Magnetfeld eine Überlagerung eines Magnetfeldes der Schreioleitung SLa und eines Magnet- feldes der Bitleitung Ba ist, und durch die übrigen Bitleitungen Ba und Schreibleitungen SLa keine Strome fließen, ist das Magnetfeld im Speicherelement im Vergleich zu den übriger Speicherelementen am größten. In den übrigen Speicherelemen- ten ist das Magnetfeld kleiner als das Schwellenfeld der zweiten magnetischen Schicht F2a, weshalb die übrigen Speicherzellen nicht programmiert werden. Zum Auslesen der Speicherzelle wird der Transistor über die mit ihm veroundene Gate-Leitung GLa angesteuert. Es wird der Strom gemessen, der zwischen der Bitleitung Ba und dem Spannungsanschluß fließt. Alternativ wird der Spannungsabfall zwischen der Bitleitung Ba und dem Spannungsanschluß gemessen. Der Strom oder die Spannung ist abhangig vom elektrischen Widerstand des Speicherelements. Aus dem Strom oder der Spannung kann also die Magnetisierungsrichtung des zugehörigen Teils der zweiten magnetischen Schicht F2a und damit die Information der Speicherzelle bestimmt werden.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein zweites Substrat b, eine p-ootierte Siliziumscheibe, dessen Dotierstoffkonzentration ca. lO^^cm-3 betragt. Durch insitu dotierte Epitaxie wird eine ca. 500 nm dicke n-dotierte erste Schicht Slb erzeugt, dessen Dotierstoffkonzentration ca. 5*lθ20cm~3 betragt. Darüber wird durch insitu dotierte Epitaxie eine ca. 350 nm dicke p-dotierte zweite Schicht S2b erzeugt, dessen Dotierstoffkonzentration ca. 3*10^7cm-3 betragt. Darüber wird durch insitu dotierte Epitaxie eine ca. 100 nm dicke n- dotierte dritte Schicht S3b erzeugt, dessen Dotierstoffkonzentration ca. 5*lθ20cm-3 betragt (siehe Figuren 5a und 5b) .
Zur Erzeugung einer ersten Maske Mlb wird m einem TEOS- Verfahren S1O2 in einer Dicke von ca. 100 nm abgeschieden uno durch ein fotolithographisches Verfahren mit einer ersten Fotolackmaske (nicht dargestellt) streifenformig strukturiert. Die Streifen weisen eine Breite von ca. 500 nm und einen Abstand von ca. 500 nm voneinander auf und verlaufen parallel zu einer y-Achse Y. Durch Abscheiden von S1O2 m einer Dicke von ca. 150 nm und Ruckatzen werden an Flanken der Streifen Spacer erzeugt, wodurch die Streifen verbreitert werden. Die Breite der verbreiterten Streifen betragt ca. 750 nm. Als Atzmittel ist z.B. CHF3 + O2 geeignet. Mit Hilfe einer strei- fenformigen zweiten Fotolackmaske (nicht dargestellt) , deren Streifen parallel zu einer x-Achse X, die senkrecht zur y- Achse Y und parallel zu einer Oberflache Ob des zweiten Sub- strats b verlauft, verlaufen, eine Breite von ca. 500 nm und einen Abstand von ca. 500 nm voneinander aufweisen, wird S1O geatzt, wodurch aus den verbreiterten Streifen die erste Maske Mlb entsteht (siehe Figuren 5a und 5b) .
Mit Hilfe der ersten Maske Mlb wird Silizium mit z.B. HBr + NF3 + He + O2 ca- 600 nm tief geatzt, wodurch eine gitterfor- mige Vertiefung V erzeugt wird. Die dritte Schicht S3b und die zweite Schicht S2b werden dabei durchtrennt. Es entstehen quaderformige Halbleiterstrukturen STb. Als Teile der Halb- leiterstruKturen STb entstehen aus der dritten Schicht S3b erste Source/Drain-Gebiete lS/Db von vertikalen Transistoren und aus der zweiten Schicht S2b Kanalgebiete KAb der Transistoren. Unter den Kanalgebieten KAb angeordnete Teile der er- sten Schient Slb sind als zweite Source/Drain-Gebiete 2S/Db der Transistoren geeignet. Die zweiten Source/Drain-Gebiete 2S/Db sind elektrisch miteinander verbunden (siehe Figuren 6a und 6b) . Sie werden mit einem Spannungsanschluß elektrisch verbunden.
Durch Atzen von S1O2 mit z.B. CHF3 + O2 wird die erste Maske Mlb entfernt.
Durch thermische Oxidation wird ein ca. 5 nm dickes Gatedie- lektπkum GDb erzeugt.
Durch Abscheiden von msitu dotiertem Polysilizium m einer Dicke von ca. 150 nm und Ruckatzen entstehen m der gitterformigen Vertiefung V selbst ustiert, d.h. ohne Verwendung von zu justierenden Masken, parallel zur x-Achse X verlaufende Gate-Leitungen GLb, die die Halbleiterstrukturen STb ringförmig umgeoen (siehe Figuren 6a und 6b) . Da Abstände zwischen entlang der x-Achse X benachbarten Halbleiterstrukturen STb kleiner sind als Abstände zwischen entlang der y-Achse Y benachbarten Halbleiterstrukturen STb wird das Gatedielektπ- kum GDb zwischen den entlang der x-Achse X benachbarten Halbleiterstrukturen STb nicht freigelegt. Die Gate-Leitungen GLo wirken als Gateelektroden der Transistoren. An zur x-Achse X parallele Flanken der Halbleiterstrukturen STb sind d e Gate- Leitungen GLb spacerformig.
Zur Erzeugung einer ersten isolierenden Schicht lb wird SiO? m einer Dicke von ca. 1500 nm abgeschieden und durch chemisch mecnanisch.es Polieren bis auf eine Dicke von ca. 1000 nm reduziert. Zur Erzeugung von Scnreibleitungen SLb wird Kupfer m einer Dicke von ca. 1 um abgeschieden und durch ein fotolithographisches Verfahren m t z.B. BCI3 + CI2 + CH4 streifenformig strukturiert. Die Streifen der Schreibleitungen SLb verlaufen parallel zur x-Achse X, sind ca. 500 nm breit und weisen einen Abstand von ca. 500 nm voneinander auf (siehe Figur 7b) . Die Schreibleitungen sind versetzt aber nicht komplementär zur zweiten Fotolackmaske angeordnet.
Zur Erzeugung einer zweiten isolierenden Schicht 2b wird S1O2 m einer Dicke von ca. 1 um abgesc ieden und durch chemisch mechanisches Polieren pianarisiert, bis die obere Flachen der Schreibleitungen SLb freigelegt werden.
Mit Hilfe einer dritten FotolackmasKe (nicht dargestellt) , die rechteckige Bereiche, die die Schreibleitungen SLb teilweise überlappen, nicht bedeckt, wird S1O2 selektiv zu den Schreibleitungen SLb geatzt, bis die ersten Source/Dram- Gebiete lS/Db freigelegt werden. Die erste isolierende Schicht lb und die zweite isolierende Schicht 2b werden dabei durchtrennt. Die rechteckigen Bereiche sind so gewählt, daß Kontaktlocher entstehen, die an den ersten Source/Drain- Gebieten 15/Db enden (siehe Figuren 7a und 7b) . Zur Erzeugung einer Trennschicht Tb wird Siliziumnitπd m einer Dicke von ca. 50 nm abgeschieden und ruckgeatzt, wodurch die Trennschicht Tb an den Seitenflachen der Kontaktlocher m Form von Spacern entstehen.
Anschließend wird Wolfram in einer Dicke von ca. 500 nm abgeschieden und ruckgeatzt, wodurcr. d e Kontaktlocher mit Wolf- ram aufgef llt werden und Kontakte Kb entstehen. Die Trennschicht Tb
Figure imgf000030_0001
die Kontakte Kb von den Schreibleitungen SLb.
Durch chemisch mechanisches Polieren werden die Schreibleitungen SLb und die zweite isolierende Schicht 2b ca. 50 nm angetragen. Die Kontakte Kb ragen aufgrund der größeren Harte von Wolfram ca. 50nm heraus (siehe Figuren 7a und 7b) .
Zur Erzeugung einer Isolation lb wird S1O2 m einer Dicke von ca. 100 nm abgeschieden und durch chemisch mechanisches Polieren planaπsiert, bis eine obere Flache der Kontakte Kb freigelegt wird. Dadurch entsteht oberhalb der Schreibleitungen SLb die ca. 50 nm dicke Isolation Ib.
Analog wie im ersten Ausführungsbeispiel werden eine erste magnetische Schicht Flb und eine zweite magnetische Schicht F2b erzeugt, die durch ein fotolithographisches Verfahren streifenformig strukturiert werden, wobei die Streifen paral- lel zur x-Achse X verlaufen, ca. 500 nm breit sind, einen Abstand von ca. 500 nm voneinander aufweisen und die Kontakte Kb sowie - getrennt durch die Isolation lb - die Schreibleitungen SLb teilweise bedecken.
Wie im ersten Ausfuhrungsbeispiel werden Bitleitungen Bb eine zur zweiten isolierenden Schicht 2a analoge dritte isolierte Schicht 3b und Speicherelemente SPb erzeugt, wobei die Bitleitungen Bb parallel zur y-Achse Y verlaufen (siehe Figur 8a und 8b) .
Durch das Geschriebene Verfahren wird eine zweite MRAM- Zellenanordnung erzeugt. In einem dritten
Figure imgf000030_0002
st ein Ausgangsmaterial ein drittes Substrat c aus Silizium, das p-dotiert ist und eine Dotierstoffkonzentration von ca. 1015cm-3 aufweist. Durch ein fotolithographisches Verfahren werden Vertiefungen m das dritte Substrat c geatzt und mit S1O2 aufgefüllt. Dadurch entsteht eine isolierende Struktur Ilc. Die isolierende Struktur Ilc umfaßt parallel zu einer x-Achse X verlaufende Streifen sowie parallel zu einer y-Achse Y verlaufende Streifen. Die x-Achse X verlauft senkrecnt zur y-Achse Y. Die parallel zur y-Achse Y verlaufenden Streifen sind ca. 500 nm breit und weisen einen Abstand von ca. 2 , 5 um voneinander auf. Die parallel zur x-Achse X verlaufenden Streifen sind ca. 500 nm breit und weisen einen Abstand von ca. 500 nm voneinander auf. Die parallel zur x-Achse X verlaufenden Streifen sind nicht durchgangig, sondern m regelmäßig angeordnete Abschnitte unterteilt. Die Abschnitte sind jeweils 2,5 um lang. Die parallel zur y-Achse Y verlaufenden Streifen kreu- zen die Mitten der Abschnitte (siehe Figur 9) . Die isolierende Struktur Ilc ist ca. 500 nm tief.
Durch Implantation mit p-dotierenden Ionen wird in dem dritten Substrat c eine ca. 500 nm tiefe Wanne W erzeugt, die ei- ne Dotierstoffkonzentration von ca. 3*1017cm~3 aufweist. Ihr Dotierstoff wird durch einen Temperschritt aktiviert.
Durch thermische Oxidation wird ein ca. 10 nm dickes Gatedie- lektπkum GDc auf einer Oberflache Oc des dritten Substrats c erzeugt.
Anschließend wird auf der Oberflache Oc Wolframsilizid m einer Dicke von ca. 200 nm erzeugt und darüber Siliziumnitrid in einer Dicke von ca. 100 nm abgeschieden, das zusammen mit dem Wolframsilizid durch ein fotolithographisches Verfahren mit Hilfe einer ersten Fotolackmaske (nicht dargestellt) streifenformig strukturiert wird. Aus dem Wolframsilizid entstehen dabei zu der y-Achse Y parallel Gate-Leitungen GLc, die jeweils ca. 500 nm breit sind. Jeweils zwei Gate- Leitungen GLc sind zwischen den parallel zur y-Achse Y verlaufenden Streifen der isolierenden Struktur Ilc angeordnet und weisen einen Abstand von ca. 500 nm voneinander auf (sie- he Figur IC, . Anschließend wird Siliziumnitrid in einer Dicke von ca. IOC nm abgeschieden und rückgeätzt, wodurch an Flanken der Gate-Leitungen GLc Spacer entstehen, die zusammen mit dem Siliziumnitrid auf den Gate-Leitungen GLc Ätzstop- Strukturen Ac bilden (siehe Figur 10) .
Anschließend wird eine Implantation mit n-dotierenden Ionen durchgeführt, wobei die Gate-Leitungen GLc als Maske wirken. Dabei entstehen erste Source/Drain-Gebiete lS/Dlc und zweite Source/Drain-Gebiete 2S/Dc von planaren Transistoren (siehe Figur 10) . Jeweils zwischen den beiden zueinander benachbarten Gate-Leitungen GLc, die zwischen den entlang der y-Achse Y verlaufenden Streifen der ersten isolierenden Struktur Ilc angeordnet sind, entstehen die zweiten Source/Drain-Gebiete 2S/Dc. Die ersten Source/Drain-Gebiete IS/Dc und die zweiten Source/Drain-Gebiete 2S/Dc sind ca. 100 nm tief. Unterhalb der Gate-Leitungen GLc und zwischen jeweils einem ersten Source/Drain-Gebiet IS/Dc und einem zweiten Source/Drain- Gebiet 2S/Dc liegende Teile der Wanne W wirken als Kanalge- biete KAc der Transistoren. Über den Kanalgebieten KAc angeordnete Teile der Gate-Leitungen GLc wirken als Gateelektroden der Transistoren. Zweite Source/Drain-Gebiete 2S/Dc von entlang der y-Achse Y benachbarten Transistoren bilden ein gemeinsames streifenförmiges dotiertes Gebiet und sind folg- lieh elektrisch miteinander verbunden. Zweite Source/Drain- Gebiete 2S/Dc von jeweils zwei Transistoren, die entlang der x-Achse X zueinander benachbart sind und zwischen benachbarten entlang der y-Achse Y verlaufenden Streifen der ersten isolierenden Struktur Ilc angeordnet sind, fallen zusammen.
Zur Erzeugung einer ersten isolierenden Schicht lc wird Siθ2 in einer Dicke von ca. 1,5 um abgeschieden und durch chemisch mechanisches Polieren bis auf eine Dicke von ca. 1 μm reduziert. Durch ein fotolithographisches Verfahren werden über den ersten Source/Drain-Gebieten IS/Dc Kontaktlöcher erzeugt. Als Ätzmittel ist z.B. CHF3 + O2 geeignet. Zur Erzeugung einer Trennschicht Tc wird Siliziumnitrid in einer Dicke von ca. 50 nm abgeschieden und rückgeätzt, wodurch die Trennschicht Tc spacerformig an Seitenflächen der Kontaktlöcher entstehen (siehe Figuren 11a und 11b) . Anschließend wird Wolfram in einer Dicke von ca. 500 nm abgeschieden und rückgeätzt, wodurch die Kontaktlöcher gefüllt werden und Kontakte Kc erzeugt werden, die die ersten Source/Drain-Gebiete IS/Dc kontaktieren. Als Ätzmittel ist z.B. SFg + H2 + C'2 geeignet (siehe Figuren 11a und 11b) .
Mit Hilfe einer streifenförmigen zweiten Fotolackmaske (nicht dargestellt wird Siθ2 selektiv zu Wolfram und Siliziumnitrid ca. 500 nm tief mit z.B. C2S5 + O2 geätzt. Die Streifen der zweiten Fotolackmaske sind im wesentlichen komplementär zu den Streifen der für die Erzeugung der Gate-Leitungen GLc vorgesehenen ersten Fotolackmaske, mit dem Unterschied, daß die Streifen etwas dünner sind und deshalb die Kontakte Kc teilweise freiliegen.
Anschließend wird Kupfer in einer Dicke von ca. 1 μm abgeschieden, wodurch - getrennt durch die Trennschicht Tc - angrenzend an die Kontakte Kc Schreibleitungen SLc erzeugt werden.
Durch chemisch mechanisches Polieren werden Kupfer und Siθ2 abgetragen, bis die Kontakte Kc aufgrund ihrer größeren Härte ca. 50 nm herausragen (siehe Figuren 11a und 11b) .
Anschließend werden analog wie in den vorhergehenden beiden Ausführungsbeispielen eine Isolation Ic, Speicherelemente SPc, eine zweite isolierende Schicht 2c und parallel zur x- Achse X verlaufende Bitleitungen Bc erzeugt (siehe Figuren 12a und 12b .
Durch das beschriebene Verfahren wird eine dritte MRAM-
Zellenanor nung erzeugt. In einem vierten Ausführungsbeispiel ist ein viertes Substrat d eine Siliziumscheibe, die p- dotiert ist und eine Dotierstoffkonzentration von ca. 1015crrf 3 aufweist. Analog wie im ersten Ausführungsbeispiel werden eine erste Schicht Sld, eine zweite Schicht S2d, streifenfor- mige dotierte Gebiete, eine erste Maske Mld, senkrecht zu einer x-Achse X verlaufende Graben Gd, streifenformige Halbleiterstrukturen STd, erste Source/Drain-Gebiete lS/Dd, Kanalgebiete KAd, zweite Source/Drain-Gebiete 2S/Dd, Channel-Stop- Gebiete Cd, ein Gatedielektrikum GDd und Gate-Leitungen GLd erzeugt .
Zur Erzeugung einer ersten isolierenden Schicht Id wird S1O2 m einer Dicke von ca. lμm abgeschieden und durch chemisch mechanisches Polieren bis auf eine Dicke von ca. 500 nm planaπsiert (siehe Figur 13) . Anschließend werden eine erste Metallschicht aus AlSiCu in einer Dicke von ca. 1 μm, darüber eine ca. 20 nm dicke Isolation Id aus S1O2, darüber eine ca. 20 nm dicke zweite Metallschicht Me2 aus Wolfram, darüber eine ca. 10 nm erste magnetische Schicht Fld aus Co, darüber ein ca. 3 nm dickes Dielektrikum Ed aus AI2O3, darüber eine ca. 10 nm dicke zweite magnetische Schicht F2d aus NiFe, darüber eine ca. 20 nm dicke dritte Metallschicht Me3 aus Wolfram, darüber eine ca. 20 nm dicke zweite isolierende Schicht 2d aus S1O2 und darüber eine ca. 20 nm dicke vierte Metallschicht Me4 aus Wolfram erzeugt. Mit Hilfe einer streifenfor- migen Fotolackmaske (nicht dargestellt), deren Streifen etwas versetzt zu den Graben Gd verlaufen, werden sämtliche oben aufgezahlten Schichten bis einschließlich der ersten Metallschicht durchtrennt. Dabei entstehen aus der ersten Metallschicht parallel zur y-Achse Y verlaufende Schreibleitungen SLd (siehe Figur 13) .
Zur Erzeugung einer dritten isolierenden Schicht 3d wird SιO~ m einer Dicke von ca. 500 nm abgeschieden und durch chemisch mechanisches Polieren planarisiert, bis die dritte Metall- schicht Me3, die als Atzstop wirkt, freigelegt wird. Zur Erzeugung einer vierten isolierenden Schicht 4d wird Siθ2 in einer Dicke von ca. 20 nm abgeschieden.
Anschließend wird eine Maske aus Wolfram M2d erzeugt, indem Wolfram in einer Dicke von ca. 20 nm abgeschieden und fotolithographisch strukturiert wird. Die Maske aus Wolfram M2d bedeckt rechteckige Bereiche nicht. Die rechteckigen Bereiche sind so angeordnet, daß beim nachfolgenden Ätzen von Siθ2 ein Teil der vierten Metallschicht Me4 sowie die ersten Sour- ce/Drain-Gebiete IS/Dd freigelegt werden (siehe Figur 14) .
Zur Erzeugung einer Trennschicht Td wird Siθ2 in einer Dicke von ca. 50 nm abgeschieden und rückgeätzt, bis die zweite Metallschicht Me2, die als Ätzstop wirkt, freigelegt wird, aber die Schreibleitungen SLd nicht freigelegt werden (siehe Figur 14) .
Zur Erzeugung von Kontakten Kd wird anschließend Wolfram in einer Dicke von ca. 500 nm abgeschieden und durch chemisch " mechanisches Polieren planarisiert, bis die vierte isolierende Schicht 4d freigelegt wird. Dabei wird die Maske aus Wolfram M2d entfernt. Anschließend wird Wolfram selektiv zu Siθ2 rückgeätzt, bis eine obere Fläche der entstehenden Kontakte Kd im Bereich der zweiten Metallschicht Me2 liegt, wobei die vierte isolierende Schicht 4d als Maske wirkt. Dabei wird ein Teil der vierten Metallschicht Me4 entfernt. Die Kontakte Kd verbinden jeweils ein erstes Source/Drain-Gebiet IS/Dd mit einem Teil der zweiten Metallschicht Me2 (siehe Figur 15) .
Zur Erzeugung einer fünften isolierenden Schicht 5d wird Siθ2 in einer Dicke von ca. 500 nm abgeschieden und durch chemisch mechanisches Polieren planarisiert, bis eine obere Fläche der vierten Metallschicht Me4 freigelegt wird. Mit Hilfe von SFg + H2 + O2 wird die vierte Metallschicht Me4 entfernt.
Anschließend wird Siθ2 durch chemisch mechanisches Polieren planarisiert, bis eine obere Fläche der dritten Metallschicht Me3 freigelegt wird. Dabei wird die zweite isolierende Schicht 2d entfernt.
Zur Erzeugung von Bitleitungen Bd wird AlSiCu m einer Dicke von ca. 1 μm abgeschieden und zusammen mit der dritten Metallschicht Me3, der zweiten magnetischen Schicht F2d, dem Dielektrikum Ed, der ersten magnetischen Schicht Fld und der zweiten Metallschicht Me2 geatzt. Dabei entstehen Speicherelemente, die jeweils einen Teil der zweiten Metall- schicht Me2, einen darüber angeordneten Teil der ersten magnetischen Schicht Fld, einen darüber angeordneten Teil des Dielektrikums Ed, einen darüber angeordneten Teil der zweiten magnetischen Schicht F2d und einen darüber angeordneten Teil der dritten Metallschicht Me3 umfassen. Die Schreibleitungen SLd sind durch die Isolation Id von den Speicherelementen getrennt (siehe Figuren 16a und lβb) .
Durch das beschriebene Verfahren wird eine vierte MRÄM- Zellenanordnung erzeugt. Zur Verbindung mit den Transistoren s nd d e Speicherelemente von der Seite kontaktiert.
In einem fünften Ausfuhrungsbeispiel ist ein fünftes Substrat e eine Siliziumscneibe, die p-dotiert ist und eine Dotierstoffkonzentration von ca. lO^cm-3 aufweist. Analog wie im vierten Ausführungsbeispiel werden eine erste Schicht Sie, eine zweite Schient, streifenformige dotierte Gebiete, eine erste Maske Mle, Graben Ge, Halbleiterstrukturen STe, erste Source/Drain-Gebiete lS/De, Kanalgebiete KAe und zweite Sour- ce/Drain-Geoiete 2S/De erzeugt.
Mit Hilfe einer streifenformigen ersten Fotolackmaske, deren Streifen jedes zweite streifenformige Gebiet bedeckt, werden erste Flanken der Graben Ge durch schräge Implantation dotiert. Dabei entstehen p-dotierte Channel-Stop-Gebiete Ce. Mit Hilfe einer streifenformigen zweiten Fotolackmaske, die die vorher nicht Gedeckten streifenformigen Gebiete bedeckt, werden durcn schräge Implantation die zweiten Flanken der Gräben Ge implantiert. Dabei entstehen weitere Channel-Stop- Gebiete Ce. Die Dotierstoffkonzentration der Channel-Stop- Gebiete Ce beträgt ca. 1019cm~3. Entlang eines der Gräben Ge benachbarte Channel-Stop-Gebiete Ce sind alternierend an der ersten Flanke und an der zweiten Flanke des Grabens Ge angeordnet .
Durch thermische Oxidation wird ein ca. 10 nm dickes Gatedielektrikum GDe erzeugt.
Zur Erzeugung von Gate-Leitungen GLe wird insitu n-dotiertes Polysilizium in einer Dicke von ca. 150 nm abgeschieden und rückgeätzt, bis die Gate-Leitungen GLe in Form von Spacern an den ersten Flanken und an den zweiten Flanken der Gräben Ge entstehen. Teile der Gate-Leitungen GLe, die in Bereichen der Kanalgebiete KAe angeordnet sind, wirken als Gateelektroden der Transistoren.
Anschließend werden analog wie im vierten Ausführungsbeispiel isolierende Schichten le, 3e, 5e, Schreibleitungen SLe, eine Isolation le, Speicherelemente SPe, Kontakte Ke, Trennschichten Te und Bitleitungen Be erzeugt (siehe Figur 17a) .
Durch das beschriebene Verfahren wird eine fünfte MRAM- Zellenanordnung erzeugt. Die fünfte MRAM-
Speicherzellenanordnung hat folded Bitleitungen Be, da die alternierende Anordnung der Channel-Stop-Gebiete Ce gewährleistet, daß entlang des Grabens Ge benachbarte Speicherzellen, d.h. Speicherzellen, die mit zueinander benachbarten Bitleitungen Be verbunden sind, nicht von derselben Gate- Leitung GLe angesteuert werden (siehe Figur 17b) .
In einem sechsten Ausführungsbeispiel werden analog wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgehend von einem sechsten Sub- strat f eine erste Maske Mlf, Gräben Gf, vertikale Transistoren T, Channel-Stop-Gebiete Cf, Gate-Leitungen GLf, Schreibleitungen SLf, Trennschichten Tf, Kontakte Kf und eine erste isolierende Schicht lf mit dem Unterschied erzeugt, daß die erste Maske Mlf aus Siliziumnitrid erzeugt wird. Bei der Erzeugung der Schreibleitungen SLf wird im Gegensatz zum ersten Ausfuhrungsoeispiel geatzt, bis die Gate-Leitungen GLf freigelegt werden. Durch Auffüllen mit Kupfer entstehen die Schreibleitungen SLf angrenzend an die Gate-Leitungen GLf. Analog wie im ersten Ausführungsbeispiel werden eine Isolation lf, Speicherelemente SPf, eine zweite isolierende Schicht 2f und Bitleitungen Bf erzeugt (siehe Figur 18a) .
Durch das beschriebene Verfahren wird eine sechste MRAM- Zellenanordnung erzeugt. Beim Programmieren einer der Speicherzellen, wird der zugehörige Transistor T angesteuert, da die zugehörige Schreibleitung SLf mit der Gate-Leitung GLf des Transistors T elektrisch verbunden ist (siehe Figur 18b) .
In einem siebten Ausführungsbeispiel ist ein siebtes Substrat g eine Siliziumscheibe, die p-dotiert ist und eine Dotierstoffkonzentration von ca. lθ!5 Cm~3 aufweist. Zur Erzeugung einer isolierenden Struktur Ilg werden durch ein fotolithographisches Verfahren Vertiefungen erzeugt, die mit S1O2 aufgefüllt werden. Die isolierende Struktur Ilg weist parallel zu einer y-Achse verlaufende Streifen sowie parallel zu eine x-Achse X verlaufende Streifen auf. Die y-Achse verlauft senkrecht zur x-Achse X, die beide parallel zu einer Oberflache Og des siebten Substrats g verlaufen. Die parallel zur y- Achse verlaufenden Streifen der isolierenden Struktur Ilg weisen eine Breite von ca. 500 nm und einen Abstand von ca. 1500 nm voneinander auf. Die parallel zur x-Achse X verlau- fenden Streifen der Struktur Ilg weisen eine Breite von ca. 500 nm und einen Abstand von ca. 500 nm voneinander auf.
Ähnlich wie im dritten Ausfuhrungsbeispiel werden planare Transistoren, parallel zur y-Achse verlaufende Gate-Leitungen GLg und Atzstop-Strukturen Ag erzeugt, wobei jeweils ein
Transistor zwischen zwei zueinander benachbarten parallel zu der y-Achse Y verlaufenden Streifen der isolierenden Struktur Ilg angeordnet sind.
Nach Erzeugung der Ätzstop-Strukturen Ag wird zur Erzeugung einer ersten isolierenden Schicht lg SiÜ2 in einer Dicke von ca. 1 μm abgeschieden und durch chemisch mechanisches Polieren planarisiert. Durch ein fotolithographisches Verfahren werden Kontaktlöcher bis zu jeweils einem ersten Source/Drain-Gebiet IS/Dg der Transistoren erzeugt. Die Kontakt- löcher werden zur Erzeugung von tiefen Kontakten KTg anschließend mit Wolfram gefüllt. Zur Erzeugung einer zweiten isolierenden Schicht 2g wird Siθ2 in einer Dicke von ca. 1 μm abgeschieden und planarisiert.
Wie im dritten Ausführungsbeispiel werden über zweiten Source/Drain-Gebieten 2S/Dg der Transistoren Kontakte Kg erzeugt, die an den Seitenflächen mit einer Trennschicht Tg versehen sind.
Ähnlich wie im dritten Ausführungsbeispiel werden Schreibleitungen SLg erzeugt, mit dem Unterschied, daß die Schreibleitungen SLg so breit sind, daß sie die tiefen Kontakte KTg überlappen. Die ersten Source/Drain-Gebiete IS/Dg sind also mit den Schreibleitungen SLg verbunden.
Analog wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen werden eine Isolation Ig, Speicherelemente SPg, eine dritte isolierende Schicht Sg und Bitleitungen Bg erzeugt (siehe Figur 19a) .
Durch das beschriebene Verfahren wird eine siebte MRAM- Zellenanordnung erzeugt. Speicherzellen umfassen jeweils einen der Transistoren und einen der Speicherelemente, die in Reihe geschaltet sind. Die Speicherzellen sind jeweils zwi- sehen der zugehörigen Bitleitung Bg und der zugehörigen Schreibleitung SLg geschaltet (siehe Figur 19b) . In einem achten Ausführungsbeispiel werden ausgehend von einem achten Substrat h wie im siebten Ausfuhrungsbeispiel eine isolierende Struktur Ilh, planare Transistoren Th, Gate- Leitungen GLh, Atzstop-Strukturen Ah und eine erste lsolie- rende Schicht lh erzeugt.
Ähnlich wie im siebten Ausführungsbeispiel werden Kontaktlocher für tiefe Kontakte KTh erzeugt, mit dem Unterschied, daß die Atzstop-Strukturen Ah aus Siliziumnitπd ebenfalls geatzt werden. Als Atzmittel ist z.B. CHF3+O2 geeignet. Dadurch kon- taktieren die unteren Kontakte KTh zusätzlich die Gate- Leitungen GLh.
Wie im siebten Ausführungsbeispiel werden eine zweite lsolie- rende Schicht 2h, Kontakte Kh, Schreibleitungen SLh, Speicherelemente SPh, eine dritte isolierende Schicht 3h und Bitleitungen Bh erzeugt (siehe Figur 20a) .
Durch das beschriebene Verfahren wird eine achte MRAM- Zellenanordnung erzeugt. Speicherzellen umfassen jeweils einen der Transistoren Th und einen der Speicherelemente SPh, die m Reihe geschaltet sind. Die Speicherzellen sind jeweils zwischen der zugehörigen Bitleitung Bh und der zugehörigen Schreibleitung SLh geschaltet. Beim Programmieren einer der Speicherzellen, wird der zugehörige Transistor Th angesteuert, da die zugehörige Schreibleitung SLh mit der Gate- Leitung GLh des Transistors Th elektrisch verbunden ist (siehe Figur 20b) .
Es sind viele Variationen der Ausfuhrungsbeispiele denkbar, die ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegen. Insbesondere können die Abmessungen der beschriebenen Schichten, Graben, Masken, Spacer, Gebiete, Leitungen und Strukturen nach Belieben an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden. Dasselbe gilt auch für die vorgeschlagenen Dotierstoffkonzentrationen. Leitfahigkeitstypen der Schichten, Gebiete, Wannen und Substrate können vertauscht werden. Die Ausfuhrungsbeispiele können beispielsweise skaliert werden. Dazu werden die Abmessungen entsprechend einem Skalierungsfaktor korrigiert.
Merkmale der acht Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden. Ein Unterschied zwischen dem vierten und dem fünften Ausführungsbeispiel besteht darin, daß im fünften Ausführungsbeispiel folded Bitleitungen vorgesehen sind, die mit Hilfe alternierend angeordneter Channel-Stop-Gebiete und durch Anordnung zweier Gate-Leitungen pro Graben realisiert werden. Diese Merkmale können ohne weiteres in das erste und das sechste Ausführungsbeispiel integriert werden, um Varianten mit folded Bitleitungen zu erhalten. Merkmale aus dem vierten und fünften Ausführungsbeispiel, die die seitliche Kontaktierung der Speicherelemente ermöglichen, können an Stelle der Kontaktierung von unten treten.

Claims

Patentansprüche
i. Speicherzellenanordnung, bei der ein elektrischer Widerstand eines Speicherelements eine Information darstellt und durch ein Magnetfeld beeinflußbar ist,
- bei der eine Speicherzelle das Speicherelement und einen Transistor umfaßt, die in Reihe geschaltet sind,
- bei der eine Schreibleitung (SLa) und eine quer dazu ver- laufende, mit dem Transistor elektrisch verbundene Bitleitung (Ba. vorgesehen sind, die sich im Bereich des Speicherelements kreuzen und die beide der Erzeugung des Magnetfelds dienen,
- bei der zum Ansteuern des Transistors eine Gate-Leitung (GLa) vorgesehen ist, die quer zur Bitleitung (Ba) , über die die Information auslesbar ist, verläuft.
2. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 1, bei der die Speicherzelle zwischen der Bitleitung (Ba) und einem für die Speicherzellen gemeinsamen Spannungsanschluß geschaltet sind.
3. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 2, bei der die Schreibleitung (SLf) und die Gate-Leitung (GLf) zusammenfallen.
4. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 1, bei der die Speicherzelle zwischen der Bitleitung (Bg) und der Schreibleitung (SLg) geschaltet ist.
5. Speicherzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Transistor und das Speicherelement übereinander angeordnet sind.
6. Speicherzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, - bei der ein erstes Source/Drain-Gebiet (IS/Da) des Transistors über einen Kontakt (Ka) mit dem über dem Transistor angeordneten Speicherelement elektrisch verbunden ist,
- bei der die Schreibleitung (SLa) unter dem Speicherelement und neben dem Kontakt (Ka) angeordnet und durch eine Isolation (la) vom Speicherelement isoliert ist,
- bei der das Speicherelement mit der über dem Speicherelement angeordneten Bitleitung (Ba) elektrisch verbunden ist.
7. Speicherzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
- bei der der Transistor als planarer MOS-Transistor ausgebildet ist,
- bei der die Transistoren von entlang der Bitleitung (Bc) benachbarten Speicherzellen paarweise ein gemeinsames zweites Source/Drain-Gebiet (2S/Dc) aufweisen.
8. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 6,
- bei der der Transistor als vertikaler MOS-Transistor ausgebildet ist,
- bei der in einer Halbleiterstruktur (STa) das erste Source/Drain-Gebiet (IS/Da) über einem Kanalgebiet (KAa) angeordnet ist, - bei der die Gate-Leitung (GLa) an einer ersten Flanke der Halbleiterstruktur (STa) angeordnet ist,
- bei der ein Element, das die Ausbildung eines Kanals verhindert an eine zweite, der ersten Flanke gegenüberliegende Flanke der Halbleiterstruktur (STa) angrenzt, - bei der eine Gate-Leitung (GLa) , die einen Transistor einer entlang der Bitleitung (Ba) benachbarten Speicherzelle ansteuert, an der zweiten Flanke Halbleiterstruktur (STa) angeordnet ist.
9. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 8, bei der zweite Source/Drain-Gebiete (2S/Da) der Transistoren als durchgängige Schicht ausgebildet sind und mit dem Spannungsanschluß verbunden sind.
10. Speicherzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- bei der das Speicherelement mindestens zwei magnetische Schichten (Fla, F2a) , die unterschiedliche Schwellenfelder zur Änderung ihrer Magnetisierungsrichtung benötigen, und eine dazwischen angeordnete nicht magnetische Schicht (Ea) umfaßt,
- bei der das Speicherelement so kontaktiert ist, daß der Stromfluß senkrecht zu den Ebenen seiner Schichten (Fla, F2a, Ea) erfolgt.
11. Verfahren zur Herstellung einer Speicherzellenanordnung,
- bei der ein elektrischer Widerstand eines Speicherelements eine Information darstellt und durch ein Magnetfeld beein- flußbar ist,
- bei dem im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Gräben (Ga) erzeugt werden, wodurch streifenformige Halbleiterstrukturen (STa) entstehen,
- bei dem als Teile der Halbleiterstrukturen (STa) erste Source/Drain-Gebiete (IS/Da) und darunter angeordnete
Kanalgebiete (KAa) von vertikalen Transistoren erzeugt werden,
- bei dem zumindest an Teilen von Flanken der Halbleiterstrukturen (STa) durch schräge Implantation Channel-Stop- Gebiete (Ca) erzeugt werden,
- bei dem in den Gräben (Ga) Gate-Leitungen (GLa) zum Ansteuern der Transistoren erzeugt werden,
- bei dem das Speicherelement mit einem der Transistoren verbunden wird, wodurch eine Speicherzelle gebildet wird, - bei dem quer zu den Gate-Leitungen (GLa) Bitleitungen (Ba) erzeugt und mit Speicherzellen verbunden werden, - bei dem quer zu den Bitleitungen (Ba) Schreibleitungen
(SLa) erzeugt werden, die die Bitleitungen (Ba) in Bereichen von Speicherelementen kreuzen.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
- bei dem die Channel-Stop-Gebiete (Ce) durch zwei maskierte schräge Implantationen so erzeugt werden, daß sie entlang der Halbleiterstruktur (STe) alternierend an einer ersten Flanke und an einer zweiten Flanke der Halbleiterstruktur (STe) angeordnet sind,
- bei dem in jedem der Gräben (Ge) zwei Gate-Leitungen (GLe) erzeugt werden, indem leitendes Material abgeschieden und rückgeätzt wird, bis die Gate-Leitungen (GLe) in Form von Spacern erzeugt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12,
- bei dem auf einem ersten Source/Drain-Gebiet (IS/Da) des Transistors ein Kontakt (Ka) erzeugt wird,
- bei dem neben dem Kontakt (Ka) die Schreibleitung (SLa) aus weicherem Material als das Material des Kontakts (Ka) erzeugt wird, wobei eine obere Fläche der Schreibleitung (SLa) auf gleicher Höhe oder höher als die Höhe einer obe- ren Fläche des Kontakts (Ka) liegt,
- bei dem durch chemisch mechanisches Polieren die Schreibleitung (SLa) abgetragen wird, bis der Kontakt (Ka) etwas hervorsteht,
- bei dem auf der Schreibleitung (SLa) eine Isolation (la) erzeugt wird, indem isolierendes Material abgeschieden und planarisiert wird, bis die obere Fläche des Kontakts (Ka) freigelegt wird,
- bei dem oberhalb der Isolation (la) und oberhalb und angrenzend an den Kontakt (Ka) das Speicherelement als Teil der Speicherzelle erzeugt wird, - bei dem über dem Speicherelement die quer zur Schreibleitung (SLa) verlaufende Bitleitung (Ba) erzeugt und mit dem Speicherelement elektrisch verbunden wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
- bei dem nach Erzeugung des Transistors eine isolierende Schicht (la) erzeugt wird, in der der Kontakt (Ka) erzeugt wird, - bei dem mit Hilfe einer streifenförmigen Maske (M2a) , die den Kontakt (Ka) teilweise überlappt, die isolierende Schicht (la) geätzt wird, und anschließend leitendes Material abgeschieden und rückgeätzt oder planarisiert wird, wodurch die Schreibleitung (SLa) erzeugt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die isolierende Schicht (lf) durchtrennt wird, bis die Gate-Leitung (GLf) freigelegt wird.
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