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Hintergrund
der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Magnetspeichern. Insbesondere
bezieht sich diese Erfindung auf eine verbesserte Referenzschichtstruktur
bei einer Magnetspeicherzelle.
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Hintergrund
der Technik
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Ein
Magnetspeicher, wie beispielsweise ein Magnetdirektzugriffsspeicher
(MRAM = magnetic random access memory) umfasst typischerweise eine
oder mehrere Magnetspeicherzellen. Jede Magnetspeicherzelle umfasst
gewöhnlich
eine aktive Schicht und eine Referenzschicht. Die aktive Schicht ist
gewöhnlich
eine Schicht aus einem magnetischen Material, das Magnetisierungsstrukturen
in Ausrichtungen speichert, die durch die Anlegung von Magnetschaltfeldern
geändert
werden können.
Die Referenzschicht ist gewöhnlich
eine Schicht aus einem magnetischen Material, bei der eine Magnetisierung in
eine spezielle Richtung fest oder „festgelegt" (pinned) ist.
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Der
Logikzustand einer derartigen Magnetspeicherzelle hängt typischerweise
von dem Widerstandswert derselben für einen elektrischen Stromfluss
ab. Der Widerstandswert derselben hängt gewöhnlich von den relativen Magnetisierungsausrichtungen
in der aktiven und der Referenzschicht derselben ab. Eine Magnetspeicherzelle
ist typischerweise in einem Niedrigwiderstandszustand, falls die
Gesamtmagnetisierungsausrichtung in der aktiven Schicht derselben
parallel zu der Magnetisierungsausrichtung in der Referenzschicht
derselben ist. Eine Magnetspeicherzelle befindet sich jedoch typischerweise
in einem Hochwiderstandszustand, falls die Gesamtmagnetisierungsausrichtung
in der aktiven Schicht derselben antiparallel zu der Magnetisierungsausrichtung
in der Referenzschicht derselben ist.
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Eine
derartige Magnetspeicherzelle wird gewöhnlich zu einem erwünschten
Logikzustand durch ein Anlegen von Magnetschaltfeldern geschrieben, die
die Magnetisierungsausrichtung in der aktiven Schicht derselben
drehen. Es ist gewöhnlich
erwünscht,
dass ein Magnetschaltfeld eines vorhersagbaren Betrags in eine Richtung
eine Magnetspeicherzelle zu dem Niedrigwiderstandszustand derselben umschaltet
und ein Magnetschaltfeld des gleichen vorhersagbaren Betrags in
die entgegengesetzte Richtung die Magnetspeicherzelle zu dem Hochwiderstandszustand
derselben umschaltet. Ein derartiges Schaltverhalten kann als symmetrische Schaltcharakteristika
bezeichnet werden. Leider kann eine Vielfalt von Wirkungen, die
häufig
bei bekannten Magnetspeicherzellen gefunden werden, eine Magnetisierung
in einer aktiven Schicht unterbrechen und asymmetrische Schaltcharakteristika erzeugen.
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Zum
Beispiel erzeugt die Referenzschicht bei einer typischen bekannten
Magnetspeicherzelle die Magnetisierungsfelder, die die Magnetisierung
in der aktiven Schicht zu der antiparallelen Ausrichtung hin drücken. Diese
Demagnetisierungsfelder erhöhen
gewöhnlich
den Schwellenbetrag des Magnetschaltfelds, der benötigt wird,
um die aktive Schicht zu dem Niedrigwiderstandszustand zu drehen,
und verringern den Schwellenbetrag des Magnetschaltfelds, der benötigt wird,
um die aktive Schicht zu dem Hochwiderstandszustand zu drehen. Dies
erhöht
typischerweise die Leistung, die benötigt wird, um die Magnetspeicherzelle
zu dem Niedrigwiderstandszustand zu schreiben, und kann ein versehentliches Schreiben
zu dem Hochwiderstandszustand bewirken. In extremen Fällen können diese
Demagnetisierungsfelder bewirken, dass eine Magnetspeicherzelle
in dem Hochwiderstandszustand bleibt, ungeachtet der Historie der
angelegten Magnetschaltfelder.
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Zusätzlich drücken Kopplungsfelder
zwischen der Referenzschicht und der aktiven Schicht bei einer bekannten
Magnetspeicherzelle gewöhnlich die
Magnetisierung in der aktiven Schicht derselben zu der parallelen
Ausrichtung hin. Diese Kopplungsfelder erhöhen gewöhnlich die Leistung, die benötigt wird,
um eine Magnetspeicherzelle zu dem Hochwiderstandszustand zu schreiben,
und können
ein versehentliches Schreiben zu dem Niedrigwiderstandszustand bewirken.
In extremen Fällen
können
diese Kopplungsfelder bewirken, dass eine Magnetspeicherzelle in
dem Niedrigwiderstandszustand bleibt, ungeachtet der Historie der
angelegten Magnetschaltfelder.
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Der
Grad an Unterbrechung bei der Magnetisierung in einer aktiven Schicht,
der durch Demagnetisierungs- und Kopplungsfelder bewirkt wird, kann außerdem unter
den Magnetspeicherzellen in einem MRAM-Array variieren. Zusätzlich können derartige Unterbrechungen
zwischen unterschiedlichen MRAM-Arrays aufgrund einer Variation
bei den Strukturierungsschritten und/oder Aufbringungsschritten einer
Vorrichtungsherstellung variieren. Derartige Variationen erzeugen
typischerweise eine Unsicherheit hinsichtlich des Verhaltens von
einzelnen Magnetspeicherzellen während
Schreiboperationen.
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Die
EP-A-0 875 901 beschreibt ein Magnetspeicherelement, das eine Sandwich-Struktur
von zwei äußeren ferromagnetischen
Schichten aufweist, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht getrennt
sind, wobei die äußeren Schichten
gekoppelt sind, um eine Magnetschaltung zu bilden, die ein Demagnetisierungsfeld
eliminieren soll.
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Die
WO-A-0010178 beschreibt ein Magnetowiderstandselement, das eine
erste und eine zweite ferromagnetische Schicht aufweist, die durch
eine dritte nichtmagnetische Schicht getrennt sind. Die Länge der
ersten Schicht ist größer als
dieselbe der zweiten Schicht, derart, dass die erste Schicht eine höhere Schaltschwelle
als die zweite Schicht aufweist.
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Die
US-A-4945397 beschreibt eine Magnetspeicherzelle, die eine Sandwich-Struktur
aus zwei äußeren ferromagnetischen
Schichten aufweist, die durch eine dünne Zwischenschicht getrennt
sind, die angeordnet ist, um eine Austauschkopplung zwischen den
zwei äußeren Schichten
zu verhindern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Magnetspeicherzelle
gemäß Anspruch
1 vorgesehen.
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Die
Erfindung erstreckt sich auf einen Magnetspeicher, der ein Array
derartiger Magnetspeicherzellen aufweist.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Aufbauen einer Magnetspeicherzelle gemäß Anspruch 4 vorgesehen.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf spezielle exemplarische
Ausführungsbeispiele
derselben beschrieben und folglich wird Bezug auf die Zeichnungen
genommen, in denen:
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1–2 eine
Magnetspeicherzelle darstellen, die strukturiert ist, um Unterbrechungen
bei einer Magnetisierung in der aktiven Schicht derselben zu mini mieren,
die durch Demagnetisierungsfelder von der Referenzschicht derselben
bewirkt werden;
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3 ein
Graph ist, der das Demagnetisierungsfeld und das Kopplungsfeld von
einer Referenzschicht darstellt;
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4 eine
Magnetspeicherzelle darstellt, die strukturiert ist, um die Wirkungen
von Kopplungsfeldern und Demagnetisierungsfeldern von der Referenzschicht
derselben auszugleichen, die auf die aktive Schicht derselben wirken;
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5 eine
Draufsicht eines Magnetspeichers ist, der die vorliegenden Lehren
umfasst;
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6a–6d beispielhafte
Prozessschritte zeigen, die bei einem Bilden von Speicherzellen gemäß den vorliegenden
Lehren betroffen sind.
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Detaillierte
Beschreibung
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1–2 stellen
eine Anordnung für
eine Magnetspeicherzelle 40 dar, die eine aktive Schicht 50 und
eine Referenzschicht 54 aufweist und die strukturiert ist,
um Unterbrechungen bei einer Magnetisierung in der aktiven Schicht 50 durch
Demagnetisierungsfelder von der Referenzschicht 54 zu minimieren. 1 zeigt
eine Seitenansicht und 2 zeigt eine Draufsicht.
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Die
aktive Schicht 50 hält
einen veränderbaren
Magnetisierungszustand (M2) und die Referenzschicht 54 weist
eine festgelegte Magnetisierungsausrichtung (M1) auf. Die Länge der
Referenzschicht 54 in die x-Richtung ist größer als
die Länge
der aktiven Schicht 50 in die x-Richtung und ein Paar von
gegenüberliegenden
Kanten 60 und 62 der Referenzschicht 54 überlappen
entsprechende Kanten der aktiven Schicht 50.
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Der
Abstand bzw. die Strecke einer Überlappung
der Kanten 60 und 62 ist im Wesentlichen gleich
c. Die Überlappungsstrecke
c ist vorausgewählt,
um die Wirkungen von Demagnetisierungsfeldern, die aus den Bereichen
nahe den Kanten 60 und 62 ausstrahlen, auf die
Magnetisierung in der aktiven Schicht 50 zu minimieren.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
umfasst die Magnetspeicherzelle 40 eine Tunnelbarriere 52 zwischen
der aktiven Schicht 50 und der Referenzschicht 54.
Die Magnetspeicherzelle 40 ist bei diesem Ausführungsbeispiel
eine Spintunnelvorrichtung, bei der während Leseoperationen eine
elektrische Ladung durch die Tunnelbarriere 52 wandert. Diese
elektrische Ladungswanderung durch die Tunnelbarriere 52 tritt
auf, wenn eine Lesespannung an die Magnetspeicherzelle 40 angelegt
ist.
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Die
Referenzschicht 54 kann ein ferromagnetisches Material
sein, wie beispielsweise Nickeleisen oder Nickeleisenkobalt, um
wenige Beispiele zu nennen. Die Tunnelbarriere 52 kann
ein isolierendes Material sein, wie beispielsweise Aluminiumoxid
mit etwa 10 bis etwa 20 Angström
Dicke. Die aktive Schicht 50 kann ein ferromagnetisches
Material sein, wie beispielsweise Nickeleisen oder Nickeleisenkobalt,
um wenige Beispiele zu nennen. Die Referenzschicht 54 kann
durch ein antiferromagnetisches Material festgelegt sein, wie beispielsweise
Eisenmangan oder Iridiummangan, um wenige Beispiele zu nennen.
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3 ist
ein Graph, der das Demagnetisierungsfeld und das Kopplungsfeld von
der Referenzschicht 54 bei einem geringen vertikalen Abstand über der
Oberfläche
der Referenzschicht 54 darstellt. Bei dem Graphen entsprechen
Werte von x nahe –0,4
und +0,4 Regionen nahe den Kanten 60 und 62 der
Referenzschicht 54, während
Werte von x nahe 0 einer inneren Region der Referenzschicht 54 entsprechen.
Die Graphen zeigen, dass das Demagnetisierungsfeld nahe den Kanten 60 und 62 der
Referenzschicht 54 am stärksten ist. Die Überlap pungsstrecke
c ist ausgewählt,
sodass das hohe Demagnetisierungsfeld nahe den Kanten 60 und 62 eine
reduzierte Wirkung auf die aktive Schicht 50 verglichen mit
bekannten Speicherzellen aufweist, bei denen die aktive und die
Referenzschicht im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen.
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4 stellt
eine Anordnung für
die Magnetspeicherzelle 40 dar, bei der die Referenzschicht 54 strukturiert
ist, um die Wirkungen von Kopplungsfeldern und Demagnetisierungsfeldern
von der Referenzschicht 54 auszugleichen, die auf die aktive Schicht 50 wirken.
Die Kanten 60 und 62 der Referenzschicht 54 überlappen
entsprechende Kanten der aktiven Schicht 50 um eine Strecke,
die im Wesentlichen gleich c ist. Zusätzlich ist die Referenzschicht 54 um
eine Strecke in die y-Richtung dünner, die
im Wesentlichen gleich d in den Bereichen der Referenzschicht 54 ist,
die außerhalb
der aktiven Schicht 50 überlappen.
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Der
Betrag des Kopplungsfelds von der Referenzschicht 54, das
auf die aktive Schicht 50 wirkt, ist häufig eine Funktion der Dicke
der Tunnelbarriere 52. Bei dieser Anordnung sind die Strecken
c und d gewählt,
um das Demagnetisierungsfeld und das Kopplungsfeld auszugleichen,
die auf die aktive Schicht 50 wirken. Für einen größeren Wert von c ist ein großer Wert
von d geeignet, um den Ausgleich zu erreichen, während für einen kleineren Wert von
c ein kleinerer Wert von d geeignet ist, um diesen Ausgleich zu
erreichen. Mit anderen Worten gibt es zwei zusätzliche Parameter, die steuerbar
sind, um einen ausgeglichenen Datenfilm zu erhalten. Dies steht
im Gegensatz zu bekannten Zellen, bei denen der Daten- und der Referenzfilm
mit der gleichen Breite hergestellt sind und die Strecke d immer
die gleiche wie die gesamte Referenzfilmdicke ist.
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Diese
Fähigkeit,
die Wirkungen von Demagnetisierungsfeldern und Kopplungsfeldern
zu steuern, überlässt es einem
Entwickler, Dicken für
die Schichten 50 und 54 zu wählen, die einen relativ hohen
Magnetowiderstand in der Magnetspei cherzelle 40 ergeben
werden. Ein Entwickler muss die Dicken der Referenzschicht nicht
reduzieren, was einen Magnetowiderstand reduziert, wie es im Stand
der Technik üblich
ist, um die Unterbrechungen bei der aktiven Schicht zu reduzieren.
Ein hoher Magnetowiderstand ist erwünscht, weil derselbe das Lesesignal
von der Magnetspeicherzelle 40 erhöht.
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Bei
beispielhaften Ausführungsbeispielen können die
Dicken der aktiven Schicht 50 und der Referenzschicht 54 zwischen
etwa 2 und etwa 20 Nanometern liegen. Die Strecke c kann zwischen
0,01 und 0,5 Mikrometern liegen und die Strecke d kann zwischen
0 und etwa 20 Nanometern liegen.
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5 ist
eine Draufsicht eines Magnetspeichers 10, eines MRAM, der
die vorliegenden Lehren umfasst. Der Magnetspeicher 10 umfasst
ein Array von Magnetspeicherzellen, das die Magnetspeicherzelle 40 zusammen
mit zusätzlichen
Magnetspeicherzellen 41–43 umfasst, die jeweils
mit Strukturen gebildet sind, die oben beschrieben sind und die
Unterbrechungen bei aktiven Schichten in den Magnetspeicherzellen 41–43 minimieren.
Der Magnetspeicher 10 umfasst eine Anordnung von Leitern 20–21 und 30–31,
die einen Lese- und Schreibzugriff auf die Magnetspeicherzellen 40–43 ermöglichen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
sind die Abmessungen dx und dy der Magnetspeicherzellen 40–43 ausgewählt, um
im Wesentlichen gleich zu sein und eine quadratische Form zu bilden.
Die quadratische Form verbessert die Dichte, die bei einem MRAM
im Vergleich zu derselben erhalten werden kann, die erhalten werden
kann, wenn rechteckige Speicherzellen verwendet werden. Dies ist
so, weil bei einer gegebenen minimalen Merkmalsgröße mehr
quadratische Magnetspeicherzellen auf einer gegebenen Substratfläche gebildet
sein können
als rechteckige Magnetspeicherzellen. Bei anderen Ausführungsbeispielen
können
rechteckige Formen verwendet werden.
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6a–6d zeigen
beispielhafte Prozessschritte, die bei einem Bilden von Speicherzellen gemäß den vorliegenden
Lehren betroffen sind. 6a zeigt einen Materialienstapel,
der auf ein Substrat 100 aufgebracht wird und unter Verwendung
einer Strukturmaske 120 und eines Ionenfrässchritts
strukturiert wird. Der Ionenfrässchritt
entfernt Bereiche des Materialienstapels außerhalb der Strukturmaske 120 bis
zu dem Substrat 100. Der Materialstapel ist einer, der
typischerweise zum Bilden von Spintunnel-Speicherzellen verwendet
wird, und umfasst eine Leiterschicht 102, eine ferromagnetische
Impfschicht 104, eine antiferromagnetische Festlegungsschicht 106,
eine untere ferromagnetische Schicht, die die Referenzschicht 54 liefert,
eine Tunnelbarriereschicht, die die Tunnelbarriere 52 liefert,
eine obere ferromagnetische Schicht, die die aktive Schicht 50 liefert,
und eine Abdeckschicht 114.
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Nach
einem Ionenfräsen
weist der Materialienstapel eine Länge von L1 in die x-Richtung
auf. Die Strukturmaske 120 wird dann zu einer Länge L2 =
L1 – 2c
geschrumpft, wie es in 6b gezeigt ist. Die Strukturmaske 120 wird
unter Verwendung einer reaktiven Ionenätzung geschrumpft, bei der
Sauerstoff mit Kohlenstoff in der Strukturmaske 120 reagiert,
um CO2 zu bilden, das dann entfernt wird.
Die Zeit, die bei der aktiven Ionenätzung verbracht wird, ist ausgewählt, um
den Betrag bzw. die Größe zu steuern,
um den bzw. die die Strukturmaske 120 geschrumpft wird,
d. h. die Strecke c zu steuern.
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Der
Materialienstapel wird dann einem Ionenfrässchritt unterzogen, um Material
bis zu der Referenzschicht 54 zu entfernen und die Referenzschicht 54 in
den Kantenbereichen der Referenzschicht 54 um eine Strecke
d zu verdünnen. 6c zeigt
das Ergebnis des Ionenfrässchritts.
Die Zeit, die bei dem Ionenfräsen
verbracht wird, ist ausgewählt, um
die Strecke d zu steuern, um die die Referenzschicht 54 in
den Kantenregionen derselben verdünnt wird.
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Die
Strukturmaske 120 wird dann entfernt, was in der in 6d gezeigten
Struktur für
die Magnetspeicherzelle 40 resultiert. Ein oberer Leiter
kann dann gebildet werden.
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Die
vorhergehende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung
ist für
die Zwecke einer Darstellung bereitgestellt und soll nicht erschöpfend sein
oder die Erfindung auf das präzise
offenbarte Ausführungsbeispiel
begrenzen. Folglich ist der Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert.