DE602004009443T2

DE602004009443T2 - Kombination von eigen- und formanisotropie zwecks reduzierter umschaltfeldfluktuationen

Info

Publication number: DE602004009443T2
Application number: DE602004009443T
Authority: DE
Inventors: Daniel Braun
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2024-06-09
Also published as: US7057253B2; WO2005004163A1; EP1634297B1; DE602004009443D1; EP1634297A1; US20040256688A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf die Herstellung von Halbleiterbauelementen und insbesondere auf die Herstellung von MRAM (magnetic random access memory)-Speicherzellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine jüngere Entwicklung von Speicherelementen umfasst Spin-Elektronik, die Halbleitertechnologie und Magnetismus kombiniert. Der Spin eines Elektrons wird, mehr noch als die Ladung, wie in DRAM (static random access memory)-Speicherzellen, dazu verwendet, das Vorhandensein einer "1" oder "0" anzuzeigen.
Eine solche Spin-Elektronik-Einheit ist ein MRAM (magnetic random access memory)-Speicher, der leitfähige Leitungen aufweist, die in einer unterschiedlichen Richtung, z. B. senkrecht aufeinander in unterschiedlichen Metallschichten, angeordnet sind, wobei die leitfähigen Leitungen einen magnetischen Stapel oder eine magnetische Grenzschicht mit Tunneleffekt (magnetic tunnel junction, MJT) umgeben, was als magnetische Speicherzelle funktioniert. Ein Strom, der durch eine der leitfähigen Leitungen fließt, generiert ein magnetisches Feld um die leitfähige Leitung herum und orientiert die magnetische Polarität in eine bestimmte Richtung entlang des Drahtes oder der leitfähigen Leitung. Ein Strom, der durch die andere leitfähige Leitung fließt, induziert das magnetische Feld und kann auch die magnetische Polarität teilweise drehen. Digitale Information, als eine "0" oder "1" dargestellt, ist in der Anordnung von magnetischen Momenten speicherbar. Der Widerstand der magnetischen Speicherzelle hängt von der Anordnung der Momente ab. Der gespeicherte Zustand wird von der magnetischen Speicherzelle ausgelesen, indem der resistive Zustand des Bauteils detektiert wird.
Ein Vorteil von MRAMs im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterspeichereinheiten wie DRAMs ist, dass MRAMs nichtflüchtig sind. Zum Beispiel würde ein MRAMs verwendender Personalcomputer (PC) keine lange Hochfahrdauer haben, wie bei herkömmlichen DRAMs verwendenden PCs. Außerdem muss ein MRAM nicht eingeschaltet werden und hat die Fähigkeit, die gespeicherten Daten zu "erinnern". Deshalb ersetzen MRAM-Einheiten Flash-Speicher, DRAM- und SRAM (static random access memory)-Einheiten in elektronischen Anwendungen, in denen eine Speichereinheit benötigt wird.
Ein magnetischer Stapel weist viele verschiedene Schichten von Metallen und magnetischen Metallen auf, sowie eine dünne Schicht dielektrischen Materials mit einer Gesamtdicke von wenigen zehn Nanometern. Die magnetischen Stapel werden typischerweise auf Kupferdrähten hergestellt, die in einem ILD (inter-level dielectric, Interleveldielektrikum)-Material eingebettet sind. Die magnetischen Grenzschichten mit Tunneleffekt (MTJ) sind an Kreuzungsstellen von darunter liegenden ersten leitfähigen Leitungen und darüber liegenden zweiten leitfähigen Leitungen angeordnet. MRAM-Einheiten werden typischerweise dadurch hergestellt, dass eine Vielzahl von magnetischen Metallstapeln gebildet werden, die in einem Array angeordnet sind, das die magnetischen Speicherzellen aufweist. Ein Speicherzellen-Array hat typischerweise leitfähige Leitungen in einer Matrixstruktur mit Zeilen und Spalten.
Ein Typ eines MRAM-Arrays verwendet einen Transistor zum Auswählen jeder magnetischen Speicherzelle. Ein anderer Typ, ein Knotenpunkt-Array, weist ein Array von magnetischen Bits oder magnetischen Stapeln auf, die an den Kreuzungspunkten zwischen zwei leitfähigen Leitungen angeordnet ist. Information wird in einer der magnetischen Schichten der magnetischen Stapel gespeichert. Um die Information zu speichern, ist ein magnetisches Feld notwendig. In einem Knotenpunkt-Array wird dieses magnetische Feld von einem durch leitfähige Leitungen fließenden Wortleitungs- und Bitleitungsstrom bereitgestellt. Information wird in den magnetischen Speicherzellen dadurch gespeichert, dass die Magnetisierung einer ferroelektrischen Schicht (der Informationsschicht oder freien Schicht) entweder parallel oder antiparallel zu einer zweiten magnetischen Schicht (der Referenzschicht oder festen Schicht) ausgerichtet wird. Die Information ist detektierbar aufgrund der Tatsache, dass der Widerstand des Elements in dem parallelen Fall ein anderer ist, als für den antiparallelen Fall.
Magnetische Stapel oder Speicherzellen in einem Knotenpunkt-Array werden üblicherweise dadurch ausgewählt, dass Unterschwellströme durch die leitfähigen Leitungen geführt werden, z. B. in der x- und in der y-Richtung, und dort, wo die leitfähigen Leitungen an den Knotenpunkten kreuzen, ist das kombinierte magnetische Feld groß genug, um die magnetische Orientierung zu ändern.
Das Umschalten von magnetischen Speicherzellen wird durch die geometrische Form der magnetischen Speicherzellen beeinflusst, sowie durch die intrinsischen magnetischen Eigenschaften der magnetischen Materialien, die zur Herstellung der magnetischen Speicherzellen verwendet werden. Die Länge ist üblicherweise anders als die Breite der magnetischen Speicherzelle, so dass das magnetische Feld dazu neigt, sich entlang der Länge auszurichten, die als Formanisotropie bezeichnet wird. Aufgrund der kristallinen Eigenschaften der magnetischen Materialien, die für die magnetischen Speicherzellen verwendet werden, neigt das magnetische Feld dazu, sich in einer Richtung parallel zu der Achse der Kristallstrukturen auszurichten, die als magnetische oder intrinsische Anisotropie bezeichnet wird.
In US Patent Nr. 5,917,749 mit dem Titel "MRAM Cell Requiring Low Switching Field" ("MRAM-Zelle. die ein niedriges Umschaltfeld benötigt"), welches an dieser Stelle unter Bezugnahme einbezogen wird, wird die einfache Formanisotropieachse einer MRAM-Zelle senkrecht zu der einfachen magnetischen Anisotropieachse positioniert, um zu erreichen, dass die magnetische Anisotropie von der Formanisotropie abgezogen wird um das Umschaltfeld der Zelle zu reduzieren. Jedoch führt eine auf diese Weise hergestellte MRAM-Zelle zu hohen Schwankungen in dem Umschaltfeld von Zelle zu Zelle in einem Array. Zum Beispiel kann ein magnetisches Umschaltfeld von zwischen 40 bis 50 Oersted benötigt werden, um die verschiedenen Zellen eines MRAM-Arrays zu schalten. 10 Oersted ist eine hohe Schwankung, die zu verlorenen Daten führen kann oder zu Speicherzellen, die unbeabsichtigt beschrieben werden.
Was in der Technik erforderlich ist, ist ein Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Speicherzelle mit verminderten Schwankungen des Umschaltfelds für magnetische Speicherzellen in einem Array.
US 2003/063492 offenbart eine digitale magnetische Speicherzelleinheit für Lese- und/oder Schreiboperationen, die ein weichmagnetisches Lese- und/oder Schreibschichtsystem, welches aus mindestens einer weichmagnetischen Lese- und/oder Schreibschicht gebildet ist, und ein hartmagnetisches Referenzschichtsystem besitzt. Die beiden Systeme werden durch eine Barriereschicht getrennt. Die weichmagnetische Lese- und/oder Schreibschicht ist eine amorphe Schicht mit einer induzierten oder induzierbaren uniaxialen Anisotropie.
US 5,650,958 offenbart eine Einheit mit magnetischer Grenzschicht mit Tunneleffekt (MTJ), welche als Magnetfeldsensor oder als Speicherzelle in einem MRAM-Array verwendet werden kann. Die MTJ-Einheit besitzt eine "fixierte" ferromagnetische Schicht, deren Magnetisierung in der Ebene der Schicht orientiert ist, aber fixiert ist, so dass sie nicht beim Vorhandensein eines angelegten magnetischen Feldes im relevanten Bereich gedreht werden kann, eine "freie" ferromagnetische Schicht, deren Magnetisierung in der Ebene der Schicht relativ zu der festen Magnetisierung der fixierten ferromagnetischen Schicht gedreht werden kann, sowie eine isolierende Tunnelgrenzschicht zwischen und in Kontakt mit beiden ferromagnetischen Schichten. Die fixierte ferromagnetische Schicht ist fixiert durch zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen gelegene Austauschkopplung mit einer anlegenden antiferromagnetischen Schicht. Die Menge des Tunnelstroms, der senkrecht durch die zwei ferromagnetischen Schichten und die dazwischen liegende Tunnelgrenzschicht fließt, hängt von den relativen Magnetisierungsrichtungen der beiden ferromagnetischen Schichten ab. Die ferromagnetischen Schichten sind in zwei separaten, voneinander abgetrennten Ebenen gebildet, die sich in dem Bereich der Tunnelgrenzschicht nicht überlappen, wodurch jegliche belanglosen magnetischen Pole eliminiert werden.
US 5,917,749 beschreibt eine Multizustands-, Multischichtmagnetspeicherzelle mit niedrigem Umschaltfeld, die zwei Schichten aus magnetischem Material aufweist, die parallel und überlappend zueinander gestapelt und durch eine Schicht aus nichtmagnetischem Material getrennt sind, um einen Bereich einer Multischichtmagnetspeicherzelle zu bilden. Die beiden Schichten aus magnetischem Material werden so geformt, dass die Breite kleiner ist als die Länge und kleiner als die Breite der Magnetbereichswandung innerhalb der beiden Schichten des magnetischen Materials, wodurch eine einfache Formanisotropieachse der Länge nach festgelegt wird. Zumindest eine der beiden Schichten des magnetischen Materials besitzt eine magnetische Anisotropie, die im Wesentlichen parallel zu der Breite der Schichten des magnetischen Materials ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese und weitere Probleme werden generell gelöst oder umgangen und technische Vorteile werden generell durch die Erfindung erreicht, wie sie in den angehängten Ansprüchen definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine magnetischen Speicherzellenstruktur und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen bereit, wobei die intrinsische und die Formanisotropieachse einer magnetischen Speicherzelle kombiniert werden, wobei die intrinsische Anisotropieachse bezüglich der Formanisotropieachse um einen optimierten Winkel orientiert wird, so dass der Effekt von Schwankungen der Formanisotropie zu einer linearen Ordnung in dem Umschaltfeld unterdrückt wird. Die freie Schicht kombiniert sowohl intrinsische als auch Formanisotropie, die in einem Winkel von 45° bis unter 90° orientiert sind, was dazu führt, dass Zellgrößen vergrößert oder verkleinert werden, indem die Schichtdicke vergrößert und das Seitenverhältnis und/oder die Breite verringert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine magnetische Speicherzelle eine erste magnetische Schicht, eine Grenzschicht mit Tunneleffekt, die über und angrenzend an der ersten magnetischen Schicht angeordnet ist, sowie eine zweite magnetische Schicht, die über und angrenzend an der Grenzschicht mit Tunneleffekt angeordnet ist, auf. Die magnetische Speicherzelle weist eine erste Anisotropieachse und eine zweite Anisotropieachse auf, wobei ein Winkel zwischen der ersten Anisotropieachse und der zweiten Anisotropieachse nicht senkrecht ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine MRAM-Einheit zumindest eine magnetische Speicherzelle auf, wobei die magnetische Speicherzelle eine feste Schicht, eine Grenzschicht mit Tunneleffekt, die über der und angrenzend an die erste Schicht angeordnet ist, sowie eine freie Schicht, die über der und angrenzend an die Grenzschicht mit Tunneleffekt angeordnet ist, auf. Die magnetische Speicherzelle weist eine erste Anisotropieachse und eine zweite Anisotropieachse auf, wobei ein Winkel zwischen der ersten Anisotropieachse und der zweiten Anisotropieachse nicht senkrecht ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Speichereinheit ein Anordnen einer ersten magnetischen Schicht auf einem Werkstück, ein Anordnen einer Grenzschicht mit Tunneleffekt über der und angrenzend an die erste magnetische Schicht sowie ein Anordnen einer zweiten magnetischen Schicht über der und angrenzend an die Grenzschicht mit Tunneleffekt auf. Die erste magnetische Schicht, die Grenzschicht mit Tunneleffekt und die zweite magnetische Schicht umfassen eine magnetische Speicherzelle. Die magnetische Speicherzelle weist eine erste Anisotropieachse und eine zweite Anisotropieachse auf, wobei die zweite Anisotropieachse nicht senkrecht zu der ersten Anisotropieachse ist.
Ein Vorteil einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt die Reduktion von Schwankungen in dem Umschaltfeld ein, welches für ein Array von magnetischen Speicherzellen benötigt wird, indem die Prozesshomogenität, Lithographiegüte, Ätzgüte und Materialhomogenität verbessert sind. Magnetische Speicherzellen können aus einem dickeren Material hergestellt werden, das eine kleinere Länge und Breite besitzt, was zu einer erhöhten Array-Dichte und zu mehr Speicherzellen pro Flächeneinheit führt. Durch das Orientieren der intrinsischen Anisotropieachse und der Formanisotropieachse in einem optimalen Winkel, zwischen 45 und unter 90 Grad, werden die Schwankungen des Umschaltfeldes gemäß Ausführungsformen der Erfindung reduziert. Magnetische Schichten mit erhöhter Dicke führen zu verringerter Aktivierungsenergie. Es können magnetischen Speicherzellen hergestellt werden, die stabiler für Langzeitspeicherung sind, und die eine verbesserte Schreibbegrenzung besitzen.
Das Vorangehende hat eher allgemein die Merkmale und technischen Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargelegt, damit die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung besser verstanden werden kann. Zusätzliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung werden im Anschluss beschrieben, was den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung bildet. Es sei vom Fachmann verstanden, dass die Konzeption und die offenbarten spezifischen Ausführungsformen leicht als Grundlage zum Modifizieren oder zum Design anderer Strukturen oder Prozesse verwendet werden können, die den gleichen Zweck der vorliegenden Erfindung erfüllen. Es sei auch vom Fachmann verstanden, dass solche gleichwertigen Konstruktionen nicht von dem Geist und dem Zweck der Erfindung, wie in den angefügten Ansprüchen dargelegt, abweichen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Für ein komplettes Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile, wird nun auf die folgenden Beschreibungen im Zusammenhang mit den begleitenden Figuren Bezug genommen, in denen:
1 eine Querschnittsansicht einer magnetischen Speicherzelle wie eine MRAM-Einheit zeigt;
2 eine Perspektivansicht der magnetischen Speicherzelle von 1 mit Vektoren zeigt, die die Formanisotropieachse und die intrinsische Anisotropieachse anzeigen, sowie den Winkel zwischen der Form- und der intrinsischen Anisotropieachse entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein Array von magnetischen Speicherzellen darstellt, die in der Richtung der totalen Anisotropieachse entlang einer Wortleitung oder Bitleitung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung orientiert sind;
4 eine Perspektivansicht einer magnetischen Speicherzelle in dem Array aus 3 zeigt; und
5 ein Graph ist, der die Reduktion in der Schwankung des Umschaltfeldes als Ergebnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.
Entsprechende Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich generell auf entsprechende Teile, sofern nicht anders angezeigt. Die Figuren sind angelegt, um die relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen klar zu illustrieren und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER DARGESTELLTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Herstellung und Verwendung der vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen werden im Anschluss im Detail diskutiert. Es sei jedoch anerkannt, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellt, die in einer großen Vielfalt von spezifischen Zusammenhängen ausgeführt werden können. Die diskutierten spezifischen Ausführungsformen sind vor allem für spezifische Art und Weisen darstellend, wie die Erfindung hergestellt und verwendet werden kann, und begrenzen nicht den Schutzbereich der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich einer MRAM-Speichereinheit. Ausführungsformen der Erfindung können aber auch auf andere magnetische Speicherzellen und Strukturen angewendet werden.
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer magnetischen Speicherzelle 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die magnetische Speicherzelle 100 weist einen Halbleiter-Wafer auf, der ein Werkstück aufweist, welches nicht dargestellt ist. Das Werkstück kann eine oder mehrere Schichten eines Dielektrikums wie Siliziumoxid oder Low-k-Material aufweisen, das beispielsweise auf einkristallinem Silizium angeordnet sein kann. Das Werkstück kann leitfähige Schichten, z. B. Wortleitungen oder Bitleitungen, oder andere halbleitende Elemente wie z. B. Transistoren oder Dioden aufweisen.
Die magnetische Speicherzelle 100 weist eine erste magnetische Schicht 112 auf, die auf dem Werkstück angeordnet ist. Die erste magnetische Schicht 112 kann eine feste Schicht (auch als Referenzschicht bezeichnet) aufweisen, die z. B. in einer vorgegebenen magnetischen Richtung festgelegt ist. Die erste magnetische Schicht 112 kann beispielsweise eine Schicht TaN, eine Schicht NiFe und eine oder mehrere optionale zusätzliche magnetische oder nichtmagnetische Schichten aufweisen.
Die magnetische Speicherzelle 100 weist eine Grenzschicht mit Tunneleffekt bzw. eine Tunnelgrenzschicht 114 auf, die über der ersten magnetischen Schicht 112 angeordnet ist und an diese angrenzt. Die Tunnelgrenzschicht 114 weist vorzugsweise eine isolierende Schicht auf und kann beispielsweise A1O aufweisen.
Die magnetische Speicherzelle 100 weist eine zweite magnetische Schicht 116 auf, die über der Tunnelgrenzschicht 114 angeordnet ist und an diese angrenzt. Die zweite magnetische Schicht 116 kann eine freie Schicht aufweisen, die die Magnetisierungsrichtung in Abhängigkeit des logischen Zustands der magnetischen Speicherzelle 100 wechseln kann. Die zweite magnetische Schicht 116 kann z. B. eine Schicht CoFe, eine Schicht Ru, eine Schicht CoFe und optionale zusätzliche magnetische Schichten aufweisen.
Die magnetische Speicherzelle 100 besitzt die Länge L, die größer ist, als die Breite W, wie in einer Perspektivansicht in 2 gezeigt ist. Die magnetische Speicherzelle 100 kann, wie gezeigt, eine ovale oder elliptische Form aufweisen obwohl die magnetische Speicherzelle 100 alternativ z. B. eine rechteckige Form oder andere Formen aufweisen kann.
In 2 sind Vektoren, die die Achsen von zwei anisotropischen magnetischen Eigenschaften der magnetischen Speicherzelle 100 angeben. Wie hier beschrieben, stellt der Wert K_x (wobei x = s für Form. oder i für intrinsisch) einen numerischen Wert dar, wobei der Wert angibt, wie anisotrop der Parameter ist: je größer der Wert K_x, desto resistenter ist die Magnetisierung, aus der bevorzugten Richtung des Vektors K_x zu bewegt zu werden.
Der in 2 gezeigte Vektor K_s repräsentiert die Formanisotropieachse (oder die einfache Achse) und zeigt die bevorzugte Richtung des magnetischen Feldes entlang der x-Achse aufgrund der Form der Speicherzelle 100 an, die eine Länge L größer als die Breite W besitzt. Der Vektor K_i ist die intrinsische Anisotropieachse (oder die einfache Achse), die die bevorzugte Richtung des magnetischen Feldes in einer Richtung K_i in der Zeichenebene anzeigt, z. B. in der x-y-Ebene aufgrund der Materialeigenschaften der freien Schicht 116 (in 2 nicht dargestellt: siehe 1) der Speicherzelle 100. Beispielsweise kann die Formanisotropie K_s 30 Oe und die intrinsische Anisotropie K_i kann 50 Oe betragen.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die magnetische Speicherzelle 100 mit einem Winkel γ_i zwischen der Formanisotropieachse K_s und der intrinsischen Anisotropieachse K_i hergestellt, wobei der Winkel γ_i ausgewählt wird, um Umschaltschwankungen für eine Vielzahl von magnetischen Speicherzellen eines Speicher-Arrays zu reduzieren. Die Bestimmung des Winkels γ_i und anderer Parameter der magnetischen Speicherzelle 100 wie der Totalanisotropieachse K_T und des Winkels γ_T zwischen der Totalanisotropieachse K_T und der intrinsischen Anisotropieachse K_i wird im Folgenden weiter beschrieben.
Es gibt einen Trend in der Halbleiterindustrie, Strukturgrößen von elektronischen Bauteilen zu reduzieren, um die Geschwindigkeit zu erhöhen und den Leistungsverbrauch zu vermindern. Bei verringerten Größen von magnetischen Speicherzellen 100 gibt es beim Design von MRAM-Einheiten zwei Dilemmata: 1) vergrößertes Umschaltfeld und 2) erhöhte benötige Aktivierungsenergie zum Schalten der Zellen, da das Umschaltfeld vergrößert wird. Das Umschaltfeld H einer freien Schicht 116 einer magnetischen Speicherzelle 100 (siehe 1) wird durch Gleichung 1 berechnet: Hc = Mst/W(1 – 1/r) Gleichung 1wobei t die Dicke, W die Breite und r das Seitenverhältnis (Länge L/Breite W) und M_s die Sättigungsmagnetisierung der freien Schicht 116 ist. Die Aktivierungsenergie E_a ist als Einziges annähernd abhängig von dem Umschaltfeld und die Aktivierungsenergie E_a muss für kleine magnetische Speicherzellen oder MTJs präzise sein. Die Aktivierungsenergie E_a kann mithilfe Gleichung 2 berechnet werden: Ea = HcVMs/2; Gleichung 2wobei das Volumen V aus Gleichung 3 berechnet wird: V = tW2r. Gleichung 3
Die Aktivierungsenergie E_a ändert sich ähnlich wie die Breite W der MTJ für kleine MTJ, was bei kleinen Breiten für die thermische Stabilität verheerend ist. Wenn das Seitenverhältnis beim Verkleinern von MTJs reduziert wird, vergrößern sich die Schwankungen des Umschaltfeldes für magnetische Speicherzellen in einem Array und die Verringerung des Seitenverhältnisses bietet darum keine Lösung des Dilemmas.
Im Prinzip würde die Benutzung der intrinsischen Anisotropie das Problem in dem Sinn lösen, dass das Umschaltfeld, welches aus der intrinsischen Anisotropie K_i hervorgeht, eine Materialkonstante ist, die unabhängig von der Größe und der Form der Zelle ist. Wenn intrinsische Anisotropie verwendet wird, wird das Umschaltfeld mithilfe von Gleichung 4 berechnet: Hci = 2Ki/Ms Gleichung 4
Somit kann, durch ein Erhöhen der Dicke t der magnetischen Speicherzelle umgekehrt proportional zum Verkleinern der Breite W, die Zellgröße reduziert werden, während zur gleichen Zeit sowohl das Umschaltfeld als auch die Aktivierungsenergie konstant gehalten werden. Dies wäre richtig, falls allein intrinsische Anisotropie zu der Anisotropie der magnetischen Speicherzelle beitragen würde, dass also keine Formanisotropie in den magnetischen Speicherzellen auftreten könnte, oder dass die Breite W gleich der Länge L sein muss (z. B. wäre eine zirkulare oder runde magnetische Speicherzelle benötigt).
Jedoch ist es nicht durchführbar, eine runde magnetische Speicherzelle herzustellen, die keine Formanisotropie besitzt. Aufgrund von Lithographie und Prozessbeschränkungen, führt der Versuch der Herstellung runder Zellen zu magnetischen Speicherzellen in einem Array, die nicht perfekt rund sind, sondern schwankende Formen aufweisen, was in hohen Schwankungen des Umschaltfeldes von Zelle zu Zelle in dem Array führt. Schwankungen des Umschaltfeldes sind besonders ausgeprägt für Seitenverhältnisse nahe 1, d. h. beispielsweise für kreisförmige Formen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überwinden das Problem von Schwankungen des Umschaltfeldes, die durch schwankende Formen für Zellen mit dominierender intrinsischen Anisotropie induziert werden, und erlauben dadurch das Skalieren von kleinen Zellen mit intrinsischer Anisotropie. Unter Bezug auf den Artikel von D. Braun mit dem Titel "Effect of crystalline disorder an magnetic switching in small magnetic cell", Journal of Magnetism and Magnetic materials (2003), Vol. 261, S. 295–303, welcher hier unter Bezugnahme eingefügt sei, geht die resultierende Totalanisotropie K_T sowohl aus der intrinsischen Anisotropie als auch der Formanisotropie K_s aus Gleichung 5 hervor:
wobei γ_i der Winkel der intrinsischen Anisotropieachse K_i relativ zu der Formanisotropieachse K_s ist. Deshalb sind, falls K_s um δK_s schwankt, aufgrund von Schwankungen jeglicher Art (meistens durch Größe und Seitenverhältnis) die Schwankungen von K_T durch Gleichung 6 gegeben:
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird demnach, um den Zähler in Gleichung 6 gleich Null zu machen, vorzugsweise der Winkel γ_i gewählt bzw. ausgesucht als gleich einem Winkel, der annähernd durch Gleichung 7 berechnet wird:
so dass die Schwankungen der Formanisotropie nicht in linearer Ordnung zu den Schwankungen des Umschaltfeldes beitragen. Der Winkel γ_i ist ein Winkel zwischen 45 Grad bis unter 90 Grad, z. B. annähernd 45 bis 89 Grad. Auf diese Weise kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein begrenztes Seitenverhältnis der magnetischen Speicherzellen in einem Array eingehalten werden, so dass die Formanisotropieachse K_s eine genau bestimmte Richtung besitzt, aber die intrinsische Anisotropie um den Winkel γ_i relativ zu der Formanisotropieachse K_s orientiert ist.
Die resultierende Totalanisotropie K_t wird verringert, wenn dieser optimale Winkel γ_i verwendet wird. Die resultierende Totalanisotropie K_T kann aus Gleichung 8 berechnet werden:
Ein Reduzieren der Totalanisotropie K_T gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung führt sowohl zur Reduktion des benötigten Umschaltfeldes für Speicherzellen des Arrays, als auch zu einer proportionalen Reduktion der Aktivierungsenergie. Es ist nun möglich, die Dicke der freien Schicht 116 (siehe 1) zu erhöhen und auch das Seitenverhältnis L/W (siehe 2) zu verringern, um die Formanisotropieachse K_S (und damit die Totalanisotropieachse K_T und das gesamte Umschaltfeld) konstant zu halten, und das Gesamtvolumen V und damit die Aktivierungsenergie konstant zu halten, ohne Sorge über erhöhte Schwankungen des Umschaltfeldes tragen zu müssen, da diese in der Totalanisotropie K_T nicht wirksam sind.
Ein Orientieren der intrinsischen Anisotropieachse K_i der magnetischen Speicherzelle 100 um einen Winkel γ_i bezüglich der Formanisotropieachse K_s gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung führt zu einer bevorzugten Orientierung γ_T der Magnetisierung der freien Schicht. Der Winkel γ_T zwischen der Totalanisotropieachse K_T und der intrinsischen Anisotropieachse K_i wird durch Gleichung 9 berechnet:
Dadurch ist unter einem optimierten Winkel der intrinsischen Anisotropie bezüglich der Formanisotropie der Winkel γ_T gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorzugsweise 45 Grad. Die Referenzschicht oder feste Schicht 112 (siehe 1) sollte dementsprechend bezüglich der Zelle 100 orientiert sein. Zum Auswählen der Magnetisierung (z. B. der Umschaltmechanismus, der oben beschrieben ist, wobei beide Felder der Wortleitung 132 und Bitleitung 134 zum Schalten oder Auswählen einer zu schreibenden Zelle benötigt werden) wird die gesamte Tunnelgrenze 114 jeder magnetischen Speicherzelle 100 in einem Array vorzugsweise um (γ_i – 45) Grad bezüglich der Wortleitung 132 gedreht, wie dies in einer Draufsicht in 3 gezeigt ist, und die Referenz- oder feste Schicht 112 wird parallel zu der Wortleitung 132 gehalten, wie dies in einer Perspektivansicht in 4 gezeigt ist. Es sei bemerkt, dass die Magnetisierung der Referenzschicht 112 stark an einen Antiferromagneten gekoppelt ist, so dass Form und Orientierung der Referenzschicht 112 nicht signifikant sind. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die gesamte magnetische Speicherzelle 100 wie üblich aufgebaut, aber die magnetische Speicherzelle 100 ist gedreht, während die Magnetisierung der Referenzschicht 112 (nicht dargestellt) parallel zu der Wortleitung 132 gehalten ist.
5 ist ein Graph, der die Reduktion von Schwankungen im Umschaltfeld als Resultat von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Durch die Auswahl eines Winkels γ_i zwischen der intrinsischen Anisotropieachse K_i und der Formanisotropieachse K_s, was zu δK gleich Null führt, wie ein Winkel γ_i, der durch die obige Gleichung 7 berechnet ist, wird die Schwankung des Umschaltfeldes minimiert, wie in den berechneten Ergebnissen für Zellen in einem Array bei 140, 142 und 144 gezeigt.
Während Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier unter Bezug auf Formanisotropie und intrinsische Anisotropie beschrieben wurden, können jedoch Ausführungsformen der Erfindung auch generell in magnetischen Speicherzellen angewendet werden, die zwei verschiedene Arten von Anisotropien in ihrem Design aufweisen. Parameter, die anisotrop sein können, können z. B. Form, Intrinsizität oder Material umfassen, oder magnetische Beschränkungen (wobei ein Material beschränkt ist oder herunterskaliert ist, wenn es magnetisiert ist) obwohl andere Typen von anisotropen Parametern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung optimiert werden können.
Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung umfassen reduzierte Schwankungen in dem Umschaltfeld, welches für ein Array von magnetischen Speicherzellen benötigt wird, durch ein Verbessern der Prozesshomogenität, Lithographieperformanz, Ätzperformanz und Materialhomogenität. magnetischen Speicherzellen können aus einem dickeren Material hergestellt werden mit kleinerer Länge und Breite, was zu einer erhöhten Dichte im Array führt und zu mehr Speicherzellen pro Flächeneinheit. Dies ist vorteilhaft, da die Aktivierungsenergie erhöht ist, da das Volumen verringert ist, was zu einer Speicherzelle führt, die stabiler für Langzeitspeicherung ist und verbesserte Schreibbegrenzungen besitzt. Durch ein Orientieren der intrinsischen Anisotropieachse und der Formanisotropieachse um einen optimalen Winkel, vorzugsweise zwischen 45 und unter 90 Grad, werden die Schwankungen in dem Umschaltfeld gemäß Ausführungsformen der Erfindung reduziert.
Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile im Detail beschrieben wurden, sei verstanden, dass hier verschiedene Veränderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vollzogen werden können, ohne vom Geist und den Umfang der Erfindung, wie er durch die angefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen. Zum Beispiel versteht der Fachmann sofort, dass viele der Eigenschaften, Funktionen, Prozesse und Materialien, die hier beschreiben sind, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung variiert werden können. Überdies soll der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht durch die besonderen Ausführungsformen der Prozesse, Geräte, Herstellung, Zusammensetzung von Materie, Einrichtungen, Verfahren und Schritte, die in der Beschreibung beschrieben sind, begrenzt sein. Wie der Fachmann sofort aus der Beschreibung der vorliegenden Erfindung erkennt, können Prozesse, Maschinen, Herstellungen, Zusammensetzungen von Materie, Einrichtungen, Verfahren oder Schritte, die bereits existieren oder später entwickelt werden, welche im Wesentlichen den gleichen Funktionen dienen oder im Wesentlichen die gleichen Resultate erzielen wie die entsprechenden Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Dementsprechend sollen die angefügten Ansprüche in ihrem Umfang solche Prozesse, Maschinen, Herstellungen, Materiezusammensetzungen, Einrichtungen, Verfahren oder Schritte umfassen.

Claims

Magnetische Speicherzelle mit: einer ersten magnetischen Schicht (112); einer Tunnelgrenz- oder -übergangsschicht (114), die über der ersten magnetischen Schicht (112) angeordnet ist und an diese angrenzt; und einer zweiten magnetischen Schicht (116), die über der Tunnelgrenzschicht (114) angeordnet ist und an diese angrenzt, wobei die magnetische Speicherzelle eine erste Anisotropieachse und eine zweite Anisotropieachse aufweist, wobei ein Winkel zwischen der ersten Anisotropieachse und der zweiten Anisotropieachse nicht senkrecht ist, wobei die erste Anisotropieachse eine Formanisotropieachse K_s aufweist, wobei die zweite Anisotropieachse eine intrinsische Anisotropieachse K_i aufweist, wobei die intrinsische Anisotropieachse K_i in einer Richtung γ_i relativ zu der Formanisotropieachse K_i angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung γ_i annähernd durch die Gleichung: γ_i = 1 / 2arccos (–K_s/K_i) definiert ist, wobei K_s und K_i numerische Werte der Formanisotropie bzw. der intrinsischen Anisotropie repräsentieren.
Magnetische Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die magnetische Speicherzelle eine totale Anisotropie K_T aufweist, die in einer Richtung γ_T relativ zu der intrinsischen Anisotropieachse K_i angeordnet ist, wobei:
Magnetische Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die magnetische Speicherzelle einen MRAM (Magnetic Random Access Memory)-Speicher aufweist.
Magnetische Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die erste Anisotropieachse und die zweite Anisotropieachse Form-, intrinsische, oder magnetische Beschränkungs-Anisotropieachsen aufweisen.
MRAM-Einheit mit mindestens einer magnetischen Speicherzelle nach Anspruch 1.
MRAM-Einheit nach Anspruch 5, wobei die MRAM-Einheit ein Array von magnetischen Speicherzellen umfasst und zudem eine erste leitfähige Leitung umfasst, die in einer ersten Richtung verläuft und unmittelbar an der fixierten Schicht jeder magnetischen Speicherzelle angeordnet ist sowie eine zweite leitfähige Leitung, die in einer zweiten Richtung verläuft und unmittelbar an der freien Schicht jeder magnetischen Speicherzelle angeordnet ist, verläuft, wobei die zweite Richtung sich von der ersten Richtung unterscheidet, wobei jede magnetische Speicherzelle in dem Array um einen Winkel von (γ_i – 45) Grad von der zweiten leitfähigen Leitung gedreht ist.
MRAM-Einheit mit mindestens einer magnetischen Speicherzelle nach Anspruch 2.
MRAM-Einheit nach Anspruch 7, wobei die MRAM-Einheit ein Array von Magnetischen Speicherzellen und zudem eine erste leitfähige Leitung aufweist, die in einer ersten Richtung verläuft und unmittelbar an der fixierten Schicht jeder magnetischen Speicherzelle angeordnet ist, sowie eine zweite leitfähige Leitung, die in einer zweiten Richtung verläuft und unmittelbar an der freien Schicht jeder magnetischen Speicherzelle angeordnet ist, wobei die zweite Richtung sich von der ersten Richtung unterscheidet, wobei jede magnetische Speicherzelle in dem Array entlang einer der ersten oder zweiten leitfähigen Leitung entlang der Totalanisotropieachse K_T angeordnet ist.
MRAM-Einheit mit mindestens einer magnetischen Speicherzelle nach Anspruch 4.
Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Speichereinheit, das die folgenden Schritte umfasst: Anordnen einer ersten magnetischen Schicht (112) über einem Werkstück; Anordnen einer Tunnelgrenzschicht (114) über der ersten magnetischen Schicht (112) und angrenzend an dieser; und Anordnen einer zweiten magnetischen Schicht (116) über der Tunnelgrenzschicht (114), wobei die erste magnetische Schicht (112), die Tunnelgrenzschicht (114) und die zweite magnetische Schicht (116) eine magnetische Speicherzelle umfassen, wobei die magnetische Speicherzelle eine erste Anisotropieachse und eine zweite Anisotropieachse aufweist, wobei die zweite Anisotropieachse nicht senkrecht zu der ersten Anisotropieachse ist, wobei die erste Anisotropieachse eine Formanisotropieachse K_s aufweist, wobei die zweite Anisotropieachse eine intrinsische Anisotropieachse K_i aufweist und wobei die intrinsische Anisotropieachse K_i in einem Winkel γ_i relativ zu der Formanisotropieachse K_s angeordnet ist und wobei der Winkel γ_i annähernd durch die Gleichung: γ_i = 1 / 2arccos (–K_s/K_i) definiert ist, wobei K_s und K_i numerische Werte der Form- bzw. der intrinsischen Anisotropie repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die magnetische Speicherzelle eine Totalanisotropieachse K_T aufweist, die in einem Winkel γ_T relativ zu der intrinsischen Anisotropieachse Ki angeordnet ist, wobei:
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die magnetische Speichereinheit eine Vielzahl der magnetischen Speicherzellen aufweist, die in einem Array angeordnet sind, und zudem das Anordnen einer ersten leitfähigen Leitung aufweist, die in einer ersten Richtung unmittelbar an der ersten magnetischen Schicht (112) jeder magnetischen Speicherzelle verläuft, und das Anordnen einer zweiten leitfähigen Leitung aufweist, die in einer zweiten Richtung unmittelbar an der zweiten magnetischen Schicht (116) jeder magnetischen Speicherzelle verläuft, wobei die zweite Richtung sich von der ersten Richtung unterscheidet, wobei jede magnetische Speicherzelle in dem Array entlang der ersten oder zweiten leitfähigen Leitung entlang der Totalanisotropieachse K_T angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, das den folgenden Schritt umfasst: Drehen jeder magnetischen Speicherzelle in dem Array um einen Winkel von (γ_i – 45) Grad von der zweiten leitfähigen Leitung.
Verfahren nach Anspruch 10, das die folgenden Schritte umfasst: Berechnen der Totalanisotropieachse der magnetischen Speichereinheit aus der ersten Anisotropieachse und der zweiten Anisotropieachse; und Minimieren von Schwankungen der totalen Anisotropieachse, die durch das Auswählen des Winkels γ_i zwischen der ersten und zweiten Anisotropieachse berechnet wurden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Berechnen der totalen Anisotropieachse das Verwenden der folgenden Gleichung umfasst:
und wobei das Minimieren von Schwankungen der totalen Anisotropieachse das Verwenden der folgenden Formel umfasst:
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Schwankungen dadurch minimiert werden, dass ein Winkel γ_i zwischen der intrinsischen Anisotropieachse K_i und der Formanisotropieachse K_s gewählt wird, der zu δK gleich Null führt.
MRAM-Einheit nach Anspruch 9, wobei die erste Anisotropieachse und die zweite Anisotropieachse Form-, intrinsische oder magnetische Beschränkungs-Anisotropieachsen aufweisen.