DE102004030589A1

DE102004030589A1 - Magnetische Speicherzelle, die eine Weichreferenzschicht aufweist

Info

Publication number: DE102004030589A1
Application number: DE102004030589A
Authority: DE
Inventors: Thomas C. Sunnyvale Anthony; Manish Mountain View Sharma; Manoj K. Cupertino Bhattacharyya
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2005-06-02
Also published as: US6936903B2; JP4580211B2; US20040092039A1; JP2005129956A

Abstract

Eine exemplarische magnetische Speicherzelle weist eine Datenschicht, eine Weichreferenzschicht, die eine niedrigere magnetische Energie als die Datenschicht aufweist, und eine Abstandsschicht zwischen der Datenschicht und der Weichreferenzschicht auf.

Description

Dieses Patent ist eine Teilfortführung der ebenfalls anhängigen U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/351,013 und beansprucht die Priorität derselben, die eine Teilanmeldung der U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/963,171 ist, die jetzt als U.S.-Patent Nr. 6,576,969 B2 ausgegeben ist.

Ein Speicherchip weist im allgemeinen eine Mehrzahl von Speicherzellen auf, die auf einen Siliziumwafer aufgebracht und über ein Array von Spaltenleitungsleitungen (Bitleitungen) und Zeilenleitungsleitungen (Wortleitungen) adressierbar sind. Üblicherweise befindet sich eine Speicherzelle an dem Schnittpunkt einer Bitleitung und einer Wortleitung. Die Speicherzellen werden durch spezialisierte Schaltungen gesteuert, die Funktionen durchführen, wie z. B. ein Identifizieren von Zeilen und Spalten, aus denen Daten gelesen und an die Daten geschrieben werden. Üblicherweise speichert jede Speicherzelle Daten in der Form einer „1" oder „0", was ein Bit an Daten darstellt.

Ein Array magnetischer Speicherzellen kann als ein magnetischer Direktzugriffsspeicher oder MRAM bezeichnet werden. Ein MRAM ist im allgemeinen ein nichtflüchtiger Speicher (d. h. ein Festkörperchip, der Daten beibehält, wenn eine Leistung abgeschaltet wird). Zumindest ein Typ einer magnetischen Speicherzelle umfasst eine Datenschicht und eine Referenzschicht, die voneinander durch zumindest eine Zwischenschicht getrennt sind. Die Datenschicht kann auch als eine Bitschicht, eine Speicherungsschicht oder eine Leseschicht bezeichnet werden. In einer magnetischen Speicherzelle kann ein Bit an Daten (z. B. eine „1" oder „0") durch ein „Schreiben" in die Datenschicht über eine oder mehrere leitende Anschlussleitungen (z. B. eine Bitleitung und eine Wortleitung) gespeichert werden. Eine typische Datenschicht kann aus einem oder mehreren ferromagnetischen Materialien hergestellt sein. Die Schreiboperation wird üblicherweise über einen oder mehrere Schreibströme erzielt, die die Ausrichtung des magnetischen Moments in der Datenschicht in eine vorbestimmte Richtung setzen (im folgenden „magnetische Ausrichtung").

Sobald es geschrieben ist, kann das gespeicherte Bit an Daten durch ein Bereitstellen eines Lesestroms durch eine oder mehrere leitende Anschlussleitungen (z. B. eine Leseleitung) an die magnetische Speicherzelle gelesen werden. Für jede Speicherzelle sind die magnetischen Ausrichtungen der Datenschicht und der Referenzschicht entweder parallel (in der gleichen Richtung) oder antiparallel (in unterschiedlichen Richtungen) zueinander. Der Grad an Parallelität beeinflusst den Widerstandswert der Zelle und dieser Widerstandswert kann durch ein Lesen (z. B. über einen Leseverstärker) eines Ausgangsstroms oder einer -spannung, der/die durch die Speicherzelle ansprechend auf den Lesestrom erzeugt wird, bestimmt werden.

Insbesondere weist der basierend auf dem Ausgangsstrom bestimmte Widerstandswert, wenn die magnetischen Ausrichtungen parallel sind, einen ersten relativen Wert (z. B. relativ niedrig) auf. Wenn die magnetischen Ausrichtungen antiparallel sind, weist der bestimmte Widerstandswert einen zweiten relativen Wert (z. B. relativ hoch) auf. Die relativen Werte der beiden Zustände (d. h, parallel und antiparallel) unterscheiden sich üblicherweise ausreichend, um als unterschiedlich erfasst zu werden. Eine „1" oder eine „0" kann den jeweiligen relativen Widerstandswerten abhängig von einer Entwurfsspezifizierung zugewiesen sein.

Die Zwischenschicht, die auch als eine Abstandsschicht bezeichnet werden kann, kann ein isolierendes Material (z. B. Dielektrikum), ein nicht-magnetisches leitendes Material und/oder weitere bekannte Materialien aufweisen. Die verschiedenen leitenden Anschlussleitungen, die verwendet werden, um die Speicherzellen zu adressieren (z. B. Bitleitungen, Wortleitungen und Leseleitungen), und um Ströme zur Leitung durch die Daten- und die Referenzschicht bereitzustellen, um Daten von den Speicherzellen zu lesen oder Daten in dieselben zu schreiben, werden durch eine oder mehrere zusätzliche Schichten, die leitende Schicht(en) bezeichnet werden, bereitgestellt.

Die oben beschriebenen Schichten und ihre jeweiligen Charakteristika sind typisch für magnetische Speicherzellen, die auf Tunneleffektmagnetowiderstands- (TMR-) Effekten basieren, die in der Technik bekannt sind. Weitere Kombinationen von Schichten und Charakteristika können ebenso verwendet werden, um magnetische Speicherzellen basierend auf TMR-Effekten herzustellen.

Wiederum andere Konfigurationen magnetischer Speicherzellen basieren auf weiteren bekannten physischen Effekten (z. B. dem Effekt eines Riesen-Magnetowiderstands (GMR), eines anisotropen Magnetowiderstands (AMR), eines Kolossal-Magnetowiderstands (CMR) und/oder weiteren physischen Effekten).

In dieser gesamten Anmeldung werden verschiedene exemplarische Ausführungsbeispiele in Bezug auf die TMR-Speicherzellen beschrieben, wie diese erst oben beschrieben wurden. Fachleute auf diesem Gebiet werden ohne weiteres erkennen, dass die exemplarischen Ausführungsbeispiele gemäß den Anforderungen einer bestimmten Implementierung auch mit weiteren Typen magnetischer Speicherzellen implementiert sein können, die in der Technik bekannt sind (z. B. weiteren Typen von TMR-Speicherzellen, GMR-Speicherzellen, AMR-Speicherzellen, CMR-Speicherzellen, usw.).

Der relative Widerstandswert zwischen einer Referenzschicht und einer Datenschicht einer magnetischen Speicherzelle kann wirksamer und definitiver ermittelt werden, wenn die magnetische Ausrichtung der Referenzschicht „ohne Aufwand festgelegt" (pinned-on-the-fly) werden kann (d. h. durch ein Anlegen eines Stroms, um die Referenzschicht in eine bekannte magnetische Ausrichtung festzulegen, wenn ein Bit gelesen werden soll). Verschiedene exemplarische Ausführungsbeispiele ohne Aufwand festgelegter Referenzschichten sind detaillierter in dem U.S.-Patent Nr. 6,404,674, übertragen an Anthony u. a., das der Anmelderin der vorliegenden Erfindung zugewiesen ist, beschrieben. Dieses Patent ist hierin zu allen Zwecken durch Bezugnahme aufgenommen. Eine Art und Weise zur Herstellung magnetischer Speicherzellen mit Referenzschichten, die ohne Aufwand festgelegt werden können, besteht darin, die Referenzschichten magnetisch weich zu machen (d. h. Schichten, deren magnetische Ausrichtung leicht umzuschalten ist).

So besteht ein Markt für magnetische Speicherzellen, die Referenzschichten aufweisen, deren magnetische Ausrichtung leicht umzuschalten ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine magnetische Speicherzelle, ein Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Speicherzelle oder ein nichtflüchtiges Speicherarray mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine magnetische Speicherzelle gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 17 oder ein nichtflüchtiges Speicherarray gemäß Anspruch 29 gelöst.

Eine exemplarische magnetische Speicherzelle weist eine Datenschicht, eine Weichreferenzschicht, die eine geringere magnetische Energie als die Datenschicht aufweist, und eine Abstandsschicht zwischen der Datenschicht und der Weichreferenzschicht auf.

Ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Speicherzelle, die eine Weichreferenzschicht aufweist, weist ein Bilden einer Datenschicht, ein Bilden einer Weichreferenzschicht, die eine geringere magnetische Energie als die Datenschicht aufweist, und ein Bilden einer Abstandsschicht zwischen der Datenschicht und der Weichreferenzschicht auf.

Weitere Ausführungsbeispiele und Implementierungen sind unten auch beschrieben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste exemplarische magnetische Speicherzelle, die eine Weichreferenzschicht aufweist;
2 eine zweite exemplarische magnetische Speicherzelle, die eine Weichreferenzschicht aufweist;
3 eine dritte exemplarische magnetische Speicherzelle, die eine Weichreferenzschicht aufweist;
4A bis 4C ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der exemplarischen magnetischen Speicherzelle aus 1;
5A bis 5F ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der exemplarischen magnetischen Speicherzelle aus 2; und
6A bis 6F ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der exemplarischen magnetischen Speicherzelle aus 3.
I. Übersicht
Exemplarische magnetische Speicherzellen, die eine Weichreferenzschicht aufweisen, und Fertigungsverfahren zum Her stellen der magnetischen Speicherzellen sind hierin beschrieben.
Abschnitt II beschreibt im allgemeinen die Verwendung von Weichreferenzschichten in magnetischen Speicherzellen.
Abschnitt III beschreibt eine erste exemplarische magnetische Speicherzelle.
Abschnitt IV beschreibt eine zweite exemplarische magnetische Speicherzelle.
Abschnitt V beschreibt eine dritte exemplarische magnetische Speicherzelle.
Abschnitt VI beschreibt ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der ersten exemplarischen verbesserten magnetischen Speicherzelle.
Abschnitt VII beschreibt ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der ersten exemplarischen verbesserten magnetischen Speicherzelle.
Abschnitt VIII beschreibt ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der ersten exemplarischen verbesserten magnetischen Speicherzelle.
Abschnitt IX beschreibt verschiedene weitere Betrachtungen, die magnetischen Speicherzellen zugeordnet sind.
II. Magnetische Speicherzellen, die Weichreferenzschichten aufweisen
A. Übersicht über ein weiches magnetisches Verhalten
Man spricht davon, dass eine Schicht eines magnetischen Materials ein „weiches" magnetischen Verhalten zeigt, wenn ihre magnetische Ausrichtung durch ein kleines Magnetfeld umkehrbar umgeschaltet werden kann. Eine Schicht eines magnetischen Materials kann als ein Ergebnis ihrer chemischen Zusammensetzung, Größe, Form oder selbst der Temperatur des Materials während einer Messung weich sein.
Ein superparamagnetisches Material ist ein Beispiel eines magnetischen Materials, das „ultraweich" sein kann. Ein ultraweiches Material weist im allgemeinen keine gesetzte magnetische Ausrichtung auf, wenn gerade kein Magnetfeld angelegt wird. Das ultraweiche Material weist eine extrem niedrige Koerzivität auf und erfordert unter Umständen nur eine sehr kleine Menge eines Magnetfelds, um seine magnetische Ausrichtung auf die eine oder andere Weise umzuschalten.
B. Anwenden weich-magnetischer Materialien auf magnetische Speicherzellen
Weich-magnetische Materialien sind in magnetischen Speicherzellen nützlich, um Umschaltcharakteristika der Speicherzellen zu verbessern. Eine weiche Datenschicht z. B. benötigt im allgemeinen während einer Schreiboperation einen niedrigeren Umschaltstrom als eine harte Datenschicht. Die Datenschicht sollte jedoch nicht zu weich sein. Es ist wünschenswert, die Datenschicht ausreichend hart herzustellen, um die in die Schicht „geschriebene" magnetische Ausrichtung zu behalten. Viele Verwendungen der weich-magnetischen Materialien in magnetischen Speicherzellen sind in den U.S.-Patenten mit den Nummern 6,404,674 (übertragen an Anthony u. a.) und 6,538,917 (übertragen an Tran u. a.), die hierin zu allen Zwecken durch Bezugnahme aufgenommen sind, offenbart.
C. Anwenden weich-magnetischer Materialien auf Referenzschichten in magnetischen Speicherzellen
In einer magnetischen Speicherzelle, die eine Weichreferenzschicht (im Gegensatz zu einer festgelegten oder Hart-Referenzschicht) implementiert, ist die Koerzivität der Referenzschicht üblicherweise viel geringer als die Koerzivität der Datenschicht. In vielen exemplarischen magnetischen Speicherzellen z. B. kann die Koerzivität der Datenschicht zwei- bis fünfmal größer als die Koerzivität der Referenzschicht sein. Wenn eine Weichreferenzschicht in einer magnetischen Speicherzelle implementiert wird, kann die Referenzschicht mit kleinen Magnetfeldern, die durch Ströme erzeugt werden, die durch Leiter benachbart zu der magnetischen Speicherzelle bereitgestellt werden, in eine bekannte magnetische Ausrichtung gesetzt sein. Derartige Ströme sind kleiner als der Umschaltstrom, der zum Schreiben eines Bits in die Datenschicht benötigt wird. Ein geringerer Stromverbrauch kann zu einer reduzierten Betriebsleistung führen.
D. „Weich"-Machen einer Referenzschicht durch Reduzierung ihrer magnetischen Energie
In einer magnetisch weichen Schicht kann ein sehr kleines Magnetfeld (oder ein Strom) bewirken, dass die magnetische Ausrichtung in der Schicht ihre Richtung ändert. Falls dies geeignet verwendet wird, kann dieses Attribut in der Referenzschicht wünschenswert sein. Im allgemeinen wird ein magnetisches Material durch ein Reduzieren seiner magnetischen Energie „weich" gemacht, die proportional zu K, der Summe aller Anisotropien der magnetischen Schicht ist (üblicherweise umfasst Anisotropie ohne Einschränkung eine Formanisotropie, eine Magnetokristall-Anisotropie und eine magnetoelastische Anisotropie). Wenn magnetische Elemente auf Submikrometerabmessungen strukturiert sind, dominiert oft eine Formanisotropie, so dass ein Steuern der Formanisotropie beim Erzeugen eines weichen strukturierten magnetischen Elements wichtig ist.
1. Reduzieren der magnetischen Energie in einer Referenzschicht durch Reduzieren der Formanisotropie
Wenn eine Weichreferenzschicht entworfen wird, kommt es in Betracht, eine Schicht mit einer kleinen Formanisotropie herzustellen. Im allgemeinen gilt, dass, je kleiner die Differenz zwischen Haupt- und Nebenachse einer planaren Form ist, desto kleiner die Formanisotropie ist. Ein Kreis z. B., dessen Haupt- und Nebenachse gleich seinem Durchmesser d sind, weist keine Formanisotropie auf. Ein Quadrat mit einer Breite d weist eine kleinere Formanisotropie als ein Rechteck einer Breite d auf. Mit immer kleiner werdenden Abmessungen einer Schicht nimmt die Formanisotropie (Ks) einer länglichen Form schnell zu. So ist ein Reduzieren der Formanisotropie (z. B. durch Anpassen kreisförmiger Formen) insbesondere für kleine strukturierte Schichten von Vorteil.
2. Reduzieren der magnetischen Energie in einer Referenzschicht durch Reduzieren der Magnetokristall-Anisotropie
Die Auswahl einer ferromagnetischen Legierung kann auch eine wichtige Betrachtung sein, wenn eine Weichreferenzschicht erzeugt wird. Das zur Sättigung der Magnetisierung entlang einer angelegten Feldachse benötigte Magnetfeld ist im allgemeinen proportional zu der magnetischen Anisotropie. Deshalb ermöglicht es ein Implementieren einer geringen Magnetokristall-Anisotropie in einer Weichreferenzschicht unter Umständen, dass die Magnetisierung der Weichreferenzschicht auf geringere Magnetfelder ansprechen kann. Größere Felder werden benötigt, um eine Magnetisierungsausrichtung in Materialien mit höherer Anisotropie zu verändern. Beispiele von Materialien, die eine geringe Magneto kristall-Anisotropie aufweisen, umfassen NiFe, CoFe und amorphe ferromagnetische Legierungen (z. B. CoFeB, CoZrNb).
3. Reduzieren der magnetischen Energie in einer Referenzschicht durch Reduzierung des Volumens
Wenn das Volumen V einer strukturierten Magnetschicht reduziert wird, nimmt die magnetische Gesamtenergie KV der Schicht ab und nähert sich schließlich der Wärmeenergie k_BT der Schicht an. Hier ist k_B die Boltzmann-Konstante und T ist die absolute Temperatur. Wenn das Verhältnis von magnetischer Energie zur Wärmeenergie (KV/k_BT) in einer Schicht eines Materials kleiner als ein Schwellenwert (z. B. etwa 50) ist, wird die Schicht des Materials unter Umständen weniger wärmestabil und ihre magnetische Ausrichtung kann anfällig für eine Neuausrichtung aufgrund thermischer Fluktuationen werden. Ein Anzeichen für den Einsatz einer thermischen Instabilität ist eine Reduzierung der Koerzivität, was in einer Weichreferenzschicht von Vorteil verwendet werden kann. Ferner kann eine Reduzierung des Volumens einer Schicht (z. B. Reduzieren des Verhältnisses zwischen KV und k_BT auf etwa 5) die Schicht in einen superparamagnetischen ultraweichen Zustand bringen. Vor einem Erreichen des superparamagnetischen Zustands ermöglicht die Wärmeenergie u. U. ein Umschalten der magnetischen Ausrichtung, was die Schicht weicher macht.
Basierend auf dem Vorangegangenen kann ein Reduzieren des Volumens einer Schicht (z. B. durch Reduzieren ihrer Fläche und/oder Dicke) bei dem Entwurf einer Weichreferenzschicht in Betracht kommen. Ein Strukturieren der Weichreferenzschicht in eine dünnere Schicht (insbesondere in Kombination mit einer kleinen kreisförmigen Form) kann die Referenzschicht ultraweich machen.
Natürlich kann auch jede Kombination der obigen Techniken verwendet werden, um abhängig von den spezifischen Anforde rungen einer bestimmten Implementierung eine Weichreferenzschicht zu erzeugen. Die Abschnitte III – V unten stellen exemplarische magnetische Speicherzellen dar, die eine oder mehrere der obigen Techniken anwenden, um eine magnetische Energie in der Referenzschicht zu reduzieren und dieselbe magnetisch weich zu machen. Die Abschnitte VI – VIII unten beschreiben Verfahren zum Herstellen dieser exemplarischen magnetischen Speicherzellen.
E. Was ist mit der Datenschicht?
Die Datenschicht kann anders als die Referenzschicht strukturiert werden, so dass die Datenschicht ihre magnetische Härte beibehalten kann, indem sie z. B. eine größere Formanisotropie oder ein größeres Volumen aufweist. Dies ist unter Umständen wünschenswert, um sicherzustellen, dass die Datenschicht ihre magnetische Ausrichtung beibehält, sobald sie beschrieben ist.
III. Eine erste exemplarische Speicherzelle
1 stellt einen Aufriss einer exemplarischen magnetischen Speicherzelle 100, die eine Weichreferenzschicht aufweist, dar. Im allgemeinen kann eine Speicherzelle als oben festgelegt (wobei die Referenzschicht über der Datenschicht ist) oder unten festgelegt (wobei die Referenzschicht unter der Datenschicht ist) hergestellt sein. Zur Erleichterung einer Erklärung ist nur die oben festgelegte Konfiguration in 1 gezeigt und nur auf diese wird in der Beschreibung verschiedener exemplarischer Ausführungsbeispiele hierin Bezug genommen. Diese Konfiguration ist jedoch lediglich darstellend. So werden Fachleute auf diesem Gebiet ohne weiteres erkennen, dass weitere Konfigurationen (z. B. unten festgelegt, usw.) auch unter Verwendung der exemplarischen hierin offenbarten Verfahren gemäß einer bestimmten Entwurfsanforderung implementiert sein können.
Die Speicherzelle 100 umfasst eine Datenschicht 110, eine Abstandsschicht 120 und eine Referenzschicht 130. Die Referenzschicht 130 weist eine niedrigere magnetische Energie als die Datenschicht 110 auf. Die Daten- und die Referenzschicht stellen üblicherweise einen Kontakt zu einem Paar jeweiliger Leiter (nicht gezeigt) her, die orthogonal zueinander sind und kollektiv für sowohl Schreib- als auch Leseoperationen verwendet werden. Bei einigen Implementierungen können einer oder mehrere Leiter auch als ein Teil der magnetischen Speicherzelle 100 betrachtet werden.
Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass die Speicherzellenkonfiguration, wie in 1 dargestellt, lediglich darstellend ist. Weitere Konfigurationen, z. B. Konfigurationen, die zusätzliche Schichten aufweisen, sind in der Technik ebenso bekannt. Eine weitere Magnetspeicherzellenkonfiguration z. B. kann außerdem eine Keimschicht, eine Schutzabdeckschicht und/oder weitere Schichten umfassen. Die Keimschicht verbessert im allgemeinen eine Kristallausrichtung einer oder mehrerer nahegelegener ferromagnetischer Schichten. Exemplarische Materialien für eine Keimschicht umfassen Ta, Ru, NiFe, Cu oder Kombinationen dieser Materialien. Die Schutzabdeckschicht schützt die Datenschicht 110 vor der Umgebung (z. B. durch ein Reduzieren einer Oxidation der Datenschicht 110) und kann unter Verwendung jedes geeigneten Materials, das in der Technik bekannt ist, wie z. B. Ta, TaN, Cr, Al oder Ti, hergestellt sein. Zur Erleichterung einer Erklärung sind diese zusätzlichen Schichten in den Figuren nicht gezeigt; magnetische Speicherzellen, die eine oder mehrere dieser zusätzlichen Schichten aufweisen, können jedoch mit verschiedenen Ausführungsbeispielen, die hierin beschrieben werden, gemäß einer bestimmten Entwurfsauswahl implementiert sein.
Die Datenschicht 110 kann eines oder mehrere ferromagnetische Materialien aufweisen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfassen ferromagnetische Materialien, die für die Datenschicht 110 geeignet sind, ohne Einschränkung NiFe, NiFeCo, CoFe, amorphe Legierungen (z. B. CoFeB, CoZrNb) und weitere Materialien. Die Datenschicht kann eine einzelne Schicht aus ferromagnetischem Material sein oder mehrere Schichten, die durch nicht-magnetische Schichten getrennt sind.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Abstandsschicht 120 eine Tunnelbarriereschicht (z. B. wenn die Speicherzelle 100 eine TMR-Speicherzelle ist). Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Abstandsschicht 120 aus SiO_x, SiN_x, MgO, AlO_x, AlN_x, TaO_x und/oder weiteren isolierenden Materialien hergestellt sein.
Bei einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Abstandsschicht 120 eine nicht-magnetische leitende Schicht (z. B. wenn die Speicherzelle 100 eine GMR-Speicherzelle ist). Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Abstandsschicht 120 aus Cu, Au, Ag und/oder weiteren nichtmagnetischen leitenden Materialien hergestellt sein.
Die Referenzschicht 130 kann eine einzelne Schicht eines Materials oder mehrere Schichten von Materialien aufweisen. Die Referenzschicht 130 kann z. B. eines oder mehrere ferromagnetische Materialien aufweisen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfassen ferromagnetische Materialien, die für die Referenzschicht 130 geeignet sind, NiFe, NiFeCo, CoFe, amorphe ferromagnetische Legierungen (z. B. CoFeB, CoZrNb) und weitere Materialien. Die Referenzschicht kann eine einzelne Schicht eines ferromagnetischen Materials sein oder mehrere Schichten, die durch nicht-magnetische Schichten getrennt sind.
Bei einer exemplarischen Implementierung ist die Datenschicht 110 dicker (und hat so ein größeres Volumen) als die Referenzschicht 130. Der Magnetisierungszustand einer derartigen Datenschicht 110 wäre thermisch stabiler als bei einer Referenzschicht 130 mit der gleichen Querschnittsflä che und aus dem gleichen Material. Allgemeiner können die Datenschicht und die Referenzschicht mit dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien und Größen hergestellt sein.
Bei einer exemplarischen Implementierung sind die Datenschicht 110, der Abstandshalter 120 und die Referenzschicht 130 in eine kreisförmige Form oder eine ovale, elliptische und/oder weitere gerundete Form mit niedrigem Aspektverhältnis strukturiert, die eine relativ kleinere Formanisotropie für die Referenzschicht 130 und die Datenschicht 110 liefert. Bei dieser Implementierung kann das Aspektverhältnis, definiert als Länge geteilt durch Breite, kleiner als 2 sein. Wenn das Volumen der Referenzschicht durch eine Kombination aus kleiner Planaren Fläche und Filmdicke ausreichend klein gemacht wird, kann die Referenzschicht superparamagnetisch werden. In diesem Fall kann die Magnetisierung der Referenzschicht durch ein sehr kleines Magnetfeld ausgerichtet werden.
Bei einer exemplarischen Implementierung weist die Datenschicht 110 eine größere Magnetokristall-Anisotropie auf als die Referenzschicht 130, wodurch die Datenschicht 110 magnetisch härter gemacht wird. So kann ein Pegel eines Magnetfelds die Magnetisierung in der Referenzschicht ausrichten und ein weiterer höherer Pegel des Magnetfelds kann die Magnetisierung der Datenschicht ausrichten.
Ein exemplarisches Verfahren zur Herstellung der Speicherzelle 100 ist unten im Abschnitt VI beschrieben.
IV. Eine zweite exemplarische magnetische Speicherzelle
2 stellt einen Aufriss einer exemplarischen magnetischen Speicherzelle 200 dar. Die magnetische Speicherzelle 200 umfasst eine Datenschicht 210 mit größerem Volumen (z. B. breiter und dicker) relativ zu der Weichreferenzschicht 230. Diese Konfiguration kann eine magnetisch stabilere Datenschicht 210 liefern und kann die Wirkungen reduzieren, dass die Rand-Entmagnetisierungsfelder, die von den Rändern der Datenschicht 210 ausgehen, die magnetischen Umschaltfelder der Referenzschicht 230 beeinflussen. Üblicherweise erhöhen Rand-Entmagnetisierungsfelder von einer Schicht die erforderlichen Umschaltmagnetfelder einer weiteren Schicht. Ein Versatz an den Rändern zwischen den Schichten (indem z. B. eine Schicht etwas kleiner als die andere gemacht wird) kann den Effekt von Rand-Entmagnetisierungsfeldern von der größeren Schicht auf die kleinere Schicht reduzieren. Zur Erleichterung einer Erläuterung ist nur die oben festgelegte Konfiguration in 2 gezeigt und nur auf diese wird in der Beschreibung verschiedener exemplarischer Ausführungsbeispiele hierin Bezug genommen.
Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass die Speicherzellenkonfiguration, wie in 2 dargestellt, lediglich darstellend ist. Weitere Konfigurationen, wie z. B. Konfigurationen, die einen oder mehrere zusätzliche Leiter aufweisen, und/oder Konfigurationen, die weitere zusätzliche Schichten aufweisen, sind in der Technik ebenso bekannt. Zur Erleichterung einer Erklärung sind zusätzliche Schichten in der Figur nicht gezeigt; magnetische Speicherzellen jedoch, die eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufweisen, können mit verschiedenen Ausführungsbeispielen, die hierin beschrieben werden, gemäß einer bestimmten Entwurfsauswahl implementiert sein. Ferner wird ein Fachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres erkennen, dass die Formen der Schichten 210 – 230 in einer Speicherzelle lediglich darstellend sind. Die Form, mit der eine Schicht strukturiert wird, hängt von dem Maskierungsverfahren ab. So kann während eines bestimmten Maskierungsverfahrens die Form einer oder mehrerer Schichten in der Speicherzelle anders als bei einer weiteren Schicht der Speicherzelle gemacht werden, indem ein zusätzlicher Ätzschritt (z. B. Plasmaätzen, Nassätzen, usw.) angewendet wird, um eine oder mehrere derartige Schichten zu ätzen, und/oder ein Heizschritt, um zu bewirken, dass die Maskenschicht ihre Form ändert (z. B. durch Bewirken eines „Rückflusses" des Maskenschichtmaterials), bevor ein Ätzen einer oder mehrerer derartiger Schichten fortgesetzt wird.
Zurückkehrend zu 2 umfasst die Speicherzelle 200 eine Datenschicht 210, eine Abstandsschicht 220 und eine Referenzschicht 230. Die Referenzschicht 230 weist eine geringere magnetische Energie auf als die Datenschicht 210 auf. Die Daten- und die Referenzschicht stellen üblicherweise einen Kontakt zu einem Paar jeweiliger Leiter (nicht gezeigt) her, die orthogonal zueinander sind und kollektiv sowohl für Schreib- als auch Leseoperationen verwendet werden.
Die Datenschicht 210 kann eines oder mehrere ferromagnetische Materialien aufweisen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfassen ferromagnetische Materialien, die für die Datenschicht 210 geeignet sind, ohne Einschränkung NiFe, NiFeCo, CoFe, amorphe Legierungen (z. B. CoFeB, CoZrNb) und weitere Materialien. Die Datenschicht kann eine einzelne Schicht eines ferromagnetischen Materials sein oder mehrere Schichten, die durch nicht-magnetische Schichten getrennt sind.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Abstandsschicht 220 eine Tunnelbarriereschicht (z. B. wenn die Speicherzelle 200 eine TMR-Speicherzelle ist). Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Abstandsschicht 220 aus SiO_x, SiN_x, MgO, AlO_x, AlN_x, TaO_x und/oder weiteren isolierenden Materialien hergestellt sein.
Bei einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Abstandsschicht 220 eine nicht-magnetische leitende Schicht (z. B. wenn die Speicherzelle 200 eine GMR-Speicherzelle ist). Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Abstandsschicht 220 aus Cu, Au, Ag und/oder weiteren nichtmagnetischen leitenden Materialien hergestellt sein.
Die Referenzschicht 230 kann eine einzelne Schicht eines Materials oder mehrere Schichten von Materialien aufweisen. Die Referenzschicht 230 kann z. B. eines oder mehrere ferromagnetische Materialien aufweisen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfassen ferromagnetische Materialien, die für die Referenzschicht 230 geeignet sind, NiFe, NiFeCo, CoFe, amorphe ferromagnetische Legierungen (z. B. CoFeB, CoZrNb) und weitere Materialien. Die Referenzschicht kann eine einzelne Schicht eines ferromagnetischen Materials sein oder mehrere Schichten, die durch nicht-magnetische Schichten getrennt sind.
Bei einer exemplarischen Implementierung weist die Datenschicht 210 eine größere planare Fläche auf als die Referenzschicht 230. Der Magnetisierungszustand einer derartigen Datenschicht 210 wäre thermisch stabiler als bei einer Weichreferenzschicht 230 mit der gleichen Dicke und aus dem gleichen Material. Während 2 anzeigt, dass die Abstandsschicht 220 und die Referenzschicht 230 die gleiche Form aufweisen, ist dies für den Entwurf der Speicherzelle nicht nötig. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird ohne weiteres erkennen, dass die Größe und Form der Abstandsschicht 220 und der Referenzschicht 230 abhängig von einer Entwurfsauswahl variieren können.
Bei einer exemplarischen Implementierung sind die Abstandsschicht 220 und die Referenzschicht 230 in eine kreisförmige Form oder eine ovale, elliptische und/oder weitere Form mit niedrigem Aspektverhältnis (z. B. kleiner als 2) strukturiert, die eine relativ kleinere Formanisotropie für die Referenzschicht 230 liefert. Die Datenschicht 210 ist in eine ovale, elliptische, rechteckige und/oder weitere Form strukturiert, die eine größere planare Fläche aufweist als die Referenzschicht 230. Wenn das Volumen der Referenzschicht durch eine Kombination aus kleiner planarer Fläche und Filmdicke ausreichend klein gemacht ist, kann die Referenzschicht superparamagnetisch werden. In diesem Fall kann die Magnetisierung der Referenzschicht durch ein sehr kleines Magnetfeld ausgerichtet werden.
Bei einer exemplarischen Implementierung weist die Datenschicht 210 eine größere Magnetokristall-Anisotropie auf als die Referenzschicht 230, wodurch die Datenschicht 210 magnetisch härter gemacht wird. So kann ein Pegel eines Magnetfelds die Magnetisierung in der Referenzschicht ausrichten und ein weiterer höherer Pegel eines Magnetfelds kann die Magnetisierung der Datenschicht ausrichten.
Ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der Speicherzelle 200 ist unten im Abschnitt VII beschrieben.
V. Eine dritte exemplarische magnetische Speicherzelle
3 stellt einen Aufriss einer exemplarischen magnetischen Speicherzelle 300 dar. Die magnetische Speicherzelle 300 umfasst eine Datenschicht 310 mit größerem Volumen (z. B. größere planare Fläche) relativ zu der Weichreferenzschicht 330. Diese Konfiguration kann eine magnetisch stabilere Datenschicht 310 liefern und kann die Wirkungen reduzieren, dass die Rand-Entmagnetisierungsfelder, die von den Rändern der Datenschicht 310 ausgehen, die Umschaltmagnetfelder der Referenzschicht 330 beeinflussen. Zur Erleichterung einer Erläuterung ist nur die oben festgelegte Konfiguration in 3 gezeigt und nur auf diese wird in der Beschreibung verschiedener exemplarischer Ausführungsbeispiele hierin Bezug genommen.
Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass die Speicherzellenkonfiguration, wie in 3 dargestellt, lediglich darstellend ist. Weitere Konfigurationen, z. B. Konfigurationen, die einen oder mehrere zusätzliche Leiter aufweisen, und/oder Konfigurationen, die weitere zusätzliche Schichten aufweisen, sind in der Technik ebenso bekannt. Zur Erleichterung einer Erklärung sind zusätzliche Schichten in der Figur nicht gezeigt; magnetische Speicherzellen, die eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufweisen, können jedoch mit verschiedenen Ausführungsbeispielen, die hierin beschrieben werden, gemäß einer bestimmten Entwurfsauswahl implementiert werden.
Bezug nehmend auf 3 umfasst die Speicherzelle 300 eine Datenschicht 310, eine Abstandsschicht 320 und eine Referenzschicht 330. Die Referenzschicht 330 weist eine niedrigere magnetische Energie als die Datenschicht 310 auf. Die Daten- und die Referenzschicht stellen üblicherweise einen Kontakt zu einem Paar jeweiliger Leiter (nicht gezeigt) her, die orthogonal zueinander sind und kollektiv für sowohl Schreib- als auch Leseoperationen verwendet werden.
Die Datenschicht 310 kann eines oder mehrere ferromagnetische Materialien aufweisen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfassen ferromagnetische Materialien, die für die Datenschicht 310 geeignet sind, ohne Einschränkung NiFe, NiFeCo, CoFe, amorphe Legierungen (z. B. CoFeB, CoZrNb) und weitere Materialien. Die Datenschicht kann eine einzelne Schicht eines ferromagnetischen Materials sein oder mehrere Schichten, die durch nicht-magnetische Schichten getrennt sind.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Abstandsschicht 320 eine Tunnelbarriereschicht (z. B. wenn die Speicherzelle 300 eine TMR-Speicherzelle ist). Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Abstandsschicht 320 aus SiO_x, SiN_x, MgO, AlO_x, AlN_x, TaO_x und/oder weiteren isolierenden Materialien hergestellt sein.
Bei einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Abstandsschicht 320 eine nicht-magnetische leitende Schicht (z. B. wenn die Speicherzelle 300 eine GMR-Speicherzelle ist). Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Abstandsschicht 320 aus Cu, Au, Ag und/oder weiteren nichtmagnetischen leitenden Materialien hergestellt sein.
Jede Referenzschicht 330 kann eine einzelne Schicht eines Materials oder mehrere Schichten von Materialien aufweisen. Die Referenzschicht 330 kann z. B. eines oder mehrere ferromagnetische Materialien aufweisen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfassen ferromagnetische Materialien, die für die Referenzschicht 330 geeignet sind, NiFe, NiFeCo, CoFe, amorphe ferromagnetische Legierungen (z. B. CoFeB, CoZrNb) und weitere Materialien. Die Referenzschicht kann eine einzelne Schicht eines ferromagnetischen Materials sein oder mehrere Schichten, die durch nicht-magnetische Schichten getrennt sind.
Bei einer exemplarischen Implementierung weist die Datenschicht 310 eine größere planare Fläche auf als die Referenzschicht 330. Der Magnetisierungszustand einer derartigen Datenschicht 310 wäre thermisch stabiler als bei einer Referenzschicht 330 der gleichen Dicke und aus dem gleichen Material. Allgemeiner können die Datenschicht und die Referenzschicht mit den gleichen oder unterschiedlichen Materialien und Größen hergestellt sein. Während 3 anzeigt, dass die Abstandsschicht 320 und die Datenschicht 310 die gleiche Form aufweisen, ist dies für den Entwurf der Speicherzelle nicht notwendig. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird ohne weiteres erkennen, dass die Größe und Form der Abstandsschicht 320 und der Referenzschicht 330 abhängig von einer Entwurfsauswahl variieren kann.
Bei einer exemplarischen Implementierung ist die Referenzschicht 330 auf mehrere kleine kreisförmige Formpunkte oder ovale, elliptische und/oder weitere Formpunkte mit niedrigem Aspektverhältnis (z. B. kleiner als 2) strukturiert, die kleine Inseln auf der Abstandsschicht 320 bilden. Diese kleinen Punkte können z. B. verglichen mit den Referenzschichten, die in den 1 und 2 gezeigt sind, eine Formanisotropie aufweisen, die kleiner als bei einer einzelnen Schicht ist. Die Abstandsschicht 320 und die Datenschicht 310 sind in eine ovale, elliptische, rechteckige und/oder weitere Form strukturiert, die der Datenschicht 310 eine größere Formanisotropie verleiht als der Referenzschicht 330. Wenn das Volumen der Referenzschicht ausreichend klein gemacht ist (z. B. durch eine Kombination aus kleiner planarer Fläche und Filmdicke), kann die Referenzschicht superparamagnetisch werden. In diesem Fall kann die Magnetisierung der Referenzschicht durch ein sehr kleines Magnetfeld ausgerichtet werden.
Ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der Speicherzelle 300 ist unten im Abschnitt VIII beschrieben.
VI. Ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der ersten exemplarischen magnetischen Speicherzelle
Die 4A – 4C stellen ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der exemplarischen magnetischen Speicherzellen 100 aus 1 dar.
In 4A sind eine Datenschicht 110, eine Abstandsschicht 120 und eine Referenzschicht 130 (d. h. die magnetische Speicherzelle 100 aus 1) durch eine Aufbringungs- und/oder weitere Techniken gebildet, die in der Technik bekannt sind (z. B. über Zerstäuben, Verdampfung, chemische Aufdampfung, Atomarschichtaufbringung (ALD) und/oder weitere bekannte Techniken). Zusätzlich ist eine Maskenschicht 410 auf der Referenzschicht 130 gebildet. Bei einer exemplarischen Implementierung umfasst die Maskenschicht ein Photoresistmaterial.
In 4B ist die Maskenschicht 410 durch Techniken strukturiert, die in der Technik bekannt sind. Die Datenschicht 110, die Abstandsschicht 120 und die Referenzschicht 130 sind unter Verwendung der strukturierten Maskenschicht 410 geätzt. Verfahren, wie z. B. Ionenstrahlätzen, reaktives Ionenätzen, nasschemisches Ätzen und/oder weitere bekannte Verfahren, können verwendet werden, um die Schichten der Speicherzelle zu ätzen. Bei einer exemplarischen Implementierung ist die Maskenschicht 410 in eine kreisförmige oder eine weitere Form strukturiert, die eine relativ kleinere Formanisotropie liefert.
In 4C ist die strukturierte Maskenschicht 410 durch Trocken- oder Nassätzen oder weitere in der Technik bekannte Techniken entfernt.
Fachleute auf diesem Gebiet werden ohne weiteres erkennen, dass leitende Schichten (nicht gezeigt) auch gebildet und strukturiert sein können, um einen oder mehrere Leiter nahe, auf oder unter der magnetischen Speicherzelle zu bilden. Ein Leiter kann z. B. unter der Datenschicht 110 unter Verwendung eines Elektroplattierungs- oder eines weiteren geeigneten Aufbringungsverfahrens gebildet und dann durch ein Planarisierungsverfahren, wie z. B. eine chemisch-mechanische Planarisierung (CMP), planarisiert werden. Die Leiter stellen einen elektrischen Kontakt zu der magnetischen Speicherzelle, gemäß Konfigurationen, die in der Technik bekannt sind, her, um während Lese- und Schreiboperationen Ströme bereitzustellen.
Die oben dargestellten Fertigungsschritte sind lediglich beispielhaft. Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass weitere Fertigungsschritte gemäß den Anforderungen einer bestimmten Implementierung verwendet werden können. Die verschiedenen Schichten z. B., wie in den 4A – 4C dargestellt, können gemäß weiteren Fertigungssequenzen gebildet sein (z. B. kann die Referenzschicht 130 zuerst in einer unten festgelegten Speicherzelle gebildet sein), eine oder mehrere Schichten können während des gleichen Verfahrensschritts gebildet werden, eine oder mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien können kombiniert werden, um eine einzelne Schicht (z. B. eine Datenschicht) zu bilden, usw.
Ferner ist die oben dargestellte TMR-Speicherzelle lediglich beispielhaft. Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass weitere Typen von Speicherzellen (z. B. GMR-Speicherzellen, usw.) gemäß den Anforderungen einer bestimmten Implementierung aufgebaut sein können. Die Abstandsschicht 120 kann eine nicht-magnetische leitende Schicht zum Aufbauen einer GMR-Speicherzelle sein.
VII. Ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der zweiten exemplarischen magnetischen Speicherzelle
Die 5A – 5F stellen ein exemplarisches Verfahren zum Fertigen der exemplarischen magnetischen Speicherzelle 200 aus 2 dar.
In 5A ist eine Datenschicht 210 durch eine Aufbringungs- und/oder weitere Techniken, die in der Technik bekannt sind, aufgebracht (z. B. über Zerstäuben, Verdampfung, chemische Aufdampfung, Atomarschichtaufbringung (ALD) und/oder weitere bekannte Techniken). Zusätzlich ist eine Maskenschicht 510 auf der Datenschicht 210 gebildet. Bei einer exemplarischen Implementierung umfasst die Maskenschicht 510 ein Photoresistmaterial.
In 5B ist die Maskenschicht 510 durch Techniken strukturiert, die in der Technik bekannt sind, dann ist die Datenschicht 210 unter Verwendung der strukturierten Maskenschicht 510 geätzt. Bei einer exemplarischen Implementierung ist die Maskenschicht 510 in eine elliptische, rechteckige und/oder weitere Form strukturiert, die in der Planarfläche größer als die Referenzschicht 230 (die unten gebildet wird) ist.
In 5C ist die strukturierte Maskenschicht 510 durch Trocken- oder Nassätzen oder weitere in der Technik bekannte Techniken entfernt.
In 5D sind eine Abstandsschicht 220 und eine Referenzschicht 230 oberhalb der strukturierten Datenschicht 210 durch Aufbringungs- und/oder weitere Techniken gebildet, die in der Technik bekannt sind (z. B. über Zerstäuben, Verdampfung, chemische Aufdampfung, Atomarschichtaufbringung (ALD) und/oder weitere bekannte Techniken). Zusätzlich ist eine Maskenschicht 520 auf der Referenzschicht 230 gebildet. Bei einer exemplarischen Implementierung umfasst die Maskenschicht 520 ein Photoresistmaterial.
In 5E ist die Maskenschicht 520 durch in der Technik bekannte Techniken auf kleinere Abmessungen als die Datenschicht 210 strukturiert. Als nächstes sind die Abstandsschicht 220 und die Referenzschicht 230 unter Verwendung der strukturierten Maskenschicht 520 geätzt. Bei einer exemplarischen Implementierung ist die Maskenschicht 520 in eine kreisförmige Form oder eine Form mit niedrigem Aspektverhältnis strukturiert, die eine kleinere Formanisotropie liefert.
In 5F ist die strukturierte Maskenschicht 520 durch Trocken- oder Nassätzen oder weitere in der Technik bekannte Techniken entfernt.
Fachleute auf diesem Gebiet werden ohne weiteres erkennen, dass leitende Schichten (nicht gezeigt) auch gebildet und strukturiert sein können, um einen oder mehrere Leiter nahe, auf oder unter der magnetischen Speicherzelle zu bilden. Ein Leiter kann z. B. unter der Datenschicht 210 unter Verwendung eines Elektroplattierungs- oder eines weiteren geeigneten Aufbringungsverfahrens gebildet und dann durch ein Planarisierungsverfahren, wie z. B. eine chemisch-mechanische Planarisierung (CMP), planarisiert sein. Dieser eine oder diese mehreren Leiter stellen einen elektrischen Kontakt zu der magnetischen Speicherzelle gemäß in der Technik bekannten Konfigurationen her, um während Lese- und Schreiboperationen Ströme bereitzustellen.
Die oben dargestellten Fertigungsschritte sind lediglich beispielhaft. Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass weitere Fertigungsschritte gemäß den Anforderungen einer bestimmten Implementierung verwendet werden können. Die verschiedenen Schichten z. B., wie in den 5A – 5F dargestellt, können gemäß weiteren Fertigungssequenzen gebildet sein, eine oder mehrere Schichten können während des gleichen Verfahrensschritts gebildet sein, eine oder mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien können kombiniert werden, um eine einzelne Schicht (z. B. eine Datenschicht) zu bilden, usw.
Ferner ist die oben dargestellte TMR-Speicherzelle lediglich beispielhaft. Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass weitere Typen von Speicherzellen (z. B. GMR-Speicherzellen, usw.) gemäß den Anforderungen einer bestimmten Implementierung aufgebaut sein können. Die Abstandsschicht 220 kann z. B. eine nicht-magnetische leitende Schicht zum Aufbauen einer GMR-Speicherzelle sein.
VIII. Ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der dritten exemplarischen magnetischen Speicherzelle
Die 6A – 6F stellen ein exemplarisches Verfahren zum Fertigen der exemplarischen magnetischen Speicherzelle 300 aus 3 dar.
In 6A sind eine Datenschicht 310 und eine Abstandsschicht 320 durch eine Aufbringungs- und/oder weitere in der Technik bekannte Techniken gebildet (z. B. über Zerstäuben, Verdampfung, chemische Aufdampfung, Atomarschichtaufbringung (ALD) und/oder weitere bekannte Techniken). Zusätzlich ist eine Maskenschicht 610 auf der Abstandsschicht 320 durch in der Technik bekannte Techniken gebildet. Bei einer exemplarischen Implementierung umfasst die Maskenschicht ein Photoresistmaterial.
In 6B ist die Maskenschicht 610 durch in der Technik bekannte Techniken strukturiert, dann werden die Datenschicht 310 und die Abstandsschicht 320 unter Verwendung der strukturierten Maskenschicht 610 geätzt. Bei einer exemplarischen Implementierung ist die Maskenschicht 610 in eine Ellipse, ein Rechteck und/oder eine weitere Form strukturiert, die in einer planaren Fläche größer als die Referenzschicht 330 (die unten gebildet wird) ist.
In 6C ist die strukturierte Maskenschicht 610 durch Nassätzen oder weitere in der Technik bekannte Techniken entfernt.
In 6D ist eine Referenzschicht 330 auf der strukturierten Abstandsschicht 320 durch Aufbringungs- und/oder weitere Techniken gebildet, die in der Technik bekannt sind (z. B. über Zerstäuben, Verdampfung, chemische Aufdampfung, Atomarschichtaufbringung (ALD) und/oder weitere bekannte Techniken). Zusätzlich ist eine Maskenschicht 620 auf der Referenzschicht 330 durch in der Technik bekannte Techniken gebildet. Bei einer exemplarischen Implementierung umfasst die Maskenschicht 620 ein Resistmaterial, das für eine in der Technik bekannte Elektronenstrahllithographie geeignet ist.
In 6E ist die Maskenschicht 620 auf kleine Punkte relativ zu der Datenschicht 310 strukturiert. Als nächstes ist die Referenzschicht 330 unter Verwendung der strukturierten Maskenschicht 620 geätzt. Die Maskenschicht 620 kann in kreisförmige, elliptische, ovale, rechteckige, quadratische, dreieckige, unregelmäßige/amorphe und/oder weitere Formpunkte strukturiert sein. Bei einer exemplarischen Implementierung ist die Maskenschicht 620 durch eine Elektronenstrahllithographie strukturiert, durch die kleine Punkte durch den Elektronenstrahl auf die Maskenschicht 620 geschrieben werden. Die strukturierte Maskenschicht 620 kann dann verwendet werden, um die Referenzschicht 330 in kleine Punkte auf der Abstandsschicht 320 zu ätzen.
In 6F ist die strukturierte Maskenschicht 620 durch Nassätzen oder weitere in der Technik bekannte Techniken entfernt.
Bei einer weiteren exemplarischen Implementierung können die kleinen Punkte durch ein Implementieren eines gesteuerten Wachstums der Referenzschicht und einer Nach-Aufbringungsbehandlung erzeugt werden. Das Referenzschichtmaterial in vielen magnetischen Speicherzellen ist polykristallin. Korngrenzen in polykristallinen Materialien sind üblicherweise durcheinander und können andere Eigenschaften als das Volumenkorn aufweisen (was z. B. zu einer unterschiedlichen Ätzrate oder einer unterschiedlichen Reaktionsrate als bei dem Volumenkorn führt). Wenn eine polykristalline Referenzschicht einem Ätzmittel oder Reaktanten ausgesetzt wird, können Korngrenzen entfernt oder magnetisch inaktiv gemacht werden, wobei so kleine isolierte Referenzschichtpunkte gebildet werden. Diese Isolierungstechnik kann ferner durch ein Aufbringen polykristalliner Körner ermöglicht werden, die eine gewölbte Form aufweisen (z. B. in der Mitte eines Korns dicker als dem Rand des Korns). In diesem Fall ist die Korngrenze dünner als das Volumen des Korns, wodurch die bevorzugte Entfernung oder Reaktion des Korngrenzmaterials vereinfacht wird.
Fachleute auf diesem Gebiet werden ohne weiteres erkennen, dass leitende Schichten (nicht gezeigt) gebildet und strukturiert sein können, um einen oder mehrere Leiter nahe, auf oder unter der magnetischen Speicherzelle zu bilden. Ein Leiter kann z. B. unter der Datenschicht 310 unter Verwendung von Elektroplattieren oder einem weiteren geeigneten Aufbringungsverfahren gebildet und dann durch ein Planarisierungsverfahren, wie z. B. eine chemisch-mechanische Planarisierung (CMP), planarisiert werden. Dieser eine oder diese mehreren Leiter stellen einen elektrischen Kontakt zu der magnetischen Speicherzelle gemäß in der Technik bekann ten Konfigurationen her, um während Lese- und Schreiboperationen Ströme bereitzustellen.
Die oben dargestellten Fertigungsschritte sind lediglich beispielhaft. Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass weitere Fertigungsschritte gemäß den Anforderungen einer bestimmten Implementierung verwendet werden können. Die verschiedenen Schichten, wie in den 6A – 6F dargestellt, können z. B. gemäß weiteren Fertigungssequenzen gebildet sein, eine oder mehrere Schichten können während des gleichen Verfahrensschritts gebildet sein, eine oder mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien können kombiniert werden, um eine einzelne Schicht (z. B. eine Datenschicht) zu bilden, usw.
Ferner ist die oben dargestellte TMR-Speicherzelle lediglich beispielhaft. Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass weitere Typen von Speicherzellen (z. B. GMR-Speicherzellen, usw.) gemäß den Anforderungen einer bestimmten Implementierung aufgebaut sein können. Die Abstandsschicht 320 kann z. B. eine nicht-magnetische leitende Schicht zum Aufbauen einer GMR-Speicherzelle sein.
IX. Weitere Betrachtungen
Eine magnetisch weiche Schicht ist dadurch gekennzeichnet, dass ihre magnetische Ausrichtung relativ leicht umgeschaltet werden kann. Die magnetische Ausrichtung einer dünnen und kleinen Weichreferenzschicht, die von weiteren magnetischen Schichten getrennt ist (d. h. frei von Rand-Entmagnetisierungsfeldern von diesen anderen magnetischen Schichten), kann ohne weiteres durch ein Anlegen kleiner Magnetfelder umgeschaltet werden. In der Praxis erfordert jedoch aufgrund von Gegeneffekten von Entmagnetisierungsfeldern von weiteren nahegelegenen magnetischen Schichten (z. B. Datenschichten) diese kleine und dünne Weichreferenzschicht höhere Magnetfelder zum Umschalten ihrer magnetischen Aus richtung. So müssen, wenn verschiedene Schichten in magnetischen Speicherzellen entworfen werden, Rand-Entmagnetisierungsfelder, die während eines Betriebs durch nahegelegene magnetische Schichten erzeugt werden, berücksichtigt werden.
Abhängig von einer Entwurfsauswahl können die Rand-Entmagnetisierungsfelder von einer nahegelegenen magnetischen Schicht (z. B. der Datenschicht) reduziert werden durch (1) Bereitstellen noch einer weiteren nahegelegenen Magnetschicht, um eine Flussführung für die durch die nahegelegene Magnetschicht erzeugten Magnetfelder zu erzeugen (z. B. eine ferromagnetische Umhüllung um einen Leiter); (2) Versetzen der Weichreferenzschicht von den Rändern der nahegelegenen magnetischen Schicht um zumindest einen kleinen Spielraum, wie oben in den 2 und 3 gezeigt ist; (3) Herstellen der nahegelegenen magnetischen Schicht als eine mehrschichtige magnetische Schicht, die ihre eigenen Rand-Entmagnetisierungsfelder erfassen kann; und/oder (4) Anwenden weiterer bekannter Techniken gemäß den Anforderungen einer bestimmten Implementierung oder Entwurfsauswahl.
X. Schlussfolgerung
Die vorangegangenen Beispiele stellen gewisse exemplarische Ausführungsbeispiele dar, aus denen weitere Ausführungsbeispiele, Variationen und Modifizierungen für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich sind. Die Erfindungen sollten deshalb nicht auf die oben erläuterten bestimmten Ausführungsbeispiele eingeschränkt sein, sondern sind vielmehr durch die Ansprüche definiert.

Claims

Magnetische Speicherzelle (100; 200; 300) mit folgenden Merkmalen: einer Datenschicht (110; 210; 310); einer Weichreferenzschicht (130; 230; 330), die eine geringere magnetische Energie als die Datenschicht aufweist; und einer Abstandsschicht (120; 220; 320) zwischen der Datenschicht und der Referenzschicht.
Magnetische Speicherzelle gemäß Anspruch 1, bei der die Weichreferenzschicht eine kleinere Anisotropie als die Datenschicht aufweist.
Magnetische Speicherzelle gemäß Anspruch 2, bei der die kleinere Anisotropie eine kleinere Formanisotropie umfasst.
Magnetische Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Verhältnis von magnetischer Energie zu Wärmeenergie der Weichreferenzschicht weniger als 50 beträgt.
Magnetische Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Weichreferenzschicht superparamagnetisch ist.
Magnetische Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Weichreferenzschicht im wesentlichen eine Form bildet, die ein niedriges Aspektverhältnis aufweist.
Magnetische Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Weichreferenzschicht im wesentlichen einen Kreis bildet.
Magnetische Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Weichreferenzschicht eine Mehrzahl von Punkten aufweist, wobei jeder derselben kleiner als die Datenschicht ist.
Magnetische Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Weichreferenzschicht ein kleineres Volumen als die Datenschicht aufweist.
Magnetische Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Weichreferenzschicht eine kleinere planare Fläche als die Datenschicht aufweist.
Magnetische Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Weichreferenzschicht dünner als die Datenschicht ist.
Magnetische Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Weichreferenzschicht lateral schmaler als die Datenschicht ist.
Magnetische Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Weichreferenzschicht thermisch instabiler als die Datenschicht ist.
Magnetische Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Datenschicht mehr als eine Schicht von Materialien aufweist.
Magnetische Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Datenschicht nahe an einem ferromagnetischen Material ist, das konfiguriert ist, um als eine Flussführung für aus der Datenschicht ausgehende Magnetfelder zu wirken.
Magnetische Speicherzelle gemäß Anspruch 15, bei der das ferromagnetische Material eine Umhüllung um einen Leiter ist.
Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Speicherzelle (100; 200; 300), die eine Weichreferenzschicht (130; 230; 330) aufweist, mit folgenden Schritten: Bilden einer Datenschicht (110; 219; 310); Bilden einer Weichreferenzschicht (130; 230; 330), die eine geringere magnetische Energie als die Datenschicht aufweist; und Bilden einer Abstandsschicht (120; 220; 320) zwischen der Datenschicht und der Weichreferenzschicht.
Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Bilden einer Weichreferenzschicht ein Bilden einer Schicht aufweist, die eine kleinere Anisotropie als die Datenschicht aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem die kleinere Anisotropie eine kleinere Formanisotropie umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem das Bilden einer Weichreferenzschicht ein Strukturieren der Weichreferenzschicht aufweist, um im wesentlichen eine Form zu bilden, die ein niedriges Aspektverhältnis aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem das Bilden einer Weichreferenzschicht ein Strukturieren der Weichreferenzschicht, um im wesentlichen einen Kreis zu bilden, aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem das Bilden einer Weichreferenzschicht ein Bilden einer Mehr zahl von Punkten aufweist, wobei jeder derselben kleiner als die Datenschicht ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 22, bei dem das Bilden einer Weichreferenzschicht ein Bilden einer Weichreferenzschicht aufweist, die ein kleineres Volumen als die Datenschicht aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 23, bei dem das Bilden einer Weichreferenzschicht ein Bilden einer Weichreferenzschicht aufweist, die eine kleinere planare Fläche als die Datenschicht aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, bei dem das Bilden einer Weichreferenzschicht ein Bilden einer lateral schmaleren Weichreferenzschicht als die Datenschicht aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 25, bei dem das Bilden einer Datenschicht ein Bilden von mehr als einer Schicht von Materialien aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 26, bei dem das Bilden einer Datenschicht ein Bilden einer Datenschicht nahe an einem ferromagnetischen Material aufweist, das konfiguriert ist, um als eine Flussführung für aus der Datenschicht ausgehende Magnetfelder zu wirken.
Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem das ferromagnetische Material eine Umhüllung um einen Leiter ist.
Nichtflüchtiges Speicherarray, das eine Mehrzahl magnetischer Speicherzellen (110; 210; 310) aufweist, wobei jede der magnetischen Speicherzellen durch ein Verfahren hergestellt ist, das folgende Schritte aufweist: Bilden einer Datenschicht (110; 210; 310); Bilden einer Weichreferenzschicht, die eine geringere magnetische Energie als die Datenschicht aufweist; und Bilden einer Abstandsschicht (120; 220; 320) zwischen der Datenschicht und der Weichreferenzschicht.