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Die
vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleiter-Speicherbausteine
und betrifft insbesondere eine MRAM-Speicherzelle mit einem Schichtensystem
aus zwei magnetischen Schichten, die durch eine nichtmagnetische
Zwischenschicht getrennt sind, von denen sich die erste magnetische Schicht
als Referenzschicht hartmagnetisch verhält und die andere, zweite magnetische
Schicht als Speicherschicht weichmagnetisch verhält, so dass durch den Magnetisierungszustand
der Speicherschicht Information speicherbar ist. Ferner ist die
Speicherschicht mit einer schwachen intrinsischen Anisotropie versehen,
durch welche eine magnetische Vorzugsrichtung definiert ist. Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen MRAM-Speicherzelle.
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MRAMs
(= Magnetic Random Access Memories) werden aufgrund ihrer vorteilhaften
Eigenschaften als viel versprechende Alternative zu herkömmlichen
dynamischen Halbleiterspeichern angesehen. Zum einen sind MRAMs
nichtflüchtige
Speicher, bei denen im Unterschied zu den herkömmlichen dynamischen Halbleiterspeichern
kein Refreshvorgang zur Informationserhaltung erforderlich ist. Andererseits
haben MRAM-Speicherzellen einen sehr übersichtlichen Aufbau aus im
Wesentlichen zwei magnetischen Schichten, mit einer dazwischen angeordneten
nichtmagnetischen Trennschicht. MRAMs sind darüber hinaus gegenüber Strahlungen resistent,
so dass eine Informationserhaltung auch bei Strahlungseinfall gewährleistet
ist.
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Eine
MRAM-Speicherzelle beruht bekanntlich auf der ferromagnetischen
Speicherung mit Hilfe des TMR-Effekts (TMR = Tunnel-Magnet-Resistance)
oder des GMR-Effekts (GMR = Giant Magnet Resistance). Gemäß ihrem
herkömmlichen
Aufbau ist im Kreuzungspunkt zwischen gekreuzt angeordneten Bit-
und Wort leitungen ein Schichtstapel mit einer weichmagnetischen
Schicht oder Speicherschicht, einer Tunneloxidschicht und einer
hartmagnetischen Schicht oder Referenzschicht angeordnet. Die Magnetisierung
der Referenzschicht ist hierbei vorgegeben, während die Magnetisierung der
Speicherschicht einstellbar ist, indem durch die Wortleitung und
die Bitleitung entsprechende Ströme
in unterschiedlichen Richtungen geschickt werden. Durch diese Ströme kann
die Magnetisierung der Speicherschicht parallel oder antiparallel
zur Magnetisierung der Referenzschicht eingestellt werden. Bei einer
parallelen Magnetisierung von Speicherschicht und Referenzschicht
ist der elektrische Widerstand in Stapelrichtung des Schichtenstapels
(also von oben nach unten, oder umgekehrt) geringer als bei einer antiparallelen
Magnetisierung von Speicherschicht und Referenzschicht. Dieser von
den unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen der beiden Schichten
abhängige
elektrische Widerstand kann als logischer Zustand "0" oder "1" ausgewertet
werden.
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Die
zur Referenzschicht parallele oder antiparallele Magnetisierung
der Speicherschicht wird durch eine magnetische Anisotropie der
Speicherschicht ermöglicht,
durch welche eine magnetische Vorzugsrichtung definiert ist. Herkömmlich wird
der Ausdruck "Vorzugsrichtung" verwendet, obgleich "Vorzugsachse" richtiger wäre, da beide
Richtungen entlang der Achse gleichermaßen bevorzugt sind. Ungeachtet
dessen wird hier der Ausdruck "Vorzugsrichtung" verwendet.
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Eine
solche magnetische Anisotropie kann durch Formanisotropie bereitgestellt
werden. So entspricht bei einer in ihrer Raumform länglich geformten
Magnetschicht die magnetische Vorzugsrichtung der geometrischen
Längsrichtung
der Magnetschicht. Aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeit,
dass die Streufeldenergie möglichst
gering sein soll, ist es energetisch bevorzugt, wenn die Magnetisierung
kollinear zur Vorzugsrichtung der Anisotropie gerichtet ist. Durch
Anlegen eines externen Magnetfelds kann die Magnetisierung der Spei cherschicht zwischen
den beiden energetisch bevorzugten Stellungen hin- und hergeschaltet
werden, falls durch das externe Magnetfeld die zur Überwindung
der energetisch ungünstigen
Zwischenstellungen notwendige Aktivierungsenergie zur Verfügung gestellt
wird. In der Praxis wird eine solche Formanisotropie von Speicherzellen
beispielsweise durch in ihrer Raumform elliptisch geformte Magnetschichten
realisiert.
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Bei
rotationssymmetrischen Magnetschichten hingegen, muss die magnetische
Anisotropie als eine intrinsische Materialeigenschaft erzielt werden, da
eine „in-plane" Formanisotropie
nicht realisiert werden kann. In der Fachwelt ist die Ursache der
intrinsischen Anisotropie noch Gegenstand von lebhaften Diskussionen,
jedoch lassen Elektronenbeugungsdaten an amorphen Schichtenmaterialien
den Schluss zu, dass als Ursache dieser intrinsischen Anisotropie
eine anisotrope Orientierung von atomaren Paarachsen in Richtung
des Magnetfelds in Frage kommt.
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In
herkömmlichen,
bekannten MRAM-Speicherzellen ist die Magnetisierung der Speicherschicht
stets parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der Referenzschicht
eingestellt, da hierdurch ein maximaler Signalhub bezüglich der
Widerstandsänderung ΔR/R des Schichtenstapels
beim Ummagnetisieren der Magnetisierung der Speicherschicht relativ
zur Magnetisierung der Referenzschicht erzielt werden kann.
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Nun
hat sich jedoch gezeigt, dass bei einer kreisscheibenförmigen Ausgestaltung
der Speicherzelle und zudem nur schwacher intrinsischer Anisotropie
der Speicherschicht eine stets kollineare Ausrichtung der Magnetisierung
der Speicherschicht zur Vorzugsrichtung nicht gewährleistet
werden kann. Im Allgemeinen genügt
bereits ein einziger Zyklus der Ummagnetisierung der Speicherschicht,
dass sich eine remanente Magnetisierung der Speicherschicht einstellt,
bei welcher die Magnetisierung nicht-kollinear zur Vorzugsrichtung
der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht gerichtet ist.
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Dieses
Phänomen
soll nun anhand von 1 näher erläutert werden. 1 zeigt
eine Speicherschicht (linke Abbildung) und eine Referenzschicht
(rechte Abbildung) einer herkömmlichen MRAM-Speicherzelle.
Für eine
erleichterte Bezugnahme ist 1 mit einem
X, Y-Achsenkreuz versehen, bei welchem die X-Achse in horizontaler Richtung nach
rechts weist, während
die Y-Achse in vertikaler Richtung nach oben weist. Die Referenzschicht 1,
eine sich hartmagnetisch verhaltende Schicht mit einer Kreisscheibenform,
ist entlang der X-Achse magnetisiert, was durch die Pfeile 2 symbolisch
dargestellt ist. Die Speicherschicht 3, eine sich weichmagnetisch
verhaltende Schicht mit einer Kreisscheibenform, weist eine starke
intrinsische Anisotropie mit einer Vorzugsrichtung entlang des Doppelpfeils auf.
Die Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie ist demnach längs der
X-Achse bzw. -X-Achse ausgerichtet. Im Inneren der Speicherschicht 3 folgt die
durch die Pfeile 4 symbolisierte Magnetisierung im Wesentlichen
dem Verlauf der Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie. Ferner
ist die Magnetisierung 4 im Inneren der Speicherschicht 3 im
Wesentlichen parallel zur Magnetisierung 2 der Referenzschicht 1 ausgerichtet.
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Bezüglich der
Speicherschicht 3 von 1 ist ein
Zustand dargestellt, in welchem sich diese nach Anlegen und Abschalten
eines um 90° im
Gegenuhrzeigersinn relativ zur X-Achse gerichteten, im Wesentlichen
homogenen, externen Magnetfelds 7 befindet (remanenter
Zustand). Durch die Einwirkung des externen Magnetfelds 7 richtet
sich die Magnetisierung 4 im Innern der Speicherzelle 3 parallel
zu dessen Feldrichtung aus, kehrt jedoch nach Abschalten des Magnetfelds 7 wieder
in eine zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie im Wesentlichen parallele
Richtung zurück.
Für die
Magnetisierung 5, 6 in den Randbereichen der Speicherzelle 3 hingegen
ist es im Hinblick auf die Vermeidung hoher Streufeldenergien energetisch
vorteilhaft, wenn diese auch nach Abschalten des externen Magnetfelds 7 in
einer zu dessen Feldrichtung parallelen Richtung verbleiben. Obgleich
aufgrund der magnetischen Aus tauschwechselwirkung nur ein allmählicher Übergang
der Magnetisierung 5, 6 der Randbereiche in die
Magnetisierung 4 im Innern der Speicherschicht ermöglicht ist,
nimmt die Magnetisierung 4 im Innern der Speicherzelle 3 aufgrund
der starken intrinsischen Anisotropie eine zu deren Vorzugsrichtung
parallele Ausrichtung ein. Beim Ummagnetisierung nimmt die Magnetisierung
im Innern der Speicherschicht 3 demnach stets eine kollineare,
das heißt parallele
oder anti-parallele Ausrichtung zur Vorzugsrichtung ein, was zur
Folge hat, dass die Magnetisierung 4 im Innern der Speicherschicht 3 und
die Magnetisierung 2 der Referenzschicht 1 stets
kollinear zueinander ausgerichtet sind und ein maximaler Signalhub
bezüglich
der Widerstandsänderung ΔR/R des Schichtenstapels
erreicht werden kann.
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Hiervon
unterscheidet sich das Verhalten einer kreisscheibenförmigen Speicherschicht
mit einer schwachen intrinsischen Anisotropie, zu dessen Erläuterung
Bezug auf die 2, linke Abbildung, genommen
wird. Zur erleichterten Bezugnahme ist 2, in der
gleichen Weise wie 1, mit einem X, Y-Achsenkreuz versehen.
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In 2,
linke Abbildung, ist eine sich weichmagnetisch verhaltende Speicherschicht 10 mit
einer Kreisscheibenform gezeigt. Die Speicherschicht 10 weist
eine schwache intrinsische Anisotropie mit einer Vorzugsrichtung
entlang des Doppelpfeils auf. Die Speicherschicht 10 befindet
sich, wie schon die Speicherschicht 3 in 1,
in einem Zustand nach Anlegen und Abschalten eines um 90° im Gegenuhrzeigersinn
relativ zur X-Achse gerichteten, im Wesentlichen homogenen, äußeren Magnetfelds 7 (remanenter
Zustand). Hierbei ist es, nach Abschalten des Magnetfelds 7,
für die
Magnetisierung 12, 13 in den Randbereichen der
Speicherschicht 10 zur Vermeidung hoher Streufeldenergien
energetisch vorteilhaft, wenn sie in einer zur Feldrichtung des
zuvor angelegten Magnetfelds parallelen Richtung verbleibt. Dies
hat für
die Magnetisierung im Innern der Speicherschicht 10 jedoch
zur Folge, dass diese aufgrund deren schwachen intrinsischen Anisotropie nicht
in eine zur Vorzugsrichtung parallele Ausrichtung gelangen kann.
Mit anderen Worten verhindert der Einfluss der Magnetisierung 12, 13 in
den Randbereichen der Speicherschicht 10 aufgrund der magnetischen
Austauschwechselwirkung eine Kollinearität zwischen der Magnetisierung 11 im
Innern der Speicherschicht 10 und der Vorzugsrichtung der
intrinsischen Anisotropie. Infolgedessen stellt sich eine remanente
Magnetisierung 12 im Innern der Speicherschicht 10 ein,
welche in einem Winkel α im
Gegenuhrzeigersinn relativ zur X-Achse ausgerichtet ist.
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Anhand
obiger Ausführungen
wird deutlich, dass durch den Ausdruck "starke intrinsische Anisotropie" im Sinne der vorliegenden
Erfindung solche Speicherschichten einer MRAM-Speicherzelle bezeichnet werden sollen,
bei denen beim Ummagnetisieren der Speicherschicht stets eine im
Wesentlichen kollineare Ausrichtung zwischen der Remanenzmagnetisierung
im Innern der Speicherschicht und der Vorzugsrichtung der intrinsischen
Anisotropie auftritt, während
im Unterschied hierzu, bei Speicherschichten mit einer "schwachen intrinsischen
Anisotropie" eine
Remanenzmagnetisierung im Innern der Speicherschicht auftritt, welche
nicht-kollinear zur Vorzugsrichtung ausgerichtet ist. Eine schwache intrinsische
Anisotropie geht typischerweise mit einer Anisotropiefeldstärke von
weniger als ca. 1 kA/m (ca. 12,6 Oe) einher.
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Wenn
die Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht nicht parallel bzw.
anti-parallel zur Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht gerichtet
ist, führt
dies in sehr nachteiliger Weise dazu, dass nicht der maximale Signalhub
bezüglich
der Widerstandsänderung ΔR/R des Schichtenstapels
beim Ummagnetisieren der Magnetisierung der Speicherschicht relativ
zur Magnetisierung der Referenzschicht erzielt werden kann. Wie
eine rechnerische Betrachtung zeigt, kann bei Auftreten einer Remanenzmagnetisierung
in der Speicherschicht lediglich ein mit dem cosα gewichteter Signalhub bezüglich der
Widerstandsänderung ΔR/R erzielt
werden. Derartige Speicher schichten sind deshalb für die Anwendung
in MRAM-Speicherzellen
nicht bzw. in nur sehr eingeschränkter
Weise brauchbar.
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Aus
der
US 6,531,723 B1 ist
eine MRAM-Speicherzelle bekannt, die im Wesentlichen aus einer hartmagnetischen
Referenzschicht festgelegter Magnetisierungsrichtung, einer weichmagnetischen
Speicherschicht, die eine intrinsische Anisotropie aufweist, sowie
einem dazwischen liegenden elektrisch isolierenden Tunnelmaterial
besteht. Diese drei Schichten werden in geeigneter Weise wiederholt,
so dass durch die Anzahl der ferromagnetisch gekoppelten Schichten
der resultierende Signalhub vergrößert werden kann.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine MRAM-Speicherzelle mit
einer kreisscheibenförmigen
Geometrie der Schichten des Schichtenstapels und lediglich schwacher
intrinsischer magnetischer Anisotropie der Speicherschicht zur Verfügung zu
stellen, bei welcher der Nachteil eines verminderten Signalhubs
bezüglich
der Widerstandsänderung ΔR/R des Schichtenstapels
beim Ummagnetisieren der Magnetisierung der Speicherschicht relativ
zur Magnetisierung der Referenzschicht aufgrund einer auftretenden
Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht vermieden werden kann;
außerdem soll
ein Verfahren zum Herstellen einer solchen MRAM-Speicherzelle angegeben
werden.
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Vorstehende
Aufgabe wird nach dem Vorschlag der Erfindung durch eine MRAM-Speicherzelle
mit den Merkmalen der Ansprüche
1 und 8 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.
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Erfindungsgemäß ist eine
MRAM-Speicherzelle gezeigt, mit einem Schichtensystem aus im Wesentlichen
kreisscheibenförmigen
Schichten, welches in herkömmlicher
Weise zwei magnetische Schichten umfasst, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht
getrennt sind. Hierbei verhält
sich die erste magne tische Schicht ("Referenzschicht") hartmagnetisch und die andere, zweite
magnetische Schicht ("Speicherschicht") verhält sich
weichmagnetisch, so dass durch den Magnetisierungszustand der Speicherschicht
Information speicherbar ist. Die Speicherschicht ist so ausgebildet,
dass sie eine schwache intrinsische magnetische Anisotropie aufweist,
durch welche eine magnetische Vorzugsrichtung definiert ist. Die
Speicherschicht weist demnach typischerweise eine Anisotropiefeldstärke von ≤ 1 kA/m (ca.
12,6 Oe) auf.
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Nach
dem Prinzip der Erfindung ist die Magnetisierung der Referenzschicht
im Wesentlichen parallel zu einer Remanenzmagnetisierung im Innern der
Speicherschicht ausgerichtet. Eine solche Remanenzmagnetisierung
tritt in Speicherschichten mit schwacher intrinsischer magnetischer
Anisotropie stets dann auf, wenn ein externes Magnetfeld mit einer
zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht
senkrechten Feldkomponente angelegt wird. Dies ist bei einem herkömmlichen
Ummagnetisieren der MRAM-Speicherzelle, etwa in Form des geläufigen "Asteroidschaltens", im Allgemeinen
stets der Fall. Es braucht hier nicht näher ausgeführt zu werden, dass bei einer
MRAM-Speicherzelle zum Ummagnetisieren der MRAM-Speicherschicht
in herkömmlicher
Weise (typischerweise zwei) elektrische Leitungsbahnen (wie Wort-
und Bitleitungen) vorgesehen sind, durch welche eine Strom geschickt
wird, dessen Magnetfeld mit der Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht
gekoppelt ist, wobei sich die Leitungsbahnen üblicherweise in einem rechten
Winkel kreuzen und das Schichtensystem bestehend aus Speicherschicht,
Referenzschicht und Zwischenschicht gewöhnlich an einem Kreuzungspunkt
der Leitungsbahnen positioniert ist.
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In
vorteilhafter Weise kann durch die erfindungsgemäße Ausrichtung der Magnetisierung
der Referenzschicht in eine Richtung parallel zur Remanenzmagnetisierung
der Speicherschicht erreicht werden, dass beim Ummagnetisieren der
Speicherzelle, wozu im Allgemeinen ein externes Magnetfeld eingesetzt
wird, welches eine Feldkomponente in einer Richtung senkrecht zur
Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht
aufweist, die Magnetisierungen der Speicherschicht und der Referenzschicht
kollinear, das heißt
parallel oder anti-parallel zueinander ausgerichtet sind. Hierdurch
ist ein maximaler Signalhub bezüglich
der Widerstandsänderung ΔR/R des Schichtenstapels
beim Ummagnetisieren der Magnetisierung der Speicherschicht relativ
zur Magnetisierung der Referenzschicht ermöglicht, so dass auch Speicherschichten
mit einer kreisscheibenförmigen,
d.h. rotationssymmetrischen Form, und einer schwach ausgebildeten
intrinsischen Anisotropie zur Verwendung als Speicherschichten in MRAM-Speicherzellen
einsetzbar sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Magnetisierung
der Referenzschicht in einem Winkel α zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie
der Speicherschicht ausgerichtet, wobei der Winkel α einen Wert
im Wertebereich von 10° bis 50° aufweist.
Werden Permalloy-Legierungen
als Material der Speicherschicht verwendet, beträgt der Winkel α typischerweise
ca. 45°.
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Die
Speicherschicht der MRAM-Speicherzelle kann sehr vorteilhaft aus
einer Mehrzahl von Einzellagen aufgebaut sein, das heißt, die
Speicherschicht ist als ein Vielschichtensystem ausgebildet. Die
Einzellagen können
dabei aus einem gleichen Material oder aus einem verschiedenen Material
aufgebaut sein. Die Einzellagen sind magnetisch gekoppelt, wofür in vorteilhafter
Weise eine magnetische Streufeldkopplung und/oder eine magnetische
Austauschkopplung in Frage kommt. Eine antiferromagnetische Kopplung
der Einzellagen ist für
die Speicherschicht im Allgemeinen nicht brauchbar, da die dabei
auftretenden Kräfte
zu groß sind,
um eine leichte Ummagnetisierung der Speicherschicht in der praktischen
Anwendung zu ermöglichen.
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Wenn
die Speicherschicht als ein Vielschichtensystem ausgeführt ist,
ist es besonders vorteilhaft, wenn die Nettomagnetisierung der Speicherschicht, das
heißt,
die vektorielle Summe der Magnetisierungen der Einzellagen, im Wesentlichen
Null ist. Hierdurch lässt
sich eine gegenseitige Beeinflussung benachbarter Speicherzellen
durch die Magnetisierungen der Magnetschichten vermeiden.
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Ferner
kann es erfindungsgemäß von Vorteil sein,
wenn die Referenzschicht, gegebenenfalls in Kombination mit der
Speicherschicht, aus einer Mehrzahl von Einzellagen aufgebaut ist.
Eine magnetische Kopplung der Einzellagen erfolgt dabei vorzugsweise
durcheine antiferromagnetische Kopplung und/oder eine magnetische
Austauschkopplung und/oder eine magnetische Streufeldkopplung. Im Hinblick
auf die gegenseitige Beeinflussung benachbarter Speicherzellen erweist
es sich als vorteilhaft, wenn die Nettomagnetisierung der Referenzschicht im
Wesentlichen Null ist.
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Die
Materialien der Speicherschicht und/oder der Referenzschicht können erfindungsgemäß auf einer
Legierung des (Co, Ni, Fe)-Systems basieren. Das (Co, Ni, Fe)-System
umfasst sämtliche Legierungen,
welche aus nur einer Komponente des Systems oder einer beliebigen
Kombination von mehreren Komponenten des Systems bestehen, wie etwa
eine Ni-Fe-Legierung oder eine Ni-Fe-Co-Legierung. Zudem können weitere
Komponenten in dem (Co, Ni, Fe)-System enthalten sein, wie beispielsweise
Si und B, durch welche den Legierungen eine amorphe Struktur vermittelt
werden kann. Erfindungsgemäß ist es
bevorzugt, wenn die Materialien der Speicherschicht und/oder Referenzschicht
amorphe Legierungen sind. Eine solche, auf dem (Co, Ni, Fe)-System
basierende amorphe Legierung ist beispielsweise eine Co-Fe-B-Legierung
oder eine Co-Fe-Si-Legierung.
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Erfindungsgemäß kann das
Material der zwischen der Speicherschicht und der Referenzschicht angeordneten
Zwischenschicht AlO sein. Falls die Speicherschicht und/oder Referenzschicht
als Vielschichtensystem ausgebildet sind, können die einzelnen Lagen durch
Zwischenschichten voneinander getrennt sein, welche beispielsweise
aus Ta oder Ru bestehen.
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Die
Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle
mit den folgenden Schritten:
In einem ersten Schritt (A) wird
ein Schichtensystem aus im Wesentlichen kreisscheibenförmigen Schichten
bereitgestellt. Dieses Schichtensystem umfasst dabei zwei magnetische
Schichten, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht getrennt
sind, von denen sich die erste magnetische Schicht ("Referenzschicht") hartmagnetisch
verhält
und die andere, zweite magnetische Schicht ("Speicherschicht") weichmagnetisch verhält, so dass
durch den Magnetisierungszustand der zweiten magnetischen Schicht Information
speicherbar ist. Zudem weist die Speicherschicht eine, eine magnetische
Vorzugsrichtung definierende, schwache intrinsische magnetische Anisotropie
auf.
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In
einem zweiten Schritt (B) wird ein erstes, im Wesentlichen homogenes, äußeres Magnetfeld während einer
ersten Warmauslagerung des Schichtensystems erzeugt. Die Richtung
des ersten Magnetfelds wird hierbei so gewählt, dass es in einem Winkel α zur Vorzugsrichtung
der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht ausgerichtet ist,
und zwar so, dass die Richtung des ersten Magnetfelds im Wesentlichen
parallel zur Magnetisierung einer Remanenzmagnetisierung im Innern
der Speicherschicht ist. Die Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht
tritt durch das Anlegen eines äußeren Magnetfelds
mit einer zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der
Speicherschichten senkrechten Feldkomponente auf, was beim Ummagnetisieren
der MRAM-Speicherzellen im Allgemeinen der Fall ist.
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In
einem dritten Schritt (C) erfolgt ein erstes Warmauslagern des Schichtensystem
bei einer Temperatur unterhalb der Curietemperatur von Speicherschicht
und Referenzschicht, wobei die Feldstärke des ersten Magnetfelds
größer ist
als die Sättigungsfeldstärke der
Referenzschicht, so dass sich die Magnetisierung der Referenzschicht
entlang der Feldrichtung des ersten Magnetfelds ausrichtet.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird somit während
des ersten Warmauslagerns des Schichtensystems eine Magnetisierung
der Referenzschicht erreicht, wobei die Magnetisierung der Referenzschicht
parallel zur Referenzmagnetisierung der Speicherschicht gerichtet
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Magnetfeld
so ausgerichtet, dass der Winkel α einen
Wert im Wertebereich von 10° bis
50° aufweist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann der Fall auftreten, dass, abhängig von der Feldstärke des
angelegten ersten Magnetfelds und den Materialeigenschaften der
Speicherschicht, die Vorzugsrichtung der schwachen intrinsischen
Anisotropie der Speicherschicht in Feldrichtung des ersten Magnetfelds
ausgerichtet wird. Dies ist jedoch unerwünscht, da in diesem Fall eine
beim Ummagnetisieren in der Speicherschicht auftretende Remanenzmagnetisierung
dafür sorgt,
dass die Magnetisierungsrichtungen der Referenzschicht und der Speicherschicht nicht
mehr kollinear sind. In diesem Fall wird das erfindungsgemäße Verfahren
um die folgenden weiteren Schritte ergänzt:
In einem vierten
Schritt (D) wird ein zweites, im Wesentlichen homogenes, äußeres Magnetfeld
während
einer zweiten Warmauslagerung des Schichtensystems erzeugt. Hierbei
ist die Richtung des zweiten Magnetfelds in einem Winkel-α, das heißt einem
zum Winkel α gegengleichen
Winkel, zur Richtung des ersten Magnetfelds gerichtet.
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In
einem fünften
Schritt (E) wird das Schichtensystem bei einer Temperatur unterhalb
der Curietemperatur der beiden magnetischen Schichtsysteme warm
ausgelagert, wobei die Feldstärke
des zweiten Magnetfelds kleiner ist als die Sättigungsfeldstärke der
Referenzschicht, so dass die Magnetisierung der Referenzschicht
bei der zweiten Warmauslagerung im Wesentlichen unverändert bleibt,
die Vorzugsrichtung der schwachen, intrinsischen Anisotropie der
Speicherschicht jedoch entlang der Feldrichtung des zweiten Magnetfelds
ausgerichtet wird.
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Hierdurch
wird erreicht, dass die Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie
der Speicherschicht in ihre ursprüngliche Richtung vor der ersten Warmauslagerung
gerichtet wird, so dass die Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht
und der Magnetisierung der Referenzschicht im Wesentlichen kollinear
sind.
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Die
hier getroffene Unterscheidung in eine "erste" Warmauslagerung und eine "zweite" Warmauslagerung,
einschließlich
der zugehörigen Unterscheidungen
für die
Temperaturen und die Magnetfelder, ist lediglich aus Gründen der
Klarheit erfolgt. Dies sollte jedoch nicht so verstanden werden, dass
stets eine erste Warmauslagerung und eine zweite Warmauslagerung
in dem erfindungsgemäßen Verfahren
vorgesehen sind. Vielmehr kann die zweite Warmauslagerung unter
den oben genannten Umständen
entfallen.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es von Vorteil, wenn die Temperatur beim ersten und zweiten
Warmauslagern in einem Bereich von 250°C bis 350°C liegt. Gleichermaßen ist
es von Vorteil, wenn die Feldstärke
des ersten Magnetfelds einen Wert im Wertebereich von 0,1 bis 2
Tesla aufweist, während
die Feldstärke
des zweiten Magnetfelds einen Wert im Wertebereich von 0,001 bis
0,1 Tesla aufweist.
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Erfindungsgemäß kann die
Speicherschicht durch Tempern in einem äußeren Magnetfeld intrinsisch
anisotrop ausgebildet werden. Dies kann jedoch gleichermaßen durch
schräges
Ionenstrahl-Sputtern oder Innenstrahl-Sputtern in einem äußeren Magnetfeld
erfolgen, wobei jedes dieser Verfahren für sich allein oder in Kombination
mit den anderen Verfahren angewendet werden kann.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen genommen wird. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Speicherschicht (linke Abbildung) und
Referenzschicht (rechte Abbildung) einer MRAM-Speicherzelle aus
dem Stand der Technik;
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2 eine
schematische Darstellung der Speicherschicht (linke Abbildung) und
der Referenzschicht (rechte Abbildung) zur Verwendung in einer ersten
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle;
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3 eine
schematische Darstellung einer oberen Einzellage (linke Abbildung)
und einer unteren Einzellage (rechte Abbildung) einer Speicherschicht
zur Verwendung in einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle.
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1 wurde
bereits eingangs erläutert.
Es wird nun Bezug auf die 2 genommen,
worin eine schematische Darstellung der Speicherschicht 10 und
der Referenzschicht 8 zur Verwendung in einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle
gezeigt ist. Die Speicherschicht 10 ist in einer Kreisscheibenform
ausgebildet und mit einer schwachen intrinsischen Anisotropie, durch
welche eine Vorzugsrichtung entlang des Doppelpfeils definiert ist,
versehen. Die sich hartmagnetisch verhaltende Referenzschicht 8,
ist ebenso in einer Kreisscheibenform ausgebildet.
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Wie
bereits in der Einleitung dargestellt wurde, zeigt 2,
linke Abbildung, einen Zustand der Speicherschicht 10 nach
Anlegen und Abschalten eines um 90° im Gegenuhrzeigersinn relativ
zur X-Achse gerichteten, im Wesentlichen homogenen, äußeren Magnetfelds 7 (Remanenz).
Aufgrund der nur schwachen intrinsischen Anisotropie und des dadurch
bedingten Einflusses der Magnetisierung 12, 13 der
Randbereiche der Speicherschicht 10 auf die Magnetisierung 11 im
Innern der Speicherschicht 10 tritt eine Remanenzmagnetisierung 11 auf,
welche in einem Winkel α im
Gegenuhrzeigersinn zur X-Achse ausgerichtet ist.
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Gemäß dem Vorschlag
der Erfindung ist nun die Magnetisierung 9 der Referenzschicht 8 um
den gleichen Winkel α im
Gegenuhrzeigersinn zur X-Achse ausgerichtet, so dass die remanente
Magnetisierung 11 im Innern der Speicherschicht 10 im
Wesentlichen parallel zur Magnetisierung 9 der Referenzschicht 8 ausgerichtet
ist.
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Eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle umfasst
die in 2 gezeigte Referenzschicht 8 und Speicherschicht 10.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer oberen Einzellage 14 und
einer unteren Einzellage 15 einer kreisschreibenförmigen Speicherschicht.
Die beiden in 3 gezeigten Einzellagen 14, 15 bilden
somit die Speicherschicht einer MRAM-Zelle in Form eines Zweischichtensystems aus.
Eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle
umfasst als Speicherschicht das in 3 gezeigte
Zweischichtensystem und eine in 2, rechte
Abbildung, gezeigte Referenzschicht.
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In 3 ist
zur erleichterten Bezugnahme ein den X, Y-Achsenkreuzen der 1 und 2 entsprechendes
X, Y-Achsenkreuz eingezeichnet.
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In 3 ist
jeweils ein Zustand der Einzellagen 14, 15 nach
Anlegen und Abschalten eines um 90° im Gegenuhrzeigersinn relativ
zur X-Achse gerichteten, im Wesentlichen homogenen, äußeren Magnetfelds
gezeigt (Remanenz). Aufgrund einer schwachen intrinsischen Anisotropie
und der dadurch bedingten Einwirkung der Magnetisierung der Randbereiche
auf die Magnetisierung im Innern der Speicherschichten der Einzellagen
verbleibt jeweils eine Remanenzmagnetisierung 16, 19,
welche in einem Winkel α bzw.
180° + α im Gegenuhrzeigersinn zur
X-Achse ausgerichtet
ist.
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Die
beiden Einzellagen 14, 15 der Speicherschicht
sind durch eine magnetische Streufeldkopplung miteinander gekoppelt,
was zur Folge hat, dass sich die Magnetisierung 17, 18 im
Randbereich der oberen Einzellage 5 antiparallel zur Magnetisierung 20, 21 im
Randbereich der unteren Einzellage 15 einstellt. Ebenso
stellt sich hierdurch die Magnetisierung 16 im Innern der
Einzellage 14 antiparallel zur Magnetisierung 19 im
Innern der Einzellage 15 ein.
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Die
in 3 gezeigten Einzellagen 14, 15 der
Speicherschicht, können
zur Herstellung einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle Teil des folgenden Schichtenstapels
sein.
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Auf
einem herkömmlichen
Substrat wird zunächst
eine zweilagige Referenzschicht aus einer Co-Fe-Ni-Legierung mit
einer zwischenliegenden Schicht aus Ru aufgebracht. Die beiden Schichten aus
einer ferromagnetischen Legierung haben hierbei eine Schichtdicke
von 2 nm, während
die zwischenliegende Schicht aus Ru eine Schichtdicke von 1 nm aufweist.
Die Magnetisierung der Referenzschicht ist in einem Winkel α = 45° im Gegenuhrzeigersinn
zu einer der X-Achse von 3 entsprechenden Vorzugsrichtung
der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht ausgerichtet.
Die Einzellagen der Referenzschicht aus einer Co-Fe-Ni-Legierung
sind durch die magnetische Austauschkopplung miteinander gekoppelt.
Auf der Referenzschicht ist eine Zwischenschicht aus AlO mit einer
Schichtdicke von 3 nm ausgebildet. Oberhalb der Zwischenschicht befindet
sich eine doppellagige Speicherschicht aus einer Ni-Fe-Legierung,
welche durch eine Zwischenschicht aus Ta getrennt ist. Die beiden
Einzellagen der Speicherschicht aus einer Ni-Fe-Legierung entsprechen
hierbei der in 3 gezeigten Ausführungsform.
Die Schichtdicken der Speicherschichtlagen betragen jeweils 3 nm,
während
die Schichtdicke der Ta-Schicht 1 nm beträgt. Die Magnetisierungen der
Ni-Fe-Legierungen
sind durch die magnetische Streufeldkopplung miteinander gekoppelt.
Der Schichtenstapel hat im Wesentlichen eine Kreisscheibenform mit
einem Scheibendurchmesser von 300 nm.
-
Zur
Ausbildung einer schwachen intrinsischen Anisotropie in der Speicherschicht
wurde der Schichtenstapel zunächst
in einem externen Magnetfeld mit einer Feldstärke von 100 mT getempert. Das Tempern
erfolgte bei einer Temperatur von 250°C. Anschließend wurde zur Magnetisierung
der Referenzschicht der Schichtenstapel bei einer Temperatur von
300°C warm
ausgelagert, wobei ein erstes, im Wesentlichen homogenes, externes
Magnetfeld mit einer Feldstärke
von 1 Tesla angelegt wurde. Die Feldrichtung des ersten äußeren Magnetfelds
wurde hierbei so gewählt,
dass sie der Richtung einer Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht
entspricht, das heißt
die Feldrichtung des ersten Magnetfelds nahm einen Winkel α = 45° im Gegenuhrzeigersinn
zur X-Achse ein. Da sich hierbei auch die Vorzugsrichtung der intrinsischen
Anisotropie in die Feldrichtung des ersten Magnetfelds gedreht hat, wurde
ein zweites Warmauslagern bei einer Temperatur von 250°C durchgeführt, wobei
jedoch eine Feldstärke
von lediglich 0,1 Tesla eingesetzt wurde. Die Feldrichtung des zweiten
Magnetfelds wurde hierbei so gewählt,
dass sie einen Winkel-α zur
Feldrichtung des ersten Magnetfelds einnimmt, so dass hierbei le diglich
die Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie in ihre ursprüngliche
Richtung vor Anlegen des ersten Magnetfelds ausgerichtet wird.
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- 1
- Referenzschicht
(Stand der Technik)
- 2
- Innenbereich-Magnetisierung
- 3
- Speicherschicht
- 4
- Innenbereich-Magnetisierung
- 5
- Randbereich-Magnetisierung
- 6
- Randbereich-Magnetisierung
- 7
- externes
Magnetfeld
- 8
- erfindungsgemäße Referenzschicht
- 9
- Innenbereich-Magnetisierung
- 10
- Speicherschicht
- 11
- Innenbereich-Magnetisierung
- 12
- Randbereich-Magnetisierung
- 13
- Randbereich-Magnetisierung
- 14
- Speicherschicht
(obere Lage)
- 15
- Speicherschicht
(untere Lage)
- 16
- Innenbereich-Magnetisierung
- 17
- Randbereich-Magnetisierung
- 18
- Randbereich-Magnetisierung
- 19
- Innbereich-Magnetisierung
- 20
- Randbereich-Magnetisierung
- 21
- Randbereich-Magnetisierung