DE102006001108A1

DE102006001108A1 - Magnetoresistives Speicherelement mit Stapelstruktur

Info

Publication number: DE102006001108A1
Application number: DE102006001108A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Klostermann; Daniel Braun
Original assignee: Infineon Technologies AG; Altis Semiconductor SNC
Current assignee: Qimonda AG; Altis Semiconductor SNC
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2006-01-09
Publication date: 2006-08-31
Also published as: GB2422735A; US20060171197A1; FR2882459A1; GB0601186D0

Abstract

Ein magnetoresistives Speicherelement weist eine Stapelstruktur auf einschließlich: einer Tunnelbarriere aus nichtmagnetischem Material, einem ersten magnetischen System mit einer ferromagnetischen Referenzschicht des Tunnelübergangs mit einem fixierten magnetischen Momentvektor auf einer Seite des Tunnelübergangs benachbart zum nichtmagnetischen Material und einem zweiten magnetischen System mit einer ferromagnetischen freien Schicht des Tunnelübergangs auf einer gegenüberliegenden Seite der Tunnelbarriere mit einem freien magnetischen Momentvektor benachbart zum nichtmagnetischen Material, wodurch ein magnetoresistiver Tunnelübergang ausgebildet wird. Die freie Schicht des Tunnelübergangs stellt eine Schicht aus einer Mehrzahl von N ferromagnetischen freien Schichten, die antiferromagnetisch gekoppelt sind, dar. Das erste magnetische System ist zwischen die freie Schicht des Tunnelübergangs und wengistens einer der ferromagnetischen freien Schichten, die hieran antiferromagnetisch gekoppelt sind, eingelegt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft nicht-flüchtige Halbleiterspeicherchips und beschäftigt sich insbesondere mit magnetischen Speicherzellen (MRAM-Zellen) für integrierte Halbleiterschaltkreise.

HINTERGRUND

In den vergangenen Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, neue nicht-flüchtige Speichertechnologien basierend auf magnetoresistiven Speicherzellen mit wahlfreiem Zugriff kommerziell nutzbar zu machen. Eine magnetoresistive Speicherzelle weist eine Stapelstruktur ferromagnetischer Schichten auf, die durch eine nichtmagnetische Tunnelbarriere getrennt und als magnetischer Tunnelübergang (MTJ) ausgebildet sind. Digitale Information wird nicht wie bei bekannten DRAMs durch elektrische Leistung aufrechterhalten, sondern durch bestimmte Ausrichtungen der magnetischen Momentvektoren in den ferromagnetischen Schichten. Insbesondere ist in einer MRAM-Zelle die Magnetisierung (d.h. der magnetische Momentvektor) von einer ferromagnetischen Schicht („Referenzschicht") magnetisch fixiert oder gepinnt, während die Magnetisierung der anderen ferromagnetischen Schicht („freie Schicht") zwischen zwei bevorzugten Richtungen schaltbar ist, d.h. zwischen derselben und entgegengesetzten Richtung in Bezug zur fixierten Magnetisierung der Referenzschicht. Abhängig von den magnetischen Zuständen der freien Schicht, d.h. parallele oder antiparallele Zustände der Magnetisierung in Bezug auf die Magnetisierung der Referenzschicht, weist die magnetische Speicherzelle zwei verschiedene Widerstandswerte bei über der magnetischen Tunnelübergangsbarriere angelegter Spannung auf. Der jeweilige Widerstand der Speicherzelle gibt die Magnetisierungszustände der freien Schicht wieder, wobei der Widerstand „gering" ist, falls die Magnetisierung parallel liegt und dieser ist, hoch", falls die Magnetisierung antiparallel liegt. Dementsprechend ermöglicht eine Detektion von Widerstandsänderungen einen Zugriff auf die in dem magnetischen Speicherelement gespeicherte Information, d.h. ein Lesen der magnetischen Speicherzelle.

Eine MRAM-Zelle wird durch Anlegen magnetischer Felder beschrieben, welche durch Stromleiterbahnen wie typischerweise Bit- und/oder Schreib-Wortleitungen fließende bi- oder uni-direktionale Ströme erzeugt werden, um den magnetischen Momentvektor der freien Schicht in einen parallelen oder einen antiparallelen Zustand in Bezug zur fixierten Magnetisierung auszurichten. Wird ein magnetisches Feld mit einer zur Magnetisierungsrichtung der freien Schicht gegenüberliegenden Richtung angelegt, so wird der magnetische Momentvektor der freien Schicht umgekehrt, falls ein kritischer magnetischer Feldwert erreicht wird (hierauf wird ebenso als magnetisches Umkehrfeld Bezug genommen). Der Wert des magnetischen Umkehrfeldes wird aus einer Energieminimierungsbedingung abgeleitet. Nimmt man an, dass ein magnetisches Feld entlang der durch H_x gekennzeichneten harten Magnetisierungsachse anliegt und ein magnetisches Feld H_y entlang der Richtung der leichten Magnetisierungsachse anliegt, ergibt sich ein Zusammenhang H_x ^(2/3) + H_y ^(2/3) = H_c ^(2/3), wobei H_c das anisotrope magnetische Feld der freien Schicht kennzeichnet. Da diese Kurvenform einen Stern auf der H_x-H_y-Ebene darstellt, wird diese auch als Sternkurve bezeichnet. Wie dem obigen Zusammenhang entnommen werden kann, ermöglicht ein zusammengesetztes magnetisches Feld die Auswahl einer einzelnen MRAM-Zelle, falls die Summe beider magnetischer Felder wenigstens dem magnetischen Umkehrfeld gleichkommt. Basierend auf obiger Gleichung ist das „Stoner-Wohlfahrt"-Umschaltszenario ein typischer Umschaltmechanismus zum Umschalten von MRAM-Zellen, der einem Fachmann bekannt ist und hierin nicht detaillierter beschrieben wird.

In den vergangenen Jahren wurden magnetoresistive Tunnelübergangs-Speicherzellen vorgeschlagen, bei denen die freie Schicht als System antiferromagnetisch gekoppelter ferromagnetischer freier Schichten aufgebaut ist. Die Anzahl antiferromagnetisch gekoppelter Schichten lässt sich wählen, um das effektive magnetische Umschaltvolumen des MRAM-Bauelements zu vergrößern. Zum Umschalten derartiger magnetoresistiver Speicherzellen wird typischerweise ein weiteres Umschaltszenario wie „adiabatische Drehumschaltung" („adiabatic rotational switching") verwendet. Adiabatische Drehumschaltung beruht auf dem „Spin-Flop"- Phänomen, das die gesamte magnetische Energie bei anliegendem Magnetfeld durch Rotation der magnetischen Momentvektoren der antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichten erniedrigt. Nimmt man genauer gesagt an, dass ein magnetisches Feld H_BL einer Bitleitung und ein magnetisches Feld H_WL einer Wortleitung jeweils die MRAM-Zelle zu deren Umschaltung erreichen und dass die durch die ferromagnetischen freien Schichten dargestellten antiferromagnetisch gekoppelten magnetischen Momentvektoren M₁ und M₂ jeweils um einen 45°-Winkel in Bezug zu den Wort- und Bitleitungen geneigt sind, ist eine zeitliche Umschaltpulssequenz angelegter magnetischer Felder in einem typischen „Kipp-Schreib" („toggling write")-Modus folgendermaßen gegeben:
zum Zeitpunkt t₀ ist weder ein Wortleitungsstrom noch ein Bitleitungsstrom angelegt, was zu einem verschwindenden magnetischen Feld H₀ von sowohl H_BL und H_WL führt;
zum Zeitpunkt t, wird der Wortleitungsstrom auf H₁ erhöht und die magnetischen Momentvektoren M₁ und M₂ beginnen sich abhängig von der Richtung des Wortleitungsstroms entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn zu drehen;
zum Zeitpunkt t₂ wird der Bitleitungsstrom eingeschaltet, wobei ein Stromfluss in einer bestimmten Richtung ausgewählt wird, so dass beide magnetischen Momentvektoren M₁ und M₂ weiter in derselben im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn gerichteten Richtung wie bei der durch das magnetische Feld der Wortleitung verursachten Drehung gedreht werden; sowohl die Wort- als auch Bitleitungsströme sind eingeschaltet, was zu einem magnetischen Feld H₂ mit magnetischen Momentvektoren M₁ und M₂ führt, die nominal senkrecht zur Netto-Magnetfeldrichtung liegen, welche um 45° in Bezug zu den Stromleiterbahnen ausgerichtet ist;
zum Zeitpunkt t₃ wird der Wortleitungsstrom ausgeschaltet, was zu einem magnetischen Feld H₃ führt, so dass die magnetischen Momentvektoren M₁ und M₂ lediglich durch das magnetische Feld der Bitleitung gedreht werden; die magnetischen Momentvektoren M, und M₂ sind üblicherweise über deren Instabilitätspunkte der harten Achse hinausgedreht; und
schließlich wird der Bitleitungsstrom zum Zeitpunkt t₄ ausgeschaltet, was wieder zu einem verschwindenden magnetischen Feld H₀ führt und die magnetischen Momentvektoren M₁ und M₂ entlang der bevorzugten Anisotropieachse (leichte Achse) in einem verglichen mit dem anfänglichen Zustand um 180° gedrehten Zustand ausrichtet.

Entsprechend wurde die MRAM-Zelle hinsichtlich des magnetischen Momentvektors der Referenzschicht aus ihrem parallelen Zustand in ihren antiparallelen Zustand oder umgekehrt herum, abhängig vom Zustand von dem aus die Umschaltung ("Kippen") startet, geschaltet. Um eine MRAM-Zelle erfolgreich H_WL einer durch H_WL und H_BL aufgespannten Koordinatenebene umzuschalten, gilt als Vorbedingung, dass eine daran angelegte Magnetfeldsequenz zu einem magnetischen Feldpfad führt, der eine diagonale Linie kreuzt und um einen kritischen magnetischen Feldwert („Kipppunkt", „toggling point") T zum Veranlassen der Kipp-Umschaltung kreist, da die magnetischen Momentvektoren M₁ und M₂ in diesem Falle über ihre Instabilitätspunkte der harten Achse hinaus gedreht sind.

Bei modernen mobilen Geräten wie tragbaren Computern, Digitalkameras und dergleichen, die ein hohes Maß an Speicherleistungsfähigkeit erfordern, stellen Arrays von MRAM-Zellen mit hoher Dichte einen der wichtigsten Aspekte von MRAM-Zellen dar. Jedoch nimmt beim Verkleinern von MRAM-Zellen basierend auf antiferromagnetisch gekoppelten freien Schichten die Kopplung der freien Schichten dramatisch zu, weshalb vergleichsweise große magnetische Spin-Flop-Felder zum Umschalten der Zellen benötigt werden (d.h. beim wie oben beschriebenen Hin- und Herschalten um den Kipppunkt).

1 zeigt schematisch dargestellt einen typischen Stapelaufbau eines bekannten MRAM-Elements einer MRAM-Zelle, das antiferromagnetisch gekoppelte ferromagnetische Schichten aufweist. Bei einer derartigen Anordnung liegt auf einem metallischen Basismaterial MA, das typischerweise mit einer aktiven Struktur eines Halbleiterwafersubstrats (nicht dargestellt) verbunden ist, ein Referenzschichtsystem R, eine Tunnelbarriere B1 aus nichtmagnetischem Material und ein magnetisches freies Schichtsystem mit durch eine verhältnismäßig dicke Spacerschicht S1 getrennten ferromagnetischen Schichten FL1 und FL2. In dem magnetischen freien Schichtsystem sind ferromagnetische freie Schichten FL1, FL2 antiferromagnetisch gekoppelt. Zudem sind optional eine Unterschicht UL1 unterhalb des Referenzschichtsystems R als auch eine Deckschicht CL1 oberhalb des freien magnetischen Schichtsystems angeordnet. Ausführlicher dargestellt weist in 2A ein magnetisches freies System, das ferromagnetische freie Schichten FL1, FL2 und eine Spacerschicht S 1 enthält, eine Höhe r auf. Als Ergebnis numerischer Simulationen führt in 2B eine variierte Dicke des Spacers 6 aus Ru zu einer Änderung der Höhe r des magnetischen freien Systems (wobei die Dicke der freien Schichten FL1, FL2 konstant bleibt). Das magnetische Spin-Flop-Feld (siehe untere Kurve) und das Sättigungsfeld (obere Kurve) sind dargestellt. Dementsprechend führt eine Verkleinerung der Dicke des Spacers S1 (d.h. eine Verringerung der Höhe r) zu einer Vergrößerung von sowohl des Spin-Flop- als auch des Sättigungsfeldes. Aus diesem Grund werden dicke Spacerschichten S1 bevorzugt, dennoch sind diese von Nachteil in Bezug auf die Verkleinerung von Speicherzellen aufgrund typischerweise lang andauernder Ätzzeitspannen und erhöhter Einbußen bei den kritischen Dimensionen. Jedoch wird das Spacerschichtmaterial im Hinblick auf angemessene Ätzeigenschaften ausgewählt, weshalb die Auswahl von Spacermaterialien begrenzt ist.

Ein magnetoresistives Speicherelement, das eine Verkleinerung der Speicherelementgröße ermöglicht, ohne eine Erhöhung der Kopplung zwischen antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen freien Schichten des magnetischen freien Systems zu verursachen, ist wünschenswert.

ÜBERSICHT

Ein magnetoresistives Speicherelement, das eine Stapelstruktur aufweist, enthält eine Tunnelbarriere aus einem nichtmagnetischen Material und erste und zweite magnetische Systeme. Das erste magnetische System enthält eine ferromagnetische Referenzschicht des Tunnelübergangs mit einem fixierten magnetischen Momentvektor, der an einer Seite der Tunnelbarriere benachbart zum nichtmagnetischen Material angeordnet ist. Das zweite magnetische System enthält eine ferromagnetische freie Schicht des Tunnelübergangs mit einem freien magnetischen Momentvektor, der an einer gegenüberliegenden Seite der Tunnelbarriere benachbart zum nichtmagnetischen Material angeordnet ist. Der freie magnetische Momentvektor ist zwischen derselben und entgegengesetzten Richtung in Bezug zum oben erwähnten fixierten magnetischen Momentvektor umschaltbar. In dem Speicherelement bilden die Tunnelbarriere und die freie Schicht und Referenzschicht des Tunnelübergangs, welche auf beiden Seiten der Barriere angeordnet sind, zusammen einen magnetoresistiven Tunnelübergang (MTJ) aus. In dem erfindungsgemäßen Speicherelement ist die freie Schicht des Tunnelübergangs eine Schicht aus einer Mehrzahl von N ferromagnetischen freien Schichten, die antiferromagnetisch gekoppelt sind, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich zwei darstellt.

Gemäß einem kennzeichnenden Merkmal der Erfindung ist das erste magnetische System zwischen die freie Schicht des Tunnelübergangs und wenigstens eine der ferromagnetischen freien Schichten des zweiten magnetischen Systems, die antiferromagnetisch daran gekoppelt sind, eingelegt. Über das erste magnetische System zwischen den antiferromagnetisch gekoppelten freien Schichten kann eine weitere Verkleinerung des Speicherelements ohne unerwünschte Effekte hinsichtlich der Kopplung der antiferromagnetisch gekoppelten freien Schichten ermöglicht werden. Mit anderen Worten wird das erste magnetische System als „Spacer" zwischen den antiferromagnetisch gekoppelten freien Schichten eingesetzt. Darüber hinaus lassen sich lange Ätzzeiten verhindern werden und eine erhöhte Einbuße der kritschen Dimension kann vermieden werden.

In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind das erste magnetische System und die ferromagnetische freie Schicht, die antiferromagnetisch mit der obigen freien Schicht des Tunnelübergangs gekoppelt ist, durch eine erste Unterschicht getrennt. Die erste Unterschicht wird als Diffusionsbarriere und Keimschicht zum Wachstum des Stapels des ersten magnetischen Systems verwendet. Darüber hinaus wird die erste Unterschicht als Ätzstoppschicht verwendet, falls ein Ätzen des ersten magnetischen Systems und der antiferromagnetisch mit der freien Schicht des Tunnelübergangs gekoppelten ferromagnetischen freien Schicht entkoppelt ist.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist die ferromagnetische freie Schicht, die antiferromagnetisch mit der freien Schicht des Tunnelübergangs gekoppelt ist, zwischen die erste Unterschicht und eine zweite Unterschicht eingelegt. Die zweite Unterschicht wird als Diffusionsbarriere und Keimschicht für ein Wachstum des Stapels der ferromagnetischen freien Schicht, die antiferromagnetisch an die freie Schicht des Tunnelübergangs gekoppelt ist, verwendet. Die erste und zweite Unterschicht können jeweils mehrere Subschichten, je nach Notwendigkeit, aufweisen.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist das erste magnetische System ein erstes Subsystem mit der Referenzschicht des Tunnelübergangs mit fixiertem magnetischem Momentvektor und ein zweites Subsystem zum Fixieren (Pinnen) des fixierten magnetischen Momentvektors auf. Jedes der obigen Subsysteme kann eine Schicht oder eine Mehrzahl von Schichten enthalten.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist eine ferromagnetische Offsetfeldschicht zur weiteren Verkleinerung des/der magnetischen Spin-Flop-Umschaltfelder) einen magnetischen Momentvektor auf, der sich zum Verschieben eines Kipppunktes zum Umschalten des obigen freien magnetischen Momentvektors in Richtung eines geringeren Spin-Flop-Feldes eignet. Mit anderen Worten verschiebt das magnetische Feld einer derartigen ferromagnetischen Offsetfeldschicht den Kipppunkt zum Umschalten des Speicherelements in Richtung des Koordinatenursprungs in einer Koordinatenebene, die durch die am Speicherelement ankommenden magnetischen Felder zum Umschalten des Elements von senkrecht ausgerichteten ersten und zweiten Stromleiterbahnen aufgespannt wird. Um dies zu erzielen, weist die ferromagnetische Offsetfeldschicht beispielsweise einen magnetischen Momentvektor entlang einer leichten Achsenrichtung der freien Schicht des Tunnelübergangs auf. Die ferromagnetische Offsetfeldschicht (d.h. der erste ferromagnetische Momentvektor) wird durch das zweite Referenz-Subsystem gepinnt. Alternativ hierzu liegt ein weiteres Mehrzweckschichtsystem zur ferromagnetischen Offsetfeldschicht benachbart angeordnet vor.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Seitenwandspacer wenigstens zum Teil oder insgesamt um den Umfang (die Umfangsfläche) von wenigstens der ferromagnetischen freien Schicht des Tunnelübergangs angeordnet. Wenigstens die freie Schicht des Tunnelübergangs umgebend, umgibt der Seitenwandspacer mehrere oder alle in der Stapelstruktur des erfindungsgemäßen Speicherelements enthaltenen Schichten. Genauer gesagt sind die ferromagnetischen Schichten des zweiten magnetischen Systems und die zwischen den ferromagnetischen Schichten liegenden Schichten hiervon umgeben. Das Vorsehen eines Seitenwandspacers ermöglicht ein Längenmaß der freien Schicht des Tunnelübergangs in einer zu einer Stapelrichtung der Stapelstruktur senkrechten Richtung, das kleiner ist als ein Längenmaß der ferromagnetischen freien Schicht, die daran ferromagnetisch gekoppelt ist. Durch diese Maßnahme wird eine weitere Reduzierung einer Dipolkopplung zwischen antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen freien Schichten sowie ein weiter verringertes magnetisches Spin-Flop-Feld erzielt. Ebenso ist ein Längenmaß der freien Schicht des Tunnelübergangs in einer zu einer Stapelrichtung der Stapelstruktur senkrechten Richtung kleiner als ein Längenmaß der ferromagnetischen Offsetfeldschicht, was zu einem vergleichsweise homogeneren magnetischen Streufeld am Ort der freien Schicht des Tunnelübergangs führt. Abgesehen von der Möglichkeit verschiedener Längenmaße der Schichten, insbesondere bezüglich des Aufbaus des zweiten magnetischen Systems, bildet der Seitenwandspacer eine „Abschirmung" um wenigstens die ferromagnetische freie Schicht des Tunnelübergangs aus und vermindert Ätzschädigungen der frei en Schicht des Tunnelübergangs oder der Tunnelbarriere durch eine Ätzchemie sowie unerwünschte Ablagerungen während der Ätzung.

KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Die begleitenden Abbildungen, die in die Beschreibung als Bestandteil derselbigen aufgenommen sind, zeigen derzeit bevorzugte Ausführungen der Erfindung und diese dienen zusammen mit der obigen allgemeinen Beschreibung und der unteren detaillierten Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Ausführungsformen der Erfindung werden unten stehend detailliert mit Bezug zu den begleitenden Abbildungen beschrieben, wobei übereinstimmende Bezugszeichen miteinander übereinstimmende Elemente kennzeichnen.

1 zeigt schematisch dargestellt einen Stapelaufbau eines bekannten MRAM-Elements;
2A und 2B zeigen schematisch dargestellt ein magnetisches freies System mit antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichten sowie ein Diagramm zur Darstellung der Reduzierung von Spin-Flop- sowie Sättigungsmagnetfeldern aufgrund einer Veränderung der Dicke des freien magnetischen Systems;
3A und 3B zeigen beispielhafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen magnetoresistiven Speicherelements;
4A und 4B zeigen weitere beispielhafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Speicherelements; und
5A bis 5E zeigen weitere beispielhafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen magnetoresistiven Speicherelements.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
3A und 3B zeigen schematische Querschnittsansichten entlang eines Schnitts durch eine Stapelrichtung des Schichtstapels des Speicherelements. In 3A sind eine Tunnelbarriere B1 aus nichtmagnetischem Material, ein erstes magnetisches System R mit einer ferromagnetischen Referenzschicht des Tunnelübergangs einschließlich eines fixierten magnetischen Momentvektors auf einer Seite der Tunnelbarriere B1 benachbart zum nichtmagnetischen Material und ein zweites magnetisches System mit einer ferromagnetischen freien Schicht FL1 des Tunnelübergangs einschließlich eines freien magnetischen Momentvektors auf einer gegenüberliegenden Sei te der Tunnelbarriere B1 benachbart zum nichtmagnetischen Material vorgesehen, wobei der freie magnetische Momentvektor zwischen derselben und entgegengesetzten Richtung in Bezug zum fixierten magnetischen Momentvektor umgeschaltet wird. Die Tunnelbarriere B1 und die freie Schicht sowie die Referenzschicht des Tunnelübergangs bilden zusammen einen magnetoresistiven Tunnelübergang aus. Die freie Schicht FL1 des Tunnelübergangs stellt eine von zwei ferromagnetischen freien Schichten FL1, FL2 dar, die antiferromagnetisch gekoppelt sind. Zusätzlich liegt eine erste Unterschicht UL1 unterhalb des zweiten magnetischen Systems. Eine zweite Unterschicht UL2 liegt unterhalb der ferromagnetischen freien Schicht FL2 mit der die freie Schicht FL1 des Tunnelübergangs antiferromagnetisch gekoppelt ist. Beide Unterschichten UL1, UL2 dienen als Diffusionsbarrieren und Keimschichten für das Stapelwachstum. Eine Deckschicht CL1 ist oberhalb der ferromagnetischen freien Schicht FL1 angeordnet. In 3A ist das zweite magnetische System R zwischen die freie Schicht FL1 des Tunnelübergangs und die andere ferromagnetische freie Schicht FL2, die antiferromagnetisch mit der freien Schicht FL1 des Tunnelübergangs gekoppelt ist, eingelegt. Verglichen mit der bekannten Speicherzelle in 1, ist ein großer Abstand r zwischen beiden ferromagnetischen freien Schichten FL1, FL2 ohne Einsatz einer zusätzlichen Spacerschicht möglich. Aufgrund der überflüssigen herkömmlichen Spacerschicht ist es möglich, das Speicherelement ohne nachteilige Effekte hinsichtlich der Dipolkopplung der ferromagnetischen freien Schichten FL1, FL2 zu verkleinern.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung werden Unterschiede zum Speicherelement in 3A oder weiteren Speicherelementen beschrieben.
In 3B weist das erste magnetische System R einen Aufbau mit zwei Subsystemen Ra, Rb auf, wobei das Subsystem Ra antiferromagnetisch mit dem Subsystem Rb gekoppelt ist. Genauer gesagt enthält das Subsystem Ra die ferromagnetische freie Schicht des Tunnelübergangs, die durch das Pinning-Subsystem Rb gepinnt wird. Beide Subsysteme Ra, Rb sind zwischen ferromagnetische freie Schichten FL1, FL2 eingelegt. In dieser Ausführungsform besteht das Subsystem Ra beispielsweise aus einer Schichtstruktur CoFe/Ru/CoFe (z.B. mit einer Dicke von ungefähr 2/1/3 nm) und das Subsystem Rb besteht beispielsweise aus PtMn. Falls das Subsystem Rb aus PtMn besteht, wird das Subsystem Rb als Ätzstoppschicht verwendet.
In 4A ist ein Seitenwandspacer IS1 um den Umfang des magnetischen Tunnelübergangs angeordnet. Der Seitenwandspacer betrifft die ferromagnetische freie Schicht FL1, die Tunnelbarriere B1 und die Referenz schicht R. Eine Variation der Spacerdicke ermöglicht die Herstellung verschieden großer ferromagnetischer freier Schichten FL1, FL2, wobei ein Längenmaß d1 senkrecht zur Stapelrichtung der Stapelstruktur der ferromagnetischen freien Schicht FL1 kleiner ist als das entsprechende Längenmaß d2 der ferromagnetischen freien Schicht FL2, die antiferromagnetisch mit der ferromagnetischen freien Schicht FL1 gekoppelt ist. Eine weitere Verkleinerung der Dipolkopplung zwischen den ferromagnetischen freien Schichten FL1 und FL2 und eine erwünschte Verkleinerung des magnetischen Spin-Flop-Feldes werden ermöglicht. Die erste Unterschicht 1 wird als Ätzstoppschicht für den Seitenwandspacer IS1 verwendet. In einer weiteren Strukturierung des Speicherelements wird der Seitenwandspacer IS1 als Abschirmung genutzt, die den magnetischen Tunnelübergang umgibt und dadurch können Ätzschädigungen der freien Schicht FL1 und der Tunnelbarriere B1 des Tunnelübergangs vermieden werden.
In 4B weist das erste magnetische System R einen Aufbau mit zwei Subsystemen auf, dem Subsystem Ra und dem Subsystem Rb wie oben in 3B beschrieben. Das Subsystem Rb besteht z.B. aus PtMn und wird als Ätzstoppschicht verwendet.
In 5A sind eine ferromagnetische Offsetfeldschicht zum Verkleinern der Umschaltfelder und ein Multizwecksystem MPS1 ohne eine Unterschicht UL1 vorgesehen. In der in 5A gezeigten Ausführungsform ist die ferromagnetische Offsetfeldschicht durch das Subsystem Rb gepinnt, während die Hauptfunktion von MPS1 in einer Keimschicht für die ferromagnetische Offsetfeldschicht OL1 und in einer Spacerschicht für die ferromagnetische freie Schicht FL2 liegt. Alternativ hierzu wird die ferromagnetische Offsetfeldschicht durch MPS1 gepinnt.
In 5B liegt eine weitere Unterschicht UL1 unterhalb des zweiten magnetischen Systems, die eine Keimschicht für das Wachstum des ersten magnetischen Systems darstellt und zur Erzielung einer magnetischen Entkopplung des Subsystems Rb und der ferromagnetischen Offsetfeldschicht OL1 verwendet wird, wenn beispielsweise das Subsystem Rb aus PtMn besteht. Sind das Subsystem Rb und die ferromagnetische Offsetfeldschicht OL1 magnetisch entkoppelt, wird die ferromagnetische Offsetfeldschicht OL1 durch MPS1 gepinnt.
In 5C umgibt ein Seitenwandspacer IS1 den magnetischen Tunnelübergang. Der Seitenwandspacer enthält eine ferromagnetische Schicht FL1, eine Tunnelbarriere B1, ein erstes magnetisches System R, eine ferromagnetische Offsetfeldschicht OL1 und eine Deckschicht CL 1.
In 5D liegt eine weitere Unterschicht UL1 unterhalb der Referenzschicht R, die eine Keimschicht für das Wachstum des ersten magnetischen Systems R darstellt und eine magnetische Entkopplung zwischen dem ersten magnetischen System R und der ferromagnetischen Offsetfeldschicht OL1 erzielt. Da der Seitenwandspacer IS1 zudem die ferromagnetische Offsetfeldschicht OL1 nicht erreicht, ist ein Längenmaß der ferromagnetischen Offsetfeldschicht OL1 in einer Richtung senkrecht zur Stapelrichtung der Stapelstruktur größer als das Längenmaß der freien Schicht FL1 des Tunnelübergangs, die innerhalb des Seitenwandspacers IS1 positioniert ist, was zu einem vergleichsweise homogeneren magnetischen Streufeld von OL1 führt, das FL1 erreicht.
5E zeigt verschiedene Seitenwandspacer der Erfindung in einer Abbildung. Ausgehend von der in 5D gezeigten Ausführungsform, in der das zweite magnetische System R mit zwei Subsystemen Ra und Rb realisiert ist, erreicht der Seitenwandspacer IS1 die Tunnelbarriere B1, der Seitenwandspacer IS2 erreicht das Subsystem Rb, der Seitenwandspacer IS3 erreicht die Unterschicht UL1, der Seitenwandspacer IS4 reicht bis zu MPS1 und der Seitenwandspacer IS5 reicht bis zur Unterschicht UL2. Abhängig vom spezifischen Aufbau des Speicherelements können verschiedene Teile der Stapelstruktur des erfindungsgemäßen Speicherelements in geeigneter Weise von dem Seitenwandspacer umgeben werden.
In vorhergehenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Speicherelements sind die ferromagnetischen Schichten FL1, FL2 beispielsweise aus einem oder mehrerer der Materialien NiFe, CoFeB und CoFe/Py ausgewählt, die ersten und zweiten Unterschichten UL1, UL2 sind beispielsweise aus einem oder mehrerer der Materialien TaN/NiFeCr, Ru, Ta, NiFeCr und Ta/TaN/Ru ausgewählt, die ferromagnetische Offsetfeldschicht OL1 ist z.B. aus einem oder mehrerer der Materialien CoFeB, NiFe und CoFe/Ru/CoFeB ausgewählt, die Referenzsubschicht Ra ist beispielsweise aus einem oder mehrerer der Materialien Co/CoTb und CoFe/Ru/CoFe/CoFeB ausgewählt, die Referenzsubschicht Rb ist beispielsweise aus einem oder mehrerer der Materialien PtMn, Ru, TaN/Ta/PtMn und Ru/NiFeCr/PtMn ausgewählt, das Mehrzwecksystem MPS1 ist beispielsweise aus einem oder mehrerer der Materialien Ru, TaN/Ta/PtMn und Ru/NiFeCr/PtMn ausgewählt, der Seitenwandspacer IS1 ist beispielsweise aus einem oder mehrerer der Materialien SiO₂/SiN und Al₂O₃/SiO₂ ausgewählt und die Tunnelbarrierenschicht B1 ist beispielsweise aus einem oder mehrerer der Materialien Al₂O₃, MgO und BN ausgewählt, wobei diese Angaben lediglich Beispiele sind und keinerlei Begrenzung auf derartige Materialien darstellen.
Obwohl die Erfindung detailliert mit Bezug zu spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, erkennt ein Fachmann, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind ohne vom Sinn und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend soll die Erfindung alle Modifikationen und Variationen der hierin erörterten Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche und derer Äquivalente abdecken.

Claims

Magnetoresistives Speicherelement mit einer Stapelstruktur sowie: einer Tunnelbarriere aus nichtmagnetischem Material; einem ersten magnetischen System einschließlich einer ferromagnetischen Referenzschicht eines Tunnelübergangs mit einem fixierten magnetischen Momentvektor, wobei die ferromagnetische Referenzschicht des Tunnelübergangs auf einer Seite der Tunnelbarriere zum nichtmagnetischen Material benachbart angeordnet ist; und einem zweiten magnetischen System einschließlich einer ferromagnetischen freien Schicht des Tunnelübergangs mit einem freien magnetischen Momentvektor, wobei die ferromagnetische freie Schicht des Tunnelübergangs auf einer gegenüberliegenden Seite der Tunnelbarriere benachbart zum nichtmagnetischen Material angeordnet ist und zwischen derselben und entgegengesetzten Richtung in Bezug zum fixierten magnetischen Momentvektor umschaltbar ist, die Tunnelbarriere, die freie Schicht und die Referenzschicht des Tunnelübergangs einen magnetoresistiven Tunnelübergang ausbilden, die freie Schicht des Tunnelübergangs eine Schicht aus einer Mehrzahl von N ferromagnetischen freien Schichten, die antiferromagnetisch gekoppelt sind, darstellt, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich zwei ist, wobei das erste magnetische System zwischen die freie Schicht des Tunnelübergangs und wenigstens eine der hieran antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen freien Schichten des zweiten magnetischen Systems eingelegt ist.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 1, wobei das erste magnetische System ein erstes Subsystem mit der Referenzschicht des Tunnelübergangs mit einem fixierten magnetischen Momentvektor und ein zweites Subsystem zum Fixieren des fixierten magnetischen Momentvektors enthält.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 1, wobei das erste magnetische System und die ferromagnetische freie Schicht, die antiferromagnetisch mit der freien Schicht des Tunnelübergangs gekoppelt ist, durch eine erste Unterschicht getrennt sind.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 3, wobei die ferromagnetische freie Schicht, die antiferromagnetisch mit der freien Schicht des Tunnelübergangs gekoppelt ist, zwischen die erste Unterschicht und eine zweite Unterschicht eingelegt ist.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 1, mit zusätzlich: einer ferromagnetischen Offsetfeldschicht, die einen magnetischen Momentvektor zum Verschieben eines Kipppunktes zum Umschalten des freien magnetischen Momentvektors in Richtung eines Spin-Flop-Feldes aufweist.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 2, wobei die ferromagnetische Offsetfeldschicht durch das zweite Subsystem gepinnt ist.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 5, mit zusätzlich: einem Mehrzweckschichtsystem, das benachbart zur ferromagnetischen Offsetfeldschicht angeordnet ist.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 7, wobei die ferromagnetische Offsetfeldschicht durch das Mehrzweckschichtsystem gepinnt ist.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 1, wobei ein Seitenwandspacer um wenigstens einen Teil des Umfangs von wenigstens der ferromagnetischen freien Schicht des Tunnelübergangs angeordnet ist.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 9, wobei ein erstes Längenmaß der freien Schicht des Tunnelübergangs in einer zur Stapelrichtung der Stapelstruktur senkrechten Richtung kleiner ist als ein zweites Längenmaß der ferromagnetischen freien Schicht, die daran antiferromagnetisch gekoppelt ist.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 5, wobei ein Längenmaß der freien Schicht des Tunnelübergangs in einer zur Stapelrichtung der Stapelstruktur senkrechten Richtung kleiner ist als ein zweites Längenmaß der ferromagnetischen Offsetfeldschicht.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 5, wobei die ferromagnetische Offsetfeldschicht durch das zweite Subsystem gepinnt ist.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 5, wobei die ferromagnetische Offsetfeldschicht durch ein Mehrzweckschichtsystem gepinnt ist.
Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 9, wobei ein Längenmaß der freien Schicht des Tunnelübergangs in einer zur Stapelrichtung der Stapelstruktur senkrechten Richtung kleiner ist als ein zweites Längenmaß einer ferromagnetischen Offsetfeldschicht.