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Dokumentenidentifikation DE102005035165B4 04.09.2008
Titel Magnetischer Speicher mit statischem magnetischen Verschiebungsfeld
Anmelder Altis Semiconductor, SNC, Corbeil-Essonnes, FR;
Qimonda AG, 81739 München, DE
Erfinder Leuschner, Rainer, Dr., Samoreau, FR;
Braun, Daniel, Dr., Paris, FR;
Lee, Gill Yong, Boissise-le-Roi, FR;
Klostermann, Ulrich, Dr., Fontainebleau, FR
Vertreter Müller - Hoffmann & Partner Patentanwälte, 81667 München
DE-Anmeldedatum 27.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005035165
Offenlegungstag 09.03.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.09.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.09.2008
IPC-Hauptklasse G11C 11/16(2006.01)A, F, I, 20051103, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G11C 11/15(2006.01)A, L, I, 20051103, B, H, DE   H01L 27/22(2006.01)A, L, I, 20051103, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein magnetoresistives Speicherelement gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 2, einen Chip eines magnetischen Direktzugriffsspeichers gemäß den Ansprüchen 8 und 9 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetspeichers mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 11.

Magnetoresistive Speicherelemente gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2 und ein Chip eines magnetischen Direktzugriffsspeichers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetspeichers mit magnetoresistiven Speicherelementen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11 sind aus DE 198 36 567 C2 (Siemens AG, angemeldet am 12.08.1998) bekannt.

Hintergrund

Ein magnetischer (oder magnetoresistiver) Direktzugriffsspeicher (MRAM) bildet eine Technologie für nichtflüchtige Zugriffsspeicher, die den dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) als Standardspeicher für Computereinrichtungen ersetzen könnte. Insbesondere wird die Verwendung von MRAMs als nichtflüchtigen RAMs schließlich "direkteinschaltende" Systeme ermöglichen, die aktiv werden, sobald ein Computersystem eingeschaltet wird, um so die Zeitspanne einzusparen, die ein herkömmlicher Computer dazu benötigt, während des Hochfahrens des Systems Bootdaten von einem Festplattenlaufwerk in einen flüchtigen DRAM zu übertragen.

Ein magnetisches Speicherelement (auch als magnetoresistives Tunnelelement oder TMR-Element bezeichnet) verfügt über eine Struktur mit ferromagnetischen Schichten, die durch eine unmagnetische Schicht (Barriere) getrennt sind und in einem magnetischen Tunnelübergang (MTJ = magnetic tunnel junction) angeordnet sind. Digitale Information wird im magnetischen Speicherelement als Richtungen von Magnetisierungsvektoren in den ferromagnetischen Schichten gespeichert und repräsentiert. Genauer gesagt, wird das magnetische Moment einer ferromagnetischen Schicht magnetisch fixiert oder gepinnt (auch als "Referenzschicht" bezeichnet), während das magnetische Moment der anderen ferromagnetischen Schicht (auch als "freie Schicht" bezeichnet) frei zwischen derselben und der entgegengesetzten Richtung in Bezug auf die feste Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht geschaltet werden kann. Die Orientierungen des magnetischen Moments der freien Schicht sind auch als "paralleler" und "antiparalleler" Zustand bekannt, wobei der parallele Zustand dieselbe magnetische Ausrichtung der freien und der Referenzschicht bezeichnet, während der antiparallele Zustand entgegengesetzte magnetische Ausrichtungen derselben bezeichnet.

Abhängig vom Magnetisierungszustand der freien Schicht (d. h. paralleler oder antiparalleler Zustand) zeigt das magnetische Speicherelement zwei verschiedene Widerstandswerte, wenn eine Spannung an die Barriere des magnetischen Tunnelübergangs angelegt wird. So spiegelt der spezielle Widerstand des TMR-Elements den Magnetisierungszustand der freien Schicht wider, wobei der Widerstand "niedrig" ist, wenn die Magnetisierung parallel ist, und er "hoch" ist, wenn die Magnetisierung antiparallel ist. Demgemäß ermöglicht es, dass durch Erfassen von Änderungen des Widerstands eines MRAM im magnetischen Speicherelement gespeicherte Information erfasst wird, d. h. Information aus dem magnetischen Speicherelement ausgelesen wird. Außerdem wird durch Anlegen eines bidirektionalen Stroms in einer speziellen Richtung in ein magnetisches Speicherelement geschrieben, um die freie Schicht in einem parallelen oder einem antiparallelen Zustand magnetisch auszurichten.

In einem MRAM ist eine Anzahl magnetischer Speicherelemente und anderer Schaltkreise integriert, wie eine Steuerschaltung für magnetische Speicherelemente, Komparatoren zum Erfassen von Zuständen in einem magnetischen Speicherelement, Eingangs/Ausgangs-Schaltungen sowie verschiedene Unterstützungsschaltungen. Infolgedessen sind bestimmte Mikroherstell-Prozessschwierigkeiten zu überwinden, bevor MRAMs hoher Kapazität/Dichte kommerziell verfügbar werden. Um z. B. den Energieverbrauch eines MRAM zu senken und für verschiedene Hilfsfunktionen zu sorgen, ist die CMOS-Technik verwendet. Es werden verschiedene CMOS-Prozessschritte bei relativ hohen Temperaturen ausgeführt, während bei der Herstellung von MRAMs verwendete ferromagnetische Materialien deutlich niedrigere Prozesstemperaturen benötigen. So werden die magnetischen Speicherelemente typischerweise so konzipiert, dass sie folgend auf die CMOS-Bearbeitung am Anfang der Fertigungslinie (FEOL = front-end-of-line) in die Hinterende-Leiterbahnstruktur bei der CMOS-Bearbeitung am Hinterende der Fertigungslinie (BEOL = back-end-of-line) integriert werden.

Um in elektronischen Einrichtungen von Nutzen zu sein, werden in magnetischen Direktzugriffsspeichern Arrays sehr hoher Dichte magnetischer Speicherelemente verwendet. In diesen Arrays hoher Dichte sind die magnetischen Zellen im Allgemeinen in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei einzelne Zellen für Lese- und Schreiboperationen durch die Auswahl der geeigneten Zeile und Spalte, die die gewünschte Zelle enthalten, adressierbar ist. Auch sind herkömmlicherweise orthogonale Stromleitungen vorhanden, eine für jede Zeile und eine für jede Spalte, so dass in eine ausgewählte Zelle dadurch geschrieben wird, dass ein Strom an die geeignete Zeilen-Stromleitung und die geeignete Spalten-Stromleitung geliefert wird.

In jüngerer Zeit hat, insbesondere angesichts moderner tragbarer Einrichtungen, wie tragbarer Computer, digitaler Stehbildkameras und dergleichen, die Nachfrage nach billigen Massenspeichern hoher Dichte drastisch zugenommen. Daher besteht einer der wichtigsten Punkte hinsichtlich billiger MRAMs hoher Dichte in einer Verringerung der Größe der MRAM-Zelle. Jedoch erfordert ein maßstäbliches Verkleinern von MRAM-Zellen immer kleinere magnetische Tunnelübergänge, so dass viele schwerwiegende Probleme auftreten. Für ein vorgegebenes Seitenverhältnis und eine vorgegebene Dicke der freien Schicht wird die vom Volumen derselben abhängige Aktivierungsenergie entsprechend w herunterskaliert, wobei w die Weite der magnetischen Zelle ist. Andererseits nehmen die Schaltfelder grob entsprechend 1/w zu. So wird beim maßstäblichen Verkleinern einer MRAM-Zelle ein Feld-induzierter Auswähl-Schaltvorgang noch schwieriger, und gleichzeitig verliert die magnetische Zelle aufgrund thermischer Aktivierung ihre Information immer schneller. Ein Hauptproblem bei kleiner Aktivierungsenergie (Energiebarriere) besteht darin, dass es extrem schwierig wird, eine MRAM-Zelle in einem Array selektiv zu schalten. Selektivität erlaubt ein Schalten ohne unbeabsichtigtes Schalten anderer MRAM-Zellen.

Im Allgemeinen wird, wenn ein Magnetfeld in der Richtung umgekehrt zur Magnetisierungsrichtung der freien Schicht in der Richtung der Achse leichter Magnetisierung angelegt wird, die Magnetisierungsrichtung bei einem kritischen Magnetfeldwert, was auch als Umkehrmagnetfeld bezeichnet wird, in die Richtung des angelegten Magnetfelds umgekehrt. Der Wert des Umkehrmagnetfelds kann aus einer Minimalenergiebedingung bestimmt werden. Wenn ein Magnetfeld nicht in der Richtung der Achse leichter Magnetisierung sondern in der Richtung der Achse harter Magnetisierung angelegt wird, nimmt der Absolutwert des Umkehrmagnetfelds ab. Insbesondere dann, wenn das in der Richtung der Achse harter Magnetisierung angelegte Magnetfeld durch Hx repräsentiert wird und das in der Richtung der Achse leichter Magnetisierung angegelegte Magnetfeld durch Hx repräsentiert wird und das in der Richtung der Achse leichter Magnetisierung angelegte Magnetfeld durch Hy repräsentiert wird, gilt die Beziehung Hx(2/3) + Hy(2/3) = Hc(2/3), wobei Hc das anisotrope Magnetfeld der freien Schicht repräsentiert. Da diese Kurve in der Hx-Hy-Ebene einen Asteroiden bildet, wird sie als Asteroidkurve bezeichnet. Wie es aus der obigen Beziehung ersichtlich ist, ermöglichtes ein zusammengesetztes Magnetfeld, eine einzelne MRAM-Zelle auszuwählen, die an der Schnittstelle zwischen einer Wort- und einer Bitleitung an einer Position angeordnet ist, an der sich nur die Summe der beiden Magnetfelder zumindest auf das Umkehrmagnetfeld beläuft.

Ein typischer Schaltmechanismus, wie er zum Schalten von MRAM-Zellen verwendet wird, ist das gut bekannte "Stoner-Wohlfahrt"-Schaltszenarium, bei dem die magnetische Anisotropie der freien Schicht so gewählt wird, dass sie ungefähr parallel zu einer Waferfläche verläuft. Insbesondere erfolgt das Schreiben in eine MRAM-Zelle durch Steuern der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht unter Verwendung eines zusammengesetzten Magnetfelds, das dadurch erzeugt wird, dass sowohl einer Wortleitung als auch einer Bitleitung Strom zugeführt wird. Ein anderes Verfahren zum Schalten einer MRAM-Zelle ist das gut bekannte Szenarium mit "adiabatischem, rotierendem Schalten", bei dem die magnetische Anisotropie der freien Schicht so gewählt wird, dass sie unter einem Winkel von ungefähr 45° relativ zur Waferfläche geneigt ist. Der rotierende Schaltmechanismus ist z. B. im US- Patent Nr. 6,545,906 B1 für Savtchenko et al. offenbart. Ein Schlüsselunterschied zwischen dem Stoner-Wohlfahrth-Schalten und dem adiabatischen, rotierenden Schalten besteht darin, dass das Letztere nur unidirektionale Felder verwendet.

Bei dem aus der oben zitierten DE 198 36 567 C2 bekannten magnetoresistiven Speicherelement ist ein eine der Stromleitungen teilweise umgebendes magnetisches Joch mit einem magnetisierbaren Material mit einer relativen Permeabilität von mindestens 10 vorgesehen, das so angeordnet ist, dass sich der Magnetfluss durch das Joch im Wesentlichen über das Speicherelement schließt. Dabei ist das im Joch induzierte Magnetfeld nicht statisch, denn es ändert sich oder verschwindet, wenn der Strom durch die Stromleitung wieder abgeschaltet wird. Außerdem ist das von dem magnetischen Joch erzeugte Magnetfeld nicht in Richtung derjenigen Stromleitung gerichtet, die das magnetische Joch trägt, sondern quer dazu in Richtung der anderen Stromleitung.

Eine ähnliche Jochanordnung wie in der zuletzt genannten Druckschrift ist von WANG, Z. G. et al. in der Veröffentlichung: „Feasibility of ultra-dense sein-tunneling random access memory" in IEEE Transactions an Magnetics, Bd. 33, Nr. 6, November 1997 auf den Seiten 4498 bis 4512 beschrieben worden. Des Weiteren beschreiben die Druckschriften US 6 413 788 B1, US 6 872 993 B1, US 6 211 090 B1, US 2003/0111626 A1 und HUGHES, B.: „Magnetoresistive random access memory (MRAM) and reliability", 42nd Annual, IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 25. bis 29. April 2004, auf den Seiten 194 bis 199 magnetoresistive Speicherelemente bei denen Wortleitungen oder Bitleitungen mit einer diese teilweise umgebenden magnetischen Ummantelung versehen sind, die entweder die Funktion einer magnetischen Abschirmschicht hat oder als Maganetflusskonzentrator dient. Auch die zuletzt genannten magnetischen Ummantelungen erzeugen kein statisches magnetisches Verschiebungsfeld.

Angesichts des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein magnetisches Speicherelement und einen magnetischen Direktzugriffsspeicher (MRAM) mit solchen magnetischen Speicherelementen bereitzustellen, die ein Herunterskalieren der Zellengröße ermöglichen, ohne dass es dadurch zu schwerwiegenden Problemen hinsichtlich einer Zunahme von Schaltfeldern und einer Verringerung der Aktivierungsenergie käme.

Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetspeichers mit derartigen magnetoresistiven Speicherelementen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1, 2, 8, 9 und 11 gelöst.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beigefügten Zeichnungen sind enthalten, um für ein weiteres Verständnis der Erfindung zu sorgen, und sie sind in diese Beschreibung eingeschlossen und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsformen der Erfindung, und sie dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Andere Ausführungsformen der Erfindung und viele der vorgesehenen Vorteile der Erfindung werden leicht erkennbar werden, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise wechselseitig maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszahlen kennzeichnen entsprechende, ähnliche Teile.

1 ist eine schematische Umkehransicht zum Veranschaulichen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Speicherelements;

2 ist eine schematische Darstellung eines statischen magnetischen Verschiebungsfelds bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil derselben bilden und in denen zur Veranschaulichung spezielle Ausführungsform dargestellt sind, gemäß denen die Erfindung realisiert werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie, wie "oben", "unten", "vorne", "hinten", "vorderer", "hinterer" usw., unter Bezugnahme auf die Ausrichtung der Figur(en) verwendet. Da Komponenten der Ausführungsformen der Erfindung mit einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet, und sie ist in keiner Weise einschränkend. Es ist zu beachten, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturmäßige oder logische Änderungen vorgenommen werden können.

Die 1 ist eine schematische Umkehransicht zum Veranschaulichen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen magnetischen (d. h. magnetoresistiven) Speicherelement 10. In den folgenden Absätzen werden eine oder mehrere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen magnetischen Speicherelements erläutert.

Bei einer Ausführungsform verfügt, auf Grundlage einer magnetischen Speicherzelle mit einer ersten und einer zweiten Stromleitung entlang Wortleitungen bzw. Bitleitungen, das magnetische Speicherelement 10 über einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) 12, der durch seine leichte Achse 14 dargestellt ist, mit einer freien und einer Referenzschicht (nicht dargestellt) aus einem magnetischen Material, die in paralleler Übereinanderbeziehung aufgeschichtet und durch eine Schicht aus unmagnetischem Material getrennt sind. Die Magnetisierung der freien Schicht ist magnetisch mit einer ersten Stromleitung 20 über dem MTJ 12 und einer zweiten Stromleitung 22 unter diesem gekoppelt, um sie auf einen parallelen oder antiparallelen Zustand in Bezug auf die Magnetisierung der Referenzschicht zu schalten. Die erste Stromleitung 20 und die zweite Stromleitung 22 schneiden sich rechtwinklig, wobei der MTJ 12 an der Schnittstelle positioniert ist. Die erste Stromleitung 20 erzeugt ein erstes Magnetfeld 24, wenn ein Strom durch sie geschickt wird. Auch erzeugt die zweite Stromleitung 22 ein zweites Magnetfeld 26, wenn ein Strom durch sie geschickt wird. Die beiden Magnetfelder 24, 26 zeigen eine Wechselwirkung auf der Achse 14 leichter Magnetisierung des MTJ 12, um diese zu schalten.

Um die zweite Stromleitung 22 unter dem MTJ 12 ist eine die zweite Stromleitung 22 teilweise umgebende ferromagnetische Ummantelung 30 aus einem ferromagnetischen Material vorhanden, um für ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld 32 (magnetisches Dipolfeld) zu sorgen, das in der Richtung der zweiten Stromleitung 22 und auch in der Richtung des Magnetfelds (24) der ersten Stromleitung 20 ausgerichtet ist. Aufgrund des statischen magnetischen Verschiebungsfelds 32 kann beim Schalten des magnetischen Speicherelements 10 das magnetische Schreibfeld 24 der ersten Stromleitung 20 verkleinert werden, ohne dass die Aktivierungsenergie des magnetischen Speicherelements 10 nachteilig beeinflusst würde.

Die 2 ist eine schematische Diagrammdarstellung des statischen magnetischen Verschiebungsfelds einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die 2 veranschaulicht schematisch einen Chip 36 eines magnetischen Direktzugriffsspeichers mit einer Anzahl magnetischer Speicherelemente 38, ähnlich dem bereits beschriebenen magnetischen Speicherelement 10, von denen jedes über einen magnetischen Tunnelübergang mit einer ersten und einer zweiten magnetischen Schicht aus einem magnetischen Material besteht, die in paralleler Übereinanderbeziehung aufgeschichtet sind und durch eine Schicht aus unmagnetischem Material getrennt sind. Der Chip 36 eines magnetischen Direktzugriffsspeichers verfügt über eine magnetische Abschirmungsschicht zum Anlegen eines statischen magnetischen Verschiebungsfelds 40 in der Richtung der ersten oder der zweiten Stromleitung. Das statische magnetische Verschiebungsfeld 40 wird als magnetisches Dipolfeld gewählt.

Bei einer Ausführungsform verfügt das Speicherelement 10über einen magnetischen Tunnelübergang 12 sowie erste und zweite Stromleitungen 20, 22, die einander rechtwinklig schneiden, während jedes magnetoresistive Speicherelement 10 typischerweise an einer Schnittstelle zwischen den ersten und zweiten Stromleitungen 20, 22 positioniert ist. Der magnetoresistive Tunnelübergang (MTJ) 12 verfügt über eine erste und eine zweite magnetische Schicht aus einem magnetischen Material, die in paralleler Übereinanderbeziehung aufgeschichtet sind und durch eine Schicht aus unmagnetischem Material getrennt sind. Typischerweise ist die zweite magnetische Schicht mit einer magnetisch fixierten (gepinnten) Magnetisierung versehen, während die erste magnetische Schicht mit einer "freien" Magnetisierung versehen ist, d. h., sie kann frei zwischen derselben und der entgegengesetzten Richtung in Bezug auf die Richtung der festen Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht geschaltet werden. Die freie Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht ist magnetisch mit der ersten und zweiten Stromleitung gekoppelt, um diese freie Magnetisierung zu schalten.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verfügt das Speicherelement 10 ferner über eine oder mehrere Einrichtungen zum Anlegen eines statischen magnetischen Verschiebungsfelds 32, 40 in der Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitungen 20, 22. Wenn ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld 32 in der Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitungen 20, 22 angelegt wird, kann in vorteilhafter Weise das durch die Ströme zu erzeugende Magnetfeld (Umkehrmagnetfeld) verkleinert werden. Demgemäß können Schreibströme für eine MRAM-Zelle gemäß der Erfindung verkleinert werden.

Darüber hinaus zeigt zwar ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld in der Richtung der Achse leichter Magnetisierung der freien Schicht ein Problem dahingehend, dass die Aktivierungsenergie verkleinert sein kann, so dass die freie Schicht instabil wird, jedoch ermöglicht es das statische magnetische Verschiebungsfeld 32, 40 gemäß der Erfindung, die Aktivierungsenergie aufrecht zu erhalten oder sogar zu erhöhen. Die meiste Zeit ist die Information nur gespeichert, und es wird kein Schaltfeld angelegt. Wenn die Aktivierungsenergie verringert wäre, wie im Fall eines statischen Magnetfelds in der Richtung der Achse leichter Magnetisierung der freien Schicht, könnte aufgrund thermisch aktivierten Schaltens verloren gehen. Demgemäß besteht bei aufrecht erhaltener oder sogar erhöhter Aktivierungsenergie eine kleinere Gefahr hinsichtlich einer unbeabsichtigten Magnetisierungsumkehr im Speicherungsfall.

Das statische magnetische Verschiebungsfeld 32, 40 kann so gewählt werden, dass es ein nahezu homogenes Magnetfeld ist. Alternativ kann es als magnetisches Dipolfeld gewählt werden.

Gemäß der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die Einrichtung zum Anlegen eines statischen Magnetfelds zum Anlegen eines statischen magnetischen Verschiebungsfelds 32, 40 in der Richtung nur der ersten oder der zweiten Stromleitungen ist. Bei einer Ausführungsform an einem MRAM-Array mit ersten und zweiten Stromleitungen, die einander rechtwinklig schneiden, zeigt das statische magnetische Verschiebungsfeld 32, 40 in der Richtung einer der ersten oder zweiten Stromleitungen 20, 22, so dass es in derselben Richtung wie das Magnetfeld der anderen dieser ersten und zweiten Stromleitungen 20, 22 gerichtet ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der oben genannte Mechanismus oder die Einrichtung zum Anlegen eines statischen magnetischen Verschiebungsfelds 32, 40 so realisiert, dass es sich um mindestens eine ferromagnetische Ummantelung 30, d. h. eine oder mehrere ferromagnetische Ummantelungen 30, aus einem ferromagnetischen Material handelt, die benachbart zu den ersten und/oder zweiten Stromleitungen 20, 22 positioniert sind. Anders gesagt, können die mindestens eine ferromagnetische Ummantelung 30 an der ersten Stromleitung 20, der zweiten Stromleitung 22 oder beiden vorhanden sein. Wenn die mindestens eine ferromagnetische Ummantelung 30 nur an der ersten oder zweiten Stromleitung 20, 22 vorhanden ist, wird nur der Strom für eine Stromleitung verkleinert, jedoch handelt es sich um den Strom derjenigen Stromleitung, die über keine ferromagnetische Ummantelung verfügt, weswegen sie über eine niedrige Stromeffizienz verfügt. Die andere Stromleitung verfügt über die mindestens eine ferromagnetische Ummantelung 30 und damit hohe Stromeffizienz, was bedeutet, dass für diese Stromleitung der Strom bereits klein ist.

Die mindestens eine ferromagnetische Ummantelung 30 kann insbesondere so positioniert sein, dass sie mit der ersten und/oder zweiten Stromleitung 20, 22 in Kontakt steht. Die mindestens eine ferromagnetische Ummantelung 30 kann an der Oberseite und/oder der Unterseite und/oder einer Seite und/oder beiden Seiten der Stromleitung vorhanden sein, gesehen in einer Richtung weg von der Fläche eines Wafers, auf der die Speicherzelle typischerweise hergestellt ist. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die ferromagnetische Ummantelung 30 so ausgebildet ist, dass sie über ein U-förmiges Profil, im Schnitt über die entsprechende Stromleitung gesehen, verfügt. Typischerweise ist es relativ einfach, eine U-förmige ferromagnetische Ummantelung 30 für eine unter dem MTJ liegende Stromleitung aufzubauen, jedoch kann es schwierig sein, eine ferromagnetische Ummantelung 30 für eine Stromleitung über dem MTJ aufzubauen, da im letzteren Fall ein U-förmiges Profil mit der Oberseite nach unten hergestellt werden muss. Daher besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, dass nur eine ferromagnetische Ummantelung für die Stromleitung unter dem MTJ vorhanden ist. Dann kann die andere Stromleitung über dem MTJ vom Erfordernis des verkleinerten Magnetfelds aufgrund des statischen magnetischen Verschiebungsfelds 32 von der Stromleitung unter dem MTJ profitieren.

Die mindestens eine ferromagnetische Ummantelung 30 im erfindungsgemäßen magnetoresistiven Speicherelement 10 verfügt über magnetische Anisotropie entlang der Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitung 20, 22. Die magnetische Anisotropie kann durch eine Formanisotropie und/oder eine dem Material innewohnende Anisotropie realisiert sein. Es kann auch bevorzugt sein, wenn die ferromagnetische Ummantelung 30 segmentiert ist, mit Ausschnitten orthogonal zur Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitung 20, 22. In diesem Fall kann die Formanisotropie durch Segmente realisiert werden, von jedes über eine Länge verfügt, die größer als seine Weite ist, wobei die Länge die Abmessung des Segments in der Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitung 20, 22 ist und die Weite die Abmessung des Segments orthogonal zur Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitung 20, 22 ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Einrichtung zum Anlegen eines statischen magnetischen Verschiebungsfelds eine zusätzliche ferromagnetische Schicht des geschichteten magnetischen Tunnelübergangs. Eine derartige zusätzliche ferromagnetische Schicht kann an der Unterseite des geschichteten magnetischen Tunnelübergangs oder auch innerhalb des MTJ-Stapels positioniert sein. Unabhängig von der magnetischen Anisotropie der freien und der Referenzschicht des MTJ-Stapels, die dann, wenn adiabatische Drehung für den Schaltvorgang verwendet wird, typischerweise unter einem Winkel von ungefähr 45° relativ zur Waferoberfläche geneigt ist, auf der das Speicherelement ausgebildet ist, kann die Magnetisierung der zusätzlichen ferromagnetischen Schicht 30 zum Erzeugen eines statischen magnetischen Verschiebungsfelds 32 unter Verwendung der dem Material innewohnenden magnetischen Anisotropie in der Richtung der ersten oder zweiten Stromleitungen 20, 22 ausgerichtet werden.

Bei einer Ausführungsform verfügt die Erfindung ferner über einen Chip 36 eines magnetischen Direktzugriffsspeichers mit mehreren magnetischen Speicherelementen 10, wie sie oben beschrieben sind.

Bei einer Ausführungsform verfügt die Erfindung über einen Chip 36 eines magnetischen Direktzugriffsspeichers mit mehreren magnetischen Speicherelementen 10, von denen jedes einen magnetischen Tunnelübergang 12 mit einer ersten und einer zweiten magnetischen Schicht aus einem magnetischen Material aufweist, die in paralleler Übereinanderbeziehung aufgeschichtet und durch eine Schicht aus urimagnetischem Material getrennt sind, wobei die zweite magnetische Schicht mit einer magnetisch festen Magnetisierung versehen ist, während die erste magnetische Schicht mit einer freien Magnetisierung versehen ist, die zwischen derselben und der entgegengesetzten Richtung in Bezug auf die feste Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schicht frei geschaltet werden kann, wobei die freie Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht magnetisch mit einer ersten Stromleitung 20 und einer zweiten Stromleitung 22 gekoppelt ist, um diese freie Magnetisierung zu schalten. Ein derartiger erfindungsgemäßer Chip 36 eines magnetischen Direktzugriffsspeichers ist mit einer magnetischen Abschirmungsschicht in einem Chipgehäuse versehen, um ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld 40 in der Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitungen 20, 22 anzulegen. Ein derartiges statisches magnetisches Verschiebungsfeld 32 wird vorzugsweise so gewählt, dass es sich um ein magnetisches Dipolfeld handelt. Ferner ist es bevorzugt, dass das statische Magnetfeld in der Richtung nur der ersten oder zweiten Stromleitungen ausgerichtet ist.

Beim erfindungsgemäßen magnetoresistiven Speicherelement 10 können Schaltströme des magnetischen Speicherelements vorteilhafterweise dadurch verkleinert werden, dass ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld 32, 40 angelegt wird, das in der Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitungen 20, 22 ausgerichtet ist, während die Aktivierungsenergie zum Schalten der Speicherelemente 10 aufrecht erhalten oder sogar erhöht wird, so dass das Speichervermögen der Speicherelemente nicht beeinträchtigt wird oder sogar verbessert wird. Demgemäß kann eine Erhöhung von Schreibströmen beim Herunterskalieren von Speicherelementen vermieden werden, oder es kann sogar eine Absenkung von Schreibströmen erzielt werden. Wenn der Stoner-Wohlfahrt-Schaltvorgang zum Schalten der erfindungsgemäßen magnetoresistiven Speicherelemente 10 verwendet wird, sind die Schreibtoleranzen verkleinert. Alternativ sind Schreibfelder verkleinert, wenn adiabatische Rotation dazu verwendet wird, erfindungsgemäße magnetoresistive Speicherelemente 10 zu schalten. Demgemäß ist eine adiabatische Rotation zum Schalten der erfindungsgemäßen magnetoresistiven Speicherelemente 10 hoch bevorzugt.

Eine mit U-Form hergestellte ferromagnetische Ummantelung 30 kann auf die folgende Weise bearbeitet werden: Herstellen eines Grabens; Abscheiden eines Ummantelungsmaterials; Auffüllen des Grabens mit einem Fotoresist; Belichten mit einer Maske mit Linien, die orthogonal zur Richtung des Grabens verlaufen, um aus der ferromagnetischen Ummantelung diskrete Elemente zu bilden; Entwickeln des Fotoresists; Herausätzend es Ummantelungsmaterials in den Resistgräben; Entfernen des Fotoresists; Füllen der Gräben mit leitendem Material wie Kupfer.


Anspruch[de]
Magnetoresistives Speicherelement mit einem magnetischen Tunnelübergang mit einer ersten magnetischen Schicht und einer zweiten magnetischen Schicht aus einem magnetischen Material, die parallel übereinander geschichtet und durch eine Schicht aus unmagnetischem Material getrennt sind, wobei die zweite magnetische Schicht mit einer magnetisch fixierten Magnetisierung versehen ist, während die erste magnetische Schicht mit einer freien Magnetisierung versehen ist, die frei in Bezug auf die feste Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schicht zwischen der festen Magnetisierungsrichtung und der entgegengesetzten Richtung umgeschaltet werden kann, wobei die freie Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht magnetisch mit einer ersten und zweiten jeweils in eine erste und zweite Richtung laufenden Stromleitung gekoppelt ist, um die genannte freie Magnetisierung zu schalten, wobei sich die erste und zweite Stromleitung am Ort des Speicherelements kreuzen; dadurch gekennzeichnet, dass das magnetoresistive Speicherelement außerdem um die erste und/oder zweite Stromleitung mindestens eine ferromagnetische Ummantelung aus einem ferromagnetischen Material aufweist, die, wenn sie die erste Stromleitung ummantelt, dieser benachbart ist und durch magnetische Anisotropie in deren Richtung dem Speicherelement ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld anlegt, und, wenn sie die zweite Stromleitung ummantelt, dieser benachbart ist und durch magnetische Anisotropie in deren Richtung dem Speicherelement ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld anlegt. Magnetoresistives Speicherelement mit einem magnetischen Tunnelübergang mit einer ersten magnetischen Schicht und einer zweiten magnetischen Schicht aus einem magnetischen Material, die parallel übereinander geschichtet und durch eine Schicht aus unmagnetischem Material getrennt sind, wobei die zweite magnetische Schicht mit einer magnetisch fixierten Magnetisierung versehen ist, während die erste magnetische Schicht mit einer freien Magnetisierung versehen ist, die frei in Bezug auf die feste Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schicht zwischen der festen Magnetisierungsrichtung und der entgegengesetzten Richtung umgeschaltet werden kann, wobei die freie Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht magnetisch mit einer ersten und zweiten jeweils in eine erste und zweite Richtung laufenden Stromleitung gekoppelt ist, um die genannte freie Magnetisierung zu schalten, wobei sich die erste und zweite Stromleitung am Ort des Speicherelements kreuzen; dadurch gekennzeichnet, dass das magnetoresistive Speicherelement eine zusätzliche ferromagnetische Stapelschicht in dem geschichteten Stapel des magnetischen Tunnelübergangs aufweist, die ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld mittels einer dem Material der zusätzlichen ferromagnetischen Stapelschicht eigenen magnetischen Anisotropie erzeugt, deren Magnetisierung in der Richtung der ersten oder zweiten Stromleitung ausgerichtet ist. Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das statische magnetische Verschiebungsfeld ein nahezu homogenes Magnetfeld ist. Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das statische magnetische Verschiebungsfeld ein magnetisches Dipolfeld ist. Speicherelement nach Anspruch 1, bei dem die ferromagnetische Ummantelung mittels Ausschnitten im Wesentlichen orthogonal zur Richtung der jeweils ummantelten Stromleitung segmentiert ist. Speicherelement nach Anspruch 1, bei dem die ferromagnetische Ummantelung jeweils so positioniert ist, dass sie mit derjenigen Stromleitung in Kontakt steht, die sie ummantelt. Speicherelement nach Anspruch 1, bei dem die ferromagnetische Ummantelung so ausgebildet ist, dass sie über ein U-förmiges Querschnittsprofil verfügt. Chip eines magnetischen Direktzugriffsspeichers, mit mehreren magnetischen Speicherelementen in Übereinstimmung mit dem magnetoresistiven Speicherelement des Anspruchs 1 oder 2. Chip eines magnetischen Direktzugriffsspeichers, mit mehreren magnetoresistiven Speicherelementen, von denen jedes mit Folgendem versehen ist:

einem magnetischen Tunnelübergang mit einer ersten magnetischen Schicht und einer zweiten magnetischen Schicht aus einem magnetischen Material, die parallel übereinander geschichtet und durch eine Schicht aus unmagnetischem Material getrennt sind, wobei die zweite magnetische Schicht mit einer magnetisch fixierten Magnetisierung versehen ist, während die erste magnetische Schicht mit einer freien Magnetisierung versehen ist, die frei in Bezug auf die feste Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schicht zwischen der festen Magnetisierungsrichtung und der entgegengesetzten Richtung umgeschaltet werden kann, wobei die freie Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht magnetisch mit einer ersten und zweiten jeweils in eine erste und zweite Richtung laufenden Stromleitung gekoppelt ist, um die genannte freie Magnetisierung zu schalten, wobei sich die erste und zweite Stromleitung am Ort des Speicherelements kreuzen;

dadurch gekennzeichnet, dass

der Chip des magnetischen Direktzugriffsspeichers außerdem im Chipgehäuse eine magnetische Abschirmungsschicht aufweist,

die den magnetoresistiven Speicherelementen ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld in der Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitung anlegt.
Chip eines magnetischen Direktzugriffsspeichers nach Anspruch 9, bei dem das statische magnetische Verschiebungsfeld ein magnetisches Dipolfeld ist. Verfahren zum Herstellen eines Magnetspeichers mit magnetoresistiven Speicherelementen gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren zur Herstellung der ferromagnetischen Ummantelung mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnittsprofil um die erste und/oder zweite Stromleitung folgende Schritte beinhaltet:

– Herstellen von Gräben in einem Substrat in einer bestimmten Richtung;

– Abscheiden eines ferromagnetischen Ummantelungsmaterials mit magnetischer Anisotropie in die Gräben, wobei das Ummantelungsmaterial ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld in der Richtung der Gräben erzeugt;

– Auffüllen der Gräben mit einem Fotoresist;

– Belichten mit einer Maske mit Linien, die orthogonal zur Richtung der Gräben verlaufen, um aus der ferromagnetischen Ummantelung diskrete Elemente zu bilden;

– Entwickeln des Fotoresists;

– Herausätzen des Ummantelungsmaterials aus den entwickelten Fotoresiststrukturen;

– Entfernen des Fotoresists aus den Gräben; und

– Auffüllen der Gräben mit leitendem Material zur Bildung der ersten und/oder zweiten Stromleitung, so dass das Ummantelungsmaterial die jeweilige Stromleitung kontaktiert und diese U-förmig umgibt.






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