DE112013006117T5

DE112013006117T5 - Senkrechtes Spin-Transfer-Torque-Speicherbauelement (STTM-Bauelement) mit versetzten Zellen und Verfahren zu deren Ausbildung

Info

Publication number: DE112013006117T5
Application number: DE112013006117.1T
Authority: DE
Inventors: Brian S. Doyle; David L. Kencke; Charles C. Kuo; Uday Shah; Kaan Oguz; Mark L. Doczy; Satyarth Suri; Clair C. Webb
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2015-09-17
Also published as: GB2523933A; KR20170027867A; US20140329337A1; US9105839B2; TW201435868A; CN104813468A; US20150333252A1; US8786040B2; US20140175583A1; US9496486B2; TWI582765B; KR20150063513A; TWI525613B; TW201626381A; GB2523933B; GB201510574D0; WO2014098980A1; CN104813468B

Abstract

Es werden senkrechte Spin-Transfer-Torque-Speicherbauelemente (STTM-Bauelemente) mit versetzten Zellen und Verfahren zum Herstellen senkrechter STTM-Bauelemente mit versetzten Zellen beschrieben. Beispielsweise enthält ein Spin Torque Transfer-Speicherarray (STTM-Array) eine erste Lastleitung, die über einem Substrat angeordnet ist und nur ein erstes STTM-Bauelement besitzt. Das STTM-Array enthält auch eine zweite Lastleitung, die über dem Substrat bei der ersten Lastleitung angeordnet ist und nur ein zweites STTM-Bauelement besitzt, wobei das zweite STTM-Bauelement nicht koplanar zum ersten STTM-Bauelement ist.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Ausführungsformen der Erfindung befinden sich auf dem Gebiet von Speicherbauelementen und insbesondere von senkrechten Spin-Transfer-Speicherbauelementen(STTM)-Bauelementen mit versetzten Zellen und Verfahren zum Herstellen von senkrechten STTM-Bauelementen mit versetzten Zellen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Während der vergangenen Jahrzehnte war das Skalieren von Strukturmerkmalen in integrierten Schaltungen eine Antriebskraft hinter einer ständig wachsenden Halbleiterindustrie. Das Skalieren auf immer kleinere Strukturmerkmale ermöglicht größere Dichten von Funktionseinheiten auf der begrenzten Grundfläche von Halbleiterchips. Beispielsweise gestattet das Schrumpfen der Transistorgröße das Integrieren einer größeren Anzahl von Sensorbauelementen auf einem Chip, was zur Fabrikation von Produkten mit vergrößerter Kapazität führt. Der Drang nach immer mehr Kapazität ist jedoch nicht ohne Probleme. Die Notwendigkeit zum Optimieren der Leistung jedes Bauelements wird zunehmend signifikant.
Der Betrieb von Spin-Torque-Bauelementen basiert auf dem Phänomen des Spin-Transfer-Torque. Falls ein Strom von Elektronen durch eine Magnetisierungsschicht geschickt wird, die als die feste magnetische Schicht bezeichnet wird, tritt er spinpolarisiert wieder aus. Mit dem Passieren jedes qualifizierten Elektrons hinter dem Tunnelungsprozess durch die Dielektrikumsschicht beeinflusst sein Spin (der als „intrinsischer” Winkelmoment des Elektrons bezeichnet wird) die Magnetisierung in einer nächsten magnetischen Schicht, die als die freie magnetische Schicht bezeichnet wird, was eine kleine Änderung verursacht. Durch den Erhaltungssatz des Winkelmoments führt dies zu einer drehmomentverursachenden Präzession der Magnetisierung. Aufgrund der Reflexion von Elektronen wird ein Drehmoment auch auf die Magnetisierung einer assoziierten festen Magnetschicht ausgeübt, doch ist diese Schicht gepinnt. Falls der Strom einen gewissen kritischen Wert übersteigt (gegeben durch eine Dämpfung, die durch das magnetische Material und seine Umgebung bewirkt wird), wird schließlich die Richtung der Magnetisierung der freien magnetischen Schicht durch einen Stromimpuls von typischerweise weniger als etwa 10 Nanosekunden umgeschaltet. Die Magnetisierung der festen magnetischen Schicht sollte unverändert bleiben, da aufgrund der Geometrie oder aufgrund einer benachbarten anti-ferromagnetischen Schicht ein assoziierter Strom unter seinem Schwellwert liegt.
Ein Spin-Transfer-Torque kann verwendet werden, um die aktiven Elemente in einem magnetischen Direktzugriffsspeicher umzuklappen. Ein Spin-Transfer-Torque-Speicher oder STTM besitzt die Vorteile eines niedrigeren Stromverbrauchs und einer besseren Skalierbarkeit gegenüber einem herkömmlich magnetischen Direktzugriffsspeicher (MRAM), der Magnetfelder zum Umklappen der aktiven Elemente verwendet. Signifikante Verbesserungen werden jedoch auf dem Gebiet der Herstellung und Verwendung von STTM-Bauelementen immer noch benötigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine grafische Darstellung, die den Effekt auf das Magnetfeld infolge des Skalierens der Zellnähe in STTM-Arrays zeigt.
1B ist eine grafische Darstellung, die den Effekt auf einen erforderlichen Strom infolge des Skalierens der Zellnähe in STTM-Arrays zeigt.
2A zeigt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Arrays von senkrechten STTM-Bauelementen.
2B zeigt eine Querschnittsansicht eines gestaffelten oder versetzten Arrays von senkrechten STTM-Einrichtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3A–3I zeigen Querschnittsansichten von verschiedenen Operationen in einem Verfahren zum Herstellen eines Arrays von senkrechten STTM-Bauelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4A–4H zeigen Querschnittsansichten von verschiedenen Operationen in einem weiteren Verfahren zum Herstellen eines Arrays von senkrechten STTM-Bauelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Materialschichtstapels für ein senkrechtes Spin-Transfer-Torque-Speicherbauelement (STTM-Bauelement) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt ein Schemadiagramm einer Spin-Transfer-Torque-Speicherbitzelle, die ein Spin-Transfer-Torque-Element enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt ein Blockdiagramm eines Elektroniksystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine Recheneinrichtung gemäß einer Implementierung der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Senkrechte Spin-Transfer-Torque-Speicherbauelemente (STTM-Bauelemente) mit Offset-Zellen und Verfahren zum Herstellen senkrechter STTM-Bauelemente mit verbesserter Stabilität werden beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie etwa spezifische Magnetschichtintegrations- und Materialsysteme, um ein eingehendes Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen werden wohlbekannte Merkmale, wie etwa die Designlayouts von integrierten Schaltungen, nicht ausführlich beschrieben, um Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht unnötig zu verdunkeln. Zudem ist zu verstehen, dass die in den Figuren gezeigten verschiedenen Ausführungsformen veranschaulichende Darstellungen sind und sie nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Eine oder mehrere hierin beschriebene Ausführungsformen betreffen versetzte Speicherbauelemente zum Skalieren von senkrechten STTM-Systemen. Zu Anwendungen können die Verwendung in einem eingebetteten Speicher, einem eingebetteten nichtflüchtigen Speicher (NVM Non-Volatile Memory), einem magnetischen Direktzugriffsspeicher (MRAM – Magnetic Random Access Memory), Bauelementen mit magnetischem Tunnelkontakt (MTJ – Magnetic Tunnel Junction), NVM, senkrechtem MTJ, STTM und nicht-eingebetteten oder unabhängigen Speichern zählen. Bei einer Ausführungsform wird die Stabilität bei senkrechten STTM-Bauelementen durch vertikales Staffeln benachbarter Zellen in einem Array von STTM-Bauelementen erzielt, wie unten ausführlicher beschrieben.
Eine oder mehrere Ausführungsformen betreffen Ansätze zum Verhindern oder Mildern eines „Nebensprechens” wie etwa von Randfeldern in STTM-Arrays und zusätzlich zum Vergrößern der Packdichte für solche Arrays. Während STTMs auf immer kleinere Abmessungen skaliert werden, wird die Beabstandung zwischen den individuellen Speicherzellen typischerweise ebenfalls im Gleichschritt skaliert. An einem gewissen Punkt (z. B. an einem gewissen Technologieknoten) wird die Beabstandung zwischen Zellen so klein, dass die magnetischen Randfelder von einem Speicherbauelement das Verhalten seines Nachbarn beeinflussen können, was reduzierte Lebensdauer und erhöhte Schaltstromschwellwerte verursacht.
Als ein Beispiel sind die 1A und 1B Kurven 100A bzw. 100B, die die Effekte auf das Magnetfeld bzw. den erforderlichen Strom als Ergebnis des Skalieren der Zellnähe in STTM-Arrays zeigen. Insbesondere korrelieren die Kurven 100A und 100B Magnetfelder (H_disturb; das auch eine Anzeige der Stabilität der Zelle ist – je stärker H_disturb, umso stabiler ist die Zelle) oder den erforderlichen Kontaktstrom (wobei J_C die kritische Stromdichte zum Schalten des Bauelements) ist, als Funktion der Zellbeabstandung (Δd in Nanometern) für drei benachbarte Zellen. Unter Bezugnahme auf die Kurven 100A und 100B werden bei abnehmendem Δd (von rechts nach links) die Eigenschaften der zentralen „Opferzelle” B durch die Magnetfelder von Agressorzellen A und C beeinflusst. Falls die Opferzelle B antiparallel mit den Zellen A und C ausgerichtet ist (wie dies der Fall bei den oberen Arrays 102A bzw. 102B ist), wird es schwieriger, die Zelle umzuklappen und auch schwieriger, in sie zu schreiben, da Δd verkleinert ist. Falls die Opferzelle B parallel zu den Zellen A und C ausgerichtet ist (wie dies der Fall der unteren Arrays 104A bzw. 104B ist), wird es leichter, die Zelle umzuklappen und auch leichter, in sie zu schreiben, da Δd reduziert ist, und folglich weniger stabil.
Die in den Kurven 100A und 100B dargestellten Phänomene veranschaulichen ein in der Technik noch nicht behandeltes Problem. Ein Ansatz könnte darin bestehen, die Größe jeder Speicherzelle zu schrumpfen, so dass der Abstand zwischen den Kanten benachbarter Elemente schrumpft. Das Schrumpfen der Größe reduziert jedoch die Stabilität, da die Stabilität mit dem Volumen des Elements abnimmt.
Um relevante Fragen strukturell zu demonstrieren, veranschaulicht 2A eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Arrays von senkrechten STTM-Bauelementen, während 2B eine Querschnittsansicht eines gestaffelten oder versetzten Arrays von senkrechten STTM-Bauelementen veranschaulicht, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 2A ist ein herkömmliches Array 200A von senkrechten STTM-Bauelementen 202A, 204A, 206A und 208A, als Beispiel, über einer unteren Elektrode 210A angeordnet. Die senkrechten STTM-Bauelemente 202A, 204A, 206A und 208A sind durch Lastleitungen 212A an die untere Elektrode 210A gekoppelt (es versteht sich, dass zwar der Einfachheit halber als einfache Elektrode dargestellt, es zu verstehen ist, dass jedes Bauelement an seinen eigenen entsprechenden Transistor gekoppelt ist, um eine 1T-1STTM-Zelle zu bilden). Jedes senkrechte STTM-Bauelement 202A, 204A, 206A und 208A enthält eine feste Magnetschicht 214A, eine Tunneloxidschicht 216A und eine freie Magnetschicht 218A. Weiterhin sind die senkrechten SSTM-Bauelemente 202A, 204A, 206A und 208A alle in der gleichen Ebene ausgebildet (wie etwa auf einem gleichen Back-End-Interconnect-Level einer integrierten Schaltung), wobei beispielhafte Abstände zwischen Bauelementen etwa 10 Nanometer betragen, die Bauelementbreiten etwa 40 Nanometer und die Abstände Lastleitung zu Lastleitung (effektiv Teilung) von etwa 50 Nanometern. In der Anordnung 200A kann ein starkes Randfeld die Leistung von benachbarten Bauelementen stören, wie in 2A dargestellt, da die Beabstandung nur etwa 10 Nanometer beträgt.
Im Gegensatz dazu ist unter Bezugnahme auf 2B ein herkömmliches Array 200B von senkrechten STTM-Bauelementen 202B, 204B, 206B und 208B, als Beispiel, über einer unteren Elektrode 210B angeordnet. Die senkrechten STTM-Bauelemente 202B, 204B, 206B und 208B sind durch Lastleitungen 212B an die untere Elektrode 210B gekoppelt (es versteht sich, dass zwar der Einfachheit halber als einfache Elektrode dargestellt, es zu verstehen ist, dass jedes Bauelement an seinen eigenen entsprechenden Transistor gekoppelt ist, um eine 1T-1STTM-Zelle zu bilden). Jedes senkrechte STTM-Bauelement 202B, 204B, 206B und 208B enthält eine feste Magnetschicht 214B, eine Tunneloxidschicht 216B und eine freie Magnetschicht 218B. Im Unterschied zu Array 200A jedoch sind die senkrechten STTM-Bauelemente 202B, 204B, 206B und 208B in zwei verschiedenen Ebenen ausgebildet, wobei benachbarte Bauelemente nicht koplanar sind. Beispielhafte Abstände zwischen Bauelementen für einen Arrayknoten vergleichbar mit 200A bleiben bei 10 Nanometern. Mit einer Bauelementbreite von etwa 40 Nanometern beträgt jedoch die Beabstandung zwischen koplanaren Bauelementen (z. B. sind 202B und 206B koplanar, während 204B und 208B koplanar sind) ungefähr 60 Nanometer. Die beispielhaften Abstände Lastleitung zu Lastleitung (effektiv Teilung) von koplanaren Bauelementen beträgt somit ungefähr 100 Nanometer. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die Höhe des Versatzes zwischen benachbarten Bauelementen etwa 100 Nanometer. In der Anordnung 200B kann sowohl ein Randfeld zwischen koplanaren Bauelementen (z. B. zwischen Bauelementen 204B und 208B) und ein Randfeld zwischen benachbarten Bauelementen (z. B. zwischen Bauelementen 202B und 204B) existieren, wie in 2B dargestellt. Da jedoch die Randfelder zwischen versetzten benachbarten Bauelementen oder zwischen nicht-benachbarten koplanaren Bauelementen vorliegen, sind die Randfelder, falls überhaupt, relativ schwach. Da die Randfelder schwach sind, können Instabilitäten und/oder Umschaltstromprobleme weitgehend eliminiert werden.
Zudem können beim Herstellen des Arrays 200B Lithographiebeschränkungen reduziert werden, wie unten in Verbindung mit veranschaulichenden Fabrikationsschemata ausführlicher beschrieben, obwohl die Dichte der Bauelemente innerhalb des Arrays 200B die gleiche ist wie für das Array 200A. Beispielsweise wird der Abstand zwischen zwei Strukturmerkmalen mit Mindestabstand als etwa 50 Nanometer für das Array 200A angenommen. Mit einem Skalierfaktor zwischen Generationen von 0,7X können für das Layout des Arrays 200B (gleiche Speicherdichte 200A) die Zellen mit zweimal größeren Mindeststrukturmerkmallängen oder Lithographiebeschränkungen von einer zwei Generationen älteren Technologie entworfen werden. Das heißt, das Array 200A erfordert eine 2F-Strukturierung, während das Array 200B nur eine 4F-Strukturierung erfordert. Bei den Problemen, denen sich die Lithographie gegenüber sieht, führt die Fabrikation solcher Arrays wie etwa Array 200B zu stark gesenkten Kosten für diesen Ansatz trotz der Notwendigkeit zum Strukturieren auf zwei dielektrischen Schichten, ein unten ausführlicher beschriebener Kompromiss. Bei einer Ausführungsform ist es mit einer Zunahme beim Abstand zwischen Speicherzellen im Array 200B gegenüber 200A möglich, einen Teil des Abstands zwischen Speicherzellen für eine größere Dichte einzutauschen. Das heißt, das Vergrößern der Dichte kann durch Reduzierung der Strukturmerkmalsgröße von 4F (z. B. in 3A–3I beschriebener Prozess) auf 3F (z. B. in 4A–4H beschriebener Prozess) erzielt werden, während ein relativ großer Abstand zwischen Speicherzellen beibehalten wird (z. B. etwa 35 Nanometer für ein versetztes Array gegenüber 10 Nanometern für ein konventionelles Array). Ein derartiger Ansatz vergrößert effektiv die Dichte über koplanaren Arrays um 50%, während er immer noch von reduzierten Randfeldern profitiert.
Bezüglich Fabrikationsschemata werden unten zwei veranschaulichende Beispiele vorgelegt. Bei einem Beispiel, das einen strengen Lithographieansatz verwendet, veranschaulichen die 3A–3I Querschnittsansichten verschiedener Operationen in einem Verfahren zum Herstellen eines Arrays von senkrechten STTM-Bauelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem Beispiel, das einen entspannteren Lithographieansatz verwendet, veranschaulichen die 4A–4H Querschnittsansichten verschiedener Operationen bei einem anderen Verfahren zum Herstellen eines Arrays von senkrechten STTM-Bauelementen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Für jedes Schema geeignete spezifische Materialien werden unten in Verbindung mit 5 beschrieben.
Bei einem aggressiven Lithographieansatz enthält unter Bezugnahme auf 3A ein Materialstapel 306 zum Ausbilden eines magnetischen Tunnelkontakts (MTJ) eine feste Magnetschicht 308, eine Tunneloxidschicht 310 und eine freie Magnetschicht 312. Der Materialstapel 306 wird über mehreren Lastleitungen 302 ausgebildet, die über einer unteren Elektrode 300 ausgebildet sind (die über einem nicht gezeigten Substrat ausgebildet sein können; es versteht sich, dass zwar der Einfachheit halber als einfache Elektrode dargestellt, es zu verstehen ist, dass jedes Bauelement an seinen eigenen entsprechenden Transistor gekoppelt ist, um eine 1T-1STTM-Zelle zu bilden). Eine Zwischen-Dielektrikumsschicht 304 kann zwischen Lastleitungen 302 enthalten sein, wie in 3A dargestellt. Unter Bezugnahme auf 3B wird der Materialstapel 306 strukturiert (z. B. durch Lithographie und Ätzbearbeitung), um individuelle MTJs 306A und 306B bereitzustellen. Es wird eine zusätzliche Zwischenschicht-Dielektrikumsschicht 314 auf den individuellen MTJs 306A and 306B gebildet, wie in 3C gezeigt. Unter Bezugnahme auf 3D werden Via-Erweiterungen 316 in der Zwischenschicht-Dielektrikumsschicht 314 ausgebildet, um jede zweite Lastleitung der mehreren Lastleitungen 302 zu koppeln. Es versteht sich, dass, da die letzten Lastleitungen zwischen individuellen MTJs 306A und 306B somit in zwei verschiedenen Strukturierungsoperationen ausgebildet werden, eine Fehlausrichtung auftreten kann, z. B. beim Gebiet 318. Zusätzliche Vias 320 können dann in der Zwischenschicht-Dielektrikumsschicht 314 abwechselnd mit Via-Erweiterungen 316 und an individuelle MTJs 306A und 306B gekoppelt, ausgebildet werden, wie in 3E dargestellt. Unter Bezugnahme auf 3F wird ein zweiter Materialstapel 322 zum Ausbilden von MTJs auf den Via-Erweiterungen 316 und Vias 320 ausgebildet. Der zweite Materialstapel 322 enthält eine feste Magnetschicht 324, eine Tunneloxidschicht 326 und eine freie Magnetschicht 328. Unter Bezugnahme auf 3G wird der Materialstapel 322 strukturiert (z. B. durch Lithographie und Ätzbearbeitung), um individuelle MTJs 322A und 322B bereitzustellen. Eine zusätzliche Zwischenschicht-Dielektrikumsschicht 324 wird auf den individuellen MTJs 322A und 322B ausgebildet, wie in 3H dargestellt. Unter Bezugnahme auf 3I werden Via-Erweiterungen 326 in der Zwischenschicht-Dielektrikumsschicht 324 ausgebildet, um die individuellen MTJs 322A und 322B oder die Vias 318 zu koppeln. Es versteht sich, dass, da die letzten Lastleitungen zwischen individuellen MTJs 306A und 306B somit in zwei verschiedenen Strukturierungsoperationen ausgebildet werden, eine Fehlausrichtung auftreten kann, z. B. beim Gebiet 328.
Bei einem gelockerten Lithographieansatz enthält unter Bezugnahme auf 4A ein Materialstapel 406 zum Ausbilden eines magnetischen Tunnelkontakts (MTJ) eine feste Magnetschicht 408, eine Tunneloxidschicht 410 und eine freie Magnetschicht 412. Der Materialstapel 406 wird über mehreren Lastleitungen 402 ausgebildet, die über einer unteren Elektrode 400 ausgebildet sind (die über einem nicht gezeigten Substrat ausgebildet sein können; es versteht sich, dass zwar der Einfachheit halber als einfache Elektrode dargestellt, es zu verstehen ist, dass jedes Bauelement an seinen eigenen entsprechenden Transistor gekoppelt ist, um eine 1T-1STTM-Zelle zu bilden). Eine Zwischen-Dielektrikumsschicht 404 kann zwischen Lastleitungen 402 enthalten sein, wie in 4A dargestellt. Unter Bezugnahme auf 4B wird der Materialstapel 406 strukturiert (z. B. durch Lithographie und Ätzbearbeitung), um individuelle MTJs 406A und 406B bereitzustellen. Eine zusätzliche Zwischenschicht-Dielektrikumsschicht 414 wird auf den individuellen MTJs 406A und 406B ausgebildet, wie in 4C dargestellt. Unter Bezugnahme auf 4D werden zusätzliche Lastleitungen 416 in den Zwischenschicht-Dielektrikumsschichten 414 und 404 ausgebildet, um an die untere Elektrode 400 zu koppeln. Unter Bezugnahme auf 4E wird ein zweiter Materialstapel 422 zum Ausbilden von MTJs auf den Lastleitungen 416 ausgebildet. Der zweite Materialstapel 422 enthält eine feste Magnetschicht 424, eine Tunneloxidschicht 426 und eine freie Magnetschicht 428. Unter Bezugnahme auf 4F wird der Materialstapel 422 strukturiert (z. B. durch Lithographie und Ätzbearbeitung), um individuelle MTJs 422A und 422B bereitzustellen. Eine zusätzliche Zwischenschicht-Dielektrikumsschicht 424 wird auf den individuellen MTJs 422A und 422B ausgebildet, wie in 4G dargestellt. Unter Bezugnahme auf 4H werden Vias 426 in der Zwischenschicht-Dielektrikumsschicht 424 ausgebildet, um an die individuellen MTJs 422A und 422B sowie die individuellen MTJs 406A und 406B zu koppeln.
Es versteht sich, dass ein gestaffeltes oder versetztes Array von einer Klasse von Speicherzellen auf der Basis eines Multi-Level-Speichers unterschieden werden muss. Bei einem Multilevelspeicher befindet sich mehr als ein Bauelement auf jeder Lastleitung. Bei einer beispielhaften herkömmlichen Implementierung wirken zwei verschiedene, vertikal angeordnete magnetische Kontakte als eine einzelne Zelle für eine einzelne Lastleitung wobei vier verschiedene Widerstandswerte (0,0–0,1–1,0–1,1) die Anordnung eines Multilevelspeichers wiedergeben. Eine derartige Zelle mindert jedoch nicht die Randfelder, da sie dicht beieinander gepackt sind. Ganz besonders wichtig leidet ein derartiger Multilevelspeicher unter der Schwierigkeit, die vier verschiedenen Widerstandswerte zu trennen (da der Unterschied zwischen dem H (Hoch) und L (Niedrig) einer einzelnen Zelle nicht viel größer ist als 2X). Im Gegensatz dazu enthalten hierin beschriebene Ausführungsformen nur ein Bauelement auf jeder Lastleitung, wobei benachbarte Bauelemente voneinander gestaffelt sind.
Weiterhin ist die Stabilität jeder individuellen Zelle innerhalb einer versetzten Anordnung, wie beschrieben, ein zusätzliches wichtiges Problem für das Skalieren von STTM-basierten Bauelementen und daraus hergestellten Speicherarrays. Mit fortgesetzter Skalierung hat die Notwendigkeit, dass kleinere Speicherelemente in eine skalierte Zellgröße passen, die Industrie in der Richtung senkrechter STTMs angetrieben, die höhere Stabilität für geringere Speicherelementgrößen besitzen. Bei einer Ausführungsform werden individuelle STTM-Zellen zur Verwendung in den oben beschriebenen versetzten Anordnungen unter Verwendung einer Grenzschichtabstimmung hergestellt, um ein maximales Ausmaß an senkrechter Festigkeit und somit Stabilität aus einem Materialstapel, der Magnetschichten enthält, herzuleiten.
Als Grundlage zum Veranschaulichen von Ansätzen zur senkrechten Stabilität innerhalb eines versetzten Arrays von senkrechten Zellen veranschaulicht 5 eine Querschnittsansicht eines Materialstapels für ein senkrechtes STTM-Bauelement (STTM – Spin Transfer Torque Memory) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 5 enthält ein Materialschichtstapel 500 für ein senkrechtes STTM-Bauelement eine untere Elektrode 502, eine feste Magnetschicht 506, eine Dielektrikumsschicht 508, eine freie Magnetschicht 510 und eine obere Elektrode 512. Ein magnetischer Tunnelkontaktabschnitt (MTJ) des Materialschichtstapels 500 enthält die feste Magnetschicht 506, die Dielektrikumsschicht 508 und die freie Magnetschicht 510. Der Materialstapel 500 ist ein Basismaterialstapel zum Herstellen senkrechter STTMs und kann mit größerer Komplexität hergestellt werden. Wenngleich im Stapel 500 nicht gezeigt, kann beispielsweise eine anti-ferromagnetische Schicht ebenfalls an Position 504 enthalten sein, d. h. zwischen der unteren Elektrode 502 und der festen Magnetschicht 506. Außerdem können die Elektroden 502 und 512 selbst mehrere Schichten aus Material mit unterschiedlichen Eigenschaften enthalten. Der in 5 gezeigte Materialstapel kann in seiner grundlegendsten Form ein senkrechtes System sein, wobei Spins der Magnetschicht 506 und 510 senkrecht zur Ebene der Schichten selber liegen, wie in 5 durch 520 dargestellt.
Ohne weitere Technik ist der Materialstapel 500 von 5 typischerweise ein in einer Ebene liegendes Spin-System. Mit Schicht- oder Grenzschichtentechnik jedoch kann der Materialstapel so hergestellt werden, dass er ein senkrechtes Spin-System bereitstellt. In einem ersten Beispiel wird wieder unter Bezugnahme auf die Strukturmerkmale des Materialstapels 500 als Plattform eine freie Magnetschicht 510, z. B. eine aus CoFeB bestehende freie Magnetschicht, bis zu einer herkömmlichen Dicke, die für in einer Ebene liegende STTM-Bauelemente verwendet wird, gedünnt. Das Ausmaß des Dünnens kann ausreichend sein, so dass eine senkrechte Komponente, die aus dem Eisen (Fe) in der Schicht 510 erhalten wird, das mit Sauerstoff in der dielektrischen Schicht 508 interagiert (z. B. mit einer Magnesiumoxidschicht(MgO)-Schicht 108 an der Grenzschicht 1 von 5 interagiert) über der in einer Ebene liegenden Komponente der freien CoFeB-Schicht 510 dominiert. Dieses Beispiel liefert ein senkrechtes System auf der Basis eines Einschichtensystems des Koppeln an eine Grenzschicht der freien Schicht (d. h. die CoFeB-MgO-Grenzschicht). Der Oxidationsgrad von Oberflächeneisenatomen (Fe) in der CoFeB-Schicht durch Sauerstoff von der MgO-Schicht liefert die Festigkeit (Stabilität) der freien Schicht, so dass sie senkrecht dominierte Spin-Zustände besitzt. In diesem Beispiel bestehen die Elektroden 502 und 512 aus einem einzelnen Metall wie etwa Tantal (Ta).
In einem zweiten Beispiel wird wieder unter Bezugnahme auf die Strukturmerkmale des Materialstapels 500 als Plattform die obere Elektrode 512 durch eine mehrschichtige Stapelelektrode aus abwechselnden magnetischen (z. B. Kobalt (Co)) und nichtmagnetischen Schichten (z. B. Palladium (Pd)) ersetzt. Ein derartiges mehrschichtiges Schema sieht vor, dass jede magnetische Dünnfilmschicht (Co) eine Grenzfläche besitzt, die in Spin-Richtung senkrecht liegt. Die finale (untere) Co-Schicht in diesem Stapel, z. B. die Co-Schicht, die sich auf der freien Schicht 510 befindet und die Grenzfläche 2 bildet, koppelt magnetisch an die darunterliegende freie CoFeB-Schicht 510. Die Summe aller der Grenzflächen (beginnend mit Grenzfläche 2) in der Elektrode 512 mit abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen Schichten in der vollen freien Schicht und möglicherweise zusätzlich zur Grenzfläche 1 macht die Stabilität für das Material der freien Schicht 510 senkrecht. Das heißt, für dieses zweite Beispiel beinhalten die Stabilitätstreiber für ein senkrechtes Spin-Bauelement eine Kombination der MgO-Kopplung des ersten Beispiels (d. h. von Grenzfläche 1), wie zuvor beschrieben, plus ein zusätzliches Koppeln der Grenzfläche 2 der freien Schicht 510 an einen oberen senkrechten Magneten.
In einem dritten Beispiel wird wieder unter Bezugnahme auf die Strukturmerkmale des Materialstapels 500 als Plattform eine Struktur ähnlich dem ersten Beispiel bereitgestellt. Jedoch wird zu dem in 5 gezeigten Stapel an Position 530 eine zusätzliche tunnelnde Barrierenfilterschicht (z. B. eine zweite MgO-Schicht) hinzugefügt. Die Aufnahme einer zweiten MgO-Schicht gestattet, dass Sauerstoff von einer derartigen oberen MgO-Schicht mit dem Fe in der Oberseite der freien CoFeB-Schicht 510 interagiert (z. B. oxidiert), wodurch die Stabilität der Zelle gegenüber dem ersten Beispiel praktisch verdoppelt wird. So attraktiv wie dieser Ansatz jedoch ist, kann es einen Kompromiss mit dem Zusatz einer zweiten MgO-Schicht im Stapel 500 geben. Eine derartige zweite MgO-Schicht ist nämlich in Realität ein dünner dielektrischer Film, der den Widerstandswert des Stapels erheblich erhöhen kann. Der Widerstandswert kann bis zu dem Punkt zunehmen, dass er die Fähigkeit zum Detektieren des Unterschieds zwischen einem „1”-Zustand und einem „0”-Zustand stört, wobei das Detektieren unten ausführlicher beschrieben wird.
Wieder unter Bezugnahme auf 5 besteht in einer Ausführungsform die feste Magnetschicht 506 aus einem Material oder Stapel von Materialien, die sich zum Aufrechterhalten eines festen Majority-Spin eignen. Somit kann die feste Magnetschicht 506 (oder Referenzschicht) als eine ferromagnetische Schicht bezeichnet werden. Bei einer Ausführungsform besteht die feste Magnetschicht 506 aus einer einzelnen Schicht aus Kobalt-Eisenborid (CoFeB). Bei einer anderen Ausführungsform jedoch besteht die feste Magnetschicht 506 aus einem Stapel aus einer Schicht aus Kobalt-Eisenborid (CoFeB), einer Schicht aus Ruthenium (Ru) und einer Schicht aus Kobalt-Eisenborid (CoFeB). Bei einer spezifischen derartigen Ausführungsform liegt die feste Magnetschicht in Form eines synthetischen Antiferromagneten (SAF – Synthetic Antiferro Magnet) vor. Aus einer Perspektive von oben nach unten ist der Stapel ein CoFeB/Ru/CoFe-Stapel (z. B. kein Bor in der unteren Schicht, kann aber in anderen Ausführungsformen vorliegen.). Es versteht sich, dass die Ru-Dicke sehr spezifisch ist, zum Beispiel 8–9 Angstrom, so dass das Koppeln zwischen dem CoFeB und dem CoFe anti-ferromagnetisch ist; sie zeigen in entgegengesetzte Richtungen.
Wieder unter Bezugnahme auf 5 besteht in einer Ausführungsform die Dielektrikumsschicht 508 aus einem Material, das sich dafür eignet zu gestatten, dass Strom mit einem Majority-Spin durch die Schicht fließt, während zumindest in einem gewissen Ausmaß verhindert wird, dass Strom mit einem Minority-Spin durch die Schicht fließt. Somit kann die Dielektrikumsschicht 508 (oder Spin-Filterschicht) als eine Tunnelungsschicht bezeichnet werden. Bei einer Ausführungsform besteht die Dielektrikumsschicht 508 aus einem Material wie etwa unter anderem Magnesiumoxid (MgO) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃). Bei einer Ausführungsform besitzt die Dielektrikumsschicht 508 eine Dicke von etwa 1 Nanometer.
Wieder unter Bezugnahme auf 5 besteht in einer Ausführungsform die freie Magnetschicht 510 aus einem Material, das sich je nach der Anwendung für den Übergang zwischen einem Majority-Spin und einem Minority-Spin eignet. Somit kann die freie Magnetschicht 510 (oder Speicherschicht) als eine ferromagnetische Speicherschicht bezeichnet werden. Bei einer Ausführungsform besteht die freie Magnetschicht 510 aus einer Schicht aus Kobalt-Eisen (CoFe) oder Kobalt-Eisenborid (CoFeB).
Wieder unter Bezugnahme auf 5 besteht in einer Ausführungsform die untere Elektrode 502 aus einem Material oder einem Stapel von Materialien, die sich zum elektrischen Kontaktieren der Seite der festen Magnetschicht eines STTM-Bauelements eignen. Bei einer Ausführungsform ist die untere Elektrode 502 eine topografisch glatte Elektrode. Bei einer derartigen Ausführungsform besitzt die untere Elektrode 502 eine Dicke, die sich für gute Leitfähigkeit eignet, aber wenig bis keine säulenförmige Strukturformation besitzt, die ansonsten zu einer rauen oberen Oberfläche führen würde. Eine derartige topografisch glatte Elektrode kann als von der Struktur her amorph bezeichnet werden. Bei einer spezifischen Ausführungsform besteht die untere Elektrode aus Ru-Schichten, die mit Ta-Schichten verschachtelt sind. Effektiv ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die untere Elektrode 502 möglicherweise keine herkömmliche dicke Einmetallelektrode wie etwa eine Ru-Elektrode, sondern ist stattdessen ein Stapel aus verschachtelten Ru/Ta-Materialien. Bei alternativen Ausführungsformen jedoch ist die untere Elektrode 502 eine herkömmliche dicke Einmetallelektrode wie etwa eine Ru-Elektrode.
Bei einer Ausführungsform besteht die obere Elektrode 512 aus einem Material oder Stapel von Materialien, die sich zum elektrischen Kontaktieren der Seite der freien Magnetschicht eines STTM-Bauelements eignen. Bei einer Ausführungsform besteht die obere Elektrode 512 aus einem Stapel aus einer Schicht aus Ruthenium (Ru) und einer Kontaktmetallschicht. Die Rutheniumschicht kann enthalten sein, um die Sauerstoffmigration in die freie Magnetschicht 510 zu verhindern. Die Metallkontaktschicht kann einen niederohmigen Weg für die Leitung des Stroms bereitstellen und kann aus einem Material wie etwa unter anderem Kupfer, Aluminium, Nickel und Kobalt bestehen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die obere Elektrode 512 im Wesentlichen aus dem gleichen Materialstapel wie die untere Elektrode 502 bestehen, zum Beispiel als ein verschachtelter und amorpher dicker leitender Stapel.
Wieder unter Bezugnahme auf 5 besteht in einer Ausführungsform, falls enthalten, die antiferromagnetische Schicht 504 aus einem Material, das sich eignet, um das Fixieren des Spins in einer benachbarten festen Magnetschicht wie etwa der festen Magnetschicht 506 zu erleichtern. Bei einer Ausführungsform besteht die antiferromagnetische Schicht 504 aus einem Material wie etwa unter anderem Iridium-Mangan (IrMn) oder Platin-Mangan (PtMn).
Bei einer Ausführungsform, wie später in Verbindung mit 6 in zusätzlichem Detail beschrieben, enthält ein nichtflüchtiges Speicherbauelement eine erste Elektrode und eine über der ersten Elektrode angeordnete feste Magnetschicht. Die freie Magnetschicht ist über der festen Magnetschicht angeordnet, und eine zweite Elektrode ist über der freien Magnetschicht angeordnet. Eine Dielektrikumsschicht ist zwischen der freien Magnetschicht und der festen Magnetschicht angeordnet. Die zweite Elektrode befindet sich bei der freien Magnetschicht. Das nichtflüchtige Speicherbauelement enthält auch einen Transistor, der elektrisch mit der Elektrode, einer Sourceleitung und einer Wortleitung der freien Magnetschicht verbunden ist. Bei einer Ausführungsform enthält das nichtflüchtige Speicherbauelement weiterhin eine antiferromagnetische Schicht, die zwischen der festen Magnetschicht und der ersten Elektrode angeordnet ist.
In gewissen Aspekten und mindestens einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzen gewisse Ausdrücke gewisse definierbare Bedeutungen. Beispielsweise ist eine „freie” Magnetschicht eine Magnetschicht, die eine Rechenvariable speichert. Eine „feste” Magnetschicht ist eine Magnetschicht mit einer permanenten Magnetisierung. Eine Tunnelungsbarriere wie etwa ein Tunnelungsdielektrikum oder ein Tunnelungsoxid, ist eine, die zwischen freien und festen Magnetschichten liegt. Eine feste Magnetschicht kann strukturiert sein, um Eingaben und Ausgaben zu einer assoziierten Schaltung herzustellen. Die Magnetisierung kann durch einen Spin-Transfer-Torque-Effekt geschrieben werden, während ein Strom durch die Eingangselektroden geschickt wird. Die Magnetisierung kann über den Tunnelungsmagnetowiderstandseffekt gelesen werden, während eine Spannung an die Ausgangselektroden angelegt wird. Bei einer Ausführungsform besteht die Rolle der Dielektrikumsschicht 508 darin, ein großes Magnetowiderstandsverhältnis zu bewirken. Der Magnetowiderstand ist das Verhältnis der Differenz zwischen Widerstandswerten, wenn zwei ferromagnetische Schichten antiparallele und parallele Magnetisierung besitzen, und den Widerstandswert des Zustands mit der parallelen Magnetisierung.
Wieder unter Bezugnahme auf 5 ist der Abschnitt des Spin-Transfer-Torque-Elements 500, das die freie Magnetschicht 510, die Tunnelungsbarrierenschicht 508 und die feste Magnetschicht 506 enthält, als ein MTJ (Magnetic Tunneling Junction) bekannt. Die freie Magnetschicht 510 und die feste Magnetschicht 506 können ferromagnetische Schichten sein, die ein Magnetfeld oder eine Polarisation halten können. Die feste Magnetschicht 506 ist jedoch so konfiguriert, dass sie den Majority-Spin-Zustand hält (zum Beispiel als Spin-Up für einen senkrechten Spin-Zustand dargestellt). Die Tunnelungsbarrierenschicht 508, die die freie Magnetschicht 510 und die feste Magnetschicht 506 trennt, kann eine Dicke, z. B. einen Abstand zwischen der freien Magnetschicht 510 und der festen Magnetschicht 506, von etwa 1 Nanometer oder weniger besitzen, so dass Elektronen dort hindurch tunneln können, falls zwischen der Elektrode 512 der freien Magnetschicht und der Elektrode 502 der festen Magnetschicht eine Vorspannung angelegt wird.
Bei einer Ausführungsform funktioniert die MTJ im Wesentlichen als ein Widerstand, wobei der Widerstandswert eines elektrischen Wegs durch die MTJ in zwei resistiven Zuständen, entweder „H” (Hoch) oder „L” (Niedrig), vorliegen kann, je nach den relativen Richtungen oder Orientierungen der Magnetisierung in der freien Magnetschicht 510 und in der festen Magnetschicht 506. Unter Bezugnahme auf 5 existiert in dem Fall, dass die Spin-Richtung zu dem Down (Minority) in der freien Magnetschicht 510 ist, ein hoher resistiver Zustand, wobei die Richtung der Magnetisierung in der freien Magnetschicht 510 und der festen Magnetschicht 506 zueinander im Wesentlichen entgegengesetzt oder antiparallel sind. Wieder unter Bezugnahme auf 5 existiert in dem Fall, dass die Spin-Richtung Up (Majority) in der freien Magnetschicht 510 ist, ein niedrig-resistiver Zustand, wobei die Richtung der Magnetisierung in der freien Magnetschicht 510 und der festen Magnetschicht 506 im Wesentlichen zueinander ausgerichtet oder parallel sind. Es versteht sich, dass die Ausdrücke „L” und „H” bezüglich des resistiven Zustands der MTJ relativ zueinander sind. Mit anderen Worten ist der hohe resistive Zustand lediglich ein detektierbar höherer Widerstandswert als der niedrige resistive Zustand und umgekehrt. Mit einer detektierbaren Differenz beim Widerstandswert können die niedrigen und hohen resistiven Zustände somit verschiedene Informationsbits darstellen (d. h. eine „0” oder eine „1”).
Die Richtung der Magnetisierung in der freien Magnetschicht 510 kann durch einen als Spin-Transfer-Torque („STT”) oder einen S-polarisierten Strom umgeschaltet werden. Ein elektrischer Strom ist allgemein unpolarisiert (besteht zum Beispiel aus etwa 50% Spin-Up- und etwa 50% Spin-Down-Elektronen). Ein Spin-polarisierter Strom ist einer mit einer größeren Anzahl von Elektronen mit entweder Spin-Up oder Spin-Down, was durch Schicken eines Stroms durch die feste Magnetschicht 506 generiert werden kann. Die Elektronen des Spin-polarisierten Stroms von der festen Magnetschicht 506 tunneln durch die Tunnelungsbarriere oder Dielektrikumsschicht 508 und übertragen ihr Spin-Winkelmoment auf die freie Magnetschicht 510, wobei die freie Magnetschicht 510 ihre magnetische Richtung von antiparallel zu der der festen magnetischen Schicht 506 oder parallel orientieren wird. Die freie magnetische Schicht 510 kann durch Umkehren des Stroms in ihre ursprüngliche Orientierung zurückgeführt werden.
Somit kann die MTJ durch ihren Magnetisierungszustand ein einzelnes Informationsbit („0” oder „1”) speichern. Die in der MTJ gespeicherte Information wird durch Ansteuern eines Stroms durch die MTJ erfasst. Die freie Magnetschicht 510 erfordert keine Leistung, um ihre magnetischen Orientierungen beizubehalten. Als solches wird der Zustand der MTJ beibehalten, wenn der Strom zum Bauelement entfernt wird. Deshalb ist eine aus dem Stapel 500 von 5 bestehende Spin-Transfer-Torque-Speicherbitzelle in einer Ausführungsform nichtflüchtig.
Wenngleich das Verfahren zum Herstellen des Stapels von Schichten 500 z. B. für eine Spin-Transfer-Torque-Speicherbitzelle hier nicht in vollständigem Detail beschrieben worden ist, versteht sich, dass die Schritte für die Fabrikation standardmäßige Mikroelektronikfabrikationsprozesse wie etwa Lithographie, Ätzen, Dünnschichtabscheidung, Planarisierung (wie etwa chemisch-mechanisches Polieren (CMP)), Diffusion, Metrologie, die Verwendung von Opferschichten, die Verwendung von Ätzstoppschichten, die Verwendung von Planarisierungsstoppschichten und/oder irgendeine andere assoziierte Aktion mit der Mikroelektronikkomponentenfabrikation beinhalten können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten eine der festen Magnetschicht 506, der freien Magnetschicht 510 oder beide eine Halbmetall-Materialschicht. In einem ersten Beispiel ist in einer Ausführungsform eine Halbmetall-Materialschicht an der Grenzfläche der festen Magnetschicht 506 und der Dielektrikumsschicht 508 enthalten. In einer spezifischen derartigen Ausführungsform ist die feste Magnetschicht 506 eine aus dem Halbmetallmaterial bestehende einzelne Schicht. Bei einer anderen spezifischen Ausführungsform jedoch besteht nur ein Abschnitt der festen Magnetschicht 506 aus dem Halbmetallmaterial. Bei einem zweiten Beispiel ist eine Halbmetall-Materialschicht an der Grenzfläche zwischen der freien Magnetschicht 510 und der Dielektrikumsschicht 508 enthalten. Bei einer spezifischen derartigen Ausführungsform ist die freie Magnetschicht 510 eine aus dem Halbmetallmaterial bestehende einzelne Schicht. Bei einer anderen spezifischen Ausführungsform jedoch besteht nur ein Abschnitt der freien Magnetschicht 510 aus dem Halbmetallmaterial, zum Beispiel als eine Unterschicht an der Grenzfläche mit der Dielektrikumsschicht 508. Bei einem dritten Beispiel ist bei noch einer weiteren Ausführungsform eine erste Halbmetall-Materialschicht an der Grenzfläche zwischen der festen Magnetschicht 506 und der Dielektrikumsschicht 508 enthalten, und eine zweite Halbmetall-Materialschicht ist an der Grenzfläche zwischen der freien Magnetschicht 510 und der Dielektrikumsschicht 508 enthalten. Bei einer Ausführungsform sind Halbmetalle (z. B. Heusler-Legierungen) enthalten, um die Differenz zwischen dem antiparallelen Widerstand (RAP) und dem parallelen Widerstand (RP) (d. h. ΔR) in MTJ-Bauelementen zu vergrößern.
Bei einer Ausführungsform werden die oben beschriebenen Halbmetall-Materialschichten als eine Heusler-Legierung bezeichnet, die eine auf einer Heusler-Phase basierende ferromagnetische Metalllegierung ist. Heusler-Phasen können Intermetallika mit einer bestimmten Zusammensetzung und einer flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur sein. Die Materialien sind Ferromagnete, obwohl die bildenden Elemente dies nicht sind, infolge des Doppelaustauschmechanismus zwischen benachbarten magnetischen Ionen. Die Materialien beinhalten üblicherweise Manganionen, die an den Körperzentren der kubischen Struktur sitzen und den größten Teil des magnetischen Moments der Legierung tragen. Bei einer spezifischen Ausführungsform sind die Halbmetall-Materialschichten, die entweder in der festen Magnetschicht 506, der freien Magnetschicht 510 oder beiden enthalten sind, Materialschichten wie etwa unter anderem Cu₂MnAl, Cu₂MnIn, Cu₂MnSn, Ni₂MnAl, Ni₂MnIn, Ni₂MnSn, Ni₂MnSb, Ni₂MnGa, Co₂MnAl, Co₂MnSi, Co₂MnGa, Co₂MnGe, Pd₂MnAl, Pd₂MnIn, Pd₂MnSn, Pd₂MnSb, Co₂FeSi, Fe₃Si, Fe₂Val, Mn₂VGa oder Co₂FeGe.
Wieder unter Bezugnahme auf die mit 5 assoziierte Beschreibung kann ein Stapel von Schichten einschließlich magnetischen Materialschichten, zum Beispiel, die in einer MTJ verwendet werden, zum Herstellen einer Speicherbitzelle verwendet werden. Beispielsweise veranschaulicht 6 ein Schemadiagramm einer Spin-Transfer-Torque-Speicherbitzelle 600, die ein Spin-Transfer-Torque-Element 610 enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 6 kann das Spin-Transfer-Torque-Element 610 eine Elektrode 612 der freien Magnetschicht mit einer freien Magnetschicht 614 bei der Elektrode 612 der freien Magnetschicht, eine Elektrode 616 der festen Magnetschicht bei einer festen Magnetschicht 618 und eine zwischen der freien Magnetschicht 614 und der festen Magnetschicht 618 angeordnete Tunnelungsbarriere oder Dielektrikumsschicht 622 enthalten. Bei einer Ausführungsform basiert das Spin-Transfer-Torque-Element 610 auf einem senkrechten Magnetismus.
Ein erstes dielektrisches Element 623 und ein zweites dielektrisches Element 624 können bei der Elektrode 616 der festen Magnetschicht, der festen Magnetschicht 618 und der Tunnelungsbarriere oder Dielektrikumsschicht 522 angeordnet sein. Die Elektrode 516 der festen Magnetschicht kann elektrisch mit einer Bitleitung 632 verbunden sein. Die Elektrode 612 der freien Magnetschicht kann mit einem Transistor 634 gekoppelt sein. Der Transistor 634 kann auf eine Weise mit einer Wortleitung 636 und einer Sourceleitung 638 gekoppelt sein, die dem Fachmann bekannt ist. Die Spin-Transfer-Torque-Speicherbitzelle 600 kann weiterhin eine nicht gezeigte zusätzliche Lese- und Schreibschaltungsanordnung, einen nicht gezeigten Messverstärker, eine nicht gezeigte Bitleitungsreferenz und dergleichen, wie der Fachmann versteht, für den Betrieb der Spin-Transfer-Torque-Speicherbitzelle 600 enthalten. Es ist zu verstehen, dass mehrere der Spin-Transfer-Torque-Speicherbitzellen 600 operativ miteinander verbunden sein können, um ein nicht gezeigtes Speicherarray zu bilden, wobei das Speicherarray in ein nichtflüchtiges Speicherbauelement integriert sein kann. Es versteht sich, dass der Transistor 634 mit der Elektrode 616 der festen Magnetschicht oder der Elektrode 512 der freien Magnetschicht verbunden sein kann, wenngleich nur letztere gezeigt ist.
7 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Elektroniksystems 700 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Elektroniksystem 700 kann beispielsweise einem tragbaren System, einem Computersystem, einem Prozesssteuersystem oder irgendeinem anderen System entsprechen, das einen Prozessor und einen assoziierten Speicher verwendet. Das Elektroniksystem 700 kann einen Mikroprozessor 702 (mit einem Prozessor 704 und Steuereinheit 706), ein Speicherbauelemente 708 und eine Eingangs-/Ausgangseinrichtung 710 enthalten (es versteht sich, dass das Elektroniksystem 700 mehrere Prozessoren, Steuereinheiten, Speicherbauelementeinheiten und/oder Eingangs-/Ausgangseinrichtungen in verschiedenen Ausführungsformen besitzen kann). Bei einer Ausführungsform besitzt das Elektroniksystem 700 einen Satz Anweisungen, die Operationen definieren, die durch den Prozessor 704 an Daten durchgeführt werden sollen, sowie andere Transaktionen zwischen dem Prozessor 704, dem Speicherbauelement 708 und der Eingangs-/Ausgangseinrichtung 710. Die Steuereinheit 706 koordiniert die Operationen des Prozessors 704, des Speicherbauelements 708 und der Eingangs-/Ausgangseinrichtung 710 durch zyklisches Durchlaufen eines Satzes von Operationen, die bewirken, dass Anweisungen vom Speicherbauelement 708 abgerufen und ausgeführt werden. Das Speicherbauelement 708 kann ein Spin-Transfer-Torque-Element, wie in der vorliegenden Beschreibung beschrieben, enthalten. Bei einer Ausführungsform ist das Speicherbauelement 708 in den Mikroprozessor 702 eingebettet, wie in 7 dargestellt.
8 veranschaulicht eine Recheneinrichtung 800 gemäß einer Implementierung der Erfindung. Die Recheneinrichtung 800 enthält eine Platine 802. Die Platine 802 kann eine Anzahl von Komponenten enthalten, einschließlich unter Anderem einen Prozessor 804 und mindestens einen Kommunikationschip 806. Der Prozessor 804 ist physisch und elektrisch mit der Platine 802 gekoppelt. Bei einigen Implementierungen ist auch der mindestens eine Kommunikationschip 806 physisch und elektrisch an die Platine 802 gekoppelt. Bei weiteren Implementierungen ist der Kommunikationschip 806 Teil des Prozessors 804.
Die Recheneinrichtung 800 kann je nach ihren Anwendungen andere Komponenten enthalten, die physisch und elektrisch an die Platine 802 gekoppelt oder nicht gekoppelt sein können. Zu diesen anderen Komponenten zählen unter anderem ein flüchtiger Speicher (z. B. DRAM), ein nichtflüchtiger Speicher (z. B. ROM), ein Flash-Speicher, ein Grafik-Prozessor, ein digitaler Signalprozessor, ein Krypto-Prozessor, ein Chipsatz, eine Antenne, ein Display, ein Touchscreen-Display, ein Touchscreen-Controller, eine Batterie, ein Audio-Codec, ein Video-Codec, ein Leistungsverstärker, eine GPS-Einrichtung (Global Positioning System), ein Kompass, ein Beschleunigungsmesser, ein Kreisel, ein Lautsprecher, eine Kamera und eine Massenspeichereinrichtung (wie etwa ein Festplattenlaufwerk, CD, DVD usw.).
Der Kommunikationschip 806 ermöglicht drahtlose Kommunikationen für den Transfer von Daten zu und von der Recheneinrichtung 800. Der Ausdruck „drahtlos” und seine Ableitungen können verwendet werden, um Schaltungen, Einrichtungen, Systeme, Verfahren, Techniken, Kommunikationskanäle usw. zu beschreiben, die Daten durch die Verwendung modulierter elektromagnetischer Strahlung durch ein nicht-festes Medium kommunizieren können. Der Ausdruck impliziert nicht, dass die assoziierten Einrichtungen keine Drähte enthalten, wenngleich sie in einigen Ausführungsformen sie möglicherweise nicht enthalten. Der Kommunikationschip 806 kann eine beliebige Anzahl von Drahtlos-Standards oder Protokollen implementieren, einschließlich unter anderem Wi-Fi (Familie IEEE 802.11), WiMAX (Familie IEEE 802.16), IEEE 802.20, LTE (Long Term Evolution), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, Ableitungen davon sowie beliebige andere Drahtlos-Protokolle, die als 3G, 4G, 5G und darüber hinaus bezeichnet sind. Die Recheneinrichtung 800 kann mehrere Kommunikationschips 806 enthalten. Beispielsweise kann ein erster Kommunikationschip 806 Drahtloskommunikationen mit kürzerer Reichweite wie etwa Wi-Fi und Bluetooth gewidmet sein, und ein zweiter Kommunikationschip 806 kann Drahtloskommunikationen mit längerer Reichweite wie etwa GPS, EDGE, GPRS, CDMA, WiMAX, LTE, Ev-DO und anderen gewidmet sein.
Der Prozessor 804 der Recheneinrichtung 800 enthält einen in den Prozessor 804 gekapselten integrierten Schaltungs-Die. Bei einigen Implementierungen der Erfindung enthält der integrierte Schaltungs-Die des Prozessors ein oder mehrere Bauelemente wie etwa einen gemäß Implementierungen der Erfindung gebauten Spin-Transfer-Torque-Speicher. Der Ausdruck „Prozessor” kann sich auf eine beliebige Einrichtung oder einen beliebigen Abschnitt einer Einrichtung beziehen, die/der Elektronikdaten von Registern und/oder einem Speicher verarbeitet, um diese Elektronikdaten in andere Elektronikdaten umzuwandeln, die in Registern und/oder einem Speicher gespeichert werden können.
Der Kommunikationschip 806 enthält auch einen innerhalb des Kommunikationschips 806 gekapselten integrierten Schaltungs-Die. Gemäß einer weiteren Implementierung der Erfindung enthält der integrierte Schaltangs-Die des Kommunikationschips ein oder mehrere Bauelemente wie etwa einen gemäß Implementierungen der Erfindung gebauten Spin-Transfer-Torque-Speicher.
Bei weiteren Implementierungen kann eine innerhalb der Recheneinrichtung 800 untergebrachte weitere Komponente einen integrierten Schaltangs-Die enthalten, der ein oder mehrere Bauelemente enthält, wie einen gemäß Implementierungen der Erfindung gebauten Spin-Transfer-Torque-Speicher.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Recheneinrichtung 800 ein Laptop, ein Netbook, ein Notebook, ein Ultrabook, ein Smartphone, ein Tablet, ein Personal Digital Assistant (PDA), ein ultramobiler PC, ein Mobiltelefon, ein Desktop-Computer, ein Server, ein Drucker, ein Scanner, ein Monitor, eine Set-Top-Box, eine Unterhaltungssteuereinheit, eine Digitalkamera, ein tragbarer Musikplayer oder ein digitaler Videorekorder sein. Bei weiteren Implementierungen kann es sich bei der Recheneinrichtung 800 um irgendeine andere Elektronikeinrichtung handeln, die Daten verarbeitet.
Dementsprechend betreffen eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung allgemein die Fabrikation eines Mikroelektronikspeichers. Der Mikroelektronikspeicher kann nichtflüchtig sein, wobei der Speicher gespeicherte Informationen selbst dann halten kann, wenn er nicht bestromt ist. Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen die Fabrikation eines senkrechten Spin-Transfer-Torque-Speicherelements für nichtflüchtige Mikroelektronikspeicherbauelemente. Ein derartiges Element kann in einem eingebetteten nichtflüchtigen Speicher entweder wegen seiner Nichtflüchtigkeit oder als Ersatz für einen eingebetteten dynamischen Direktzugriffsspeicher (eDRAM) verwendet werden. Beispielsweise kann ein derartiges Element für einen 1T-1X-Speicher (X = Kondensator oder Widerstand) bei konkurrierenden Zellgrößen innerhalb eines gegebenen Technologieknotens verwendet werden.
Somit enthalten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung senkrechte Spin-Transfer-Torque-Speicherbauelemente (STTM-Bauelemente) mit versetzten Zellen und Verfahren zum Herstellen senkrechter STTM-Bauelemente mit versetzten Zellen.
Bei einer Ausführungsform enthält ein Spin Torque Transfer-Speicherarray (STTM-Array) eine erste Lastleitung, die über einem Substrat angeordnet ist und nur ein erstes STTM-Bauelement besitzt. Das STTM-Array enthält auch eine zweite Lastleitung, die über dem Substrat bei der ersten Lastleitung angeordnet ist und nur ein zweites STTM-Bauelement besitzt, wobei das zweite STTM-Bauelement nicht koplanar zum ersten STTM-Bauelement ist.
Bei einer Ausführungsform sind das erste und zweite STTM-Bauelement senkrechte STTM-Bauelemente.
Bei einer Ausführungsform sind das erste und zweite STTM-Bauelement durch ein Randfeld gekoppelt, wobei das Randfeld ein schwaches Randfeld ist.
Bei einer Ausführungsform enthält das STTM-Array weiterhin eine dritte Lastleitung, die über dem Substrat bei der zweiten Lastleitung, aber nicht bei der ersten Lastleitung, angeordnet ist und nur ein drittes STTM-Bauelement besitzt, wobei das dritte STTM-Bauelement nicht koplanar mit dem zweiten STTM-Bauelement und koplanar mit dem ersten STTM-Bauelement ist.
Bei einer Ausführungsform sind das erste und dritte STTM-Bauelement durch ein Randfeld gekoppelt, wobei das Randfeld ein schwaches Randfeld ist.
Bei einer Ausführungsform enthält das STTM-Array weiterhin eine vierte Lastleitung, die über dem Substrat bei der dritten Lastleitung, aber nicht bei der ersten oder zweiten Lastleitung, angeordnet ist und nur ein viertes STTM-Bauelement besitzt, wobei das vierte STTM-Bauelement nicht koplanar mit dem dritten STTM-Bauelement und koplanar mit dem zweiten STTM-Bauelement ist.
Bei einer Ausführungsform sind das erste, zweite, dritte und vierte STTM-Bauelement an entsprechende Transistorkontakte gekoppelt, die über dem Substrat, aber unter dem ersten, zweiten, dritten und vierten STTM-Bauelement angeordnet sind.
Bei einer Ausführungsform besitzt jedes des ersten und zweiten STTM-Bauelements eine Breite, und das erste und zweite STTM-Bauelement sind um ein Ausmaß kleiner als die Breite seitlich voneinander beabstandet.
Bei einer Ausführungsform sind das erste und zweite STTM-Bauelement um ein Ausmaß größer als die Breite in einer Richtung senkrecht des Substrats versetzt.
Bei einer Ausführungsform besitzt jedes des ersten und zweiten STTM-Bauelements eine Breite von etwa 40 Nanometern, und das erste und zweite STTM-Bauelement sind in einem Abstand von etwa 10 Nanometern seitlich voneinander beabstandet.
Bei einer Ausführungsform sind das erste und zweite STTM-Bauelement um ein Ausmaß von etwa 100 Nanometern in einer Richtung senkrecht zum Substrat versetzt.
Bei einer Ausführungsform besitzt jedes des ersten und des dritten STTM-Bauelements eine Breite von etwa 40 Nanometern und das erste und dritte STTM-Bauelement sind in einem Abstand von etwa 60 Nanometern seitlich voneinander beabstandet.
Bei einer Ausführungsform enthält jedes STTM-Bauelement eine freie Magnetschicht mit Eisenatomen (Fe) und enthält eine Dielektrikumsschicht, die aus Magnesiumoxid (MgO) besteht, unter der freien Magnetschicht. Mindestens ein Teil der Fe-Atome an einer Grenzfläche zwischen der Dielektrikumsschicht und der freien Magnetschicht sind oxidiert, und die Grenzfläche zwischen der Dielektrikumsschicht und der freien Magnetschicht liefert ein senkrechtes magnetisches Moment für das STTM-Bauelement.
Bei einer Ausführungsform enthält jedes STTM-Bauelement weiterhin ein oder mehrere Paare von abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen Schichten, die über der freien Magnetschicht angeordnet sind, und eine Grenzfläche zwischen der freien Magnetschicht und den Paaren von abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen Schichten liefert eine zweite senkrechte magnetische Komponente für das STTM-Bauelement.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen eines Spin Torque Transfer-Speicherarrays (STTM-Arrays) das Ausbilden mehrerer unterer Lastleitungsabschnitte in einer über einem Substrat angeordneten Dielektrikumsschicht, wobei jeder der unteren Lastleitungsabschnitte an einen entsprechenden Transistorkontakt gekoppelt ist. Das Verfahren beinhaltet auch das Ausbilden einer ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, ein Bauelement für jeden der abwechselnden einzelnen der mehreren unteren Lastleitungsabschnitte. Das Verfahren beinhaltet auch das Ausbilden mehrerer oberer Lastleitungsabschnitte, ein oberer Abschnitt für jeden der verbleibenden einzelnen der mehreren unteren Lastleitungsabschnitte, wobei sich jeder obere Lastleitungsabschnitt bei einem Bauelement der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen befindet. Das Verfahren beinhaltet auch das Ausbilden einer zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, ein Bauelement für jeden der oberen Lastleitungsabschnitte, wobei die Bauelemente der zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen nicht koplanar mit den Bauelementen der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen sind.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren weiterhin das Ausbilden mehrerer Vias über der ersten und zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, ein Via für jedes der Bauelemente der ersten und zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Ausbilden der ersten und zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen das Ausbilden senkrechter STTM-Bauelemente.
Bei einer Ausführungsform ist ein Paar von Bauelementen der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen durch ein Randfeld gekoppelt, wobei das Randfeld ein schwaches Randfeld ist.
Bei einer Ausführungsform sind ein Bauelement der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen und ein Bauelement der zweiten Mehrzahl von Bauelementen durch ein Randfeld gekoppelt, wobei das Randfeld ein schwaches Feld ist.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen eines Spin Torque Transfer-Speicherarrays (STTM-Arrays) das Ausbilden mehrerer unterer Lastleitungsabschnitte in einer über einem Substrat angeordneten Dielektrikumsschicht, wobei jeder der unteren Lastleitungsabschnitte an einen entsprechenden Transistorkontakt gekoppelt ist. Das Verfahren beinhaltet auch das Ausbilden einer ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, ein Bauelement für jeden der mehreren unteren Lastleitungsabschnitte. Das Verfahren beinhaltet auch das Ausbilden mehrerer an die entsprechenden Transistorkontakte gekoppelter Lastleitungen, wobei sich jede Lastleitung bei einem Bauelement der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen befindet. Das Verfahren beinhaltet auch das Ausbilden einer zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, ein Bauelement für jede der Lastleitungen, wobei die Bauelemente der zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen nicht koplanar mit den Bauelementen der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen sind.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren weiterhin das Ausbilden mehrerer Vias über der ersten und zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, ein Via für jedes der Bauelemente der ersten und zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Ausbilden der ersten und zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen das Ausbilden senkrechter STTM-Bauelemente.
Bei einer Ausführungsform ist ein Paar von Bauelementen der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen durch ein Randfeld gekoppelt, wobei das Randfeld ein schwaches Randfeld ist.
Bei einer Ausführungsform sind ein Bauelement der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen und ein Bauelement der zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen durch ein Randfeld gekoppelt, wobei das Randfeld ein schwaches Randfeld ist.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen nicht-selbstjustierter Vias das Ausbilden einer ersten Mehrzahl von Vias, Ausbilden einer ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen über der ersten Mehrzahl von Vias, Abscheiden einer Dielektrikumsschicht, Ausbilden einer zweiten Mehrzahl von Vias, die die erste Mehrzahl von STTM-Bauelementen kontaktieren, Ausbilden einer dritten Mehrzahl von Vias, die die erste Mehrzahl von Vias zwischen der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen kontaktieren, Ausbilden einer zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, die die dritte Mehrzahl von Vias kontaktieren, Abscheiden einer zweiten Dielektrikumsschicht, Ausbilden einer vierten Mehrzahl von Vias, die die zweite Mehrzahl von STTM-Bauelementen kontaktieren, und Ausbilden einer fünften Mehrzahl von Vias, die die zweite Mehrzahl von Vias kontaktieren.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen selbstjustierter Vias das Ausbilden einer ersten Mehrzahl von Vias, Ausbilden einer ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen über der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, Abscheiden einer Dielektrikumsschicht, Ausbilden einer zweiten Mehrzahl von Vias, die die erste Mehrzahl von STTM-Bauelementen kontaktieren, Ausbilden einer dritten Mehrzahl von Vias, die eine Lastleitung zwischen der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen kontaktieren, Ausbilden einer zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, die die dritte Mehrzahl von Vias kontaktieren, Abscheiden einer zweiten Dielektrikumsschicht, Ausbilden einer vierten Mehrzahl von Vias, die die zweite Mehrzahl von STTM-Bauelementen kontaktieren, und Ausbilden einer fünften Mehrzahl von Vias, die die zweite Mehrzahl von STTM-Bauelementen kontaktieren.

Claims

Spin Torque Transfer-Speicherarray (STTM-Array), das Folgendes umfasst: eine erste Lastleitung, die über einem Substrat angeordnet ist und nur ein erstes STTM-Bauelement besitzt; und eine zweite Lastleitung, die über dem Substrat bei der ersten Lastleitung angeordnet ist und nur ein zweites STTM-Bauelement besitzt, wobei das zweite STTM-Bauelement nicht koplanar zum ersten STTM-Bauelement ist.
STTM-Array nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite STTM-Bauelement senkrechte STTM-Bauelemente sind.
STTM-Array nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite STTM-Bauelement durch ein Randfeld gekoppelt sind, wobei das Randfeld ein schwaches Randfeld ist.
STTM-Array nach Anspruch 1, das weiterhin Folgendes umfasst: eine dritte Lastleitung, die über dem Substrat bei der zweiten Lastleitung, aber nicht bei der ersten Lastleitung, angeordnet ist und nur ein drittes STTM-Bauelement besitzt, wobei das dritte STTM-Bauelement nicht koplanar zum zweiten STTM-Bauelement und koplanar zum ersten STTM-Bauelement ist.
STTM-Array nach Anspruch 4, wobei das erste und dritte STTM-Bauelement durch ein Randfeld gekoppelt sind, wobei das Randfeld ein schwaches Randfeld ist.
STTM-Array nach Anspruch 4, das weiterhin Folgendes umfasst: eine vierte Lastleitung, die über dem Substrat der dritten Lastleitung, aber nicht bei der ersten oder zweiten Lastleitung, angeordnet ist und nur ein viertes STTM-Bauelement besitzt, wobei das vierte STTM-Bauelement nicht koplanar zum dritten STTM-Bauelement und koplanar zum zweiten STTM-Bauelement ist.
STTM-Array nach Anspruch 6, wobei das erste, zweite, dritte und vierte STTM-Bauelement an einen entsprechenden Transistorkontakt gekoppelt sind, der über dem Substrat angeordnet ist, aber unter dem ersten, zweiten, dritten und vierten STTM-Bauelement.
STTM-Array nach Anspruch 1, wobei jedes des ersten und zweiten STTM-Bauelements eine Breite besitzt und das erste und zweite STTM-Bauelement um ein Ausmaß kleiner als die Breite seitlich voneinander beabstandet sind.
STTM-Array nach Anspruch 8, wobei das erste und zweite STTM-Bauelement um ein Ausmaß größer als die Breite in einer Richtung senkrecht zum Substrat versetzt sind.
STTM-Array nach Anspruch 1, wobei jedes des ersten und zweiten STTM-Bauelements eine Breite von etwa 40 Nanometern besitzt und das erste und zweite STTM-Bauelement um einen Abstand von etwa 10 Nanometern seitlich voneinander beabstandet sind und wobei das erste und zweite STTM-Bauelement um ein Ausmaß von etwa 100 Nanometern in einer Richtung senkrecht zum Substrat versetzt sind.
STTM-Array nach Anspruch 4, wobei jedes des ersten und dritten Bauelements eine Breite von etwa 40 Nanometern besitzt und das erste und dritte STTM-Bauelement um einen Abstand von etwa 60 Nanometern seitlich voneinander beabstandet sind.
STTM-Array nach Anspruch 1, wobei jedes STTM-Bauelement eine freie Magnetschicht enthält, die Eisenatome (Fe) enthält und eine Dielektrikumsschicht, die Magnesiumoxid (MgO) umfasst, unter der freien Magnetschicht enthält, wobei mindestens ein Teil der Fe-Atome an der Grenze zwischen der Dielektrikumsschicht und der freien Magnetschicht oxidiert sind und die Grenzfläche zwischen der Dielektrikumsschicht und der freien Magnetschicht eine senkrechte magnetische Komponente für das STTM-Bauelement liefert.
STTM-Array nach Anspruch 12, wobei jedes STTM-Bauelement weiterhin ein oder mehrere Paare von abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen Schichten umfasst, die über der freien Magnetschicht angeordnet sind, und wobei eine Grenzfläche zwischen der freien Magnetschicht und den Paaren von abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen Schichten eine zweite senkrechte magnetische Komponente für das STTM-Bauelement liefert.
Verfahren zum Herstellen eines Spin Torque Transfer-Speicherarrays (STTM-Array), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Ausbilden mehrerer unterer Lastleitungsabschnitte in einer über einem Substrat angeordneten Dielektrikumsschicht, wobei jeder der unteren Lastleitungsabschnitte an einem entsprechenden Transistorkontakt gekoppelt ist; Ausbilden einer ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, ein Bauelement für jeden von abwechselnden einzelnen der mehreren unteren Lastleitungsabschnitte; Ausbilden mehrerer oberer Lastleitungsabschnitte, ein oberer Abschnitt für jeden der verbleibenden einzelnen der mehreren unteren Lastleitungsabschnitte, wobei sich jeder obere Lastleitungsabschnitt bei einem Bauelement der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen befindet; und Ausbilden einer zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, ein Bauelement für jeden der oberen Lastleitungsabschnitte, wobei die Bauelemente der zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen nicht koplanar mit den Bauelementen der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen sind.
Verfahren nach Anspruch 14, das weiterhin Folgendes umfasst: Ausbilden mehrerer Vias über der ersten und zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, ein Via für jedes der Bauelemente der ersten und zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Ausbilden der ersten und zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen das Ausbilden senkrechter STTM-Bauelemente umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein Paar Bauelemente der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen durch ein Randfeld gekoppelt ist, wobei das Randfeld ein schwaches Randfeld ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein Bauelement der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen und ein Bauelement der zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen durch ein Randfeld gekoppelt sind, wobei das Randfeld ein schwaches Randfeld ist.
Verfahren zum Herstellen eines Spin Torque Transfer-Speicherarrays (STTM-Array), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Ausbilden mehrerer unterer Lastleitungsabschnitte in einer über einem Substrat angeordneten Dielektrikumsschicht, wobei jeder der unteren Lastleitungsabschnitte an einen entsprechenden Transistorkontakt gekoppelt ist; Ausbilden einer ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, ein Bauelement für jeden der mehreren unteren Lastleitungsabschnitte; Ausbilden mehrerer an den entsprechenden Transistorkontakt gekoppelter Lastleitungen, wobei sich jede Lastleitung bei einem Bauelement der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen befindet; und Ausbilden einer zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, ein Bauelement für jede der Lastleitungen, wobei die Bauelemente der zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen nicht koplanar mit den Bauelementen der ersten Mehrzahl von STTM-Bauelementen sind.
Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin Folgendes umfasst: Ausbilden mehrerer Vias über der ersten und zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen, ein Via für jedes der Bauelemente der ersten und zweiten Mehrzahl von STTM-Bauelementen.