DE102004033159B4

DE102004033159B4 - Erwärmen von MRAM-Zellen, um ein Umschalten zwischen Zuständen zu erleichtern

Info

Publication number: DE102004033159B4
Application number: DE102004033159A
Authority: DE
Inventors: Heon Lee; Thomas C. Anthony; Manish Sharma
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: DE102004033159A1; TWI341533B; CN1612263B; US7522446B2; JP4572102B2; JP2005136419A; CN1612263A; US20050094456A1; TW200515418A

Abstract

Magnetische Direktzugriffsspeicher-Vorrichtung (MRAM-Vorrichtung) (100, 200, 300), mit einem Array von magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402), die Daten als unterschiedliche Impedanzwerte speichern; einem Gitter von Bit- und Wortleitungen (110, 112, 114, 210, 212, 304, 404, 406) zum selektiven Zugreifen auf Daten in dem Array von magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402); und einer Mehrzahl von entsprechenden Widerständen (116, 214, 304, 404), von denen jeder in Serie mit einer der magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402) und einer der Bit- und Wortleitungen (110, 112, 114, 210, 212, 304, 404, 406) platziert ist; wobei die entsprechenden Widerstände (116, 214, 304, 404) eine lokalisierte Erwärmung Ausgewählter der magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402) bewirken, was ihr Umschalten unterstützt, wobei die entsprechenden Widerstände (116, 214, 304, 404) einen Kopplungsoberflächenbereich zum Ankoppeln der Widerstände an ein elektrisch leitfähiges Material und eine Grundfläche aufweisen, wobei der Kopplungsoberflächenbereich der entsprechenden Widerstände eine...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Magnetspeichervorrichtungsarrays und im einzelnen auf Techniken und Schaltungen zum Verwenden eines lokalisierten Erwärmens ausgewählter Zellen, um ein Umschalten zwischen Stromanforderungen zu erleichtern.
Hohe Dichte, hohe Geschwindigkeit, Nicht-Flüchtigkeit, geringer Stromverbrauch und niedrige Kosten sind Ziele, die viele Speichervorrichtungen gemeinsam haben. Jedoch können in der Praxis nicht all diese Ziele realistisch erreicht werden, und manche Kompromisse sind unvermeidbar. Die jeweiligen Anwendungen geben vor, welche Kompromisse zu schließen sind. Beispielsweise ist ein statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM) schnell, was jedoch üblicherweise auf Kosten einer geringeren Dichte geht. Ein derartiger Speicher ist bei CPU-Cachespeicher-Anwendungen nützlich. Ein dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM) weist eine hohe Dichte auf, ist jedoch flüchtig. Somit wird DRAM üblicherweise bei Hauptspeicheranwendungen für Mehrzweckcomputer verwendet.
Neuere Speichertypen wie zum Beispiel magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM) sind inhärent nicht-flüchtig, müssen jedoch trotzdem noch Kompromisse zwischen der Dichte, Zugriffsgeschwindigkeit usw. finden. Drei Arten von MRAM wurden bisher auf der Basis verschiedener magnetischer Phänomene entwickelt, z. B. anisotroper, Giant- und Tunnel-Magnetoresistenz-Phänomene.
Der Tunnel-Magnetoresistenz-Typ von MRAM ist hier von Interesse. Ein Kreuzpunktarray von Magnetischer-Tunnelübergang-Speicherzellen (MTJ-Speicherzellen, MTJ = magnetic tunneling junction, magnetischer Tunnelübergang, manchmal auch als spinabhängiger Tunnelübergang bzw. SDT-Übergang, spindependent tunneling junction, bezeichnet) ermöglicht ein direktes Adressieren. Jede Zelle tritt als Widerstand auf, der von dem gespeicherten digitalen Datenwert abhängt.
Die herkömmliche MTJ-Speicherzelle umfasst zwei Magnetschichten, die durch einen elektrischen Isolator getrennt sind. Der Isolator ist so dünn, dass er Tunnelströmen zwischen den Magnetschichten, die er berührt, unterworfen ist. Derartige Tunnelströme treten als elektrischer Widerstand auf, der von der relativen Orientierung der Magnetisierungen der zwei magnetischen Schichten abhängt. Die obere und die untere Magnetschicht sind als Ellipsoide aufgebracht, so dass ihre Magnetisierungen in einer von zwei bevorzugten Richtungen, z. B. länglich bei dem Ellipsoid, auftreten. Andere Formen, z. B. rechteckig oder asymmetrisch, und entsprechende Seitenverhältnisse (d. h. Verhältnisse zwischen Länge und Breite) können ebenfalls verwendet werden.
Die untere Magnetschicht wird mit einem Material einer hohen Koerzitivkraft hergestellt und wird während eines Ausheilverfahrensschrittes dauerhaft in einer festgelegten Richtung magnetisiert. Diese Schicht dient als Referenzschicht. Die obere Magnetschicht umfasst ein Material einer geringeren Koerzitivkraft, dessen Magnetisierungsrichtung durch Spalten- und Zeilen-Datenschreibströme umgeschaltet wird, die Schreibfelder erzeugen, die sich an dem anvisierten Kreuzpunktarrayschnittpunkt verbinden. Diese Schicht dient als Daten- bzw. Speicherschicht (manchmal auch als Bitschicht oder Erfassungsschicht bezeichnet). Bei anderen Versionen können die Daten- und die Referenzschicht in der umgekehrten Reihenfolge aufgebracht sein. Bei einer Version der Speicherzelle, die als „Spinventil” bezeichnet wird, ist die Referenzschicht durch eine Austauschkopplung durch eine benachbarte antiferromagnetische Schicht „gepinnt”. Bei einem derartigen Spinventil bleibt die Orientierung der Magnetisierung der gepinnten Referenzschicht im wesentlichen feststehend.
Der elektrische Widerstand durch die Tunnelbarriere hängt von den relativen Orientierungen der Magnetisierungen in der Daten- und Referenzschicht ab. Wenn diese Magnetisierungen in derselben Richtung orientiert sind, weist der elektrische Widerstand einen bestimmten Wert auf, und wenn die Magnetisierungen einander entgegengesetzt sind, wird der Widerstand verändert. Diese Veränderung des Widerstands ist der Tunnel-Magnetoresistenz-Effekt (TMR-Effekt, TMR = tunneling magneto-resistance), und der Zustand der Datenschicht kann abgelesen werden, indem der elektrische Scheinwiderstand über die Schichten gemessen wird. In der Regel ist der MTJ-Widerstand niedrig, wenn die Magnetisierungsorientierungen parallel sind, und er ist hoch, wenn sie antiparallel sind.
Mit abnehmender Größe der Zellen werden Fragen der thermischen Stabilität wichtiger. Die Koerzitivkraft bzw. das Magnetschaltfeld kleiner magnetischer Speicherzellen muss groß genug sein, um zu gewährleisten, dass gespeicherte Informationen nicht auf Grund eines durch Umwelteinflüsse verursachten zufälligen Umschaltens verloren gehen. Die Koerzitivkraft, die erforderlich ist, um eine thermisch stabile Speicherzelle zu erzeugen, erhöht sich mit abnehmender Größe der Speicherzelle. Ungünstigerweise erschwert die Notwendigkeit, die größere Feldstärke zu erzeugen, ein Umschalten der kleineren Speicherzellen während des Schreibvorgangs.
Es ist bekannt, dass ein Erhöhen der Temperatur der Speicherzelle die magnetische Feldstärke, die zum Umschalten erforderlich ist, verringert. Dies liegt daran, dass das magnetische Material bei dieser erhöhten Temperatur nun eine höhere Wärmeenergie aufweist. Ferner entsteht in den Speicherzellen Wärme, wenn ein elektrischer Strom durch die Zellen fließt. Jedoch wird die entstandene Wärme ohne weires durch die Bit- und Wortleitungen von der Speicherzelle weg geleitet und kann somit nicht verwendet werden, um ein Umschalten der magnetischer. Speicherzelle zu erleichtern.
Die US 2003/0198113 A1 beschreibt ein Speicherbauelement mit einer magnetischen Wechselschicht und einem Heizelement. Die Magnetisierung der magnetischen Wechselschicht lässt sich durch Temperaturänderungen verursacht durch das Heizelement beeinflussen. In einer beschriebenen Ausführungsform wird das Heizelement durch eine externe Energieversorgung betrieben.
Die FR 2 832 542 A1 beschreibt ein Speicherelement, das durch Anlegen eines elektrischen Stroms zwischen Bit- und Wortleitung direkt beheizt wird.
Die DE 10 2004 030 587 A1 offenbart ein Array thermisch gestützter magnetischer Speicherstrukturen, wobei jede der magnetischen Speicherstrukturen eine Speicherzelle, einen Schreibleiter der die Speicherzelle kontaktiert und ein Heizsystem, das die Speicherzelle kontaktiert, aufweist. Hier erwärmt das Heizsystem die Speicherzelle während der Schreiboperation und wählt die Speicherzelle durch das Erwärmen in einer zweiten Koordinate aus.
Die DE 10 2004 029 060 A1 beschreibt eine thermisch gestützte magnetische Speicherstruktur mit einem ersten Leiter, der im Wesentlichen durch eine Umhüllung umgeben ist, einer Speicherzelle, die thermisch durch eine Wärmewiderstandsregion von dem ersten Leiter isoliert ist, um die Wärmedissipation zum Beispiel bei einer Schreiboperation zu verringern, und einem zweiten Leiter, der die Speicherzelle elektrisch kontaktiert.
Die DE 10 2004 022 573 A1 beschreibt eine magnetische Speicherzelle mit einer Referenzschicht, die eine voreingestelle Magnetisierung aufweist. Benachbart zu der Referenz schicht ist eine Barriereschicht gebildet. Benachbart zu der Barriereschicht ist eine Erfassungsschicht gebildet. Eine erste leitfähige Schreibleitung ist mit der Referenzschicht elektrisch verbunden. Die magnetische Speicherzelle umfasst ferner eine zweite leitfähige Schreibleitung, die einen Zwischenraum aufweist, der durch zumindest einen Abschnitt der Erfassungsschicht gefüllt ist. Ein Schreibstrom, der durch die zweite leitfähige Schreibleitung geführt wird, wird zumindest teilweise durch den Abschnittleitfähige der Erfassungsschicht geführt, wobei der Schreibstrom eine Temperatur der Erfassungsschicht erhöht. Dieses selektive Erwärmen der magnetischen Speicherzellen verringert selektiv die Magnetfeldintensität, die erforderlich ist, um auf die ausgewählte Speicherzelle zu schreiben. Dieses Merkmal kann verwendet werden, um fehlerhafte Zustandsänderungen einer Speicherzelle, die zum Beispiel einer ausgewählten Bitleitung und einer nicht-ausgewählten Wortleitung zugeordnet ist, zu verhindern.
Somit besteht ein Bedarf an einer magnetischen Speichervorrichtung, bei der ein Verlust von Wärme aus der magnetischen Speicherzelle verringert wird und die Wärme somit verwendet werden kann, um ein Umschalten zwischen Zellzuständen zu erleichtern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, MRAM-Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen derselben mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch MRAM-Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1, 3, 11 oder 14 sowie durch Verfahren gemäß den Ansprüchen 15 oder 16 gelöst.
Kurz gesagt umfasst ein Ausführungsbeispiel eines magnetischen Direktzugriffsspeichers (MRAM) der vorliegenden Erfindung ein Array von magnetischen Speicherzellen, die Daten als unterschiedliche Impedanzwerte speichern. Der MRAM umfasst ferner ein Gitter von Bit- und Wortleitungen zum selektiven Zugreifen auf Daten in dem Array von magnetischen Speicherzellen. Das Gitter weist eine Mehrzahl von thermisch resistiven und elektrisch resistiven Abschnitten auf, die Verbindungen mit den magnetischen Speicherzellen bereitstellen. Die resistiven Abschnitte erhöhen den thermischen Widerstand für Wärme, die durch jede Zelle erzeugt wird und liefern während des Betriebs eine lokalisierte Erwärmung aktiver Speicherzellen, um ein Umschalten zwischen Zellzuständen zu erleichtern.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A ein perspektivisches Diagramm einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem sich über den MRAM-Zellen Abstandshalter befinden;
1B ein schematisches Querschnittsdiagramm einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematisches Querschnittsdiagramm einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem sich Abstandshalter unter MRAM-Zellen befinden;
3 ein schematisches Querschnittsdiagramm einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem Bit- oder Wortleitungen Abschnitte einer verringerten Dicke aufweisen; und
4A eine schematische Draufsicht und 4B ein schematisches Querschnittsdiagramm einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, bei dem Bit- oder Wortleitungen Abschnitte einer verringerten Breite aufweisen.
1A und 1B stellen ein Ausführungsbeispiel eines Arrays von magnetischen Direktzugriffsspeichern (eines MRAM-Arrays) der vorliegenden Erfindung dar, das hierin mit dem allgemeinen Bezugszeichen 100 benannt ist. Der MRAM 100 umfasst ein Array von magnetischen Speicherzellen 102. Diese basieren auf einer Technologie der Tunnel-Magnetoresistenz (TMR-Technologie), wobei der Tunnelstrom quer über eine dielektrische Tunnelbarriere durch die relative Orientierung zweier benachbarter Magnetschichten beeinflusst wird. Jede Speicherzelle 102 umfasst eine magnetische Referenzschicht 104, eine dielektrische Schicht 106 und eine magnetische Datenschicht 108. Die Vorrichtung umfasst ferner leitfähige Wortleitungen 110, 112 und Bitleitungen, wie sie durch eine Bitleitung 114 dargestellt sind. Der Deutlichkeit halber ist lediglich eine Bitleitung gezeigt.
Ein Magnetfeld umgibt die Bitleitung 114, wenn ein Datenschreibstrom an die Bitleitung 114 angelegt ist. Dieses Magnetfeld kann verwendet werden, um magnetische Speicherzellen 102 umzuschalten, z. B. indem die Permanentmagnetdatenschicht 108 in die umgekehrte Polarisierung gekehrt wird. Binäre Informationen können somit als Funktion der Richtung des Magnetfeldes gespeichert werden, das durch den an die Bitleitung 114 angelegten Strom erzeugt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Abstandshalter 116 in einem Kreuzpunktgitter zwischen jeweiligen magnetischen Speicherzellen 102 und Bitleitungen 114 angeordnet. Die Abstandshalter 116 umfassen ein leitfähiges Material und weisen eine Ausnehmung 118 auf. Die Ausnehmung ist mit einem wärmeisolierenden Material 120, z. B. SiO₂, gefüllt. Die Abstandshalter 116 stellen eine Wärmesperre dar, da das leitfähige Material eine relativ kleine Querschnittsfläche aufweist, und somit die Querschnittsfläche, durch die Wärme geleitet werden kann, relativ gering ist. Folglich verbleibt ein größerer Anteil der durch die Speicherzelle erzeugten Wärme, und die zusätzliche Wärme erleichtert ein Umschalten der magnetischen Speicherzelle 102. Die verringerte Querschnittsfläche des Abstandshalters an der Ausnehmung erhöht ferner den elektrischen Widerstand des Abstandshalters und bewirkt, dass er als elektroresistive Heizvorrichtung fungiert. Eine derartige zusätzliche lokalisierte Wärme erleichtert ferner das Umschalten der magnetischen Speicherzellen.
1A zeigt schematisch eine Schaltungseinheit 120, die im Gebrauch einen Schreibstrom durch die Bitleitung 114 erzeugt. Die Schaltung kann auch einen Schreibstrom durch die Wortleitungen 110 und 112 erzeugen. Der Deutlichkeit halber sind für die Wortleitungen 110 und 112 keine elektrischen Verbindungen mit der Schaltungseinheit 120 gezeigt. Jede magnetische Speicherzelle kann eine Anzahl von zusätzlichen Schichten umfassen, die der Deutlichkeit halber nicht gezeigt sind.
Die dielektrische Schicht 106 ist ausreichend dünn, so dass, wenn ein geeignetes elektrisches Potential zwischen die Wortleitung 110 oder 112 und die Bitleitung 114 angelegt wird, ein Tunnelstrom durch die dielektrische Schicht 106 fließt. Die Tunnelwahrscheinlichkeit und somit die Impedanz der Speicherzelle hängt von der Magnetisierungsrichtung in der Datenschicht 108 relativ zu der der Referenzschicht 104 ab. Somit ist es möglich, die Magnetisierungsorientierung in der Datenschicht ausgehend von dem Tunnelstrom zu bestimmen, der von dem Widerstand der Speicherzelle 102 abhängt.
Die Abstandshalter 116 sind resistiv und bestehen bei diesem Ausführungsbeispiel aus TaN oder einem Silicid. Im Allgemeinen umfassen mögliche Materialien auch amorphe Materialien, z. B. amorphes Silizium oder amorphen Kohlenstoff, auf Grund des höheren thermischen Widerstands des amorphen Zustands. Jeder Abstandshalter 116 weist eine geätzte Ausnehmung auf, die von einer Kopplungsoberfläche umgeben ist, die mit einer Bitleitung, z. B. der Leitung 114, gekoppelt ist. Die Abstandshalter 116 können die Bitleitungen direkt berühren. Alternativ dazu berühren die Abstandshalter die Bitleitungen nicht direkt, und Schichten eines weiteren Materials können die Abstandshalter und die Bitleitungen trennen.
Die Wortleitungen 110 und 112 können auch als Bitleitungen fungieren. Ferner wird man einsehen, dass jede magnetische Speicherzelle eine Anzahl von unterschiedlichen Schichten aufweisen kann, z. B. Abdeckungsschichten, Anti-Ferromagnetische-Pinning-Schichten (AF-Pinning-Schichten) und Keimschichten. Ferner wird man einsehen, dass die Abstandshalter bei Variationen dieses Ausführungsbeispiels unter oder über den Speicherzellen positioniert sein können und dass die Referenzschichten (oder Datenschichten) entweder in dem oberen Abschnitt oder in dem unteren Abschnitt jeder Speicherzelle angeordnet sein können.
Bei einem spezifischen Beispiel dieses Ausführungsbeispiels weisen die Abstandshalter 116 eine Höhe von ungefähr 110 nm und eine Grundfläche von ungefähr 150 × 150 nm auf. Jeder Kopplungsoberflächenbereich, der eine jeweilige Ausnehmung umgibt, weist ungefähr 10% bis 20% der Fläche der Grundfläche auf. Obwohl sich die Ausnehmung 118 in der Darstellung in 1B durch einen Abschnitt des Abstandshalters 116 erstreckt, kann sich die Ausnehmung bei anderen Ausführungsbeispielen durch die gesamte Dicke des Abstandshalters erstrecken.
Bei diesem bestimmten Beispiel besteht die Datenschicht 108 aus Nickeleisen (NiFe), besteht die Referenzschicht 104 aus Kobalteisen (CoFe) und besteht die dielektrische Schicht 106 aus Al₂O₃. Diese Schichten weisen dieselbe planare Fläche von ungefähr 150 nm × 150 nm auf, und die Referenzschicht 104, die Datenschicht 108 und die dielektrische Schicht 106 weisen eine Dicke von etwa 3,5 nm, 3 nm bzw. 1,2 nm auf. Bei diesem Beispiel weisen die Abstandshalter 116 dieselbe planare Grundfläche auf wie die magnetischen Speicherzellen 102. Alternativ dazu können die Abstandshalter eine Grundfläche aufweisen, die kleiner oder größer ist als die der magnetischen Speicherzellen 102. Ferner sind die Abstandshalter 116 eventuell nicht mittig auf den magnetischen Speicherzellen 102 angeordnet.
Die Abstandshalter 116 können wie folgt hergestellt werden. Anfänglich werden die magnetischen Speicherzellen 102 durch bekannte Aufbringungs- und Ätzverarbeitungsschritte hergestellt. Eine Schicht eines leitfähigen Materials, z. B. aus dotiertem amorphem Silizium, wird vor einem Strukturieren bis zu einer Dicke von etwa 100 nm auf die magnetischen Speicherschichten aufgebracht. Das leitfähige Abstandshaltermaterial wird strukturiert, wenn die Speicherzellen geätzt werden, was dazu führt, dass der Abstandshalter 116 dieselben Abmessungen aufweist wie die Speicherzellen 102. Die Speicherzellen und die Fläche zwischen den magnetischen Speicherzellen werden mit einem dielektrischen Material wie z. B. SiO₂ beschichtet und durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP – chemical-mechanical polishing) planarisiert. Ein Positivresistphotolithographieprozess wird verwendet, um die Position und Größe der Ausnehmungen jedes Abstandshalters zu definieren. Darauf folgt ein isotroper Ätzvorgang, der den zurückgesetzten Kern der Abstandshalter bildet. Da der Ätzvorgang isotrop ist, ist es möglich, Ausnehmungen zu bilden, so dass der elektrisch leitfähige Abschnitt jedes Abstandshalters einen Querschnitt aufweist, der im wesentlichen U-förmig ist, wobei die Dicke der Schenkel zum Ende der Schenkel hin abnimmt. Dieser Prozess ermöglicht es, Kopplungsoberflächen herzustellen, deren Abmessungen unter der lithographischen Grenze liegen. Die Ausnehmungen werden dann mit einem wärmeisolierenden Material wie z. B. SiO₂ gefüllt, und die Struktur wird anschließend ein zweites Mal chemisch-mechanisch poliert, um eine flache Oberfläche zu ergeben, wobei der Oberflächenbereich des Abstandshalters, der die Ausnehmung umgibt, freiliegend ist. Auf diese Weise ist der Kern des Abstandshalters ein wärmeisolierendes Material, und die Peripherie des Abstandshalters ist ein elektrisch leitendes Material.
Es ist möglich, auf diese Weise einen Abstandshalter mit einem schmalen, leitfähigen Ring mit etwas verjüngten Wänden zu erzielen. Es ist auch möglich, die Mitte mit dem Wärmeisolator aufzufüllen. Das die Speicherzelle umgebende Material ist ein isolierendes Dielektrikum, das fast immer auch wärmeisolierend ist, so dass der Abstandshalterring auf beiden Seiten von einer Wärmeisolierung umgeben ist.
1A umfasst einen Datenschreibgenerator 120, der einen Datenschreibstrom durch die Bitleitung 114 ausgibt. Die Schaltung kann auch einen Strom durch die Wortleitungen 110 und 112 erzeugen. Für die Wortleitungen 110 und 112 sind keine elektrischen Verbindungen mit dem Datenschreibgenerator 120 gezeigt.
Obwohl dies in 1A nicht veranschaulicht ist, umfasst der MRAM 100 in der Regel eine Leseschaltung zum Erfassen des Widerstandes ausgewählter Speicherzellen 102. Während eines Lesevorgangs wird an die Bitleitung 114 eine konstante Spannung angelegt und durch die Leseschaltung erfasst. Eine externe Schaltung kann die konstante Versorgungsspannung bereitstellen.
Die Umkehrung einer derartigen Struktur kann ebenfalls verwendet werden. Ein isolierender Abstandshalterring kann um einen leitenden verjüngten oder geraden Kern in der Mitte verwendet werden. Ein derartiger Prozess wird als „DRAM-Abstandshalter”-Prozess bezeichnet und wird bei der Herstellung von DRAMs verwendet, um einen scharfen vertikalen Abstandshalter an den Rändern der Gates eines CMOS-Transistors zu erzeugen. Dies verbessert die Leistungsfähigkeit des CMOS-Transistors beträchtlich, indem im einzelnen die parasitären Gate-Zu-Source- und Gate-Zu-Drain-Kapazitäten verringert werden.
2 zeigt einen Abschnitt der Vorrichtung 200, der magnetische Speicherzellen 202 aufweist. Jede magnetische Speicherzelle umfasst eine Referenzschicht 204, eine dielektrische Schicht 206 und eine Datenschicht 208. Die Struktur und Zusammensetzung der magnetischen Speicherzellen 202 sind analog zu denen der magnetischen Speicherzellen 102, die in 1 gezeigt und oben erläutert sind. Die magnetische Speicherzelle 202 ist zwischen einer Wortleitung 210 und einer Bitleitung 212 angeordnet. Bei einer Variation dieses Ausführungsbeispiels kann die Wortleitung 210 jedoch auch als Bitleitung fungieren, und die Bitleitung 212 kann auch als Wortleitung fungieren. Ferner können die Abstandshalter 214 auch unter den MRAM-Zellen 202 positioniert sein.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Abstandshalter 214 einen schmalen leitfähigen Kern 216 auf, und eine Isoliermuffe 218 umgibt den schmalen leitfähigen Kern 216. Der schmale leitfähige Kern 216 weist einen kleineren Querschnitt auf als die MRAM-Zellen, was den Wärmewiderstand, gegenüber Wärme, die durch jede Speicherzelle erzeugt wird, erhöht. Ferner liefert der relativ schmale, leitende Kern jedes Abstandshalters 214 ein lokalisiertes Erwärmen aktiver Speicherzellen, um ein Umschalten zwischen Zellzuständen zu erleichtern.
Das leitfähige Material der Abstandshalter ist bei diesem Ausführungsbeispiel TaN oder ein Silicid. Allgemein umfassen mögliche Materialien auch elektrisch leitfähige amorphe Materialien, z. B. amorphes Silizium oder amorphen Kohlenstoff, auf Grund des höheren thermischen Widerstands des amorphen Zustands.
Die Abstandshalter 116 und 214 sind eventuell nicht in direktem Kontakt mit den Bitleitungen. Beispielsweise können Schichten eines weiteren Materials zwischen den Abstandshaltern 116 und den Bitleitungen angeordnet sein. Die Abstandshalter 214 weisen ein Gewicht von etwa 100 nm und eine Grundfläche von etwa 150 × 150 nm auf. Derartige Abstandshalter können wie folgt hergestellt werden.
Anfänglich werden die magnetischen Speicherzellen 202 durch bekannte Aufbringungs- und Ätzverarbeitungsschritte hergestellt. Eine erste Schicht aus einem isolierenden Material, z. B. SiO₂, wird vor einem Strukturieren bis zu einer Dicke von etwa 100 nm über die magnetischen Speicherschichten aufgebracht. Das erste isolierende Material wird strukturiert, wenn die Speicherzellen geätzt werden, was dazu führt, dass der Abstandshalter 214 dieselben Abmessungen aufweist wie die Speicherzellen 202. Der Bereich zwischen und über den magnetischen Speicherzellen wird mit einem zweiten isolierenden Material wie z. B. Si₃N₄ gefüllt und anschließend anhand von CMP planarisiert. Ein Positivresistphotolithographieprozess wird verwendet, um die Position und Größe eines Durchgangslochs zu definieren, das in die erste isolierende Schicht geätzt werden soll. Darauf folgt ein anisotroper Ätzprozess, der das Durchgangsloch bzw. den Hohlraum in dem ersten isolierenden Material über den MRAM-Zellen erzeugt. Eine dritte Schicht des isolierenden Materials wird auf die Struktur aufgebracht, um die Wände und den Boden jedes hohlen Abschnitts über den MRAM-Zellen auszukleiden. Ein anisotroper Trockenätzprozess wird anschließend verwendet, um selektiv durch den Boden der isolierenden Auskleidung zu ätzen, um die obere Schicht der MRAM-Zellen freizulegen. Die Aufbringung und das Ätzen der dritten isolierenden Schicht kann den Durchmesser des Durchgangslochs unter die lithographische Grenze reduzieren. Die hohlen Abschnitte werden anschließend mit einem leitfähigen Material gefüllt und anhand von CMP planarisiert, so dass Abstandshalter gebildet werden, die einen leitfähigen Kern aufweisen, der entlang der Peripherie bzw. des Umfangs von isolierenden Wänden umgeben ist. Mögliche Materialien für den leitfähigen Kern umfassen TaN, ein Silicid oder elektrisch leitfähige amorphe Materialien, z. B. amorphes Silizium oder amorphen Kohlenstoff, auf Grund der höheren Thermisch resistivkeit des amorphen Zustands.
Die Abstandshalter 214 berühren die Bitleitungen direkt. Alternativ dazu können zwischen den Abstandshaltern 214 und den Bitleitungen Schichten eines weiteren Material angeordnet sein.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der MRAM-Vorrichtung. Die Vorrichtung 300 umfasst identische Komponenten wie die Vorrichtung 100, die in 1A und 1B gezeigt ist und oben beschrieben wurde, jedoch weisen die Wort- und Bitleitungen bei diesem Ausführungsbeispiel Abschnitte einer verringerten Dicke auf, die die MRAM-Zellen berühren. 3 zeigt eine MRAM-Zelle 302, und Leitungen 304 und 306 berühren die MRAM-Zelle 302. Jede MRAM-Zelle umfasst eine Datenschicht 308, eine dielektrische Schicht 310 und eine Referenzschicht 312. Die Struktur und Zusammensetzung der magnetischen Speicherzellen 302 sind analog zu denen der magnetischen Speicherzellen 102, die in 1 gezeigt und oben erläutert wurden.
Jede magnetische Speicherzelle kann eine Anzahl von zusätzlichen Schichten, z. B. Abdeckungs-, AF- und Keimschichten, umfassen, die der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt sind. Ferner kann die Bitleitung 304 bei einer Variation dieses Ausführungsbeispiels als Wortleitung dienen, und die Wortleitung 306 kann als Bitleitung dienen. Die Bitleitung 304 kann unter der MRAM-Zelle 302 angeordnet sein, und die Wortleitung 306 kann über der MRAM-Zelle 302 angeordnet sein.
Die verringerte Dicke der Bitleitung 304 bewirkt einen Anstieg der thermischen und elektrischen Widerstände, was einen Verlust der in der aktiven MRAM-Zelle 302 erzeugten Wärme verringert. Auf Grund des erhöhten elektrischen Widerstands erzeugt der Abschnitt der verringerten Dicke ferner resistive Wärme, was ein Umschalten von Zellzuständen zudem erleichtert. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Bitleitung 304 ein Verbundmaterial umfassen. Beispielsweise können die Abschnitte der verringerten Dicke aus TaN oder einem Silicid oder einem anderen resistiven Material bestehen. Verbindungsabschnitte, die die Abschnitte verringerter Dicke verbinden, können aus Kupfer oder einem anderen Material einer hohen Leitfähigkeit bestehen. In diesem Fall erhöht die Wahl des Materials für die resistiven Abschnitte ferner den lokalen Wärme- und elektrischen Widerstand der Abschnitte der verringerten Dicke.
4A und 4B zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der MRAM-Vorrichtung. Wiederum umfasst die Vorrichtung 400 identische Komponenten wie die Vorrichtung 100, die in 1A und 1B gezeigt ist und oben beschrieben wurde, jedoch weist die Wort- oder Bitleitung bei diesem Ausführungsbeispiel Abschnitte einer verringerten Breite auf, die die MRAM-Zellen berühren. Die 4A und 4B zeigen eine MRAM-Zelle 402, die durch eine Bitleitung 404 und eine Wortleitung 406 berührt wird. Die Struktur und Zusammensetzung der magnetischen Speicherzellen 402 sind analog zu denen der magnetischen Speicherzellen 302, die in 3 gezeigt sind und oben erläutert wurden. Die MRAM-Zelle 402 umfasst eine Anzahl von zusätzlichen Schichten wie z. B. Abdeckungs-, AF- und Keimschichten, die der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt sind. Ferner kann die Bitleitung 404 bei einer Variation dieses Ausführungsbeispiels als Wortleitung dienen, und die Wortleitung 406 kann als Bitleitung dienen. Die Bitleitung 404 kann auch unter der MRAM-Zelle 402 angeordnet sein, und die Wortleitung 406 kann über der MRAM-Zelle 402 angeordnet sein.
Die verringerte Breite der Bitleitung 404 bewirkt einen Anstieg des Wärme- und des elektrischen Widerstandes, was den Verlust von Wärme, die in einer aktiven MRAM-Zelle 402 erzeugt wird, verringert. Auf Grund des erhöhten elektrischen Widerstandes erzeugt der Abschnitt der verringerten Breite außerdem resistive Wärme, was ein Umschalten zwischen Zellzuständen weiter erleichtert. Wie bei dem in 3 gezeigten und oben erörterten Ausführungsbeispiel können die Abschnitte einer verringerten Breite aus TaN oder einem Silicid bestehen, was den lokalen Wärme- und elektrischen Widerstand der Abschnitte verringerter Breite weiter erhöht.
Bei dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel bestehen die Bit- und Wortleitungen aus einem Leiter, z. B. Kupfer, und werden unter Verwendung von Standardprozeduren hergestellt. Die resistiven Abschnitte werden unter Verwendung einer Sequenz von Aufbringungs- und Ätzverarbeitungsschritten geformt.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Beispiele beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung auch in vielen anderen Formen verkörpert werden kann. Beispielsweise können die magnetischen Speicherzellen Kolossal-Magnetoresistenz-Speicherzellen (CMR) oder Giant-Magnetoresistenz-Speicherzellen (GMR) sein. Die Vorrichtungen 100 und 200 können ein Array umfassen, das eine beliebige Anzahl von Speicherzellen aufweist, die in einer beliebigen Anzahl von Zeilen und Spalten angeordnet sind. Ferner wird man erkennen, dass die Abstandshalter nicht nur von oben, wie in 1A und 1B gezeigt, oder von unten, wie in 2 gezeigt, sondern von oben und unten mit den magnetischen Speicherzellen gekoppelt sein können. Ferner können die Abstandshalter mehr als eine Ausnehmung aufweisen.
Ferner wird man erkennen, dass die MRAM-Vorrichtung Merkmale aufweisen kann, die eine Kombination der in 1 bis 4 gezeigten Merkmale sein können. Beispielsweise kann die MRAM-Vorrichtung Abstandshalter aufweisen, und zusätzlich können die Bit- oder Wortleitungen Abschnitte einer verringerten Querschnittsfläche aufweisen, die den Wärme- und/oder den elektrischen Widerstand erhöhen.

Claims

Magnetische Direktzugriffsspeicher-Vorrichtung (MRAM-Vorrichtung) (100, 200, 300), mit einem Array von magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402), die Daten als unterschiedliche Impedanzwerte speichern; einem Gitter von Bit- und Wortleitungen (110, 112, 114, 210, 212, 304, 404, 406) zum selektiven Zugreifen auf Daten in dem Array von magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402); und einer Mehrzahl von entsprechenden Widerständen (116, 214, 304, 404), von denen jeder in Serie mit einer der magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402) und einer der Bit- und Wortleitungen (110, 112, 114, 210, 212, 304, 404, 406) platziert ist; wobei die entsprechenden Widerstände (116, 214, 304, 404) eine lokalisierte Erwärmung Ausgewählter der magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402) bewirken, was ihr Umschalten unterstützt, wobei die entsprechenden Widerstände (116, 214, 304, 404) einen Kopplungsoberflächenbereich zum Ankoppeln der Widerstände an ein elektrisch leitfähiges Material und eine Grundfläche aufweisen, wobei der Kopplungsoberflächenbereich der entsprechenden Widerstände eine relativ kleine Querschnittsfläche eines elektrisch leitfähigen Materials aufweist, die kleiner als die Grundfläche der entsprechenden Widerstände ist, um eine Wärmeabführung bei den Ausgewählten der magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402) in das Gitter von Bit- und Wortleitungen (110, 112, 114, 210, 212, 304, 404, 406) zu verringern.
Der MRAM (100, 200, 300) gemäß Anspruch 1, bei dem: durch die relativ kleine Querschnittsfläche des elektrisch leitfähigen Materials der Mehrzahl von entsprechenden Widerständen (116, 214, 304, 404) die elektrische Leitfähigkeit ein elektroresistives Erwärmen der Ausgewählten der magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402) bewirkt.
Magnetische Direktzugriffsspeicher-Vorrichtung (MRAM-Vorrichtung) (100, 200, 300), mit einem Array von magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402), die Daten als unterschiedliche Impedanzwerte speichern; einem Gitter von Bit- und Wortleitungen (110, 112, 114, 210, 212, 304, 404, 406) zum selektiven Zugreifen auf Daten in dem Array von magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402); und einer Mehrzahl von entsprechenden Widerständen (116, 214, 304, 404), von denen jeder in Serie mit einer der magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402) und einer der Bit- und Wortleitungen (110, 112, 114, 210, 212, 304, 404, 406) platziert ist; wobei die entsprechenden Widerstände (116, 214, 304, 404) eine lokalisierte Erwärmung Ausgewählter der magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402) bewirken, was ihr Umschalten unterstützt, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von entsprechenden Widerständen (116, 214) eine Mehrzahl von Abstandshaltern umfasst, wobei jeder Abstandshalter eine Leitung mit einer jeweiligen der magnetischen Speicherzellen (102, 202) verbindet, wobei jeder Abstandshalter eine Verbindungsfläche aufweist, die ein wärmeisolierendes Material verwendet, um Barrieren für eine Wärmeleitung von den Speicherzellen (102, 202) zu bilden, wodurch das Umschalten zwischen Zellzuständen erleichtert wird.
Magnetische Direktzugriffsspeicher-Vorrichtung (MRAM-Vorrichtung) (100, 200, 300) gemäß Anspruch 3 wobei die Verbindungsfläche einen Peripherieabschnitt aufweist, der elektrisch leitfähig ist, und einen Kernabschnitt aufweist, der wärmeisolierend ist, um Barrieren für eine Wärmeleitung von den Speicherzellen (102, 202) zu bilden, wodurch ein Umschalten zwischen Zellzuständen erleichtert wird.
Der MRAM (100, 200) gemäß Anspruch 4, bei dem der leitfähige Peripherieabschnitt eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die der Speicherzelle (102, 202).
MRAM (100, 200) gemäß Anspruch 5, bei dem: der elektrisch leitfähige Peripherieabschnitt durch einen isotropen Ätzprozess erzeugt ist, der elektrisch leitfähiges Material von einem Kernabschnitt des Abstandshalters (116, 214) entfernt.
MRAM (100, 200) gemäß Anspruch 6, bei dem: der elektrisch leitfähige Peripherieabschnitt einen schmalen Steg eines leitfähigen Materials umfasst, durch den eine elektrische Verbindung mit der Speicherzelle (102, 202) eingerichtet ist.
Magnetische Direktzugriffsspeicher-Vorrichtung (MRAM-Vorrichtung) (100, 200, 300) gemäß Anspruch 3, wobei die Verbindungsfläche der Abstandshalter einen Peripherieabschnitt aufweist, der wärmeisolierend ist, und einen Kernabschnitt, der elektrisch leitfähig ist, aufweist, um Barrieren für eine Wärmeleitung von den Speicherzellen (102, 202) zu bilden, wodurch ein Umschalten zwischen Zellzuständen erleichtert wird.
MRAM (100, 200) gemäß Anspruch 8, bei dem der leitfähige Kernabschnitt eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die der Speicherzelle (102, 202).
MRAM (100, 200) gemäß Anspruch 8, bei dem: der elektrisch leitfähige Kernabschnitt gebildet wird, indem unter Verwendung eines isotropen Ätzprozesses ein Loch in ein isolierendes Material geätzt wird und indem das Loch mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt wird, durch das eine Verbindung mit den Speicherzellen (102, 202) eingerichtet wird.
Magnetische Direktzugriffsspeicher-Vorrichtung (MRAM-Vorrichtung) (100, 200, 300), mit einem Array von magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402), die Daten als unterschiedliche Impedanzwerte speichern; einem Gitter von Bit- und Wortleitungen (110, 112, 114, 210, 212, 304, 404, 406) zum selektiven Zugreifen auf Daten in dem Array von magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402); und einer Mehrzahl von entsprechenden Widerständen (116, 214, 304, 404), von denen jeder in Serie mit einer der magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402) und einer der Bit- und Wortleitungen (110, 112, 114, 210, 212, 304, 404, 406) platziert ist; wobei die entsprechenden Widerstände (116, 214, 304, 404) eine lokalisierte Erwähnung Ausgewählter der magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402) bewirken, was ihr Umschalten unterstützt, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechenden Widerstände (116, 214) als Bereiche eines verringerten Querschnitts der Leitungen in dem Gitter gebildet sind um den Verlust der in der aktiven Speicherzelle (402) erzeugten Wärme zu verringern.
MRAM (100, 200) gemäß Anspruch 11, bei dem: die verringerte Querschnittsfläche erzeugt wird, indem die Dicke einer oder mehrerer Leiterleitungen in der zu einer oder mehreren magnetischen Speicherzellen (102, 202) benachbarten Region verringert ist.
MRAM (100, 200) gemäß Anspruch 11, bei dem: die verringerte Querschnittsfläche erzeugt ist, indem die Breite einer oder mehrerer Leiterleitungen in einer zu einer oder mehreren magnetischen Speicherzellen (102, 202) benachbarten Region verengt ist.
Magnetische Direktzugriffsspeicher-Vorrichtung (MRAM-Vorrichtung) (400), die folgende Merkmale aufweist: ein Array von magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402), die Daten als unterschiedliche Impedanzwerte speichern; ein Gitter von Bit- und Wortleitungen (110, 112, 114, 210, 212, 304, 404, 406) zum selektiven Zugreifen auf Daten in dem Array von magnetischen Speicherzellen (102, 202, 302, 402); wobei das Gitter eine Mehrzahl von thermisch resistiven und elektrisch resistiven Abschnitten aufweist, die Verbindungen mit den magnetischen Speicherzellen (101, 102) bereitstellen; wobei die resistiven Abschnitte den Wärmewiderstand für Wärme, die durch jede Speicherzelle erzeugt wird, erhöhen gegenüber einer MRAM-Vorrichtung mit lediglich einem elektrisch resistiven Abschnitt und während des Betriebs ein lokalisiertes Erwärmen aktiver Speicherzellen liefern, um ein Umschalten zwischen Zellzuständen zu erleichtern.
Verfahren zum Betreiben von MRAM-Vorrichtungen (100, 200, 300), das folgende Schritte umfasst: Leiten eines elektrischen Stroms durch Abschnitte eines Abstandshalters dessen Kopplungsoberfläche kleiner als seine Grundfläche ist, der Speicherzellen (102, 202, 302, 402) eines MRAM-Arrays mit Bit- und Wortleitungen (110, 112, 114, 210, 212, 304, 404, 406) verbindet, so dass in den schmalen Abschnitten Wärme auf resistive Weise erzeugt wird; und Verwenden der erzeugten Wärme, um ein Umschalten von Speicherzellen zwischen Zellzuständen zu erleichtern.
Verfahren zum Herstellen von MRAM-Vorrichtungen (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Ätzen einer Ausnehmung (118) in eine Verbindungsfläche jedes Abstandshalters unter Verwendung eines isotropen Ätzprozesses, so dass ein schmaler Steg verbleibt, durch den eine verengte Verbindung eingerichtet ist; Füllen der Ausnehmung (118) mit einem wärmeisolierenden Material.