DE19836567C2 - Speicherzellenanordnung mit Speicherelementen mit magnetoresistivem Effekt und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Speicherzellenanordnung mit Speicherelementen mit magnetoresistivem Effekt und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Speicherzellenanordnung mit Spei
cherelementen mit magnetoresistivem Effekt sowie ein Verfah
ren zu deren Herstellung.
Aus der Technologie Analyse XMR-Technologien, Technologie
früherkennung, Verfasser Stefan Mengel, Herausgeber VDI-Tech
nologiezentrum Physikalische Technologie, sind Schichtstruk
turen mit magnetoresistivem Effekt bekannt. Je nach Aufbau
der Schichtstruktur wird unterschieden zwischen GMR-Element,
TMR-Element, AMR-Element und CMR-Element. Der Begriff GMR-
Element wird in der Fachwelt für Schichtstrukturen verwendet,
die mindestens zwei ferromagnetische Schichten und eine da
zwischen angeordnete nichtmagnetische, leitende Schicht auf
weisen und den GMR-(giant magnetoresistance)-Effekt, das
heißt, einen im Vergleich zum AMR-(anisotropic magnetoresi
stance)-Effekt großen magnetoresistiven Effekt zeigen. Unter
dem GMR-Effekt wird die Tatsache verstanden, daß der elektri
sche Widerstand des GMR-Elements sowohl für Ströme parallel
(CIP current in plane) als auch senkrecht (CPP current per
pendicular to plane) zu den Schichtebenen abhängig davon ist,
ob die Magnetisierungen in den beiden ferromagnetischen
Schichten parallel oder antiparallel ausgerichtet sind. Der
Widerstand ändert sich dabei abhängig von der Ausrichtung der
Magnetisierungen um ΔR/R = 5 Prozent bis 20 Prozent bei Raum
temperatur.
Der Begriff TMR-Element wird in der Fachwelt für "Tunneling
Magnetoresistance"-Schichtstrukturen verwendet, die minde
stens zwei ferromagnetische Schichten und eine dazwischen an
geordnete isolierende, nichtmagnetische Schicht aufweisen.
Die isolierende Schicht ist dabei so dünn, daß es zu einem
Tunnelstrom zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten
kommt. Diese Schichtstrukturen zeigen ebenfalls einen magne
toresistiven Effekt, der durch einen spinpolarisierten Tun
nelstrom durch die zwischen den beiden ferromagnetischen
Schichten angeordnete isolierende, nichtmagnetische Schicht
bewirkt wird. Auch in diesem Fall ist der elektrische Wider
stand des TMR-Elementes (CPP-Anordnung) abhängig davon, ob
die Magnetisierungen in den beiden ferromagnetischen Schich
ten parallel oder antiparallel ausgerichtet sind. Der Wider
stand variiert um ΔR/R = 10 Prozent bis ca. 30 Prozent bei
Raumtemperatur.
Der AMR-Effekt äußert sich dadurch, daß der Widerstand in ma
gnetisierten Leitern parallel und senkrecht zur Magnetisie
rungsrichtung verschieden ist. Er ist ein Volumeneffekt und
tritt somit in ferromagnetischen Einfachschichten auf.
Ein weiterer Magnetowiderstandseffekt, der wegen seiner Größe
(um ΔR/R = 100 Prozent bis 400 Prozent bei Raumtemperatur)
Colossal Magnetoresistance-Effekt genannt wird, erfordert we
gen seiner hohen Koerzitivkräfte ein hohes Magnetfeld zum Um
schalten zwischen den Magnetisierungszuständen.
Es ist vorgeschlagen worden (siehe zum Beispiel D. D. Tang,
P. K. Wang, V. S. Speriosu, S. Le, K. K. Kung, "Spin Valve
RAM Cell" IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 31, No. 6,
Nov. 1995, Seite 3206), GMR-Elemente als Speicherelemente in
einer Speicherzellenanordnung zu verwenden. Die Magnetisie
rungsrichtung der einen ferromagnetischen Schicht der GMR-
Elemente wird dabei zum Beispiel durch eine benachbarte anti
ferromagnetische Schicht festgehalten. Es sind x- und y-
Leitungen vorgesehen, die sich kreuzen. An den Kreuzungspunk
ten der x/y-Leitungen ist jeweils ein Speicherelement ange
ordnet. Zum Einschreiben von Information werden die x/y-
Leitungen mit Signalen beaufschlagt, die am Kreuzungspunkt
ein für die Ummagnetisierung ausreichendes magnetisches Feld
verursachen. Zum Auslesen der Information können die x/y-
Leitungen mit einem Signal beaufschlagt werden, durch das die
betreffende Speicherzelle zwischen den beiden Magnetisie
rungszuständen hin und her geschaltet wird. Gemessen wird der
Strom durch das Speicherelement, aus dem der Widerstandswert
und damit die Information ermittelt wird.
Zum Schreiben und Lesen sind dabei lokale Magnetfelder von 10
Oe bis etwa 100 Oe entsprechend 8 A/cm bis 80 A/cm erforder
lich. Dabei ist es erstrebenswert, die Magnetfelder durch
möglichst geringe Ströme in den Leitungen zu erzeugen.
Mit fortschreitender Miniaturisierung werden die zur Erzeu
gung der lokalen Magnetfelder erforderlichen Stromdichten je
doch größer. Zusätzlich ist der Effekt beobachtet worden
(siehe M. H. Kryder, Kie Y. Ahn, N. J. Mazzeo, S. Schwarzl,
and S. M. Kane, "Magnetic Properties and Domain Structures in
Narrow NiFe Stripes", IEEE Transactions on Magnetics, Vol.
Mag.-16, No. 1, Januar 1980, Seite 99), daß die magnetischen
Schaltfeldschwellen mit kleiner werdenden Dimensionen zuneh
men, also höhere Ströme zum Sehalten erforderlich werden.
Aus US 5 587 943 ist ein nichtflüchtiger magnetoresistiver
Speicher mit einer geschlossenen Flußstruktur in mindestens
einer Dimension bekannt. Die Speicherzelle enthält Mittel zum
Lesen und Schreiben von Information in eine magnetoresistive
Struktur sowie einen Auswahlleiter, über den ein oder mehrere
Auswahlsignale an das Speicherelement angelegt werden können,
so daß ein Lesen oder Schreiben ermöglicht wird. Gemäß einer
Ausführungsform sind eine Schreibleitung und eine Leseleitung
als ein einziger Leiter ausgebildet und elektrisch mit dem
Speicherelement gekoppelt.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Spei
cherzellenanordnung mit Speicherelement mit magnetoresistivem
Effekt anzugeben, die mit geringeren Strömen und Stromdichten
als im Stand der Technik programmierbar ist. Ferner soll ein
Verfahren zur Herstellung einer derartigen Speicherzellenan
ordnung angegeben werden.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Spei
cherzellenanordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfah
ren zu deren Herstellung gemäß Anspruch 12. Weitere Ausge
staltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen
hervor.
In der Speicherzellenanordnung ist mindestens eine erste Lei
tung, eine zweite Leitung und ein Speicherelement mit magne
toresistivem Effekt vorgesehen, das an einer Kreuzungsstelle
zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung angeord
net ist. Vorzugsweise ist das Speicherelement zwischen die
erste Leitung und die zweite Leitung geschaltet. Ferner ist
ein Joch vorgesehen, das mindestens eine der Leitungen teil
weise umgibt und das magnetisierbares Material mit einer re
lativen Permeabilität von mindestens 10 enthält. Das Joch ist
so angeordnet, daß sich der Magnetfluß durch das Joch im we
sentlichen über das Speicherelement schließt. Zum Schreiben
der Speicherzelle werden die erste Leitung und die zweite
Leitung so mit Strom beaufschlagt, daß durch Überlagerung der
Magnetfelder der ersten Leitung und der zweiten Leitung am
Ort des Speicherelementes ein Magnetfeld erzeugt wird, das
die Schaltschwelle des Speicherelementes übersteigt.
Das Joch wird dabei durch das Magnetfeld der stromdurchflos
senen Leitung, die von dem Joch teilweise umgeben ist, magne
tisiert. Dadurch wird die Induktionsflußdichte B um einen
Faktor µr, der relativen Permeabilität, vergrößert. Dadurch
entstehen magnetische Pole an den Stirnflächen des Jochs,
zwischen denen ein magnetisches Feld erzeugt wird. Dieses ma
gnetische Feld nimmt abhängig von der Wahl des Materials des
Jochs sehr hohe Werte an und wird zum Schalten des Speichere
lementes genutzt. Bei gleicher Stromdichte in der Leitung
werden somit erheblich höhere magnetische Felder zum Schalten
des Speicherelementes erzielt.
Das Joch kann aus allen ferromagnetischen und ferrimagneti
schen Materialien gebildet werden.
Das Joch wird vorzugsweise aus weichmagnetischen, ferromagne
tischen Schichten, insbesondere aus Fe, Ni, Co, Mn, MnBi, Fe-
Si-, FeNi-, FeCo-, FeAl-Legierungen oder weichmagnetischen
Ferriten gebildet.
Die Verwendung eines Magnetflußkonzentrators in einer Spei
cherzellenanordnung ist zwar in US-PS 4 455 626 bereits vor
geschlagen worden. Dort wird als Speicherelement eine Schicht
verwendet, in der die Magnetisierung in Abhängigkeit der In
formation durch zwei benachbarte Schreibleitungen geändert
wird. Zum Auslesen der Information ist ein magnetoresistiver
Sensor vorgesehen, der unterhalb der Speicherschicht zusammen
mit einer Leseleitung im Spalt einer als Magnetfeldkonzentra
tor bezeichneten planaren Schicht aus magnetisierbarem Mate
rial angeordnet ist. Durch diesen Magnetfeldkonzentrator wird
der magnetische Fluß der Speicherschicht auf den magnetoresi
stiven Sensor konzentriert. Die Anordnung ist nicht dafür
vorgesehen und geeignet, die Wirksamkeit der Ströme in den
linearen Schreibleitungen für das Ummagnetisieren der magne
tischen Speicherschicht zu erhöhen.
In der erfindungsgemäßen Speicherzellenanordnung sind als
Speicherelement alle bekannten TMR-Elemente und GMR-Elemente
in CFE-Anordnung (current perpendicular to plane) geeignet.
Der GMR-Effekt ist größer, wenn der Strom senkrecht durch den
Schichtstapel fließt (CPP), als wenn der Strom parallel in
den Schichten (CIP current in plane) fließt. Darüber hinaus
sind alle XMR-Elemente geeignet, die mindestens zwei Magneti
sierungszustände mit unterschiedlichem Widerstand aufweisen,
zwischen denen durch Anlegen eines Magnetfeldes, dessen Höhe für
die Speicheranwendung verträglich ist, hin und her geschaltet
werden kann. Insbesondere ist die Verwendung von CMR-
Elementen möglich, da durch das Joch die erforderlichen Ma
gnetfeldstärken erzielbar sind.
Vorzugsweise weisen die Speicherelemente jeweils zwei ferro
magnetische Schichten und eine dazwischen angeordnete nicht
magnetische, isolierende (TMR) bzw. leitende (GMR) Schicht
auf. Die ferromagnetischen Schichten weisen jeweils zwei Ma
gnetisierungszustände auf. Es ist vorteilhaft, eine isolie
rende, nicht magnetische Schicht zu verwenden (TMR-Element),
weil dadurch höhere Elementwiderstände (≧ 100 KΩ) erzielbar
sind, die hinsichtlich des Leistungsverbrauchs und Si
gnal/Rauschverhältnis günstiger sind.
Eine der ferromagnetischen Schichten ist vorzugsweise einer
antiferromagnetischen Schicht benachbart angeordnet, die die
Magnetisierungsrichtung in der benachbarten ferromagnetischen
Schicht fixiert. Für die antiferromagnetische Schicht sind
unter anderem Materialien geeignet, die mindestens eines der
Elemente Fe, Mn, Ni, Cr, Co, V, Ir, Tb und O enthalten.
Alternativ können die Speicherelemente jeweils zwei ferroma
gnetische Schichten und eine dazwischen angeordnete nichtma
gnetische Schicht aufweisen, wobei eine der ferromagnetischen
Schichten magnetisch härter als die andere ferromagnetische
Schicht ist, das heißt, daß nur eine ferromagnetische Schicht
ummagnetisiert wird, während die andere unbeeinflußt bleibt.
Die nichtmagnetische Schicht kann isolierend oder nicht iso
lierend sein.
Alternativ weisen die beiden ferromagnetischen Schichten im
wesentlichen dieselbe Materialzusammensetzung auf, wobei die
Magnetisierung in einer der ferromagnetischen Schichten über
das Joch gezielt umgeschaltet werden kann.
Für die ferromagnetischen Schichten sind unter anderem Mate
rialien geeignet, die mindestens eines der Elemente Fe, Ni,
Co, Cr, Mn, Gd, Dy enthalten. Die Dicke der ferromagnetischen
Schichten bei GMR-Elementen in CIP-Anordnung liegt vorzugs
weise im Bereich zwischen 2 und 10 nm. Bei GMR- und TMR-
Elementen in CPP-Anordnung können die Dicken der ferromagne
tischen Schichten auch größer sein (zum Beispiel 100 bis 200
nm). Für die nichtmagnetische Schicht, die als Tunnelisolator
wirkt, ist als isolierendes Material Al2O3, MgO, NiO, HfO2,
TiO2, NbO oder SiO2 geeignet. Als nichtisolierendes Material
für die nichtmagnetische Schicht ist Cu oder Ag geeignet. Die
Dicke der nichtmagnetischen Schicht liegt im Bereich zwischen
1 und 4 nm, vorzugsweise zwischen 2 und 3 nm.
Die Speicherelemente weisen vorzugsweise Abmessungen im Be
reich zwischen 0,05 µm und 20 µm auf. Sie können unter ande
rem quadratisch oder langgestreckt ausgestaltet sein.
Vorzugsweise sind die Leitungen, das Speicherelement und das
Joch in einem Substrat integriert enthalten. Es ist besonders
vorteilhaft, ein Substrat zu verwenden, das eine Trägerschei
be insbesondere aus Halbleitermaterial, speziell monokri
stallinem Silizium, umfaßt, da in diesem Fall die integrierte
Speicherzellenanordnung mit den Verfahren der Siliziumprozeß
technik herstellbar ist. Dadurch ist eine hohe Packungsdichte
in der Speicherzellenanordnung erzielbar. Darüber hinaus kann
die Peripherie ebenfalls in dem Substrat integriert sein.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Substrat
auf der Trägerscheibe eine erste isolierende Schicht auf, die
mit einem Graben versehen ist. In dem Graben verläuft die er
ste Leitung. Oberhalb der ersten Leitung ist das Speicherele
ment angeordnet und oberhalb des Speicherelementes die zweite
Leitung. Das Joch umgibt entweder die erste Leitung oder die
zweite Leitung teilweise. Umgibt das Joch die erste Leitung
teilweise, so grenzt es an die Seiten und an den Boden des
Grabens und ist durch eine Schichtabscheidung nach der Bil
dung des Grabens in der ersten isolierenden Schicht herstell
bar. Umgibt das Joch die zweite Leitung, so grenzt es an die
Seiten und die dem Speicherelement abgewandten Oberfläche der
zweiten Leitung an und ist durch eine Schichtabscheidung und
Spacerätzungen herstellbar.
Vorzugsweise sind ein erstes Joch und ein zweites Joch vorge
sehen, die jeweils wie das Joch ausgebildet sind, und von de
nen das erste Joch die erste Leitung teilweise umgibt und das
zweite Joch die zweite Leitung teilweise umgibt. Sowohl das
erste Joch als auch das zweite Joch sind so angeordnet, daß
ein magnetischer Fluß durch das erste Joch bzw. das zweite
Joch sich im wesentlichen über das Speicherelement schließt.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß sowohl das von der
stromdurchflossenen ersten Leitung erzeugte Magnetfeld als
auch das von der stromdurchflossenen zweiten Leitung erzeugte
Magnetfeld über das erste Joch bzw. das zweite Joch ein ver
stärktes Magnetfeld am Ort des Speicherelementes bewirkt.
In der Speicherzellenanordnung wird die Speicherzelle durch
die erste Leitung und die zweite Leitung, zwischen die das
Speicherelement geschaltet ist, ausgewählt. Der Verlauf der
ersten Leitung und der zweiten Leitung zueinander kann im Be
reich des Speicherelementes sowohl parallel auch senkrecht
zueinander sein. Entsprechend überlagern sich am Ort des
Speicherelementes parallel ausgerichtete Magnetfelder oder
senkrecht zueinander ausgerichtete Magnetfelder.
Zur Erzielung hoher Speicherdichten ist es vorteilhaft, eine
Vielzahl Speicherelemente mit Joch, erster Leitungen und
zweiter Leitungen vorzusehen. Die Speicherelemente, die vor
zugsweise rasterförmig angeordnet sind, sind jeweils an einer
Kreuzungsstelle zwischen einer der ersten Leitungen und einer
der zweiten Leitungen angeordnet.
Da in der erfindungsgemäßen Speicherzellenanordnung bei gege
bener Stromstärke erheblich höhere, mindestens um einen Fak
tor 10 bis 100, lokale Magnetfelder erzeugt werden, treten in
den Leitungen bei gleichem Leitungsquerschnitt erheblich ge
ringere Stromdichten auf. Auch bei starker Miniaturisierung
der Speicherzellenanordnung liegen die erforderlichen Strom
dichten unter der durch Elektromigration bestimmten Grenze.
Da erhöhte lokale Magnetfelder bei gleicher Stromstärke er
zielbar sind, können für das Speicherelement auch magnetisch
härtere Schichten, die eine wesentlich höhere Koerzitivfeld
stärke als 10 Oe aufweisen, verwendet werden. Speicherelemen
te aus magnetisch härteren Schichten haben den Vorteil, daß
sie gegenüber äußeren magnetischen Störungen unempfindlicher
sind. Damit werden geringere Anforderungen an die Magnetfeld
abschirmung gestellt. Ferner verringert sich die Gefahr eines
Datenverlustes.
Durch die geringeren Stromdichten ist eine Vergrößerung der
Höhe der Leitungen und damit der Aspektverhältnisse nicht er
forderlich. Die Speicherzellenanordnung ist daher auch für
Stapelanordnungen zur Erhöhung der Speicherdichte geeignet.
Bedingt durch die geringere Stromstärke, die erforderlich
ist, um das gleiche magnetische Feld zu erzeugen, kann der
Leistungsverbrauch bei den Schreib- und Lesevorgängen erheb
lich gesenkt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei
spielen, die in den Figuren dargestellt sind, näher erläu
tert.
Fig. 1a zeigt einen Schnitt durch ein Speicherelement, das
zwischen eine erste Leitung und eine zweite Leitung
geschaltet ist, wobei ein Joch eine der Leitungen
teilweise umgibt.
Fig. 1b zeigt einen Schnitt durch das in Fig. 1a darge
stellte Joch.
Fig. 2a zeigt ein Speicherelement, das zwischen eine erste
Leitung und eine zweite Leitung geschaltet ist, wobei
die erste Leitung teilweise von einem Joch umgeben
ist.
Fig. 2b zeigt einen Schnitt durch das in Fig. 2a gezeigte
Joch und das Speicherelement.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein Substrat nach einer
Grabenätzung unter Abscheidung einer ferromagneti
schen Schicht.
Fig. 4 zeigt den in Fig. 3 dargestellten Schnitt durch das
Substrat nach Bildung eines ersten Joches und einer
ersten Leitung im Graben.
Fig. 5 zeigt den in Fig. 4 dargestellten Schnitt durch das
Substrat nach Bildung einer ersten ferromagnetischen
Schicht, die von einer isolierenden Schicht umgeben
ist.
Fig. 6a zeigt den in Fig. 5 dargestellten Schnitt durch das
Substrat nach Bildung einer Tunnelschicht und einer
zweiten ferromagnetischen Schicht.
Fig. 6b zeigt den in Fig. 6a mit b-b bezeichneten Schnitt
nach Abscheidung einer isolierenden Schicht und Aus
bildung eines zweiten Grabens. Der in Fig. 6a darge
stellte Schnitt ist in Fig. 6b mit a-a bezeichnet.
Fig. 7 zeigt den in Fig. 6b dargestellten Schnitt nach Bil
dung von Spacern und einer zweiten Leitung oberhalb
der zweiten ferromagnetischen Schicht.
Fig. 8 zeigt den in Fig. 7 dargestellten Schnitt durch das
Substrat nach Bildung einer Deckschicht oberhalb der
zweiten Leitung, die gemeinsam mit den Spacern ein
zweites Joch bildet.
Fig. 9 zeigt einen Ausschnitt aus einer Speicherzellenanord
nung, die als Speicherelemente magnetoresistive Ele
mente aufweist.
Ein Speicherelement SE mit magnetoresistivem Effekt ist zwi
schen einer ersten Leitung L1 zum Beispiel aus AlCu und einer
zweiten Leitung L2 zum Beispiel aus AlCu angeordnet. Das
Speicherelement SE ist elektrisch sowohl mit der ersten Lei
tung L1 als auch mit der zweiten Leitung L2 verbunden. Die
erste Leitung L1 und die zweite Leitung L2 verlaufen senk
recht zueinander. Am Kreuzungspunkt zwischen der ersten Lei
tung L1 und der zweiten Leitung L2 ist das Speicherelement SE
angeordnet.
Die zweite Leitung L2 ist teilweise von einem Joch J umgeben
(siehe Fig. 1a). Das Joch J umfaßt ein oberes Teil J1, zwei
seitliche Teile J2 sowie zwei untere Teile J3. Das obere Teil
J1 grenzt an diejenige Oberfläche der zweiten Leitung L2 an,
die dem Speicherelement SE abgewandt ist. Die seitlichen Tei
le J2 grenzen an das obere Teil J1 und die Seitenwände der
zweiten Leitung L2 an. Die unteren Teile J3 grenzen an die
seitlichen Teile J2 und den Teil der Oberfläche der zweiten
Leitung L2 an, der dem Speicherelement SE benachbart ist. Das
Joch J wird aus Eisen gebildet. Darüber hinaus sind alle wei
chen Ferromagnetika wie Fe, FeNi, Ni, Co oder ähnliches ge
eignet. Die Dicke D des oberen Teils J1 senkrecht zu der
durch die erste Leitung L1 und die zweite L2 aufgespannten
Ebene sowie die vergleichbare Dicke der seitlichen Teile 12
parallel zu der von L1 und L2 aufgespannten Ebene betragen
ca. 20 Prozent der Breite der Leitung L2. Die Dicke d der un
teren Teile J3 senkrecht zu der von der ersten Leitung L1 und
der zweiten Leitung L2 aufgespannten Ebene ist mindestens
gleich der Dicke des Speicherelements SE, maximal etwa 20
Prozent der Breite der Leitbahn L2 (siehe Fig. 1b).
Wird die zweite Leitung L2 von einem Strom durchflossen, so
wird außerhalb der Leitung L2 ein Magnetfeld H erzeugt. Die
ses Magnetfeld erzeugt im Joch J einen magnetischen Fluß Φ =
µoµr H, der im magnetischen Kreis näherungsweise konstant
ist. In dem oberen Teil J1 des Joches beträgt der magnetische
Fluß Φ = µoµr F H wobei F = D b die Querschnittsfläche der
Jochteile J1 und J2 und b die Ausdehnung des Joches J senk
recht zur Zeichenebene ist. In den unteren Teilen J3 des Jo
ches J beträgt der magnetische Fluß Φ = µoµr f H, wobei f =
d b die Querschnittsfläche der Teile J3 ist. Die unteren Tei
le J3 des Joches J weisen an den einander zugewandten Stirn
flächen magnetische Pole auf. Zwischen den magnetischen Polen
P wird ein magnetisches Feld Ha erzeugt, für das wegen der
Konstanz des magnetischen Flusses näherungsweise gilt: Ha =
µr F/f H. Da andererseits die maximal erreichbare Magnetfeld
stärke in weichmagnetischem Material bei Sättigung durch die
Sättigungsmagnetisierung MS des Polschuhmaterials bestimmt
wird, gilt: Ha = F/f (H + MS) ≈ (F/f) MS. Gegenüber der Sät
tigungsmagnetisierung MS ist das Magnetfeld H, das in der
Größenordnung 10 bis 100 A/cm liegt, meist vernachlässigbar.
Eisen weist eine Sättigungsinduktion von µo MS (MS: Sätti
gungsmagnetisierung) = 2,1 T auf. Die maximal erreichbare ma
gnetische Feldstärke Ha beträgt somit 1,67 × 106 A/m (21
kOe), falls F/f gleich 1. Bei dieser Betrachtung wurde ange
nommen, daß die Streufeldverluste zwischen den unteren Teilen
J3 des Joches J und dem Speicherelement SE vernachlässigbar
sind.
Ein Speicherelement SE' mit magnetoresistivem Effekt ist zwi
schen eine erste Leitung L1' und eine zweite Leitung L2' ge
schaltet (siehe Fig. 2a). Die erste Leitung L1' wird teil
weise von einem Joch J' umgeben. Das Joch J' weist ein unte
res Teil J1' und zwei seitliche Teile J2' auf. Senkrecht zu
der durch die erste Leitung L1' und die zweite Leitung L2'
aufgespannten Ebene weist der untere Teil J1' des Jochs J'
eine Dicke D von ca. 20 Prozent der Breite der Leitung L1'
auf (siehe Fig. 2b). Die Dicke des Speicherelementes SE'
senkrecht zu der die erste Leitung L1' und die zweite Leitung
L2' aufgespannten Ebene beträgt d = 20 nm bis ca. 100 nm.
Wird die erste Leitung L1' von einem Strom durchflossen, so
entsteht ein Magnetfeld H, das einen magnetischen Fluß Φ in
dem Joch J' und dem Speicherelement SE' bewirkt. Dadurch kann
abhängig vom Vorzeichen des Stroms das Speicherelement ge
schaltet werden. Analog dem in Bezug auf Fig. 1a und 1b er
läuterten Ausführungsbeispiel ergibt sich bei diesem Ausfüh
rungsbeispiel, das in Bezug auf die Fertigung vorzuziehen
ist, eine vergleichbare Verstärkung und Konzentration des
durch den Leiterstrom erzeugten Magnetfeldes am Ort des Spei
cherelements SE'.
Durch diese Konzentratorvariante entstehen inhomogene Magne
tisierungsverteilungen im Speicherelement in den Randberei
chen, die an das Joch J2' angrenzen. Diese beeinträchtigen
die Schaltungswirkung nicht, müssen aber beim Auslesen be
rücksichtigt werden.
Anhand der Fig. 3 bis 8 wird im folgenden die Herstellung
einer Speicherzellenanordnung für eine 0,18 µm-Technologie
beschrieben.
Auf eine Trägerscheibe 1 aus monokristallinem Silizium wird
eine erste isolierende Schicht aus SiO2 aufgebracht. Die er
ste isolierende Schicht 2 weist eine Dicke von 300 bis 400 nm
auf. Unter Verwendung photolithographischer Prozeßschritte
wird in der ersten isolierenden Schicht 2 ein erster Graben 3
erzeugt. Der erste Graben 3 weist eine Tiefe von von 200 bis
300 nm, eine Weite von 250 bis 300 nm und eine vom Zellenfeld
abhängige Länge von 50 µm bis 400 µm auf.
Anschließend wird eine erste weichmagnetische Schicht 4 aus
Fe oder Permalloy (Ni80Fe20) in einer Schichtdicke von 20 bis
60 nm abgeschieden. Die Dicke der ersten weichmagnetischen
Schicht 4 beträgt etwa 10 bis 20 Prozent der Weite des ersten
Grabens 3. Die Abscheidung kann durch Sputtern, Verdampfen,
CVD, Elektroplating oder ähnliches erfolgen (siehe Fig. 3).
Mit Hilfe photolithographischer Prozeßschritte und anisotro
pem Ätzen wird die erste weichmagnetische Schicht 4 quer zur
Richtung des ersten Grabens 3 strukturiert, so daß sie einen
den ersten Graben 3 kreuzenden Streifen aufweist.
Durch Abscheiden einer Metallisierungsschicht, die AlCu ent
hält und die den Bereich des ersten Grabens 3 vollständig
auffüllt, und anschließendes chemisch mechanisches Polieren
wird eine erste Leitung 5 gebildet und durch Strukturieren
der ersten weichmagnetischen Schicht 4 ein erstes Joch 4' ge
bildet. Die Ausdehnung des ersten Joches 4' senkrecht zur
Zeichenebene wird durch die vorhergehende Strukturierung be
stimmt und beträgt 200 bis 300 nm. Das chemisch mechanische
Polieren stoppt, sobald die Oberfläche der ersten isolieren
den Schicht 2 freigelegt ist (siehe Fig. 4).
Es wird ganzflächig eine dünne Isolationsschicht 6 aus SiO2
in einer Schichtdicke von 20 bis 60 nm abgeschieden und mit
Hilfe photolithographischer Prozeßschritte so strukturiert,
daß die Oberfläche der ersten Leitung 5 teilweise freigelegt
wird. Anschließend wird durch Abscheidung und chemisch mecha
nisches Polieren eine erste ferromagnetische Schicht 7 er
zeugt. Die erste ferromagnetische Schicht 7 füllt die Öffnung
in der Isolationsschicht 6 aus. Die erste ferromagnetische
Schicht 7 steht mit der ersten Leitung 5 in elektrischer Ver
bindung (siehe Fig. 5). Die Dicke der ferromagnetischen
Schicht 7 beträgt 20 bis 40 nm, die Breite 180 bis 200 nm und
die Tiefe senkrecht zur Zeichenebene 180 bis 200 nm (siehe
Fig. 5). Die erste ferromagnetische Schicht 7 ist gegen das
erste Joch 4' isoliert.
Durch reaktives Sputtern einer 2 bis 4 nm dicken Aluminium
oxidschicht (Al2O3) (nicht eingezeichnet) wird an der Ober
fläche der ersten ferromagnetischen Schicht 7 eine Tunnelbar
riereschicht 8 aus Al2O3 gebildet.
Die erste ferromagnetische Schicht 7 wird aus Co (oder einem
anderen ferromagnetischen Material) gebildet.
Durch Abscheidung und photolithographische Strukturierung
wird eine zweite ferromagnetische Schicht 9 an der Oberfläche
der Tunnelschicht abgebildet. Die zweite ferromagnetische
Schicht 9 wird aus Co gebildet. Sie weist eine Dicke von 20
bis 60 nm, eine Breite von 180 bis 200 nm und eine Tiefe quer
zum Verlauf der ersten Leitung 5 von 200 bis 300 nm auf
(siehe Fig. 6a und Fig. 6b).
Es wird eine zweite isolierende Schicht 10 aus SiO2 in einer
Schichtdicke von 200 bis 300 nm abgeschieden. Mit Hilfe pho
tolithographischer Prozeßschritte wird in der zweiten isolie
renden Schicht 10 ein zweiter Graben 11 erzeugt. Am Boden des
zweiten Grabens 11 ist die Oberfläche der zweiten ferromagne
tischen Schicht 9 mindestens teilweise freigelegt. Der zweite
Graben 11 weist eine Weite von 200 bis 300 nm, eine Tiefe von
200 bis 300 nm und eine Länge senkrecht zum Verlauf der er
sten Leitung 5 von 50 bis 400 µm auf.
Durch Abscheidung einer zweiten weichmagnetischen Schicht aus
Fe oder Ni80Fe20 und anisotropes Rückätzen werden an den
Flanken des zweiten Grabens 11 Spacer 12 gebildet. Die Breite
der Spacer 12 beträgt 20 bis 60 nm. Sie wird durch die Dicke
der abgeschiedenen zweiten weichmagnetischen Schicht be
stimmt.
Durch Abscheidung einer Metallisierungsschicht, die AlCu auf
weist und eine Dicke von 200 bis 400 nm aufweist, und an
schließendes chemisch mechanisches Polieren, das auf der
Oberfläche der zweiten isolierenden Schicht 10 aus SiO2
stoppt, wird in dem zweiten Graben 11 eine zweite Leitung 13
gebildet. Die zweite Leitung 13 füllt den zweiten Graben 11
vollständig auf (siehe Fig. 7). Durch Abscheidung einer
dritten weichmagnetischen Schicht aus 20 bis 60 nm und Struk
turierung mit Hilfe photolithographischer Prozeßschritte wird
an der Oberfläche der zweiten Leitung 13 ein Jochteil 14 ge
bildet, dessen Querschnitt im wesentlichen dem Querschnitt
der zweiten ferromagnetischen Schicht 9 entspricht. Das Joch
teil 14 und die Spacer 12 bilden gemeinsam ein zweites Joch,
das die zweite Leitung 13 teilweise umgibt. Das zweite Joch
verstärkt das von der stromdurchflossenen zweiten Leitung 13
erzeugte Magnetfeld am Ort der zweiten ferromagnetischen
Schicht 9.
Das erste Joch 4' verstärkt das Magnetfeld, das von der
stromdurchflossenen ersten Leitung 5 erzeugt wird.
Die erste Leitung 5 und die zweite Leitung 13 sind über ein
Speicherelement, das aus der ersten ferromagnetischen Schicht
7, der Tunnelschicht 8 und der zweiten ferromagnetischen
Schicht 9 gebildet wird und das magnetoresistiven Effekt
zeigt, verbunden. Durch entsprechende Ansteuerung der ersten
Leitung 5 und er zweiten Leitung 13 kann der Widerstand des
Speicherelementes gemessen werden. Auf diese Weise wird die
in den verschiedenen Magnetisierungszuständen gespeicherte
Information ausgelesen.
Zum Einschreiben von Information werden die erste Leitung 5
und die zweite Leitung 13 so angesteuert, daß das aufgrund
des Stromflusses resultierende magnetische Feld am Ort der
zweiten ferromagnetischen Schicht 9 ausreicht, den Magneti
sierungszustand der zweiten ferromagnetischen Schicht 9 zu
verändern. Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaf
ten Größe und/oder der ferromagnetischen Schichten 7, 9
bleibt der Magnetisierungszustand der ersten ferromagneti
schen Schicht 7 dabei unverändert.
Zum Aufbau einer Speicherzellenanordnung, die als Speicher
zellen S magnetoresistive Elemente aufweist, werden die Spei
cherelemente S rasterförmig angeordnet (siehe Fig. 9). Jedes
Speicherelement S ist dabei zwischen eine erste Leitung Le1
und eine zweite Leitung Le2 geschaltet. Die ersten Leitungen
Le1 verlaufen untereinander parallel und kreuzen die zweiten
Leitungen Le2, die untereinander ebenfalls parallel verlau
fen.
Claims (14)
1. Speicherzellenanordnung,
- - bei der mindestens eine erste Leitung (L1) und eine zweite Leitung (L2) und ein Speicherelement (SE) mit magnetoresi stivem Effekt vorgesehen sind,
- - bei der das Speicherelement an einer Kreuzungsstelle zwi schen der ersten Leitung (L1) und der zweiten Leitung (L2) angeordnet ist,
- - bei der ein Joch (J) vorgesehen ist, das eine der Leitungen (L2) teilweise umgibt und das magnetisierbares Material mit einer relativen Permeabilität von mindestens 10 enthält,
- - bei der das Joch (J) so angeordnet ist, daß sich ein Ma gnetfluß durch das Joch im wesentlichen über das Spei cherelement (SE) schließt,
- - bei der die Leitungen (5, 13), das Speicherelement (7, 8, 9) und das Joch (4') in einem Substrat (1, 2) integriert enthalten sind.
2. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 1,
bei der das Joch (J) weichmagnetisches, ferromagnetisches Ma
terial enthält.
3. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
bei der das Speicherelement (SE) zwischen die erste Leitung
(L1) und die zweite Leitung (L2) geschaltet ist.
4. Speicherzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- - bei der das Substrat eine Trägerscheibe (1) mit einer Hauptfläche umfaßt, die auf der Hauptfläche eine erste iso lierende Schicht (2) aufweist,
- - bei der in der ersten isolierenden Schicht (2) ein Graben (3) vorgesehen ist, an dessen Boden und Flanken das Joch (4') angrenzt und in dem die erste Leitung (5) angeordnet ist,
- - bei der das Speicherelement (7, 8, 9) oberhalb des Joches und an der Oberfläche der ersten Leitung angeordnet ist.
5. Speicherzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- - bei der das Substrat eine Trägerscheibe (1) mit einer Hauptfläche umfaßt, die auf der Hauptfläche eine erste iso lierende Schicht (2) aufweist,
- - bei der in der ersten isolierenden Schicht (2) ein Graben (3) vorgesehen ist, in dem die erste Leitung (5) angeordnet ist,
- - bei der das Speicherelement (7, 8, 9) an der Oberfläche der ersten Leitung (5) angeordnet ist,
- - bei der oberhalb des Speicherelementes (7, 8, 9) die zweite Leitung (13) angeordnet ist,
- - bei der das Joch (12, 14) oberhalb des Speicherelementes (7, 8, 9) an die Flanken und an die dem Speicherelement ab gewandte Oberfläche der zweiten Leitung (13) angrenzt,
- - bei der eine zweite isolierende Schicht (10) vorgesehen ist, die die zweite Leitung (13) und das Joch (12, 14) teilweise umgibt.
6. Speicherzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- - bei der ein erstes Joch (4') und ein zweites Joch (12, 14) vorgesehen sind, die jeweils eine der Leitungen (5, 13) teilweise umgeben und die jeweils magnetisierbares Material mit einer relativen Permeabilität von mindestens 10 enthal ten,
- - bei der das erste Joch (4') so angeordnet ist, daß sich ein Magnetfluß durch das erste Joch (4') im wesentlichen über das Speicherelement (7, 8, 9) schließt,
- - bei der das zweite Joch so angeordnet ist, daß sich ein Ma gnetfluß durch das zweite Joch (12, 14) im wesentlichen über das Speicherelement (7, 8, 9) schließt.
7. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 6,
- - bei der die Leitungen (5, 13), das Speicherelement (7, 8, 9) und das erste Joch (4') und das zweite Joch (12, 14) in einem Substrat integriert enthalten sind,
- - bei der das Substrat eine Trägerscheibe (1) mit einer Hauptfläche umfaßt, die auf der Hauptfläche eine erste iso lierende Schicht (2) aufweist,
- - bei der in der ersten isolierenden Schicht (2) ein Graben (3) vorgesehen ist, an dessen Boden und Flanken das erste Joch (4') angrenzt und in dem die erste Leitung (5) ange ordnet ist,
- - bei der das Speicherelement (7, 8, 9) oberhalb des ersten Joches (4') und der ersten Leitung (5) angeordnet ist,
- - bei der oberhalb des Speicherelementes die zweite Leitung (13) angeordnet ist,
- - bei der das zweite Joch (12, 14) oberhalb des Speicherele mentes (7, 8, 9) an die Flanken und an die dem Speicherele ment (7, 8, 9) abgewandte Oberfläche der zweiten Leitung (13) angrenzt,
- - bei der eine zweite isolierende Schicht (10) vorgesehen ist, die die zweite Leitung (13) und das zweite Joch (12, 14) mindestens teilweise umgibt.
8. Speicherzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- - bei der untereinander parallel verlaufende erste Leitungen und untereinander parallel verlaufende zweite Leitungen vorgesehen sind,
- - bei der je ein Speicherelement mit magnetoresistivem Effekt und mindestens ein Joch, das eine der Leitungen teilweise umgibt, das magnetisierbares Material mit einer Permeabili tät von mindestens 10 enthält und das so angeordnet ist, daß sich ein Magnetfluß durch das Joch im wesentlichen über das Speicherelement schließt, zwischen ein Paar mit einer der ersten Leitungen und einer der zweiten Leitungen ge schaltet ist.
9. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 6 oder 7,
- - bei der untereinander parallel verlaufende erste Leitungen und untereinander parallel verlaufende zweite Leitungen vorgesehen sind,
- - bei der jeweils ein Speicherelement mit magnetoresistivem Effekt, ein erstes Joch, das eine der ersten Leitungen teilweise umgibt, das magnetisierbares Material mit einer Permabilität von mindestens 10 enthält und das so angeord net ist, daß sich ein Magnetfluß durch das erste Joch im wesentlichen über das Speicherelement schließt, und ein zweites Joch, das eine der zweiten Leitungen teilweise um gibt, das magnetisierbares Material mit einer Permeabilität von mindestens 10 enthält und das so angeordnet ist, daß sich ein Magnetfluß durch das zweite Joch im wesentlichen über das Speicherelement schließt, zwischen ein Paar mit einer der ersten Leitungen und einer der zweiten Leitungen geschaltet ist.
10. Speicherzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- - bei der das Speicherelement bzw. die Speicherelemente min destens eines der Elemente Fe, Ni, Co, Cr, Mn, Gd, Dy oder mindestens eines der Materialien Al2O3, NiO, HfO2, TiO2, NbO, SiO2 enthält bzw. enthalten,
- - bei der das Joch bzw. die Joche mindestens eines der Ele mente Fe, Ni, Co, Cr, Mn, Gd, Dy enthält bzw. enthalten.
11. Verfahren zur Herstellung einer Speicherzellenanordnung,
- - bei dem auf eine Trägerscheibe (1) eine erste isolierende Schicht (2) aufgebracht wird, in der ein erster Graben (3) erzeugt wird,
- - bei dem ein erstes Joch (4') aus magnetisierbarem Material mit einer Permeabilität von mindestens 10 erzeugt wird, das an die Seitenwände und den Boden des Grabens (3) angrenzt,
- - bei dem in dem ersten Graben (3) eine erste Leitung (5) er zeugt wird,
- - bei dem oberhalb des ersten Jochs (4') ein Speicherelement (7, 8, 9) mit magnetoresistivem Effekt erzeugt wird, das mit der ersten Leitung (5) verbunden ist,
- - bei dem oberhalb des Speicherelementes (7, 8, 9) eine zwei te Leitung erzeugt wird, die mit dem Speicherelement (7, 8, 9) verbunden ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
- bei dem nach Erzeugen des ersten Joches (4') eine zweite
isolierende Schicht (10) aufgebracht wird, in der ein zwei
ter Graben (11) erzeugt wird,
- - bei dem an den Flanken des zweiten Grabens (11) Spacer (12) aus magnetisierbarem Material mit einer Permeabilität von mindestens 10 gebildet werden,
- - bei dem in dem zweiten Graben (11) die zweite Leitung (13) erzeugt wird,
- - bei dem ein Jochteil (14) aus magnetisierbarem Material mit einer Permeabilität von mindestens 10 erzeugt wird, das oberhalb des Speicherelementes (7, 8, 9) die zweite Leitung (13) teilweise bedeckt und das mit den Spacern (12) aus ma gnetisierbarem Material in Verbindung steht, so daß die Spacer (12) und das Jochteil (14) ein zweites Joch bilden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
bei dem die erste Leitung (5) und/oder die zweite Leitung
(13) durch Abscheiden einer Metallschicht und chemisch mecha
nisches Polieren gebildet werden.
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