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Dokumentenidentifikation DE102005004126A1 25.08.2005
Titel MRAM-Speicherzelle mit schwacher intrinsisch anisotroper Speicherschicht
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Rührig, Manfred, 90542 Eckental, DE;
Wecker, Joachim, 91341 Röttenbach, DE
Vertreter Müller - Hoffmann & Partner Patentanwälte, 81667 München
DE-Anmeldedatum 28.01.2005
DE-Aktenzeichen 102005004126
Offenlegungstag 25.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.08.2005
IPC-Hauptklasse H01L 27/22
IPC-Nebenklasse G11C 11/02   
Zusammenfassung MRAM-Speicherzelle mit einem Schichtensystem aus im Wesentlichen kreisscheibenförmigen Schichten, umfassend zwei magnetische Schichten, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht getrennt sind, von denen sich die erste magnetische Schicht ("Referenzschicht") hartmagnetisch verhält und die andere, zweite magnetische Schicht ("Speicherschicht") weichmagnetisch verhält, so dass durch den Magnetisierungszustand der Speicherschicht Information speicherbar ist, wobei die Speicherschicht eine, eine magnetische Vorzugsrichtung definierende, schwache intrinsische Anisotropie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht im Wesentlichen parallel zur Magnetisierungsrichtung einer, durch Anlegen eines externen Magnetfelds mit einer zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht senkrechten Feldkomponente auftretenden, Remanenzmagnetisierung im Innern der Speicherschicht ist.

Beschreibung[de]

Innere Priorität:

6. Februar 2004 – 10 2004 005 921.7

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleiter-Speicherbausteine und betrifft insbesondere eine MRAM-Speicherzelle mit einem Schichtensystem aus im Wesentlichen kreisscheibenförmigen Schichten, welches zwei magnetische Schichten umfasst, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht getrennt sind, von denen sich die erste magnetische Schicht hartmagnetisch verhält und die andere, zweite magnetische Schicht weichmagnetisch verhält, so dass durch den Magnetisierungszustand der zweiten magnetischen Schicht Information speicherbar ist. Ferner ist die zweite magnetische Schicht mit einer schwachen intrinsischen Anisotropie versehen, durch welche eine magnetische Vorzugsrichtung definiert ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen MRAM-Speicherzelle.

MRAMs (= Magnetic Random Access Memories) werden aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften als viel versprechende Alternative zu herkömmlichen dynamischen Halbleiterspeichern angesehen. Zum einen sind MRAMs nichtflüchtige Speicher, bei denen im Unterschied zu den herkömmlichen dynamischen Halbleiterspeichern kein Refreshvorgang zur Informationserhaltung erforderlich ist. Andererseits haben MRAM-Speicherzellen einen sehr übersichtlichen Aufbau aus im Wesentlichen zwei magnetischen Schichten, mit einer dazwischen angeordneten nichtmagnetischen Trennschicht. MRAMs sind darüber hinaus gegenüber Strahlungen resistent, so dass eine Informationserhaltung auch bei Strahlungseinfall gewährleistet ist.

Eine MRAM-Speicherzelle beruht bekanntlich auf der ferromagnetischen Speicherung mit Hilfe des TMR-Effekts (TMR = Tunnel-Magnet-Resistance) oder des GMR-Effekts (GMR = Giant Magnet Resistance). Gemäß ihrem herkömmlichen Aufbau ist im Kreuzungspunkt zwischen gekreuzt angeordneten Bit- und Wortleitungen ein Schichtstapel mit einer weichmagnetischen Schicht oder Speicherschicht, einer Tunneloxidschicht und einer hartmagnetischen Schicht oder Referenzschicht angeordnet. Die Magnetisierung der Referenzschicht ist hierbei vorgegeben, während die Magnetisierung der Speicherschicht einstellbar ist, indem durch die Wortleitung und die Bitleitung entsprechende Ströme in unterschiedlichen Richtungen geschickt werden. Durch diese Ströme kann die Magnetisierung der Speicherschicht parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der Referenzschicht eingestellt werden. Bei einer parallelen Magnetisierung von Speicherschicht und Referenzschicht ist der elektrische Widerstand in Stapelrichtung des Schichtenstapels (also von oben nach unten, oder umgekehrt) geringer als bei einer antiparallelen Magnetisierung von Speicherschicht und Referenzschicht. Dieser von den unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen der beiden Schichten abhängige elektrische Widerstand kann als logischer Zustand "0" oder "1" ausgewertet werden.

Die zur Referenzschicht parallele oder antiparallele Magnetisierung der Speicherschicht wird durch eine magnetische Anisotropie der Speicherschicht ermöglicht, durch welche eine magnetische Vorzugsrichtung definiert ist. Herkömmlich wird der Ausdruck "Vorzugsrichtung" verwendet, obgleich "Vorzugsachse" richtiger wäre, da beide Richtungen entlang der Achse gleichermaßen bevorzugt sind. Ungeachtet dessen wird hier der Ausdruck "Vorzugsrichtung" verwendet.

Eine solche magnetische Anisotropie kann durch Formanisotropie bereitgestellt werden. So entspricht bei einer in ihrer Raumform länglich geformten Magnetschicht die magnetische Vorzugsrichtung der geometrischen Längsrichtung der Magnetschicht. Aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeit, dass die Streufeldenergie möglichst gering sein soll, ist es energetisch bevorzugt, wenn die Magnetisierung kollinear zur Vorzugsrichtung der Anisotropie gerichtet ist. Durch Anlegen eines externen Magnetfelds kann die Magnetisierung der Speicherschicht zwischen den beiden energetisch bevorzugten Stellungen hin- und hergeschaltet werden, falls durch das externe Magnetfeld die zur Überwindung der energetisch ungünstigen Zwischenstellungen notwendige Aktivierungsenergie zur Verfügung gestellt wird. In der Praxis wird eine solche Formanisotropie von Speicherzellen beispielsweise durch in ihrer Raumform elliptisch geformte Magnetschichten realisiert.

Bei rotationssymmetrischen Magnetschichten hingegen, muss die magnetische Anisotropie als eine intrinsische Materialeigenschaft erzielt werden, da eine „in-plane" Formanisotropie nicht realisiert werden kann. In der Fachwelt ist die Ursache der intrinsischen Anisotropie noch Gegenstand von lebhaften Diskussionen, jedoch lassen Elektronenbeugungsdaten an amorphen Schichtenmaterialien den Schluss zu, dass als Ursache dieser intrinsischen Anisotropie eine anisotrope Orientierung von atomaren Paarachsen in Richtung des Magnetfelds in Frage kommt.

In herkömmlichen, bekannten MRAM-Speicherzellen ist die Magnetisierung der Speicherschicht stets parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der Referenzschicht eingestellt, da hierdurch ein maximaler Signalhub bezüglich der Widerstandsänderung &Dgr;R/R des Schichtenstapels beim Ummagnetisieren der Magnetisierung der Speicherschicht relativ zur Magnetisierung der Referenzschicht erzielt werden kann.

Nun hat sich jedoch gezeigt, dass bei einer kreisscheibenförmigen Ausgestaltung der Speicherzelle und zudem nur schwacher intrinsischer Anisotropie der Speicherschicht eine stets kollineare Ausrichtung der Magnetisierung der Speicherschicht zur Vorzugsrichtung nicht gewährleistet werden kann. Im Allgemeinen genügt bereits ein einziger Zyklus der Ummagnetisierung der Speicherschicht, dass sich eine remanente Magnetisierung der Speicherschicht einstellt, bei welcher die Magnetisierung nicht-kollinear zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht gerichtet ist.

Dieses Phänomen soll nun anhand von 1 näher erläutert werden. 1 zeigt eine Speicherschicht (linke Abbildung) und eine Referenzschicht (rechte Abbildung) einer herkömmlichen MRAM-Speicherzelle. Für eine erleichterte Bezugnahme ist 1 mit einem X,Y-Achsenkreuz versehen, bei welchem die X-Achse in horizontaler Richtung nach rechts weist, während die Y-Achse in vertikaler Richtung nach oben weist. Die Referenzschicht 1, eine sich hartmagnetisch verhaltende Schicht mit einer Kreisscheibenform, ist entlang der X-Achse magnetisiert, was durch die Pfeile 2 symbolisch dargestellt ist: Die Speicherschicht 3, eine sich weichmagnetisch verhaltende Schicht mit einer Kreisscheibenform, weist eine starke intrinsische Anisotropie mit einer Vorzugsrichtung entlang des Doppelpfeils auf. Die Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie ist demnach längs der X-Achse bzw. -X-Achse ausgerichtet. Im Inneren der Speicherschicht 3 folgt die durch die Pfeile 4 symbolisierte Magnetisierung im Wesentlichen dem Verlauf der Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie. Ferner ist die Magnetisierung 4 im Inneren, der Speicherschicht 3 im Wesentlichen parallel zur Magnetisierung 2 der Referenzschicht 1 ausgerichtet.

Bezüglich der Speicherschicht 3 von 1 ist ein Zustand dargestellt, in welchem sich diese nach Anlegen und Abschalten eines um 90° im Gegenuhrzeigersinn relativ zur X-Achse gerichteten, im Wesentlichen homogenen, externen Magnetfelds 7 befindet (remanenter Zustand). Durch die Einwirkung des externen Magnetfelds 7 richtet sich die Magnetisierung 4 im Innern der Speicherzelle 3 parallel zu dessen Feldrichtung aus, kehrt jedoch nach Abschalten des Magnetfelds 7 wieder in eine zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie im Wesentlichen parallele Richtung zurück. Für die Magnetisierung 5, 6 in den Randbereichen der Speicherzelle 3 hingegen ist es im Hinblick auf die Vermeidung hoher Streufeldenergien energetisch vorteilhaft, wenn diese auch nach Abschalten des externen Magnetfelds 7 in einer zu dessen Feldrichtung parallelen Richtung verbleiben. Obgleich aufgrund der magnetischen Austauschwechselwirkung nur ein allmählicher Übergang der Magnetisierung 5, 6 der Randbereiche in die Magnetisierung 4 im Innern der Speicherschicht ermöglicht ist, nimmt die Magnetisierung 4 im Innern der Speicherzelle 3 aufgrund der starken intrinsischen Anisotropie eine zu deren Vorzugsrichtung parallele Ausrichtung ein. Beim Ummagnetisierung nimmt die Magnetisierung im Innern der Speicherschicht 3 demnach stets eine kollineare, das heißt parallele, oder antiparallele Ausrichtung zur Vorzugsrichtung ein, was zur Folge hat, dass die Magnetisierung 4 im Innern der Speicherschicht 3 und die Magnetisierung 2 der Referenzschicht 1 stets kollinear zueinander ausgerichtet sind und ein maximaler Signalhub bezüglich der Widerstandsänderung &Dgr;R/R des Schichtenstapels erreicht werden kann.

Hiervon unterscheidet sich das Verhalten einer kreisscheibenförmigen Speicherschicht mit einer schwachen intrinsischen Anisotropie, zu dessen Erläuterung Bezug auf die 2, linke Abbildung, genommen wird. Zur erleichterten Bezugnahme ist 2, in der gleichen Weise wie 1, mit einem X,Y-Achsenkreuz versehen.

In 2, linke Abbildung, ist eine sich weichmagnetisch verhaltende Speicherschicht 10 mit einer Kreisscheibenform gezeigt. Die Speicherschicht 10 weist eine schwache intrinsische Anisotropie mit einer Vorzugsrichtung entlang des Doppelpfeils auf. Die Speicherschicht 10 befindet sich, wie schon die Speicherschicht 3 in 1, in einem Zustand nach Anlegen und Abschalten eines um 90° im Gegenuhrzeigersinn relativ zur X-Achse gerichteten, im Wesentlichen homogenen, äußeren Magnetfelds 7 (remanenter Zustand). Hierbei ist es, nach Abschalten des Magnetfelds 7, für die Magnetisierung 12, 13 in den Randbereichen der Speicherschicht 10 zur Vermeidung hoher Streufeldenergien energetisch vorteilhaft, wenn sie in einer zur Feldrichtung des zuvor angelegten Magnetfelds parallelen Richtung verbleibt. Dies hat für die Magnetisierung im Innern der Speicherschicht 10 jedoch zur Folge, dass diese aufgrund deren schwachen intrinsischen Anisotropie nicht in eine zur Vorzugsrichtung parallele Ausrichtung gelangen kann. Mit anderen Worten verhindert der Einfluss der Magnetisierung 12, 13 in den Randbereichen der Speicherschicht 10 aufgrund der magnetischen Austauschwechselwirkung eine Kollinearität zwischen der Magnetisierung 11 im Innern der Speicherschicht 10 und der Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie. Infolgedessen stellt sich eine remanente Magnetisierung 12 im Innern der Speicherschicht 10 ein, welche in einem Winkel &agr; im Gegenuhrzeigersinn relativ zur X-Achse ausgerichtet ist.

Anhand obiger Ausführungen wird deutlich, dass durch den Ausdruck "starke intrinsische Anisotropie", im Sinne der vorliegenden Erfindung solche Speicherschichten einer MRAM-Speicherzelle bezeichnet werden sollen, bei denen beim Ummagnetisieren der Speicherschicht stets eine im Wesentlichen kollineare Ausrichtung zwischen der Remanenzmagnetisierung im Innern der Speicherschicht und der Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie auftritt, während im Unterschied hierzu, bei Speicherschichten mit einer "schwachen intrinsischen Anisotropie" eine Remanenzmagnetisierung im Innern der Speicherschicht auftritt, welche nicht-kollinear zur Vorzugsrichtung ausgerichtet ist. Eine schwache intrinsische Anisotropie geht typischerweise mit einer Anisotropiefeldstärke von weniger als ca. 1 kA/m (ca. 12,6 Oe) einher.

Wenn die Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht nicht parallel bzw. anti-parallel zur Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht gerichtet ist, führt dies in sehr nachteiliger Weise dazu, dass nicht der maximale Signalhub bezüglich der Widerstandsänderung &Dgr;R/R des Schichtenstapels beim Ummagnetisieren der Magnetisierung der Speicherschicht relativ zur Magnetisierung der Referenzschicht erzielt werden kann. Wie eine rechnerische Betrachtung zeigt, kann bei Auftreten einer Remanenzmagnetisierung in der Speicherschicht lediglich ein mit dem cosa gewichteter Signalhub bezüglich der Widerstandsänderung &Dgr;R/R erzielt werden. Derartige Speicherschichten sind deshalb für die Anwendung in MRAM-Speicherzellen nicht bzw. in nur sehr eingeschränkter Weise brauchbar.

Demzufolge besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine MRAM-Speicherzelle mit einer kreisscheibenförmigen Geometrie der Schichten des Schichtenstapels und lediglich schwacher intrinsischer magnetischer Anisotropie der Speicherschicht zur Verfügung zu stellen, bei welcher der Nachteil eines verminderten Signalhubs bezüglich der Widerstandsänderung &Dgr;R/R des Schichtenstapels beim Ummagnetisieren der Magnetisierung der Speicherschicht relativ zur Magnetisierung der Referenzschicht aufgrund einer auftretenden Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht vermieden werden kann.

Vorstehende Aufgabe wird nach dem Vorschlag der Erfindung durch eine MRAM-Speicherzelle mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.

Erfindungsgemäß ist eine MRAM-Speicherzelle gezeigt, mit einem Schichtensystem aus im Wesentlichen kreisscheibenförmigen Schichten, welches in herkömmlicher Weise zwei magnetische Schichten umfasst, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht getrennt sind. Hierbei verhält sich die erste magnetische Schicht ("Referenzschicht") hartmagnetisch und die andere, zweite magnetische Schicht ("Speicherschicht") verhält sich weichmagnetisch, so dass durch den Magnetisierungszustand der Speicherschicht Information speicherbar ist. Die Speicherschicht ist so ausgebildet, dass sie eine schwache intrinsische magnetische Anisotropie aufweist, durch welche eine magnetische Vorzugsrichtung definiert ist. Die Speicherschicht weist demnach typischerweise eine Anisotropiefeldstärke von ≤ 1 kA/m (ca. 12,6 Oe) auf.

Nach dem Kennzeichen der Erfindung ist die Magnetisierung der Referenzschicht im Wesentlichen parallel zu einer Remanenzmagnetisierung im Innern der Speicherschicht ausgerichtet. Eine solche Remanenzmagnetisierung tritt in Speicherschichten mit schwacher intrinsischer magnetischer Anisotropie stets dann auf, wenn ein externes Magnetfeld mit einer zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht senkrechten Feldkomponente angelegt wird. Dies ist bei einem herkömmlichen Ummagnetisieren der MRAM-Speicherzelle, etwa in Form des geläufigen "Asteroidschaltens", im Allgemeinen stets der Fall. Es braucht hier nicht näher ausgeführt zu werden, dass bei einer MRAM-Speicherzelle zum Ummagnetisieren der MRAM-Speicherschicht in herkömmlicher Weise (typischerweise zwei) elektrische Leitungsbahnen (wie Wort- und Bitleitungen) vorgesehen sind, durch welche eine Strom geschickt wird, dessen Magnetfeld mit der Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht gekoppelt ist, wobei sich die Leitungsbahnen üblicherweise in einem rechten Winkel kreuzen und das Schichtensystem bestehend aus Speicherschicht, Referenzschicht und Zwischenschicht gewöhnlich an einem Kreuzungspunkt der Leitungsbahnen positioniert ist.

In vorteilhafter Weise kann durch die erfindungsgemäße Ausrichtung der Magnetisierung der Referenzschicht in eine Richtung parallel zur Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht erreicht werden, dass beim Ummagnetisieren der Speicherzelle, wozu im Allgemeinen ein externes Magnetfeld eingesetzt wird, welches eine Feldkomponente in einer Richtung senkrecht zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht aufweist, die Magnetisierungen der Speicherschicht und der Referenzschicht kollinear, das heißt parallel oder anti-parallel zueinander ausgerichtet sind. Hierdurch ist ein maximaler Signalhub bezüglich der Widerstandsänderung &Dgr;R/R des Schichtenstapels beim Ummagnetisieren der Magnetisierung der Speicherschicht relativ zur Magnetisierung der Referenzschicht ermöglicht, so dass auch Speicherschichten mit einer kreisscheibenförmigen, d.h. rotationssymmetrischen Form, und einer schwach ausgebildeten intrinsischen Anisotropie zur Verwendung als Speicherschichten in MRAM-Speicherzellen einsetzbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Magnetisierung der Referenzschicht in einem Winkel &agr; zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht ausgerichtet, wobei der Winkel &agr; einen Wert im Wertebereich von 10° bis 50° aufweist. Werden Permalloy-Legierungen als Material der Speicherschicht verwendet, beträgt der Winkel &agr; typischerweise ca. 45°.

Die Speicherschicht der MRAM-Speicherzelle kann sehr vorteilhaft aus einer Mehrzahl von Einzellagen aufgebaut sein, das heißt, die Speicherschicht ist als ein Vielschichtensystem ausgebildet. Die Einzellagen können dabei aus einem gleichen Material oder aus einem verschiedenen Material aufgebaut sein. Die Einzellagen sind magnetisch gekoppelt, wofür in vorteilhafter Weise eine magnetische Streufeldkopplung und/oder eine magnetische Austauschkopplung in Frage kommt. Eine antiferromagnetische Kopplung der Einzellagen ist für die Speicherschicht im Allgemeinen nicht brauchbar, da die dabei auftretenden Kräfte zu groß sind, um eine leichte Ummagnetisierung der Speicherschicht in der praktischen Anwendung zu ermöglichen.

Wenn die Speicherschicht als ein Vielschichtensystem ausgeführt ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Nettomagnetisierung der Speicherschicht, das heißt, die vektorielle Summe der Magnetisierungen der Einzellagen, im Wesentlichen Null ist. Hierdurch lässt sich eine gegenseitige Beeinflussung benachbarter Speicherzellen durch die Magnetisierungen der Magnetschichten vermeiden.

Ferner kann es erfindungsgemäß von Vorteil sein, wenn die Referenzschicht, gegebenenfalls in Kombination mit der Speicherschicht, aus einer Mehrzahl von Einzellagen aufgebaut ist. Eine magnetische Kopplung der Einzellagen erfolgt dabei vorzugsweise durch eine antiferromagnetische Kopplung und/oder eine magnetische Austauschkopplung und/oder eine magnetische Streufeldkopplung. Im Hinblick auf die gegenseitige Beeinflussung benachbarter Speicherzellen erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Nettomagnetisierung der Referenzschicht im Wesentlichen Null ist.

Die Materialien der Speicherschicht und/oder der Referenzschicht können erfindungsgemäß auf einer Legierung des (Co,Ni,Fe)-Systems basieren. Das (Co,Ni,Fe)-System umfasst sämtliche Legierungen, welche aus nur einer Komponente des Systems oder einer beliebigen Kombination von mehreren Komponenten des Systems bestehen, wie etwa eine Ni-Fe-Legierung oder eine Ni-Fe-Co-Legierung. Zudem können weitere Komponenten in dem (Co,Ni,Fe)-System enthalten sein, wie beispielsweise Si und B, durch welche den Legierungen eine amorphe Struktur vermittelt werden kann. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn die Materialien der Speicherschicht und/oder Referenzschicht amorphe Legierungen sind. Eine solche, auf dem (Co,Ni,Fe)-System basierende amorphe Legierung ist beispielsweise eine Co-Fe-B-Legierung oder eine Co-Fe-Si-Legierung.

Erfindungsgemäß kann das Material der zwischen der Speicherschicht und der Referenzschicht angeordneten Zwischenschicht AlO sein. Falls die Speicherschicht und/oder Referenzschicht als Vielschichtensystem ausgebildet sind, können die einzelnen Lagen durch Zwischenschichten voneinander getrennt sein, welche beispielsweise aus Ta oder Ru bestehen.

Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle, mit den folgenden Schritten: In einem ersten Schritt (A) wird ein Schichtensystem aus im Wesentlichen kreisscheibenförmigen Schichten bereitgestellt. Dieses Schichtensystem umfasst dabei zwei magnetische Schichten, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht getrennt sind, von denen sich die erste magnetische Schicht ("Referenzschicht") hartmagnetisch verhält und die andere, zweite magnetische Schicht ("Speicherschicht") weichmagnetisch verhält, so dass durch den Magnetisierungszustand der zweiten magnetischen Schicht Information speicherbar ist. Zudem weist die Speicherschicht eine, eine magnetische Vorzugsrichtung definierende, schwache intrinsische magnetische Anisotropie auf.

In einem zweiten Schritt (B) wird ein erstes, im Wesentlichen homogenes, äußeres Magnetfeld während einer ersten Warmauslagerung des Schichtensystems erzeugt. Die Richtung des ersten Magnetfelds wird hierbei so gewählt, dass es in einem Winkel a zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht ausgerichtet ist, und zwar so, dass die Richtung des ersten Magnetfelds im Wesentlichen parallel zur Magnetisierung einer Remanenzmagnetisierung im Innern der Speicherschicht ist. Die Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht tritt durch das Anlegen eines äußeren Magnetfelds mit einer zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschichten senkrechten Feldkomponente auf, was beim Ummagnetisieren der MRAM-Speicherzellen im Allgemeinen der Fall ist.

In einem dritten Schritt (C) erfolgt ein erstes Warmauslagern des Schichtensystem bei einer Temperatur unterhalb der Curietemperatur von Speicherschicht und Referenzschicht, wobei die Feldstärke des ersten Magnetfelds größer ist als die Sättigungsfeldstärke der Referenzschicht, so dass sich die Magnetisierung der Referenzschicht entlang der Feldrichtung des ersten Magnetfelds ausrichtet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit während des ersten Warmauslagerns des Schichtensystems eine Magnetisierung der Referenzschicht erreicht, wobei die Magnetisierung der Referenzschicht parallel zur Referenzmagnetisierung der Speicherschicht gerichtet ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Magnetfeld so ausgerichtet, dass der Winkel &agr; einen Wert im Wertebereich von 10° bis 50° aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Fall auftreten, dass, abhängig von der Feldstärke des angelegten ersten Magnetfelds und den Materialeigenschaften der Speicherschicht, die Vorzugsrichtung der schwachen intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht in Feldrichtung des ersten Magnetfelds ausgerichtet wird. Dies ist jedoch unerwünscht, da in diesem Fall eine beim Ummagnetisieren in der Speicherschicht auftretende Remanenzmagnetisierung dafür sorgt, dass die Magnetisierungsrichtungen der Referenzschicht und der Speicherschicht nicht mehr kollinear sind. In diesem Fall wird das erfindungsgemäße Verfahren um die folgenden weiteren Schritte ergänzt:

In einem vierten Schritt (D) wird ein zweites, im Wesentlichen homogenes, äußeres Magnetfeld während einer zweiten Warmauslagerung des Schichtensystems erzeugt. Hierbei ist die Richtung des zweiten Magnetfelds in einem Winkel -&agr;, das heißt einem zum Winkel &agr; gegengleichen Winkel, zur Richtung des ersten Magnetfelds gerichtet.

In einem fünften Schritt (E) wird das Schichtensystem bei einer Temperatur unterhalb der Curietemperatur der beiden magnetischen Schichtsysteme warm ausgelagert, wobei die Feldstärke des zweiten Magnetfelds kleiner ist als die Sättigungsfeldstärke der Referenzschicht, so dass die Magnetisierung der Referenzschicht bei der zweiten Warmauslagerung im Wesentlichen unverändert bleibt, die Vorzugsrichtung der schwachen, intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht jedoch entlang der Feldrichtung des zweiten Magnetfelds ausgerichtet wird.

Hierdurch wird erreicht, dass die Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht in ihre ursprüngliche Richtung vor der ersten Warmauslagerung gerichtet wird, so dass die Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht und der Magnetisierung der Referenzschicht im Wesentlichen kollinear sind.

Die hier getroffene Unterscheidung in eine "erste" Warmauslagerung und eine "zweite" Warmauslagerung, einschließlich der zugehörigen Unterscheidungen für die Temperaturen und die Magnetfelder, ist lediglich aus Gründen der Klarheit erfolgt. Dies sollte jedoch nicht so verstanden werden, dass stets eine erste Warmauslagerung und eine zweite Warmauslagerung in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sind. Vielmehr kann die zweite Warmauslagerung unter den oben genannten Umständen entfallen.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es von Vorteil, wenn die Temperatur beim ersten und zweiten Warmauslagern in einem Bereich von 250°C bis 350°C liegt. Gleichermaßen ist es von Vorteil, wenn die Feldstärke des ersten Magnetfelds einen Wert im Wertebereich von 0,1 bis 2 Tesla aufweist, während die Feldstärke des zweiten Magnetfelds einen Wert im Wertebereich von 0,001 bis 0,1 Tesla aufweist.

Erfindungsgemäß kann die Speicherschicht durch Tempern in einem äußeren Magnetfeld intrinsisch anisotrop ausgebildet werden. Dies kann jedoch gleichermaßen durch schräges Ionenstrahl-Sputtern oder Ionenstrahl-Sputtern in einem äußeren Magnetfeld erfolgen, wobei jedes dieser Verfahren für sich allein oder in Kombination mit den anderen Verfahren angewendet werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Speicherschicht (linke Abbildung) und Referenzschicht (rechte Abbildung) einer MRAM-Speicherzelle aus dem Stand der Technik;

2 eine schematische Darstellung der Speicherschicht (linke Abbildung) und der Referenzschicht (rechte Abbildung) zur Verwendung in einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle;

3 eine schematische Darstellung einer oberen Einzellage (linke Abbildung) und einer unteren Einzellage (rechte Abbildung) einer Speicherschicht zur Verwendung in einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle.

1 wurde bereits eingangs erläutert. Es wird nun Bezug auf die 2 genommen, worin eine schematische Darstellung der Speicherschicht 10 und der Referenzschicht 8 zur Verwendung in einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle gezeigt ist. Die Speicherschicht 10 ist in einer Kreisscheibenform ausgebildet und mit einer schwachen intrinsischen Anisotropie, durch welche eine Vorzugsrichtung entlang des Doppelpfeils definiert ist, versehen. Die sich hartmagnetisch verhaltende Referenzschicht 8, ist ebenso in einer Kreisscheibenform ausgebildet.

Wie bereits in der Einleitung dargestellt wurde, zeigt 2, linke Abbildung, einen Zustand der Speicherschicht 10 nach Anlegen und Abschalten eines um 90° im Gegenuhrzeigersinn relativ zur X-Achse gerichteten, im Wesentlichen homogenen, äußeren Magnetfelds 7 (Remanenz). Aufgrund der nur schwachen intrinsischen Anisotropie und des dadurch bedingten Einflusses der Magnetisierung 12, 13 der Randbereiche der Speicherschicht 10 auf die Magnetisierung 11 im Innern der Speicherschicht 10 tritt eine Remanenzmagnetisierung 11 auf, welche in einem Winkel &agr; im Gegenuhrzeigersinn zur X-Achse ausgerichtet ist.

Gemäß dem Vorschlag der Erfindung ist nun die Magnetisierung 9 der Referenzschicht 8 um den gleichen Winkel &agr; im Gegenuhrzeigersinn zur X-Achse ausgerichtet, so dass die remanente Magnetisierung 11 im Innern der Speicherschicht 10 im Wesentlichen parallel zur Magnetisierung 9 der Referenzschicht 8 ausgerichtet ist.

Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle umfasst die in 2 gezeigte Referenzschicht 8 und Speicherschicht 10.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer oberen Einzellage 14 und einer unteren Einzellage 15 einer kreisschreibenförmigen Speicherschicht. Die beiden in 3 gezeigten Einzellagen 14, 15 bilden somit die Speicherschicht einer MRAM-Zelle in Form eines Zweischichtensystems aus. Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle umfasst als Speicherschicht das in 3 gezeigte Zweischichtensystem und eine in 2, rechte Abbildung, gezeigte Referenzschicht.

In 3 ist zur erleichterten Bezugnahme ein den X,Y-Achsenkreuzen der 1 und 2 entsprechendes X,Y-Achsenkreuz eingezeichnet.

In 3 ist jeweils ein Zustand der Einzellagen 14, 15 nach Anlegen und Abschalten eines um 90° im Gegenuhrzeigersinn relativ zur X-Achse gerichteten, im Wesentlichen homogenen, äußeren Magnetfelds gezeigt (Remanenz). Aufgrund einer schwachen intrinsischen Anisotropie und der dadurch bedingten Einwirkung der Magnetisierung der Randbereiche auf die Magnetisierung im Innern der Speicherschichten der Einzellagen verbleibt jeweils eine Remanenzmagnetisierung 16, 19, welche in einem Winkel &agr; bzw. 180° + &agr; im Gegenuhrzeigersinn zur X-Achse ausgerichtet ist.

Die beiden Einzellagen 14, 15 der Speicherschicht sind durch eine magnetische Streufeldkopplung miteinander gekoppelt, was zur Folge hat, dass sich die Magnetisierung 17, 18 im Randbereich der oberen Einzellage 5 antiparallel zur Magnetisierung 20, 21 im Randbereich der unteren Einzellage 15 einstellt. Ebenso stellt sich hierdurch die Magnetisierung 16 im Innern der Einzellage 14 antiparallel zur Magnetisierung 19 im Innern der Einzellage 15 ein.

Die in 3 gezeigten Einzellagen 14, 15 der Speicherschicht, können zur Herstellung einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle Teil des folgenden Schichtenstapels sein.

Auf einem herkömmlichen Substrat wird zunächst eine zweilagige Referenzschicht aus einer Co-Fe-Ni-Legierung mit einer zwischenliegenden Schicht aus Ru aufgebracht. Die beiden Schichten aus einer ferromagnetischen Legierung haben hierbei eine Schichtdicke von 2 nm, während die zwischenliegende Schicht aus Ru eine Schichtdicke von 1 nm aufweist. Die Magnetisierung der Referenzschicht ist in einem Winkel &agr; = 45° im Gegenuhrzeigersinn zu einer der X-Achse von 3 entsprechenden Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht ausgerichtet. Die Einzellagen der Referenzschicht aus einer Co-Fe-Ni-Legierung sind durch die magnetische Austauschkopplung miteinander gekoppelt. Auf der Referenzschicht ist eine Zwischenschicht aus AlO mit einer Schichtdicke von 3 nm ausgebildet. Oberhalb der Zwischenschicht befindet sich eine doppellagige Speicherschicht aus einer Ni-Fe-Legierung, welche durch eine Zwischenschicht aus Ta getrennt ist. Die beiden Einzellagen der Speicherschicht aus einer Ni-Fe-Legierung entsprechen hierbei der in 3 gezeigten Ausführungsform. Die Schichtdicken der Speicherschichtlagen betragen jeweils 3 nm, während die Schichtdicke der Ta-Schicht 1 nm beträgt. Die Magnetisierungen der Ni-Fe-Legierungen sind durch die magnetische Streufeldkopplung miteinander gekoppelt. Der Schichtenstapel hat im Wesentlichen eine Kreisscheibenform mit einem Scheibendurchmesser von 300 nm.

Zur Ausbildung einer schwachen intrinsischen Anisotropie in der Speicherschicht wurde der Schichtenstapel zunächst in einem externen Magnetfeld mit einer Feldstärke von 100 mT getempert. Das Tempern erfolgte bei einer Temperatur von 250°C. Anschließend wurde zur Magnetisierung der Referenzschicht der Schichtenstapel bei einer Temperatur von 300°C warm ausgelagert, wobei ein erstes, im Wesentlichen homogenes, externes Magnetfeld mit einer Feldstärke von 1 Tesla angelegt wurde. Die Feldrichtung des ersten äußeren Magnetfelds wurde hierbei so gewählt, dass sie der Richtung einer Remanenzmagnetisierung der Speicherschicht entspricht, das heißt die Feldrichtung des ersten Magnetfelds nahm einen Winkel &agr; = 45° im Gegenuhrzeigersinn zur X-Achse ein. Da sich hierbei auch die Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie in die Feldrichtung des ersten Magnetfelds gedreht hat, wurde ein zweites Warmauslagern bei einer Temperatur von 250°C durchgeführt, wobei jedoch eine Feldstärke von lediglich 0,1 Tesla eingesetzt wurde. Die Feldrichtung des zweiten Magnetfelds wurde hierbei so gewählt, dass sie einen Winkel -&agr; zur Feldrichtung des ersten Magnetfelds einnimmt, so dass hierbei lediglich die Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie in ihre ursprüngliche Richtung vor Anlegen des ersten Magnetfelds ausgerichtet wird.

1Referenzschicht (Stand der Technik) 2Innenbereich-Magnetisierung 3Speicherschicht 4Innenbereich-Magnetisierung 5Randbereich-Magnetisierung 6Randbereich-Magnetisierung 7externes Magnetfeld 8erfindungsgemäße Referenzschicht 9Innenbereich-Magnetisierung 10Speicherschicht 11Innenbereich-Magnetisierung 12Randbereich-Magnetisierung 13Randbereich-Magnetisierung 14Speicherschicht (obere Lage) 15Speicherschicht (untere Lage) 16Innenbereich-Magnetisierung 17Randbereich-Magnetisierung 18Randbereich-Magnetisierung 19Innbereich-Magnetisierung 20Randbereich-Magnetisierung 21Randbereich-Magnetisierung

Anspruch[de]
  1. MRAM-Speicherzelle mit einem Schichtensystem aus im Wesentlichen kreisscheibenförmigen Schichten, umfassend zwei magnetische Schichten, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht getrennt sind, von denen sich die erste magnetische Schicht ("Referenzschicht") hartmagnetisch verhält und die andere, zweite magnetische Schicht ("Speicherschicht") weichmagnetisch verhält, so dass durch den Magnetisierungszustand der Speicherschicht Information speicherbar ist, wobei die Speicherschicht eine, eine magnetische Vorzugsrichtung definierende, schwache intrinsische Anisotropie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung der Referenzschicht im Wesentlichen parallel zu einer, durch Anlegen eines externen Magnetfelds mit einer zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht senkrechten Feldkomponente auftretenden, Remanenzmagnetisierung im Innern der Speicherschicht ist.
  2. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung der Referenzschicht in einem Winkel &agr; zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht gerichtet ist, wobei der Winkel &agr; einen Wert im Wertebereich von 10° bis 50° hat.
  3. MRAM-Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherschicht und/oder Referenzschicht aus einer Mehrzahl von Einzellagen aufgebaut ist.
  4. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungen der Einzellagen der Speicherschicht und/oder Referenzschicht durch eine magnetische Kopplung gekoppelt sind, welche aus der Gruppe, bestehend aus einer magnetischen Streufeldkopplung, einer antiferromagnetischen Kopplung und einer Austauschkopplung, gewählt ist.
  5. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nettomagnetisierung der Speicherschicht und/oder Referenzschicht im Wesentlichen Null ist.
  6. MRAM-Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Referenzschicht und/oder Speicherschicht auf einer Legierung des (Co,Ni,Fe)-Systems basieren.
  7. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Speicherschicht und/oder Referenzschicht amorphe Legierungen sind.
  8. Verfahren zur Herstellung einer MRAM-Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

    (A) Bereitstellen eines Schichtensystems aus im Wesentlichen kreisscheibenförmigen Schichten, umfassend zwei magnetische Schichten, die durch eine nicht magnetische Zwischenschicht getrennt sind, von denen sich die erste magnetische Schicht ("Referenzschicht") hartmagnetisch verhält und die andere, zweite magnetische Schicht ("Speicherschicht") weichmagnetisch verhält, so dass durch den Magnetisierungszustand der Speicherschicht Information speicherbar ist, wobei die Speicherschicht eine, eine magnetische Vorzugsrichtung definierende, schwach intrinsische Anisotropie aufweist;

    (B) Erzeugen eines ersten, im Wesentlichen homogenen, äußeren Magnetfelds während einer ersten Warmauslagerung des Schichtensystems, wobei die Richtung des ersten Magnetfelds in einem Winkel &agr; zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht ausgerichtet ist, derart, dass die Richtung des ersten Magnetfelds im Wesentlichen parallel zur Magnetisierungsrichtung einer durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds mit einer zur Vorzugsrichtung der intrinsischen Anisotropie der Speicherschicht senkrechten Feldkomponente auftretenden Remanenzmagnetisierung im Innern der Speicherschicht ist;

    (C) erstes Warmauslagern des Schichtensystems bei einer Temperatur unterhalb der Curietemperatur der beiden magnetischen Schichtsysteme, wobei die Feldstärke des ersten Magnetfelds größer ist als die Sättigungsfeldstärke der Referenzschicht, so dass die Magnetisierung der Referenzschicht entlang der Feldrichtung des ersten Magnetfelds ausgerichtet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel &agr; einen Wert im Wertebereich von 10° bis 50° hat.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:

    (D) Erzeugen eines zweiten, im Wesentlichen homogenen, äußeren Magnetfelds während einer zweiten Warmauslagerung des Schichtensystems, wobei die Richtung des zweiten Magnetfelds in einem Richtung -&agr; zur Richtung des ersten Magnetfelds gerichtet ist;

    (E) zweites Warmauslagern des Schichtensystems bei einer Temperatur unterhalb der Curietemperatur der beiden magnetischen Schichtsysteme, wobei die Feldstärke des zweiten Magnetfelds kleiner ist als die Sättigungsfeldstärke der Referenzschicht, so dass die Magnetisierung der Referenzschicht im Wesentlichen unverändert bleibt und die Vorzugsrichtung der magnetischen Anisotropie der Speicherschicht entlang der Feldrichtung des zweiten Magnetfelds ausgerichtet wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur beim ersten und/oder zweiten Warmauslagern im Bereich von 250°C bis 350°C liegt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke des ersten Magnetfelds einen Wert im Wertebereich von 0,1 bis 2 Tesla aufweist.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke des zweiten Magnetfelds einen Wert im Wertebereich von 0,001 bis 0,1 Tesla aufweist.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherschicht durch Tempern in einem äußeren Magnetfeld intrinsisch anisotrop ausgebildet wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherschicht durch schräges Ionenstrahl-Sputtern intrinsisch anisotrop ausgebildet wird.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherschicht durch Ionenstrahl-Sputtern in einem äußeren Magnetfeld intrinsisch anisotrop ausgebildet wird.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur und die zweite Temperatur im Wesentlichen gleich sind.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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