Elemento magnético que utiliza pasivación de pared lateral protectora.

Un aparato que comprende:

un elemento (440) de unión de túnel magnético (MTJ) que comprende:

una primera capa ferromagnética;

una segunda capa ferromagnética, y

una primera capa aislante dispuesta entre las capas ferromagnéticas primera y segunda;

una capa (460) de pasivación de la MTJ que forma paredes laterales protectoras dispuestas adyacentes ala primera capa ferromagnética, a la segunda capa ferromagnética y a la primera capa aislante;

una segunda capa (470) de aislamiento dispuesta adyacente a la capa (460) de pasivación de la MTJ yrodeando al elemento (440) de MTJ;

un dieléctrico (430) entre niveles (ILD) que rodea al elemento (440) de MTJ y a la segunda capa aislante(470); y

una capa (480) de pasivación global dispuesta entre la segunda capa aislante (470) y el ILD (430).

Elemento magnético que utiliza pasivación de pared lateral protectora Campo de la divulgación Las realizaciones de la presente invención están relacionadas con los dispositivos de elementos magnéticos. Más en 5 particular, las realizaciones de la presente invención están relacionadas con elementos magnéticos que incluyen una capa de pasivación para el aislamiento de otros elementos incorporados en el chip.

Antecedentes Se utilizan dispositivos magnetoelectrónicos, también denominados dispositivos electrónicos de espín o espintrónicos, en numerosas tecnologías de la información y permiten un almacenamiento y una recuperación de datos de alta densidad no volátiles, fiable y resistente a las radiaciones. Ejemplos de dispositivos magnetoelectrónicos incluyen, sin limitación, memoria magnética de acceso aleatorio (MRAM) , sensores magnéticos y cabezales de lectura/escritura para unidades de disco.

Normalmente, un dispositivo magnetoelectrónico, tal como un elemento magnético de memoria, tiene una estructura que incluye múltiples capas ferromagnéticas separadas por al menos una capa no magnética. La información se 15 guarda en un elemento magnético de memoria como la dirección de vectores de magnetización en las capas magnéticas. Los vectores de magnetización en una capa magnética, por ejemplo, están fijados o bloqueados magnéticamente, mientras que la dirección de magnetización de la otra capa magnética es libre de cambiar en la misma dirección o la opuesta, denominados estados “paralelo” y “antiparalelo”, respectivamente. En respuesta a los estados paralelos y antiparalelos, el elemento magnético de memoria representa dos resistencias diferentes. La resistencia tiene un valor mínimo cuando los vectores de magnetización de las dos capas magnéticas apuntan sustancialmente en la misma dirección, y un valor máximo cuando los vectores de magnetización de las dos capas magnéticas apuntan en direcciones sustancialmente opuestas. En consecuencia, una detección del cambio en la resistencia permite que un dispositivo, tal como un dispositivo de MRAM, detecte la información guardada en el elemento magnético de memoria.

Las FIGURAS 1A y 1B ilustran un tipo de elemento magnético de memoria denominado elemento de unión de túnel magnético en los estados paralelo y antiparalelo, respectivamente.

Según se muestra, puede formarse un elemento 100 de unión de túnel magnético (MTJ) a partir de dos capas magnéticas 110 y 130, cada una de las cuales puede contener un campo magnético, separadas por una capa aislante 120 (barrera túnel) . Una de las dos capas (por ejemplo, la capa fijada 110) está configurada con una 30 polaridad particular. La polaridad 132 de la otra capa (por ejemplo, la capa libre 130) está libre de cambiar para igualar la de un campo externo que puede ser aplicado. Un cambio en la polaridad 132 de la capa libre 130 cambiará la resistencia del elemento 100 de la MTJ. Por ejemplo, cuando se alinean las polaridades (Fig. 1A) , existe un estado de baja resistencia. Cuando las polaridades no están alineadas (Fig. 1B) , existe un estado de alta resistencia. La ilustración de la MTJ 100 ha sido simplificada y los expertos en la técnica apreciarán que cada capa ilustrada puede comprender una o más capas de materiales, tal como se conoce en la técnica.

A diferencia de las tecnologías de RAM convencional que almacenan datos como cargas eléctricas o flujos de corriente, la MRAM usa elementos magnéticos, tales como la MTJ 100, para guardar información magnéticamente. La MRAM tiene varias características deseables que la hacen candidata para una memoria universal, como alta velocidad, densidad elevada (es decir, tamaño pequeño de la celda de bit) , bajo consumo de energía y ninguna degradación con el tiempo. Sin embargo, la MRAM tiene problemas de escalabilidad. Específicamente, a medida que las celdas de bits se hacen menores, los campos magnéticos usados para conmutar el estado de la memoria aumentan. En consecuencia, la densidad de la corriente y el consumo de energía aumentan para proporcionar los mayores campos magnéticos, limitando así la escalabilidad de la MRAM.

A diferencia de la MRAM convencional, la memoria magnetorresistiva de transferencia de torsión de espín de acceso 45 aleatorio (STT-MRAM) usa electrones que se polarizan en su espín a medida que los electrones pasan a través de una película delgada (filtro de espín) . La STT-MRAM también es denominada RAM de transferencia de torsión de espín (STT-RAM) , RAM de conmutación de la magnetización por transferencia de torsión de espín (Spin-RAM) y transferencia del momento del espín (SMT-RAM) . Durante la operación de escritura, los electrones polarizados por espín ejercen un par en la capa libre, que puede conmutar la polaridad de la capa libre. La operación de lectura es 50 similar a la MRAM convencional, porque se usa una corriente para detectar el estado de resistencia / lógico del elemento de almacenamiento de la MTJ, tal como se ha expuesto en lo que antecede. Según se ilustra en la Fig. 2A, una celda 200 de bit de STT-MRAM incluye la MTJ 205, el transistor 210, la línea 220 de bits y la línea 230 de palabras. El transistor 210 se conecta para las operaciones tanto de lectura como de escritura para permitir que la corriente fluya por la MTJ 205 para que el estado lógico pueda ser leído o escrito.

Con referencia a la Fig. 2B, se ilustra un diagrama más detallado de una celda 201 de STT-MRAM, para una presentación adicional de las operaciones de lectura / escritura. Además de elementos presentados previamente, como la MTJ 205, el transistor 210, la línea 220 de bits y la línea 230 de palabras, se ilustran una línea fuente 240 un amplificador 250 de sentido, la circuitería 260 de lectura / escritura y la referencia 270 de la línea de bits. Según se expone en lo que antecede, la operación de escritura en una STT-MRAM es eléctrica. La circuitería 260 de lectura / escritura genera una tensión de escritura entre la línea 220 de bits y la línea fuente 240. Dependiendo de la polaridad de la tensión entre la línea 220 de bits y la línea fuente 240, puede cambiar la polaridad de la capa libre de la MTJ 205 y, en consecuencia, puede escribirse el estado lógico a la celda 201. Así mismo, durante una operación de lectura, se genera una corriente de lectura, que fluye entre la línea 220 de bits y la línea fuente 240 a través de la MTJ 205. Cuando se permite que la corriente fluya a través del transistor 210, puede determinarse la resistencia (estado lógico) de la MTJ 205 con base en el diferencial de tensión entre la línea 220 de bits y la línea fuente 240, que se compara con una referencia 270 y luego se amplifica con el amplificador 250 de sentido. Los expertos en la técnica apreciarán que la operación y la construcción de la celda 201 de memoria son conocidas en la técnica. Se proporcionan detalles adicionales, por ejemplo, en M. Hosomi, et al., A Novel Nonvolatile Memor y with Spin Transfer Torque Magnetoresistive Magnetization Switching: Spin-RAM, proceedings of IEDM conference (2005) , que se incorpora en su totalidad en el presente documento por referencia.

Un desafío clave en embeber una STT-MRAM en dispositivos lógicos CMOS por debajo de 100 nm es integrar la pila de la MTJ (por ejemplo, las capas 110, 120 y 130 colectivamente) con interconexiones comunes de terminación de línea (BEOL) , tales como contactos, aisladores, niveles de metal, sitios de unión para conexiones de chip a encapsulado, etc., sin un impacto sustancial en el rendimiento y la fiabilidad. El problema es que la MTJ puede dañarse durante el tratamiento BEOL, o que los iones móviles y otros contaminantes relacionados con la MTJ pueden degradar los dieléctricos entre niveles (ILD) de BEOL. La integración es particularmente exigente cuando la MTJ está dispuesta con interconexiones de paso fino (por ejemplo, para lograr celdas de memoria más pequeñas) junto con los ILD comunes a los dispositivos CMOS de menos de 100 nm. La MTJ necesita no solo formar y atenerse a las características especificadas en todas las etapas de fabricación, sino también funcionar de manera fiable. Además, no es preciso que la incorporación de diversos materiales usados para la MTJ afecte adversamente a las interconexiones de BEOL. Es decir, debería haber relativamente pocos iones móviles o contaminantes, o ninguno, permitidos en los ILD de BEOL.

En la solicitud de patente estadounidense US 2007/024140 se encuentra un ejemplo de un dispositivo de MTJ.

Resumen Las realizaciones ejemplares de la invención se dirigen a elementos magnéticos que incluyen una capa de pasivación para el aislamiento de otros elementos incorporados en el chip.

Una realización se dirige... [Seguir leyendo]

1. Un aparato que comprende:

un elemento (440) de unión de túnel magnético (MTJ) que comprende:

una primera capa ferromagnética; una segunda capa ferromagnética, y

una primera capa aislante dispuesta entre las capas ferromagnéticas primera y segunda; una capa (460) de pasivación de la MTJ que forma paredes laterales protectoras dispuestas adyacentes a la primera capa ferromagnética, a la segunda capa ferromagnética y a la primera capa aislante; una segunda capa (470) de aislamiento dispuesta adyacente a la capa (460) de pasivación de la MTJ y rodeando al elemento (440) de MTJ; un dieléctrico (430) entre niveles (ILD) que rodea al elemento (440) de MTJ y a la segunda capa aislante (470) ; y una capa (480) de pasivación global dispuesta entre la segunda capa aislante (470) y el ILD (430) .

2. El aparato de la reivindicación 1 en el que la capa de pasivación de la MTJ está formada de un material dieléctrico.

3. El aparato de la reivindicación 1 en el que la capa de pasivación de la MTJ está formada de un espesor dado en el intervalo de aproximadamente 5 nm a aproximadamente 100 nm.

4. El aparato de la reivindicación 1 que, además, comprende:

una capa auxiliar (772) de blindaje interpuesta entre la capa (460) de pasivación de la MTJ y la segunda capa (774) de aislamiento, y que las separa, para blindar magnéticamente el elemento de MTJ.

5. El aparato de la reivindicación 4 en el que la capa auxiliar (772) de blindaje está formada de un material de alta permeabilidad.

6. El aparato de la reivindicación 1 en el que la segunda capa de aislamiento está formada de un carburo, un nitruro o un compuesto óxido.

7. El aparato de la reivindicación 4 en el que:

la capa (480) de pasivación global está dispuesta sobre la capa auxiliar (772) de blindaje y la segunda capa (774) de aislamiento.

8. El aparato de la reivindicación 1 en el que la capa de pasivación global está dispuesta entre capas metálicas del aparato.

9. El aparato de la reivindicación 1 que, además, comprende:

un electrodo superior (822) moldeado con la misma anchura que el elemento de MTJ y rodeado por sus lados por la capa (460) de pasivación de la MTJ y la segunda capa (470) de aislamiento; y una capa metálica (420) sobre la superficie superior del electrodo superior.

10. Un procedimiento de formación de un dispositivo de unión de túnel magnético (MTJ) que incluye un elemento

(440) de MTJ que comprende:

la formación de una primera capa ferromagnética; la formación de una segunda capa ferromagnética; la formación de una primera capa aislante dispuesta entre las capas ferromagnéticas primera y segunda; la formación de una capa (460) de pasivación de la MTJ de paredes laterales protectoras dispuestas adyacentes a la primera capa ferromagnética, a la segunda capa ferromagnética y a la primera capa aislante; y la formación de una segunda capa (470) de aislamiento dispuesta adyacente a la capa (460) de pasivación de la MTJ y rodeando al elemento (440) de MTJ; la formación de un dieléctrico (430) entre niveles (ILD) que rodea al elemento (440) de MTJ y a la segunda capa aislante (470) ; y la formación de una capa (480) de pasivación global dispuesta entre la segunda capa aislante (470) y el ILD (430) .

11. El procedimiento de la reivindicación 10 en el que la capa de pasivación de la MTJ está formada de un material dieléctrico.

12. El procedimiento de la reivindicación 10 que, además, comprende:

la formación de una capa auxiliar de blindaje interpuesta entre la capa de pasivación de la MTJ y la segunda capa de aislamiento, y que las separa, para blindar magnéticamente el elemento de MTJ.

13. El procedimiento de la reivindicación 12 en el que la capa auxiliar de blindaje está formada de un material de 5 alta permeabilidad.

14. El procedimiento de la reivindicación 12 que, además, comprende:

la formación de la capa de pasivación global sobre la capa auxiliar de blindaje y la segunda capa de aislamiento.

15. El procedimiento de la reivindicación 10 que, además, comprende: 10 la formación de la capa de pasivación global entre capas metálicas del dispositivo de MTJ.