CN100485805C - 磁随机存取存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁随机存取存储器(MRAM)，MRAM单元中的位线BL和写字线WWL位于其中磁性薄膜存储单元的相同一侧，磁性薄膜存储单元通过接触孔与晶体管ATR的漏极相连接，并且MRAM单元中的地线GND与写字线WWL布置在同一个金属布线层中。这种结构的优点在于，一方面减少了金属布线层以及接触孔的数目，降低了工艺难度和制造成本，另一方面也可以提高MRAM的整体集成度。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁电阻随机存取存储器(Magnetoresistive Random AccessMemory)，简称MRAM，也称磁性随机存取存储器(Magnetic Random AccessMemory)，其中MRAM的存储单元由磁性薄膜构成，MRAM的驱动逻辑装置等半导体部件集成在半导体衬底内。
背景技术
作为MRAM的存储单元，磁性薄膜中至少包含这样的一个薄膜结构：[F1/NF/F2]。其中F1和F2表示两个磁性材料层，NF表示非磁性材料层，NF层介于F1层和F2层之间。F1和F2中有且仅有一层的磁化方向被外界某层或数层的材料所固定(称为被钉扎层)，因而不能在小的外磁场作用下随意变化；而另外一层为软磁层，其磁化方向可在小的外磁场作用下发生变化(称为自由层)。非磁性材料层的厚度很小，典型的厚度在0.5nm与3.0nm之间。以这样的磁性薄膜作为存储单元，当F1、F2的磁化方向相同时，磁性薄膜存储单元表现出低的电阻状态；而当F1、F2的磁化方向相反时，磁性薄膜存储单元则表现出高的电阻状态。
因此，磁性薄膜存储单元存在着两个稳定的电阻状态，通过改变磁性薄膜存储单元中自由层相对于被钉扎层的磁化方向，即可使之记录信息；而通过检测磁性薄膜存储单元的电阻状态，即可获取其保存的信息。
目前通常采用的磁性薄膜存储单元的结构如图1所示。
该MRAM结构配置在半导体衬底上，共需要三个金属布线层M1、M2、M3和一个过渡金属层TM。除了读字线RWL，其地线GND、写字线WWL和位线BL分别处于不同的金属布线层中。磁性薄膜存储单元通过过渡金属层TM、金属布线层M2、M1以及相关接触孔与晶体管ATR的漏区相连接，而晶体管ATR的源区则和地线GND连接，晶体管ATR的栅极即为读字线RWL。
磁性薄膜存储单元中信息的写入由位线BL和写字线WWL来协同完成。当位线BL和写字线WWL以一定的时序关系通过写入工作电流时，两者的电流所产生的磁场的合成磁场将使磁性薄膜存储单元中自由层的磁化方向翻转到特定的方向，该磁化方向在撤销位线BL、写字线WWL的电流之后能够稳定在其两个稳定状态中被期望的一个状态。由此即实现了磁性薄膜存储单元中信息的写入并保存。
读取磁性薄膜存储单元中的信息则由读字线RWL来控制。在允许读取时，控制读字线RWL在一个合适的电平上，使得晶体管ATR导通。此时存在一个由位线BL(金属布线层M3)经磁性薄膜存储单元、过渡金属层TM、接触孔金属布线层M2、接触孔、金属布线层M1、接触孔、晶体管ATR漏区、晶体管ATR源区而至地线GND的电气通路。因此，由位线BL给一个合适的读电流，即可提取磁性薄膜存储单元当前的电阻状态。由此即实现了磁性薄膜存储单元中信息的读出。
如上所述，该种结构的MRAM需要多达三个的金属布线层以及一个过渡金属层来形成其电气连接，使得MRAM的制造工艺复杂、成本高。另外，在制造磁性薄膜存储单元之前，衬底上已经经过了数次的沉积、布线、打孔、绝缘介质填埋等工艺操作，使得磁性薄膜存储单元制造面的表面平整性较差，必须进行特殊的表面抛平工艺处理(比如化学机械抛光CMP，Chemical-MechanicalPolishing)才能满足磁性薄膜存储薄膜对其衬底表面平整性的特殊要求，这也是一个增加工艺难度和制造成本的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，在具有磁性薄膜存储存储单元的MRAM中，减少金属布线层的数目，以降低工艺复杂性和制造成本。
本发明所要解决的另一个技术问题是，在磁性薄膜制造之前，尽可能地实现无需表面抛平工艺处理即可满足磁性薄膜制造对其衬底表面平整性的要求，以降低工艺复杂性和制造成本。
本发明所要解决的再一个技术问题是，在MRAM结构中提出一种新的晶体管ATR单元设计方案，每相邻的两个晶体管ATR单元具有共用的源区，由此可以改善制备晶体管ATR单元过程中的源区的热平衡，并使得晶体管ATR单元允许通过更大的读出电流，以提高磁性薄膜存储单元读出信号的信噪比，并且在一定程度上提高MRAM存储单元的集成密度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种磁随机存取存储器，包括：由晶体管ATR单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；由磁性薄膜存储单元构成的存储单元阵列；接触孔，所述磁性薄膜存储单元经由该接触孔和所述晶体管ATR单元相连接；以及写字线WWL和位线BL，所述写字线WWL和所述位线BL布置在所述磁性薄膜存储单元的同侧，并且所述写字线WWL与所述磁性薄膜存储单元直接相连。
本发明还提供一种磁随机存取存储器，包括：由晶体管ATR单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；由磁性薄膜存储单元构成的存储单元阵列；接触孔；过渡金属层，所述磁性薄膜存储单元经由该过渡金属层和所述接触孔与所述晶体管ATR单元相连接，使得磁性薄膜存储单元位于所述晶体管ATR单元的加工区域之外；以及写字线WWL和位线BL，所述写字线WWL和所述位线BL布置在所述磁性薄膜存储单元的同侧，并且所述写字线WWL与所述磁性薄膜存储单元直接相连。
本发明又提供一种磁随机存取存储器，包括：由晶体管ATR单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中，且每相邻的两个晶体管ATR单元具有共用的源区；由磁性薄膜存储单元构成的存储单元阵列；接触孔；以及写字线WWL和位线BL，所述写字线WWL和所述位线BL布置在所述磁性薄膜存储单元的同侧，并且所述写字线WWL与所述磁性薄膜存储单元直接相连；此方案也可采用过渡金属层，所述磁性薄膜存储单元经由该过渡金属层和所述接触孔与所述晶体管ATR单元相连接，使得磁性薄膜存储单元位于所述晶体管ATR单元的加工区域之外。
本发明提供一种MRAM结构，它具有包括磁性薄膜存储单元的存储单元阵列；具有实现MRAM信息读写的多条位线BL、多条写字线WWL、多条读字线RWL和多条地线GND；以及具有控制对MRAM单元进行读或写操作的晶体管ATR单元，该晶体管ATR单元被集成在半导体衬底中。
所述磁性薄膜存储单元的基本结构由两层磁性材料层以及介于两磁层之间的非磁性材料层构成，存储信息由其中一个磁性材料层的磁化状态来表示并保存。
写字线WWL和位线BL被布置在磁性薄膜存储单元的同一侧，并且写字线WWL和地线GND被布置在同一个金属布线层中。位线BL和写字线WWL相互正交，磁性薄膜存储单元的至少一个磁性材料层的易磁化方向沿位线BL或写字线WWL的纵向方向。写字线WWL布置在磁性薄膜存储单元的正上方，并且磁性薄膜存储单元和写字线WWL直接相连接。位线BL布置在写字线WWL的上方，即磁性薄膜存储单元的正上方，并且位线BL与写字线WWL由绝缘掩埋介质隔离。
磁性薄膜存储单元的下方通过一过渡金属层以及一接触孔或者直接经由一接触孔与晶体管ATR的漏区相连接。
内部金属布线层总共为两层，即位线BL所在层和写字线WWL与地线GND所在层。
存储信息的读出由读字线RWL控制晶体管ATR单元的导通来实现，读字线RWL同时作为晶体管ATR单元的栅极。在读出信息的过程中，晶体管ATR导通，读出电流由写字线WWL引入来获取磁性薄膜存储单元中存储的信息。内部金属布线层总共为两层，即位线BL所在层和写字线WWL与地线GND所在层。
本发明简化了MRAM的单元结构，减少了其中的金属布线层数目至两层。另一方面，本发明允许将磁性薄膜存储单元布置在晶体管ATR的侧上方(垂直投影中磁性薄膜存储单元区域处于ATR加工区域之外)，使得磁性薄膜沉积面避开晶体管表面平整性较差的区域，从而有可能不经特殊的表面抛平处理即可直接生长磁性薄膜存储薄膜并制造磁性薄膜存储单元，降低MRAM制造工艺的复杂性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术的磁随机存取存储器MRAM单元结构的三维示意图；
图2是本发明磁随机存取存储器实施例1的MRAM单元结构的三维示意图；
图3是本发明磁随机存取存储器实施例1的MRAM单元结构的第一剖视图；
图4是本发明磁随机存取存储器实施例2的MRAM单元结构的三维示意图；
图5是本发明磁随机存取存储器实施例2的MRAM单元结构的第一剖视图；
图6是本发明磁随机存取存储器实施例3的MRAM单元结构的三维示意图；
图7是本发明磁随机存取存储器实施例3的MRAM单元结构的第一剖视图；
图8是本发明磁随机存取存储器实施例4的MRAM单元结构的三维示意图；
图9是本发明磁随机存取存储器实施例4的MRAM单元结构的第一剖视图。
具体实施方式
实施例1：
如图2所示，MRAM存储器中的磁性薄膜存储单元阵列由大量的MRAM单元1组合而成，在一个MRAM单元1中，包括一个磁性薄膜存储单元2、晶体管ATR 4和一组布线，即：位线BL 3a、写字线WWL 3b、地线GND 3c、读字线RWL 3d以及用于层间连接的接触孔3e、3f。其中，在布局上将位线BL 3a与写字线WWL 3b布置在磁性薄膜存储单元2的上方，在垂直投影中位线BL 3a与写字线WWL 3b相互成直角关系。
如图3所示，整个MRAM单元1由若干层5a、5b、5c、5d、5e、5f构成，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质填埋。MRAM单元1中金属布线层仅有两层5c、5e，即位线BL 3a所在层5e及地线GND 3c与写字线WWL 3b所在层5c。磁性薄膜存储单元2布置在位线BL 3a与写字线WWL 3b交叉区域的下方，其下部电极通过接触孔3f与晶体管ATR 4的漏极4c相连接，其上部电极与写字线WWL 3b直接相连接。磁性薄膜存储单元2中的自由层的易磁化轴与位线BL 3a或写字线WWL 3b的长边方向重合。写字线WWL 3b的宽度相当于磁性薄膜存储单元2的宽度。由此，在MRAM的数据读出操作中(读字线RWL 3d给一个适当的电平以使晶体管ATR 4处于导通状态)，其读出电流由写字线WWL3b经磁性薄膜存储单元2、接触孔3f、晶体管ATR漏极4c、晶体管ATR源极4a、接触孔3e而达地线GND 3c，从而获取磁性薄膜存储单元2当前的电阻状态，即MRAM单元1中所存储的数据。写字线WWL 3b与位线BL 3a由绝缘掩埋介质层5d隔离。因此，在MRAM的数据写入操作中(读字线RWL 3d给一个适当的电平以使晶体管ATR 4处于截止状态，这时允许写入操作)，由位线BL 3a及写字线WWL 3b中以一定的时序关系存在的工作电流产生的空间磁场，可以使磁性薄膜存储单元2中的自由层的磁化方向发生预期的变化，并且在撤除写入工作电流之后稳定到其两个稳定方向中被希望的一个方向上，也即完成了数据的写入。
实施例2：
如图4、图5所示，是实施例1的一个变形，增加了一个过渡金属层3g，以使得磁性薄膜存储单元2可以布置在垂直投影中晶体管ATR 4区域之外。
MRAM存储器中的磁性薄膜存储单元阵列由大量的MRAM单元1组合而成，在一个MRAM单元1中，包括一个磁性薄膜存储单元2、晶体管ATR 4和一组布线，即：位线BL 3a、写字线WWL 3b、地线GND 3c、读字线RWL 3d以及用于层间连接的接触孔3e、3f和过渡金属层3g。其中，在布局上将位线BL 3a与写字线WWL 3b布置在磁性薄膜存储单元2的上方，在垂直投影中位线BL 3a与写字线WWL 3b相互成直角关系。
磁性薄膜存储单元2布置在位线BL 3a与写字线WWL 3b交叉区域的下方，其下部电极通过过渡金属层3g和接触孔3f与晶体管ATR 4的漏极4c相连接，其上部电极与写字线WWL 3b直接相连接。磁性薄膜存储单元2中的自由层的易磁化轴与位线BL 3a或写字线WWL 3b的长边方向重合。写字线WWL 3b的宽度相当于磁性薄膜存储单元2的宽度。由此，在MRAM的数据读出操作中(读字线RWL 3d给一个适当的电平以使晶体管ATR 4处于导通状态)，其读出电流由写字线WWL 3b经磁性薄膜存储单元2、过渡金属层3g、接触孔3f、晶体管ATR漏极4c、晶体管ATR源极4a、接触孔3e而达地线GND 3c，从而获取磁性薄膜存储单元2当前的电阻状态，即MRAM单元1中所存储的数据。写字线WWL 3b与位线BL 3a由绝缘掩埋介质层5d隔离。因此，在MRAM的数据
入操作中(读字线RWL 3d给一个适当的电平以使晶体管ATR 4处于截止状态，这时允许写入操作)，由位线BL 3a及写字线WWL 3b中以一定的时序关系存在的工作电流产生的空间磁场，可以使磁性薄膜存储单元2中的自由层的磁化方向发生预期的变化，并且在撤除写入工作电流之后稳定到其两个稳定方向中被希望的一个方向上，也即完成了数据的写入。
增加了过渡金属层的目的在于，通过布局使磁性薄膜存储单元2避开晶体管ATR 4区域平整性较差的表面，而落于一个不含有刻蚀或填埋边缘的表面上。该表面区域在经过前期的工艺操作之后，仍能保持一个平整性完好的表面。因此，本实施例将允许在磁性薄膜存储薄膜生长之前，无需特殊的表面抛平处理，从而进一步降低MRAM制造的工艺复杂性及制造成本。
实施例3：
如图6所示，MRAM存储器中的磁性薄膜存储单元阵列由大量的MRAM单元1组合而成，在一个MRAM单元1中，包括两个磁性薄膜存储单元2a、2b、晶体管ATR 4和一组布线，即：位线BL 3a、写字线WWL 3b、3i、地线GND 3c、读字线RWL 3d、3j以及用于层间连接的接触孔3e、3f、3h。其中，在布局上将位线BL 3a与写字线WWL 3b、3i布置在磁性薄膜存储单元2a、2b的上方，在垂直投影中位线BL 3a与写字线WWL 3b、3i相互成直角关系。
本实施例的布局使两个磁性薄膜存储单元2a、2b共用一条地线GND 3c，也即相邻两个磁性薄膜存储单元的晶体管ATR 4单元具有共用的源区4a。因此每两个MRAM单元1可节省至少一条地线GND的面积；更重要的是，本实施例的布局可改善制备晶体管ATR 4单元过程中的源区的热平衡，并使得晶体管ATR 4单元允许通过更大的读出电流，因而可提高磁性薄膜存储单元读出信号的信噪比。
磁性薄膜存储单元2a、2b布置在位线BL 3a与写字线WWL 3b、3i交叉区域的下方，其下部电极通过接触孔3f、3h与晶体管ATR 4的漏极4c、4d相连接，其上部电极与写字线WWL 3b、3i直接相连接。磁性薄膜存储单元2a、2b中的自由层的易磁化轴与位线BL 3a或写字线WWL 3b、3i的长边方向重合。写字线WWL 3b、3i的宽度相当于磁性薄膜存储单元2a、2b的宽度。由此，在MRAM的数据读出操作中(读字线RWL 3j(以3j为例)给一个适当的电平以使晶体管ATR 4处于导通状态)，其读出电流由写字线WWL3i经磁性薄膜存储单元2b、接触孔3h、晶体管ATR漏极4d、晶体管ATR源极4a、接触孔3e而达地线GND 3c，从而获取磁性薄膜存储单元2b当前的电阻状态，即MRAM单元1中磁性薄膜存储单元2b所存储的数据。写字线WWL 3b、3i与位线BL 3a由绝缘掩埋介质层隔离。因此，在MRAM的数据写入操作中(读字线RWL 3d、3j给一个适当的电平以使晶体管ATR 4处于截止状态，这时允许写入操作)，由位线BL 3a及写字线WWL 3b或3i中以一定的时序关系存在的工作电流产生的空间磁场，可以使磁性薄膜存储单元2a或2b中的自由层的磁化方向发生预期的变化，并且在撤除写入工作电流之后稳定到其两个稳定方向中被希望的一个方向上，也即完成了数据的写入。
图7表示图6的立体结构示意图的纵向截面示意图。可见该实施例的特点是，以地线GND 3c为中心线，其他MRAM单元1组件在其两侧对称布置。以图7所示为例，左侧晶体管ATR的漏区在左侧，而右侧晶体管ATR的漏区则在右侧。
实施例4：
将图6、图7所示本发明的实施例3与图4、图5所示的实施例2相结合，还可构成本发明的实施例4，如图8、图9所示，使两个磁性薄膜存储单元2a、2b共用一条地线GND 3c，也即相邻两个磁性薄膜存储单元的晶体管ATR 4单元具有共用的源区4a，并且增加了两个过渡金属层3g、3k，以使得磁性薄膜存储单元2a、2b可以布置在垂直投影中晶体管ATR 4区域之外。其目的在于，通过布局使磁性薄膜存储单元2避开晶体管ATR 4区域平整性较差的表面，而落于一个不含有刻蚀或填埋边缘的表面上。该表面区域在经过前期的工艺操作之后，仍能保持一个平整性完好的表面。因此，本实施例将允许在磁性薄膜存储薄膜生长之前，无需特殊的表面抛平处理，从而进一步降低MRAM制造的工艺复杂性及制造成本。其特点为既减少了中间金属布线层的数目，大大降低了MRAM制造工艺的复杂性，又可以节省整个工艺流程中的抛平工艺，从而降低MRAM的制造成本。
Claims (14)
1.一种磁随机存取存储器，包括：
a)由晶体管ATR(4)单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；
b)由磁性薄膜存储单元(2)构成的存储单元阵列；
c)接触孔；
d)写字线WWL(3b)和位线BL(3a)，
其特征在于：内部金属布线层总共为两层，即所述位线BL(3a)所在层和所述写字线WWL(3b)与地线GND(3c)所在层，并且所述写字线WWL(3b)和所述位线BL(3a)布置在所述磁性薄膜存储单元(2)的同侧，所述写字线WWL(3b)与所述磁性薄膜存储单元(2)直接相连；同时还包括过渡金属层(3g)，所述磁性薄膜存储单元(2)经由该过渡金属层(3g)和所述接触孔与所述晶体管ATR(4)单元相连接；所述磁性薄膜存储单元(2)位于所述晶体管ATR(4)单元的加工区域之外。
2.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于所述磁性薄膜存储单元(2)的基本结构由两层磁性材料层以及介于两磁层之间的非磁性材料层构成，存储信息由其中一个磁性材料层的磁化状态来表示并保存。
3.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于所述位线BL(3a)和所述写字线WWL(3b)相互正交，所述磁性薄膜存储单元(2)的至少一个磁性材料层的易磁化方向沿所述位线BL(3a)或所述写字线WWL(3b)的纵向方向。
4.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于所述写字线WWL(3b)布置在所述磁性薄膜存储单元(2)的正上方。
5.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于所述位线BL(3a)布置在所述写字线WWL(3b)的上方，并且所述位线BL(3a)在所述磁性薄膜存储单元(2)的正上方，并且所述位线BL(3a)与所述写字线WWL(3b)由绝缘掩埋介质隔离。
6.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于存储信息的读出由读字线RWL(3d)控制所述晶体管ATR(4)单元的导通来实现，所述读字线RWL(3d)同时作为所述晶体管ATR(4)单元的栅极。
7.按照权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于在读出信息的过程中，所述晶体管ATR(4)导通，读出电流由所述写字线WWL(3b)引入来获取所述磁性薄膜存储单元(2)中存储的信息。
8.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，通过在源区的另一端增加一个晶体管ATR(4)单元，使每相邻的两个晶体管ATR(4)单元具有共用的源区。
9.按照权利要求8所述的磁随机存取存储器，其特征在于所述磁性薄膜存储单元(2a、2b)的基本结构由两层磁性材料层以及介于两磁层之间的非磁性材料层构成，存储信息由其中一个磁性材料层的磁化状态来表示并保存。
10.按照权利要求8所述的磁随机存取存储器，其特征在于所述位线BL(3a)和所述写字线WWL(3i、3b)相互正交，所述磁性薄膜存储单元(2b、2a)的至少一个磁性材料层的易磁化方向沿所述位线BL(3a)或所述写字线WWL(3i、3b)的纵向方向。
11.按照权利要求8所述的磁随机存取存储器，其特征在于所述写字线WWL(3i、3b)布置在所述磁性薄膜存储单元(2a、2a)的正上方。
12.按照权利要求8所述的磁随机存取存储器，其特征在于所述位线BL(3a)布置在所述写字线WWL(3i、3b)的上方，并且所述位线BL(3a)在所述磁性薄膜存储单元(2b、2a)的正上方，所述位线BL(3a)与所述写字线WWL(3i、3b)由绝缘掩埋介质隔离。
13.按照权利要求8所述的磁随机存取存储器，其特征在于存储信息的读出由读字线RWL(3d、3j)控制所述晶体管ATR(4)单元的导通来实现，所述读字线RWL(3d、3j)同时作为所述晶体管ATR(4)单元的栅极。
14.按照权利要求8所述的磁随机存取存储器，其特征在于在读出信息的过程中，所述晶体管ATR(4)导通，读出电流由所述写字线WWL(3i、3b)引入来获取所述磁性薄膜存储单元(2b、2a)中存储的信息。
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