高速且稳定地进行数据读出工作的薄膜磁性体存储器制造技术

对于ＭＴＪ存储单元，独立地设置分别在数据写入和数据读出时使用的写入字线（ＷＷＬ）和读出字线（ＲＷＬ）。通过在列方向上分割存储器阵列（１０）而形成的每个区域（ＡＲ１、ＡＲ２）中分割配置读出字线（ＲＷＬ），可减少读出字线（ＲＷＬ）中的信号传送延迟，实现数据读出工作的高速化。根据行选择结果，与写入字线（ＷＷＬ）分层次地控制各读出字线（ＲＷＬ）的激活。字线电流控制电路（４０）与上述数据写入时和上述数据读出时的每一时候相对应，形成和隔断写入字线（ＷＷＬ）中的电流路径。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
专利说明高速且稳定地进行数据读出工作的 薄膜磁性体存储器 [专利
]本专利技术涉及薄膜磁性体存储器，更特定地说，涉及具备有磁隧道结(MTJ)的存储单元的随机存取存储器。作为能以低功耗来存储非易失性数据的存储器，MRAM(磁随机存取存储器)器件正在引起人们的注意。MRAM器件是使用在半导体集成电路上形成的多个薄膜磁性体进行非易失性的数据存储、能对薄膜磁性体的每一个进行随机存取的存储器。特别是，已发表了近年来通过将利用了磁隧道结(MTJ)的薄膜磁性体作为存储单元来使用、MRAM装置的性能得到了飞跃的进步的情况。关于具备有磁隧道结的存储单元的MRAM器件，在“A 10ns Read andWrite Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic TunnelJunction and FET Switch in each Cell(在每个单元中使用磁隧道结和FET开关的10ns读写非易失性存储器阵列)”，ISSCC Digest ofTechnical Papers，TA7.2，Feb.2000.和“Nonvolatile RAM based onMagnetic Tunnel Junction Elements(基于磁隧道结元件的非易失性RAM)”，ISSCC Digest of Technical Papers，TA7.3，Feb.2000.等技术文献中已公开了。图42是示出具有磁隧道结部的存储单元(以下，也简单地称为MTJ存储单元)的结构的概略图。参照图42，MTJ存储单元具备其电阻值根据存储数据的数据电平而变化的磁隧道结部MTJ和存取晶体管ATR。存取晶体管ATR由场效应晶体管形成，被连接在磁隧道结部MTJ与接地电压Vss之间。对于MTJ存储单元来说，配置指示数据写入用的写入字线WWL、指示数据读出用的读出字线RWL和在数据读出时和数据写入时传递与存储数据的电平对应的电信号用的数据线、即位线BL。图43是说明来自MTJ存储单元的数据读出工作的概念图。参照图43，磁隧道结部MTJ具有有恒定方向的固定磁场的磁性体层(以下，也简单地称为固定磁层)FL和有自由磁场的磁性体层(以下，也简单地称为自由磁层)VL。在固定磁层FL与自由磁层VL之间配置用绝缘体膜形成的隧道势垒TB。在自由磁层VL中，根据存储数据的电平，以非易失性的方式写入与固定磁层FL相同的方向的磁场和与固定磁层FL不同的方向的磁场的某一方。在数据读出时，存取晶体管ATR根据读出字线RWL的激活而被导通。由此，在位线BL～磁隧道结部MTJ～存取晶体管ATR～接地电压Vss的电流路径中，从图中没有示出的控制电路流过作为恒定电流供给的读出电流Is。磁隧道结部MTJ的电阻值根据固定磁层FL与自由磁层VL之间的磁场方向的相对关系而变化。具体地说，在固定磁层FL的磁场方向与写入到自由磁层VL中的磁场方向为相同的情况下，与两者的磁场方向不同的情况相比，磁隧道结部MTJ的电阻值变小。因而，在数据读出时，由读出电流Is在磁隧道结部MTJ中产生的电压降根据在自由磁层VL中存储的磁场方向的不同而异。由此，如果一度将位线BL预充电到高电压的状态后开始读出电流Is的供给，则利用位线BL的电压电平变化的监视，可读出MTJ存储单元的存储数据的电平。图44是说明对于MTJ存储单元的数据写入工作的概念图。参照图44，在数据写入时，读出字线RWL被非激活，存取晶体管ATR被关断。在该状态下，对自由磁层VL写入磁场用的数据写入电流分别流过写入字线WWL和位线BL。自由磁层VL的磁场方向由分别流过写入字线WWL和位线BL的数据写入电流的方向的组合来决定。图45是说明数据写入时的数据写入电流的方向与磁场方向的关系的概念图。参照图45，用横轴示出的磁场Hx表示由流过写入字线WWL的数据写入电流产生的磁场H(WWL)的方向。另一方面，在纵轴上示出的磁场Hy表示由流过位线BL的数据写入电流产生的磁场H(BL)的方向。只在磁场H(WWL)与H(BL)之和到达图中示出的星形特性线的外侧的情况下，新写入在自由磁层VL中存储的磁场方向。即，在施加了与星形特性线的内侧的区域相当的磁场的情况下，不更新在自由磁层VL中存储的磁场方向。因而，为了利用写入工作来更新磁隧道结部MTJ的存储数据，必须使电流流过写入字线WWL和位线BL这两者。在磁隧道结部MTJ中一度存储的磁场方向、即存储数据，在进行新的数据写入之前的期间内，以非易失性的方式被保持。在数据读出时，在位线BL中也流过读出电流Is。但是，一般来说，由于将读出电流Is设定为比上述的数据写入电流小约1～2个数量级，故因读出电流Is的影响而在数据读出时错误地改写MTJ存储单元的存储数据的可能性很小。在上述的技术文献中，公开了在半导体衬底上集成这样的MTJ存储单元、构成作为随机存取存储器的MRAM器件的技术。图46是示出以集成方式配置成行列状的MTJ存储单元的概念图。参照图46，通过在半导体衬底上将MTJ存储单元配置成行列状，可实现高集成化的MRAM器件。在图46中，示出将MTJ存储单元配置成n行×m列(n、m自然数)的情况。如已说明的那样，对于各MTJ存储单元，必须配置位线BL、写入字线WWL和读出字线RWL。因而，对于配置成行列状的n×m个MTJ存储单元，必须配置n条写入字线WWL1～WWLn和读出字线RWL1～RWLn以及m条位线BL1～BLm。这样，对于MTJ存储单元来说，一般作成与读出工作和写入工作的每一工作相对应设置独立的字线的结构。图47是在半导体衬底上配置的MTJ存储单元的结构图。参照图47，在半导体主衬底SUB上的p型区PAR中形成存取晶体管ATR。存取晶体管ATR具有作为n型区的源/漏区110、120和栅130。源/漏区110经在第1金属布线层M1中形成的金属布线与接地电压Vss连接。使用在第2金属布线层M2中形成的金属布线作为写入字线WWL。此外，在第3金属布线层M3中设置位线BL。磁隧道结部MTJ配置在设置写入字线WWL的第2金属布线层M2与设置位线BL的第3金属布线层M3之间。存取晶体管ATR的源/漏区120经在接触孔中形成的金属膜150、第1和第2金属布线层M1和M2以及阻挡金属140与磁隧道结部MTJ导电性地连接。阻挡金属140是为了导电性地连接磁隧道结部MTJ与金属布线之间而设置的缓冲材料。如已说明的那样，在各MTJ存储单元中，读出字线RWL是作为独立于写入字线WWL的布线而设置的。此外，必须在数据写入时在写入字线WWL和位线BL中流过发生规定值以上的大小的磁场用的数据写入电流。因而，使用金属布线来形成位线BL和写入字线WWL。另一方面，读出字线RWL是为了控制存取晶体管ATR的栅电压而设置的，没有必要以积极的方式流过电流。因而，从提高集成度的观点来看，不是新设置独立的金属布线层、而是在与栅130为同一的布线层中使用多晶硅层或多晶硅硅化物(policide)结构来形成读出字线RWL。通过作成这样的结构，可抑制金属布线层的数目，可在半导体衬底上以集成的方式配置MTJ存储单元。但是，由于用多晶硅层等来形成读出字线RWL，故其电阻值比较大。由此，在数据读出时在读出字线RWL中的信号传播本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜磁性体存储器，其特征在于，具备： 具有配置成行列状的多个磁性体存储单元的存储器阵列，上述多个磁性体存储单元的每一个包括在由第１和第２数据写入电流施加的数据写入磁场比规定磁场大的情况下其电阻值随已被写入的存储数据的电平而变化的存储部和与上述存储部串联连接的存储单元选择门； 多条写入字线，分别与上述磁性体存储单元的行对应地被设置，用具有第１电阻率的布线形成，上述多条写入字线的每一条在数据写入时和数据读出时的两者中，根据行选择结果有选择地被激活； 字线电流控制电路，对于上述多条写入字线中的已被激活的至少１条，在上述数据写入时和上述数据读出时的每一时候，用来形成和隔断上述第１数据写入电流的电流路径； 多条数据线，分别与上述磁性体存储单元的列对应地被设置； 读出写入控制电路，在上述数据写入时和上述数据读出时，用来使上述第２数据写入电流和数据读出电流的每一种电流流过与上述多条数据线中的已被选择的上述列对应的至少１条；以及 多条读出字线，分别与上述磁性体存储单元的行对应地被设置，用具有比上述第１电阻率高的第２电阻率的布线形成，各上述读出字线在上述数据读出时与上述多条写入字线中的对应的１条一起有选择地被激活，上述多条读出字线中的已被激活的至少１条使对应的上述存储单元选择门导通。...

【技术特征摘要】
JP 2001-1-29 20277/01;JP 2000-9-22 288642/001.一种薄膜磁性体存储器，其特征在于，具备具有配置成行列状的多个磁性体存储单元的存储器阵列，上述多个磁性体存储单元的每一个包括在由第1和第2数据写入电流施加的数据写入磁场比规定磁场大的情况下其电阻值随已被写入的存储数据的电平而变化的存储部和与上述存储部串联连接的存储单元选择门；多条写入字线，分别与上述磁性体存储单元的行对应地被设置，用具有第1电阻率的布线形成，上述多条写入字线的每一条在数据写入时和数据读出时的两者中，根据行选择结果有选择地被激活；字线电流控制电路，对于上述多条写入字线中的已被激活的至少1条，在上述数据写入时和上述数据读出时的每一时候，用来形成和隔断上述第1数据写入电流的电流路径；多条数据线，分别与上述磁性体存储单元的列对应地被设置；读出写入控制电路，在上述数据写入时和上述数据读出时，用来使上述第2数据写入电流和数据读出电流的每一种电流流过与上述多条数据线中的已被选择的上述列对应的至少1条；以及多条读出字线，分别与上述磁性体存储单元的行对应地被设置，用具有比上述第1电阻率高的第2电阻率的布线形成，各上述读出字线在上述数据读出时与上述多条写入字线中的对应的1条一起有选择地被激活，上述多条读出字线中的已被激活的至少1条使对应的上述存储单元选择门导通。2.如权利要求1中所述的薄膜磁性体存储器，其特征在于上述存储器阵列沿列方向被分割为多个区域，上述多条读出字线被分割地配置在上述多个区域的每一区域中，上述多条写入字线的每一条被共同地配置在上述多个区域中，上述薄膜磁性体存储器还具备分别与上述多条读出字线对应地设置的多个读出字线驱动器，上述多个读出字线驱动器的每一个在上述数据读出时，响应于上述多条写入字线中的对应的1条的激活，激活上述多条读出字线中的对应的1条。3.如权利要求1中所述的薄膜磁性体存储器，其特征在于还具备用来根据上述行选择结果有选择地激活上述多条写入字线的字线驱动电路，上述字线驱动电路对于上述多条写入字线中的已被激活的至少1条，在上述数据写入时和上述数据读出时的每个时候，分别供给上述第1数据写入电流和充电电流，由上述充电电流产生的磁场比上述规定磁场小。4.如权利要求1中所述的薄膜磁性体存储器，其特征在于利用在上述数据读出时用来分别激活上述多条写入字线和读出字线的第1和第2充电电流，将上述多条写入字线和上述多条读出字线配置成在上述存储部中分别产生的第1和第2磁场的方向成为互相抵消的方向。5.如权利要求1中所述的薄膜磁性体存储器，其特征在于上述多条读出字线的每一条在至少1个节点中与上述多条写入字线的对应的1条导电性地连接。6.如权利要求5中所述的薄膜磁性体存储器，其特征在于上述存储单元选择门在导通时在多条数据线中的对应的1条与读出基准电压之间导电性地连接上述存储部，在数据读出之前，将各上述多条数据线预充电到上述读出基准电压，上述读出写入控制电路在上述数据读出时，只将上述多条数据线中的与已被选择的存储单元的列对应的至少1条与不同于上述读出基准电压的电压连接。7.如权利要求1中所述的薄膜磁性体存储器，其特征在于还具备沿与上述多条数据线相同的方向分别与上述列对应地设置的、用来分别供给读出基准电压的多条源线，在上述数据读出时，上述数据读出电流流过上述读出写入控制电路与上述读出基准电压之间，这样来配置上述多条源线和多条数据线，即，在上述数据读出时，与已被选择的上述列对应的上述源线和上述数据线中的在上述数据读出电流的路径中包含的部分的布线电阻的总和不依赖于已被选择的上述行而大体为恒定。8.如权利要求1中所述的薄膜磁性体存储器，其特征在于，具备还具备分别与上述行对应的、沿与上述多条读出字线和多条写入字线相同的方向设置的、分别供给读出基准电压的多条源线，上述读出写入控制电路包含沿与上述多条源线相同的方向设置的总体数据线；多个列选择门，分别设置在上述总体数据线与上述多条数据线之间，分别根据列选择结果而导通；以及数据读出电路，用来在上述数据读出时将在与上述读出基准电压之间流动的上述数据读出电流供给上述总体数据线，这样来配置上述多条源线和总体数据线，即，在上述数据读出时，与已被选择的上述行对应的上述源线和上述总体数据线的在上述数据读出电流的路径中包含的部分的布线电阻的总和不依赖于已被选择的上述列而大体为恒定。9.如权利要求1中所述的薄膜磁性体存储器，其特征在于还具备多条源线，分别与上述行对应地沿与上述多条读出字线和多条写入字线相同的方向被设置，用来分别供给读出基准电压；以及虚设数据线，沿与上述多条数据线相同的方向对于上述磁性体存储单元共同地被设置，与上述读出基准电压和上述多条源线导电性地连接，在上述数据读出时，上述数据读出电流流过上述读出写入控制电路与上述读出基准电压之间，这样来配置上述多条数据线和上述虚设数据线，即，在上述数据读出时，与已被选择的上述列对应的上述数据线和上述虚设数据线的在上述数据读出电流的路径中包含的部分的布线电阻的总和不依赖于已被选择的上述行而大体为恒定。10.如权利要求1中所述的薄膜磁性体存储器，其特征在于还具备多条源线，分别与上述行对应地沿与上述多条读出字线和多条写入字线相同的方向被设置，用来分别供给读出基准电压；以及虚设数据线，沿与上述多条数据线相同的方向被设置，与上述读出基准电压和上述多条源线的每一条导电性地连接，在上述数据读出时，上述数据读出电流流过上述读出写入控制电路与上述读出基准电压之间，这样来配置上述多条源线和总体数据线，即，在上述数...

【专利技术属性】
技术研发人员：日高秀人，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]