具有垂直写线的磁阻式随机存储器制造技术

形成一种磁阻式随机存储器（ＭＲＡＭ）设备（１０），其具有在凹坑中的固定磁层（２８）、自由磁层（３２）以及在它们之间的第一电介质层（３０）。还在该凹坑中形成金属栓（３６）和可选的第二电介质层（３４）。该金属栓（３６）充当写通路。在该ＭＲＡＭ单元中的字线是用来写和读该ＭＲＡＭ设备的晶体管的栅电极。要写该设备，电流在大致垂直的方向上传播，因此仅影响一个ＭＲＡＭ单元，而不影响邻近的单元。从而改进了数据存储器。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的来说涉及半导体设备，更具体地涉及一种磁阻式随机存储器(MRAM)设备。
技术介绍
半导体工业目前在进行用作非易失性存储器(NVM)的磁阻式随机存储器(MRAM)技术的开发。MRAM也可能证明作为动态随机存储器(DRAM)或静态随机存储器(SRAM)的替代物是很有效的。有两种主要类型的MRAMMTJ(磁性隧道结)和GMR(巨磁电阻)MRAM。MRAM阵列包括由许多数字线交叉的写线或位线。在写线和数字线的每一个交叉处，一个磁性隧道结层状夹心结构形成一个在其中存储一个“位”的信息的存储元件或位单元。该磁性隧道结层状夹心结构由在具有固定磁化向量的磁层和可以切换磁化向量的磁层之间的薄的绝缘材料组成；这两个磁层分别称为固定磁层和自由(或切换)磁层。当将数据写到单个磁性隧道结层状夹心结构的时候，MRAM出现一个问题。由于写线电流穿过多个MRAM位单元，为了使用足够的电流来写在该写线和数字线的交叉点上的选中的MRAM位单元，邻近的MRAM位单元也被附带地写了，这会导致不正确的数据存储。因此，存在这样的需要，可控地写单个MRAM位单元，不附带地写邻近的MRAM位单元。附图说明本专利技术是经由实例来说明的，并不局限于这些附图，其中相同的参考符号表示相似的元件，其中 图1说明了根据本专利技术的一个实施例的MRAM设备的剖面概念视图；图2说明了一个包括图1的MRAM设备的MRAM阵列的电路图；以及图3至图8说明了根据本专利技术的一个实施例，形成MRAM设备的过程的剖视图。本领域的技术人员理解，是为了简单清楚而举这些图中的元件为例说明的，而不必按比例来画这些元件。例如，相对于其它元件，这些图中的有些元件的尺寸被放大了，以帮助提高对本专利技术的实施例的理解。具体实施例方式图1说明了MRAM设备10的剖视图，其包括单晶体层9(或其它适合的层，例如绝缘硅(SOI)等)、掺杂区域12和13、第一通孔14、字线16、第一导电衬垫或结构20、第二通孔22、第二导电衬垫或结构24、假接地线(接地结构)18、MRAM层状夹心结构26和位线40。第一电介质层33和第二电介质层42使导电区域彼此互相绝缘，例如使第一导电层20与假接地线18绝缘。字线16是一个晶体管的栅电极，该晶体管包括充当源极和漏极区的掺杂区域12和13的一些部分，并包括充当栅氧化层的第一电介质层33的一部分。根据一个非限制性的实施例，单晶体衬底9是P型硅衬底，字线晶体管是NMOS晶体管。其它电路元件，例如输入/输出电路、数据/地址译码器以及比较器，也可以包含在该MRAM设备10中，但是为了简化起见而将它们从图中省去了。MRAM层状夹心结构26包括被第三电介质层30隔开的固定磁层28和自由磁层32、可选第四电介质层34以及金属栓36。尽管由于二维图的局限性而未在图1中示出，该固定磁层28环绕一个凹坑的所有侧面，在一个实施例中形成了磁性材料环或柱面，该固定磁层28在该凹坑内部。因此，所示的固定磁层28的两部分是彼此相连的，是整个固定磁层28的一部分。固定磁层28是一个如在固定磁层28的圈中的“X”和在圈内的点所示的固定磁层。在圈内的“X”表示磁场正朝该页里传播或向离开读者的方向传播(即，好像一个人正从尾部看一支箭，“X”表示箭末端的羽毛)，而在圈内的点表示磁场正朝该页外传播或向读者传播(即，好像一个人正在看一支箭的箭头)，这是有关磁体的常见表示法。因此，在图1的实施例中，固定磁层28的磁场在逆时针的水平环方向上传播。但是，作为替换，固定磁层28的磁场也可以在顺时针方向上传播。然而，重要的是，固定磁层28具有仅在一个方向(即，顺时针或逆时针)上传播的磁场。换句话说，固定磁层28的磁场的方向不能通过施加电流来改变。与此相反，自由磁层32具有可以在顺时针或逆时针方向上传播的磁场，如都具有在圈内的“X”和在圈内的点的自由磁层32的两个部分所示。但是，在施加改变方向的电流之前，该磁场仅在一个方向上传播。例如，如果磁场在水平面上逆时针传播，那么因要它在水平面上顺时针传播，可以施加一个电流来切换该磁场的方向。自由磁层32，和固定磁层28一样，与一个凹坑的所有侧面邻接，在一个实施例中形成了磁性材料环或柱面，该自由磁层在该凹坑内部。因此在图1中仅示出了彼此相连的两个部分。第三电介质30使都是导电磁性材料的自由磁层32和固定磁层28彼此电气绝缘，所以当将电流施加在自由磁层32上时，它也不影响固定磁层28。类似的，可选第四电介质34可以在写操作期间使自由磁层32与金属栓36电气绝缘，该金属栓36是写电流线或写通路结构。然而，可选第四电介质34可以不需要，这取决于用于金属栓36和自由磁层32的材料。例如，如果金属栓36是铜，而自由磁层是铁合金，例如NiFe，由于铜显著地比铁合金易导电，不太可能大量电流会从铜层传输到自由磁层，因而对于写操作来说就不需要在它们之间的绝缘层(即，可选第四电介质34)。如图1中所示，自由磁层32、固定磁层28、第三电介质30、可选电介质34以及金属栓36全部位于凹坑内。自由磁层32环绕金属栓36的至少一部分，第三电介质层30环绕自由磁层32的至少一部分，而固定磁层28环绕第三电介质层30的至少一部分。如果提供第四电介质层34的话，那么可选第四电介质层34环绕金属栓36的至少一部分，而自由磁层32环绕第四电介质层34的一部分。在一个实施例中，一条数字线位于在该凹坑内的MRAM层状夹心结构26的上面。此外，位线40形成该凹坑的侧壁的至少一部分，因此，位线40耦合至与该凹坑的侧壁相邻的固定磁层28。在写操作期间，将数字线38和位线40设置为高，将假接地线18设置为低，将字线设置为高。写电流从数字线3 8经由金属栓36传播到在字线16中的晶体管，反之亦然。字线16与栅电极(控制端)耦合，在优选实施例中字线16是该栅电极。因此，字线16控制该晶体管的电导率。在写操作期间，该晶体管具有一个端子，该端子是掺杂区域12，通过电压使该掺杂区域12导电以单独地使电流流经金属栓36。因此，在写入时该电流在基本垂直的方向上传播。换句话说，相对于自由磁层32来决定金属栓36的位置，以提供具有垂直分量的电流通路。为了写入过程而选择的方向改变在自由磁层32中的磁场的极性(方向)，而在固定磁层28中的磁场的方向保持不变。自由磁层32的磁场的极性与固定磁层28的磁场的极性是平行或逆平行的。换句话说，如果固定磁层28和自由磁层的磁场的极性是逆时针的，那么这两个层的磁场的极性是彼此平行的(即，在两个层中的电子的自旋是相同的(彼此平行)，所以每一层的磁场的方向彼此相同)。但是，如果固定磁层28的磁场的极性是逆时针的，而自由磁层32的是顺时针的，那么这两个层的磁场的极性是彼此逆平行的(即，在这两层中的电子的自旋不是彼此相同的，而是彼此逆平行的，所以每一个层的磁场的方向是相反的)。为了读取MRAM设备26，检测出相应于固定磁层28的自由磁层32的磁场的极性。换句话说，确定两个磁层的极性是平行的还是逆平行的。如果固定磁层28和自由磁层32的磁场的极性是彼此平行的，那么对于电子来说，就比如果各层的极性是彼此逆平行的更容易在MRAM层状夹心结构26中开辟隧道。因此，如果固定磁层28和自由磁层32的极性是彼此平行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种存储器单元（１０），其包括：固定磁结构（２８）；自由磁结构（３２）；位于所述固定磁结构和自由磁结构之间的电介质结构（３０），其中，在所述固定磁结构和自由磁结构之间的电阻表现出存储在该存储单元中的值；写通路 结构（３６），其至少一部分位于所述自由磁结构的侧面，并且它的位置是相对于所述自由磁结构确定的，以提供具有垂直分量的电流通路，来传送改变所述自由磁结构（３２）的磁场方向的电流。

【技术特征摘要】
US 2002-8-27 10/228,6841.一种存储器单元(10)，其包括固定磁结构(28)；自由磁结构(32)；位于所述固定磁结构和自由磁结构之间的电介质结构(30)，其中，在所述固定磁结构和自由磁结构之间的电阻表现出存储在该存储单元中的值；写通路结构(36)，其至少一部分位于所述自由磁结构的侧面，并且它的位置是相对于所述自由磁结构确定的，以提供具有垂直分量的电流通路，来传送改变所述自由磁结构(32)的磁场方向的电流。2.根据权利要求1的存储单元，进一步包括位于所述写通路结构和所述自由磁结构之间的第二电介质结构(24)。3.根据权利要求1的存储单元，其中所述写通路结构(36)与位于所述自由磁结构(32)之上的第一导电结构(38)电气耦合，并与位于所述自由磁结构(32)之下的第二导电结构(24)电气耦合，以在第一导电结构(38)和第二导电结构(24)之间传送电流。4.根据权利要求1的存储单元，其中，所述写通路结构(36)位于具有顶口和底面的凹坑(图4中的76)中，所述写通路结构至少从所述顶口延伸到所述底面，其中所述自由磁结构位于所述凹坑内。5.根据权利要求4的存储单元，其中，所述固定磁结构(28)位于所述凹坑(图4中的76)中。6.根据权利要求1的存储单元，其中所述写通路结构(36)位于具有顶口和底面的凹坑(图4中的76)中，所述写通路结构至少从所述顶口延伸到所述底面；所述自由磁结构(32)位于所述凹坑(图4中的76)内，所述自由磁结构环绕所述写通路结构的至少一部分；所述电介质结构(30)位于所述凹坑(图4中的76)内，所述电介质结构环绕所述自由磁结构的至少一部分；所述固定磁结构(28)位于所述凹坑(图4中的76)内，所述固定磁结构环绕所述电介质结构的至少一部分，所述电介质结构使所述固定磁结构与所述自由磁结构电气绝缘；导电结构(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：克雷格S拉格，
申请(专利权)人：飞思卡尔半导体公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]