CN115565573A - 半导体元件 - Google Patents

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施易安
马焕淇
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Abstract

本发明公开一种半导体元件，其主要包含一感测放大器、第一磁性隧穿结(magnetic tunneling junction,MTJ)沿着第一距离连接该感测放大器、第二MTJ沿着第二距离连接该感测放大器以及第三MTJ沿着第三距离连接该感测放大器，其中第一距离小于第二距离，第二距离小于第三距离，第一MTJ的临界尺寸小于第二MTJ的临界尺寸，且第二MTJ的临界尺寸小于第三MTJ的临界尺寸。

Description

半导体元件
技术领域
本发明涉及一种半导体元件，尤其是涉及一种磁阻式随机存取存储器(magnetoresistive random access memory,MRAM)元件。
背景技术
已知，磁阻(magnetoresistance,MR)效应是材料的电阻随着外加磁场的变化而改变的效应，其物理量的定义，是在有无磁场下的电阻差除上原先电阻，用以代表电阻变化率。目前，磁阻效应已被成功地运用在硬盘生产上，具有重要的商业应用价值。此外，利用巨磁电阻物质在不同的磁化状态下具有不同电阻值的特点，还可以制成磁性随机存储器(MRAM)，其优点是在不通电的情况下可以继续保留存储的数据。
上述磁阻效应还被应用在磁场感测(magnetic field sensor)领域，例如，移动电话中搭配全球定位系统(global positioning system,GPS)的电子罗盘(electroniccompass)零组件，用来提供使用者移动方位等信息。目前，市场上已有各式的磁场感测技术，例如，各向异性磁阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)感测元件、巨磁阻(GMR)感测元件、磁性隧穿结(magnetic tunneling junction,MTJ)感测元件等等。然而，上述现有技术的缺点通常包括：较占芯片面积、制作工艺较昂贵、较耗电、灵敏度不足，以及易受温度变化影响等等，而有必要进一步改进。
发明内容
本发明一实施例揭露一种半导体元件，其主要包含一感测放大器、第一磁性隧穿结(magnetic tunneling junction,MTJ)沿着第一距离连接该感测放大器、第二MTJ沿着第二距离连接该感测放大器以及第三MTJ沿着第三距离连接该感测放大器，其中第一距离小于第二距离，第二距离小于第三距离，第一MTJ的临界尺寸小于第二MTJ的临界尺寸，且第二MTJ的临界尺寸小于第三MTJ的临界尺寸。
附图说明
图1为本发明一实施例的MRAM元件的方块示意图；
图2为本发明一实施例的MRAM元件的方块示意图。
主要元件符号说明
12:感测放大器
14:第一MTJ
16:第二MTJ
18:第三MTJ
具体实施方式
在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的基准。在通篇说明书及权利要求当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「连接」或「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置连接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
请参照图1，图1为本发明一实施例的半导体元件或更具体而言MRAM元件的方块示意图。如图1所示，MRAM元件主要包含一感测放大器12以及三个MTJ沿着不同距离或路径连接感测放大器，包括第一MTJ 14沿着第一距离连接感测放大器12、第二MTJ 16沿着第二距离连接感测放大器12以及第三MTJ 18沿着第三距离连接感测放大器12。一般而言，感测放大器的主要功能是将存储电容中所存储的资讯转换为逻辑1或者0所对应的电压，并且呈现到位线(bit line)上。同时，在完成一次读取操作后，通过位线将存储电容中的电荷恢复到读取之前的状态。
在本实施例中，各第一MTJ 14、第二MTJ 16以及第三MTJ 18可分别依据制作工艺需求包含例如一下电极(图未示)、一固定层(pinned layer)、一阻障层、一自由层(freelayer)以及一上电极(图未示)。在本实施例中，下电极与上电极较佳包含导电材料，例如但不局限于钽(Ta)、氮化钽(TaN)、铂(Pt)、铜(Cu)、金(Au)、铝(Al)。固定层可包含铁磁性材料例如但不局限于钴铁硼(cobalt-iron-boron,CoFeB)、钴铁(cobalt-iron,CoFe)、铁(Fe)、钴(Co)等。此外，固定层也可以是由反铁磁性(antiferromagnetic,AFM)材料所构成者，例如铁锰(FeMn)、铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)、氧化镍(NiO)等，用以固定或限制邻近层的磁矩方向。阻障层可由包含氧化物的绝缘材料所构成，例如氧化铝(AlOx)或氧化镁(MgO)，但均不局限于此。自由层可以是由铁磁性材料所构成者，例如铁、钴、镍或其合金如钴铁硼(cobalt-iron-boron,CoFeB)，但不限于此。其中，自由层的磁化方向会受外部磁场而「自由」改变。
值得注意的是，本实施例中MTJ与感测放大器之间的距离与MTJ本身的临界尺寸较佳成反比，例如第一MTJ 14与感测放大器12之间的距离(如第一距离)较佳小于第二MTJ 16与感测放大器12之间的距离(如第二距离)，第二MTJ 16与感测放大器12之间的距离小于第三MTJ 18与感测放大器12之间的距离(如第三距离)，同时第一MTJ 14的临界尺寸较佳小于第二MTJ16的临界尺寸，且第二MTJ 16的临界尺寸又小于第三MTJ 18的临界尺寸。
在本实施例中，所谓感测放大器12与MTJ之间的距离可包含任何实体连接感测放大器12与MTJ之间的金属内连线或金属绕线的整体长度，而MTJ的临界尺寸可包含在上视角度下整个MTJ的长度、宽度或两者的总和，其中所谓整个MTJ可包含上电极、自由层、阻障层、固定层或下电极的长度、宽度或两者的总和。
以图1中连接感测放大器12与三个MTJ之间的距离来看，第一MTJ 14与感测放大器12之间的距离(如第一距离)较佳包含距离D1与距离D2的总和，第二MTJ 16与感测放大器12之间的距离(如第二距离)较佳包含距离D1、距离D3以及距离D4的总和，而第三MTJ 18与感测放大器12之间的距离(如第三距离)则包含距离D1、距离D3、距离D5以及距离D6的总和。
另外以图1中在上视角度呈现矩形的MTJ为例，各MTJ的临界尺寸可包含上电极的长度或宽度、自由层的长度或宽度、阻障层的长度或宽度、固定层的长度或宽度或下电极的长度或宽度。从细部来看，各MTJ可包含一长度沿着第一方向如X方向延伸以及一宽度沿着一与第一方向垂直的第二方向如Y方向延伸，例如第一MTJ 14可包含一长度L1与一宽度W1，第二MTJ 16可包含一长度L2与一宽度W2，第三MTJ 18可包含一长度L3与一宽度W3，其中第一MTJ 14的长度L1较佳小于第二MTJ 16的长度L2，第一MTJ 14的宽度W1较佳小于第二MTJ 16的宽度W2，第二MTJ 16的长度L2小于第三MTJ 18的长度L3，且第二MTJ 16的宽度W2又小于第三MTJ 18的宽度W3。
另需注意的是，本实施例虽仅设置三个MTJ连接感测放大器12，但不局限于此，依据本发明其他实施例又可依据制作工艺或产品需求调整MTJ的数量与尺寸，例如可同时设置四颗、五颗甚至六颗以上MTJ连接感测放大器12且距离感测放大器12越近的MTJ临界尺寸较佳小于距离感测放大器12越远的MTJ临界尺寸。
请再参照图2，图2另揭露本发明一实施例的一MRAM元件的方块示意图。如图2所示，相较于前述实施例中MTJ于上视角度下呈现矩形，本发明另一实施例可选择于形成MTJ时调整光罩的图案或经光学近接修正(optical proximity correction,OPC)等校正步骤后使所形成的MTJ在上视角度下呈现约略圆形如正圆形、椭圆形或平椭圆形。以图2中在上视角度呈现椭圆形的MTJ为例，各MTJ可包含一长轴沿着第一方向如X方向延伸以及一短轴沿着一与第一方向垂直的第二方向如Y方向延伸，例如第一MTJ 14可包含一长轴X1与一短轴Y1，第二MTJ 16可包含一长轴X2与一短轴Y2，第三MTJ 18可包含一长轴X3与一短轴Y3。
如同前述实施例，MTJ与感测放大器之间的距离与MTJ本身的临界尺寸较佳成反比，例如第一MTJ 14与感测放大器12之间的距离较佳小于第二MTJ 16与感测放大器12之间的距离，第二MTJ 16与感测放大器12之间的距离小于第三MTJ 18与感测放大器12之间的距离，同时第一MTJ 14的临界尺寸较佳小于第二MTJ 16的临界尺寸，且第二MTJ 16的临界尺寸又小于第三MTJ 18的临界尺寸，其中MTJ的临界尺寸可包含在上视角度下各MTJ的长轴或短轴。
以图2中连接感测放大器12与三个MTJ之间的距离来看，第一MTJ 14与感测放大器12之间的距离(如第一距离)较佳包含距离D1与距离D2的总和，第二MTJ 16与感测放大器12之间的距离(如第二距离)较佳包含距离D1、距离D3以及距离D4的总和，而第三MTJ 18与感测放大器12之间的距离(如第三距离)则包含距离D1、距离D3、距离D5以及距离D6的总和。
另外以图2中在上视角度呈现椭圆形的MTJ为例，各MTJ的临界尺寸可包含上电极的长轴或短轴、自由层的长轴或短轴、阻障层的长轴或短轴、固定层的长轴或短轴或下电极的长轴或短轴，其中第一MTJ 14的长轴X1较佳小于第二MTJ 16的长轴X2，第一MTJ 14的短轴Y1较佳小于第二MTJ16的短轴Y2，第二MTJ 16的长轴X2小于第三MTJ 18的长轴X3，且第二MTJ16的短轴Y2又小于第三MTJ 18的短轴Y3。
一般而言，MTJ临界尺寸的大小会使MTJ本身的磁阻或阻值有所不同，例如当MTJ的临界尺寸越小会使MTJ的阻值提升，而当MTJ的临界尺寸越大则会使MTJ的阻值降低。同时，感测放大器也与周围金属内连线或金属绕线的寄生电阻有正向关系，例如距离感测放大器越近或越内圈金属内连线的寄生电阻越低，而距离感测放大器越远或越外围则寄生电阻越高。
为了对感测放大器周围因金属内连线所产生的高低寄生电阻进行补偿(compensation)，本发明较佳依据感测放大器与周围MTJ之间的距离调整各MTJ的临界尺寸，由此使感测放大器进行读取的时候可达到更稳定的读取电压。举例来说，本发明较佳于距离感测放大器较近之处设置具有较小临界尺寸的MTJ而距离感测放大器较远之处则设置具有较大临界尺寸的MTJ，其中所谓感测放大器与MTJ之间的距离可包含任何实体连接感测放大器与MTJ之间的金属内连线长度而MTJ的临界尺寸可包含在上视角度下依据MTJ形状任何可与相邻MTJ比较的长度、宽度、长轴、短轴甚至圆周、直径或半径等距离参数。
从具体实验数据来看，MTJ之间的临界尺寸的差每当小一纳米可导致200欧姆的寄生电阻提升，而为了对前述感测放大器因高低寄生电阻进行补偿，本发明较佳控制距离感测放大器最远MTJ(如第三MTJ)的临界尺寸与距离感测放大器最近MTJ(如第一MTJ)的临界尺寸间的差于3纳米至6纳米之间或最佳约4纳米，使感测放大器进行读取的时候可达到最稳定的读取电压。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种半导体元件，其特征在于，包含：
感测放大器；
第一磁性隧穿结(magnetic tunneling junction,MTJ)，沿着第一距离连接该感测放大器；以及
第二磁性隧穿结，沿着第二距离连接该感测放大器，其中该第一距离小于该第二距离且该第一磁性隧穿结的临界尺寸小于该第二磁性隧穿结的临界尺寸。
2.如权利要求1所述的半导体元件，另包含第三磁性隧穿结，沿着第三距离连接该感测放大器。
3.如权利要求2所述的半导体元件，其中该第二距离小于该第三距离。
4.如权利要求2所述的半导体元件，其中该第二磁性隧穿结的临界尺寸小于该第三磁性隧穿结的临界尺寸。
5.如权利要求4所述的半导体元件，其中该第一磁性隧穿结的临界尺寸与第三磁性隧穿结的临界尺寸的差介于3纳米至6纳米。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6757188B2 (en) * 2002-05-22 2004-06-29 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Triple sample sensing for magnetic random access memory (MRAM) with series diodes
JP2005310840A (ja) * 2004-04-16 2005-11-04 Toshiba Corp 磁気ランダムアクセスメモリ
KR101258268B1 (ko) * 2007-07-26 2013-04-25 삼성전자주식회사 비휘발성 메모리 소자의 낸드형 저항성 메모리 셀 스트링들및 그 제조방법들
KR101884203B1 (ko) 2011-06-27 2018-08-02 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자 및 자기 메모리 소자의 데이터 기록 방법
JP6139623B2 (ja) * 2015-09-15 2017-05-31 株式会社東芝 不揮発性半導体メモリ
US11107859B2 (en) * 2019-08-05 2021-08-31 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Memory cell with unipolar selectors

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