DE102004030174B4

DE102004030174B4 - Magnetischer Direktzugriffsspeicher

Info

Publication number: DE102004030174B4
Application number: DE102004030174A
Authority: DE
Inventors: Seon Yong Cha
Original assignee: Hynix Semiconductor Inc
Current assignee: SK Hynix Inc
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2024-06-23
Also published as: TWI261895B; US20050139880A1; DE102004030174A1; US7019370B2; KR100527536B1; KR20050064586A; JP2005191523A; TW200522271A

Abstract

MRAM mit – aktiven Regionen (105), die in einem Halbleitersubstrat angeordnet sind und jeweils durch eine Bauelementisolationsschicht (110) dadurch definiert sind, dass die Bauelementisolationsschicht (110) die aktiven Regionen (105) lateral begrenzt – wobei eine jeweilige aktive Region (105) jeweils durch einen Satz von Wortleitungen (120-1, 120-2), bestehend aus zwei Wortleitungen (120-1, 120-2), die sich über der jeweiligen aktiven Region erstrecken, in zwei Drainregionen (130-1, 130-2) und eine sich zwischen den Drainregionen (130-1, 130-2) befindliche Sourceregion (140) unterteilt wird; – Schreibwortleitungen (170), die sich parallel zu den Wortleitungen erstrecken; – aktive Regionen überlappende und sich senkrecht zu den Wortleitungen erstreckende Bitleitungen (190); – zwischen jeder zweiten Bitleitung (190) angeordnete und sich parallel zu den Bitleitungen (190) erstreckende Erdleitungen (145); und – an den Schnittpunkten der Bitleitungen (190) und der Schreibwortleitungen (170) angeordnete MTJ-Zellen (180-1, 180-2), wobei eine obere Oberfläche einer jeweiligen MTJ-Zelle (180-1,...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetische Direktzugriffsspeicher („MRAM”), und insbesondere auf einen verbesserten MRAM mit einer ähnlichen Struktur zu einem gefalteten Bitleitungs-DRAM mit einer Einheitszellenfläche von 8F2, wobei Leitungen in einer Weise angeordnet sind, dass nur eine Schreibwortleitung für jede zweite Wortleitung benötigt wird und nur eine Erdleitung für jede zweite Bitleitung benötigt wird.
Magnetische Direktzugriffsspeicher der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der US 2003/0218197 A1 , der EP 1 109 170 A2 , der DE 102 35 424 A1 , der DE 102 35 467 A1 , der DE 102 48 271 A1 , der DE 102 49 869 A1 , der EP 1 288 958 A2 und der WO 03/052828 A1 bekannt.
Die meisten der Halbleiterspeicherherstellungsunternehmen haben den MRAM entwickelt, welcher ein ferromagnetisches Material als ein Speicherbauelement der nächsten Generation verwendet.
Der MRAM ist ein Speicherbauelement zum Lesen und Schreiben von Information, wobei vielschichtige ferromagnetische dünne Filme verwendet werden, indem Stromvariationen gemäß einer Magnetisierungsrichtung der entsprechenden dünnen Filme abgetastet werden. Der MRAM hat eine hohe Geschwindigkeit und einen niedrigen Energieverbrauch und erlaubt eine hohe Integrationsdichte aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften der magnetischen dünnen Schichten, und er übt auch eine nicht volatile Speicheroperation, wie etwa ein Flashspeicher, aus.
Der MRAM verkörpert ein Speicherbauelement, indem er ein großes Magnetowiderstands-(GMR) oder spinpolarisiertes Magnetotransmissions (SPNT) Phänomen verwendet, welches erzeugt wird, wenn der Spin die Elektonentransmission beeinflusst.
Der MRAM, welcher das GMR Phänomen verwendet, verwendet die Tatsache, dass der Widerstand bemerkenswert variiert, wenn die Spinrichtungen in zwei, eine nicht magnetische Schicht zwischen sich aufweisenden magnetischen Schichten verschieden sind, um ein magnetisches GMR Speicherbauelement zu implementieren.
Der das SPMT verwendende MRAM verwendet die Tatsache, dass eine größere Stromtransmission erzeugt wird, wenn die Spinrichtungen in zwei, eine isolierende Schicht zwischen sich aufweisenden magnetischen Schichten identisch sind, um ein magnetisches Speicherbauelement mit durchlässigem Übergang zu implementieren.
1 ist eine schematische Darstellung, die einen konventionellen MRAM darstellt, und 2 ist ein Querschnitt, der den konventionellen MRAM der 1 darstellt.
Gemäß den 1 und 2 weist der herkömmliche MRAM einen Transistor und eine MTJ Zelle 80 auf. Die MTJ Zelle 80 ist mit einer Bitleitung 90 und einer Drainregion 30 des Transistors durch eine Verbindungsschicht 60 und einen Kontaktpfropfen 50 verbunden. Der MRAM weist weiterhin auf eine Schreibwortleitung 70 zum Speichern von Information durch Variieren der Magnetisierungsrichtung der MTJ Zelle 80. Eine Gateelektrode 20 des Transistors dient als Wortleitung zum Lesen der Daten. Eine Sourceregion 40 des Transistors ist durch eine Erdleitung 45 mit der Erde verbunden.
Der herkömmliche MRAM, im Gegensatz zu einem DRAM, benötigt vier unabhängige Leitungen, einschließlich der Erdleitung, der Wortleitung, der Schreibleitung und der Bitleitung.
Demnach ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen MRAM zur Verfügung zu stellen, indem Leitungen in einer Weise angeordnet sind, dass nur eine Schreibwortleitung für jede zweite Wortleitung benötigt wird und nur eine Erdleitung für jede zweite Bitleitung benötigt wird, und indem die Struktur ähnlich ist zu einem gefalteten Bitleitungs-DRAM mit einer Einheitszellenfläche von 8F2.
Um das oben beschriebene Ziel der Erfindung zu erreichen, wird zu Verfügung gestellt ein MRAM mit: aktiven Regionen, die in einem Halbleitersubstrat angeordnet sind und jeweils durch eine Bauelementisolationsschicht dadurch definiert sind, dass die Bauelementisolationsschicht die aktiven Regionen lateral begrenzt; wobei eine jeweilige aktive Region jeweils durch einen Satz von Wortleitungen, bestehend aus zwei Wortleitungen, die sich über der jeweiligen aktiven Region erstrecken, in zwei Drainregionen und eine sich zwischen den Drainregionen befindliche Sourceregion unterteilt wird; Schreibwortleitungen, die sich parallel zu den Wortleitungen erstrecken; aktive Regionen überlappende und sich senkrecht zu den Wortleitungen erstreckende Bitleitungen; zwischen jeder zweiten Bitleitung angeordnete und sich parallel zu den Bitleitungen erstreckende Erdleitungen; und an den Schnittpunkten der Bitleitungen und der Schreibwortleitungen angeordnete MTJ-Zellen, wobei eine obere Oberfläche einer jeweiligen MTJ-Zelle mit einer Bitleitung und eine untere Oberfläche einer jeweiligen MTJ-Zelle mit einer der Drainregionen verbunden ist, und wobei eine Sourceregion mit einer Erdleitung verbunden ist, wobei sich MTJ-Zellen einer Bitleitungs-Reihe lateral zwischen zwei Wortleitungen eines Satzes von Wortleitungen befinden, wobei sich die Sätze von Wortleitungen, bestehend aus je zwei benachbarten Wortleitungen, entlang der Bitleitungs-Reihe alternierend über aktiven Regionen und Bauelementisolationsschichten befinden.
Die vorliegende Erfindung wird klarer verständlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, die nur auf dem Wege der Illustration zur Verfügung gestellt werden und daher für die vorliegende Erfindung nicht beschränkend sind, wobei:
1 ein schematisches Diagram ist, welches einen herkömmlichen MRAM darstellt.
2 ein Querschnitt des herkömmlichen MRAM der 1 ist.
3 eine Layoutansicht ist, die einem MRAM in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt.
4 ein Querschnitt eines MRAM in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung entlang der Linie A-A' der 3 ist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines MRAM in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr im Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
3 ist eine Layoutansicht, die einen MRAM in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt.
Gemäß 3 beinhaltet der erfindungsgemäße MRAM eine durch eine auf einem Halbleitersubstrat 100 gebildete Bauelementisolationsschicht 110 definierte aktive Region 105. Die aktive Region 105 ist eine aktive Region vom Matrixtyp, das heißt alternierend angeordnet.
Ein Satz von Wortleitungen 120-1 und 120-2 zum Lesen von Daten erstreckt sich über die aktive Region 105. Der Satz von Wortleitungen 120-1 und 120-2 unterteilt die aktive Region 105 in drei Regionen, einschließlich zweier Drainregionen (nicht dargestellt) und einer (nicht dargestellten) Sourceregion in einem zentralen Abschnitt der aktiven Region 105 zwischen dem Satz der Wortleitungen 120-1 und 120-2.
Eine Schreibwortleitung 170 ist zwischen jedem zweiten Satz der Wortleitungen angeordnet und erstreckt sich parallel zu den Wortleitungen 120-1 und 120-2.
Eine Bitleitung 190 überlappt die aktive Region 105 und erstreckt sich senkrecht zu den Wortleitungen 120-1 und 120-2.
Der MRAM enthält weiterhin eine Erdleitung 145, die zwischen jeder zweiten Bitleitung 190 angeordnet ist, das heißt zwischen den Bitleitungen 190 alternierend angeordnet ist. Die Erdleitung 145 erstreckt sich parallel zu der Bitleitung 190 und ist mit den Sourceregionen der benachbart zu der Erdleitung 145 angeordneten aktiven Regionen 105 über Kontaktpfropfen 147 verbunden.
Eine MTJ Zelle 180 ist an einem Schnittpunkt der Bitleitung 190 und der Schreibwortleitung 170 angeordnet. Eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche der MTJ Zelle sind mit der Bitleitung 190 beziehungsweise mit der Drainregion durch einen Kontaktpfropfen 155 verbunden.
4 ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A' der 3, der einen MRAM in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt.
Gemäß 4 enthält der erfindungsgemäße MRAM ein Halbleitersubstrat 100 einschließlich einer durch eine Bauelementisolationsschicht 110 definierten aktiven Region. Die aktive Region enthält Drainregionen 130-1 und 130-2 und eine Sourceregion 140, angeordnet zwischen den Drainregionen 130-1 und 130-2. Wortleitungen 120-1 und 120-2 sind auf dem Halbleitersubstrat 100 zwischen der Sourceregion 140 und den Drainregionen 130-1 und 130-2 angeordnet.
Eine Erdleitung 145 ist oberhalb von der Sourceregion 140 angeordnet und elektrisch mir dieser verbunden.
Eine erste Schreibwortleitung 170-1 ist oberhalb der Sourceregion 140 angeordnet und von dieser elektrisch isoliert, und eine zweite Schreibwortleitung 170-2 ist oberhalb der benachbart zu der Drainregion 130-2 angeordneten Bauelementisolationsschicht 110 angeordnet.
Eine erste MTJ Zelle 180-1 ist oberhalb angeordnet von und elektrisch isoliert von der ersten Schreibwortleitung 170-1, und eine zweite MTJ Zelle 180-2 ist oberhalb von und elektrisch isoliert von der zweiten Schreibwortleitung 170-2. Untere Oberflächen der ersten und zweiten MTJ Zellen 180-1 und 180-2 sind jeweils verbunden mit dem Drainregionen 130-1 und 130-2 durch eine Verbindungsschicht 160 und Kontaktpfropfen 155 und 150.
Eine Bitleitung 190 ist angeordnet, um die aktive Region zu überlappen und ist verbunden mit und elektrisch verbunden mit oberen Oberflächen der ersten und zweiten MTJ Zellen 180-1 und 180-2.
Wie zuvor diskutiert, benötigt der MRAM der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine Schreibwortleitung für jede zweite Wortleitung, und eine Erdleitung für jede zweite Bitleitung, wodurch sich die Anzahl der Leitungen reduziert, um die Integrationsdichte des Bauelements zu erhöhen.

Claims

MRAM mit – aktiven Regionen (105), die in einem Halbleitersubstrat angeordnet sind und jeweils durch eine Bauelementisolationsschicht (110) dadurch definiert sind, dass die Bauelementisolationsschicht (110) die aktiven Regionen (105) lateral begrenzt – wobei eine jeweilige aktive Region (105) jeweils durch einen Satz von Wortleitungen (120-1, 120-2), bestehend aus zwei Wortleitungen (120-1, 120-2), die sich über der jeweiligen aktiven Region erstrecken, in zwei Drainregionen (130-1, 130-2) und eine sich zwischen den Drainregionen (130-1, 130-2) befindliche Sourceregion (140) unterteilt wird; – Schreibwortleitungen (170), die sich parallel zu den Wortleitungen erstrecken; – aktive Regionen überlappende und sich senkrecht zu den Wortleitungen erstreckende Bitleitungen (190); – zwischen jeder zweiten Bitleitung (190) angeordnete und sich parallel zu den Bitleitungen (190) erstreckende Erdleitungen (145); und – an den Schnittpunkten der Bitleitungen (190) und der Schreibwortleitungen (170) angeordnete MTJ-Zellen (180-1, 180-2), wobei eine obere Oberfläche einer jeweiligen MTJ-Zelle (180-1, 180-2) mit einer Bitleitung (190) und eine untere Oberfläche einer jeweiligen MTJ-Zelle (180-1, 180-2) mit einer der Drainregionen verbunden ist, und wobei eine Sourceregion (140) mit einer Erdleitung (145) verbunden ist, wobei sich MTJ-Zellen (180-1, 180-2) einer Bitleitungs-Reihe lateral zwischen zwei Wortleitungen eines Satzes von Wortleitungen befinden, wobei sich die Sätze von Wortleitungen, bestehend aus je zwei benachbarten Wortleitungen, entlang der Bitleitungs-Reihe alternierend über aktiven Regionen (105) und Bauelementisolationsschichten (110) befinden.