DE10261432A1 - Magnetischer Direktzugriffsspeicher - Google Patents

Magnetischer Direktzugriffsspeicher

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Abstract

Hier wird ein magnetischer Direktzugriffsspeicher (MRAM) unter Verwendung einer gemeinsamen Leitung beschrieben. Auf der gemeinsamen Leitung des MRAM ist ein MTJ-Element positioniert. Die mit der Source eines Transistors verbundene gemeinsame Leitung überträgt eine Massepegelspannung zum Lesen von Daten, und sie liefert einen Strom zum Schreiben von Daten.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Halbleiterspeicher, und spezieller betrifft sie einen magnetischen Direktzugriffsspeicher (MRAM).
    • Hintergrund
  • Die meisten Halbleiterspeicher-Herstellfirmen haben MRAMs unter Verwendung eines ferromagnetischen Materials als einen von Speichern der nächsten Generation entwickelt. Ein MRAM ist ein Speicherbauteil zum Speichern von Information durch Erzeugung mehrschichtiger ferromagnetischer Dünnfilme. Die gespeicherte Information kann dadurch gelesen werden, dass Stromvariationen entsprechend der Magnetisierungsrichtung des jeweiligen Dünnfilms erfasst werden. Ein MRAM arbeitet mit hoher Geschwindigkeit, er senkt den Energieverbrauch, er erlaubt hohe Integrationsdichte durch spezielle Eigenschaften des magnetischen Dünnfilms, und er führt die Operation eines nichtflüchtigen Speichers, wie eines Flashspeichers, aus.
  • Ein MRAM bildet einen Speicher unter Verwendung der Tatsache, dass der Spin die Elektronentransmission beeinflusst. Zunächst nutzt ein MRAM unter Verwendung des Riesenmagnetowiderstands(GMR)-Effekts die Tatsache, dass der Widerstand dann größer ist, wenn die Spinrichtungen in zwei magnetischen Schichten mit einer dazwischen liegenden unmagnetischen Schicht voneinander verschieden sind, als dann, wenn die Spinrichtungen übereinstimmen. Zweitens nutzt ein MRAM unter Verwendung des Spinpolarisations-Magnetotransmissions- (SPMT)-Effekts die Tatsache, dass eine größere Stromtransmission dann erzeugt wird, wenn die Spinrichtungen in zwei magnetischen Schichten mit dazwischen liegender Isolierschicht identisch sind, als dann, wenn die Spinrichtungen verschieden sind. Jedoch befindet sich die MRAM-Forschung noch in ihrem Prüfstadium, und die meiste Konzentration erfolgt auf die Herstellung der mehrschichtigen magnetischen Dünnfilme, d. h. weniger auf Forschungsvorhaben zur Einheitszellenstruktur und einer peripheren Leseschaltung.
  • Die Fig. 1 ist ein Schnittdiagramm zum Veranschaulichen eines herkömmlichen MRAM. Gemäß der Fig. 1 sind ein Sourcebereich und ein Drainbereich durch zwei n+-Bereiche 13 gebildet, die auf einem p-Substrat 11 ausgebildet sind. Auf dem dem Sourcebereich entsprechenden n+-Bereich 13 ist ein Sourcekontakt 17 ausgebildet, und auf dem dem Drainbereich entsprechenden n+-Bereich 13 ist ein Drainkontakt 19 ausgebildet. Der Sourcekontakt 17 und der Drainkontakt 19 sind in derselben Schicht wie ein erster Zwischenschicht-Isolierfilm 21 ausgebildet. Zwischen dem Sourcekontakt 17 und dem Drainkontakt 19 ist eine Gateelektrode 15 getrennt ausgebildet, und unter dieser ist ein Gateoxidfilm 14 ausgebildet.
  • Auf dem Sourcekontakt 17 und dem Drainkontakt 19 sind ein erster Kontaktpfropfen 25 bzw. ein zweiter Kontaktpfropfen 27 ausgebildet. Auf dem ersten Kontaktpfropfen 25 und dem zweiten Kontaktpfropfen 27 sind eine Masseleitung 29 bzw. eine Metallleitung 33 ausgebildet. Demgemäß sind die Masseleitung 29 und die Sourceleitung 17 durch den ersten Kontaktpfropfen 19 elektrisch miteinander verbunden, und die Metallleitung 33 und der Drainkontakt 19 sind über den zweiten Kontaktpfropfen 27 elektrisch miteinander verbunden. Zwischen der Masseleitung 29 und der Metallleitung 33 ist getrennt eine Schreibleitung 31 ausgebildet. Die Masseleitung 29, die Metallleitung 33 und die Schreibleitung 31 sind in derselben Schicht wie ein dritter Zwischenschicht-Isolierfilm 35 ausgebildet.
  • Auf der Metallleitung 33 ist in derselben Schicht wie ein vierter Zwischenschicht-Isolierfilm 37 ein dritter Kontaktpfropfen 39 ausgebildet. Auf dem dritten Kontaktpfropfen 39 ist ein Verbindungsfilm 41 so ausgebildet, dass er mit dem Schreibleitungsbereich überlappt. Hierbei ist der Verbindungsfilm 41 in derselben Schicht wie ein fünfter Zwischenschicht-Isolierfilm 43 ausgebildet.
  • Auf dem Verbindungsfilm 41 und in derselben Schicht wie der eines sechsten Zwischenschicht-Isolierfilms 53 ist ein MTJ- Element 51 ausgebildet. Das MTJ-Element 51 verfügt über eine Stapelstruktur aus einer gepinnten ferromagnetischen Schicht 45, einer Tunnelbarriereschicht 47 und einer freien ferromagnetischen Schicht 49. Auf dem MTJ-Element 51 ist eine Bitleitung 55 ausgebildet.
  • Wie oben beschrieben, besteht die herkömmliche MRAM-Zelle aus einem Feldeffekttransistor und einem MTJ-Element. Wenn eine Spannung an die Gateelektrode 15 (d. h. die Wortleitung) angelegt wird, schaltet der Transistor ein. Im Ergebnis liest die MRAM-Zelle den im MTJ-Element 51 gespeicherten Datenwert durch Erfassen der durch die Bitleitung 55 fließenden Strommenge. Hierbei steuert das MTJ-Element 51 den Strom entsprechend der Magnetisierungsrichtung der freien ferromagnetischen Schicht 49.
  • Außerdem können die Daten dadurch eingeschrieben werden, dass auf umgekehrte Weise die Magnetisierungsrichtung des MTJ-Elements 51 gesteuert wird. D. h., dass der Feldeffekttransistor ausgeschaltet wird und ein Strom an die Schreibleitung 31 und die Bitleitung 55 geliefert wird. Auf den durch die Schreibleitung 31 und die Bitleitung 55 fließenden Strom hin wird ein Magnetfeld erzeugt, das so konfiguriert ist, dass es die freie ferromagnetische Schicht 49 beeinflusst. Im Ergebnis wird die Magnetisierungsrichtung des MTJ-Elements 51 gesteuert. Hierbei wird der Strom gleichzeitig an die Bitleitung 55 und die Schreibleitung 31 geliefert, so dass die MTJ-Zelle aus einem vertikalen Schnittabschnitt zweier Metallleitungen ausgewählt werden kann.
  • Der herkömmliche MRAM muss die Schreibleitung 31 enthalten, um Daten in das MTJ-Element 51 zu schreiben. Auch muss die Schreibleitung 31 über zumindest einen minimalen Isolierabstand gegen die Masseleitung 29 und die Metallleitung 33 verfügen, die in derselben Schicht ausgebildet sind, (d. h. den dritten Zwischenschicht-Isolierfilm 35). Demgemäß besteht beim herkömmlichen MRAM das Problem, dass die Größe der MRAM-Zelle zunimmt. Ferner besteht wegen des oben genannten Strukturproblems Bedarf an einem Prozess zum Herstellen der Schreibleitung, durch den der Prozess zum Herstellen des MRAM verkompliziert wird.
  • Zusammenfassung der Offenbarung
  • Hier wird ein magnetischer Direktzugriffsspeicher (MRAM) beschrieben, der so konfiguriert ist, dass er hohe Integration erzielt und den Gesamtprozess dadurch vereinfacht, dass er eine mit dem Sourceanschluss verbundene Masseleitung als Schreibleitung verwendet, anstatt dass eine spezielle Schreibleitung hergestellt wäre. Der MRAM ist mit Folgendem versehen: einem Substrat mit einem Sourcebereich, einem Drainbereich und einem Gatebereich; einer auf dem Gatebereich ausgebildeten Wortleitung; einem auf dem Sourcebereich ausgebildeten Sourcekontakt; einem auf dem Drainbereich ausgebildeten Drainkontakt; einer gemeinsamen Leitung, die durch einen ersten Kontaktpfropfen elektrisch mit dem oberen Teil des Sourcekontakts verbunden ist; einer Metallleitung, die durch einen zweiten Kontaktpfropfen elektrisch mit dem oberen Teil des Drainkontakts verbunden ist; einem Verbindungsfilm, der durch einen dritten Kontaktpfropfen elektrisch mit dem oberen Teil der Metallleitung verbunden ist und der so ausgebildet ist, dass er mit dem oberen Teil der gemeinsamen Leitung überlappt; einem MTJ-Element, das auf dem Verbindungsfilm ausgebildet ist und auf dem Bereich der gemeinsamen Leitung positioniert ist, und einer mit dem MTJ- Element verbundenen Bitleitung. Bei einer Datenleseoperation wird eine Massepegelspannung an die gemeinsame Leitung gelegt und bei einer Datenschreiboperation wird die Strommenge für die gemeinsame Leitung geliefert. Alternativ ist der MRAM mit Folgendem versehen: einer MRAM-Zelle mit einem Transistor und einem MTJ-Element, das mit dem Drain des Transistors verbunden ist; einer mit dem MTJ-Element verbundenen Bitleitung; einer mit dem Gate des Transistors verbundenen Wortleitung; einer mit der Source des Transistors verbundenen gemeinsamen Leitung; einem ersten und einem zweiten Transistor, die mit den beiden Enden der gemeinsamen Leitung verbunden sind, um eine Massepegelspannung zu schalten; einem dritten und einem vierten Transistor, die parallel zum ersten und zweiten Transistor mit den beiden Enden der gemeinsamen Leitung verbunden sind; und einer Stromerzwingungsschaltung, die individuell mit dem dritten und vierten Transistor verbunden ist und so konfiguriert ist, dass sie einen Strom liefert. Der erste und der zweite Transistor werden eingeschaltet, um bei einer Datenleseoperation die Massepegelspannung an die gemeinsame Leitung zu legen, und der dritte und der vierte Transistor bei einer Datenschreiboperation werden eingeschaltet, um den Strom der Stromerzwingungsschaltung für die gemeinsame Leitung zu liefern.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nun wird die Offenbarung für mehrere Ausführungsformen zum Veranschaulichen der umfassenden Lehren beschrieben. Es wird auch auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.
  • Fig. 1 ist ein Schnittdiagramm zum Veranschaulichen eines herkömmlichen MRAM;
  • Fig. 2 ist ein Schnittdiagramm zum Veranschaulichen eines MRAM; und
  • Fig. 3 ist ein Schaltbild zum Veranschaulichen des Betriebs des MRAM.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Die vorliegende Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Es wird hier die Struktur des MRAM zum Einschreiben von Daten in ein MTJ-Element unter Verwendung einer gemeinsamen Leitung und einer Bitleitung beschrieben. Gemäß der Fig. 2 werden ein Sourcebereich und ein Drainbereich durch zwei n+-Bereich 63gebildet, die gesondert auf einem p-Substrat 61 ausgebildet sind. Auf dem dem Sourcebereich entsprechenden n+-Bereich 63 ist ein Sourcekontakt 67 ausgebildet, und auf dem dem Drainbereich entsprechenden n+-Bereich 63 ist ein Drainkontakt 69 ausgebildet. Der Sourcekontakt 67 und der Drainkontakt 69 sind in derselben Schicht wie ein erster Zwischenschicht- Isolierfilm 71 ausgebildet. Zwischen dem Sourcekontakt 67 und dem Drainkontakt 69 ist getrennt eine Gateelektrode 65 ausgebildet. Unter der Gateelektrode 65 ist eine Halbleiterschicht 64 ausgebildet.
  • Auf dem Sourcekontakt 67 und dem Drainkontakt 69 sind ein erster Kontaktpfropfen 75 bzw. ein zweiter Kontaktpfropfen 77 ausgebildet. Auf dem ersten Kontaktpfropfen 75 und dem zweiten Kontaktpfropfen 77 sind eine gemeinsame Leitung 79 bzw. eine Metallleitung 81 ausgebildet. Demgemäß sind die gemeinsame Leitung 79 und der Sourcekontakt 67 durch den ersten Kontaktpfropfen 75 elektrisch verbunden, und die Metallleitung 81 und der Drainkontakt 69 sind durch den zweiten Kontaktpfropfen 77 elektrisch verbunden. Hierbei besteht die gemeinsame Leitung 79 aus einem hoch-leitenden Metall wie Kupfer (Cu) und Aluminium (Al) mit einer Dicke von 4000 bis 5000 Å. Die gemeinsame Leitung 79 und die Metallleitung 81 sind in derselben Schicht wie ein dritter Zwischenschicht-Isolierfilm 83 ausgebildet.
  • Auf der Metallleitung 81 ist in derselben Schicht wie ein vierter Zwischenschicht-Isolierfilm 85 ein dritter Kontaktpfropfen 87 ausgebildet. Auf dem dritten Kontaktpfropfen 87 ist ein Verbindungsfilm 89 so ausgebildet, dass er den Bereich der gemeinsamen Leitung überlappt. Hierbei ist der Verbindungsfilm 89 in derselben Schicht wie ein fünfter Zwischenschicht-Isolierfilm 91 ausgebildet.
  • Auf dem Verbindungsfilm 89 ist in derselben Schicht wie ein sechster Zwischenschicht-Isolierfilm 101 ein MTJ-Element 99 ausgebildet. Das MTJ-Element 99 verfügt über Stapelstruktur aus einer gepinnten ferromagnetischen Schicht 93, einer Tunnelbarriereschicht 95 und einer freien ferromagnetischen Schicht 97. Auf dem MTJ-Element 99 ist eine Bitleitung 103 ausgebildet.
  • Im MTJ-Element 99 verfügt die gepinnte ferromagnetische Schicht 93 über eine feste Magnetisierungsrichtung, und die Magnetisierungsrichtung der freien ferromagnetischen Schicht 97 wird durch ein elektrisches Feld variiert. Das MTJ-Element 99 speichert Information 0 oder 1 entsprechend der Magnetisierungsrichtung. Hierbei ist das MTJ-Element 99 so positioniert, dass es mit dem oberen Teil der gemeinsamen Leitung 79 überlappt.
  • Die Fig. 3 ist ein Schaltdiagramm zum Veranschaulichen einer Betriebsweise des MRAM. Eine Bitleitung 55 und eine Wortleitung 65 (Gateleitung) schneiden einander, und eine Zelle X beinhaltet einen Transistor und ein MTJ-Element. Die gemeinsame Leitung 79 ist mit der Source des Transistors verbunden, und sie passiert den unteren Teil des MTJ-Elements. Transistoren A, B, C und D sind mit den beiden Enden der gemeinsamen Leitung 79 verbunden. Hierbei sind Transistoren A und B parallel mit einem Ende der gemeinsamen Leitung 79 verbunden, und die Transistoren C und D sind gemeinsam parallel mit dem anderen Ende der gemeinsamen Leitung 79 verbunden. Die Transistoren A und C erhalten eine Vorspannung vom Massepegel, und die Transistoren B und D sind mit einer Stromerzwingungsschaltung 100 verbunden.
  • Das MTJ-Element ist ein Widerstandsvariationselement. Zu beispielhaften Widerstandsvariationselementen gehören alle Arten magnetoresistiver Elemente, deren Widerstandswerte durch Magnetisierung oder Magnetismus geändert werden, wie eine MTJ-Zelle, AMR, GMR, Spinventil, Hybridstruktur aus ferromagnetischer Substanz/Metall-Halbleiter, magnetische Struktur aus einem III-V-Verbindungshalbleiter, Metall(Halbmetall)/Halbleiter-Verbundstruktur und kolossaler Magnetwiderstand (CMR), sowie Phasentransformationselemente, deren Widerstandswerte durch eine Materialphasentransformation durch ein elektrisches Signal variieren.
  • Bei einer Leseoperation wird die Zelle X durch die Wortleitung W/L und die Bitleitung B/L ausgewählt. An die Wortleitung W/L wird eine Gatespannung angelegt, und es wird ein durch die Bitleitung fließender Strom erfasst. Hierbei muss die Massespannung in einer Source der Zelle X eine Vorspannung erfahren. Demgemäß sind die mit der Stromerzwingungsschaltung 100 verbundenen Transistoren B und D ausgeschaltet und die Transistoren A und C, an denen die Vorspannung vom Massepegel anliegt, sind eingeschaltet. D. h., dass die durch Widerstandsvariationen des MTJ-Elements beeinflusste Strommenge erfasst wird, wenn ein Strom durch die eingeschalteten Transistoren A und C zur Zelle X und der Bitleitung B/L fließt.
  • Bei einer Schreiboperation wird die Zelle X unter Verwendung der Wortleitung W/L und der Bitleitung B/L ausgewählt. Der Strom wird an die Masseleitung 79 geliefert, und das MTJ- Element der Zelle X wird in einer speziellen Richtung entsprechend dem an die Bitleitung B/L gelieferten Strom magnetisiert, um die Daten zu schreiben. Insbesondere werden die mit den beiden Enden der gemeinsamen Leitung 79 verbundenen Transistoren A und C ausgeschaltet, und die Transistoren B und D werden eingeschaltet. Demgemäß wird der von der Stromerzwingungsschaltung 100 gelieferte Strom an die gemeinsame Leitung 79 übertragen. So werden die Daten entsprechend dem an die Bitleitung B/L gelieferten Strom in die Zelle X eingeschrieben.
  • Die gemeinsame Leitung des MRAM wird dazu verwendet, die Daten zu schreiben, so dass eine Toleranz für die MRAM-Zelle erhalten werden kann und die Größe der Zelle verringert werden kann. Im Ergebnis kann der MRAM hoch integriert werden. Außerdem vereinfachen die Strukturverbesserungen des MRAM den Prozess zum Herstellen desselben.
  • Obwohl der hier beschriebene MRAM zur Verwendung bei einem Bauteil zur Erfassung eines Magnetfelds besonders gut geeignet ist, wie bei einem Magnetkopf für eine Festplatte und einem magnetischen Sensor, erkennt der Fachmann leicht, dass die Lehren dieser Offenbarung bei anderen Vorrichtungen verwendet werden können.
  • An den hier beschriebenen Ausführungsformen können viele Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden. Der Umfang einiger Änderungen ist oben erörtert. Der Umfang anderer Änderungen wird aus den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.

Claims (4)

1. Magnetischer Direktzugriffsspeicher (MRAM) mit:
- einem Substrat mit einem Sourcebereich, einem Drainbereich und einem Gatebereich;
- einer auf dem Gatebereich ausgebildeten Wortleitung;
- einem auf dem Sourcebereich ausgebildeten Sourcekontakt;
- einem auf dem Drainbereich ausgebildeten Drainkontakt;
- einer gemeinsamen Leitung, die durch einen ersten Kontaktpfropfen elektrisch mit dem oberen Teil des Sourcekontakts verbunden ist;
- einer Metallleitung, die durch einen zweiten Kontaktpfropfen elektrisch mit dem oberen Teil des Drainkontakts verbunden ist;
- einem Verbindungsfilm, der durch einen dritten Kontaktpfropfen elektrisch mit dem oberen Teil der Metallleitung verbunden ist und der so ausgebildet ist, dass er mit dem oberen Teil der gemeinsamen Leitung überlappt;
- einem MTJ-Element, das auf dem Verbindungsfilm ausgebildet ist und auf dem Bereich der gemeinsamen Leitung positioniert ist; und
- einer mit dem MTJ-Element verbundenen Bitleitung;
wobei bei einer Datenleseoperation eine Massepegelspannung an die gemeinsame Leitung gelegt wird und bei einer Datenschreiboperation eine Strommenge an die gemeinsame Leitung geliefert wird.
2. MRAM nach Anspruch 1, bei dem die gemeinsame Leitung aus Aluminium oder Kupfer besteht.
3. MRAM nach Anspruch 1, bei dem die gemeinsame Leitung eine Dicke von 4000 bis 5000 Å aufweist.
4. Magnetischer Direktzugriffsspeicher (MRAM) mit:
- einer MRAM-Zelle mit einem Transistor und einem MTJ-Element, das mit dem Drain des Transistors verbunden ist;
- einer mit dem MTJ-Element verbundenen Bitleitung;
- einer mit dem Gate des Transistors verbundenen Wortleitung;
- einer mit der Source des Transistors verbundenen gemeinsamen Leitung;
- einem ersten und einem zweiten Transistor, die mit den beiden Enden der gemeinsamen Leitung verbunden sind, um eine Massepegelspannung zu schalten;
- einem dritten und einem vierten Transistor, die parallel zum ersten und zweiten Transistor mit den beiden Enden der gemeinsamen Leitung verbunden sind; und
- einer Stromerzwingungsschaltung, die individuell mit dem dritten und vierten Transistor verbunden ist und so konfiguriert ist, dass sie einen Strom liefert;
- wobei der erste und der zweite Transistor eingeschaltet werden, um bei einer Datenleseoperation die Massepegelspannung an die gemeinsame Leitung zu legen, und der dritte und der vierte Transistor bei einer Datenschreiboperation eingeschaltet werden, um den Strom der Stromerzwingungsschaltung für die gemeinsame Leitung zu liefern.
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