JP2007525022A - 他の種類の回路と共に集積されたmram装置 - Google Patents

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Abstract

磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)(13)が、他の回路種(12)と共に埋め込まれている。演算装置のようなロジック(12)が、MRAM(13)と共に埋め込むのに特に適した回路種である。埋め込みを効率的に行うには、金属層(26)を他の回路(12)の相互接続部の一部として用い、更にMRAMセル(13)の一部として用いる。MRAMセル(13)は全て、プログラム線によって書き込まれる。プログラム線は、2本の線であり、交差して書き込むセルを規定する。このように、金属線(26)の共通使用があり、MRAMのプログラム線の一方に用いられ、更にロジック(12)の相互接続線の一方に用いられるので、設計が簡略化される。

Description

本発明は、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)に関し、更に詳しくは、MRAMおよびその他の回路種の双方を有する集積回路に関する。
磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)は、不揮発性であるという利点を有しつつ、その上更にDRAMおよびSRAMのような通常のランダムアクセスメモリ(RAM)の価値のある特性も有する。したがって、MRAMは単体メモリとしてではなく、他の回路と同じ集積回路上に埋め込んでも、魅力的である。MRAMセルは、不揮発性MRAM回路に用いられる材料およびプロセスとは異なるものを用いて作られるので、MRAMセルは、他のプロセス全てが完了した後に形成するように計画されている。
別の問題は常につきまとうコストである。MRAM処理のコストは他の回路を作成するコストに加算される。この余分なコストは埋め込みメモリとしてのMRAMの魅力を弱める可能性がある。
したがって、低コストで埋め込みMRAMを提供することが求められている。
添付図面に一例として本発明を示すが、これに限定されない。図面において同様の参照符号は同様の要素を示す。
図面中の要素は、簡略化および明確化を目的に図示されており、必ずしも同じ拡縮率で描かれていないことは、当業者には認められよう。例えば、図における要素の一部は他の要素と比較してその寸法が誇張されており、本発明の実施形態の理解を深めるのに役立つようにしている。
一態様において、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)は、別の回路種と共に埋め込まれている。演算装置のようなロジックが、MRAMと共に埋め込むのに特に適した回路種である。埋め込みは、他の回路の相互接続部の一部として用いられる金属層を、MRAMセルの一部としても用いることによって、非常に効率的に行われる。MRAMセルは、全てプログラム線によって書き込まれる。この使用では、プログラム線は、2本のプログラム線の交点に位置するセルに書き込みを行う2本の線のいずれか一方である。MRAMのプログラム線の1本、およびロジックの相互接続線の1本に用いられる金属線が共通に用いられるので、設計は簡略化される。これについては、図面および以下の説明により理解が深まるであろう。
図1に示すのは、半導体基板11、ロジック部12、およびMRAM部13を備える半導体装置10である。ロジック部12は、フロントエンド14、フロントエンド14上にあるゲートおよび相互接続領域(gate and interconnect region)18、ならびに相互接続領域22を備える。MRAM部13は、フロントエンド16、フロントエンド16上にある相互接続領域20、および相互接続領域24を備える。相互接続領域24は、MRAMセルが形成されている領域である。これらのMRAMセルは図1には示されていない。相互接続領域22および24の双方の中には、図1に示すように金属層26があり、これは相互接続領域22および24に有用であり、具体的には、領域24におけるプログラミング線として用いられる。金属部28および30は、全体的にロジック部12内にある。金属部34および36は、全体的にMRAM領域13内にある。金属部32は、MRAM部13とロジック部12とをまたいでいる。金属層26は、金属の連続層の堆積によって作られ、次いでパターニングされて金属部分が残される。ここで用いる場合、金属層とは、基板上にほぼ同じ距離にある複数の金属部分である。ここで用いる場合、フロントエンドとは、トランジスタが形成される領域であり、通例、ソースおよびドレインが形成される基板の上面部を意味し、ゲートは基板の上に形成される。つまり、フロントエンド14および16は双方とも基板11内部および上部に形成される。相互接続領域18および20は、導電層で形成され、それらを分離する誘電体層を有する。これは、トランジスタ間の電気接続部のような電気接続部を作成する際に有用である。
動作時には、半導体装置10は、共に動作するMRAMおよび他の回路を有する。他の回路は、好ましくは、プロセッサのようなロジック回路であるが、RF回路のようないずれかの非MRAM回路であるとよい。ロジック回路は部分12に形成されている。MRAMは部分13に形成されている。MRAMおよび論理回路の双方は金属線26を用いる。好ましくは、金属線26はMRAM24においてプログラム線として用いられる。
図2に示すのは、図1の装置の第1の更に詳細な実施例を明らかにする半導体装置50である。装置50は、図1の相互接続部22の第1の詳細な実施例としての相互接続部52と、図1の相互接続部24の第1の詳細な実施形態としての相互接続部24とを備える。相互接続部52は、ビア86、90、および100によってそれぞれ接続されている金属部56、60、66、および76を備える。また、相互接続部52の中には、金属部76を相互接続部18およびフロントエンド14の一方に接続するためのビア108もある。相互接続部52は、部分12内に形成されているロジック回路に相互接続部を設けるように機能する。相互接続部54は、金属部58、62、68、70、72、74、80、82、および84と、ビア88、92、94、96、98、99、102、104、106、110、112、114と、セル相互接続部120と、磁気トンネル接合(MTJ)116と、検知接続部118とを備える。ビア88、92、および102は、金属部58、62、68、および80をそれぞれ相互接続する。ビア94および98は、互いに上下に積層され、セル相互接続部120および金属部70を接続する。ビア104は、金属部70および金属部82を接続する。ビア110、112、および114は、一端が金属部80、82、および84にそれぞれ接続されている。他端は、フロントエンド16または相互接続部20のいずれかに接続されている。ビア96は、セル相互接続部120をMTJ116に接続する。検知接続部118は、MTJ116をビア99に接続する。金属部74は、金属部62に直交する方向に延びる。ビア99は、検知接続部118を金属部72に接続する。ビア102、104、および106は、金属部68、70、および72を、それぞれ、金属部80、82、および84に接続する。金属部80、82、および84は、メモリセルの形成には必須ではない。
金属部74よび金属部62は、MTJ116の状態を書き込むためにあり、その各々がプログラム線である。金属部74は、ディジット線であり、金属部62はビット線である。MRAMセル55を形成する金属部62、68、70、72、および74、ビア92、94、96、98、99、検知接続部118、セル相互接続部120、ならびにMTJ116の構成は、当業者には周知である。金属部60および62は、金属層を構成する。同様に、金属部66、68、70、72、74は、金属層を形成する。このように、図2に示すこの実施例では、2本の金属線が相互接続部52および54間で共通である。これらの金属線の双方は、相互接続部54においてMRAMセルによってプログラム線として用いられる。金属部74および62、したがって金属部60および66は、MRAMセルを形成するために必要な距離だけ離れている。
更に、図2に示すこの場合では、ビア90および92は、この同じ距離だけの長さがある。この例では、この距離は約4000オングストロームとすることができる。金属部69および66は、ビア90のようなビアによって、多くの箇所で接続されている。これら多くのビア接続により、これら2つの金属部は、たとえこれらが異なる金属層であっても、事実上高導電性単一層である。最上部の2つの金属層は、比較的大きい電流を搬送するのに有効であるためには、導電性が高いことが望ましい場合がある。この例では、各金属部60および66は、その機能のために望ましいところまでいかないかもしれないが、これら2つとビア90との組み合わせでは、その効果は望ましい結果となる。このような場合、金属部60および66のマスクパターンは、同一とすることができる。金属部76は、通常、比較的薄い金属層の最後にあり、例えば、約3250オングストロームであり、一方金属部は、例えば、8400オングストロームとすることができる。金属部60および66は、それぞれ、5150および3250オングストロームとすることができ、これらを加算すると8400オングストロームとなり、最上位の2層には望ましいものとなる。これは、最後から2番目の層を2つの層に分離するというように見なすこともでき、これらはロジックフロントエンド14上で実質的に隣接し、MRAMセルをこれら2つの層の間に挟持し、これら2つの層をMRAMフロントエンド16上でプログラミング線として用いる。これによって全体的な高さが増大するが、金属部の形成後にMRAMを追加した場合ほどではない。他の利点は、MRAMを既存のロジック設計に追加することができ、厚い金属層の内最初の層(基板に最も近い)を分割し、2つの断片をビアで接続するという変更をロジック側に加えればよいことである。最後の金属を分割することも実現可能であるが、最後から2番目の金属程は関心を引かない。何故なら、基板から遠い位置程、平面性が低下し、このためMRAMセルの製作が一層困難になるからである。結果的に、プログラム部62および74双方の金属層は、ロジック部12およびMRAM部13と共通となる。
図3は、半導体装置300を示し、図1の装置の第2の更に詳細な実施例である。装置300は、図1の第2の詳細な実施例としての相互接続部302と、図1の相互接続部24の第2の詳細な実施例としての相互接続部304とを備える。相互接続部302は、ビア326および330によってそれぞれ接続されている、金属部306、310、および316を含む。相互接続部304は、金属部308、312、314、および318と、ビア328、332、334、336、338、340、344、346、および348と、MTJ350と、セル相互接続部351と、検知接続部352とを備える。ビア328は、金属部308および312を接続する。金属部308および312ならびにビア328を除いて、図3において相互接続部304について特定した要素は、図2におけると同様に接続された類似要素を有し、当業者には周知のようにMRAMセル305を形成する。金属部316、318、320、および322は金属層を形成するが、その際MRAMセル305がディジット線に用いる金属線が、相互接続部302がその相互接続部の機能を実施する際に接続を行うために用いるのと同じ金属線となるようにしている。この場合、ビット線、即ち、金属部314は、金属部312の下に形成される。部分310および312は、第1の厚い金属層を形成する。したがって、MRAMセル305は、薄い金属層の最後の層と、厚い金属層の最初の層との間の空間を用いつつ、薄い金属層の最後の層をプログラム線に用いている。これは、既存のロジック設計における変更を最少に抑えなければならない場合に特に有利であり、単にビアを長くすればよい。
図4は、半導体装置400を示し、図1の装置の第3の更に詳細な実施例である。装置400は、図1の相互接続部22の第3の詳細な実施例としての相互接続401と、図1の相互接続部24の第3の詳細な実施例としての相互接続部402とを備える。相互接続部401は、金属部403、406、410、および414と、ビア424、428、432、および444とを備える。ビア424、428、および432は、それぞれ、金属部403、406、410、および414を相互接続する。同語接続部401は、第1の厚い金属層406と最後の薄い金属層410との間に金属部を挿入し、長いビア330の代わりに、短いビア428および432を作成したことを除いて、図3の相互接続部302と同一である。相互接続部402は、金属部404、408、412、および416と、ビア426、430、434、436、438、440、442、446、448、および450と、セル相互接続部451と、検知接続部454と、MTJ452とを備える。相互接続部402が相互接続部304と相違するのは、第1の厚い金属層、即ち、金属部408と、ビット線、即ち、金属部412との間にビア430があることだけである。ビア430は、ビット線412と上位導体層408および404との間を直接接続するために用いられる。図3を参照すると、ビット線314と上位層相互接続部312および308との間の接続は、ビア332、相互接続部318/316を貫通し、上に向かって302まで達する代わりの経路を通じて行われる。
図5は、半導体装置500を示し、図1の装置の第4の更に詳しい実施例である。装置500は、図1の相互接続部22の第4の詳細な実施例としての相互接続部502と、図1の相互接続部24の第4の詳細な実施例としての相互接続部504とを備える。相互接続部502は、金属部506、510、514、および518と、ビア528、532、536、および552とを備える。ビア528、532、および536は、金属部506、510、514、および518をそれぞれ相互接続する。ビア552は、金属部518を相互接続部18またはフロントエンド14に接続する。金属部514および518は、最上部の2つの比較的薄い相互接続層である。これらの層は、低いkの誘電体によって分離されていることが好ましいが、低いKの必要性を低下させるように、これらを分離する距離を通常よりも大きくしている。相互接続部504は、金属部508、512、516、および520と、ビア530、534、538、540、546、548、550、554、556、および558と、セル相互接続部561と、検知接続部5560と、MTJ562とを備える。図2について説明したように類似の要素を接続して、MRAMセル505を形成する。この場合、MRAMセル505は、最上部の2つの比較的薄い金属層の間、および最上位の2つの比較的厚い金属層の下に形成される。金属部516および514は、ロジックおよびMRAMセルと共通の1本の金属線を形成し、金属部518、520、522、524、および526は、ロジックおよびMRAMセル間に共通の第2金属線を形成する。MRAMセル505を金属線間に挿入したことにより、これらの金属線を更に分離しなければないが、このためMRAMセルに用いる材料との適合性が高い低温誘電体の使用が可能になる。
図6は、半導体装置600を示し、図1の装置の第5の更に詳細な実施例である。装置600は、図1の相互接続部22の第4の更に詳細な実施例としての相互接続部602と、図2の相互接続部24の第5の更に詳細な実施例としての相互接続部604とを備える。相互接続部602は、金属部606、610、614、および618と、ビア628、623、636、および648とを備える。ビア628、632、および636は、金属部606、610、614、および618をそれぞれ相互接続する。ビア648は、金属部618を相互接続部18またはフロントエンド14のいずれかに接続する。相互接続部604は、金属部608、612、616、および620と、ビア630、634、640、642、644、646、650、652、および654と、セル相互接続部655と、MTJ657と、検知接続部658とを備える。図2におけると同様に、類似の要素を接続し、MRAMセル605を形成する。金属部616および614は、金属部618、620、622、624、および626のように、ロジックとMRAMとの間に共通の金属層を形成する。この場合、金属部612および614は、オーバーサイズビア632によって接続されている。ビア632の幅は、ビア628のようなビアの幅よりも広くすることができる。何故なら、ビア632は、細かい外形形状を必要としない層を接続しているからである。
具体的な実施形態を参照しながら本発明について説明した。しかしながら、特許請求の範囲に明記されている本発明の範囲から逸脱することなく、種々の修正や変更が可能であることは、当業者には認められよう。例えば、金属層は、一部が金属でなくてもよい材料の複合体でもよい。ドープしたシリコンは、導体として用いられることが多い。プログラム線は、直交しているように記載したが、これらは互いに別の角度をなしてもよい。別の例として、非MRAM回路はロジック回路として記載したが、アナログ回路のような別の種類も可能である。したがって、明細書および図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で見なすこととし、このような修正は全て本発明の範囲内に含まれることを意図している。
具体的な実施形態に関して、効果、その他の利点、および問題に対する解決策を説明した。しかしながら、効果、利点、問題に対する解法、およびかかる効果、利点、または解法をも生じさせる、または一層顕著にすることができるあらゆる要素(複数の要素)は、いずれのまたは全ての請求項の重要な、必要な、または本質的な特徴または要素として解釈しないこととする。ここで用いる場合、「備える」、「備えている」、またはそのいずれの変形も、非排他的包含を含むことを意図しており、要素のリストから成るプロセス、方法、物品、または装置が、これらの要素のみを含むのではなく、明示的にリストされていない、あるいはかかるプロセス、方法、物品、または装置に固有のその他の要素も含み得るものとする。
本発明の一態様に従う埋め込みMRAMおよび他の回路を有する集積回路の一部の断面図。 図1の集積回路の一実施例に従う集積回路の断面図。 図1の集積回路の第2実施例に従う集積回路の断面図。 図1の集積回路の第3実施例に従う集積回路の断面図。 図1の集積回路の第4実施例に従う集積回路の断面図。 図1の集積回路の第5実施例に従う集積回路の断面図。

Claims (28)

  1. MRAM用の第1部分と、MRAMとは異なる第1回路種用の第2部分とを有する半導体基板と、
    前記基板の前記第1部分上にある、前記MRAM用の第1フロントエンド回路と、
    前記基板の前記第2部分内にあり、前記第1回路種用の第2フロントエンド回路と、
    前記第1フロントエンド回路上にあり、第1金属層を第1プログラム線に用いるMRAMセルと、
    前記第2フロントエンド回路上にあり、前記第1金属層を用いて前記第1回路種のための相互接続を提供する金属相互接続部とを備える半導体装置。
  2. 前記MRAMセルが第2金属層を第2プログラム線に用いるものであることを更に特徴とし、前記金属相互接続部が前記第2金属層を用いて前記第1回路種のための相互接続を提供するものであることを更に特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1および第2金属層上にある第3金属層と、前記第3金属層上にある第4金属層とを更に備え、前記第3および第4金属層の両方が前記第1および第2金属層よりも厚い、請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記第3および第4金属層が実質的に同じ厚さを有する請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記第1金属層の一部がディジット線として機能する請求項4に記載の半導体装置。
  6. 前記第2金属線の一部がビット線として機能する請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記第3および第4層は第1距離だけ離れており、前記第2および第3層は前記第1距離よりも大きい第2距離だけ離れている請求項4に記載の半導体装置。
  8. 前記第3および第4層は第1距離だけ離れており、前記第2および第3層は前記第1距離と実質的に等しい第2距離だけ離れている請求項4に記載の半導体装置。
  9. 前記第4層は前記第3層よりも厚い請求項3に記載の半導体装置。
  10. 前記第3および第4金属層は第1幅のビアによって接続されており、前記第3および第2金属層は前記第1幅よりも大きい第2幅のビアによって接続されている請求項9に記載の半導体装置。
  11. 前記基板の第1部分上にある第1部分と、前記基板の第2部分上にある第2部分とを有する第3金属層を更に備え、前記第3金属層の第1部分は、前記第2金属層のすぐ上にあり、前記第3金属層の第2部分は前記第3金属層のすぐ上にある請求項1に記載の半導体装置。
  12. 前記MRAMは前記第2金属層を第2プログラム線に用いる請求項1に記載の半導体装置。
  13. 前記第2金属層上にある第3金属を更に備え、前記第3金属層は、前記基板の第1部分上にある第1部分と、前記基板の第2部分上にある第2部分であって、前記第2層と実質的に隣接し、複数のビアによって前記第2層に接続されている前記第2部分とを有する、請求項1に記載の半導体装置。
  14. 前記MRAMセルは前記第2金属層を第2プログラム線に用いる請求項13に記載の半導体装置。
  15. MRAM用の第1部分と、MRAMとは異なる種類の回路用の第2部分とを有する半導体基板と、
    前記基板の第1部分上にあり、前記MRAMのための第1プログラム線として用いる第1部分と、前記基板の第2部分上にあり、前記回路の相互接続のために用いる第2部分とを有する第1金属層と
    を備える半導体装置。
  16. 前記第1金属層上にある第2金属層が、前記基板の第1部分上に第1部分と、前記基板の第2部分上に第2部分とを有し、前記第2金属層の第1部分を前記MRAMの第2プログラム線のために用い、前記第2金属層の第2部分を前記回路の相互接続のために用いる請求項15に記載の半導体装置。
  17. 前記基板の第1部分上にある第1部分と、前記基板の第2部分上にある第2部分とを有する第3金属層を更に備え、
    前記第3金属層の第2部分は、第1の長さを有する第1ビアによって、前記第2層の第2部分に接続されており、
    前記第2金属層の第2部分は、前記第1の長さよりも大きい第2の長さを有する第2ビアによって、前記第1金属層の第2部分に接続されている請求項16に記載の半導体装置。
  18. 前記第3金属層は、前記半導体装置の最後の金属層である請求項17に記載の半導体装置。
  19. 前記第2および第3金属層の第2部分は実質的に隣接している請求項17に記載の半導体装置。
  20. 前記第3金属層上にあり、前記基板の第1部分上に第1部分と、前記基板の第2部分の上に第2部分とを有する第4金属層を更に備える請求項17に記載の半導体装置。
  21. 前記第4金属層は前記第3金属層よりも大きな厚さを有する請求項20に記載の半導体装置。
  22. 前記第4金属層は、aによって前記第3金属に接続されている請求項20に記載の半導体装置。
  23. 前記MRAMの第2プログラム線に用いられ、前記基板の第1部分上にある前記第1金属層の上にある第2金属層を更に備える請求項15に記載の半導体装置。
  24. 前記基板の第1部分上にあり、前記第2金属層のすぐ上にある第1部分と、前記基板の第2部分上にあり、前記第1金属層のすぐ上にある第2部分とを有する第3金属層を更に備える請求項23に記載の半導体装置。
  25. 前記第2金属層の第1部分を前記第1金属層の第1部分に接続し、第1の長さを有する第1ビアと、
    前記第3金属層の第2部分を前記第1金属層の第2部分に接続し、前記第1の長さよりも大きい第2の長さを有する第2ビアと
    を更に備える請求項24に記載の半導体装置。
  26. 半導体基板を用意する工程と、
    前記基板の第1部分上および第1部分内にMRAM回路を形成する工程と、
    前記基板の第2部分上および第2部分内に、MRAMとは異なる種類の第1回路を形成する工程と、
    前記基板の第1部分の上に第1部分と、前記基板の第2部分の上に前記第1回路の相互接続のための第2部分とを有する第1金属層を形成する工程と、
    前記第1金属層の第1部分を、前記MRAMセルの第1プログラム線として用いて、前記第1金属層の第1部分上に、MRAMセルの一部を形成する工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
  27. 前記基板の第1部分上に第1部分と、前記基板の第2部分上に第2部分とを有する第2金属層を形成する工程を更に備え、前記第2金属層の第2部分は前記第1回路の相互接続のためのものであり、前記第2金属層の第1部分は前記MRAMセルの第2プログラム線を設けるためのものである請求項26に記載の方法。
  28. 前記MRAMセルの第1プログラム線を設けるために、前記第1金属線上に第2金属層を形成する工程と、
    前記基板の第1部分上に第1部分と、前記基板の第2部分上に第2部分とを有する第3金属層を形成する工程であって、前記第3金属層の第2部分が前記第1金属層のすぐ上にあって前記第1回路を相互接続するものであり、前記第3金属層の第1部分が前記第2金属層のすぐ上にある、前記第3金属層を形成する工程と、
    を更に備える請求項26に記載の方法。
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