KR20040036068A - Magnetic random access memory and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자기저항 램 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 자기저항 램의 셀 구조를 개선하여 공정을 단순화 시키고, 메모리 속도를 향상시킬 수 있도록 하는 자기저항 램 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetoresistive ram and a method of manufacturing the same, and to a magnetoresistive ram and a method of manufacturing the same to improve the cell structure of the magnetoresistive ram, simplify the process, and improve memory speed.
현재 대부분의 반도체 메모리 제조 업체들은 차세대 기억소자의 하나로서, 강자성체 물질을 이용한 자기저항 램의 개발에 적극 참여하고 있다.Currently, most semiconductor memory manufacturers are one of the next generation memory devices, and actively participate in the development of magnetoresistive RAMs using ferromagnetic materials.
자기저항 램은 강자성 박막을 다층으로 형성하여 각 박막층의 자화방향에 따른 전류 변화를 감지함으로써 데이타를 읽고 쓸 수 있는 기억소자로서, 자성 박막 고유의 특성에 의해 고속, 저전력 및 고집적이 가능할 뿐만 아니라 플래쉬 메모리와 같이 비휘발성 메모리 동작이 가능한 소자이다.The magnetoresistive RAM is a memory device that reads and writes data by forming ferromagnetic thin films in multiple layers and senses the current change according to the magnetization direction of each thin film layer. A device capable of operating a nonvolatile memory such as a memory.
이에 대한 연구는 현재 초기 단계에 있으며, 주로 다층 자성 박막의 형성에 집중되어 있고, 단위셀 구조 및 주변 감지 회로 등에 대한 연구는 아직 미비한 실정이다.Research on this is currently in its infancy, mainly focused on the formation of multilayer magnetic thin films, and studies on unit cell structures and peripheral sensing circuits are still insufficient.
도 1은 이러한 종래의 자기저항 램에서 데이타가 저장되어지는 다층 자성 박막 구조로서 MTJ(Magnetic Tunnel Junction, 자기 터널 접합) 셀의 단면도를 나타낸다.1 is a cross-sectional view of a MTJ (Magnetic Tunnel Junction) cell as a multilayer magnetic thin film structure in which data is stored in such a conventional magnetoresistive RAM.
일반적으로 MTJ셀(5)은 반자성체(anti-ferroelectric) 박막(1), 고정층 강자성체 박막(2), 터널링 전류가 흐르는 얇은 절연층(3) 및 자유층 강자성체 박막(4)으로 형성된다.In general, the MTJ cell 5 is formed of an anti-ferroelectric thin film 1, a fixed layer ferromagnetic thin film 2, a thin insulating layer 3 through which a tunneling current flows, and a free layer ferromagnetic thin film 4.
여기서, 고정층 강자성체 박막(2)은 자화 방향이 한 방향으로 고정되어 있으며, 반자성체 박막(1)은 고정층 강자성체 박막(2)의 자화 방향이 변하지 않도록 고정해 주는 역할을 한다. 반면에, 자유층 강자성체 박막(4)은 외부 자장에 의해 자화 방향이 바뀌어 지며, 이 층의 자화 방향에 따라 "0" 또는 "1"의 데이타를 기억할 수 있다.Here, the fixed layer ferromagnetic thin film 2 has a magnetization direction fixed in one direction, and the diamagnetic thin film 1 serves to fix the magnetization direction of the fixed layer ferromagnetic thin film 2 unchanged. On the other hand, the magnetization direction of the free layer ferromagnetic thin film 4 is changed by an external magnetic field, and data of "0" or "1" can be stored according to the magnetization direction of this layer.
이러한 MTJ셀(5)에 수직 방향으로 전류가 흐를 경우 절연층을 통한 터널링 전류가 발생하게 된다. 이때, 고정층 강자성체 박막(2)과 자유층 강자성체 박막(4)의 자화 방향이 같으면 터널링 전류의 크기가 크며, 반대로 고정층 강자성체 박막(2)과 자유층 강자성체 박막(4)의 자화 방향이 반대일 경우에는 작은 터널링 전류가 흐르게 된다.When a current flows in the direction perpendicular to the MTJ cell 5, a tunneling current through the insulating layer is generated. At this time, if the magnetization directions of the fixed layer ferromagnetic thin film 2 and the free layer ferromagnetic thin film 4 are the same, the magnitude of the tunneling current is large. There is a small tunneling current flowing through it.
이러한 현상을 TMR(Tunneling Magnetoresistance, 터널 자기 저항)효과라 하는데, 이 터널링 전류의 크기를 감지함으로써 자유층 강자성체 박막(4)의 자화방향을 알 수 있고, 셀에 저장된 데이타를 판독할 수 있게 된다.This phenomenon is called TMR (Tunneling Magnetoresistance) effect. By detecting the magnitude of this tunneling current, the magnetization direction of the free layer ferromagnetic thin film 4 can be known and the data stored in the cell can be read.
도 2a는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)를 이용하여 자기저항 램의 셀을 구현한 실시예를 나타낸다.2A illustrates an embodiment in which a cell of a magnetoresistive RAM is implemented using a field effect transistor.
자기저항 램의 단위셀은 하나의 수평구조 전계 효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor;9)와, MTJ셀(5)과, 데이타의 리드시 사용되는 읽기 워드라인(6)과, 전류의 인가에 따라 외부 자기장을 형성하여 MTJ셀(5) 내의 자유층 강자성체 박막(4)의 자화방향의 변화에 따라 데이타를 저장할 수 있도록 하는 쓰기 워드라인(8)과, MTJ셀(5)에 수직방향으로 전류를 인가하여 자유층 강자성체 박막(4)의 자화방향을 알 수 있도록 하는 비트라인(7)을 구비한다.The unit cell of the magnetoresistive RAM includes one horizontal structure field effect transistor (Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor) 9, an MTJ cell 5, a read word line 6 used for reading data, and a current. Write word line 8 and perpendicular to the MTJ cell 5 to form an external magnetic field upon application of the data to store data in accordance with the change in the magnetization direction of the free layer ferromagnetic thin film 4 in the MTJ cell 5. And a bit line 7 for applying a current in the direction so that the magnetization direction of the free layer ferromagnetic thin film 4 can be known.
이러한 구성을 갖는 종래의 자기저항 램은, 리드시에 읽기 워드라인(6)에 전압을 가하여 전계 효과 트랜지스터(9)를 동작시키고 비트라인(7)에 전류를 인가한 뒤 MTJ셀(5)에 흐르는 전류의 크기를 감지한다.The conventional magnetoresistive RAM having such a configuration applies a voltage to the read word line 6 at the time of read operation to operate the field effect transistor 9 and applies a current to the bit line 7 to the MTJ cell 5. Detect the magnitude of the current flowing.
또한, 라이트시에는 전계 효과 트랜지스터(9)를 오프 상태로 유지하면서, 쓰기 워드라인(8)과 비트라인(7)에 전류를 인가시킴으로써 이로 인해 발생되는 외부 자기장에 의해 MTJ셀(5) 자유층의 자화 방향을 변화시킨다.In addition, the MTJ cell 5 free layer is caused by an external magnetic field generated by applying a current to the write word line 8 and the bit line 7 while keeping the field effect transistor 9 in the off state during writing. Changes the magnetization direction.
여기서, 비트라인(7)과 쓰기 워드라인(8)에 동시에 전류를 인가시키는 이유는 두 금속선이 수직으로 교차하는 지점에서 자기장이 가장 크게 발생되며, 이로 인해 여러개의 셀 배열 중에서 하나의 셀을 선택할 수 있기 때문이다.The reason why the current is simultaneously applied to the bit line 7 and the write word line 8 is that the magnetic field is generated at the point where the two metal lines vertically cross each other, thereby selecting one cell among several cell arrays. Because it can.
도 2b는 도 2a의 종래의 자기저항 램 셀과 대응되는 자기저항 램의 단면도이다.FIG. 2B is a cross-sectional view of the magnetoresistive ram corresponding to the conventional magnetoresistive ram cell of FIG. 2A.
수평 구조 트랜지스터(9)의 소스(10)의 상부에 접지선(12)이 형성되고, 게이트의 상부에 읽기 워드라인(6)이 형성되며, 드레인(11)의 상부에는 도전층(13), 콘택 플러그(14), 도전층(15) 및 콘택 플러그(16)가 차례로 형성된다. 그리고, 쓰기 워드라인(8)의 상부에 연결층(17)이 형성되고, 연결층(17)의 상부에 MTJ셀(5)과 비트라인(7)이 스택(stack) 형식으로 형성된다.The ground line 12 is formed on the source 10 of the horizontal structure transistor 9, the read word line 6 is formed on the gate, and the conductive layer 13 and the contact are formed on the drain 11. The plug 14, the conductive layer 15, and the contact plug 16 are sequentially formed. The connection layer 17 is formed on the write word line 8, and the MTJ cell 5 and the bit line 7 are formed on the connection layer 17 in a stack form.
도 2c는 전계 효과 트랜지스터를 사용한 종래의 자기저항 램의 등가 회로도를 나타낸다.2C shows an equivalent circuit diagram of a conventional magnetoresistive ram using a field effect transistor.
도 2c는 도 2a의 MTJ(5)를 저장된 데이터에 따른 가변 저항 r로 나타내고, 전계 효과 트랜지스터(9)의 게이트 전압 VG의 인가시 드레인 및 소스간에 전류 Ids가 흐르게 된다.2C shows the MTJ 5 of FIG. 2A as a variable resistor r according to the stored data, and the current Ids flows between the drain and the source when the gate voltage VG of the field effect transistor 9 is applied.
하지만, 이러한 종래의 전계 효과 트랜지스터의 문제점 중의 하나는 게이트 옥사이드에 기인하는 캐패시터의 존재로 인하여 소자의 온/오프 속도에 지연이 생긴다는 점인데, 이에 따라 자기저항 램의 AC 특성을 열화시킬 수 있는 문제점이 있다.However, one of the problems of the conventional field effect transistor is that the presence of a capacitor due to the gate oxide causes a delay in the on / off speed of the device, which may degrade the AC characteristics of the magnetoresistive ram. There is a problem.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, SOI(Silicon On Insulator) 기판에 구현된 JFET(Junction Field Transistor)를 이용하여 공정 단순화와 함께 메모리 특성을 향상시키도록 하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to improve the memory characteristics while simplifying the process by using a junction field transistor (JFET) implemented in a silicon on insulator (SOI) substrate.
도 1은 종래의 MTJ셀의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional MTJ cell.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 종래의 수평구조 전계 효과 트랜지스터를 이용한 자기저항 램의 모식도, 단면도 및 등가 회로도.2A, 2B and 2C are schematic, sectional and equivalent circuit diagrams of a magnetoresistive ram using a conventional horizontal field effect transistor;
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명에 따른 자기저항 램의 모식도, 단면도 및 등가 회로도.3A, 3B and 3C are schematic, cross-sectional and equivalent circuit diagrams of a magnetoresistive ram according to the present invention.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 자기저항 램의 제조 방법을 나타내는 공정 순서도.4A-4E are process flow diagrams illustrating a method of manufacturing a magnetoresistive ram according to the present invention.
도 5는 SOI 기판에 구현된 전계 효과 트랜지스터를 사용한 본 발명에 따른 자기저항 램의 다른 실시예.5 is another embodiment of a magnetoresistive RAM according to the present invention using a field effect transistor implemented on an SOI substrate.
도 6은 SOI 기판에 구현된 수직 구조의 바이폴라 정션 트랜지스터를 사용한 본 발명에 따른 자기저항 램의 또 다른 실시예.6 is another embodiment of a magnetoresistive RAM according to the present invention using a bipolar junction transistor of vertical structure implemented in an SOI substrate.
도 7은 SOI 기판에 구현된 수평 구조의 바이폴라 정션 트랜지스터를 사용한 본 발명에 따른 자기저항 램의 또 다른 실시예.7 is another embodiment of a magnetoresistive RAM according to the present invention using a bipolar junction transistor of a horizontal structure implemented on an SOI substrate.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자기저항 램은, SOI기판의 상부에 소스, 드레인 및 실리콘 기판으로 형성된 JFET와, 실리콘 기판의 상부에 형성된 읽기 워드라인과, JFET의 드레인 상부에 형성된 콘택 라인과, 콘택 라인의 상부에 적층된 MTJ셀과, MTJ셀의 상부에 형성되되, 읽기 워드라인의 상측에 구비되는 비트라인 및 비트라인의 상부에 형성된 쓰기 워드라인을 구비함을 특징으로 한다.The magnetoresistive RAM of the present invention for achieving the above object is a JFET formed of a source, a drain and a silicon substrate on top of the SOI substrate, a read word line formed on the silicon substrate and a contact line formed on the drain of the JFET And a MTJ cell stacked on the contact line, a bit line formed on the read word line, and a write word line formed on the bit line.
또한, 본 발명의 자기저항 램의 제조 방법은, 절연체의 상부에 형성된 실리콘 기판에 불순물을 확산하거나 이온을 주입하여 엑티브 패터닝을 수행하는 공정과, 실리콘 기판에 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하고, 실리콘 기판의 상부에 마스크층을 형성하는 공정과, 실리콘 기판에 P+ 게이트 영역을 형성하는 공정과, 실리콘 기판, 소스 및 드레인 영역의 상부에 층간 절연막을 증착하는 공정과, 층간절연막의 상부에 전극을 형성하는 공정 및 드레인 영역의 상부에 콘택라인, MTJ셀, 비트라인 및 워드라인을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of manufacturing a magnetoresistive RAM according to the present invention includes a process of performing active patterning by diffusing impurities or implanting ions into a silicon substrate formed on an insulator, forming a source region and a drain region on the silicon substrate, and Forming a mask layer over the substrate, forming a P + gate region over the silicon substrate, depositing an interlayer insulating film over the silicon substrate, the source and drain regions, and forming an electrode over the interlayer insulating film And forming a contact line, an MTJ cell, a bit line, and a word line on the drain region.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.
도 3a는 본 발명에 따른 자기저항 램의 구조를 나타낸다.Figure 3a shows the structure of a magnetoresistive ram according to the present invention.
본 발명의 자기저항 램은, SOI(Silicon On Insulator)에 구현된 JFET(Junction Field Effect Transistor;24)와, MTJ셀(20)과, 데이타의 리드시 사용되는 읽기 워드라인(21)과, 전류의 인가에 따라 외부 자기장을 형성하여 MTJ셀(20) 내의 자유층 강자성체 박막의 자화방향의 변화에 따라 데이타를 저장할 수 있도록 하는 쓰기 워드라인(23)과, MTJ셀(20)에 수직방향으로 전류를 인가하여 자유층 강자성체 박막의 자화방향을 알 수 있도록 하는 비트라인(22)을 구비한다.The magnetoresistive RAM of the present invention includes a junction field effect transistor (JFET) 24 implemented in a silicon on insulator (SOI), an MTJ cell 20, a read word line 21 used for reading data, and a current. The write word line 23 and the perpendicular current to the MTJ cell 20 and the write word line 23 to form an external magnetic field upon application of the data to store data according to a change in the magnetization direction of the free layer ferromagnetic thin film in the MTJ cell 20. It is provided with a bit line 22 to determine the magnetization direction of the free layer ferromagnetic thin film by applying a.
도 3b는 도 3a와 대응되는 본 발명에 따른 자기저항 램의 단면도이다.3B is a cross-sectional view of the magnetoresistive ram according to the present invention corresponding to FIG. 3A.
본 발명은 절연체(Insulator;25)의 상부에 소스(27), 드레인(28) 및 실리콘 기판(Si Substrate;26)으로 형성된 JFET(24)가 형성되고, 실리콘 기판(26)의 상부에 읽기 워드라인(21)이 형성된다. 그리고, 드레인(28)의 상부에는 콘택 라인(29)이 형성되고, 콘택 라인(20)의 상부에 MTJ셀(20)이 적층된다.According to the present invention, a JFET 24 formed of a source 27, a drain 28, and a silicon substrate 26 is formed on an insulator 25, and a read word is formed on the silicon substrate 26. Line 21 is formed. The contact line 29 is formed on the drain 28, and the MTJ cell 20 is stacked on the contact line 20.
또한, MTJ셀(20)의 상부에는 비트라인(22)이 형성되고, 비트라인(22)의 상부에 쓰기 워드라인(23)이 형성된다.In addition, a bit line 22 is formed on the MTJ cell 20, and a write word line 23 is formed on the bit line 22.
도 3c는 SOI에 구현된 JFET를 사용한 본 발명의 자기저항 램의 등가 회로도를 나타낸다.3C shows an equivalent circuit diagram of a magnetoresistive RAM of the present invention using a JFET implemented in SOI.
도 3c는 도 3a의 MTJ를 저장된 데이터에 따른 가변 저항 r로 나타내고, SOI기판에 구현된 JFET(24)를 사용하게 된다.3C shows the MTJ of FIG. 3A as a variable resistor r according to the stored data, and uses the JFET 24 implemented in the SOI substrate.
이러한 구성을 갖는 본 발명은 N-채널 JFET(24)을 사용할 경우 JFET(24)의 게이트에 가해지는 전압을 살펴보면 다음과 같다.The present invention having such a configuration looks at the voltage applied to the gate of the JFET 24 when using the N-channel JFET 24 as follows.
먼저, 데이터의 유지시에는 JFET(24)의 게이트에 음의 값이 인가된다. 이러한 경우 채널은 역바이어스로 디플리션(depletion) 상태가 되어 JFET(24)의 드레인과 소스 단에 전류가 흐르지 않게 된다.First, when data is held, a negative value is applied to the gate of the JFET 24. In this case, the channel is depleted in reverse bias so that no current flows to the drain and source terminals of the JFET 24.
또한, 리드/라이트 동작시에는 JFET(24)의 게이트에 0V의 전압이 인가된다. 이러한 경우 JFET(24)가 턴온되어 MTJ셀(20)에 기록된 데이타에 따라 드레인과 소스간에 전류가 흐르게 된다.In the read / write operation, a voltage of 0 V is applied to the gate of the JFET 24. In this case, the JFET 24 is turned on so that a current flows between the drain and the source according to the data written in the MTJ cell 20.
본 발명에서 일반적인 실리콘 기판에 JFET(24)를 구현한 경우에는 채널 영역과 기판간에 역 누설 전류가 발생하게 되고, 접합 면적이 넓은 경우에는 스탠바이(Stand-by) 전원 면에서도 문제가 야기될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 SOI(Silicon On Insulator)를 이용해 JFET(24)를 구현하므로 오프 상태의 누설 전류를 감소시킴으로써 자기저항 램의 고속화, 고밀도화를 실현할 수 있도록 한다.In the present invention, when the JFET 24 is implemented in a general silicon substrate, reverse leakage current occurs between the channel region and the substrate, and when the junction area is large, problems may occur in the stand-by power supply. . Therefore, in the present invention, since the JFET 24 is implemented using a silicon on insulator (SOI), it is possible to realize high speed and high density of the magnetoresistive ram by reducing the leakage current in the off state.
또한, 본 발명은 형성 공정이 단순한 JFET을 사용함으로써 공정을 단순화 시킬 수 있고, MOSFET의 게이트 절연막 형성 공정이 제외되므로 게이트 절연막에 의한 캐패시턴스의 감소로 인해 동작 속도를 향상시킬 수 있게 된다.In addition, the present invention can simplify the process by using a simple JFET forming process, and because the gate insulating film forming process of the MOSFET is excluded, it is possible to improve the operation speed due to the reduction of the capacitance by the gate insulating film.
한편, 도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 자기저항 램의 제조 방법을 나타낸다.4A to 4E illustrate a method of manufacturing the magnetoresistive ram according to the present invention.
먼저, 도 4a 및 도 4b의 과정에서는, 본 발명의 JFET(24)가 N-채널일 경우 절연체(25)의 상부에 형성된 N타입 실리콘 기판(26)에 N-타입 불순물을 확산하거나 이온을 주입하여 엑티브 패터닝(Active patterning)을 수행한다.First, in the processes of FIGS. 4A and 4B, when the JFET 24 of the present invention is an N-channel, N-type impurities are diffused or ions are implanted into the N-type silicon substrate 26 formed on the insulator 25. Active patterning is performed.
그리고, 도 4c의 과정에서는 N타입 실리콘 기판(26)에 N+ 소스 영역(27)과 N+ 드레인 영역(28)을 형성하고, 마스크층(30)을 형성한다.In the process of FIG. 4C, the N + source region 27 and the N + drain region 28 are formed on the N-type silicon substrate 26, and the mask layer 30 is formed.
도 4d의 과정에서는, N타입 실리콘 기판(26)에 P+ 게이트 영역을 형성한다. 이때, P+ 게이트 형성을 위해 따로 이온을 주입하거나 확산 공정을 수행하지 않고 게이트 콘택 형성시에 플러그 물질로 P+형이 도핑된 폴리 실리콘이나 비정질 실리콘(amorphous silicon)을 증착한다.In the process of FIG. 4D, a P + gate region is formed on the N-type silicon substrate 26. In this case, the P + type doped polysilicon or amorphous silicon is deposited with the plug material when forming the gate contact without implanting ions or performing a diffusion process to form the P + gate.
이후에, 열처리 공정을 통해 공정을 단순화시킬 수 있으며, 얕은 게이트 졍선(Shallow Gate Junctions)의 형성이 가능하다. 또한, 소스(27)와 드레인(28)의 형성시에도 동일한 공정 과정을 갖는다.Subsequently, the heat treatment process may simplify the process and may form shallow gate junctions. In addition, the formation of the source 27 and the drain 28 has the same process.
다음에, 도 4e는 과정에서는, 실리콘 기판(26), 소스(27) 및 드레인(28) 영역의 상부에 층간 절연막(Interlayer Dielectric,ILD)인 절연층(31)을 증착한 뒤 전극(32)을 형성한다. 이후에, N채널 SOI JFET(24)의 드레인(28)의 상부에 콘택라인(29), MTJ(20) 및 비트라인(22) 및 쓰기 워드라인(33)을 형성한다.Next, FIG. 4E shows a process of depositing an insulating layer 31, which is an interlayer dielectric (ILD), on the silicon substrate 26, the source 27, and the drain 28. To form. Thereafter, contact line 29, MTJ 20 and bit line 22 and write word line 33 are formed on top of drain 28 of N-channel SOI JFET 24.
이러한 본 발명에서는 N채널 SOI JFET를 이용한 MRAM의 제작 공정만을 기술하였으나 P채널 SOI JFET도 동일하게 적용 가능하다. 다만, 이러한 경우 리드/라이트 동작시에는 게이트 전압이 0V로 동일하지만, 데이터 유지시에는 양의 값을 게이트에 인가해야만 채널이 디플리션(depletion)된다.In the present invention, only the manufacturing process of the MRAM using the N-channel SOI JFET is described, but the P-channel SOI JFET is equally applicable. In this case, however, the gate voltage is the same as 0 V during the read / write operation, but the channel is depleted only when a positive value is applied to the gate during data retention.
본 발명에서는 공정이 단순하면서 고성능의 MRAM셀을 구현하기 위한 방법으로 SOI기판 위에 반도체 소자(트랜지스터/다이오드 등)를 제작하고 이를 셀 스위칭 소자로 사용한다.In the present invention, a semiconductor device (transistor / diode, etc.) is fabricated on an SOI substrate and used as a cell switching device as a method for implementing a high performance MRAM cell with a simple process.
이때, SOI기판을 이용할 경우 전원 장치로 많이 사용되는 JFET(Junction Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor) 및 스위칭 소자로 광범위하게 사용되고 있는 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 함께 적용하는 것이 가능하다. 또한, 이러한 소자들을 주변 구동 회로의 구현에 함께 사용함으로써 BiCMOS와 MTJ를 결합한 고성능 MRAM의 제작이 가능하게 된다.In this case, when using an SOI substrate, it is possible to apply a combination of a field effect transistor (JFET), a bipolar junction transistor (BJT), and a field effect transistor (MOSFET) widely used as a switching device. In addition, the combination of these devices in the implementation of peripheral drive circuits enables the fabrication of high-performance MRAMs combining BiCMOS and MTJ.
도 5는 SOI 기판에 구현된 전계 효과 트랜지스터 MOSFET를 사용한 자기저항 램의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of a magnetoresistive RAM using field effect transistor MOSFETs implemented on an SOI substrate.
도 5의 실시예는, 절연체(32)의 상부에 게이트(33), 소스(34) 및 드레인(35)으로 구성된 수평 구조 트랜지스터가 형성되고, 수평 구조 트랜지스터의 소스(34)의 상부에 접지선(36)이 형성된다. 그리고, 게이트(33)의 상부에 읽기 워드라인(37)이 형성되며, 드레인(35)의 상부에는 도전층(38), 콘택 플러그(39), 도전층(40) 및 콘택 플러그(41)가 차례로 형성된다. 또한, 쓰기 워드라인(43)의 상부에 연결층(42)이 형성되고, 연결층(42)의 상부에 MTJ셀(44)과 비트라인(45)이 스택(stack) 형식으로 형성된다.In the embodiment of FIG. 5, a horizontal structure transistor including a gate 33, a source 34, and a drain 35 is formed on an insulator 32, and a ground line is formed on the source 34 of the horizontal structure transistor. 36) is formed. The read word line 37 is formed on the gate 33, and the conductive layer 38, the contact plug 39, the conductive layer 40, and the contact plug 41 are formed on the drain 35. It is formed in turn. In addition, the connection layer 42 is formed on the write word line 43, and the MTJ cell 44 and the bit line 45 are formed on the connection layer 42 in a stack form.
한편, 도 6은 SOI 기판에 구현된 수직 구조의 BJT를 사용한 자기저항 램의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of a magnetoresistive RAM using a BJT having a vertical structure implemented on an SOI substrate.
도 6의 실시예는, 절연체(Insulator;46)의 상부에 N+콜렉터 영역(47) 및 실리콘 기판(49)이 형성되고, 실리콘 기판(49)에 N-콜렉터 영역(48) 및 N타입 이미터 영역(50)이 형성된다. 그리고, N타입 이미터 영역(50)의 상부에 접지선(52)이 형성된다.In the embodiment of FIG. 6, the N + collector region 47 and the silicon substrate 49 are formed on the insulator 46, and the N-collector region 48 and the N type emitter are formed on the silicon substrate 49. Region 50 is formed. A ground line 52 is formed on the N-type emitter region 50.
또한, N-콜렉터 영역(48)의 상부에는 P타입 베이스 영역(51)이 형성되고, P타입 베이스 영역(51)의 상부에 콘택 라인(53)이 형성되며, 콘택 라인(53)의 상부에 MTJ셀(54)이 적층된다. MTJ셀(54)의 상부에는 비트라인(55)이 형성되고, 비트라인(55)의 상부에 쓰기 워드라인(56)이 형성된다.In addition, a P-type base region 51 is formed on the N-collector region 48, a contact line 53 is formed on the P-type base region 51, and an upper portion of the contact line 53 is formed. MTJ cells 54 are stacked. The bit line 55 is formed on the MTJ cell 54, and the write word line 56 is formed on the bit line 55.
이상에서와 같이 수직 구조의 BJT를 제작하는데 있어서 이미터의 정션 깊이를 제어하는데 어려움이 있을 수 있다. 따라서, 얕은 이미터 정션을 형성하는 방법으로 이미터를 만들기 위한 도핑을 수행하지 않고, 이미터 콘택 형성시에 플러그 물질로 n+가 도핑된 폴리 실리콘을 증착하고, 이 후 열처리 공정을 수행함으로써 공정을 단순화시키게 된다.As described above, there may be difficulty in controlling the junction depth of the emitter in manufacturing the BJT of the vertical structure. Thus, without forming doped emitters by forming shallow emitter junctions, n + doped polysilicon is deposited with a plug material at the time of emitter contact formation, followed by a heat treatment process. Simplified.
한편, 도 7은 SOI 기판에 구현된 수평 구조의 BJT를 사용한 자기저항 램의 단면도이다.FIG. 7 is a cross-sectional view of a magnetoresistive ram using a BJT having a horizontal structure implemented on an SOI substrate.
도 7의 실시예는, 절연체(Insulator;57)의 상부에 N+콜렉터 영역(59) 및 P타입 베이스 영역(58) 및 N타입 이미터 영역(60)이 형성된다.In the embodiment of FIG. 7, an N + collector region 59, a P type base region 58, and an N type emitter region 60 are formed on the insulator 57.
그리고, P타입 베이스(Base of Lateral Bipolar Junction Transistor) 영역(58)의 상부에는 P타입 베이스(Base of Bipolar Junction Transistor) 영역(61)이 형성되고, P타입 베이스 영역(61)의 상부에 콘택 라인(63)이 형성된다.A P-type base (Base of Bipolar Junction Transistor) region 61 is formed on the P-type base (Base of Lateral Bipolar Junction Transistor) region 58, and a contact line is formed on the P-type base region 61. 63 is formed.
또한, 콘택 라인(63)의 상부에 MTJ셀(64)이 적층되고, MTJ셀(54)의 상부에는비트라인(65)이 형성되며, 비트라인(65)의 상부에 쓰기 워드라인(66)이 형성된다.In addition, the MTJ cell 64 is stacked on the contact line 63, the bit line 65 is formed on the MTJ cell 54, and the write word line 66 is formed on the bit line 65. Is formed.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 게이트 옥사이드 캐패시턴스 및 SOI 기판 사용에 의한 트랜지스터의 기생 용량 감소로 인해 메모리의 고속화에 유리하며, SOI 기판을 사용함으로써 JFET의 오프 상태 누설 전류를 감소시킴으로써 공정 단순화와 함께 메모리 특성을 향상시키도록 하는 효과를 제공한다.As described above, the present invention is advantageous for the high speed of the memory due to the reduction of the parasitic capacitance of the transistor by the use of the gate oxide capacitance and the SOI substrate, and by simplifying the process by reducing the off-state leakage current of the JFET by using the SOI substrate. It provides the effect of improving memory characteristics.
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