TW516229B - MRAM (magnet-resistive RAM)-memory cell - Google Patents

Description

516229 五、發明説明（1 ) 本發明是有關於一種由磁阻性電阻器與切換電晶體所構 成之MRAM記憶胞，其中此磁阻性電阻器是位於兩個本身 在基本上垂直相交的導軌（conduction track)之間，由此電 阻-導軌在最上面之金屬化平面中延伸，並且其中此切換電 晶體以源極或汲極，閘極與汲極或源極藉由導軌，在第〇， 第一與第二金屬化平面中接觸，其中源極或汲極連接至記 憶胞陣列之在第零金屬化平面中延伸之位元線，以及閘極 經由字元線與連接（Stitch)接觸而連接記憶胞陣列之第一 金屬化平面之導軌。 MRAM記憶胞在理想的情況中沒有所有的切換元件，因 此實施作爲純粹的電阻器矩陣，在其中各個記憶胞是設置 在字元線與位元線之相交位置上，因此各由以下的層所構 成：硬磁性材料所構成之層、由例如是隧道（Tunnel)氧化物 所構成之絕緣層，以及由軟磁性材料所構成之層。一個如 此形成之MRAM是藉由非常簡單的結構而突顯其特色，然 而它具有缺點，不可忽視的寄生電流在各記憶胞陣列中經 由各特殊的與在讀取中無關的記憶胞流出。 由於此原因現在建議用於MRAM之另一種結構， 其設置於DRAM上，並且裝入在切換或選擇元件（像是電 晶體或二極體）中而製成。 第4圖說明傳統式的MRAM記憶胞，其中磁阻性或TMR 元件1配置介於兩個金屬化平面M3與M2之間。金屬化平 面M2是與設置於半導體主體中之MOS場效應切換電晶體 2之源極或汲極連接，其汲極或源極連接至金屬化平面M0 516229 五、發明説明（2 ) 中之位元線。閘極導電GL與字元線WL連接，其中它以較 佳的方式藉由所謂的stitch接觸3至金屬化平面Ml而實 現。此等金屬化平面M0至M3因此依次配置在閘極導體 GC之上，因此由半導體主體，閘極導體與金屬化平面形成 一歹I」Gc、MO、Ml、M2 與 M3。 在如此構成之MRAM記憶體胞中，金屬化平面Ml用於 降低字元線WL之電阻，其經由各Stitch接觸3各連接至 金屬化平面中的導軌。此切換電晶體2之閘極導體GC以較 佳的方式由摻雜多晶矽所構成，並且一直延伸至Stitch接 觸3。 爲了說明此在第4圖中所顯示傳統式記憶胞，而在金屬 化平面M2與M3的導軌中須要大約1至2毫安（mA)數量級 的電流。當此電流在磁阻性電阻1中產生相同指向的磁 場，因此藉由此磁場而在軟磁性層中的極化方向，其可以 平行或反平行於在硬磁性層中的極化方向。在反平行的極 化中存在高的電阻値，而在平行的極化中導致較低的電阻 値。在此種寫入過程中此在磁阻性電阻上的電壓應該大約 不超過0.5伏特（V)，因爲否則絕緣層以及具有此磁阻性電 阻之記憶胞會被損毀。

爲了將此記憶胞讀出而在金屬化平面M3的導軌上施加大 約0.5 V的電壓，並且然後在此導電切換電晶體2上測量此 經由磁阻性電阻1流過之電流，其（取決於電阻値以及因此 在軟磁性層與在硬磁性層中的磁化方向）可以具有高或低的 値。此測量結果被保持在金屬化平面M0中的位元線BL -4- 516229 五、發明説明（3 ) 中。 此在第4圖中所說明之傳統式MRAM記憶胞總共須要四 個金屬化平面用於位元線BL(MO)，字元線與字元線-連接 (Ml)，以及兩個導軌其本身相交並且介於其間在其相交位 置上設有磁阻性電阻器1(M2與M3)。 本發明的目的是設立一種MRAM記憶胞，其以較少的金 屬化平面也可達成相同的目的，並且因此在基本上較現有 的MRAM記憶胞更容易結構化。 此目的是在一開始所提到特性之MRAM記憶胞中根據本 發明以此方法達成，即，此最上之金屬化平面是第二金屬 化平面，並且此磁阻性電阻在第一與第二金屬化平面的導 軌之間延伸，因此第一金屬化平面之導軌與字元線之連接-接觸以及磁阻性電阻連接，並且因此能夠實現用於磁阻性 電阻之字元線-連接與寫入線路之雙重功能。 此根據本發明之MRAM記憶胞是首先依據此理解，即， 截至目前爲止（參考第4圖），此金屬化平面M2本身只有當 寫入時然而沒有在讀取時使用磁阻性電阻1或其記憶胞。 現在爲了將此在寫入時然而在讀取時不須要的金屬化平面 M2省略，而在根據本發明之MRAM記憶胞中要求此磁阻 性電阻1介於此作爲上部金屬化平面之第二金屬化平面與 第一金屬化平面之間。然而因爲在第一金屬化平面之導軌 中，電壓應只達到大約0.5伏，因此避免了記憶胞之損 毀，而必須當驅動此選擇式電晶體時設有位準閘（level gate)(電壓增強電路：boost circuit)。此位準閘是以較佳的 516229 五、發明説明（4 ) 方式配置於各連接（Stitch)-區域中。經由它此閘極導體以及 字元線與第一金屬化平面之導軌連接。 因此，此根據本發明之MRAM記憶胞不須要四個金屬化 平面，而只須要三個金屬化平面，這代表基本上的簡化。 此簡化遠超過用於位準閘所須的費用。 基本上在此根據本發明之MRAM記憶胞是因此，此在第 一金屬化平面中延伸之導軌（其用於連接字元線），同時還被 使用於磁阻性電阻作爲寫入線路。此位準閘（其設於連接區 域中）確保，在磁阻性電阻上不會達到超過0.5V之臨界電 壓，然而其中因此此等切換電晶體可以沒有困難地被接通 導電。 以下本發明根據圖式作進一步說明。 圖式之簡單說明 第1圖爲根據本發明之MRAM記憶胞之第一實施例之槪 要圖式說明。 第2圖爲多個根據本發明MRAM記憶胞與其金屬化平面 之配置之俯視圖。 第3圖爲根據本發明之MRAM記憶胞中第一金屬化平面 之槪要側視圖。 第4圖爲現有之MRAM記憶胞之槪要圖式說明。 第4圖在一開始已經說明過。. 在圖式中對於彼此相對應的元件各使用相同的參考號 碼。 第1圖顯示介於上部金屬化平面M2之導軌與中間金屬化 平面Ml之導軌之間的磁阻性電阻1(TMR-元件），其經由連 516229 五、發明説明（5 ) 接·接觸3以及位準閘B而與切換電晶體2之閘極導體GC 連接，其源極-汲極-區段位於金屬化平面M2之導軌，與在 下部金屬化平面M0中形成字元線BL之導軌之間。此位準 閘B是一般的結構並且代表增強（BO〇ST)_電路。此閘極導 體GC是如同在傳統式中MRAM記憶胞中以較佳的方式由 摻雜多晶矽製成，此閘極導體GC形成字元線WL ’其經由 連接-接觸3而與金屬化平面Ml之導軌連接。 第2圖在槪要俯視圖中顯示，如同在金屬化平面M0、

Ml、M2中的導軌與閘極導軌GC，可以彼此導通。因此基 本上此金屬化平面Ml與M2之導軌（在其交點位置上形成 磁阻性電阻1或TMR-元件），彼此垂直延伸。此金屬化平 面M0之導軌（其形成位元線BL)在其進行中較佳垂直於金 屬化平面Ml之導軌與閘極導體GC(其代表字元線）而配 置。 第3圖於側視圖中槪要圖式說金屬化平面Ml之導軌，由 此平面從連接-接觸3垂直向下進行，並且經由位準閘（其 位於連接接觸3之區域中）而與各切換電晶體2之閘極導體 GC連接。 爲了寫入資料而在金屬化平面Ml的導軌與金屬化平面 M2的導軌之間施加大約1至2毫安（mA)之電流。此因此而 施加的電壓應該不會超過0.5V，因爲否則磁阻性電阻1或 此TMR元件會損毀。如同在第4圖之傳統之MRAM記憶 胞中藉由此寫入過程而將磁阻性電阻1之電阻値確定。 在讀取過程中，在金屬化平面M2之導軌上施加大約0.5 伏的電壓。此磁阻性電阻器1的電阻値然後在金屬化平面 516229 五、發明説明（6 )

Ml的導軌上測定。因此經由磁阻性電阻器1的電壓降應該 不會超過0.5伏（V)，爲了驅動此切換電晶體2必須進行電 壓放大，此藉由位準閘B實施，其被置入於切換電晶體2 之閘極導體GC與連接-接觸3之間的區域中。此位準閘B 因此確保在磁阻性電阻器1上不會達到臨界電壓，然而此 切換電晶體2可以接·通而導電。 符號之說明 1.. ...磁阻性電阻器 2.. ...切換電晶體 3.. ...接觸 B L.…位元線 WL....字元線 GC....閘極導體 MO、Ml、M2、M3··.·金屬化平面 B.....位準閘

Claims (1)

1. 516229 六、申請專利範圍 1 ·一種MRAM(磁阻性隨機存取記憶體）記憶胞，其由磁阻性 電阻器（1 )與切換電晶體（2 )所構成，其中此磁阻性電阻 器（1 )是位於兩個本身在基本上垂直相交的導軌之間，由 此一導軌在最上之金屬化平面（M2)中延伸，並且其中此 切換電晶體以源極或汲極，閘極以及汲極或源極藉由導 軌，在第0，第1與第2金屬化平面（MO，Ml，M2)中接 觸，其中源極或汲極連接至記憶胞陣列之在第零金屬化 平面（M0 )中延伸的位元線（BL )，並且閘極經由字元線 (WL)以及連接-接觸（3 )而連接至記憶胞陣列之第一金 屬化平面（Ml)之導軌，其特徵爲， 此最上之金屬化平面是第二金屬化平面（M2)，並且此 磁阻性電阻器（1 )本身在第一與第二金屬化平面（Μ卜M2 ) 的導軌之間延伸，因此第一金屬化平面（Ml)之導軌與字 元線（WL)之連接-接觸（3)以及與磁阻性電阻器連接，並 且因此可以實現用於磁阻性電阻器（1 )之字元線-連接 與寫入線路。 2 .如申請專利範圍第1項之MRAM記憶胞，其中此在第一金 屬化平面（Μ1 )中延伸之導軌經由連接-接觸（3 )與切換 電晶體（2)之閘極導體（GC)連接。 3 .如申請專利範圍第2項之MRAM記憶胞，其中對於每一個 閘極導體（GC )，在連接-接觸（3 )的區域中設有位準閘 (B)。 4 .如申請專利範圍第3項之MRAM記憶胞，其中此位準閘（B) 是設置介於閘極導體（GC)與連接-接觸（3)之間。