TWI398643B - 磁性穿隧接面電流感測器之實施方法 - Google Patents

Description

磁性穿隧接面電流感測器之實施方法

本發明一般相關於電子裝置。尤其地，本發明相關於一種包括有感測能力的積體電路裝置，尤其相關於實施磁性穿隧接面(MTJ)的電流感測器。

與使用電荷以儲存資料的其他隨機存取記憶體(RAM)科技相比，磁性隨機存取記憶體(MRAM)係使用磁性偏振以儲存資料的非揮發性記憶體科技。MRAM的一主要有利點在於，在無施加系統功率之下仍保持儲存的資料，因此是非揮發性記憶體。通常，MRAM包括一半導體基板上形成的大量磁性單元，其中各單元代表一資料位元。藉由改變該單元內的磁性自由層的磁化方向而將資訊寫入一單元，及藉由測量該單元的電阻而讀取一位元(低電阻通常代表一"0"位元，及高電阻通常代表一"1"位元)。

一MRAM裝置通常包括一單元陣列，其使用數個導電位元線、導電數位線及/或區域互連線等以互連。使用數個習用半導體製程科技以製造數個實用MRAM裝置。例如，由不同金屬層形成該等位元線及數位線，其由一或多個絕緣層及/或額外金屬層加以分開。傳統製程容許在一專用基板上輕易製造不同種類的MRAM裝置。

智慧功率積體電路係能以一控制及智慧方式產生及提供操作功率的單晶片裝置。智慧功率積體電路通常包括一功率電路零件、一類比控制零件及一數位邏輯零件。智慧功率積體電路亦可包括一或多個感測器，其可用以測量或偵測物理參數，如位置、運動、作用力、加速、溫度、壓力等。此類感測器例如可用以控制該輸出功率以回應變動的操作條件。例如，在行動電話中，可設計智慧功率產品以調節功率消耗、放大音頻信號及供應功率到彩色螢幕。在噴墨印表機中，智慧功率產品可協助驅動馬達及發射噴嘴以用於墨水傳遞。在汽車中，智慧功率產品可協助控制引擎及煞車系統、安全氣囊展開及座位定位。

用於實施智慧功率及磁性隨機存取記憶體(MRAM)設計的積體電路(IC)，電流感測係功率IC設計用以保護該電路、裝置或系統的一重大要素。

用以測量上述該等參數的現有感測器遭受此藝中熟知的各種限制。此類限制的數個範例包括：過大尺寸及過重、不適當敏感度及/或動態範圍、成本、可靠度及其他因素。因此，持續需要改良式感測器，尤其是可與半導體裝置及積體電路輕易整合的感測器及其製造方法。

許多現代應用的小型化期望縮小電子裝置的實體尺寸，將多個零件或裝置整合到單一晶片中，及/或提高電路布局效率。理想地，應以有成本效益的方式製造此類感測器，以減低該等感測器消耗的額外布局面積及空間。期望具有一半導體式裝置，其包括一MRAM架構，其與包括一基板上的數個感測零件的一智慧功率架構整合，尤其地，其中使用相同製程科技以製造該MRAM架構及該智慧功率架構，以便該感測器與半導體裝置及數個積體電路結構及數個製造方法相容。

因此，期望提供一種改良式感測器及方法，其可調適成測量各種物理參數。尚期望該改良式感測器及方法將測量的物理參數轉換成一電子信號。期望提供數個感測器，其展現改良的測量效能，及其可整合在一立體架構中。配合附圖及上述技術領域及先前技藝說明，後續詳細說明及後附申請專利範圍將使本發明的其他期望特徵及特性明朗化。

以下詳細說明僅為說明性質，並非意欲用以限制本發明或本發明的應用及用途。此外，未意欲由上述技術領域、先前技術、發明內容或以下的詳細說明中出現的任何明示或暗示理論來約束。

為求簡明，本文中不再說明與MRAM設計、MRAM操作、半導體裝置製造及該等積體電路裝置其他方面相關的傳統技術及特徵。此外，本文中包含的各種圖所示的該等電路/零件布局及配置意欲代表本發明的數個示範實施例。應注意，在一實用實施例中可存在許多替代或額外的電路/零件布局。

以下說明可參照至"連接"或"耦合"一起的數個元件或特徵。除非另外說明，否則本文中使用"連接"以表示一元件/特徵直接接合到(或直接連通)另一元件/特徵，及不必然是機械地。同樣地，除非另外說明，否則"耦合"表示一元件/特徴直接或間接接合到(或直接或間接連通)另一元件/特徴，及不必然是機械地。

為求簡化及清楚說明，該等附圖說明構造的一般方式，及省略熟知特徴及技術的說明及細節，以避免不必要地模糊本發明。此外，該等附圖中的元件不必然按比例繪製。例如，該等圖中的一些元件或區域的尺寸會比其他元件或區域誇大，以協助了解本發明的數個實施例。

該說明及該等申請專利範圍中的"第一"、"第二"、"第三"、"第四"等詞，若有的話，可用以區分數個類似元件，及不必然用以說明一特殊順序或時間先後。應了解，如此使用的該等詞在適當環境下可互換，以便本文中所述本發明的該等實施例例如能以本文中所示或所述者以外的順序操作。此外，"包括"、"包括有"、"具有"，及其任何變化意欲涵蓋非排他性包括，以便包括有一元件表的一製程、方法、物品或裝置不必然侷限於該等元件，欲可包括未明列的其他元件，或此類製程、方法、物品或裝置固有的元件。

該說明及該等申請專利範圍中"左"、"右"、"入"、"出"、"前"、"後"、"上"、"下"、"頂"、"底"、"之上"、"之下"、"以上"、"以下"等詞，若有的話，係用於說明目的，及不必要用以說明永久相對位置。應了解，如此使用的該等詞在適當環境下可互換，以便本文中所述本發明的數個實施例例如能在本文中所示或所述者以外的其他定向操作。本文中使用的"耦合"一詞定義為以電或非電方式而直接或間接連接。

可使用一合適半導體製程在一基板上形成一實用MRAM架構。實際上，可使用一傳統MRAM製程以形成本文中所述數個MRAM結構。一實用MRAM裝置通常將包括數百萬個單元。通常，一MRAM架構包括由一金屬層形成的至少一數位線、由另一金屬層形成的至少一位元線及形成在該二金屬層之間的一磁性穿隧接面("MTJ")核心。該MTJ核心包括數個單元，其形成用於該MRAM架構的一記憶體位置陣列。

圖1以示意立體圖說明根據一示範實施例配置的一MRAM單元200。一MRAM架構中的各單元可配置如圖1所示。MRAM單元200通常包括一上鐵磁或合成反鐵磁("SAF")層202，或一下鐵磁或SAF層204，及位於該二鐵磁層之間的一穿隧障壁層206。在此範例中，該上鐵磁或SAF層202構成該自由磁層，原因是可切換其磁化方向以改變單元200的位元狀態。然而，下鐵磁或SAF層204係該固定磁層，原因是其磁化方向固定在一方向，及在正常操作條件期間不改變偏振方向。當上鐵磁或SAF層202中的磁化平行於下鐵磁層204中的磁化時，橫越單元200的電阻在其低電阻狀態中。當上鐵磁層202中的磁化逆平行於下鐵磁層204中的磁化時，橫越單元200的電阻在其高電阻狀態。藉由測量一已知單元200的電阻以讀取單元200中的資料("0"或"1")。熟諳此藝者習知自MRAM單元200讀取資料及寫入資料到單元200的技術，因此本文中將不再贅述。

圖1亦說明一位元線208及一數位線210(本文中個別地及統稱為"程式線")，其對應到單元200。自由磁層202中的磁化定向旋轉，以回應來自該等數位線及位元線的施加電流脈波以用於數個切換應用，及當同時施加數位線及位元線脈波兩者時完全逆轉180度，以用於單一磁性自由層(或傳統)應用。在一典型非切換MRAM中，當數位線210中的電流保持一不變極性的同時，藉由位元線208中的電流極性反向而切換該位元的定向。在一實用展開中，位元線208可連接到任何數目的類似MRAM單元(如一行單元)，以提供一共用寫入電流到各該等連接的單元。同樣地，數位線210可與任何數目的類似MRAM單元(如一列單元)相關聯，以提供一共用數位電流到各該等單元。

在圖1所示較佳實施例中，可提供數個磁性包覆或遮蔽層214、218以提高效率、穩定性，及減少毗鄰該MRAM單元的電流路由導致的信號雜訊/干擾。在此範例中，數位線210包括一導電數位元件212及由一軟磁性材料形成的一可滲透包覆材料214。在此範例中，包覆層214部分地圍住導電元件212。尤其地，形成包覆層214以圍繞導電元件212的三邊，以便留下導電元件212的朝上表面未包覆。在圖1所示較佳實施例中，位元線208包括一導電位元元件216及由一可滲透磁性材料形成的包覆層218。在此範例中，包覆層218部分地圍住導電元件216。尤其地，形成包覆層218以圍繞導電元件216的三邊，以便留下導電元件216的朝下表面未包覆。可利用包覆層214/218以集中該磁性通量朝向該MTJ，以提高程式化的效率。該包覆層具有減少鄰近位元的寫入擾亂的額外好處。在數個實用實施例中，該磁性包覆層係用於該MRAM製程中該銅程式線製造中使用的該等障壁層一體成型的一部分。

在數個實用實施例中，由銅等導電材料形成導電元件212及導電元件216，及由鎳鐵合金(NiFe)、鎳銅鈷合金、鈷鐵合金等可滲透軟磁性材料形成包覆層214/218。在一示範實施例中，包覆層214/218大約具有200埃的厚度(包覆層214/218的該等側壁可稍為較厚)。雖然該等導電元件及包覆層由不同材料實現，但可考慮在一共用金屬層(如第四種金屬層)製造導電元件212及包覆層214，及考慮在另一共用金屬層(如第五種金屬層)製造導電元件216及包覆層218。

本文中可使用"第一金屬層"及"第二金屬層"以區分任二不同種類的金屬層，及"第一金屬層"與"第二金屬層"不需是分別指明該第一種金屬層及第二種金屬層。換言之，不管是任一任意層編號體系，一"第一金屬層"表示所述一積體電路裝置內的任一金屬層，及不管是任一任意層編號體系，一"第二金屬層"表示所述積體電路裝置內的任一其他層。

可使用一組合式互補金氧半(CMOS)製程以製造智慧功率積體電路，該製程整合精確類比、數個功率裝置，及邏輯或該等區塊的一子集。智慧功率積體電路可減少各種零件，及將所有該等功能組合成一單一成本效益IC，其包括電壓調整、功率金氧半薄膜電晶體(MOSFET)、輸入信號調節、瞬間保護、系統診斷及控制等功能。使用智慧功率積體電路的IC包含各種功能，如功率IC、通訊、功率管理、保全及感測器及許多其他特定功能。智慧功率積體電路以一組富含混合信號基礎區塊為其特徴，該組基礎區塊包括A/D及D/A轉換器、軌至軌運算放大器、比較器、電荷泵及閘極驅動、電壓調整器、精確參考、數位邏輯及非揮發性記憶體。具有感應能量鉗、獨立熱管理、短路保護，及診斷負載感測的功率MOSFET裝置可用於驅動負載。

圖2以示意圖說明一簡化智慧功率積體電路架構250，作為一範例，使用一合適半導體製程在一具有一n型磊晶(n－epi)層254的基板252上形成該架構。可在具有及/或不具有磊晶層的各種類型基板上形成智慧功率積體電路，該等磊晶層利用n型或p型。實際上，可使用任一合適積體電路製程以形成智慧功率積體電路架構250及本文中所述其他結構。雖然說明智慧功率積體電路架構250具有功率MOSFET256、CMOS(n型MOSFET 258及p型MOSFET 260)及數個雙極裝置262，但一實用智慧功率積體電路通常將包括各種主動及被動零件，如二極體、電阻器、電容器、電感器、熔絲、反熔絲及記憶體裝置。通常，智慧功率積體電路架構250包括至少一金屬層，及加入數個額外金屬層以增加該電路密度及加強電路效能。使用植入及擴散等習用半導體處理以形成各種n型及p型井。可使用合適的氧化及/或渠溝製程以實現數個隔離零件264。

本發明的一實施例相關於一積體電路裝置，其在一共用基板上形成及具有一MRAM架構，其與一智慧功率架構結合，其中藉由同一製程同時地形成該MRAM架構的至少一部分及該智慧功率架構的至少一部分。如本文中使用的一智慧功率架構包括一功率電路零件，其配置成管理電力，及至少一額外零件，其配置成控制、調整、監控、影響或回應該功率電路的操作。實際上，該功率電路零件可包括數個功率電晶體，及該至少一額外零件可包括(但不限於)：一感測器(如環境條件感測器、電磁感測器、電動機械感測器、電屬性感測器、換能器等)；一功率控制零件；一類比零件；一數位邏輯零件；或其任何組合。使用智慧功率積體電路，使用者可減少數個實際應用的類比部分及數位邏輯的大小以達成密集電路結構。此能使設計者經濟地在一晶片中裝入較多特徴及性能，其結果是晶片面積減小、成本降低及效能提高。此整合協助汽車系統、工業控制及消費性電子設備的設計者簡化系統設計、減低系統成本及提高可靠度。

圖3以示意圖說明根據一示範實施例配置的積體電路裝置300。積體電路裝置300通常包括一基板302，其上形成數個功能零件。基板302可為任一合適半導體材料，如一矽基材料。為易於說明，該等功能零件示意說明為圖3中的數個區塊。在此範例中，此等功能零件包括一功率電路零件304、一數位邏輯零件306、一感測器架構308、一MRAM架構310及一類比功率控制零件312。雖然圖3中未顯示，但積體電路裝置300可視需要包括數個額外零件以滿足該特殊應用的需要。實際上，此等功能零件有些可耦合起來以致能合作操作。例如，功率電路零件304、數位邏輯零件306、感測器架構308及類比功率控制零件312可合作以形成一用於積體電路裝置300的智慧功率架構。在此點上，在本文中亦稱此等零件(個別地或以其任何組合)為"智慧功率零件"。然而，MRAM架構310不需耦合到該等其他零件，且MRAM架構310可配置成作為積體電路裝置300的一獨立子系統。當自傳統上僅與一MRAM的MTJ核心共同利用的數個層致能數個感測器的製造時，依此將MRAM架構310嵌入一智慧功率積體電路造成一實體空間有效率利用。

在本發明的一實用實施例中，功率電路零件304包括一或多個功率MOSFET裝置，其配置成以高電壓及高電流操作。數個替代實施例可利用不同功率裝置及技術以用於功率電路零件304。可利用數個CMOS電晶體或任一合適數位邏輯配置以實現數位邏輯零件306。數位邏輯零件306配置成實施該等數位操作，其支援積體電路裝置300的智慧功率架構。類比功率控制零件312包括數個類比電路零件，其配置成支援積體電路裝置300的智慧功率架構。類比功率控制零件312例如可包括數個電阻器、電容器、電感器、MOSFET、雙極裝置及/或其他類比電路元件。

感測器架構308通常配置成感測用於積體電路裝置300的一或多個物理、電氣、磁性、環境或其他條件。在此範例中，積體電路裝置300使用由感測器架構308偵測的數量、特性、參數或現象，以調整、控制、管理或監控由功率電路零件304產生的輸出功率。在此點上，感測器架構308可利用一或多個感測器或感測零件，包括(但不限於)：一環境條件感測器，如溫度感測器，濕度感測器、光感測器、輻射感測器等；一電磁感測器；一電動機械感測器，如換能器；一機械感測器，如振動感測器、加速度計、壓力/張力感測器等；一磁場感測器；或一電屬性感測器，如電壓感測器、電流感測器、阻抗或電阻感測器、溫度感測器、電容感測器、電感感測器等。

MRAM架構310通常可如上述與圖1及2相關的配置。實際上，積體電路裝置300可利用數個傳統MRAM設計及技術以用於MRAM架構310，及此類傳統特徴將不在本文中詳述。通常，MRAM架構310包括一MRAM電路零件314及一耦合到MRAM電路零件3l4的MRAM單元陣列316(參閱圖4，其以示意剖面圖說明積體電路裝置300)。MRAM電路零件314可包括任何數目的元件或特徴，其支援MRAM架構310的操作，該等元件或特徴包括(但不限於)：數個切換電晶體；輸入/輸出電路結構；一解碼器；數個比較器；數個感測放大器等。

圖4以簡圖一般性的說明積體電路裝置300的該功能零件的拓樸配置。在此點上，圖4說明MRAM架構310在基板302上形成，及智慧功率架構(在此範例中包括功率電路零件304、數位邏輯零件316、感測器架構308及類比功率控制零件312)在基板302上形成。圖4亦說明MRAM單元陣列316在MRAM電路零件314上方形成。

在本發明的一示範實施例中，使用一組合式製程科技以製造積體電路裝置300，該組合式製程科技具有一前端製程及一後端製程。在此場合中，先執行該前端製程，及在開始該後端製程前完成該前端製程。如本文中使用的該前端製程與使用"數個前端層"以形成數個元件或特徴相關聯，該等前端層可為一半導體基板302內的數個N型及/或P型摻雜區域、數個介電層或其他層，而該後端製程與使用"數個後端層"以形成數個元件或特徴相關聯，該等後端層可為數個金屬層或導電層、數個介電層、數個MTJ核心層或其他層。因此，該等前端層位於基板302中或該基板上，及該等後端層位於該等前端層上方。實際上，該等前端及後端製程可利用習知的遮罩、離子反應蝕刻、物理濺鍍、波形花紋圖案化、物理氣體沉積、電鍍、化學氣體及/或電漿增強化學氣體沉積技術。例如，可使用可利用CMOS，雙極或其他合適製程的一製程科技以製造如本文所述的一積體電路。

圖4以簡圖說明根據一示範實施例配置的積體電路裝置300的數個零件及元件。除了圖4所示者以外，積體電路裝置300的一實用實施例可包括數個額外層(如數個金屬層、數個介電層及/或一接地平面)。在此範例中，藉由該前端製程由數個前端層合適地形成功率電路零件304、類比功率控制零件312、數位邏輯零件306及MRAM電路零件314。可藉由該前端製程同時地形成有些或所有此等前端零件。對照下，藉由該後端製程由數個後端層合適地形成感測器架構308(其可包括一或多個感測器)及MRAM單元陣列316。可藉由該後端製程同時地形成有些或所有此等後端零件。實際上，該等前端及後端製程係用以產生MRAM架構310的MRAM製程中的數個模組。因此，積體電路裝置300的製造利用現有的MRAM製程以用於該智慧功率架構目的。依此，可由該選定MRAM製程以同時地形成該智慧功率架構的至少一部分及MRAM架構310的至少一部分。

圖5以示意剖面圖說明根據一示範實施例配置的積體電路裝置500。積體電路300可利用圖5所示的一般結構。積體電路裝置500代表一範例MRAM，其嵌入以本文中所述方式製造的智慧功率積體電路。積體電路裝置500通常包括一基板502、基板502中或基板502上形成的數個前端層503’及數個前端層503上方形成的數個第一後端層504及數個第二後端層506。圖5中的一虛線508代表該第一後端製程與該第二後端製程之間的一虛分割線。

在本發明的一實用實施例中，積體電路裝置500的數個第一後端層504可包括一第一種金屬層510、一第二種金屬層512、一第三種金屬層514、數個插入介電層(圖5中未分開顯示)、在數個層之間定路由的數個導電通道516等，而積體電路裝置500的數個第二後端層506可包括一第四種金屬層518、一第五種金屬層520、一MTJ核心"層"522，數個插入介電層(圖5中未分開顯示)、在數個層之間定路由的數個導電通道524等。如上述，可由超過一層材料以實現一MTJ核心。然而，為求簡化，圖5描繪該MTJ核心為一單一"層"522。在本發明的其他實施例中，積體電路裝置500可包括較多或較少前端層及/或較多或較少後端層。

在該示範實施例中，使用由第一種金屬層510、第二種金屬層512及/或第三種金屬層514產生的數個元件，以形成功率電路零件304、類比功率控制零件312、數位邏輯零件306及MRAM電路零件314，而使用由第四種金屬層518、第五種金屬層520及/或MTJ層522產生的數個元件，以形成感測器架構308及MRAM單元陣列316。MRAM單元陣列316包括在第五種金屬層520上形成的複數條位元線、在第四種金屬層518上形成的複數條數位線，及在第四種金屬層518與第五種金屬層520之間形成的一MTJ單元陣列(MTJ核心層522形成該等MTJ單元)。在此範例中，感測器架構308包括一感測零件，其亦由MTJ核心層522形成。實際上，此感測零件係以產生MRAM單元陣列316所使用的相同後端製程來產生。感測器架構308亦可包括一額外感測零件(未顯示)，其由第四種金屬層518及/或由第五種金屬層520形成。此類額外感測零件可代表數條導電跡線、控制電路結構、偏壓電路結構等。

感測器架構308中的一感測器合適地配置成(視需要連同合作電路結構或數個特徴)適合該特殊應用的需求。由MTJ核心層522製造出的該感測器設計成，便於數個特定操作條件中的變化引起該感測器的電氣、磁性、電磁、電動機械及/或其他特性中的一相關變化。在以下參照至圖6至11說明的一範例中，一MTJ式裝置可配置成，藉由其對流經一附近導電所產生的磁場的反應而感測該電流。

MTJ電流感測器實施

與用以感測電流的傳統實施相比，以下將說明使用一磁性穿隧接面(MTJ)作為一電流感測器的技術。

一MTJ包括一自由磁層及一固定磁層。在該固定磁層中，該磁化定向或"磁化向量"通常保持不變或固定在一方向中，反而在該自由磁層中的磁化定向可在大小及方向兩者中變動，例如，從0°到180°。該自由磁層與該固定磁層之間一相互角依該自由磁層內相關於該固定磁層的磁化定向而定。當該自由磁層與該固定磁層之間的相互角旋轉時，該旋轉可用以感測該MTJ的磁性穿隧電阻(TMR)中的數個變化。

在一實施中，該MTJ可在一平行狀態中操作，當該自由層與該固定層的磁化或磁向量朝向同一方向，及該自由層與該固定層之間的相互角為0°時，發生該平行狀態，或在逆平行狀態中操作，當該自由層與該固定層的磁化或磁向量朝向不同方向，及該自由層與該固定層之間的相互角為180°時，發生該逆平行狀態。在該平行狀態中，該MTJ核心的TMR展現一較低電阻。在該逆平行狀態中，該MTJ核心的TMR展現一較高電阻。

該位元線及該數位線兩者可傳導電流。在該位元線及/或該數位線內流動的該等電流引起或產生對應的磁場。藉由磁場變化時造成該自由層的磁化向量旋轉，藉此變化該自由層相關於該固定層的相互角，由該位元線及/或該數位線產生的該等磁場可改變或變動該自由磁層與該固定磁層之間的相互角。該相互角中的變化可用以感測該MTJ的輸出TMR的變化。

因此，在該位元線及/或該數位線內流動的該等電流中的一變化將影響該MTJ的相互角，其變動該MTJ的輸出TMR。因此，該磁性穿隧接面核心可感測由該位元線及/或該數位線造成的磁場，且將該磁場轉換成該MTJ的一輸出穿隧磁性電阻(TMR)。藉由監控該MTJ核心的輸出TMR，亦可監控電流中的波動。

可利用磁性穿隧接面裝置以感測電路電流，以用於回饋控制、過度電流保護及電路操作停住等各種電路監控目的。由於一MTJ的本質，一MTJ電流感測器可展現高精確度電流監控性能。該MTJ電流感測器與一MRAM單元共用該等相同零件，藉此容許數個MRAM單元的數個零件作為一電流感測器以及非揮發性記憶體(NVM)使用。此外，由於本文中所述MTJ電流感測器可立體地整合，以便可垂直地或橫向地定位在主動電路或"智慧功率"零件之上，該主動電路或"智慧功率"零件通常在一積體電路的基板上製造，因此該等MTJ電流感測器提供絕佳設計彈性。例如，該MTJ電流感測器可設置在該(等)絕緣層內的任何位置，基板上方，主動電路或數個"智慧功率"零件附近。此可容許節省布局面積。此等特性可容許以一成本效益方式處理，及提高該電流感測器的總效能。

圖6以簡圖說明根據一示範實施例配置的積體電路裝置600的數個零件及元件。除了圖6所示者以外，積體電路裝置600的一實用實施例可包括數個額外層(如數個金屬層、數個介電層及/或一接地平面)。

如圖6所示，積體電路裝置600包括一偽MRAM單元602及一主動電路零件604。主動電路零件604可在一基板層601中形成或製造，而偽MRAM單元602可在一或數個絕緣層608中形成，絕緣層608位於基板層601上方且分開偽MRAM單元602與主動電路零件604。重要地，在此實施中，偽MRAM單元602位於主動電路零件604上方，其可容許重大節省布局面積。本文中使用"偽"一詞以表示用於感測應用的MRAM單元，及區分該等MRAM與用於資訊儲存應用的傳統MRAM單元。

在此範例中，主動電路零件604例如可包括一功率電路零件、一類比功率控制零件或一數位邏輯零件，其藉由一前端製程由數個前端層形成。主動電路零件604通常可為任一受益於其輸入/輸出電流監控的積體裝置，包括(但不限於)數個"智慧功率"零件。

對照下，藉由一後端製程由數個後端層形成偽MRAM單元602。實際上，該等前端及後端製程係用以產生一MRAM架構(未顯示)的MRAM製程中的數個子製程。因此，積體電路裝置600的製造利用現有的MRAM製程以用於該智慧功率架構目的。

在此實施例中，由於偽MRAM單元602可用以感測來自主動電路零件604的電流，因此可作為一立體整合的"電流感測器(CS)"。為求簡化，雖然圖6中未顯示，但偽MRAM單元602通常包括一數位線、一位元線及一磁性穿隧接面("MTJ")核心，其位於該數位線與該位元線之間，如圖1中所示。主動電路零件604產生一電路電流(Ickt)，並可電耦合在該數位線與該位元線之間。偽MRAM單元602，尤其是其磁性穿隧接面核心，電磁地耦合到該主動電路零件604。此容許該磁性穿隧接面核心感測該電路電流(Ickt)，及接著基於該電路電流(Ickt)而產生或製造一感測電流(Isense)。

圖7以簡圖說明根據本發明一示範實施例配置的積體電路裝置700的數個零件及元件。在此實施例中，數個磁性穿隧接面(MTJ)電流感測器708可與數個"智慧功率"IC 704、706、712及MRAM電路結構714、716共同實施。除了圖7所示者以外，積體電路裝置700的一實用實施例可包括數個額外層(如數個金屬層、數個介電層及/或一接地平面)。

積體電路裝置700包括：一基板702；一磁性隨機存取記憶體("MRAM")710，其在該基板702上形成；一感測器架構，其在該基板702上形成，包括數個偽MRAM單元708，其可作為數個電流感測器(CS)；及數個主動電路零件704、706、712，其在該基板內形成。MRAM架構710可包括一MRAM邏輯電路結構714及一MRAM單元陣列716。

如上述，MRAM單元陣列716包括複數個MRAM單元。該複數個MRAM單元各可包括數個零件，為求簡化，圖7中未顯示該等零件。例如，如以上相關於圖1所述，各MRAM單元可包括：一數位線，其由該第一金屬層形成；一位元線，由該第二金屬層形成；及一磁性穿隧接面("MTJ")核心，其在該第一金屬層與該第二金屬層之間形成。

在此說明中，使用"特殊"一詞以區分該等偽MRAM單元的數個零件與該等一般MRAM單元的數個對應零件。該等偽MRAM單元708或電流感測器(CS)各可包括與該等MRAM單元相同的零件，且與該等MRAM單元同時製造。再次，為求簡化，圖7中未顯示該等偽MRAM單元的此等零件，然而，各特殊偽MRAM單元可包括：一特殊數位線，其由一第一金屬層形成；一特殊位元線，其由一第二金屬層形成；及一特殊磁性穿隧接面("MTJ")核心，其設置在該第一金屬層與該第二金屬層之間。

該等主動電路零件有時稱為"智慧功率"零件，及例如可包括一功率電路零件704、一類比功率控制零件712及一數位邏輯零件706。該等主動電路零件各可在基板702內形成，及各特殊磁性穿隧接面核心或電流感測器(CS)708例如可在一對應主動電路零件704、706、712上方或之上形成，以保留布局面積。或者，例如可形成各特殊主動電路零件核心或電流感測器(CS)708以毗鄰一對應主動電路零件704、706、712。

在圖7所示的示範實施例中，藉由該前端製程由數個前端層合適地形成功率電路零件704、類比功率控制零件712、數位邏輯零件706及MRAM電路零件714。可由該前端製程同時地形成一些或所有此等前端零件。

對照下，藉由該後端製程由數個後端層形成感測架構708(其可包括一或多個感測器)及MRAM單元陣列716。如上述，數個"後端"層係在數個"前端"層之後形成的數層。可藉由該後端製程同時地形成一些或所有此等後端零件。實際上，該等前端及後端製程係用以產生MRAM架構的MRAM製程的數個子製程。因此，積體電路裝置700的製造利用現有的MRAM製程以用於該智慧功率架構目的。依此，可藉由該選定MRAM製程同時地形成該智慧功率架構的至少一部分及MRAM架構的至少一部分。

圖8係一區塊電路圖，其說明一MTJ核心電流感測器802的一實施，用以感測一相關聯主動電路(或"智慧功率")零件804中的數個電流變化。

如圖8所示，主動電路零件804可電耦合在該等特殊數位線210之一與該等特殊位元線208之一之間。主動電路零件804、特殊位元線208及特殊數位線210形成一電路，其攜帶由主動電路零件804產生的一電路電流(Ickt)。與主動電路零件804相關聯的磁性穿隧接面核心電流感測器802電磁地耦合到該主動電路零件。磁性穿隧接面核心電流感測器802對該電路電流(Ickt)中的數個變化作出反應。尤其地，一磁性穿隧接面核心802的TMR依主動電路零件804產生的電路電流((Ickt)的函數而變化。因此，磁性穿隧接面核心電流感測器802可感測該電路電流((Ickt)，及產生一感測電流(Isense)以回應該電路電流(Ickt)。

如以上相關於圖1所述，一MRAM單元的MTJ核心通常包括：一第一電極，其可由一上鐵磁或合成反鐵磁("SAF")層202形成；一第二電極，其可由一下鐵磁或SAF層204形成；及一穿隧障壁層206，其位於該二鐵磁層之間。自由磁層202及固定磁層204由NiFe等磁性材料製成。磁化產生在藉由一磁場存在時結合數個特定材料的處理期間。在固定磁層204中，該磁化定向通常保持不變或固定在一方向中。例如，在圖8中，固定磁層204的磁化定向顯示為向右。對照下，自由磁層202中的磁化定向可在大小及方向兩者中變化，例如，從0°到180°。

自由磁層202與固定磁層204之間的一相互角可定義為，自由層202相關於固定層204的磁化定向，反之亦然。自由磁層202與固定磁層204之間的相互角依自由磁層202內相關於固定磁層204的磁化定向而定。基於此相互角，MTJ核心802可在至少二不同狀態中操作。

當自由層202與固定層204的磁化朝向同一方向及自由層202與固定層204之間的相互角為0°時，發生一狀態，有時稱為一平行狀態。在該平行狀態中，MTJ核心802的TMR展現一較低電阻。對照下，當自由層202與固定層204的磁化朝向相反方向及自由層202與固定層204之間的相互角為180°時，發生另一狀態，有時稱為逆平行狀態。例如當自由層202的磁化向左及固定層204的磁化向右時發生此狀態。在該逆平行狀態中，MTJ核心802的TMR展現一較高電阻。

位元線206及數位線210兩者可傳導電流。在圖8所示的非限定範例中，位元線206自右到左地攜帶電流(反之亦然)，而數位線210進出該頁地攜帶電流。在位元線206及/或數位線210內流動的該等電流引起或產生數個對應磁場。

由位元線206及/或數位線210產生的該等磁場可改變或變動自由磁層202與固定磁層204之間的相互角。因此，在位元線206及/或數位線210內流動的該等電流中任一者的變化將影響MTJ核心802的相互角。如上述，變動MTJ核心802的相互角改變或變動MTJ核心802的輸出TMR。換言之，由MTJ核心802感測的磁場因此可影響MTJ核心802的輸出穿隧磁性電阻(TMR)。磁性穿隧接面核心802因此可用以將位元線206及/或數位線210造成的磁場轉換成一輸出穿隧磁性電阻(TMR)。反過來說，藉由監控MTJ核心802的輸出TMR，亦可監控電流中的波動。

由MTJ核心802經歷的磁場強度依流經位元線206及/或數位線210的電流，以及MTJ核心802與位元線206及/或數位線210之間的距離而定。在該製程期間可控制MTJ核心802與位元線206及/或數位線210之間的距離。藉由修改MTJ核心802與位元線206及/或數位線210之間的距離，可調整該電流感測器的靈敏度以符合設計需求。

此外，可在包覆層218之上提供一或數個額外磁性厚遮蔽層820。該磁性厚遮蔽層放置在該MTJ電流感測器上方以保護該MTJ電流感測器免於外部雜訊，以便該MTJ電流感測器僅感測與待感測電路或裝置相關聯的該等特殊電流。該額外磁性厚遮蔽層820可保護待感測電流信號免於外部來源造成的外部雜訊。此可容許較精確的測量。

以下將相關於圖9至11及參照至圖1來說明，當實施MTJ核心電流感測器202、204、206時，藉由修改或變化MTJ核心電流感測器202、204、206的數個電極202、204的幾何形狀，可進一步提高電流感測器穩定性。例如，如以下在圖9至11中的說明，可變化MTJ核心電流感測器202、204、206的數個電極202、204的長寬比、相對定向、大小及形狀等變數。

圖9根據本發明的一實施例以分解圖900說明MTJ核心電流感測器202、204、206的數個電極202、204，其中該等電極的至少一者是方形的。圖9中顯示數個電極202、204橫向移位，以便可較容易看出其相對形狀及大小。然而，當組裝該等電極以形成MTJ核心電流感測器202、204、206時，該等電極相互重疊，即，電極204位在電極202上方。顯示電極202－1、204－1為大致方形，即具有X及Y尺寸Y_{2 0 2 － 1} ＝X_{2 0 2 － 1} ＝Y_{2 0 4 － 1} ＝X_{2 0 4 － 1} 。為便於解釋，到此為止已使用此表示法以用於大部分零件，但並非必要。因電極202－2為矩形而使電極202－2、204－2不同，即Y_{2 0 2 － 2} >X_{2 0 2 － 2} 及Y_{2 0 4 － 2} ＝X_{2 0 4 － 2} 。再次，此僅意欲說明該等電極的各種可能形狀，及並非徹底或限制。

圖10根據本發明的數個實施例以正視圖1000說明一MTJ的數個電極202、204，其中電極202、204的任一或兩者具有各種示範、非方形的形狀。例如，在310－1中，電極202、204的任一者或兩者為矩形，及因尺寸X相當程度地大於Y而為長形，在310－2中，電極202、204的任一或兩者因X>>Y而為長形且具有三角形末端，及在310－3中，電極202、204的任一或兩者因X>>Y而為長形且具有圓形末端。如圖11中示意說明，當數個電極互相重疊以形成MTJ核心電流感測器202、204、206時，該等電極的較長尺寸可彼此相關地作出各種角度。由於數個薄電極中的正視圖不對稱影響可旋轉該電子旋轉軸的難易度，因此使用數個相當不對稱的電極形狀在某些環境下是有用的。例如，雖然此藝中習知，一磁場存在時藉由熱處理將該等電子旋轉軸固定在該第一電極中，但另一措施是使該電極形狀高度不對稱，如正視圖中的長且窄，原因是極難旋轉該等電子旋轉軸離開此一不對稱形狀的長方向。然而，可使用任一配置用以固定該等旋轉軸。

此外，藉由最適化或變化數個變數亦可進一步提高MTJ核心電流感測器202、204、206的效能，該等變數如MTJ核心電流感測器202、204、206的該等電極202、204相關於待感測電流線的接近、MTJ核心電流感測器202、204、206的該等電極相關於待感測電流線的角度/定向，及MTJ核心電流感測器202、204、206的該等電極相關於待感測電流線的涵蓋範圍，如圖11中詳述如下。

圖11根據本發明的數個實施例以正視圖1100說明一MTJ的該等電極202、204，其中該等電極202、204的至少一者具有相關於另一電極的各種角度配置。為便於說明，顯示第一電極202－4作為一單一連續電極，以各種分段式第二電極204－4－1...204－4－4以不同角度與該第一電極交叉。但此說明未意欲用以限制，及電極202－4可由數個分開區段構成，各區段位於單一個第二電極204－4－1...204－4－4下方。第二電極204－4－1以其長尺寸大致正交(β3)於第一電極202－4的長尺寸而定向。第二電極204－4－2以其長尺寸大致平行(或逆平行)於第一電極202－4的長尺寸而定向。第二電極204－4－3以其長尺寸與電極202－4的長尺寸成角度(β1)，且第二電極204－4－4以其長尺寸與電極202－4的長尺寸成角度(β2)而定向。因此，可使用各式各樣不同相對角度定向以用於該等第一及第二電極202、204。

圖12根據一示範實施例以流程圖說明製造一MTJ核心電流感測器的方法。在步驟1202，提供一基板702，該基板中嵌入數個主動電路零件或裝置704、706、712，如數個智慧功率或類比積體電路。在步驟1206，接著使用數個習用半導體處理技術以沉積一具有磁性包覆層214的數位線(DL)210。例如可藉由使用物理氣體沉積及電鍍以例如沉積數個銅材料而發生此步驟。在步驟1208，接著可使用數個習用半導體處理技術以沉積一導電MTJ電極層201或底MTJ電極201。底MTJ電極201例如可包括鉭金屬。在步驟1210，使用數個習用半導體處理技術以移除該MTJ裝置的多層，留下一核心MTJ結構，其包括一自由層202、一穿隧障壁206及一固定層204。在步驟1212，使用數個傳統微影技術以使該等MTJ電流感測器802定圖案。在步驟1214，使用數個習用半導體處理技術以設置該頂MTJ電極。在步驟1216，在該頂MTJ電極之上設置一中間位準介電層。在步驟1218，接著使用數個習用半導體處理技術以設置一導電位元線(BL)208，其具有數個磁性包覆層或磁性遮蔽層或兩者。在步驟1220，DL 210及/或BL 208可連接到一主動電路零件或裝置804，需要感測該主動電路零件或裝置的電流。

雖然上述詳細說明中已提出至少一示範實施例，但應了解存在大量的變化。亦應了解本文中所述該(或該等)示範實施例並非意欲以任何方式限制本發明的範圍、可應用性或配置。反而，上述詳細說明將提供熟諳此藝者一方便地圖用以實施所述該(或該等)實施例。應了解，不背離本發明如後附申請專利範圍及其合法同等項提出的範疇，可在數個元件的功能及配置中作出各種變動。

200．．．磁阻隨機存取記憶體(MRAM)單元

201．．．導電MTJ電極層

202．．．上鐵磁層

202－1、202－2、202－4、204－1、204－2、204－4－1、204－4－2、204－4－3、204－4－4．．．電極

204．．．下鐵磁層

206．．．穿隧障壁層

208．．．位元線

210．．．數位線

212．．．導電數位元件

214、218．．．包覆層

216．．．導電位元元件

250．．．電路架構

252、502、702．．．基板

254．．．n型磊晶(n－epi)層

256．．．功率金氧半薄膜電晶體(MOSFET)

258．．．n型MOSFET

260．．．p型MOSFET

262．．．雙極裝置

264．．．隔離零件

300、500、600、700．．．電路裝置

302．．．半導體基板

304、704．．．功率電路零件

306．．．數位邏輯零件

308．．．感測器架構

310、710．．．MRAM架構

310－1、310－2、310－3、900、1000、1100．．．正視圖

312．．．類比電路零件

314．．．MRAM電路零件

316、716．．．MRAM單元陣列

503．．．前端層

504、506．．．後端層

508．．．虛線

510．．．第一種金屬層

512．．．第二種金屬層

514．．．第三種金屬層

516、524．．．導電通道

518．．．第四種金屬層

520．．．第五種金屬層

522．．．磁性穿隧接面(MTJ)核心

601．．．基板層

602．．．偽MRAM單元

604．．．主動電路零件

608．．．絕緣層

706．．．邏輯電路零件

708．．．電流感測器

712．．．類比功率控制零件

714．．．MRAM邏輯電路結構

802．．．MTJ核心電流感測器

804．．．電路零件

820．．．磁性遮蔽層

1202、1206、1208、1210、1212、1214、1216、1218、1220．．．步驟

藉由配合以上附圖考量時參照至該詳細說明及申請專利範圍可較完整了解本發明，其中該等附圖全由相同參考數字表示相似元件。

圖1以示意立體圖說明根據一示範實施例配置的MRAM單元；圖2以示意側面圖說明一簡化智慧功率積體電路架構；圖3以示意圖說明根據一示範實施例配置的積體電路裝置；圖4以示意剖面圖說明圖3所示積體電路裝置；圖5以示意剖面圖說明根據一示範實施例配置的積體電路裝置；圖6以簡圖說明根據一示範實施例配置的積體電路裝置的數個零件及元件；圖7以簡圖說明根據一示範實施例配置的積體電路裝置的數個零件及元件；圖8根據一示範實施例以電路圖說明一MTJ核心電流感測器的一實施，用以感測一相關聯主動電路(或"智慧功率")零件中的電流變化；圖9根據本發明的一實施例以分解圖說明一MTJ的該等電極，其中該等電極之至少一者是方形；圖10根據本發明的數個實施例以分解圖說明一MTJ的該等電極，其中任一或兩電極具有各種示範、非方形的形狀；圖11以正視圖說明一MTJ的該等電極，其中該等電極的至少一者具有相關於另一電極的各種角度配置；及圖12根據一示範實施例以流程圖說明製造一MTJ核心電流感測器的方法。

201．．．導電磁性穿隧接面(MTJ)電極層

202．．．上鐵磁層

204．．．下鐵磁層

206．．．穿隧障壁層

208．．．位元線

210．．．數位線

212．．．導電數位元件

214、218．．．包覆層

216．．．導電位元元件

802．．．MTJ核心電流感測器

804．．．主動電路零件

820．．．磁性遮蔽層

I．．．感測感測電流

I_{c k t} ．．．電路電流

Claims (15)

1. 一種製造一積體電路之方法，該方法包括：提供一包含一主動電路零件之基板，其中該主動電路零件產生一第一電流；提供一覆蓋該基板之導電數位線；於鄰近該主動電路零件及該導電數位線處提供一磁性穿隧接面(MTJ)電流感測器，其中該磁性穿隧接面電流感測器包括一磁性穿隧接面核心；於鄰近該磁性穿隧接面電流感測器處提供一導電位元線，俾該磁性穿隧接面電流感測器位於該導電數位線與該導電位元線之間；及電性耦合該主動電路零件於該導電數位線及該導電位元線之間，俾該磁性穿隧接面核心經設計成感測由該主動電路零件產生之該第一電流之改變，及產生一指示該第一電流之改變之第二電流。
2. 如請求項1之方法，其中該磁性穿隧接面核心經定位以電磁地耦合至該主動電路零件、該導電位元線及該導電數位線。
3. 如請求項1之方法，其中該主動電路零件設置於該基板中，及藉由一前端製程由數個前端層形成該主動電路零件，及其中在該前端製程後，藉由一後端製程於該主動電路零件上方由數個後端層形成該磁性穿隧接面核心。
4. 如請求項1之方法，其中於該主動電路零件之上提供該磁性穿隧接面電流感測器尚包括： 沉積一第一導電磁性穿隧接面電極層；於該第一導電磁性穿隧接面電極層上沉積一自由層、一穿隧障壁層及一固定層；及將該自由層、該穿隧障壁層及該固定層定圖案，其中該圖案化自由層、該圖案化穿隧障壁層及該圖案化固定層包括一磁性穿隧接面核心。
5. 如請求項4之方法，該方法尚包括：於該磁性穿隧接面核心上沉積一第二導電磁性穿隧接面電極層；及於該第二導電磁性穿隧接面電極層之上沉積一中間位準介電層。
6. 如請求項5之方法，其中提供一導電位元線之該步驟包括：於該中間位準介電層之上沉積該導電位元線，其中該導電位元線及該磁性穿隧接面核心並未電性連接，且其中該導電數位線及該磁性穿隧接面核心並未電性連接。
7. 一種製造一積體電路之方法，該積體電路包括一磁性穿隧接面電流感測器，該方法包括：提供一基板，該基板中具有嵌入其中之一主動電路零件，其中該主動電路零件產生一第一電流；提供一覆蓋該基板之導電數位線；於該主動電路零件之上提供一磁性穿隧接面電流感測器； 提供一覆蓋該基板之導電位元線；及電性耦合該主動電路零件於該數位線及該位元線之間，其中該磁性穿隧接面電流感測器設置成感測該第一電流之改變，及基於由該磁性穿隧接面電流感測器感測之該第一電流之改變而產生一第二電流。
8. 如請求項7之方法，其中於該主動電路零件之上提供該磁性穿隧接面電流感測器包括：沉積一第一導電磁性穿隧接面電極層；於該第一導電磁性穿隧接面電極層上沉積一自由層、一穿隧障壁層及一固定層；將該自由層、該穿隧障壁層及該固定層定圖案，其中該圖案化自由層、該圖案化穿隧障壁層及該圖案化固定層包括一磁性穿隧接面核心；及於該磁性穿隧接面核心上沉積一第二導電磁性穿隧接面電極層。
9. 如請求項8之方法，該方法尚包括：沉積該數位線；於該第二導電磁性穿隧接面電極層之上沉積一中間位準介電層；及於該中間位準介電層之上沉積該位元線。
10. 如請求項7之方法，其中該磁性穿隧接面電流感測器包括：一偽磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元，其包括：該數位線； 該位元線，及一特殊磁性穿隧接面核心，其中該特殊磁性穿隧接面核心對該第一電流中之數個變化作出反應。
11. 如請求項10之方法，其中於該主動電路零件之上提供該磁性穿隧接面電流感測器包括：於該基板上形成一磁性隨機存取記憶體架構，該磁性隨機存取記憶體架構包括一磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元陣列及該偽磁性隨機存取記憶體單元。
12. 如請求項7之方法，其中該磁性穿隧接面核心電磁地耦合至該主動電路零件，以感測該第一電流之改變，及產生該第二電流以回應該第一電流之改變。
13. 如請求項7之方法，其中於該主動電路零件之上提供該磁性穿隧接面電流感測器包括：提供一偽磁性隨機存取記憶體單元，其包括該數位線、該位元線及一磁性穿隧接面核心，其中該主動電路零件電耦合於該數位線與該位元線之間。
14. 一種製造一積體電路之方法，該積體電路包括一磁性穿隧接面電流感測器，該方法包括：提供一基板，該基板中具有嵌入其中之一主動電路零件及形成其上之一磁性隨機存取記憶體架構，該磁性隨機存取記憶體架構包括一磁性隨機存取記憶體單元陣列，其中該主動電路零件產生一第一電流；形成一覆蓋該主動電路零件之數位線；形成一包括一磁性穿隧接面核心且覆蓋該數位線之偽 磁性隨機存取記憶體單元，其中該磁性穿隧接面核心係電磁地耦合至該主動電路零件；於該磁性穿隧接面核心上方形成一位元線，其中該磁性穿隧接面核心位於該數位線與該位元線之間；及電性耦合該主動電路零件於該數位線及該位元線之間，且其中該磁性穿隧接面核心係電磁地耦合至該數位線與該位元線，俾該磁性穿隧接面核心得感測該第一電流之改變，及基於由該磁性穿隧接面電流感測器感測之該第一電流之改變而產生一第二電流。
15. 如請求項14之方法，其中於該主動電路零件之上提供該磁性穿隧接面電流感測器包括：沉積一第一導電磁性穿隧接面電極層；於該第一導電磁性穿隧接面電極層上沉積一自由層、一穿隧障壁層及一固定層；將該自由層、該穿隧障壁層及該固定層定圖案，其中該圖案化自由層、該圖案化穿隧障壁層及該圖案化固定層包括一磁性穿隧接面核心；及於該磁性穿隧接面核心上沉積一第二導電磁性穿隧接面電極層。