[發明專利]半導體器件

無效

• 申請號: 200810181610.0
• 申請日: 2008-11-27
• 公開（公告）號: CN101593551A
• 公開（公告）日: 2009-12-02
• 發明（設計）人: 岡山昌太;村井泰光
• 申請（專利權）人: 株式會社瑞薩科技
• 主分類號: G11C11/15
• 分類號: G11C11/15;H01L27/22;H01L43/08
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所
• 代理人: 王茂華;鄭 菊

相關申請的交叉引用

包括說明書、附圖和說明書摘要、于2008年5月29日提交的日本專利申請第2008-140921號的公開內容和于2007年12月28日提交的日本專利申請第2007-339854號的公開內容通過援引方式整體結合于此。

技術領域

本發明涉及一種其中利用電阻抗根據磁化方向而變化的磁阻抗效應的薄膜磁存儲器元件集成于襯底之上的半導體器件。

背景技術

正在關注MRAM(磁隨機存取存儲器)作為能夠以低功耗執行高速操作的非易失性RAM(隨機存取存儲器)。MRAM是一種利用電阻抗根據磁化方向而變化的磁阻抗效應的薄膜磁存儲器器件。在MRAM中，一般使用TMR(隧穿磁阻)元件作為磁阻元件。

TMR元件是具有隧道結式結構的磁阻元件，在該結構中薄的絕緣層夾入由鐵磁薄膜制成的固定磁層與自由磁層之間。TMR元件根據兩層的磁化方向是平行還是反平行來存儲信息“1”或者“0”。

在數據讀取過程中，經過TMR元件饋送感測電流(數據讀取電流)以檢測磁化方向所致的隧道阻抗差異。TMR元件與用于感測電流通/斷控制的存取晶體管串聯耦合。存取晶體管的柵極電極耦合到字線。

已知一種通過由電流感應的磁場來使磁化反向的方法和一種自旋極化電流注入方法，其作為用于在數據寫入過程中使自由磁層的磁化方向反向的方法。

由電流感應的磁場方法利用了通過同時經過彼此相交的位線和數字線供應電流而感應的合成磁場。在與位線和數字線的交點相鄰設置的TMR元件中，感應的合成磁場的量值在星狀曲線以外，這使磁化反向。

另一方面，自旋注入方法通過直接經過TMR元件供應超過閾值的位線電流來使自由磁層的磁化方向反向。

在從自由磁層朝著固定磁層供應電流的情況下，自旋與固定磁層的磁化方向相同的電子流過隧道絕緣膜并且注入自由磁層中。這時，注入的電子在自由磁層中產生自旋轉矩，使得自由磁層的磁化方向改變為與固定磁層的磁化方向相同的方向。

另一方面，在從固定磁層朝著自由磁層供應電流的情況下，自旋與固定磁層的磁化方向相反的電子由隧道絕緣膜反射。這時，反射的電子在自由磁層中產生自旋轉矩，使得自由磁層的磁化方向改變為與固定磁層中的磁化方向相反的方向。

已知一種將由電流感應的磁場方法和自旋注入方法作為另一種用于寫入數據的方法的組合方法。

例如，在日本未審專利公開第2007-109313號中，數字線驅動電路在數據寫入過程中經過所選數字線供應寫入電流。另外，耦合到數字線的存儲器單元的自由磁層的磁化方向通過由電流感應的磁場而設置為與固定磁層的磁化方向相反的方向。然后利用來自寫入驅動電路的位線電流，方向與固定磁層的自旋極化方向相同的自旋極化電子注入自由磁層中以僅寫入數據“1”。與數據“1”被寫入到的存儲器單元并行執行自旋注入。

在以矩陣形式布置多個TMR存儲器單元的存儲器陣列中，與存儲器單元行對應設置數字線和字線，而與存儲器單元列對應設置位線。數字線和字線常常劃分成多個數字線和字線。

例如，日本未審專利公開第2003-77267號公開一種將整個存儲器陣列分割成以具有m行和n列(m、n：自然數)的矩陣形式而布置的存儲器單元塊的技術。在各存儲器單元塊中以矩陣形式布置TMR存儲器單元。用于數據讀取的子字線和用于數據寫入的寫入數字線設置于各存儲器單元行中。也就是說，在各存儲器單元塊中與各存儲器單元行對應地獨立設置寫入數字線。另外，與子字線和寫入數字線一起分級提供主字線作為用于行選擇的上級信號線。為每多個存儲器單元行設置主字線，并且設置該主字線為在行方向上相鄰的n個存儲器單元塊所共用。

發明內容

在日本未審專利公開第2003-77267號中公開的常規技術中，需要與行解碼電路分開地為各存儲器單元單獨提供用于子字線和寫入數字線的驅動電路。因而，隨著因分割存儲器陣列而帶來的存儲器單元塊的數目增加，而使整個存儲器陣列的驅動電路區域也增加。

另一方面，從提高數據讀取速度的觀點來看，優選的是增加存儲器單元塊的數目以使子字線的長度更小。這是因為用于控制存取晶體管的柵極電壓的子字線在與柵極相同的布線層中由多晶硅、多晶金屬硅化物等形成。由于使用這些材料，子字線的阻抗高于金屬布線的阻抗，這在數據讀取過程中造成信號傳輸延遲。也就是說，利用上述常規技術難以保證在提高數據讀取速度與減少電路區域之間的兼容性。