[發(fā)明專利]半導(dǎo)體器件

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410382579.2
• 申請日: 2009-10-05
• 公開（公告）號(hào): CN104200834A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 河原尊之;竹村理一郎;小野和夫
• 申請（專利權(quán)）人: 株式會(huì)社日立制作所
• 主分類號(hào): G11C11/16
• 分類號(hào): G11C11/16;H01L27/22
• 代理公司: 北京市金杜律師事務(wù)所 11256
• 代理人: 陳偉;王娟娟

本發(fā)明申請是國際申請日為2009年10月05日、國際申請?zhí)枮镻CT/JP2009/067354、進(jìn)入中國國家階段的國家申請?zhí)枮?00980139455.9、發(fā)明名稱為“半導(dǎo)體器件”的發(fā)明申請的分案申請。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，尤其涉及在利用了磁阻變化的存儲(chǔ)單元陣列中以小面積提供所需足夠的寫電流的方式、和考慮到溫度特性的讀出時(shí)穩(wěn)定的參考單元的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作。

背景技術(shù)

在非易失性存儲(chǔ)器中，利用了磁阻變化的MRAM(Magnetoresis?tive?Random?Access?Memory：磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)有可能作為能高速工作且在實(shí)際應(yīng)用中可改寫無限多次的RAM。現(xiàn)有MRAM的單元結(jié)構(gòu)由1個(gè)隧道磁阻元件TMR、用于讀出的選擇晶體管MCT、寫入字線WWL、位線BL以及源極線SL構(gòu)成。如圖34所示，在隧道磁阻元件TMR中至少有兩個(gè)磁性層，其中，一層由自旋方向被固定的固定層PL構(gòu)成，另一層由自旋方向相對于固定層設(shè)為平行狀態(tài)、反平行狀態(tài)這兩種狀態(tài)的自由層FL構(gòu)成。在這些膜之間具有隧道阻擋膜TB。利用該自由層的自旋方向進(jìn)行信息存儲(chǔ)，在反平行狀態(tài)下隧道磁阻元件的電阻為高阻狀態(tài)，在平行狀態(tài)下隧道磁阻元件的電阻為低阻狀態(tài)。在讀出動(dòng)作中讀取隧道磁阻元件TMR的電阻大小。而在改寫動(dòng)作中，使電流流經(jīng)寫入字線WWL和位線BL，此時(shí)利用在隧道磁阻元件TMR中激勵(lì)的合成磁場來控制自由層的自旋方向。但是，在該改寫方式中，隨著隧道磁阻元件TMR的精細(xì)化，改寫所需的磁場強(qiáng)度變大，因此存在流經(jīng)寫入字線和位線的電流也變大的問題。針對該問題，提出了一種自旋注入型RAM、SPRAM(Spin?Transfer?Torque?RAM：自旋轉(zhuǎn)移力矩隨機(jī)存儲(chǔ)器)，其利用了通過使電流垂直地流過非專利文獻(xiàn)1中所介紹的隧道磁阻元件TMR來改變自由層的自旋方向的自旋注入磁化反轉(zhuǎn)技術(shù)。如圖35所示，該改寫方式能夠利用與固定層PL、隧道阻擋膜TB、自由層FL垂直的方向的電流來控制自由層的自旋方向。在存儲(chǔ)芯片中準(zhǔn)備位線和源極線，在位線和源極線之間配置選擇晶體管和隧道磁阻元件TMR，通過從位線向源極線流過電流或者從源極線向位線流過電流來進(jìn)行改寫。改寫所需的電流與隧道磁阻元件TMR的大小成比例，因此能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化并且降低寫電流，在可擴(kuò)縮性方面是優(yōu)異的。使用MgO作為隧道阻擋膜TB。

專利文獻(xiàn)1：日本特開2005-116923號(hào)公報(bào)

非專利文獻(xiàn)1：2005International?Electron?Device?Meeting?Technical?Digest?Papers?pp.459-462

發(fā)明內(nèi)容

然而，在自旋注入型RAM中，其寫電流、即將與信息對應(yīng)的磁化方向反轉(zhuǎn)所需的電流為每單元需要數(shù)十微安到500微安左右。因此，需要將該電流高效地施加到存儲(chǔ)單元上的結(jié)構(gòu)。即，在施加到存儲(chǔ)單元上的驅(qū)動(dòng)電路和連接驅(qū)動(dòng)電路與存儲(chǔ)單元而成為電流路徑的位線、源極線的配置及其控制方式。尤其是位線、源極線具有電阻成分，因此在其中流過電流時(shí)產(chǎn)生電壓降。需要采用抑制電壓降、簡潔且面積效率高的方式。

此外，根據(jù)發(fā)明人的見解，如下所述，平行狀態(tài)、反平行狀態(tài)的各個(gè)電阻的溫度依賴性不同。需要考慮到該問題的讀出方式，需要在將存儲(chǔ)單元組裝到陣列中時(shí)使參考單元和各個(gè)電阻穩(wěn)定地動(dòng)作的方式。

本發(fā)明所示的代表性的技術(shù)手段如下所述。

(1)將位線和源極線做成層級(jí)構(gòu)造，按低位的位線和源極線配置用于改寫的驅(qū)動(dòng)器，按高位的位線或源極線配置用于讀出的讀出放大器。也就是說，在位線中來說，在高位的位線的布線方向上分離地配置多個(gè)低位的位線和改寫驅(qū)動(dòng)器(電路)，對一條高位的位線設(shè)置一個(gè)讀出放大器。此外，能夠以陣列為中心將位線的驅(qū)動(dòng)器和源極線的驅(qū)動(dòng)器配置在相反側(cè)。

(2)使用了所存儲(chǔ)的信息的與“1”“0”相當(dāng)?shù)摹⑵叫袪顟B(tài)和反平行狀態(tài)的兩個(gè)單元，將該電流相加作為參考單元而使用，但通過在具有具備平行狀態(tài)的參考單元的讀出放大器的陣列，和具有具備反平行狀態(tài)的參考單元的讀出放大器的另一個(gè)陣列中，連接該電流路徑而作出“1”和“0”的中間的狀態(tài)。

能夠?qū)崿F(xiàn)可穩(wěn)定動(dòng)作的半導(dǎo)體器件。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明第一實(shí)施例的圖。

圖2是表示本發(fā)明第二實(shí)施例的圖。

圖3是表示圖1的結(jié)構(gòu)例的讀出動(dòng)作例的圖。

圖4是表示圖1的結(jié)構(gòu)例的寫入動(dòng)作例的圖。

圖5是表示本發(fā)明第三實(shí)施例的圖。

圖6是表示本發(fā)明第四實(shí)施例的圖。