專利名稱：磁阻隨機存取存儲器(mram)位單元的陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的示范性實施例針對于磁阻隨機存取存儲器(MRAM)位單元的陣 列結(jié)構(gòu)設(shè)計。更特定來說，本發(fā)明的實施例涉及自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器 (STT-MRAM)的陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
磁阻隨機存取存儲器(MRAM)為一種使用磁性元件的非易失性存儲器技術(shù)。舉 例來說，自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)使用在電子穿過薄膜(自旋過 濾器)時變得自旋極化的電子。STT-MRAM還被稱為自旋轉(zhuǎn)移力矩RAM (STT-RAM)、 自旋力矩轉(zhuǎn)移磁化切換RAM (自旋RAM)和自旋動量轉(zhuǎn)移RAM(SMT-RAM)。參看圖1，說明常規(guī)STT-MRAM單元100的圖。STT-MRAM位單元100包括 磁性隧道結(jié)(MTJ)存儲元件105、晶體管110、位線120和字線130。舉例來說，MTJ 存儲元件由釘扎層和自由層形成，所述釘扎層和所述自由層中的每一者可保持磁場，所 述釘扎層和所述自由層由絕緣(隧道障壁)層分離(如圖1中所說明)。STT-MRAM位 單元100還包括源極線140、讀出放大器150、讀取/寫入電路160和位線參考170。所 屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，存儲器單元100的操作和構(gòu)造在此項技術(shù)中為已知的。舉例 來說，在IEDM會議錄(2005)的M.Hosomi等人的“具有自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻磁化切換的 新穎非易失性存儲器自旋 RAM (A Novel Nonvolatile Memory with Spin Transfer Torque Magnetoresistive Magnetization Switching Spin-RAM)” 中提供額外細節(jié)，所述會議錄以 全文引用的方式并入本文中。參看圖2，在常規(guī)設(shè)計中，磁性隧道結(jié)(MTJ)位單元陣列的源極線(SL)布置成 與位線(BL)或字線平行。然而，在常規(guī)設(shè)計中，歸因于通孔與金屬間距規(guī)則，在源極線 (SL)與位線(BL)之間不存在直接且平行的重疊。因此，由于金屬與通孔間距規(guī)則，不 可減小或最小化常規(guī)設(shè)計的最小位單元大小。圖3為具有布置成與位線(BL)平行的源極線(SL)的常規(guī)磁性隧道結(jié)(MTJ)位 單元陣列的俯視網(wǎng)圖。如圖3中所展示，源極線(SL)并不與位線(BL)重疊，且因此位 單元大小由源極線(SL)與位線(BL)之間的間距規(guī)則限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的示范性實施例涉及磁阻隨機存取存儲器(MRAM)位單元的陣列結(jié)構(gòu)設(shè) 計。更特定來說，本發(fā)明的實施例涉及自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM) 的陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此，本發(fā)明的示范性實施例可包括自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲 器(STT-MRAM)位單元，所述自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)位單元 包括源極線，其形成于第一平面中；以及位線，其形成于第二平面中且具有與所述源 極線的縱軸平行的縱軸，其中所述源極線與所述位線的至少一部分重疊。本發(fā)明的另一示范性實施例可包括自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)位單元，所述STT-MRAM位單元包括第一金屬層，其在第一平面中形 成具有縱軸的位線；以及第二金屬層，其在第二平面中形成具有縱軸的源極線，其中所 述第一金屬層的縱軸與所述第二金屬層的縱軸平行，且其中所述第一金屬層與所述第二 金屬層的至少一部分重疊。本發(fā)明的另一示范性實施例可包括自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器 (STT-MRAM)位單元陣列，所述STT-MRAM位單元陣列包括多個位單元。每一位單元 可包括源極線，其形成于第一平面中；以及位線，其形成于第二平面中且具有與所述 源極線的縱軸平行的縱軸，其中所述源極線與所述位線的至少一部分重疊。


呈現(xiàn)附圖以輔助描述本發(fā)明的實施例，且提供所述附圖僅用于說明所述實施例 而不限制所述實施例。圖1說明常規(guī)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)單元。圖2為常規(guī)MRAM位單元陣列的說明。圖3為常規(guī)MRAM位單元陣列的俯視網(wǎng)圖。圖4為MRAM位單元陣列的實施例的示意圖。圖5為MRAM位單元陣列的實施例的俯視說明。圖6為MRAM位單元陣列的實施例的俯視網(wǎng)圖。圖7為MRAM位單元陣列的實施例的另一俯視網(wǎng)圖。圖8為沿A8-A8的圖5的MRAM位單元陣列的實施例的橫截面說明。圖9為沿A9-A9的圖5的MRAM位單元陣列的實施例的橫截面說明。圖10為MRAM位單元陣列的實施例的透視說明。
具體實施例方式本發(fā)明的方面揭示于針對于本發(fā)明的特定實施例的以下描述和相關(guān)圖式中?？?在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下設(shè)計出替代實施例。此外，本發(fā)明的眾所周知的元件將 不會詳細描述或?qū)⒈皇÷砸悦饣煜景l(fā)明的相關(guān)細節(jié)。詞“示范性”在本文中用以指“充當一實例、例子或說明”。本文中被描述為 “示范性”的任何實施例沒有必要理解為比其它實施例優(yōu)選或有利。同樣，術(shù)語“本發(fā) 明的實施例”并非要求本發(fā)明的所有實施例包括所論述的特征、優(yōu)點或操作模式。本文中所使用的術(shù)語僅出于描述特定實施例的目的，且無意限制本發(fā)明的實施 例。如本文中所使用，除非上下文明確地另外指示，否則單數(shù)形式“一”和“所述”還 意欲包括復數(shù)形式。應進一步理解，術(shù)語“包含”和/或“包括”在本文中使用時指 定所陳述的特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除一個或一個以 上其它特征、整體、步驟、操作、元件、組件，和/或其群組的存在或添加。本發(fā)明的實施例可提供可減小位單元大小的MRAM位單元陣列。舉例來說， STT-MRAM位單元陣列的實施例可通過將源極線(SL)的至少一部分放置于位線(BL) 頂部上以使得其可克服由常規(guī)金屬與通孔互連間距規(guī)則強加的限制來減小平均位單元大
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實施例可解決常規(guī)MRAM位單元陣列的問題。實施例可通過添加與源極線(SL) 的通孔互連且添加頂部薄金屬層(例如，M7)，使得源極線(SL)經(jīng)配置成直接在位線 (BL)頂部上或上方(例如，與位線(BL)重疊且平行)以克服常規(guī)主要金屬與通孔設(shè)計 規(guī)則限制來減小MTJ位單元大小，借此節(jié)省硅空間。參看圖4到圖10，本發(fā)明的實施例可提供減小或最小化位單元大小的MRAM位 單元陣列。舉例來說，圖4示意性地說明MRAM位單元陣列的實施例。STT-MRAM位 單元陣列的實施例可通過將源極線(SL)放置成與位線(BL)重疊且平行(例如，在位線上 方)以解決或克服由常規(guī)金屬與通孔互連間距規(guī)則導致的限制來減小平均位單元大小。如圖5中所展示，示范性STT-MRAM位單元500包括形成于第一平面中的源極 線(SL)和形成于第二平面中的位線(BL)。位線(BL)具有與源極線(SL)的縱軸平行 的縱軸。根據(jù)示范性實施例，源極線(SL)與位線(BL)的寬度的至少一部分重疊，借此 減小位單元大小。在一個實施例中，源極線(SL)可大體上與位線(BL)的寬度重疊，借 此進一步減小位單元大小。作為另一實施例，如圖5的示范性實施例中所展示，源極線 (SL)可與位線(BL)完全重疊，借此進一步減小位單元大小。在圖5中所說明的示范性實施例中，通過添加頂部薄金屬層(M7)以使源極線 (SL)直接形成于位線(BL)頂部上或上方(例如，與位線(BL)重疊且平行)來減小MTJ 位單元大小。金屬層M5和M7在與源極線(SL)和位線(BL)的縱軸垂直的方向上且在 與相應金屬層M5和M7相同的平面中延伸，使得金屬層M5和M7的至少一部分不與位 線(BL)重疊。通孔互連使金屬層M5和M7的不與位線(BL)重疊的部分彼此連接(例 如，電連接)。舉例來說，在一實施例中，金屬層M5和M7的一部分在與源極線(SL)和位線 (BL)的縱軸垂直的方向上且在與相應金屬層M5和M7相同的平面中延伸，以形成橫向 延伸部(例如，第一和第二橫向延伸部)。通孔互連使所述橫向延伸部彼此連接(例如， 電連接)。在一實施例中，金屬層M6形成于金屬層M5與金屬層M7之間的橫向延伸部的 區(qū)域中。圖5中所展示的說明性實施例包括用以將金屬層M5的橫向延伸部連接到金屬層 M6的通孔互連V5和用以將金屬層M6連接到金屬層M7的橫向延伸部的通孔互連V6。 因此，所述實施例可避免原本將由源極線(SL)與位線(BL)的平行重疊導致的源極線(例 如，M7)到位線(BL)的短接或互連。在下文參看圖8和圖9而描述圖5的MRAM位單 元陣列的實施例的橫截面說明。在另一示范性實施例中，可將MTJ單元向下移動一個金屬層，以使得現(xiàn)有頂部 薄金屬(例如，M6)可用作源極線(SL)。因此，在此說明性實施例中，在位單元中不包 括額外金屬層(例如，M7)。 圖6為大體對應于圖5中所說明的實施例的MRAM位單元陣列600的實施例的 俯視網(wǎng)圖，其中類似元件被相同地標記。圖7為說明位單元的較大規(guī)模集成的MRAM位 單元陣列700的實施例的另一俯視網(wǎng)圖。 圖8為沿A8-A8截取的圖5的MRAM位單元陣列的漏極800的實施例的橫截面 說明。如圖8中所展示，金屬層Ml、M2、M3、M4、M5和M6 (BL)分別通過通孔互 連VI、V2、V3、V4和V5而彼此連接。源極線M7經(jīng)配置以與金屬層M6 (BL)平行且重疊但未互連。圖9為沿A9-A9的圖5的MRAM位單元陣列的源極900的實施例的橫截面說 明。如圖9中所展示，金屬層Ml、M2、M3、M4、和M5分別通過通孔互連VI、V2、 V3和V4而彼此連接。金屬層M5和M7在與源極線(SL)和位線(BL)的縱軸垂直的方 向上且在與相應金屬層M5和M7相同的平面中延伸，以形成橫向延伸部(例如，第一橫 向延伸部910和第二橫向延伸部920)。金屬層(例如，圖9中的M6)形成于金屬層M5 與M7之間的橫向延伸部的區(qū)域中。舉例來說，如圖9的實施例中所展示，金屬層(例 如，M6)可形成于與位線(BL)相同的平面中，但與位線(BL)電隔離。所述實施例包 括用以分別將金屬層M5的橫向延伸部920連接到金屬層M6且將金屬層M6連接到金屬 層M7的橫向延伸部910的通孔互連V5和V6。如圖10 (其為MRAM位單元陣列的源極900的實施例的透視說明)中所展示， 源極線(SL)(例如，M7)配置成與位線(BL)平行且重疊但不互連(例如，不電互連)。 因此，所述示范性實施例可避免原本將由源極線(SL)與位線(BL)的平行重疊導致的源 極線(SL)(例如，M7)到位線(BL)的短接，同時最小化或減小平均位單元大小(與常規(guī) 位單元設(shè)計相比)。根據(jù)一實施例，一個或一個以上通孔互連(例如，V5和V6)和頂部薄金屬層 (M7)可經(jīng)設(shè)計成連接MTJ位單元中的存取晶體管的源極線(SL)，以使得源極線(SL)可 直接放置于位線(BL)頂部上或上方(例如，與位線(BL)重疊且平行)而不存在源極線 (SL)(例如，M7)到位線(BL)的短接或互連，借此減小平均位單元面積。因此，本發(fā)明的實施例可為自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM) 位單元，所述STT-MRAM位單元包括源極線(SL)，其形成于第一平面中；以及位線 (BL)，其形成于第二平面中且具有與所述源極線(SL)的縱軸平行的縱軸，其中所述源極 線(SL)與所述位線(BL)的至少一部分重疊。在一實施例中，源極線(SL)可大體上與 位線(BL)重疊。在一實施例中，源極線(SL)包括第一橫向延伸部910，所述第一橫向延伸部910 在第一平面中且在與源極線(SL)的縱軸垂直的方向上延伸，以使得第一橫向延伸部910 的一部分不與位線(BL)重疊。在另一實施例中，源極線為第一金屬層(例如，M7(SL))，且位線為第二金屬 層(例如，BL)。位單元還可包括第三金屬層(例如，M5)，所述第三金屬層形成于第 三平面中且具有與第一金屬層(例如，M7)的縱軸平行的縱軸，其中第二金屬層(例如， BL)介于第一金屬層(例如，M7)與第三金屬層(例如，M5)之間。第一金屬層(例 如，M7)和/或第二金屬層(例如，BL)可與第三金屬層(例如，M5)的至少一部分重 疊。第三金屬層(例如，M5)可包括第二橫向延伸部920，所述第二橫向延伸部920 在第三平面中且在與所述第三金屬層(例如，M5)的縱軸垂直的方向上延伸。第一橫向 延伸部910可與第二橫向延伸部920重疊且可電連接到所述第二橫向延伸部920。在一實施例中，至少一個通孔互連(例如，V5、V6等)將第一橫向延伸部910 連接到第二橫向延伸部920。在另一實施例中，第四金屬層(例如，M6)介于第一橫向 延伸部910與第二橫向延伸部920之間。第一通孔互連(例如，V6)將第一橫向延伸部910連接到第四金屬層(例如，M6)，且第二通孔互連(例如，V5)將所述第四金屬層 (例如，M6)連接到第二橫向延伸部920。在一實施例中，第四金屬層(例如，M6)形 成于第二平面中且可與第二金屬層(例如，BL)電隔離。在其它實施例中，STT-MRAM位單元可包括字線、存儲元件和耦合到所述存儲 元件的字線晶體管。舉例來說，如圖9中所說明，存儲元件可為磁性隧道結(jié)(MTJ)，且 字線晶體管可與所述MTJ串聯(lián)耦合。在另一實施例中，自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)位單元可 包括第一金屬層(例如，M7)，其在第一平面中形成具有縱軸的源極線；以及第二金 屬層(例如，BL)，其在第二平面中形成具有縱軸的位線，其中所述第一金屬層(例如， M7)的縱軸與所述第二金屬層(例如，BL)的縱軸平行，且其中所述第一金屬層(例如， M7)與所述第二金屬層(例如，BL)的至少一部分重疊。在另一實施例中，自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)位單元陣列 包括多個位單元。每一位單元包括源極線，其形成于第一平面中；以及位線，其形成 于第二平面中且具有與所述源極線的縱軸平行的縱軸，其中所述源極線與所述位線的至 少一部分重疊(例如，在頂部上或下方)。STT-MRAM位單元陣列的示范性實施例可通 過將源極線(SL)放置成與位線(BL)重疊且大體上平行以減小常規(guī)金屬與通孔互連配置 中所使用的面積來減小平均位單元大小。MRAM位單元陣列的實施例且可通過添加與源 極線(SL)的通孔互連且添加頂部薄金屬層(例如，M7)以使得源極線(SL)經(jīng)配置成直接 在位線(BL)頂部上或上方以克服常規(guī)主要金屬與通孔設(shè)計規(guī)則限制來減小位單元大小， 借此節(jié)省空間。雖然前述揭示內(nèi)容展示本發(fā)明的說明性實施例，但應注意，可在不脫離如由所 附權(quán)利要求書界定的本發(fā)明的范圍的情況下，在本文中作出各種改變和修改。無需以 任何特定次序執(zhí)行根據(jù)本文中所描述的本發(fā)明的實施例的方法項的功能、步驟和/或動 作。此外，雖然可能以單數(shù)形式描述或主張本發(fā)明的元件，但除非明確陳述限于單數(shù)形 式，否則涵蓋復數(shù)形式。
權(quán)利要求
1.一種自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)位單元，其包含 源極線，其形成于第一平面中；以及位線，其形成于第二平面中，且具有與所述源極線的縱軸平行的縱軸， 其中所述源極線與所述位線的至少一部分重疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的STT-MRAM位單元，其中所述源極線包括第一橫向延伸 部，所述第一橫向延伸部在所述第一平面中且在與所述源極線的所述縱軸垂直的方向上 延伸，使得所述第一橫向延伸部的一部分不與所述位線重疊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的STT-MRAM位單元，其中所述源極線為第一金屬層，且所 述位線為第二金屬層，所述位單元進一步包含第三金屬層，其形成于第三平面中，且具有與所述第一金屬層的所述縱軸平行的縱軸，其中所述第二金屬層介于所述第一金屬層與所述第三金屬層之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的STT-MRAM位單元，其中所述第一金屬層和/或所述第二 金屬層與所述第三金屬層的至少一部分重疊。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的STT-MRAM位單元，其中所述第三金屬層包括第二橫向延 伸部，所述第二橫向延伸部在所述第三平面中且在與所述第三金屬層的所述縱軸垂直的 方向上延伸，且其中所述第一橫向延伸部與所述第二橫向延伸部重疊且電連接到所述第二橫向延伸部。
6 根據(jù)權(quán)利要求5所述的STT-MRAM位單元，其進一步包含至少一個通孔互連，其將所述第一橫向延伸部連接到所述第二橫向延伸部。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的STT-MRAM位單元，其進一步包含 第四金屬層，其介于所述第一橫向延伸部與所述第二橫向延伸部之間； 第一通孔互連，其將所述第一橫向延伸部連接到所述第四金屬層；以及 第二通孔互連，其將所述第四金屬層連接到所述第二橫向延伸部。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的STT-MRAM位單元，其中所述第四金屬層形成于所述第二 平面中且與所述第二金屬層電隔離。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的STT-MRAM位單元，其中所述源極線大體上與所述位線重疊。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的STT-MRAM位單元，其進一步包含字線；存儲元件；以及字線晶體管，其耦合到所述存儲元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的STT-MRAM位單元，其中所述存儲元件為磁性隧道結(jié) (MTJ)，且其中所述字線晶體管與所述MTJ串聯(lián)耦合。
12.—種自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)位單元，其包含 第一金屬層，其在第一平面中形成具有縱軸的源極線；以及第二金屬層，其在第二平面中形成具有縱軸的位線，其中所述第一金屬層的所述縱軸與所述第二金屬層的所述縱軸平行，且 其中所述第一金屬層與所述第二金屬層的至少一部分重疊。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的STT-MRAM位單元，其中所述第一金屬層包括第一橫向 延伸部，所述第一橫向延伸部在與所述第一金屬層的所述縱軸垂直的方向上延伸，使得 所述第一橫向延伸部的一部分不與所述第二金屬層重疊。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的STT-MRAM位單元，其進一步包含第三金屬層，其形成于第三平面中，且具有與所述第一金屬層的所述縱軸平行的縱軸，其中所述第二金屬層介于所述第一金屬層與所述第三金屬層之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的STT-MRAM位單元，其中所述第一金屬層和/或所述第 二金屬層與所述第三金屬層的至少一部分重疊。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的STT-MRAM位單元，其中所述第三金屬層包括第二橫向 延伸部，所述第二橫向延伸部在與所述第三金屬層的所述縱軸垂直的方向上延伸，且其 中所述第一橫向延伸部與所述第二橫向延伸部重疊，且電連接到所述第二橫向延伸部。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的STT-MRAM位單元，其進一步包含 至少一個通孔互連，其將所述第一橫向延伸部連接到所述第二橫向延伸部。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的STT-MRAM位單元，其進一步包含 第四金屬層，其介于所述第一橫向延伸部與所述第二橫向延伸部之間； 第一通孔互連，其將所述第一橫向延伸部連接到所述第四金屬層；以及 第二通孔互連，其將所述第四金屬層連接到所述第二橫向延伸部。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的STT-MRAM位單元，其中所述第四金屬層形成于所述第 二平面中且與所述第二金屬層電隔離。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的STT-MRAM位單元，其中所述第一金屬層大體上與所述 第二金屬層重疊。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的STT-MRAM位單元，其進一步包含 字線；存儲元件；以及字線晶體管，其耦合到所述存儲元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的STT-MRAM位單元，其中所述存儲元件為磁性隧道結(jié) (MTJ)，且其中所述字線晶體管與所述MTJ串聯(lián)耦合。
23.一種自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)位單元陣列，其包含 多個位單元，每一位單元包括源極線，其形成于第一平面中；以及位線，其形成于第二平面中，且具有與所述源極線的縱軸平行的縱軸， 其中所述源極線與所述位線的至少一部分重疊。
全文摘要
本發(fā)明揭示自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻隨機存取存儲器(STT-MRAM)位單元。所述位單元包括形成于第一平面中的源極線和形成于第二平面中的位線。所述位線具有與所述源極線的縱軸平行的縱軸，且所述源極線與所述位線的至少一部分重疊。
文檔編號G11C11/16GK102017004SQ200980116359
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月4日
發(fā)明者威廉·H·夏 申請人:高通股份有限公司