專利名稱：存儲器裝置、磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)裝置，尤其涉及一種存儲器裝置、磁 性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元及其制造方法，將自旋矩轉(zhuǎn)換(STT)用以數(shù)據(jù)寫入。
背景技術(shù)：
磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)為非易失性存儲器技術(shù)，其使用磁化以表示存儲的 數(shù)據(jù)。一般而言，MRAM包括多個磁性存儲單元于一陣列中。各個存儲單元基本上表示數(shù)據(jù) 的一個位元。于存儲單元中所包含的是磁性構(gòu)件。一磁性構(gòu)件可包括兩個鐵磁性“板”(或 者于半導(dǎo)體基底上的材料層)，分別具有與其相關(guān)的一磁化方向(或者磁矩的位向)。所述 兩個鐵磁性板借由一薄的非磁性層隔離。更明確地說，一 MRAM元件通常是以磁性穿隧結(jié)(MTJ)元件為基礎(chǔ)。一 MTJ元件包 括至少三個基本層一“自由層”、一穿隧阻障層、以及一“固定層”。該自由層和固定層為鐵 磁性層；該穿隧阻障層為一薄的隔離層，位于該自由層和固定層之間。該自由層的磁化方 向可自由旋轉(zhuǎn)，但是受到該層的物理尺寸的制約，僅指向兩個方向之一；該固定層的磁化方 向為固定于一特定的方向。一位元借由定位該自由層的磁化方向于上述兩個方向之一而寫 入。依憑著該自由層和固定層的磁矩的位向，該MTJ元件的電阻將隨之改變。因此，借由決 定出該MTJ元件的電阻，可將該位元讀取。當(dāng)該自由層和固定層的磁化方向為平行，且磁 矩具有相同的極性時，該MTJ元件的電阻為低阻態(tài)?；旧希吮硎緸椤?”。當(dāng)該自由層和 固定層的磁化方向為反平行，且磁矩具有相反的極性時，該MTJ元件的電阻為高阻態(tài)?；?上，此表示為“1”。自旋矩轉(zhuǎn)換(STT)(也稱為自旋轉(zhuǎn)換切換或自旋轉(zhuǎn)換效應(yīng))為MTJ存儲元、件的 寫入技術(shù)之一。STT技術(shù)概念是基于當(dāng)一自旋極化電流(電流中大部分的電子自旋朝著相 同的位向)施于一自由鐵磁性層，所述電子可將其電子角動量轉(zhuǎn)換至該自由層，以切換該 自由層的磁化方向。使用STT寫入磁性元件的優(yōu)點包括較小的位元尺寸以及較低的寫入 電流需求。然而，于STT中，所需將MTJ元件的磁化方向自平行切換成反平行狀態(tài)所需的切 換電流為20-50%大于自反平行切換成平行狀態(tài)所需的切換電流。更有甚者，于一傳統(tǒng)的 STTMTJ元件中，較大的平行至反平行切換電流受限于“源極退化”效應(yīng)或者為“源極位置負(fù) 載”效應(yīng)。此源極退化效應(yīng)制約流經(jīng)MTJ元件的電流總量，并且可阻礙該MTJ元件可靠地切 換磁化方向自反平行至平行狀態(tài)。有鑒于此，業(yè)界急需一種STT MTJ元件，并不受限于源極 退化效應(yīng)，以確使該MTJ元件可靠地切換磁化方向自平行至反平行狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
在此所揭示的裝置及方法為一 MRAM的反向連接STT MTJ元件，當(dāng)切換該MTJ元件 的磁化方向自平行至反平行狀態(tài)時，用以克服源極退化效應(yīng)。本發(fā)明的實施例提供一種磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元，包括一切換元件，包 括一源極、一柵極和一漏極；以及一磁性穿隧結(jié)元件，包括一自由層、一固定層和一隔離層，其中該隔離層夾置于該自由層與該固定層之間；其中該磁性穿隧結(jié)元件的自由層與該切換 元件的漏極連接，該磁性穿隧結(jié)元件的固定層與一位元線連接，該切換元件的柵極與一字 元線連接，及該切換元件的源極與一感測線連接。本發(fā)明的實施例另提供一種磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元的制造方法，包括 形成一基底；形成一切換元件，該切換元件包括一源極區(qū)域、一有源區(qū)域和一漏極區(qū)域；形 成一磁性穿隧結(jié)元件，該磁性穿隧結(jié)元件包括一自由層、一固定層和一隔離層，其中該隔離 層夾置于該自由層與該固定層之間；連接該源極區(qū)域至一感測線；形成一寫入線以通過該 有源區(qū)域控制該切換元件；連接該漏極區(qū)域至該磁性穿隧結(jié)元件的自由層；以及連接該磁 性穿隧結(jié)元件的固定層至一位元線。本發(fā)明的實施例又提供一種存儲器裝置，包括一存儲單元包括一基底；一切換 元件，包括一源極區(qū)域、一有源區(qū)域和一漏極區(qū)域；一磁性穿隧結(jié)元件，包括一自由層、一固 定層和一隔離層，其中該隔離層夾置于該自由層與該固定層之間；一感測線，連接至該源極 區(qū)域；一寫入線，以通過該有源區(qū)域控制該切換元件；以及一位元線，連接至該磁性穿隧結(jié) 元件的固定層；其中該存儲單元的電流承載能力大于切換該自由層的磁化方向成為平行于 該固定層的磁化方向所需的電流，并且大于切換該自由層的磁化方向成為反平行于該固定 層的磁化方向所需的電流。本發(fā)明的反向連接的MTJ元件運用該存儲單元的低Imtj能力，致使源極退化效應(yīng) 對Imtt(AP — P)影響較不嚴(yán)厲，而保有較高的Imtt能力因應(yīng)較嚴(yán)格的Imtt(P — AP)需求。為使本發(fā)明能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下


圖1顯示一磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)的存儲單元；圖2顯示流經(jīng)圖1的MTJ元件100的電流Ito為Vmu的函數(shù)的示意圖；圖3顯示根據(jù)本發(fā)明所揭示的一或多個的實施例的一 MRAM的存儲單元具有反向 連接的MTJ元件的示意圖；圖4顯示根據(jù)本發(fā)明所揭示的一或多個的實施例的圖3的存儲單元具有反向連接 的MTJ元件的VMTP/IM 特性關(guān)系示意圖；圖5顯示根據(jù)本發(fā)明所揭示的一或多個的實施例的第一 MRAM存儲單元具有圖3 的反向連接的MTJ元件的剖面示意圖；以及圖6顯示根據(jù)本發(fā)明所揭示的一或多個的實施例的第二 MRAM存儲單元600具有 圖3的反向連接的MTJ元件的剖面示意圖。其中，附圖標(biāo)記說明如下100 MTJ 元件；102 固定層；104 隔離層；106 自由層；110 切換元件； 120 位元線BL ；130 字元線WL ；
140 感測線SL ；301-313 曲線； 500 第一 MRAM存儲單元；501、601 有源區(qū)域；502、602 柵極絕緣層；510,610 源極區(qū)域；520、620 漏極區(qū)域；530、630 感測線 SL ；540、640 字元線 WL ；550、650 位元線 BL ；560、660 反向連接的MTJ元件；561、661 自由層；562、662 隔離層；563、663 固定層；570、670 接觸層 CT ；581,681 第一金屬層 Ml ；582 第二金屬層M2;583 第三金屬層M3 ；584 第四金屬層M2;591 第一導(dǎo)通孔Vl ；592 第二導(dǎo)通孔V2 ；593 第三導(dǎo)通孔V3 ；600 第二 MRAM存儲單元。
具體實施例方式以下以各實施例詳細(xì)說明并伴隨著

的范例，作為本發(fā)明的參考依據(jù)。在 附圖或說明書描述中，相似或相同的部分均使用相同的附圖標(biāo)記。且在附圖中，實施例的形 狀或是厚度可擴(kuò)大，并以簡化或是方便標(biāo)示。另外，附圖中各元件的部分將以分別描述說 明，值得注意的是，圖中未示出或描述的元件，為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的形式，另外，特 定的實施例僅為揭示本發(fā)明使用的特定方式，其并非用以限定本發(fā)明。圖1顯示一磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)的存儲單元。所述存儲單元包括一磁性 存儲元件例如一 MTJ元件100以及一切換元件110。該MTJ元件100包括一固定層102、一 穿隧阻障層或一隔離層104、以及一自由層106。自由層106的磁化方向可自由旋轉(zhuǎn)指向一 或兩個方向，并且可使用自旋矩轉(zhuǎn)換(spin-torque transfer，簡稱STT)切換。對于固定 層102，可使用一反鐵磁性層以固定或釘扎磁化于特定方向。該隔離層104為夾置于自由層 106和固定層102之間。該自由層106連接至一位元線(bit line，簡稱BL) 120，于寫入或 讀取過程中提供該自由層一電壓。該固定層102連接至該切換元件110的漏極。該切換元件110適用于讀取或?qū)懭朐揗TJ元件100。該切換元件110的實施例包 括一金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管、一 MOS 二極管、及/或一雙極性晶體管。該切換元件110的柵極連接至一字元線(word line，簡稱WL) 130，于寫入或讀取過程中活化該存儲單 元。該切換元件110的源極連接至一感測線(sense line，簡稱SL) 140，于寫入或讀取過程 中，當(dāng)存儲單元被字元線130活化時，以一電壓驅(qū)動該固定層102。

該MTJ元件100內(nèi)的數(shù)據(jù)可由該自由層106相對于該固定層102的磁化方向表 示。當(dāng)該自由層和該釘扎層的磁化為平行，且磁矩具有相同的極性時，該MTJ元件的電阻為 低阻態(tài)。基本上，此表示為“0”。當(dāng)該自由層和固定層的磁化方向為反平行，且磁矩具有相 反的極性時，該MTJ元件的電阻為高阻態(tài)。基本上，此表示為“1”。自旋矩轉(zhuǎn)換(STT)為借由切換自由層106的磁矩而寫入MTJ存儲元件的技術(shù)之 一。由該自由層106至該固定層102跨越該MTJ元件100的電壓可表示為VMTJ。欲寫入“0” 于MTJ元件100中，Vto為受到正偏壓，致使該自由層106相對于該固定層102處于一正電 壓狀態(tài)下?？山栌墒┘右徽妷河谖辉€BL 120而實施，將感測線SL 140接地，并且通過 字元線WL 130活化該切換元件110。例如，該自由層106的磁矩假設(shè)其初始態(tài)為反平行于該固定層102的磁矩，致使該 MTJ元件100是處于“1”狀態(tài)下。為了切換該自由層106的磁矩成為平行于該固定層102 的磁矩，將一正電壓施以跨越VM 。所述正的Vmu導(dǎo)致傳導(dǎo)電子自固定層102朝向該自由層 106移動。大部分的電子自固定層102朝向該自由層106移動使得自旋極化于相同的方向， 如同固定層102的磁矩。由于該MTJ元件100的磁化方向的初始化為反平行，此自旋角動 量也為反平行于該自由層106的磁矩。在靠近該自由層106與該隔離層104的界面處，這 些電子與該自由層106的磁矩交互作用。且由于此交互作用，這些電子將其自旋角動量轉(zhuǎn) 換至該自由層106。若VmuM夠正，則有足夠數(shù)量的傳導(dǎo)電子可轉(zhuǎn)換足夠的角動量至該自由 層106，以切換該自由層106的磁矩使其平行于該固定層102的磁矩。圖2顯示流經(jīng)圖1的MTJ元件100的電流Ito為Vto的函數(shù)的示意圖。若該MTJ 元件100的初始化狀態(tài)是處于“1”狀態(tài)，則MTJ元件100的電阻為高阻態(tài)。當(dāng)逐漸地增加 施以一正Vmu，則電流Imtj可增加，沿著“1”狀態(tài)的曲線301于圖2的右上象限中。當(dāng)Vmtj 到達(dá)點302時，傳導(dǎo)電子便具有足夠的角動量轉(zhuǎn)換至該自由層106，將該MTJ元件100自 “1”狀態(tài)切換成“0”狀態(tài)。該自由層106的磁矩變成平行于該固定層102的磁矩，并且該 MTJ元件100的電阻由高阻態(tài)降至低阻態(tài)。因此，電流Imtj沿著303躍升至“0”狀態(tài)曲線 304。所述電流Imu將該自由層106的磁矩切換成反平行于該固定層102的磁矩，可標(biāo)示為 Imtj(AP — P)。典型的Imtt(AP — P)范圍在100-200 μ A之內(nèi)。隨著Vmtt持續(xù)低增加，該Ito 可沿著“0”狀態(tài)曲線304增加。相反地，隨著Vmtj降低，該Imtj可沿著“0”狀態(tài)曲線304降 低。欲寫入“ 1 ”于MTJ元件100中，Vmtt為受到正偏壓。例如，該MTJ元件的初始態(tài)是 處于“0”狀態(tài)下，該自由層106的磁矩為平行于該固定層102的磁矩，將一負(fù)電壓施以跨越 Vmtj以寫入“1”于MTJ元件100中。實施的方式可借由將位元線BL 120接地，施加一正電 壓于感測線SL 140接地，并且通過字元線WL 130活化該切換元件110。所述負(fù)的Vmtt導(dǎo)致 傳導(dǎo)電子自自由層106朝向該固定層102移動。大部分的電子從自由層106移動，具有自 旋極化于相同的方向，如同自由層106的磁矩。這些電子的自旋角動量也平行于該固定層 102的磁矩。然而，大部分的電子具有自旋極化反平行于該自由層106與固定層102的磁 矩。此大部分的電子會從該固定層102反射，并返回至該自由層106。在靠近該自由層106與該隔離層104的界面處，這些反射的電子與該自由層106的磁矩交互作用。且由于此交 互作用，這些電子將其自旋角動量的一部分轉(zhuǎn)換至該自由層106。若％ 足夠負(fù)，則有足夠 數(shù)量的傳導(dǎo)電子可轉(zhuǎn)換足夠的角動量至該自由層106，以切換該自由層106的磁矩使其反 平行于該固定層102的磁矩。

請再參閱圖2，該MTJ元件100的初始化狀態(tài)是處于“0”狀態(tài)曲線304，表示該MTJ 元件100的電阻為低電阻態(tài)。當(dāng)逐漸地增加施以一負(fù)的Vmtt，則電流Imtt可沿著“0”狀態(tài)的 曲線304增加于圖2的左下象限中。當(dāng)Vmu到達(dá)點305時，大部分的傳導(dǎo)電子具有自旋極 化反平行于該自由層106的磁矩，便具有足夠的角動量轉(zhuǎn)換至該自由層106，將該MTJ元件 100自“0”狀態(tài)切換成“1”狀態(tài)。該自由層106的磁矩變成反平行于該固定層102的磁矩， 并且該MTJ元件100的電阻由低阻態(tài)上升至高阻態(tài)。因此，電流Ito沿著306降落至“1” 狀態(tài)曲線301，其表示該MTJ元件100正處于高阻態(tài)。所述電流Imtj將該自由層106的磁矩 自平行方向切換成反平行方向，可標(biāo)示為IM (P —AP)。Imtj(P-AP)通常為20-50%高于 Imtj (AP —P)，典型的 Imtj(P-AP)的范圍在 200-300 μ A 之內(nèi)。有鑒于此，為了將MTJ元件100從“0”狀態(tài)切換至“1”狀態(tài)，可將Vmu施加負(fù)偏壓。 于圖1中的存儲單元，該自由層106連接至位元線BL 120，且該固定層102連接至該切換元 件110的漏極。所述負(fù)的Vmtt導(dǎo)致該切換元件110驅(qū)動電流從源極(SL 140)至漏極。然 而，一種公知的現(xiàn)象，稱為“源極退化”效應(yīng)，限制該切換元件110可提供的電流量。請再參閱圖2，曲線310表示圖1的存儲單元的Imtj能力與Vmtj的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)Vmtj 受到負(fù)偏壓以切換該自由層106的磁矩從平行方向至反平行方向。曲線311表示該存儲單 元的Ito能力與Vto的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)Vto受到正偏壓以切換該自由層106的磁矩從反平行方 向至平行方向?；谠礃O退化效應(yīng)，曲線310的Imu能力相對于曲線311的Imu能力降低。 也即，當(dāng)Vmtt受負(fù)的方向偏壓切換“0”狀態(tài)至“1”狀態(tài)，該存儲單元可支持的極大值Imu低 于當(dāng)Vmtt受正的方向偏壓切換“1”狀態(tài)至“0”狀態(tài)，該存儲單元可支持的極大值ΙΜΤΤ。然而， 當(dāng)切換“0”狀態(tài)至“1”狀態(tài)時，該Imtt能力必須高于支持較高的IMU(P —AP)需求。如圖2 左下象限中所示，曲線310的衰退的Imtj能力可能不足以支持Imtj(P — AP)以切換該MTJ元 件100。因此，該存儲單元并無法可靠地從“1”狀態(tài)切換至“0”狀態(tài)。圖3顯示根據(jù)本發(fā)明所揭示的一或多個的實施例的一 MRAM的存儲單元具有反向 連接的MTJ元件的示意圖。該存儲單元也包括一 MTJ元件100和一切換元件110。然而， 該自由層106現(xiàn)在連接至該切換元件110的漏極，以及該固定層連接至位元線BL 140。該 切換元件110的柵極仍然連接至字元線WL 130，以及該源極仍然連接至感測線SL 140。因 此，圖3連接該自由層106與固定層102方式正好與圖1的存儲單元的連接方式相反。欲寫入“0”于該反向連接的MTJ元件100中，Vmtj為受到正偏壓，借由將位元線BL 120接地，施加一正電壓于感測線SL 140，并且通過字元線WL130活化該切換元件110。相 反地，欲寫入“1”于該反向連接的MTJ元件100中，Vmtj為受到負(fù)偏壓，借由施加一負(fù)電壓于 位元線BL 120，將感測線SL 140接地，并且通過字元線WL 130活化該切換元件110。圖4顯示根據(jù)本發(fā)明所揭示的一或多個的實施例的圖3的存儲單元具有反向連接 的MTJ元件的VMTP/IM 特性關(guān)系示意圖。流經(jīng)該MTJ元件100的電流Imu為Vmu的函數(shù)關(guān) 系可表示為“ 0 ”狀態(tài)曲線304和“ 1 ”狀態(tài)曲線301，等同于圖2的“ 0 ”狀態(tài)曲線304和“ 1，， 狀態(tài)曲線301。相似地，IM (P —AP)與ΙΜ (ΑΡ —P)的需求如同圖2所示的特性。然而，由于該反向連接 的MTJ元件100的型態(tài)，當(dāng)切換“0”狀態(tài)至“1”狀態(tài)時，電流會從位元線BL 120流經(jīng)該MTJ元件100和該切換元件110至感測線SL 140。將圖4的MTJ元件從“0”狀 態(tài)切換至“1”狀態(tài)的電流方向與圖1的MTJ元件從“0”狀態(tài)切換至“1”狀態(tài)的電流方向相 同。因此，當(dāng)切換從反平行方向至平行方向時，存儲單元具有反向連接的MTJ元件的1 能 力與圖1的存儲單元將切換從平行方向至反平行方向的Ito能力相同。如同圖4中的左下象限所示，曲線312表示存儲單元具有反向連接的MTJ元件的 Imtt能力，將該自由層106的磁矩自平行態(tài)切換成反平行態(tài)。曲線312與圖2的曲線311具 有相同的特性。可觀察到，曲線312的Imtt能力并未遭受源極退化效應(yīng)。有鑒于此，該存儲 單元具有反向連接的MTJ元件可支持較高的IM (P — AP)要求，以及此存儲單元能夠可靠 地自“0”狀態(tài)切換至“1”狀態(tài)。相反地，當(dāng)將圖3的MTJ元件100自“ 1 ”狀態(tài)切換至“0”狀態(tài)時，電流會從感測線 SL 140流經(jīng)該切換元件110至位元線BL 120。此電流的方向與將圖1的存儲單元自“0” 切換至“1”狀態(tài)。圖4的曲線313表示存儲單元具有反向連接的MTJ元件的Imu能力，將 該自由層106的磁矩自反平行態(tài)切換成平行態(tài)。曲線313與圖2的曲線310具有相同的特 性。因此，曲線313的Imtt能力遭受如曲線310的源極退化效應(yīng)。然而，基于Imtt(AP —P) 的要求較不嚴(yán)格，可觀察到的是曲線313的Imtt能力仍可支持Imtt(AP — P)如圖4的右上象 限所示。因此，所述存儲單元具有反向連接的MTJ元件仍然能夠可靠地自“1”狀態(tài)切換至 “0”狀態(tài)。有鑒于此，相對于圖1的存儲單元，圖3的存儲單元具有反向連接的MTJ元件100 將導(dǎo)因于源極退化效應(yīng)的較低的Imtt能力運用到較不嚴(yán)格的Imtt(AP — P)的要求，而對較嚴(yán) 苛的—AP)要求仍保留較高的Ito能力。如圖4中所示，本發(fā)明所揭示的實施例整體 結(jié)合曲線301的“ 1，，狀態(tài)、曲線304的“0”狀態(tài)、該Imtj (AP — P)、以及Imtj (P — AP)于Imtj 能力曲線312和313，有助于確保該MTJ元件100能夠可靠地于兩方向之間切換。圖3的存儲單元所存儲的位元值，由該MTJ元件100的磁化方向表示，可借由測量 讀取電流，由該MTJ元件100的電阻所決定。讀取電流的測量方式可借由施以一電壓至位元 線BL 120以及借由字元線WL 130開啟該切換元件110。當(dāng)該自由層106的磁矩為平行時， 也即當(dāng)MTJ元件100存儲“0”位元時，該MTJ元件100的電阻為低阻態(tài)。測量電流會較高 如圖4的“0”狀態(tài)曲線304所示。相對地，當(dāng)該自由層106的磁矩為反平行時，也即當(dāng)MTJ 元件100存儲“1”位元時，該MTJ元件100的電阻為高阻態(tài)。測量電流會較低如圖4的“1” 狀態(tài)曲線301所示。圖5顯示根據(jù)本發(fā)明所揭示的一或多個的實施例的第一 MRAM存儲單元具有圖3 的反向連接的MTJ元件的剖面示意圖。所述存儲單元500可形成于一基底上，例如一半導(dǎo) 體基底包括例如硅、鍺、及/或一化合物半導(dǎo)體材料。該存儲單元的切換元件包括一半導(dǎo)體 層作為一有源區(qū)域501、一源極區(qū)域510、及一漏極區(qū)域520。該源極區(qū)域510通過一接觸層 CT 570耦接至該感測線SL 530。該字元線WL 540與有源區(qū)域501隔離，中間具有柵極絕 緣層502，提供柵極電壓以開啟該切換元件。該漏極區(qū)域520可耦接至該MRAM存儲單元的 MTJ元件560，是通過接觸層CT 570、第一金屬層(Ml) 581、第一導(dǎo)通孔(Vl) 591、第二金屬 層(M2) 582、第二導(dǎo)通孔(V2) 592、第三金屬層(M3) 581、第三導(dǎo)通孔(V3) 593、及第四金屬層 (M4) 584。為了形成柵極絕緣層502，將一介電層例如氧化硅沉積于該基底上，并且可借由光刻工藝將該介電層圖案化。為了形成SL 530、CT 570,Ml 581、Vl 59UM2 582、V2 592、M3 583、V3 593、和M4 584，可將金屬材料依序地沉積在該基底上，并借由光刻工 藝將該金屬材 料圖案化。所述存儲單元500具有反向連接的MTJ元件560可形成于M3層583和M4層584 之間。所述MTJ元件包括一自由層561、一隔離層562、及一固定層563。為了形成MTJ元 件560，可先沉積該自由層561，接著是隔離層562以及固定層563。該自由層561和固定層 563為鐵磁性材料。該自由層561和固定層563可包括Co、Fe、Ni、Mn、B、及/或上述金屬 的合金。該隔離層562具有非磁形組成，且由適當(dāng)?shù)牟牧蠘?gòu)成，其功能可作為電性絕緣體。 隔離層562可獨立地將自由層561與固定層563電性隔離，或者搭配其它層(未示出)夾 置于該自由層561和固定層563之間。該自由層561、隔離層562、及固定層563可借由傳 統(tǒng)的制成方法形成，例如光刻、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)、電化學(xué)沉積 法、分子操縱術(shù)、蝕刻法、化學(xué)機(jī)械拋光法、及/或其他工藝方法。所述存儲單元500具有反向連接的MTJ元件560的實現(xiàn)方式可借由將該自由層 561連接至該切換元件的漏極區(qū)域520，通過M4 584、V3 593、M3 583、V2 592、M2 582、Vl 591、Ml 581、和CT 570層，如先前段落中所描述。該MTJ元件560的固定層563可連接至 位元線BL 550，通過M3 583和V2 592層，其中固定層563可與M2 582層沉積在相同層上。另擇一地，該反向連接的MTJ元件的自由層可在自由層之前先沉積。圖6顯示根 據(jù)本發(fā)明所揭示的一或多個的實施例的第二MRAM存儲單元600具有圖3的反向連接的MTJ 元件的剖面示意圖。圖6的存儲單元的切換元件與圖5中的結(jié)構(gòu)相同，具有一有源區(qū)域601 與字元線WL 640借著柵極絕緣層602隔離，一源極區(qū)域610耦接至SL 630，通過接觸層CT 670，以及一漏極區(qū)域620耦接至第一金屬層(Ml)681，通過接觸層CT 670。所述MTJ元件660可形成于Ml層681和位元線BL 650之間，沉積于一上層金屬 上。為了形成該MTJ元件660，可先行沉積該自由層661，接著才是隔離層662和固定層663。 該反向連接的MTJ元件660的實現(xiàn)方式可借由將該自由層661連接至該切換元件的漏極區(qū) 域620，通過Ml層681和CT層670。該固定層663可直接連接至位元線BL 650。本發(fā)明雖以各種實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可做些許的更動與潤飾。本發(fā)明的保護(hù) 范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元，包括 一切換元件，包括一源極、一柵極和一漏極；以及一磁性穿隧結(jié)元件，包括一自由層、一固定層和一隔離層，其中該隔離層夾置于該自由 層與該固定層之間；其中該磁性穿隧結(jié)元件的自由層與該切換元件的漏極連接，該磁性穿隧結(jié)元件的固定 層與一位元線連接，該切換元件的柵極與一字元線連接，及該切換元件的源極與一感測線 連接。
2.如權(quán)利要求1所述的磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元，其中該自由層的一磁化方向 是借由自旋矩轉(zhuǎn)換切換。
3.如權(quán)利要求2所述的磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元，其中該自由層的磁化方向被 切換成平行于該固定層的磁化方向，將該磁性穿隧結(jié)元件的自由層施以一足夠的正電壓相 對于該磁性穿隧結(jié)元件的固定層，以產(chǎn)生所需的電流轉(zhuǎn)換電子的角動量，受極化而與該固 定層至該自由層的磁化方向成相同的方向。
4.如權(quán)利要求2所述的磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元，其中該自由層的磁化方向被 切換成反平行于該固定層的磁化方向，將該磁性穿隧結(jié)元件的固定層施以一足夠的正電壓 相對于該磁性穿隧結(jié)元件的自由層，以產(chǎn)生所需的電流轉(zhuǎn)換電子的角動量，受極化而與該 固定層至該自由層的磁化方向成相同的方向。
5.如權(quán)利要求3所述的磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元，其中該存儲單元的電流承載 能力大于切換該自由層的磁化方向成為平行于該固定層的磁化方向所需的電流。
6.如權(quán)利要求4所述的磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元，其中該存儲單元的電流承載 能力大于切換該自由層的磁化方向成為反平行于該固定層的磁化方向所需的電流。
7.—種磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元的制造方法，包括 形成一基底；形成一切換元件，該切換元件包括一源極區(qū)域、一有源區(qū)域和一漏極區(qū)域； 形成一磁性穿隧結(jié)元件，該磁性穿隧結(jié)元件包括一自由層、一固定層和一隔離層，其中 該隔離層夾置于該自由層與該固定層之間； 連接該源極區(qū)域至一感測線； 形成一寫入線以通過該有源區(qū)域控制該切換元件； 連接該漏極區(qū)域至該磁性穿隧結(jié)元件的自由層；以及 連接該磁性穿隧結(jié)元件的固定層至一位元線。
8.如權(quán)利要求7所述的磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元的制造方法，其中所述連接該 漏極區(qū)域至該磁性穿隧結(jié)元件的自由層的步驟包括形成一或多層金屬層，形成一或多個導(dǎo) 電孔，以及通過所述一或多層金屬層和所述一或多個導(dǎo)電孔連接該漏極區(qū)域至該自由層。
9.如權(quán)利要求7所述的磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元的制造方法，其中所述連接該 磁性穿隧結(jié)元件的固定層至該位元線的步驟包括形成一或多層金屬層，形成一或多個導(dǎo)電 孔，以及通過所述一或多層金屬層和所述一或多個導(dǎo)電孔連接該固定層至該位元線。
10.一種存儲器裝置，包括 一存儲單元包括 一基底；一切換元件，包括一源極區(qū)域、一有源區(qū)域和一漏極區(qū)域；一磁性穿隧結(jié)元件，包括一自由層、一固定層和一隔離層，其中該隔離層夾置于該自由 層與該固定層之間；一感測線，連接至該源極區(qū)域；一寫入線，以通過該有源區(qū)域控制該切換元件；以及一位元線，連接至該磁性穿隧結(jié)元件的固定層；其中該存儲單元的電流承載能力大于切換該自由層的磁化方向成為平行于該固定層 的磁化方向所需的電流，并且大于切換該自由層的磁化方向成為反平行于該固定層的磁化 方向所需的電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種存儲器裝置、磁性隨機(jī)存取存儲器的存儲單元及其制造方法，用于MRAM的反向連接的STT MTJ元件，當(dāng)切換該MTJ元件的磁化自平行至反平行方向時，用以克服源極退化效應(yīng)。一MRAM的存儲單元具有反向連接的MTJ元件，包括一切換元件，具有一源極、一柵極和一漏極，以及反向連接的MTJ元件具有一自由層、一固定層和一隔離層。該反向連接的MTJ元件的自由層與該切換元件的漏極連接，及該固定層與一位元線連接。該反向連接的MTJ元件運用該存儲單元的低IMTJ能力，致使源極退化效應(yīng)對IMTJ(AP→P)影響較不嚴(yán)厲，而保有較高的IMTJ能力因應(yīng)較嚴(yán)格的IMTJ(P→AP)需求。
文檔編號H01L43/12GK102074649SQ20101012132
公開日2011年5月25日 申請日期2010年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者劉明德, 林春榮, 王郁仁, 陳文正, 高雅真 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司