[发明专利]具有垂直结构晶体管的磁性随机存取存储器及其制造方法

说明书

                          技术领域

本发明涉及一种具有垂直结构晶体管的磁性随机存取存储器(以下称MRAM)，尤其涉及一种MRAM，它具有比SRAM(静态随机存取存储器)更快的存取时间、与DRAM(动态随机存取存储器)相似的高密度和类似快闪存储器的非易失性。

                          背景技术

作为下一代存储器中的一种，有一些半导体存储器制造厂商已经提出了利用铁磁材料的MRAM。MRAM是一种凭借形成多层铁磁薄膜并检测取决于各层薄膜的磁化方向的电流变化来读取和写入信息的存储器。MRAM器件具有高速度和低功耗，并且它因磁性薄膜的特殊性能而允许有高的集成度。类似于快闪存储器，它还执行非易失性存储操作。

MRAM中存储器的存储利用巨磁阻(简称‘GMR’)现象或自旋极化磁电输运(spin-polarized magneto-transmission)(SPMT)实现，在自旋极化磁电输运中，自旋影响电子输运。GMR器件依赖于磁阻的变化，该变化在其间具有一非磁性层的两个磁性层的自旋方向不同时发生。

SPMT技术利用这样一种现象，即，当其间具有绝缘层的两层磁性层中自旋方向相同时，传输较大的电流。这用于形成一种磁渗透结存储器(magnetic permeable junction memory device)。

尽管有这些技术，但MRAM的研究仍处于早期阶段，大部分研究集中在多层磁性薄膜的形成上。很少有对单位单元结构或(unit cell structure)外围检测电路进行研究。

图1是说明常规MRAM的截面图。图中所示的是形成在半导体衬底31上的一个栅电极33，即第一字线。在半导体衬底31上在第一字线33的两侧分别形成源极/漏极结区35a和35b。地线37a和第一导电层37b被形成来分别与源极/漏极结区35a和35b接触。此处，地线37a是在形成第一导电层37b的构图工艺过程中形成的。之后，形成一第一中间绝缘膜39以使所得结构的整个表面平坦，并且穿过第一中间绝缘膜39形成第一接触插塞41与第一导电层37b接触。

构图第二导电层，该层是一个与第一接触插塞41接触的下读取层43。形成第二中间绝缘膜45，以使所得结构的整个表面平坦，并且在第二中间绝缘膜45上形成一第二字线，即写入线47。形成第三中间绝缘膜48，以使第二字线47的上部平坦。

形成第二接触插塞49，以与第二导电层43接触。形成籽晶层51，而与第二接触插塞49接触。此处，形成籽晶层51以重叠在第二接触插塞49的上部和写入线47的上部之间。然后，形成第四中间绝缘层53，并平坦化该层以暴露籽晶层51。之后，在籽晶层51上叠置半铁磁层(semi-ferromagneticlayer)(未示出)、钉扎铁磁层(pinned ferromagnetic layer)55、隧道结层57和自由铁磁层(free ferromagnetic layer)59，籍此形成一个具有与写入线47一样大的构图尺寸并在该位置与写入线47重叠的磁性隧道结(MTJ)单元100。

此时，半铁磁层防止钉扎层55的磁化方向变化，并且隧道结层57的磁化方向固定在一个方向。自由铁磁层59的磁化方向可以通过施加外磁场改变，并且可以根据自由铁磁层59的磁化方向通过该器件储存‘0’或‘1’位。第五中间绝缘层60形成在整个表面上，并被平坦化以暴露自由铁磁层59，并且形成一个上读取层，即连接到自由铁磁层59的位线61。

操作中，MRAM单位单元包括一个由第一字线33形成的场效应晶体管、MTJ单元100和第二字线47，第一字线33是用于读取信息的读取线。第二字线47是一条通过施加电流以形成外磁场来决定MTJ单元100的磁化方向的写入线。场效应晶体管还包括位线61，它是一个用于通过对MTJ单元100施加在垂直方向上流动的电流来决定自由铁磁层59磁化方向的上读取层。

为了从MTJ单元100中读取信息，对作为读取线的第一字线33施加电压。这导通场效应晶体管，并且通过检测施加到位线61上的电流的大小，确定MTJ单元100中自由铁磁层59的磁化方向，并读取其状态。