[发明专利]多层叠堆自旋转移力矩磁阻式随机存取存储器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明整体涉及一种自旋转移力矩磁阻式随机存取存储(STT-MRAM)器件，更具体地说，本发明涉及一种这样的多层叠堆STT-MRAM器件及其制造方法，该STT-MRAM器件包括相邻单元的分别在不同层中形成的磁性隧道结(MTJ)。

背景技术

动态随机存取存储器(DRAM)占有最大的存储器市场。DRAM包括用作1位的成对的MOS晶体管和电容器。因为DRAM通过将电荷存储在电容器中来写入数据，因此DRAM是一种需要周期性地执行刷新操作以避免丢失数据的易失性存储器。

作为非易失性存储器的实例，NAND/NOR闪速存储器与硬盘一样，即使电源关断也不会丢失所存储的信号。具体地说，在常见的存储器中NAND闪速存储器具有最高的集成度。这种闪速存储器由于可以制成体积小于硬盘因而重量较轻，并且耐物理冲击，存取速度高，功率损耗小。因此，已经将NAND闪速存储器用作可移动产品的存储介质。然而，闪速存储器的速度比DRAM的速度慢，并且具有高的操作电压。

存储器的用途是各式各样的。如上所述，因为DRAM和闪速存储器具有不同的特性，因而分别适合于不同的产品。近来，已经做出各种尝试来开发兼具这两种存储器的优点的存储器。例如，相变RAM(PCRAM)、磁阻式RAM(MRAM)、聚合物RAM(PoRAM)、以及电阻式RAM(ReRAM)。

在这些存储器中，MRAM利用由磁性物质的极化变化所产生的电阻变化作为数字信号，该存储器在低容量产品的商业化上是一种成功的存储器。此外，即使在暴露于辐射的情况下，利用磁性的MRAM也不会损坏，从而使其成为最稳定的存储器。

然而，包括与字线平行的数字线的传统MRAM利用当电流同时在位线和数字线中流动时所产生的磁场的矢量相加来写入数据。也就是说，传统MRAM需要包括位线和附加的数字线。因此，单元尺寸变得较大，并且与其它存储器相比单元效率降低。此外，当传统MRAM选择一个单元来写入数据时，未选择的单元暴露在磁场中，这被称为半选择(half-selection)现象。因此，会发生使相邻单元反转的恼人现象。

近来，已经开发出来一种STT-MRAM，该存储器不需要数字线从而促进了小型化，并且避免了由于写入模式下的半选择而产生恼人现象。STT-MRAM利用一种自旋转移力矩(spin transfer torque)现象。当具有对准的自旋方向的高密度电流流过铁磁体(ferromagnet)时，若铁磁体的磁化方向与电流的自旋方向不同，则铁磁体的磁化方向转变为电流的自旋方向。

图1是示出普通STT-MRAM的电路图。

STT-MRAM可以包括连接在位线BL0、BL1和电源线SL0至SL3之间的MTJ和晶体管。

当读出/写入数据时，根据通过字线WL0至WL3施加的电压使连接在电源线SL0至SL3和MTJ之间的晶体管导通，因而电流在电源线SL0至SL3和位线BL0、BL1之间流动。在字线WL0至WL3之间形成虚(dummy)字线DWL。根据形成源极/漏极的工序，可以不形成虚字线DWL。

连接在位线BL与晶体管的源极/漏极区域之间的MTJ包括两个磁体层以及位于这两个磁体层之间的隧道阻挡物。底部磁体层包括磁化方向固定的固定(pinned)铁磁体层。顶部磁体层包括自由铁磁体层，该自由铁磁体层的磁化方向根据施加到MTJ上的电流方向改变。

MTJ写入数据“0”或“1”，这是因为MTJ的电阻值根据电流方向改变。也就是说，当电流从电源线SL流向位线BL时，自由铁磁体层的磁化方向转换成与固定铁磁体层的磁化方向平行，从而存储数据“0”。另一方面，当电流从位线BL流向电源线SL时，自由铁磁体层的磁化方向转换成与固定铁电体层的磁化方向逆平行，从而存储数据“1”。

通过根据MTJ的磁化状态检测流过MTJ的电流量的差异来读出存储在MTJ中的数据。

图2是示出图1的电路的剖视图。

在具有器件隔离膜(FOX)2和有源区3的硅基板1上形成栅电极4。在栅电极4之间形成连接插塞触点(landing plug contact)5。

在连接插塞触点5上形成电源线触点6和底部电极触点8。电源线触点6将电源线7连接至连接插塞触点5。底部电极触点8将MTJ连接至连接插塞触点5。MTJ形成在同一表面上。

然而，当芯片尺寸变小时，在相邻的MTJ之间产生磁场干扰现象。也就是说，随着MTJ之间的距离变小，因为相同磁极的干扰而使得自由铁磁体层的磁化方向转变。