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技术

本发明专利技术公开了一种具有垂直结构晶体管的磁性随机存取存储器，它具有比ＳＲＡＭ快的存取时间、与ＤＲＡＭ相似的高密度以及类似快闪存储器的非易失性的特性。磁性随机存取存储器包括一个垂直结构晶体管、一条包括该晶体管的第一字线、一条连接该晶体管的接触线、一个沉积在接触线上的磁性隧道结单元、一个形成在磁性隧道结单元上的位线，以及一条形成在磁性隧道结单元位置处的位线上的第二字线。通过这种公开的结构，在使用简化的制造过程的同时，可以提高半导体器件的集成密度、提高短沟道效应，并提高电阻的控制率。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。在MTJ单元100中存储信息的过程中，场效应晶体管处于截止状态，并且通过给作为写入线的第二字线47和位线61施加电流而产生磁场来控制自由铁磁层59的磁化方向。当同时给位线61和写入线47施加电流时，所产生的磁场在两金属线的垂直交叉点处最强。例如，这可以用于从多个单元中选取一个单元。下面描述MRAM中MTJ单元100的操作。当电流在MTJ单元100中在垂直方向上流动时，隧道电流流经中间层绝缘膜。当隧道结层57和自由铁磁层59具有相同的磁化方向时，此隧道电流增大。但是，当隧道结层57和自由铁磁层59具有不同的磁化方向时，由于隧道磁电阻(tunneling magnetoresistance)(TMR)效应，隧道电流下降。检测由于TMR效应所致的隧道电流幅值的减小，因此检测自由铁磁层59的磁化方向，该方向从而确定储存在MTJ单元100中的信息。如上所述，常规MRAM包括一个水平结构的晶体管和垂直叠置在晶体管上部的MTJ单元，其中该晶体管具有作为第二字线的写入线。为了形成MRAM，在形成MTJ单元的器件下部处的表面粗糙度应控制在纳米公差内。但是，因为在MTJ单元之下有一个第二字线和接触线，所以很难将器件下部处的表面粗糙度限定在纳米范围内。因为MRAM器件的结构总的来说比DRAM的更复杂，所以总体上，MRAM需要每个单位单元总共有四条金属线，即两条字线，一条位线和一条地线。利用MTJ单元的MRAM潜在地可以提供高集成度，即，几千兆位至100千兆位范围的集成度。为了达到此集成度，增加晶体管的短沟道效应并控制电阻是很重要的因素。但是，随着晶体管尺寸变小，电阻更难于控制，并且晶体管的电阻和MTJ单元的电阻一起对单元的操作有很大的影响。
技术实现思路
根据一个实施例，磁性随机存取存储器包括一个垂直结构的晶体管；一个连接到形成在垂直结构晶体管一个侧壁处的栅电极上的读取线；形成在漏极结区上的磁性隧道结单元，其中漏极结区存在于垂直结构晶体管的上部之上；以及一条形成在磁性隧道结单元上部上的写入线。MRAM还包括一个垂直结构的晶体管；一条连接到垂直结构晶体管的栅电极上的第一字线；一条连接到垂直结构晶体管的接触线；一个形成在接触线上的MTJ单元；一条形成在MTJ单元上的位线；以及一条形成在MTJ单元上部之上的位线上的第二字线。另一实施例提供一种用于形成MRAM的方法，包括步骤通过利用活性掩膜(active mask)的光刻蚀刻半导体衬底以形成圆柱；在圆柱的侧壁形成一个栅极氧化层；通过驱入工艺(drive-in process)在衬底上和圆柱的顶部上执行高浓度杂质的离子注入，从而在圆柱的上侧形成漏极结区(drain junction region)，在延伸到衬底表面的圆柱的底部上形成源极结区(source junction region)；通过形成暴露漏极结区的用于栅电极的经平坦化的导电层，然后构图该经平坦化的导电层，形成栅电极的第一字线；形成一个经平坦化的第一中间绝缘层；形成一个经第一中间绝缘层接触漏极结区的接触线；在接触线之上形成一个半磁性层(semi-magnetic layer)、一个钉扎铁磁层(pinned ferromagnetic layer)、一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性随机存取存储器，包括： 一个垂直结构晶体管； 一条连接到形成在垂直结构晶体管的侧壁处的栅电极的读取线； 形成在漏极结区上的磁性隧道结单元，该漏极结区存在于垂直结构的上部之上；以及 一条形成在磁性隧道结单元上部上的写入线。

【技术特征摘要】
KR 2001-3-28 16309/011.一种磁性随机存取存储器，包括一个垂直结构晶体管；一条连接到形成在垂直结构晶体管的侧壁处的栅电极的读取线；形成在漏极结区上的磁性隧道结单元，该漏极结区存在于垂直结构的上部之上；以及一条形成在磁性隧道结单元上部上的写入线。2.如权利要求1所述的磁性随机存取存储器，其中，垂直结构晶体管具有一个垂直延伸到半导体衬底的圆柱。3.如权利要求2所述的磁性随机存取存储器，还包括形成在圆柱上部的漏极结区；形成在延伸至半导体衬底的圆柱的底部的源极结区；形成在圆柱中心的沟道区；以及形成在栅电极和圆柱侧壁之间圆柱侧壁处的栅极绝缘层。4.如权利要求1所述的磁性随机存取存储器，其中，读取线平行于写入线。5.如权利要求1所述的磁性随机存取存储器，其中，磁性隧道结单元具有与垂直结构晶体管、读取线、写入线、位线和圆柱所构成的组中的任意一个的宽度相同的宽度。6.一种磁性随机存取存储器，包括一个垂直结构晶体管；一个连接到垂直结构晶体管的栅电极的第一字线；一条连接到垂直结构晶体管的接触线；一个形成在接触线上的磁性隧道结单元；一条形成在磁性隧道结单元上的位线；以及一条形成在磁性隧道结单元上部之上的位线上的第二字线。7.如权利要求6所述的磁性随机存取存储器，其中，垂直结构晶体管包括一个圆柱、一个栅极氧化层和一个栅电极，其中栅极氧化层形成在具有源极结区和漏极结区的衬底的侧壁处。8.如权利要求7所述的磁性随机存取存储器，其中，漏极结区形成在圆柱的上部，并且源极结区形成在延伸到衬底表面的圆柱的底部。9.如权利要求6所述的磁性随机存取存储器，其中，圆柱高度大于0.5μm。10.如权利要求6所述的磁性随机存取存储器，其中，磁性隧道结单元是一种叠置结构，该结构包括半磁性层、钉扎铁磁层、隧道结层和自由铁磁层。11.如权利要求6所述的磁性随机存取存储器，其中，磁性隧道结单元具有等于位线和第二字线的交叉点面积的平面面积。12.如权利要求6所述的磁性随机存取存储器，其中，位线垂直于第一字线，且第二字线垂直于位线并平行于第一字线。13.一种用于形成磁性随机存取存储器的方法，包括步骤通过使用活性掩膜的光刻蚀刻半导体衬底，形成圆柱；在半导体衬底的整个表面上形成栅极氧化层；通过驱入工艺在衬底上和圆柱的顶部上执行高浓度杂质的离子注入，从而在圆柱的上侧上形成漏极结区，在延伸到衬底表面的圆柱的底部上形成源极结区；通过形...

【专利技术属性】
技术研发人员：车宣龙，
申请(专利权)人：海力士半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]