专利名称：非直角mram组件的制作方法
技术领域：
本案是有关一般的半导体组件的建构，特别是，一种磁性随机存取内存(magnetic random access memory，MRAM)组件。
背景技术：
半导体用于集成电路以应用在电子上，包括，例如收音机、电话、行动电话与个人计算机装置等。半导体装置的一种型式为一半导体储存装置，例如，一种动态随机存取装置(DRAM)与一种闪存，使用一种电子电荷来储存信息。
内存装置最近的发展为牵涉到自旋电子学(spin electronics)，其结合半导体技术与磁学。一个电子的旋转，而不是电荷，被用来指示“1”或“0”的存在，一种此类的自旋电子装置为一磁性随机存取内存(MRAM)，包含导线，系垂直于其它导线而设置在不同金属层中，该导线把一磁性堆栈夹在中间，导线相交的地方称为一交叉点。经由其中一个导线的电流产生一个在导线周围的磁场与将磁极定向在沿着接线或是导线的特定的方向上，经由其它导线的电流会引发磁场并且也可以部分旋转该磁极。数字信息，以“1”或“0”表现，是可储存在磁距的校正上，磁性组成的电阻是依据力距的校正。储存的资料经由检测组成分的抵抗状况而由组件中读取，一个内存胞元可经由在具有行与列的矩阵结构中设置导线与交叉点而被建构。
与传统的半导体装置，例如动态随机存取内存(DRAM)，相比较，磁性随机存取内存(MRAMs)的优点为非依电性(non-volatile)。例如，利用磁性随机存取内存(MRAM)的一个人计算机(PC)将不会有与利用动态随机存取内存(DRAM)的传统个人计算机一样长的“激活”时间。同样地，磁性随机存取内存(MRAM)不需要被上电(powered up)并且具有“记住”储存资料的能力。
现今，磁性随机存取内存(MRAM)设计的优点是需要大量的电流来转换胞元，意即必须通过位线与字符线的电流量是高的，因此，需要使用大量的电力。
在此技术领域中所需要的是一种需要较少电流与电力以转换内存胞元之有抵抗状态或是逻辑状态之磁性随机存取内存(MRAM)的设计。
发明概述本案所达成的技术上的优点为非直角的磁性随机存取内存(MRAM)装置比习用的磁性随机存取内存(MRAMs)需要较少电流与电力来对内存胞元的逻辑状态进行充电。位线与字符线彼此形成非直角，那就是，除了90度以外的角度，较佳的范围是从稍微大于0至小于90度。
本案所揭露的一种半导体内存装置包含至少一个第一导线、至少一个内存储存胞元，系设置于该第一导线之上，以及至少一个第二导线，系设置于该第一导线之上。此第二导线与该第一导线成非直角而被设置，以及此内存储存胞元具有基于一星状曲线(asteroid-shapedcurve)的材料特性。
本案亦揭露一种磁性随机存取内存(MRAM)装置，包含复数个第一导线、位于该第一导线之上的第二导线且其被设置与该第一导线成除了90度以外之角度，以及复数个的内存储存胞元，其设置系邻近于第一与第二导线并且位于两者之间。
本案另外揭露一种设计磁性随机存取内存(MRAM)装置的程序之方法，包含经由第一导线发送一第一电流，其中该第一电流于该第一导线周围产生一第一电磁场，以及经由第二电流发送一第二电流，其中该第二电流于该第二导线周围产生一第二电磁场，其中该第二电场系不同于该第一电场。
本案的优点包含降低在一字符线及/或一位线中转换储存在内存胞元的电荷所需要的电流量，而降低电流可节省内存装置的电力。由于电子迁移现象所导致内存装置的损害与减少的寿命，也可经由在字符线与位线较低电流的使用而减轻。
图标简单说明本案以上所述的特征将可由以下的实施例说明与参考图标之特征而得到充分了解。
第一图显示习用的磁性随机存取内存(MRAM)装置的透视图，其具有垂直于位线的字符线；第二图与第三图显示习用的磁性随机存取内存(MRAM)装置的俯视图，其具有垂直于位线的字符线；
第四图显示表示使用在一习用磁性随机存取内存(MRAM)装置的磁性材料的磁滞现象特性的星状曲线；第五图A与第五图B显示本案较佳实施例的布局(layouts)的俯视图；第六图A与第六图B显示本案较佳实施例中具有不同方向比例(aspect ratio)以及字符线与位线形成非直角的角度的俯视图；第七图显示依照本案的星状曲线；第八图显示现在的磁性随机存取内存(MRAM)装置的一个实施例之透视图；第九图显示现在的磁性随机存取内存(MRAM)装置的一个实施例之横向剖面图；以及第十图显示根据本案之具有设置在非直角导线间的两个或更多磁性堆栈的磁性随机存取内存(MRAM)装置。
在不同的图标中，对应的数字与符号系与对应的部分相关联，除非用别的方式来表示，所绘制的图标是用来清楚的说明本案较佳实施例有关的观点且并非必须按比例来绘制。
较佳实施例说明以下将经由一些较佳实施例与一些本案的优点来讨论习用的直角随机存取内存(MRAM)设计。
第一图系显示一个习用的磁性随机存取内存(MRAM)装置10的透视图，其具有被设置与位线22成直角的字符线12，意即字符线12与位线22的角度为垂直的或者是等于90度。一个磁性堆栈14被设置在邻近字符线12与位线22且在两者之间，磁性堆栈14包含，例如，一软层16、一隧道层或隧道接面18以及一硬层20。如上所述，经由发送穿越字符线12与位线22的电流，一个逻辑状态是可储存在磁性堆栈中的磁距的校正中。
第二图系显示习用的磁性随机存取内存(MRAM)装置的俯视图，其中字符线系以一90度的角度24垂直于位线22，并显示具有一方向比例为1∶1的一隧道接面(TJ)18。第三图系显示另一个习用的磁性随机存取内存(MRAM)装置，其中字符线垂直于位线22，以及具有一方向比例为2∶1的一隧道接面(TJ)18。
第四图系显示代表磁性堆栈14内存胞元材料的磁滞现象特性之一星状曲线30以及显示寻址一磁性随机存取内存(MRAM)内存装置习用的方法。Hx轴代表由一位线22所产生的一电磁场，其系藉由使一电流流经位线22而产生，此电磁场的产生系符合电磁的“右手定律”。同样的，Hy轴代表由一字符线12所产生的一电磁场，其系藉由使一电流流经字符线12而产生。沿着Hy轴的向量32代表由一正与负电流所产生的电磁场，其分别地流经一位线22以写入一逻辑的“0”或是“1”至一内存胞元(磁性堆栈14)中。由习用的星状30所示，字符线电流由向量32保持是正的来表示，并且常常做为一激活的电流。
为了转换内存胞元的有抵抗的状态或是逻辑的状态，经由向量34与向量32相加所得的向量36代表由字符线与位线电流所产生的两个电场的叠置(superposition)，必须达到在第1象限中在星状曲线30上的一点。例如，为了写入一逻辑的“0”至一磁性堆栈14中，一个电流产生由向量34所表示的一电磁场，系经由位线22而运转，并且一个电流产生由向量32所表示的一电磁场，系经由字符线12而运转。组合向量36完全地达到星状曲线30，此向量36表示最小的电磁场(与相关联的电流)必须被提供在字符线12与位线22上以转换胞元14。同样地，为了写入一逻辑的“1”至一内存胞元14中，一个电流产生沿着Hx轴的向量38所表示的一电磁场，系经由位线22而运转，并且一个电流产生由沿着Hy轴的向量32所表示的一电磁场，系经由字符线12而运转，并产生一组合向量40，其达到在第二象限中的星状曲线30。习知技艺中，由向量32与向量34所表示的电磁场具有相等的振幅。
在星状曲线30中所示，向量34与向量32系以彼此垂直的方式设置。因为习用的磁性随机存取内存(MRAM)装置10的字符线12与位线22以彼此垂直的方式运转，所以由此等向量所表示的电磁场系成直角。使字符线12垂直于位线22的方式运转的问题是用来转换内存胞元所必须提供的电流常常极高，例如5到10毫安，因此磁性随机存取内存(MRAM)装置10需要大量的电力。再者，因为字符线12与位线22常常非常的小，例如，0.1μm宽，电子迁移现象是一个问题。字符线12与位线22的金属化材料可自流经他们的高电流迁移，其可导致在特定位置的金属的累积并且产生在字符线12与位线22的短路或是打断。
本案解决了在习知技术领域中为了转换内存胞元14的逻辑状态需要高电流与电力的问题，第五图A显示本案的布局的一个实施例，字符线112系以与位线122成非直角的方式设置，以俯视图显示之。较佳地，角度124是除了90度以外的一个角度，例如，在大约0度与大约小于90度之间，例如，如图所示的大约60度的角度。所显示的角度124系为在一字符线112的中线126与一位线122的中线128之间的角度，如一个实例，角度124的范围可从10至80度。
第五图A所显示的实例中，磁性堆栈114的隧道接面118较佳具有一方向比例是在1∶2与1∶3之间。如所示，该磁性堆栈114其形状较佳是一长方形。再者，所显示之实例具有之字符线112并无从字符线到字符线的交错，例如，在中间字符线112中的隧道接面118之右边缘162并没有与一邻近的隧道接面118的左边缘166重叠或交错，其中该邻近的隧道接面118系位于较低字符线112之中。
第五图B显示一磁性随机存取内存(MRAM)装置200的另一实施例，其具有的字符线212系以与位线222成非垂直地设置，如以小于90度的一角度224呈现。在此实例中，所显示的隧道接面218具有一不规则四边形的形状。然而，第五图A所显示的长方形隧道接面是本案实施例中较佳的隧道接面形状。
第六图A与第六图B显示本案另一个实施例，其具有不同的方向比例与非直角的角度324与角度424，隧道接面318/418的大小与方向比例会影响角度324与角度424。第六图A显示隧道接面318的方向比例为1∶2的一个实施例，此导致一降低的非直角的角度324，同时也导致隧道接面318的交错。隧道接面的“交错”术语于此系被用来指出此隧道接面318正被转移至即将发生的字符线中的隧道接面318，此隧道接面318的交错可经由观察在中间的字符线112中的隧道接面318的右边缘364并对照在底部字符线中的隧道接面318的左边缘366而可说明之，此中间隧道接面的右边缘364系与中间隧道接面318的左边缘366部分重叠。
第六图B系显示根据本案之一磁性随机存取内存(MRAM)装置400，其中隧道接面418的方向比例为1∶2，此导致一甚至更低的，例如比在第六图中的角度324更小，非直角的角度424，同时也导致隧道接面418的列甚至更多的交错。隧道接面418的交错或部分重叠可藉由检查中间字符线412的隧道接面418的右边缘462与较低的字符线412的中间隧道接面418的左边缘466对照而得以观察。
第七图显示一星状曲线130与由流经非直角字符线112/212/312/412与位线122/222/322/422的电流所产生的向量，并阐明寻址一个根据本案的内存装置较佳的方法。为了写入一个逻辑的“1”至根据本案的一个非直角磁性随机存取内存(MRAM)装置100，使一正电流流经一字符线112，以向量132表示，一负电流流经一位线122，以向量142表示，并显示一组合向量144达到在第二象限的星状曲线。再次参照第四图所示的习知的星状曲线30，需注意的是，用来转换非直角磁性随机存取内存(MRAM)胞元100至一逻辑的“1”所需的电流量较小，例如在第七图中的9毫安相对于第四图中的11毫安，此可由与习知的向量28相比，位线向量143具有较小的数值而可观察到。
再次参照第七图，同样地，用来转换一非直角磁性随机存取内存(MRAM)100的内存胞元至一逻辑的“0”所需的电流量较小，一负电流，以向量148表示，流经一字符线112，以及一正电流，以向量146表示，流经一位线122。如所示，第四象限的组合向量150达到星状曲线130。再次比较第七图的向量146与第四图的向量32，很明显的，转换非直角磁性随机存取内存(MRAM)100至一逻辑的“0”所需要在位线122上的电流量较小。当使用较小的电流，对内存胞元118的逻辑状态充电时，内存装置100所消耗的电力较少。
在第七图的星状曲线中亦显示使用位线与字符线电流的能力，而电流可产生不同的电磁场用以设计一内存胞元，例如，以向量142表示的电磁场不同予以向量132表示的电磁场，如向量142比向量132为小。
注意在第七图中，需要一的负字符线电流148来改变内存胞元的逻辑状态成为“0”。此并不是疑难的，因为在习用的磁性随机存取内存(MRAM)装置10中，因不断地使电流流经导线，在导线中铜与其它导电金属可能的累积，周期性地，使字符线电流被反向以减轻电子迁移现象的影响。例如，在先前技术中，字符线电流可以每秒转换或每秒写入的方式而被反向。
第八图显示根据本案的非直角磁性随机存取内存(MRAM)装置100的透视图，以及第九图显示现在的磁性随机存取内存(MRAM)装置100的横向剖面图。
接下来将说明根据本案来制造非直角磁性随机存取内存(MRAM)装置100/200/300/400的方法流程，系参照第九图。
提供一工作部件111，典型地是包含在一单晶硅上的氧化硅，并未显示，此工作部件亦可包含其它的导电层或是其它的半导体组件，例如，晶体管、二极管、通孔等。例如，化合物半导体如砷化镓、磷化铟、硅/锗与碳化硅可被用来取代硅。
一介电层111被沉积在工作部件之上，此介电层111可包含氧化硅并且亦可包含一低介电常数材料或者是其它的介电材料。其它适合的介电的例子包括例如，丝TM、添加氟素的硅玻璃与FoxTM。而介电层113可包含，例如，几个介电材料的层，并未显示。
地一导线112被形成在工作部件之上而在介电层113之内，第一导线112较佳是包含铜、铝、其化合物、或是其它的金属，第一导线112可被形成在一第二金属化层(M2)内，例如，然而第一导线112可被形成在其它的金属化层内。
磁性堆栈114被形成在导线112之上，其包含一底部金属堆栈120、一隧道接面118与一顶端金属堆栈116。底部金属堆栈120，在习知技术中为一硬层，系被沉积在第一字符线112之上。底部金属堆栈120较佳是包含复数个金属层，其包含锰化铂、铁化钴、钌与铁化镍，例如，然而亦可使用其它适合的磁性材料与金属层的型式。一般使用4到8层在底部金属堆栈120，不同的技术，例如物理气相沉积(PVD)、离子束溅镀(ion beam sputtering)、蒸镀与化学气相沉积(CVD)，可被用来沉积底部金属堆栈140的磁性层。因为每个层非常的薄，例如，大部分的层是＜100埃，这些层最好是以物理气相沉积(PVD)来沉积。且底部金属层140的厚度较佳是在200至400埃之间。
磁性堆栈114也包含一薄介电层118，通常是被归成如隧道层或是隧道接面，其被沉积在底部金属堆栈120之上。隧道接面118较佳可包含，例如，氧化铝(Al2O3)，其厚度最好是在10-15埃之间。
磁性堆栈114也包含一顶端金属层116，通常是被归为一软层，被沉积在绝缘层118之上。顶端金属层116包含例如复数个磁性层并且可包含使用在形成底部金属层120的类似方法与类似的材料。磁性层116的总厚度可为，例如，500埃。
第二导线122被形成在磁性堆栈114与第一导线112之上并以与第一导线112成一非直角与非垂直的角度而形成。第一导线112与第二导线122作用为磁性随机存取内存(MRAM)数组的位线或字符线，第二导线122可被形成在一第三金属化(M3)层之内，例如，然而第二导线122亦可被形成在其它的金属化层内，然后进行随后的处理步骤。
本案所达成技术上的优点为一非直角磁性随机存取内存(MRAM)装置100/200/300/400，其所需要流经字符线112/212/312/412及/或位线122/222/322/422以转换内存胞元114/214/314/414的逻辑状态的电流较少，因此，写至磁性随机存取内存(MRAM)装置所需的电力也因而较少并且可降低字符线与位线的电子迁移现象。所以，本案提供一种比习用的磁性随机存取内存(MRAMs)更坚固耐用且具有较长寿命的磁性随机存取内存(MRAM)装置。
本案于此已描述在一磁性随机存取内存(MRAM)装置首先的使用方式，然而，非直角的第一与第二导线，在与任何具有以一磁滞回线(hysteresis loop)或是星状曲线为基础的材料特性的内存储存胞元一起使用时，也是有帮助的。复数个磁性堆栈514包含隧道接面TJ2(518)，其可被沉积在位线22之上且在位线22与可包含非直角的字符线512及/或位线的另外的金属化层(M3)之间，如根据本案之第10图所示。
本案已经以说明性的实施例来说明，然此说明并非打算被建构在一限制的型态，本案得由熟悉此技艺之人任施匠思而为诸般修饰，再者，本案中的程序步骤次序可由熟悉此技艺之人加以重新排列，但仍然在本案的范围之内，因而任何的修饰或实施例皆不脱如附申请范围所欲保护者。此外，本案的保护范围并不被限定在说明书中所述之程序、机器、制造、物质组成、工具、方法与步骤等的特定实施例。同样地，所附之申请专利范围打算包含此等的程序、机器、制造、物质组成、工具、方法与步骤的范围。
权利要求
1.一种半导体内存装置，系包含至少一第一导线；至少一第一内存储存胞元，系设置在该第一导线之上，该第一内存储存胞元具有依据一星状曲线之材料特性；以及至少一第二导线，系设置在该第一内存储存胞元之上，其中该第二导线系与该第一导线成非直角的方式而设置。
2.如申请专利范围第1项所述之内存装置，其中该第一导线与第该第二导线间的角度是在10至80度之间。
3.如申请专利范围第2项所述之内存装置，其中该内存装置是一磁性随机存取内存(MRAM)，其中第一内存储存胞元包含一磁性堆栈，该磁性堆栈包含一信道接面。
4.如申请专利范围第3项所述之内存装置，其中该信道接面具有一纵横比系在大约1∶1与大约1∶3之间。
5.如申请专利范围第3项所述之内存装置，其中该第一导线包含字符线以及该第二导线包含位线。
6.如申请专利范围第5项所述之内存装置，其中储存在该信道接面中的一逻辑状态可经由改变流经该字符线的一电流与改变流经该位线的一电流而被切换。
7.如申请专利范围第3项所述之内存装置，其中该信道接面包含一长方形的形状。
8.如申请专利范围第3项所述之内存装置，其中该信道接面包含一不等边四边形的形状。
9.如申请专利范围第3项所述之内存装置进一步包含至少一第二内存储存胞元，系设置在该第二导线之上；以及至少一第三导线，系设置在该内存储存胞元之上，其中该第三导线系与该第二导线成非直角的方式而设置。
10.如申请专利范围第9项所述之内存装置，其中第一内存储存胞元包含一磁性堆栈，该磁性堆栈包含一信道接面。
11.一种磁性随机存取内存(MRAM)装置，系包含复数第一导线；复数第二导线，系设置于该第一导线之上，该第二导线与该第一导线系成除了90度以外之角度；以及复数第一内存储存胞元，系设置在该第一导线与该第二导线间并邻接该第一导线与该第二导线。
12.如申请专利范围第11项所述之磁性随机存取内存(MRAM)装置，其中该第一内存储存胞元具有依据一星状曲线之材料特性。
13.如申请专利范围第12项所述之磁性随机存取内存(MRAM)装置，其中该第一内存储存胞元包含一第一磁性堆栈，该第一磁性堆栈包含一信道接面。
14.如申请专利范围第13项所述之磁性随机存取内存(MRAM)装置，其中该信道接面具有一纵横比系在大约1∶1与大约1∶3之间。
15.如申请专利范围第13项所述之磁性随机存取内存(MRAM)装置，其中该信道接面包含一长方形的形状。
16.如申请专利范围第13项所述之磁性随机存取内存(MRAM)装置，其中该信道接面包含一不等边四边形的形状。
17.如申请专利范围第13项所述之内存装置进一步包含复数第二内存储存胞元，系设置在该第二导线之上；以及复数第三导线，系设置在该第二内存储存胞元之上，其中该第三导线系与该第二导线成非直角的方式而设置。
18.如申请专利范围第17项所述之磁性随机存取内存(MRAM)装置，其中第二内存储存胞元包含一第二磁性堆栈，该第二磁性堆栈包含一信道接面。
19.如申请专利范围第13项所述之磁性随机存取内存(MRAM)装置，其中该第一导线包含字符线以及该第二导线包含位线。
20.如申请专利范围第13项所述之磁性随机存取内存(MRAM)装置，其中储存在该信道接面中的一逻辑状态可经由改变流经该字符线的一电流与改变流经该位线的一电流而被切换。
21.一种制造一半导体内存装置的方法，系包含(1)形成至少一第一导线；(2)形成至少一设置在该第一导线之上的内存储存胞元，其中该内存胞元系具有依据一星状曲线之材料特性；以及(3)形成至少一在该内存储存胞元之上的第二导线并与该第一导线成非直角的设置。
22.如申请专利范围第21项所述之方法，其中该内存装置包含一磁性随机存取内存(MRAM)，其中形成一储存胞元包含形成具有信道接面的一磁性堆栈。
23.如申请专利范围第21项所述之方法，其中该信道接面具有一纵横比系在大约1∶1与大约1∶3之间。
24.如申请专利范围第21项所述之方法，其中该信道接面系为长方形。
25.如申请专利范围第21项所述之方法，其中该信道接面系为不等边四边形。
26.如申请专利范围第21项所述之方法，其中该第一导线包含字符线以及该第二导线包含位线。
27.一种设计一磁性随机存取内存(MRAM)装置的方法，该磁性随机存取内存(MRAM)包含复数第一导线、复数设置于该第一导线之上的第二导线以及复数设置于该第一与该第二导线间且位于其接面的内存储存胞元，该方法包含(1)发送流经该第一导线的一第一电流，其中该第一电流在该第一导线周围产生一第一电磁场；以及(2)发送流经该第二导线的一第二电流，其中该第二电流在该第二导线周围产生一第二电磁场，其中该第二电磁场系不同于该第一电磁场。
28.如申请专利范围第27项所述之方法，其中该内存储存胞元具有依据一星状曲线之材料特性。
29.如申请专利范围第27项所述之方法，其中该第二导线与该第一导线成非直角的设置。
全文摘要
一种磁性随机存取内存(100)与其制造方法，其具有与位线(122)成非直角的字符线(112)，其结果为较低的电流与电力消耗。
文档编号G11C11/16GK1488146SQ02804075
公开日2004年4月7日 申请日期2002年1月24日 优先权日2001年1月24日
发明者H·霍恩格斯米德, H 霍恩格斯米德 申请人:因芬尼昂技术北美公司