专利名称：单晶体管型磁随机存取存储器及其操作和制造方法
技术领域：
本发明涉及一种单晶体管型磁随机存取存储器及其操作和制造方法，更具体地，涉及一种读取流经晶体管沟道的电流值而非读取MTJ单元的电阻值的单晶体管型磁随机存取存储器、及其操作和制造方法，该晶体管具有由磁隧穿结(MTJ)形成的栅极。
背景技术：
作为一种非易失性存储器的磁随机存取存储器(MRAM)利用材料的磁特性来储存数据。MRAM可实现静态随机存取存储器(SRAM)的快读/写时间和动态随机存取存储器(DRAM)的高集成度，且原则上可在任何时间重写数据。
传统MRAM具有高的速度和低的驱动电压，于是具有作为存储器的理想条件。然而，因为传统MRAM通过沉积若干薄膜形成，所以其结构复杂，且其制造困难。此外，传统MRAM使用穿过隧道势垒的隧道电流来读取写入状态。因此，隧道势垒的寿命短，且需要额外的电路来读取隧道电流。
发明内容
为解决上述问题，本发明的第一个目的是提供一种单晶体管型磁随机存取存储器，以读取流经晶体管沟道的隧道电流值而非读取流经传统MTJ单元的隧道电流，该晶体管具有由磁隧穿结(MTJ)形成的栅极。
本发明的第二个目的是提供一种操作该单晶体管型磁随机存取存储器的方法。
本发明的第三个目的是提供一种制造单晶体管型磁随机存取存储器的方法。
因此，为了实现第一个目的，提供一种单晶体管型磁随机存取存储器。该单晶体管型磁随机存取存储器包括衬底、第一和第二掺杂区、栅极介电层、磁隧穿结、字线、位线和绝缘层。第一和第二掺杂区通过将掺杂剂注入到半导体衬底中形成，且彼此隔离。栅极介电层形成在半导体衬底的第一和第二掺杂区之间的部分上。磁隧穿结形成在栅极介电层上。字线形成在MTJ上，并在第一方向上延伸，该第一方向是与第二掺杂区相同的方向。位线在垂直于第一方向的第二方向上连接至第一掺杂区。绝缘层覆盖栅极介电层、MTJ和字线，以将栅极介电层、MTJ和字线与位线绝缘开。
第一和第二掺杂区、栅极介电层和MTJ构成单晶体管。
优选的是，第一掺杂区不与另一晶体管的第一掺杂区相连。
优选的是，字线和位线由金属形成。
单晶体管型磁随机存取存储器还可包括金属条带线，该金属条带线平行于相对于字线平行设置的源极，且与预定数量存储器的源极相连。
为了实现第二目的，提供一种操作单晶体管型磁随机存取存储器的方法。该方法包括(a)将电流Ix施加到位线上以寻址，将电流Iy施加到字线上，使MTJ的磁性层的磁化方向处于反平行方向，形成电阻R1，并在选定的存储单元中写入数据“1”；(b)将电流Ix施加到位线上以寻址，在与电流Iy相反的方向上将电流-Iy施加到字线上，使MTJ的磁性层的磁化方向处于平行方向，形成电阻R0，并在选定的存储单元中写入数据“0”；以及(c)将电压Vds施加到位线上，将电压Vin施加到字线上，检测从作为第一掺杂区的漏极流到作为第二掺杂区的源极的沟道电流，并读出在步骤(a)或(b)中存储的数据。
优选的是，步骤(c)通过经由连接至源极的检测放大器来检测沟道电流而进行。
在步骤(c)中，沟道电流可以自金属条带线探测，该条带线平行于与字线平行设置的源极并与预定数量的存储器的源极相连。
在步骤(c)中，沟道可以使用提前掺杂的耗尽型MOSFET，以准确地区分因电阻R1和R0之差导致的沟道电流差。
在步骤(c)中，脉冲电压可以施加到字线上，以读出因相应于沟道形成过程中的电阻R1和R0的时间弛豫导致的沟道电流变化。
为了实现第三个目的，提供一种制造单晶体管型磁随机存取存储器的方法。该方法包括(a)在衬底上顺序形成栅极介电层和MTJ形成层；(b)形成第一绝缘层以覆盖衬底上步骤(a)的所得层；(c)暴露MTJ的上部；(d)在MTJ的暴露部分上形成字线；(e)在第一绝缘层上形成第二绝缘层以覆盖字线；(f)通过将掺杂剂注入到衬底的MTJ和字线两侧的部分而形成源极和漏极；(h)在第二绝缘层上形成第三绝缘层，该第三绝缘层接触源极和漏极，并覆盖源极和漏极之间的叠层；以及(i)在第三绝缘层上形成位线，该位线接触漏极。
优选的是，步骤(a)包括构图叠置的层。
优选的是，步骤(d)包括构图字线。
优选的是，步骤(f)包括(f1)构图第一和第二绝缘层，以暴露衬底在栅极介电层和MTJ两侧的部分；以及(f2)将掺杂剂注入衬底的暴露部分，以形成分别为漏极和源极且彼此隔开的第一和第二掺杂区。
优选的是，步骤(i)包括(i1)构图第三绝缘层，以暴露漏极；以及(i2)在第三绝缘层上形成导电位线，该位线连接暴露的漏极。
通过结合附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的以上目的和优点将变得更清楚，其中图1是根据本发明优选实施例的单晶体管型磁随机存取存储器的单元阵列视图；图2是根据本发明优选实施例的单晶体管型磁随机存取存储器的横截面视图；图3A和3B是说明根据本发明优选实施例的单晶体管型磁随机存取存储器的写入操作的横截面视图；图4是说明根据本发明优选实施例的单晶体管型磁随机存取存储器的读出操作的横截面视图；图5是根据本发明优选实施例的单晶体管型磁随机存取存储器的读取操作过程中所施加电压和所测电压的变化的视图；图6是根据本发明优选实施例的单晶体管型磁随机存取存储器的单元阵列的示意性平面图；图7是自图6的线VII-VII截取的横截面视图；以及图8A至8H是说明制造根据本发明优选实施例的单晶体管型磁随机存取存储器的方法步骤的横截面视图。
具体实施例方式
以下，将参照
单晶体管型磁随机存取存储器及其操作和制造方法。
图1是具有根据本发明优选实施例的存储晶体管的半导体芯片中单元阵列的等效电路图。附图标记10表示单存储晶体管，且附图标记30表示将在后面说明的MTJ。附图标记B表示将存储晶体管10的漏极D彼此连接的位线，且附图标记W表示存储晶体管10的字线。附图标记P表示直接连接单元的源极S的板条线(plate line)，该板条线平行于字线W。探测放大器S/A连接板条线P。
单元阵列表示多个存储晶体管10纵向和横向排列。于是，在单元阵列中，相应于横向排列的存储晶体管10的数量的字线W和相应于纵向排列的存储晶体管10的数量的位线B排列得彼此垂直。板条线P平行于字线W，如图1所示。存储晶体管10的每个源极S连接于测量流经沟道的电流的装置。优选地，此装置是检测放大器S/A。然而，其它电流测量装置也可以连接存储晶体管10的源极S。
图2是根据本发明优选实施例的单晶体管型磁随机存取存储器的横截面视图。参照图2，存储晶体管形成在衬底20上。源极S和漏极D是自衬底20表面形成至预定深度的导电掺杂区。源极S和漏极D彼此间隔。栅极介电层22形成在衬底20的在源极S和漏极D之间的部分的表面上。MTJ30形成在栅极介电层22上。字线W形成在MTJ30上，该字线在平行于源极S的第一方向上延伸。位线B在垂直于字线W的第二方向上形成在字线W上方，该位线B连接漏极D。绝缘层24形成在位线B和顺序叠置的介电层22、MTJ30和字线W之间。绝缘层24将介电层22、MTJ30和字线W与位线B绝缘开。字线W用作图1所示的栅极G。
MTJ30具有一结构，在该结构中，隧道势垒层34形成在两个或更多个磁性层之间。MTJ30的下层32的磁化方向具有固定的磁化方向，且MTJ30的上层36的磁化方向通过施加的电场变成平行于或反平行于下层32的磁化方向。
漏极D彼此分离，以将各单元彼此绝缘，使得在以下将要说明的耗尽模式中测得的电流差易于区分。
字线W和位线B由金属层形成，以提供足以开关的电流。
根据本发明优选实施例的单晶体管型磁随机存取存储器的操作将在下文说明。
写入操作如图3A所示，第一电流Ix施加到位线B上以寻址，电流Iy施加到字线W上。于是，直流电在+y方向上流动。结果，磁场形成在顺时针方向上，于是MTJ30的上层36在-x方向上磁化，即，图3A中的左向。此处，如果MTJ30的下层32在+x方向上磁化，即图3A中的右向，则磁性层32和36如箭头所示在反平行方向上磁化。此时，在MTJ30中形成高电阻R1，且数据“1”写入选定的存储单元。
将参照图3B描述在存储单元中写入数据“0”的过程。首先向位线B施加寻址电流Ix，将与电流Iy方向相反的电流-Iy施加到字线W上。结果，在逆时针方向上形成磁场，以在x方向上磁化MTJ的上层36。此时，如果MTJ30的磁化方向为x方向，则磁性层32和36的磁化方向平行。此时，在MTJ30中形成低电阻R0，且数据“0”写入所选存储单元。
读出操作图4是阐明根据本发明优选实施例的存储器的读出操作的横截面视图。图5是根据本发明优选实施例的单晶体管型磁随机存取存储器的读出操作过程中所施加的电压和所测量的电压的变化视图。
参照图4和5，首先电压Vds施加到位线B上。在电压Vds稳定后，电压Vin施加到字线W上。于是，沟道形成在存储晶体管的源极S和漏极D之间。检测放大器S/A连接至源极S以检测来自源极S的沟道电流。沟道电流Ids随MTJ30的电阻R1和R0变化，于是“1”和“0”自沟道电流Ids得以区分。此时，其中沟道提前掺杂的耗尽型晶体管可以用于准确地区分沟道电流值。
由于电压Vin施加到字线W上，所以栅极电压Vg施加到栅极介电层22上，该栅极电压延迟一时间常数τ，该时间常数由MTJ30的电阻R1和R0以及栅极电容Cg的乘积决定。于是，如图5所示，利用相应于MTJ30的电阻R1和R0的大小的形成沟道的不同时间来区分MTJ30的电阻状态。结果，可以读出存储在存储单元中的数据。也即，自电压Vin施加到字线W上后开始的一预定时刻读出沟道电流Ids或沟道电流Ids的整数值，以区分电阻状态R1或R0。此外，沟道电流值可以在沟道形成之后改变。于是，通过在沟道形成之后测量沟道电流值，区分R1和R0值。
源极S具有高电阻，于是源极S中高速操作可能较难。为了解决此问题，如图6和7所示，作为低电阻线的金属条带线T平行于作为高电阻线的源极S设置。接着，预定数量存储器中位线之间的条带线T连接至条带线T下方的源极线S。结果，时间弛豫可以减小。图6和7中的附图标记T显示源极S和条带线T之间的接触表面。
图8A至8H是说明制造本发明存储器的方法的横截面视图。附图中相同的附图标记表示相同的元件，且其详细描述将略去。
如图8A所示，栅极介电层22和MTJ30顺序形成在半导体衬底20上。
如图8B所示那样构图衬底20上的叠层。
然后，第一绝缘层24a形成来覆盖衬底上的构图层，如图8C所示。
之后，构图第一绝缘层24a以显露MTJ30的上部中心部分，且导电字线W形成在MTJ30的暴露部分上和第一绝缘层24a的部分上。接着，字线W如图8D所示那样构图。
第二绝缘层24b形成在第一绝缘层24a上以覆盖字线W，如图8E所示。
然后，第一和第二绝缘层24a和24b得以构图，使得衬底20在栅极介电层22和MTJ30叠层的两侧的部分如图8F所示那样露出。
之后，掺杂剂注入到半导体衬底20的暴露部分中，以形成分别是漏极D和源极S且彼此间隔的第一掺杂区和第二掺杂区，如图8F所示。
接着，第三绝缘层24c形成在第二绝缘层24b上，接触源极S和漏极D，并覆盖源极S和漏极D之间的叠层，如图8G所示。
然后，构图第三绝缘层24c以暴露漏极D的一部分。接着，导电位线B形成来将漏极D的暴露部分彼此连接，如图8H所示。
如上所述，单晶体管型磁随机存取存储器具有简单的电路结构。于是，它易于使单晶体管型磁随机存取存储器具有高度集成的结构，且单晶体管型磁随机存取存储器的寿命可以延长。
虽然本发明已参照图示实施例进行了说明，但是附图仅用于说明目的。本发明的范围不必解释为受实施例限制。因此，对本领域普通技术人员而言，清楚的是，在不脱离本发明的精髓和范围的情况下可以作出对所述实施例的更改。因此，本发明的技术保护范围必须基于所附权利要求书的技术精髓确定。
权利要求
1.一种单晶体管型磁随机存取存储器，包括衬底；第一和第二掺杂区，该第一和第二掺杂区通过将掺杂剂注入到半导体衬底中形成，且彼此隔离；栅极介电层，该栅极介电层形成在半导体衬底的在第一和第二掺杂区之间的部分上；磁隧穿结，该磁隧穿结形成在栅极介电层上；字线，该字线形成在MTJ上，并在第一方向上延伸，该第一方向是与第二掺杂区相同的方向；位线，该位线在垂直于第一方向的第二方向上连接至第一掺杂区；以及绝缘层，该绝缘层用于覆盖栅极介电层、MTJ和字线，以将栅极介电层、MTJ和字线与位线绝缘开，其中，第一和第二掺杂区、栅极介电层和MTJ构成单晶体管。
2.如权利要求1所述的单晶体管型磁随机存取存储器，其中，第一掺杂区与另一晶体管的第一掺杂区隔开。
3.如权利要求1所述的单晶体管型磁随机存取存储器，其中，字线和位线由金属形成。
4.如权利要求1所述的单晶体管型磁随机存取存储器，其中还包括金属条带线，该金属条带线平行于相对于字线平行设置的源极，且与预定数量存储器的源极相连。
5.一种操作单晶体管型磁随机存取存储器的方法，该方法包括(a)将电流Ix施加到位线上以寻址，将电流Iy施加到字线上，使MTJ的磁性层的磁化方向处于反平行方向，形成电阻R1，并在选定的存储单元中写入数据“1”；(b)将电流Ix施加到位线上以寻址，在与电流Iy相反的方向上将电流-Iy施加到字线上，使MTJ的磁性层的磁化方向处于平行方向，形成电阻R0，并在选定的存储单元中写入数据“0”；以及(c)将电压Vds施加到位线上，将电压Vin施加到字线上，检测从作为第一掺杂区的漏极流到作为第二掺杂区的源极的沟道电流，并读出在步骤(a)或(b)中存储的数据。
6.如权利要求5所述的方法，其中，步骤(c)通过经由连接至源极的检测放大器来检测沟道电流而进行。
7.如权利要求5所述的方法，其中，在步骤(c)中，沟道电流可以自金属条带线探测，该条带线平行于与字线平行设置的源极并与预定数量的存储器的源极相连。
8.如权利要求5所述的方法，其中，在步骤(c)中，沟道使用提前掺杂的耗尽型MOSFET，以准确地区分因电阻R1和R0之间的差导致的沟道电流差。
9.如权利要求5所述的方法，其中，在步骤(c)中，脉冲电压施加到字线上，以读出因相应于沟道形成过程中的电阻R1和R0的时间弛豫导致的沟道电流变化。
10.一种制造单晶体管型磁随机存取存储器的方法，该方法包括(a)在衬底上顺序形成栅极介电层和MTJ形成层；(b)形成第一绝缘层以覆盖衬底上步骤(a)的所得层；(c)暴露MTJ的上部；(d)在MTJ的暴露部分上形成字线；(e)在第一绝缘层上形成第二绝缘层以覆盖字线；(f)通过将掺杂剂注入到衬底的在MTJ和字线两侧的部分内而形成源极和漏极；(h)在第二绝缘层上形成第三绝缘层，该第三绝缘层接触源极和漏极，并覆盖源极和漏极之间的叠层；以及(i)在第三绝缘层上形成位线，该位线接触漏极。
11.如权利要求10所述的方法，其中，步骤(a)包括构图叠置的层。
12.如权利要求10所述的方法，其中，步骤(d)包括构图字线。
13.如权利要求10所述的方法，其中，步骤(f)包括(f1)构图第一和第二绝缘层，以暴露衬底在栅极介电层和MTJ两侧的部分；以及(f2)将掺杂剂注入衬底的暴露部分，以形成分别为漏极和源极且彼此隔开的第一和第二掺杂区。
14.如权利要求10所述的方法，其中，步骤(i)包括(i1)构图第三绝缘层，以暴露漏极；以及(i2)在第三绝缘层上形成导电位线，该位线连接暴露的漏极。
全文摘要
本发明公开了一种单晶体管型磁随机存取存储器及其操作和制造方法。该单晶体管型磁随机存取存储器包括衬底、第一和第二掺杂区、栅极介电层、磁隧穿结、字线、位线和绝缘层。第一和第二掺杂区通过将掺杂剂注入到半导体衬底中形成且彼此隔离。栅极介电层形成在半导体衬底的第一和第二掺杂区之间的部分上。磁隧穿结形成在栅极介电层上。字线形成在MTJ上，并在与第二掺杂区相同方向的第一方向上延伸。位线在垂直于第一方向的第二方向上连接至第一掺杂区。绝缘层覆盖栅极介电层、MTJ和字线，以将栅极介电层、MTJ和字线与位线绝缘开。第一和第二掺杂区、栅极介电层和MTJ构成单晶体管。
文档编号H01L29/792GK1412847SQ0213214
公开日2003年4月23日 申请日期2002年9月3日 优先权日2001年10月18日
发明者金东煜, 柳寅儆, 石重铉, 李俊冀 申请人:三星电子株式会社