专利名称：动态随机存储器元件包的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种动态随机存储器元件包(DRAM cell)，且特别是关于一种将磁 电容形成于金属层的动态随机存储器元件包。
背景技术：
动态随机存储器元件包(DRAM cell)，一般而言每个位包括有一晶体管及一储存 电容，是电子系统里最重要的储存部件之一，特别是在计算机及通讯系统方面。动态随机存 储器元件包的输出电压与其储存电容的电容量是成比例的，因此，当电压量改变时，储存电 容必须有足够的电容量以使得动态随机存储器元件包能够稳定运作。再者，传统动态随机存储器元件包的构造上，电容是形成于晶硅层以求取得较高 的电容量，此外，电容通常是配置于晶体管旁，因此占了晶片上相当大且重要的空间来取得 所需电容量，使得动态随机存储器元件包的每个位所占体积大。然而，动态随机存储器的成本是决定于其元件包的密度，元件包的尺寸愈小愈好， 因为如此一来单片晶片可产出较大量的动态随机存储器元件包，使得产能增加，成本降低。市面已有一些动态随机存储器元件包因其构造有别于传统的而密度提高，例如沟 渠型电容是在半导体基板上形成一深沟渠而未增加半导体基板的表面区域的使用，因此沟 渠型电容可降低动态随机存储器元件包的尺寸，但是缺点为工艺困难且复杂。此外，虽然这些动态随机存储器元件包的密度提高，然而其需要周期性地进行存 储更新，因此需要额外的电路以读出及重新写入存储器的每个位，使得动态随机存储器的 电路更为复杂，这也表示存储器并不总是可为系统所用因其可能处于更新期间。而且，额外 的电路降低了存储器的密度，储存电容占了大空间使得动态随机存储器的尺寸偏大而竞争 力减低。从上述现象看来，提供一种动态随机存储器元件包来改善上述问题是有其实际需 求的。
发明内容
因此本发明的目的是在提供一种动态随机存储器元件包(DRAM cell)，此动态随 机存储器元件包可提高动态随机存储器的密度，简化其工艺，并可降低其恢复率。根据本发明的上述目的，提出一种动态随机存储器元件包，此动态随机存储器元 件包包括基板、晶体管、以及磁电容。基板是由半导体材料所构成，具有一主体表面；晶体管 形成于主体表面；磁电容，形成于一金属层上。磁电容包括一第一磁层、形成于此第一磁层 上的介电层、以及形成于介电层上的第二磁层。其中介电层为由一非导体材料所形成，而第 一磁层与第二磁层由一 CoNiFe合金所形成。本发明的有益技术效果是是本发明将磁电容形成于晶体管的上方以减少磁电容 所占空间，可以提高动态随机存储器元件包的速度，并达到降低其漏电流及耗电量的功效。 因为速度快，此存储器元件包可取代静态随机存取存储器(SRAM)。此外，磁电容具有少量甚至零的漏电流量，动态随机存储器的恢复率可随着降低甚至为零，当恢复率为零时，即可移 除恢复电路，成为非易失性存储器，因此可用以取代其它型式的存储器。再者，磁电容可以 耐得住高度幅射量
为让本发明的上述和其它目的、特征、优点能更明显易懂，以下将结合附图对本发 明的较佳实施例进行详细说明，其中图1是绘示依照本发明一较佳实施例的动态随机存储器元件包的侧视剖面示意 图。图IA是绘示一磁场防止电荷合从介电层脱离出来的一概略图标。图2是绘示依照本发明另一较佳实施例的动态随机存储器元件包的侧视剖面示 意图。
具体实施例方式请参照图1，其绘示依照本发明一较佳实施例的一种动态随机存储器元件包的侧 视剖面示意图。此动态随机存储器元件包包括基板100、晶体管120、以及磁电容140。其中 此磁电容140可被称做磁电容随机存取存储器“McRAM”(MagneticCapcitor Random Access Memory)，然而于其后的段落仍以动态随机存储器予以描述。基板100是由半导体材料所构成，具有一主体表面102。晶体管120包括源极区 域124、漏极区域126、以及控制栅极122。源极区域124及漏极区域126形成于基板100的 主体表面102，控制栅极122位于源极区域124与漏极区域126之间，控制栅极122与基板 100之间以一薄控制介电层123相隔。控制栅极122可以由多晶硅所构成，而薄控制介电层 123可以由二氧化硅所构成。磁电容140包括第一磁层142、形成于第一磁层142上的介电层144、以及形成于 介电层144上的第二磁层146。其中介电层144为由一非导体材料所形成，在一实施例中， 此非导体材料为二氧化硅(SiO2)。而第一磁层142与第二磁层146由一磁性材料形成，在 一实施例中，第一磁层142与第二磁层146由一 CoNiFe合金所形成。第一磁层142与第二 磁层164间的距离大于100埃(Angstrom)。电容的储存量可由下式获得L =-
r (1)其中C为磁电容140的电容值。ε ^为一常数值，约为8. 85e_12。ε k为第一磁层 142与第二磁层146间介电层的常数值。A为第一磁层142与第二磁层146的面积。R为第 一磁层142与第二磁层146间的距离。根据式(1)，当第一磁层142与第二磁层146间介电 层的常数值ε k增加，则磁电容140的电容值C亦将增加。一种巨磁电容效应(Giant Magnetic Capacitance effect，GMC)被用以增加此常 数值￡k。巨磁电容效应类似一种电荷陷阱，可以让电子更加密集，因此可增加在第一磁层 142和第二磁层146间的电子密度。第一磁层142和第二磁层146可提供磁场，此磁场可防 止电荷从介电层144脱离出来。
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图IA描绘磁场防止电荷从介电层脱离出来的一概略图标。在一实施例中，当第一 磁层142的磁偶极142方向与第二磁层146的磁偶极147方向相反时，第一磁层142和第 二磁层146可产生一磁场148防止电荷从介电层144脱离出来。换言之，磁场148提供额 外的作用力让电子更加密集，因此增加在第一磁层142和第二磁层146间的电子密度。此 外，因为电子是被捕捉于此磁场中，因此几乎不会发生电容的泄漏电流以及自我放电效应。因此，根据此磁场，式(1)的电容的储存量调整成
tC =仏 A
r (2)其中C为磁电容140的电容值。ε。为一常数值，约为8.85e_12。ε' k= ek Xf 磁场148所产生的巨磁电容效应，其中f为一调制因子，约为 106-1012。A为第一磁层142 与第二磁层146的面积。R为第一磁层142与第二磁层146间的距离。换言之，根据式(2)，当磁场148增加，则电容值C亦将增加。在一实施例中，第一 磁层142与第二磁层146均由多层薄膜沉积形成，每一层约为1纳米(nm)厚。因此，磁场 148可通过增加形成第一磁层142与第二磁层146的薄膜来增加。换言之，可通过在原本第 一磁层142与第二磁层146上形成额外的薄膜来增加磁场148。值得注意的是，箭头“一”仅是用以代表磁层的偶极方向，但箭头“一”不不限定磁 层仅可具有此偶极方向。下表比较磁电容与传统电容的电容值
磁电容磁电容#2磁电容电容值1.2nF (在 IkHz)96uF (在 IkHz)巨磁电容效应的调制因 子(f)(Average)2. OxlO61. 6x10"传统电容电容值(亦即无 巨磁电容效应)0. 6fF(在 k = 3. 4)0. 6fF(在 k = 3.4)
8.85xl0'ux 3.4 χ Ι. χΙΟ'6 χ= 5 9χ
传统电容电容值=-0.55x10'6- 10-丨6 F
50Χ10-9=0.6/F因为第一磁层142与第二磁层146的巨磁电容效应调制因子(f)( IO6-IO12)，磁 电容的电容值明显高于传统电容的电容值。值得注意的是，磁电容140是形成于金属层，且金属层位于晶体管120的上方。传 统的电容是形成于晶硅层以求取得较高的电容量，然而，现在的作法是将电容形成于金属 层，而此法形成的电容已可提供动态随机存储器所需的电容量。因此，将磁电容140形成于 位于晶体管120上方的金属层。但是，磁电容140并不需要形成于晶体管120的正上方，只 要磁电容140是形成于金属层而非晶硅层时，动态随机存储器元件包所占的整体区域会大幅缩小。此外，动态随机存储器元件包的必要线路连接可配置于位于晶体管120与磁电容 140间的线路区域180，以更加提高动态随机存储器的密度。将磁电容140形成于金属层时，可以降低或消除动态随机存储器的恢复率。磁电 容140具有如一般标准电容的数据储存功能之外，尚具有少量甚至零漏电流量及储存容量 高的特征。因为具有少量漏电流量，动态随机存储器的恢复率可随着降低以提供更多时间 来供系统运作，当其漏电流量非常微量或甚至为零时，即可不需进行更新(refresh)，此时 可移除恢复电路。而且，当其不需更新时，即使电源消失，数据亦不会流失，此时可成为非易 失性存储器，并可用以取代闪存。此外，磁电容140耐得住来自高幅射环境下的高度幅射 量，因为破坏磁电容140所需的能量必须远高于一般规格的幅射量，而磁电容140所储存的 能量足以抵抗高度幅射量。再者，现今的磁电容具有电容量大、介电常数大于3000、介电层薄、以及表面粗糙 等特性，所以磁电容140所占的空间小于晶体管120。请注意到虽然晶体管120的栅极长度 很小，磁电容140可提供足够的区域来容纳晶体管120，包括了晶体管120的接触垫129及 130，控制栅极122，以及扩散区域121。请参照图2，其绘示依照本发明另一较佳实施例的一种动态随机存储器元件包的 侧视剖面示意图。此动态随机存储器元件包包括基板200、晶体管220、以及磁电容240。基 板200是由半导体材料所构成，具有一主体表面202。晶体管220包括源极区域224、漏极 区域226、以及控制栅极222。源极区域224及漏极区域226形成于基板200的主体表面 202，控制栅极222位于源极区域224与漏极区域226之间，控制栅极222与基板200之间 以一薄控制介电层223相隔。控制栅极222可以由多晶硅所构成，而薄控制介电层223可 以由二氧化硅所构成。磁电容240包括第一磁层241、形成于第一磁层241上的第二介电层 242、形成于第二介电层242上的第三磁层243、形成于第三磁层243上的第四介电层244、 以及形成于第四介电层244上的第五磁层245。现今的作法是将电容形成于金属层，而此法形成的电容已可提供动态随机存储器 所需的电容量。因此，将磁电容240形成于位于晶体管220上方的金属层。但是，磁电容 240并不需要形成于晶体管220的正上方，只要磁电容240是形成于金属层而非晶硅层时， 动态随机存储器元件包所占的整体区域会大幅缩小。请注意到磁电容240是形成于数层金属层包括第一磁层241、第三磁层243、以及 第五磁层245。当只具有单一金属层的磁电容无法提供足够的磁电容量时，具有数个金属 层的磁电容可以提供所需的额外电容量。此外，因为磁电容的尺寸与晶体管的尺寸相当，此 实施例可以缩小至较小的规模。当晶体管的尺寸缩小时，晶体管所控制的电流量也随着减 少，此时相对于晶体管的尺寸来说，动态随机存储器元件包需要较大的电容量，因此需要具 有数层金属层的磁电容以提供额外的电容量，在此实施例中，配置了第一磁层241、第三磁 层243、以及第五磁层245以提供晶体管220所需的额外电容量。此外，动态随机存储器元 件包的必要线路连接可配置于位于晶体管220与磁电容240间的线路区域280，以更加提高 动态随机存储器的密度。再者，现今的磁电容具有电容量大、介电常数大于3000、介电层薄、以及表面粗糙 等特性，所以磁电容240所占的空间小于晶体管220。请注意到虽然晶体管220的栅极长度 很小，磁电容240可提供足够的区域来容纳晶体管220，包括了晶体管220的接触垫229及230，控制栅极222，以及扩散区域221。第一个实施例与第二个实施例的差异是在于第二个实施例为具有数层的磁电容， 当单一金属层的磁电容无法提供足够的电容量或动态随机存储器元件包缩小至较小的规 模时，具有数层的磁电容可以提供所需的电容量。由上所述可得以下结论，此发明将磁电容形成于晶体管的上方以减少磁电容所占 空间，可以提高动态随机存储器元件包的速度，并达到降低其漏电流及耗电量的功效。因为 速度快，此存储器元件包可取代静态随机存取存储器(SRAM)。此外，磁电容具有少量甚至零 的漏电流量，动态随机存储器的恢复率可随着降低甚至为零，当恢复率为零时，即可移除恢 复电路，成为非易失性存储器，因此可用以取代其它型式的存储器。再者，磁电容可以耐得 住高度幅射量。虽然本发明已以实施方式揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此技 术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种等同的改变或替换，因此本发明的保护 范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。
权利要求
一动态随机存储器元件包，包含一基板，是由半导体材料所构成，具有一主体表面；一晶体管，形成于该主体表面；以及一磁电容，形成于一金属层，且该金属层位于该晶体管的上方，其中该磁电容包含一第一磁层；一介电层，形成于该第一磁层之上；以及一第二磁层，形成于该介电层之上，其中该介电层由一非导体材料所形成，而该第一磁层与该第二磁层由一CoNiFe合金所形成。
2.根据权利要求1所述的动态随机存储器元件包，其特征在于，该晶体管包含 一源极区域；一漏极区域；以及一控制栅极，位于该源极区域与该漏极区域之间，该控制栅极与该基板之间以一薄控 制介电层相隔。
3.根据权利要求1所述的动态随机存储器元件包，其特征在于，该第一磁层的偶极方 向与该第二磁层的偶极方向相反。
4.根据权利要求1所述的动态随机存储器元件包，其特征在于，该第一磁层与该第二 磁层间的距离大于100埃。
5.根据权利要求1所述的动态随机存储器元件包，其特征在于，该第一磁层与该第二 磁层可产生一巨磁电容效应。
6.根据权利要求1所述的动态随机存储器元件包，其特征在于，该第一磁层与该第二 磁层由多层薄膜沉积形成，该多层薄膜的每一层约为1纳米厚。
7.根据权利要求1所述的动态随机存储器元件包，其特征在于，还包含一线路区域，位 于该晶体管与该磁电容之间，提供动态随机存储器元件包的线路连接。
8.—动态随机存储器元件包，包含一基板，是由半导体材料所构成，具有一主体表面； 一晶体管，形成于该主体表面；以及一磁电容，形成于多个金属层，且这些金属层位于该晶体管的上方，其中该磁电容包含多个磁层；以及多个介电层，其中这些介电层分别配置于两相邻的这些磁层之间，其中该介电层由一 非导体材料所形成，而该第一磁层与该第二磁层由一 CoNiFe合金所形成。
9.根据权利要求8所述的动态随机存储器元件包，其特征在于，该晶体管包含 一源极区域；一漏极区域；以及一控制栅极，位于该源极区域与该漏极区域之间，该控制栅极与该基板之间以一薄控 制介电层相隔。
10.根据权利要求8所述的动态随机存储器元件包，其特征在于，该其中每一这些磁层 由多层薄膜沉积形成，该多层薄膜的每一层约为1纳米厚。
全文摘要
本发明是一种动态随机存储器元件包，包括基板、晶体管、及磁电容。基板为半导体材料构成，具有主体表面，而晶体管形成于主体表面上，磁电容则形成于晶体管上方的金属层上。磁电容包含一第一磁层、一形成于第一磁层之上的介电层，以及形成于介电层之上的一第二磁层，其中介电层由一非导体材料所形成，而第一磁层与该第二磁层由一CoNiFe合金所形成。
文档编号H01L27/108GK101930981SQ20101019368
公开日2010年12月29日 申请日期2010年5月28日 优先权日2009年6月18日
发明者赖锜 申请人:北极光股份有限公司