自旋轨道扭矩磁阻随机存取存储器阵列的制作方法

背景技术：

1、本发明总体上涉及磁阻随机存取存储器(mram)结构。本发明尤其涉及自旋轨道扭矩mram单元的阵列；每个单元与二极管集成。

2、mram是使用隧道磁阻(tmr)来存储信息的一种类型的固态非易失性存储器。mram由被称为磁性隧道结(mtj)的磁阻式存储器元件的电连接阵列构成。每个mtj包括自由层和固定层，自由层和固定层各自包括磁性材料层并且由非磁性绝缘隧道势垒分隔开。自由层被设置为邻近于自旋轨道扭矩层，有时被称为自旋霍尔效应层。自由层具有可变的磁化方向，并且固定层具有不变的磁化方向。mtj通过切换自由层的磁化状态来存储信息。当自由层的磁化方向平行于固定层的磁化方向时，mtj处于低电阻状态。相反，当自由层的磁化方向反平行于固定层的磁化方向时，mtj处于高电阻状态。mtj的电阻差可以用于表示逻辑‘1’或‘0’，从而存储位信息。mtj的tmr确定高电阻状态与低电阻状态之间的电阻差。高电阻状态与低电阻状态之间的相对高差异促进mram中的读取操作。mram单元可形成为垂直堆叠，其实现用于增加装置存储单元元件密度同时保持或甚至减小装置尺度的装置设计选项。

3、自旋轨道扭矩(sot)mram单元包括与mram的磁隧道结(mtj)结构接触的自旋轨道扭矩或自旋霍尔效应(she)层。she典型地是重导电金属，例如铂或钽。电流穿过she层，但不穿过mtj结构，以写入单元，并且电流穿过mtj以读取单元。因为高电压写入能量不穿过mram单元的mtj，所以sot mram往往更可靠且具有较长生命周期。在写入sot mram中使用较少的能量，因为写入能量不穿过mtj。使写入电流穿过she层并且不穿过mtj结构还产生更少的写入误差和更高的写入速度—进一步减少每次写入操作所需的能量。

4、标准sot-mram单元的读取和写入功能的控制通常包含控制通过所述单元的读取电流的第一晶体管和控制通过所述单元的she线的写入电流的第二晶体管。此类sot-mram单元的相关电路芯片空间(die space)因此包含sot-mram单元和两个控制晶体管。跨越数十亿装置mram单元，第二晶体管所需的额外空间消耗显著芯片空间。

技术实现思路

1、以下呈现概述以提供对本发明的一个或多个实施例的基本理解。本概述并不旨在标识关键或重要元素或者划定特定实施例的任何范围或权利要求的任何范围。其唯一的目的是以简化的形式呈现概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

2、在一个方面，提供了一种自旋轨道扭矩磁阻随机存取存储器设备，其通过形成晶体管阵列形成，其中所述阵列的一列包括与所述列中的每个晶体管的源极触点接触的源极线，形成接触所述行的所述晶体管的所述漏极触点的自旋轨道扭矩(sot)线，并且形成单位单元阵列，每个单位单元包括布置在所述sot线上方并与所述sot线电接触的自旋轨道扭矩(sot)磁阻随机存取存储器(mram)单元堆叠，其中所述sot-mram单元堆叠包含自由层、隧道结层和参考层、在所述sot-mram单元堆叠上方且与所述sot-mram单元堆叠电接触的二极管结构，上部电极，设置在所述二极管结构上方并与所述二极管结构电接触。此sot-mram结构为sot单元提供增加的裸片密度，其还通过使用沿着阵列的行的线图案而减少sot-mram单元阵列的图案复杂性。所披露的实施例与当前finfet和纳米薄片技术以及与任何低温制造技术兼容。

3、在一个方面中，一种mram(磁阻随机存取存储器)结构，其包含自旋轨道扭矩(sot)磁阻随机存取存储器(mram)单元阵列，其中所述阵列的sot-mram单元包含磁性隧道结(mtj)，二极管，其安置于所述mtj上方；以及单个晶体管，所述阵列的列包括接触所述列中的每一晶体管的源极触点的源极线，所述源极线安置于所述mram结构的第一金属层处，以及所述阵列的行包括与所述行的每个晶体管的所述漏极触点接触的sot线，所述sot线设置在所述mram结构的第二金属层处。此sot-mram结构为sot单元提供增加的裸片密度，其还通过使用沿着阵列的行的线图案而减少sot-mram单元阵列的图案复杂性。所披露的实施例与当前finfet和纳米薄片技术以及与任何低温制造技术兼容。

4、在一个方面中，一种mram(磁阻随机存取存储器)结构，其包含自旋轨道扭矩(sot)磁阻随机存取存储器(mram)单元阵列，其中所述阵列的sot-mram单元包含磁性隧道结(mtj)，二极管，其安置于所述mtj上方；以及单个晶体管，所述阵列的列包括接触所述列中的每一晶体管的源极触点的源极线，所述源极线安置于所述mram结构的第一金属层处，所述列包括与所述列的每个二极管接触的位线，所述位线设置在所述mram结构的第三金属层处，并且所述阵列的行包括与所述行的每个晶体管的所述漏极触点接触的sot线，所述sot线设置在所述mram结构的第二金属层处。此sot-mram结构为sot单元提供增加的裸片密度，其还通过使用沿着阵列的行的线图案而减少sot-mram单元阵列的图案复杂性。所披露的实施例与当前finfet和纳米薄片技术以及与任何低温制造技术兼容。

5、在一个方面中，一种mram(磁阻随机存取存储器)结构，其包含自旋轨道扭矩(sot)磁阻随机存取存储器(mram)单元阵列，其中所述阵列的sot-mram单元包含磁性隧道结(mtj)，二极管，其安置于所述mtj上方；以及单个晶体管，所述阵列的列包括接触所述列中的每一晶体管的源极触点的源极线，所述源极线安置于所述mram结构的第一金属层处，所述阵列的行包括与所述行的每个晶体管的所述漏极触点接触的sot线，所述sot线设置在所述mram结构的第二金属层处，以及所述阵列的所述行包括与所述行的每个晶体管的栅极触点的字线。此sot-mram结构为sot单元提供增加的裸片密度，其还通过使用沿着阵列的行的线图案而减少sot-mram单元阵列的图案复杂性。所披露的实施例与当前finfet和纳米薄片技术以及与任何低温制造技术兼容。

6、在一个方面中，一种mram(磁阻随机存取存储器)结构包括自旋轨道扭矩(sot)磁阻随机存取存储器(mram)单元阵列，其中所述阵列的sot-mram单元包括磁性隧道结(mtj)，二极管，其安置于所述mtj上方；以及单个晶体管，所述阵列的列包括接触所述列中的每一晶体管的源极触点的源极线，所述源极线安置于所述mram结构的第一金属层处，所述阵列的所述列包括与所述列的每个二极管接触的位线，所述位线设置在所述mram结构的第三金属层处，所述阵列的行包括与所述行的每个晶体管的所述漏极触点接触的sot线，所述sot线设置在所述mram结构的第二金属层处，以及所述阵列的所述行包括与所述行的每个晶体管的栅极触点的字线。此sot-mram结构为sot单元提供增加的裸片密度，其还通过使用沿着阵列的行的线图案而减少sot-mram单元阵列的图案复杂性。所披露的实施例与当前finfet和纳米薄片技术以及与任何低温制造技术兼容。

技术特征：

1.一种磁阻随机存取存储器(mram)结构，包括：

2.根据权利要求1所述的mram结构，其中，所述列包括与所述列的每个二极管接触的位线，其中，所述位线被布置为平行于所述源极线并且在所述mram结构的第三金属层处。

3.根据权利要求1或3所述的mram结构，其中，所述mtj包括邻近于所述sot线的自由层。

4.根据权利要求2所述的mram结构，其中，所述二极管结构包括圆形结构。

5.根据权利要求2所述的mram结构，其中，所述二极管结构包括正方形结构。

6.根据权利要求2所述的mram结构，其中，所述二极管结构被设置为与sot-mram堆叠上部电极接触。

7.根据权利要求1所述的mram结构，其中，所述阵列的所述行包括与所述行的每个晶体管的栅极触点的字线，其中，所述字线被设置成垂直于所述源极线。

8.根据权利要求7所述的mram结构，其中，所述mtj被设置在所述sot线上方并且包括与所述sot线相邻的自由层。

9.根据权利要求1或7所述的mram结构，其中，所述mtj被设置在所述晶体管上方。

10.根据权利要求1或7所述的mram结构，其中，所述sot线设置成垂直于所述源极线。

11.根据权利要求1或7所述的mram结构，其中，所述二极管结构被设置为与sot-mram堆叠上部电极接触。

12.根据权利要求1所述的mram结构，其中，所述阵列的所述列包括与所述列的每个二极管接触的位线，所述位线设置在所述mram结构的第三金属层处；以及所述阵列的所述行包括与所述行的每个晶体管的栅极触点的字线。

13.根据权利要求12所述的mram结构，其中，源极线和所述位线平行设置。

14.根据权利要求12所述的mram结构，其中，所述sot线设置成垂直于所述源极线。

15.根据权利要求12所述的mram结构，其中，所述字线被设置成垂直于所述源极线。

16.根据权利要求12所述的mram结构，其中，所述源极线设置在第一器件层级处，所述sot线设置在所述第一层级之上的器件第二器件层级处，并且所述位线设置在所述第二层级之上的第三器件层级处。

17.一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述自由层被布置为与所述sot线相邻。

19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括形成接触所述行的每个晶体管的栅极触点的字线，其中，所述字线被设置成平行于所述sot线。

20.根据权利要求17所述的方法，进一步包括形成布置在列的所述单位单元的所述上部电极上方并与所述上部电极电接触的位线，其中，所述位线布置成平行于所述源极线。

21.根据权利要求17所述的方法，进一步包括在低于420c的处理温度下形成所述二极管结构。

技术总结
一种通过形成晶体管阵列而形成的自旋轨道扭矩磁阻随机存取存储器设备，其中，所述阵列的列包括与所述列中的每个晶体管的源极触点接触的源极线，形成接触所述行的所述晶体管的所述漏极触点的自旋轨道扭矩(SOT)线，并且形成单位单元阵列，每个单位单元包括布置在所述SOT线上方并与所述SOT线电接触的自旋轨道扭矩(SOT)磁阻随机存取存储器(MRAM)单元堆叠，其中所述SOT‑MRAM单元堆叠包含自由层、隧道结层和参考层、在所述SOT‑MRAM单元堆叠上方且与所述SOT‑MRAM单元堆叠电接触的二极管结构，设置在所述二极管结构上方并与所述二极管结构电接触的上部电极。

技术研发人员：D·沃尔莱德格,P·哈什米,J·K·德布罗斯
受保护的技术使用者：国际商业机器公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8