专利名称：高密度磁随机存取存储器及其操作方法
技术领域：
本发明涉及高密度磁随机存取存储器及其操作方法，更具体地，涉及具有垂直晶体管的高密度磁随机存取存储器及其操作方法。
背景技术：
磁随机存取存储器(MRAM)是一种非易失性存储器，并利用材料的磁性能存储数据。MRAM器件可以进行静态随机存取存储器(SRAM)的快速读/写操作，具有等效于动态随机存取存储器(DRAM)的高集成度，且理论上，它可按需要进行重复写入操作。
MRAM器件包括写入和读取数据所需的磁存储元件。此处，该磁存储元件可以是利用巨磁阻现象的巨磁阻(GMR)器件，或是利用这样一种现象的磁隧穿结(MTJ)器件，在该现象中，电流在其间具有一绝缘层的两个磁性层具有相同的磁自旋方向时，比在这些磁性层具有不同的磁自旋方向时更易于穿过。现在，MTJ器件得以广泛使用，因为它比GMR器件具有更高的结电阻和磁阻(MR)率。
图1示出了传统MRAM器件的横截面视图。参照图1，掺杂有n型导电杂质的第一和第二杂质层12和14形成在p型半导体衬底10中，其间具有一间隙。由栅极氧化层16和栅极导电层18构成的栅极叠20形成在p型半导体衬底10上，在第一和第二杂质层12和14之间。此处，栅极导电层18还用作读取用的字线。结果，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成在p型半导体衬底10上。于是，第一层间介电层22得以形成，以覆盖p型半导体衬底10上的栅极叠20。第一和第二通孔22a和22b形成在第一层间介电层22上，以暴露第一和第二杂质层12和14的部分。第一和第二通孔22a和22b用导电插塞24和26填充。于是，第一和第二导电层构图28a和28b以一间隔形成在第一层间介电层22上，分别完全覆盖导电插塞24和26的暴露部分。接着，第二层间介电层30形成来覆盖第一和第二导电层构图28a和28b。此处，第二导电层构图28b用作地线。以后，第三通孔30a形成在第二层间介电层30上，暴露第一导电层构图28a，然后填充导电插塞32。接着，第三和第四导电层构图32a和32b以一间隔形成在第二层间介电层30上。此时，第三导电层构图32a完全覆盖导电插塞32的暴露部分。此处，第四导电层构图32b为用于写入的字线。然后，在第三层间介电层34上形成第四通孔34a，以暴露第三导电层构图32a。接着，在第三层间介电层34上形成第五导电层构图36，填充第四通孔34a，同时延伸越过第四导电层构图32b。隧穿磁阻(TMR)器件42形成在第五导电层构图36上。TMR器件42是一堆垛结构，其中第一铁磁层42a、非铁磁层42b和第二铁磁层42c顺序叠置。然后，第四层间介电层38形成在第三层间介电层34上，覆盖第五导电层构图36和TMR器件42的两侧。最后，位线44形成在第四层间介电层38上，与第二铁磁层42c的整个表面接触。
在图1所示的传统MRAM器件中，选择开关器件以选取一个单元，因此，被所选定单元占据的面积取决于所选定开关器件的面积。在制造高密度磁存储器中尽可能减小开关器件的面积是非常重要的。
发明内容
为了解决上述和相关问题，本发明的第一个目的是提供一种高密度磁存储器，其中晶体管布置在垂直方向上，使得开关器件占据的面积可以减小，从而增加集成度。
本发明的第二个目的是提供一种操作这种高密度磁存储器的方法。
为了实现第一个目的，提供一种高密度磁存储器，它包括形成在衬底上的垂直晶体管；形成在垂直晶体管上的磁存储元件，该磁存储元件使用磁性材料以存储数据；通过磁性存储元件连接晶体管的位线；在位线之上并跨过位线的用于写入的字线；以及形成在用于写入的字线和用于写入的字线之下的其它元件之间的绝缘层。
为了实现第二个目的，提供一种操作根据本发明的高密度磁器件的方法，该方法包括(a)将电流施加到位线上以确定一个存储单元，将电流Iw施加到用于写入的字线上，使得MTJ的磁性层的磁化方向彼此反平行，并将“1”写入到选定存储单元中；(b)将电流施加到位线上以确定一个存储单元，将其方向与电流Iw的方向相反的电流-Iw施加到用于写入的字线上，使得这些磁性层的磁化方向彼此平行，并将“0”写入选定的存储单元；以及(c)通过将预定的电压施加到位线和字线上来选择存储单元，检测位线电流的强度，并读出写入到存储单元中的数据。
通过参照附图详细说明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晰，其中图1是传统磁随机存取存储器(MRAM)的横截面视图；图2是根据本发明优选实施例的高密度磁存储器的单元阵列的等效图；图3是根据本发明优选实施例的高密度磁存储器的横截面视图；以及图4A至4C是阐明操作根据本发明优选实施例的高密度磁存储器的方法的视图。
具体实施例方式
本发明现在将更全面地参照附图进行说明，其中示出了一优选实施例。然而，本发明可以以不同的形式实施，且不应受制于此处所阐述的实施例；相反，此实施例得以提供，使得此公开内容是完整且全面的，并将充分地向本领域技术人员传达本发明的概念。附图中，为了清晰起见，层的厚度和区域得以放大。
图2是根据本发明优选实施例的高密度磁存储器的单元阵列的等效电路图。此处，附图标记120表示存储器晶体管，附图标记150表示具有可变电阻的磁存储元件，这将在下文说明。B表示位线，W表示与晶体管栅极相连的字线。此外，Ww是用于写入的字线，它放置成跨越磁存储元件150，并与其它线隔离。
多个晶体管120呈单元阵列的形式纵向和横向布置。单元阵列包括字线W、用于写入的字线Ww、以及数量上与晶体管120的横向排列线相等的位线B。此处，每根位线B与测量电流的部件相连。优选地，测量电流的部件是检测放大器(S/A)。然而，每根位线B可以连接至其它电流测量装置。
图3是根据本发明优选实施例的高密度磁存储器的横截面视图。参见图3，垂直晶体管120和磁存储元件150顺序地形成在衬底110上。垂直晶体管120由掺杂叠层130形成，其中，第一掺杂层132、沟道层134和第二掺杂层136顺序重叠，且栅极叠层140覆盖掺杂结构130的两侧。
此处，第一和第二掺杂层132和136掺有n+型导电杂质，且沟道层134掺有p型导电杂质。
每个栅极叠层140由栅极绝缘层142和栅极导电层144构成。更具体地，栅极绝缘层142和栅极导电层144沿掺杂叠层130的每一侧顺序叠置，形成栅极叠层140。栅极导电层144是具有高电导率的层，且例如可以是多酸或金属层。
用于存储数据的磁存储元件150形成在掺杂叠层130上。此处，磁存储元件150是磁隧穿结(MTJ)器件，该器件具有至少两个磁性层152和156、以及一隧穿阻挡层154。此处，隧穿阻挡层154间插在磁性层152和156之间。在此实施例中，隧穿阻挡层154下方的下部磁性层152的磁化方向是固定的，而隧穿阻挡层154上方的上部磁性层156的磁化方向根据电场变得与下部磁性层152的磁化方向平行或反平行。
位线160形成在磁存储元件150上，在与栅极导电层144的字线相同的方向上延伸。在位线160上方，用于写入的字线180形成为跨过栅极导电层144的字线和位线160。用于写入的字线180通过在预定方向上形成磁场而在磁存储元件150上存储数据。此外，绝缘层170设置在用于写入的字线180和用于写入的字线180下方的其它元件之间。
以下，将参照图4A至4C说明根据本发明的磁存储器的操作方法。
写操作首先，电流Ib施加到位线160上，以确定将要写入数据的存储单元的位置。接着，一个方向上的电流Iw施加到用于写入的字线180上，使得MTJ150的磁性层152和156的磁化方向彼此反平行，于是，“1”被写入选定的存储单元。也即，如图4A所示，上部磁性层156的磁化方向由电流Iw形成的磁场确定，且与下部磁性层152的磁化方向相反。
为了将“0”写入选定的存储单元，电流Ib施加到位线160上，其方向与施加以向用于写入的字线180写入“1”的电流Iw的方向相反的电流-Iw施加到用于写入的字线180上。结果，如图4B所示，上部磁性层156的磁化方向也由施加到用于写入的字线180的电流-Iw形成的磁场确定。此时，上部磁性层156的磁化方向与下部磁性层152的方向平行。
读操作首先，通过施加电压Vb和Vw到位线160和字线144上来确定一个存储单元。于是，写入所选存储单元的数据通过用连接到位线160上的检测放大器S/A探测电流强度而读出。在向位线160和字线144施加相同的电压的同时，如果探测到较高的电流，则MTJ150的电阻较低。此时，MTJ150的磁性层152和156的磁化方向彼此平行，“0”写入到选定的存储单元中。相反，在向位线160和字线144施加相同的电压的同时，如果探测到较低的电流，则MTJ150的电阻较高。此时，磁性层152和156的磁化方向彼此反平行，“1”写入到选定存储单元中。
在此实施例中，当磁存储元件的磁性层的磁化方向彼此反平行时，“1”写入到存储单元中或从其中读出；而当这些磁性层的磁化方向彼此平行时，写入或读出“0”。然而，可以转换读出/写入“1”和“0”的条件。
如上所述，根据本发明，可以制造具有垂直晶体管的高密度磁存储器。
权利要求
1.一种磁存储器，包括形成在衬底上的垂直晶体管；形成在垂直晶体管上的磁存储元件，该磁存储元件使用磁性材料来存储数据；通过磁性存储元件连接晶体管的位线；在位线之上并跨过位线的用于写入的字线；以及形成在用于写入的字线和用于写入的字线之下的其它元件之间的绝缘层。
2.如权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述垂直晶体管包括掺杂叠层，其中，第一掺杂层、沟道层和第二掺杂层顺序叠置；以及栅极叠层，其覆盖掺杂叠层的两侧。
3.如权利要求2所述的磁存储器，其特征在于，所述栅极叠层包括自掺杂叠层的两侧顺序形成的栅极绝缘层和栅极导电层。
4.如权利要求1所述的磁存储器，其特征在于，所述磁存储元件是磁隧穿结。
5.一种操作如权利要求1所述的高密度磁存储器的方法，该方法包括(a)将电流施加到位线上以确定一个存储单元，将电流Iw施加到用于写入的字线上，使得磁隧穿结的磁性层的磁化方向彼此反平行，并将“1”写入到选定存储单元中；(b)将电流施加到位线上以确定一个存储单元，将其方向与电流Iw的方向相反的电流-Iw施加到用于写入的字线上，使得这些磁性层的磁化方向彼此平行，并将“0”写入选定的存储单元；以及(c)通过将预定的电压施加到位线和字线上来选择存储单元，检测位线电流的强度，并读出写入到存储单元中的数据。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)通过经由连接到位线上的检测放大器来检测位线的电流来进行。
全文摘要
本发明公开了一种高密度磁随机存取存储器及其操作方法。该高密度磁存储器包括形成在衬底上的垂直晶体管；形成在垂直晶体管上的磁存储元件，该磁存储元件使用磁性材料来存储数据；通过磁性存储元件连接晶体管的位线；在位线之上并跨过位线的用于写入的字线；以及形成在用于写入的字线和用于写入的字线之下的其它元件之间的绝缘层。根据该高密度磁存储器，可以制造具有垂直晶体管的高密度磁存储器。
文档编号H01L21/70GK1433022SQ0214570
公开日2003年7月30日 申请日期2002年9月30日 优先权日2002年1月8日
发明者朴祥珍, 朴玩濬, 金泰完, 宋利宪 申请人:三星电子株式会社