使用字线过度驱动和高 k 金属栅极提升磁性隧道结的编程 电流 本申请要求于 2009 年 4 月 3 日提交的标题为 “Raising ProgrammingCurrents of Magnetic Tunnel Junctions Using Word Line Overdrive and High-kMetal Gate” 的美 国临时申请第 61/166,573 号的优先权， 其全部内容结合与此作为参考。技术领域
本发明总的来说涉及存储器件， 更具体地， 涉及磁阻随机存取存储器 (MRAM) 器件 的写入 ( 编程 )。 背景技术
半导体用在电子应用的集成电路中， 该电子应用包括无线电设备、 电视、 蜂窝电话 和任何计算装置。一种已知的半导体器件是半导体存储器件， 诸如动态随机存取存储器 (DRAM) 或闪速存储器， 它们都使用电荷来存储信息。半导体存储器件的近期开发涉及自旋电子技术， 其将半导体技术与磁性材料和器 件相结合。电子的自旋极化 ( 而不是电子电荷 ) 被用于表示状态 “1” 或 “0” 。如图 1 所示， 一个这样的自旋电子器件是自旋扭矩传递 (STT) 磁性隧道结 (MTJ) 器件 10。
MTJ 器件 10 包括自由层 12、 隧道层 14 和固定层 (pinned layer)16。自由层 12 的 磁化方向可以由施加通过隧道层 14 的电流来反转， 这引起自由层 12 内的注入极化电子对 自由层 12 的磁化施加所谓的自旋扭矩。固定层 16 具有固定的磁化方向。当电流 I1 在从 自由层 12 到固定层 16 的方向上流动时， 电子在相反方向上流动， 即， 从固定层 16 向自由层 12 流动。在通过固定层 16， 流过隧道层， 然后流入并积聚在自由层 12 中之后， 电子被极化 为固定层 16 的相同极化方向。最后， 自由层 12 的磁化与固定层 16 的磁化平行， 并且 MTJ 器件 10 将处于低阻状态。由电流 I1 引起的电子注入被称为主注入。
当施加从固定层 16 流向自由层 12 的电流 I2 时， 电子在从自由层 12 向固定层 16 的方向上流动。极化方向与固定层 16 的磁化方向相同的电子能够流过隧道层 14 并进入固 定层 16。相反， 极化与固定层 16 的磁化不同的电子将被固定层 16 反射 ( 阻挡 )， 并且将积 聚在自由层 12 中。最后， 自由层 12 的磁化变得与固定层 16 的磁化逆平行， 并且 MTJ 器件 10 将处于高阻状态。由电流 I2 引起的相应电子注入被称为次注入。
为了消除 MRAM 单元的寄生负载， 当 MRAM 单元被集成为 MRAM 阵列时， 字线选择器 被用于将未被选择的 MRAM 单元与源极线电隔离。例如， 图 2 示出了包括连接至字线选择 器 20( 被字线 22 所控制 ) 的 MTJ 器件 10 的 MRAM 单元。当 MTJ 器件 10 被选择用于写入或 读取时， 字线 22 被设置为逻辑高， 使得写入电流 I 可以通过 MTJ 器件 10。对于未被选择的 行， 字线 22 被施加有逻辑低电压。然而， 选择器 20 的添加限制了可流过 MTJ 器件 10 的电 流。MTJ 器件 10 的写入电流被字线选择器 20 的电流提供能力所限制。为了有效可靠地编 程 MTJ 器件 10， 写入电流 I 需要非常高。然而， 这要求字线选择器 20 较大。字线选择器 20 尺寸的增加会引起每单元所需的芯片面积使用的增加。增加字线选择器 20 的尺寸的需求
与增加 MRAM 阵列密度的要求相冲突。因此需要一种解决方法。 发明内容 根据本发明的一个方面， 操作磁阻随机存取存储器 (MRAM) 单元的方法包括 ： 设置 MRAM 单元， 其包括磁性隧道结 (MTJ) 器件 ； 以及设置具有串联至 MTJ 器件的源极 - 漏极路 径的选择器。该方法还包括 ： 向选择器的栅极施加过度驱动电压以导通选择器。
根据本发明的另一方面， 操作 MRAM 阵列的方法包括 ： 设置包括 MRAM 阵列和逻辑电 路的半导体芯片。MRAM 阵列包括多个配置成行和列的 MRAM 单元。多个 MRAM 单元的每一个 都包括 ： MTJ 器件 ； 以及选择器， 包括串联至 MTJ 器件的源极 - 漏极路径。 MRAM 阵列还包括 ： 多条位线， 彼此平行且在列方向上延伸 ； 以及多条源极线， 彼此平行且在行方向上延伸。多 个 MRAM 单元的每一个都连接在多条位线中的一条与多条源极线中的一条之间。MRAM 阵列 还包括彼此平行且在行方向上延伸的多条字线， 其中， 同一行中多个 MRAM 单元的选择器的 栅极连接至多条字线中的同一条。该方法还包括 ： 设置逻辑电源电压， 以操作逻辑电路 ； 以 及向连接至多个 MRAM 单元中的所选一个 MRAM 单元的多条字线中的一条提供脉冲， 以写入 多个 MRAM 单元的所选一个 MRAM 单元。脉冲具有大于逻辑电源电压的过度驱动电压。
根据本发明的又一方面， 集成电路包括 ： MRAM 单元， 其包括 MTJ 器件和具有串联至 MTJ 器件的源极 - 漏极路径的选择器。 该集成电路还包括电源， 连接至选择器的栅极并被配 置为向选择器的栅极提供脉冲， 其中， 脉冲具有过度驱动电压。
根据本发明的再一方面， 集成电路包括 ： MRAM 单元， 其进一步包括 MTJ 器件和具有 串联至 MTJ 器件的源极 - 漏极路径的选择器。选择器包括金属氧化物半导体 (MOS) 晶体 管， 其包括具有大于约 7.0 的 k 值的高 k 栅极介电层以及在高 k 栅极介电层上方的金属栅 电极。
本发明的优势特征包括在不要求增加字线选择器的尺寸的情况下字线选择器的 增加驱动能力。此外， 不涉及附加的制造成本。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其优点， 现在将参照结合附图所进行的以下描述， 其 图 1 示出了传统磁阻随机存取存储器 (MRAM) 单元的截面图 ； 图 2 示出了被选择器控制的传统 MRAM 单元 ； 图 3 示出了具有提供过度驱动电压的电源的 MRAM 阵列 ； 图 4 示意性示出了 MRAM 单元和逻辑电路 ； 以及 图 5 示出了示例性字线选择器的截面图。中：
具体实施方式
下面， 详细描述本发明优选实施例的制造和使用。然而， 应该理解， 本发明提供了 许多可以在具体环境下实现的许多可应用的发明概念。 所讨论的具体实施例仅仅示出了制 造和使用本发明的具体方式， 并不限制本发明的范围。
呈现了用于写入磁阻随机存取存储器 (MRAM) 单元的新方法。然后， 讨论实施例的变化和操作。 贯穿本发明的各附图和示例性实施例， 相同的参考标号用于表示相同的元件。
图 3 示出了包括 MRAM 阵列 100 的一个实施例， 该 MRAM 阵列包括以行 ( 表示为行 0、 行 1、 行 2 等 ) 和列 ( 表示为列 0、 列 1、 列 2 等 ) 配置的多个 MRAM 单元 30。位线 B1( 表示 为 BL0、 BL1、 BL2 等 ) 在列方向上延伸。字线 WL( 表示为 WL0、 WL1、 WL2 等 ) 和源极线 SL( 表 示为 SL0、 SL1、 SL2 等 ) 在行方向上延伸。应该理解， 行方向和列方向可以互换， 取决于观看 MRAM 阵列 100 的方向。
每个 MRAM 单元 30 都连接在一条位线 BL 和一条源极线 SL 之间。每个 MRAM 单元 30 都包括磁性隧道结 (MTJ)32 和字线选择器 ( 还被称为字线驱动器 )40， 其可以是 n 型金 属氧化物半导体 (MOS) 晶体管。字线选择器 40 的源极 - 漏极路径串联至相应的 MTJ 器件 32， 因此， 在截止时它们还将 MTJ 器件 32 与相应的源极线 SL 隔离。当对一个 MRAM 单元 30 执行写入或读取操作时， 相应的字线选择器 40 被导通， 使得写入电流或读取电流可以流过 MRAM 单元 30。尽管图 3 示出了字线选择器 40 比相应的位线 BL 接近相应的源极线 SL， 但字 线选择器 40 还可以放置为接近相应的位线 BL。
在整个描述中， 当对所选 MRAM 单元执行写入或读取操作时， 所选 MRAM 单元中定位 的相应行和相应列分别被称作所选行和所选列。在以下讨论中， 假设选择了 MRAM 单元 301， 因此行 0 和列 0 分别为所选行和所选列。 当对所选 MRAM 单元 301 执行写入操作时， 字线 WL0 被施加有逻辑高电压， 而未被选择的字线施加有逻辑低电压。因此， MRAM 单元 301 的字线选 择器 401( 以及行 0 中 MRAM 单元 30 的选择器 40) 导通， 而其他未选行中的字线选择器 40 截 止。用于编程 MTJ 32 的写入电流 I 可以通过向位线 BL0 和源极线 SL0 施加适当的电压来 生成， 位线 BL0 和源极线 SL0 之一为高电压， 而另一条处于低电压。
图 4 示意性示出了半导体芯片 50， 其中形成图 3 所示的 MRAM 阵列 100。为了清楚 示出， 仅示出了 MRAM 阵列 100 中的一个 MRAM 单元 30。然而， 关于所示 MRAM 单元 30 的教导 应用于 MRAM 阵列 100 中的所有其他 MRAM 单元 30。字线电源 52 连接至字线选择器 40 的栅 极 42。在一个实施例中， 字线电源 52 可包括多个输出， 每一个都连接至一条字线 WL( 也在 图 3 中示出 )， 使得不同的字线 WL 可根据相应行是否被选择而具有不同电压。
芯片 50 还包括逻辑电路 54， 例如， 逻辑电路 54 包括逻辑 PMOS 器件 56 和逻辑 NMOS 器件 58。 如本领域所已知的， 逻辑电路可以是组合地址解码器或控制 MRAM 阵列 100 的操作 的任何其他电路。示例性逻辑电路可包括 NAND 门、 NOR 门、 反相器、 多路复用器等。逻辑电 路 54 的电源包括电源 62， 其提供正电源电压 VDD( 下文称为逻辑电源电压 VDD) 以操作逻辑 电路 54。在示例性实施例中， 逻辑电源电压 VDD 为 1.2V。然而， 应该理解， 逻辑电路 54 的 逻辑电源电压与特定电路设计和技术生成相关， 并且可具有较高或较低值。 与短脉冲相比， 逻辑电源电压 VDD 可以连续形式施加于逻辑电路 54 和 / 或 MOS 器件 56 和 58 的栅极。在 一个实施例中， MOS 器件 58 具有与字线选择器 40 相同 ( 或基本相同 ) 的结构， 并且可以与 字线选择器的形成同时形成。 例如， MOS 器件 58 和字线选择器 40 的栅电极、 栅极介电层、 源 极和漏极区域 ( 在图 4 中未示出， 请参照图 5) 可以具有 ( 或不具有 ) 相同的材料和厚度。 此外， MOS 器件 58 和字线选择器 40 可以具有或不具有相同的栅极宽度 - 长度比。
为了增加用于写入 MTJ 器件 32 的写入电流 I， 字线选择器 40 被大于逻辑电源电压 VDD 的栅极电压过度驱动。 这通过字线电源 52( 其向所选行的字线 WL 提供过度驱动电源电 压 VDDH) 来实现。过度驱动电源电压 VDDH 大于逻辑电源电压 VDD。在一个实施例中， 过度驱动电源电压 VDDH 可大于逻辑电源电压 VDD 约 2.5 伏以上。在可选实施例中， 过度驱动电 源电压 VDDH 可大于逻辑电源电压 VDD 约 110％以上。过度驱动电源电压 VDDH 可以 ( 或不 可以 ) 很高， 如果其被提供给 MOS 器件 58 的栅极， 则由于 MOS 器件 58 的栅极电压可以以连 续形式提供， MOS 器件 58 可能被损坏。 然而， 应该意识到， 过度驱动电源电压 VDDH 与逻辑电 源电压 VDD 之间的最佳差由各种因素来确定， 诸如字线选择器 40 的尺寸、 MTJ 器件 32 的所 需写入电流 I、 可被字线选择器 40 保持而不引起损坏的最大电压等， 并且可通过实验得到。
注意， 不同于可在恒定电源电压 VDD 下操作的逻辑电路器件 56 和 58， 过度驱动电 源电压 VDDH 以短脉冲的形式被施加到字线选择器 40 的栅极， 其中， 仅在执行写入操作或读 取操作时才提供脉冲。在写入操作或读取操作结束之后， 字线电源 52 向栅极 42 提供低电 压 ( 例如， VSS 或 0 伏 )。在图 4 中示出了示例性脉冲 59。在示例性实施例中， 脉冲 59 具 有小于约微秒的持续时间 ΔT， 尽管还可以使用更长或更短脉冲。
当执行写入操作时， 向位线 BL 和源极线 SL 施加高电压和低电压， 而电压的极性依 赖于写入 MTJ 器件 32 的值并且可以被反转。示例性低电压为 VSS， 其可以是电接地。在一 个实施例中， 高电压等于逻辑电源电压 VDD。在其他实施例中， 高电压等于过度驱动电源电 压 VDDH。在又一实施例中， 高电压不同于逻辑电源电压 VDD 和过度驱动电源电压 VDDH， 例 如高于或低于过度驱动电源电压 VDDH。 为了进一步增加字线选择器 40 的驱动电流， 字线选择器 40 可以包括高 k 介电材 料和金属栅极。图 5 示出了字线选择器 40 的截面图。栅极介电层 60 由高 k 介电材料形成， 例如， 其具有大于约 7.0 的介电常数 (k 值 )。k 值还可以大于约 12， 或者甚至大于约 20。示 例性高 k 材料包括含铝介电层 ( 诸如 Al2O3、 HfAlO、 HfAlON、 AlZrO)、 含 Hf 材料 ( 诸如 HfO2、 HfSiOx、 HfAlOx、 HfZrSiOx) 和 / 或其他材料 ( 诸如 LaAlO3 和 ZrO2)。栅极介电层 60 还可以 包括氧化物、 氮化物、 氮氧化物、 其多层或其组合。
栅电极 62 可以是由金属、 金属氮化物、 金属硅化物等形成的金属栅极。在一个实 施例中， 栅电极 62 可具有适合于形成 NMOS 器件的逸出功 (workfunction)， 逸出功可以在约 4.0eV 与约 4.4eV 之间， 并且可以是导带边缘逸出功 ( 接近硅的导带， 约为 4.1eV)。示例性 材料包括含钽材料， 诸如 TaC、 TaN、 TaSiN 及其组合。通过结合高 k 栅极介电层 60 和金属栅 电极 62， 字线选择器 40 的驱动电流可以进一步增加。
本发明的实施例具有若干优势。通过过度驱动字线选择器 40( 其可以包括高 k 栅 极介电层和金属栅电极 )， 在不需要增加芯片面积使用的情况下， 字线选择器 40 的驱动电 流可以增加。因此， 可以形成具有提高的可靠性和提高的写入速度的高密度 MRAM 阵列。
尽管已经详细地描述了本发明及其优势， 但应该理解， 可以在不背离所附权利要 求限定的本发明主旨和范围的情况下， 做各种不同的改变， 替换和更改。而且， 本申请的范 围并不仅限于本说明书中描述的工艺、 机器、 制造、 材料组分、 装置、 方法和步骤的特定实施 例。 作为本领域普通技术人员应理解， 通过本发明， 现有的或今后开发的用于执行与根据本 发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、 机器、 制造， 材 料组分、 装置、 方法或步骤根据本发明可以被使用。因此， 所附权利要求应该包括在这样的 工艺、 机器、 制造、 材料组分、 装置、 方法或步骤的范围内。 此外， 每条权利要求构成单独的实 施例， 并且多个权利要求和实施例的组合在本发明的范围内。