[发明专利]一种使用深N阱隔离的MRAM芯片

说明书

本发明公开了一种使用深N阱隔离的MRAM芯片，所述MRAM芯片包括MRAM器件及电路、P型半导体衬底、N阱和深N阱；所述N阱位于所述MRAM器件及电路外围，所述深N阱位于所述MRAM器件及电路下方，所述N阱底部与所述深N阱连接在一起，对所述MRAM器件及电路形成三维N阱‑深N阱隔离。本发明能够有效隔绝噪音，提高MRAM芯片读出稳定性。

技术领域

本发明属于半导体芯片存储器领域，尤其涉及一种使用深N阱隔离的MRAM芯片。

背景技术

磁性随机存储器(MRAM)是一种新兴的非挥发性存储技术。它拥有高速的读写速度和高集成度，且可以被无限次的重复写入。MRAM可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。

MRAM具有很好的经济性和性能，它的单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式NOR Flash的优势更大。MRAM读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最好；而且MRAM与标准CMOS半导体工艺兼容，DRAM以及Flash与标准CMOS半导体工艺不兼容；MRAM还可以和逻辑电路集成到一个芯片中。

MRAM基于MTJ(磁性隧道结)结构。由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1所示：下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层，它的磁化方向可以和固定磁化层相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。前一种情况电阻低，后一种情况电阻高。

读取MRAM的过程就是对MTJ的电阻进行测量。写MRAM使用比较新的STT-MRAM技术使用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作。一个自下而上的电流把可变磁化层置成与固定层平行的方向，自上而下的电路把它置成反平行的方向。

每个MRAM的记忆单元由一个MTJ和一个NMOS管组成。NMOS管的门极(gate)连接到芯片的Word Line负责接通或切断这个单元，MTJ和MOS管串接在芯片的Bit Line上。读写操作在Bit Line上进行。

如图2所示，一个MRAM芯片由一个或多个MRAM存储单元的阵列组成，每个阵列有若干外部电路，如：

●行地址解码器：把收到的地址变成Word Line的选择

●列地址解码器：把收到的地址变成Bit Line的选择

●读写控制器：控制Bit Line上的读(测量)写(加电流)操作

●输入输出控制：和外部交换数据

MRAM的读出电路需要检测MRAM记忆单元的电阻。由于MTJ的电阻会随着温度等而漂移，一般的方法是使用芯片上的一些已经被写成高阻态或低阻态记忆单元作为参考单元。再使用读出放大器(Sense Amplifier)来比较记忆单元和参考单元的电阻。

在CMOS半导体工艺中，NMOS管由P型半导体衬底注入N型参杂区形成源极和漏极，中间用有氧化物底层的门极隔离。源极连接源极线，漏极通过通孔与蚀刻形成的MTJ连接，如图3所示。

在芯片运行时，P型衬底和地线连接。

MRAM的特点是和CMOS工艺集成，可以和逻辑电路做在一个芯片上。CPU和内存集成在一个芯片上具有巨大的意义和市场。

嵌入式MRAM目前仍在探索阶段，有很多问题需要解决，其中存在的一个问题是高速运行的逻辑电路(如CPU)有很大的噪声。如果和MRAM集成在一个芯片上，这种噪声可以通过衬底进入MRAM的区域。而MRAM的读操作必须使用很小的电压(通常<200mV，否则会影响内存稳定)，对噪音特别敏感。可能会造成读出错误。