[发明专利]错层式金属位线走线的磁性随机存储器存储阵列

说明书

一种错层式金属位线(BL)走线的磁性随机存储器(MRAM)存储阵列，磁性随机存储器阵列内的每列磁性隧道结(MTJ)的一端连接同一根位线，其特征在于，任意相邻两根位线(BL)的金属层走线分别错层，任意相邻两根位线(BL)的金属层走线由不同金属层所形成。利用相邻位线(BL)间的错层金属层化设计来减小相邻位线(BL)间的寄生耦合电容，从而降低了正在读、写操作的位线对相邻位线产生影响，保证了内部存储单元保存数据的准确性。

技术领域

本发明涉及磁性随机存储器领域，特别涉及一种基于错层式金属位线(BL)走线以减小相邻并行走线间寄生电容的磁性随机存储器存储阵列设计。

背景技术

近年来，采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性随机存储器(Magnetic Radom Access Memory，MRAM)被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性自由层(Free Layer，FL)，磁性自由层可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘隧道势垒层(Tunnel Barrier Layer，TBL)；磁性参考层(Reference Layer，RL)位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。

为能在这种磁电阻组件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。在具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)的磁性隧道结(MTJ)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或“1”和“0”。

磁性随机存储器(MRAM)作为一种非易失性存储器应用于电子设备的集成电路中，并提供数据存储功能，其中数据通过编程作为MRAM位单元的一部分的的磁性隧道结(MTJ)来存储。磁性随机存储器(MRAM)的优点在于，即使在断电状态下，磁性隧道结(MTJ)的位单元仍可以正常保持所存储的信息，这是因为，数据作为磁性组件存储在磁性隧道结(MTJ)中。

读取MRAM的过程就是对MTJ的电阻进行测量。使用比较新的STT-MRAM技术，写MRAM也比较简单：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。

图1为最基本的磁性随机存储器存储单元的示意图。最基本的磁性随机存储器(MRAM)单元，由一个磁性隧道结(MTJ)10和一个开关晶体管20组成。开关晶体管20的栅极(Gate)连接到芯片的字线(Word Line，WL)负责接通或切断这个开关晶体管20，磁性隧道结(MTJ)10和开关晶体管20串接在芯片的位线(Bit Line，BL)上，读写操作在位线(Bit Line，BL)上进行。开关晶体管20的源极(Source)接在芯片的源极线(Source Line，SL)上。

随着半导体工艺发展进入深纳米节点，金属线之间的间距越来越小，导致相邻金属层的侧壁之间的电容越来越大，从而导致相邻信号线产生耦合，对于芯片中的一些有高精度的电路会产生较大的影响。于磁性随机存储器(MRAM)存储阵列而言，相邻的BL间距变小，从而导致BL之间的耦合电容变大，相邻之间BL金属层侧壁的相互耦合效应也会随之变大。例如在CN107258016A专利中，所用技术为，通过堆叠金属层来减少源极线(SL)和位线(BL)上的寄生电阻，但通过采用堆叠金属层的方式，也导致大大增加了相邻位线(BL)间的寄生电容，从而导致在读写操作时，可能会引起非读写线路的误读写动作，这种影响对存储器而言，往往是致命的。