專利名稱：一種碳納米管磁隨機(jī)存取存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由最近發(fā)展起來的磁電阻效應(yīng)多層薄膜可構(gòu)成隨機(jī)存取存儲器(RAM，Random Access Memory)中的記憶單元，這種RAM既是所謂的磁電阻隨機(jī)存取存儲器(Magnetoresistive RAM)，簡稱MRAM。
背景技術(shù)：
一、MRAM中的磁性存儲單元作為MRAM的存儲單元，磁性薄膜中至少包含這樣的一個薄膜結(jié)構(gòu)[F1/NF/F2]。其中F1和F2表示兩個磁性材料層，NF表示非磁性材料層，NF層介于F1層和F2層之間。F1和F2中有且僅有一層的磁化方向被外界某層或數(shù)層的材料所固定(稱為被釘扎層)，因而不能在小的外磁場作用下隨意變化；而另外一層為軟磁層，其磁化方向可在小的外磁場作用下發(fā)生變化(稱為自由層)。非磁性材料層的厚度很小，典型的厚度在0.5nm與3.0nm之間。以這樣的磁性薄膜作為存儲單元，當(dāng)F1、F2的磁化方向相同時，磁性薄膜存儲單元表現(xiàn)出低的電阻狀態(tài)；而當(dāng)F1、F2的磁化方向相反時，磁性薄膜存儲單元則表現(xiàn)出高的電阻狀態(tài)。
因此，磁性薄膜存儲單元存在著兩個穩(wěn)定的電阻狀態(tài)，通過改變磁性薄膜存儲單元中自由層相對于被釘扎層的磁化方向，即可使之記錄信息；而通過檢測磁性薄膜存儲單元的電阻狀態(tài)，即可獲取其保存的信息。
目前通常采用的磁性薄膜結(jié)構(gòu)為Ta(5nm)/Cu(20nm)/Py(5nm)/IrMn(10nm)/CoFe(4nm)/Al(1.0nm)-oxide/CoFe(4nm)/Py(20nm)/Cu(20nm)/Ta(5nm)。釘扎材料也有用FeMn，PtMn的，工業(yè)上一般采用FeMn，因為其價格相對便宜。自由層和被釘扎層因要求不同厚度會有所變化，近來也有采用人工釘扎的方法。影響磁性隧道結(jié)(MTJ)性能的關(guān)鍵因素是勢壘層，勢壘層的好壞直接影響到隧道結(jié)磁電阻比值(TMR)的大小以及電阻與結(jié)區(qū)面積的積矢(RA)的大小，而這兩項指標(biāo)正是MTJ作為MRAM一部分的關(guān)鍵之所在。目前較通用的做法是把Al2O3作為勢壘層。Al2O3作為勢壘層存在很多問題首先，Al2O3一般采用先生長1納米左右的Al膜，然后氧化形成Al2O3。一般需要花費(fèi)很長時間在欠氧化與過氧化之間尋找好的氧化時間。另外很難形成大面積的均勻氧化，這樣做出來的隧道結(jié)就很難保證電阻的均勻性，同時容易形成很多缺陷，(如pinhole等)降低TMR效應(yīng)。其次，Al的顆粒比較大，因此不易生長很薄的薄膜，以有效的減小RA的值，同時在其上繼續(xù)生長的其他材料的薄膜結(jié)構(gòu)也受到很大的影響。
二、典型的MRAM單元結(jié)構(gòu)目前通常采用的磁性薄膜存儲單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該MRAM結(jié)構(gòu)配置在半導(dǎo)體襯底上，共需要三個金屬布線層M1、M2、M3和一個過渡金屬層TM。除了讀字線RWL，其地線GND、寫字線WWL和位線BL分別處于不同的金屬布線層中。磁性薄膜存儲單元通過過渡金屬層TM、金屬布線層M2、M1以及相關(guān)接觸孔與晶體管ATR的漏區(qū)相連接，而晶體管ATR的源區(qū)則和地線GND連接，晶體管ATR的柵極同時也是讀字線RWL。
磁性薄膜存儲單元中信息的寫入由位線BL和寫字線WWL來協(xié)同完成。當(dāng)位線BL和寫字線WWL以一定的時序關(guān)系通過寫入工作電流時，兩者的電流所產(chǎn)生的磁場的合成磁場將使磁性薄膜存儲單元中自由層的磁化方向翻轉(zhuǎn)到特定的方向，該磁化方向在撤銷位線BL、寫字線WWL的電流之后能夠穩(wěn)定在其兩個穩(wěn)定狀態(tài)中被期望的一個狀態(tài)。由此即實現(xiàn)了磁性薄膜存儲單元中信息的寫入并保存。
讀取磁性薄膜存儲單元中的信息則由讀字線RWL來控制。在允許讀取時，控制讀字線RWL在一個合適的電平上，使得晶體管ATR導(dǎo)通。此時存在一個由位線BL(金屬布線層M3)經(jīng)磁性薄膜存儲單元、過渡金屬層TM、接觸孔、金屬布線層M2、接觸孔、金屬布線層M1、接觸孔、晶體管ATR漏區(qū)、晶體管ATR源區(qū)而至地線GND的電氣通路。因此，由位線BL給一個合適的讀電流，即可提取磁性薄膜存儲單元當(dāng)前的電阻狀態(tài)。由此即實現(xiàn)了磁性薄膜存儲單元中信息的讀出。
如上所述，該種結(jié)構(gòu)的MRAM需要多達(dá)三個的金屬布線層以及一個過渡金屬層來形成其電氣連接，使得MRAM的制造工藝復(fù)雜、成本高。另外，在制造磁性薄膜存儲單元之前，襯底上已經(jīng)經(jīng)過了數(shù)次的沉積、布線、打孔、絕緣介質(zhì)填埋等工藝操作，使得磁性薄膜存儲單元制造面的表面平整性較差，必須進(jìn)行特殊的表面拋平工藝處理(比如化學(xué)機(jī)械拋光CMP，Chemical-Mechanical Polishing)才能滿足磁性薄膜存儲薄膜對其襯底表面平整性的特殊要求，這也是一個增加工藝難度和制造成本的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，確保了隧道結(jié)電阻的均勻性，同時克服了采用Al2O3作為勢壘層形成的缺陷。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，包括由碳納米管作為勢壘層的磁性薄膜存儲單元構(gòu)成的存儲單元陣列；由晶體管ATR單元構(gòu)成的存儲器讀寫控制單元陣列，該讀寫控制單元陣列集成在半導(dǎo)體襯底中；過渡金屬層，所述磁性薄膜存儲單元經(jīng)由該過渡金屬層和所述晶體管ATR單元相連接；以及字線WL(Word Line)和位線BL(Bit Line)，所述字線WL同時也是所述晶體管ATR的柵極，所述位線BL布置在所述磁性薄膜存儲單元的上方，與所述字線WL相互垂直，與所述磁性薄膜存儲單元直接相連，并且與磁性薄膜存儲單元的易磁化方向垂直。此外，在MRAM陣列中的每一條所述位線BL上設(shè)置一個限流機(jī)構(gòu)，它的作用是限定其所在電流通路所能經(jīng)過的最大電流。
本發(fā)明提供另一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，包括由碳納米管作為勢壘層的磁性薄膜存儲單元構(gòu)成的存儲單元陣列；由晶體管ATR單元構(gòu)成的存儲器讀寫控制單元陣列，該讀寫控制單元陣列集成在半導(dǎo)體襯底中；過渡金屬層，所述磁性薄膜存儲單元經(jīng)由該過渡金屬層和所述晶體管ATR單元相連接；以及字線WL和兩條位線BL1、BL2，所述字線WL同時也是所述晶體管ATR的柵極，所述兩條位線BL1、BL2布置在所述磁性薄膜存儲單元的上方，位線BL1與所述字線WL相互垂直，并且與磁性薄膜存儲單元的易磁化方向垂直，位線BL2與所述磁性薄膜存儲單元直接相連，并且由一絕緣層與位線BL1相互隔離。
本發(fā)明提供再一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，包括由碳納米管作為勢壘層的磁性薄膜存儲單元構(gòu)成的存儲單元陣列；由晶體管ATR單元構(gòu)成的存儲器讀寫控制單元陣列，該讀寫控制單元陣列集成在半導(dǎo)體襯底中；接觸孔與過渡金屬層，所述磁性薄膜存儲單元經(jīng)由該接觸孔與過渡金屬層和所述晶體管ATR單元相連接；以及兩條字線WL1、WL2和位線BL，所述字線WL1同時也是所述晶體管ATR的柵極，所述字線WL2與所述位線BL布置在所述磁性薄膜存儲單元的上方，所述位線BL與所述字線WL2相互垂直，并且與磁性薄膜存儲單元的易磁化方向垂直，字線WL2與所述磁性薄膜存儲單元直接相連，并且由一絕緣層與位線BL相互隔離。
本發(fā)明采用碳納米管作為勢壘層，確保了隧道結(jié)電阻的均勻性，同時克服了采用Al2O3作為勢壘層形成的許多缺陷，如pinhole等。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的磁隨機(jī)存取存儲器MRAM單元結(jié)構(gòu)的三維示意圖；圖2是本發(fā)明采用垂直電流寫入方式的磁隨機(jī)存取存儲器實施例1的MRAM單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的實施例1的MRAM單元結(jié)構(gòu)的第一剖視圖；圖4是本發(fā)明的實施例1的MRAM單元結(jié)構(gòu)附加位線電流限流機(jī)構(gòu)的整體示意圖；圖5是本發(fā)明中垂直寫入電流與平行寫入電流在磁性薄膜存儲單元處產(chǎn)生的空間磁場示意圖；圖6是本發(fā)明采用垂直電流寫入方式的磁隨機(jī)存取存儲器實施例2的MRAM單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的實施例1的MRAM單元結(jié)構(gòu)的第一剖視圖。
圖8是本發(fā)明采用垂直電流寫入方式的磁隨機(jī)存取存儲器實施例2之變形例的MRAM單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明的實施例2之變形例的MRAM單元結(jié)構(gòu)的第一剖視圖。
具體實施例方式
制備納米管勢壘層。
為克服Al2O3作為勢壘層所存在的問題，我們采用納米管作為勢壘層。具體做法如下先生長緩沖層和釘扎層Ta(5nm)/Cu(20nm)/Py(5nm)/IrMn(10nm)/CoFe(4nm)，然后生長一層SiO2，采用電子束曝光加化學(xué)反應(yīng)刻蝕或者采用聚焦離子束的方法在SiO2膜上加工一些1～100納米的孔洞，空洞底部與CoFe相通。在這些孔洞里生長納米管，控制納米管的長度使其稍稍露出洞口。最后在SiO2表面生長自由層CoFe(4nm)/Py(20nm)/Cu(20nm)/Ta(5nm)。有兩種方法可以改變MTJ的電阻一是控制空洞的數(shù)量，進(jìn)而控制納米管的數(shù)量；一是控制納米管的直徑。這樣可以較容易的控制勢壘的高度，同時又能較大程度上改善以Al2O3作為勢壘所帶來的不利因素。
實施例1如圖2、圖3所示，MRAM存儲器中的磁性薄膜存儲單元陣列由大量的MRAM單元1組合而成，在一個MRAM單元1中，包括一個以碳納米管作為勢壘層的磁性薄膜存儲單元2、晶體管ATR 4、過渡金屬層3b、接觸孔3e與3f和一組布線，即位線BL 3a、字線WL 3d以及地線GND 3c。磁性薄膜存儲單元2與晶體管ATR 4通過過渡金屬層3b相互連接。在布局上將位線BL 3a布置在磁性薄膜存儲單元2的上方并且與磁性薄膜存儲單元2直接相連，同時與磁性薄膜存儲單元2的易磁化方向相互垂直。
如圖3所示，整個MRAM單元1由若干層5a、5b、5c、5d、5e構(gòu)成，這些層中的非功能區(qū)域由絕緣掩埋介質(zhì)填埋。在MRAM單元1中金屬布線層僅有兩層5b、5d，即位線BL 3a所在層5d及地線GND 3c、過渡金屬層3b所在層5b。磁性薄膜存儲單元2布置在位線BL 3a的下方且其上部電極與位線BL 3a直接相連接；磁性薄膜存儲單元2的下部電極通過過渡金屬層3b、接觸孔3f與晶體管ATR 4的漏極4c相連接。磁性薄膜存儲單元2中的自由層的易磁化軸與位線BL 3a的長邊方向相互垂直。
為了使寫入操作過程中位線BL 3a上的電流能夠有適當(dāng)大小的一部分電流分流至由磁性薄膜存儲單元2到地線GND 3c的通路上，需要在MRAM陣列中的每一條位線BL上設(shè)置一個或幾個限流機(jī)構(gòu)，如圖4所示為設(shè)置一個限流機(jī)構(gòu)的示意圖。這樣，當(dāng)位線BL上的電流小于限流機(jī)構(gòu)的限定電流，即I≤Is時，幾乎全部的電流都從位線通過而沒有流經(jīng)磁性薄膜存儲單元2的分流。Is的具體大小由磁性薄膜存儲單元的磁化翻轉(zhuǎn)特性參數(shù)來確定，并且使大小為Is的電流產(chǎn)生的磁場不能導(dǎo)致磁性薄膜存儲單元的磁化翻轉(zhuǎn)。當(dāng)I＞Is時，在限流機(jī)構(gòu)的作用下使I1＝Is且I1+I2＝I，這時就存在兩個互相垂直的電流I1和I2，前者與磁性薄膜存儲單元的表面平行，而后者與磁性薄膜存儲單元的表面垂直。由這電流I1和I2產(chǎn)生的磁性薄膜存儲單元自由層處的磁場如圖5所示(I2的分布以點(diǎn)電流分布為例)。由電流I1產(chǎn)生的磁場在性薄膜存儲單元的易磁化軸方向上，而由電流I2產(chǎn)生的磁場則是磁性薄膜存儲單元自由層面內(nèi)的環(huán)形磁場，由背景技術(shù)部分的論述可知，在這樣的合成磁場作用下，可以實現(xiàn)磁性薄膜存儲單元的磁化翻轉(zhuǎn)，即MRAM中信息的寫入。這時I2＝I-I1＝I-Is，它的大小也由磁性薄膜存儲單元的磁化翻轉(zhuǎn)特性參數(shù)來確定，并且使大小為I2和Is的電流產(chǎn)生的合成磁場能夠?qū)е麓判员∧ご鎯卧拇呕D(zhuǎn)。對于MRAM陣列外部的驅(qū)動電流而言，本實施例的MRAM的寫入電流只有一個，即I＝Is+I2。
由此，以圖5、圖6所示單元為例，在MRAM的尋址讀出操作中，首先是被選擇的字線WL 3d給一個適當(dāng)?shù)碾娖揭允咕w管ATR 4處于導(dǎo)通狀態(tài)，然后是被選擇的位線BL 3a上導(dǎo)入一個讀出電流，則讀出電流由位線BL 3a經(jīng)磁性薄膜存儲單元2、過渡金屬層3b、接觸孔3f、晶體管ATR漏極4c、晶體管ATR源極4a、接觸孔3e而達(dá)地線GND 3c，從而獲取磁性薄膜存儲單元2當(dāng)前的電阻狀態(tài)，即MRAM單元1中所存儲的數(shù)據(jù)；在MRAM的尋址寫入操作中，首先也是被選擇的字線WL 3d給一個適當(dāng)?shù)碾娖揭允咕w管ATR 4處于導(dǎo)通狀態(tài)，然后在位線BL 3a上導(dǎo)入寫入電流。在限流機(jī)構(gòu)的作用下該寫入電流被分成平行于被選擇磁性薄膜存儲單元2的分流I1，和垂直于被選擇磁性薄膜存儲單元2、并且流經(jīng)被選擇磁性薄膜存儲單元2到GND 3c的分流I2，它們產(chǎn)生的合成磁場將導(dǎo)致磁性薄膜存儲單元的磁化翻轉(zhuǎn)，也即完成了數(shù)據(jù)的寫入。
位線BL上的限流機(jī)構(gòu)可以設(shè)置并集成在MRAM陣列的外圍電路中，它可由二極管、三極管等構(gòu)成。
實施例2如圖6、圖7所示，在一個MRAM單元1中，包括一個以碳納米管作為勢壘層的磁性薄膜存儲單元2、晶體管ATR 4、過渡金屬層3b、接觸孔3e與3f和一組布線，即位線BL1 3a、位線BL2 3g、字線WL 3d以及地線GND 3c。磁性薄膜存儲單元2與晶體管ATR 4通過過渡金屬層3b相互連接。在布局上，將位線BL1 3a、BL2 3g布置在磁性薄膜存儲單元2的上方并且位線BL2 3g與磁性薄膜存儲單元2直接相連，同時與磁性薄膜存儲單元2的易磁化軸相互垂直；位線BL1 3a與BL2 3g由絕緣層5e隔離，并且兩者彼此平行。
如圖7所示，整個MRAM單元1由若干層5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g構(gòu)成，這些層中的非功能區(qū)域由絕緣掩埋介質(zhì)填埋。在MRAM單元1中金屬布線層有三層5b、5d和5f，即位線BL1 3a所在層5f、位線BL2 3g所在層5d及地線GND3c、過渡金屬層3b所在層5b。磁性薄膜存儲單元2布置在位線BL1 3a、BL2 3g的下方且其上部電極與位線BL2 3g直接相連接；磁性薄膜存儲單元2的下部電極通過過渡金屬層3b、接觸孔3f與晶體管ATR 4的漏極4c相連接。磁性薄膜存儲單元2中的自由層的易磁化方向與位線BL1 3a、BL2 3g的長邊方向相互垂直，位線BL1 3a與BL2 3g相互平行。
在本實施例的尋址讀出操作中，首先是被選擇的字線WL 3d給一個適當(dāng)?shù)碾娖揭允咕w管ATR 4處于導(dǎo)通狀態(tài)，然后是被選擇的位線BL23g上導(dǎo)入一個讀出電流，則讀出電流由位線BL2 3g經(jīng)磁性薄膜存儲單元2、過渡金屬層3b、接觸孔3f、晶體管ATR漏極4c、晶體管ATR源極4a、接觸孔3e而達(dá)地線GND 3c，從而獲取磁性薄膜存儲單元2當(dāng)前的電阻狀態(tài)，即MRAM單元1中所存儲的數(shù)據(jù)；在尋址寫入操作中，首先也是被選擇的字線WL 3d給一個適當(dāng)?shù)碾娖揭允咕w管ATR 4處于導(dǎo)通狀態(tài)，然后在位線BL1 3a、BL2 3g上以一定的時序關(guān)系導(dǎo)入各自的寫入電流。位線BL1 3a上的電流平行于被選擇磁性薄膜存儲單元2，位線BL23g上的電流將流經(jīng)被選擇磁性薄膜存儲單元2而到達(dá)GND 3c，它們產(chǎn)生的合成磁場將導(dǎo)致磁性薄膜存儲單元的磁化翻轉(zhuǎn)，也即完成了數(shù)據(jù)的寫入。
與實施例1相比，本實施取消了限流機(jī)構(gòu)，以增加一條位線來實現(xiàn)對兩個寫入電流的分別配置。
實施例2之變形例如圖8、圖9所示，本變形例將實施例2中的位線BL2 3g的方向從與位線BL1 3a平行改為與字線WL 3d平行。本例中以字線WL2來命名，同時將原來的字線改為WL1以示區(qū)別。其它部分的結(jié)構(gòu)都與實施例2中所述基本一致，這里不再贅述。
在本變形例的尋址讀出操作中，首先是被選擇的字線WL1 3d給一個適當(dāng)?shù)碾娖揭允咕w管ATR 4處于導(dǎo)通狀態(tài)，然后是被選擇的字線WL23g上導(dǎo)入一個讀出電流，則讀出電流由字線WL2 3g經(jīng)磁性薄膜存儲單元2、過渡金屬層3b、接觸孔3f、晶體管ATR漏極4c、晶體管ATR源極4a、接觸孔3e而達(dá)地線GND 3c，從而獲取磁性薄膜存儲單元2當(dāng)前的電阻狀態(tài)，即MRAM單元1中所存儲的數(shù)據(jù)；在尋址寫入操作中，首先也是被選擇的字線WL1 3d給一個適當(dāng)?shù)碾娖揭允咕w管ATR 4處于導(dǎo)通狀態(tài)，然后在位線BL 3a、字線WL2 3g上以一定的時序關(guān)系導(dǎo)入各自的寫入電流。位線BL 3a上的電流平行于被選擇磁性薄膜存儲單元2，字線WL2 3g上的電流將流經(jīng)被選擇磁性薄膜存儲單元2而到達(dá)GND 3c，它們產(chǎn)生的合成磁場將導(dǎo)致磁性薄膜存儲單元2的磁化翻轉(zhuǎn)，也即完成了數(shù)據(jù)的寫入。
本變形例與實施例2的制造、控制以及效果、作用基本上是相當(dāng)?shù)摹?br> 權(quán)利要求
1.一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，包括a)由晶體管ATR(4)單元構(gòu)成的存儲器控制單元陣列，該控制單元陣列集成在半導(dǎo)體襯底中；b)由磁性薄膜存儲單元(2)構(gòu)成的存儲單元陣列；c)接觸孔(3e、3f)與過渡金屬層，所述磁性薄膜存儲單元(2)經(jīng)由接觸孔(3f)與過渡金屬層和所述晶體管ATR(4)單元相連接；d)字線WL(3d)和位線BL(3a)，所述位線BL(3a)布置在所述磁性薄膜存儲單元(2)的上方、與之直接相連接并且與磁性薄膜存儲單元的易磁化方向垂直；其特征在于，所述磁性薄膜存儲單元(2)的勢壘層為碳納米管。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，還設(shè)置有限流機(jī)構(gòu)，該限流機(jī)構(gòu)可由二極管、三極管等構(gòu)成；一個或者多個限流機(jī)構(gòu)與每一條位線BL連接設(shè)置在MRAM陣列的外圍電路中。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，所述磁性薄膜存儲單元(2)的基本結(jié)構(gòu)由兩層磁性材料層以及介于兩磁層之間的非磁性材料層構(gòu)成，存儲信息由其中一個磁性材料層的磁化狀態(tài)來表示并保存。
4.按照權(quán)利要求3所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，所述位線BL(3a)和所述字線WL(3d)相互垂直，所述磁性薄膜存儲單元(2)的易磁化方向與所述位線BL(3a)相互垂直。
5.按照權(quán)利要求4所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，所述字線WL(3d)同時作為所述晶體管ATR(4)單元的柵極。
6.按照權(quán)利要求5所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，在讀出信息的過程中，所述晶體管ATR(4)導(dǎo)通，讀出電流由所述位線BL(3a)引入來獲取所述磁性薄膜存儲單元(2)中存儲的信息。
7.按照權(quán)利要求6所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，內(nèi)部金屬布線層總共為兩層，即所述位線BL(3a)所在層(5d)和所述過渡金屬層(3b)與地線GND(3c)所在層(5b)。
8.一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，包括a)由晶體管ATR(4)單元構(gòu)成的存儲器讀寫控制單元陣列，該讀寫控制單元陣列集成在半導(dǎo)體襯底中；b)由磁性薄膜存儲單元(2)構(gòu)成的存儲單元陣列；c)接觸孔(3e、3f)；d)字線WL(3d)和兩條位線BL1(3a)、BL2(3g)；e)過渡金屬層(3b)；所述磁性薄膜存儲單元(2)經(jīng)由該過渡金屬層(3b)和所述接觸孔(3f)與所述晶體管ATR(4)單元相連接；所述位線BL1(3a)和BL2(3g)由絕緣介質(zhì)隔離、在方向上相互平行，同時所述位線BL2(3g)與所述磁性薄膜存儲單元(2)直接相連接。其特征在于，所述磁性薄膜存儲單元(2)的勢壘層由碳納米管做成。
9.按照權(quán)利要求8所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，所述磁性薄膜存儲單元(2)的基本結(jié)構(gòu)由兩層磁性材料層以及介于兩磁層之間的非磁性材料層構(gòu)成，存儲信息由其中一個磁性材料層的磁化狀態(tài)來表示并保存。
10.按照權(quán)利要求9或10所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，所述位線BL1(3a)和BL2(3g)的方向與所述磁性薄膜存儲單元(2)的易磁化方向垂直，且與所述字線WL(3d)的方向相互垂直。
11.按照權(quán)利要求10所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，所述字線WL(3d)同時作為所述晶體管ATR(4)單元的柵極。
12.按照權(quán)利要求11所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，在讀出信息的過程中，所述晶體管ATR(4)導(dǎo)通，讀出電流由所述位線BL2(3g)引入來獲取所述磁性薄膜存儲單元(2)中存儲的信息。
13.按照權(quán)利要求12所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，其寫入操作過程由所述位線BL1(3a)上平行于所述磁性薄膜存儲單元(2)的電流與從所述位線BL2(3g)引入的、垂直于磁性薄膜存儲單元(2)、并流經(jīng)所述磁性薄膜存儲單元(2)的電流的共同作用來完成。
14.按照權(quán)利要求13所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，內(nèi)部金屬布線層總共為三層，即所述位線BL(3a)所在層、所述位線BL(3g)所在層以及所述地線GND(3c)與過渡金屬層(3b)所在層。
15.一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，包括a)由晶體管ATR(4)單元構(gòu)成的存儲器讀寫控制單元陣列，該讀寫控制單元陣列集成在半導(dǎo)體襯底中；b)由磁性薄膜存儲單元(2)構(gòu)成的存儲單元陣列；c)接觸孔(3e、3f)；d)兩條字線WL1(3d)、WL2(3g)和位線BL(3a)；所述字線WL2(3g)與所述磁性薄膜存儲單元(2)直接相連接并與所述位線BL(3a)相互垂直；其特征在于，所述磁性薄膜存儲單元(2)的勢壘層由碳納米管做成。
16.按照權(quán)利要求15所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，所述磁性薄膜存儲單元(2)的基本結(jié)構(gòu)由兩層磁性材料層以及介于兩磁層之間的非磁性材料層構(gòu)成，存儲信息由其中一個磁性材料層的磁化狀態(tài)來表示并保存。
17.按照權(quán)利要求16所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，所述位線BL(3a)和所述磁性薄膜存儲單元(2)的易磁化方向垂直，且與所述字線WL1(3d)、WL2(3g)相互垂直。
18.按照權(quán)利要求17所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于，所述位線BL(3a)布置在所述字線WL2(3g)的上方且與之絕緣隔離。
19.按照權(quán)利要求18所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于所述字線WL(3d)同時作為所述晶體管ATR(4)單元的柵極。
20.按照權(quán)利要求19所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于在讀出信息的過程中，所述晶體管ATR(4)導(dǎo)通，讀出電流由所述字線WL2(3g)引入來獲取所述磁性薄膜存儲單元(2)中存儲的信息。
21.按照權(quán)利要求20所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于還包括過渡金屬層(3b)，所述磁性薄膜存儲單元(2)經(jīng)由該過渡金屬層(3b)和所述接觸孔(3f)與所述晶體管ATR(4)單元相連接。
22.按照權(quán)利要求21所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于其寫入操作過程由所述位線BL(3a)上平行于所述磁性薄膜存儲單元(2)的電流與從所述字線WL2(3g)引入的、垂直于磁性薄膜存儲單元(2)、并流經(jīng)所述磁性薄膜存儲單元(2)的電流的共同作用來完成。
23.按照權(quán)利要求22所述的一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于內(nèi)部金屬布線層總共為三層，即所述位線BL(3a)所在層、所述字線WL2(3g)所在層，以及所述地線GND(3c)與所述過渡金屬層(3b)所在層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以碳納米管作為勢壘層的磁隨機(jī)存取存儲器，該MRAM單元中的磁性薄膜存儲單元為以碳納米管作為勢壘層的磁性隧道結(jié)(MTJ)，MRAM單元中的信息寫入操作由一個平行于磁性薄膜存儲單元的電流以及另一個垂直于磁性薄膜存儲單元并流經(jīng)該單元的電流所產(chǎn)生的磁場的共同作用來完成。本發(fā)明采用碳納米管作為勢壘層，確保了隧道結(jié)電阻的均勻性，同時克服了采用Al
文檔編號G11C11/16GK1588551SQ200410074350
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月10日
發(fā)明者魏紅祥, 曾中明, 王天興, 趙素芬, 彭子龍, 韓秀峰 申請人:中國科學(xué)院物理研究所