專利名稱：一種碳納米管磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(lái)的磁電阻效應(yīng)多層薄膜可構(gòu)成隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(chǔ)器(Magnetoresistive RAM)，簡(jiǎn)稱MRAM。
背景技術(shù)：
一、MRAM中的磁性存儲(chǔ)單元作為MRAM的存儲(chǔ)單元，磁性薄膜中至少包含這樣的一個(gè)薄膜結(jié)構(gòu)[F1/NF/F2]。其中F1和F2表示兩個(gè)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(chǎng)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(chǎng)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(chǔ)單元，當(dāng)F1、F2的磁化方向相同時(shí)，磁性薄膜存儲(chǔ)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(shí)，磁性薄膜存儲(chǔ)單元?jiǎng)t表現(xiàn)出高的電阻狀態(tài)。
因此，磁性薄膜存儲(chǔ)單元存在著兩個(gè)穩(wěn)定的電阻狀態(tài)，通過(guò)改變磁性薄膜存儲(chǔ)單元中自由層相對(duì)于被釘扎層的磁化方向，即可使之記錄信息；而通過(guò)檢測(cè)磁性薄膜存儲(chǔ)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?yàn)槠鋬r(jià)格相對(duì)便宜。自由層和被釘扎層因要求不同厚度會(huì)有所變化，近來(lái)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(shì)壘層，勢(shì)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(xiàng)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(shì)壘層。Al2O3作為勢(shì)壘層存在很多問(wèn)題首先，Al2O3一般采用先生長(zhǎng)1納米左右的Al膜，然后氧化形成Al2O3。一般需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間在欠氧化與過(guò)氧化之間尋找好的氧化時(shí)間。另外很難形成大面積的均勻氧化，這樣做出來(lái)的隧道結(jié)就很難保證電阻的均勻性，同時(shí)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(zhǎng)很薄的薄膜，以有效的減小RA的值，同時(shí)在其上繼續(xù)生長(zhǎng)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(chǔ)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(gè)金屬布線層M1、M2、M3和一個(gè)過(guò)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(chǔ)單元通過(guò)過(guò)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(shí)也是讀字線RWL。
磁性薄膜存儲(chǔ)單元中信息的寫入由位線BL和寫字線WWL來(lái)協(xié)同完成。當(dāng)位線BL和寫字線WWL以一定的時(shí)序關(guān)系通過(guò)寫入工作電流時(shí)，兩者的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的合成磁場(chǎng)將使磁性薄膜存儲(chǔ)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(gè)穩(wěn)定狀態(tài)中被期望的一個(gè)狀態(tài)。由此即實(shí)現(xiàn)了磁性薄膜存儲(chǔ)單元中信息的寫入并保存。
讀取磁性薄膜存儲(chǔ)單元中的信息則由讀字線RWL來(lái)控制。在允許讀取時(shí)，控制讀字線RWL在一個(gè)合適的電平上，使得晶體管ATR導(dǎo)通。此時(shí)存在一個(gè)由位線BL(金屬布線層M3)經(jīng)磁性薄膜存儲(chǔ)單元、過(guò)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(gè)合適的讀電流，即可提取磁性薄膜存儲(chǔ)單元當(dāng)前的電阻狀態(tài)。由此即實(shí)現(xiàn)了磁性薄膜存儲(chǔ)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(gè)的金屬布線層以及一個(gè)過(guò)渡金屬層來(lái)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(chǔ)單元之前，襯底上已經(jīng)經(jīng)過(guò)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(chǔ)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(chǔ)薄膜對(duì)其襯底表面平整性的特殊要求，這也是一個(gè)增加工藝難度和制造成本的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種以碳納米管作為勢(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，確保了隧道結(jié)電阻的均勻性，同時(shí)克服了采用Al2O3作為勢(shì)壘層形成的缺陷。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種以碳納米管作為勢(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，包括由碳納米管作為勢(shì)壘層的磁性薄膜存儲(chǔ)單元構(gòu)成的存儲(chǔ)單元陣列；由晶體管ATR單元構(gòu)成的存儲(chǔ)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(guò)渡金屬層，所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元經(jīng)由該過(guò)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(shí)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(chǔ)單元的上方，與所述字線WL相互垂直，與所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元直接相連，并且與磁性薄膜存儲(chǔ)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(gè)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(guò)的最大電流。
本發(fā)明提供另一種以碳納米管作為勢(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，包括由碳納米管作為勢(shì)壘層的磁性薄膜存儲(chǔ)單元構(gòu)成的存儲(chǔ)單元陣列；由晶體管ATR單元構(gòu)成的存儲(chǔ)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(guò)渡金屬層，所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元經(jīng)由該過(guò)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(shí)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(chǔ)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(chǔ)單元的易磁化方向垂直，位線BL2與所述磁性薄膜存儲(chǔ)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，包括由碳納米管作為勢(shì)壘層的磁性薄膜存儲(chǔ)單元構(gòu)成的存儲(chǔ)單元陣列；由晶體管ATR單元構(gòu)成的存儲(chǔ)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(guò)渡金屬層，所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元經(jīng)由該接觸孔與過(guò)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(shí)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(chǔ)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(chǔ)單元的易磁化方向垂直，字線WL2與所述磁性薄膜存儲(chǔ)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(shì)壘層，確保了隧道結(jié)電阻的均勻性，同時(shí)克服了采用Al2O3作為勢(shì)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(chǔ)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(chǔ)器實(shí)施例1的MRAM單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的實(shí)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(shí)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(chǔ)單元處產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)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(chǔ)器實(shí)施例2的MRAM單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的實(shí)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(chǔ)器實(shí)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(shí)施例2之變形例的MRAM單元結(jié)構(gòu)的第一剖視圖。
具體實(shí)施例方式
制備納米管勢(shì)壘層。
為克服Al2O3作為勢(shì)壘層所存在的問(wèn)題，我們采用納米管作為勢(shì)壘層。具體做法如下先生長(zhǎng)緩沖層和釘扎層Ta(5nm)/Cu(20nm)/Py(5nm)/IrMn(10nm)/CoFe(4nm)，然后生長(zhǎng)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(zhǎng)納米管，控制納米管的長(zhǎng)度使其稍稍露出洞口。最后在SiO2表面生長(zhǎng)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(shì)壘的高度，同時(shí)又能較大程度上改善以Al2O3作為勢(shì)壘所帶來(lái)的不利因素。
實(shí)施例1如圖2、圖3所示，MRAM存儲(chǔ)器中的磁性薄膜存儲(chǔ)單元陣列由大量的MRAM單元1組合而成，在一個(gè)MRAM單元1中，包括一個(gè)以碳納米管作為勢(shì)壘層的磁性薄膜存儲(chǔ)單元2、晶體管ATR 4、過(guò)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(chǔ)單元2與晶體管ATR 4通過(guò)過(guò)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(chǔ)單元2的上方并且與磁性薄膜存儲(chǔ)單元2直接相連，同時(shí)與磁性薄膜存儲(chǔ)單元2的易磁化方向相互垂直。
如圖3所示，整個(gè)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(guò)渡金屬層3b所在層5b。磁性薄膜存儲(chǔ)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(chǔ)單元2的下部電極通過(guò)過(guò)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(chǔ)單元2中的自由層的易磁化軸與位線BL 3a的長(zhǎng)邊方向相互垂直。
為了使寫入操作過(guò)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(chǔ)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(gè)或幾個(gè)限流機(jī)構(gòu)，如圖4所示為設(shè)置一個(gè)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(shí)，幾乎全部的電流都從位線通過(guò)而沒(méi)有流經(jīng)磁性薄膜存儲(chǔ)單元2的分流。Is的具體大小由磁性薄膜存儲(chǔ)單元的磁化翻轉(zhuǎn)特性參數(shù)來(lái)確定，并且使大小為Is的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)不能導(dǎo)致磁性薄膜存儲(chǔ)單元的磁化翻轉(zhuǎn)。當(dāng)I＞Is時(shí)，在限流機(jī)構(gòu)的作用下使I1＝Is且I1+I2＝I，這時(shí)就存在兩個(gè)互相垂直的電流I1和I2，前者與磁性薄膜存儲(chǔ)單元的表面平行，而后者與磁性薄膜存儲(chǔ)單元的表面垂直。由這電流I1和I2產(chǎn)生的磁性薄膜存儲(chǔ)單元自由層處的磁場(chǎng)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(chǎng)在性薄膜存儲(chǔ)單元的易磁化軸方向上，而由電流I2產(chǎn)生的磁場(chǎng)則是磁性薄膜存儲(chǔ)單元自由層面內(nèi)的環(huán)形磁場(chǎng)，由背景技術(shù)部分的論述可知，在這樣的合成磁場(chǎng)作用下，可以實(shí)現(xiàn)磁性薄膜存儲(chǔ)單元的磁化翻轉(zhuǎn)，即MRAM中信息的寫入。這時(shí)I2＝I-I1＝I-Is，它的大小也由磁性薄膜存儲(chǔ)單元的磁化翻轉(zhuǎn)特性參數(shù)來(lái)確定，并且使大小為I2和Is的電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)能夠?qū)е麓判员∧ご鎯?chǔ)單元的磁化翻轉(zhuǎn)。對(duì)于MRAM陣列外部的驅(qū)動(dòng)電流而言，本實(shí)施例的MRAM的寫入電流只有一個(gè)，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(gè)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(gè)讀出電流，則讀出電流由位線BL 3a經(jīng)磁性薄膜存儲(chǔ)單元2、過(guò)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(chǔ)單元2當(dāng)前的電阻狀態(tài)，即MRAM單元1中所存儲(chǔ)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(gè)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(chǔ)單元2的分流I1，和垂直于被選擇磁性薄膜存儲(chǔ)單元2、并且流經(jīng)被選擇磁性薄膜存儲(chǔ)單元2到GND 3c的分流I2，它們產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)將導(dǎo)致磁性薄膜存儲(chǔ)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(shí)施例2如圖6、圖7所示，在一個(gè)MRAM單元1中，包括一個(gè)以碳納米管作為勢(shì)壘層的磁性薄膜存儲(chǔ)單元2、晶體管ATR 4、過(guò)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(chǔ)單元2與晶體管ATR 4通過(guò)過(guò)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(chǔ)單元2的上方并且位線BL2 3g與磁性薄膜存儲(chǔ)單元2直接相連，同時(shí)與磁性薄膜存儲(chǔ)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(gè)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(guò)渡金屬層3b所在層5b。磁性薄膜存儲(chǔ)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(chǔ)單元2的下部電極通過(guò)過(guò)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(chǔ)單元2中的自由層的易磁化方向與位線BL1 3a、BL2 3g的長(zhǎng)邊方向相互垂直，位線BL1 3a與BL2 3g相互平行。
在本實(shí)施例的尋址讀出操作中，首先是被選擇的字線WL 3d給一個(gè)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(gè)讀出電流，則讀出電流由位線BL2 3g經(jīng)磁性薄膜存儲(chǔ)單元2、過(guò)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(chǔ)單元2當(dāng)前的電阻狀態(tài)，即MRAM單元1中所存儲(chǔ)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(gè)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(shí)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(chǔ)單元2，位線BL23g上的電流將流經(jīng)被選擇磁性薄膜存儲(chǔ)單元2而到達(dá)GND 3c，它們產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)將導(dǎo)致磁性薄膜存儲(chǔ)單元的磁化翻轉(zhuǎn)，也即完成了數(shù)據(jù)的寫入。
與實(shí)施例1相比，本實(shí)施取消了限流機(jī)構(gòu)，以增加一條位線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)寫入電流的分別配置。
實(shí)施例2之變形例如圖8、圖9所示，本變形例將實(shí)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(lái)命名，同時(shí)將原來(lái)的字線改為WL1以示區(qū)別。其它部分的結(jié)構(gòu)都與實(shí)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(gè)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(gè)讀出電流，則讀出電流由字線WL2 3g經(jīng)磁性薄膜存儲(chǔ)單元2、過(guò)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(chǔ)單元2當(dāng)前的電阻狀態(tài)，即MRAM單元1中所存儲(chǔ)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(gè)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(shí)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(chǔ)單元2，字線WL2 3g上的電流將流經(jīng)被選擇磁性薄膜存儲(chǔ)單元2而到達(dá)GND 3c，它們產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)將導(dǎo)致磁性薄膜存儲(chǔ)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(shí)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，包括a)由晶體管ATR(4)單元構(gòu)成的存儲(chǔ)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(chǔ)單元(2)構(gòu)成的存儲(chǔ)單元陣列；c)接觸孔(3e、3f)與過(guò)渡金屬層，所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元(2)經(jīng)由接觸孔(3f)與過(guò)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(chǔ)單元(2)的上方、與之直接相連接并且與磁性薄膜存儲(chǔ)單元的易磁化方向垂直；其特征在于，所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元(2)的勢(shì)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(gè)或者多個(gè)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述磁性薄膜存儲(chǔ)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(chǔ)信息由其中一個(gè)磁性材料層的磁化狀態(tài)來(lái)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(chǔ)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述字線WL(3d)同時(shí)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，在讀出信息的過(guò)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(lái)獲取所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元(2)中存儲(chǔ)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(guò)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，包括a)由晶體管ATR(4)單元構(gòu)成的存儲(chǔ)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(chǔ)單元(2)構(gòu)成的存儲(chǔ)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(guò)渡金屬層(3b)；所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元(2)經(jīng)由該過(guò)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(shí)所述位線BL2(3g)與所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元(2)直接相連接。其特征在于，所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元(2)的勢(shì)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述磁性薄膜存儲(chǔ)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(chǔ)信息由其中一個(gè)磁性材料層的磁化狀態(tài)來(lái)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(chǔ)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述字線WL(3d)同時(shí)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，在讀出信息的過(guò)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(lái)獲取所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元(2)中存儲(chǔ)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，其寫入操作過(guò)程由所述位線BL1(3a)上平行于所述磁性薄膜存儲(chǔ)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(chǔ)單元(2)、并流經(jīng)所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元(2)的電流的共同作用來(lái)完成。
14.按照權(quán)利要求13所述的一種以碳納米管作為勢(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(guò)渡金屬層(3b)所在層。
15.一種以碳納米管作為勢(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，包括a)由晶體管ATR(4)單元構(gòu)成的存儲(chǔ)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(chǔ)單元(2)構(gòu)成的存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)單元(2)的勢(shì)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述磁性薄膜存儲(chǔ)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(chǔ)信息由其中一個(gè)磁性材料層的磁化狀態(tài)來(lái)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述位線BL(3a)和所述磁性薄膜存儲(chǔ)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于所述字線WL(3d)同時(shí)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于在讀出信息的過(guò)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(lái)獲取所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元(2)中存儲(chǔ)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于還包括過(guò)渡金屬層(3b)，所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元(2)經(jīng)由該過(guò)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(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于其寫入操作過(guò)程由所述位線BL(3a)上平行于所述磁性薄膜存儲(chǔ)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(chǔ)單元(2)、并流經(jīng)所述磁性薄膜存儲(chǔ)單元(2)的電流的共同作用來(lái)完成。
23.按照權(quán)利要求22所述的一種以碳納米管作為勢(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(guò)渡金屬層(3b)所在層。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種以碳納米管作為勢(shì)壘層的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，該MRAM單元中的磁性薄膜存儲(chǔ)單元為以碳納米管作為勢(shì)壘層的磁性隧道結(jié)(MTJ)，MRAM單元中的信息寫入操作由一個(gè)平行于磁性薄膜存儲(chǔ)單元的電流以及另一個(gè)垂直于磁性薄膜存儲(chǔ)單元并流經(jīng)該單元的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的共同作用來(lái)完成。本發(fā)明采用碳納米管作為勢(shì)壘層，確保了隧道結(jié)電阻的均勻性，同時(shí)克服了采用Al
文檔編號(hào)G11C11/16GK1588551SQ200410074350
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所