一、MRAM中的磁性存储单元
作为MRAM的存储单元，磁性薄膜中至少包含这样的一个薄膜结 构：[F1/NF/F2]。其中F1和F2表示两个磁性材料层，NF表示非磁性材 料层，NF层介于F1层和F2层之间。F1和F2中有且仅有一层的磁化方 向被外界某层或数层的材料所固定(称为被钉扎层)，因而不能在小的外 磁场作用下随意变化；而另外一层为软磁层，其磁化方向可在小的外磁 场作用下发生变化(称为自由层)。非磁性材料层的厚度很小，典型的厚 度在0.5nm与3.0nm之间。以这样的磁性薄膜作为存储单元，当F1、F2 的磁化方向相同时，磁性薄膜存储单元表现出低的电阻状态；而当F1、 F2的磁化方向相反时，磁性薄膜存储单元则表现出高的电阻状态。
因此，磁性薄膜存储单元存在着两个稳定的电阻状态，通过改变磁 性薄膜存储单元中自由层相对于被钉扎层的磁化方向，即可使之记录信 息；而通过检测磁性薄膜存储单元的电阻状态，即可获取其保存的信息。
目前通常采用的磁性薄膜结构为：Ta(5nm)/Cu(20nm)/Py(5nm)/ IrMn(10nm)/CoFe(4nm)/Al(1.0nm)-oxide/CoFe(4nm)/Py(20nm)/Cu(20nm)/ Ta(5nm)。钉扎材料也有用FeMn，PtMn的，工业上一般采用FeMn，因 为其价格相对便宜。自由层和被钉扎层因要求不同厚度会有所变化，近 来也有采用人工钉扎的方法。影响磁性隧道结(MTJ)性能的关键因素 是势垒层，势垒层的好坏直接影响到隧道结磁电阻比值(TMR)的大小以及 电阻与结区面积的积矢(RA)的大小，而这两项指标正是MTJ作为NRAM 一部分的关键之所在。目前较通用的做法是把Al2O3作为势垒层。Al2O3作为势垒层存在很多问题：首先，Al2O3一般采用先生长1纳米左右的 Al膜，然后氧化形成Al2O3。一般需要花费很长时间在欠氧化与过氧化之 间寻找好的氧化时间。另外很难形成大面积的均匀氧化，这样做出来的 隧道结就很难保证电阻的均匀性，同时容易形成很多缺陷，(如pinhole 等)降低TMR效应。其次，Al的颗粒比较大，因此不易生长很薄的薄 膜，以有效的减小RA的值，同时在其上继续生长的其他材料的薄膜结 构也受到很大的影响。
二、典型的MRAM单元结构
目前通常采用的磁性薄膜存储单元的结构如图1所示。该MRAM结 构配置在半导体衬底上，共需要三个金属布线层M1、M2、M3和一个过 渡金属层TM。除了读字线RWL，其地线GND、写字线WWL和位线 BL分别处于不同的金属布线层中。磁性薄膜存储单元通过过渡金属层 TM、金属布线层M2、M1以及相关接触孔与晶体管ATR的漏区相连接， 而晶体管ATR的源区则和地线GND连接，晶体管ATR的栅极同时也是 读字线RWL。
磁性薄膜存储单元中信息的写入由位线BL和写字线WWL来协同完 成。当位线BL和写字线WWL以一定的时序关系通过写入工作电流时， 两者的电流所产生的磁场的合成磁场将使磁性薄膜存储单元中自由层的 磁化方向翻转到特定的方向，该磁化方向在撤销位线BL、写字线WWL 的电流之后能够稳定在其两个稳定状态中被期望的一个状态。由此即实 现了磁性薄膜存储单元中信息的写入并保存。
读取磁性薄膜存储单元中的信息则由读字线RWL来控制。在允许读 取时，控制读字线RWL在一个合适的电平上，使得晶体管ATR导通。 此时存在一个由位线BL(金属布线层M3)经磁性薄膜存储单元、过渡 金属层TM、接触孔、金属布线层M2、接触孔、金属布线层M1、接触 孔、晶体管ATR漏区、晶体管ATR源区而至地线GND的电气通路。因 此，由位线BL给一个合适的读电流，即可提取磁性薄膜存储单元当前的 电阻状态。由此即实现了磁性薄膜存储单元中信息的读出。
如上所述，该种结构的MRAM需要多达三个的金属布线层以及一个 过渡金属层来形成其电气连接，使得MRAM的制造工艺复杂、成本高。 另外，在制造磁性薄膜存储单元之前，衬底上已经经过了数次的沉积、 布线、打孔、绝缘介质填埋等工艺操作，使得磁性薄膜存储单元制造面 的表面平整性较差，必须进行特殊的表面抛平工艺处理(比如化学机械 抛光CMP，Chemical-Mechanical Polishing)才能满足磁性薄膜存储薄膜 对其衬底表面平整性的特殊要求，这也是一个增加工艺难度和制造成本 的问题。
实用新型内容
针对上述存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种以碳纳米管 作为势垒层的磁随机存取存储器，确保了隧道结电阻的均匀性，同时克 服了采用Al2O3作为势垒层形成的缺陷。
为实现上述目的，本实用新型提供一种以碳纳米管作为势垒层的磁 随机存取存储器，包括：由碳纳米管作为势垒层的磁性薄膜存储单元构 成的存储单元阵列；由晶体管ATR单元构成的存储器读写控制单元阵列， 该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；过渡金属层，所述磁性薄膜 存储单元经由该过渡金属层和所述晶体管ATR单元相连接；以及字线 WL(Word Line)和位线BL(Bit Line)，所述字线WL同时也是所述晶 体管ATR的栅极，所述位线BL布置在所述磁性薄膜存储单元的上方， 与所述字线WL相互垂直，与所述磁性薄膜存储单元直接相连，并且与 磁性薄膜存储单元的易磁化方向垂直。此外，在MRAM阵列中的每一条 所述位线BL上设置一个限流机构，它的作用是限定其所在电流通路所能 经过的最大电流。
本实用新型提供另一种以碳纳米管作为势垒层的磁随机存取存储 器，包括：由碳纳米管作为势垒层的磁性薄膜存储单元构成的存储单元 阵列；由晶体管ATR单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制 单元阵列集成在半导体衬底中；过渡金属层，所述磁性薄膜存储单元经 由该过渡金属层和所述晶体管ATR单元相连接；以及字线WL和两条位 线BL1、BL2，所述字线WL同时也是所述晶体管ATR的栅极，所述两 条位线BL1、BL2布置在所述磁性薄膜存储单元的上方，位线BL1与所 述字线WL相互垂直，并且与磁性薄膜存储单元的易磁化方向垂直，位 线BL2与所述磁性薄膜存储单元直接相连，并且由一绝缘层与位线BL1 相互隔离。
本实用新型提供再一种以碳纳米管作为势垒层的磁随机存取存储 器，包括：由碳纳米管作为势垒层的磁性薄膜存储单元构成的存储单元 阵列；由晶体管ATR单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制 单元阵列集成在半导体衬底中；接触孔与过渡金属层，所述磁性薄膜存 储单元经由该接触孔与过渡金属层和所述晶体管ATR单元相连接；以及 两条字线WL1、WL2和位线BL，所述字线WL1同时也是所述晶体管 ATR的栅极，所述字线WL2与所述位线BL布置在所述磁性薄膜存储单 元的上方，所述位线BL与所述字线WL2相互垂直，并且与磁性薄膜存 储单元的易磁化方向垂直，字线WL2与所述磁性薄膜存储单元直接相连， 并且由一绝缘层与位线BL相互隔离。
本实用新型采用碳纳米管作为势垒层，确保了隧道结电阻的均匀性， 同时克服了采用Al2O3作为势垒层形成的许多缺陷，如pinhole等。
附图说明
图1是现有技术的磁随机存取存储器MRAM单元结构的三维示意 图；
图2是本实用新型采用垂直电流写入方式的磁随机存取存储器实施 例1的MRAM单元结构示意图；
图3是本实用新型的实施例1的MRAM单元结构的第一剖视图；
图4是本实用新型的实施例1的MRAM单元结构附加位线电流限流 机构的整体示意图；
图5是本实用新型中垂直写入电流与平行写入电流在磁性薄膜存储 单元处产生的空间磁场示意图；
图6是本实用新型采用垂直电流写入方式的磁随机存取存储器实施 例2的MRAM单元结构示意图；
图7是本实用新型的实施例1的MRAM单元结构的第一剖视图。
图8是本实用新型采用垂直电流写入方式的磁随机存取存储器实施 例2之变形例的MRAM单元结构示意图；
图9是本实用新型的实施例2之变形例的MRAM单元结构的第一剖 视图。
具体实施方式：
制备纳米管势垒层。
为克服Al2O3作为势垒层所存在的问题，我们采用纳米管作为势垒 层。具体做法如下：先生长缓冲层和钉扎层Ta(5nm)/Cu(20nm)/Py(5 nm)/IrMn(10nm)/CoFe(4nm)，然后生长一层SiO2，采用电子束曝光加化 学反应刻蚀或者采用聚焦离子束的方法在SiO2膜上加工一些1～100纳米 的孔洞，空洞底部与CoFe相通。在这些孔洞里生长纳米管，控制纳米管 的长度使其稍稍露出洞口。最后在SiO2表面生长自由层：CoFe(4 nm)/Py(20nm)/Cu(20nm)/Ta(5nm)。有两种方法可以改变MTJ的电阻： 一是控制空洞的数量，进而控制纳米管的数量；一是控制纳米管的直径。 这样可以较容易的控制势垒的高度，同时又能较大程度上改善以Al2O3作为势垒所带来的不利因素。
实施例1：
如图2、图3所示，MRAM存储器中的磁性薄膜存储单元阵列由大 量的MRAM单元1组合而成，在一个MRAM单元1中，包括一个以碳 纳米管作为势垒层的磁性薄膜存储单元2、晶体管ATR4、过渡金属层 3b、接触孔3e与3f和一组布线，即：位线BL3a、字线WL3d以及地线 GND3c。磁性薄膜存储单元2与晶体管ATR4通过过渡金属层3b相互 连接。在布局上将位线BL3a布置在磁性薄膜存储单元2的上方并且与 磁性薄膜存储单元2直接相连，同时与磁性薄膜存储单元2的易磁化方 向相互垂直。
如图3所示，整个MRAM单元1由若干层5a、5b、5c、5d、5e构 成，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质填埋。在MRAM单元1中金 属布线层仅有两层5b、5d，即位线BL3a所在层5d及地线GND3c、过 渡金属层3b所在层5b。磁性薄膜存储单元2布置在位线BL3a的下方 且其上部电极与位线BL3a直接相连接；磁性薄膜存储单元2的下部电 极通过过渡金属层3b、接触孔3f与晶体管ATR4的漏极4c相连接。磁 性薄膜存储单元2中的自由层的易磁化轴与位线BL3a的长边方向相互 垂直。
为了使写入操作过程中位线BL3a上的电流能够有适当大小的一部 分电流分流至由磁性薄膜存储单元2到地线GND3c的通路上，需要在 MRAM阵列中的每一条位线BL上设置一个或几个限流机构，如图4所 示为设置一个限流机构的示意图。这样，当位线BL上的电流小于限流机 构的限定电流，即I≤Is时，几乎全部的电流都从位线通过而没有流经磁 性薄膜存储单元2的分流。Is的具体大小由磁性薄膜存储单元的磁化翻转 特性参数来确定，并且使大小为Is的电流产生的磁场不能导致磁性薄膜 存储单元的磁化翻转。当I＞Is时，在限流机构的作用下使I1＝Is且I1+I2＝I， 这时就存在两个互相垂直的电流I1和I2，前者与磁性薄膜存储单元的表 面平行，而后者与磁性薄膜存储单元的表面垂直。由这电流I1和I2产生 的磁性薄膜存储单元自由层处的磁场如图5所示(I2的分布以点电流分布 为例)。由电流I1产生的磁场在性薄膜存储单元的易磁化轴方向上，而由 电流I2产生的磁场则是磁性薄膜存储单元自由层面内的环形磁场，由背 景技术部分的论述可知，在这样的合成磁场作用下，可以实现磁性薄膜 存储单元的磁化翻转，即MRAM中信息的写入。这时I2＝I-I1＝I-Is，它 的大小也由磁性薄膜存储单元的磁化翻转特性参数来确定，并且使大小 为I2和Is的电流产生的合成磁场能够导致磁性薄膜存储单元的磁化翻转。 对于NRAM阵列外部的驱动电流而言，本实施例的MRAM的写入电流 只有一个，即I＝IS+I2。
由此，以图5、图6所示单元为例，在MRAM的寻址读出操作中， 首先是被选择的字线WL3d给一个适当的电平以使晶体管ATR4处于导 通状态，然后是被选择的位线BL3a上导入一个读出电流，则读出电流 由位线BL3a经磁性薄膜存储单元2、过渡金属层3b、接触孔3f、晶体 管ATR漏极4c、晶体管ATR源极4a、接触孔3e而达地线GND3c，从 而获取磁性薄膜存储单元2当前的电阻状态，即MRAM单元1中所存储 的数据；在MRAM的寻址写入操作中，首先也是被选择的字线WL3d 给一个适当的电平以使晶体管ATR4处于导通状态，然后在位线BL3a 上导入写入电流。在限流机构的作用下该写入电流被分成平行于被选择 磁性薄膜存储单元2的分流I1，和垂直于被选择磁性薄膜存储单元2、并 且流经被选择磁性薄膜存储单元2到GND3c的分流I2，它们产生的合成 磁场将导致磁性薄膜存储单元的磁化翻转，也即完成了数据的写入。
位线BL上的限流机构可以设置并集成在MRAM阵列的外围电路 中，它可由二极管、三极管等构成。
实施例2：
如图6、图7所示，在一个MRAM单元1中，包括一个以碳纳米管 作为势垒层的磁性薄膜存储单元2、晶体管ATR4、过渡金属层3b、接 触孔3e与3f和一组布线，即：位线BL1 3a、位线BL2 3g、字线WL3d 以及地线GND3c。磁性薄膜存储单元2与晶体管ATR4通过过渡金属层 3b相互连接。在布局上，将位线BL1 3a、BL2 3g布置在磁性薄膜存储单 元2的上方并且位线BL2 3g与磁性薄膜存储单元2直接相连，同时与磁 性薄膜存储单元2的易磁化轴相互垂直；位线BL1 3a与BL2 3g由绝缘 层5e隔离，并且两者彼此平行。
如图7所示，整个MRAM单元1由若干层5a、5b、5c、5d、5e、5f、 5g构成，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质填埋。在MRAM单元1 中金属布线层有三层5b、5d和5f，即位线BL1 3a所在层5f、位线BL2 3g 所在层5d及地线GND3c、过渡金属层3b所在层5b。磁性薄膜存储单 元2布置在位线BL1 3a、BL2 3g的下方且其上部电极与位线BL2 3g直 接相连接；磁性薄膜存储单元2的下部电极通过过渡金属层3b、接触孔 3f与晶体管ATR4的漏极4c相连接。磁性薄膜存储单元2中的自由层 的易磁化方向与位线BL1 3a、BL2 3g的长边方向相互垂直，位线BL1 3a 与BL2 3g相互平行。
在本实施例的寻址读出操作中，首先是被选择的字线WL3d给一个 适当的电平以使晶体管ATR4处于导通状态，然后是被选择的位线BL2 3g上导入一个读出电流，则读出电流由位线BL2 3g经磁性薄膜存储单元 2、过渡金属层3b、接触孔3F、晶体管ATR漏极4c、晶体管ATR源极 4a、接触孔3e而达地线GND3c，从而获取磁性薄膜存储单元2当前的 电阻状态，即MRAM单元1中所存储的数据；在寻址写入操作中，首先 也是被选择的字线WL3d给一个适当的电平以使晶体管ATR4处于导通 状态，然后在位线BL1 3a、BL2 3g上以一定的时序关系导入各自的写入 电流。位线BL1 3a上的电流平行于被选择磁性薄膜存储单元2，位线BL2 3g上的电流将流经被选择磁性薄膜存储单元2而到达GND3c，它们产生 的合成磁场将导致磁性薄膜存储单元的磁化翻转，也即完成了数据的写 入。
与实施例1相比，本实施取消了限流机构，以增加一条位线来实现 对两个写入电流的分别配置。
实施例2之变形例：
如图8、图9所示，本变形例将实施例2中的位线BL2 3g的方向从 与位线BL1 3a平行改为与字线WL3d平行。本例中以字线WL2来命名， 同时将原来的字线改为WL1以示区别。其它部分的结构都与实施例2 中所述基本一致，这里不再赘述。
在本变形例的寻址读出操作中，首先是被选择的字线WL1 3d给一个 适当的电平以使晶体管ATR4处于导通状态，然后是被选择的字线WL2 3g上导入一个读出电流，则读出电流由字线WL2 3g经磁性薄膜存储单 元2、过渡金属层3b、接触孔3f、晶体管ATR漏极4c、晶体管ATR源 极4a、接触孔3e而达地线GND3c，从而获取磁性薄膜存储单元2当前 的电阻状态，即MRAM单元1中所存储的数据；在寻址写入操作中，首 先也是被选择的字线WL1 3d给一个适当的电平以使晶体管ATR4处于 导通状态，然后在位线BL3a、字线WL2 3g上以一定的时序关系导入各 自的写入电流。位线BL3a上的电流平行于被选择磁性薄膜存储单元2， 字线WL2 3g上的电流将流经被选择磁性薄膜存储单元2而到达GND3c， 它们产生的合成磁场将导致磁性薄膜存储单元2的磁化翻转，也即完成 了数据的写入。
本变形例与实施例2的制造、控制以及效果、作用基本上是相当的。