包括多個堆疊的矩陣可尋址存儲器件的立體數據存儲裝置的製作方法

2023-04-30 19:32:16 2

專利名稱：包括多個堆疊的矩陣可尋址存儲器件的立體數據存儲裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括多個堆疊的矩陣可尋址存儲器件的立體數據存儲裝置，其中各存儲器件包括第一和第二電極部件，其形式為具有分別形成存儲器件的用於其矩陣尋址的字線和位線的平行電極的相應層，字線與位線方向垂直以用於存儲器件的矩陣尋址，其中各存儲器件包括設置在第一與第二電極部件之間、與其直接或間接接觸的存儲材料層，其中第二電極部件形成疊層中後續存儲器件的第一電極部件，從而電極部件的數量變成比疊層中存儲器件的數量多一，其中存儲材料是能夠呈現滯後現象的可極化介質材料，最好是鐵電或駐極體材料，以及其中存儲單元被定義在存儲器件的字線與位線的交叉點之處或之間的存儲材料中。
從體系結構的觀點來看，具有夾在電極層之間的鐵電聚合物存儲材料的存儲器的無源矩陣方式比現有技術的矽存儲體系結構的1T-1C方式更具吸引力，部分因為它代表更密集的橫向存儲(4f2對6f2以及更大，其中f為最小可定義特徵)，但是更因為它允許相繼存儲層的堆疊，例如從聯合襯底電路來控制。但是，即使4f2設計也只產生25％的面積填充係數仍然是事實。對於50％到接近100％的填充係數，可以減少立體堆疊存儲器中的存儲層數量，而生產複雜度、產量以及成本也會減少。另外，僅採用一個或兩個存儲層也會相應地減少聚合物後處理的影響，由此防止來自這些工序的負面性能影響。
增加單元密度的傳統方法是減小單元面積。但是，單元佔用面積越小，信號越小(以及信噪比越低)，必須提供更靈敏、因而更複雜且對製成的電路板要求更高的讀出電路(由讀出放大器支配)。實際上，構建線寬小於0.30μm-0.40μm(單元面積0.09μm2至0.16μm2)的任何種類的交叉點矩陣系統被認為是極為艱難的。
與多層堆疊相關的一個問題是平面化。在先前各層上構建後繼各層會逐漸產生「彎曲的」或「不平的」外形，這對於平版印刷控制、以及因而對於尋址和從單元讀出的能力來說造成大量問題(例如，相對於預計單元面積設計讀出放大器；在這種情況下，由於不均勻的平版印刷，變化超過某些極限值，信號無法可靠地讀出—換句話說，1與0之間的差異更難以確定)。
該體系結構還定義最少數量的所需掩模步驟，掩模步驟越少，製造成本越低。減少每位的掩模步驟數量非常重要。具有8個存儲層的典型器件的當前聚合物存儲矩陣可能例如需要比有競爭力的快閃記憶體多19個掩模步驟，這意味著，加工這種晶片比用於例如快閃記憶體的現有技術CMOS工藝的成本幾乎多一倍。
在本申請人提出的採用垂直切換場的矩陣可尋址鐵電聚合物存儲器中，旋塗聚合物薄膜的表面波度在很大程度上決定了存儲器應用中的可用性。當薄膜厚度縮小到100nm以下時，保持關於鐵電特性的最佳表面波度是極困難的。在這樣的厚度上，薄膜對所用溶劑類型、旋塗和焙烤條件、界面層/阻擋層的類型和效果等等更為敏感。需要越來越薄的薄膜，以便降低切換電壓，例如，薄膜必須比30nm更薄，以便實現電極間強度低於5V的切換場。需要更低的電壓電平，以便採用越來越密集的平版印刷以及與相關設計規則兼容，另外還允許降低的功耗。此外，低電壓在基於聚合物的存儲器中極具吸引力，因為它允許更多電路、最終允許所有電路在無源存儲器陣列之下構建，這又通過把開銷佔用面積可能減少為零、並且使通孔和連接更易於設計和實現，從而減少有效的單元佔用面積。
但是，製作具有可接受的均勻度和表面波度並且沒有缺陷的這類薄膜在大面積(例如晶片)上要求極高，另外還因為重要的鐵電特性、如結晶度對於較薄的薄膜易於惡化，同時洩漏和寄生電流代表日益增大的問題。這又嚴重影響存儲器性能，例如對於區分所存儲的1和0重要的可切換和剩餘極化強度、切換持久性和切換速度。尤其是較高溫度(例如＞60℃)的高溫性能似乎驚人地惡化。
但是，即使較厚的存儲薄膜也遇到與較薄的薄膜類似的一系列問題，只不過可能不太明顯。已確定的優選薄膜塗敷方法是採用適當溶劑的旋塗法。溶劑的選擇、旋轉條件、可能的溶劑殘留物、與溶劑選擇相關的焙烤條件等代表與獲取正確的參數組合有關的極大難題，這個難題在涉及到薄的薄膜時更大。必須使用溶劑，以便在晶片襯底上獲得薄的、均勻的薄膜。
由於切換電壓與薄膜厚度的相關性(在下文論述)，對於降低的薄膜均勻性，矯頑場將相應改變，如果變化大於電壓的最大設計擺幅，則將在工作中產生問題。另一方面，設計擺幅越大，進行處理所需的電路越複雜，同時在製成電路板效率、生產複雜度和器件成本方面的成本增加。
甚至更大的表面波度問題可能是以下事實聚合物將經過大量後處理，例如頂部電極、界面層、通孔連接等在多層存儲器疊層中的澱積。這對聚合物屬性造成可能嚴重的負面影響，聚合物屬性極難以適當控制，尤其是在商業製造過程中。
聚合物的使用，尤其是電極直接設置到具有大約150℃的熔解溫度的這種材料上的事實，在涉及封裝時產生問題。在典型的焊接過程中，溫度可能在有限時段中高達210℃，這導致體系結構的問題，因為電極開始熔解並流動，使得電極/聚合物膜界面可能被嚴重損壞。
以多個存儲器件的疊層來提供根據本發明的數據存儲裝置，以及其中的電極部件交替形成相鄰器件的字線和位線，使得在根據本發明的堆疊存儲器數據存儲裝置中，疊層中的獨立電極部件的數量僅比疊層中的存儲器件的數量多一個。這無疑意味著，尋址協議必須規定當時僅疊層中的一個存儲器件被尋址，或者疊層中最多每隔一個存儲器件可同時尋址。公開了堆疊的無源矩陣可尋址存儲器件的先有技術已經提出了交替作為字線和位線的電極部件，但它們依靠傳統的電極和存儲單元配置，雖然實質上以薄膜形式來提供電極部件。雖然提供了結構上的簡化，但它們無法幫助存儲密度的顯著增加。
因此，本發明的主要目的是消除先有技術矩陣可尋址數據存儲存儲器件所存在的上述缺點和問題，所述存儲器件依靠能夠呈現滯後現象的可極化存儲材料、如鐵電駐極體；以及提供立體數據存儲裝置，它包括堆疊的矩陣可尋址存儲器件並且具有極高的數據存儲密度。
本發明的一個特定目的也是消除當存儲材料為上述聚合物或共聚物材料時出現的問題。
通過根據本發明的立體數據存儲裝置，實現本發明的目的以及其它優點和特徵，其特徵在於，各電極部件的電極設置成密集排列方式，並通過其間的阻擋層互相隔離，阻擋層的厚度δ僅為電極寬度的幾分之一，因此電極部件中電極的面積填充係數接近一；朝向相鄰後續電極部件的電極部件的頂面設有平行凹槽，這些凹槽的方向垂直於電極並且相互間隔與電極寬度w相當的距離，平行凹槽的橫截面形狀與電極的橫截面形狀相符；相鄰後續電極部件的每隔一個電極被設置為在相鄰在前電極部件中形成的凹槽中向下延伸；在各電極部件上的層中提供存儲材料，覆蓋其表面和至少側壁以及可選地覆蓋其中凹槽底部；以及延伸到凹槽中的電極與相鄰在前電極部件的垂直交叉電極結合，共同在凹槽中提供的存儲材料中定義具有至少兩個切換方向的存儲單元，因此立體數據存儲裝置具有極高的存儲密度，各存儲器件的各存儲層的存儲單元填充係數接近電極部件的電極的面積填充係數的值，以及在存儲材料層中每隔一個存儲單元能夠切換到至少兩個方向。
從所附獨立權利要求中會明白根據本發明的裝置的其它特徵和優點。
現在將通過全面論述如圖所示的本發明的構成部件及其實施例，詳細說明根據本發明的裝置，附圖中

圖1說明通過根據本發明的數據存儲裝置中的第一電極部件的橫截面，圖2是圖1中的第一電極部件的平面圖，圖3a是沿圖2中的A-A線截取的電極部件的橫截面，圖3b-3f是各種步驟，用於形成根據本發明的數據存儲裝置中的第二電極部件的高高寬比電極，這些橫截面是從與圖3a相同的方向來觀看的，圖4是根據本發明的數據存儲裝置中的第一存儲器件，是從與圖3a的橫截面相同的方向來觀看的，圖5是根據本發明的數據存儲裝置中的第一存儲器件的平面圖，圖6是沿圖5中的B-B線截取的、通過圖5中的數據存儲裝置的橫截面，圖7是根據本發明的數據存儲裝置中的第一存儲器件之上的第二存儲器件的堆疊，是從與圖6的橫截面相同的方向來觀看的，圖8是根據本發明、具有兩個存儲層的數據存儲裝置的平面圖，圖9是沿圖8中的A-A線截取的、通過圖8中的數據存儲裝置的橫截面，圖10是與圖9中類似的橫截面，但其中第三存儲器件堆疊在第二存儲器件之上，圖11是具有第三存儲器件的圖10中的數據存儲裝置的平面圖，圖12a是沿圖11中的B-B線截取的、具有四個存儲器件的、根據本發明的數據存儲裝置的示意實施例的橫截面，圖12b是類似於圖12a中的實施例、但沿圖11中的A-A線截取的、通過根據本發明的數據存儲裝置的橫截面，以及圖13示意說明根據本發明的功能數據存儲裝置的整體結構和構成部件。
圖1說明根據本發明的裝置中的電極部件E1的橫截面。電極部件E1包括多個平行電極ε1，它們在圖2的電極部件E1的平面圖中看起來象條狀。各電極ε1設置在絕緣襯底1上，並且僅通過防止分開的電極ε1之間電阻接觸的絕緣薄膜2a分隔。電極ε1實現為具有高度H和寬度w，但具有相當高的高寬比H/w。絕緣薄膜2a的厚度δ通常遠小於電極寬度w，這意味著，從圖2看來作為其佔用面積的電極部件E1的幾乎整個面積由電極ε1佔據，而電極之間的絕緣薄膜層或阻擋層2a僅佔據其中一小部分(如果採用0.15μm或更大線寬的平版印刷；更精細的平版印刷減小這個差異)。這種電極部件可通過如2001年11月9日提交的挪威專利申請No.20015509中公開的方法來製造，該申請屬於本發明人，因此本文不再進一步詳細說明製作這種密集電極部件的實際方法，上述申請將被視為通過引用結合於此。但是，在該方面要注意，電極寬度可符合最小加工限制特徵f，其大小將取決於例如顯微光刻圖案形成過程中適用的設計規則。總之，這意味著，電極部件E1中的電極寬度w或者從一個電極到下一個的距離d受這種設計規則的支配，同時這不一定是可通過不受任何傳統設計規則約束的過程來澱積的絕緣薄膜的厚度的情況。由此得出結論，電極部件E中的例如每隔一個電極ε的實際寬度可比最小加工限制特徵f小一個量2δ，即實際由設計規則限制的距離為d＝w+2δ。
參照圖2的平面圖，說明電極部件E1，其中形成凹槽3並從其電極ε1的頂面向下延伸。可具有與電極ε1大致相同寬度w的這些凹槽3垂直於電極部件E1的電極ε1延伸，並通過同樣可具有大約w的寬度的電極ε1的其餘部分來分隔。凹槽3從電極ε1的頂面朝襯底延伸一個量h，且具有基本為矩形的橫截面。在凹槽3的底部，電極ε1將通過其延伸到高於襯底1的高度H-h的部分橋接。應當理解，雖然h可以是H的較大一部分，但h的大小對於極小的H可能最好選為大約其50％。這一點在圖3a中更為突出，圖3a說明圖2中沿A-A線截取的電極部件E1的橫截面。
現在參照圖3b-3f來描述用於形成根據本發明的數據存儲裝置中的第二電極部件E2的工序。在圖3b所示的第一步驟中，具有凹槽3的電極部件E1被絕緣薄膜材料4覆蓋。在第二步驟，例如類似於電極ε1的電極材料5在絕緣薄膜4上被澱積到大約H或以上的高度。電極材料5完全填充凹槽3。絕緣薄膜4可以是任何介質薄膜材料，但最好是鐵電或駐極體薄膜材料，其中更多使用後者。現在進行第三步驟，用於將電極ε2形成圖案，它具有高的高寬比且位於凹槽3中，方向垂直於第一電極部件E1的電極ε1。形成圖案步驟的第一變體如圖3d所示。在這裡，電極材料5以及絕緣薄膜材料4在蝕刻過程中被去除，其中蝕刻過程可以是兩級選擇性蝕刻過程，它首先去除多餘的電極材料5，然後再去除絕緣薄膜材料4，如圖3d所示，而絕不影響已澱積的電極ε1。這剩下高的高寬比的電極ε2，它位於絕緣薄膜4b上的凹槽中，但其中溝槽3a處於凹槽3的側壁之間，這時在其中形成電極ε2。這時添加存儲材料4，填充溝槽3a並覆蓋電極ε1的頂面，所得到的結構看起來如圖3e所示。但是，如果在如圖3b所示的步驟1中澱積的薄膜材料4為鐵電或駐極體存儲材料，則蝕刻過程可使得只有多餘的電極材料5被去除，以及僅通過單個蝕刻步驟得到的結構看起來如圖3e所示，其中薄膜材料4為鐵電或駐極體存儲材料，完全覆蓋電極ε1的表面，也就是說，其中部分4a還覆蓋凹槽3的側壁，以及部分4b覆蓋凹槽3的底部。這意味著，例如分別設置在凹槽3的側壁和底部的鐵電薄膜材料4a和4b將形成經由電極部件E1；E2的電極ε1；ε2可尋址的相應存儲單元的存儲材料。
這時，設置在凹槽3中的大高寬比的電極ε2在第四步驟中用絕緣材料的薄膜2來覆蓋。絕緣材料的薄膜2可例如通過有選擇地氧化電極ε2來形成。在第五和最後的工序中，附加電極材料被澱積在已經存在的電極ε2之間，如圖3f中示意表示的、同樣在未被設於凹槽3中且從其中延伸的電極ε2所佔據的未佔用部分之中。所得結構在圖4的橫截面中表示，形成第一存儲器件M1。這時，所提供的電極部件E2設置在電極部件E1之上，其中平行且密集排列的電極ε2垂直於第一電極部件E1的電極ε1分布。第二電極部件E2的電極ε2類似於通過絕緣薄阻擋層2a相互隔離的第一電極部件E1的電極ε1。根據本發明的數據存儲裝置中的第一存儲器件M1的存儲材料41設置在電極部件E1；E2之間，以及在其中的各電極ε1；ε2之間的交叉點上形成存儲單元6，可在圖5中更清楚地看到。每隔一個電極ε2設置在延伸到電極ε1中且跨過電極ε1的凹槽中，在這些電極的交叉點上，存儲單元6在凹槽中形成，並且可切換到三個方向，如方向垂直於凹槽側壁以及垂直於其底部的雙箭頭所示。電極部件E2的其餘電極ε2沒有被設置在凹槽中，僅可切換到單一方向，如方向垂直於第一存儲器件的存儲材料41的雙箭頭所示。
圖5a說明已完成結構、即圖4所示的第一存儲器件M1的平面圖。現在會清楚地看到，第二電極部件E2中的電極ε2如何垂直於第一電極部件E1的電極ε1定向。存儲材料4以及同樣設置在凹槽3的底部的電極ε1與ε2之間且在電極ε1之上的可選4b在這時形成存儲單元6中的存儲介質41，其中的幾個存儲單元由存儲器件M1的這個參考標號來表示。圖5所示的具有存儲材料4和電極ε1、ε2的結構這時提供存儲單元6的無源矩陣可尋址陣列，具體來講，存儲單元6應為鐵電或駐極體存儲單元，更具體來講，例如通過聚合物或共聚物形式的存儲材料4來實現。從圖4的橫截面中看到，向電極ε1和ε2施加電壓將通過存儲材料41在其間建立電勢。由設置在凹槽3中的電極尋址的存儲單元6可以被極化或切換到不同方向。4a處的存儲單元的部分可例如相對於存儲器件M1的延伸橫向切換，而在凹槽3的底部的存儲材料4b的可選部分可按照垂直於存儲器件M1的平面的方向或者如圖4所示的按照垂直方向進行切換。這樣，三個「區域」可同時切換，從而獲得約為來自傳統夾層存儲單元的響應的兩倍的信號響應，因為底部區域4a的面積等於電極交叉面積、即w2，以及兩個側壁區域的面積等於2wh，其中h∽w。與本領域已知的垂直切換存儲單元相比，這引入了額外的維，並且意味著有源存儲單元面積將與其它情況適用的設計規則無關。
由於平面化步驟可引入到各電極層的澱積之間，如以下所述，因此需要在添加相繼各層時不損失平版印刷密度/薄膜均勻性，也意味著，除了有關通孔和連接的可能複雜化之外，在技術上對通過這種方式可堆疊的層數沒有任何限制，與平面化對於相繼各層變得越來越難以實現的垂直體系結構不同。
這時，在存儲器件M1中得到存儲單元6的存儲矩陣，其中面積填充係數與各電極部件E1、E2的電極的面積填充係數相似。存儲器件中的每隔一個存儲單元6可以切換到一個以上方向，還應該注意，存儲矩陣是無源可尋址存儲矩陣，即，沒有任何與任一個存儲單元6連接的分立開關元件。
參照圖6、圖7和圖8，現在將描述根據本發明的數據存儲裝置中的第二存儲器件M2是如何在如圖4的橫截面所示的第一存儲器件M1之上形成和堆疊的。圖6說明在圖4中與其成直角、即沿圖5的B-B線截取的橫截面的另一個透視圖。與圖3a所示的步驟相似，凹槽3這時在電極部件E2的電極ε2中形成，並且以相似方式定向以及確定尺寸。這時，如以上在圖3b-3f中所說明和討論的工序重複進行，所得的結構看起來如圖7所示，但是具有與圖4中的電極部件E2相似的附加電極部件E3，但電極ε3當然垂直於電極部件E2的電極ε2定向。-如圖6和圖7所示，沿電極ε延伸的縫合水平線表示延伸到這些電極中的凹槽3的深度。-因此，堆疊在根據本發明的數據存儲裝置中的第二存儲器件M2通過電極部件E2、E3以及存儲單元6的相似排列來形成。這可在圖8中更清楚地看到，圖8說明堆疊在存儲器M1上且具有存儲單元6的存儲器件M2的平面圖(同樣只有其中幾個由矩陣可尋址存儲器陣列中的參考標號來表示)。另外從圖7中還可容易看到，第二存儲器件M2表示了電極組E2以及疊層中的前導存儲器件M1。換句話說，如果電極組E1的電極ε1形成存儲器件M1中的字線，以及電極部件ε2中的電極ε2形成其位線，則存儲部件E2的電極ε2將相應地形成存儲器件M2的字線，而在如圖7所示的結構之上的電極部件E3的電極ε3形成存儲器件M2的位線。這種特殊安排及其結果將在下面較為詳細地論述。
用於形成堆疊存儲器件M1和M2的工序這時無疑可重複進行，以便形成堆疊在初始結構中的所需數量的存儲器件M。將參照涉及根據本發明、具有四個堆疊存儲器件M1-M4的數據存儲裝置的示範實施例的圖9-12，較為詳細地描述這個連續過程。當然要理解，所述實施例只是示意性的，而沒有考慮更實際的生產條件下適用的實際比例，因此所述實施例當然只是根據本發明的數據存儲裝置在可得到的存儲單元數量、堆疊存儲器件或數據存儲密度方面的實際容量的指示。
圖9說明沿圖8中的A-A線截取的、根據本發明的數據存儲裝置的橫截面，從而說明與圖7所示橫截面方向的視圖垂直觀測的橫截面。與圖3b-3f所示的那些步驟相似的工序在這時重複進行，並產生如圖10所示的存儲結構，其中三個存儲器件M1、M2、M3相互堆疊，四個電極部件E1-E4交替提供堆疊存儲器件的字線和位線。在圖9以及圖10中均通過電極部件E2的縫合水平線表明後續電極部件E3的凹槽向下延伸到電極部件E2的電極ε2的深度。在存儲器件M1、M3中得到的存儲單元6的切換方向由雙箭頭表示，並且還可從圖11中更清楚地看到，圖11說明從上方觀測的圖10中的裝置的平面圖。如前所述，存儲器件中的每隔一個存儲單元6可切換到多個方向，從圖例可清楚看到。
圖12a和圖12b說明根據本發明的數據存儲裝置的示意實施例，它們被表示為分別沿圖11的A-A線和B-B線截取的各橫截面，從而從彼此垂直定向的觀測方向來看線12a和12b中的橫截面。圖12a、12b所示的實施例總共提供四個堆疊的存儲器件M1-M4以及具有如圖所示的各獨立電極ε1-ε5的電極部件E1-E5。同樣，包含由水平縫合線表示為可用的後續電極組的電極的凹槽的向下延伸也是一樣，它在圖12a的情況下經過電極ε1、ε3，在圖12b的情況下經過電極ε2、ε4。
可以看到，電極ε1可視為存儲器件M1的字線，而電極ε2可視為其位線。同樣，電極ε2還形成後續存儲器件M2的字線，依此類推。結果當然是，根據本發明的數據存儲裝置配備了多個電極組，它僅比存儲器件的數量多一，因此在這種堆疊器件中，例如包括傳統先有技術夾層結構的電極部件數量的大約一半。這意味著，該結構必然還降低存儲器件疊層的高度。通過電極部件E交替作為相應堆疊存儲器件M的字線和位線，尋址協議可考慮到這一點，使得尋址不會對相鄰器件同時發生。在圖12a、12b的實施例的情況下，這意味著可為寫入、讀出或者刪除同時對存儲器件M1和M3尋址，同樣，可為相同目的同時對存儲器件M2和M4尋址。換言之，用於對存儲器件M1的存儲層41中的存儲單元尋址而施加到電極ε1和ε3的電壓不會明顯地影響或幹擾存儲器件M2的存儲層42中的存儲單元，但在這種情況下，在存儲器件M2的存儲層42上可能存在電勢差。但是，這可通過在所用尋址協議中採用適當措施來處理，顯而易見的措施是，例如把類似於施加到電極ε2的電壓的電壓施加到電極ε2、ε3上，從而確保沒有在存儲材料42上建立電勢差。
使所謂的相鄰單元幹擾最小化的各種尋址協議是先有技術已知的，而且也是屬於本申請人的專利申請的主題。但是，應該注意，為避免未尋址單元幹擾或者被尋址單元之間的相互幹擾作用設計的協議通常限制為僅考慮了各獨立矩陣可尋址存儲器件的實施例，而沒有專門調整為適合其中電極部件是按照與本發明的情況相似的方式來設置的堆疊實施例。但是，類似的設計原則也可適用於第三維，即適合於其中可能有被尋址存儲器件中的存儲單元的幹擾的堆疊結構。
根據本發明的數據存儲裝置提供一種堆疊存儲器，它提供極高數據存儲密度的可能性且具有電極或存儲單元方面的接近最佳的面積填充係數，因為在任何情況下所述填充係數都接近大致為一的值。對於各電極部件，只需要兩個蝕刻或形成圖案的步驟，即在第一電極部件E1中產生密集電極排列的第一形成圖案或蝕刻步驟，然後是其中凹槽3的蝕刻。但是應該注意，對圖3a所示的工序僅通過把掩模移動90°定向，同樣的掩模可用於兩個步驟。另外，阻擋層或存儲材料以及電極材料5的澱積也在兩個連續步驟中進行，如圖3b和圖3c所示。然後只要求一個掩模操作來獲得如圖3e所示的結構。與用於獲得第一電極部件E1的掩模相同的掩模可適當地定向，也應用於後續電極組E2、E3的所有掩模步驟，依此類推，假定採用相同的尺度參數。在根據本發明的數據存儲裝置的情況下，這將用於在相當程度上降低加工成本。
考慮圖10所示的存儲單元，可以看到，半數存儲單元可僅切換到一個方向，即在存儲材料夾於形成所述存儲單元的字線和位線的電極之間的情況下，而在電極是在前導電極部件中形成的凹槽中提供的情況下，存儲單元這時可切換到一個以上方向，如圖10所示的三個方向。可以看到，凹槽3的深度h可以至少與前導電極高度H的一半相當，顯然，與簡單的夾層存儲材料的情況相比，覆蓋凹槽的兩個側壁以及底部的存儲材料或存儲薄膜4對尋址字線和位線提供大得多的表面積。切換到所有方向必然將同時發生，並使得有效單元面積可能高於兩倍，以及信噪比提高到至少2倍。
可以看到，增加電極ε的高寬比以及提供更深的凹槽將增加有效的存儲單元面積。應該注意，當應用的平版印刷技術縮小到通過採用極限或硬性UV範圍的光刻法來提供的節距和線寬時，存儲單元的垂直部分的面積不是關鍵因素。還應該注意，當例如在實現存儲單元的極化切換方向的極化反轉的破壞性讀出操作中被尋址時，增加有效的單元面積以及改善單元的信噪比將用於提高對所謂的疲勞的抵抗力，所謂的疲勞是一種現象，在一定的大量切換操作之後可能出現，並且表明，可得到的存儲單元極化往往隨著切換周期的數量不斷增加而減小。
當堆疊極大量的存儲器件而存儲器件中各層由薄膜構成時可能出現的不平通過在製造各電極部件時應用平面化步驟作為最後工序來方便地消除。這可通過查看圖4看出，圖4說明通過具有兩個電極部件E1、E2的存儲器件的剖面，以及其中如圖3f所示的電極E2之上的絕緣材料2在澱積這個電極部件E2中的其餘電極ε2時被清除。當然，這留下電極ε2之間的絕緣阻擋層2a，但清除過程也可用於對電極部件E2的頂面進行平面化，因為清除過程可結合機械或化學機械拋光。因此，電極部件E2具備平滑頂面，並準備進入疊層中下一個存儲器件所用的工序。
原則上，對於可提供多少層或者可堆疊多少存儲器件以形成根據本發明的立體數據存儲裝置，只有一個實際限制。在堆疊存儲器件的數量方面的一個明顯限制是把所有電極以及未言明的所有存儲單元與位於襯底1中的驅動和控制電路或者結合此襯底設置的適當電路連接的必要性，其中襯底例如可由矽製作，以及所述電路以例如適當的CMOS技術來實現。對於給定的存儲容量，這時對應於節距縮小的存儲單元的面積填充係數的增加必然可實現一個結果疊層中具有較少的存儲器件，同時保持預期存儲容量。對連接性問題的另一個解決方案當然是在疊層中的存儲器件中提供用於驅動和控制的電路面積，從而至少在相當程度上避免了到襯底的通孔的必要性。
如圖12a和圖12b所示的、根據本發明的數據存儲裝置的實施例當然只是示意性的，僅表示了四個存儲器件，其中每個存儲器件具有25個存儲單元，總共100個存儲單元，其中，在本例中，只有40個是具有多個切換方向的存儲單元。但是，在常規的實施例中，實際上每隔一個存儲單元可切換到多個方向，因此各存儲器件中的這類單元的填充係數將接近0.5。可切換到多個方向的存儲單元的明顯優點意味著，在夾層中且僅可切換到一個方向的普通存儲單元可能具有較少吸引力，並且在仍然可獲得0.5的足夠高填充係數時只會從設計中拋棄。在這種情況下，電極材料當然只用來形成設置在前導電極部件的凹槽中的電極，它們之間通道形式的開口例如可通過阻擋層材料來完全填充。
在一個當前技術易於實現的實際實施例中，與圖12a和圖12b一致且表示為具有4個存儲器件和100個存儲單元的數據存儲裝置可配備約0.5μm的線寬以及約1μm的節距，因為電極之間阻擋層的厚度δ只是電極寬度w的極小部分。
根據本發明的數據存儲裝置的一個功能實施例的一種更實際的方法如圖13所示，不過當然是示意及普遍性的，但結合了其操作所必需的所有功能部件。圖13中的數據存儲裝置表示為具有n個堆疊存儲器件M1-Mn，它們相互堆疊，而且各存儲器件包括存儲材料層4，如圖所示。對於各存儲器件M的尋址，兩個電極部件E配備了接觸存儲材料層4且形成用於接觸存儲器件M的存儲單元的字線WL和位線BL的未示出電極。位線這時當然形成鄰接後續存儲器件的字線。在圖13中，例如可看到，對於任意的存儲器件Mk，後續存儲器件為Mk+1，提供存儲器件Mk的位線BLk的電極部件Ek+1在這時形成存儲器件Mk+1的字線WLk+1。因此，電極部件Ek+2當然將提供存儲器件Mk+1的位線BLk+1，依此類推。結果當然是，電極部件的數量為n+1，即，比根據本發明的數據存儲裝置中的存儲器件M的數量n多一。堆疊存儲器件M設置在絕緣襯底1上，但是，它可被視為襯底10的組成部分，襯底10可通過矽工藝來實現，並包括用於對其中設置的疊層中的存儲器件M進行驅動、控制和尋址的電路。為此，根據本發明的數據存儲裝置包括在存儲器件側邊的互連或界面部分7，其中從各存儲器件M直到襯底界面9的通孔或連接8用於建立襯底的電路部分10與存儲器件M之間的必要通信。此外，襯底界面9還可配備到外部或周邊裝置或計算裝置的連接，但這個襯底界面也可用於把根據本發明的數據存儲裝置集成到其中要求適當的高容量存儲器、即大數據存儲密度的任何數據處理裝置中。
以上給出的線寬和節距表示每平方微米四個存儲單元，即在各存儲器件的範圍為1mm×1mm的情況中4百萬個單元。四個器件的疊層將提供一千六百萬個存儲單元或1mm2晶片，厚度例如大約為1μm，這將表示16吉比特/立方毫米的立體存儲密度。把線寬減少到0.2μm(這通過當前的光刻技術是可行的)，根據本發明的數據存儲裝置的存儲器件將在1μm中容納25個存儲單元，以及通過縮放到1μm2的4個存儲器的疊層，可提供100吉比特/立方毫米的立體存儲密度。此階的縮放性完全可通過當前的技術來得到，但要特別注意解決連接性方面或者因可能的熱或電的物理幹擾而出現的問題。本申請人進行的實驗表明，這類問題是可管理的，根據本發明的數據存儲裝置的縮放可進行到當前形成圖案的技術所容許的極限。
權利要求
1.一種包括多個堆疊的矩陣可尋址存儲器件(M)的立體數據存儲裝置，其中各存儲器件(Mk，k∈1，2...n)包括第一和第二電極部件(Ek；Ek+1)，其形式為帶有平行電極(εk；εk+1)的相應層，所述平行電極(εk；εk+1)分別形成所述存儲器件(Mk)的字線(WLk)和位線(BLk)以用於其矩陣尋址，所述字線(WL)的方向與所述位線(BL)垂直以用於存儲器件(M)的矩陣尋址，其中各存儲器件(Mk)包括設置在所述第一與第二電極部件(Ek；Ek+1)之間、與其直接或間接接觸的存儲材料層(4k)，其中第二電極部件(Ek+1)形成疊層中後續存儲器件(Mk+1)的第一電極部件，因而電極部件(E)的數量變成比所述疊層中的存儲器件(M)的數量多一，其中所述存儲材料是能夠呈現滯後現象的可極化介質材料、最好是鐵電或駐極體材料，以及其中存儲單元(6)被定義在所述字線(WL)與所述位線(BL)的交叉點之上或之間的存儲器件(Mk)的存儲材料(4k)中，其特徵在於，各電極部件(E)的電極(ε)設置成密集排列方式，並通過其間的阻擋層(2a)互相絕緣，所述阻擋層的厚度δ僅為所述電極寬度(w)的幾分之一，因此電極部件(E)中電極(ε)的面積填充係數接近一；朝向相鄰後續電極部件(Ek+1)的電極部件(Ek)的頂面設有平行凹槽(3)，所述凹槽(3)的方向垂直於所述電極(εk)並且相互間隔與所述電極寬度w相當的距離，所述平行凹槽(3)的橫截面形狀與所述電極(ε)的橫截面形狀相符；所述相鄰後續電極部件(Ek+1)的每隔一個電極設置成向下延伸到所述相鄰在前電極部件(Ek)中形成的所述凹槽(3)中；在各電極部件(E)上的層(4)中提供存儲材料，覆蓋其表面和至少側壁，以及可選地覆蓋其中所述凹槽(3)的底部；以及延伸到所述凹槽(3)中的所述電極(εk+1)與所述相鄰在前電極部件(Ek)的垂直交叉電極(εk)結合，在所述凹槽(3)中提供的所述存儲材料中定義具有至少兩個切換方向的存儲單元(6)，因此所述立體數據存儲裝置具備極高的存儲密度，各存儲器件(M)的各存儲層(4)的存儲單元填充係數接近所述電極部件(E)的電極(ε)的面積填充係數的值，以及存儲材料層(4)中每隔一個所述存儲單元(6)能夠被切換到至少兩個方向。
2.如權利要求1所述的立體數據存儲裝置，其特徵在於，存儲器件(M)的所有層(E，4)以基本上薄膜的形式來提供。
3.如權利要求1所述的立體數據存儲裝置，其中所述存儲材料為鐵電或駐極體材料，其特徵在於，所述鐵電或駐極體材料是聚合物或共聚物材料。
4.如權利要求1所述的立體數據存儲裝置，其特徵在於，各電極部件(E)以兩個或兩個以上層的組合來形成，第一層由金屬構成，第二層由導電聚合物構成，所述導電聚合物的第二層形成直接接觸所述存儲器件(M)的所述存儲材料的接觸層。
全文摘要
在包含多個堆疊的矩陣可尋址存儲器件(M)的立體數據存儲裝置中，提供電極部件(E)，以便交替形成存儲器件的字線和位線部件(WL；BL)，因而電極部件的數量比存儲器件的數量只多一。此外，鄰接電極部件(E
文檔編號H01L25/065GK1643616SQ03806615
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月21日 優先權日2002年3月25日
發明者G·I·萊斯塔, H·G·古德森 申請人:薄膜電子有限公司