多層堆疊電阻轉換存儲器結構的製作方法
2023-06-02 21:55:36
專利名稱：多層堆疊電阻轉換存儲器結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體技術領域，涉及一種多層堆疊的電阻轉換存儲器的結構，用於半導體器件的製造。
背景技術：
半導體器件的密度和性能隨著半導體技術的發展而日新月異，半導體器件多層堆疊已經是國際半導體技術路線圖中重要的一部分，是公認的集成電路發展的必然趨勢。半導體器件多層堆疊的意義不僅僅在於集成度的大幅提升，還在於器件速度和功耗等方面性能的可觀改進，與此同時，器件的單位密度的成本也將會顯著降低，從而使半導體器件更具競爭力。在存儲器方面，對於高性能存儲器的需求，使得相變存儲器、電阻隨機存儲器等新型電阻轉換存儲器成為當今炙手可熱的下一代非易失性半導體存儲器候選，他們都具有廣闊的市場前景，如相變存儲器已經在2010年第一季度開始小批量的商業化應用，今後將在越來越多的電子產品中得到應用。電阻轉換存儲器的存儲密度高、製造工藝簡單、成本低、速度快、並且具有良好的數據保持能力，將在不久的將來在各個領域得到廣泛的應用，有望成為一種通用的存儲器。 它們將首先應用在嵌入式的產品中，隨後開始逐漸替代NOR等應用，最後有望佔據DRAM和硬碟等部分市場。如上所述，對於新型的電阻轉換存儲器來說，多層堆疊也是此種存儲器發展的重要方向。由此，張挺等人也提出了多層堆疊的電阻轉換存儲器結構和製造工藝(中國專利三維立體堆疊的電阻轉換存儲器及其製造方法，專利號ZL 200910045084. X，授權日期2010-10-13 ；多層堆疊的存儲器及其製造方法，申請號201010512040. 6，申請日期 2010-10-19)。本發明提供了一種多層堆疊的電阻轉換存儲器結構，與現有技術的差異在於此種結構的存儲器不僅具有多層堆疊的結構，並且結構中一個選通管選通多個(至少兩個)電阻存儲單元，不僅進一步大幅提高了存儲器的密度，而且通過共享外圍電路節省了外圍電路的面積，並且多個存儲單元共用選通管就有效地增大了選通二極體的面積，也就增大了選通管的驅動電流，給電阻轉換存儲器的編程操作留出了更多的空間。
發明內容
本發明主要解決的技術問題在於提供一種多層堆疊的電阻轉換存儲器的器件集成結構。為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案一種多層堆疊電阻轉換存儲器結構，其特徵在於該種電阻轉換存儲器結構包括至少兩層電阻轉換存儲層，每層電阻轉換存儲層中含有選通管和與其對應的電阻轉換存儲單元，每個選通管至少對應選通兩個電阻轉換存儲單元，此多層堆疊的電阻轉換存儲器結構還包括與各電阻轉換存儲層連接的外圍電路。 作為本發明的優選方案，所述的多層堆疊電阻轉換存儲器結構中的選通管為肖特
基二極體、或為PN 二極體、或為氧化物二極體、或為雙極型電晶體。 作為本發明的優選方案，所述的電阻轉換存儲單元的電阻能夠在電信號的作用下
實現高、低電阻之間的可逆變化；該種電阻轉換存儲器的類型是相變存儲器，或是電阻隨機
存儲器，或是磁阻存儲器；電阻轉換存儲單元的數據存儲是兩級數據存儲或者多級數據存儲。作為本發明的優選方案，所述的多層堆疊電阻轉換存儲器結構的外圍電路中含有場效應電晶體，各層電阻轉換存儲層共用外圍電路。本發明的有益效果在於提供了一種多層堆疊的電阻轉換存儲器結構，與現有技術的差異在於此種結構的存儲器不僅具有多層堆疊的結構，並且結構中一個選通管選通多個(至少兩個)電阻存儲單元，不僅進一步大幅提高了存儲器的密度，而且通過共享外圍電路節省了外圍電路的面積，並且多個存儲單元共用選通管就有效地增大了選通二極體的面積，也就增大了選通管的驅動電流，給電阻轉換存儲器的編程操作留出了更多的空間。
圖1是實施例一中多層堆疊電阻轉換存儲器示意圖。圖2A-D是實施例一中單層電阻轉換存儲層示意圖。圖3A-B是實施例二中電阻轉換存儲單元示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，進一步說明本發明的具體實施方式
。以下是本發明的幾個優選實施例實施例一請參閱圖1，本發明揭示了一種多層堆疊的電阻轉換存儲器結構，從圖可見，多層堆疊的電阻轉換存儲器在基底上不僅具有外圍電路和電阻轉換存儲單元，還應該包括至少兩層電阻轉換存儲層，如圖所示為η層，此η層的電阻轉換存儲器共用位於底層的外圍電路，當然，外圍電路也可以根據實際需要設定在任意一層。很顯然，電阻轉換存儲器多層堆疊以後，存儲器的密度將大幅提升。各層電阻轉換存儲層通過金屬通孔實現互連。本發明揭示的多層堆疊的電阻轉換存儲器結構的重要特點在於單層的電阻轉換存儲層中不僅含有選通管和電阻轉換存儲單元，且單個選通管至少選通兩個或者兩個以上的電阻轉換存儲單元，單層的電阻轉換存儲層的剖面圖如圖2Α所示，圖中選通管2被絕緣材料1分隔開，在選通管2的上方是電極3和4，電極的上方是嵌在絕緣層中的存儲材料5， 覆蓋在存儲材料5上方的是電極6和7，電極6和7在存儲晶片中可以是以字或位線形式存在。圖2Α所示的選通管2優選為二極體，當然也可以是雙極型電晶體和場效應電晶體等， 如PN 二極體、肖特基二極體和氧化物二極體都在此適用，不需要贅述。為了進一步說明單個選通管選通至少兩個存儲單元的結構，在圖2Α中，沿Α-Α、 B-B、C-C方向的投影分別如圖2Β所示，從兩圖可以看出，電極3完全覆蓋在選通管2的上方，電極4的底部覆蓋在電極3的頂部，而電極4是一個類似「水溝」的結構，「水溝」的底部與選通管2或電極3連接，而「水溝」的側壁與存儲材料5形成接觸，作為下電極。在這裡， 需要指出，存儲器採用的存儲材料5可以是相變材料，也可以是金屬氧化物，還可以是巨磁阻材料，或者是其他任何類型的能夠在電信號作用下實現電阻可逆轉變的材料。採用的存儲材料5可以是均勻的，也可以是多層結構的，例如在磁阻存儲器的應用中，存儲材料可以擁有兩層的結構。當然，上述的器件結構還可以是其他的結構，比如在圖2A中，沿A-A、B_B、C_C方向的投影還可以分別如圖2C所示。參考此圖可見，電極4在本例中是一個類似於「方型水杯」的結構，「方型水杯」的底部與選通管2或電極3連接，而「方型水杯」的側壁與存儲材料5形成接觸，側壁作為下電極，而其上方的存儲材料5也是環形的結構，被嵌在絕緣絕熱材料內。上圖顯示的是1S2R(1個選通管選通兩個電阻存儲單元)的結構，要指出，本發明顯然也保護1個選通管選通兩個以上電阻存儲單元的結構，在此，以1S4R為例，其他情況就不再舉例說明。在1S4R的情況下，圖2A中，沿A-A、B-B, C-C方向的投影還可以分別如圖 2D所示，所以1個選通管選通四個電阻轉換存儲單元。很顯然，結構還可以是ISnR結構，這裡η大於等於2。實施例二對於上述的存儲單元中存儲材料與電極的接觸方式顯然可以做相應的調整，存儲單元的剖面圖可以如圖3Α和:3Β所示，在上述的實施例一中，存儲材料是嵌在絕緣材料內的，這樣的結構對於某些類型的電阻轉換存儲器性能的提升很有利，例如當存儲器件是相變存儲器時，相變材料被嵌入絕緣材料中，材料的體積縮小後器件的功耗、速度、一致性等方面的性能得到顯著的提高，基於熱致相變原理的存儲材料被絕緣絕熱材料包覆後熱量利用率顯著提升。而對於電阻隨機存儲器等其他存儲類型，存儲材料是否被潛入絕緣絕熱材料中並無太大的影響，因此可以採用圖3Α所示的結構，這種結構的優點在於製造工藝較為簡單，其中，011為絕緣材料，012為選通管，電極013和014組成為下電極，015為存儲材料， 016為上電極。而圖:3Β所示的結構顯示，有部分的存儲材料被潛入絕緣材料內，其中，021 為絕緣材料，022為選通管，電極023和OM組成為下電極，025為存儲材料，0 為上電極。這裡本發明的描述和應用是說明性的，並非想將本發明的範圍限制在上述實施例中。這裡所披露的實施例的變形和改變是可能的，對於那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發明的精神或本質特徵的情況下，本發明可以以其他形式、結構、布置、比例，以及用其他基底、 材料和部件來實現。在不脫離本發明範圍和精神的情況下，可以對這裡所披露的實施例進行其他變形和改變。
權利要求
1.一種多層堆疊的電阻轉換存儲器結構，其特徵在於該種電阻轉換存儲器結構包括至少兩層電阻轉換存儲層，每層電阻轉換存儲層中含有選通管和與其對應的電阻轉換存儲單元，每個選通管至少對應選通兩個電阻轉換存儲單元，此多層堆疊的電阻轉換存儲器結構還包括與各電阻轉換存儲層連接的外圍電路。
2.如權利要求1所述的多層堆疊電阻轉換存儲器結構，其特徵在於所述選通管為肖特基二極體、或為PN 二極體、或為氧化物二極體、或為雙極型電晶體。
3.如權利要求1所述的多層堆疊電阻轉換存儲器，其特徵在於存儲單元的電阻在電信號的作用下實現高、低電阻之間的可逆變化。
4.如權利要求1或3所述的多層堆疊電阻轉換存儲器，其特徵在於該種電阻轉換存儲器的類型是相變存儲器，或是電阻隨機存儲器，或是磁阻存儲器。
5.如權利要求1或3所述的多層堆疊電阻轉換存儲器，其特徵在於電阻轉換存儲單元的數據存儲是兩級數據存儲或者多級數據存儲。
6.如權利要求1所述的多層堆疊電阻轉換存儲器結構，其特徵在於各電阻轉換存儲層共用外圍電路。
7.如權利要求1所述的多層堆疊電阻轉換存儲器結構，其特徵在於所述外圍電路中含有場效應電晶體。
全文摘要
本發明涉及一種多層堆疊電阻轉換存儲器結構，具有以下的特徵電阻轉換存儲器結構包括至少兩層電阻轉換存儲層；每層的電阻轉換存儲層中含有選通管和對應的電阻轉換存儲單元，單個選通管選通至少兩個電阻轉換存儲單元；選通管為雙極型電晶體、肖特基二極體、PN二極體或者為氧化物二極體；多層堆疊電阻轉換存儲器結構還包含外圍電路，各層電阻轉換存儲層共享外圍電路。該器件結構能大幅提高存儲器的密度，而且通過共享外圍電路節省了外圍電路的面積，並且多個存儲單元共用選通管就有效地增大了選通二極體的面積，也就增大了選通管的驅動電流，給電阻轉換存儲器的編程操作留出了更多的空間。
文檔編號H01L27/24GK102185104SQ20111009147
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月12日 優先權日2011年4月12日
發明者劉波, 宋志棠, 封松林, 張挺, 陳婉, 陳邦明 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所