一種基于隔離型存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)的固態(tài)存儲(chǔ)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于隔離型存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)的固態(tài)存儲(chǔ)器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息高速公路與信息產(chǎn)業(yè)的飛快發(fā)展，信息存儲(chǔ)技術(shù)作為人機(jī)接口的核心技術(shù)之一顯得越來(lái)越重要。人們對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，處理和傳輸?shù)男枨蟪蕩缀渭?jí)數(shù)式急劇增加，直接導(dǎo)致了信息存儲(chǔ)技術(shù)的高速發(fā)展。
[0003]目前，固態(tài)存儲(chǔ)器占據(jù)全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)1/4以上的市場(chǎng)份額并保持著較高的增速，其可分為兩大類:易失性存儲(chǔ)器(Volatile Memory, VM)和非易失性存儲(chǔ)器(Non-Volatile Memory, NVM)。其中VM主要包括動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)，它們所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)隨著斷電而丟失，但其極高的讀寫速度使之成為最主要的緩存設(shè)備，并占固態(tài)存儲(chǔ)器市場(chǎng)最大份額長(zhǎng)達(dá)10年；隨著移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的飛速發(fā)展，以閃存(Flash Memory)為代表的NVM被廣泛應(yīng)用于各類便攜電子產(chǎn)品中(比如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等)，并且閃存逐步取代DRAM成為市場(chǎng)份額最大的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。
[0004]盡管如此，閃存卻并非理想的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，這是由于:(I)當(dāng)半導(dǎo)體工藝尺寸小于22納米后，由于漏電流太大閃存將不能穩(wěn)定工作，因而限制了閃存容量的進(jìn)一步提高；(2)閃存復(fù)雜的時(shí)間消耗程序使得數(shù)據(jù)必須以塊為單位(block-unit)寫入，使其寫數(shù)據(jù)的時(shí)間為微秒數(shù)量級(jí)，不能適應(yīng)數(shù)據(jù)快速寫入的需要；(3)其重復(fù)可擦寫次數(shù)只有16次，這顯然無(wú)法滿足市場(chǎng)對(duì)下一代大容量高速隨機(jī)存儲(chǔ)器的需求。
[0005]目前，新型固態(tài)半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器如磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)、鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器(FeRAM)、相變隨機(jī)存儲(chǔ)器(PCRAM)、阻變存儲(chǔ)器(RRAM)和憶阻器等被提出和研究，這幾種存儲(chǔ)器都具有非易失性特點(diǎn)和與主存相當(dāng)?shù)乃俣?，可以作為通用存?chǔ)器使用而無(wú)須結(jié)合使用多種存儲(chǔ)器。
[0006]而目前大規(guī)模應(yīng)用于固態(tài)半導(dǎo)體儲(chǔ)存器件的傳統(tǒng)陣列結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用雙譯碼結(jié)構(gòu)(X-Y譯碼)。讀寫操作時(shí)，只有X方向和Y方向的地址線同時(shí)導(dǎo)通的存儲(chǔ)單元才會(huì)被選中。傳統(tǒng)陣列結(jié)構(gòu)其外加電流的情況如圖1所示。
[0007]圖1 (a)中所示為傳統(tǒng)crossbar立體圖結(jié)構(gòu)示意圖，圖中選取了 4個(gè)位置緊密靠近的單元進(jìn)行示意，分別為I號(hào)到4號(hào)。如圖1 (b)，理想情況下，當(dāng)通過(guò)X、Y選址對(duì)I號(hào)單元加電壓時(shí)，有電流通過(guò)I號(hào)單元，I號(hào)單元的信息被讀出或擦寫，其他單元由于沒(méi)有被選通，所存儲(chǔ)的信息不會(huì)被改變。但在實(shí)際情況下，由于單元及陣列的制備工藝存在不均勻性，當(dāng)某個(gè)單元電阻與其它單元的電阻相比差異較大或發(fā)生短路或斷路失效時(shí)，如圖1(C)所示，在針對(duì)I號(hào)單元的寫入情況下，電流也可以依次流經(jīng)2號(hào)、4號(hào)和3號(hào)單元，形成電流通路，由此導(dǎo)致了 4個(gè)單元的混連，如圖1 (d)所示。在實(shí)際的半導(dǎo)體存儲(chǔ)陣列中，X和Y兩個(gè)方向的電極線遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于圖1中的8根，因此其中的串聯(lián)并聯(lián)等混聯(lián)情況可能更多更復(fù)雜，并依賴于工藝的均勻性和穩(wěn)定性。在對(duì)某個(gè)單元進(jìn)行寫入時(shí)，這種混聯(lián)情況將導(dǎo)致其他單元中有微弱的電流流過(guò)，形成串?dāng)_，這將嚴(yán)重影響存儲(chǔ)陣列的信息存儲(chǔ)穩(wěn)定性。
[0008]以MRAM中的磁隧道結(jié)(MTJ)陣列為例，信息寫入時(shí)，單元兩端要達(dá)到一定的電場(chǎng)強(qiáng)度，MgO勢(shì)皇層才會(huì)隧穿導(dǎo)通。而MgO的制備偶爾會(huì)出現(xiàn)缺陷。如果2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)單元中的某個(gè)單元的勢(shì)皇層濺射時(shí)出現(xiàn)缺陷而發(fā)生短路，導(dǎo)致上下CoFeB接觸導(dǎo)通時(shí)，或I號(hào)單元出現(xiàn)斷路時(shí)，電流將不流經(jīng)I號(hào)目標(biāo)單元，而直接經(jīng)由缺陷單元的小電阻路徑通過(guò)，不僅導(dǎo)致相鄰I號(hào)單元寫入失敗，嚴(yán)重情況下還會(huì)影響與缺陷單元共享X或Y選址線的其他單元的信息讀寫。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于隔離型存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)的固態(tài)存儲(chǔ)器，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中由于制備過(guò)程中工藝的均勻性及穩(wěn)定性欠佳導(dǎo)致的半導(dǎo)體存儲(chǔ)陣列中單元間的混聯(lián)串?dāng)_問(wèn)題。
[0010]本實(shí)用新型提供了一種基于隔離型存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)的固態(tài)存儲(chǔ)器，包括多個(gè)陣列(M行XN列)分布的存儲(chǔ)單元，某一方向的每條地址選擇線只與一個(gè)存儲(chǔ)單元相連。當(dāng)讀寫操作時(shí)，選定任一條行選線和任一條列選線，讀寫電流只能流經(jīng)一個(gè)存儲(chǔ)單元。
[0011]該固態(tài)存儲(chǔ)器包括MXN個(gè)上電極、N個(gè)下電極以及MXN個(gè)功能層；每個(gè)上電極只與一個(gè)功能層相連；功能層位于上電極與所述下電極之間；通過(guò)外部的控制信號(hào)選擇X方向的第i個(gè)上電極(0〈i彡MXN)和Y方向的第j個(gè)下電極(0〈j彡N)，使得由第i個(gè)上電極、功能層和第j個(gè)下電極構(gòu)成的存儲(chǔ)單元工作；
[0012]沿著上電極的方向定義為X方向，沿著下電極的方向定義為Y方向，M、N為大于等于2的整數(shù)，i為上電極的序號(hào)，i = 1，2，……MXN，j為下電極的序號(hào)，j = 1，2，……N。這里，X方向和Y方向、上電極和下電極的定義只是為了區(qū)分兩個(gè)不同的方向和存儲(chǔ)單元兩端的不同電極而已，相互之間可以互換。
[0013]所述上、下電極材料可以為常規(guī)電極材料，如Ag、Cu、Au、Pt、TiW，也可以是復(fù)合多層膜結(jié)構(gòu)，如Ta/Cu、Ta/Cu/Ta。固態(tài)存儲(chǔ)器中的功能層可以為阻變材料、鐵電材料、磁阻多層膜材料、憶阻材料。
[0014]該隔離型存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)通過(guò)降低陣列集成度，提高了陣列各存儲(chǔ)單元的讀寫精度。實(shí)施讀寫操作時(shí)，由于某一方向的地址選擇線相對(duì)獨(dú)立，每條線只和一個(gè)存儲(chǔ)單元相連，只要選定任一條行選線和任一條列選線，讀寫電流將只能流經(jīng)唯一的一個(gè)存儲(chǔ)單元，即使由于工藝的均勾性或穩(wěn)定性問(wèn)題，該存儲(chǔ)單元成為缺陷單元，該讀寫操作也不會(huì)影響到其他存儲(chǔ)單元的信息存儲(chǔ)狀態(tài)，即不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)crossbar陣列結(jié)構(gòu)中的混聯(lián)情況，有效地提尚了讀與操作的精度。
[0015]與傳統(tǒng)的crossbar相比，本實(shí)用新型中的隔離型crossbar通過(guò)一定程度降低單元陣列集成度，提高了陣列各存儲(chǔ)單元的讀寫精度。當(dāng)外電源加在某一個(gè)上電極(X方向地址線)和某一個(gè)下電極(Y方向地址線)時(shí)，確保了僅有一個(gè)單元中有電流通過(guò)；不僅可以提高存儲(chǔ)單元讀寫操作的成功率，而且在制備過(guò)程中具有更高的光刻對(duì)準(zhǔn)精度。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1傳統(tǒng)crossbar陣列結(jié)構(gòu)外加電流示意圖；其中，(a)為傳統(tǒng)crossbar立體圖結(jié)構(gòu)示意圖，(b)目標(biāo)單元電流通過(guò)，(C)其他單元電流通過(guò)，(d)4個(gè)單元的混聯(lián)示意圖。
[0017]圖2本實(shí)用新型所述隔離型crossbar陣列立體結(jié)構(gòu)及外加電流示意圖；其中，(a)隔離型crossbar立體圖結(jié)構(gòu)示意圖，(b)目標(biāo)單元電流路徑。
[0018]圖3傳統(tǒng)crossbar陣列各層及制備工藝流程示意圖；其中，(a)為下電極層圖形，(b)為功能層圖形，(c)為上電極層圖形，(d)為對(duì)準(zhǔn)后的完整crossbar圖形。
[0019]圖4本實(shí)用新型所述隔離型crossbar陣列各層及制備工藝流程示意圖，其中，(a)下電極層圖形，(b)功能層圖形，(c)上電極圖形，(d)對(duì)準(zhǔn)后的完整隔離型crossbar圖形。
[0020]圖5本實(shí)用新型實(shí)施例一所述MRAM陣列中的MTJ單元膜層結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0022]本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器領(lǐng)域，提供了一種可用于Flash，MRAM，PCRAM，RRAM、憶阻器等各類固態(tài)存儲(chǔ)器的隔離型存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)；本實(shí)用新型提供的陣列結(jié)構(gòu)能夠提高讀寫操作的成功率。
[0023]本實(shí)用新型針對(duì)傳統(tǒng)crossbar存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)中由于制備過(guò)程中工藝的均勾性及穩(wěn)定性欠佳導(dǎo)致的半導(dǎo)體存儲(chǔ)陣列中單元間的混聯(lián)串?dāng)_問(wèn)題，提供一種改良的隔離型crossbar結(jié)構(gòu)，來(lái)減少讀寫過(guò)程中發(fā)生單元間串?dāng)_的可能性，并提高讀寫操作的成功率。
[0024]傳統(tǒng)crossbar陣列結(jié)構(gòu)各層及制備工藝流程示意圖如圖3所示，依據(jù)功能大致可以分成3層結(jié)構(gòu)。
[0025]圖3 (a)是下電極層圖形(僅畫出8條)，圖中的下電極線對(duì)應(yīng)于實(shí)際存儲(chǔ)陣列的X方向上的行選線(實(shí)際存儲(chǔ)器中，行選線數(shù)量可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于8條)，圖3(b)是功能層圖形，圖3(c)是上電極圖形(僅畫出8條)，對(duì)應(yīng)于實(shí)際存儲(chǔ)陣列的Y方向上的列選線(實(shí)際存儲(chǔ)器中，列選線數(shù)量可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于8條)，圖3(d)是對(duì)準(zhǔn)后的完整crossbar圖形。從圖中可以明顯看出，8條上電極線或下電極線全部是各自導(dǎo)通的，存在電信號(hào)在各個(gè)單元之間串?dāng)_混聯(lián)的可能性，導(dǎo)致單元讀寫的失效或信息存儲(chǔ)的不穩(wěn)定。
[0026]本實(shí)用新型提供一種隔離型crossbar結(jié)構(gòu)，通過(guò)將每個(gè)單元獨(dú)立開，杜絕了單元之間串聯(lián)和并聯(lián)的可能，也減少了測(cè)試時(shí)發(fā)生單元間串?dāng)_的可能性。圖2是所述隔離型crossbar立體結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以明顯看出隔離型crossbar結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元間沒(méi)有串并聯(lián)。當(dāng)某一個(gè)上電極和某一個(gè)下電極通電時(shí)，只有一個(gè)存儲(chǔ)單元有外加電壓。圖4所示是本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的新型隔離型crossbar結(jié)構(gòu)各層及制備工藝流程示意圖(以2X4crossbar結(jié)構(gòu)為例)，依據(jù)功能可以分成三層。
[0027]圖4(a)是下電極層圖形。隔離型crossbar結(jié)構(gòu)的下電極圖形中的下電極線(某一方向地址選擇線)相互之間獨(dú)立，每條電極線只和一個(gè)存儲(chǔ)單元相連。而傳統(tǒng)crossbar陣列結(jié)構(gòu)中每條電極線同時(shí)連接多個(gè)存儲(chǔ)單元，如圖2(a)所示。
[0028]圖4(b)是功能層圖形。隔離型crossbar結(jié)構(gòu)的功能層方塊只有8個(gè)，小方塊尺寸足夠大，便于光刻時(shí)，層間的套刻對(duì)準(zhǔn)。而傳統(tǒng)的crossbar結(jié)構(gòu)在功能層有8*8 = 64個(gè)點(diǎn)，如此密集的點(diǎn)導(dǎo)致每一個(gè)點(diǎn)的面積都要盡可能的小以避免點(diǎn)與點(diǎn)之間因相互接觸而導(dǎo)致短路。
[0029]圖4(c)是上電極圖形。隔離型crossbar結(jié)構(gòu)的上電極線(另一方向地址選擇線)和傳統(tǒng)的crossbar陣列結(jié)構(gòu)相同，每條線同時(shí)和多個(gè)存儲(chǔ)單元相連。但由于下電極線的相互獨(dú)立(只與一個(gè)存儲(chǔ)單元相連)，實(shí)施讀寫操作時(shí)，只要選定任一條上電極線和任一條下電極線，讀寫電流將只能流經(jīng)唯一的一個(gè)存儲(chǔ)單元，即使由于工藝的均勾性或穩(wěn)定性問(wèn)題，該存儲(chǔ)單元成為缺陷單元，該讀寫操作也不會(huì)影響到其他存儲(chǔ)單元的信息存儲(chǔ)狀態(tài)，即不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)crossbar陣列結(jié)構(gòu)中的混聯(lián)情況，有效地提高了讀寫操作的精度。圖4(d)是將三層重疊對(duì)準(zhǔn)后的完整crossbar圖形。
[0030]與傳統(tǒng)的crossbar相比，本實(shí)用新型中的隔離型crossbar通過(guò)一定程度降低單