專利名稱：帶有一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)裝置的矩陣可尋址設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及矩陣可尋址設(shè)備，它包括帶有排列成無(wú)源矩陣可尋址陣列的多向可切換存儲(chǔ)單元的一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)裝置，其中存儲(chǔ)單元包括采取鐵電或駐極體薄膜存儲(chǔ)材料形式的能夠被所施加的電場(chǎng)極化并呈現(xiàn)滯后特性的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中至少一個(gè)存儲(chǔ)裝置包括至少兩個(gè)并且不多于三個(gè)電極裝置，其中或者是所述設(shè)備的唯一的存儲(chǔ)裝置或者是其中兩個(gè)或兩個(gè)以上存儲(chǔ)裝置中的第一個(gè)的所述至少一個(gè)存儲(chǔ)裝置的第一電極裝置設(shè)置在絕緣基片上。
從體系結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)看，帶有電極層之間夾層內(nèi)的聚合物存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器的無(wú)源矩陣途徑，與先有技術(shù)硅存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)的IT/1C途徑相比更有吸引力，部分是因?yàn)樗砻芏容^大的橫向存儲(chǔ)器(4f2對(duì)6f2和更多)，但更是因?yàn)樗试S依次出現(xiàn)的存儲(chǔ)層堆疊起來(lái)，例如，從聯(lián)合基片電路進(jìn)行控制。但是，還有一個(gè)事實(shí)，即使4f2設(shè)計(jì)也只給出25％的面積填充因數(shù)。因?yàn)樯a(chǎn)的復(fù)雜性、生產(chǎn)能力和成本的原因，同樣要降低對(duì)采用50％到100％填充因數(shù)的多于一個(gè)存儲(chǔ)層的需求。另外，只利用一個(gè)或兩個(gè)存儲(chǔ)層會(huì)相應(yīng)地減少聚合物后處理的影響，因而防止這樣的過(guò)程對(duì)性能的負(fù)面影響。
增大單元密度的傳統(tǒng)途徑是減小單元面積。但是，單元覆蓋區(qū)越小，信號(hào)就越小(而且SNR(信噪比)越低)，讀出電路(主要由讀出放大器決定)必需復(fù)雜，硬件資源(real estate)要求苛刻。事實(shí)上，建立任何類型線間距小于0.30μm-0.40μm(單元尺寸，0.09μm2)的交叉點(diǎn)系統(tǒng)都被認(rèn)為是極具挑戰(zhàn)性的。
對(duì)于多層堆疊的擔(dān)心是平面化。在前一層上依次建立多層堆疊會(huì)逐漸產(chǎn)生”彎曲/崎嶇不平”的地形，這給光刻控制，從而對(duì)尋址能力和從單元讀出(例如，讀出放大器是針對(duì)預(yù)期的單元面積設(shè)計(jì)的，若是如此，通過(guò)不均勻的光刻，使波動(dòng)超出某種極限，信號(hào)無(wú)法可靠讀出/零和一之間的差別難以確定)造成嚴(yán)重問(wèn)題。
所述體系結(jié)構(gòu)還定義了多少掩蔽步驟是要求的最小值，越少制造成本越低。減少每位的掩蔽步驟數(shù)目非常重要，與具有8個(gè)存儲(chǔ)層的典型裝置的競(jìng)爭(zhēng)的閃存相比，目前的聚合物矩陣需要多19個(gè)掩蔽步驟，這意味著，與現(xiàn)有CMOS工藝技術(shù)，例如關(guān)于閃存的工藝技術(shù)相比，加工這樣的晶圓片的成本幾乎高出一倍。
在利用垂直切換場(chǎng)的聚合物交點(diǎn)矩陣存儲(chǔ)器中，旋轉(zhuǎn)聚合物薄膜的形態(tài)在很大程度上決定了存儲(chǔ)器用途的可用性。當(dāng)薄膜厚度縮小到100nm以下時(shí)，就鐵電特性而言，維持最優(yōu)形態(tài)特別具有挑戰(zhàn)性。在這樣的厚度下，薄膜對(duì)所用溶劑的類型、旋轉(zhuǎn)和烘烤條件、界面/隔離層的類型和影響等敏感得多。為了降低切換電壓希望采用越來(lái)越薄的薄膜，例如，為了達(dá)到5V以下的切換電壓，薄膜需要薄于30nm。為了利用越來(lái)越致密的光刻并與相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)則兼容，要求采用較低的電壓電平，這還允許降低功耗。另外，在聚合物存儲(chǔ)器中低電壓非常具有吸引力，因?yàn)樗试S在無(wú)源存儲(chǔ)矩陣的支配下建立更多，甚至全部電路，這又通過(guò)減小開(kāi)銷(OVERHEAD)覆蓋區(qū)(可能縮小到零，使通孔、連接等更易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn))來(lái)縮小有效單元覆蓋區(qū)。
但是，在大面積(例如，一個(gè)晶圓片)上要制造這樣具有可接受的均勻性/形態(tài)并且沒(méi)有短路的薄膜是非常具有挑戰(zhàn)性的，還因?yàn)橹匾蔫F電特性，諸如結(jié)晶性，往往都隨著薄膜變薄而惡化，而同時(shí)漏電和寄生電流帶來(lái)越來(lái)越大的問(wèn)題。這再次嚴(yán)重影響存儲(chǔ)器特性，例如，切換電平和殘留極化(對(duì)區(qū)分零和一很重要)、切換時(shí)間長(zhǎng)短和切換速度。尤其是高溫性能(例如，＞60℃)，看來(lái)被極大地降低了。
但若不這樣表達(dá)，即使是較厚的存儲(chǔ)薄膜也有一些類似于較薄的薄膜的問(wèn)題。推薦的和已成熟的薄膜涂敷途徑是利用適當(dāng)?shù)娜軇┻M(jìn)行旋涂。溶劑的選擇、旋轉(zhuǎn)條件、可能的溶劑殘留、相對(duì)于溶劑選擇的烘烤條件等，在獲得正確的參數(shù)組合方面非常具有挑戰(zhàn)性，涉及薄膜時(shí)挑戰(zhàn)性更大。為了在晶圓片基片上獲得薄的均勻的薄膜，溶劑是必須使用的。
由于切換電壓與薄膜厚度的依存關(guān)系(見(jiàn)下文)，隨著薄膜均勻性下降，矯頑場(chǎng)相應(yīng)發(fā)生變化，若所述變化大于設(shè)計(jì)的電壓最大擺動(dòng)，操作上就要出有問(wèn)題。另一方面，(設(shè)計(jì))擺動(dòng)越大，就需要越復(fù)雜的電路來(lái)處理，在硬件(REAL ESTATE)效率/生產(chǎn)復(fù)雜性/裝置成本方面使成本上升。
在形態(tài)學(xué)上可能更使人擔(dān)心的是，聚合物暴露于嚴(yán)重的后處理過(guò)程，例如，多層存儲(chǔ)器堆疊中頂部電極、界面層、通孔連接等的淀積這一事實(shí)，這潛在地對(duì)聚合物造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，這非常難以適當(dāng)控制，在商業(yè)制造上尤為如此。
聚合物的使用，尤其是電極直接支持在這種熔化溫度約為150℃的材料上這一事實(shí)，在涉及封裝時(shí)會(huì)造成問(wèn)題。在典型的焊接過(guò)程中溫度可能高達(dá)210℃(時(shí)間有限)，這對(duì)體系結(jié)構(gòu)造成問(wèn)題，因?yàn)榫酆衔镫姌O開(kāi)始熔化和流動(dòng)，使得電極/聚合物薄膜界面嚴(yán)重?fù)p壞。
因此，本發(fā)明的目的是減輕先有技術(shù)特別是帶有如用于矩陣可尋址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中的聚合物存儲(chǔ)材料的矩陣可尋址存儲(chǔ)裝置的上述缺點(diǎn)和問(wèn)題。
本發(fā)明的目的以及特征和優(yōu)點(diǎn)是利用按照本發(fā)明的矩陣可尋址設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，其特征在于，第一電極裝置包括平行帶狀電極，寬度為w、高度為h，彼此隔開(kāi)，并用設(shè)置在電極之間并覆蓋其側(cè)邊層厚為δ(電極寬度w的小部分)的絕緣薄膜材料部分電氣絕緣，所述電極具有大的高寬比h/w，第一電極裝置在其頂面上包括多個(gè)平行凹槽，在取向上垂直于電極的縱軸，寬度約等于電極寬度w，從電極頂面向下伸展一段約為電極高度H一半的距離h，所述凹槽彼此隔開(kāi)一段約等于電極寬度w的距離，至少所述凹槽的側(cè)壁被存儲(chǔ)材料薄膜覆蓋，其底面用絕緣薄膜覆蓋，所述薄膜任選地可以是由存儲(chǔ)材料形成，第二電極組的電極設(shè)置在所述凹槽內(nèi)，與其薄膜存儲(chǔ)材料接觸并作為界面，使得設(shè)置在凹槽中的存儲(chǔ)材料形成存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)單元，在每一種情況下，單個(gè)存儲(chǔ)單元形成在第一電極裝置的電極和第二電極裝置的電極之間交叉點(diǎn)上的存儲(chǔ)材料的體積中，以此存儲(chǔ)單元可以在垂直于凹槽側(cè)壁的側(cè)向，和與凹槽底面垂直的第三方向上被極化并切換，假定所述底面也用存儲(chǔ)材料覆蓋。
在按照本發(fā)明的設(shè)備一個(gè)有利的實(shí)施例中，其中至少一個(gè)存儲(chǔ)單元包括第三電極裝置，絕緣薄膜分別設(shè)置在第一和第二電極裝置電極的頂面上，所述絕緣薄膜至少在覆蓋第二電極裝置的電極頂面的一部分是由存儲(chǔ)材料形成的，所述第三電極裝置的電極設(shè)置成與絕緣薄膜接觸并形成界面，其布置類似于所述第一電極裝，取向與其相同，并垂直于所述第二電極裝置的電極，使得所述第三電極裝置的電極與所述第一電極裝置相應(yīng)的電極對(duì)準(zhǔn)，元從而通過(guò)所述第二電極裝置電極的電極分別與所述第一和所述第三電極裝置的電極的交叉點(diǎn)上的覆蓋所述第二電極裝置的電極的存儲(chǔ)材料薄膜來(lái)形成每個(gè)存儲(chǔ)單，使得所述存儲(chǔ)單元可以在與所述第二電極裝置的電極頂面垂直的第四方向上被極化并切換。
在所述實(shí)施例的一個(gè)在垂直的堆疊內(nèi)設(shè)置兩個(gè)或更多存儲(chǔ)裝置的變型中，第三存儲(chǔ)裝置電極頂面由絕緣底板覆蓋，而每一個(gè)存儲(chǔ)裝置都設(shè)置在另一個(gè)的上面，用絕緣底板隔開(kāi)，以此把所述設(shè)備實(shí)現(xiàn)為體積數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置。
在按照本發(fā)明的設(shè)備用設(shè)置在垂直堆疊中的兩個(gè)或更多的存儲(chǔ)裝置實(shí)現(xiàn)的地方，存儲(chǔ)裝置的第一電極裝置和第二電極裝置各自設(shè)置成與所述堆疊中其他任何一個(gè)存儲(chǔ)裝置相應(yīng)的電極裝置形成對(duì)準(zhǔn)關(guān)系，所述堆疊中的每一個(gè)存儲(chǔ)裝置通過(guò)涂敷在所述電極頂面上的絕緣薄膜與任何一個(gè)相鄰的存儲(chǔ)裝置隔開(kāi)，所述絕緣薄膜中至少在第二電極裝置的電極與相鄰存儲(chǔ)裝置的第一電極裝置的電極交叉點(diǎn)上的部分是由存儲(chǔ)材料形成的，通過(guò)在這些電極和相鄰存儲(chǔ)裝置的第一電極裝置的交叉電極之間施加電場(chǎng)，這部分可以在與第二電極裝置的電極頂面垂直的第四方向上被極化或切換，存儲(chǔ)單元被形成在這樣的存儲(chǔ)材料中，所述存儲(chǔ)材料包圍在分別處于所述堆疊中當(dāng)前的存儲(chǔ)裝置和相鄰存儲(chǔ)裝置中相應(yīng)的第二電極裝置的電極和第一電極裝置的電極之間交點(diǎn)上的第二電極裝置的電極，從而把所述設(shè)備實(shí)現(xiàn)為體積數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其堆疊中的第二存儲(chǔ)裝置的第一電極裝置繼續(xù)對(duì)下面相鄰的存儲(chǔ)裝置起第三電極裝置的作用。
在按照本發(fā)明的設(shè)備中，絕緣薄膜材料最好可以是鐵電或駐極體材料，而存儲(chǔ)材料類似地可以是聚合物或共聚物材料。絕緣薄膜材料和存儲(chǔ)材料是同樣的材料，然后存儲(chǔ)材料最好是聚合物或共聚物材料。
按照本發(fā)明的設(shè)備的其他特征將在后附的權(quán)利要求書(shū)的從屬權(quán)項(xiàng)中看出。
在下面的描述中，特別是結(jié)合附圖閱讀推薦的實(shí)施例的討論中，將會(huì)更充分地理解本發(fā)明。附圖中

圖1表示用在按照本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置中的第一電極裝置的截面圖；圖2是圖1電極裝置的平面圖；圖3是沿著圖2的A-A線剖開(kāi)的第一電極裝置的截面圖；圖4是用在按照本發(fā)明的設(shè)備中存儲(chǔ)裝置中的第一和第二電極裝置的截面圖；圖5是用在按照本發(fā)明的設(shè)備中存儲(chǔ)裝置在其最后制造階段之前的截面圖；圖6是圖5中存儲(chǔ)單元就位時(shí)存儲(chǔ)裝置的截面圖；圖7a是圖6中存儲(chǔ)裝置的平面圖，表示其中存儲(chǔ)單元的布置；圖7b是圖7a中存儲(chǔ)裝置沿著a-a線剖開(kāi)的的截面圖；圖8a是圖7a和7b中存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)單元的平面圖；圖8b是圖8a中存儲(chǔ)單元沿著C-C線剖開(kāi)的的截面圖9是圖7a中存儲(chǔ)裝置的截面圖，帶有存儲(chǔ)單元的不同的實(shí)施例；圖10是用于按照本發(fā)明的設(shè)備中的存儲(chǔ)器中的第三電極裝置；圖11a是用于按照本發(fā)明的設(shè)備中的存儲(chǔ)裝置的變型；圖11b是圖11a中存儲(chǔ)裝置沿著A-A線剖開(kāi)的截面圖；圖12a是堆疊配置中按照本發(fā)明的設(shè)備一個(gè)推薦的實(shí)施例；圖12b是其中存儲(chǔ)單元的平面圖；以及圖12c是圖12b中存儲(chǔ)單元沿著C-C線剖開(kāi)的截面圖。
現(xiàn)將通過(guò)對(duì)附圖中所示的組成部件及其實(shí)施例的詳盡的討論，詳細(xì)說(shuō)明按照本發(fā)明的設(shè)備。
圖1表示按照本發(fā)明的設(shè)備的電極裝置截面圖。電極裝置E1包括若干個(gè)在圖2電極裝置的平面圖中作為帶狀電極出現(xiàn)的平行電極ε1。每個(gè)電極ε1位于絕緣基片1上，只用防止單個(gè)電極ε1之間出現(xiàn)歐姆接觸的絕緣薄膜2隔開(kāi)。電極做成高H和寬w，但具有相當(dāng)大的高寬比H/W。絕緣薄膜具有厚度δ，一般小于電極寬度w，這意味著，作為其覆蓋區(qū)出現(xiàn)在圖2上的電極裝置的整個(gè)面積都由電極占用，而同時(shí)電極之間的絕緣薄膜層或隔離層2a只占其小部分(若使用0.15μm或更大的光刻；較細(xì)的光刻會(huì)減小這種差別)。這種類型的電極裝置可以用2001年11月9提交的挪威專利申請(qǐng)No.20015509公開(kāi)的方法制造。所述專利屬于本發(fā)明人，故這種制造密集電極裝置的實(shí)際方法不必在此更詳細(xì)陳述，因?yàn)樯鲜錾暾?qǐng)應(yīng)被視為參考附于本申請(qǐng)。但是在這方面，應(yīng)該指出，電極寬度可以與最小加工限制特征值f一致，其量值取決于例如可以應(yīng)用于例如顯微光刻圖案形成過(guò)程的設(shè)計(jì)規(guī)則。無(wú)論如何這意味著，無(wú)論電極寬度w還是在電極裝置ε1中從一個(gè)電極到下一個(gè)電極的距離d都應(yīng)該遵守這種設(shè)計(jì)規(guī)則，而同時(shí)在絕緣薄膜厚度的情況下不需要這種設(shè)計(jì)規(guī)則，所述薄膜可以用不受任何傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則限制的工藝淀積。由此還得出結(jié)論，例如，電極裝置E1中每隔一個(gè)電極ε1的實(shí)際寬度可以比最小工藝-限制特征小2δ的量，就是說(shuō)，它就是實(shí)際受設(shè)計(jì)規(guī)則限制的距離d＝w+2δ。
關(guān)于圖2的平面圖，圖中示出電極裝置ε1，帶有從電極頂面向下形成的凹槽。凹槽具有與電極ε1大致相同的寬度w，在電極ε1中垂直走向，并被電極ε1的其余部分隔開(kāi)，它也可以類似地具有寬度w。凹槽3從電極ε1的頂面向下向基片開(kāi)拓高度h，并具有基本上呈矩形的截面。在凹槽底部，電極ε1被其伸展到基片1以上高度δh的部分橋接。應(yīng)該明白，盡管δh+h＝H，h的量值可以選擇為H的50％左右。這在圖3看得最清楚，其中示出圖2中沿A-A線剖開(kāi)的電極截面，換句話說(shuō)，從B方向看?，F(xiàn)在用絕緣薄膜4覆蓋帶有凹槽3的電極ε1，并通過(guò)在凹槽3內(nèi)淀積電極材料，形成包括電極ε2的第二電極裝置E2，如圖4中描繪的電極E1的截面所示。絕緣薄膜4可以是任何一種介質(zhì)薄膜材料，但它最好是鐵電或駐極體薄膜材料，關(guān)于這一點(diǎn)隨后說(shuō)明。在凹槽3中淀積第二電極裝置E2的電極ε2之后，在不被淀積的電極ε2覆蓋的任何地方都把絕緣薄膜4蝕刻掉，留下如圖5所示的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在在電極ε1、ε2之間凹槽的剩余部分形成空槽3a，并在凹槽3底部留下絕緣薄膜一部分4b?，F(xiàn)在電極ε1中凹槽3的側(cè)壁暴露出來(lái)了。然后用存儲(chǔ)材料，例如，鐵電或駐極體聚合物材料4a填充空槽3a，如圖6所示，所述鐵電或駐極體聚合物材料4a應(yīng)該沿著電極ε1和ε2之間的空槽伸展。若絕緣薄膜4最初就是鐵電或駐極體材料，則電極ε下面凹槽3底部所示的部分4b現(xiàn)在也將是類似于圖6中的4a所示的存儲(chǔ)材料。
圖7a表示圖6所示完成的結(jié)構(gòu)的平面圖。在圖7a中B指示圖6所示截面的觀看方向?，F(xiàn)在將會(huì)看到，第二電極裝置E2內(nèi)的電極ε2在取向上垂直于第一電極裝置E1的電極ε1。設(shè)置在凹槽3內(nèi)電極ε1、ε2之間空槽內(nèi)的存儲(chǔ)材料4a現(xiàn)在形成存儲(chǔ)單元5中的存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)單元5建立在第二電極裝置E2的電極ε2與第一電極裝置E1的電極ε1交點(diǎn)上存儲(chǔ)材料4a和任選的4b中，因而圖7a中帶有存儲(chǔ)材料和電極ε1、ε2的結(jié)構(gòu)形成提供存儲(chǔ)單元5的無(wú)源矩陣存儲(chǔ)器可尋址陣列，所述存儲(chǔ)單元應(yīng)該是鐵電或駐極體存儲(chǔ)單元，用采取聚合物或共聚物形式的存儲(chǔ)材料實(shí)現(xiàn)甚至更好。圖7b表示通過(guò)圖7a沿著A-A線剖開(kāi)的截面，現(xiàn)在可以看出，如何通過(guò)在電極ε1、ε2上施加電壓而在它們之間以及在存儲(chǔ)材料4a(任選地還有4b)上建立電勢(shì)，存儲(chǔ)單元5或者被極化或者被切換方向。4a處的存儲(chǔ)單元部分可以例如在與存儲(chǔ)裝置延伸方向垂直的方向上切換，而同時(shí)凹槽3底部存儲(chǔ)材料4b的任選部分可以在與存儲(chǔ)裝置平面垂直的方向上切換，或如圖7b中所示在垂直方向上切換。這樣做三個(gè)”子單元”可以同時(shí)切換，以此獲得強(qiáng)三倍的信號(hào)，而同時(shí)，底部子單元的面積等于電極重疊面積，而兩個(gè)側(cè)壁單元面積等于2wh。從而與先有技術(shù)已知的垂直切換單元相比，在后一種情況下引入額外的尺寸，這意味著單元覆蓋區(qū)將不取決于所采用的設(shè)計(jì)規(guī)則。
圖8a和8b更詳細(xì)地表示按照本發(fā)明的設(shè)備中存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)單元，指示可實(shí)行的并與圖8a和8b相關(guān)的圖標(biāo)一致的切換方向。圖8a表示摘除電極后的單個(gè)存儲(chǔ)單元的平面圖，將會(huì)看來(lái)，側(cè)壁中所有的存儲(chǔ)材料可以側(cè)向切換，而同時(shí)底部的存儲(chǔ)材料可以在”垂直”方向切換。這一點(diǎn)在圖8b中看得最清楚，所述圖表示圖8a中存儲(chǔ)單元5的沿著C-C線剖開(kāi)的截面，電極ε1、ε2的輪廓用虛線表示。存儲(chǔ)單元5的這種布置明顯地不同于傳統(tǒng)的無(wú)源矩陣可尋址存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)單元，其中存儲(chǔ)單元設(shè)置在上層電極裝置和下層電極裝置之間的夾層中，而且各自電極取向相互垂直，以便形成例如夾在兩電極層之間的存儲(chǔ)材料的總體(global)層中的存儲(chǔ)單元并對(duì)其尋址。這種傳統(tǒng)的夾層結(jié)構(gòu)允許單一切換方向，而按照本發(fā)明的設(shè)備的存儲(chǔ)單元允許在至少三個(gè)方向上切換，而這本身對(duì)采用鐵電或駐極體存儲(chǔ)材料建立更可靠和封裝密度更大的無(wú)源矩陣可尋址存儲(chǔ)裝置具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，包括提高信噪比。查看圖7a即可看出，這里描述的存儲(chǔ)裝置可以在三個(gè)方向上切換，對(duì)于10個(gè)可形成的存儲(chǔ)單元在總共30個(gè)位置上切換。
現(xiàn)在可以通過(guò)在按照本發(fā)明的設(shè)備的存儲(chǔ)裝置中設(shè)置第三個(gè)電極裝置E3來(lái)獲得第四個(gè)切換方向。圖4表示如何在電極裝置E1，E2各自的電極ε1、ε2頂面設(shè)置絕緣薄膜4，例如，用鐵電或駐極體存儲(chǔ)材料，例如，聚合物或共聚物材料形成。至少在電極ε2頂面上，絕緣薄膜應(yīng)該是存儲(chǔ)材料，例如，后一種類型的材料，并與圖9描繪的部分對(duì)應(yīng)。在絕緣薄膜4的上面設(shè)置第三電極裝置E3，后者與第一電極裝置E1相似，只是第三電極裝置E3的電極ε3采取與第一電極裝置E1的電極ε1相同的方向，使得第三電極裝置E3的每個(gè)電極ε3與第一電極裝置E1的相應(yīng)電極ε1對(duì)齊。如圖10所示，電極裝置E3的電極ε3例如設(shè)置在絕緣的底板1’上。這樣，像圖11a中的平面圖示意地描繪的那樣獲得存儲(chǔ)裝置，所述圖應(yīng)與表示通過(guò)圖11a中平面圖沿著線A-A剖開(kāi)從B的觀看方向看的截面圖11b結(jié)合思考。用通常的方法形成并示于圖11b的每一個(gè)存儲(chǔ)單元，現(xiàn)在可以在四個(gè)方向上極化或切換，因?yàn)閱卧?中存儲(chǔ)材料的部分4c現(xiàn)在可以通過(guò)第二電極裝置E2的電極ε2和垂直相交的第三電極裝置E3的電極ε3尋址。換句話說(shuō)，每個(gè)存儲(chǔ)單元都可以在它們單獨(dú)的位置上在四個(gè)方向上尋址。另外，簡(jiǎn)單地通過(guò)一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)上面，堆疊圖11a和圖11b描繪的存儲(chǔ)裝置，與圖11a和圖11b描繪的存儲(chǔ)裝置對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)裝置現(xiàn)在可以用在按照本發(fā)明的設(shè)備上，把所述設(shè)備實(shí)現(xiàn)為體積數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置。當(dāng)然，堆疊中每一個(gè)存儲(chǔ)裝置都被絕緣底板1’隔開(kāi)。
但是，采用圖12a所示的配置可以獲得多得多的經(jīng)濟(jì)成果或按照本發(fā)明的設(shè)備的配置為帶有堆疊存儲(chǔ)器的體積數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的實(shí)施例。這里基本標(biāo)準(zhǔn)組件是例如圖9所示的把絕緣薄膜4設(shè)置在其頂面上的存儲(chǔ)裝置。薄膜4當(dāng)然可以是鐵電或駐極體材料，而且無(wú)論在任何情況下，電極ε2上的部分可以是存儲(chǔ)材料，例如，鐵電或駐極體材料，最好是這種類型的聚合物或共聚物材料。這樣，類似于圖9所示的存儲(chǔ)裝置，一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)上面地堆疊起來(lái)，形成這種類型的存儲(chǔ)裝置S1、S2和S3，將會(huì)看出，相鄰存儲(chǔ)裝置的電極ε1現(xiàn)在起圖11b所示的存儲(chǔ)裝置電極ε3的作用。換句話說(shuō)，如圖12a所示，把存儲(chǔ)裝置堆疊起來(lái)，按照本發(fā)明的設(shè)備允許存儲(chǔ)單元在四個(gè)方向上極化和切換，即兩個(gè)側(cè)向和兩個(gè)垂直方向，在每一個(gè)存儲(chǔ)單元的四個(gè)單獨(dú)的位置上。換句話說(shuō)，如圖12a所示的設(shè)備可以比基于圖11b所示的那樣配置的存儲(chǔ)裝置簡(jiǎn)單得多。
圖12b示出圖12a的設(shè)備中存儲(chǔ)單元5的平面圖，其電極已經(jīng)摘除，切換方向按照所附圖標(biāo)指示。圖12c示出圖12b沿著C-C線剖開(kāi)的截面圖，清楚地表示按照本發(fā)明的設(shè)備中存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)單元的切換方向和類似箱形結(jié)構(gòu)。按照本發(fā)明的設(shè)備中存儲(chǔ)裝置中任何一個(gè)存儲(chǔ)單元，如圖12所示，當(dāng)然應(yīng)該由垂直取向的上層和下層電極ε1交叉點(diǎn)處包圍電極ε2的存儲(chǔ)材料形成。
應(yīng)該指出，如圖11a和12a中描繪的存儲(chǔ)裝置中可以獲得的10個(gè)存儲(chǔ)單元在任何情況下都允許不少于40個(gè)尋址位置，這可以和占用與例如圖11a和圖12a中描繪的設(shè)備中單個(gè)存儲(chǔ)裝置所占用的相同的硬件資源的傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)中可以獲得的每個(gè)存儲(chǔ)單元只有一個(gè)尋址位置的存儲(chǔ)單元數(shù)目一半相比。面積填充因數(shù)加大了一倍，從0.25提高到0.5，加上加倍的存儲(chǔ)密度的額外成果，至少加倍的電容面積產(chǎn)生大大提高的信噪比和可檢測(cè)性。還應(yīng)該指出，包含在電極ε2中的凹槽和存儲(chǔ)材料可以使寬度比例如最小工藝限制特征值f大得多，而同時(shí)電極ε2a的寬度w可以小得多。但是，這時(shí)存儲(chǔ)材料4a可以用相應(yīng)的較大的厚度淀積，當(dāng)然同樣也適用于存儲(chǔ)單元部分4b或4c。其中存儲(chǔ)材料的厚度當(dāng)然不受任何特定的設(shè)計(jì)規(guī)則限制，因?yàn)樗梢圆扇〔煌谋緦I(yè)技術(shù)人員眾所周知的方法涂敷，采用正如上面描述的厚度，范圍在幾nm以上。
應(yīng)該指出，按照本發(fā)明的設(shè)備不限于上面公開(kāi)的推薦的示范性實(shí)施例。在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以設(shè)計(jì)其他變型實(shí)施例。
所提出的概念引入新的單元體系結(jié)構(gòu)，允許在(電路)基片的側(cè)向上施加電場(chǎng)(若采用混合設(shè)計(jì))。這同時(shí)可以潛在地與垂直場(chǎng)應(yīng)用結(jié)合?？梢灾徊捎靡环N聚合物層/淀積，任選地作為最后一個(gè)工藝步驟采用(沒(méi)有金屬或其他材料淀積在聚合物上)，來(lái)建立多層存儲(chǔ)器，這樣避免了上述與依次地在聚合物上進(jìn)行的處理相關(guān)的問(wèn)題。
基于側(cè)向切換的存儲(chǔ)器矩陣可以用若干種方法制造。一個(gè)推薦的實(shí)施例是下列程序在硅晶圓片(例如，SiO2或諸如聚偏二乙烯二氟酯(PVDF)或諸如聚偏二乙烯三氟胸苷PVDF-TrFE共聚物等鐵電聚合物材料)上淀積絕緣層。然后在所述層上建造第一組平行電極(第一掩蔽步驟)，例如，與用于相應(yīng)尺寸和功能的交叉點(diǎn)矩陣存儲(chǔ)器的典型電極相比，具有兩倍厚度(高度)或高寬關(guān)系。然后整體涂敷絕緣層。然后在電極之間的空隙內(nèi)填充電極材料(相同的或不相同的，也可以用幾種不同的)，以便構(gòu)成第二組電極。所得電極圖案稱作”密集電極圖案”，正如在上述挪威專利申請(qǐng)所公開(kāi)的。這兩個(gè)電極組因而稱作”底層電極”。然后利用(第二)掩膜，通過(guò)第一次制造的充分伸展到底層電極(例如50％)的開(kāi)孔，來(lái)建造第三組平行(頂層)電極，例如，其取向與前兩組成90°。然后淀積全局絕緣材料，例如，不同于底層電極所用的，例如，采用鐵電共聚物(若要采用垂直切換，這是必要)，隨后用相同的或交替的電極材料填充頂層電極的開(kāi)孔。然后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)或其他平面化處理，例如，全局蝕刻，用以清除凹槽電極/絕緣材料，使得所有三個(gè)電極組之間的絕緣材料暴露出來(lái)，從而在每一個(gè)電極組之間實(shí)現(xiàn)完全的絕緣，結(jié)果得到交叉點(diǎn)矩陣，其中底層電極對(duì)頂層電極是平的。然后把絕緣材料向下蝕刻掉，直至頂部電極的底部水平，用存儲(chǔ)材料(例如，鐵電共聚物)填充，或者通過(guò)傳統(tǒng)的旋涂或者采用可供選擇的技術(shù)，例如來(lái)自熔融物的浸涂。
若整個(gè)過(guò)程的絕緣材料全都是鐵電材料，或只在頂部絕緣材料的情況下，則后一種蝕刻和填充步驟可以避免。這樣做的好處是，沒(méi)有聚合物填充電極之間狹窄的開(kāi)孔的問(wèn)題；缺點(diǎn)是聚合物材料將暴露在處理過(guò)程中?？梢岳渺o電或類似的吸引器技術(shù)增強(qiáng)聚合物材料穿透電極之間狹窄的開(kāi)孔的能力，此外，由于底部開(kāi)孔總是絕緣材料，所以PVDF-TrFE薄膜不必穿透到開(kāi)孔底部。
通過(guò)向底部電極和頂部電極之一施加電壓，在底部電極交叉點(diǎn)上頂部電極兩側(cè)的聚合物材料將側(cè)向切換。在這種情況下，聚合物材料的厚度對(duì)應(yīng)于垂直切換體系結(jié)構(gòu)中聚合物薄膜的厚度。這意味著，實(shí)現(xiàn)完全極化切換所要施加的電壓電平與電極開(kāi)孔之間聚合物材料的厚度有直接的函數(shù)關(guān)系，因而受所涂敷的絕緣材料的厚度控制，而不是受旋轉(zhuǎn)聚合物層的厚度控制。與在垂直結(jié)構(gòu)中涂敷聚合物材料相比，這保證厚度均勻得多，另外，不均勻的電極側(cè)壁并不破壞這個(gè)不均勻性，因?yàn)橄鄬?duì)的電極壁將會(huì)反射另一側(cè)壁的均勻性。
頂部電極兩側(cè)同時(shí)切換這一事實(shí)，意味著單元有效面積加倍，因而信噪比(SNR)按照系數(shù)1.42提高。通過(guò)加厚底部和頂部電極，可以進(jìn)一步增大單元的有效面積，因?yàn)閱卧娣e等于單元長(zhǎng)度w乘以單元高度h。相應(yīng)地，這一事實(shí)允許通過(guò)引入垂直單元尺寸而采用任意大的單元尺寸，而與側(cè)向單元覆蓋區(qū)無(wú)關(guān)。當(dāng)采用較高分辨率的光刻時(shí)，單元高度/厚度并不關(guān)鍵。所有這些都相應(yīng)地改善切換時(shí)單元的疲勞。
所述第一電極結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)密度相當(dāng)于2f2或f2。若采用密集電極作為頂部電極，則只涉及兩次掩蔽步驟。這可以與垂直體系結(jié)構(gòu)適當(dāng)比較，要達(dá)到相同效果，所述垂直體系結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)(或四個(gè))存儲(chǔ)層和3(或6)次掩蔽步驟。
當(dāng)建造這第一”層”時(shí)，可以采用不同的方法加上一個(gè)附加層。一種方法是在第一結(jié)構(gòu)頂部淀積聚合物薄膜，然后在它的頂部建造新的”底層”電極組。因此，第一結(jié)構(gòu)中的頂部電極與下一個(gè)的底部電極結(jié)合，以便產(chǎn)生額外的2f2(或f2)存儲(chǔ)層(盡管只有一個(gè)單元面積/單元)。因?yàn)檫@只要求一個(gè)掩蔽步驟，形成堆疊，代表完全的f2(或1/2f2)密度，因?yàn)檫@只需要一個(gè)掩蔽步驟，所以得到的代表完全的f2(或1/2f2)密度的堆疊只涉及3次掩蔽步驟，而同時(shí)采用垂直體系結(jié)構(gòu)，相同的密度可能要求(全部掩蔽步驟計(jì)數(shù)扣除通孔掩膜)6(或12)次掩蔽步驟(2乘2或4乘2層)。通過(guò)在第二結(jié)構(gòu)上加上頂部電極，獲得2/3f2密度，新的”底部”電極提供1/3f2等。
若限于第一電極結(jié)構(gòu)/層并蝕刻掉絕緣材料，然后用聚合物薄膜進(jìn)行填充，就不需要在聚合物上進(jìn)行處理，意味著在不會(huì)因?yàn)楹筇幚矶茐木酆衔锏那闆r下，可以建造2f2(或f2)結(jié)構(gòu)，據(jù)認(rèn)為這對(duì)維持對(duì)存儲(chǔ)器用途最優(yōu)的形態(tài)學(xué)是非常有利的。
因?yàn)樵诿總€(gè)電極層之間都有一個(gè)平面化步驟，所以不會(huì)逐漸增加層數(shù)而損失光刻密度/薄膜的均勻性，還意味著，除了有關(guān)通孔或連接的潛在復(fù)雜化之外，對(duì)于用這個(gè)方法可以堆疊多少層，技術(shù)上并無(wú)限制，和垂直體系結(jié)構(gòu)不同，那里要增加層次，平面化變得越來(lái)越難。
建造可側(cè)向切換單元的替代途徑如下。首先建造平行的底層電極，每個(gè)電極配置”指狀”延伸部分，所述延伸部分是在一次光刻中從所述電極延伸的。在這些電極上建造另一組電極，在同一平面上(在同一基片水平上)，通過(guò)允許這些頂部電極在交叉點(diǎn)上”爬”過(guò)底部電極。以與頂部電極重疊的指狀延伸部分的面積的形式形成所述單元，于是它們之間的距離決定著”薄膜厚度”，就是說(shuō)，指狀延伸部分和頂部電極之間的側(cè)向距離代表要求的矯頑電場(chǎng)。為了使這充分短(最好，小于0.06μm)，這是用光刻難以達(dá)到的，有幾個(gè)途徑可以采用，一個(gè)是使頂部電極不對(duì)準(zhǔn)底部電極，例如，小于0.06μm，然后對(duì)不準(zhǔn)/偏移在垂直單元結(jié)構(gòu)中構(gòu)成”薄膜厚度”。或者采取密集電極/隔離層途徑。
上述變型可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)較高單元面積密度，一種變型是將指狀延伸部分的位置進(jìn)一步隔開(kāi)，例如隔開(kāi)兩個(gè)光刻步驟，這樣允許在手指兩側(cè)都切換，因?yàn)楝F(xiàn)在兩個(gè)分開(kāi)的頂部電極包圍所述延伸部分的每一側(cè)。還可能采用密集電極圖案概念來(lái)建造更密集的頂部電極來(lái)實(shí)現(xiàn)增加單元密度。
權(quán)利要求
1.一種矩陣可尋址設(shè)備，它包括帶有可多向切換的存儲(chǔ)單元(5)的一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)裝置，所述各存儲(chǔ)單元(5)排列成無(wú)源矩陣可尋址陣列，其中所述各存儲(chǔ)單元(5)包括采取鐵電或駐極體薄膜存儲(chǔ)材料形式的存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)材料可以被所施加的電場(chǎng)極化并呈現(xiàn)滯后特性，其中至少一個(gè)存儲(chǔ)裝置包括至少兩個(gè)并且不多于三個(gè)電極裝置(E)，其中或者是所述設(shè)備的唯一存儲(chǔ)裝置或者是其中兩個(gè)或兩個(gè)以上存儲(chǔ)裝置的第一個(gè)的所述至少一個(gè)存儲(chǔ)裝置的第一電極裝置(E)設(shè)置在絕緣基片(1)上，所述設(shè)備的特征在于所述第一電極裝置(E1)包括各平行帶狀電極(ε1)，所述各平行帶狀電極(ε1)的寬度為w、高度為h并且由設(shè)置在所述各電極(ε1)之間并覆蓋其側(cè)邊的層厚度為δ的絕緣薄膜材料部分(2a)彼此隔開(kāi)和電氣絕緣，所述厚度δ是所述電極寬度w的一小部分；所述電極(ε1)具有大的高寬比h/w；所述第一電極裝置(E1)在其頂面上包括多個(gè)平行凹槽(3)，所述多個(gè)平行凹槽(3)的取向垂直于電極(ε1)的縱軸、寬度約等于電極寬度w并且從電極(ε1)頂面向下伸展一段約為電極高度H一半的距離h，所述凹槽(3)彼此隔開(kāi)一段約等于電極寬度w的距離；至少所述凹槽(3)的側(cè)壁被存儲(chǔ)材料薄膜(4a)覆蓋并且其底面用絕緣薄膜(4b)覆蓋，所述薄膜任選地可以由存儲(chǔ)材料形成；以及在所述凹槽(3)內(nèi)設(shè)置第二電極組(E2)的電極(ε2)，所述第二電極組(E2)的電極(ε2)與其薄膜存儲(chǔ)材料(4a，4b)接觸并形成界面，使得設(shè)置在所述凹槽(3)中的所述存儲(chǔ)材料形成存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)單元(5)，在每一種情況下，在所述第一電極裝置的電極(ε1)和所述第二電極裝置的電極(ε2)之間交叉點(diǎn)上的所述存儲(chǔ)材料的體積中形成單個(gè)存儲(chǔ)單元(5)，從而，所述存儲(chǔ)單元(5)可以在垂直于所述凹槽(3)側(cè)壁的側(cè)向上和在與所述凹槽(3)底面垂直的第三方向上被極化和切換，假定所述底面也用存儲(chǔ)材料覆蓋。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)存儲(chǔ)單元包括第三電極裝置(E3)，其特征在于在所述第一和第二電極裝置(E1，E2)電極(ε1、ε2)的頂面上分別形成絕緣薄膜(4)，所述絕緣薄膜至少以其由所述存儲(chǔ)材料形成的部分(4c)覆蓋所述第二電極裝置(E2)的電極(ε2)的所述頂面；所述第三電極裝置(E3)的電極(ε3)設(shè)置成與所述絕緣薄膜(4)接觸并形成界面，所述所述第三電極裝置(E3)的各電極(ε3)的配置類似于所述第一電極裝置而取向與其相同并垂直于所述第二電極裝置(E2)的電極(ε2)，使得所述第三電極裝置(E3)的電極(ε3)與所述第一電極裝置(E1)相應(yīng)的電極(ε1)對(duì)準(zhǔn)，從而由所述第二電極裝置的電極分別與由在所述第一和第三電極裝置(E1，E3)的各電極(ε1；ε3)的交叉點(diǎn)上的覆蓋所述第二電極裝置(E2)的電極(ε2)的存儲(chǔ)材料的薄膜(4a，4b，4c)分別形成每個(gè)存儲(chǔ)單元(5)，使得所述存儲(chǔ)單元(5)可以在與所述第二電極裝置(E2)的電極(ε2)的所述頂面垂直的第四方向上被極化和切換。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，在垂直的堆疊內(nèi)設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上存儲(chǔ)裝置，其特征在于所述第三電極裝置的電極(ε3)的所述頂面由絕緣底板(1)覆蓋；以及每一個(gè)存儲(chǔ)裝置都設(shè)置成疊在另一個(gè)的上面，彼此由所述絕緣底板(1)隔開(kāi)，從而以體積數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的形式實(shí)現(xiàn)所述設(shè)備。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，在垂直的堆疊內(nèi)設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上存儲(chǔ)裝置，其特征在于存儲(chǔ)裝置的所述第一電極裝置(E1)和所述第二電極裝置(E2)各自設(shè)置成與所述堆疊中其他任何一個(gè)存儲(chǔ)裝置相應(yīng)的電極裝置(E1；E2)形成對(duì)準(zhǔn)關(guān)系；所述堆疊中的每一個(gè)存儲(chǔ)裝置被涂敷在所述電極(ε1；ε2)的所述頂面上的絕緣薄膜(4)與任何一個(gè)相鄰的存儲(chǔ)裝置隔開(kāi)，所述絕緣薄膜(4)至少在所述第二電極裝置((E2)的電極(ε2)與相鄰存儲(chǔ)裝置的所述第一電極裝置(E1)的電極(ε1)交叉點(diǎn)上的部分(4c)是由存儲(chǔ)材料形成的，通過(guò)在這些電極和相鄰存儲(chǔ)裝置的所述第一電極裝置(E1)的交叉電極(ε)之間施加電場(chǎng)，所述部分(4c)上的所述存儲(chǔ)材料可以在與所述第二電極裝置(E2)的電極(ε2)的所述頂面垂直的第四方向上被極化或切換；以及分別在所述堆疊的當(dāng)前存儲(chǔ)裝置和相鄰存儲(chǔ)裝置中，在所述第二電極裝置(E2)的電極(ε2)和所述第一電極裝置(E1)的電極(ε1)之間交點(diǎn)處，在包圍所述第二電極裝置的電極的所述存儲(chǔ)材料中形成存儲(chǔ)單元(5)，從而以體積數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的形式實(shí)現(xiàn)所述設(shè)備，來(lái)自所述堆疊中第二存儲(chǔ)裝置的所述第一電極裝置(E1)繼續(xù)對(duì)下面相鄰的存儲(chǔ)裝置起第三電極裝置的作用。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述絕緣薄膜材料(4)是鐵電或駐極體材料。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述存儲(chǔ)材料是聚合物或共聚物材料。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述絕緣薄膜材料(4)和存儲(chǔ)材料是同樣的材料。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于所述存儲(chǔ)材料是聚合物或共聚物材料。
全文摘要
在包括帶有排列在無(wú)源矩陣可尋址陣列中的可多向切換的存儲(chǔ)單元(5)的一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)裝置的矩陣可尋址設(shè)備中，存儲(chǔ)單元包括采取鐵電或駐極體薄膜存儲(chǔ)材料形式的存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)材料可以被所施加的電場(chǎng)極化并呈現(xiàn)滯后特性，存儲(chǔ)材料最好是聚合物或共聚物。所述設(shè)備中的存儲(chǔ)裝置包括至少第一和第二電極裝置(E1；E2)，使得第二電極裝置(E2)的電極(ε2)設(shè)置在第一電極裝置(E1)的電極(ε1)的凹槽(3)內(nèi)，在取向上與其垂直，凹槽只伸展到第一電極裝置(E1)的電極(ε1)高度一半。第二電極裝置(E2)的電極(ε2)設(shè)置在凹槽(3)內(nèi)，被存儲(chǔ)材料(4a，4b)包圍，所述存儲(chǔ)材料還與第一電極裝置(E1)的交叉電極(ε1)接觸，從而在第一和第二電極裝置(E1；E2)的電極(ε1；ε2)之間的交點(diǎn)內(nèi)形成由在至少三個(gè)側(cè)面上包圍第二電極裝置(E2)的電極(ε2)的存儲(chǔ)材料構(gòu)成的存儲(chǔ)單元(5)，這樣，在存儲(chǔ)單元(5)中不同的位置上提供至少三個(gè)切換方向。在按照本發(fā)明的設(shè)備中兩個(gè)或兩個(gè)以上存儲(chǔ)裝置可以堆疊起來(lái)，于是以體積數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的形式實(shí)現(xiàn)所述設(shè)備。
文檔編號(hào)H01L27/115GK1592971SQ02823510
公開(kāi)日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2002年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月28日
發(fā)明者H·G·古德森 申請(qǐng)人:薄膜電子有限公司