專利名稱：多層堆疊電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多層堆疊的電阻轉(zhuǎn)換存儲器的結(jié)構(gòu)，用于半導(dǎo)體器件的制造。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件的密度和性能隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而日新月異，半導(dǎo)體器件多層堆疊已經(jīng)是國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖中重要的一部分，是公認的集成電路發(fā)展的必然趨勢。半導(dǎo)體器件多層堆疊的意義不僅僅在于集成度的大幅提升，還在于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(dǎo)體器件更具競爭力。在存儲器方面，對于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(zhuǎn)換存儲器成為當今炙手可熱的下一代非易失性半導(dǎo)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(jīng)在2010年第一季度開始小批量的商業(yè)化應(yīng)用，今后將在越來越多的電子產(chǎn)品中得到應(yīng)用。電阻轉(zhuǎn)換存儲器的存儲密度高、制造工藝簡單、成本低、速度快、并且具有良好的數(shù)據(jù)保持能力，將在不久的將來在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，有望成為一種通用的存儲器。 它們將首先應(yīng)用在嵌入式的產(chǎn)品中，隨后開始逐漸替代NOR等應(yīng)用，最后有望占據(jù)DRAM和硬盤等部分市場。如上所述，對于新型的電阻轉(zhuǎn)換存儲器來說，多層堆疊也是此種存儲器發(fā)展的重要方向。由此，張挺等人也提出了多層堆疊的電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)和制造工藝(中國專利三維立體堆疊的電阻轉(zhuǎn)換存儲器及其制造方法，專利號ZL 200910045084. X，授權(quán)日期2010-10-13 ；多層堆疊的存儲器及其制造方法，申請?zhí)?01010512040. 6，申請日期 2010-10-19)。本發(fā)明提供了一種多層堆疊的電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)的差異在于此種結(jié)構(gòu)的存儲器不僅具有多層堆疊的結(jié)構(gòu)，并且結(jié)構(gòu)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(jié)省了外圍電路的面積，并且多個存儲單元共用選通管就有效地增大了選通二極管的面積，也就增大了選通管的驅(qū)動電流，給電阻轉(zhuǎn)換存儲器的編程操作留出了更多的空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題在于提供一種多層堆疊的電阻轉(zhuǎn)換存儲器的器件集成結(jié)構(gòu)。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種多層堆疊電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)，其特征在于該種電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)包括至少兩層電阻轉(zhuǎn)換存儲層，每層電阻轉(zhuǎn)換存儲層中含有選通管和與其對應(yīng)的電阻轉(zhuǎn)換存儲單元，每個選通管至少對應(yīng)選通兩個電阻轉(zhuǎn)換存儲單元，此多層堆疊的電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)還包括與各電阻轉(zhuǎn)換存儲層連接的外圍電路。 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述的多層堆疊電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)中的選通管為肖特
基二極管、或為PN 二極管、或為氧化物二極管、或為雙極型晶體管。 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述的電阻轉(zhuǎn)換存儲單元的電阻能夠在電信號的作用下
實現(xiàn)高、低電阻之間的可逆變化；該種電阻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換存儲單元的數(shù)據(jù)存儲是兩級數(shù)據(jù)存儲或者多級數(shù)據(jù)存儲。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述的多層堆疊電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)的外圍電路中含有場效應(yīng)晶體管，各層電阻轉(zhuǎn)換存儲層共用外圍電路。本發(fā)明的有益效果在于提供了一種多層堆疊的電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)的差異在于此種結(jié)構(gòu)的存儲器不僅具有多層堆疊的結(jié)構(gòu)，并且結(jié)構(gòu)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(jié)省了外圍電路的面積，并且多個存儲單元共用選通管就有效地增大了選通二極管的面積，也就增大了選通管的驅(qū)動電流，給電阻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換存儲器示意圖。圖2A-D是實施例一中單層電阻轉(zhuǎn)換存儲層示意圖。圖3A-B是實施例二中電阻轉(zhuǎn)換存儲單元示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，進一步說明本發(fā)明的具體實施方式
。以下是本發(fā)明的幾個優(yōu)選實施例實施例一請參閱圖1，本發(fā)明揭示了一種多層堆疊的電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)，從圖可見，多層堆疊的電阻轉(zhuǎn)換存儲器在基底上不僅具有外圍電路和電阻轉(zhuǎn)換存儲單元，還應(yīng)該包括至少兩層電阻轉(zhuǎn)換存儲層，如圖所示為η層，此η層的電阻轉(zhuǎn)換存儲器共用位于底層的外圍電路，當然，外圍電路也可以根據(jù)實際需要設(shè)定在任意一層。很顯然，電阻轉(zhuǎn)換存儲器多層堆疊以后，存儲器的密度將大幅提升。各層電阻轉(zhuǎn)換存儲層通過金屬通孔實現(xiàn)互連。本發(fā)明揭示的多層堆疊的電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)的重要特點在于單層的電阻轉(zhuǎn)換存儲層中不僅含有選通管和電阻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換存儲單元，單層的電阻轉(zhuǎn)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在存儲芯片中可以是以字或位線形式存在。圖2Α所示的選通管2優(yōu)選為二極管，當然也可以是雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管等， 如PN 二極管、肖特基二極管和氧化物二極管都在此適用，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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，“水溝”的底部與選通管2或電極3連接，而“水溝”的側(cè)壁與存儲材料5形成接觸，作為下電極。在這里， 需要指出，存儲器采用的存儲材料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(xiàn)電阻可逆轉(zhuǎn)變的材料。采用的存儲材料5可以是均勻的，也可以是多層結(jié)構(gòu)的，例如在磁阻存儲器的應(yīng)用中，存儲材料可以擁有兩層的結(jié)構(gòu)。當然，上述的器件結(jié)構(gòu)還可以是其他的結(jié)構(gòu)，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于“方型水杯”的結(jié)構(gòu)，“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(cè)壁與存儲材料5形成接觸，側(cè)壁作為下電極，而其上方的存儲材料5也是環(huán)形的結(jié)構(gòu)，被嵌在絕緣絕熱材料內(nèi)。上圖顯示的是1S2R(1個選通管選通兩個電阻存儲單元)的結(jié)構(gòu)，要指出，本發(fā)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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)換存儲單元。很顯然，結(jié)構(gòu)還可以是ISnR結(jié)構(gòu)，這里η大于等于2。實施例二對于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(yīng)的調(diào)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(nèi)的，這樣的結(jié)構(gòu)對于某些類型的電阻轉(zhuǎn)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，材料的體積縮小后器件的功耗、速度、一致性等方面的性能得到顯著的提高，基于熱致相變原理的存儲材料被絕緣絕熱材料包覆后熱量利用率顯著提升。而對于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并無太大的影響，因此可以采用圖3Α所示的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于制造工藝較為簡單，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(jié)構(gòu)顯示，有部分的存儲材料被潛入絕緣材料內(nèi)，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。這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其他基底、 材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其他變形和改變。
權(quán)利要求
1.一種多層堆疊的電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)，其特征在于該種電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)包括至少兩層電阻轉(zhuǎn)換存儲層，每層電阻轉(zhuǎn)換存儲層中含有選通管和與其對應(yīng)的電阻轉(zhuǎn)換存儲單元，每個選通管至少對應(yīng)選通兩個電阻轉(zhuǎn)換存儲單元，此多層堆疊的電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)還包括與各電阻轉(zhuǎn)換存儲層連接的外圍電路。
2.如權(quán)利要求1所述的多層堆疊電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述選通管為肖特基二極管、或為PN 二極管、或為氧化物二極管、或為雙極型晶體管。
3.如權(quán)利要求1所述的多層堆疊電阻轉(zhuǎn)換存儲器，其特征在于存儲單元的電阻在電信號的作用下實現(xiàn)高、低電阻之間的可逆變化。
4.如權(quán)利要求1或3所述的多層堆疊電阻轉(zhuǎn)換存儲器，其特征在于該種電阻轉(zhuǎn)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(quán)利要求1或3所述的多層堆疊電阻轉(zhuǎn)換存儲器，其特征在于電阻轉(zhuǎn)換存儲單元的數(shù)據(jù)存儲是兩級數(shù)據(jù)存儲或者多級數(shù)據(jù)存儲。
6.如權(quán)利要求1所述的多層堆疊電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)，其特征在于各電阻轉(zhuǎn)換存儲層共用外圍電路。
7.如權(quán)利要求1所述的多層堆疊電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外圍電路中含有場效應(yīng)晶體管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多層堆疊電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)，具有以下的特征電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)包括至少兩層電阻轉(zhuǎn)換存儲層；每層的電阻轉(zhuǎn)換存儲層中含有選通管和對應(yīng)的電阻轉(zhuǎn)換存儲單元，單個選通管選通至少兩個電阻轉(zhuǎn)換存儲單元；選通管為雙極型晶體管、肖特基二極管、PN二極管或者為氧化物二極管；多層堆疊電阻轉(zhuǎn)換存儲器結(jié)構(gòu)還包含外圍電路，各層電阻轉(zhuǎn)換存儲層共享外圍電路。該器件結(jié)構(gòu)能大幅提高存儲器的密度，而且通過共享外圍電路節(jié)省了外圍電路的面積，并且多個存儲單元共用選通管就有效地增大了選通二極管的面積，也就增大了選通管的驅(qū)動電流，給電阻轉(zhuǎn)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(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者劉波, 宋志棠, 封松林, 張挺, 陳婉, 陳邦明 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所