一种三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置及其制造方法，所述三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置包括如下结构：衬底、逻辑电路、底层字线阵列、至少一层存储层、位线阵列；所述衬底的一侧依次设有逻辑电路、底层字线阵列，所述至少一层存储层依次堆叠于所述底层字线阵列背对所述逻辑电路的一侧。本发明专利技术装置可实现高密度的存储方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路
，涉及一种存储器装置及其制造方法，特别涉及一种微电 子领域的三维堆叠电阻转换存储器装置及其制造方法。
技术介绍
半导体存储器按其原理的不同可以分为以下几类闪存、动态存储器，静态存储器，磁 存储器以及电阻转换存储器等。电阻转换存储器因为其突出的性能和简单的结构在半导体线 宽不断降低的背景下受到了广泛的关注，将成为未来半导体存储器重要的一员；其突出的性能包括较快的速度、较低的功耗以及非易失性，而简单的结构也将有利于降低存储器的成本。 在电阻转换存储器中，顾名思义，就是利用存储器中存储材料可编程的电阻的差异实现数据 的存储。目前常用的电阻转换存储器有相变存储器和电阻随机存储器等。半导体存储器是IT技术的基础，随着IT技术的进步，信息量井喷式增长，对存储器的存 储容量提出了更高的要求，因此对高密度存储器的需求也越来越大。按照摩尔定律，半导体 技术的线宽在不断降低，带动了存储密度的不断上升；此外，对集成电路进行三维叠加，也 能够大幅度提升电路的集成度，集成电路的三维堆叠也提升了人们对存储器密度提升的想象 空间。三维立体电路将在未来的集成电路中发挥着重要作用，有望成为半导体工业中的主流 技术之一。本专利技术提出一种三维堆叠的电阻转换存储装置，并且在此提到的电阻转换有别于相变造 成的电阻转换，是非相变原因造成的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种三维堆叠的非相变造成的电阻转换存储装置。 为解决上述技术问题，本专利技术的三维堆叠的非相变造成的电阻转换存储装置包括如下结构衬底；设置在衬底上方的逻辑电路和底层字线阵列；设置在底层字线阵列中的同一字线上方的多个第一方向排列的双极型晶体管(双极型晶体管的范围包括了二极管)；设置在第一方向排列的双极型晶体管层上的第一电极层和第一电阻转换存储单元层； 设置在第一电阻转换存储单元层上方的第一位线阵列；此第一位线阵列与底层字线阵列之间的交叉点就是第一方向排列的双极型晶体管、第一电极和第一电阻转换存储单元；设置在第一位线阵列上方的第二电阻转换存储单元层和第二电极层，多个第二电阻转换存储单元与下方的多个第一电阻转换存储单元相对应，共用一根第一位线；设置在第二电阻转换存储单元层和第二电极层上方的第二方向排列的双极型晶体管层； 设置在第二方向排列的双极型晶体管层上方的第二字线阵列，此第二字线阵列与第一位 线阵列之间的交叉点就是第二方向排列的双极型晶体管、第二电极和第二电阻转换存储单元。 上述结构中，双极型晶体管层与电阻转换存储单元层的相对位置可以互相调换。 在第二字线阵列上方还可以依次形成如上述的多层电阻转换存储单元+双极型晶体管结构。三维堆叠相变电阻转换存储装置中存储单元的选通依靠字线、位线以及不同方向的双极 型晶体管共同实现，双极型晶体管的使用目的是抑制存储阵列中可能存在的串扰和误操作。在本专利技术中涉及到的电阻转换存储媒介，可选择的范围包括金属氧化物、Si-Sb、 Sb以及 Ge-Ti合金，而金属氧化物可以是一种或者多种金属氧化物的合金。所应用的存储媒介材料特 点是能够在电信号的作用下实现高电阻率和低电阻率状态之间的可逆转变，但是其电阻转换 的原理是非相变原因造成的。在存储器中，利用这种电阻率的差异实现数据1和0的存储，当然也能够实现多级存储。另外，本专利技术还提供上述存储装置的制造方法，包括以下步骤步骤A、在衬底上制造逻辑电路；步骤B、在逻辑电路上方制造一底层字线阵列；步骤C、在底层字线阵列上方逐次制造第一方向排列的双极型晶体管层、第一电极层、 第一电阻转换存储单元层、 一位线阵列、第二电阻转换存储单元层，第二电极层、第二方向 排列的双极型晶体管层及一字线阵列；或在底层字线阵列上方逐次制造第一电阻转换存储单元层、第一电极层、第一方向排列的 双极型晶体管层、 一位线阵列、第二方向排列的双极型晶体管层、第二电极层、第二电阻转 换存储单元层及一字线阵列；并在上述逐次制造的过程中填充填充物，判断所需存储层的层数是否制造足够，若是，则跳转至步骤D，若否，则重复步骤C;步骤D、通过光刻刻蚀和填充工艺，引出底下逻辑电路电极，形成基本的电阻转换存储 装置。在上述的装置与制造方法中，第一方向排列的双极型晶体管层可用第一方向排列的肖特 基二极管替代，第二方向排列的双极型晶体管层可用第二方向排列的肖特基二极管替代。本专利技术的有益效果在于本专利技术的特点是在衬底的上方进行电路叠加，充分利用空间， 提升存储芯片单位面积上单元数量，从而实现高密度的存储方案。在字线阵列与位线阵列之 间的交叉点上存在的双极型晶体管、电极和电阻转换存储单元之间的相互位置可以进行适当 的调整。附图说明图1A为双层存储单元的三维堆叠电阻转换存储器结构截面图。 图1B为图1A的等效电路图。图2A-2E为三维堆叠电阻转换存储器制造流程示意图。图3A为四层存储单元的三维堆叠电阻转换存储器结构截面图。图3B是图3A的等效电路图。具体实施例方式以下结合附图，对实施例进行详细说明。 实施例1请参阅图1A，图1A为一层存储层的三位堆叠非相变电阻转换存储装置结构截面图(一 层存储层包含双层的存储单元)，包括衬底、底层字线阵列、 一层存储层、金属通孔及外围电 路电极。每层存储层包括第一方向排列的双极型晶体管层，第一电极层，第一电阻转换存储单元 层(即存储介质NiO层)，第一位线阵列，第二层电阻转换存储单元层(即存储介质NiO层)， 第二电极层，第二方向排列的双极型晶体管层及第二字线阵列。当然，双极型晶体管与电阻 转换存储单元的相对位置也可以互换，即所述存储层还可以包括依次排列的第一电阻转换存 储单元层、第一电极层、第一双极型晶体管层、位线阵列、第二双极型晶体管层、第二电极 层、第二电阻转换存储单元层、字线阵列。最底下为衬底，衬底之上为逻辑电路与底层字线阵列。 一层存储层，从下往上，其顺序 为n+， n—， p+硅层掺杂构成的第一方向排列的双极型晶体管层或第一电阻转换存储装 置(即存储介质NiO层)，第一电极层，第一电阻转换存储单元层(即存储介质NiO层)或p + ， n—， n+掺硅层杂的第二方向排列的双极型晶体管层，第一位线阵列，第二层电阻转换 存储单元层(即存储介质NiO层)或n+， n—， p+硅层掺杂构成的第一方向排列的双极型 晶体管层，第二电极层，p+， n—， n+掺硅层杂的第二方向排列的双极型晶体管层或第二层 电阻转换存储单元层(即存储介质NiO层)及第二字线阵列，第一方向排列的双极型晶体管 层的排列方向与第二方向排列的双极型晶体管极性取向相反。第一方向排列的双极型晶体管与第二方向排列的双极型晶体管统称为双极型晶体管，第 一电极与第二电极统称为电极，第一电阻转换存储单元与第二电阻转换存储单元统称为电阻 转换存储单元，位线阵列与字线阵列的交叉点为一双极型晶体管、 一电极及一电阻转换存储 单元的位置。所述存储介质NiO也可为Si-Sb、 Sb、 Ge-Ti及其他金属氧化物等等，只要具备在电信号 作用下能够实现可逆的电阻转换的能力，并且造成电阻转换的原因为非相变原理即可；所述 电阻转换存储单元通过其高电阻和低电阻之间的可逆转变来实现数据的存储，实现方法为电 脉冲编程，其数据的存储可以为双级存储，也可以是多级存储。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置，其特征在于，包括：　衬底、逻辑电路、底层字线阵列及至少一层存储层；　所述衬底的一侧依次设有逻辑电路、底层字线阵列，所述至少一层存储层依次堆叠于所述底层字线阵列背对所述逻辑电路的一侧；　所述存储层包括依次排列的第一双极型晶体管层、第一电极层、第一电阻转换存储单元层、位线阵列、第二电阻转换存储单元层、第二电极层、第二双极型晶体管层、字线阵列；或者，所述存储层包括依次排列的第一电阻转换存储单元层、第一电极层、第一双极型晶体管层、位线阵列、第二双极型晶体管层、第二电极层、第二电阻转换存储单元层、字线阵列；　所述第一双极型晶体管层沿第一方向排列，所述第二双极型晶体管层沿第二方向排列；所述存储层的空隙中填有填充物。

【技术特征摘要】
1、一种三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置，其特征在于，包括衬底、逻辑电路、底层字线阵列及至少一层存储层；所述衬底的一侧依次设有逻辑电路、底层字线阵列，所述至少一层存储层依次堆叠于所述底层字线阵列背对所述逻辑电路的一侧；所述存储层包括依次排列的第一双极型晶体管层、第一电极层、第一电阻转换存储单元层、位线阵列、第二电阻转换存储单元层、第二电极层、第二双极型晶体管层、字线阵列；或者，所述存储层包括依次排列的第一电阻转换存储单元层、第一电极层、第一双极型晶体管层、位线阵列、第二双极型晶体管层、第二电极层、第二电阻转换存储单元层、字线阵列；所述第一双极型晶体管层沿第一方向排列，所述第二双极型晶体管层沿第二方向排列；所述存储层的空隙中填有填充物。2、 如权利要求1所述的三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置，其特征在于位线 阵列与字线阵列的交叉点位置设有一双极型晶体管、 一电极及一电阻转换存储单元，相邻的 两个电阻转换存储单元共用一根位线或字线。3、 如权利要求1所述的三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置，其特征在于所述 双极型晶体管层由n+, n—， p+惨杂的半导体材料层形成，或由p+， p—， n+掺杂的半导 体材料层形成，或由p， n掺杂的半导体材料层形成，第一方向排列的双极型晶体管层与第二 方向排列的双极型晶体管极性取向相反。4、 如权利要求1所述的三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置，其特征在于，所述 存储层包括依次排列的第一肖特基二极管层、第一电极层、第一电阻转换存储单元层、位线 阵列层、第二电阻转换存储单元层、第二电极层、第二肖特基二极管层、字线阵列层，所述 第一肖特基二极管沿第一方向排列层，所述第二肖特基二极管沿第二方向排列层；所述存储 层的空隙中填有填充物。5、 如权利要求4所述的三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置，其特征在于第一方向排列的肖特基二极管层与第二方向排列的肖特基二极管层极性取向相反。6、 如权利要求1所述的三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置，其特征在于所述电阻转换存储单元层在电信号作用下能够以非相变实现可逆的电阻转换。7、 如权利要求1所述的三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置，其特征在于所述 电阻转换存储单元层通过其高电阻和低电阻之间的可逆转变来实现数据的存储，实现方法为 电脉冲编程。8、 如权利要求1所述的的三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置，其特征在于所述的数据的存储为双级存储，或为多级存储。9、 如权利要求1所述的三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置，其特征在于所述 电阻转换存储单元层的存储介质为NiO或Si-Sb或Sb或Ge-Ti或金属氧化物。10、 如权利要求1所述的三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置，其特征在于所述 的存储装置还包括金属通孔和外围电路电极。11、 一种三维堆叠非相变所致电阻转换存储装置的制造方法，其特征在于，包括以下 步骤步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：张挺，宋志棠，刘波，封松林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]