一种三维双向自选通存储器件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种三维双向自选通存储器件及其制备方法。该存储器件包括：基板、条状第一堆叠结构、条状第二堆叠结构、环形双向选通单元层、电绝缘层和柱状电极；所述条状第一堆叠结构包括交替叠置的第一绝缘层和第一平面电极层，所述条状第二堆叠结构包括交替叠置的第二绝缘层和第二平面电极层，所述环形双向选通单元层位于所述条状第一堆叠结构与所述条状第二堆叠结构之间；所述电绝缘层填充于所述条状第一堆叠结构、所述条状第二堆叠结构以及所述环形双向选通单元层之间；所述柱状电极位于所述环形双向选通单元层内侧。本发明专利技术相比于传统垂直型的三维存储器结构，条状平面电极与柱状电极相交，存储密度翻倍，制造成本低。制造成本低。制造成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种三维双向自选通存储器件及其制备方法


[0001]本专利技术属于微电子器件及存储器
，特别涉及一种三维双向自选通存储器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]传统的存储器的性能随着技术节点的缩小而不断恶化，无法适应未来数据快速发展的需求，而三维堆叠的存储器结构能够有效地提高存储密度，是未来存储技术发展的主要方向。同时，业界致力于研发可以替代DRAM和Flash的新型非易失存储器。三维相变存储器具有非易失性、高稳定性、易微缩及工艺兼容等特点，有望成为下一代主流存储器之一。传统三维相变存储器由一个选通管和一个电阻(1S1R)组成，制造成本高(Kau D C,Tang S,Karpov I V,et al.A stackable cross point phase change memory[C].2009IEEE International Electron Devices Meeting(IEDM).IEEE,2009:1
‑
4.)。双向自选通存储器仅需要一个选通管通过施加双向操作实现数据的存储，制造成本低。传统的垂直阵列结构，每个平面电极(字线)和每条垂直电极(位线)仅有一次欧姆接触，形成了一个存储单元，存储密度为4F2/n(Chen P Y,Li Z,Yu S.Design tradeoffs of vertical RRAM
‑
based 3
‑
D cross
‑
point array[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI)Systems,2016,24(12):3460
‑
3467.)。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种三维双向自选通存储器件及其制备方法，以填补现有技术的空白。
[0004]本专利技术提供一种三维双向自选通存储器件，包括基板、条状第一堆叠结构、条状第二堆叠结构、环形双向选通单元层、电绝缘层和柱状电极；
[0005]所述条状第一堆叠结构包括交替叠置的第一绝缘层和第一平面电极层，所述第一平面电极层设在所述第一绝缘层上方，所述第一绝缘层位于所述基板表面；
[0006]所述条状第二堆叠结构包括交替叠置的第二绝缘层和第二平面电极层，所述第二平面电极层设在所述第二绝缘层上方，所述第二绝缘层位于所述基板表面，所述条状第二堆叠结构与所述条状第一堆叠结构平行间隔排布；
[0007]所述环形双向选通单元层位于所述条状第一堆叠结构与所述条状第二堆叠结构之间，所述环形双向选通单元层与所述第一平面电极层、所述第二平面电极层相接触；
[0008]所述电绝缘层填充于所述条状第一堆叠结构、所述条状第二堆叠结构以及所述环形双向选通单元层之间，用于实现水平方向的电热隔离；
[0009]所述柱状电极位于所述环形双向选通单元层内侧，所述柱状电极与所述环形双向选通层部分分别形成双向选通存储单元；所述双向选通存储单元通过正反两个方向的写操作实现存储，存储比特数≥2。
[0010]优选地，所述基板可以是本领域中已知的任何半导体基板，诸如单晶硅基板、四四
族化合物基板、三五族化合物基板、二六族化合物基板等；也可以是在上述的基板表面的外延层；还可以是任何其它半导体材料或非半导体材料构成的基板，诸如氧化硅基板、玻璃基板、塑料基板、金属基板或陶瓷基板。
[0011]优选地，所述第一平面电极层和第二平面电极层可以由金属(如钨、铜、铂、铝等)、金属合金、金属硅化物、或高掺杂的半导体(如多晶硅)等的任何合适的导电材料制成，且所述第一平面电极层和所述第二平面电极层的材料可以相同也可以不同。
[0012]优选地，所述第一绝缘层和第二绝缘层可以由包括氧化物(例如，氧化硅、Al2O3、HfO2等)、氮化硅及氮氧化硅等在内的任何合适的绝缘材料制成，且所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的材料可以相同也可以不同。
[0013]优选地，所述条状第一堆叠结构个数为至少一个；所述条状第二堆叠结构个数为至少一个；环形双向选通单元层个数为至少一个；所述条状第一堆叠结构和所述条状第二堆叠结构于垂直基板方向上的结构相同。
[0014]优选地，所述条状第一堆叠结构和所述条状第二堆叠结构均为两个或多个，且所述条状第二堆叠结构与所述条状第一堆叠结构呈平行等间距交替排布。
[0015]优选地，所述环形双向选通单元层为两个或多个，且所述环形双向选通单元层沿所述条状第一堆叠结构和所述条状第二堆叠结构长度方向呈间距排布。
[0016]优选地，所述条状第一堆叠结构的每一层的所述第一绝缘层和所述第一平面电极层形成第一存储层，条状第二堆叠结构的每一层的所述第二绝缘层和所述第二平面电极层形成第二存储层，所述第一存储层和所述第二存储层的层数都为n，其中，n≥2的正整数。
[0017]优选地，相邻的所述条状第一堆叠结构与所述条状第二堆叠结构之间的距离、所述第一平面电极层的宽度、所述第二平面电极层的宽度及沿所述条状第一堆叠结构与所述条状第二堆叠结构长度方向上相邻所述环形双向选通单元层的间距相同，记为F。
[0018]优选地，所述环形双向选通单元层的横截面形状为圆形环，其中，所述圆形环的直径大于F且小于1.5F；存储密度为2F2/n，其中，n为所述存储层层数。
[0019]优选地，所述条状第一堆叠结构和所述条状第二堆叠结构中所述存储层数相同的所述平面电极层位于同一水平面上，即所述条状第一堆叠结构和所述条状第二堆叠结构于垂直基板方向上的结构相同，并且水平相邻的所述双向选通存储单元距离为F。
[0020]优选地，相邻的所述第一平面电极层和所述第二平面电极层位于不同水平面上。
[0021]优选地，同一条状堆叠结构中沿垂直于所述基板方向上相邻的所述平面电极层的垂直距离记为T，沿垂直于所述基板方向上相邻的所述第一平面电极层与所述第二平面电极层的间距为T/2，并且水平相邻的所述双向选通存储单元距离为其中，t
m
为所述平面电极层厚度。
[0022]优选地，所述环形双向选通单元层包括：环形底电极层、环形顶电极层以及所述环形底电极层和所述环形顶电极层之间的环形存储单元层。
[0023]优选地，所述环形底电极层和环形顶电极层可以由金属(如钨、铜、铂、铝等)、金属合金、金属硅化物、或高掺杂的半导体(如多晶硅)等的任何合适的导电材料制成。
[0024]优选地，所述环形存储单元层为双向选通材料、双向选通材料和存储材料组成的1S1R存储单元结构中的一种。
[0025]优选地，所述双向选通材料为进行双向操作的选通材料。
[0026]优选地，所述存储材料为多晶硅材料、金属氧化物材料、石墨开关电阻材料、相变材料、阻变材料、磁变材料中的一种或几种。
[0027]更优选地，所述双向选通材料为硫系材料(例如，Te、As
‑
Se
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维双向自选通存储器件，其特征在于，包括基板、条状第一堆叠结构、条状第二堆叠结构、环形双向选通单元层、电绝缘层和柱状电极；所述条状第一堆叠结构包括交替叠置的第一绝缘层和第一平面电极层，所述第一平面电极层设在所述第一绝缘层上方，所述第一绝缘层位于所述基板表面；所述条状第二堆叠结构包括交替叠置的第二绝缘层和第二平面电极层，所述第二平面电极层设在所述第二绝缘层上方，所述第二绝缘层位于所述基板表面，所述条状第二堆叠结构与所述条状第一堆叠结构平行间隔排布；所述环形双向选通单元层位于所述条状第一堆叠结构与所述条状第二堆叠结构之间，所述环形双向选通单元层与所述第一平面电极层、所述第二平面电极层相接触；所述电绝缘层填充于所述条状第一堆叠结构、所述条状第二堆叠结构以及所述环形双向选通单元层之间；所述柱状电极位于所述环形双向选通单元层内侧，所述柱状电极与所述环形双向选通层部分分别形成双向选通存储单元；所述双向选通存储单元通过正反两个方向的写操作实现存储，存储比特数≥2。2.根据权利要求1所述的三维双向自选通存储器件，其特征在于，所述条状第一堆叠结构个数为至少一个；所述条状第二堆叠结构个数为至少一个；环形双向选通单元层个数为至少一个；所述条状第一堆叠结构和所述条状第二堆叠结构于垂直基板方向上的结构相同。3.根据权利要求2所述的三维双向自选通存储器件，其特征在于，所述条状第一堆叠结构和所述条状第二堆叠结构均为两个或多个，且所述条状第二堆叠结构与所述条状第一堆叠结构呈平行等间距交替排布；所述环形双向选通单元层为两个或多个，且所述环形双向选通单元层沿所述条状第一堆叠结构和所述条状第二堆叠结构长度方向呈间距排布。4.根据权利要求1所述的三维双向自选通存储器件，其特征在于，所述条状第一堆叠结构的每一层的所述第一绝缘层和所述第一平面电极层形成第一存储层，条状第二堆叠结构的每一层的所述第二绝缘层和所述第二平面电极层形成第二存储层，所述第一存储层和所述第二存储层的层数都为n，其中，n≥2的正整数。5.根据权利要求1所述的三维双向自选通存储器件，其特征在于，相邻的所述条状第一堆叠结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷宇，俞秋瑶，宋志棠，
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：