專利名稱：存儲器電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及存儲器電路，尤其是涉及到一種帶有集成的行和列驅動器的存儲器電路。
目前，針對電子數(shù)據存儲器的許多方法在商業(yè)上很成功。這些包括固態(tài)存儲器、光存儲器和磁存儲器。固態(tài)存儲器典型地包括DRAM、SARM、FLASH、EEPROM、掩模ROM和其它類型，它們提供了無移動部件、快速存取、高數(shù)據速率、隨機存取和低功耗的優(yōu)點。然而，它們都相對昂貴。諸如CD、小型盤、DVD或者光帶格式之類的光存儲器每比特具有較低的成本并且復制容易且便宜。然而，它們只有在非常大的量時才能獲得較低的每比特成本，并且還要忍受相對較長的存取時間、低數(shù)據速率、成批和準隨機存取的缺點。諸如硬盤和軟盤驅動器之類的磁存儲器常常是具有更低的數(shù)據密度，不過它們有與光存儲器相似的特性。
因此，一直希望能夠找到一種以較低成本實現(xiàn)上述固態(tài)方法的優(yōu)點的大容量存儲器技術。
已經建議了多種實現(xiàn)低成本固態(tài)存儲器的方法。一個提議是采用一種可替換結構來代替諸如DRAM和SRAM之類的結晶半導體結構，所述可替換結構使用簡單的交叉來在每個交叉處實現(xiàn)存儲器元件。這樣的結構有時被稱為反熔絲。典型地，在諸如非晶硅、富含硅的氮化硅或者聚合物半導體之類的半導體材料被夾在兩個金屬層之間的情況下，使用金屬半導體金屬(MSM)結構。存儲器陣列是這樣形成的使用半導體層將行方向走向的金屬跡線格柵與沿正交列方向走向的在上的金屬跡線格柵相隔離開。通過對特定的行和特定的列進行尋址，存取在跡線之間的交叉點的MSM設備是可能的。
為了確保僅僅在交叉點的設備被讀取，需要提供適當?shù)尿寗悠麟娐穪泶_保僅僅在交叉點的設備被讀取。此外，需要定義設備本身以便允許它在具有不同電特性的兩個狀態(tài)之間切換。
交叉結構的優(yōu)點在于它的尺寸小。假設最小的平版印刷特征尺寸(lithographic feature size)是F，單個的交叉元件可以適合大小為F2的陣列。這是因為正交金屬格柵的每一個都可以有大小為F的線寬和大小為F的線間間隔，這導致每個單元的面積是(2F)2?；诰w管的替換存儲器單元占用至少兩倍的上述面積。
合適的結構是已知的，例如可以從菲利普電子NV的WO9619837中得知。
目標在于高密度的替換方法的一個例子在Ovshinsky等人的US4646266中描述。在這種方法中，多層交叉結構與和通常圍繞該多層而排列的驅動器電子設備一起使用。然而，驅動器的復雜性和驅動器電路所需的面積是相當客觀的。
并且，與用于制造常規(guī)晶體管的常規(guī)工藝相比，對使用交叉結構單元的尺寸的改進還不足以彌補用在這樣的薄膜工藝中的更大的特征尺寸。
此外，僅僅提供存儲器單元陣列還遠遠不夠。還需要提供行和列驅動器，并且這些通常驅動器比單個存儲器單元的元件要大得多。
另一個設備在Roesner的US4442507中公開，它描述了一種電可編程只讀存儲器，在該存儲器中存儲器單元陣列被堆疊在半導體襯底上。行電極和列電極中的每一個都延伸橫過存儲器單元陣列的整個寬度并且單獨的存儲器單元被定義在交叉點。在行和列電極的末端提供的通孔向下延伸通過存儲器單元陣列到達驅動器電子層，該驅動器電子層被提供在半導體襯底上。
本發(fā)明的一個目的是進一步提高存儲器單元陣列中存儲器單元的密度。
根據本發(fā)明，提供了一種存儲器設備，包括在一個平面內延伸的襯底；存儲器元件陣列，被安排成多個行和多個列并且被安排在所述襯底的預定區(qū)域上，所述多個行和多個列被安排成基本上平行于所述襯底的平面；多個行導體，沿存儲器元件的行延伸，并連接到各自行的存儲器元件上；多個列導體，沿存儲器元件的列延伸，并連接到各自列的存儲器元件上；多個驅動器單元，包含用于驅動行和/或列導體的驅動器，被安排在所述存儲器陣列和所述襯底之間的層中；和位于所述驅動器單元和所述存儲器單元陣列之間的絕緣層，多個導體穿過分布在預定區(qū)域上的絕緣層，并將所述驅動器單元連接到相應的行或者列導體。
因此，在本發(fā)明中，驅動器被安排在存儲器陣列下的陣列中。
因此，驅動電子設備可以使用存儲器元件陣列的大部分或全部的區(qū)域，從而節(jié)省空間。
優(yōu)選地，該驅動器單元均包括列驅動器。行驅動器可以被并入相同的單元；可替換地，行驅動器可以被安排成圍繞存儲器元件陣列并且存儲器元件陣列下的驅動器單元可以提供列驅動器。
優(yōu)選地，存儲器元件的陣列被絕緣層與驅動器單元的陣列相隔開，并且穿過絕緣層的通孔被提供，用來將驅動器單元和存儲器元件陣列的列導體連接起來。
絕緣層被方便地提供在驅動器單元的陣列和存儲器單元的陣列之間，并且導電通孔可以將驅動器單元的列驅動器和相應的列導體連接起來。
優(yōu)選地，驅動器單元的每一列都位于多個列導體下面，并且每一列驅動器單元中的每一列驅動器都被連接到多個列導體中不同的列導體上。通過這種方式，每個列導體可以連接到相應的列驅動器。
行驅動器被方便地安排在存儲器陣列區(qū)域的外側。
在一個特別優(yōu)選的實施例中，不是提供單一的存儲器元件陣列，而是提供包括多個這種陣列的疊置體，每個陣列包括多行和多列存儲器元件，所述多行和多列存儲器元件被安排為基本上平行于襯底平面。
優(yōu)選地，每個列驅動器驅動恰好一個陣列疊置體中的一列而不驅動是其它陣列中的列。
為了在不同于該疊置體最低層的層中給驅動器和列導體之間的通孔提供通孔，優(yōu)選地，該疊置體的較低層具有在其中沒有定義存儲器元件的間隙。通孔可以穿過這些間隙以便將該間隙一端的列驅動器連接到該間隙另一端的存儲器陣列層。
每個行驅動器都可以驅動每一個存儲器元件陣列疊置體中的行。這允許更容易地連接。
可替換地，每個行驅動器可以驅動單一層中的行。通過這種方式，行尋址不需要驅動每一層中的行的電容從而加速存取時間。
本發(fā)明還涉及到一種在沿平面延伸的襯底上制造存儲器設備的方法，包括在所述襯底上定義至少包括列驅動器的驅動器單元陣列；在所述驅動器單元陣列上淀積絕緣層；在絕緣層上淀積多個列導體；定義存儲器元件陣列，所述存儲器元件陣列在驅動器單元陣列上基本上被安排成多個行和多個列；和淀積多個列導體。
為了更好地理解本發(fā)明，將通過舉例的方式參考附圖僅僅對實施例進行相同的描述，在附圖中

圖1示出了帶有行和列驅動器的存儲器單元陣列的橫截面圖；圖2示出了圖1所示陣列的頂視圖；圖3示出了根據本發(fā)明的存儲器單元設備的示意頂視圖；圖4示出了根據本發(fā)明的存儲器設備的第二實施例的示意側視圖；圖5示出了根據本發(fā)明的第三實施例的示意頂視圖；圖6示出了根據本發(fā)明的第四實施例的示意頂視圖；圖7示出了根據本發(fā)明的第五實施例的示意頂視圖。
圖1和圖2示出了根據本發(fā)明第一說明性實施例的存儲器設備。該設備在通常是半導體襯底的襯底1上形成。多個驅動器單元3被定義，從而形成該襯底區(qū)域之上的子陣列5。因為下面將要描述的其它部件在驅動器單元上形成，所以該驅動器單元在圖2中用虛線指示。
驅動器單元3包括譯碼電路和驅動器電路。它們使用常規(guī)的半導體技術或者薄膜技術以常規(guī)方式來制造，后面將不再描述這些。
在驅動器層上提供絕緣層7。在絕緣層7之上提供列電極9，以基本上平行于襯底1的平面橫過襯底1的列方向延伸。在列電極9之上提供半導體層11，在半導體層11之上提供行電極13。行電極13以基本上平行于襯底平面但是與列電極9基本上正交的方向延伸。在所描述的實施例中，半導體層是非晶硅型的。
行電極13、列電極9和半導體層11形成存儲器單元陣列17，該陣列17與驅動器單元3的子陣列5一樣在襯底1的相同區(qū)域上延伸。
在行電極13和列電極9之間的每個交叉15形成一個單獨的存儲器元件15，它可以被通過在行電極13和列電極9上提供適當?shù)男盘杹韺ぶ?。可以通過在行和列電極上提供大的電壓以便改變半導體層11在交叉處的狀態(tài)來對存儲器單元寫入。對存儲器單元的讀可以通過在行和列電極處使用較小的電壓來實施。適當?shù)淖x和寫協(xié)議是本領域所公知的。
雖然示出的實施例僅僅示出了單個的半導體層11，但是可替換的排列也是合適的。例如存儲器元件可以由諸如氮化硅之類的絕緣材料的層形成，或者由例如包括半導體層和絕緣層的多層結構形成。
本發(fā)明也可以應用到只讀存儲器，在該只讀存儲器中，數(shù)據在制造期間被存儲在存儲器元件中而不是作為后繼編程步驟的結果。
其實，本發(fā)明不局限于交叉類型的存儲器單元元件，但是本發(fā)明的排列可以被應用到具有由行和列電極驅動的存儲器單元元件陣列的任何存儲器中，該存儲器基本上包括所有類型的存儲器，包括DRAM、SRAM和本領域所公知的其它形式的存儲器。
在所示實施例中，驅動器單元3均包括用于驅動存儲器單元陣列17的相應列電極9的單個列驅動器19。
該列驅動器19通過相應的導電通孔21被連接到相應的列電極9。該導電通孔21形成為與絕緣層7中定義的通孔23一樣，該通孔被充滿導電材料25。該通孔分布在在陣列17的區(qū)域上以便每個列電極9被連接到單個列驅動器19。行驅動器27被安排在列驅動器和存儲器單元陣列17的區(qū)域的外側，并且通過互連(interconnect)29被連接到相應的行電極13，所述的互連29被連接到每個行驅動器27上的驅動器座(driver pad)31上。數(shù)據總線32被安排穿過每個驅動器單元3。
被行驅動器27所占據實際面積量可以在圖2中看到。如果列驅動器5沒有被安排在存儲器單元陣列之下，列驅動器5也需要占據相似的面積量。
因此，本發(fā)明顯著遞緩解了將驅動器單元互連到列電極的問題，同時明顯地減小了陣列周圍驅動器電子設備所需的面積。圖2示出了存儲器單元陣列周圍行驅動器所需的很大的面積，但是在大多數(shù)現(xiàn)有技術安排中，為列驅動器提供類似的面積是必須的。
在US4442507中描述的安排方案提供通孔，用于連接到圍繞在存儲器單元陣列17外側的行和列電極上，而不是像本發(fā)明那樣分布在陣列區(qū)域。這樣的排列方案可能更難于安排驅動器以及到行或者列電極的互連，因為將每個驅動信號沿著互連帶到陣列邊緣的正確位置常常是必要的。除了安排以及布線的困難之外，互連還需要占用相當大的面積。因此，本發(fā)明的排列方案增加了用于列譯碼器和驅動器操作的空間。
本發(fā)明的驅動器單元分布在沿分別平行于行和列導體的行和列方向延伸的規(guī)則子陣列中。這也有助于存儲器單元陣列之下的可用空間中驅動器單元中的包裝。很多列電極被排列在驅動器單元的每一列上。在圖1中，在驅動器單元的第一列33之上示出了四個列電極13。實際上，可能有更多。在單元的第一列33之上的每個列電極13都由通孔21連接到一個驅動器單元3上。
根據本發(fā)明的一種排列方案，單元可以以眾多方式中的任意一種來制造和分布。然而，感興趣的是最小化與驅動列電極相一致的單元數(shù)目，因為這樣會最大化每個驅動器的面積，從而使驅動器單元的設計容易起來。
考慮具有m列和n行的存儲器元件11的存儲器陣列17的例子(圖3)，并且假設在行方向上橫過該陣列有k個驅動器單元3。為了清楚起見，僅僅描述了單一的驅動器單元3。因此，每個驅動器單元位于m/k個不同的列電極9之下，因此每一列需要m/k個驅動器單元以便使得每個單元可以驅動一列。因此，總共有m個驅動器單元。行電極13被陣列邊緣的行驅動器27驅動。
因為在每一行和列的單元數(shù)目必須是整數(shù)，所以，m，n，k，m/k，和nk/m必須是整數(shù)。例如，如果m＝10000，n＝5000，n/m＝1/2，因此，適當?shù)膋值是20，50，100，200。
上面的描述使我們非常清楚有最小數(shù)目的m個單元，每個單元包含一個列驅動器19。在修改方案中，單元3可能也包含行驅動器27。對于我們的m×n陣列，只需要n個行驅動器27(假設n小于m)，因此m個單元35對于容納這些行驅動器而言是綽綽有余的。實際上，子陣列中單元3的每個水平行有k個單元但是只有nk/m＜k行要驅動。因為有充足的被行驅動器占有的單元來驅動這nk/m行，所以其余k(1-n/m)個單元就可以用于其它目的。
為了方便起見，現(xiàn)在僅僅通過舉例的方式來考慮方陣列17和子陣列5。也就是說，n＝m，k=m.]]>對于方陣列，情況更間潔。對于m×m陣列，在子陣列的水平和垂直方向都有 個單元，從而總共產生m個單元，每個單元必須包含一個列驅動器和一個行驅動器以便對整個陣列尋址。最后，如第一實施例中的，將行驅動器27完全都放在陣列的外側可能是有用的。這樣做的原因在后面將變得清晰。
對于16×16行和列存儲器單元元件15的方陣列來說，放在上面的存儲器陣列和列驅動器子陣列之間的互連在圖4中被示意性地進行了說明。行驅動器27被定位在陣列的一端并且位于與存儲器陣列不同的層中。小圓圈21表示在電介質層7中的通孔，該通孔將驅動器子陣列5與存儲器陣列17相分離開并使得5、17這二者被電連接。(也可以選擇矩形陣列，但是因為上面概述的原因，方陣列尤其直截了當)。驅動器單元3被安排為多個行35和列33。驅動器單元3的每一列33位于四個列電極13的下面，每列中的四個驅動器單元3均驅動四個在上的列電極13中的不同列電極。
圖5示出了一個替換實施例，在子陣列5中的每個單元3之上的一個行電極9被省去，以便考慮到在通孔21模式下的對準誤差。在這種情況下，存儲器陣列實際上是16×12個存儲器元件15。事實上，對于一般的m×m元件15的方陣列，每個單元3省掉一個行電極9以便允許到在下面的子陣列中的列驅動器19的互連，這意味著每個單元3有 個行存儲器元件15，因此，每個陣列有m(m-1)]]>行，并且因此每個陣列17有m×m(m-1)]]>個元件15。如果m＝104，則存儲器元件的數(shù)目是106(102-1)＝0.99×108，而不是在對于通孔21每單元沒有省掉一行的情況下我們所預料的1×108。
將行電極9連接到在陣列17之下的行驅動器27也是可能的。圖6示出了12×12陣列的這種排列方案。這里，每個單元3都包含行驅動器27和列驅動器19，并且對于每個單元3都必須有到陣列17的兩個通孔連接21、45。給每個單元3提供了比圖4中的排列少一個行電極9和少一個列電極13，以便為行互連通孔45騰出空間。
對于一般的m×m陣列，在每個單元3上省掉一個行電極9和一個列電極13以便允許到在下面的子陣列(現(xiàn)在帶有行驅動器27和列驅動器19這二者)的互連，這意味著每個單元3有 行或者列，因此，每個陣列有m(m-1)]]>行或者列，并且因此每個陣列有m(m-1)2]]>個元件15。如果m＝104，則存儲器元件15的數(shù)目是0.98×108。如果行驅動器27出現(xiàn)在陣列之下，則單元3可以以這樣的方式被連接到一起，以便使移位寄存器中的進位信號可以從一個單元3傳送到另一個單元。
考慮在子陣列中的每個單元3中要安裝驅動器電子設備要多少面積是非常重要的。如果我們考慮能夠達到1μm線、空間和對準的技術，則2F陣列的間距將是2μm。假設例如一個m＝104個元件15的陣列，在子陣列5中的每個單元3就會是200平方μm，其對于具有1μm設計規(guī)則的驅動電子設備來說通常是足夠的。實際上，對于具有特征尺寸、F和m個元件的陣列的技術來說，子陣列中每個單元3是2×mF]]>的平方。
參考圖7，本發(fā)明的另一個實施例包括具有單個驅動單元陣列5的存儲器單元陣列17的多個層37。存儲器單元陣列的每一層37在很大程度上可以如上述的那樣形成。
最大的不同僅僅在于需要使通孔23的路線經過較低的存儲器單元陣列層37而到達較高的層37。
圖8示出了在另一個實施例中通孔在從多層結構頂層開始數(shù)的第二層中的排列方案，并且圖9示出了從頂層開始數(shù)的第三層中的排列方案。為了清楚起見，示出了子單元3的4×4陣列，但是在真實的設備中可能有更多的子單元3、行電極13和列元件9。經由通孔39從上通過該層，并且連接通孔21連接到列導體9。如圖7所示，行從一端被驅動。
現(xiàn)在讓我們采用P層的存儲器。對于我們的標稱的16×12陣列而言，最上面的層看起來和圖5中的一樣。通孔現(xiàn)在必須穿過存儲器元件所有在下面的層。在下一級的存儲器層必定有它自己到列驅動器的通孔，但是也必須與上層的通孔錯開。為了這樣做，我們必須每單元都省掉一列，如圖8中所示的，因此，陣列現(xiàn)在是12×12。對于向下的下一級，如圖9所示的，另一個列也必須被省掉，所以現(xiàn)在陣列是8×12，等等。對m×m陣列這樣概括如上所述，頂層包含mm(m-1)]]>個元件，向下的下一個層有m(m-1)2]]>個元件，在下面的層有m(m-1)(m-2)]]>個元件，然后再下一層有m(m-1)(m-3)]]>個元件依此類推。P層的整個陣列包含m(m-1)(pm-SUMj,]]>從j＝1到p-1)個元件。對于m＝104和p＝10，這個是0.95×109個元件而不是109個。
對于多層而言，數(shù)據總線32與對于單一層存儲器是一樣的。然而，每個子單元3現(xiàn)在必須包含一組附加的層選擇晶體管41和層選擇總線43，如圖10所示。該層選擇總線43包含3對互補的層選擇線45以便將驅動器19連接到一個選定的通孔21。僅僅對于n溝道來說，這典型地會要求6條線的選擇總線和14個晶體管，以便選擇8層中的一層。可替換地，這樣可以使用n和p溝道設備，從而將選擇線的數(shù)目減少到3條。
在所有上述中，假設通孔可以制造在一個3F寬的間隙中(這可以通過在需要通孔的地方省掉一行或者一列來形成，因此，3F的間隙是從缺少列或者行的每一端上的初始空間F加上行或者列本身的F而形成的)?？赡苄枰浅：竦碾娊橘|層以便使存儲層相互之間隔開得足夠遠以及與驅動器電子設備也隔開得足夠遠，從而減少電干擾。在這種情況下，如果電介質層的厚度開始超過橫向的特征尺寸，很可能要省掉不止一行或者一列以便給通孔留出更多的空間。通過省掉2行/列，用于通孔的空間就變?yōu)?F，或者如果省掉3行/列，則用于通孔的空間就變?yōu)?F。這樣就稍微減小了存儲器的容量，但是減小并不多。對于圖7中所示單層存儲器，不過在子陣列中每單元省掉3行以便為通孔留出7F空間，存儲器元件的數(shù)目是m×m(m-3).]]>對于m＝104，與當為通孔僅僅留下3F時元件的數(shù)目為0.99×108相比，元件的數(shù)目是0.97×108。因此，本發(fā)明的優(yōu)點在這種情況下也能得到。
通過閱讀當前的公開文本，其它變型和修改對于本領域的普通技術人員來說是顯而意見的。這樣的變型和修改可以包含本設計中已經得知的等價物或其它技術特征、在這里描述的技術特征的基礎上或者替換該技術特征的半導體設備的制造和使用。雖然權利要求書已經針對技術特征的特定組合的應用明確地表達出了，但是應該理解，本公開文本的范圍也包括以直接的、間接的或總結式的方式在這里公開的任何新穎的技術特征以及技術特征的任何新穎組合，無論它們是否緩解了與本發(fā)明相同的部分或全部技術問題。申請人在此通告如下，在對本申請或者從其衍生出的任何一進步申請的申請期間，新的權利要求可以針對這樣的技術特征和/或這樣技術特征的組合而被明確地給出。
權利要求
1.一種存儲器設備，包括在一個平面內延伸的襯底；存儲器元件陣列，被安排成多個行和多個列并且被安排在所述襯底的預定區(qū)域上，所述多個行和多個列被安排成基本上平行于所述襯底的平面；多個行導體，沿存儲器元件的行延伸，并連接到各自行的存儲器元件；多個列導體，沿存儲器元件的列延伸，并連接到各自列的存儲器元件；多個驅動器單元，包含用于驅動行和/或列導體的驅動器，被安排在所述存儲器陣列和所述襯底之間的層中；和位于所述驅動器單元和所述存儲器單元陣列之間的絕緣層，多個導體穿過分布在預定區(qū)域上的絕緣層并將所述驅動器單元連接到相應的行或者列導體。
2.根據權利要求1所述的存儲器設備，其特征在于，所述多個驅動器單元被安排成橫過襯底的預定區(qū)域而延伸的規(guī)則驅動器單元陣列。
3.根據權利要求2所述的存儲器設備，其特征在于，所述驅動器單元被安排成分別平行于存儲器單元的行和列的多個行和列，并且所述驅動器單元的每一列都位于多個列導體之下，并且所述驅動器單元每一列中的驅動器都被連接到下面是所述驅動器單元列的多個列導體中的不同列導體。
4.根據前述任一權利要求所述的存儲器設備，其特征在于，所述行驅動器被安排成環(huán)繞在所述存儲器陣列的外側。
5.根據前述任一權利要求所述的存儲器設備，包括存儲器元件陣列疊置體，每個陣列層包含存儲器單元的多個行和多個列，所述多個行和多個列被安排為基本上平行于襯底平面，并通過行導體和列導體被連接。
6.根據權利要求5所述的存儲器設備，其特征在于，每個列驅動器確切地驅動一個存儲器元件陣列疊置體中的一列導體。
7.根據權利要求6所述的存儲器設備，其特征在于，至少一個存儲器元件陣列具有這樣的間隙，在該間隙中沒有定義存儲器元件，并且通孔穿過該間隙以便將在所述至少一個存儲器元件陣列的一端上的驅動器連接到在所述至少一個存儲器元件陣列的相對一端上的另一個存儲器元件陣列。
8.根據權利要求5到7中任一個所述的存儲器設備，其特征在于，每個行驅動器驅動每一個存儲器元件陣列疊置體中的行。
9.根據權利要求5到7中任一個所述的存儲器設備，其特征在于，每個行驅動器驅動一個單獨的存儲器元件陣列疊置體中的行。
10.一種在沿平面延伸的襯底上制造存儲器設備的方法，包括在所述襯底上定義至少包括列驅動器的驅動器單元陣列；在所述驅動器單元陣列上淀積絕緣層；在絕緣層上淀積多個列導體；定義存儲器元件陣列，所述存儲器元件陣列在驅動器單元陣列上基本上被安排成多個行和多個列；和淀積多個列導體。
全文摘要
一種存儲器設備包括位于驅動器單元(3)之上的存儲器元件(15)陣列。通孔(21)將驅動器單元(3)連接到存儲器元件(15)。該通孔分布在該陣列區(qū)域上，以便將該驅動器單元(3)連接到存儲器陣列的行和列導體(9，13)。
文檔編號G11C8/08GK1543651SQ02816062
公開日2004年11月3日 申請日期2002年8月14日 優(yōu)先權日2001年8月17日
發(fā)明者S·J·巴特斯拜, S J 巴特斯拜 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司