专利名称：集成多种电阻转换存储模块的芯片及其制造方法
技术领域：
本发明属半导体存储器件技术领域，特别是涉及一种集成多种电阻转换存储模块的存 储芯片及其制造方法。
背景技术：
电阻转换存储器是目前炙手可热的新型存储手段，它将有望取代目前主流的闪存等存 储器，从而成为下一代最有竞争力的半导体存储器。电阻转换存储器的原理是采用电脉冲 使器件中的电阻转换存储材料的电阻率发生明显的变化，通过形成的电阻转换存储材料的 高、低电阻的差异进行逻辑数据的存储。目前的电阻转换存储器主要包括相变存储器和电 阻随机存储器两种，但是，无论是上述的哪一种存储器，器件的性能都主要取决于器件内 存储材料的性能；另外，器件的结构也是决定器件性能的重要因素。换句话说，基于不同 存储材料的电阻转换存储器的性能差异巨大，可以作为不同领域的存储器应用。
在电阻转换存储器的研发中，发现了很多种性能各异的存储材料，采用这些性能各异 的存储材料获得的器件性能也自然大相径庭，比如在相变存储器领域中，Ge2SbJes是一种 性能优越的相变材料，它具有较好的综合性能，各方面的性能比较均衡，可以作为大容量 的数据存储的潜在应用(例如硬盘、大容量USB);而SbTe材料则具有较快的相变速率， 是一种高速的相变材料，可以作为一种高速存储器的应用(例如内存)；SiSbTe和SiSb则 在数据保持能力方面优越于Ge2Sb2Tes材料，可以应用在消费电子或者汽车电子中(数据保 持能力要求较高，约为125度)。
从另外一方面，在半导体存储器的应用中，不同的应用领域需要不同的存储器产品， 例如在个人计算机中，至少存在以下几种存储器件硬盘(高容量、低速)，内存(中容 量、中速)，缓存(低容量、高速)，闪存(中容量、中低速)等。上述的这些产品多数基 于不同的原理，性能差异极大，因此能够满足不同的需求。为了满足不同侧重点的应用， 在未来的电阻转换存储器应用中，上述不同的应用领域可采用性能不同的存储材料来实 现。而如果采用一种集成多种电阻转换存储模块的芯片，便有望将各系统中的存储器种类 精简到一种。
电阻转换存储器被认为是下一代通用的存储器，它有望在各个存储领域取代上述的一 些存储器，如此日后的个人计算机或者便携式的设备中有望采用一块存储芯片，却能够满 足所有的存储需求。为了实现这个目的，在电阻转换存储器本身所具备的优越性能的基础上，还要对其进行进一步地改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在同一块存储芯片上就能够满足设备对不同性 能存储器件的需求的集成多种电阻转换存储模块的存储芯片及其制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种集成多种电阻转换存储模块的 存储芯片，包括电阻转换存储模块和单一的存储芯片，在所述的单一的存储芯片内集成有 至少2种具备不同的编程功耗、编程速率、疲劳特性和数据保持能力的电阻转换存储模块， 所述不同的电阻转换存储模块具有不同性能的存储材料，或不同的器件结构(不同的电极 材料、形状或尺寸，不同的器件保温结构，不同的加热及保温层，不同的存储单元形状和 尺寸等)；不同的电阻转换存储模块在存储芯片中共享驱动电路及外围电路，各个存储模 块是一体制造，或者是通过集成分立存储模块得到。
所述的电阻转换存储模块利用器件电阻的高、低进行数据的存储，作为相变存储器模 块，或电阻随机存储器模块；电阻转换存储模块中数据的存储为双级存储，或为2级以上 存储。
一种集成多种电阻转换存储模块的存储芯片的一体制造方法，其特征在于，包括如下 步骤
(1) 在存储材料薄膜沉积过程中，在制备有外围电路和底电极的基底上先沉积第一存 储材料；
(2) 第一存储材料沉积完毕或者加工完毕，通过介质材料的沉积保护第一存储材料；
(3) 在没有被介质材料保护的区域沉积第二存储材料，而第一材料沉积区域由于介质 材料的隔离作用并不受影响；
(4) 第二存储材料沉积完毕或者加工完毕，通过介质材料的沉积保护第二存储材料；
(5) 在没有介质材料保护的区域沉积第三存储材料，而第一和第二材料沉积区域由于 介质材料的保护作用并不受影响；
(6) 重复上述介质材料沉积和存储材料的沉积、以及材料加工过程，直至在同一存储 芯片上制备了足够多的存储材料；
(7) 通过半导体加工，制造出存储单元，获得电阻转换存储芯片，在单一的存储芯片 上就获得了多个不同类型的电阻转换存储模块。
所述的不同性能电阻转换存储材料的分步沉积采用介质材料作为阻挡层，或采用掩膜
5进行阻挡；所述的介质材料相同或为不同种类。
所述的介质材料为氧化硅、或为氮化硅、或为氮氧化硅、或为多晶硅、或为非晶硅、 或为氧化铝、或为氧化钽。
一种集成多种电阻转换存储模块的存储芯片的集成分立制造方法，其特征在于，包括 下列步骤
(1)制造集成分立的电阻转换存储模块，不同种类的存储模块具有不同的性能，是基 于不同的存储材料或者拥有不同的器件结构，存储模块包含驱动电路； (2)通过器件集成，将不同的分立的电阻转换存储模块集成到一起，在单一的集成后 存储芯片上形成多个不同的存储模块，存储模块之间可以共享驱动电路。
各种不同类型的电阻转换存储芯片在性能上具有各自的特长，相互之间性能具有很好 的互补性，弥补单一存储芯片的缺点。上述集成多种不同电阻转换存储模块的存储芯片， 对于不同的数据类型采用芯片内不同性能的模块进行存储，在进行数据的写入时要进行判 断采用何种性能突出的存储模块进行存储。例如，高速的数据就采用高速的存储模块，反 复擦写的就采用高疲劳特性的低功耗存储模块等。
有益效果
本发明提出一种电阻转换存储芯片，与传统的电阻转换存储芯片的差异在于在同一 块芯片中，同时具有多种性能不同的电阻转换存储模块，这些模块采用不同的存储材料， 采用的各种电阻转换存储材料在速度、数据保持力以及功耗等方面具有各自的优越性，这 些存储模块之间具有互补性，大大弥补单一存储芯片的缺点，如此，在一块存储芯片上就 能够满足设备对不同性能存储器件的需求，有利于减少电子设备中采用的存储模块的种 类，降低成本，提升电子设备综合性能。
图1一个集成了多种电阻转换存储模块的存储芯片的结构示意图。 图2A为SiSb存储材料与Ge2Sb2Te5性能比较。 图2B为不同组份的SbTe材料的性能。
图3A-K —种制造集成多种电阻转换存储模块的存储芯片的方法。
具体实施例方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术
6人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限 定的范围。
图l所示为一种集成了多种类型的电阻转换存储模块的存储芯片的示意图，在一个存 储芯片上，有公用的驱动电路和多个电阻转换存储模块，芯片上每个模块之间的电性能不 同，例如有低功耗模块，此模块还具有较好的疲劳特性，可以用较低的功耗就能够进行 数据存储；有高速模块，此模块在存储速度上具有明显优势；有高数据保持力模块，此模 块用来存储一些需要长时间保存的数据；此外还有高密度模块，具有较大的单位面积的容 量，可用来进行大容量数据的存储。驱动电路不仅包括对存储模块的寻址、读、写、擦操 作功能，还包括对所需操作存储数据类型的判断，通过数据类型的判断，确定数据存储所 需的存储模块，并给出指令。例如，通过判断将使用频繁的数据存储到低功耗模块中，有 利于降低频繁操作的功耗，等其短期不再使用再转入高密度模块中进行保存；又比如，需 要快速处理的数据将被送入高速模块，满足数据对高速的要求。
为了实现上述的具有不同性能的存储模块的性能，除了采用不同的器件结构(如不 同电极大小、有无过渡层和保温层等)，主要可以采用性能不同的存储材料实现。在电阻 转换存储材料中，很多材料都有各自的特长，可以作为上述的存储材料的候选，可以用来 制造性能不同的存储器件。图2所示是不同性能的存储材料的举例。图2A所示是SiSb存 储材料与Ge2SbJe5性能比较，由图看见，SiSb存储材料在数据保持能力上具有明显的优势 (电阻在较高的温度下能够保持较长的时间)，可以作为高数据保持能力模块重要的候选 材料。而图2B所属则是具有不同组份的SbTe材料的性能比较，随着材料中Sb成份的改 变，材料具备的结晶温度和相变速度将会改变，SbTe材料在速度上具备明显的优势。针 对图1所述的集成多种类型电阻转换存储器模块的存储芯片，低功耗模块可以采用SiSb3Te 材料作为存储材料，高速模块可以采用Sb2Te3材料，而高数据保持力模块可以采用SiwSbs4 存储材料，高密度模块可以采用氧掺杂Ge2Sb2Tes材料。上面的所述是说明性的，在实际的 应用中并不局限于此。
图3为一种集成多种电阻转换存储模块存储芯片的制造方法。在此以集成三种电阻 转换存储芯片的为例。(1)如图3A和B所示，首先在制造有外围电路4和电极阵列3的 基底1上沉积Si,eSb83材料5，并继续沉积一层电极材料6作为上电极。在此需要指出的是 在电极阵列3的下方包含选通器件阵列2，选通器件或为二极管或为晶体管。(2)通过半 导体加工技术，在部分区域的电极阵列上方形成存储单元5+6的阵列，如图3B所示。(3) 形成上述存储单元后，沉积介质材料7，如图3C所示，介质材料覆盖在基底上方。(4)通过半导体工艺，在制备有存储单元5+6的上方保留介质材料7，其余部分通过半导体工艺 去除，形成如图3D所示的结构。(5)在另外一个区域的电极阵列上方沉积SiSWTe薄膜9， 继续在薄膜上方沉积上电极材料10，如图3E所示。(6)再次通过半导体加工技术，在上 述部分区域的电极阵列上方形成存储单元9+10，如图3F所示。(7)形成存储单元9+10后， 通过介质材料ll的沉积，并在制备有存储单元的上方保留介质材料11，其余部分通过工 艺去除，如图3G。 (8)在基底上另外一个区域的电极阵列的上方沉积Sb2Te3薄膜12，在薄 膜上方也覆盖上电极材料13，通过半导体加工技术，在部分电极阵列上方形成存储单元 12+13，如图3H所示。(9)形成存储单元后，通过介质材料的沉积，在制备有存储单元的 上方保留介质材料14，其余部分去除，如图3I所示，图中所示的4为驱动电路部分。(10) 采用化学机械抛光平坦化，露出各个存储单元的上电极，如图3J所示。(11)沉积金属材 料，并制造位线15，随后通过半导体工艺引出驱动电路，如图3K。在此需要指出的是， 存储单元的上电极6， 10和13可为同一种电极材料，也可以不同；而介质材料7， 11和
14也是如此。在此以集成三种电阻转换存储芯片的为例，实施例中，基于Si,eSb83材料的
存储单元为高数据保持力模块，基于SiSWTe材料的存储单元为高密度模块，基于Sb2Te3 材料的存储单元为高速低功耗模块。在实际的数据存储应用中，操作频繁的数据将采用基 于Sb2Te3的高速低功耗模块，不仅具有高速，而且功耗很低，有利于节能；而大容量的数 据将采用基于SiSWTe材料的高密度存储单元；而有些需要长时间保存的数据则要选用基 于SiwSb83材料的高数据保持力模块。
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权利要求
1.一种集成多种电阻转换存储模块的存储芯片，单一的存储芯片内包含至少2种电阻转换存储模块，其特征在于在所述的单一的存储芯片内集成有至少2种具备不同的编程功耗、编程速率、疲劳特性或数据保持能力的电阻转换存储模块；所述不同的电阻转换存储模块采用不同性能的存储材料，或具备不同的器件结构，包括不同的电极材料、形状或尺寸，不同的器件保温结构，不同的加热及保温层，不同的存储单元形状和尺寸；至少2种电阻转换存储模块在存储芯片中共享驱动电路及外围电路，各个存储模块是一体制造，或者是通过集成分立存储模块得到。
2. 根据权利要求1所述的一种集成多种电阻转换存储模块的存储芯片，其特征在于所 述的电阻转换存储模块利用器件电阻的高、低进行数据的存储，作为相 >变存储器模块， 或电阻随机存储器模块；电阻转换存储模块中数据的存储为双级存储，或为2级以上 存储。
3. 如权利要求l所述的集成多种电阻转换存储模块的存储芯片，其特征是芯片使用过程 中，对于不同的数据类型采用芯片内不同性能的存储模块进行存储；在进行数据的写 入时要预先进行判断采用何种存储模块进行存储。
4. 根据权利要求1所述的一种集成多种电阻转换存储模块的存储芯片的一体制造方法， 其特征在于，包括如下步骤(1) 在存储材料薄膜沉积过程中，在制备有外围电路和底电极的基底上先沉积第一存 储材料；(2) 第一存储材料沉积完毕或者加工完毕，通过介质材料的沉积来保护第一存储材料；(3) 在没有被介质材料保护的区域沉积第二存储材料，而第一材料沉积区域由于介质 材料的隔离作用并不受影响；(4) 第二存储材料沉积完毕或者加工完毕，通过介质材料的沉积保护第二存储材料；(5) 在没有介质材料保护的区域沉积第三存储材料，而第一和第二材料沉积区域由于 介质材料的保护作用并不受影响；(6) 重复上述介质材料沉积和存储材料的沉积、以及材料加工过程，直至在同一存储 芯片上制备了足够多的存储材料；(7) 通过半导体加工，制造出存储单元，获得电阻转换存储芯片，在单一的存储芯片 上就获得了多个不同类型的存储模块。
5. 根据权利要求4所述的一种集成多种电阻转换存储模块的存储芯片的一体制造方法， 其特征在于所述的不同性能电阻转换存储材料的分步沉积采用介质材料作为阻挡层，或采用掩膜进行阻挡，介质材料具备电绝缘性；所述的介质材料相同或为不同种类。
6. 根据权利要求4所述的一种集成多种电阻转换存储模块的存储芯片的一体制造方法， 其特征在于所述的介质材料为氧化硅、或为氮华硅、或为氮氧化硅、或为多晶硅、 或为非晶硅、或为氧化铝、或为氧化钽。
7. 根据权利要求4所述的一种集成多种电阻转换存储模块的存储芯片的集成分立制造方 法，其特征在于，包括下列步骤(1) 制造分立的电阻转换存储模块，不同种类的存储模块具有不同的性能，是基于不 同的存储材料或者拥有不同的器件结构，存储模块可包含驱动电路；(2) 通过器件集成，将多种不同的分立的电阻转换存储模块集成到一起，在单一的集 成后存储芯片上形成多个不同的存储模块，存储模块之间可以共享驱动电路。
全文摘要
本发明涉及一种集成多种电阻转换存储模块的存储芯片，在单一的存储芯片内，集成有多个的存储模块，这些电阻转换存储模块具备不同的编程功耗、不同的编程速率以及不同的数据保持能力等。在存储器，特别是嵌入式存储器的使用过程中，充分发挥各种性能不同存储模块的优势对于速度要求较高的数据采用高速模块进行存储，对于长时间保存的数据采用较高数据保持能力的模块进行存储，对于经常读写的数据采用低功耗高疲劳特性的模块进行存储。
文档编号H01L21/82GK101593765SQ200910053998
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者波 刘, 向阳辉, 宋志棠, 封松林, 挺 张, 张复雄, 陈邦明, 顾怡峰 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所