柔性混合存储元件的制作方法

专利名称：柔性混合存储元件的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及随机存取存储器(RAM)。更具体而言，本发明涉及包含柔性无机二极管和柔性有机开关的柔性混合存储元件。
背景技术：
RAM器件通常包含存储单元阵列。典型情况下，存储单元都按行和列进行布置。每行一般包含相应的字线，而每列一般则包含相应的位线。图1示出由存储单元110、120、130、140组成的RAM阵列以及相应的字线(WL)和位线(BL)。RAM存储单元110、120、130、140位于字线和位线的交叉点上。每个RAM存储单元110、120、130、140一般是贮存一个信息位。
RAM存储单元110、120、130、140包含将RAM存储单元110、120、130、140设置到至少两个逻辑状态之一的功能。每个逻辑状态代表一个位信息。此外，RAM存储单元110、120、130、140还包含检测RAM存储单元110、120、130、140中每一个的逻辑状态的功能。
图2较为详细地示出RAM存储单元205。RAM存储单元205一般包含开关元件210和二极管元件230。开关元件的状态可以由字线(WL)和位线(BL)设置。开关元件210包含两个状态，每个状态对应于一个逻辑设置。第一个状态(开关元件210闭合)对应于低阻状态；第二个状态(开关元件210打开)对应于高阻状态。开关的状态、因而对应的逻辑设置可以由向字线(WL)和位线(BL)施加电压或电流并检测所形成的电阻来确定。
开关元件210通常包含初始电阻很小的材料，当通过足够大的电流时，材料便变成高阻(称为熔丝)。或者，开关元件210通常包含初始电阻很大的材料，当通过足够大的电流时，材料便变成低阻(称为反熔丝)。因此，开关元件210的电阻、因而其逻辑状态可以让足够大的电流通过开关元件210进行设置。
二极管元件230与开关元件210呈串联，确保只有所选定的RAM单元的电阻被检测。调节位线(BL)与字线(WL)之间的电压，使只有被选定RAM单元的二极管元件230可能加正偏压。二极管元件230应保证在RAM存储单元阵列内被选定的RAM单元不会包含潜通路。当除选定的RAM单元之外，由其它RAM单元传导的电流也引起经位线(BL)和字线(WL)检测的电流时，便形成潜通路。亦即，选定RAM单元的逻辑状态由向选定RAM单元施加的电压和检测到的流过选定RAM单元的总电流决定，因而由检测到的选定RAM单元的电阻状态所决定。没有与开关元件相串联的二极管元件时，其它存储元件可能贡献电流(潜通路)给被检测的电流。为了选择特定的RAM单元，二极管元件需要适当加有偏压的字线(WL)和位线(BL)。
现有技术的RAM存储单元配置包含由氧化物或非晶硅制作的开关元件和由结晶硅制作的二极管元件。硅十分昂贵，因而这类结构的制作也十分昂贵。
另一些现有技术RAM存储单元配置包含都由非晶硅形成的开关元件和二极管元件。然而，这种配置可能导致在开关元件设置到低阻状态时二极管元件出现短路。二极管元件一旦短路，便不再有任何益处。
人们希望拥有能提供便宜的存储单元阵列的装置和方法，制作这些存储单元阵列的花费也不多。存储单元应结实耐用。设置开关状态不应引起串联二极管短路。

发明内容
本发明包括以成本效率制造RAM存储单元的装置和方法。此外，RAM存储单元也结实耐用。
本发明的第一个实施方案包括一种存储装置。该存储装置包括柔性混合存储元件。柔性混合存储元件包括靠近柔性衬底形成的柔性第一导电层。柔性二极管结构则靠近柔性第一导体形成。柔性开关靠近柔性二极管结构形成。柔性第二导电层靠近柔性开关形成。柔性开关通常由有机材料形成。柔性二极管结构通常由无序的无机材料形成。
可以形成当阈值电流通过柔性开关时建立高阻通路的柔性开关；或者，可以形成当阈值电流通过柔性开关时建立低阻通路的柔性开关。
第二个实施方案与第一个实施方案相似。第二个实施方案还包括在柔性开关与柔形二极管之间形成的缓冲层。该缓冲层通常会耗散柔性开关产生的能量，因而对柔性二极管起保护作用。
第三个实施方案与第一个实施方案相似。第三个实施方案包括多个存储元件，其中，存储元件相互物理上隔离，从而在存储元件之间形成电隔离。另一个实施方案包括各向异性的有机开关，因而在存储元件之间形成电隔离。
第四个实施方案与第一个实施方案相似。第四个实施方案包括图形化形成交叉点阵列的柔性第一导电层和柔性第二导电层。柔性第一导电层和柔性第二导电层的图案可以与柔性二极管结构和柔性开关中形成的图案对准。
第五个实施方案包括形成多个柔性混合存储元件的方法。该方法包括在柔性衬底上淀积柔性第一导电层。在形成多个柔性二极管结构的柔性第一导体上淀积柔性无序无机材料。在柔性无序无机材料上淀积柔性有机材料，形成与该多个柔性二极管结构靠近的多个柔性开关。在柔性有机材料上淀积柔性第二导体。
由下面结合附图的详细叙述以及通过实例说明发明的原理，本发明的另一些特征和优越性将十分明显。


图1示出现有技术的RAM存储单元阵列的一部分。
图2较详细地示出现有技术的RAM存储单元。
图3示出本发明的实施方案。
图4示出根据本发明制作的存储元件的写负载线和读负载线。
图5示出本发明的另一个实施方案。
图6示出根据本发明在制作存储元件期间可用于自对准存储元件的导电层。
图7示出根据本发明用于生产制造存储元件阵列实施方案的输送带基本工艺过程。
具体实施例方式
如用于说明的附图所示，本发明体现在提供能以成本效率制造RAM结构的装置和方法上。
图3示出本发明的一个实施方案。这个实施方案包含衬底310、第一导电层320、二极管层330、开关层350和第二导电层360。还可能包含缓冲层340。衬底层310和层330、320、330、350形成存储元件阵列。
用于形成图3中所列元件的材料通常适于采用输送带的加工处理(web based processing)。采用输送带的加工处理是一种制作电子电路的工艺过程，它一般比以往的处理方法花费更少。电子元件通常是以可与在新闻纸上印刷相比拟的方式在柔性衬底上形成或淀积。也就是说，柔性衬底一般从源滚筒处展开。当柔性衬底通过加工处理点时，便在各个不同处理点处于衬底上形成电子元件，并缠绕在上拉滚筒(uptake roll)上。这一工艺过程与在新闻纸上涂覆油墨相似。通过简单的投影掩蔽、随后再采用标准刻蚀方法、压纹、接触掩蔽和自对准工艺，即可形成电子元件图案。电子元件形成之后，可以将衬底分割成独立的集成电路。通常，输送带处理要求用于形成电子元件的材料和衬底呈柔性。
衬底310、第一导电层320、二极管层330、开关层350和第二导电层360全都应呈柔性，以便于使各层能经输送带处理形成。各层应能承受特定的弯曲半径。通常，各层应能承受1～2英寸的弯曲半径。这包括多次弯曲拐折，使各层能用输送带的加工处理方法制造。
衬底310一般由柔性材料构成，该材料应能承受在衬底310上形成电子元件的各个形成和处理工序。衬底310必须呈柔性，以便能采用输送带处理方式制造存储阵列。衬底310还要经受随后形成的电子元件(存储元件、位线和字线)的处理温度。因此，衬底必须能承受住形成电子元件所要求的处理温度。典型的处理温度为100～300℃。
衬底310可能采用的材料包括聚酰亚胺。衬底310必须能承受以下几方面的作用处理温度、处理用化学物质、制造电子设备采用的工艺过程、以及在输送带加工处理期间为了在输送带(衬底)从源滚筒移动到上拉滚筒时使输送带(衬底)保持绷紧所需的机械拉力。
第一导电层320提供与存储阵列的存储元件的电连接之一。通常，第一导电层320是作为许多大体上平行的导线而形成，这些导线提供前述写线或位线的功能。第一导电层320可能采用的材料包括不锈钢、铬、钛、钼、铜或金。对第一导电层的主要要求是能在与衬底310相适应的温度下淀积；能附着到衬底上；以及具有足够的柔性以承受在输送带处理期间所需的弯曲。第一导电层320可以采用类似于传统光刻法的光刻胶涂敷、曝光和刻蚀过程来形成图案。另一些制作方法包括对液态材料压纹，随后进行刻蚀、模切或抗蚀剂和/或刻蚀剂的凹版印刷涂敷。
二极管层330通常淀积在第一导电层320的上方。二极管330一般为非晶材料，如非晶硅、非晶碳、非晶硅碳、非晶锗、非晶硅锗或微晶硅。当然，这个材料清单并非详尽无遗。
二极管层330可能包括p-i-n二极管或肖特基二极管。若二极管层330形成p-i-n二极管，则二极管层330包括p型层、本征层和n型层。
通常，非晶硅的n型层淀积在导电层320的上方。典型情况下，可以采用等离子体增强化学汽相淀积工艺(PECVD)来淀积n层。
i层一般由氢化非晶硅形成。i层可以采用PECVD或反应溅射工艺淀积。PECVD工艺必须包括含硅气体。淀积应处在足够低的温度下，使氢与薄膜一道保留下来。
P型层一般由非晶硅形成。典型情况下，p层用硼掺杂。P层可以采用PECVD淀积。PECVD用含硼气体进行。在形成非晶硅p层时，便包含了含硅气体。
如前所述，n层，i层和p层一般均由非晶硅形成。然而，n层，i层和p层也能由非晶碳、非晶碳化硅、非晶锗或非晶硅锗形成。当然，这个材料清单并非详尽无遗。
另一个实施方案包括肖特基二极管。肖特基二极管可能包括几种不同的配置。第一种肖特基二极管配置包括用导电金属代替上述p-i-n二极管的n层。这种配置还包括i层和p层。第二种肖特基二极管配置包括用导电层代替n层和用导电层代替p层。能用于肖特基二极管配置的导电金属包括铬、铂、铝和钛。肖特基二极管配置中的导电层必须形成图案，以避免在邻近存储单元之间出现泄漏。
开关层350在二极管层330的上方形成。开关层350基本上构成与二极管层330的各二极管相串联的开关。开关层350处在第一种状态时，基本上是提供高阻通路。如果处在第二种状态，则提供较小电阻的通路。开关层350一般包含初始电阻小的有机材料或初始电阻大的有机材料，前者在通过足够大的电流时将变成大电阻(称为熔丝)，而后者在通过足够大的电流时将变成小电阻(称为反熔丝)。
最靠近第二导电层360的那部分开关层350可以经处理来提升载流子注入特性。这部分应包括低接触电阻。构建包括低接触电阻的有机层在材料科学领域已为大家所熟知。
第二导电层360在开关层350上方形成。第二导电层360像第一导电层一样提供与存储阵列存储元件相对一侧的电连接。通常，第二导电层360是由许多基本上平行的导线形成，提供前述写线或位线的功能。第二导电层360可能采用的材料包括钙、铂、钛和另一些能与有机材料进行良好注入接触的电极材料。对第二导电层360所用材料的主要要求是能提供与有机材料的良好电接触。在与开关层350相适应的温度下淀积第二导电层也很重要。第二导电层360应附着到开关层350上并有足够大的柔性，以承受在输送带处理期间所需的弯曲。第二导电层360可以采用类似于传统光刻法的光刻胶涂敷、曝光和刻蚀过程来形成图案。另一些制作方法包括对液态材料压纹、随后进行刻蚀、模切或涂敷抗蚀剂和/或刻蚀剂等。
接触导体可能包含在第一导电层320与衬底之间以及第二导电层360与开关层350之间。接触导体在材料科学领域已为大家所熟知。
开关层350的电阻状态(高阻或低阻)决定了存储元件阵列内部相应存储元件的逻辑状态。每个存储元件包括由第一导电层320形成的第一电极以及由第二导电层360形成的第二电极、开关层350和二极管层330。每个存储元件的逻辑状态由下列方式确定将电压或电流加到第一电极上并测量通过的总电流或测量在与存储元件相关的第二电极上建立的总电压，以确定存储元件的电阻状态。所加电流或电压应大到足以提供足够的信噪比来测量电阻状态，但亦应小到足以避免转换存储元件的逻辑状态。存储元件的电阻状态由开关层350内对应的有机开关元件设定。二极管层330内的对应二极管元件保持其整流特性，而不随有机开关元件的状态变化。二极管元件可确保仅检测被选定的存储元件的电阻，因而消除了潜通路，且降低了存储阵列的总功耗。
当足够大的电压或电流加到第一电极和第二电极时，有机开关层350将改变其电特性，亦即整个有机开关层350的电阻发生根本变化，因而对相应有机开关元件的逻辑状态进行设定。二极管层330的二极管元件保持其整流特性，而不随有机开关元件的状态变化。在理想情况下，改变有机开关层350的电阻状态所需的电压为0.5～3V，因而与常用的电源电压一致。改变二极管层330的状态所需的电流应为10-5A或更小。过渡到高阻抗状态之后，有机开关层350的阻抗(电阻)应为兆欧级。
图4示出根据本发明给出的存储元件的写负载线450和读负载线460。图4是说明存储元件的电流与电压关系的曲线图。对于某种实施方案，存储元件表现出高阻抗特性。箭头410表明这一特性。随着存储元件两端的电压提高到电压阈值(VTH)，有机开关层的电特性将发生急剧变化。这种变化由箭头420表明，并与写负载线450一致。电特性变化之后的存储元件处于低阻抗状态。箭头430表示当存储元件处于低阻抗状态时，存储元件两端的电压和总电流的增加；而箭头440则表示当存储元件处于低阻抗状态时，存储元件两端的电压和总电流的减小。存储元件的阻抗因而存储元件的逻辑状态可以像读负载线460那样进行检测。图4所示例子属于本发明的反熔丝结构。当然，熔丝结构也具有类似特点，只是曲线的I-V关系互换。
如前所述，开关层350的开关元件在通过足够大的电流时将提供高阻电特性(熔丝)，或有机材料在通过足够大的电流时将形成低阻(反熔丝)。反熔丝一般需要较少能量来转换状态，这是因为只需小的导电通道用于降低电阻。为增加电阻，必须改变开关材料的整个面积或体积，以便减小总电流。熔丝通常最好由系统级采用，因为随着更多熔丝的烧断，传导的功率较少。如果在制造期间没有短路，则熔丝型开关将减小所传导的电流量，因而即使特定存储元件失效也会减小电流量。
图3所示实施方案可能因邻近存储元件之间的泄漏而有所缺陷。存储元件共用公共二极管层330和开关层350。因此，在邻近开关元件之间可能发生泄漏。大的泄漏电流会显著增加存储元件所需的功率。
如下所述，通过使二极管层330和开关层350形成图案，可以将存储元件之间的泄漏电流减至最小。然而，形成图案需要附加的制作处理工序，因而会增加成本。或者，开关层350可以用各向异性材料制作。亦即开关层可以制成为使开关元件之间的电阻远大于每个开关元件两端之间的电阻。这是很有利的，因为避免了与开关层形成图案相关的处理工序。
可用来形成开关层350的材料包括聚对苯二甲撑(parylene)、聚缩醛烯(polyacetalene)、聚对苯撑(polyparaphenylene)、聚吡咯、聚苯胺(polyyaniline)和氨基吡啶(andaminopyridine)等。
提供这些材料是作为例子，而不是作为详尽无遗的清单。通过采用包括电引发聚合反应和朗缪尔-布洛吉特(Langmuir-Blodgett)淀积在内的适当淀积方法，可能将这些聚合物的分子与表面垂直对准。导电率可能成为各向异性，因为沿材料分子方向的导电率可能比横过材料分子方向的导电率高。
本发明的一个实施方案包括在无机二极管层330上方形成的有机开关层350。通常，有机材料并不在无机材料附近形成，因为一般都希望相邻材料有共同特性，亦即在相邻位置上形成相似材料一般较容易，且花费较少。希望有机材料和无机材料都是良导体也属典型情况。然而，本发明的一个实施方案(反熔丝)包含有实为不良导体的有机材料。
本发明还可能包括缓冲层340。可任选包括缓冲层340可以，用以耗散开关层350的高阻开关元件产生的能量，对二极管层330的二极管元件进行保护。缓冲层可以由金属、薄半导体或和绝缘体形成。缓冲层340必须对流过每个存储元件的电流呈低电阻。缓冲层340有助于防止破坏二极管层330。通常，通过存储元件之间缓冲层340的导电率应很低。为了将存储元件之间的导电率减至最小，缓冲层340可被形成图案。
图5示出本发明的另一种实施方案。这个实施方案与图3的实施方案相似。然而，为了在存储元件之间提供隔离，n个层被形成图案。在衬底310上形成第一导电层320。在衬底310和第一导电层320上方形成分段的二极管层530、分段的开关层540和第二导体层550。
图5的实施方案可能提供比图3的实施方案更好的性能。亦即存储元件之间更好的隔离大大降低了存储器件开关元件之间的泄漏电流。然而，这个实施方案一般花费更大且难以制作。
图6示出根据本发明在制作存储元件期间可用于自对准存储元件的导电层。上方导电层(等效于第二导电层)包括上方导线610、620、630。下方的导电层(等效于第一导电层)包括下方导线640、650、660。例如，一旦形成下方导线640、650、660，下方导线640、650、660便能直接用于形成存储阵列的二极管元件和开关元件。例如，衬底可以是透明的。在透明衬底上形成的下方导线640、650、660可以与光致抗蚀剂一起使用，以便有选择地对以后在衬底的下方导线640、650、660之上淀积的存储元件层进行刻蚀。
图7示出可用来实现本发明的输送带处理机(web processor)。源滚筒700是柔性衬底710的来源。柔性衬底710从源滚筒展开，供淀积和处理，以形成RAM元件。
层淀积组件720对必要的层材料进行淀积。为了提供对层材料形成图案，可以将抗蚀剂加到层材料上。使柔性衬底710通过抗蚀剂施加滚筒740，便可加上抗蚀剂。抗蚀剂施加滚筒640由抗蚀剂槽730施加抗蚀剂。刮片650确保均匀施加抗蚀剂。图案印压或压纹滚筒760将图案印压到抗蚀剂上。刻蚀剂槽770按照抗蚀剂的图案除去层材料。最后，使柔性衬底通过抗蚀剂去除槽780，将抗蚀剂去除。成品器件最后到达上拉滚筒790。显然，这个工艺过程要求能围绕着滚筒曲线弯曲的材料。此外，材料还必须能承受这个工艺过程所要求的张力作用。
尽管以上描述了本发明的几种特定实施方案，但本发明并不局限于所描述元件的特定形式或布置。本发明只受所附权利要求书的限制。
权利要求
1.一种存储装置，该存储装置包含柔性混合存储元件，其中包括靠近柔性衬底(310)形成的柔性第一导电层(320)；靠近柔性第一导体(320)形成的柔性二极管结构(330)；靠近柔性二极管结构(330)形成的柔性开关层(350)；以及靠近柔性开关层(350)形成的柔性第二导电层(360)。
2.权利要求1的柔性混合存储元件，其中，柔性开关层(350)包含有机材料。
3.权利要求1的柔性混合存储元件，其中，柔性二极管结构(330)包含无序无机材料。
4.权利要求1的柔性混合存储元件，其中，柔性二极管结构(330)包含非有机非晶材料。
5.权利要求2的柔性混合存储元件，其中，当阈值电流通过柔性有机开关层(350)时，柔性有机开关层(350)形成高阻通路。
6.权利要求2的柔性混合存储元件，其中，当阈值电流通过有机开关层(350)时，柔性有机开关层(350)形成低阻通路。
7.权利要求2的柔性混合存储元件，其中，形成柔性有机开关层(350)所需的开关处理温度低于形成柔性二极管结构(330)所需的二极管处理温度。
8.权利要求2的柔性混合存储元件，还包含在柔性有机开关层(350)与柔性二极管结构(330)之间形成的缓冲层(340)。
9.权利要求8的柔性混合存储元件，其中，缓冲层(340)耗散柔性有机开关层(350)产生的能量，因而对柔性二极管结构(330)进行保护。
10.权利要求1的存储装置，还包含多个混合存储元件，其中，混合存储元件物理上相互隔离，从而提供各混合存储元件之间的电隔离，柔性第一导电层(320)和柔性第二导电层(360)图案化形成交叉点阵列，其中，柔性第一导电层(320)和柔性第二导电层(360)的图案与在柔性二极管结构(330)和柔性有机开关层(350)中形成的图案对准。
全文摘要
本发明包括存储单元装置和形成存储单元的方法。存储单元装置包括柔性混合存储元件。柔性混合存储元件包括靠近柔性衬底形成的柔性第一导电层。柔性二极管结构靠近柔性第一导体形成。柔性开关靠近柔性二极管结构形成。柔性第二导电层靠近柔性开关形成。柔性开关由有机材料形成。柔性二极管结构由无序无机材料形成。当阈值电流通过柔性开关时，柔性开关可形成建立高阻通路，或者，可形成建立低阻通路。该方法包含在柔性衬底上淀积柔性第一导电层。柔性无序无机材料淀积在柔性第一导体上形成多个柔性二极管结构。柔性有机材料淀积在柔性无序无机材料上形成与多个柔性二极管结构靠近的多个柔性开关。柔性第二导体淀积在柔性有机材料上。
文档编号G11C17/16GK1442906SQ0310674
公开日2003年9月17日 申请日期2003年2月28日 优先权日2002年3月1日
发明者W·B·杰克森, C·P·陶西格, C·佩尔洛夫 申请人:惠普公司