具有内置电阻式存储器的电可重配置中介体的制作方法

背景

领域

本公开一般涉及集成电路(ic)。更具体地，本公开的一个方面涉及具有内置电阻式存储器的电可重配置中介体。

背景

用于集成电路(ic)的半导体制造的工艺流程可包括前端制程(feol)、中部制程(mol)和后端制程(beol)工艺。feol工艺可包括晶片制备、隔离、阱形成、栅极图案化、间隔物、扩展和源极/漏极注入、硅化物形成、以及双应力内衬形成。mol工艺可包括栅极触点形成。中部制程层可包括但不限于：mol触点、通孔或非常靠近半导体设备晶体管或其他类似有源器件的其他层。beol工艺可包括用于将在feol和mol工艺期间创建的半导体器件互连的一系列晶片处理步骤。现代半导体芯片产品的成功制造涉及所采用的材料和工艺之间的相互作用。

中介体是其中该中介体用作基底的管芯安装技术，片上系统(soc)的半导体管芯被安装在该中介体上。中介体可包括导电迹线和导电通孔的布线层，该布线层用于路由半导体管芯(例如，存储器模块和处理器)之间的电连接。在大多数应用中，中介体不包括诸如二极管和晶体管之类的有源器件。

概述

一种集成中介体可包括基板和(诸)电阻类型的非易失性存储器(nvm)阵列。集成中介体还可包括基板的第一表面上的接触层。该接触层可包括配置成将(诸)电阻类型的nvm阵列耦合至(诸)管芯的互连。(诸)电阻类型的nvm阵列可被部分地嵌入在该集成中介体的接触层内。

一种片上系统(soc)可包括中介体。片上系统还可包括(诸)电阻类型的非易失性存储器(nvm)阵列。(诸)电阻类型的nvm阵列可被部分地嵌入在中介体内。该片上系统可包括配置成将(诸)电阻类型的nvm阵列耦合至(诸)管芯的互连。

一种集成中介体可包括基板和(诸)电阻类型的非易失性存储器(nvm)阵列。该集成中介体还可包括用于将(诸)电阻类型的nvm阵列互连至(诸)管芯的装置。(诸)电阻类型的nvm阵列可被部分地嵌入在该互连装置的接触层内。基板可支撑该互连装置。

一种制造集成中介体的方法可包括：在中介体基板的第一表面上的电介质层内制造(诸)电阻类型的非易失性存储器(nvm)阵列。该方法还可包括将导电材料镀敷在该电介质层内。该方法可进一步包括蚀刻该电介质层内的导电材料，以在中介体基板的第一表面上形成接触层。该接触层可包括配置成将(诸)电阻类型的nvm阵列耦合至(诸)管芯的互连。(诸)电阻类型的nvm阵列可被部分地嵌入在该集成中介体的接触层内。

这已较宽泛地勾勒出本公开的特征和技术优势以便下面的详细描述可以被更好地理解。本公开的附加特征和优点将在下文描述。本领域技术人员应该领会，本公开可容易地被用作修改或设计用于实施与本公开相同的目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应认识到，这样的等效构造并不脱离所附权利要求中所阐述的本公开的教导。被认为是本公开的特性的新颖特征在其组织和操作方法两方面连同进一步的目的和优点在结合附图来考虑以下描述时将被更好地理解。然而，要清楚理解的是，提供每一幅附图均仅用于解说和描述目的，且无意作为对本公开的限定的定义。

附图简述

为了更全面地理解本公开，现在结合附图参阅以下描述。

图1示出了解说包括集成中介体的片上系统的横截面图。

图2是解说根据本公开的一个方面的片上系统的框图，该片上系统包括具有嵌入式电阻式存储器的集成中介体。

图3a和3b是解说根据本公开的一个方面的电阻式存储器位单元的框图。

图4是解说根据本公开的一个方面的包括嵌入式电阻式存储器单元的集成中介体的框图。

图5示出了根据本公开的一个方面的集成中介体的横截面图，该集成中介体包括在集成中介体的接触层内制造的外围电路系统。

图6是解说根据本公开的一个方面的集成中介体的框图，该集成中介体包括接触层的互连级内的外围电路系统和电阻式存储器单元。

图7示出了解说根据本公开的一个方面的片上系统(soc)的横截面图，该片上系统包括具有嵌入式存储器的可重配置中介体。

图8是解说根据本公开的一个方面的用于制造具有嵌入式电阻式存储器的集成中介体的方法的流程图。

图9是解说其中可有利地采用本公开的配置的无线通信系统的框图。

详细描述

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而无意表示可实践本文中所描述的概念的仅有的配置。本详细描述包括具体细节以便提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践这些概念。在一些实例中，以框图形式示出众所周知的结构和组件以避免湮没此类概念。如本文所述的，术语“和/或”的使用旨在表示“可兼性或”，而术语“或”的使用旨在表示“排他性或”。

诸如磁性随机存取存储器(mram)、电阻式ram(rram)、以及相变存储器(pcm)之类的电阻式存储器技术正在以快速的步伐成熟。这些电阻式存储器技术可潜在地为宽范围的密度和性能设计点提供非易失性存储器(nvm)解决方案。具体而言，许多应用指定少量的nvm。例如，用于提供nvm的当前技术包括嵌入式nvm(诸如eflash或其他类似的电阻式存储器)。遗憾的是，如果仅指定少量的存储器，则用于创建flash或电阻式存储器宏的附加工艺步骤往往是不合理的。另一选项是分开的flash芯片或电阻式存储器。遗憾的是，这一解决方案提供受限的带宽且由于片外输入/输出(i/o)而消耗附加的功率。又一选项是电池供电的动态ram(dram)。

因为电阻式存储器设备不涉及半导体器件，所以电阻式存储器设备可以被制造(例如，被嵌入)在设备的互连级内。然而，访问(例如，读取、写入、以及位选择)这些嵌入式电阻式存储器设备涉及有源半导体器件。例如，嵌入式电阻式存储器(比如自旋转移矩(stt)mram(stt-mram)、rram、或pcm)在被集成到逻辑互连级内时可影响该互连级的电阻电容(rc)或可靠性特性。某一电阻式存储器技术还可能强加与经逻辑优化的互连制造不兼容的工艺限制。

嵌入式电阻式存储器(比如stt-mram、rram、或pcm)在与有源半导体选择晶体管耦合以形成单晶体管单电阻器(1t1r)位单元时涉及堆叠的导电结构以将电阻式存储器设备的底侧电连接至该晶体管。然而，在典型的逻辑互连工艺中，来自同步ram(sram)的图案化规范和信号路由一般规定了布局规则。结果，与典型的电阻式存储器大小相比，堆叠的金属连接的最小面积较大。这在实现嵌入式电阻式存储器时创建了严重的位单元大小限制。

所描述的一些实现涉及中介体技术。中介体一般用作可被用于一个组件或基板与第二组件或基板之间的直接电互连的中间层，其中该中介体被置于中间。例如，中介体可在一侧上具有能与第一组件(例如，管芯)上的对应焊盘对准的焊盘配置，以及在第二侧上具有对应于第二组件(例如，封装基板、系统板等)上的焊盘的不同焊盘配置。中介体广泛地用于在单个封装上集成多个芯片。另外，中介体基板可以由玻璃和石英、有机或其他类似材料组成，且通常包含少数互连层。

本公开的各个方面提供用于在集成中介体内嵌入电阻式存储器的技术。用于集成中介体的半导体制造的工艺流程可包括前端制程(feol)工艺、中部制程(mol)工艺和后端制程(beol)工艺。将理解，术语“层”包括膜且不应被解读为指示纵向或横向厚度，除非另外声明。如本文所述的，术语“基板”或“中介体基板”可指代已切割晶片的基板或可指代尚未切割的晶片的基板。类似地，术语晶片和管芯可互换使用，除非这种互换将难以置信。

在本公开的一个方面，至少一个电阻类型的非易失性存储器(nvm)阵列被嵌入在集成中介体内。在一些配置中，中介体基板的表面上的接触层包括互连。这些互连可被配置成将(诸)电阻类型的nvm阵列耦合到至少一个管芯。在这种布置中，(诸)电阻类型的nvm阵列被至少部分地嵌入在集成中介体的接触层内。在另一配置中，(诸)电阻类型的nvm阵列是现场可重配置的，以便将至少第一管芯和第二管芯选择性地耦合至集成中介体的接触层内的总线。

根据本公开的一个方面，具有玻璃、石英或有机基板的集成中介体包括嵌入式电阻式存储器。电阻式存储器的有源选择器件(例如，薄膜有源器件)可基于低成本的薄膜技术来制造。这些薄膜有源器件可以是有机的。电阻式存储器可以是现场可重配置的，以便将至少第一管芯和第二管芯选择性地耦合至集成中介体的接触层内的总线。这一配置使得能够组合用于每个系统功能性(处理器、调制解调器、存储器等)的目标(例如，高性能)技术的有源管芯，同时该集成中介体提供其他的功能性(例如，可重配置的管芯互连、嵌入式电阻式存储器、嵌入式有源选择器件)和至系统板的互连。

图1示出了解说具有集成中介体110的片上系统(soc)100的横截面图，该集成中介体110包括中介体基板120以及该中介体基板120的表面上的接触层130。中介体基板120可以是半导体基板(例如，硅晶片)或有机基板(例如，玻璃、石英、蓝宝石、或其他类似的有机材料)。接触层130被布置在包括互连140的中介体基板120上。另外，有源管芯180(180-1、180-2)通过第二组互连104来耦合至集成中介体110的接触层130。

第一组互连102可以例如通过重分布层(未示出)来将系统板190耦合至集成中介体110。尽管参照系统板190来示出，但是应当认识到，第一组互连120可以耦合至印刷电路板(pcb)、封装基板或其他类似的至该集成中介体110的载体基板。在一些配置中，一个或多个器件可被附连到该集成中介体110的每一侧。

图2示出了解说根据本公开的一个方面的片上系统(soc)200的横截面图，其包括被至少部分地嵌入在集成中介体210内的电阻式存储器250。在这一配置中，电阻式存储器250被布置在中介体基板220的表面上且被嵌入到中介体基板220的该表面上的接触层230内。代表性地，接触层230包括将电阻式存储器250耦合至有源管芯180的互连240(例如，电迹线)。

在这一配置中，电阻式存储器250存储设备配置数据(例如，冗余数据、配置设置、引导代码等)。电阻式存储器250可被配置为集成到接触层230的逻辑互连级(例如，互连240)内的嵌入式电阻式存储器(包括但不限于自旋转移矩(stt)mram(stt-mram)、rram、或pcm)，而不负面地影响接触层230的电阻电容(rc)或可靠性特性。在本公开的一个方面，电阻式存储器250被布置成：为有源管芯180提供片外高速缓存存储器(例如，级别四(l4)高速缓存存储器)。

在本公开的一个方面，在集成中介体210上没有创建有源选择器件的情况下，电阻式存储器250被制造在集成中介体210的两个互连级之间。在本公开的另一方面，电阻式存储器250与集成中介体210内的有源选择器件一起被制造。在这种布置中，有源选择器件可以使用构建在集成中介体210内的互连级中的一个互连级上的薄膜器件(例如，薄膜二极管、薄膜晶体管等)来实现。在本公开的另一方面，电阻式存储器250与半导体(例如，硅)中介体上的有源选择器件一起被制造，其中集成中介体内的有源选择器件被制造在半导体中介体基板上。

在这些布置中，使用相同的薄膜晶体管器件或硅中介体基板上的块状(bulk)器件来制造外围电路(包括解码器、感测放大器和一些控制逻辑)。替换地，控制逻辑的至少一部分被构建在有源管芯(例如，180)上而不是在集成中介体210上。所提及的薄膜二极管或薄膜晶体管选择器件可被堆叠以提高电阻式存储器阵列的效率。例如，解码器电路和感测放大器电路可被制造在薄膜晶体管的第一层或硅中介体基板上，而具有薄膜二极管或薄膜选择器件的电阻式存储器阵列被制造在相同的物理区域中，如以下更详细地描述的。

图3a和3b是解说根据本公开的一个方面的电阻式存储器单元的框图。图3a进一步解说了图2的电阻式存储器250。在这种布置中，每个电阻式存储器350被耦合至集成中介体310的接触层330内的互连(例如，342、344、346)。电阻式存储器单元300(例如，位单元)还包括接触层330的有源层332(例如，氧化层、电介质层等)内的有源选择器件360。替换地，有源层332可以是硅基板或其他类似的层以使得能够制造有源选择器件360。有源选择器件360可以使用构建在集成中介体310内的互连级中的一个互连级(例如，接触层330)上的薄膜器件(例如，薄膜二极管、薄膜晶体管等)来实现。

图3b进一步解说了图3a的用于存储器设备的电阻式存储器单元300中的一个电阻式存储器单元，该电阻式存储器单元包括耦合至有源选择器件360中的一个有源选择器件(例如，存取晶体管)的电阻式存储器350(例如，磁性隧道结(mtj))。该存储器设备可以是从可个体寻址的mtj阵列构建的磁性随机存取存储器(mram)设备。mtj堆叠可包括自由层、固定层和自由层与固定层之间的隧道势垒层、以及一个或多个铁磁层。代表性地，电阻式存储器350的自由层352被耦合至位线358。有源选择器件360之一被耦合在电阻式存储器350的固定层356与固定电势节点368之间。隧道势垒层354耦合在固定层356与自由层352之间。有源选择器件360包括耦合至字线366的栅极364。

合成反铁磁材料可形成固定层356和自由层352。例如，固定层356可包括多个材料层，其包括钴铁硼(cofeb)层、钌(ru)层和钴铁(cofe)层。另外，自由层352还可包括多个材料层，其包括钴铁硼(cofeb)层、钌(ru)层和钴铁(cofe)层。另外，隧道势垒层354可以是氧化镁(mgo)。

图3b的电阻式存储器单元可以使用stt-mram位单元来实现。stt-mram位单元可包括磁性隧道结(mtj)存储元件。mtj存储元件例如从由薄非磁性绝缘层(隧穿势垒)分开的至少两个反铁磁层(钉扎层和自由层)形成，该至少两个反铁磁层中的每一者可保持磁场或极化。来自这两个铁磁层的电子因施加于铁磁层的偏置电压下的隧穿效应而可穿透隧穿势垒。自由层的磁性极化可被反转，从而钉扎层和自由层的极性基本对准或相反。通过mtj的电路径的电阻取决于钉扎层和自由层的极化的对准而变化。电阻的这种变化可编程和读取电阻式存储器单元300之一。

图4是解说根据本公开的一个方面的集成中介体410的框图，该集成中介体410包括由电阻式存储器设备450和作为有源选择器件460的薄膜二极管构成的嵌入式电阻式存储器单元400。在这种布置中，嵌入式电阻式存储器单元400被制造在接触层430的第一互连级440(例如，导电(铜)迹线)与第二互连级442之间，该接触层430由中介体基板420(例如，玻璃基板)支撑。在这种布置中，薄膜被沉积在第一互连级440上以形成作为有源选择器件460的薄膜二极管。该薄膜可以是低温多晶硅(ltps)材料、氧化铟镓锌(igzo)材料、或其他类似的薄膜材料。

图5示出了根据本公开的一个方面的集成中介体510的横截面图500，该集成中介体510包括被制造在例如该集成中介体510的接触层内的外围电路系统570。外围电路系统570可包括薄膜晶体管574，该薄膜晶体管574在中介体基板520(例如，玻璃基板)的表面上具有栅极。可以首先制造栅极，并且稍后沉积沟道材料。在这种布置中，薄膜572(例如，低温多晶硅)被沉积在中介体基板520的表面上以及薄膜晶体管574上。外围电路系统570还包括源线(sl)576和用于访问电阻式存储器550的位线578。

在本公开的这一方面，薄膜有源器件被嵌入在集成中介体510内以使得能够形成外围电路系统570。这些薄膜有源器件可以是有机的。例如，在图6中示出了用于形成外围电路系统570以控制向/从电阻式存储器550的访问的这些薄膜有源器件的又一布置。

图6是解说根据本公开的一个方面的集成中介体610的框图，其中外围电路系统670和电阻式存储器单元600(650、660)被布置在接触层630的互连级内。在这种布置中，外围电路系统670被制造在接触层630的第一互连级640(例如，导电(铜)迹线)与第二互连级642之间，该接触层630由中介体基板620(例如，玻璃基板)支撑。另外，电阻式存储器单元600被制造在接触层630的第二互连级642与第三互连级644之间。在这种布置中，薄膜被沉积在第二互连级642上以形成作为有源选择器件660的薄膜二极管。

在这种布置中，外围电路系统670的解码器电路和感测放大器电路可被制造在薄膜晶体管674的第一层上，而具有薄膜二极管或薄膜选择器件(例如，660)的电阻式存储器650被制造在相同的物理区域中。替换地，外围电路系统670可以被制造在硅中介体基板上或有源管芯上。在一个配置中，外围电路系统670可以用交叉结构来制造以控制向/从电阻式存储器650的访问。

以上描述的各种中介体允许将异构芯片(逻辑、存储器等)集成到单个封装中。中介体可以被配置为低成本的无源中介体。遗憾的是，中介体上的芯片之间或者任何功能器件(无源、存储器保护单元(mpu)、存储器、模拟等)之间的互连是固定的。在将mpu和dram置于中介体上的示例性情形中，来自不同的dram供应商的凸起图案应当彼此匹配以用于要被使用的相同中介体。在中介体上的高速数据总线在管芯之间传输数据的另一场景中，期望能够修整诸线的阻抗以优化数据速率。

图7示出了解说根据本公开的一个方面的片上系统(soc)700的横截面图，该片上系统700包括具有嵌入式存储器750的可重配置中介体710。嵌入式存储器750可被配置为多次可编程(mtp)存储器(包括伪mtp)。替换地，嵌入式存储器750可被配置成提供少量的nvm(例如，rram、mram、pcm等)。在这种配置中，嵌入式存储器750使得能够对可重配置中介体710的接触层730内的高速管芯至管芯总线740进行现场重新配置。高速管芯至管芯总线740的现场重新配置可包括选择性地将第一管芯780和第二管芯782耦合至高速管芯至管芯总线740。

可重配置中介体710的重新配置启用用于每个系统功能性(处理器、调制解调器、存储器等)的目标(例如，高性能)技术的有源管芯。另外，可重配置中介体720提供其他的功能性(例如，可重配置的管芯互连、嵌入式电阻式存储器、嵌入式有源选择器件)以及至系统板190的互连。可重配置中介体710使得能够对高速管芯至管芯总线740进行重新布线。另外，可重配置中介体710的重新配置使得能够对高速管芯至管芯总线740进行调谐以用于测试期间至内部节点的改进的传输以及改进的访问。

如以上提及的，嵌入式存储器750在被实现为电子熔丝或反熔丝时可以是伪mtp。替换地，嵌入式存储器750可被配置为使用薄膜器件来构建在中介体基板720(例如，硅或玻璃)上的电阻式存储器。无论配置为mtp还是nvm，嵌入式存储器750使得接触层730内的互连的配置能够容适具有异构凸出输出的管芯。接触层730内的互连可以在封装后被微调以匹配管芯的输入/输出(i/o)。另外，可重配置中介体710的现场重新配置允许在测试期间切换封装触点。

在以上描述的配置中，可以通过蚀刻玻璃来将玻璃中介体基板打薄至期望厚度。玻璃的期望厚度可根据用于制造例如薄膜晶体管(tft)的目标厚度(例如，五百(500)微米厚)而变化。然而，中介体应用可以把五十(50)到二百五十(250)微米厚度作为目标。在这种布置中，通过例如用蚀刻剂(例如，氢氟酸(hf))进行的湿法蚀刻来打薄玻璃中介体基板。蚀刻保护层在玻璃打薄和任何通孔形成的任何清洁过程期间屏蔽诸器件。

图8是解说根据本公开的一个方面的用于制造集成中介体的方法800的流程图。在框802处，在中介体基板的第一表面上的电介质层内制造至少一个电阻类型的非易失性存储器(nvm)阵列，例如，如图3a和3b中示出的。尽管本描述已经提及硅和玻璃中介体基板，但是也构想了包括蓝宝石或其他类似材料的其他基板材料。

在框804处，掩模并且刻蚀该电介质层以限定该电介质层内的互连。在框806处，将导电材料镀敷在该电介质层内。该电介质层内的经图案化的导电材料在基板的第一表面上形成接触层。例如，如图2中示出的，接触层230包括互连240，该互连240配置成将电阻式存储器250耦合至有源管芯180。在这种布置中，电阻式存储器被至少部分地嵌入在集成中介体210的接触层230内。

在一个配置中，一种集成中介体包括中介体基板的第一表面上的至少一个电阻类型的非易失性存储器(nvm)阵列。集成中介体还包括用于将至少一个电阻类型的nvm阵列互连至至少一个管芯的装置。至少一个电阻类型的nvm阵列可被部分地嵌入在互连装置内。在本公开的一个方面，该互连装置是图1、2、3a、6和/或7的接触层230/330/430/630/730，其被配置成执行由该互连装置所述的功能。在另一方面，前述装置可以是配置成执行由前述装置叙述的功能的器件或任何层。

图9是解说其中可有利地采用本公开的配置的示例性无线通信系统900的框图。出于解说目的，图9示出了三个远程单元920、930、和950以及两个基站940。将认识到，无线通信系统可具有远多于此的远程单元和基站。远程单元920、930和950包括包含所公开的集成中介体的ic设备925a、925b和925c。将认识到，包含ic的任何器件还可包括所公开的集成中介体，包括基站、开关器件以及网络装备。图9示出了从基站940到远程单元920、930、和950的前向链路信号980，以及从远程单元920、930、和950到基站940的反向链路信号990。

在图9中，远程单元920被示为移动电话，远程单元930被示为便携式计算机，并且远程单元950被示为无线本地环路系统中的固定位置远程单元。例如，这些远程单元可以是移动电话、手持式个人通信系统(pcs)单元、便携式数据单元(诸如个人数据助理)、具有gps能力的设备、导航设备、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、位置固定的数据单元(诸如仪表读数装置)、或者存储或检索数据或计算机指令的任何其他设备，或者其任何组合。尽管图9解说了包括所公开的集成中介体的ic器件925a、925b和925c，然而本公开不限于所解说的这些示例性单元。本公开的诸方面可被适当地采用在包括中介体的任何器件中。

对于固件和/或软件实现，这些方法体系可以用执行本文所描述功能的模块(例如，规程、函数等等)来实现。任何有形地实施指令的机器可读介质可被用来实现本文所描述的方法体系。例如，软件代码可被存储在存储器中并由处理器单元来执行。存储器可以在处理器单元内或在处理器单元外部实现。如本文所使用的，术语“存储器”是指任何类型的长期、短期、易失性、非易失性、或其他存储器，而并不限于任何特定类型的存储器或存储器数目、或记忆存储在其上的介质的类型。

尽管已详细描述了本公开及其优势，但是应当理解，可在本文中作出各种改变、替代和变更而不会脱离如由所附权利要求所定义的本公开的技术。例如，诸如“上方”和“下方”之类的关系术语是关于基板或电子器件使用的。当然，如果该基板或电子器件被颠倒，则上方变成下方，反之亦然。此外，如果是侧面取向的，则上方和下方可指代基板或电子器件的侧面。此外，本申请的范围无意被限定于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员将容易从本公开领会到的，可以利用根据本公开的现存或今后开发的与本文所描述的相应实施例执行基本相同的功能或实现基本相同结果的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。