一种三维双向自选通存储器件及其制备方法

本发明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。

背景技术：

1、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].2009ieeeinternational 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-dcross-point array[j].ieee transactions on very large scale integration(vlsi)systems,2016,24(12):3460-3467.)。

技术实现思路

1、本发明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。

2、本发明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；

3、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；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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，tm为所述平面电极层厚度。

20、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。

21、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。

22、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。

23、优选地，所述双向选通材料为进行双向操作的选通材料。

24、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。

25、更优选地，所述双向选通材料为硫系材料(例如，te、as-se-ge-si、intex、getex、gatex、astex、sntex、sbtex)；所述存储材料为相变材料(例如，(ge1sb2te4)1-x、(sn1bi2te4)x、sesbte、getebi、gesb(cuag)、ksb5s8、geteas、c-gesbte、assbte、intex、getex、gatex、astex、sntex、sbtex)。

26、本发明还提供一种三维双向自选通存储器件的制备方法，包括以下步骤：

27、(s1)于所述基板表面先形成绝缘层，然后在所述绝缘层上形成平面电极层，重复步骤形成绝缘层和平面电极层交替堆叠的条状堆叠结构；

28、(s2)于所述条状堆叠结构之间填充绝缘材料形成电绝缘层，用于实现水平方向上的电热隔离；

29、(s3)于所述条状堆叠结构之间形成环形双向选通单元层，且所述环形双向选通单元层与所述平面电极层相接触；

30、(s4)于所述环形双向选通单元层内侧区域填充满导电材料以形成柱状电极，所述柱状电极与所述平面电极层之间的所述环形双向选通层部分形成双向自选通存储单元。

31、优选地，所述步骤(s1)中在所述绝缘层上形成平面电极层为：在所述绝缘层上沉积一层导电材料作为平面电极层。

32、优选地，所述步骤(s1)中重复步骤形成绝缘层和平面电极层交替堆叠的条状堆叠结构为：重复制备绝缘层和沉积电极材料的操作，得到所述绝缘层和所述平面电极层交替堆叠的所述三维堆叠结构，刻蚀得到的三维堆叠结构，形成贯穿所述绝缘层和所述平面电极层的沟槽结构以及若干个等间距的所述条状堆叠结构。

33、优选地，所述步骤(s3)中于所述条状堆叠结构之间形成环形双向选通单元层为：通过光刻和刻蚀工艺形成若干个等间距均匀分布的、贯穿绝缘材料的深孔，深孔暴露了所述绝缘层和所述平面电极层；通过沉积，由外向内依次在深孔侧壁形成环形底电极层、环形存储单元层以及环形顶电极层，从而形成环形双向选通单元层。

34、有益效果

35、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。本发明提出了一种新型的阵列结构，每个平面电极(字线)和每条垂直电极(位线)有两次欧姆接触，形成了两个存储单元，存储密度为2f2/n。本发明进一步结合了双向自选通存储器和新型的阵列结构，存储密度是传统技术的两倍，且制造成本低。