Прибор с матричной адресацией, содержащий одно или несколько запоминающих устройств

Использование: в приборах с матричной адресацией. Сущность изобретения: прибор с матричной адресацией содержит одно или более запоминающих устройств с ячейками памяти, выполненными с возможностью переключения в нескольких направлениях и построенными в виде массива пассивных элементов с матричной адресацией. Ячейки памяти содержат запоминающую среду в виде ферроэлектрического или электретного тонкопленочного материала, способного к поляризации под действием приложенного электрического поля и проявляющего гистерезисные свойства, причем желательно, чтобы запоминающий материал являлся полимером или сополимером. Запоминающее устройство в приборе содержит, по меньшей мере, первый и второй наборы электродов. Электроды второго набора расположены в канавках, выполненных на электродах первого набора, и ориентированы ортогонально электродам первого набора, причем канавки заглублены только на половину высоты электродов первого набора. Электроды второго набора в канавках окружены запоминающим материалом, который также контактирует с пересекающимися с ними электродами первого набора. Тем самым в местах пересечения электродов первого и второго наборов организуются ячейки памяти, образованные запоминающим материалом, который, по меньшей мере, с трех сторон окружает электроды второго набора, и эти три разные области обеспечивают, по меньшей мере, три направления переключения ячейки памяти. В соответствии с изобретением в приборе два или более запоминающих устройств могут быть собраны в пакет, и таким образом может быть реализован прибор с возможностью объемного хранения данных. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования полезной площади, упрощение процесса изготовления и снижение стоимости прибора. 7 з.п. ф-лы, 17 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к приборам с матричной адресацией, содержащим одно или более запоминающих устройств с ячейками памяти, переключаемыми в нескольких направлениях, которые организованы в виде массива пассивных элементов с матричной адресацией. Ячейки памяти содержат запоминающую среду в виде ферроэлектрического или электретного тонкопленочного запоминающего материала, способного к поляризации под действием приложенного электрического поля и проявляющего гистерезис. По меньшей мере, одно запоминающее устройство содержит, по меньшей мере, два, но не более чем три набора электродов, при этом первый набор электродов указанного, по меньшей мере, одного запоминающего устройства, которое является либо единственным запоминающим устройством прибора, либо первым из двух или нескольких запоминающих устройств, снабжен изолирующей подложкой.

Уровень техники

С точки зрения архитектуры, подход к построению запоминающих устройств в виде пассивной матрицы со структурой типа «сэндвич», с запоминанием на полимере, помещенном между слоями электродов, является более привлекательным, чем структура с ячейками памяти с одним транзистором и одним конденсатором (1Т/1С), используемая в современных кремниевых запоминающих устройствах. Отчасти это объясняется тем, что такой подход дает увеличенную плотность размещения элементов в поперечных направлениях (4f² против 6f² и более), но даже в большей степени тем, что он позволяет формировать вертикальную многоуровневую структуру последовательных запоминающих слоев, например, управляемую от общей схемы, сформированной на подложке. Однако справедливо также и то, что структура 4f² дает коэффициент заполнения площади всего лишь 25%. При коэффициенте заполнения от 50 до 100% в равной мере уменьшилась бы необходимость иметь более чем один слой ячеек памяти, снизились бы сложность производства и стоимость, и увеличился бы выход годных изделий. Кроме того, использование только одного или двух слоев ячеек памяти соответственно ослабило бы влияние последующей обработки полимера и, следовательно, предотвратило бы отрицательное воздействие на рабочие характеристики со стороны процессов обработки.

Традиционный подход к увеличению плотности ячеек заключается в уменьшении площади каждой ячейки. Однако чем меньше площадь ячейки, тем меньше сигнал (и меньше отношение сигнал/шум) и тем более чувствительной и, следовательно, сложной должна быть схема считывания (в основном состоящая из усилителей считывания), которая потребует для себя большей полезной площади кристалла. На деле считается крайне трудной задачей построить коммутационную матрицу с шагом линий меньше, чем 0,30-0,40 мкм (размер ячейки 0,09 мкм²).

Трудность, связанная с формированием многоуровневой структуры, состоит в обеспечении плоскостности. При наложении последующих слоев на предыдущие слои постепенно формируется неровная топография, которая создает значительные трудности в отношении управления фотолитографическим процессом, а следовательно, и в отношении возможности адресации и считывания ячеек (например, усилители считывания рассчитываются под ожидаемую площадь ячеек, и, если эта площадь в определенных пределах варьирует из-за неоднородности фотолитографии, становится невозможным осуществлять надежное считывание сигнала, т.е. становится труднее отличать единицы от нулей).

Конкретная архитектура также определяет, какое требуется минимальное число стадий маскирования, причем, чем их меньше, тем дешевле производство. Снижение числа стадий маскирования, приходящихся на бит информации, представляется очень важным. При изготовлении типичного прибора с 8 запоминающими слоями прибор на основе полимерных матриц потребует на 19 стадий маскирования больше, чем конкурирующий с ним прибор на основе матриц флэш-памяти. Это означает почти двойное удорожание процесса обработки пластины с полимерными матрицами по сравнению с отработанными КМОП-процессами, например, для производства устройств флэш-памяти.

В приборах памяти с коммутационной матрицей и запоминанием на полимерной пленке, в которых используется вертикальное коммутирующее поле, именно структура (морфология) полимерных пленок, нанесенных на полупроводниковую пластину методом центрифугирования, в значительной степени определяет пригодность приборов для тех или иных задач. Особенно сложно поддерживать оптимальную структуру в отношении ферроэлектрических свойств, когда толщина пленки становится меньше 100 нм. При таких значениях толщины пленки гораздо более чувствительны к типу используемых растворителей, условиям центрифугирования и задубливания, к типу и влиянию граничных/барьерных слоев и т.п. С другой стороны, желательно иметь как можно более тонкие пленки, чтобы уменьшить напряжение переключения. Например, чтобы получить напряжения переключения ниже 5 В, пленки должны быть тоньше 30 нм. Более низкие уровни напряжения требуются, чтобы пользоваться фотолитографическими процессами все более высокой плотности и поддерживать совместимость с соответствующими правилами конструирования, что также позволяет получать пониженное энергопотребление. В приборах памяти на полимерных пленках использование низких напряжений тем более привлекательно, что позволяет большую часть схемы, а, в конечном счете, и всю схему, построить под пассивной запоминающей матрицей, что опять-таки приводит к уменьшению эффективной площади ячейки за счет площади вспомогательных элементов, по возможности до нуля, облегчая проектирование и осуществление межслойных соединений и т.п.

Однако получение таких тонких пленок с приемлемой однородностью/структурой без дефектов на больших площадях (подобных полупроводниковой пластине) представляет собой очень большую трудность также из-за того, что важные ферроэлектрические свойства, такие как кристаллическая упорядоченность, с уменьшением толщины пленки имеют тенденцию к ухудшению. Одновременно обостряются проблемы, связанные с токами утечки и паразитными токами. Это серьезно влияет на свойства памяти, например, на уровень поляризации переключения и остаточной поляризации (это важно для различения нулей и единиц), ресурс переключения и скорость переключения. В особенности сильное снижение характеристик происходит при высоких температурах (например, выше 60°С).

Но даже при использовании более толстых запоминающих пленок возникает ряд проблем, подобных тем, с которыми сталкиваются при работе с тонкими пленками, хотя эти проблемы и не столь выражены. Предпочтительным и признанным способом нанесения пленок является центрифугирование с применением соответствующего растворителя. Выбор растворителя, условия центрифугирования, возможные осадки из растворителя, условия задубливания, связанные с выбором растворителя, и другие факторы составляют очень трудную задачу в отношении получения правильного сочетания параметров. Сложность данной задачи сильно возрастает, когда речь идет о тонких пленках. Тем не менее, растворители необходимо использовать, чтобы получать тонкие однородные пленки на полупроводниковых подложках.

Ввиду того, что напряжение переключения зависит от толщины пленки (см. ниже), с ухудшением однородности пленки соответственно будет варьировать и коэрцитивное поле, что будет создавать проблемы во время работы, если эти вариации превосходят расчетный размах напряжения. С другой стороны, чем больше размах (расчетный), тем более сложной должна быть схема, чтобы управлять этим размахом. При этом растут затраты, которые связаны с эффективностью использования полезной площади пластины, сложностью изготовления и стоимостью устройства.

Вероятно, еще более серьезные опасения относительно структуры связаны с тем, что в многослойных структурах памяти полимер подвергается существенной последующей обработке, например, осаждению верхних электродов, нанесению граничных слоев, выполнению межслойных соединений и т.п. Все это потенциально оказывает на полимер сильное отрицательное влияние, что представляет большую трудность для надлежащего контроля, особенно в условиях промышленного производственного процесса.

Использование полимера и особенно тот факт, что электроды наносятся непосредственно на полимерный материал, который имеет температуру плавления около 150°С, приводят к проблемам, когда дело касается установки приборов в корпуса. При типичном процессе пайки температура (в ограниченные периоды времени) может достигать 210°С, что создает трудности в отношении архитектуры, так как электроды на полимере начинают плавиться и плыть, в результате чего граница электрод/полимерная пленка может быть серьезно нарушена.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задачей, решаемой настоящим изобретением, является устранение вышеупомянутых недостатков и трудностей, возникающих в запоминающих устройствах с матричной адресацией, в частности, с полимерными запоминающими материалами, которые соответствуют существующему уровню техники и используются в устройствах хранения данных с матричной адресацией.

Решение задачи, поставленной перед настоящим изобретением, а также получение дополнительных свойств и преимуществ обеспечивается в приборе с матричной адресацией, соответствующем настоящему изобретению, которое характеризуется тем, что первый набор электродов содержит параллельные полосковые электроды шириной w и высотой Н, пространственно отделенные и электрически изолированные друг от друга участками изолирующего тонкопленочного материала, находящегося между электродами и покрывающего их боковые кромки в виде слоя толщиной δ, составляющей малую часть ширины w электрода. Электроды имеют большое отношение H/w высоты профиля к ширине, причем первый набор электродов содержит на верхней поверхности множество параллельных канавок. Канавки ориентированы перпендикулярно продольной оси электродов, имеют ширину, примерно равную ширине w электродов, и углублены вниз от верхней поверхности электродов на расстояние h, составляющее около половины высоты Н электрода.

Канавки отделены одна от другой расстоянием, примерно равным ширине w электродов. По меньшей мере, боковые стенки канавок покрыты тонкой пленкой запоминающего материала, а их нижняя поверхность покрыта изолирующей тонкой пленкой, которая при желании также может быть выполнена из запоминающего материала. При этом в канавках находятся электроды, составляющие второй набор электродов, которые контактируют и граничат с тонкопленочным запоминающим материалом, так что помещенный в канавки запоминающий материал образует ячейки памяти запоминающего устройства. Индивидуальная ячейка памяти в каждом случае определяется объемом запоминающего материала, расположенного между одним электродом из первого набора электродов и одним электродом из второго набора электродов в месте их пересечения. Благодаря этому ячейку памяти можно приводить в поляризованное состояние и переключать в поперечных направлениях перпендикулярно боковым стенкам канавки и в третьем направлении, перпендикулярном нижней поверхности канавки, при условии, что указанная нижняя поверхность также покрыта запоминающим материалом.

Предпочтительный вариант осуществления прибора, соответствующего настоящему изобретению, характеризуется тем, что, по меньшей мере, одно запоминающее устройство содержит третий набор электродов. При этом поверх верхних поверхностей электродов первого и второго наборов нанесена изолирующая тонкая пленка, которая, по меньшей мере, в своей части, покрывающей верхние поверхности электродов второго набора, выполнена из запоминающего материала. Предусмотрено также, что электроды третьего набора электродов находятся в контакте и граничат с изолирующей тонкой пленкой подобно тому, как это сделано у первого набора электродов. Кроме того, электроды третьего набора ориентированы в том же самом направлении, что и электроды первого набора, перпендикулярно электродам второго набора, так что любой электрод третьего набора электродов совмещен по вертикали с соответствующим электродом первого набора. В результате каждая ячейка памяти определяется тонкой пленкой запоминающего материала, покрывающей электрод второго набора в зоне его пересечения с электродами первого и третьего наборов и находящейся между ними. Тем самым обеспечивается возможность осуществлять поляризацию и переключение любой ячейки памяти в четвертом направлении, перпендикулярном верхней поверхности электрода второго набора электродов.

Одна модификация данного варианта осуществления характеризуется тем, что два или более запоминающих устройств объединены в вертикальный многоуровневый пакет. При этом верхние поверхности электродов третьего набора покрыты изолирующей пластиной, а все запоминающие устройства установлены одно над другим и отделены друг от друга изолирующими пластинами. Соответственно образуется прибор с возможностью объемного хранения данных.

Когда прибор, соответствующий настоящему изобретению, реализуется с двумя или большим числом запоминающих устройств, собранных в вертикальный пакет, электроды первого набора и электроды второго набора каждого запоминающего устройства совмещаются по вертикали с электродами соответствующих наборов всех других запоминающих устройств, входящих в пакет. При этом каждое запоминающее устройство в пакете отделяется от любого смежного запоминающего устройства посредством изолирующей тонкой пленки, нанесенной на верхние поверхности электродов. Изолирующая тонкая пленка на смежном запоминающем устройстве, по меньшей мере, на тех участках, где электроды второго набора пересекаются с электродами первого набора, выполняется из запоминающего материала. Запоминающий материал на этих участках может быть поляризован или переключен в четвертом направлении, перпендикулярном верхней поверхности электродов второго набора, путем приложения электрического поля между этими электродами и пересекающимися с ними электродами первого набора смежного запоминающего устройства.

Ячейки памяти в данном варианте определяются запоминающим материалом, окружающим электроды второго набора в местах их пересечения с электродами первого набора данного запоминающего устройства и смежного запоминающего устройства, входящего в состав пакета. Тем самым реализуется прибор с возможностью объемного хранения данных, в котором первый набор электродов из второго запоминающего устройства по высоте пакета выполняет функции третьего набора электродов для нижележащего смежного запоминающего устройства.

Желательно, чтобы в приборе в соответствии с настоящим изобретением изолирующий тонкопленочный материал был ферроэлектрическим или электретным материалом. Желательно также, чтобы запоминающий материал был полимерным или сополимерным материалом. Материал изолирующей тонкой пленки и запоминающий материал могут представлять собой один и тот же материал, в этом случае также желательно, чтобы запоминающий материал был полимерным или сополимерным материалом.

Отличительные признаки и преимущества прибора в соответствии с настоящим изобретением станут понятны также из зависимых пунктов прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Лучшему пониманию изобретения послужит нижеследующее его описание, в особенности обсуждение предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 представлено поперечное сечение первого набора электродов в том виде, как он в соответствии с настоящим изобретением используется в запоминающем устройстве,

фиг.2 представляет собой набор электродов по фиг.1 на виде сверху,

на фиг.3 представлено сечение первого набора электродов плоскостью А-А на фиг.2,

на фиг.4 представлено сечение первого и второго наборов электродов в запоминающем устройстве в том виде, как оно используется в приборе в соответствии с настоящим изобретением,

на фиг.5 представлено сечение запоминающего устройства в том виде, как оно используется в приборе в соответствии с настоящим изобретением, перед окончательной стадией его изготовления,

на фиг.6 представлено сечение запоминающего устройства по фиг.5 с ячейками памяти на своих местах,

фиг.7а представляет, на виде сверху, запоминающее устройство по фиг.6 и иллюстрирует конструкцию ячеек памяти,

фиг.7b представляет собой сечение запоминающего устройства по фиг.7а плоскостью А-А,

фиг.8а представляет, на виде сверху, ячейку памяти в запоминающем устройстве по фиг.7а и 7b,

фиг.8b представляет сечение ячейки памяти по фиг.8а плоскостью С-С,

фиг.9 представляет собой сечение запоминающего устройства по фиг.7а с другим вариантом осуществления ячеек памяти,

на фиг.10 изображен третий набор электродов в запоминающем устройстве в том виде, как он используется в приборе в соответствии с настоящим изобретением,

фиг.11а изображает вариант запоминающего устройства в том виде, как оно используется в приборе в соответствии с настоящим изобретением,

фиг.11b представляет собой сечение запоминающего устройства по фиг.11а плоскостью А-А,

фиг.12а изображает предпочтительный вариант осуществления прибора, соответствующего настоящему изобретению и выполненного в виде многоуровневого пакета,

на фиг.12b, на виде сверху, представлена ячейка памяти,

фиг.12с представляет собой сечение ячейки памяти по фиг.12b плоскостью С-С.

Осуществление изобретения

Далее приводится подробное объяснение прибора, соответствующего настоящему изобретению, с подробным описанием его составных частей и вариантов осуществления, как они показаны на представленных чертежах.

На фиг.1 показано поперечное сечение набора электродов в приборе, соответствующем настоящему изобретению. Набор Е1 электродов содержит некоторое число параллельных электродов ε1, которые на виде набора электродов сверху (на фиг.2) имеют вид полосок. Каждый электрод ε1 располагается на изолирующей подложке 1 и отделен от смежных электродов только посредством изолирующей тонкой пленки 2а, которая исключает омический контакт между отдельными электродами ε1. Электроды ε1 выполнены с высотой Н и шириной w, но с весьма высоким отношением высоты профиля к ширине, H/w. Изолирующая тонкая пленка 2а имеет толщину δ, которая в типичном случае меньше, чем ширина электродов w. Из этого вытекает, что почти вся площадь, занимаемая набором электродов, как показано на фиг.2, приходится на электроды, в то время как изолирующий тонкопленочный слой, или барьер 2а между электродами занимает лишь ее малую часть (если используется фотолитография с разрешением 0,15 мкм или хуже; при фотолитографии с более высоким разрешением, разность площадей электродов и пленки уменьшается).

Набор электродов такого типа может быть получен способом, раскрытым в международной заявке WO 03/046995 А1, опубликованной 5.06.2003, основанной на заявке на патент Норвегии 20015509, поданной 9.11.2001, и принадлежащей заявителю настоящего изобретения. Поэтому фактический способ получения набора электродов высокой плотности указанного типа более подробно здесь освещаться не будет, тогда как содержание указанной заявки включено в данное описание посредством ссылки на нее. В этой связи, однако, следует заметить, что ширина электрода может быть согласована с минимальным размером f элемента, получение которого ограничивается возможностями технологического процесса и значение которого будет зависеть, например, от правил конструирования, применяемых при разработке рисунка для фотомикролитографии. В любом случае из этого следует, что либо ширина w электрода, либо расстояние d от одного электрода до следующего в наборе Е1 электродов будут регламентироваться правилами конструирования такого рода, между тем как изолирующей тонкой пленки это может и не касаться, ибо ее нанесение может быть выполнено с использованием процессов, на которые не накладываются ограничения со стороны каких-либо стандартных правил конструирования. Из этого также следует, что фактическая ширина, например, каждого второго электрода ε1 в наборе Е1 электродов может быть на величину 2δ меньше минимального размера f элемента, который ограничивается возможностями технологического процесса, то есть параметром, на который правила конструирования фактически накладывают ограничение, будет являться расстояние d=w+2δ.

На виде сверху, представленном на фиг.2, показан набор электродов с канавками 3, которые сформированы вниз от верхней поверхности электродов ε1. Эти канавки, имея ширину w, примерно такую же, как и ширина электродов ε1, ориентированы перпендикулярно электродам ε1 и отделены одна от другой оставшимися участками электродов ε1, которые аналогично могут иметь ширину, примерно равную w. Канавки 3 заглублены от верхней поверхности электродов ε1 вниз, в направлении подложки на величину h, и имеют, по существу, прямоугольное поперечное сечение. На дне канавок участки электродов ε1 будут связаны между собой переходами, выступающими над подложкой 1 на высоту ΔН. Следует понимать, что при ΔН+h=Н значение h можно выбрать равным примерно 50% от H. Это хорошо видно на фиг.3, на которой изображено сечение набора Е1 электродов по фиг.2 плоскостью А-А, которое можно рассматривать так же, как вид по стрелке В.

Затем электроды ε1 с канавками 3 покрывают изолирующей тонкой пленкой 4 и, путем осаждения электродного материала в канавки 3, формируют второй набор Е2 электродов, содержащий электроды ε2, как показано на фиг.4, представляющей продольное сечение набора Е1 электродов. Изолирующая тонкая пленка 4 может представлять собой любой диэлектрический тонкопленочный материал, но желательно, чтобы это был ферроэлектрический или электретный тонкопленочный материал, о котором далее будет сказано более подробно. После осаждения в канавки 3 электродов ε2 второго набора Е2 электродов изолирующую тонкую пленку 4 вытравливают везде, где она не закрыта осажденными электродами ε2. В результате образуется структура, показанная на фиг.5.

Как видно из фиг.5, на оставшихся участках канавок 3 сформированы карманы 3а между электродами ε1, ε2, а на дне канавок 3 находится часть 4b изолирующей тонкой пленки 4. Боковые стенки канавок 3 в электродах ε1 теперь обнажены. Затем карманы 3а заполняют запоминающим материалом, например, ферроэлектрическим или электретным полимерным материалом 4а, который должен располагаться вдоль карманов между электродами ε1 и ε2, как показано на фиг.6. Если изолирующая тонкая пленка 4 изначально представляла собой ферроэлектрический или электретный материал, то и материал 4b на дне канавок, под электродами ε2 будет запоминающим материалом, подобным тому, который обозначен, как 4а на фиг.6.

Фиг.7а представляет собой вид сверху на законченную структуру, показанную на фиг.6. На фиг.7а буквой В обозначена стрелка, указывающая направление взгляда для рассмотрения сечения, показанного на фиг.6. Видно, что электроды ε2 во втором наборе Е2 электродов ориентированы перпендикулярно электродам ε1 первого набора Е1 электродов. Запоминающий материал 4а, помещенный между электродами ε1 и ε2 в карманы канавок 3, образует запоминающую среду ячеек 5 памяти, созданных в запоминающем материале 4а, а при желании и 4b, на пересечении электродов ε2 второго набора Е2 электродов с электродами ε1 первого набора Е1 электродов.

Следовательно, структура на фиг.7а с запоминающим материалом и электродами ε1, ε2 образует пассивную запоминающую матрицу - массив адресуемых ячеек 5 памяти, которые, в частности, должны быть ферроэлектрическими или электретными ячейками памяти. Предпочтительно они являются ячейками памяти, реализованными на запоминающем материале в форме полимера или сополимера. Фиг.7b изображает сечение фиг.7а плоскостью А-А; видно, как путем приложения напряжения к электродам ε1 и ε2 и установления тем самым между ними, а также на запоминающем материале 4а (при желании также и на запоминающем материале 4b) электрического потенциала можно осуществлять поляризацию ячеек 5 памяти или их переключение в различных направлениях. Часть ячейки памяти на участках 4а может быть переключена, например, в поперечном направлении относительно направления протяженности запоминающего устройства, в то время как участок запоминающего материала 4b на дне канавки 3 может быть переключен в направлении, перпендикулярном плоскости запоминающего устройства, или, как это следует из фиг.7b, в вертикальном направлении. Благодаря таким действиям три «субъячейки» могут быть переключены одновременно; тем самым может быть получен в три раза больший сигнал. При этом площадь нижней субъячейки равна площади перекрытия электродов, а площадь ячеек на двух боковых стенках составляет 2wh. Таким образом, наличие подобных ячеек вводит дополнительное измерение по сравнению с известной в технике вертикально переключаемой ячейкой. Из этого следует, что площадь оснований ячеек не будет поставлена в зависимость от применяемых правил конструирования.

Фиг.8а и 8b изображают ячейку памяти в запоминающем устройстве прибора, соответствующего настоящему изобретению, более детально, с показом допустимых направлений переключения и в соответствии с приведенными ниже пояснениями к указанным фигурам. Фиг.8а представляет собой вид сверху на индивидуальную ячейку памяти с убранными электродами. Видно, что весь запоминающий материал на боковых стенках может быть переключен в поперечном направлении, в то время как запоминающий материал на дне канавки может быть переключен в «вертикальном» направлении. Это показано более наглядно на фиг.8b, которая изображает сечение ячейки 5 памяти по фиг.8а плоскостью С-С. Контур электродов ε1, ε2 изображен в виде штриховых линий. Такая конфигурация ячейки 5 памяти значительно отличается от традиционной структуры ячеек памяти в запоминающих устройствах с пассивной матричной адресацией, в которых ячейки памяти формируются внутри «сэндвича» между нижележащим и вышележащим наборами электродов, при этом, чтобы задать и адресовать ячейки памяти, например, в общем слое запоминающего материала, заключенного между слоями электродов, соответствующие электроды ориентируют взаимно ортогонально.

Традиционная конфигурация типа «сэндвича» дает одно направление переключения, в то время как ячейка памяти в приборе, соответствующем настоящему изобретению, позволит иметь, по меньшей мере, три направления переключения. Это, в свою очередь, дает существенное преимущество при создании более надежных запоминающих устройств с пассивной матричной адресацией на основе ферроэлектрического или электретного запоминающего материала, обеспечивающих более высокую плотность записи, а также увеличенное отношение сигнал/шум. При рассмотрении фиг.7а видно, что запоминающее устройство в том виде, как оно изображено, т.е. для десяти показанных ячеек памяти, может быть переключено в трех направлениях в общей сложности в тридцати областях.

Можно также получить четвертое направление переключения, если запоминающее устройство прибора, соответствующего настоящему изобретению, снабдить третьим набором Е3 электродов. На фиг.4 показано, как на верхние поверхности электродов ε1, ε2 соответствующих наборов Е1, Е2 электродов наносится изолирующая тонкая пленка 4, которая, среди прочих вариантов, может быть сформирована из ферроэлектрического или электретного запоминающего материала, например, из полимерного или сополимерного материала. Эта тонкая изолирующая пленка, по меньшей мере, на верхней поверхности электродов ε2 (соответствующей участкам 4с, показанным на фиг.9) должна быть выполнена из запоминающего материала, например, упомянутого типа. Далее поверх изолирующей тонкой пленки 4 формируют третий набор Е3 электродов, который фактически подобен первому набору Е1 электродов, за исключением того, что электроды ε3 третьего набора имеют меньшее отношение высоты профиля к ширине. Электроды ε3 ориентируют в том же направлении, что и электроды ε1 из набора Е1 электродов, причем так, чтобы каждый электрод ε3 третьего набора был по вертикали совмещен с соответствующим электродом ε1 первого набора.

Электроды ε3 третьего набора Е3 электродов могут быть, например, нанесены на изолирующую пластину 1', как это показано на фиг.10. Таким образом, получается запоминающее устройство, которое схематически изображено, на виде сверху, на фиг.11а. Данную фигуру следует рассматривать совместно с фиг.11b, изображающей сечение устройства плоскостью А-А на фиг.11а, если смотреть в направлении стрелки В. Каждая ячейка 5 памяти образована обычным способом и может, как показано на фиг.11b, быть поляризована или переключена в четырех направлениях, так как участки 4с запоминающего материала в ячейке 5 теперь можно адресовать через электроды ε2 второго набора Е2 электродов и ортогональные к ним электроды ε3 третьего набора Е3 электродов. Другими словами, каждая ячейка памяти может быть адресована в четырех направлениях, в четырех отдельных областях. Более того, запоминающее устройство, соответствующее показанному на фиг.11а и фиг.11b, теперь будет использовано в приборе, соответствующем настоящему изобретению, чтобы осуществить последнее, как прибор объемного хранения данных путем сборки запоминающих устройств, показанных на фиг.11а и фиг.11b, в вертикальный пакет - одно над другим. Каждое запоминающее устройство в пакете будет отделено посредством изолирующих пластин 1'.

Однако можно получить гораздо более экономичный вариант осуществления прибора в соответствии с настоящим изобретением, как прибора объемного хранения данных с запоминающими устройствами, собранными в пакет, если воспользоваться конфигурацией, показанной на фиг.12а. Основным строительным блоком здесь является запоминающее устройство в том виде, как оно показано, например, на фиг.9, с изолирующей тонкой пленкой 4, нанесенной на верхнюю его поверхность. Тонкая пленка 4 должна, конечно, быть из ферроэлектрического или электретного материала. В любом случае на участках, покрывающих верхнюю поверхность электродов ε2, пленка 4 должна быть выполнена из запоминающего материала, например, ферроэлектрического или электретного материала, желательно, в виде соответствующего полимера или сополимера. Следовательно, запоминающие устройства, подобные показанному на фиг.9, собирают, устанавливая одно устройство над другим и формируя пакет S1, S2, S3 из запоминающих устройств такого типа. При этом видно, что электроды ε1 смежного запоминающего устройства теперь выполняют функцию электродов ε3 в запоминающем устройстве, показанном на фиг.11b. Другими словами, прибор, соответствующий настоящему изобретению, в том виде, как он показан на фиг.12а, с запоминающими устройствами, собранными в пакет, позволяет осуществлять поляризацию и переключение ячеек памяти в четырех направлениях, а именно, в двух поперечных и двух вертикальных направлениях, и в четырех отдельных областях в каждой ячейке памяти. Другими словами, прибор, показанный на фиг.12а, может быть гораздо проще, нежели прибор, построенный на основе запоминающего устройства с конфигурацией, похожей на ту, что изображена на фиг.11b.

На фиг.12b представлена, на виде сверху, ячейка 5 памяти в приборе по фиг.12а с убранными электродами и с указанными направлениями переключения. Фиг.12с, представляющая собой поперечное сечение ячейки 5 памяти по фиг.12b плоскостью С-С, наглядно демонстрирует направления переключения и коробчатую структуру ячейки 5 памяти в приборе, соответствующем настоящему изобретению. Любая ячейка памяти в запоминающем устройстве прибора, соответствующего настоящему изобретению, как показано на фиг.12, должна обязательно определяться запоминающим материалом, окружающим электроды ε2, в месте пересечения вышележащих и нижележащих электродов ε1, расположенных ортогонально друг другу.

Следует также заметить, что десять ячеек памяти, доступных в запоминающем устройстве, показанном на фиг.11а или 12а, в любом случае дают не менее 40 адресуемых областей. Для сравнения, в стандартной структуре типа «сэндвич» такую же полезную площадь на пластине занимает половина указанного числа ячеек памяти с одной адресуемой областью для каждой доступной ячейки, как, например, одно запоминающее устройство в приборе, показанном в примере на фиг.11а или 12а. Коэффициент заполнения площади также удваивается, от 0,25 до 0,5. Это в итоге удваивает плотность хранения данных; кроме того, по меньшей мере, в два раза увеличивается площадь обкладок конденсаторов, что значительно увеличивает отношение сигнал/шум и способность обнаружения сигнала. Следует также заметить, что канавки, содержащие электроды ε2 и запоминающий материал, могут быть сделаны гораздо более широкими, чем, например, минимальный размер f элемента, который допустим в данном технологическом процессе, в то время как ширина w электродов ε2 может быть значительно меньше. Однако в этом случае можно нанести запоминающий материал 4а значительно большей толщины; то же самое, естественно, относится к участкам 4b и 4с ячейки памяти. Толщина запоминающего материала здесь, конечно, не ограничивается никакими особыми правилами конструирования, так как материал можно наносить различными способами, хорошо известными специалистам в данной области, при толщине слоя, как упоминалось, от нескольких нанометров и более.

Следует также заметить, что прибор, соответствующий настоящему изобретению, не ограничен вышеописанными примерами предпочтительных вариантов осуществления. В рамках идеи и объема изобретения могут быть разработаны и другие варианты его осуществления.

Предлагаемая концепция вводит новую архитектуру ячеек, позволяющую прикладывать поле в направлении, поперечном по отношению к схеме или к подложке (если используется гибридная конструкция). Это можно сочетать с приложением вертикального поля, потенциально в то же самое время. Можно строить многослойные запоминающие структуры всего лишь с одним полимерным слоем (с однократным нанесением), причем при желании этот слой можно наносить на последней стадии процесса (никакой металл или иной материал не наносится на полимер), и, таким образом, исключить вышеописанные проблемы, связанные с рядом технологических операций, производимых на полимере.

Запоминающую матрицу с переключением ячеек в поперечном направлении можно изготовить различными способами. В предпочтительном варианте осуществления процедура выглядит следующим образом: На кремниевую пластину наносят тонкий изолирующий слой (например, SiO₂ или полимерный ферроэлектрический материал, такой как поливинилидендифторид (ПВДФ) или сополимер поли (вин илиден-трифторэтилен) (П(ВДФ-ТрФЭ)). Затем на этом слое строят (первая стадия маскирования) первый набор (параллельных) электродов, которые имеют двойную толщину (высоту) или двойное отношение высоты к ширине по сравнению с типовыми электродами, какие обычно используются в координатных запоминающих матрицах соответствующего размера и функционального назначения. Далее наносят цельный изолирующий слой, покрывающий все элементы. После этого пространство между электродами заполняют электродным материалом (таким же или другим; возможно использование нескольких разных материалов), чтобы образовать второй набор электродов. Получившуюся в результате структуру электродов называют «плотной сеткой электродов», как это описано в вышеупомянутой заявке на патент Норвегии. Эти два набора электродов далее именуются «нижними электродами».

Затем формируют третий (верхний) набор параллельных электродов, расположенных, например, под углом 90° к электродам первых двух наборов. Для этого сначала при помощи (второй) маски вскрывают канавки, проходящие по существу через нижние электроды (например, на глубину 50%). Затем на всю пластину наносят изолирующий материал, например, отличающийся от материала, использованного для нижних электродов, к примеру, в виде ферроэлектрического сополимера (это необходимо, если требуется вертикальное переключение). После этого заполняют канавки, предназначенные для верхних электродов, таким же или иным электродным материалом. Далее применяют химико-механическое полирование (ХМП) или иной выравнивающий процесс, например общее травление, чтобы удалить материал с электродов, находящихся в канавках, и изолирующий материал так, чтобы открылся изолирующий материал между всеми тремя наборами электродов, т.е. чтобы была достигнута полная изоляция наборов электродов друг от друга. В результате получается координатный матричный массив, в котором нижние электроды расположены планарно по отношению к верхним электродам. Затем производят вытравливание диэлектрического материала вниз до нижнего уровня верхних электродов и заполняют образовавшиеся карманы запоминающим материалом (например, ферроэлектрическим сополимером) или посредством стандартного центрифугирования, или при помощи какой-либо иной технологии, например, из расплава путем окунания.

Последние стадии вытравливания и заполнения можно исключить, если везде в качестве изолятора использовать ферроэлектрический материал, или в том случае, когда изолирующий материал составляет верхний слой прибора. Достоинство этого варианта заключается в том, что не возникает проблем с заполнением узких карманов между электродами полимерным материалом. Недостатком же данного варианта является то, что полимерный материал останется открытым на следующих стадиях обработки. Способности полимерного материала проникать в узкие карманы между электродами можно содействовать, если использовать методы, основанные на действии электростатических сил притяжения или на иных подобных механизмах. Положение облегчается также тем, что на дне карманов всегда будет присутствовать изолирующий материал; поэтому пленке П(ВДФ-ТрФЭ) не обязательно нужно проникать до дна карманов.

При приложении напряжения к одному из нижних электродов и к верхнему электроду полимерный материал с обеих сторон верхнего электрода в месте его пересечения с соответствующим нижним электродом будет подвергаться переключению в поперечном направлении. Толщина полимерного материала в этом случае соответствует толщине полимерной пленки в архитектуре с вертикальным переключением. Это означает, что уровень прикладываемого напряжения, который требуется, чтобы получить переключение с полной поляризацией, напрямую зависит от толщины полимерного материала в карманах между электродами. Следовательно, управлять этим уровнем можно, контролируя толщину наносимого изолирующего материала, а не толщину полимерного слоя, наносимого центрифугированием. Это гарантирует гораздо большую равномерность толщины, чем если бы наносить полимер в вертикальную структуру. Кроме того, в этом случае неоднородность боковых стенок электродов не нарушает эту равномерность, ибо равномерность стенки электрода будет отражением равномерности противоположной стенки.

Тот факт, что обе стороны верхнего электрода переключаются одновременно, означает, что эффективная площадь ячейки удваивается и что отношение сигнал/шум, следовательно, увеличивается в 1,42 раза. Эффективную площадь ячейки можно еще увеличить, если верхние и нижние электроды сделать толще, так как площадь ячейки равна ее длине w, умноженной на высоту h. Этот факт соответственно позволяет, задавая вертикальный размер ячейки, делать ее площадь произвольно большой, независимо от той площади, которую она занимает в поперечных направлениях на полупроводниковой пластине. Высота/толщина ячейки не является критичной при использовании фотолитографии высокого разрешения. Все это соответственно улучшает усталостные характеристики ячейки при переключении.

Плотность размещения элементов структуры первого набора электродов соответствует 2f² или f². Если плотные электроды используются в качестве верхних электродов, то требуются только две стадии маскирования. Если это сравнить с вертикальной архитектурой, то там для получения того же результата потребуются два (или четыре) запоминающих слоя и 3 (или 6) стадии маскирования.

После построения этого первого "слоя", дополнительные слои могут быть добавлены различными способами. Один заключается в том, что просто осаждают полимерную пленку поверх первой структуры, а затем на верхней стороне этой пленки строят новый «нижний» набор электродов. Благодаря этому верхний электрод первой структуры будет работать в сочетании с нижним электродом следующей структуры, чтобы получился дополнительный запоминающий слой с плотностью размещения 2f² (или f²) (хотя занимаемая площадь будет соответствовать площади одной ячейки памяти). Так как для этого требуется только одна стадия маскирования, результирующий пакет с плотностью размещения f² (1/2 f²) потребует всего 3 стадии маскирования, хотя при вертикальной архитектуре для такой же плотности размещения потребовалось бы 6 (или 12) стадий маскирования (2 двойных или 4 двойных слоя) (число стадий маскирования указано без учета масок межслойных соединений). Добавляя верхний электрод ко второй структуре, получают плотность 2/3 f², новый «нижний» электрод обеспечивает плотность размещения 1/3 f² и т. д.

Если ограничиться структурой первого набора электродов (электродного слоя), вытравить изолирующий материал и произвести заполнение полимерной пленкой, то не будет иметь места никакой обработки по полимеру. Таким образом, можно построить структуру с плотностью 2f² (или f²) без нарушения целостности полимера последующими процессами осаждения - это как раз то, что можно считать большим преимуществом благодаря сохранению структуры, оптимальной для изготовления запоминающих устройств.

Так как между наложением слоев электродов выполняются операции выравнивания (планаризации), добавление очередных слоев не будет приводить к потере однородности плотности расположения элементов и однородности пленки в ходе фотолитографического процесса. Это также означает, что если не учитывать потенциальные сложности, связанные с межслойными и прочими соединениями, то технически нет никаких ограничений по количеству слоев, которые могут быть собраны в пакет таким способом. Данная ситуация отличается от вертикальной архитектуры, при которой с каждым последующим слоем осуществлять выравнивание становится все труднее.

Еще один подход к построению ячеек, переключаемых в поперечном направлении, заключается в следующем. Вначале строят параллельные нижние электроды, при этом каждый электрод, с отступлением на один шаг фотолитографической сетки, оснащают «пальцевидными» выступающими участками. На этих электродах строят еще один набор электродов, в той же самой плоскости (на том же уровне подложки), причем эти верхние электроды при каждом пересечении как бы «перетекают» через нижние электроды. Ячейки определяются областями, где происходит взаимное перекрытие «пальцевидных» выступов и верхних электродов. Таким образом, расстояние между ними определяет «толщину пленки». Другими словами, расстояние в поперечном направлении между пальцевидным выступом и верхними электродами определяют требуемое коэрцитивное поле. Чтобы сделать это расстояние достаточно малым (желательно, менее 0,06 мкм), чего трудно добиться фотолитографией, можно использовать несколько приемов. Один из них состоит в том, что верхние электроды «смещают» относительно нижних электродов, например, менее чем на 0,06 мкм, при этом такое смещение/отклонение затем и образует «толщину пленки» в вертикальной структуре ячейки. Может быть использован и другой подход к построению - с плотными электродами/барьерным слоем.

Могут использоваться различные варианты вышеописанного подхода с целью получения более высокой удельной площади ячеек. Один из этих вариантов состоит в том, что пальцевидные выступы располагают дальше друг от друга, например, их формирование разносят на два шага фотолитографической сетки. Это дает возможность производить переключение ячейки с обеих сторон «пальца», так как теперь выступы с каждой стороны будут окружены двумя отдельными верхними электродами. Чтобы получить увеличенную плотность ячеек, для построения более плотных верхних электродов можно также использовать идею плотной сетки электродов.

1. Прибор с возможностью матричной адресации, содержащий одно или более запоминающих устройств с ячейками (5) памяти, выполненными с возможностью переключения в нескольких направлениях, организованными в виде массива пассивных элементов с возможностью матричной адресации и содержащими запоминающую среду в виде ферроэлектрического или электретного тонкопленочного запоминающего материала, способного к поляризации под действием приложенного электрического поля и проявляющего гистерезисные свойства, при этом, по меньшей мере, одно запоминающее устройство содержит, по меньшей мере, два, но не более чем три набора (Е) электродов, причем первый набор (Е) электродов указанного, по меньшей мере, одного запоминающего устройства, являющегося либо единственным запоминающим устройством прибора, либо первым из двух или большего числа содержащихся в нем запоминающих устройств, снабжен изолирующей подложкой (1), отличающийся тем, что первый набор (Е1) электродов содержит параллельные пространственно разделенные полосковые электроды (ε1) шириной w и высотой Н, пространственно отделенные и электрически изолированные друг от друга участками (2а) изолирующего тонкопленочного материала, находящегося между электродами (ε1) и покрывающего их боковые кромки в виде слоя толщиной δ, составляющей малую часть ширины w электрода, а электроды (ε1) имеют большое отношение H/w высоты профиля к ширине, причем первый набор (E1) электродов содержит на верхней поверхности множество параллельных канавок (3), которые ориентированы перпендикулярно продольной оси электродов (ε1), имеют ширину, примерно равную ширине w электродов, и углублены вниз от верхней поверхности электродов (ε1) на расстояние h, составляющее около половины высоты Н электрода, при этом канавки (3) отделены одна от другой расстоянием, примерно равным ширине w электродов, а, по меньшей мере, боковые стенки канавок (3) покрыты тонкой пленкой (4а) запоминающего материала, тогда как их нижняя поверхность покрыта изолирующей тонкой пленкой (4b), которая также может быть выполнена из запоминающего материала, при этом в канавках (3) находятся электроды (s2), составляющие второй набор (Е2) электродов, которые контактируют и граничат с тонкопленочным запоминающим материалом (4а, 4b), так что помещенный в канавки (3) запоминающий материал образует ячейки (5) памяти запоминающего устройства, а индивидуальная ячейка (5) памяти в каждом случае определяется объемом запоминающего материала, расположенного между одним электродом (ε1) из первого набора электродов и одним электродом (ε2) из второго набора электродов в зоне их пересечения, благодаря чему имеется возможность приводить ячейку (5) памяти в поляризованное состояние и переключать в поперечных направлениях перпендикулярно боковым стенкам канавки (3) и в третьем направлении, перпендикулярном нижней поверхности канавки (3), при условии, что указанная нижняя поверхность также покрыта запоминающим материалом.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно запоминающее устройство содержит третий набор (Е3) электродов, при этом поверх верхних поверхностей электродов (ε1, ε2) первого и второго наборов (E1, E2) электродов нанесена изолирующая тонкая пленка (4), которая, по меньшей мере, в своей части (4с), покрывающей верхние поверхности электродов (ε2) второго набора (E2) электродов, выполнена из запоминающего материала, причем электроды (ε3) третьего набора (Е3) электродов аналогично электродам первого набора (Е1) электродов находятся в контакте и граничат с изолирующей тонкой пленкой (4) и ориентированы в том же направлении, что и электроды первого набора, перпендикулярно электродам (ε2) второго набора (Е2), так что любой электрод (ε3) третьего набора (Е3) электродов совмещен по вертикали с соответствующим электродом (ε1) первого набора (Е1) электродов, а каждая ячейка (5) памяти определяется тонкой пленкой (4а, 4b, 4с) запоминающего материала, покрывающей электрод (ε2) второго набора (Е2) в зоне его пересечения с электродами (ε1, ε3) первого и третьего наборов (Е1, Е3), с обеспечением возможности осуществлять поляризацию и переключение любой ячейки (5) памяти в четвертом направлении, перпендикулярном верхней поверхности электрода (ε2) второго набора (Е2) электродов.

3. Прибор по п.2, отличающийся тем, что два или более запоминающих устройств объединены в вертикальный многоуровневый пакет, при этом верхние поверхности электродов (ε3) третьего набора покрыты изолирующей пластиной (1'), а все запоминающие устройства установлены одно над другим и отделены друг от друга изолирующими пластинами (1') с образованием прибора, обеспечивающего возможность объемного хранения данных.

4. Прибор по п.1, отличающийся тем, что два или более запоминающих устройств собраны в вертикальный пакет, при этом электроды первого набора (Е1) и электроды второго набора (Е2) каждого запоминающего устройства совмещены по вертикали с электродами соответствующих наборов (E1, E2) всех других запоминающих устройств, входящих в пакет, а каждое запоминающее устройство в пакете отделено от любого смежного запоминающего устройства посредством нанесенной на верхние поверхности электродов (ε1, ε2) изолирующей тонкой пленки (4), причем изолирующая тонкая пленка (4), по меньшей мере, на тех участках (4с), где электроды (ε2) второго набора (Е2) пересекаются с электродами (ε1) первого набора (Е1) смежного запоминающего устройства, выполняется из запоминающего материала, который на указанных участках (4с) может быть поляризован или переключен в четвертом направлении, перпендикулярном верхней поверхности электродов (ε2) второго набора (Е2), путем приложения электрического поля между указанными электродами и пересекающимися с ними электродами (ε1) первого набора (Е1) смежного запоминающего устройства, а ячейки (5) памяти определяются запоминающим материалом, окружающим электроды (ε2) второго набора (Е2) в местах их пересечения с электродами (ε1) первого набора (Е1) данного запоминающего устройства и смежного запоминающего устройства, входящего в состав пакета, с формированием прибора, способного к объемному хранению данных, причем первый набор (Е1) электродов из второго запоминающего устройства по высоте пакета выполняет функции третьего набора электродов для нижележащего смежного запоминающего устройства.

5. Прибор по п.1, отличающийся тем, что изолирующий тонкопленочный материал представляет собой ферроэлектрический или электретный материал.

6. Прибор по п.1, отличающийся тем, что запоминающий материал является полимерным или сополимерным материалом.

7. Прибор по п.1, отличающийся тем, что изолирующий тонкопленочный материал и запоминающий материал представляют собой один и тот же материал.

8. Прибор по п.7, отличающийся тем, что запоминающий материал является полимерным или сополимерным материалом.