Способ изготовления ячейки памяти в ферроэлектрическом запоминающем устройстве и ферроэлектрическое запоминающее устройство
Изобретение относится к способу изготовления ферроэлектрических ячеек памяти и к ферроэлектрическому запоминающему устройству. Техническим результатом является возможность обеспечения высокой плотности ячеек, а также возможность нанесения верхних электродов без повреждения ферроэлектрического запоминающего материала. Указанное запоминающее устройство содержит ферроэлектрические ячейки памяти, по меньшей мере, два набора электродов, параллельных другим электродам набора, причем электроды одного набора расположены, по существу, ортогонально электродам ближайшего следующего набора электродов. Способ изготовления указанных ячеек памяти в составе указанного запоминающего устройства заключается в том, что формируют первый электрод, содержащий, по меньшей мере, один слой металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой, поверх первого электрода наносят ферроэлектрический слой, состоящий из тонкой пленки ферроэлектрического полимера, а затем на этот ферроэлектрический слой наносят, по меньшей мере, второй электрод, содержащий, по меньшей мере, один слой металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу изготовления ячейки памяти, включающему следующие операции:
(а) обеспечивают наличие подложки, содержащей, по меньшей мере, слой кремния;
путем выполнения операции (б), состоящей в формировании электрода, содержащего, по меньшей мере, один слой металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой, изготавливают первый электрод, находящийся в контакте с подложкой;
путем выполнения операции (в), состоящей в формировании ферроэлектрического слоя, образованного тонкой пленкой ферроэлектрического полимера и находящегося в контакте с электродом, изготовленным на операции (б), изготавливают первый ферроэлектрический слой; и
путем выполнения операции (г), состоящей в формировании электрода, содержащего, по меньшей мере, один слой металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой и находящегося в контакте с ферроэлектрическим слоем, изготовленным на операции (в), изготавливают второй электрод.
Настоящее изобретение относится также к ферроэлектрическому запоминающему устройству, содержащему ферроэлектрические ячейки памяти, способные хранить данные в форме одного из, по меньшей мере, двух состояний поляризации в отсутствие электрического поля, прикладываемого к ячейкам памяти. В устройстве по изобретению имеются, по меньшей мере, один ферроэлектрический слой, образованный тонкой пленкой ферроэлектрического полимера, а также, по меньшей мере, первый и второй наборы электродов, параллельных другим электродам набора. Электроды первого набора расположены, по существу, ортогонально электродам второго набора, причем электроды первого и второго наборов контактируют с ферроэлектрическими ячейками памяти с противоположных сторон указанного, по меньшей мере, одного ферроэлектрического слоя. По меньшей мере, первый и второй наборы электродов выполнены с возможностью осуществления считывания, обновления содержимого или записи в ферроэлектрические ячейки памяти путем подачи на них соответствующих напряжений.
Уровень техники
Ферроэлектрики - это поляризующиеся под действием электрического поля материалы, которые обладают, по меньшей мере, двумя равновесными состояниями вектора спонтанной поляризации в отсутствие внешнего электрического поля и в которых вектор спонтанной поляризации можно переключать между двумя этими ориентациями с помощью электрического поля. Свойство памяти, проявляемое материалами с подобными двумя устойчивыми состояниями остаточной поляризации, может быть использовано в применениях, связанных с запоминанием данных. Одно из состояний поляризации в таком случае рассматривается как соответствующее логической "1", а второе - как соответствующее логическому "0". Типичные схемы памяти с пассивной матричной адресацией реализуются с формированием двух параллельных наборов (решеток) электродов, ориентированных под углом (преимущественно прямым) друг к другу, для того чтобы сформировать матрицу точек скрещивания электродов. Тем самым обеспечивается возможность индивидуального обращения к этим точкам путем селективного возбуждения соответствующих электродов с краев матрицы. Слой ферроэлектрического материала находится между электродными решетками с образованием конденсатороподобной структуры; в результате в ферроэлектрическом материале между скрещивающимися электродами задаются ячейки памяти. При создании разности потенциалов между двумя электродами к ферроэлектрическому материалу в соответствующей ячейке прикладывается электрическое поле, вызывающее в нем поляризационный отклик, который определяется кривой гистерезиса или ее частью. Путем соответствующего подбора направления и уровня электрического поля ячейке памяти можно придать желаемое стабильное логическое состояние. Использование пассивной адресации в устройствах описанного типа обеспечивает простоту изготовления запоминающих устройств и позволяет достичь высокой плотности точек скрещивания электродов, что соответствует высокой плотности ячеек памяти.
Для нанесения слоев различных типов при изготовлении ферроэлектрических запоминающих устройств обычно используют метод распыления. Метод распыления часто применяют для нанесения верхнего и нижнего наборов электродов, а иногда также и для нанесения ферроэлектрического запоминающего слоя. В международной заявке WO 00/01000 описано применение процесса реактивного распыления с использованием магнетрона постоянного тока для создания гладкого нижнего электрода, выполненного, например, из платины. В данном процессе используется смесь инертного газа с газообразным кислородом или азотом. Благодаря этому уменьшается количество неровностей поверхности, таких как острые выступы, и соответственно улучшаются характеристики в отношении усталости, поляризационных свойств и импринтинга. Осуществление подобных процессов вызывает относительно немного проблем применительно к устройствам с ячейками памяти на основе перовскитов и, в частности, титаната-цирконата свинца (lead zirconium titanate - PZT), который является весьма популярным альтернативным материалом. Однако применительно к ферроэлектрическим запоминающим устройствам, использующим в качестве запоминающего материала полимер, необходимо также решить проблему иного типа. Более конкретно, напыление верхнего электрода может повредить ферроэлектрические ячейки памяти. Как следствие, для формирования верхнего электрода требуется какой-то иной метод.
В патенте США №6359289 описано изготовление магнитного устройства с туннельным переходом, в котором изолирующий туннельный переход предпочтительно создается на фиксированном ферромагнитном слое посредством термического испарения. Аналогично принципу действия ферроэлектрических запоминающих устройств два ферромагнитных слоя с каждой стороны изолирующего туннельного перехода способны принимать различные направления намагничивания (т.е. ориентации магнитных моментов). Как следствие, они могут функционировать как энергонезависимая память с произвольным доступом. Изолирующий туннельный переход выполняется, в основном, из оксида или нитрида галлия и/или индия. Кроме того, часть барьерного материала может составлять оксид или нитрид алюминия в форме дополнительного слоя. Предпочтительным методом получения оксида галлия является нанесение галлия с использованием эффузионного источника в присутствии газообразного кислорода или в присутствии более реактивного кислорода, получаемого от источника атомарного кислорода или какого-либо иного источника. Однако проблема, решаемая в данном случае, связана со значительной энергетической высотой барьера, образуемого туннельным переходом. Следовательно, решение, связанное с термическим испарением оксида или нитрида галлия и/или индия, не решает проблемы, возникающей в случае, когда материал электрода должен быть нанесен на нижележащий полимерный слой или образован на этом слое.
Далее, из европейской заявки ЕР 567870 А1 известен ферроэлектрический конденсатор, предназначенный для использования в ферроэлектрическом запоминающем устройстве. Данная публикация в широком смысле описывает нижний электрод сложного состава, содержащий дополнительный слой палладия и контактный слой, например, из платины или из сплава платины с другими металлами. Ферроэлектрическим запоминающим материалом в данном случае является неорганический материал, например титанат-цирконат свинца (PZT), который хорошо известен специалистам в рассматриваемой области. Верхний электрод, расположенный с противоположной стороны, также может иметь сложный состав и содержать платину или ее сплав с другими металлами. Поскольку ферроэлектрический материал в любом из вариантов является неорганическим материалом, таким как PZT, термическая несовместимость между этим материалом и способом нанесения верхнего электрода не представляет проблемы.
Раскрытие изобретения
Таким образом, основной задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа изготовления электродного слоя для ячеек памяти в ферроэлектрическом запоминающем устройстве. Более конкретно, изобретение решает задачу разработки способа изготовления верхнего электродного слоя для ячеек памяти в ферроэлектрическом запоминающем устройстве. Еще более конкретно, задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в разработке способа нанесения металла для получения верхнего электрода на слое ферроэлектрического запоминающего материала, представляющего собой ферроэлектрический полимер.
Еще одна задача заключается в создании ферроэлектрического запоминающего устройства, изготовленного с использованием способа согласно изобретению.
Перечисленные задачи, а также другие свойства и преимущества достигаются согласно изобретению с помощью способа, который характеризуется тем, что при выполнении операции (г) формируют один из металлооксидных слоев или единственный металлооксидный слой в вакуумной камере путем помещения источника испаряемого высокочистого материала в эффузионную ячейку, установленную внутри вакуумной камеры, и термического испарения высокочистого материала из эффузионной ячейки на поверхность первого ферроэлектрического слоя при наличии в вакуумной камере рабочего газа при первом давлении. Далее при выполнении указанной операции уменьшают давление рабочего газа в вакуумной камере и формируют один из слоев металла или единственный слой металла путем термического испарения указанного высокочистого материала из эффузионной ячейки на поверхность указанного одного из металлооксидных слоев или единственного металлооксидного слоя при наличии в вакуумной камере рабочего газа при втором давлении.
В предпочтительном варианте способа по изобретению перед нанесением первого электрода на слое кремния подложки формируют изолирующий слой диоксида кремния, так что первый электрод формируют в контакте с этим слоем диоксида кремния.
Согласно предпочтительному варианту испаряемый высокочистый материал является высокочистым титаном. Предпочтительно также, чтобы указанный, по меньшей мере, один слой металла второго электрода являлся слоем титана. Указанный, по меньшей мере, один металлооксидный слой является при этом слоем оксида титана или диоксида титана, или слоем, состоящим из оксида титана и диоксида титана.
Рабочим газом предпочтительно является газообразный кислород или смесь, по меньшей мере, газообразного кислорода и газообразного азота. В последнем случае газообразный кислород составляет менее 50% рабочего газа по объему, а газообразный азот составляет более 50% рабочего газа по объему. Желательно при этом, чтобы газообразный кислород и газообразный азот составляли соответственно менее 50% и более 50% рабочего газа по объему. В предпочтительном варианте содержание газообразного кислорода составляет 15-25% рабочего газа по объему.
Рекомендуемое давление газа в вакуумной камере выбирают в интервале 1,3·10-4-0,133 Па.
Рекомендуется также, чтобы эффузионная ячейка содержала тигель, изготовленный из углерода в форме графита. Тигель в таком исполнении может быть нагрет при осуществлении термического испарения высокочистого материала до температуры 1600-1900°С.
Предпочтительный вариант способа по изобретению дополнительно включает следующие операции:
путем выполнения операции (д), состоящей в формировании ферроэлектрического слоя, образованного тонкой пленкой ферроэлектрического полимера и находящегося в контакте с электродом, изготовленным на операции (г), изготавливают второй ферроэлектрический слой;
путем выполнения операции (е), состоящей в формировании электрода, содержащего, по меньшей мере, один слой металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой и находящегося в контакте с ферроэлектрическим слоем, изготовленным на операции (д), изготавливают третий электрод,
путем выполнения операции (ж), состоящей в формировании диэлектрического промежуточного слоя, образованного диэлектрическим материалом и находящегося в контакте с электродом, изготовленным на операции (е), изготавливают первый диэлектрический промежуточный слой; и
путем выполнения операции (з), состоящей в повторении операций (б)-(ж), изготавливают четвертый, пятый и шестой электроды, третий и четвертый ферроэлектрические слои и второй диэлектрический промежуточный слой.
Однако более предпочтительно, чтобы операцию (з) повторили еще два раза (т.е. всего три раза), в результате чего будут сформированы двенадцать электродов, восемь ферроэлектрических слоев и четыре диэлектрических промежуточных слоя. В этом случае способ по изобретению включает также операцию (и) формирования тринадцатого электрода, содержащего, по меньшей мере, один слой металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой. Данный тринадцатый электрод электрически соединяют с, по меньшей мере, двумя другими электродами.
Настоящее изобретение охватывает также упомянутое выше ферроэлектрическое запоминающее устройство, которое характеризуется тем, что имеющийся в нем первый набор электродов содержит, по меньшей мере, один слой металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой. При этом данный набор электродов выполнен примыкающим к подложке и находящимся в контакте со слоем кремния или, при его наличии, с изолирующим слоем диоксида кремния. Второй набор электродов в устройстве по изобретению содержит, по меньшей мере, один слой металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой. Данный второй набор электродов выполнен примыкающим к ферроэлектрическому слою и находящимся в контакте с ним. При этом второй набор электродов сформирован в вакуумной камере путем термического испарения высокочистого материала из эффузионной ячейки на поверхность указанного ферроэлектрического слоя при наличии в вакуумной камере рабочего газа при первом давлении и при втором давлении.
В соответствии с предпочтительным вариантом устройство по изобретению содержит три или более наборов электродов и, по меньшей мере, два ферроэлектрических слоя. Каждый набор электродов выполнен смежным и находящимся в контакте с, по меньшей мере, одним ферроэлектрическим слоем, тогда как каждый ферроэлектрический слой расположен между двумя наборами электродов и находится в контакте с ними.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение далее будет описано более подробно с обсуждением вариантов его осуществления, приводимых в качестве примеров, и со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 схематично изображена кривая гистерезиса для ферроэлектрического запоминающего материала.
Фиг.2а схематично иллюстрирует принцип построения устройства с пассивной матричной адресацией, у которого имеются первые и вторые ортогональные скрещивающиеся электроды, выполненные в виде соответствующих параллельных наборов электродов, образующих электродные решетки.
На фиг.2b представлено устройство по фиг.2а, в котором ячейки памяти содержат ферроэлектрический материал, находящийся между скрещивающимися электродами.
Фиг.3 представляет собой блок-схему запоминающего устройства согласно предпочтительному варианту изобретения.
На фиг.4 схематично, частично в сечении, представлена эффузионная ячейка, используемая при реализации одного из вариантов способа по изобретению.
На фиг.5 схематично изображено сечение ферроэлектрической ячейки памяти, используемой в одном из вариантов запоминающего устройства по изобретению.
На фиг.6 схематично изображено сечение стопы, образованной четырьмя ферроэлектрическими ячейками памяти, используемыми в другом варианте запоминающего устройства по изобретению.
Осуществление изобретения
Перед тем, как настоящее изобретение будет рассмотрено со ссылками на предпочтительные варианты его осуществления, предлагается краткое описание его основных принципов, в основном, применительно к структуре ферроэлектрических запоминающих устройств с матричной адресацией и к порядку адресации к таким устройствам при считывании.
На фиг.1 изображена кривая 100 гистерезиса для ферроэлектрического материала, на которой поляризация Р представлена в виде функции напряжения V. Положительная поляризация насыщения обозначена, как PS, а отрицательная - как -PS. Через PR и -PR обозначены соответственно значения положительной и отрицательной остаточной поляризации, т.е. два устойчивых состояния поляризации, которые могут иметь место в ферроэлектрической ячейке памяти и которые могут быть использованы для представления (как это обычно делается) логических значений "1" и "0". VC и -VC обозначают соответственно положительное и отрицательное коэрцитивное напряжение. Должно быть понятно, что представление поляризации в качестве функции напряжения используется из чисто практических соображений. В общем случае напряжение может быть заменено напряженностью Е электрического поля; тогда ЕC и -ЕC будут соответственно обозначать напряженность положительного и отрицательного коэрцитивного поля для ферроэлектрического материала. При этом соответствующее значение напряжения может быть рассчитано путем умножения напряженности на толщину ферроэлектрического слоя в конкретной ячейке памяти. Значения PS и -PS поляризации насыщения будут достигаться каждый раз, когда ячейка памяти подвергается воздействию соответственно номинальных переключающих напряжений VS и -VS, которые превышают соответственно значения VC и -VC коэрцитивного напряжения. Как только приложенное напряжение будет снято, ферроэлектрический материал начнет релаксировать с возвращением соответственно к одному из двух состояний PR и -PR остаточной поляризации, которые дополнительно обозначены, как точки 110 и 112 соответственно на гистерезисной кривой.
Изменение направления поляризации, например переход от остаточной положительной поляризации (из точки 110), осуществляется приложением отрицательного электрического поля с напряженностью -ES, соответствующего отрицательному напряжению -VS. Данные напряженность и напряжение могут соответственно рассматриваться как переключающее поле и переключающее напряжение. В результате ферроэлектрический материал достигнет отрицательной поляризации -PS, а затем отрелаксирует до достижения состояния -PR поляризации, противоположного начальному. И наоборот, положительное переключающее поле ES (или положительное переключающее напряжение VS) способно изменить отрицательное состояние -PR на положительное состояние PR. Использование протоколов переключения подобного типа, известных также как импульсные протоколы, задает значение напряженности электрического поля путем приложения напряжения к матричной памяти при осуществлении операций записи и считывания.
На фиг.2а представлена матрица ортогональных скрещивающихся электродов. В соответствии с принятой терминологией горизонтальные электроды (соответствующие строкам матрицы) будут далее именоваться управляющими линиями (word lines, WL) и обозначаться, как 200. Вертикальные электроды (соответствующие столбцам матрицы) будут далее именоваться линиями данных (bit lines, BL) и обозначаться, как 210. Как это видно из фиг.2а, в рассматриваемой матрице имеются m управляющих линий и n линий данных. Другими словами, данная матрица имеет размерность m·n; соответственно, в точках скрещивания управляющих линий WL и линий BL данных могут быть образованы m·n ячеек памяти. На фиг.2b (где часть матрицы по фиг.2а представлена на виде сверху) одна из ячеек памяти, расположенная между скрещивающимися управляющей линией WL и линией BL данных, обозначена, как 220. Данная ячейка, содержащая ферроэлектрический материал, образует диэлектрическую конденсатороподобную структуру, в которой указанные управляющая линия WL и линия BL данных образуют соответственно электроды 200 и 210. При осуществлении операций активации и детектирования производится активация управляющих линий 202 и линий 212 данных, которые становятся соответственно активными управляющими линиями AWL и активными линиями ABL данных. При этом может быть осуществлена подача напряжения, которое является достаточно большим, чтобы обеспечить переключение направления поляризации в заданной ячейке памяти (типа изображенной на фиг.2b). Такое переключение может быть произведено либо с целью задать конкретное требуемое направление поляризации в ячейке (что соответствует операции записи), либо для определения или отслеживания направления поляризации (что соответствует операции считывания). Ферроэлектрический материал или ферроэлектрический слой, расположенный между электродами, как уже упоминалось, функционирует, как ферроэлектрический конденсатор.
Следовательно, выбор ячейки 220 памяти осуществляется созданием потенциалов на ассоциированных с ней управляющей линии 202 и линии 212 данных, т.е. на активной управляющей линии AWL и активной линии ABL данных, таким образом, чтобы разность потенциалов соответствовала номинальному значению переключающего напряжения VS. Одновременно необходимо следить за тем, чтобы остальные управляющие линии и линии данных, например, обозначенные на фиг.2b, как 200 и 210 соответственно, т.е. скрещивающиеся на неадресуемых ячейках 220 памяти, находились под контролируемым электрическим потенциалом с тем, чтобы удерживать на этих неадресуемых ячейках 220 так называемые мешающие напряжения на минимальном уровне.
С учетом того, что способ согласно изобретению реализуется применительно к ферроэлектрическим запоминающим устройствам и особенно к устройствам, в которых запоминающим материалом является ферроэлектрический полимер, далее с целью облегчения понимания функционирования подобного устройства будет описан конкретный пример его осуществления.
Фиг.3 иллюстрирует в форме упрощенной блок-схемы общую структуру и функциональные элементы ферроэлектрического запоминающего устройства с матричной адресацией, которое может быть адаптировано к использованию настоящего изобретения, т.е. которое может быть реализовано с использованием способа согласно изобретению. Блок 310 памяти содержит запоминающую матрицу 300, декодеры строк и столбцов 32 и 302 соответственно, усилители 306 считывания, защелки 308 данных и избыточные управляющие линии и линии данных 304, 34. Декодеры строк и столбцов 32, 302 декодируют адреса ячеек памяти, тогда как считывание осуществляется посредством усилителей 306 считывания. Защелки 308 данных удерживают считываемые данные до тех пор, пока их часть или все данные не будут перенесены в управляющий (логический) блок 320. Данные, считанные из блока 310 памяти, будут характеризоваться некоторой частотой появления ошибок по битам, которая может быть уменьшена путем замены дефектных управляющих линий и линий данных в запоминающей матрице 300 на избыточные управляющие линии и линии данных 304, 34. Для того чтобы осуществлять обнаружение ошибок, блок 310 памяти может иметь поля данных, содержащих код с исправлением ошибок.
Управляющий блок 320 обеспечивает цифровой интерфейс для блока 310 памяти и осуществляет управление операциями записи и считывания в запоминающей матрице 300. В управляющем блоке 320 имеются также средства инициализации памяти и логические средства для замещения дефектных управляющих линий и линий данных избыточными управляющими линиями и линиями данных. Контроллер 330 запоминающего устройства связывает управляющий блок 320 с внешними шинами. Генератор напряжения или генератор 340 подкачки заряда генерирует некоторые из напряжений, которые необходимы для выполнения операций записи и считывания. При генерировании требуемых напряжений или для осуществления подкачки заряда независимо от скорости передачи данных в приложении, использующем блок 310 памяти, у генератора 340 подкачки заряда имеется отдельный синхронизирующий вход, связанный с контроллером 330 через осциллятор (не изображен).
Поскольку способ согласно настоящему изобретению относится к формированию электродного слоя посредством термического испарения материала электродов из эффузионной ячейки, далее будет приведен пример реализации и функционирования соответствующей эффузионной ячейки. При этом данная ячейка будет описана в общем виде со ссылкой на фиг.4.
Представленная на фиг.4 эффузионная ячейка 410 содержит, в числе прочих элементов, тигель 420, нагревательные элементы 422, корпус 424, опоры 426 и крышку 428. В процессе использования ячейки в тигель помещают источник 430 испаряемого высокочистого материала, который затем испаряют на подложку 440. Тигель 420 может иметь любую желаемую форму, при этом он может быть изготовлен из любого подходящего тугоплавкого материала, такого как графит, тантал, молибден или пиролитический нитрид бора. Комплект опор 426 удерживает тигель 420 внутри корпуса 424. Для того чтобы осуществить испарение материала источника 430, используют нагревательные элементы 422. Могут быть реализованы различные варианты расположения нагревательных элементов 422. При этом разные варианты выполнения могут отличаться друг от друга как количеством, так и расположением нагревательных элементов 422. В некоторых случаях нагревательные элементы 422 устанавливаются в зоне у выходного окна тигля 420, благодаря чему устраняется конденсация в данной зоне паров материала, испаряемого источником 430.
Корпус 424 и крышка 428 экранируют окружающее пространство от излучаемого тепла. Внутри корпуса 424 может быть установлен термоэлемент, обеспечивающий возможность слежения за изменениями температуры. Эффузионная ячейка 410 вместе с подложкой 440 в рассматриваемом примере помещена в вакуумную камеру 400, которая может быть заполнена рабочим газом. Возможна также работа камеры в условиях вакуума. Подложка 440 установлена в держатель 442, который может быть выполнен поворотным или неподвижным в зависимости от конкретной задачи. Приведенное упрощенное описание может быть дополнено ссылкой на подробные описания, приводимые, например, в патентах США № 6011904 или 6162300, но не накладывающие каких-либо ограничений на осуществление настоящего изобретения.
Конкретные предпочтительные варианты осуществления способа по настоящему изобретению, направленного на формирование электродного слоя в ферроэлектрическом запоминающем устройстве типа рассмотренного выше, будут приведены далее в увязке с более общей проблемой, связанной с возникновением различных дефектов в процессе нанесения электродного слоя посредством распыления поверх запоминающего слоя, изготовленного из полимерного материала. Подобные дефекты и ухудшения свойств будут проявляться, в частности, в том, что запоминающий материал будет обладать низкими поляризационными свойствами и низкими усталостными характеристиками, т.е. проявлять тенденцию к потере приобретенной поляризации и к снижению уровня остаточной поляризации (например, по мере увеличения осуществленных циклов переключения, смены направления поляризации на обратное), как правило, под влиянием мешающих напряжений и паразитных емкостей в массиве ячеек памяти.
В соответствии с изобретением проблему повреждений ферроэлектрического запоминающего слоя и, прежде всего, запоминающего слоя, состоящего из ферроэлектрического полимера, предлагается решить за счет использования термического испарения электродного металлического материала из эффузионной ячейки на ферроэлектрический запоминающий слой. Такое решение предполагает возможность изготовления ферроэлектрического запоминающего устройства с использованием различных методов нанесения слоев. Для формирования ферроэлектрического запоминающего слоя из полимерного материала наилучшим и наиболее широко применяемым способом является нанесение покрытия методом центрифугирования. Комплект нижних электродов, как и в известных решениях, может быть нанесен методом напыления, поскольку кремниевую подложку можно считать термически совместимой с данным методом, т.е. она не будет при этом подвергаться каким-либо повреждениям. Однако для того чтобы избежать повреждения запоминающего материала, в частности полимерного ферроэлектрического запоминающего материала, обладающего низкой температурой плавления (около 200°С), верхний комплект электродов должен формироваться с помощью испарения.
На фиг.5, в сечении, схематично изображена ферроэлектрическая ячейка памяти. Она сформирована на подложке 500 и содержит первый, или нижний электрод 510, первый ферроэлектрический слой 520 и второй, или верхний электрод 530. В первом предпочтительном варианте выполнения подложка 500 состоит из слоя 502 кремния, на котором известным способом образован изолирующий слой 504 диоксида кремния. Для нанесения первого (нижнего) электрода 510 использовано напыление. В качестве материала электродов могут использоваться различные металлы, однако обычно предпочтение отдается титану. Для того чтобы нанести полимерный ферроэлектрический слой 520 посредством центрифугирования, полуфабрикат устройства, т.е. подложку с электродами, необходимо перенести из одной производственной установки в другую. Во время этого переноса имеет место окисление электродов, так что электрод 510 будет состоять из первого слоя 512 металла и расположенного поверх него первого слоя 514 оксида металла (металлооксидного слоя). Однако данный эффект не следует рассматривать как нежелательный. Действительно, первый металлооксидный слой 514 может действовать как барьерный слой, предотвращающий диффузию, или как адгезионный слой, предотвращающий расслаивание, которое способно привести к ухудшению усталостной характеристики или к контактным дефектам.
Затем посредством нанесения центрифугированием полимера поверх нижнего электрода 510 формируют первый ферроэлектрический слой 520. После этого используют способ по настоящему изобретению для того, чтобы нанести второй (верхний) электрод 530 посредством термического испарения. И в этом случае возможно применение различных металлов, но обычно в качестве предпочтительного металла рассматривается титан. Для того чтобы сформировать в составе второго электрода 530 второй металлооксидный слой 534, аналогичный первому металлооксидному слою 514 в составе первого электрода 510, таким образом, чтобы второй металлооксидный слой 534 контактировал с первым ферроэлектрическим слоем 520 и функционировал в качестве адгезионного слоя (или выполнял иные функции), вакуумную камеру 400 в процессе ее работы заполняют рабочим газом. В результате использования в качестве рабочего газа кислорода поверх первого ферроэлектрического слоя 520 будет образовываться слой из оксида титана, диоксида титана или из сочетания оксида и диоксида титана. После того как второй металлооксидный слой 534 достигнет достаточной толщины, давление газа уменьшают и продолжают осуществлять процесс термического испарения при втором давлении рабочего газа, приводящий к формированию слоя 532 чистого металла поверх оксидного слоя 534. После этого устройство снова переносят на другую производственную установку и формируют еще один металлооксидный слой 536 поверх слоя 532 металла.
При формировании второго металлооксидного слоя 534 давление рабочего газа поддерживают в интервале 1,3·10-4-0,133 Па. Давление рабочего газа на протяжении остальной части процесса термического испарения выбирают достаточно низким, для того чтобы избежать образования оксидов, но достаточно высоким, чтобы обеспечить высокую скорость нанесения во время формирования второго слоя 532 металла. Необходимо выбрать компромисс между требуемой чистотой второго слоя 532 металла и временем, необходимым для откачивания вакуумной камеры 400 или для снижения давления в ней до заданного низкого давления. В частности, для получения высококачественных слоев титана, характеризующегося высокой чистотой, второе давление целесообразно выбрать меньшим, чем 6,7·10-5 Па. Выбор второго давления при использовании оксидов других металлов будет определяться как свойствами соответствующих металлов, так и требованиями к качеству слоя металла и электрода в целом. В частности, при отсутствии специальных требований к качеству электрода значение второго давления в типичных случаях может быть увеличено до 1,3·10-4-1,3·10-3 Па.
Как уже было упомянуто, в состав рабочего газа может входить только кислород. Другое альтернативное решение состоит в применении смеси газообразных кислорода и азота. В случае использования смеси содержание кислорода по объему выбирают ниже 50%; соответственно, содержание азота превышает 50%. В предпочтительном варианте содержание кислорода выбирают в интервале 15-25% по объему. В некоторых вариантах рабочий газ может содержать и другие газообразные компоненты.
Для осуществления термического испарения используют тигель 420, изготовленный предпочтительно из углерода в форме графита. Тигель заполняют источником 430 испаряемого материала, который может быть выбран из группы подходящих металлов. Однако, как правило, для этой цели предпочтительным является высокочистый титан. Во время операции испарения тигель 420 будет нагреваться до температуры, составляющей 1600-1900°С.
Способ по изобретению в соответствии с первым примером его осуществления может быть реализован в различных вариантах. Можно, в частности, использовать подложку, содержащую только слой 502 кремния, но не имеющую слоя 504 диоксида кремния. Далее, первый электрод 510, в случае необходимости, может содержать более одного первого слоя 512 металла или более одного первого металлооксидного слоя 514. При этом указанные слои 512, 514 могут быть нанесены в любой подходящей последовательности. Такое выполнение может быть реализовано путем последовательного выполнения процессов нанесения с применением различных металлов или путем изменения рабочего газа, применяемого, например, в эффузионном процессе. Аналогичные варианты выполнения могут быть реализованы и применительно ко второму электроду 530.
Второй предпочтительный вариант осуществления изобретения основан на использовании тех же операций, но предусматривает в сочетании с ними и некоторые дополнительные операции. После последовательного нанесения на подложку первого электрода 510, первого ферроэлектрического слоя 520 и второго электрода 530 процесс нанесения может быть продолжен, как это показано на фиг.6, формированием второго ферроэлектрического слоя 600, третьего электрода 602 и первого диэлектрического промежуточного слоя 604. Используя данный вариант, можно построить ферроэлектрическое запоминающее устройство с ячейками памяти, образующими стопу, причем количество ячеек памяти можно довести до любого желаемого значения или до значения, ограничиваемого практическими соображениями. Первый электрод 510 и второй электрод 530 при этом выполняются таким образом, чтобы между ними могла бы быть создана разность потенциалов. Тем самым обеспечивается возможность влиять на поляризационный отклик первого ферроэлектрического слоя (т.е. запоминающего материала) 520. Аналогичным образом, второй электрод 530 и третий электрод 602 выполняются таким образом, чтобы разность потенциалов, создаваемая между ними, могла быть использована для оказания влияния на поляризационный отклик второго ферроэлектрического слоя 600.
Изоляция, необходимая перед нанесением следующих комплектов электродов и ферроэлектрических слоев, обеспечивается нанесением диэлектрического промежуточного слоя 604. После этого могут быть сформированы следующие ферроэлектрические ячейки памяти, входящие в состав стопы, например, путем нанесения четвертого электрода 606, третьего ферроэлектрического слоя 608, пятого электрода 610, четвертого ферроэлектрического слоя 612, шестого электрода 614 и очередного промежуточного слоя 616. Четвертый электрод 606 и пятый электрод 610 выполняются таким образом, чтобы разность потенциалов, создаваемая между ними, могла быть использована для оказания влияния на поляризационный отклик третьего ферроэлектрического слоя 608. Аналогичным образом, пятый электрод 610 и шестой электрод 614 выполняются таким образом, чтобы разность потенциалов, создаваемая между ними, могла быть использована для оказания влияния на поляризационный отклик четвертого ферроэлектрического слоя 612. При этом изоляция, которую необходимо сформировать перед формированием следующих ячеек памяти, входящих в состав стопы, обеспечивается нанесением диэлектрического промежуточного слоя 616.
Согласно третьему предпочтительному варианту изобретения представляется желательным, чтобы описанные операции способа по изобретению повторялись до формирования ферроэлектрического запоминающего устройства, которое содержит 12 электродов, 8 ферроэлектрических слоев и 4 изолирующих слоя, выполненных в виде диэлектрических промежуточных слоев. После этого может быть нанесен тринадцатый электрод, который обеспечит электрический контакт между различными участками в составе ферроэлектрического запоминающего устройства.
За счет использования способа согласно настоящему изобретению становится возможным изготовить ферроэлектрическое запоминающее устройство с высокой плотностью ячеек в рамках объемной, или трехмерной архитектуры. В традиционных известных устройствах для каждого ферроэлектрического запоминающего слоя используются два набора электродов, т.е. нижние и верхние электроды и, в дополнение к ним, изолирующие промежуточные слои. Это означает, что для запоминающего устройства с 8 ферроэлектрическими (запоминающими) слоями требуется 16 электродных слоев и 8 диэлектрических (промежуточных) слоев, т.е. всего в устройстве будет 32 слоя. Благодаря использованию варианта устройства, в котором верхний электрод для первого запоминающего слоя образует нижний электрод для второго запоминающего слоя и т.д., для 8 ферроэлектрических слоев потребуется только 9 электродных слоев и, возможно, еще один верхний изолирующий слой, т.е. всего 18 слоев.
Таким образом, будет сформировано устройство, содержащее 18 слоев, но обладающее тем недостатком, что адресация к ячейкам памяти не может быть осуществлена одновременно (т.е. параллельно) во всех ферроэлектрических слоях. Самое большее, адресация возможна одновременно к каждому второму слою. Дополнительный недостаток заключается в увеличении возможности токов утечки и нежелательных емкостных связей. Запоминающее устройство по настоящему изобретению обеспечивает возможность компромисса, позволяя получить для 8 запоминающих слоев общее количество слоев, равное 24, но с улучшенными возможностями адресации. Действительно, использование четырех изолирующих (промежуточных) слоев обеспечивает лучшую защиту против нежелательных связей, например, в виде паразитных емкостей, возникающих между запоминающими слоями в объемной структуре. Кроме того, за счет осуществления изобретения верхние электроды для соответствующего ферроэлектрического (запоминающего) слоя можно нанести, не повреждая в процессе нанесения ферроэлектрический запоминающий материал. Это обстоятельство является весьма важным, когда данный ферроэлектрический слой образован материалом с низкой температурой плавления, таким как ферроэлектрический полимер.
1. Способ изготовления ячейки памяти, включающий следующие операции:
(а) обеспечивают наличие подложки, содержащей, по меньшей мере, слой кремния,
путем выполнения операции (б), состоящей в формировании электрода, содержащего, по меньшей мере, один слой металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой, изготавливают первый электрод, находящийся в контакте с подложкой,
путем выполнения операции (в), состоящей в формировании ферроэлектрического слоя, образованного тонкой пленкой ферроэлектрического полимера и находящегося в контакте с электродом, изготовленным на операции (б), изготавливают первый ферроэлектрический слой и
путем выполнения операции (г), состоящей в формировании электрода, содержащего, по меньшей мере, один слой металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой и находящегося в контакте с ферроэлектрическим слоем, изготовленным на операции (в), изготавливают второй электрод,
причем при выполнении операции (г) формируют один из металлооксидных слоев или единственный металлооксидный слой в вакуумной камере путем помещения источника испаряемого высокочистого материала в эффузионную ячейку, установленную внутри вакуумной камеры, и термического испарения высокочистого материала из эффузионной ячейки на поверхность первого ферроэлектрического слоя при наличии в вакуумной камере рабочего газа при первом давлении, уменьшают давление рабочего газа в вакуумной камере и формируют один из слоев металла или единственный слой металла путем термического испарения указанного высокочистого материала из эффузионной ячейки на поверхность указанного одного из металлооксидных слоев или единственного металлооксидного слоя при наличии в вакуумной камере рабочего газа при втором давлении.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на слое кремния подложки формируют изолирующий слой диоксида кремния, а первый электрод формируют в контакте с изолирующим слоем диоксида кремния.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанный испаряемый высокочистый материал является высокочистым титаном.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что указанный, по меньшей мере, один слой металла второго электрода является слоем титана, а указанный, по меньшей мере, один металлооксидный слой является слоем оксида титана или диоксида титана или слоем, состоящим из оксида титана и диоксида титана.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что рабочим газом является газообразный кислород.
6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что рабочим газом является смесь, по меньшей мере, газообразного кислорода и газообразного азота.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что газообразный кислород составляет менее 50% рабочего газа по объему, а газообразный азот составляет более 50% рабочего газа по объему.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что газообразный кислород составляет 15-25% рабочего газа по объему.
9. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что первое давление газа в вакуумной камере выбирают в интервале 1,3.10-4 - 0,133 Па.
10. Способ по п.3, отличающийся тем, что эффузионная ячейка содержит тигель, изготовленный из углерода в форме графита.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что при осуществлении термического испарения указанного высокочистого материала тигель нагревают до температуры 1600-1900°С.
12. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно включает следующие операции:
путем выполнения операции (д), состоящей в формировании ферроэлектрического слоя, образованного тонкой пленкой ферроэлектрического полимера и находящегося в контакте с электродом, изготовленным на операции (г), изготавливают второй ферроэлектрический слой,
путем выполнения операции (е), состоящей в формировании электрода, содержащего, по меньшей мере, один слой металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой и находящегося в контакте с ферроэлектрическим слоем, изготовленным на операции (д), изготавливают третий электрод,
путем выполнения операции (ж), состоящей в формировании диэлектрического промежуточного слоя, образованного диэлектрическим материалом и находящегося в контакте с электродом, изготовленным на операции (е), изготавливают первый диэлектрический промежуточный слой и
путем выполнения операции (з), состоящей в повторении операций (б)-(ж), изготавливают четвертый, пятый и шестой электроды, третий и четвертый ферроэлектрические слои и второй диэлектрический промежуточный слой.
13. Способ по п.12, отличающийся тем, что путем двукратного повторения операции (з) изготавливают с седьмого по двенадцатый электроды, с пятого по восьмой ферроэлектрические слои, а также третий и четвертый диэлектрические промежуточные слои, после чего формируют тринадцатый электрод, содержащий, по меньшей мере, один слой металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой, причем указанный тринадцатый электрод электрически соединяют с, по меньшей мере, двумя другими электродами.
14. Ферроэлектрическое запоминающее устройство, содержащее ферроэлектрические ячейки памяти, способные хранить данные в форме одного из, по меньшей мере, двух состояний поляризации в отсутствие электрического поля, прикладываемого к ячейкам памяти, при этом в устройстве имеются, по меньшей мере, один ферроэлектрический слой (520), образованный тонкой пленкой ферроэлектрического полимера, а также, по меньшей мере, первый и второй наборы электродов (510, 530), параллельных другим электродам набора, причем электроды (510) первого набора расположены, по существу, ортогонально электродам (530) второго набора и электроды (510, 530) первого и второго наборов контактируют с ферроэлектрическими ячейками памяти с противоположных сторон указанного, по меньшей мере, одного ферроэлектрического слоя (520), при этом, по меньшей мере, первый и второй наборы электродов (510, 530) выполнены с возможностью осуществления считывания, обновления содержания или записи в ферроэлектрические ячейки памяти путем подачи на них соответствующих напряжений, при этом первый набор электродов (510) содержит, по меньшей мере, один слой (512) металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой (514) и выполнен примыкающим к указанной подложке (500), второй набор электродов (530) содержит, по меньшей мере, один слой (532) металла и, по меньшей мере, один металлооксидный слой (534) и выполнен примыкающим к указанному ферроэлектрическому слою и находящимся в контакте с ним, второй набор электродов (530) сформирован в вакуумной камере (400) путем термического испарения высокочистого материала из эффузионной ячейки (410) на поверхность указанного ферроэлектрического слоя (520) при наличии в вакуумной камере рабочего газа при первом давлении и при втором давлении.
15. Запоминающее устройство по п.14, отличающееся тем, что подложка (500) содержит слой (502) кремния или слой (502) кремния с образованным на нем изолирующим слоем (504) диоксида кремния.
16. Запоминающее устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что содержит три или более наборов электродов (510, 530, 602,...) и, по меньшей мере, два ферроэлектрических слоя (520, 600,...), причем каждый набор электродов выполнен смежным и находящимся в контакте с, по меньшей мере, одним ферроэлектрическим слоем (520, 600,...), а каждый ферроэлектрический слой расположен между двумя наборами электродов (510, 530; 530, 602;...) и находится в контакте с ними.
