Трехмерное запоминающее устройство

Трехмерное запоминающее устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к ферроэлектрическому или электретному трехмерному (объемному) запоминающему устройству, в котором ферроэлектрический или электретный материал находится между первым и вторым электродными слоями, содержащими соответственно первые и вторые полосковые электроды, образующие соответственно управляющие шины (линии) и шины (линии) данных запоминающего массива с матричной адресацией. При этом управляющие шины и шины данных этого массива расположены под прямым углом, а ячейки памяти задаются в объеме запоминающего материала в зонах между скрещивающимися управляющими шинами и шинами данных. Множество подобных запоминающих массивов собрано, по меньшей мере, в одну стопу, которая образует запоминающее устройство с трехмерной структурой.

В более широком смысле настоящее изобретение относится также к устройствам хранения и/или обработки данных, основанным на использовании тонких ферроэлектрических пленок.

Уровень техники

Среди известных решений не было выявлено ни одного, которое бы непосредственно относилось к принципу переплетения/складывания, на котором основано настоящее изобретение. Тем не менее, для того, чтобы поместить изобретение в контекст существующих разработок и обрисовать задачу, решаемую изобретением, далее будет кратко охарактеризован общий уровень техники в соответствующей области.

Интегральные схемы памяти обладают тем преимуществом перед обычными магнитными, оптическими и другими известными устройствами хранения данных, что они позволяют очень быстро производить операции считывания и записи. Кроме того, эти схемы являются твердотельными, имеют приемлемо низкое энергопотребление и могут обеспечить очень высокие скорости переноса данных. Их недостатками являются ограниченная емкость при хранении данных и относительно высокие затраты в расчете на один байт памяти. В связи с трудностями последующего наращивания емкости и с малыми размерами (как правило, не превышающими 1 см²/чип) названные недостатки едва ли будут устранены в предвидимом будущем.

Была предложена концепция твердотельной памяти, которая преодолевает описанные выше ограничения благодаря использованию гибридных чипов кремний/полимер. Данная концепция предусматривает формирование стоп тонких слоев полимерных пленок на кремниевых подложках с обеспечением доступа к слоям запоминающего материала с пассивной матричной адресацией через контуры, выполненные на подложке. Проблема, связанная с данным решением, состоит в том, что количество запоминающих слоев в стопе обычно ограничено 8-16 слоями. Увеличение этого количества технически возможно, но практически нецелесообразно для большинства применений, соответствующих массовому производству. Негативными факторами в рассматриваемом случае являются: рост непроизводительных затрат и затрат, связанных с драйверными контурами (в частности, с декодерами и считывающими усилителями); снижение выхода годных изделий в связи с увеличением количества технологических операций; проблемы, связанные с планаризацией, когда количество запоминающих слоев превышает указанный выше порог; а также увеличение количества операций, приводящее к увеличению риска нежелательных последствий для нижележащих полимерных слоев, состоящих в ухудшении их функциональных возможностей.

Концепции гибридной памяти свойственен также дисбаланс в том смысле, что изготовление ее кремниевой части является сложным и требует использования передовой (пусть даже и стандартной) технологии производства, тогда как построение стопы, образующей память, само по себе является весьма простой и недорогой процедурой, которая потенциально может выполняться вне специально оборудованных производственных участков и с использованием нелитографических средств. Однако, если стопы слоев строятся на кремнии, имеет место комбинация вышеперечисленных факторов, приводящая к повышению стоимости и к ограничению производительности. В результате более экономически эффективным становится обеспечение того же объема памяти с использованием двух или более чипов.

Кроме того, процедура, применяемая для нанесения запоминающих пленок на кремний, на практике ограничена только простым центрифугированием. Такая технология нанесения имеет несколько преимуществ; однако, она может вызывать нежелательные побочные эффекты, включая создание внутренних напряжений, превышающих желаемый уровень, проблемы контролирования морфологии и однородности пленки и др. Один из вариантов улучшения морфологии состоит в вытягивании пленок; однако, он не может быть применен к гибридным устройствам. Другой вариант заключается в отжиге пленок под высоким давлением. Однако его применение также ограничено (в случае использования метода центрифугирования и жестких подложек (таких, как кремний)).

В связи с ограничением площади поверхности устройств на базе кремния единственным приемлемым методом их профилирования является стандартная микролитография, обеспечивающая требуемое значение шага строки. В связи с этим исключаются недорогие нелитографические инструменты профилирования, такие как струйная печать и микропрофилирование.

Еще одна проблема, присущая концепции гибридных устройств, связана с монтажом, особенно с пайкой, которая требует температур, существенно превышающих температуру плавления полимеров (т.е. более 60°С). Будучи подвергнуты температурам, превышающим их температуру плавления, полимеры не обязательно подвергаются деструкции. Однако для восстановления свойств пленки в этом случае необходима дополнительная обработка (повторный отжиг). Более проблематичны явления, имеющие место в интерфейсе электрод/пленка. Этот интерфейс легко разрушается, когда полимер переходит в жидкую фазу. Данная проблема становится существенной в случае применения многослойных стоп.

Значительное влияние на свойства пленок имеет также нанесение электродов. Так, нанесение верхнего электрода может оказать неблагоприятное воздействие на интерфейс нижнего электрода, например, за счет запуска нежелательного переноса ионов, который может способствовать развитию усталостных процессов в полимерных пленках. Возможно также индуцирование цепных морфологических дефектов.

Раскрытие изобретения

С учетом рассмотренных недостатков первая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании новой архитектуры для твердотельных тонкопленочных устройств, с помощью которых эффективная площадь, пригодная для хранения и/или обработки данных, может быть увеличена за счет формирования стопы индивидуальных слоев с получением плотной объемной структуры.

Вторая задача заключается в том, чтобы найти путь к практической реализации указанного принципа формирования стопы при сохранении возможности индивидуальной адресации зон внутри стопы посредством ограниченного количества электрических соединений, которые доступны снаружи стопы.

Третьей задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание стоп, содержащих множество матриц, каждая из которых содержит большое количество ячеек на основе тонких пленок, индивидуально адресуемых посредством матричной адресации.

Четвертая задача состоит в получении индивидуальных стоп в форме модульных блоков, пригодных для интегрирования в устройства, имеющие специализированные функции, и/или в более крупные блоки, которые имеют емкость, соответствующую двум или более отдельным блокам на основе стопы.

Пятая задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в применении концепции формирования стоп к изготовлению устройств хранения и/или обработки данных, которые содержат составные части, требующие для своего изготовления взаимно несовместимых операций.

Решение перечисленных задач, а также новые свойства и преимущества достигнуты созданием запоминающего устройства по изобретению, которое характеризуется тем, что стопа запоминающих массивов сформирована из двух или более ленточных конструкций, которые сложены с наложением одна на другую или переплетены одна с другой. Каждая ленточная конструкция содержит гибкую подложку из неэлектропроводящего материала, а также, по меньшей мере, один электродный слой, нанесенный на подложку. Единственный или каждый электродный слой содержит параллельные полосковые электроды, расположенные по длине ленточной конструкции. Ленточная конструкция содержит также слой запоминающего материала, покрывающий один электродный слой и расположенный без разрывов от кромки до кромки ленточной конструкции. При этом каждый запоминающий массив в составе стопы образован частями пары смежных ленточных конструкций, которые сложены с наложением одна на другую или переплетены одна с другой таким образом, что являются взаимно ортогональными в зоне взаимного скрещивания. Управляющие шины и шины данных запоминающего массива в составе стопы находятся в первой ленточной конструкции из пары смежных ленточных конструкций, тогда как шины данных находятся во второй ленточной конструкции из пары смежных ленточных конструкций.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет далее описано более подробно со ссылками на предпочтительные варианты осуществления и на прилагаемые чертежи.

На фиг.1а представлено продольное сечение ленточной конструкции, используемой в настоящем изобретении.

На фиг.1b та же конструкция представлена в поперечном сечении.

На фиг.1с приведен пример двух скрещенных ленточных конструкций, контактирующих одна с другой с образованием запоминающего массива в зоне их взаимного наложения.

На фиг.2а представлен пример стопы из ленточных конструкций согласно изобретению.

На фиг.2b представлен вариант осуществления изобретения с использованием двух стоп, подобных приведенной на фиг.2а.

На фиг.3а, 3b показаны сечения соответственно первой и второй стоп по фиг.2b.

На фиг.4а схематично изображена ленточная конструкция с присоединительными зонами на передней и задней поверхностях.

На фиг.4b показано, как ленточные конструкции могут быть использованы для получения запоминающих массивов в форме стопы в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг.1а и 1b, настоящее изобретение предусматривает создание ленты с несущей подложкой 3 из упругого материала (например, полимерного или металлического). На одну из сторон подложки 3 нанесен первый электродный слой 2, содержащий первые параллельные полосковые электроды 2а (ориентированные в продольном направлении относительно подложки 3). Поверх первого электродного слоя 2 нанесен слой запоминающего материала 1 в виде тонкий пленки. На второй стороне подложки 3 может иметься аналогичная конструкция или (как это показано на фиг.1а, 1b) только второй электродный слой 4, содержащий вторые параллельные полосковые электроды 4а. Представленный вариант в целом образует ленточную конструкцию R (далее для краткости именуемую "лентой"), соответствующую настоящему изобретению.

Запоминающий материал 1 обеспечивает возможности адресации, хранения заряда (т.е. бистабильности) и/или переключения, позволяющие осуществить пассивную адресацию матричной памяти, ячейки которой образованы в объеме запоминающего материала 1 в зонах между скрещивающимися электродами 2а, 4а, за счет использования двух или более лент, контактирующих одна с другой и ориентированных взаимно перпендикулярно.

Согласно предпочтительному варианту изобретения две или более лент R накладываются одна на другую с образованием стопы, так что в каждой зоне контакта (в каждом интерфейсе) смежных лент формируется матричный запоминающий массив М. Этот запоминающий массив включает верхние и нижние электроды 2а, 4а и пленку запоминающего материала 1, расположенную между ними. Образование стопы иллюстрируется фиг.1с, где представлены две скрещивающиеся ленты, которые могут составлять часть более крупной стопы. Ленты R могут иметь произвольную ширину, причем они взаимно ориентированы под углом 90°, так что результирующая стопа имеет квадратное сечение и объемную конфигурацию, подобную чипу. На фиг.2а показано, как лента R2 накладывается на ленту R1, лента R3 накладывается на ленту R2 и т.д., вплоть до ленты R10, наложенной на ленту R9.

На фиг.2а ленты R1,....,R9, имеющие нечетные номера, образуют первую группу X₁, а ленты R2,....,R10, имеющие четные номера, образуют вторую группу Х₂, ориентированную перпендикулярно первой группе. Полученные в результате запоминающие массивы формируют стопу S.

Скрепление зон наложения лент осуществляется посредством процесса отжига, проводимого, например, под высоким вакуумом и высоким давлением. Благодаря применению аналогичной структуры, с присутствием аналогичной пленки запоминающего материала в каждой ленте, проблемы совместимости, связанные с процессом скрепления, могут быть существенно ослаблены.

В альтернативном варианте ленты складывают (сворачивают) различным образом, например, в форме гармошки, овала, кольца, или изгибают, как это показано, например, на фиг.2b. Могут быть также сформированы "плетеные" нити, которые, в свою очередь, могут быть использованы для изготовления соответствующей "ткани". Подобным образом могут быть сформированы конструкции с большой площадью поверхности. Тем самым будет обеспечена возможность интегрирования памяти в другие устройства, например, в корпуса мобильных телефонов в виде "верхнего покрытия" на криволинейных или других поверхностях.

Ленты R1,....,R9, образующие первую группу X₁, и ленты R2,....,R10, образующие вторую группу Х₂, используются в запоминающем устройстве в соответствии с изобретением. Вариант такого запоминающего устройства, представленный на фиг.2b, образует два отдельных блока S1, S2 в форме стоп, отмеченные на фиг.2b штриховыми линиями. Каждая из лент R1-R10 изогнута таким образом, что пары лент, имеющих нечетный и четный номера, в стопе S2 меняют места (т.е. номера) по отношению к последовательности лент в стопе S1. Это означает, что самая нижняя лента R9 в стопе S1 отгибается вверх для образования пары с лентой R10, тогда как лента R1, которая образует пару с лентой R10 в стопе S1, отгибается вниз, чтобы образовать пару с лентой R2 в стопе S2.

Если вариант по фиг.2b рассматривать как вид сверху на набор взаимосвязанных лент в устройстве по изобретению, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что сочетание смещения и взаимного сдвига вносит существенный вклад в минимизацию емкостных перекрестных помех или других нежелательных связей между отдельными запоминающими массивами М, соответствующими каждой стопе. При этом обеспечиваются не только адресация (т.е. запись или считывание) каждой индивидуальной ячейки памяти в запоминающем массиве в составе стопы, но и возможность параллельной адресации всех ячеек памяти запоминающего массива и, если это представляется желательным, всех массивов в стопе при одновременном удерживании всех мешающих влияний на минимальном уровне.

Выполнение стоп S1, S2 (представленных в сечении) в запоминающем устройстве по изобретению более наглядно иллюстрируется соответственно фиг.3а и 3b. В стопе S1 (фиг.3а) первая лента R9 расположена ортогонально относительно второй ленты R2. При этом электроды 2а в составе ленты R9 могут рассматриваться в качестве управляющих шин в запоминающем массиве М1, у которого шины данных образованы электродами 4а в составе ленты R2, и т.д. Другими словами, запоминающий массив М формируется частями смежных пар лент в стопе S. Стопа S2, представленная на фиг.2b, аналогична стопе S1 по фиг.2а, но в ней смежные ленты R развернуты на 90° при сохранении скрещивания смежных лент в стопе S2 под прямым углом. Из фиг.2b видно, что за первой группой X₁ лент R1,....,R9 с нечетными номерами и второй группой Х₂ лент R2,....,R10 с четными номерами может следовать схожая группа лент, расположенная со смещением в боковом направлении, т.е. расположенная рядом с соответствующей группой, при соответствующей ориентации лент дополнительной группы. В результате в областях, в которых пересекаются группы X₁, X₂, может быть сформирована дополнительная стопа S.

Если это представляется желательным, дополнительные группы лент могут быть также расположены с прогрессивным смещением в поперечном направлении. Кроме того, при рассмотрении варианта, представленного на фиг.2b, можно видеть, что направление такого прогрессивного смещения может инвертироваться при переходе к смежным стопам запоминающих массивов. Например, лента R9 из стопы S1 будет образовывать пару с лентой R10 в стопе S2, однако на виде сверху она будет находиться в положении, которое на фиг.2b занимает лента R1. Разумеется, что при этом лента R1 в стопе S2 будет, как и раньше, образовывать пару с лентой R2, но при этом на виде сверху она будет находиться в положении, которое на фиг.2b занимает лента R9, и т.д. Отсюда, разумеется, следует, что аналогичные возможности существуют и для прогрессивного смещения лент R2,....,R10, образующих вторую группу Х₂ лент. При этом расстояния между запоминающими массивами М в стопе S1 и запоминающими массивами М в другой стопе S2, измеряемые как длина электродов 2а, 4а и лент R, окажутся аналогичными.

На концах лент могут быть предусмотрены соединительные и контактные средства 5, как это показано на фиг.4а и 4b. Эти средства обеспечивают возможность пассивного подключения электродов 2а, 4а к контактным площадкам на кремниевом чипе (не изображен), образующем подложку. В этом случае необходимо обеспечить достаточную избыточность, с тем чтобы учесть некоторую степень отклонения от заданного положения. Альтернативно или дополнительно часть контуров (например, декодер/маршрутизатор), выполненных на базе тонкопленочных транзисторов (ТПТ), может быть предусмотрена на концах электродов. Тем самым сокращается количество контактных точек и облегчается получение надежного соединения. Благодаря этому обеспечивается возможность более плотного расположения электродов и соответствующего повышения плотности хранения данных. Кроме того, в этом случае конечный пользователь получает возможность присоединять сложенные (и помещенные в корпус) запоминающие стопы к кремниевому чипу (или к контактным площадкам, предусмотренным на таком чипе), т. е. обеспечивается возможность получения очень дешевых дополнительно подключаемых блоков памяти.

Дальнейшее развитие этой концепции могло бы предусматривать выполнение всех драйверных контуров (включая считывающие контура), необходимых для функционирования памяти, на концах лент. В таком случае сложенная запоминающая стопа становится полностью законченным изделием.

Еще одно направление развития могло бы заключаться в расположении необходимых контуров равномерно над лентами и в непосредственном контакте с боковыми сторонами каждой индивидуальной матричной памяти, в виде драйверов/декодеров по строкам и столбцам, и в обеспечении контакта каждого из таких контуров с общей шиной/координатором трафика на ленте (лентах) и затем их связи с внешней аппаратурой через аппаратные или беспроводные контакты.

В случае использования контуров на базе кремниевых ТПТ на несущей подложке поверхности лент могут быть связаны с этими драйверными контурами путем загибания одного конца поверхности на другой, как это показано на фиг.4b, перед выполнением соединения с контактными площадками на подстилающей поверхности подложки (не изображена). Если все драйверные контуры находятся на ленте (лентах), необходимость в таком загибании отсутствует.

Результирующая запоминающая стопа S, построенная описанным образом, реализует собой новые походы к решению проблем, рассмотренных в разделе "Уровень техники". Базовым фактором в аспекте архитектуры устройства является то, что поскольку каждый запоминающий массив М выполнен на индивидуальной подложке, технологические проблемы снижаются до уровня, свойственного построению памяти с единственным запоминающим слоем. Такая память соответствует простым блокам в виде индивидуальных лент, которые могут изготавливаться с применением специализированного производственного оборудования с последующей сборкой в стопы и с возможностью варьирования количества лент в стопе.

Данная концепция позволяет использовать очень большое количество запоминающих лент в стопе, причем единственное ограничение заключается в обеспечении доступа к кремниевой подложке в том случае, если используются дополнительные контуры на базе кремния или гибридная технология кремний/ТПТ. В случае выполнения всех контуров на ленте (когда все контура выполнены на базе ТПТ) данное ограничение отсутствует. Отсюда для последнего варианта непосредственно вытекает возможность получения очень большой емкости хранения данных или получения памяти произвольного объема.

Поскольку описанный подход близок к изготовлению однослойной памяти, устраняется большинство технологических проблем (если не все такие проблемы) и проблем температурной совместимости, связанных с обработкой многослойных структур.

Кроме того, благодаря отсутствию нанесения верхних электродов непосредственно на запоминающие пленки, устраняются также возможные негативные эффекты такого нанесения. Еще один положительный фактор в отношении морфологии пленки связан с возможностью вытягивания пленок перед их термообработкой с получением более упорядоченной кристаллической структуры. Применение альтернативных по отношению к центрифугированию технологий нанесения пленок, таких как нанесение погружением, нанесение ракельным ножом, нанесение с образованием мениска, также может оказать положительное влияние на морфологию пленки.

Поскольку доступная площадь поверхности велика, может использоваться не столь критический процесс профилирования. Другими словами, возможны нелитографические средства, а также подлинный процесс "с катушки на катушку". Тем самым обеспечивается дополнительное снижение производственных затрат.

Большие размеры единичных элементов, которые могут быть реализованы, также обеспечат повышение отношения сигнал/шум применительно к сигналам от ячейки памяти просто за счет существенного увеличения размеров этой ячейки. Соответственно станут допустимыми значительно большие вариации толщины пленки и других параметров, т.е. упростятся потенциальные проблемы, связанные с изготовлением запоминающих структур на гибких подложках.

Упаковка в корпус при высоких температурах также облегчается в случаях, когда устройства выполняются на кристаллах кремния, поскольку обработку кремниевой части, включая пайку, можно произвести до нанесения полимера.

1. Ферроэлектрическое или электретное трехмерное запоминающее устройство, в котором ферроэлектрический или электретный материал (1) находится между первым и вторым электродными слоями (2, 4), содержащими соответственно первые и вторые полосковые электроды (2а, 4а), образующие соответственно управляющие шины и шины данных запоминающего массива (М) с матричной адресацией, причем управляющие шины и шины данных указанного массива расположены под прямым углом, а ячейки памяти задаются в объеме запоминающего материала (1) в зонах между скрещивающимися управляющими шинами и шинами данных, тогда как множество подобных запоминающих массивов собрано, по меньшей мере, в одну стопу (S), которая образует запоминающее устройство с трехмерной структурой, отличающееся тем, что стопа (S) запоминающих массивов (М) сформирована из двух или более ленточных конструкций (R), которые сложены с наложением одна на другую или переплетены одна с другой, а каждая ленточная конструкция (R) содержит гибкую подложку (3) из неэлектропроводящего материала, по меньшей мере, один электродный слой, нанесенный на подложку, причем единственный или каждый электродный слой содержит параллельные полосковые электроды, расположенные по длине ленточной конструкции (R), и слой запоминающего материала (1), покрывающий электродный слой и расположенный без разрывов от кромки до кромки ленточной конструкции, при этом каждый запоминающий массив (М) в составе стопы (S) образован скрещивающимися частями пары смежных ленточных конструкций (R), которые сложены с наложением одна на другую или переплетены одна с другой таким образом, что являются взаимно ортогональными в зоне взаимного скрещивания, а управляющие шины и шины данных запоминающего массива (М) в составе стопы (S) находятся в первой ленточной конструкции из пары смежных ленточных конструкций (R), а шины данных находятся во второй ленточной конструкции из пары смежных ленточных конструкций (R).

2. Трехмерное запоминающее устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый второй запоминающий массив (М) в составе стопы (S) расположен со смещением относительно соответствующего первого массива.

3. Трехмерное запоминающее устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит более одной стопы (S), причем ленточные структуры сложены с наложением или переплетены таким образом, что при переходе от одной стопы к другой обеспечивается попарное изменение порядка следования ленточных конструкций.

4. Трехмерное запоминающее устройство по п.1, отличающееся тем, что ленточные конструкции (R) сгруппированы в виде двух или более групп (X) таким образом, что ленточные конструкции (R) каждой группы ориентированы взаимно параллельно и не параллельно ленточным конструкциям (R) другой группы (других групп).

5. Трехмерное запоминающее устройство по п.4, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна ленточная конструкция (R) каждой из, по меньшей мере, двух групп (X) снабжена продольно ориентированными электродами на одной стороне и цельным запоминающим слоем на другой стороне.

6. Трехмерное запоминающее устройство по п.4, отличающееся тем, что количества ленточных конструкций (R) и образуемых ими групп (X) выбраны из условия минимизации длины ленточных конструкций (R) при сохранении требуемых функциональных свойств стопы (S).

7. Трехмерное запоминающее устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая из ленточных конструкций (R) предварительно снабжена изолирующим(и), и/или электропроводящим(и), и/или полупроводниковыми слоями и структурами в пределах своего поперечного сечения и/или на одной или обеих своих поверхностях.

8. Трехмерное запоминающее устройство по п.1, отличающееся тем, что две или более ленточных конструкций (R) в составе стопы (S) снабжены набором электродов (2а, 4а), расположенных по длине ленточной конструкции на обеих ее сторонах.

9. Трехмерное запоминающее устройство по п.8, отличающееся тем, что каждый электрод (2а, 4а) присоединен для обеспечения электрического доступа к нему, к контактной зоне или к области, включающей активные и/или пассивные контура и расположенной на одном или на обоих концах ленточных конструкций (R) или вблизи указанного конца или концов, причем контактная зона электрически или оптически связана с контурами, внешними по отношению к ленточной конструкции (R).

10. Трехмерное запоминающее устройство по п.1, отличающееся тем, что стопа (S) содержит ленточные конструкции (R), по меньшей мере, двух различных типов.

11. Трехмерное запоминающее устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна ленточная конструкция (R) в составе стопы (S) имеет на одной или обеих своих сторонах цельную изолирующую поверхность.

12. Трехмерное запоминающее устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна ленточная конструкция (R) в составе стопы (S) имеет длину, отличную от длины другой ленточной конструкции (R).