NO314373B1 - Matriseadresserbart apparat med en eller flere minneinnretninger - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et matriseadresserbart apparat som omfatter en eller flere minneinnretninger med multidireksjonelt svitsjbare minneceller anordnet i en passiv, matriseadresserbar gruppe, hvor minnecellene omfatter et minnemedium i form av et ferroelektrisk eller elektret tynnfilmminnemateriale som er i stand til å polariseres av et påtrykt elektrisk felt og viser hysterese, hvor i det minste én minneinnretning omfatter to og ikke flere enn tre elektrodeanordninger, hvor den første elektrodeanordning til den minst ene minneinnretning som enten er den eneste minneinnretning i apparatet eller den første av to eller flere minneinnretninger deri, er anordnet på et isolerende substrat.

Fra et arkitektonisk standpunkt er den passive matriseutførelse av minner med polymerminne i sandwich mellom elektrodesjikt mer attraktiv enn den såkalte lT-lC-utførelse i silisiumminnearkitekturen i henhold til kjent teknikk, spesielt fordi den gir en større lagringstetthet i sideretningen (4f2 mot 6f2 og større), men også fordi den tillater stabling av påfølgende minnesjikt, f.eks. styrt fra felles substratkrets. Det er imidlertid fortsatt et faktum at til og med en 4f2-utførelse bare gir en arealfyllingsfaktor på 25%. Med en fyllingsfaktor på 50-100% ville behovet for et minnesjikt reduseres tilsvarende, i likhet med produksjonskompleksitet, utbytte og - kostnad. Dessuten vil bruken av bare ett eller to minnesjikt redusere virkningen av etterbehandling av polymer i tilsvarende grad og således påvirke negative ytelseseffekter som følge av slike prosedyrer.

Den tradisjonelle tilnærming er å øke celletettheten ved å redusere cellearealet. Jo smalere cellearealet blir, dess mindre må signalene (og signal/støyforholdef), og dess mer følsomt og derfor mer komplekst og arealkrevende vil utiesningskretsene (dominert av deteksjonsforsterkere) måtte være. I realiteten er det ansett som en ekstrem utfordring å danne kryssende matrisesystemer av enhver art med en mindre linjeavstand enn 0,3 fim - 0,4 fim (cellestørrelse 0,09 fim<2> - 0,16 fim<2>).

Et tema forbundet med flerlagsstabling er planarisering. Dannelse av suksessive lag på foregående frembringer gradvis en "bølgende" eller ujevn topografi som vil by på vesentlige problemer med henblikk på litografistyring og følgelig evnen til å adressere og lese ut fra cellene (f.eks. utføres deteksjonsforsterkere relativt til et forventet celleareal, og om dette på grunn av ujevn litografi varierer utover visse grenser, kan signalene ikke leses ut med pålitelighet eller forskjellen mellom "enere" og "nuller" vil være vanskelig å bestemme).

Arkitekturen definerer også hvor mange masketrinn som er det nødvendige minimum, idet jo færre de er, dess mindre kostbare er produksjonen. Å redusere antallet masketrinn er blitt meget viktig. For tiden krever en polymermatrise eksempelvis mer enn 19 flere masketrinn enn konkurrerende flashminner for en typisk mindre innretning med 8 minnesjikt, hvilket betyr at kostnadene for å prosessere en slik brikke fordobles sammenlignet med dagens CMOS-prosesser benyttet eksempelvis for flashminner.

I et krysspunktmatriseminne av polymer hvor det benyttes et vertikalt svitsjefelt, bestemmer morfologien til den spunne polymerfilm i det store og hele anvendeligheten for minnebruk. Det er en spesiell utfordring å opprettholde en optimal morfologi med hensyn til ferroelektriske minner når filmtykkelsen krymper til under 100 nm. Ved slike tykkelser er filmene mer følsomme enn overfor de benyttede løsningsmidler, spinn- og varmebehandlingsbetingelsene, typen og virkningen av kontakt- og barrierelag etc. Tiltagende tynnere filmer er ønskelig for å redusere svitsjespenningen, f.eks. bør filmene være tynnere enn 30 nm for å oppnå svitsj espenninger mindre enn 5V. Lavere spenningsnivåer er nødvendig for å benytte progressivt tettere litografi og oppnå kompatibilitet med tilhørende konstruksjonsregler, noe som også tillater redusert effektforbruk. Lav spenning er videre meget attraktivt i polymerminner, da den tillater at flere, til syvende og sist alle kretser kan anordnes under den passive minnematrise, noe som igjen reduserer den effektive celleareal ved å redusere tilleggsareal, eventuelt til null og å gjøre viaer, forbindelser osv. lettere å utføre og implementere.

Å fremstille slike tynne filmer med en akseptabel jevnhet/morfologi og uten kortslutninger er meget krevende over store arealer (så som en skive), også

fordi viktige ferroelektriske egenskaper som krystallinitet har tilbøyelighet til å svekkes med tynnere filmer, mens lekkasje- og snikstrømmer representerer et økende problem. Dette påvirker igjen i høy grad minneegenskapene, f.eks. nivået til det svitsjbare og remanente polarisasjon (noe som er av betydning

for å skjelne mellom ener og nuller), svitsjeutholdenhet og svitsjehastigheten. Særlig høytemperaturytelsen (eksempelvis over 60°C) synes å avta i ekstrem grad.

Men selv tykkere minnefilmer representerer en rekke problemer tilsvarende, om enn ikke så uttalte som de som forekommer ved tynnere filmer. Den foretrukkede og etablerte filmpåføringsteknikk er spinnavsetning med bruk av et passende løsningsmiddel. Valget av løsningsmidler, spinnbetingelser, mulige løsningmiddelrester, varmebehandlingsbetingelser relativt til valget av løsningsmiddel osv. representerer store utfordringer med hensyn til å oppnå den korrekte kombinasjon av parametere, en utfordring som er desto større enn når det gjelder tynne filmer. Løsningsmidler er det nødvendig å bruke for å få tynne, jevne filmer på skivesubstratene.

På grunn av svitsjespenningens avhengighet av filmtykkelsen (se nedenfor), vil med redusert filmjevnhet koersitivfeltet variere tilsvarende, noe som vil by på problemer under drift hvis variasjonene er større enn det maksimalt tillatte utslag i spenningen. På den annen side, jo større de konstruktive utslag er, dess mer komplekse vil kretsene som trengs for å håndtere det være, med i tillegg økte kostnader med hensyn til arealeffektivitet/produksjonskompleksitet og innretningens kostnader.

Sannsynligvis er et enda mer vesentlig morfologisk aspekt det faktum at polymeren utsettes for en betydelig etterbehandling, f.eks. avsetning av toppelektroder, kontaktlag, viaer og forbindelser etc. i flerlags minnestabler og dette kan ha en potensielt alvorlig negativ virkning på polymerens yteevne, noe som er meget vanskelig å kontrollere tilfredsstillende, spesielt i en kommersiell fremstillingsprosess.

Bruken av polymer og det faktum at elektrodene ligger direkte på dette materialet som har en smeltetemperatur på ca. 150°C, resulterer i problemer hva pakkingen angår. I en typisk loddeprosess kan temperaturene nå så høyt som 210°C (i begrensede perioder), hvilket byr på problemer for arkitekturen, da polymeren begynner å smelte og flyte, slik at kontaktflaten mellom elektroder og polymer kan skades.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er således å avbøte de ovennevnte ulemper og problemer med matriseadresserbare minneinnretninger i henhold til kjent teknikk og spesielt med polymerminnemateriale og som benyttet i en matriseadresserbare datalagringsinnretning.

Hensikten med oppfinnelsen så vel som ytterligere trakk og fordeler oppnås med et matriseadresserbart apparat som er kjennetegnet ved at den første elektrodeanordning omfatter parallelle stripelignende elektroder med bredde w og høyde h atskilt innbyrdes elektrisk isolert av et parti av isolerende tynnfilmmateriale anordnet mellom elektrodene og som dekker sidekantene til disse i et lag med tykkelse 8, idet tykkelsen 8 er en liten brøkdel av elektrodebredden w, at elektrodene har et stort høyde/breddeforhold H/W, at den første elektrodeanordning omfatter en rekke parallelle fordypninger i sin toppflate og som er orientert perpendikulært til lengdeaksen til elektrodene med en bredde omtrent lik elektrodebredden w og som strekker seg nedad fra toppflaten av elektroden til en avstand h som er omtrent halvparten av høyden H til den sistnevnte, idet fordypningene er innbyrdes atskilt med en avstand omtrent lik bredden W av elektrodene, at minst sideveggene til fordypningene er dekket av en tynnfilm av minnematerialet og at deres bunnflate er dekket med isolerende tynnfilm som opsjonelt også kan dannes av minnematerialet, og at elektrodene til det annet elektrodesett er anordnet i fordypningene i kontakt med og på tynnfilmmaterialet til disse, hvorved minnematerialet anordnet i fordypningene danner minnecellen til minneinnretningen, idet en enkelt minnecelle i hvert tilfelle er definert i volumet av minnematerialet anordnet mellom en elektrode i den første elektrodeanordning og en elektrode i den annen elektrodeanordning ved krysningen mellom disse, hvorved en minnecelle kan polariseres og svitsjes i sideretningene perpendikulære på sideveggene av fordypningen og en tredje retning perpendikulær til bunnflaten av fordypningen, gitt at bunnflaten også er dekket av minnematerialet.

I en fordelaktig utførelse av apparatet i henhold til den foreliggende oppfinnelse, hvor den minst ene minneinnretning omfatter en tredje elektrodeanordning, er den isolerende tynnfilm anordnet over toppflatene til elektrodene i henholdsvis den første og annen elektrodeanordning, idet den isolerende tynnfilm i minst et parti som dekker toppflatene til elektrodene i den annen elektrodeanordning er dannet av minnematerialet, elektrodene i den tredje elektrodeanordning er anordnet i kontakt med og på det isolerende tynnfilmmateriale i et arrangement lik det i den første elektrodeanordning og orientert i den samme retning og perpendikulært på elektrodene i den annen elektrodeanordning, slik at en elektrode i den tredje elektrodeanordning registrerer med den tilsvarende elektrode i den første elektrodeanordning, hvorved hver minnecelle er definert av en tynnfilm av minnematerialet som dekker en elektrode i den annen elektrodeanordning ved krysningen av den sistnevnte mellom en elektrode i henholdsvis den første og tredje elektrodeanordning, slik at en minnecelle kan polariseres og svitsjes i en fjerde retning perpendikulær til toppflaten av en elektrode i den annen elektrodeanordning.

I en variant av denne utførelsen hvor to eller flere minneinnretninger er anordnet i en vertikal stabel, er toppflatene til elektrodene i den tredje elektrodeanordning dekket av et isolerende bakplan, og hver minneinnretning er anordnet stablet over hverandre atskilt av de isolerende bakplan, hvorved apparatet implementeres som et volumetrisk datalagringsapparat.

Hvor apparatet i henhold til oppfinnelsen er utført med to eller flere minneinnretninger anordnet i en vertikal stabel, er fordelaktig den første elektrodeanordning og den annen elektrodeanordning i en minneinnretning anordnet i registrerende forhold med henholdsvis de tilsvarende elektrodeanordninger i hvilken som helst annen minneinnretning i stabelen, hver minneinnretning i stabelen atskilt fra enhver tilstøtende nabominneinnretning av den isolerende tynnfilm påført over toppflaten av elektrodene, idet den isolerende tynnfilm i det minste i partiene hvor elektrodene i den annen elektrodeanordning krysser elektrodene i den første elektrodeanordning i den tilstøtende nabominneinnretning er dannet av minnematerialet som i disse partier kan polariseres eller svitsjes i en fjerde retning perpendikulært til toppflaten av elektrodene i den annen elektrodeanordning ved å påtrykke et elektrisk felt mellom disse elektroder og kryssende elektroder i den første elektrodeinnretning i en tilstøtende nabominneinnretning, og en minnecelle definert i minnematerialet som omgir en elektrode i den annen elektrodeanordning ved krysningen mellom den siste og elektrodene i den første elektrodeanordning i det respektive forekommende minneinnretning og en tilstøtende haleminneinnretning i stabelen, hvorved apparatet implementeres som et volumetrisk datalagringsapparat med den første elektrodeanordning fra den annen minneinnretning i stabelen av en tredje elektrodeanordning i underliggende nabominneinnretning.

I apparatet i henhold til oppfinnelsen kan det isolerende tynnfilmmateriale være et ferroelektrisk eller elektret materiale, og minnematerialet kan være et polymer- eller kopolymermateriale. Det isolerende tynnfilmmateriale og minnematerialet være utført i det samme materiale, idet minnematerialet da spesielt foretrukket er et polymer- eller et kopolymermateriale.

Oppfinnelsen vil forstås bedre av den etterfølgende beskrivelse og spesielt i forbindelse med en drøfting av foretrukne utførelser lest i samband med den vedføyde tegning, på hvilken

fig. 1 viser et tverrsnitt av en første elektrodeanordning som benyttet i en minneinnretning i henhold til oppfinnelsen,

fig. 2 et grunnriss av en elektrodeanordningen på fig. 1,

fig. 3 et tverrsnitt av en konfigurasjon av den første elektrodeanordning tatt langs linjen A-A på fig. 2,

fig. 4 et tverrsnitt av den første og en annen elektrodeanordning i en minneinnretning som benyttet i apparatet i henhold til oppfinnelsen,

fig. 5 et tverrsnitt gjennom minneinnretningen som benyttet i apparatet i henhold til oppfinnelsen før et sluttrinn i dens fremstilling,

fig. 6 et tverrsnitt gjennom minneinnretningen på fig. 5 med anordnede minneceller,

fig. 7a et grunnriss av minneinnretningen på fig. 6 og som viser arrangementene av minneceller i denne,

fig. 7b et tverrsnitt gjennom minneinnretningen på fig. 7a, tatt langs linjen a-a,

fig. 8a et grunnriss av en minnecelle i minneinnretningen på fig. 7a og 7b,

fig. 8b et tverrsnitt gjennom minnecellen på fig. 8a, tatt langs linjen C-C,

fig. 9 et tverrsnitt gjennom minneinnretningen på fig. 7a med en annen utførelse av minnecellene,

fig. 10 en tredje elektrodeanordning i minneinnretningen som benyttet i apparatet i henhold til oppfinnelsen,

fig. 1 la en variant av minneinnretningen som benyttet i apparatet i henhold til oppfinnelsen,

fig. 1 lb et tverrsnitt av minneinnretningen på fig. 1 la, tatt langs linjen A-A,

fig. 12a en foretrukket utførelse av apparatet i henhold til oppfinnelsen i stablet konfigurasjon,

fig. 12b et grunnriss av en minnecelle i denne, og

fig. 12c et tverrsnitt tatt langs linjen C-C i minnecellen på fig. 12b.

Apparatet i henhold til oppfinnelsen skal nå forklares i detalj med en gjennomgående drøftelse av dens enkelte deler og utførelse derav, som vist på figurene.

Fig. 1 viser et tverrsnitt av en elektrodeanordning i apparatet i henhold til oppfinnelsen. Elektrodeanordningen El omfatter et antall parallelle elektroder el som fremtrer som stripelignende i grunnrisset av elektrodeanordningen på fig. 2. Hver elektrode el er anbrakt på et isolerende substrat 1 og atskilt bare ved hjelp av en isolerende tynnfilm 2a som forhindrer ohmsk kontakt mellom de enkelte elektroder el. Elektrodene el er realisert med høyde H og en bredde w, men med et forholdsvis stort høyde/breddeforhold H/w. Denne isolerende tynnfilm 2a har en tykkelse 5 som typisk er mindre enn elektrodebredden w, og dette innebærer at nesten hele arealet av en elektrodeanordning slik dens fotavtrykk fremtrer på fig. 2, beslaglegges av elektrodene, mens det isolerende tynnfilmsjikt eller barriere 2a mellom elektrodene beslaglegger bare en liten del av dette (hvis en litografi på 0,15 |im eller større benyttes; finere litografi reduserer denne forskjellen). En elektrodeanordning av denne art kan fremstilles ved en fremgangsmåte som vist i norsk patentsøknad nr. 20015509 innlevert 9. november 2001 og som tilhører den foreliggende søknads oppfinner, og følgelig skal den aktuelle fremgangsmåte til fremstilling av en tett elektrodeanordning av denne art ikke belyses i ytterligere detalj her, da den ovennevnte søknad kan betraktes som innbefattet ved henvisning. I den forbindelse skal det imidlertid bemerkes at elektrodebredden kan svare til et prosessbeskrankende minimumstrekk f, hvis størrelse vil være avhengig av f.eks. konstruksjonsregler som f.eks. kan benyttes i en fotomikrolitografisk mønstringsprosess. I ethvert tilfelle impliserer dette at enten elektrodebredden w eller avstanden d fra én av elektrodene til den neste i elektrodeanordningen El vil være underlagt en konstruksjonsregel av denne art, mens dette ikke trenger å være tilfelle for tykkelsen av isolerende tynnfilm som kan avsettes ved prosesser ubeskranket av enhver konvensjonell konstruksjonsregel. Det følger også at den virkelige bredde av f.eks. annenhver elektrode el i elektrodeanordningen El da kan være mindre enn det prosessbeskrankede minimumstrekk f med en verdi 28, dvs. at det er avstanden d = w + 28 som i realiteten er begrenset av konstruksjonsregelen.

Vedrørende grunnrisset på fig. 2 viser det elektrodeanordningen med fordypninger 3 dannet nedad fra toppflatene til elektrodene el i denne. Disse fordypninger 3, som kan ha tilnærmet samme bredde w som elektrodene el, strekker seg perpendikulært til elektrodene el og er atskilt av de resterende partier av elektrodene el som tilsvarende kan ha en bredde på omtrent w. Fordypningene 3 strekker seg fra toppflaten av elektrodene el og nedad mot substratet over en avstand h og har et hovedsakelig rektangulært tverrsnitt. Ved bunnen av fordypningene vil elektrodene e 1 forbindes av et avsnitt av disse som strekker seg til en høyde 8h over substratet 1. Det skal forstås at mens 8h + h = H, kan størrelsen av h velges som ca. 50% av H. Dette kan best ses på fig. 3 som viser et tverrsnitt av elektrodeanordningen el på fig. 2 tatt langs linjen A-A, med andre ord sett fra retningen angitt ved B. Nå dekkes elektroden el med fordypningene 3 av en isolerende tynnfilm 4, og en annen elektrodeanordning E2 omfattende elektrodene s2 dannes ved å avsette elektrodemateriale i fordypningene 3, som vist i tverrsnittet av elektrodeanordningen EI gjengitt på fig. 4. Den isolerende tynnfilm 4 kan være ethvert dielektrisk tynnfilmmateriale, men foretrukket kunne den være en ferroelektrisk eller elektret tynnfilmmateriale, hvilket skal omtales nærmere nedenfor. Etter at elektrodene e2 til den annen elektrodeanordning E2 er blitt anordnet i fordypningene 3, blir den isolerende tynnfilm 4 etset bort overalt hvor den ikke er dekket av de avsatte elektroder e2, og dette gir en struktur som vist på fig. 5. Tomme spor 3a dannes nå i de gjenstående partier av fordypningene 3 mellom elektrodene el, e2 med partiet 4b av isolerende tynnfilm på bunnen av fordypningene 3. Sideveggene av fordypningene 3 i elektrodene el er nå blottlagt. Deretter kan sporene 3a fylles med et minnemateriale, f.eks. et ferroelektrisk eller elektret polymermateriale 4a, som vil strekke seg langsetter sporene mellom elektrodene el og e2 som vist på fig. 6. Hvis det isolerende tynnfilmmateriale 4 opprinnelig var et ferroelektrisk eller elektret materiale, vil også partiet 4b vist på bunnen av fordypningene 3 under elektrodene e2 nå være et minnemateriale lik det vist som 4a på fig. 6. Fig. 7a viser et grunnriss av den ferdigstilte struktur som vist på fig. 6. På fig. 7a angir B synsretningen for tverrsnittet vist på fig. 6. Det vil nå ses at elektrodene e2 i den annen elektrodeanordning E2 er orientert perpendikulært til elektrodene el i den første elektrodeanordning El. Minnematerialet 4a anordnet mellom elektrodene e1 og e2 ved sporene derimellom i fordypningene 3 utgjør nå minnemediet i minnecellene 5 dannet i minnematerialet 4a og opsjonelt 4b ved krysningen av en elektrode s2 i den annen elektrodeanordning E2 med en elektrode el i den første elektrodeanordning El og følgelig skaffer strukturen på fig. 7a med minnematerialet og elektroder e 1, e2 nå en passiv, matriseadresserbar gruppe av minneceller 5 som spesielt skal være ferroelektrisk eller elektrete minneceller og ennå mer foretrukket så som realisert med minnematerialet i form av en polymer eller kopolymer. Fig. 7b viser et snitt gjennom fig. 7a tatt langs linjen A-A og det ses nå hvordan påtrykking av spenning over elektroden el og e2 slik at det fås et elektrisk potensial derimellom over minnematerialet 4a og etter valg også 4b, gjør at minnecellene 5 enten polariseres eller svitsjes i forskjellige retninger. Partiet av minneceller ved 4a kan f.eks. svitsjes i en sideretning relativt til utstrekningen av minneinnretningen, mens det opsjonelle parti av minnematerialet 4b på bunnen av fordypningen 3 kan svitsjes i en retning perpendikulær til planet av minneinnretningen eller som antydet på fig. 7b, i en vertikal retning. Ved å gjøre dette kan tre "underceller" svitsjes samtidig, hvorved det fås et tre ganger større signal, mens arealet av undercellen i bunnen blir lik elektrodenes overlappende areal og arealet i de to sidevegger utgjør 2wh. Det siste tilfelle innfører derfor en ekstra dimensjon sammenlignet med vertikalt svitsjede celler som kjent i teknikken, noe som innebærer at cellens fotavtrykk vil være uavhengig av en benyttet konstruksjonsregel. Fig. 8a og 8b viser en minnecelle i en minneinnretning i apparatet i henhold til oppfinnelsen mer detaljert, med svitsjeretningene angitt slik de kan forekomme og svarende til tegnforklaringen gitt i forbindelse med fig. 8a og 8b. Fig. 8a viser et grunnriss av en enkelt minnecelle med elektrodene fjernet og det vil ses at alt minnemateriale i sideveggene kan svitsjes i sideretningen, mens minnematerialet i bunnen kan svitsjes i en vertikal retning. Dette kan også godt ses på fig. 8b, som viser tverrsnitt av minnecellen 5 på fig. 8a tatt langs linjen C-C og med omriss av elektrodene el, e2 angitt ved stiplede linjer. Denne utførelse av en minnecelle 5 avviker vesentlig fra konvensjonelle minneceller i passive matriseadresserbare minneinnretninger, hvor minnecellen er anordnet i sandwich mellom overliggende og underliggende elektrodeanordninger med de respektive elektroder orientert innbyrdes ortogonalt for å definere og adressere en minnecelle i f.eks. et globalt sjikt av minnematerialet i sandwich mellom elektrodelagene. En konvensjonell sandwichutførelse av denne art tillater bare en eneste svitsjeretning, mens minnecellene i apparatet i henhold til oppfinnelsen vil tillate minst tre svitsjeretninger og dette skal i sin tur medføre en vesentlig fordel for å frembringe mer pålitelige og mer tettpakkede passive matriseadresserbare innretninger med et ferroelektrisk eller elektret minnemateriale, innbefattet en forbedret signal/støyforhold. En betraktning av fig. 7a viser at minneinnretningen som vist der, kan svitsjes i tre retninger på til sammen tretti steder for ti definerbare minneceller.

En fjerde svitsj eretning kan nå fås ved å anordne en tredje elektrodeanordning E3 i minneinnretningen i apparatet i henhold til oppfinnelsen. Fig. 4 viser hvordan toppflatene til elektrodene el, e2 i respektive elektrodeanordninger El, E2 er belagt med en isolerende tynnfilm 4, som f.eks. kan dannes av et ferroelektrisk eller elektret minnemateriale, f.eks. et polymer- eller kopolymermateriale. I det minste på toppflaten av elektrodene e2 skal den isolerende tynnfilm være et minnemateriale, f.eks. av den sistnevnte art, og svare til partiene 4c som vist på fig. 9. Nå kan en tredje elektrodeanordning E3, som i realiteten er lik den første elektrodeanordning El bortsett fra at elektrodene e3 har mindre høyde/breddeforhold, være anordnet over den isolerende tynnfilm 4 med elektrodene e3 orientert i samme retning som elektrodene el i elektrodeanordningen El, slik at hver elektrode e3 i den førnevnte registrerer med den lignende tilsvarende elektrode el i den sistnevnte. Elektrodene e3 i elektrodeanordningen E3 kan f.eks. være anordnet på et isolerende bakplan 1' som vist på fig. 10. Dermed fås en minneinnretning som noe skjematisk gjengitt i grunnriss på fig. 1 la, som skal betraktes i samband med fig. 1 lb som viser et tverrsnitt gjennom planrisset på fig. 1 la tatt langs linjen A-A og sett i retning fra B. Hver minnecelle 5 er definert på den vanlige måte og kan som vist på fig. 1 lb, nå polariseres eller svitsjes i fire retninger, da partiene 4c av minnematerialet i en celle 5 nå kan adresseres via en elektrode e2 i den annen elektrodeanordning E2 og en ortogonalt kryssende elektrode e3 i den tredje elektrodeanordning E2. Hver minnecelle kan med andre ord adresseres i fire retninger på fire forskjellige steder i denne. Videre kan en minneinnretning svarende til den vist på fig. 1 la og 1 lb nå bli benyttet i apparatet i henhold til oppfinnelsen til å implementere den sistnevnte som en volumetrisk datalagringsapparat ved ganske enkelt å stable minneinnretningene vist på fig. 1 la og fig. 11b opp på hverandre. Hver minneinnretning i stabelen vil naturligvis være atskilt av de isolerende bakplan 1'.

Imidlertid kan det fås et bedre økonomisk resultat eller utførelse av apparatet i henhold til oppfinnelsen som et volumetrisk datalagringsapparat med stablede minneinnretninger, med en konfigurasjon som vist på fig. 12a. Den grunnleggende byggesten er her minneinnretningen som vist på fig. 9 og med isolerende tynnfilm 4 anordnet på toppen av denne. Tynnfilmen 4 kan naturligvis være et ferroelektrisk eller elektret materiale og skal i ethvert tilfelle i partier over toppoverflatene til elektrodene s2 være et minnemateriale, f.eks. et ferroelektrisk eller elektret materiale, foretrukket et polymer- eller kopolymermateriale av denne art. Dermed kan minneinnretninger lik den på fig. 9 stables på toppen av hverandre og danne en stabel Sl, S2, S3 med minneinnretninger av denne art og det vil ses at elektrodene sl i en tilstøtende minneinnretning nå utfører funksjonen til elektrodene e3 i minneinnretningen vist på fig. 11b. Med andre ord vil apparatet i henhold til oppfinnelsen vist på fig. 12a med stablede minneinnretninger tillate polarisasjon og svitsjing av minnecellene i fire retninger, dvs. to sideretninger og to vertikale retninger og ved fire atskilte steder i hver minnecelle. Apparatet vist på fig. 12a er med andre ord meget enklere enn apparatet basert på en minneinnretning konfigurert like den vist på fig. 11b.

Fig. 12b viser et grunnriss av en minnecelle 5 i apparatet på fig. 12a med elektrodene fjernet og svitsjeretningene angitt i henhold til den ledsagende tegnforklaring. Fig. 12c viser et tverrsnitt av minnecellen 5 på fig. 12b tatt langs linjen C-C og viser klart svitsj eretningene så vel som den bokslignende struktur av en minnecelle 5 i apparatet i henhold til oppfinnelsen. Enhver minnecelle i en minneinnretning i apparatet i henhold til oppfinnelsen som gjengitt på fig. 12 vil naturligvis være definert av minnematerialet som omgir elektrodene e2 ved krysningen derimellom og respektive overliggende og underliggende elektroder sl som er orientert ortogonalt til de før nevnte.

Det skal også bemerkes at de ti minneceller som kan fås i en minneinnretning som vist på fig. 1 la eller fig. 12a i hvert tilfelle tillater ikke mindre enn 40 adresseringssteder kan sammenlignes med halvparten av dette antall celler med et enkelt adresseringssted for hver som kan fås i en vanlig sandwichstruktur som opptar det samme areal som f.eks. en enkelt minneinnretning i apparatet som f.eks. vist på fig. Ila eller 12a. Arealfyllingsfaktoren blir også fordoblet fra 0,25 til 0,5 og med det ytterligere resultat av en fordoblet lagringstetthet minst en fordoblet kondensatorareal som gir en sterkt forbedret signal/støy forhold og detekterbarhet. Det skal dessuten bemerkes at fordypningene som rommer elektrodene e2 og minnematerialet kan gjøres meget videre enn f.eks. en prosessbeskranket minimumstrekk f, mens bredden w av elektroden e2 kan være betraktelig mindre. Følgelig kan minnematerialet 4 avsettes med en tilsvarende større tykkelse og det samme ville også gjelde minnecellepartiene 4b og 4c. Tykkelsen av minnematerialet i disse er naturligvis ikke begrenset av en annen spesifikk konstruksjonsregel da den kan påføres ved forskjellige fremgangsmåter velkjent for fagfolk og med en tykkelse som beskrevet og som strekker seg fra noen få nanometer og oppover.

Det bør bemerkes at apparatet i henhold til oppfinnelsen ikke er begrenset til de foretrakkede eksempliifserende utførelser som er vist i det foregående. Andre variantutførelser kan frembringes innenfor oppfinnelsens ramme.

Det foreslåtte konsept innfører en ny cellearkitektur som tillater påtrykking

av et felt i en sideretning i forhold til (krets-)substratet (om konstruksjonen er hybrid). Dette kan kombineres med påtrykking av vertikale felter, potensielt samtidig. Flerlagsminner kan bygges med bare ett eneste polymerlag og en avsetning, etter valg, utført som et siste prosesstrinn, idet hverken metall eller noe annet skal avsettes på polymeren, slik at de omtalte problemer forbundet med påfølgende prosessering på polymer unngås.

En minnematrise basert på sideveissvitsjing kan fremstilles på en rekke

måter. En foretrukket utførelse er følgende prosedyre. Et tynt isolerende lag avsettes på silisiumskiven (eksempelvis Si02 eller et ferroelektrisk polymermateriale som polyvinylidendifluorid eller kopolymeren polyvinylidendifluorid-trifluoroetylen (PVDF-TrFe)). Deretter bygges et første sett av (parallelle) elektroder i dette lag (første masketrinn), f.eks. med to ganger tykkelsen (høyden) eller høyde/breddeforholdet H/w for en typisk

elektrode som ellers benyttet for en krysspunktmatriseminne av tilsvarende størrelse og funksjonalitet. Et isolerende lag påføres deretter globalt. Deretter vil åpningen mellom elektrodene fylles med et elektrodemateriale, (det samme eller et annet, muligvis en rekke forskjellige) for å danne et annet sett av elektroder. Det resulterende elektrodemønster er betegnet som et "tett elektrodemønster", som vist i den ovennevnte norske patentsøknad. Disse to elektrodesettene vil heretter bli kalt "bunnelektroder". Deretter avsettes et tredje sett av parallelle (topp-)elektroder orientert med 90° til de første to, ved først å fremstille åpninger som strekker seg tilstrekkelig gjennom bunnelektrodene, f.eks. med (50%) med bruk av en (annen) maske. Deretter påføres et globalt isolasjonsmateriale, f.eks. forskjellig fra det benyttet for bunnelektrodene, f.eks. i form av ferroelektrisk kopolymer (nødvendig om vertikal svitsjing skal benyttes), fulgt av en fylling i toppelektroden med det samme eller alternativt elektrodemateriale. Deretter benyttes kjemomekanisk polering (CMP) eller en annen planariseringsprosess, f.eks. global etsing, for å bli kvitt overflødig elektrode/isolatormateriale, slik at isolatormaterialet mellom alle tre elektrodesett blir blottlagt og det således fås en fullstendig isolasjon mellom hver av elektrodesettene, idet resultatet blir en krysspunktmatrisegruppe hvor bunnelektrodene og toppelektrodenes toppflater befinner seg i samme plan. Isolatormaterialet blir deretter etset bort ned til bunnivået for toppelektroden og det fylles med minnemateriale, f.eks. en ferroelektrisk polymer, enten med tradisjonell spinnbelegging eller en alternativ metode, f.eks. dyppbelegging fra smelte.

De siste etsings- og fyllingstrinn kan unngås hvis isolatormaterialet er et ferroelektrisk materiale overalt eller bare utgjør toppisolatormaterialet. Fordelen ved dette er at det ikke er noen problemer med å få fylt polymermaterialet i de smale åpninger mellom elektrodene; ulempen er at polymermaterialet vil være utsatt for prosessering. Polymermaterialets evne til å trenge inn i de smale åpninger mellom elektrodene kan ytterligere bedres ved å benytte elektrostatiske eller lignende tiltrekkingsmetoder, og dessuten fordi bunnen av åpningene alltid vil være et isolatormateriale, vil PVD-TrFe-filmen ikke være nødt til å trenge helt ned til bunnen av åpningene.

Ved å påtrykke spenning til en av bunnelektrodene og toppelektrodene, vil polymermaterialet på begge sider av toppelektroden hvor den tilsvarende bunnelektrode krysser, svitsjes i sideretningen. Tykkelsen av polymermaterialet svarer til tykkelsen av polymerfilmen i den vertikale svitsjearkitektur. Det betyr at nivået for den påtrykte spenning som er nødvendig for å oppnå fullstendig polarisasjonssvitsjing er en direkte funksjon av tykkelsen av polymermaterialet mellom elektrodeåpningene og således styrt av tykkelsen av det påførte isolatormaterialet, ikke av tykkelsen av det spunne polymersjikt. Dette sikrer en meget jevnere tykkelse enn om polymeren ble påført i en vertikal struktur og også at ujevne sidevegger på elektrodene ikke ødelegger denne jevnheten, da den motsatte elektrodevegg vil gjenspeile ujevnheter i den annen sidevegg.

Det faktum at begge sider av toppelektrodene svitsjer samtidig betyr at den effektive celleareal dobles og at signal/støyforholdet således forbedres med en faktor på 1,42. Den effektive celleareal kan ytterligere forbedres ved å utføre topp/bunnelektroden tykkere, da cellearealet blir lik cellens lengde W multiplisert med cellens høyde h. Dette faktum tillater et vilkårlig stort celleareal uansett cellens fotavtrykk i sideretningen ved å innføre en vertikal celledimensjon. Cellens høyde og tykkelse er ikke kritisk selv når det benyttes litografi med høyere oppløsning. Alt dette vil følgelig forbedre cellens utmattingsfasthet under svitsjing.

Lagringstettheten til den første elektrodestruktur svarer til 2f2 eller f2. Hvis tette elektroder benyttes som toppelektroder, vil det bare medføre to masketrinn. Dette er bra sammenlignet med vertikal arkitektur som vil trenge to (eller fire) minnesjikt og 3 (eller 6) masketrinn for å oppnå det samme.

Når dette første "lag" er dannet, kan ytterligere lag tilføyes på forskjellige måter. En er ganske enkelt å avsette polymerfilm på toppen av den første struktur og deretter bygge et nytt bunnelektrodesett på toppen av dette. Dermed vil toppelektroden i den første struktur kombinere med bunnelektroden i den neste for å danne et ekstra 2f2- (eller f2-)minnelag (enskjønt med bare ett celleareal pr. celle). Da dette bare krever et masketrinn, vil den resulterende stabel som representerer en full f2 (eller en tetthet på 1/2 f2) bare innebære tre masketrinn, mens med den vertikale arkitektur ville den samme tetthet kreve (medregnet alle masketrinn bortsett fra masker for viaer) 6 (eller 12) masketrinn (to doble eller fire doble lag). Ved å tilføye en toppelektrode til den annen struktur fåes en tetthet på 2/3 f2, en ny bunnelektrode gir 1/3f2 etc.

Om den er begrenset til den første elektrodestruktur eller -lag og isolasjonsmaterialet etses bort med etterfølgende fylling av polymerfilm vil det ikke finnes prosessering på polymeren, hvilket innebærer at en 2f2- (eller f2-) struktur kan bygges uten at polymeren svekkes med en etteravsetting, noe som anses å være meget fordelaktig for å opprettholde en morfologi som er optimal for minneapplikasjoner.

Siden det has et planariseringstrinn mellom hvert lag vil det ikke bli noe tap av litografisk tetthet eller filmenhet ved tilsetting av påfølgende lag, noe som også innebærer at bortsett fra mulige komplikasjoner med hensyn til viaer, er det teknisk ingen begrensning på hvor mange lag som kan stables på denne måte til forskjell fra vertikal arkitektur hvor planarisering blir mer og mer vanskelig å oppnå med påfølgende lag.

En alternativ fremgangsmåte for bygging av sideveis svitsjbare celler er som følger. Først blir de parallelle bunnelektroder dannet og hver elektrode utstyrt med fingerlignende utvidelser atskilt med et litografitrinn som strekker seg ut fra elektroden. På disse elektrodene dannes et annet sett elektroder avsatt på det samme plan, dvs. samme substratnivå ved å la disse toppelektrodene "klatre" over bunnelektrodene hvor de krysser. Cellen blir da definert i området hvor fingerlignende utvidelser overlappes av toppelektrodene, idet avstanden dem imellom bestemmer filmtykkelsen, dvs. at det er avstanden mellom den fingerlignende utvidelse og toppelektroden som skal representere det nødvendige koersitivfelt. For å gjøre dette tilstrekkelig kort (foretrukket mindre enn 0,06 um) noe som er vanskelig å oppnå med litografi, kan en rekke teknikker benyttes. Én er "feilinnretting" av toppelektroden relativ til bunnelektroden eksempelvis med en verdi mindre enn 0,06 fim, idet denne feilinnretning/forskyvning deretter utgjør filmtykkelsen i en vertikal cellestruktur. Alternativt kan fremgangsmåte med tette elektroder og barrierelaget benyttes.

Variasjoner av de ovennevnte utførelser kan benyttes for å oppnå et høyere cellearealtetthet. Én vil være å anordne de fingerlignende utvidelser lenger fra hverandre, f.eks. to litografitrinn borte, slik at det kan fås svitsjing på begge sider av utvidelsene, da det nå vil være to separate toppelektroder som omgir hver side av fingrene. Det er også mulig å benytte konseptet for tette elektroder for å danne tettere toppelektroder for å oppnå en større økning i celletettheten.

Claims (8)

1. Matriseadresserbart apparat som omfatter én eller flere minneinnretninger med multidireksjonelt svitsjbare minneceller (5) anordnet i en passiv, matriseadresserbar gruppe, hvor minnecellene (5) omfatter et minnemedium i form av et ferroelektrisk eller elektret tynnfilmminnemateriale som er i stand til å polariseres av et påtrykt elektrisk felt og viser hysterese, hvor i det minste én minneinnretning omfatter to og ikke flere enn tre elektrodeanordninger (E), hvor den første elektrodeanordning (E) til den minst ene minneinnretning som enten er den eneste minneinnretning i apparatet eller den første av to eller flere minneinnretninger deri, er anordnet på et isolerende substrat (1), og hvor apparatet er karakterisert ved at den første elektrodeanordning (1) omfatter parallelle stripelignende elektroder (el) med bredde w og høyde h atskilt innbyrdes elektrisk isolert av et parti (2a) av isolerende tynnfilmmateriale anordnet mellom elektrodene (el) og som dekker sidekantene til disse i et lag med tykkelse 8, idet tykkelsen 8 er en liten brøkdel av elektrodebredden w, at elektrodene (sl) har et stort høyde/breddeforhold H/W, at den første elektrodeanordning (El) omfatter en rekke parallelle fordypninger (3) i sin toppflate og som er orientert perpendikulært til lengdeaksen til elektrodene (el) med en bredde omtrent lik elektrodebredden w og som strekker seg nedad fra toppflaten av elektroden (el) til en avstand h som er omtrent halvparten av høyden H til den sistnevnte, idet fordypningene (3) er innbyrdes atskilt med en avstand omtrent lik bredden W av elektrodene, at minst sideveggene til fordypningene (3) er dekket av en tynnfilm (4) av minnematerialet og at deres bunnflate er dekket med isolerende tynnfilm (4b) som opsjonelt også kan dannes av minnematerialet, og at elektrodene (el) til det annet elektrodesett (E2) er anordnet i fordypningene (3) i kontakt med og på tynnfilmmaterialet (4a, 4b) til disse, hvorved minnematerialet anordnet i fordypningene (3) danner minnecellen (5) til minneinnretningen, idet en enkelt minnecelle (5) i hvert tilfelle er definert i volumet av minnematerialet anordnet mellom en elektrode (el) i den første elektrodeanordning og en elektrode (e2) i den annen elektrodeanordning ved krysningen mellom disse, hvorved en minnecelle (5) kan polariseres og svitsjes i sideretningene perpendikulære på sideveggene av fordypningen (3) og en tredje retning perpendikulær til bunnflaten av fordypningen (3),.gitt at bunnflaten også er dekket av minnematerialet.

2. Apparat i henhold til krav 1, hvor den minst ene minneinnretning omfatter en tredje elektrodeanordning (E3), karakterisert ved at den isolerende tynnfilm (4) er anordnet over toppflatene til elektrodene (sl;e2) i henholdsvis den første og annen elektrodeanordning (E1;E2), idet den isolerende tynnfilm (4) i minst et parti (4c) som dekker toppflatene til elektrodene (s2) i den annen elektrodeanordning (E2) er dannet av minnematerialet, at elektrodene (e3) i den tredje elektrodeanordning (E3) er anordnet i kontakt med og på det isolerende tynnfilmmateriale (4) i et arrangement lik det i den første elektrodeanordning (El) og orientert i den samme retning og perpendikulært på elektrodene (e2) i den annen elektrodeanordning (E2), slik at en elektrode (e3) i den tredje elektrodeanordning (E3) registrerer med den tilsvarende elektrode (sl) i den første elektrodeanordning (El), hvorved hver minnecelle (5) er definert av en tynnfilm (4a, 4b, 4c) av minnematerialet som dekker en elektrode (e2) i den annen elektrodeanordning (E2) ved krysningen av den sistnevnte mellom en elektrode (e1;e3) i henholdsvis den første og tredje elektrodeanordning (E1;E3), slik at en minnecelle (5) kan polariseres og svitsjes i en fjerde retning perpendikulær til toppflaten av en elektrode (s2) i den annen elektrodeanordning (E2).

3. Apparat i henhold til krav 2, hvor to eller flere minneinnretninger er anordnet i en vertikal stabel, karakterisert ved at toppflatene til elektrodene (e3) i den tredje elektrodeanordning er dekket av et isolerende bakplan (1), og at hver minneinnretning er anordnet stablet over hverandre atskilt av de isolerende bakplan (1), hvorved apparatet implementeres som et volumetrisk datalagringsapparat.

4. Apparat i henhold til krav 1, hvor to eller flere minneinnretninger er anordnet i en vertikal stabel, karakterisert ved at den første elektrodeanordning (El) og den annen elektrodeanordning (E2) i en minneinnretning er anordnet i registrerende forhold med henholdsvis de tilsvarende elektrodeanordninger (E1;E2) i hvilken som helst annen minneinnretning i stabelen, at hver minneinnretning i stabelen er atskilt fra enhver tilstøtende nabominneinnretning av den isolerende tynnfilm (4) påført over toppflaten av elektrodene (el;e2), idet den isolerende tynnfilm (4) i det minste i partiene (4c) hvor elektrodene (e2) i den annen elektrodeanordning (E2) krysser elektrodene (el) i den første elektrodeanordning (El) i den tilstøtende nabominneinnretning, er dannet av minnematerialet som i disse partier (4c) kan polariseres eller svitsjes i en fjerde retning perpendikulær til toppflaten av elektrodene (e2) i den annen elektrodeanordning (E2) ved å påtrykke et elektrisk felt mellom disse elektroder og kryssende elektroder (el) i den første elektrodeinnretning (El) i en tilstøtende nabominneinnretning, og at en minnecelle (5) er definert i minnematerialet som omgir en elektrode (e2) i den annen elektrodeanordning (E2) ved krysningen mellom den siste og elektrodene (el) i den første elektrodeanordning i det respektive forekommende minneinnretning og en tilstøtende nabominneinnretning i stabelen, hvorved apparatet implementeres som et volumetrisk datalagringsapparat med den første elektrodeanordning (El) fra den annen minneinnretning i stabelen av en tredje elektrodeanordning i underliggende nabominneinnretning.

5. Apparat i henhold til krav 1, karakterisert ved at det isolerende tynnfilmmaterialet (4) er et ferroelektrisk eller elektret materiale.

6. Apparat i henhold til krav 1, karakterisert ved at minnematerialet er et polymer- eller kopolymermateriale.

7. Apparat i henhold til krav 1, karakterisert ved at det isolerende tynnfilmmateriale (4) og minnematerialet er det samme materiale.

8. Apparat i henhold til krav 7, karakterisert ved at minnematerialet er et polymer- eller kopolymermateriale.