[发明专利]用于3D X-Point存储器的具有减小的编程电流和热串扰的新单元结构

说明书

一种三维存储架构包括存储单元的顶部单元阵列、存储单元的底部单元阵列、耦合到所述阵列的多条字线和位线。所述存储单元是相变存储器(PCM)单元，相变存储器(PCM)单元在纵向方向(X方向)和横向方向(Y方向)两者上的线/间隔图案化期间通过湿法或干法工艺被修改为在这两个方向上减小单元大小。更小的PCM单元尺寸和截面面积导致了对该单元编程所需的电流更小。相邻存储单元之间的更大距离导致了更少的热串扰。具有比选择器尺寸更小的PCM单元尺寸允许在电阻式切换存储元件中的电流选择器(又称为电流限制器或者电流导引元件)中的电流密度要求更小。

技术领域

本公开总体上涉及三维电子存储器，并且更具体地涉及在相邻存储单元中的减小的编程电流和热串扰。

背景技术

通过改善工艺技术、电路设计、程序算法和制造工艺使平面存储单元缩放到更小的尺寸。但是，随着存储单元的特征尺寸接近下限，平面工艺和制造技术变得有挑战性和成本高昂。这样一来，平面存储单元的存储密度接近上限。三维(3D)存储架构可以解决平面存储单元中的密度限制。

相变存储器(PCM)是利用在具有不同电阻的状态之间的可逆、热辅助切换的相变材料的非易失性固态存储技术，例如，相变材料如诸如GST(锗锑碲)的硫族化合物。可以将基本存储单位(单元)编程为显示出不同电阻特性的若干不同状态或级。可以使用可编程单元状态代表不同的数据值，从而允许信息的存储。

通过热量自加热以引发非晶状态或晶体状态来表示1和0从而对PCM单元进行编程或擦除。编程电流与PCM单元的尺寸和截面面积成正比。在单级PCM器件中，每个单元可以被设置到两种状态(“SET”状态和“RESET”状态)中的一个，从而允许每单元存储一位。在对应于相变材料的完全非晶状态的RESET状态中，单元的电阻是非常高的。通过加热到超过相变材料的结晶点的温度，并且之后进行冷却，可以将相变材料转变成低电阻的完全晶体状态。该低电阻状态提供了单元的SET状态。如果之后将单元加热到超过相变材料的熔点的高温度，那么该材料在快速冷却时回复到完全非晶RESET状态。

由于热量自加热的性质，在对相邻单元编程时会发生串扰。串扰是信号之间的干扰。由于工艺技术缩放，相邻互连之间的间隔缩小。对一个信号的切换可能影响另一个信号。在最坏的情况下这可能引起另一个单元的值的改变，或者其可能使信号转换延迟，从而影响时序。这被归类为信号完整性问题。

此外，大编程电流要求还由于IR降(IR＝电压＝电流×电阻)而带来了大编程电压要求。通过经由与每个单元相关联的一对电极向相变材料施加适当的电压来实现对PCM单元中的数据的读取和写入。在写入操作中，所产生的编程信号使相变材料被焦耳加热到适当的温度，从而在冷却时引发预期的单元状态。使用单元电阻作为对单元状态的度量来执行对PCM单元的读取。所施加的读取电压使电流流动通过该单元，该电流取决于单元的电阻。因此，对单元电流的测量提供了已编程的单元状态的指示。足够低的读取电压用于该电阻度量，以确保读取电压的施加不干扰已编程的单元状态。然后可以通过将电阻度量与预定义的参考水平进行比较来执行单元状态检测。编程电流(I)通常大约为100-200μA。如果单元中的写入线(WL)和位线(BL)遭遇大电阻，那么电压降可能是显著的。

因而，仍然需要提供减小的编程电流和减小的热串扰的这种存储单元。

发明内容

包括下列发明内容是为了提供对本公开的各方面和特征的基本理解。该总结并不是广泛概括，并且同样地并非旨在具体识别关键元件或重要元件，或并非旨在描述本公开的范围。其唯一的目的是以总结的格式提出概念。

在一个方面当中，提出了用于3D X-Point存储器的新单元结构，与现有技术的3DX-Point存储单元结构相比，所述新单元结构允许减小的编程电流和减小的热串扰。在所提出的新单元结构中，每个堆叠层由垂直的字线和位线组成。存储单元与字线和位线自对准。根据该实施方式，与同一堆叠层中的电极和选择器相比，在一个或两个方向上减小了存储单元尺寸或相变存储器(PCM)单元尺寸。