[发明专利]用于3D交叉点存储器的具有减小的编程电流和热串扰的新型缩小单元结构和制造方法

说明书

描述了系统、方法和设备，以通过存储单元的几何结构配置，通过蚀刻和其他方法，减小操作3D存储单元所需电流，在一个实施例中，通过在存储单元之间使用层合和间隙填料减小了热串扰，这继而产生更少的热量并且更好地隔离由单元产生的热，这继而允许存储单元更小尺度的制造。在单元结构和工艺流程中，通过在X和Y方向二者上的线/空间图案化期间进行湿法或干法工艺，以缩小的形状对PCM存储单元成形。结果，在存储单元柱的中间，编程电流密度最高，以仅在单元柱的中间诱发相变和熔化，从而保持远离顶部电极和底部电极，用于减小在相邻单元之间的串扰。

技术领域

本公开总体涉及三维电子存储器。更具体而言，本公开涉及减小编程电流和相邻存储单元之间的热串扰。

背景技术

通过改善工艺技术、电路设计、编程算法和制造工艺，平面存储单元被缩放到更小尺寸。不过，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具有挑战性且成本高昂。这样一来，针对平面存储器单元的存储密度接近上限。三维(3D)存储器架构能够解决平面存储器单元中的密度限制。此外，对电压和电编程的要求可能限制3D存储器架构的密度。

相变存储器(PCM)单元是一种非易失性固态存储器技术，其采用了相变材料在具有不同电阻的状态之间的可逆的热辅助切换，所述相变材料比如硫属元素化物化合物(chalcogenide coumpound)，如GST(锗-锑-碲)。基本存储单位(“单元”)可以被编程进入数个不同状态或电平，其呈现出不同的电阻特性。可编程单元状态可以用于代表不同数据值，允许存储信息。

PCM单元是通过自身加热以诱发非晶或晶态以表示1和0而被编程或擦除的。编程电流与PCM单元的尺寸和截面积成正比。在单电平PCM器件中，可以将每个单元设置成两种状态中的一种状态，“SET”状态和“RESET”状态，允许每个单元存储一个比特。在RESET状态(其对应于相变材料的整体非晶态)中，单元的电阻非常高。通过加热到高于其结晶点的温度并随后冷却，可以将相变材料转换成低电阻的全晶体状态。这种低电阻状态提供了单元的SET状态。如果随后将单元加热到高于相变材料熔点的高温，则材料会在快速冷却时恢复到完全非晶的RESET状态。

由于热学自加热的性质，在对相邻单元编程时会发生串扰(cross talk)。串扰是在信号之间的干扰。由于工艺技术的缩放，在相邻互连之间的间距在缩小。一个信号的切换可能会影响另一个信号。在最坏情况下，这可能会导致另一个单元的值变化，或者可能会延迟信号过渡，影响定时。这种情况被分类为信号完整性问题。

另外，由于IR降(IR＝电压＝电流×电阻)，大的编程电流要求还导致大的编程电压要求。对PCM单元中的数据的读取和写入是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电压而实现的。在写入操作中，所得的编程信号导致相变材料被焦耳加热到适当温度，以在冷却时诱发期望的单元状态。对PCM单元的读取是使用单元电阻作为单元状态的度量来执行的。施加的读取电压导致电流流经单元，该电流取决于单元的电阻。因此，对单元电流的测量提供了对被编程单元状态的指示。为该电阻度量使用充分低的读取电压，以确保施加读取电压不会干扰被编程单元状态。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)通常在100-200μA的量级。如果单元中的写入线(WL)和位线(BL)遇到大电阻，则电压降可能很大。

因此，需要减小编程电流以及在相变存储器(PCM)单元之间的热串扰。

发明内容

在创造本技术时，发现尽管三维(3D或3-D)存储器架构能够解决平面存储单元中的密度限制问题，但3D配置可能会带来新的技术挑战。由于追求3D存储器架构的期望特征，例如3D单元更大的密度或单元制造尺寸的减小，可能会带来其他技术问题。