[發明專利]小晶粒三維存儲器

有效

• 申請號: 201310091513.3
• 申請日: 2013-03-21
• 公開（公告）號: CN103367365A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 張國飆
• 申請（專利權）人: 成都海存艾匹科技有限公司
• 主分類號: H01L27/10
• 分類號: H01L27/10;H01L27/102
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及集成電路領域，更確切地說，涉及基于二極管的、存儲元分布在三維空間的單片半導體存儲器。

背景技術

三維存儲器（3-dimensional?memory，簡稱為3D-M）是一個單片（monolithic）半導體存儲器，它含有多個相互堆疊的存儲層。如圖1所示，三維存儲器含有一個襯底層30和至少一個存儲層40。襯底層30含有多個有效晶體管（38a、38b…）。這些晶體管形成在單晶半導體襯底00內，它們是單晶晶體管。每個晶體管含有柵極34和源/漏32。三維存儲層40含有多條地址選擇線（42、46…）和存儲元（48a、…）。每個存儲元48a位于兩條地址選擇線（42和46）的交叉處，它含有一薄膜二極管41和一存儲膜43。薄膜二極管41防止存儲元之間的串擾，存儲膜43決定存儲元48a中存儲的數據。

中國專利申請200810183936.7提出了一種窄線寬三維存儲器。圖1中的三維存儲器是一窄線寬三維存儲器，其存儲層40中地址選擇線46的最小周期p小于襯底層30中晶體管柵極34的最小周期P。一個經常被專業人士忽視的事實是：三維存儲器中的薄膜二極管41為多晶二極管，它基于多晶半導體材料（如多晶硅）；與常規的單晶二極管相比，多晶二極管具有不同的電氣特性。這在圖1中有進一步的描述。圖1概要地畫出了存儲元48a中薄膜二極管41的晶粒結構，圖中的虛線表示晶粒邊界。在三維存儲器的縮尺換代過程中，當薄膜二極管41的尺寸D與多晶硅的晶粒尺寸G接近時，尤其是當薄膜二極管41的特征尺寸f縮尺到40nm以下（包括40nm）時，每個薄膜二極管41僅含少量晶粒（如a、b、c、d、e），這導致其電氣特性難以控制：即使兩個薄膜二極管采用完全相同的設計（即具有相同的版圖形狀和相同的橫截面），它們的電流－電壓（伏－安）特性也可以差異很大。因此，窄線寬三維存儲器會有較大的讀寫出錯率。另外，由于多位元（multi-bit-per-cell）對存儲元中電流的一致性要求極高，較大的電流波動也使窄線寬三維存儲器難以實現多位元。

綜上所述，窄線寬三維存儲器的性能較差，且難以提高存儲容量。為了克服這些缺陷，本發明提出一種小晶粒三維存儲器。

發明內容

本發明的主要目的是提高窄線寬三維存儲元的性能。

本發明的另一目的是增加窄線寬三維存儲器的存儲容量。

本發明的另一目的是降低窄線寬三維存儲元的讀寫出錯率。

本發明的另一目的是提高窄線寬三維存儲元性能的穩定性。

根據這些以及別的目的，本發明提供了一種小晶粒三維存儲器，它對窄線寬三維存儲器做了進一步改進。

為了使三維存儲器中存儲層內的薄膜二極管具有可控的電氣特性，本發明提出一種小晶粒三維存儲器，它尤其適合于薄膜二極管的特征尺寸f縮尺到40nm以下（包括40nm）的三維存儲器。小晶粒三維存儲器中的薄膜二極管是小晶粒二極管。小晶粒二極管含有小晶粒材料，其晶粒尺寸G遠小于二極管尺寸D。小晶粒材料的一個例子是納米晶（nano-crystalline）材料。由于小晶粒二極管含有大量晶粒，單個晶粒導致的電流波動可以被平均掉。因此，小晶粒二極管具有可控的電氣特性（如較小的電流波動），這可以極大地降低三維存儲器的讀寫出錯率。作為一個極端的例子，小晶粒二極管還可以采用非晶材料，以實現更好的電流控制，從而使三維存儲器—尤其是三維掩膜編程只讀存儲器（3D-MPROM）—實現多位元（multi-bit-per-cell）。

與單晶晶體管比較，小晶粒二極管結構更為簡單，故其縮尺換代更為容易。具體說來，單晶晶體管的縮尺換代受多種因素限制，如受光刻工藝、柵極材料、柵絕緣層材料、溝道設計、源漏設計等因素的限制；而小晶粒二極管的縮尺換代所受的限制要少得多，一般說來它僅受光刻工藝和晶粒尺寸限制。因此，存儲層（小晶粒二極管）的特征尺寸f可以小于襯底層（單晶晶體管）的特征尺寸F。存儲層（小晶粒二極管）的特征尺寸f還可以小于同期量產快閃存儲器（flash）的特征尺寸F_f。