[發明專利]用于3D X-Point存儲器以改善編程并增大陣列尺寸的具有減小的WL和BL電阻的新單元堆疊層

在審

• 申請號: 202080001996.1
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN112106202A
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 劉峻
• 申請（專利權）人: 長江先進存儲產業創新中心有限責任公司
• 主分類號: H01L27/24
• 分類號: H01L27/24;H01L23/532;H01L45/00
• 代理公司: 北京永新同創知識產權代理有限公司 11376
• 代理人: 林錦輝;劉景峰

用于3D X?Point存儲器的具有減小的寫入線(WL)和位線(BL)電阻的單元堆疊層改善了編程并增大了陣列尺寸。BL和WL通過鈷(Co)、銠(Rh)、釕(Ru)自對準或具有覆蓋控制要求的鑲嵌工藝形成。在一個實施例中，首先在襯底中形成Co BL。然后沉積Co/C/OTS/C/PCM/C/Nit堆疊層。隨后，穿過堆疊層蝕刻Co WL以形成交叉點存儲單元，或者在單次鑲嵌中形成Co替換柵極。發現由Co、Rh、Ru形成的WL和BL比使用諸如鎢(W)或銅(Cu)的現有材料對于縮放更加友好。由于較薄的金屬或消除了金屬蝕刻，有效減小了單元堆疊層高度和深寬比。因此，與使用W相比，WL和BL使用減小的電壓。子陣列或瓦片尺寸相應地增大以提高陣列效率。

技術領域

本公開總體上涉及三維電子存儲器，并且更具體地，涉及減小寫入線或字線和位線中的電壓降，并且增大子陣列或瓦片尺寸以改善陣列效率。

背景技術

通過改進工藝技術、電路設計、編程算法和制造工藝，將平面存儲單元按比例縮小至較小尺寸。然而，隨著存儲單元的特征尺寸接近下限，平面工藝和制造技術變得具有挑戰性且成本高昂。這樣，平面存儲單元的存儲密度接近上限。三維(3D)存儲器架構可以解決平面存儲單元中的密度限制。

相變存儲器(PCM)是一種非易失性固態存儲器技術，該技術利用相變材料(例如硫屬化物化合物，例如GST(鍺-銻-碲))在具有不同電阻的狀態之間的可逆的、熱輔助的切換。基本儲存單元(“單元”)可以被編程為展現出不同電阻特性的許多不同狀態或級。可編程單元狀態可以用于表示不同的數據值，從而允許儲存信息。

通過熱自加熱對PCM單元進行編程或擦除，以引發用以表示1和0的非晶態或結晶態。編程電流與PCM單元的尺寸和橫截面積成正比。在單級 PCM器件中，每個單元可以設置為兩種狀態之一，即“置位”狀態和“復位”狀態，從而允許每個單元儲存一個位。在對應于相變材料的完全非晶態的復位狀態下，單元的電阻非常高。通過加熱到高于其結晶點的溫度并且然后冷卻，可以將相變材料轉變為低電阻的完全結晶態。該低電阻狀態提供了單元的置位狀態。如果然后將單元加熱到高于相變材料的熔點的高溫，則該材料會在快速冷卻時恢復為完全非晶的復位狀態。

另外，大的編程電流要求也導致大的編程電壓要求。通過經由與每個單元相關聯的一對電極向相變材料施加適當的電壓來實現PCM單元中的數據的讀取和寫入。在寫入操作中，所得的編程信號導致將相變材料焦耳加熱至適當的溫度，從而在冷卻時引發所需的單元狀態。使用單元電阻作為單元狀態的度量來執行PCM單元的讀取。施加的讀取電壓使電流流過單元。

該電流取決于單元的電阻。因此，單元電流的測量提供了已編程的單元狀態的指示。足夠低的讀取電壓用于該電阻度量，以確保施加讀取電壓不會干擾已編程的單元狀態。然后可以通過將電阻度量與預定義的參考水平進行比較來執行單元狀態檢測。編程電流(I)通常約為100-200μA。如果單元中的寫入線或字線(WL)和位線(BL)遇到大的電阻，則電壓降可能很大。

在商用3D X-Point存儲器中，字線和位線由20nm/20nm的L/S圖案形成。存儲器芯片由許多小存儲陣列(瓦片)組成，并且在編程操作期間，處于跨越字線和位線的大電壓降的風險中。在典型的3D X-Point存儲器中，位線和字線由鎢(W)形成，鎢具有相對高電阻率的電性質。由于字線和位線電阻引起的電壓降將導致存儲單元沿寫入線和位線經歷不同的編程電流，這可能導致過度編程或編程不足。另外，由于電子在表面和晶界處的散射，鎢的電阻率隨著臨界尺寸或CD的減小而迅速增加。

因此，在本領域中需要一種存儲單元堆疊層，其將使寫入線或字線和位線的電阻及其對編程操作的影響最小化，以改善編程窗口并增大瓦片尺寸。

發明內容

包括以下發明內容以便提供對本公開的方面和特征的基本理解。該發明內容不是廣泛的概述，并且因此，其并非旨在特別地標識關鍵或重要的要素或描繪本公開的范圍。其唯一目的是以總結的格式提出概念。