具有三维相变存储器的三维存储设备制造技术

公开了具有3D相变存储器(PCM)的三维(3D)存储设备及用于形成和操作3D存储设备的方法的实施例。在一个示例中，一种3D存储设备包括第一半导体结构，所述第一半导体结构包括外围电路、3D PCM单元阵列、以及包括多个第一键合触点的第一键合层。3D存储设备还进一步包括第二半导体结构，所述第二半导体结构包括3D NAND存储器串阵列和包括多个第二键合触点的第二键合层。3D存储设备还包括第一键合层和第二键合层之间的键合界面。第一键合触点在键合界面处与第二键合触点接触。界面处与第二键合触点接触。界面处与第二键合触点接触。

【技术实现步骤摘要】
具有三维相变存储器的三维存储设备
[0001]本申请是申请日为2019年9月11日、专利技术名称为“具有三维相变存储器的三维存储设备”的专利申请201980002056.1的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求享有于2019年4月30日提交的题为“THREE
‑
DIMENSIONAL MEMORY DEVICE WITH EMBEDDED DYNAMIC RANDOM
‑
ACCESS MEMORY”的国际申请No.PCT/CN2019/085237的优先权，该申请通过引用的方式整体上并入本文。


[0004]本公开内容的实施例涉及三维(3D)存储设备及其制造和操作方法。

技术介绍

[0005]通过改进工艺技术、电路设计、编程算法和制造工艺，将平面存储单元缩小到更小的尺寸。然而，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。作为结果，平面存储单元的存储密度接近上限。
[0006]3D存储器架构可以解决平面存储单元的密度限制。3D存储器架构包括存储器阵列和用于控制进出存储器阵列的信号的外围设备。

技术实现思路

[0007]本文公开了具有3D相变存储器(PCM)的3D存储设备及其制造和操作方法的实施例。
[0008]在一个示例中，一种3D存储设备包括第一半导体结构，所述第一半导体结构包括外围电路、3D PCM单元阵列、以及包括多个第一键合触点的第一键合层。3D存储设备还进一步包括第二半导体结构，所述第二半导体结构包括3D NAND存储器串阵列和包括多个第二键合触点的第二键合层。3D存储设备还包括第一键合层和第二键合层之间的键合界面。第一键合触点在键合界面处与第二键合触点接触。
[0009]在另一示例中，公开了一种用于形成3D存储设备的方法。形成第一半导体结构。第一半导体结构包括外围电路、3D PCM单元阵列、以及包括多个第一键合触点的第一键合层。形成第二半导体结构。第二半导体结构包括3D NAND存储器串阵列和包括多个第二键合触点的第二键合层。将第一半导体结构和第二半导体结构以面对面的方式键合，使得第一键合触点在键合界面处与第二键合触点接触。
[0010]在又一个示例中，公开了一种用于操作3D存储设备的方法。3D存储设备包括同一芯片中的输入/输出电路、3D PCM单元阵列和3D NAND存储器串阵列。数据通过输入/输出电路传输到3D PCM单元阵列。数据缓存在3D PCM单元阵列中。数据从3D PCM单元阵列存储到3D NAND存储器串阵列中。
可以被理解为不一定旨在传达排他性的因素集合，而是可以允许存在不一定明确描述的其他因素，这同样至少部分地取决于上下文。
[0027]应当容易理解的是，本公开内容中的“在
……
上”、“在
……
之上”和“在
……
上方”的含义应以最宽泛的方式来解释，使得“在
……
上”不仅意味着“直接在某物上”，而且还包括其间具有中间特征或层的“在某物上”的含义，并且“在
……
之上”或“在
……
上方”不仅意味着“在某物之上”或“在某物上方”的含义，而且还可以包括其间没有中间特征或层的“在某物之上”或“在某物上方”的含义(即，直接在某物上)。
[0028]此外，为了便于描述，可以在本文使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“下”、“在
……
之上”、“上”等之类的空间相对术语来描述如图所示的一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系。除了附图中所示的取向之外，空间相对术语旨在涵盖设备在使用或操作中的不同取向。该装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他取向)并且同样可以相应地解释本文使用的空间相关描述词。
[0029]如本文所使用的，术语“衬底”是指在其上添加后续材料层的材料。衬底本身可以被图案化。添加在衬底顶部的材料可以被图案化或可以保持未图案化。此外，衬底可以包括多种半导体材料，例如硅、锗、砷化镓、磷化铟等。可替换地，衬底可以由非导电材料制成，例如玻璃、塑料或蓝宝石晶圆。
[0030]如本文所使用的，术语“层”是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可以在整个下方或上方结构上延伸，或者可以具有小于下方或上方结构的范围的范围。此外，层可以是厚度小于连续结构的厚度的均匀或不均匀连续结构的区域。例如，层可以位于连续结构的顶表面和底表面之间或在顶表面和底表面处的任何一对水平平面之间。层可以水平、垂直和/或沿着锥形表面延伸。衬底可以是一层，其中可以包括一层或多层，和/或可以在其上、上方和/或其下具有一层或多层。一层可以包括多个层。例如，互连层可以包括一个或多个导体和触点层(其中形成有互连线和/或过孔触点)以及一个或多个电介质层。
[0031]如本文所使用的，术语“标称/标称地”是指在产品或工艺的设计阶段期间设定的部件或工艺操作的特性或参数的期望值或目标值、以及高于和/或低于期望值的值的范围。值的范围可以是由于制造工艺或公差的轻微变化而引起。如本文所使用的，术语“约”表示给定量的值可以基于与主题半导体设备相关联的特定技术节点而变化。基于特定的技术节点，术语“约”可以表示给定量的值例如在该值的10
‑
30％内变化(例如，值的
±
10％、
±
20％或
±
30％)。
[0032]如本文所使用的，术语“3D存储设备”是指在横向取向的衬底上具有垂直取向的存储单元晶体管串(本文中称为“存储器串”，例如NAND存储器串)的半导体设备，使得存储器串相对于衬底在垂直方向上延伸。如本文所使用的，术语“垂直/垂直地”表示标称垂直于衬底的横向表面。
[0033]3D XPoint存储器作为一种类型的PCM已经与3D NAND闪存一起放置在同一印刷电路板(PCB)上，以提高存储系统性能。然而，分立的3DXPoint存储器芯片和3D NAND闪存芯片之间的距离相对较长(例如，几厘米)，从而限制了两个存储器芯片之间的数据传输速率。两个芯片也都需要单独的存储器控制器，这增大了开销，从而导致降低整体设备性能。
[0034]另一方面，在传统的3D NAND存储器芯片中，在同一平面上形成在存储单元阵列外部的外围电路可能占据设备芯片的大的面积，从而导致阵列效率较差、管芯尺寸大且成本
高。而且，与处理存储单元阵列相关联的热预算限制了外围电路性能要求，从而使得难以实现3D NAND存储器的高输入/输出(I/O)速度。
[0035]根据本公开内容的各种实施例提供了一种3D存储设备，其具有片上3D PCM，例如3D XPoint存储器，从而具有提高的I/O速度、吞吐量和存储密度。在一些实施例中，使用高速高级逻辑器件处理将3D NAND存储器的外围电路(例如，控制和感测电路)形成在单独的衬底上。3D PCM(例如，3D X本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D存储设备，包括：第一半导体结构，所述第一半导体结构包括外围电路、3D相变存储器单元阵列、以及包括多个第一键合触点的第一键合层，所述3D相变存储器单元阵列位于所述外围电路上方或下方；第二半导体结构，所述第二半导体结构包括3D NAND存储器串阵列和包括多个第二键合触点的第二键合层；以及键合界面，所述键合界面在所述第一键合层和所述第二键合层之间，其中，所述第一键合触点在所述键合界面处与所述第二键合触点接触，其中，所述外围电路、所述3D相变存储器单元阵列和所述3D NAND存储器串阵列在垂直方向上堆叠在一起，并且其中，所述外围电路包括用于所述3D相变存储器单元阵列的第一外围电路和用于所述3D NAND存储器串阵列的第二外围电路。2.根据权利要求1所述的3D存储设备，其中，所述第一半导体结构包括：所述外围电路；所述外围电路上方的所述3D相变存储器单元阵列；以及所述3D相变存储器单元阵列上方的所述第一键合层。3.根据权利要求2所述的3D存储设备，其中，所述第二半导体结构包括：在所述第一键合层上方的所述第二键合层；在所述第二键合层上方的存储器叠层；垂直延伸穿过所述存储器叠层的所述3D NAND存储器串阵列；以及在所述3D NAND存储器串阵列上方并与所述3D NAND存储器串阵列接触的半导体层。4.根据权利要求3所述的3D存储设备，其中，所述半导体层包括多晶硅或单晶硅。5.根据权利要求1所述的3D存储设备，其中，所述第二半导体结构包括：存储器叠层；垂直延伸穿过所述存储器叠层的所述3D NAND存储器串阵列；以及所述存储器叠层和所述3D NAND存储器串阵列上方的所述第二键合层。6.根据权利要求5所述的3D存储设备，其中，所述第一半导体结构包括：在所述第二键合层上方的所述第一键合层；在所述第一键合层上方的所述3D相变存储器单元阵列；在所述3D相变存储器单元阵列上方的所述外围电路；以及在所述外围电路上方并与所述外围电路接触的半导体层。7.根据权利要求3或6所述的3D存储设备，还包括在所述半导体层上方的焊盘引出互连层。8.根据权利要求1所述的3D存储设备，其中，所述外围电路包括所述NAND存储器串阵列的外围电路和所述3D相变存储器单元阵列的外围电路。9.根据权利要求1
‑
6和8中任一项所述的3D存储设备，其中，每个3D相变存储器单元包括3D XPoint存储单元。10.根据权利要求1
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6和8中任一项所述的3D存储设备，其中，所述第一半导体结构包括垂直位于所述第一键合层和所述3D相变存储器单元阵列之间的第一互连层，并且所述第二
半导体结构包括垂直位于所述第二键合层和所述3D NAND存储器串阵列之间的第二互连层。11.根据权利要求10所述的3D存储设备，其中，所述3D相变存储器单元阵列通过所述第一互连层和所述第二互连层以及所述第一键合触点和所述第二键合触点电连接到所述3D NAND存储器串阵列。12.一种用于形成3D存储设备的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峻，
申请(专利权)人：长江存储科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：