三维纵向一次编程存储器制造技术

本发明专利技术提出一种三维纵向一次编程存储器（3D‑OTPV）。它含有多层堆叠的水平地址线，多个穿透水平地址线的存储井，一层覆盖存储井边墙反熔丝膜，多条形成在存储井中的竖直地址线。在一个读周期中，与一字线电耦合的所有OTP存储元存储的信息被读出。

3-D Vertical Primary Programming Memory

【技术实现步骤摘要】
三维纵向一次编程存储器
本专利技术涉及集成电路存储器领域，更确切地说，涉及一次编程存储器（OTP）。
技术介绍
三维一次编程存储器（3D-OTP）是一种单体（monolithic）半导体存储器，它含有多个垂直堆叠的OTP存储元。3D-OTP的存储元分布在三维空间中，而传统的平面型OTP的存储元分布在二维平面上。相对于传统OTP，3D-OTP具有存储密度大，存储成本低等优点。此外，3D-OTP数据寿命长（>100年），适合长久存储数据。美国专利5,835,396（专利技术人：张国飙；授权日：1998年11月10日）披露了一种3D-OTP。3D-OTP芯片含有一衬底及多个堆叠于衬底电路层上的OTP存储层。衬底上的晶体管及其互连线构成衬底电路（包括3D-OTP的周边电路）。每个OTP存储层含有多条水平地址线（包括字线和位线）及多个OTP存储元。每个OTP存储层含有多个OTP阵列，每个OTP阵列是共享有至少一条地址线的OTP存储元的集合。接触通道孔将地址线与衬底电路电耦合。由于其地址线都是水平的，该3D-OTP被称为橫向3D-OTP（3D-OTPH）。当3D-OTPH的存储容量超过100Gb时，其地址线线宽进入1xnm，这需要采用高精度光刻技术（如多次曝光技术），增加芯片成本。同时，随着OTP存储层数目的增加，平面化将越来越困难。因此，3D-OTPH的OTP存储层数目受到限制。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种廉价且高密度的三维一次编程存储器（3D-OTP）。本专利技术的另一目的是采用较低精度光刻技术制造3D-OTP。本专利技术的另一目的是增加OTP存储层的数目。本专利技术的另一目的是在OTP存储元漏电流较大的情况下保证3D-OTP的正常工作。为了实现这些以及别的目的，本专利技术提出一种三维纵向一次编程存储器（3D-OTPV）。它含有多个在衬底电路上并肩排列的OTP存储串，每个OTP存储串垂直与衬底且含有多个垂直堆叠的OTP存储元。具体说来，3D-OTPV含有多条垂直堆叠的水平地址线（字线）。在刻蚀出多个穿透这些水平地址线的存储井后，在存储井的边墙覆盖一层反熔丝膜，并填充导体材料以形成竖直地址线（位线）。导体材料可以是金属材料或掺杂的半导体材料。OTP存储元形成在字线和位线的交叉处。每个OTP存储元含有一反熔丝和一二极管，反熔丝含有一反熔丝膜。反熔丝膜就是一层绝缘膜（如氧化硅、氮化硅），它在编程时从高电阻态不可逆转地转变为低电阻态。对于多位元3D-OTPV（即每个OTP存储元存储n>1位信息），每个OTP存储元存储>1位数据，它具有N>2种状态。不同状态的OTP存储元采用的编程电流不同，因此，它们具有不同电阻。二极管含有一准导通膜，它具有如下广义特征：当外加电压的数值小于读电压或外加电压的方向与读电压相反时，其电阻远大于其在读电压下的电阻（读电阻）。在OTP存储元中，二极管的阴极尺寸仅为存储井的半径。由于该尺寸太小而难以压制二极管的漏电流，3D-OTPV中OTP存储元的漏电流高于3D-OTPH。为了解决这个问题，本专利技术提出一种“全读”模式。全读模式是指：在一个读周期中读出与一条字线电耦合的所有OTP存储元存储的信息。读周期分两个阶段：预充电阶段和读阶段。在预充电阶段，OTP阵列中所有地址线（包括所有字线和所有位线）均被预充电到一预设电压。在读阶段，当一选中字线上的电压上升到读电压VR后，它通过与之耦合的OTP存储元向所有位线充电。通过测量位线上的电压变化，可确定相应OTP存储元所存储的信息。相应地，本专利技术提出一种三维纵向一次编程存储器（3D-OTPV），其特征在于含有：一含有一衬底电路(0K)的半导体衬底(0)；一位于该衬底电路(0K)上的OTP存储串(1A)，该OTP存储串(1A)含有多个相互垂直堆叠、且与一竖直地址线(4a)电耦合的OTP存储元(1aa-1ha)；每个OTP存储元(1aa)含有一层反熔丝膜(6a)，在编程时该反熔丝膜(6a)从高电阻态不可逆转地转变为低电阻态。本专利技术还提出一种3D-OTPV，其特征还在于含有：一含有一衬底电路(0K)的半导体衬底(0)；多层处于该衬底电路(0K)之上、且相互垂直堆叠的水平地址线(8a-8h)；至少一穿透所述多层水平地址线(8a-8h)的存储井(2a)；一层覆盖该存储井(2a)边墙的反熔丝膜(6a)，在编程时该反熔丝膜(6a)从高电阻态不可逆转地转变为低电阻态；一条通过对存储井(2a)填充一导电材料而形成的竖直地址线(4a)；多个形成在该水平地址线(8a-8h)与该竖直地址线(4a)交叉处的OTP存储元(1aa-1ha)。附图说明图1A是第一种3D-OTPV的z-x截面图；图1B是其沿AA’的x-y截面图。图2A-图2C是该3D-OTPV三个工艺步骤的截面图。图3A是第二种3D-OTPV的z-x截面图；图3B是其沿BB’的x-y截面图。图4A表示OTP存储元的符号及其意义；图4B是第一种OTP阵列采用的读出电路的电路图；图4C是其时序图；图4D是一种准导通膜的I-V曲线。图5A是第三种3D-OTPV的z-x截面图；图5B是其沿CC’的x-y截面图；图5C是第二种OTP阵列采用的读出电路的电路图。图6是一种多位元3D-OTPV的x-y截面图。注意到，这些附图仅是概要图，它们不按比例绘图。为了显眼和方便起见，图中的部分尺寸和结构可能做了放大或缩小。在不同实施例中，相同的符号一般表示对应或类似的结构。“/”表示“和”或“或”的关系。“衬底中”是指功能器件均形成在衬底中（包括衬底表面上），而互连线形成在衬底上方、不与衬底接触。“衬底上”是指功能器件形成在衬底上方、不与衬底接触。具体实施方式图1A是一种三维纵向一次编程存储器（3D-OTPV）的z-x截面图。它含有多个位于衬底电路0K上、且并肩排列的竖直OTP存储串（简称为OTP存储串）1A、1B…。每个OTP存储串1A与衬底0垂直，它含有多个垂直堆叠的OTP存储元1aa-1ha。本图中的实施例是一OTP阵列10。OTP阵列10是所有共享有至少一条地址线的存储元的集合。它含有多条垂直堆叠的水平地址线（字线）8a-8h。在刻蚀出多个穿透这些水平地址线8a-8h的存储井2a-2d后，在存储井2a-2d的边墙覆盖一层反熔丝膜6a-6d，并填充导体材料以形成竖直地址线4a-4d（位线）。导体材料可以是金属材料或掺杂的半导体材料。。OTP存储元1aa-1ha形成在字线8a-8h与位线4a的交叉处。在OTP存储元1aa中，反熔丝膜6a是一层绝缘介质膜。它在未编程时具有高电阻；编程时在其中形成导体丝（conductivefilament）11，故其电阻不可逆转地转变为低电阻。为简便计，图1A只画出存储元1aa中的导体丝，而未画出其它存储元中的导体丝。图1B是该3D-OTPV沿AA’的x-y截面图。水平地址线8a为一导体板，它可以与两行或两行以上的竖直地址线（此处为八条竖直地址线4a-4h）耦合，以形成八个OTP存储元1aa-1ah。这些OTP存储元（与一条水平地址线8a电耦合的所有OTP存储元）1aa-1ah构成一OTP存储组1a。由于水平地址线8a很宽，它可以采用低精度光刻技术（如特征线宽>60nm的光刻技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维纵向一次编程存储器（3D‑OTPV），其特征还在于含有：一含有一衬底电路(0K)的半导体衬底(0)；多层处于该衬底电路(0K)之上并垂直堆叠的水平地址线(8a‑8h)；多个穿透所述多层水平地址线(8a‑8h)的存储井(2a)；一层覆盖该存储井(2a)边墙的反熔丝膜(6a)；多条位于存储井(2a)中的竖直地址线(4a)；多个形成在该水平地址线(8a‑8h) 与该竖直地址线(4a)交叉处的OTP存储元(1aa‑1ha)；在一个读周期(T)中，与一水平地址线电耦合的所有OTP存储元(1aa‑1ah)存储的信息被读出，所述水平地址线为一字线。

【技术特征摘要】
1.一种三维纵向一次编程存储器（3D-OTPV），其特征还在于含有：一含有一衬底电路(0K)的半导体衬底(0)；多层处于该衬底电路(0K)之上并垂直堆叠的水平地址线(8a-8h)；多个穿透所述多层水平地址线(8a-8h)的存储井(2a)；一层覆盖该存储井(2a)边墙的反熔丝膜(6a)；多条位于存储井(2a)中的竖直地址线(4a)；多个形成在该水平地址线(8a-8h)与该竖直地址线(4a)交叉处的OTP存储元(1aa-1ha)；在一个读周期(T)中，与一水平地址线电耦合的所有OTP存储元(1aa-1ah)存储的信息被读出，所述水平地址线为一字线。2.一种三维纵向一次编程存储器（3D-OTPV），其特征还在于含有：一含有一衬底电路(0K)的半导体衬底(0)；多层处于该衬底电路(0K)之上并垂直堆叠的水平地址线(8a-8h)；多个穿透所述多层水平地址线(8a-8h)的存储井(2a)；一层覆盖该存储井(2a)边墙的反熔丝膜(6a)；多条位于存储井(2a)中的竖直地址线(4a)；多个形成在该水平地址线(8a-8h)与该竖直地址线(4a)交叉处的OTP存储元(1aa-1ha)；在一个读周期(T)中，与一竖直地址线电耦合的所有OTP存储元(1aa-1ah)存储的信息被读出，所述竖直地址线...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国飙，
申请(专利权)人：厦门海存艾匹科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35