三维只读存储器及其制造方法技术

本发明专利技术提供一个将存储元布置在三维空间中的只读存储器。这些存储元分布在多个存储层上。这些存储层相互重叠，一层叠在另一层上。在每个存储层上有多个选址线和存储元。这些存储元可以是掩模编程的或场编程的。由于存储元布置在三维空间中，存储密度和存储容量可极大提高。三维只读存储器的存取时间短，并且可用标准半导体生产流程制造。本发明专利技术可以广泛地应用在很多领域。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请是与申请日为1996年10月17日、申请号为08/732,902的美国专利申请相应的中国专利申请。本专利技术涉及集成电路领域，更确切地说，涉及集成电路中的只读存储器及其制造方法。只读存储器是存放固定信息的器件，它的信息是在制造时或当用户使用时编程写入的。以往的只读存储器都布置在一个半导体衬底上的二维阵列中。在这阵列的每个交叉点上存在着一个存储元，该存储元提供一个电阻性、电感性、电容性、二极管型或使用有源元件的耦合机制。每个存储元代表一位数字信息。同时，每个存储元通过电信号和输入输出相连，这样可以保证极短的存取时间。只读存储器分成两种一种是掩模编程只读存储器(MPROM)，另一种是场编程只读存储器(EPROM)。MPROM的信息是在制造时通过掩模版来控制，另一方面，EPROM的信息由用户写入。授予Koyoma的美国专利5,429,968(1995年7月4日)属于现有MPROM技术的一个例子。它使用场效应管作为存储元，通过调整场效应管的阈电压来改变存储元中的数字信息。通过调整离子注入量，不同地点的场效应管变成增强型或耗尽型的。在适当的电压下，增强型的场效应管是开启的而耗尽型的场效应管是导通的。通过探测不同位线上的电流，可以读出不同地点的数字信息。因为这些场效应管只能形成在半导体衬底上，所以这个MPROM只能布置成二维结构。另一方面，EPROM一般使用一个电阻性的耦合机制来代表数字信息。具有代表性的电阻性耦合机制包括熔丝(fuse)和反熔丝(antifuse)。授予Hamdy等的美国专利4,899,205(1990年2月6日)描述了一个利用硅-硅反熔丝作为编程元件的二维EPROM。在这个结构中，反熔丝和存取场效应管的源/漏集成在一起形成存储元。因为存取场效应管必须生长在半导体衬底上，所以使用硅-硅反熔丝的EPROM只能布置成一个二维阵列。使用这种结构时，单位面积芯片上的数字信息量受到存取场效应管的大小的限制。授予Roesner等的美国专利4,442,507(1984年4月10日)描述了另一种场编程只读存储器。它使用肖特基二极管堆作为存储元。它的一条地址选择线是由多晶硅生成的，另一条地址选择线是由铝生成的。因为多晶硅的生成温度至少需要600℃，而铝能承受的最高温度是450℃。所以多晶硅不能生长在铝上面。因此，此存储器只能使用一层EPROM。也就是说，存储密度受限。如上所述，由于现有技术中的只读存储器的存储元形成在半导体材料构成的衬底上，也就是说，现有技术只能把集成电路中的存储元布置在二维空间中，从而使只读存储器的存储密度受到极大限制。此外，现有技术中由多晶硅形成的字线还存在着电阻率大、存取速率较慢的缺点。为了提高集成电路中只读存储器的存储密度，本专利技术人从提高存储元的设置维度的角度出发，在改变存储元的构成材料的基础上，将存储元以三维形式设置，从而既能提高存储密度，又能改善存取速度。要以三维形式生成存储元，就意味着只读存储器有多层相叠的存储层，每个存储层都有多个存储元以及相应的字线及位线。多个存储层的相叠要求下层的存储层必须为上层存储层提供一个很好的基础。随着化学机械抛光(CMP)技术的出现，这一要求可以很容易地达到。本专利技术的第一个目的是提供一种新型的、以三维形式生成的只读存储元；本专利技术的第二个目的是提供一种三维只读存储器；本专利技术的第三个目的是提供一种三维只读存储器的制造方法。为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出了一种三维只读存储元、具有这种存储元的三维只读存储器及其制造方法。本专利技术的只读存储元包括含有金属材料的第一电极；含有金属材料的第二电极；以及夹在所述第一和第二电极之间的准导通膜。本专利技术的三维只读存储器包括一半导体衬底和形成在所述半导体衬底上的选址器，其特征在于还包括至少一个叠置在所述衬底上的只读存储层，每一只读存储层包括多个含有金属材料的第一和第二地址选择线；多个只读存储元，每个存储元包括与第一地址选择线相连的第一电极和与第二地址选择线相连的第二电极；一个位于所述相邻两层只读存储层之间的层间绝缘膜；以及多个形成在所述只读存储层和半导体衬底之间、用于提供所述只读存储层和所述半导体衬底之间的连接的层间连接通道口和接触通道孔。本专利技术的三维只读存储器的制造方法包括下列步骤1)在一半导体衬底上形成选址器及其它晶体管电路；2)在形成有选址器的半导体衬底上形成绝缘介质膜；3)在上述绝缘介质膜上形成接触通道孔和层间连接通道口；4)在上述形成有接触通道孔和层间连接通道口的绝缘介质膜上形成第一存储层；5)在所述第一存储层上形成绝缘膜；6)在所述绝缘膜上形成层间连接通道口，以及7)形成第二存储器；重复步骤5)～7)以形成多个存储层。由于本专利技术的只读存储元的两个电极均由金属材料组成，从而不仅不占据半导体衬底上的空间、使得三维只读存储器的制造成为可能，而且与至少一个电极由半导体材料制成的存储元相比，还有电阻率小、存储速度较快的优点。本专利技术的只读存储器把存储元布置在三维空间上，从而大大提高了存储器的存储密度和容量，而且由于本专利技术的三维只读存储器可以和其它半导体电路集成在一起，从而提高了它们之间的数据/指令传输速率，缩短了存取时间。本专利技术的三维只读存储器的制造工艺可以与常规的半导体制造工艺相兼容。因此，可以用标准的半导体生产设备及流程来制造。以下将结合附图对本专利技术的三维只读存储器及其制造方法作详细说明。其中，附图说明图1是表示一个含有二个存储层的3D-ROM的透视图。图2是表示一个3D-MPROM芯片衬底上的电路图。该电路提供选址和读功能。图3是表示一个3D-EPROM芯片衬底上的电路图。该电路提供选址、编程和读功能。图4是表示一个3D-ROM存储元的断面图。图5A～5C是表示几个MPROM膜的断面图。图6A～6E是表示几个3D-MPROM存储元的断面图。图7表示在一个最难读情形条件下的一个4×4存储元阵列，○代表0，×代表1。图8是表示3D-MPROM膜的逻辑“0”和逻辑“1”的伏-安特性曲线。图9A是描述第一种EPROM膜的断面图；图9B是描述第二种EPROM膜的断面图；图9C是描述第三种EPROM膜的断面图。图10A是表示一种3D-EPROM存储元的断面图；图10B是表示另一种3D-EPROM存储元的断面图。图11表示准导通膜、反熔丝膜和EPROM膜的伏-安特性曲线。图12A是表示在一种3D-ROM存储层中的第一种布线的俯视图；图12B是表示在一个3D-ROM存储层中的第二种布线的俯视图；图12C是表示在一个3D-ROM存储层中的第三种布线的俯视图。图13是表示第一种3D-ROM存储器结构的断面图。图14是表示第二种3D-ROM存储器结构的断面图。图15A～15B是表示第三种3D-ROM存储器结构的断面图。图1所示为一个2×2×23D-ROM。这里，符号l×m×n3D-ROM是指一个含有l个存储层、m条字线和n条位线的3D-ROM。这个3D-ROM生长在一个半导体衬底10上，它有二个存储层100、200。设衬底面为XY平面，每个存储层平面都与衬底面平行。存储层200叠在存储层100上面，即沿Z方向叠置。每个存储层由一个2×2存储元阵列、两条沿X方向地址选择线和两条沿Y方向地址选择线所组成。X方向上的地址本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成电路中的只读存储元，其特征在于具备：含有金属材料的第一电极（５０１）；含有金属材料的第二电极（５０３）；以及夹在所述第一和第二电极之间的准导通膜（５０２）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1．一种集成电路中的只读存储元，其特征在于具备含有金属材料的第一电极(501)；含有金属材料的第二电极(503)；以及夹在所述第一和第二电极之间的准导通膜(502)。2．根据权利要求1所述的只读存储元，其特征在于所述准导通膜(502)是由一半导体材料构成的。3．根据权利要求2所述的只读存储元，其特征在于所述半导体材料为碳、硅、锗、锡、砷化镓。4．根据权利要求2所述的只读存储元，其特征在于所述半导体材料是掺杂的。5．根据权利要求1所述的只读存储元，其特征在于当存储元上电压的方向和读电压的方向相反时，准导通膜(502)有较高的电阻。6．根据权利要求5所述的只读存储元，其特征在于所述准导通膜(502b)由第一半导体膜(502ba)和第二半导体膜(502bb)组成，其中，第一半导体膜(502ba)和第二半导体膜(502bb)是反向掺杂的。7．根据权利要求1所述的只读存储元，其特征在于所述准导通膜(502)有非单晶结构。8．根据权利要求1所述的只读存储元，其特征在于还具有形成在第一电极(501)和第二电极(503)间的反熔丝膜(502ca)。9．根据权利要求8所述的只读存储元，其特征在于还具有形成在反熔丝膜(502ca)和准导通膜(502cb)之间的缓冲膜(502cc)，该缓冲膜(502cc)含有金属材料。10．根据权利要求8所述的只读存储元，其特征在于所述反熔丝膜(502ca)含有非单晶硅。11．根据权利要求8所述的只读存储元，其特征在于所述反熔丝膜(502ca)含有保护性陶瓷材料。12．一种三维只读存储器，包括一半导体衬底(10)和形成在所述半导体衬底上的选址器，其特征在于还包括至少一个叠置在所述衬底(10)上的只读存储层(100、200、……)，每一只读存储层包括多个只读存储元(121、122、123、124……)，每个存储元包括与第一地址选择线(111、112……)相连的第一电极(501)和与第二地址选择线(101、102……)相连的第二电极(503)；一个位于所述相邻两层只读存储层之间的层间绝缘膜(40)；以及多个形成在所述只读存储层(100、200、300)和半导体衬底(10)之间、用于提供所述只读存储层(100、200、300)和所述半导体衬底(10)之间的连接的接触通道孔和层间连接通道口(101a、102a、111a、112a、201a、202a……)。13．根据权利要求12所述的三维只读存储器，其特征在于至少一个存储元的第一电极(501)和第二电极(503)之间含有一个准导通膜(502)。14．根据权利要求12所述的三维只读存储器，其特征在于还具有形成在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国飙，
申请(专利权)人：张国飙，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]