一种一次可编程只读存储器及其写入方法、读出方法技术

本发明专利技术提供一种一次可编程只读存储器及其写入方法、读出方法，涉及集成电路技术领域，包括存储单元，存储单元包括：第一电极层、第二电极层以及介于第一电极层和第二电极层之间的单质材料层；存储单元具有第一阈值转变电压和第二阈值转变电压，第一阈值转变电压大于第二阈值转变电压；存储单元还具有第一写入电压和读电压，第一写入电压大于第一阈值转变电压；第一读出电压大于第二阈值转变电压，且第一读出电压小于第一阈值转变电压。本发明专利技术不仅具有阈值开关功能，还具有存储功能的优点，静态功耗低、结构简单、工艺要求低、可三维集成与三维微缩，适用于交叉阵列结构，尤其是高密度的三维一次可编程只读存储器。的三维一次可编程只读存储器。的三维一次可编程只读存储器。

【技术实现步骤摘要】
一种一次可编程只读存储器及其写入方法、读出方法


[0001]本专利技术涉及集成电路
，尤其涉及一种基于新型材料与新型器件结构的一次可编程只读存储器及其写入方法、读出方法。

技术介绍

[0002]随着信息技术的飞速发展，人们对存储器的成本、安全性、可靠性有了更高的要求。与传统非易失性存储器相比，一次可编程只读存储器(One Time Programming ROM，OTP
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ROM)只允许写入一次，在出厂时，存储的内容全为0或1，用户可以根据需要将其中的某些存储单元写入数据1或0，以实现对其“编程”的目的，但是这种编程写入操作是破坏性的，每个存储单元只能写入一次。一次可编程只读存储器凭借其较小的单元面积、较高的可靠性、极强的稳定性和抗辐照等特性，广泛地应用于高稳定性、高保密性和一次编程等重要场合，例如射频识别(radio frequency identification，RFID)、芯片密钥信息存储、航空航天等领域。
[0003]现有的典型的一次可编程只读存储器产品采用“双极性熔丝结构”，如果用户想改写某些存储单元，则可以给这些存储单元通以足够大的电流，并维持一定的时间，原先的熔丝即可熔断，这样就达到了改写某些位的效果。另外一类经典的一次可编程只读存储器采用“肖特基二极管”作为存储单元，出厂时，其中的二极管处于反向截止状态，用户可采用大电流的方法将反相电压加在“肖特基二极管”两端，造成其永久性击穿即可实现编程写入操作。总之，一次可编程只读存储器需要额外的熔丝材料或者可击穿的“肖特基二极管”结构，需要额外的工艺支持，性能有限，且无法高密度集成。
[0004]三维一次可编程只读存储器(3D
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OTP)是一种量产的三维交叉阵列存储器，由美国Matrix半导体公司生产。三维一次可编程只读存储器的存储单元采用纯硅工艺，包括反熔丝(antifuse)和P/i/N硅二极管，反熔丝用作存储膜，P/i/N硅二极管用作选通膜。由于被编程的二极管在编程时需要承受写电压VP，同时未被编程的二极管则需要承受
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VP/2。为了避免在编程时所有未被编程的二极管集体产生较大的漏电流，二极管需要具有较大的反向击穿电压，因此厚度HS较大，约为300nm。随着存储单元的尺寸F微缩时，二极管的高宽比(HS：F)将变大，例如微缩到20nm节点，则高宽比达到15：1，工艺上实现较具挑战性。另外，由于二极管的材料为多晶硅，导通性能有限，读电压下的电流密度JON只能达到800A/cm2。Matrix公司的三维一次可编程只读存储器速度较慢，读延迟较大。
[0005]因此针对以上问题，迫切需要设计出新型的一次可编程只读存储器及其写入方法、读出方法，以解决现有技术中的上述问题，满足实际使用的需要。

技术实现思路

[0006]为了解决以上技术问题，本专利技术提供了一种基于单质材料和电极材料的一次可编程只读存储器及其写入方法、读出方法，解决了现有技术的面积大、速度慢、不易集成等问题，本专利技术的一次可编程只读存储器的结构简单、工艺要求低、可三维集成与三维微缩。
[0007]本专利技术所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：
[0008]一种一次可编程只读存储器，包括一存储单元，所述存储单元包括：
[0009]第一电极层、第二电极层以及介于所述第一电极层和所述第二电极层之间的单质材料层；
[0010]成形后的所述存储单元在无外界电场时呈现出高电阻，所述存储单元具有：
[0011]一第一阈值转变电压，所述第一阈值转变电压为首次施加电压时所述存储单元由高电阻转化为低阻时的翻转电压；
[0012]一第二阈值转变电压，所述第二阈值转变电压为后续施加电压时所述存储单元由高电阻转化为低阻时的翻转电压；
[0013]其中，所述第一阈值转变电压大于所述第二阈值转变电压；
[0014]所述存储单元还具有：
[0015]一第一写入电压，所述第一写入电压大于所述第一阈值转变电压；
[0016]一第一读出电压，所述第一读出电压大于所述第二阈值转变电压，且所述第一读出电压小于所述第一阈值转变电压。
[0017]上述的一次可编程只读存储器中，所述存储单元为交叉结构，交叉存储单元包括：
[0018]一个以上的所述存储单元，每一所述存储单元的所述第一电极层或所述第二电极层的其中一个分别连接一第一金属层，所述第一金属层连接一第一地址线；
[0019]第二金属层，所述第二金属层连接所有所述存储单元的所述第一电极层或所述第二电极层的另一个，所述第二金属层连接一第二地址线。
[0020]上述的一次可编程只读存储器中，所述交叉存储单元在垂直方向上堆叠成N层，形成存储密度为4F2/N的三维一次可编程只读存储器；
[0021]其中，F为半导体工艺的特征尺寸，N为大于等于2的自然数。
[0022]上述的一次可编程只读存储器中，所述单质材料层在所述第一电极层和所述第二电极层上形成单晶薄膜；和/或所述单质材料层在非晶衬底上形成单晶薄膜；
[0023]同时所述单质材料层分别与所述第一电极层和所述第二电极层形成肖特基结。
[0024]上述的一次可编程只读存储器中，所述存储单元在成形后呈现出高电阻，并于所述存储单元的两端施加一预定电压信号后，所述存储单元由高阻态瞬时转变为低阻态；以及
[0025]撤去所述预定电压信号时所述存储单元瞬时转变回高阻态，呈现阈值开关特性。
[0026]上述的一次可编程只读存储器中，所述存储单元还包括：
[0027]一第二写入电压，用以在施加所述第一写入电压以打开所述存储单元后维持所述存储单元打开，所述第二写入电压小于所述第一阈值转变电压，且所述第二写入电压大于第一维持阈值转变电压，所述第一维持阈值转变电压为首次施加电压时维持所述存储单元由高电阻转化为低阻的电压；
[0028]一第二读出电压，用以在施加所述第一读出电压以打开所述存储单元后维持所述存储单元打开，所述第二读出电压小于所述第二阈值转变电压，且所述第二读出电压大于第二维持阈值转变电压，所述第二维持阈值转变电压为后续施加电压时维持所述存储单元由高电阻转化为低阻的电压；
[0029]所述存储单元成型后存储的初始数据为第一预定数据，先施加所述第一写入电
压，再施加所述第二写入电压，完成写入第二预定数据的操作；
[0030]所述存储单元在进行写入操作前先施加所述第一读出电压，再施加所述第二读出电压，完成读出所述第一预定数据的操作；以及
[0031]所述存储单元在进行写入操作后先施加所述第一读出电压，再施加所述第二读出电压，完成读出所述第二预定数据的操作。
[0032]上述的一次可编程只读存储器中，所述一次可编程只读存储器通过在所述存储单元的两端施加电压，并检测流过所述存储单元的电流，通过电流大小完成所述存储单元的读出操作；
[0033]当所述存储单元未经过写入操作时，流过所述存储单元的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一次可编程只读存储器，其特征在于，包括一存储单元，所述存储单元包括：第一电极层、第二电极层以及介于所述第一电极层和所述第二电极层之间的单质材料层；成形后的所述存储单元在无外界电场时呈现出高电阻，所述存储单元具有：一第一阈值转变电压，所述第一阈值转变电压为首次施加电压时所述存储单元由高电阻转化为低阻时的翻转电压；一第二阈值转变电压，所述第二阈值转变电压为后续施加电压时所述存储单元由高电阻转化为低阻时的翻转电压；其中，所述第一阈值转变电压大于所述第二阈值转变电压；所述存储单元还具有：一第一写入电压，所述第一写入电压大于所述第一阈值转变电压；一第一读出电压，所述第一读出电压大于所述第二阈值转变电压，且所述第一读出电压小于所述第一阈值转变电压。2.根据权利要求1所述的一次可编程只读存储器，其特征在于，所述存储单元为交叉结构，交叉存储单元包括：一个以上的所述存储单元，每一所述存储单元的所述第一电极层或所述第二电极层的其中一个分别连接一第一金属层，所述第一金属层连接一第一地址线；第二金属层，所述第二金属层连接所有所述存储单元的所述第一电极层或所述第二电极层的另一个，所述第二金属层连接一第二地址线。3.根据权利要求2所述的一次可编程只读存储器，其特征在于，所述交叉存储单元在垂直方向上堆叠成N层，形成存储密度为4F2/N的三维一次可编程只读存储器；其中，F为半导体工艺的特征尺寸，N为大于等于2的自然数。4.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的一次可编程只读存储器，其特征在于，所述单质材料层在所述第一电极层和所述第二电极层上形成单晶薄膜；和/或所述单质材料层在非晶衬底上形成单晶薄膜；同时所述单质材料层分别与所述第一电极层和所述第二电极层形成肖特基结。5.根据权利要求1
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3任意一项所述的一次可编程只读存储器，其特征在于，所述存储单元在成形后呈现出高电阻，并于所述存储单元的两端施加一预定电压信号后，所述存储单元由高阻态瞬时转变为低阻态；以及撤去所述预定电压信号时所述存储单元瞬时转变回高阻态，呈现阈值开关特性。6.根据权利要求1
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3任意一项所述的一次可编程只读存储器，其特征在于，所述存储单元还包括：一第二写入电压，用以在施加所述第一写入电压以打开所述存储单元后维持所述存储单元打开，所述第二写入电压小于所述第一阈值转变电压，且所述第二写入电压大于第一维持阈值转变电压，所述第一维持阈值转变电压为首次施加电压时维持所述存储单元由高电阻转化为低阻的电压；一第二读出电压，用以在施加所述第一读出电压以打开所述存储单元后维持所述存储单元打开，所述第二读出电压小于所述第二阈值转变电压，且所述第二读出电压大于第二维持阈值转变电压，所述第二维持阈值转变电压为后续施加电压时维持所述存储单元由高
电阻转化为低阻的电压；所述存储单元成型后存储的初始数据为第一预定数据，先施加所述第一写入电压，再施加所述第二写入电压，完成写入第二预定数据的操作；所述存储单元在进行写入操作前先施加所述第一读出电压，再施加所述第二读出电压，完成读出所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志棠，李喜，朱敏，宋三年，张国飙，
申请(专利权)人：上海新储集成电路有限公司，
类型：发明
国别省市：