三维纵向一次编程存储器的制作方法

本发明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）。

背景技术：

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（发明人：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。

技术实现要素：

本发明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）。

本发明的另一目的是采用较低精度光刻技术制造3d-otp。

本发明的另一目的是增加otp存储层的数目。

本发明的另一目的是在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，本发明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，本发明提出一种“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，本发明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。

本发明还提出一种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）来形成。

图2a-图2c表示3d-otpv的三个工艺步骤。所有的水平地址层12a-12h连续形成（图2a）。具体说来，在将衬底电路0k平面化后，形成第一水平导体层12a。这个水平导体层12a不含有任何图形。在该第一水平导体层12a上形成第一绝缘层5a。类似地，第一绝缘层5a也不含有任何图形。在第一绝缘层5a上再形成第二水平导体层12b。如此类推，直到形成所有的水平导体层（此处共八层）。在图2a的形成过程中，没有图像转换步骤（如光刻步骤）。由于每个水平导体层的平面化保持良好，3d-otpv可以含有数十上百个水平导体层，远多于3d-otph。在形成了所有的水平导体层12a-12h后，通过第一刻蚀一次性地刻蚀所有水平导体层12a-12h以形成多条垂直堆叠的水平地址线8a-8h（图2b）。之后，通过第二刻蚀一次性地形成多个穿透所有水平地址线8a-8h的存储井2a-2d（图2c）。在其侧壁上覆盖反熔丝膜6a-6d，并填充导体材料，以形成多条竖直地址线4a-4d。

图3a是第二种3d-otpv10的z-x截面图；图3b是其沿bb’的x-y截面图。它与图1a-图1b中实施例类似，唯一区别是存储井2a-2d中还含有一层准导通膜16a-16d。准导通膜是二极管的主要构成部件，它具有如下广义特性：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，准导通膜的电阻远大于其在读电压下的电阻。准导通膜16a-16d可以是一层陶瓷薄膜（如金属氧化物）。在本实施例中，准导通膜16a-16d位于存储井2a-2d侧壁和反熔丝膜6a-6d之间；在其它实施例中，反熔丝膜6a-6d可位于存储井2a-2d侧壁和准导通膜16a-16d之间。

团4a是otp存储元1的符号。它表示otp存储元1含有反熔丝12和二极管14。反熔丝12含有一反熔丝膜6a-6d。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。二极管14含有一准导通膜16a-16d，它具有如下广义特征：当外加电压的数值小于读电压或方向相反时，其电阻远大于在读电压下的电阻（读电阻）。

二极管14的例子包括半导体二极管、肖特基二极管等和陶瓷二极管等。对于半导体二极管，水平地址线8a-8h含有p型半导体材料、竖直地址线4a-4d含有n型半导体；对于肖特基二极管，水平地址线8a-8h含有金属材料，竖直地址线4a-4d含有半导体材料；对于陶瓷二极管，水平地址线8a-8h和竖直地址线4a-4d之间含有至少一层陶瓷膜（如金属氧化物）。

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，本发明提出一种“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。

图4b表示第一种otp阵列10采用的读出电路。它采用全读模式。在电路的语境下，水平地址线8a-8h是字线，竖直地址线4a-4h是位线。otp阵列10含有字线8a-8h、位线4a-4h、以及存储元1aa-1ad...。otp阵列10的周边电路含有一个多路复用器（mux）40和一读出放大器30。在该实施例中，mux40为4-to-1mux。

图4c是其时序图。读周期t含有一预充电阶段tpre和一读阶段tr：在预充电tpre阶段，存储阵列16中所有地址线（8a-8h、4a-4h）都被充至一预设电压（如放大电路30的输入偏置电压vi）。在读阶段tr，所有位线4a-4h悬浮，被选中字线8a的电压上升到读电压vr，并通过otp存储元1aa-1ah向所有位线4a-4h充电。mux40将每条位线上的电压分别送到读出放大器30。如果该电压大于读出放大器30的翻转电压vt，则输出vo翻转。在读周期t结束时，存储组1a中所有存储元1aa-1ah存储的数字信息均被读出。

图4d是一种准导通膜的i-v曲线。由于读出放大器30的阈值电压vt较小（~0.1v），在读阶段所有位线4a-4h上的电压变化较小，未被选中存储元（如1ca）上的反向电压约为-vt。只要准导通膜的i-v特性满足i(vr)>>i(-vt)，即使有较大的漏电流，也不会影响3d-otpv的正常工作。

为方便地址解码，本发明还利用存储井的侧壁形成多个纵向晶体管。图5a-图5c表示第三种3d-otpv.。它含有纵向晶体管3aa-3ad。其中，纵向晶体管3aa是一传输晶体管（passtransistor），它含有栅极7a、栅介质6a和沟道9a（图5a）。沟道9a由填充在该存储井2a中的半导体材料构成，其掺杂可以与竖直地址线4a相同、较淡、或相反。栅极7a包围存储井2a、2e，并控制传输晶体管3aa、3ae（图5b）；栅极7b被包围存储井2b、2f，并控制传输晶体管3ab、3af；栅极7c包围存储井2c、2g，并控制传输晶体管3ac、3ag；栅极7d包围存储井2d、2h，并控制传输晶体管3ad、3ah。传输晶体管3aa-3ah形成至少一解码级（图5c）。在一实施例中，当栅极7a上的电压为高，而栅极7b-7d上的电压为低时，仅传输晶体管3aa和3ae导通，其它传输晶体管均断开。这时，衬底电路层中的mux40`在位线4a和4e中选择一个信号，送至读出放大器30。通过在存储井2a-2d中形成多个纵向晶体管3aa-3ad，本发明能简化解码器的设计。

图6表示一种多位元纵向3d-otpv。它含有多个otp存储元1aa-1ah。在该实施例中，otp存储元1aa-1ah具有四种状态：’0’,‘1’,‘2’,‘3’，不同状态的otp存储元1aa-1ah采用的编程电流不同，因此，它们具有不同电阻。其中，存储元1ac、1ae、1ah为状态’0’，它未编程，其反熔丝膜6c、6e、6h是完整的。其它存储元已编程。其中，存储元1ab、1ag为状态’1’，其导体丝11b最细，电阻在所有已编程反熔丝膜中最大；存储元1aa为状态’3’，其导体丝11d最粗，电阻在所有已编程反熔丝膜中最小；存储元1ad、1af为状态’2’，其导体丝11c的大小介于导体丝11b和11d之间，电阻也介于两者之间。

应该了解，在不远离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明的形式和细节进行改动，这并不妨碍它们应用本发明的精神。因此，除了根据附加的权利要求书的精神，本发明不应受到任何限制。