[发明专利]改进的三维只读存储器

说明书

本发明是申请号为02150190.4、申请日为2002年11月17日、发明名称为“三维存储器的设计”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更确切地说，涉及三维只读存储器的设计。

背景技术

三维集成电路(简称为3D-IC)将一个或多个三维集成电路层(简称为3D-IC层)在垂直于衬底的方向上相互叠置在衬底上。3D-IC可以具有多种功能，如模拟功能、数字功能、存储器功能等。由于存储器具有纠错能力，它能容忍较大的缺陷密度；且其功耗低，不存在散热问题，故存储器尤其适合于三维集成。

三维存储器(3-dimensional memory，简称为3D-M)将一个或多个存储层在垂直于衬底的方向上相互叠置在衬底电路上。如图1A所示，3D-M含有至少一个叠置于半导体衬底0s上的三维存储层100，每个三维存储层(如100)上有多条地址选择线(包括字线20a和位线30a)和多个三维存储元，即3D-M元(1aa...)。衬底0s上有多个晶体管。接触通道口(20av、30av...)为地址选择线(20a、30a...)和衬底电路提供电连接。3D-M可以分为三维随机存取存储器(3D-RAM)和三维只读存储器(3D-ROM)。3D-RAM元的电路与常规RAM元类似，只是它一般由薄膜晶体管1t构成(图1B)。3D-ROM可以是掩膜编程(3D-MPROM)、至少一次编程(3D-EPROM)、或多次编程(包括3D-flash、3D-MRAM、3D-FRAM、3D-OUM等)。其基本结构可见美国专利5,835,396等公开文件。它可以使用如薄膜晶体管(TFT)1t的有源元件(图1CA、图1CB)和/或如二极管1d的无源元件(图1DA-图1E)。对于使用TFT的3D-ROM元来说，它们可以含有悬浮栅30fg(图1CA)或具有垂直沟道25c(图1CB)。对于使用二极管的3D-MPROM元来说，它含有具有非线性电阻特性的3D-ROM膜22(包括准导通膜)，并以信息开口24(即通道孔)的存在(即设置介质26的不存在)来表示逻辑“1”(图1DA)，信息开口24的不存在(即设置介质26的存在)来表示逻辑“0”(图1DB)。这里，设置介质26是指介于地址选择线20a、30a之间的介质，其存在与否决定该3D-ROM元的设置值。对于使用二极管的3D-EPROM来说，可以通过反熔丝22af的完整性来表示逻辑信息(图1E)。

3D-M具有低成本、高密度等优点，但由于其存储元一般由非单晶半导体材料构成，故其性能尚难于与常规的、基于单晶半导体的固态存储器相比。这需要对3D-M的周边电路作进一步改进，并充分利用其与衬底电路的可集成性，来提高3D-M的的速度、成品率和可编程性。本发明在这些方面对3D-M做了进一步完善。

发明目的

本发明的主要目的是进一步提高三维只读存储器(3D-ROM)的可集成性。

本发明的另一目的是提高3D-ROM的成品率。

本发明的另一目的是提高3D-ROM在高温下的可操作性。

根据这些以及别的目的，本发明提供了多种改进的三维只读存储器(3D-ROM)。

发明内容

与常规的、基于单晶半导体的固态存储器相比，3D-M元的读写速度较慢，这可以从电路设计和系统设计的角度来解决。从电路设计的角度，可以利用读出放大器(S/A)、全读模式和自定时来提高其读速度。由于使用S/A，产生逻辑输出所需的位线电压摆幅很小(～0.1V)，所以对位线充电只需较短时间，这能极大地缩短首访时间；全读模式在一次读操作时将一条字线上的所有存储元中的数据同时读出，这能提高带宽，并能提高3D-M单位阵列的容量；自定时能提高读的可信度并降低能耗。电编程3D-M可以采用平行编程来提高写速度。