[发明专利]基于三维偏置印录存储器的三维封装

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路存储器领域，更确切地说，涉及掩膜编程只读存储器（mask-ROM）。

背景技术

三维掩膜编程只读存储器（3D-MPROM）是实现海量出版的理想媒介。美国专利5,835,396披露了一种3D-MPROM。如图1所示，3D-MPROM是一种单片集成电路，它含有一半导体衬底0及一堆叠在衬底上的三维堆10。该三维堆10含有M（M≥2）个相互堆叠的存储层（如10A、10B）。每个存储层（如10A）含有多条顶地址线（如2a）、底地址线（如1a）和存储元（如5aa）。每个存储元存储n（n≥1）位数据。存储层（如16A、16B）通过接触通道孔（如1av、1’av）与衬底0耦合。在衬底0中的衬底电路0X含有三维堆10的周边电路。在本申请中，xMxn 3D-MPROM是指一个含有M（M≥2）个存储层，且每个存储元存储n（n≥1）位的3D-MPROM。

3D-MPROM是一种基于二极管的交叉点存储器。每个存储元（如5aa）一般含有一个二极管3d。二极管可以广义定义为任何具有如下特性的两端口器件：当其所受电压的大小小于读电压，或者其所受电压的方向与读电压不同时，其电阻大于在读电压下的电阻。每个存储层（如10A）还至少含有一层数据录入膜（如6A）。数据录入膜中的图形为数据图形，它代表其所存储的数据。在图1中，数据录入膜6A是一层隔离介质3b，它阻挡顶地址线和底地址线之间的电流流动，并通过数据开口（如6ca）的存在与否来区别存储元（如5ca）的不同状态。

数据录入膜中的图形是通过图形转换得来的。图形转换，又称为印录（print），将图形从一块掩膜版转换到一层集成电路的薄膜中。在以往技术中，不同存储层中的数据图形是由不同数据掩膜版印录来的。图2A-图2B表示两款以往技术使用的数据掩膜版4A、4B。每块数据掩膜版（如4A）含有一个掩膜元阵列“aa”-“bd”。每个掩膜元处图形的明或暗决定对应的存储元处数据开口的存在与否。例如说，数据掩膜版4A上的掩膜开口4ca导致存储层10A中存储元5ca的数据开口6ca；数据掩膜版4B上的掩膜开口4’aa、4’da导致存储层10B中存储元5’aa、5’da的数据开口6’aa、6’da。

为了进一步提高存储密度，3D-MPROM可以采用n（n>1）位元，即每个存储元存储n位数据。美国专利申请序列号12/785,621披露了一种采用多位元的3D-MPROM。如图3所示，其存储元（如5aa）是一个2位元，即它存储两个数码位：第1和第2数码位。其中，第1数码位通过一次额外掺杂实现，而第2数码位通过一层电阻膜实现。在本申请中，第j个数码位表示一个n位元（存储n个数码位的存储元，n≥j）中存储的第j位。

在以往技术中，不同数码位的数据图形是由不同数据掩膜版印录来的。图4A-图4B表示两款以往技术使用的数据掩膜版4C、4D。每块数据掩膜版（如4C）含有一个掩膜元阵列“aa”-“bd”。每个掩膜元处图形的明或暗决定对应的存储元处额外掺杂膜或电阻膜的存在与否。例如说，数据掩膜版4C上的掩膜开口4xa*导致形成存储元5ca、5da中的额外掺杂膜3i；数据掩膜版4D上的掩膜开口4’ba*、4’da*导致清除存储元5ba、5da中的电阻膜3r。

在以往技术中，由于每个存储层和每个数码位均需要一块数据掩膜版，xMxn 3D-MPROM一般需要M×n块数据掩膜版。在22nm节点，一块数据掩膜版的成本为25万美元，一套x8x2 3D-MPROM所需数据掩膜版（包括16块数据掩膜版）的成本高达4百万美元。如此高昂的数据掩膜版成本将极大地限制3D-MPROM的广泛应用。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种具有较低数据录入成本的3D-MPROM。

本发明的另一目的是提供一种减少3D-MPROM所需数据掩膜版数目的方法。

根据这些以及别的目的，本发明提出一种三维偏置印录存储器（three-dimensional offset-printed memory，简称为3D-oP）。3D-oP是一种改进的3D-MPROM，它通过偏置印录来录入数据。为了实现偏置印录，对应于不同存储层/数码位的掩膜图形被合并到一多区域数据掩膜版上。在不同的印录步骤中，晶圆相对于该多区域数据掩膜版的偏置量不同。因此，来自同一数据掩膜版的掩膜图形被印录到不同存储层/数码位的数据录入膜中。偏置印录可以减少存储器所需数据掩膜版的数量，从而降低数据录入成本。本发明中，掩膜版可以泛指任何印录工艺采用的图形承载装置，包括模版。