[发明专利]三维纵向一次编程存储器

说明书

本发明提出一种三维纵向一次编程存储器（3D‑OTP_V）。它含有多层堆叠的水平地址线，多个穿透水平地址线的存储井，一层覆盖存储井边墙反熔丝膜，多条形成在存储井中的竖直地址线。在一个读周期中，与一字线电耦合的所有OTP存储元存储的信息被读出。

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-OTP_H）。当3D-OTP_H的存储容量超过100Gb时，其地址线线宽进入1x nm，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-OTP_H的OTP存储层数目受到限制。

发明内容

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-OTP_V）。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-OTP_V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-OTP_V（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）。