[发明专利]含有多条哑位线的多位元三维一次编程存储器

说明书

本发明提出一种多位元三维一次编程存储器（多位元3D‑OTP），它含有多个叠置在衬底电路上并与之耦合的OTP存储层。每个存储层含有多个OTP存储元，每个存储元存储多位（>1位）信息。

本申请是申请号为201710246048.4、申请日为2017年4月14日的中国专利申请的分案申请。

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存储元分布在三维空间中，而传统平面型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，与闪存相比，3D-OTP数据寿命长（>100年），适合长久存储用户数据。

中国专利《三维只读存储器及其制造方法》（专利号：ZL98119572.5）提出了多种3D-OTP。图1描述了一种典型3D-OTP 00。它含有一个半导体衬底0和两个堆叠在衬底0上方的OTP存储层100、200。其中，存储层200叠置在存储层100上。半导体衬底0中的晶体管及其互连线构成一衬底电路（包括3D-OTP的周边电路）。每个存储层（如100）含有多条地址线（包括字线20a、20b…和位线30a、30b…）和多个OTP存储元（如1aa-1bb…）。每个存储层（如100）还含有多个OTP阵列。每个OTP阵列是在一个存储层（如100）中所有共享了至少一条地址线的存储元之集合。接触通道孔（如20av、30av）将地址线（如20a、30a）和衬底0耦合。

在现有技术中，每个OTP存储元存储一位信息，即每个存储元具有两种状态‛1’和‛0’：处于状态‛1’的存储元（‛1’存储元）能导通电流，而处于状态‛0’的存储元（‛0’存储元）则不能。由于每个存储元只能存储一位信息，3D-OTP的存储容量有限。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种容量更大的3D-OTP。

本发明的另一目的是提供一种更廉价的3D-OTP。

本发明的另一目的是在存储元漏电流较大的情况下保证3D-OTP正常工作。

本发明的另一目的是在外界干扰较大时保证3D-OTP正常工作。

为了实现这些以及别的目的，本发明提出一种多位元三维一次编程存储器（多位元3D-OTP）。它含有多个堆叠在衬底上方并与该衬底耦合的OTP存储元。每个存储元含有一反熔丝膜，反熔丝膜的电阻在编程时从高阻态不可逆转地转变为低阻态。通过改变编程电流，已编程反熔丝膜具有不同电阻。OTP存储元具有N（N>2）种状态：0，1，… N-1。按其电阻从大到小排列为R₀、R₁... R_N-1，其中，R₀为状态’0’的电阻，R₁为状态’1’的电阻，…R_N-1为状态’N-1’的电阻。由于N>2，每个OTP存储元存储多位（>1位）信息。

为了避免由于存储元漏电流较大而使读过程出错，本发明提出一种“全读”模式。在全读模式下，一个读周期内将读出被选中字线上所有存储元的状态。读周期分两个阶段：预充电阶段和读阶段。在预充电阶段，一个OTP存储阵列中的所有地址线（包括所有字线和所有位线）均被预充电到读出放大器的偏置电压。在读阶段，所有位线悬浮；未选中字线上的电压不变，被选中字线上的电压上升到读电压V_R，并通过存储元向相应的位线充电。通过测量这些位线上的电压变化，可以推算出各个存储元的状态。