[发明专利]多位元三维掩膜编程存储器

说明书

本申请是申请号为201010194950.4、申请日为2010年5月24日、发明名称为“多位元三维掩膜编程存储器”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，涉及掩膜编程存储器。

背景技术

掩膜编程存储器（mask-programmable read-only memory，简称为mask-ROM）是指在生产过程中，尤其是光刻工艺中录入数据的存储器。三维掩膜编程存储器（three-dimensional mask-programmable memory，简称为3D-MPROM）是一种含有多个相互叠置掩膜编程存储层的mask-ROM。与其它mask-ROM相比，3D-MPROM具有极大的容量和极低的成本。

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-MPROM。图1描述了一种典型3D-MPROM。它含有一个半导体衬底0s和一个3D-MPROM堆0。半导体衬底0s里的晶体管构成3D-MPROM的周边电路。3D-MPROM堆0堆叠在衬底0s上。在这个例子中，3D-MPROM堆0含有两个存储层100、200，存储层200叠置在存储层100上。每个存储层（如100）上含有多条地址线（如20a、20b、30a…）和多个3D-MPROM存储元（简称为3D-MPROM元）（如1aa、1ab…）。接触通道孔（如30av、30av’）将存储层（如100、200）和衬底0s耦合。

以往技术中，大多数3D-MPROM采用二进制，即3D-MPROM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。每个二进制3D-MPROM元可以存储1位信息。

如图2A所示，?1’存储元1aa含有一条高地址线20a、一层ROM膜3a和一条低地址线30a。ROM膜3a含有准导通膜5。该准导通膜5具有非线性电阻特性，它在一个方向上的导电性好于另一方向。准导通膜5一般采用二极管。这里，它是一个p-i-n二极管，并含有p膜12、i膜14和n膜16。准导通膜5也可以是其它二极管，如pn二极管、肖特基二极管等。由于在绝缘介质11中含有通道孔18，当在高地址线20a上加读电压时，在低地址线30a上能测到读电流。这对应于状态?1’。

如图2B所示，?0’存储元1ba含有一条高地址线20b、一层ROM膜3b和一条低地址线30a。ROM膜3b含有绝缘介质膜11。由于在绝缘介质11中不含有通道孔，当在高地址线20b上加读电压时，在低地址线30a上不能测到读电流。这对应于状态?0’。

除二进制外，3D-MPROM也可以采用N（N为正整数且N>2）进制，即3D-MPROM元具有N种状态，处于不同状态的存储元具有不同的伏－安特性。每个N进制3D-MPROM元可以存储b位信息。这里，b＝log₂(N)；b可以是整数，也可以是非整数。中国专利申请“N进制掩膜编程存储器”（专利申请号：200610100860.8）描述了多种N进制3D-MPROM，包括结形状型N进制3D-MPROM和结特性型N进制3D-MPROM。

在结形状型N进制3D-MPROM中，不同状态的存储元具有不同的结构，如不同的结形状。如图2C所示，一个结形状型存储元1ca含有一条高地址线20c、一层ROM膜3c和一条低地址线30a。ROM膜3c含有一层绝缘介质11、一个部分通道孔18’和一层准导通膜5。与图2A相比，部分通道孔18’只能将高地址线20c和准导通膜5部分耦合。相应地，存储元1ca与存储元1aa具有不同的伏－安特性。

在结特性型N进制3D-MPROM中，不同状态的存储元具有不同的结特性，如不同的掺杂浓度。如图2D所示，一个结特性型存储元1da含有一条高地址线20d、一层ROM膜3d和一条低地址线30a。ROM膜3d与存储元1aa中的ROM膜3a（图2A）具有类似的结构，它们均含有p-i-n二极管。但是，ROM膜3d的二极管5’与ROM膜3a的二极管5具有不同的掺杂浓度。这可以通过光刻和离子注入来实现。相应地，存储元1da与存储元1aa具有不同的伏－安特性。