[发明专利]紧凑型三维存储器

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，涉及三维存储器（3D-M）。

背景技术

三维存储器（3D-M）是一种单体（monolithic）半导体存储器，它含有多个相互堆叠的存储元（也被称为存储器件）。3D-M包括三维只读存储器（3D-ROM）和三维随机读取存储器（3D-RAM）。3D-ROM可以进一步划分为三维掩膜编程只读存储器（3D-MPROM）和三维电编程只读存储器（3D-EPROM）。基于其编程机制，3D-M可以含有memristor、resistive random-access memory（RRAM或ReRAM）、phase-change memory（PCM）、programmable metallization memory（PMM）、或conductive-bridging random-access memory（CBRAM）等。

美国专利5,835,396披露了一种3D-M（3D-ROM）（图1A）。它含有一半导体衬底0以及位于其上的衬底电路0K。一层平面化的绝缘介质0d覆盖衬底电路0K。在绝缘介质层0d之上形成第一存储层10，接着在第一存储层10之上形成第二存储层20 。衬底电路0K含有分别为第一和第二存储层10、20服务的第一和第二解码器14、24。每个存储层（如10、20）含有多条顶地址线（即y地址线，如12a-12d、22a-22d）、多条底地址线（即x地址线，如11a、21a）和多个位于顶地址线和底地址线交叉处的存储器件（如1aa-1ad、2aa-2ad）。

图1A中的结构是3D-M存储块100的一部分。存储块100是3D-M芯片的基本构件，在其最高存储层200中，所有的地址线21a、22a-22d均是连续的，并在存储块100的边缘或接近存储块100的边缘处截止。存储块100中每个存储层（如20）的存储器件（如2aa-2ad）组成一个存储阵列（如200A）。一个3D-M芯片含有多个存储块（如100）。

存储层10、20分别通过接触通道孔13a、23a与衬底电路0K耦合。接触通道孔一般说来是交错布置的（图1B）。具体说来，x地址线11a、11c的接触通道孔13a、13c形成在右边（+x方向），而它们相邻x地址线11b、11d的接触通道孔13b、13d则形成在左边（-x方向）（未画出）。通过交错布置可以将接触通道孔的周期（pitch）p_c放宽到地址线周期p的两倍（p_c=2p）。这里，周期是指两个相邻接触通道孔（或两条地址线）中心之间的距离。在多数情况下，地址线周期p是地址线线宽f的两倍（p=2f）。很明显，接触通道孔的尺寸d_c和间距g_c是x地址线线宽f的两倍（d_c=2f、g_c=2f）（图1C）。即使这样，由于现有技术可以将地址线线宽f做到最小光刻尺寸F的一半（f=F/2），接触通道孔的尺寸及间隔仍等于最小光刻尺寸F（d_c=F、g_c=F）。这样，接触通道孔需要高分辨率（F节点）掩膜版，进而导致较高的制造工艺成本。

在本说明书中，一个存储层的所有接触通道孔组成一组接触通道孔（即基础通道孔组）（图1E）。例如，存储层10的所有接触通道孔（如13a-13z）组成第一接触通道孔组13，存储层20的所有接触通道孔（如23a-23z）组成第二接触通道孔组23。由于每个存储层都需要有它自己的接触通道孔组（图1A），一个含有多个存储层的3D-M需要多组接触通道孔，这会进一步增加制造工艺成本。

存储器件是一位于顶地址线和底地址线交叉处的二端口器件。相应地，存储阵列100A是一个交叉阵列（图1D）。存储器件1aa的符号表示它含有一可编程膜和一二极管。可编程膜的状态可以在制造过程中或制造完成后改变。注意到，可编程膜和二极管可以合并成一层膜（参见美国专利8,071,972）。