[发明专利]不含单独二极管膜的三维纵向一次编程存储器

说明书

本发明提出一种不含单独二极管膜的三维纵向一次编程存储器（3D‑OTP_V）。它含有多个垂直堆叠的水平地址线，多个穿透水平地址线的存储井，一层覆盖存储井边墙的反熔丝膜，多条形成在存储井中的竖直地址线。存储井中不含单独的二极管膜。水平地址线和竖直地址线含有不同金属材料。

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（one-timeprogrammable memory，简称为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，适合长久存储数据。

美国专利申请US 2017/0148851 A1（申请人：Hsu；申请日：2016年11月23日）提出一种三维纵向存储器。它含有多个垂直堆叠的水平地址线，多个穿透水平地址线的存储井，覆盖存储井边墙的反熔丝膜和二极管（也被称为选择器selector、选向器steeringelement等名称）膜，以及多条形成在存储井中的竖直地址线。在该专利申请中，为了实现存储元的编程以及避免存储元之间的干扰，每个存储元均含有单独的反熔丝膜和单独的二极管膜。二极管膜的厚度一般较大。以P-N薄膜二极管为例，具有良好正反电流选择比（rectifying ratio）的P-N薄膜二极管的厚度在100nm以上。这么厚的二极管膜如形成在存储井中，将导致存储井尺寸很大，存储密度降低。

发明内容

本发明的主要目的是提高三维一次编程存储器（3D-OTP）的存储密度。

本发明的另一目的是使存储井的填充工艺更加简单。

本发明的另一目的是使存储井的尺寸更小。

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的正常工作。

为了实现这些以及别的目的，本发明提出一种不含单独二极管膜的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。

为了避免存储井尺寸过大，本发明中的OTP存储元只含有单独的反熔丝膜，并不含有单独的二极管膜。由于不需在存储井的边墙上形成二极管膜，存储井的填充变得容易，这将简化工艺流程。此外，这种设计还能缩小存储井的尺寸，增加存储密度。

在本发明的OTP存储元中，二极管是在水平地址线和竖直地址线之间自然形成的。这种自然形成的二极管性能不佳，其漏电流较大。为了避免在读过程中由于漏电流过大导致存储元之间互相干扰，本发明还提出一种“全读”模式：在一个读周期中读出与一条字线电耦合的所有OTP存储元存储的信息。读周期分两个阶段：预充电阶段和读阶段。在预充电阶段，OTP阵列中所有地址线（包括所有字线和所有位线）均被预充电到一预设电压。在读阶段，当一选中字线上的电压上升到读电压V_R后，它通过与之耦合的OTP存储元向所有位线充电。通过测量位线上的电压变化，可确定相应OTP存储元所存储的信息。