CN103681674A

CN103681674A - 三维印录存储器

Info

Publication number: CN103681674A
Application number: CN201210319953.5A
Authority: CN
Inventors: 张国飙
Original assignee: Chengdu Haicun IP Technology LLC
Current assignee: Chengdu Haicun IP Technology LLC
Priority date: 2012-09-01
Filing date: 2012-09-01
Publication date: 2014-03-26

Abstract

高昂的数据掩膜版成本将极大地限制三维掩膜编程只读存储器（3D-MPROM）的广泛应用。本发明提出一种三维印录存储器（3D-P）。它使用共享型数据掩膜版来降低数据录入成本。通过在同一数据掩膜版上形成多个不同海量出版物的数据图形，分摊到每个海量出版物上的掩膜版成本将极大降低。

Description

三维印录存储器

技术领域

本发明涉及集成电路存储器领域，更确切地说，涉及掩膜编程只读存储器（mask-ROM）。

背景技术

光碟—包括DVD碟和蓝光碟（BD）—是海量出版的主要媒介。海量出版中的“海量”具有双重意义，它指对海量出版物的海量发行。这里，每个海量出版物含有海量数据，其数据量为GB量级，其内容可以是电影、电子游戏、数字地图、音乐库、图书库或软件等。例如说，一部VCD格式电影的数据量为~0.5GB，一部DVD格式电影的数据量为~4GB，而一部BD格式电影的数据量则为~20GB。另一方面，海量发行是指发行量过万，甚至达到百万量级。

光碟对于移动用户来说尺寸过大。由于半导体存储器尺寸更小，因此它更适合针对移动用户的海量出版。三维掩膜编程只读存储器（3D-MPROM）就是这么一种半导体存储器。美国专利5,835,396、6,624,485、6,794,253、6,903,427和7,821,080披露了3D-MPROM的多个特征。如图1所示，3D-MPROM是一种单片集成电路，它含有一半导体衬底0及一堆叠在衬底上的三维堆16。该三维堆16含有M（M≥2）个相互堆叠的存储层（如16A、16B）。每个存储层（如16A）含有多条顶地址线（如2a-2d）、底地址线（如1a）和存储元（如5aa-5ad）。每个存储元存储n（n≥1）位数据。存储层（如16A、16B）通过接触通道孔（如1av、1’av）与衬底0耦合。在衬底0中的衬底电路0X含有三维堆16的周边电路。在本申请中，xMxn 3D-MPROM是指一个含有M（M≥2）个存储层，且每个存储元存储n（n≥1）位的3D-MPROM。

3D-MPROM是一种基于二极管的交叉点（cross-point）阵列存储器。每个存储元（如5aa）一般含有一个二极管3d。二极管泛指任何具有如下特性的两端口器件：当其所受电压的大小小于读电压，或者其所受电压的方向与读电压不同时，其电阻大于在读电压下的电阻。每个存储层（如16A）还至少含有一层数据录入膜（如6A）。数据录入膜中的图形为数据图形，它代表其所存储的数据。在图1中，数据录入膜 6A 、 6B 均为隔离介质膜 3b，它阻挡顶地址线和底地址线之间的电流流动，并通过数据开口（如6aa）的存在与否来区别存储元（如5aa）的不同状态。除了隔离介质膜3b，数据录入膜6A也可以含有电阻膜（参见美国专利申请12/785,621）或额外掺杂膜（参见美国专利7,821,080）。

数据录入膜中的图形是通过图形转换得来的。图形转换也称为印录（print），即通过“印”的方式来录入数据。现有技术采用光刻法从数据掩膜版印录数据。一般说来，一个xMxn 3D-MPROM需要M×n块数据掩膜版。例如，对于一个x8x2 3D-MPROM来说，它需要16（=8×2）块数据掩膜版。在90nm之后，数据掩膜版成本急剧上升：在90nm结点这套数据掩膜版的成本约为80万美元，在22nm结点其成本则涨到4百万美元。

在以往技术中，一套数据掩膜版仅为一个海量出版物专用，它是专用型数据掩膜版。如图2所示，专用型数据掩膜版8A仅含有海量出版物MC₀的掩膜图形。注意到，一块数据掩膜版8A上可以含有多个MC₀掩膜图形的拷贝（这里是16个拷贝）。对于专用型数据掩膜版来说，掩膜版的高昂成本落在单个海量出版物身上。相应地，存储该海量出版物MC₀的3D-MPROM之成本也变得高昂。大多数本专业人士普遍认为：在90nm之后，高昂的数据掩膜版成本将极大地限制3D-MPROM的广泛应用。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种用于实现海量出版的3D-MPROM。

本发明的另一目的是提供一种降低数据录入成本的方法。

本发明的另一目的是提供一种降低每个海量出版物的掩膜版成本之方法。

根据这些以及别的目的，本发明提出一种三维印录存储器（three-dimensional printed memory，简称为3D-P）。将其取名为“印录存储器”是为了突出这种以“印”来录入数据的方法，即印录法。在本发明中，“印录”是“掩膜编程”的另一种说法。

3D-P是一种改进的3D-MPROM，它使用共享型数据掩膜版来录入数据。一个共享型数据掩膜版上含有多个不同海量出版物的掩膜图形，故高昂的掩膜版成本可以被多个海量出版物分摊。分摊到每个海量出版物上的数据掩膜版成本是单位GB掩膜版成本C_GB（即与单位GB数据所占的数据掩膜版面积对应的掩膜版之成本）和该海量出版物的数据量（以GB为单位）之积。在半导体技术的缩尺过程中，由于掩膜版数据量（即一块掩膜版上承载的所有数据量）的增加要快于掩膜版成本的增加，C_GB实际上是下降的。例如说，从90nm到22nm，C_GB从~$5.4k/GB降到~$1.7k/GB（k=1,000）。相应地，3D-P成本中来自数据掩膜版的部分随着技术进步将逐渐降低。在45nm之后，3D-P的成本可以低到替换光碟的地步。在本发明中，每个海量出版物所含的数据量为GB量级，最好不小于0.5GB。

相应地，本发明提出一种三维印录存储器，其特征在于包括：一半导体衬底；多个堆叠在该衬底上并与之耦合的存储层，所述多个存储层相互堆叠，每个存储层含有至少一层数据录入膜，该数据录入膜中的图形代表存储的数据，所述存储层的最小特征尺寸小于45nm；该存储器存储多个不同海量出版物的数据。

本发明还提出一种制造3D-P的方法，其特征在于包括如下步骤：1）在一半导体衬底上形成一衬底电路；2）在该衬底电路上方形成一层底地址线；3）在该底地址线上形成一层数据录入膜，并通过印录法将数据图形从一数据掩膜版转换到该数据录入膜中；4）在该数据录入膜上形成一层顶地址线；5）重复步骤2）—4）形成另一存储层；其中，该数据图形代表存储于该存储器中数据，所述地址线的最小半周期小于45nm，所述数据掩膜版的最小特征尺寸大于所述地址线的最小半周期，所述数据掩膜版承载多个不同的海量出版物。

本发明还提出一种制造mask-ROM的方法，其特征在于包括如下步骤：1）形成一层数据录入膜；2）通过印录法将数据图形从一数据掩膜版转换到该数据录入膜中；3）形成多条与该数据录入膜耦合的地址线；其中，该数据图形代表存储于该存储器中数据，所述地址线的最小半周期小于45nm，所述数据掩膜版的最小特征尺寸大于所述地址线的最小半周期，所述数据掩膜版承载多个不同的海量出版物。

附图说明

图1是一种3D-MPROM的截面图。

图2表示一块以往技术采用的专用型数据掩膜版。

图3表示一块本发明提出的共享型数据掩膜版。

图4表示3D-P晶圆上的一个印录场区（printing field）。

图5是一块F结点数据掩膜版的顶视图。

图6比较在几代半导体技术中的掩膜版成本和单位GB掩膜版成本（C_GB）。

图7比较在几代半导体技术中、在不同发行量（V）下，3D-P的成本构成。

图8显示在几代半导体技术中、3D-P的成本达到光碟替换阈值成本（C_th）时，3D-P的最低发行量（V_th）。

注意到，这些附图仅是概要图，它们不按比例绘图。为了显眼和方便起见，图中的部分尺寸和结构可能做了放大或缩小。在不同实施例中，相同的符号一般表示对应或类似的结构。

具体实施方式

本说明书以3D-MPROM（即存储元分布在三维空间中的mask-ROM）为例阐述掩膜版共享。该发明精神可以很容易地推广到常规mask-ROM（即存储元分布在二维平面上mask-ROM）中。Mask-ROM的数据录入的主要方式为印录法。印录法包括光刻法（photo-lithography）和压印法（imprint-lithography，也被称为nano-imprint lithography，简称为NIL）等。相应地，掩膜编程中的“掩膜版”可以是光刻法采用的数据掩膜版，也可以是压印法采用的数据模版模板（template，也被称为master、stamp或mold）。

3D-P是一种改进的3D-MPROM，它使用共享型数据掩膜版来录入数据。图3表示一种共享型数据掩膜版18A上的掩膜图形。与图2中的专用型数据掩膜版8A不同，共享型数据掩膜版18A含有16个不同海量出版物（MC₁-MC₁₆）的掩膜图形。在本实施例中，所有这些海量出版物MC₁-MC₁₆均不重复。很明显，数据掩膜版18A的成本可以分摊到这16个海量出版物中。具体说来，海量出版物的数据掩膜版成本是单位GB掩膜版成本（C_GB，即与单位GB数据所占的数据掩膜版面积对应的掩膜版之成本）和该海量出版物的数据量（以GB为单位）之积。对于熟悉本专业的人士来说，虽然图3中的数据掩膜版18A仅承载了16个海量出版物，随着技术的进步，一块数据掩膜版可以承载更多海量出版物。例如说，一块45nm的数据掩膜版可以承载～37GB数据，或～70部电影。

图4表示3D-P晶圆0W上的一个印录场区（printing field）28。印录场区28是指在步进重复印录（step-and-repeat printing）工艺流程中，一块掩膜版在一次印录后在晶圆上形成的图形区域。对于光刻法来说，印录场区是其曝光场区（exposure field）。注意到，晶圆0W含有多个重复的印录场区28。由于图4中的印录场区28由图3中的数据掩膜版18A印录形成，它存储16个不同海量出版物MC₁-MC₁₆的数据。在本实施例中，这16个海量出版物MC₁-MC₁₆均不重复。

在将3D-P晶圆0W切割后，每个芯片可以仅存储单个海量出版物，或多个海量出版物。在图4中，每个印录场区28被切割为4个芯片D1-D4，每个芯片存储多个不同海量出版物的数据：芯片D1存储MC₁、MC₂、MC₅、MC₆的数据，芯片D2存储MC₃、MC₄、MC₇、MC₈的数据，芯片D3存储MC₉、MC₁₀、MC₁₃、MC₁₄的数据，芯片D4存储MC₁₁、MC₁₂、MC₁₅、MC₁₆的数据。在本实施例中，处于相同印录场区中的不同芯片存储不重复的海量出版物数据。

图5表示一块F结点数据掩膜版18A，它用来把数据印入图1中的数据录入膜6A。该数据掩膜版18A含有一个掩膜元阵列“aa”-“bd”。每个掩膜元处图形的明或暗决定对应的存储元处数据开口的存在与否。在该实施例中，在掩膜元“ac”、“bb”、“ba”处的明图形形成掩膜版开口8ac、8bx。在本申请中，数据掩膜版的尺寸F由它在晶圆上面形成的图形之尺寸来表示，而非它在数据掩膜版上的尺寸来表示。对于熟悉本专业的人士来说，由于光刻机对掩膜图形的缩小作用，掩膜版上的尺寸可以是晶圆上图形尺寸的数倍（如4倍）。

在数据掩膜版18A上，其数据开口（如8ac）的最小特征尺寸F可以比3D-P的最小特征尺寸f（如地址线的半周期）大，最好是f的两倍（参见美国专利6,903,427）。相应地，数据掩膜版18A也被称为xf（x>1, 最好~2）掩膜版。事实上，对于几乎所有种类的3D-P（包括采用隔离介质膜、电阻膜、额外掺杂膜等作为数据录入膜的3D-P）来说，其数据录入膜中的图形都可以通过xf掩膜版来印录。采用xf掩膜版可以极大地降低数据掩膜版的成本。比如，对于一个45nm的3D-P来说，45nm数据掩膜版之成本为~$140k；而90nm数据掩膜版之成本仅为~$50k。

图6比较了在几代半导体技术中的掩膜版成本和单位GB掩膜版成本（C_GB）。该图的横轴同时显示了数据掩膜版的最小特征尺寸F（=2f）和3D-P的最小特征尺寸f。当F从90nm减小到22nm时，数据掩膜版的成本从~$50k涨到~$260k。另一方面，掩膜版数据量也由~9GB涨到~155GB。总的说来，C_GB从~$6.7k/GB降低到~$1.7k/GB。注意到，由于90nm掩膜版处于量产阶段，其C_GB较低。

作为一个例子，当2f掩膜版被用来印录电影数据时，每部DVD格式电影（~4GB）的掩膜版成本介于~$27k和~$7k之间；每部BD格式电影（~20GB）的掩膜版成本介于~$135k和~$34k之间。这些数字比一般人想象的电影掩膜版成本低很多，它们比电影的制作成本相比很小，基本可以忽略。

图7比较在几代半导体技术中、在不同发行量（V）下，3D-P的成本构成。在不考虑版权费的情况下，3D-P成本包括存储器成本和数据录入成本。每个f节点有两根竖条，一根对应于发行量为200k的情形，另一根对应于发行量为100k的情形。每根竖条的底部代表单位GB的存储器成本（C_存储），顶部代表单位GB的数据录入成本（C_录入），其总高度代表单位GB的3D-P成本（C_3D）。该图中的各个数据根据如下公式计算：

C_3D = C_存储+C_录入，

其中，

C_存储 = C_晶圆/D_晶圆；

C_录入 = F_印录×C_mask/V。

这里，C_晶圆为晶圆成本，D_晶圆为一个晶圆上的所有有效数据量；F_印录代表印录成本因子，即印录成本（包括掩膜版、光刻胶等耗品以及各种印录资产的折旧）和掩膜版成本的比；V为发行量，即所有使用该数据掩膜版来录入数据的芯片产量。

从图7可以看出，随着f的减小，3D-P的成本逐渐降低。这与流行的想法不同。当f小于45nm时，3D-P的成本可以低于$0.25/GB。例如说，当发行量为200k时，32nm 3D-P的成本为~$0.25/GB；当发行量为100k时，22nm 3D-P的成本为~$0.17/GB。为了能替代光碟，3D-P的成本需要低于光碟替换阈值成本C_th。一般认为，C_th~$0.25/GB。这要求3D-P的最小特征尺寸f小于45nm。

图8显示在几代半导体技术中、3D-P的成本达到光碟替换阈值成本（C_th）时，3D-P的最低发行量（V_th）。V_th是一个重要参数，它决定不同f节点3D-P的市场定位。从该图可以看出，对于32nm 3D-P来说，V_th~200k，它仅适合于大批量出版。对于22nm、16nm和11nm 3D-P来说，V_th分别为42k、31k和15k。它们可以用于中批量出版。

注意到，中等数据量或小数据量的出版物可以和海量出版物混合在同一3D-P中发行。总体说来，3D-P中存储的内容可以是运动图像（如电影、电视节目、视频资料、电子游戏等）、静止图像（如照片、数字地图等）、音频资料（如音乐、电子书等）、文字资料（如电子图书）、软件（如操作系统）以及它们各自的资料库（如电影库、电子游戏库、照片库、地图库、音乐库、图书库和软件库等）。

最后，在这里对适合海量出版的半导体存储器做一综述。三维只读存储器（3D-ROM）是海量出版的理想媒介。长期以来，三维电编程只读存储器（3D-EPROM，也被称为三维写录存储器）被认为优于3D-P。3D-EPROM采用“写”来录入数据。由于“写”是一种串行的数据录入方式，3D-EPROM的写速度很慢。例如说，Sandisk公司开发的三维一次编程存储器（3-D OTP）的写速度只有1.5MB/s。它需要很长时间来录入一部电影：~0.5小时录入一部DVD格式的电影（~4GB），或~3小时录入一部BD格式的电影（~20GB）；如果要录入1TB的资料，则需要一周时间！如此长的录入时间会导致高昂的录入成本，从而使3D-EPROM不适合海量出版。这点在以往被大多数人忽视。

另一方面，3D-P通过“印”来录入数据。“印”是一种并行的数据录入方式。它包括光刻法和压印法。这些技术均为大规模工业化的印录技术，并能在很短时间内将大量数据录入到大量芯片中。例如说，在22nm时，单次曝光可以录入~155GB数据。作为一个总结，与传统的纸质媒介（如图书、报纸、杂志）和塑料媒介（如光碟）相似，半导体存储器应选择“印”而非“写”来实现海量出版。

应该了解，在不远离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明的形式和细节进行改动，这并不妨碍它们应用本发明的精神。因此，除了根据附加的权利要求书的精神，本发明不应受到任何限制。

Claims

1.一种三维印录存储器，其特征在于包括：

一半导体衬底；

多个堆叠在该衬底上并与之耦合的存储层，所述多个存储层相互堆叠，每个存储层含有至少一层数据录入膜，该数据录入膜中的图形代表存储的数据，所述存储层的最小特征尺寸小于45nm；

该存储器存储多个不同海量出版物的数据。

2.根据权利要求1所述的存储器，其特征还在于：每个所述海量出版物所含的的数据量不小于0.5GB。

3.根据权利要求1所述的存储器，其特征还在于：所述存储层的最小特征尺寸不大于32nm，且所述存储器的发行量大于200,000。

4.根据权利要求1所述的存储器，其特征还在于：所述存储层的最小特征尺寸不大于22nm，且所述存储器的发行量大于42,000。

5.根据权利要求1所述的存储器，其特征还在于：所述存储层的最小特征尺寸不大于16nm，且所述存储器的发行量大于31,000。

6.根据权利要求1所述的存储器，其特征还在于：所述存储层的最小特征尺寸不大于11nm，且所述存储器的发行量大于15,000。

7.一种制造三维印录存储器的方法，其特征在于包括如下步骤：

1）在一半导体衬底上形成一衬底电路；

2）在该衬底电路上方形成一层底地址线；

3）在该底地址线上形成一层数据录入膜，并通过印录法将数据图形从一数据掩膜版转换到该数据录入膜中；

4）在该数据录入膜上形成一层顶地址线；

5）重复步骤2）—4）形成另一存储层；

其中，该数据图形代表存储于该存储器中数据，所述地址线的最小半周期小于45nm，所述数据掩膜版的最小特征尺寸大于所述地址线的最小半周期，所述数据掩膜版承载多个不同的海量出版物。

8.一种制造掩膜编程只读存储器（mask-ROM）的方法，其特征在于包括如下步骤：

1）形成一层数据录入膜；

2）通过印录法将数据图形从一数据掩膜版转换到该数据录入膜中；

3）形成多条与该数据录入膜耦合的地址线；

9.根据权利要求7和8所述的存储器制造方法，其特征还在于：所述数据掩膜版中的所有海量出版物均不重复。

10.根据权利要求7和8所述的存储器制造方法，其特征还在于：所述印录法包括光刻法和压印法。