CN110021623A - 含有自建肖特基二极管的三维纵向多次编程存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种含有自建肖特基二极管的三维纵向多次编程存储器(3D‑MTPV)。它含有多个相互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编程膜,多条形成在存储井中的竖直地址线。水平地址线和竖直地址线之间自然形成一肖特基二极管,即自建肖特基二极管。

Description

含有自建肖特基二极管的三维纵向多次编程存储器
技术领域
本发明涉及集成电路存储器领域,更确切地说,涉及多次编程存储器(multiple-time programmable memory,简称为MTP;也被称为重复编程存储器)。
背景技术
三维多次编程存储器(3D-MTP)是一种单体(monolithic)半导体存储器,它含有多个垂直堆叠的MTP存储元。3D-MTP的存储元分布在三维空间中,而传统的平面型MTP的存储元分布在二维平面上。相对于传统MTP,3D-MTP具有存储密度大、存储成本低等优点。
美国专利申请US 2017/0148851 A1(申请人:Hsu;申请日:2016年11月23日)提出一种三维纵向多次编程存储器(3D-MTPV)。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,覆盖存储井边墙的编程膜和二极管膜(也被称为选择器selector、选向器steering element、准导通膜等名称),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编程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多次编程存储器(3D-MTP)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-MTP的正常工作。
为了实现这些以及别的目的,本发明提出一种含有自然肖特基二极管的三维纵向多次编程存储器(3D-MTPV)。它含有多个在衬底电路上并肩排列的MTP存储串,每个MTP存储串垂直与衬底且含有多个垂直堆叠的MTP存储元。具体说来,3D-MTPV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编程膜,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。MTP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MTP存储元只含有单独的编程膜,并不含有单独的二极管膜, 二极管是在水平地址线、编程膜以及竖直地址线之间自然形成的。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。
这种自然形成的二极管(即自建二极管)性能一般不佳,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MTP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,MTP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VR后,它通过与之耦合的MTP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MTP存储元所存储的信息。
相应地,本发明提出一种含有自建肖特基二极管的三维纵向多次编程存储器(3D-MTPV),其特征在于含有:一含有一衬底电路(0K)的半导体衬底(0);多层处于该衬底电路(0K)之上、垂直堆叠的水平地址线(8a-8h),该水平地址线(8a-8h)含有一金属材料;至少一穿透所述多层水平地址线(8a-8h)的存储井(2a);一层覆盖该存储井(2a)边墙的编程膜(6a),在编程时其电阻可从高电阻转变为低电阻、或从低电阻转变成高电阻;一条形成在该存储井(2a)中的竖直地址线(4a),该竖直地址线(4a)含有一半导体材料;多个形成在该水平地址线(8a-8h) 与该竖直地址线(4a)交叉处的MTP存储元(1aa-1ha)。
本发明还提出一种含有自建肖特基二极管的三维纵向多次编程存储器(3D-MTPV),其特征在于含有:一含有一衬底电路(0K)的半导体衬底(0);多层处于该衬底电路(0K)之上、垂直堆叠的水平地址线(8a-8h),该水平地址线(8a-8h)含有一半导体材料;至少一穿透所述多层水平地址线(8a-8h)的存储井(2a);一层覆盖该存储井(2a)边墙的编程膜(6a),在编程时其电阻可从高电阻转变为低电阻、或从低电阻转变成高电阻;一条形成在该存储井(2a)中的竖直地址线(4a),该竖直地址线(4a)含有一金属材料;多个形成在该水平地址线(8a-8h) 与该竖直地址线(4a)交叉处的MTP存储元(1aa-1ha)。
附图说明
图1A是第一种不含单独二极管膜的3D-MTPV的z-x截面图;图1B是其沿AA’的x-y截面图;图1C是一种含有自建肖特基二极管的MTP存储元的截面图。
图2A-图2C是该3D-MTPV三个工艺步骤的截面图。
图3A表示MTP存储元的符号及其意义;图3B是第一种MTP阵列采用的“全读模式”读出电路的电路图;图3C是其时序图;图3D是二极管的I-V曲线。
图4A是第二种不含单独二极管膜的3D-MTPV的z-x截面图;图4B是其沿CC’的x-y截面图;图4C是第二种MTP阵列采用的读出电路的电路图。
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。“/”表示“和”或“或”的关系。“衬底中”是指功能器件(active devices)均形成在衬底中(包括衬底表面上),而互连线形成在衬底上方、不与衬底接触。“衬底上”是指功能器件形成在衬底上方、不与衬底接触。
具体实施方式
图1A是第一种不含单独二极管膜的三维纵向多次编程存储器(3D-MTPV)的z-x截面图。它含有多个位于衬底电路0K上、且并肩排列的竖直MTP存储串(简称为MTP存储串)1A、1B…。每个MTP存储串1A与衬底0垂直,它含有多个垂直堆叠的MTP存储元1aa-1ha。
本图中的实施例是一MTP阵列10。MTP阵列10是所有共享有至少一条地址线的存储元的集合。它含有多条垂直堆叠的水平地址线(字线)8a-8h。在刻蚀出多个穿透这些水平地址线8a-8h的存储井2a-2d后,在存储井2a-2d的边墙覆盖一层编程膜6a-6d,并填充导体材料以形成竖直地址线4a-4d(位线)。导体材料可以是金属材料或高掺杂的半导体材料。
MTP存储元1aa-1ha形成在字线8a-8h与位线4a的交叉处。在MTP存储元1aa中,编程膜6a含有一编程材料,其电阻在编程时可从高电阻转变为低电阻、或从低电阻转变成高电阻。作为一个例子,编程膜6a含有相变(phase-change material,简称为PCM)材料、或阻变(resistive RAM,简称为RRAM)材料等编程材料。
图1B是该3D-MTPV沿AA’的x-y截面图。水平地址线8a为一导体板,它可以与两行或两行以上的竖直地址线(此处为八条竖直地址线4a-4h)耦合,以形成八个MTP存储元1aa-1ah。这些MTP存储元(与一条水平地址线8a电耦合的所有MTP存储元)1aa-1ah构成一MTP存储组1a。由于水平地址线8a很宽,它可以采用低精度光刻技术(如特征线宽>60 nm的光刻技术)来形成。
为了避免由于二极管膜较厚而导致存储井尺寸较大,本发明中的MTP存储元只含有单独的编程膜。如图1C所示,MTP存储元1aa只含有单独的编程膜6a,并不含有单独的二极管膜,二极管是在水平地址线8a、编程膜6a以及竖直地址线4a之间自然形成的。由于只需在存储井2a的边墙上形成编程膜6a,而不需要形成二极管膜,存储井2a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2a的尺寸,增加存储密度。
在图1C中,在水平地址线8a与竖直地址线4a之间自然形成的二极管(即自建二极管)是肖特基二极管。在第一实施例中,水平地址线8a含有金属材料,竖直地址线4a含有半导体材料,它们之间形成一自建肖特基二极管。在第二实施例中,水平地址线8a含有半导体材料,竖直地址线4a含有金属材料,它们之间也形成一自建肖特基二极管。
图2A-图2C表示该3D-MTPV的三个工艺步骤。所有的水平地址层12a-12h连续形成(图2A)。具体说来,在将衬底电路0K平面化后,形成第一水平导体层12a。这个水平导体层12a不含有任何图形。在该第一水平导体层12a上形成第一绝缘层5a。类似地,第一绝缘层5a也不含有任何图形。在第一绝缘层5a上再形成第二水平导体层12b。如此类推,直到形成所有的水平导体层(此处共八层)。在图2A的形成过程中,没有图像转换步骤(如光刻步骤)。由于每个水平导体层的平面化保持良好,3D-MTPV可以含有数十上百个水平导体层。在形成了所有的水平导体层12a-12h后,通过第一刻蚀一次性地刻蚀所有水平导体层12a-12h以形成多条垂直堆叠的水平地址线8a-8h(图2B)。之后,通过第二刻蚀一次性地形成多个穿透所有水平地址线8a-8h的存储井2a-2d(图2C)。在其侧壁上覆盖编程膜6a-6d,并填充导体材料,以形成多条竖直地址线4a-4d。
图3A是MTP存储元1的符号。MTP存储元1含有字线(正极)8和位线(负极)4,在字线8和位线4之间含有编程膜12和二极管14。编程膜12的电阻在编程时可从高电阻转变为低电阻、或从低电阻转变成高电阻;在外加电压的数值小于读电压或方向与读电压相反时,二极管14的电阻大于读电阻。如前所述,MTP存储元1中只含有单独的编程膜,而不含有单独的二极管膜。二极管14是在字线(水平地址线)8和位线(竖直地址线)4之间自然形成的。这种自然形成的二极管14性能一般不佳,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MTP存储元存储的信息。
图3B表示第一种MTP阵列10采用的“全读模式”读出电路。MTP阵列10含有字线(水平地址线)8a-8h、位线(竖直地址线)4a-4h、以及MTP存储元1aa-1ad...。MTP阵列10的周边电路含有一个多路复用器(MUX)40和一读出放大器30。在该实施例中,MUX 40为4-to-1MUX。图3C是其时序图。读周期T含有一预充电阶段tpre和一读阶段tR:在预充电tpre阶段,MTP阵列10中所有地址线(8a-8h、4a-4h)都被充至一预设电压(如放大电路30的输入偏置电压Vi)。在读阶段tR,所有位线4a-4h悬浮,被选中字线8a的电压上升到读电压VR,并通过MTP存储元1aa-1ah向所有位线4a-4h充电。MUX 40将每条位线上的电压分别送到读出放大器30。如果该电压大于读出放大器30的翻转电压Vt,则输出VO翻转。在读周期T结束时,存储组1a中所有存储元1aa-1ah存储的数字信息均被读出。
图3D是二极管14的I-V曲线。由于读出放大器30的阈值电压Vt较小(~0.1V),在读阶段所有位线4a-4h上的电压变化较小,未被选中存储元(如1ca)上的反向电压约为-Vt。只要二极管14的电气(I-V)特性满足条件I(VR)>>n*I(-Vt),就不会影响3D-MTPV的正常工作。这里,n为一条位线(如4a)上所有MTP存储元的数目。注意到,由于正向电压VR的值远远大于反向电压-Vt的值。即使二极管14的漏电流较大,由于反向电压-Vt的值很小(~0.1V),上述条件很容易满足。
为方便地址解码,本发明还利用存储井的侧壁形成多个纵向晶体管。图4A-图4C表示第二种不含单独二极管膜的3D-MTPV.。它含有纵向晶体管3aa-3ad。其中,纵向晶体管3aa是一传输晶体管(pass transistor),它含有栅极7a、栅介质6a和沟道9a(图4A)。沟道9a由填充在该存储井2a中的半导体材料构成,其掺杂可以与竖直地址线4a相同、浓度较低、或类型相反。栅极7a包围存储井2a、2e,并控制传输晶体管3aa、3ae(图4B);栅极7b被包围存储井2b、2f,并控制传输晶体管 3ab、3af;栅极7c包围存储井2c、2g,并控制传输晶体管 3ac、3ag;栅极7d包围存储井2d、2h,并控制传输晶体管3ad、3ah。传输晶体管3aa-3ah形成至少一解码级(图4C)。在一实施例中,当栅极7a上的电压为高,而栅极7b-7d上的电压为低时,仅传输晶体管3aa和3ae导通,其它传输晶体管均断开。这时,衬底电路层中的MUX 40`在位线4a和4e中选择一个信号,送至读出放大器30。通过在存储井2a-2d中形成多个纵向晶体管3aa-3ad,本实施例能简化解码器的设计。
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 (9)

1.一种三维纵向多次编程存储器(3D-MTPV),其特征还在于含有:
一含有一衬底电路(0K)的半导体衬底(0);
多层处于该衬底电路(0K)之上、垂直堆叠的水平地址线(8a-8h),该水平地址线(8a-8h)含有一金属材料;
至少一穿透所述多层水平地址线(8a-8h)的存储井(2a);
一层覆盖该存储井(2a)边墙的编程膜(6a),在编程时其电阻可从高电阻转变为低电阻、或从低电阻转变成高电阻;
一条形成在该存储井(2a)中的竖直地址线(4a),该竖直地址线(4a)含有一半导体材料;
多个形成在该水平地址线(8a-8h) 与该竖直地址线(4a)交叉处的MTP存储元(1aa-1ha)。
2.一种三维纵向多次编程存储器(3D-MTPV),其特征还在于含有:
一含有一衬底电路(0K)的半导体衬底(0);
多层处于该衬底电路(0K)之上、垂直堆叠的水平地址线(8a-8h),该水平地址线(8a-8h)含有一半导体材料;
至少一穿透所述多层水平地址线(8a-8h)的存储井(2a);
一层覆盖该存储井(2a)边墙的编程膜(6a),在编程时其电阻可从高电阻转变为低电阻、或从低电阻转变成高电阻;
一条形成在该存储井(2a)中的竖直地址线(4a),该竖直地址线(4a)含有一金属材料;
多个形成在该水平地址线(8a-8h) 与该竖直地址线(4a)交叉处的MTP存储元(1aa-1ha)。
3.根据权利要求1和2所述的存储器,其特征还在于:所述编程膜含有相变(PCM)材料。
4.根据权利要求1和2所述的存储器,其特征还在于:所述编程膜含有阻变(RRAM)材料。
5.根据权利要求1和2所述的存储器,其特征还在于:所述水平地址线(8a)、所述编程膜(6a)以及所述竖直地址线(4a)构成一二极管(14)。
6.根据权利要求5所述的存储器,其特征还在于:在一个读周期(T)中读出与被选中水平地址线(8a)电耦合的所有MTP存储元(1aa-1ah)存储的信息。
7.根据权利要求6所述的存储器,其特征还在于:在所述读周期(T)中,被选中水平地址线(8a)上的电压为读电压(VR);当位线电压大于翻转电压(Vt)时,输出翻转;所述二极管(14)的电气特性满足条件I(VR)>>n*I(-Vt),其中,n为所述竖直地址线(4a)上所有MTP存储元的数目。
8.根据权利要求1和2所述的存储器,其特征还在于:所述多个MTP存储元(1aa-1ha)构成一竖直存储串(1A)。
9.根据权利要求8所述的存储器,其特征还在于:所述竖直存储串(1A)与一纵向晶体管(7a)电耦合。
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