TWI836313B - 3d flash memory module chip and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
本發明是有關於一種記憶體模組及其製造方法,且特別是有關於一種三維快閃記憶體模組及其製造方法。The present invention relates to a memory module and a manufacturing method thereof, and in particular, to a three-dimensional flash memory module and a manufacturing method thereof.
非揮發性記憶體具有可使得存入的資料在斷電後也不會消失的優點,因此廣泛採用於個人電腦和其他電子設備中。目前業界較常使用的三維記憶體包括反或式(NOR)記憶體以及反及式(NAND)記憶體。此外,另一種三維記憶體為及式(AND)記憶體,其可應用在多維度的記憶體陣列中而具有高積集度與高面積利用率,且具有操作速度快的優點。因此,三維記憶體元件的發展已逐漸成為目前的趨勢。Non-volatile memory has the advantage that stored data will not disappear even after a power outage, so it is widely used in personal computers and other electronic devices. Currently, three-dimensional memories commonly used in the industry include NOR (NOR) memory and NAND (NAND) memory. In addition, another type of three-dimensional memory is the AND memory, which can be applied in multi-dimensional memory arrays and has high integration and high area utilization, and has the advantage of fast operation speed. Therefore, the development of three-dimensional memory components has gradually become a current trend.
本發明提供一種三維快閃記憶體模組晶片及其製造方法,可以針對快閃記憶體的局部進行修復(healing)處理。The present invention provides a three-dimensional flash memory module chip and a manufacturing method thereof, which can perform a healing process on a part of the flash memory.
在本發明的一實施例中,一種三維快閃記憶體模組晶片,包括:記憶晶片與控制晶片。所述記憶晶片包括:多個塊元,每一塊元包括多個多個三維快閃記憶體結構;以及多個加熱器,設置在所述每一塊元的所述多個三維快閃記憶體結構周圍。控制晶片與所述記憶晶片接合,用以驅動所述多個加熱器的至少一個。In one embodiment of the present invention, a three-dimensional flash memory module chip includes: a memory chip and a control chip. The memory chip includes: a plurality of blocks, each block including a plurality of three-dimensional flash memory structures; and a plurality of heaters, which are arranged around the plurality of three-dimensional flash memory structures of each block. The control chip is coupled to the memory chip to drive at least one of the plurality of heaters.
在本發明的一實施例中,一種三維快閃記憶體模組晶片的製造方法,包括:形成記憶晶片,包括:形成多個塊元於第一基底上,每一塊元包括多個多個三維快閃記憶體結構;以及形成多個加熱器,於所述每一塊元的所述多個三維快閃記憶體結構周圍;形成控制晶片;以及接合所述控制晶片與所述記憶晶片,其中所述控制晶片用以驅動所述多個加熱器。In one embodiment of the present invention, a method for manufacturing a three-dimensional flash memory module chip includes: forming a memory chip, including: forming a plurality of blocks on a first substrate, each block including a plurality of three-dimensional flash memory structures; and forming a plurality of heaters around the plurality of three-dimensional flash memory structures of each block; forming a control chip; and bonding the control chip to the memory chip, wherein the control chip is used to drive the plurality of heaters.
基於上述,本發明之三維快閃記憶體模組晶片及其製造方法,以額外的控制晶片驅動加熱器,對快閃記憶體的各個區塊進行局部修復處理。控制晶片可以另外製作,以避免加熱器控制器佔用記憶晶片的面積,並且可以以較低階的製程來製造控制晶片,以降低製程的費用。Based on the above, the three-dimensional flash memory module chip and its manufacturing method of the present invention use an additional control chip to drive the heater to perform partial repair processing on each block of the flash memory. The control chip can be fabricated separately to avoid the heater controller occupying the area of the memory chip, and the control chip can be fabricated with a lower-level process to reduce the cost of the process.
快閃記憶體在經過多次操作之後效能會明顯降低,因此需要對快閃記憶體進行修復(healing)處理。修復處理可以使用加熱器(heater)來對快閃記憶體進行加熱,以修復快閃記憶體的電荷儲存結構(例如氮化物層)。在目前的技術中,大多是以字元線來做為加熱器。然而,由於字元線的數目較多且與其他元件(例如字元線解碼器(decoder))之間的配置關係較為複雜,因此造成快閃記憶體結構在佈局設計上較為困難。After multiple operations, the performance of flash memory will be significantly reduced, so the flash memory needs to be repaired (healing). The repair process can use a heater to heat the flash memory to repair the charge storage structure (such as the nitride layer) of the flash memory. In current technology, word lines are mostly used as heaters. However, due to the large number of word lines and the complex configuration relationship with other components (such as word line decoders), the layout design of the flash memory structure is more difficult.
本發明實施例提供數種三維快閃記憶體模組晶片,將加熱器設置在記憶晶片的三維快閃記憶體結構的上方或是側壁周圍,並將記憶晶片與控制晶片接合,以藉由控制晶片驅動加熱器來進行記憶晶片的局部區塊的修復處理。Embodiments of the present invention provide several types of three-dimensional flash memory module chips. The heater is arranged above the three-dimensional flash memory structure of the memory chip or around the side wall, and the memory chip is bonded to the control chip to control the The chip drives the heater to repair local areas of the memory chip.
圖1A與圖1B分別是依據本發明實施例之一種三維快閃記憶體模組晶片的立體示意圖。圖2A是依據本發明實施例之一種記憶晶片的三維快閃記憶體結構的部分上視圖。圖2B是圖2A的線I-I’的剖面圖。圖3A是依據本發明另一實施例之一種具有加熱器之記憶晶片的部分上視圖。圖3B是圖3A的線I-I’的剖面圖。1A and 1B are respectively a three-dimensional schematic diagram of a three-dimensional flash memory module chip according to an embodiment of the present invention. 2A is a partial top view of a three-dimensional flash memory structure of a memory chip according to an embodiment of the present invention. Fig. 2B is a cross-sectional view along line I-I' of Fig. 2A. 3A is a partial top view of a memory chip with a heater according to another embodiment of the present invention. Fig. 3B is a cross-sectional view along line I-I' of Fig. 3A.
請參照圖1A與圖1B,本發明實施例之一種三維快閃記憶體模組晶片(又可稱為三維積體電路,3DIC)5000包括:記憶晶片1000與控制晶片2000。記憶晶片1000包括多個三維快閃記憶體結構1100與多個加熱器1200。多個加熱器1200設置在多個三維快閃記憶體結構1100周圍。在一些實施例中,多個加熱器1200設置在多個三維快閃記憶體結構1100上方,如圖1A所示。在另一些實施例中,多個加熱器1200設置在多個三維快閃記憶體結構1100之間的分隔溝槽1110中,如圖1B所示。控制晶片2000設置在記憶晶片1000上方,用以驅動記憶晶片1000中的加熱器1200。控制晶片2000與記憶晶片1000可以藉由接合結構3000彼此接合。1A and 1B , a three-dimensional flash memory module chip (also referred to as a three-dimensional integrated circuit, 3DIC) 5000 according to an embodiment of the present invention includes: a
請參照圖1A與圖1B,記憶晶片1000的三維快閃記憶體結構1100可以是三維AND快閃記憶體結構(如圖2A與圖2B所示)、三維NAND快閃記憶體結構(未示出)或三維NOR快閃記憶體結構(未示出)。以下以三維AND快閃記憶體結構來舉例說明本發明的三維快閃記憶體結構1100,然而,本發明實施例不限於此。1A and 1B , the three-dimensional
請參照圖2A與圖2B,記憶晶片1000可以包括多個塊元T。這些塊元T可以排列成包括多個行與多個列的陣列。在本實施例中,以四個塊元T(例如是T1~T4)來說明。四個塊元T中,塊元T1與塊元T2排列成一列;塊元T3與塊元T4排列成另一列。塊元T1與塊元T3排列成一行;塊元T2與塊元T4排列成另一行。每個塊元T可以包括多個區塊B(例如是B1~B4)。每一個區塊B包括一個三維快閃記憶體結構1100。多個三維快閃記憶體結構1100在X方向上延伸,在Y方向上排列。相鄰兩個三維快閃記憶體結構1100以分隔溝槽1110彼此分隔。Referring to FIGS. 2A and 2B , the
請參照圖2B,每一個三維快閃記憶體結構1100可包括多個記憶單元所形成的至少一個記憶陣列。更詳細來說,三維快閃記憶體結構1100可安置於在第一基底(例如半導體基底)1010上的一或多個主動元件(例如第一電晶體1020)上方。第一電晶體1020例如是互補式金氧半場效電晶體(CMOS)。因此,此種架構又可稱為互補式金氧半場效電晶體在陣列之下(CMOS under Array,CUA)架構。Referring to FIG. 2B , each three-dimensional
請參照圖2B,三維快閃記憶體結構1100可設置在半導體晶粒的後段製程(back end of line;BEOL)中。舉例而言,三維快閃記憶體結構1100可埋置於第一內連線結構1030中。第一內連線結構1030例如是包括下部內連線結構1032以及上部內連線結構1034。下部內連線結構1032安置於在第一基底(例如半導體基底)1010上的一或多個主動元件(例如第一電晶體1020)上方且在三維快閃記憶體結構1100的記憶陣列下方。上部內連線結構1034安置於三維快閃記憶體結構1100的記憶陣列的上方。下部內連線結構1032例如是包括下部第一金屬層BM1、下部第二金屬層BM2以及下部第三金屬層BM3,以及在其彼此之間的介層窗BV1與BV2。上部內連線結構1034例如是包括上部第一金屬層TM1與上部第二金屬層TM2,以及在其彼此之間的介層窗TV1。下部內連線結構1032以及上部內連線結構1034的金屬層數以及介層窗不以上述為限。2B , the three-dimensional
請參照圖2B,三維快閃記憶體結構1100包括多個閘極堆疊結構52。每一個閘極堆疊結構52形成在下部內連線結構1032上。每一個閘極堆疊結構52在X方向上延伸,從第一基底1010的陣列區AR延伸至階梯區SR。閘極堆疊結構52包括在第一基底1010的表面上垂直堆疊的多個閘極層(又稱為字元線)38與多層的絕緣層54。在Z方向上,這些閘極層38藉由設置在其彼此之間的絕緣層54電性隔離。閘極層38包括金屬層例如是鎢。在一些實施例中,閘極層38還包括阻障層37,例如為鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)或其組合。絕緣層54例如是氧化矽。Referring to FIG. 2B , the three-dimensional
閘極層38在與第一基底1010(示於圖2D)的表面平行的方向上延伸。在階梯區SR的閘極層38可具有階梯結構SC(示於圖2B),以使得下部的閘極層38比上部閘極層38長,且下部的閘極層38的末端橫向延伸出上部閘極層38的末端。用於連接閘極層38的接觸窗C1可著陸於位於階梯區SR的閘極層38的末端,藉以將各層閘極層38經由接觸窗C1與上部內連線結構1034連接至下部內連線結構1032的各個導線,例如是下部第三金屬層BM3的導線。
請參照圖2B,三維快閃記憶體結構1100還包括多個通道柱16。通道柱16連續延伸穿過陣列區AR的閘極堆疊結構52。在一些實施例中,通道柱16於上視角度來看可具有環形的輪廓。通道柱16的材料可以是半導體,例如是未摻雜的多晶矽。Referring to FIG. 2B , the three-dimensional
請參照圖2B,三維快閃記憶體結構1100還包括絕緣填充層24、絕緣柱28、多個導體柱(例如是做為源極柱)32a與多個導體柱(例如是做為汲極柱)32b。導體柱32a與32b以及絕緣柱28設置在通道柱16內各自在垂直於閘極層38的方向(即Z方向)上延伸。導體柱32a與32b藉由絕緣填充層24與絕緣柱28分隔,且與通道柱16電性耦接。導體柱32a與32b例如是摻雜的多晶矽。絕緣填充層24例如是氧化矽;絕緣柱28例如是氮化矽。Referring to FIG. 2B, the three-dimensional
請參照圖2B,電荷儲存結構40設置於通道柱16與多層閘極層38之間。電荷儲存結構40可以包括穿隧層(或稱為能隙工程穿隧氧化層)14、電荷儲存層12以及阻擋層36。電荷儲存層12位於穿隧層14與阻擋層36之間。在一些實施例中,穿隧層14、電荷儲存層12以及阻擋層36例如是氧化矽、氮化矽與氧化矽。在一些實施例中,電荷儲存結構40的一部分(例如是穿隧層14)在垂直於閘極層38的方向(即Z方向)上連續延伸,而電荷儲存結構40的另一部分(例如是電荷儲存層12與阻擋層36)環繞於閘極層38的周圍,如圖2B所示。在另一些實施例中,電荷儲存結構40(例如是穿隧層14、電荷儲存層12與阻擋層36)環繞於閘極層38的周圍(未示出)。每一閘極層38與其所環繞的電荷儲存結構40、通道柱16以及源極柱32a與汲極柱32b界定出記憶單元20。因此,每一個三維快閃記憶體結構1100包括多個記憶單元20所組成的至少一個記憶陣列。2B , the
三維快閃記憶體結構1100還包括局部位元線LBL
n與局部源極線LSL
n以及全域位元線GBL
n與全域源極線GSL
n。局部位元線LBL
n與局部源極線LSL
n位於上部內連線結構1034的上部第一金屬層TM1,且分別經由接觸窗C2電性連接源極柱32a與汲極柱32b。全域位元線GBL
n與全域源極線GSL
n分別經由上部內連線結構1034中的上部介層窗(未示出)電性連接局部位元線LBL
n與局部源極線LSL
n。
The three-dimensional
記憶單元20可藉由不同的操作方法進行1位元操作或2位元操作。舉例來說,在對源極柱32a與汲極柱32b施加電壓時,由於源極柱32a與汲極柱32b與通道柱16連接,因此電子可沿著通道柱16傳送並儲存在整個電荷儲存結構40中,如此可對記憶單元20進行1位元的操作。此外,對於利用福勒-諾德漢穿隧(Fowler-Nordheim tunneling)的操作來說,可使電子或是電洞被捕捉在源極柱32a與汲極柱32b之間的電荷儲存結構40中。對於源極側注入(source side injection)、通道熱電子(channel-hot-electron)注入或帶對帶穿隧熱載子(band-to-band tunneling hot carrier)注入的操作來說,可使電子或電洞被局部地捕捉在鄰近兩個源極柱32a與汲極柱32b中的一者的電荷儲存結構40中,如此可對記憶單元20進行單位晶胞(SLC,1位元)或多位晶胞(MLC,大於或等於2位元)的操作。The memory unit 20 can perform 1-bit operation or 2-bit operation through different operation methods. For example, when a voltage is applied to the
在進行操作時,將電壓施加至所選擇的字元線(閘極層)38,例如施加高於對應記憶單元20的相應起始電壓(V
th)時,與所選擇的字元線38相交的通道柱16的通道區被導通,而允許電流從位元線BL
n進入汲極柱32b,並經由導通的通道區流至源極柱32a,最後流到源極線SL
n。
During operation, a voltage is applied to the selected word line (gate layer) 38 , for example, when a voltage higher than the corresponding starting voltage (V th ) of the corresponding memory cell 20 is applied, intersecting the selected
請參照圖3A與圖3B,記憶晶片1000還包括多個加熱器1200。加熱器1200可以設置在三維快閃記憶體結構1100上方的介電層1040之中。介電層1040的材料例如是氧化矽。加熱器1200包括金屬層1202,例如是銅或鎢。在一些實施例中,加熱器1200還包括阻障層1204,例如是鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭或其組合。3A and 3B , the
請參照圖3A,在一些實施例中,每一區塊B上設置單一個加熱器1200,且任意相鄰兩個區塊B的兩個加熱器1200彼此分離。加熱器1200可以在X方向上延伸。在一實施例中,加熱器1200設置在陣列區AR且延伸至階梯區SR(如圖3A與3B所示)。在一實施例中,加熱器1200可以在陣列區AR,而不設置在階梯區SR(未示出)。亦即,加熱器1200的長度可以大於、等於或小於三維快閃記憶體結構1100在X方向上的長度。Referring to FIG. 3A , in some embodiments, a
此外,每一區塊B上可以設置多個加熱器1200,例如是在陣列區AR與階梯區SR分別具有一個加熱器1200,且可以分別加熱(未示出)。然而,本發明實施例並不以此為限。在另一實施例中,也可以將相鄰兩個、三個或更多個區塊B的多個加熱器1200合併成單一個加熱器(未示出),以同時加熱多個區塊B的三維快閃記憶體結構1100。In addition,
請參照圖3A,加熱器1200的俯視形狀例如是矩形或是其他的形狀。多個區塊B上的多個加熱器1200可以具有相同的寬度或是不同的寬度。在陣列區AR的加熱器1200的寬度W1與階梯區SR的加熱器1200的寬度W2相同。然而,本發明並不以此為限。加熱器1200的形狀可以依據實際的需要或是設計而改變。在陣列區AR的加熱器1200的寬度W1可以大於、等於或小於階梯區SR的加熱器1200的寬度W2。Referring to FIG. 3A , the top view shape of the
請參照圖1A、圖1B與圖3B,記憶晶片1000還包括接合層1300。接合層1300包括接墊1302與絕緣層1304。絕緣層1304設置在加熱器1200上。絕緣層1304的材料例如是氧化矽。接墊1302設置在每一個加熱器1200的表面上的絕緣層1304之中。接墊1302的材料例如是銅。接墊1302包括接墊1302a與1302b。接墊1302a與1302b分別連接加熱器1200的第一端E1與第二端E2。1A, 1B and 3B, the
在以上的實施例中,多個三維快閃記憶體結構1100為三維AND快閃記憶體結構,且多個加熱器1200設置在三維AND快閃記憶體結構的上方(如圖3A、圖3B以及圖6A所示)。在另一些實施例中,多個三維快閃記憶體結構1100為三維AND快閃記憶體結構,且多個加熱器1200設置在三維AND快閃記憶體結構之間的分隔溝槽1110中(如圖4A至圖4C所示)。In the above embodiments, the plurality of three-dimensional
圖4A是依據本發明另一實施例之一種具有加熱器之記憶晶片的部分上視圖。圖4B是依據本發明另一實施例之一種記憶晶片的加熱器與接墊的部分上視圖。圖4C是圖4B的線II-II’的剖面圖。Fig. 4A is a partial top view of a memory chip with a heater according to another embodiment of the present invention. Fig. 4B is a partial top view of a heater and a pad of a memory chip according to another embodiment of the present invention. Fig. 4C is a cross-sectional view taken along line II-II' of Fig. 4B.
請參照圖4A與圖4C,多個加熱器1200設置在三維快閃記憶體結構1100之間的分隔溝槽1110中。加熱器1200設置在閘極堆疊結構52的多個閘極層38與多層的絕緣層54周圍。加熱器1200與多個閘極層38以及與多層的絕緣層54之間,以絕緣襯層1112分隔(如圖4C所示)。絕緣襯層1112包括絕緣材料例如是氧化矽或是氮化矽。加熱器1200包括金屬層1202(如圖4C所示),例如是銅或鎢。在一些實施例中,加熱器1200還包括阻障層1204(如圖4C所示)。阻障層1204位於絕緣襯層1112與金屬層1202之間。阻障層1204例如是鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭或其組合。Referring to FIGS. 4A and 4C , a plurality of
在一些實施例中,每一分隔溝槽1110中設置單一個加熱器1200。舉例來說,加熱器1200可以在X方向上延伸。在一實施例中,加熱器1200設置在陣列區AR且延伸至階梯區SR(如圖4A與4B所示)。在一實施例中,加熱器1200可以在陣列區AR,而不設置在階梯區SR(未示出)。亦即,加熱器1200的長度可以大於、等於或小於三維快閃記憶體結構1100在X方向上的長度。In some embodiments, a
抑或是,每一分隔溝槽1110中可以設置多個加熱器1200,例如是在陣列區AR與階梯區SR分別具有一個加熱器1200,且可以分別加熱(未示出)。然而,本發明實施例並不以此為限。Alternatively, a plurality of
請參照圖4A,此外,加熱器1200的俯視形狀例如是矩形或是其他的形狀。多個分隔溝槽1110中的多個加熱器1200可以具有相同的寬度或是不同的寬度。然而,本發明並不以此為限。加熱器1200的形狀可以依據實際的需要或是設計而改變。Please refer to FIG. 4A. In addition, the top view shape of the
請參照圖4B與圖4C,每一個加熱器1200的兩端(即E1與E2)的表面上分別設有接觸窗C3。接觸窗C3可以經由上部內連線結構1034連接至上方的接墊1302a與1302b,使得記憶晶片1000的加熱器1200可以藉由上部內連線結構1034以及接墊1302a、1302b與控制晶片2000電性連接。接墊1302a與1302b的材料例如是銅。4B and 4C , contact windows C3 are provided on the surfaces of the two ends (i.e., E1 and E2) of each
圖5A至圖5E是依照本發明實施例之一種控制晶片的各種立體示意圖。圖6A是依照本發明實施例之一種記憶晶片與控制晶片的立體示意圖。圖6B是圖6A之電路示意圖。Figures 5A to 5E are various three-dimensional schematic diagrams of a control chip according to an embodiment of the present invention. Figure 6A is a three-dimensional schematic diagram of a memory chip and a control chip according to an embodiment of the present invention. Figure 6B is a circuit schematic diagram of Figure 6A.
請參照圖5A,控制晶片2000可包括多個塊元T’。這些塊元T’可以排列成陣列。在本實施例中,以四個塊元T’(例如是T1’~T4’)為例來說明。四個塊元T’中,塊元T1’與塊元T2’排列成一列;塊元T3’與塊元T4’排列成另一列。塊元T1’與塊元T3’排列成一行;塊元T2’與塊元T4’排列成另一行。Referring to FIG. 5A , the
請參照圖5A與圖5E,每一塊元T’包括多條驅動列2000R與行2000C。每一驅動列2000R包括第二電晶體2020、第二內連線結構2030以及接墊2052,如圖5E所示。第二電晶體2020設置在第二基底2010的主動區2012上。第二基底2010可以是半導體基底,例如是矽基底。第二電晶體2020可以是互補式金氧半(CMOS)電晶體。第二電晶體2020可以是平面式電晶體(如圖5A至圖5E所示)或是鰭狀電晶體(如圖8所示)。Please refer to FIG. 5A and FIG. 5E. Each block T' includes a plurality of driving
請參照圖5B與圖5E以及圖8,第二電晶體2020包括閘介電層2024、閘極層2028、源極區2022a與汲極區2022b。閘介電層2024例如是氧化矽或是高介電常數材料。閘極層2028例如是摻雜多晶矽或是鎢。閘極層2028位於閘介電層2024上。閘極層2028為長條狀,其延伸的方向例如是與加熱器1200延伸的方向相同,例如是在X方向上延伸,如圖6A。在一些實例中,相鄰兩列(例如塊元T1’與T2’,或塊元T3’與T4’)的第二電晶體2020的閘極層2028可以電性連接,如圖5A所示。5B, 5E and 8, the
請參照圖5E,第二電晶體2020的源極區2022a與汲極區2022b設置在閘極層2028兩側的主動區2012中。源極區2022a與汲極區2022b中具有摻質,例如是N型或P型摻質。在一些實施例中,相鄰的兩個第二電晶體2020共用源極區2022a。Referring to FIG. 5E , the
請參照圖5B與圖5C,第二內連線結構2030位於多個第二電晶體2020上。第二內連線結構2030包括介電層2031(如圖5C所示)以及位於介電層2031之中的多個接觸窗2032、2034、多個導線2036、2040與多個介層窗2038、2042。多個接觸窗2032分別著陸在源極區2022a與汲極區2022b上,且與源極區2022a與汲極區2022b電性連接。接觸窗2034著陸在閘極層2028上且與閘極層2028電性連接。接觸窗2032為長條狀,其沿著X方向延伸,與閘極層2028大致平行,如圖5B與圖5D所示。接觸窗2034的形狀與接觸窗2032的形狀不同,其形狀例如為柱狀,如圖5B所示。導線2036與2040(如圖5C所示)分別設置在多個接觸窗2032、2034上。導線2036與導線2040之間以介層窗2038電性絕緣。介層窗2042設置在導線2040上,並將導線2040與上方的接合層2050電性連接。介電層2031例如是氧化矽。多個接觸窗2032、2034、多個導線2036、2040與多個介層窗2038、2042包括金屬層例如是鎢或銅。多個接觸窗2032、2034、多個導線2036、2040與多個介層窗2038、2042可以更包括阻障層(未示出)例如是鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭或其組合。Please refer to FIG. 5B and FIG. 5C. The
請參照圖5C,每一驅動列2000R的接墊2052為控制晶片2000的接合層2050的一部分。接合層2050包括接墊2052與絕緣層2054。絕緣層2054位於第二內連線結構2030上。接墊2052位於絕緣層2054中,且與第二內連線結構2030的介層窗2042電性連接。接墊2052的材料例如是銅。絕緣層2054的材料例如是氧化矽。5C , the
請參照圖5A與圖5E,接墊2052包括接墊2052a與接墊2052b。更具體地說,每一驅動列2000R包括沿著X方向設置的一對接墊2052a與2052b。接墊2052a將與加熱器1200的第一端E1電性連接;接墊2052b將與加熱器1200的第二端E2電性連接至接地,如圖1A、1B以及圖6A所示。請參照圖5C與圖5D,各個接墊2052a經由介層窗2042a與其下方的導線2040a電性連接。同一塊元T’中的導線2040a彼此分離且電性隔離,以各自與第二電晶體2020的汲極區2022b電性連接,如圖5A與圖5C所示。各個接墊2052b經由介層窗2042b,與其下方的導線2040b電性連接,如圖5D所示。同一行的塊元T’(例如塊元T1’與T3’,或塊元T2’與T4’)的多個接墊2052b彼此經由同一導線2040b電性連接至接地,如圖5A與圖5D所示。5A and 5E , the
請參照圖5C、圖1A與圖1B,控制晶片2000的接合層2050與記憶晶片1000的接合層1300彼此接合而形成接合結構3000。更具體地說,控制晶片2000的絕緣層2054的位置與記憶晶片1000的絕緣層1304的位置相對應,且彼此接合。控制晶片2000的接墊2052a與2052b的位置與記憶晶片1000的接墊1302a與1302b的位置相對應,且彼此接合。Referring to FIG. 5C , FIG. 1A and FIG. 1B , the
請參照圖5A、圖5C與圖5D,控制晶片2000的行2000C經由導線2040c將同一行的塊元T’(例如塊元T1’與T3’,或塊元T2’與T4’)的多個第二電晶體2020的多個共用源極區2022a電性耦接至全域電源2100。5A, 5C and 5D, the
請參照圖5E,控制晶片2000的第二電晶體2020的汲極區2022b連接第二內連線結構2030以及接合層2050的接墊2052a,如圖5C所示。而此接墊2052a與連接記憶晶片1000的加熱器1200的第一端E1的接墊1302a電性連接,如圖6A所示。在一實施例中,控制晶片2000的每個驅動列2000R可以控制記憶晶片1000的對應的一個區塊B的一個加熱器1200,如圖6A與圖6B所示。Referring to FIG. 5E , the
請參照圖5E,在一些實施例中,控制晶片2000還包括行解碼器2300與列解碼器2200。行解碼器2300與全域電源2100電性連接。行解碼器2300接收行位址訊號A3、A4後,選擇其中一行(例如圖5A的行2000C
1)的多個塊元(此例中為兩個,如圖5A的塊元T1’與T3’)。藉此將全域電源2100經由第二內連線結構2030的導線2040c(示於圖5A)提供至所該選擇行(例如圖5A的行2000C
1)之各塊元(例如圖5A的塊元T1’與T3’)的多個第二電晶體2020的多個共用源極區2022a。列解碼器2200與多個驅動列2000R的多個第二電晶體2020的多個閘極層2028電性連接。列解碼器2200接收列位址訊號A0~A2(或稱控制訊號)後,並對輸入的列位址訊號進行解碼,以選擇多個第二電晶體2020的其中一個(例如圖5A的第二電晶體2020
1)或多個並使其導通。
Please refer to FIG. 5E . In some embodiments, the
一般而言,記憶晶片1000會包括用來控制記憶體陣列的控制邏輯單元,而控制邏輯單元中的暫存器會儲存各區塊B的記憶體陣列的抹除次數的狀態訊號。當抹除次數到達預定次數時,便會將此狀態訊號送出至控制晶片2000。Generally speaking, the
請參照圖6A與圖6B,在進行修復處理時,控制晶片2000可基於接收到的狀態訊號,產生與需要修復的塊元T與區塊B(例如圖6A的塊元T1的區塊B1)的相對應的列位址訊號和行位址訊號,並且將列位址訊號和行位址訊號分別傳送到列解碼器2200與行解碼器2300。行解碼器2300依據所接收的行位址訊號選擇其中一行(例如圖6A的行2000C
1),藉此將全域電源2100提供至位於該行(例如圖6A的行2000C
1)的塊元(例如圖5A的塊元T1’與T3’)的導線2040c。列解碼器2200依據所接收的列位址訊號,選擇一驅動列2000R
1的第二電晶體2020
1,並且使其導通。因此,電流可以從全域電源2100經由導線2040c流入第二電晶體2020
1的源極區2022a,並通過第二電晶體2020
1的通道與汲極區2022b,經由第二內連線結構2030與接墊2052a流入記憶晶片1000的接墊1302a,而進入加熱器1200(例如是1200
1)的第一端E1。之後,電流通過加熱器1200
1,從加熱器1200
1的第二端E2流出,並經由記憶晶片1000的接墊1302b,再進入控制晶片2000的接墊2052b,之後,通過導線2040b而電性連接至接地。本發明實施例藉由控制晶片2000的第二電晶體(驅動器)2020(例如是2020
1)可以提供高驅動電流至特定的加熱器1200(例如是1200
1),以使做為加熱器1200(例如是1200
1)的導體被加熱,藉以修復特定塊元T(例如是T1)中特定區塊B(例如是B1)的三維快閃記憶體結構1100中的電荷儲存層。
6A and 6B , when performing the repair process, the
請參照圖1A與圖1B,在一些實施例中,在進行修復處理時,可以藉由控制晶片2000驅動單一加熱器1200(例如是1200
1),以修復單一區塊B(例如是B1)的三維快閃記憶體結構1100(例如是1100
1)中的電荷儲存層。請參照圖1B,在另一些實施例中,在進行修復時,也可以藉由控制晶片2000同時驅動兩個加熱器1200(例如是1200
2與1200
3),以修復單一區塊B(例如是B2)的三維快閃記憶體結構1100(例如是1100
2)中的電荷儲存層。
1A and 1B , in some embodiments, during the repair process, a single heater 1200 (e.g., 1200 1 ) can be driven by the
圖7A至圖7C示出本發明之三維快閃記憶體模組晶片的製造流程的剖面示意圖。7A to 7C are schematic cross-sectional views of the manufacturing process of the three-dimensional flash memory module chip of the present invention.
請參照圖7A,提供晶圓1010W,並在晶圓1010W上形成多個記憶晶片1000。多個記憶晶片1000彼此之間具有切割道SL。記憶晶片1000的形成方法如下所述。請參照圖3B,在晶圓1010W上先形成一或多個主動元件(例如第一電晶體)1020。接著,在主動元件1020上形成下部內連線結構1032。下部內連線結構1032可以用任何已知的方法,例如鑲嵌、雙鑲嵌等方法形成。之後,在下部內連線結構1032上形成由絕緣層(例如是氧化矽)54與另一絕緣層(未示出,例如是氮化矽)交替堆疊而形成的絕緣堆疊結構(未示出)。其後,可以用任何已知的方法在絕緣堆疊結構中形成電荷儲存結構40的穿隧層14、通道柱16以及導體柱32a與32b。穿隧層14的材料可以是介電材料,例如是氧化矽。通道柱16的材料可以是半導體,例如是未摻雜的多晶矽。導體柱32a與32b例如是摻雜的多晶矽。Referring to FIG. 7A , a
接著,進行微影與蝕刻製程,以在絕緣堆疊結構中形成分隔溝槽1110,並將絕緣堆疊結構分隔為多個區塊B。Then, lithography and etching processes are performed to form
之後,進行閘極取代製程,以形成閘極堆疊結構52。首先,進行蝕刻製程,使蝕刻液注入分隔溝槽1110之中,以移除絕緣堆疊結構中的另一絕緣層,以形成多個水平開口34,然後在水平開口34中形成閘極層38。在一些實施例中,在形成閘極層38之前,還在水平開口34中形成電荷儲存層12與阻擋層36。電荷儲存層12例如是氮化矽。阻擋層36例如為介電常數大於或等於7的高介電常數的材料,例如氧化鋁(Al
1O
3)、氧化鉿(HfO
2)、氧化鑭(La
2O
5)、過渡金屬氧化物、鑭系元素氧化物或其組合。閘極層38例如是鎢。在一些實施例中,在形成多層閘極層38之前,還形成阻障層37。阻障層37的材料例如為鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)或其組合。
Afterwards, a gate replacement process is performed to form the
接著,在分隔溝槽1110中形成分隔狹縫SLT。分隔狹縫SLT的形成方法包括在閘極堆疊結構52上以及分隔溝槽1110中填入絕緣填充材料,然後經由回蝕刻製程或是平坦化製程移除閘極堆疊結構52上多餘的絕緣填充材料。絕緣填充材料例如是氧化矽。Next, a separation slit SLT is formed in the
之後,在閘極堆疊結構52上形成上部內連線結構1034(包括局部位元線LBL
n、局部源極線LSL
n以及全域位元線GBL
n與全域源極線GSL
n)。上部內連線結構1034可以用任何已知的方法,例如鑲嵌、雙鑲嵌等方法形成,於此不再詳述。
Afterwards, an upper interconnection structure 1034 (including local bit lines LBL n , local source lines LSL n , and global bit lines GBL n and global source lines GSL n ) is formed on the
請參照圖3A與圖3B,在本實施例中,在上部內連線結構1034(包括局部位元線LBL
n、局部源極線LSL
n以及全域位元線GBL
n與全域源極線GSL
n)形成之後,還在上部內連線結構1034上方形成加熱器1200。加熱器1200的形成方法例如是在上部內連線結構1034上方先形成介電層1040。介電層1040的材料例如是氧化矽。在一些實施例中,還進行平坦化製程,例如是化學機械平坦化製程,以使介電層1040具有平坦的表面。之後,進行微影與蝕刻製程,以在介電層1040中形成多個溝渠OP1。接著在介電層1040上以及溝渠中依序形成阻障材料層與金屬材料層。然後進行平坦化製程,例如是化學機械平坦化製程,以移除介電層1040表面上的阻障材料層與金屬材料層,而在溝渠之中形成阻障層1204以及金屬層1202。金屬材料層例如是銅或鎢。阻障材料層例如是鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭或其組合。
3A and 3B , in the present embodiment, after the upper interconnect structure 1034 (including the local bit line LBL n , the local source line LSL n , and the global bit line GBL n and the global source line GSL n ) is formed, a
請參照圖3B,在加熱器1200形成之後,形成接合層1300。接合層1300的形成方法如下所述。先在加熱器1200以及介電層1040上先形成絕緣層1304,然後,進行微影與蝕刻製程,以在絕緣層1304中形成多個接墊開口OP2。接墊開口OP2的底部裸露出加熱器1200。之後,在絕緣層1304上以及接墊開口OP2之中形成導體層。然後,進行平坦化製程,例如是化學機械平坦化製程,以移除絕緣層1304上的導體層,而在接墊開口OP2中形成接墊1302。Please refer to FIG. 3B , after the
在以上的實施例中,記憶晶片1000的加熱器1200在上部內連線結構1034形成之後才形成。在另一些實施例中,記憶晶片1000的加熱器1200可以在上部內連線結構1034形成之前形成。In the above embodiments, the
請參照圖4C,記憶晶片1000的加熱器1200是在三維快閃記憶體1100的閘極堆疊結構52形成之後,上部內連線結構1034(包括局部位元線LBL
n、局部源極線LSL
n以及全域位元線GBL
n與全域源極線GSL
n)形成之前,形成在閘極堆疊結構52之間的分隔溝槽1110之中。
Please refer to FIG. 4C. The
請參照圖4A與圖4C,加熱器1200的形成方法例如是在分隔溝槽1110之中先形成襯材料層。襯材料層例如是氧化矽或是氮化矽。接著在閘極堆疊結構52上以及分隔溝槽1110中依序形成阻障材料層與金屬材料層。然後進行平坦化製程,例如是化學機械平坦化製程,以移除閘極堆疊結構52表面上的阻障材料層與金屬材料層,而在分隔溝槽1110之中形成絕緣襯層1112、阻障層1204以及金屬層1202。金屬材料層例如是銅或鎢。阻障材料層例如是鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭或其組合。Referring to FIGS. 4A and 4C , the
請參照圖4B與圖4C,在加熱器1200形成之後,形成上部內連線結構1034(包括局部位元線LBL
n、局部源極線LSL
n以及全域位元線GBL
n與全域源極線GSL
n)。其後,依據上述方法在上部內連線結構1034上形成接合層1300。
4B and 4C , after the
請參照圖7A,提供多個控制晶片2000。控制晶片2000的形成方法如下。請參照圖5C,在第二基底(晶圓)2010上形成第二電晶體2020。接著,在第二電晶體2020上形成第二內連線結構2030。第二內連線結構2030可以用任何已知的方法,例如鑲嵌、雙鑲嵌等方法形成。其後,依據上述方法在第二內連線結構2030上形成接合層2050。之後,進行切割,以形成多個控制晶片2000。Referring to FIG. 7A,
請參照圖7B,將多個控制晶片2000的接合層2050與記憶晶片1000的接合層1300接合,以形成接合結構3000。接合的方式例如是混合接合(hybrid bonding)製程。在一些實施例中,在將多個控制晶片2000與晶圓1010W上的記憶晶片1000接合之後,還在多個控制晶片2000的側壁周圍形成包封層(未示出)。7B , the
請參照圖7C,進行切割製程,以形成各自獨立的多個三維快閃記憶體模組晶片5000。Please refer to FIG. 7C , a cutting process is performed to form a plurality of independent three-dimensional flash
綜上所述,本發明將記憶晶片與控制晶片接合以形成三維快閃記憶體模組晶片。透過控制晶片的驅動器提供高驅動電流來加熱記憶晶片中的加熱器,可以修復快閃記憶體的電荷儲存結構,以實現更快的抹除速度,並且可提升快閃記憶體的耐用性。再者,控制晶片可以依據記憶晶片的控制邏輯單元的狀態訊號對相應的區塊局部加熱。此外,此種經由接合形成的三維快閃記憶體模組晶片,控制晶片可以另外製作,而無須在記憶晶片中形成大面積的加熱器控制器,因此可以避免加熱器控制器佔用記憶晶片的面積,並且可以以較低階的製程來製造控制晶片,以降低製程的費用。In summary, the present invention combines a memory chip with a control chip to form a three-dimensional flash memory module chip. By providing a high drive current through the driver of the control chip to heat the heater in the memory chip, the charge storage structure of the flash memory can be repaired to achieve a faster erase speed and improve the durability of the flash memory. Furthermore, the control chip can locally heat the corresponding block according to the state signal of the control logic unit of the memory chip. In addition, for this three-dimensional flash memory module chip formed by bonding, the control chip can be manufactured separately without forming a large-area heater controller in the memory chip. Therefore, the heater controller can be prevented from occupying the area of the memory chip, and the control chip can be manufactured with a lower-level process to reduce the cost of the process.
14:穿隧層 16:通道柱 20:記憶單元 24:絕緣填充層 28:絕緣柱 32a:導體柱/源極柱 32b:導體柱/汲極柱 34:水平開口 36:阻擋層 37、1204:阻障層 38、2028:閘極層 40:電荷儲存結構 52:閘極堆疊結構 54、1304、2054:絕緣層 1000:記憶晶片 1010:第一基底 1010W:晶圓 1020:第一電晶體 1020:主動元件 1030:第一內連線結構 1032:下部內連線結構 1034:上部內連線結構 1040、2031:介電層 1100、1100 1、1100 2:三維快閃記憶體結構 1110:分隔溝槽 1112:絕緣襯層 1200、1200 1、1200 2、1200 3:加熱器 1202:金屬層 1300、2050:接合層 3000:接合結構 1302、1302a、1302b、2052、2052a、2052b:接墊 2000:控制晶片 2000C、2000C 1、2000C 2:行 2000R:驅動列 2010:第二基底 2012:主動區 2020、20201:第二電晶體 2022a:源極區 2022b:汲極區 2024:閘介電層 2030:第二內連線結構 2032、2034、C1、C2、C3:接觸窗 2036、2040、2040a、2040b、2040c:導線 2038、2042、2042a、2042b:介層窗 2100:全域電源 2200:列解碼器 2300:行解碼器 5000:三維快閃記憶體模組晶片 A0、A1、A2:列位址訊號 A3、A4:行位址訊號 AR:陣列區 B、B1、B2、B3、B4:區塊 BM1:下部第一金屬層 BM2:下部第二金屬層 BM3:下部第三金屬層 BV1、BV2、TV1:介層窗 TM1:上部第一金屬層 TM2:上部第二金屬層 E1:第一端 E2:第二端 OP1:溝渠 OP2:接墊開口 SC:階梯結構 SL:切割道 SLT:分隔狹縫 SR:階梯區 T、T’、T1、T1’、T2、T2’、T3、T3’、T4、T4’:塊元 W1、W2:寬度 I-I’、II-II’:線 X、Y、Z:方向 14: tunneling layer 16: channel column 20: memory cell 24: insulating filling layer 28: insulating column 32a: conductor column/source column 32b: conductor column/drain column 34: horizontal opening 36: blocking layer 37, 1204: barrier layer 38, 2028: gate layer 40: charge storage structure 52: gate stack structure 54, 13 04, 2054: insulating layer 1000: memory chip 1010: first substrate 1010W: wafer 1020: first transistor 1020: active element 1030: first internal connection structure 1032: lower internal connection structure 1034: upper internal connection structure 1040, 2031: dielectric layer 1100, 1100 1 , 1100 2 : 3D flash memory structure 1110 : separation trench 1112 : insulation liner 1200 , 1200 1 , 1200 2 , 1200 3 : heater 1202 : metal layer 1300 , 2050 : bonding layer 3000 : bonding structure 1302 , 1302 a , 1302 b , 2052 , 2052 a , 2052 b : pad 2000 : control chip 2000C , 2000C 1 , 2000C 2 : Row 2000R: Driving row 2010: Second substrate 2012: Active region 2020, 20201: Second transistor 2022a: Source region 2022b: Drain region 2024: Gate dielectric layer 2030: Second internal connection structure 2032, 2034, C1, C2, C3: Contact window 2036, 2040, 2040a, 2040b, 2040c: Conductor 2038, 2042, 2042a, 2042b: Interlayer window 2100: Global power supply 2200: Row decoder 2300: Row decoder 5000: Three-dimensional flash memory module chip A0, A1, A2: Row address signal A 3. A4: row address signal AR: array area B, B1, B2, B3, B4: block BM1: lower first metal layer BM2: lower second metal layer BM3: lower third metal layer BV1, BV2, TV1: via TM1: upper first metal layer TM2: upper second metal layer E1: first end E2: second end OP1: trench OP2: pad opening SC: step structure SL: cutting line SLT: separation slit SR: step area T, T', T1, T1', T2, T2', T3, T3', T4, T4': block W1, W2: width I-I', II-II': line X, Y, Z: direction
圖1A與圖1B分別是依據本發明實施例之一種三維快閃記憶體模組晶片的立體示意圖。 圖2A是依據本發明實施例之一種記憶晶片的三維快閃記憶體結構的部分上視圖。 圖2B是圖2A的線I-I’的剖面圖。 圖3A是依據本發明另一實施例之一種具有加熱器之記憶晶片的部分上視圖。 圖3B是圖3A的線I-I’的剖面圖。 圖4A是依據本發明另一實施例之一種具有加熱器之記憶晶片的部分上視圖。 圖4B是依據本發明另一實施例之一種記憶晶片的加熱器與接墊的部分上視圖。 圖4C是圖4B的線II-II’的剖面圖。 圖5A至圖5E是依照本發明實施例之一種控制晶片的各種立體示意圖。 圖6A是依照本發明實施例之一種記憶晶片與控制晶片的立體示意圖。 圖6B是圖6A之局部電路示意圖。 圖7A至圖7C示出本發明之三維快閃記憶體模組晶片的製造流程的剖面示意圖。 圖8是依照本發明實施例之另一種控制晶片的立體示意圖。 FIG. 1A and FIG. 1B are three-dimensional schematic diagrams of a three-dimensional flash memory module chip according to an embodiment of the present invention. FIG. 2A is a partial top view of a three-dimensional flash memory structure of a memory chip according to an embodiment of the present invention. FIG. 2B is a cross-sectional view of line I-I’ of FIG. 2A. FIG. 3A is a partial top view of a memory chip with a heater according to another embodiment of the present invention. FIG. 3B is a cross-sectional view of line I-I’ of FIG. 3A. FIG. 4A is a partial top view of a memory chip with a heater according to another embodiment of the present invention. FIG. 4B is a partial top view of a heater and a pad of a memory chip according to another embodiment of the present invention. FIG. 4C is a cross-sectional view of line II-II’ of FIG. 4B. Figures 5A to 5E are various three-dimensional schematic diagrams of a control chip according to an embodiment of the present invention. Figure 6A is a three-dimensional schematic diagram of a memory chip and a control chip according to an embodiment of the present invention. Figure 6B is a partial circuit schematic diagram of Figure 6A. Figures 7A to 7C show cross-sectional schematic diagrams of the manufacturing process of the three-dimensional flash memory module chip of the present invention. Figure 8 is a three-dimensional schematic diagram of another control chip according to an embodiment of the present invention.
1000:記憶晶片 1000:Memory chip
1100、11001:三維快閃記憶體結構 1100, 1100 1 : Three-dimensional flash memory structure
1200、12001:加熱器 1200, 1200 1 : heater
1300、2050:接合層 1300, 2050: Joint layer
1302、1302a、1302b、2052、2052a、2052b:接墊 1302, 1302a, 1302b, 2052, 2052a, 2052b: pads
1304、2054:絕緣層 1304, 2054: Insulation layer
2000:控制晶片 2000:Control chip
3000:接合結構 3000:Joint structure
5000:三維快閃記憶體模組晶片 5000: 3D flash memory module chip
B1、B2、B3、B4:區塊 B1, B2, B3, B4: Blocks
E1:第一端 E1: first end
E2:第二端 E2: Second end
X、Y、Z:方向 X, Y, Z: direction
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- 2022-01-05 TW TW111100344A patent/TWI836313B/en active
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