三維印錄存儲器的制造方法
【專利摘要】高昂的數(shù)據(jù)掩膜版成本將極大地限制三維掩膜編程只讀存儲器（3D-MPROM）的廣泛應用。本發(fā)明提出一種三維印錄存儲器（3D-P）。它使用共享型數(shù)據(jù)掩膜版來降低數(shù)據(jù)錄入成本。通過在同一數(shù)據(jù)掩膜版上形成多個不同海量出版物的數(shù)據(jù)圖形，分攤到每個海量出版物上的掩膜版成本將極大降低。
【專利說明】三維印錄存儲器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路存儲器領域，更確切地說，涉及掩膜編程只讀存儲器(mask-ROM)o
【背景技術】
[0002]光碟一包括DVD碟和藍光碟(BD) —是海量出版的主要媒介。海量出版中的“海量”具有雙重意義，它指對海量出版物的海量發(fā)行。這里，每個海量出版物含有海量數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量為GB量級，其內(nèi)容可以是電影、電子游戲、數(shù)字地圖、音樂庫、圖書庫或軟件等。例如說，一部V⑶格式電影的數(shù)據(jù)量為~0.5GB, 一部DVD格式電影的數(shù)據(jù)量為~4GB，而一部BD格式電影的數(shù)據(jù)量則為~20GB。另一方面，海量發(fā)行是指發(fā)行量過萬，甚至達到百萬量級。 [0003]光碟對于移動用戶來說尺寸過大。由于半導體存儲器尺寸更小，因此它更適合針對移動用戶的海量出版。三維掩膜編程只讀存儲器(3D-MPR0M)就是這么一種半導體存儲器。美國專利 5，835，396,6, 624，485,6, 794，253,6, 903，427 和 7，821，080 披露了 3D-MPR0M的多個特征。如圖1所示，3D-MPR0M是一種單片集成電路，它含有一半導體襯底0及一堆疊在襯底上的三維堆16。該三維堆16含有M(M > 2)個相互堆疊的存儲層(如16A、16B)。每個存儲層(如16A)含有多條頂?shù)刂肪€(如2a_2d)、底地址線(如Ia)和存儲元(如5aa_5ad)。每個存儲元存儲n (n ^ I)位數(shù)據(jù)。存儲層(如16A、16B)通過接觸通道孔(如lav、I’ av)與襯底0耦合。在襯底0中的襯底電路OX含有三維堆16的周邊電路。在本申請中，xMxn3D-MPR0M是指一個含有M (M > 2)個存儲層，且每個存儲元存儲n (n > I)位的3D-MPR0M。
[0004]3D-MPR0M是一種基于二極管的交叉點(cross-point)陣列存儲器。每個存儲元(如5aa) —般含有一個二極管3d。二極管泛指任何具有如下特性的兩端口器件:當其所受電壓的大小小于讀電壓，或者其所受電壓的方向與讀電壓不同時，其電阻大于在讀電壓下的電阻。每個存儲層(如16A)還至少含有一層數(shù)據(jù)錄入膜(如6A)。數(shù)據(jù)錄入膜中的圖形為數(shù)據(jù)圖形，它代表其所存儲的數(shù)據(jù)。在圖1中，數(shù)據(jù)錄入膜6A、6B均為隔離介質(zhì)膜3b，它阻擋頂?shù)刂肪€和底地址線之間的電流流動，并通過數(shù)據(jù)開口(如6aa)的存在與否來區(qū)別存儲元(如5aa)的不同狀態(tài)。除了隔離介質(zhì)膜3b，數(shù)據(jù)錄入膜6A也可以含有電阻膜(參見美國專利申請12/785,621)或額外摻雜膜(參見美國專利7，821，080)。
[0005]數(shù)據(jù)錄入膜中的圖形是通過圖形轉(zhuǎn)換得來的。圖形轉(zhuǎn)換也稱為印錄(print)，即通過“印”的方式來錄入數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有技術采用光刻法從數(shù)據(jù)掩膜版印錄數(shù)據(jù)。一般說來，一個xMxn 3D-MPR0M需要MXn塊數(shù)據(jù)掩膜版。例如，對于一個x8x2 3D-MPR0M來說，它需要16(=8X2)塊數(shù)據(jù)掩膜版。在90nm之后，數(shù)據(jù)掩膜版成本急劇上升:在90nm結點這套數(shù)據(jù)掩膜版的成本約為80萬美元，在22nm結點其成本則漲到4百萬美元。
[0006]在以往技術中，一套數(shù)據(jù)掩膜版僅為一個海量出版物專用，它是專用型數(shù)據(jù)掩膜版。如圖2所示，專用型數(shù)據(jù)掩膜版8A僅含有海量出版物MCtl的掩膜圖形。注意到，一塊數(shù)據(jù)掩膜版8A上可以含有多個MCtl掩膜圖形的拷貝(這里是16個拷貝)。對于專用型數(shù)據(jù)掩膜版來說，掩膜版的高昂成本落在單個海量出版物身上。相應地，存儲該海量出版物MCtl的3D-MPR0M之成本也變得高昂。大多數(shù)本專業(yè)人士普遍認為:在90nm之后，高昂的數(shù)據(jù)掩膜版成本將極大地限制3D-MPR0M的廣泛應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的主要目的是提供一種用于實現(xiàn)海量出版的3D-MPR0M。
[0008]本發(fā)明的另一目的是提供一種降低數(shù)據(jù)錄入成本的方法。
[0009]本發(fā)明的另一目的是提供一種降低每個海量出版物的掩膜版成本之方法。
[0010]根據(jù)這些以及別的目的，本發(fā)明提出一種三維印錄存儲器(three-dimensionalprinted memory，簡稱為3D-P)。將其取名為“印錄存儲器”是為了突出這種以“印”來錄入數(shù)據(jù)的方法，即印錄法。在本發(fā)明中，“印錄”是“掩膜編程”的另一種說法。
[0011]3D-P是一種改進的3D-MPR0M，它使用共享型數(shù)據(jù)掩膜版來錄入數(shù)據(jù)。一個共享型數(shù)據(jù)掩膜版上含有多個不同海量出版物的掩膜圖形，故高昂的掩膜版成本可以被多個海量出版物分攤。分攤到每個海量出版物上的數(shù)據(jù)掩膜版成本是單位GB掩膜版成本Cra (即與單位GB數(shù)據(jù)所占的數(shù)據(jù)掩膜版面積對應的掩膜版之成本)和該海量出版物的數(shù)據(jù)量(以GB為單位)之積。在半導體技術的縮尺過程中，由于掩膜版數(shù)據(jù)量(即一塊掩膜版上承載的所有數(shù)據(jù)量)的增加要快于掩膜版成本的增加，Cra實際上是下降的。例如說，從90nm到22nm，Cgb從?$5.4k/GB降到?$1.7k/GB (k=l, 000)。相應地，3D-P成本中來自數(shù)據(jù)掩膜版的部分隨著技術進步將逐漸降低。在45nm之后，3D-P的成本可以低到替換光碟的地步。在本發(fā)明中，每個海量出版物所含的數(shù)據(jù)量為GB量級，最好不小于0.5GB。
[0012]相應地，本發(fā)明提出一種三維印錄存儲器，其特征在于包括:一半導體襯底；多個堆疊在該襯底上并與之耦合的存儲層，所述多個存儲層相互堆疊，每個存儲層含有至少一層數(shù)據(jù)錄入膜，該數(shù)據(jù)錄入膜中的圖形代表存儲的數(shù)據(jù)，所述存儲層的最小特征尺寸小于45nm ;該存儲器存儲多個不同海量出版物的數(shù)據(jù)。
[0013]本發(fā)明還提出一種制造3D-P的方法，其特征在于包括如下步驟:1)在一半導體襯底上形成一襯底電路；2)在該襯底電路上方形成一層底地址線；3)在該底地址線上形成一層數(shù)據(jù)錄入膜，并通過印錄法將數(shù)據(jù)圖形從一數(shù)據(jù)掩膜版轉(zhuǎn)換到該數(shù)據(jù)錄入膜中；4)在該數(shù)據(jù)錄入膜上形成一層頂?shù)刂肪€；5)重復步驟2) — 4)形成另一存儲層；其中，該數(shù)據(jù)圖形代表存儲于該存儲器中數(shù)據(jù)，所述地址線的最小半周期小于45nm，所述數(shù)據(jù)掩膜版的最小特征尺寸大于所述地址線的最小半周期，所述數(shù)據(jù)掩膜版承載多個不同的海量出版物。
[0014]本發(fā)明還提出一種制造mask-ROM的方法，其特征在于包括如下步驟:1)形成一層數(shù)據(jù)錄入膜；2)通過印錄法將數(shù)據(jù)圖形從一數(shù)據(jù)掩膜版轉(zhuǎn)換到該數(shù)據(jù)錄入膜中；3)形成多條與該數(shù)據(jù)錄入膜耦合的地址線；其中，該數(shù)據(jù)圖形代表存儲于該存儲器中數(shù)據(jù)，所述地址線的最小半周期小于45nm，所述數(shù)據(jù)掩膜版的最小特征尺寸大于所述地址線的最小半周期，所述數(shù)據(jù)掩膜版承載多個不同的海量出版物。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是一種3D-MPR0M的截面圖。
[0016]圖2表示一塊以往技術采用的專用型數(shù)據(jù)掩膜版。
[0017]圖3表示一塊本發(fā)明提出的共享型數(shù)據(jù)掩膜版。[0018]圖4表示3D-P晶圓上的一個印錄場區(qū)(printing field)。
[0019]圖5是一塊A結點數(shù)據(jù)掩膜版的頂視圖。
[0020]圖6比較在幾代半導體技術中的掩膜版成本和單位GB掩膜版成本(Cra)15
[0021]圖7比較在幾代半導體技術中、在不同發(fā)行量(V)下，3D-P的成本構成。
[0022]圖8顯示在幾代半導體技術中、3D-P的成本達到光碟替換閾值成本(Cth)時，3D-P的最低發(fā)行量(Vth)。
[0023]注意到，這些附圖僅是概要圖，它們不按比例繪圖。為了顯眼和方便起見，圖中的部分尺寸和結構可能做了放大或縮小。在不同實施例中，相同的符號一般表示對應或類似的結構。
【具體實施方式】
[0024]本說明書以3D-MPR0M (即存儲元分布在三維空間中的mask-ROM)為例闡述掩膜版共享。該發(fā)明精神可以很容易地推廣到常規(guī)mask-ROM (即存儲元分布在二維平面上mask-ROM)中。Mask-ROM的數(shù)據(jù)錄入的主要方式為印錄法。印錄法包括光刻法(photo-lithography)和壓印法(imprint-lithography，也被稱為 nano-1mprintlithography，簡稱為NIL)等。相應地，掩膜編程中的“掩膜版”可以是光刻法采用的數(shù)據(jù)掩膜版，也可以是壓印法采用的數(shù)據(jù)模版模板(template,也被稱為master、stamp或mold)。
[0025]3D-P是一種改進的3D-MPR0M，它使用共享型數(shù)據(jù)掩膜版來錄入數(shù)據(jù)。圖3表示一種共享型數(shù)據(jù)掩膜版18A上的掩膜圖形。與圖2中的專用型數(shù)據(jù)掩膜版8A不同，共享型數(shù)據(jù)掩膜版18A含有16個不同海量出版物(MC1-MC16)的掩膜圖形。在本實施例中，所有這些海量出版物MC1-MC16均不重復。很明顯，數(shù)據(jù)掩膜版18A的成本可以分攤到這16個海量出版物中。具體說來，海量出版物的數(shù)據(jù)掩膜版成本是單位GB掩膜版成本(Cm即與單位GB數(shù)據(jù)所占的數(shù)據(jù)掩膜版面積對應的掩膜版之成本)和該海量出版物的數(shù)據(jù)量(以GB為單位)之積。對于熟悉本專業(yè)的人士來說，雖然圖3中的數(shù)據(jù)掩膜版18A僅承載了 16個海量出版物，隨著技術的進步，一塊數(shù)據(jù)掩膜版可以承載更多海量出版物。例如說，一塊45nm的數(shù)據(jù)掩膜版可以承載~37GB數(shù)據(jù)，或~70部電影。
[0026]圖4表示3D-P晶圓OW上的一個印錄場區(qū)(printing field)28。印錄場區(qū)28是指在步進重復印錄(step-and-repeat printing)工藝流程中，一塊掩膜版在一次印錄后在晶圓上形成的圖形區(qū)域。對于光刻法來說，印錄場區(qū)是其曝光場區(qū)(exposure field)。注意到，晶圓OW含有多個重復的印錄場區(qū)28。由于圖4中的印錄場區(qū)28由圖3中的數(shù)據(jù)掩膜版18A印錄形成，它存儲16個不同海量出版物MC1-MC16的數(shù)據(jù)。在本實施例中，這16個海量出版物MC1-MC 16均不重復。
[0027]在將3D-P晶圓OW切割后，每個芯片可以僅存儲單個海量出版物，或多個海量出版物。在圖4中，每個印錄場區(qū)28被切割為4個芯片D1-D4，每個芯片存儲多個不同海量出版物的數(shù)據(jù):芯片Dl存儲MC^ MC2, MC5, MC6的數(shù)據(jù)，芯片D2存儲MC3、MC4, MC7, MC8的數(shù)據(jù)，芯片D3存儲MC9、MC10, MC13> MC14的數(shù)據(jù)，芯片D4存儲MCn、MC12, MC15, MC16的數(shù)據(jù)。在本實施例中，處于相同印錄場區(qū)中的不同芯片存儲不重復的海量出版物數(shù)據(jù)。
[0028]圖5表示一塊A結點數(shù)據(jù)掩膜版18A，它用來把數(shù)據(jù)印入圖1中的數(shù)據(jù)錄入膜6A。該數(shù)據(jù)掩膜版18A含有一個掩膜元陣列“aa”_ “bd”。每個掩膜元處圖形的明或暗決定對應的存儲元處數(shù)據(jù)開口的存在與否。在該實施例中，在掩膜元“&(3”、“1*”、％&”處的明圖形形成掩膜版開口 8ac、8bx。在本申請中，數(shù)據(jù)掩膜版的尺寸A由它在晶圓上面形成的圖形之尺寸來表示，而非它在數(shù)據(jù)掩膜版上的尺寸來表示。對于熟悉本專業(yè)的人士來說，由于光刻機對掩膜圖形的縮小作用，掩膜版上的尺寸可以是晶圓上圖形尺寸的數(shù)倍(如4倍)。
[0029]在數(shù)據(jù)掩膜版18A上，其數(shù)據(jù)開口(如8ac)的最小特征尺寸A可以比3D_P的最小特征尺寸/(如地址線的半周期)大，最好是/的兩倍(參見美國專利6，903，427)。相應地，數(shù)據(jù)掩膜版18A也被稱為xf (x>l,最好~1、掩膜版。事實上，對于幾乎所有種類的3D-P(包括采用隔離介質(zhì)膜、電阻膜、額外摻雜膜等作為數(shù)據(jù)錄入膜的3D-P)來說，其數(shù)據(jù)錄入膜中的圖形都可以通過X/掩膜版來印錄。采用X/掩膜版可以極大地降低數(shù)據(jù)掩膜版的成本。t:匕如，對于一個45nm的3D-P來說,45nm數(shù)據(jù)掩膜版之成本為~$ 140k ;而90nm數(shù)據(jù)掩膜版之成本僅為~$50k。
[0030]圖6比較了在幾代半導體技術中的掩膜版成本和單位GB掩膜版成本(Cra)15該圖的橫軸同時顯示了數(shù)據(jù)掩膜版的最小特征尺寸A(=2/)和3D-P的最小特征尺寸八當F從90nm減小到22nm時，數(shù)據(jù)掩膜版的成本從~$50k漲到~$260k。另一方面，掩膜版數(shù)據(jù)量也由~9GB漲到~155GB?？偟恼f來，Cgb從~$6.7k/GB降低到~$1.7k/GB。注意到，由于90nm掩膜版處于量產(chǎn)階段，其Cra較低。
[0031]作為一個例子，當2/掩膜版被用來印錄電影數(shù)據(jù)時，每部DVD格式電影C4GB)的掩膜版成本介于~$27k和~$7k之間；每部BD格式電影(~20GB)的掩膜版成本介于~$135k和~$34k之間。這些數(shù)字比一般人想象的電影掩膜版成本低很多，它們比電影的制作成本相比很小，基本可以忽略。
[0032]圖7比較在幾代半導體技術中、在不同發(fā)行量(V)下，3D-P的成本構成。在不考慮版權費的情況下，3D-P成本包括存儲器成本和數(shù)據(jù)錄入成本。每個/節(jié)點有兩根豎條，一根對應于發(fā)行量為200k的情形，另一根對應于發(fā)行量為IOOk的情形。每根豎條的底部代表單位GB的存儲器成本(Cwil)，頂部代表單位GB的數(shù)據(jù)錄入成本(CaA)，其總高度代表單位GB的3D-P成本(C3D)。該圖中的各個數(shù)據(jù)根據(jù)如下公式計算:
〇3D = C存儲+C錄入,
其中，
C存儲=C晶圓/D晶圓；
C錄入=F印錄X Cmask/V。
[0033]這里，Csffl為晶圓成本，Dsffl為一個晶圓上的所有有效數(shù)據(jù)量；Fgpa代表印錄成本因子，即印錄成本(包括掩膜版、光刻膠等耗品以及各種印錄資產(chǎn)的折舊)和掩膜版成本的比；V為發(fā)行量，即所有使用該數(shù)據(jù)掩膜版來錄入數(shù)據(jù)的芯片產(chǎn)量。
[0034]從圖7可以看出， 隨著/的減小，3D-P的成本逐漸降低。這與流行的想法不同。當/小于45nm時，3D-P的成本可以低于$0.25/GB。例如說，當發(fā)行量為200k時，32nm 3D-P的成本為~$0.25/GB ;當發(fā)行量為IOOk時，22nm 3D-P的成本為~$0.17/GB。為了能替代光碟，3D-P的成本需要低于光碟替換閾值成本Cth。一般認為，Ct;$0.25/GB。這要求3D-P的最小特征尺寸/小于45nm。
[0035]圖8顯示在幾 代半導體技術中、3D-P的成本達到光碟替換閾值成本(Cth)時，3D-P的最低發(fā)行量(vth)。Vth是一個重要參數(shù)，它決定不同/節(jié)點3D-P的市場定位。從該圖可以看出，對于32nm 3D-P來說，Vth?200k，它僅適合于大批量出版。對于22nm、16nm和Ilnm3D-P來說，Vth分別為42k、31k和15k。它們可以用于中批量出版。
[0036]注意到，中等數(shù)據(jù)量或小數(shù)據(jù)量的出版物可以和海量出版物混合在同一 3D-P中發(fā)行?？傮w說來，3D-P中存儲的內(nèi)容可以是運動圖像(如電影、電視節(jié)目、視頻資料、電子游戲等)、靜止圖像(如照片、數(shù)字地圖等)、音頻資料(如音樂、電子書等)、文字資料(如電子圖書)、軟件(如操作系統(tǒng))以及它們各自的資料庫(如電影庫、電子游戲庫、照片庫、地圖庫、音樂庫、圖書庫和軟件庫等)。
[0037]最后，在這里對適合海量出版的半導體存儲器做一綜述。三維只讀存儲器(3D-R0M)是海量出版的理想媒介。長期以來，三維電編程只讀存儲器(3D-EPR0M,也被稱為三維寫錄存儲器)被認為優(yōu)于3D-P。3D-EPR0M采用“寫”來錄入數(shù)據(jù)。由于“寫”是一種串行的數(shù)據(jù)錄入方式，3D-EPR0M的寫速度很慢。例如說，Sandisk公司開發(fā)的三維一次編程存儲器(3-D 0TP)的寫速度只有1.5MB/s。它需要很長時間來錄入一部電影廣0.5小時錄入一部DVD格式的電影r4GB)，或?3小時錄入一部BD格式的電影C20GB);如果要錄入ITB的資料，則需要一周時間！如此長的錄入時間會導致高昂的錄入成本，從而使3D-EPR0M不適合海量出版。這點在以往被大多數(shù)人忽視。
[0038]另一方面，3D-P通過“印”來錄入數(shù)據(jù)?！坝　笔且环N并行的數(shù)據(jù)錄入方式。它包括光刻法和壓印法。這些技術均為大規(guī)模工業(yè)化的印錄技術，并能在很短時間內(nèi)將大量數(shù)據(jù)錄入到大量芯片中。例如說，在22nm時，單次曝光可以錄入?155GB數(shù)據(jù)。作為一個總結，與傳統(tǒng)的紙質(zhì)媒介(如圖書、報紙、雜志)和塑料媒介(如光碟)相似，半導體存儲器應選擇“印”而非“寫”來實現(xiàn)海量出版。
[0039]應該了解，在不遠離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以對本發(fā)明的形式和細節(jié)進行改動，這并不妨礙它們應用本發(fā)明的精神。因此，除了根據(jù)附加的權利要求書的精神，本發(fā)明不應受到任何限制。
【權利要求】
1.一種三維印錄存儲器，其特征在于包括: 一半導體襯底； 多個堆疊在該襯底上并與之耦合的存儲層，所述多個存儲層相互堆疊，每個存儲層含有至少一層數(shù)據(jù)錄入膜，該數(shù)據(jù)錄入膜中的圖形代表存儲的數(shù)據(jù)，所述存儲層的最小特征尺寸小于45nm ； 該存儲器存儲多個不同海量出版物的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的存儲器，其特征還在于:每個所述海量出版物所含的的數(shù)據(jù)量不小于0.5GB。
3.根據(jù)權利要求1所述的存儲器，其特征還在于:所述存儲層的最小特征尺寸不大于32nm,且所述存儲器的發(fā)行量大于200，000。
4.根據(jù)權利要求1所述的存儲器，其特征還在于:所述存儲層的最小特征尺寸不大于22nm，且所述存儲器的發(fā)行量大于42，000。
5.根據(jù)權利要求1所述的存儲器，其特征還在于:所述存儲層的最小特征尺寸不大于16nm，且所述存儲器的發(fā)行量大于31，000。
6.根據(jù)權利要求1所述的存儲器，其特征還在于:所述存儲層的最小特征尺寸不大于I lnm，且所述存儲器的發(fā)行量大于15，000。
7.—種制造三維印錄存儲器的方法，其特征在于包括如下步驟: 1)在一半導體襯底上形成一襯底電路； 2)在該襯底電路上方形成一層底地址線； 3)在該底地址線上形成一層數(shù)據(jù)錄入膜，并通過印錄法將數(shù)據(jù)圖形從一數(shù)據(jù)掩膜版轉(zhuǎn)換到該數(shù)據(jù)錄入膜中； 4)在該數(shù)據(jù)錄入膜上形成一層頂?shù)刂肪€； 5)重復步驟2)-4)形成另一存儲層； 其中，該數(shù)據(jù)圖形代表存儲于該存儲器中數(shù)據(jù)，所述地址線的最小半周期小于45nm，所述數(shù)據(jù)掩膜版的最小特征尺寸大于所述地址線的最小半周期，所述數(shù)據(jù)掩膜版承載多個不同的海量出版物。
8.—種制造掩膜編程只讀存儲器(mask-ROM)的方法，其特征在于包括如下步驟: 1)形成一層數(shù)據(jù)錄入膜； 2)通過印錄法將數(shù)據(jù)圖形從一數(shù)據(jù)掩膜版轉(zhuǎn)換到該數(shù)據(jù)錄入膜中； 3)形成多條與該數(shù)據(jù)錄入膜耦合的地址線； 其中，該數(shù)據(jù)圖形代表存儲于該存儲器中數(shù)據(jù)，所述地址線的最小半周期小于45nm，所述數(shù)據(jù)掩膜版的最小特征尺寸大于所述地址線的最小半周期，所述數(shù)據(jù)掩膜版承載多個不同的海量出版物。
9.根據(jù)權利要求7和8所述的存儲器制造方法，其特征還在于:所述數(shù)據(jù)掩膜版中的所有海量出版物均不重復。
10.根據(jù)權利要求7和8所述的存儲器制造方法，其特征還在于:所述印錄法包括光刻法和壓印法。
【文檔編號】H01L27/102GK103681674SQ201210319953
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月1日 優(yōu)先權日:2012年9月1日
【發(fā)明者】張國飆 申請人:成都海存艾匹科技有限公司