專利名稱：N進制掩膜編程存儲器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路領域，更確切地說，涉及掩膜編程存儲器。
背景技術：
掩膜編程存儲器(mask-programmable memory，簡稱為MPM)，尤其是三維掩膜編程存儲器(three-dimensional mask-programmable memory，簡稱為3D-MPM、也被稱為3D-MPR0M，參見專利號為ZL98119572.5的中國專利“三維只讀存儲器及其制造方法”)，存儲容量大，成本低并能提供優(yōu)良的數(shù)據(jù)安全保護，故被視為多媒體資料的理想存儲體。圖1A-圖1B表示一種3D-MPM00。它的兩個存儲層100、200疊置在襯底0上。每個存儲層上含有多個存儲元1aa、1ab...。每個存儲元位于兩條地址線(如字線20a和位線30a)的交叉處并根據(jù)存儲的信息選擇性地為它們提供似二極管電連接。似二極管電連接在一個方向上的導電性好于另一方向，它一般由一二極管結實現(xiàn)，如pn二極管結、肖特基二極管結等?，F(xiàn)有技術中，存儲元只有兩種狀態(tài)“無通道孔”和“有通道孔”。如存儲元1aa處于“無通道孔”狀態(tài)，即它不含通道孔，地址線20a、30a由絕緣介質16隔開；存儲元1ab處于“有通道孔”狀態(tài)，即它含有通道孔3ab，并為地址線20a、30b提供電連接。在存儲元1ab中，由于其通道孔3ab(也就是二極管結的結面積)與地址線交叉區(qū)(即高低兩層地址線20a、30b在交叉處相互重疊的區(qū)域)相同，是兩條地址線之間可能具有的最大通道孔，故通道孔3ab又被稱為“全通道孔”。由于存儲元只有兩個狀態(tài)，它只能代表一位(指二進制位)信息，故MPM的存儲密度受限。為了進一步提高存儲密度，本發(fā)明提出一種N(＞2)進制掩膜編程存儲(N-ary mask-programmablememory，簡稱為N-MPM)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的是提供一種每個存儲元能存儲＞1位的、大容量掩膜編程存儲器，尤其是三維掩膜編程存儲器。
根據(jù)這些以及別的目的，本發(fā)明提供一種N(＞2)進制掩膜編程存儲器(N-arymask-programmable memory，簡稱為N-MPM)，尤其是三維N(＞2)進制掩膜編程存儲器(簡稱為3-D N-MPM)。N-MPM存儲元具有N種可能狀態(tài)。數(shù)字信息按N進制代碼來存儲。由于每個存儲元可以存儲＞1位信息，N-MPM比常規(guī)的二進制MPM(2-MPM，每個存儲元存儲1位信息)存儲密度大。
本發(fā)明的N-MPM包括一條低層地址線；一條位于該低層地址線上方的高層地址線；一個位于該高低層地址線交叉處并與該高低層地址線耦合的存儲元，所述存儲元對該高低層地址線選擇性地提供似二極管電連接，并具有至少N種可能狀態(tài)。
本發(fā)明的3-D N-MPM還包括至少兩個相互疊置的掩膜編程存儲層，每個存儲層均含有多個存儲元，所述存儲元具有至少N種可能狀態(tài)。
本發(fā)明中N-MPM存儲元提供的似二極管電連接在一個方向上的導電性好于另一方向，它一般由一二極管結實現(xiàn)，如pn二極管結、肖特基二極管結等。存儲元的N種可能狀態(tài)可以通過改變二極管結的結形狀(如幾何形狀)和/或結特性(如摻雜濃度)來實現(xiàn)。相應地，N-MPM可以分為結形狀型、結特性型和混合型。
在結形狀型N-MPM中，存儲元的N種可能狀態(tài)可通過改變二極管結的形狀(即結形狀)來實現(xiàn)。通常改變結形狀的方法是改變二極管結的幾何面積。具體說來，高低兩層地址線之間除了具有“無通道孔”和“全通道孔”兩種狀態(tài)以外，還需要具有“局部通道孔”狀態(tài)。對于局部通道孔來說，其二極管結的面積介于無通道孔和全通道孔之間。注意到，如果使用nF(F指地址線線寬、n≥1)開口工藝，局部通道孔(特征尺寸＜1F)可以通過nF(n≥1)開口掩膜版(特征尺寸≥1F)來實現(xiàn)(參見申請?zhí)枮?3108107.X的中國專利申請“集成電路的層間連接結構”)。
在結特性型N-MPM中，存儲元的N種可能狀態(tài)可通過改變二極管結的特性(即結特性)來實現(xiàn)。通常改變結特性的方法是改變二極管結的摻雜特性。由于摻雜特性不同，存儲元的伏-安(IV)特征也不同。在讀出過程中，不同的讀電壓按大小依次加在字線上。如果一存儲元被讀出為“1”，那么一限流電路被開啟。該限流電路限制在剩余讀過程中流過該存儲元的電流，從而避免它被過大的電流損傷。
在N-MPM中，N可以是2的整數(shù)冪，也可以是2的非整數(shù)冪。當N為2的整數(shù)冪時(N＝2n，n為整數(shù))，每個存儲元存儲整數(shù)位，即n位(n為整數(shù))。同時，N-MPM的譯碼是對每個存儲元單獨進行的。當N為2的非整數(shù)冪時(N＝2x，x為非整數(shù))，N-MPM以字為單位進行譯碼，每個字含有m個存儲元(用符號N×m表示，其中，N代表進制，m代表字寬，N＞2、m≥2且均為正整數(shù))。譯碼時，將m個N進制碼(N×m)一起轉換為i位二進制碼(2×i)i≤INT[log2(Nm)]。這里，INT[z]是指小于z的最大整數(shù)。將i位平均到m個存儲元中，每個存儲元存儲非整數(shù)位(指二進制位)信息(參見申請?zhí)枮?00510059914.6的中國專利申請“非整數(shù)位系統(tǒng)”)。


圖1A是表示一種三維掩膜編程存儲器(3D-MPM)的斷面圖；圖1B是其存儲層200的俯視圖；圖2是表示一種N進制掩膜編程存儲器(N-MPM)的斷面圖；圖3AA-圖3AC是表示第一種結形狀型N-MPM存儲元的俯視圖、y-z斷面圖和z-x斷面圖；圖3BA-圖3BC是表示第二種結形狀型N-MPM存儲元的俯視圖、y-z斷面圖和z-x斷面圖；圖3CA-圖3CC是表示第三種結形狀型N-MPM存儲元的俯視圖、y-z斷面圖和z-x斷面圖；圖4A-圖4D表示一種利用nF開口工藝制造結形狀型N-MPM的工藝流程；圖5A-圖5B表示兩種采用合并開口的4進制MPM(4-MPM)存儲元；圖6A-圖6C表示三種結形狀型N-MPM的讀出電路；圖7列舉了兩套適用于4-MPM的結面積比；圖8A是表示一種結特性型N-MPM的斷面圖；圖8B表示其伏-安(IV)特性；圖9A-圖9C表示一種制造結特性型N-MPM的工藝流程；圖10A表示一種結特性型N-MPM的讀出電路；圖10B是表示一種限流電路的電路圖；圖10C表示在讀過程中字線和位線電壓的時序圖；圖11是表示一種三維N進制掩膜編程存儲器(3-D N-MPM)的斷面圖；圖12是表示一種實現(xiàn)將N-MPM(N是2的非整數(shù)冪)中的N進制碼轉換成二進制的電路圖。
本說明書主要描述了N-MPM中二極管的結形狀、結特性和讀出電路。為簡便計，在部分斷面圖中，二極管膜(也被稱為準導通膜)未被畫出。有關這些膜的細節(jié)，可參見專利號為ZL98119572.5的中國專利“三維只讀存儲器及其制造方法”和申請?zhí)枮?2113333.6的中國專利申請“改進的三維掩膜編程只讀存儲器”。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種N(＞2)進制掩膜編程存儲器(N-ary mask-programmablememory，簡稱為N-MPM)。N-MPM存儲元具有N種可能狀態(tài)。數(shù)字信息按N進制代碼來存儲。由于每個存儲元可以存儲＞1位信息，N-MPM比常規(guī)的二進制MPM(2-MPM，每個存儲元存儲1位信息)存儲密度大。
如圖2所示，該實施例是一種三進制MPM，即3-MPM(N＝3)。其存儲元具有3種可能狀態(tài)，它們在圖中由不同的斜線區(qū)5ba-5bc表示。3-MPM將數(shù)字信息以3進制碼的形式存儲。譬如說，數(shù)字1110在3-MPM中被存為1023。在本說明書中，下標N表示該代碼的進制，如1110表示11是10進制碼；1023表示102是3進制碼。對于3-MPM來說，它只需要3個存儲元來存儲數(shù)字1110(1110＝1023)；而對于常規(guī)的2-MPM來說，它只需要4個存儲元來存儲數(shù)字1110(1110＝10112)。相應地，3-MPM比2-MPM存儲密度大。很明顯，N越大，N-MPM的存儲密度越大。
存儲元的N種可能狀態(tài)可以通過改變二極管結的結形狀(如幾何形狀)和/或結特性(如摻雜濃度)來實現(xiàn)。相應地，N-MPM可以分為結形狀型、結特性型和混合型。
圖3AA-圖3CC表示第一種N-MPM-結形狀型N-MPM。在結形狀型N-MPM中，存儲元的N種狀態(tài)可通過改變二極管結的形狀(即結形狀)來實現(xiàn)。通常改變結形狀的方法是改變二極管結的幾何面積。具體說來，高低兩層地址線之間除了具有“無通道孔”和“全通道孔”兩種狀態(tài)以外，還需要具有“局部通道孔”狀態(tài)。對于局部通道孔來說，其二極管結的面積介于無通道孔和全通道孔之間。
圖3AA-圖3AC是表示第一種結形狀型N-MPM存儲元1bd的俯視圖、y-z斷面圖和z-x斷面圖。它采用局部通道孔，其二極管結“efgh”2bd位于地址線交叉區(qū)“abcd”(即高層地址線20b和低層地址線30d在交叉處相互重疊的區(qū)域)中間。結面積比r，定義為結面積“efgh”和地址線重疊面積“abcd“之比，可以表示為r＝二極管結面積/地址線交叉區(qū)面積＝f/F這里，f是二極管結的寬度，F(xiàn)是地址線的寬度。相應地，存儲元1bd的結電阻Rc是全通道孔(如圖1B中的1ab)的～1/r倍，而遠遠小于無通道孔的情形(如圖1B中的1aa)。
為了實現(xiàn)圖3AA-圖3AC中的局部通道孔，需要使用＜1F的開口掩膜版，即特征尺寸小于1F的開口掩膜版。這種掩膜版的成本較高。另一方面，基于一種nF開口工藝(參見圖4A-圖4D，以及申請?zhí)枮?3108107.X的中國專利申請“集成電路的層間連接結構”)，＜1F的開口(如局部通道孔)可以通過nF(n≥1)開口掩膜版來實現(xiàn)。圖3BA-圖3CC表示兩個采用nF開口工藝形成的局部通道孔。
圖3BA-圖3BC表示第二種結形狀型N-MPM存儲元1bd’。其結開口(指對開口掩膜版曝光后在光刻膠中形成的開口)“ijkl”3bd’的特征尺寸為1F，即1F×1F，并相對于高層地址線20b在-y方向移動了距離S(S＝1F-f)。在完成高層地址線后(具體工藝步驟參見圖4A-圖4D)，二極管結“ijcd”2bd’只形成在結開口“ijkl”3bd’與地址線交叉區(qū)“abcd”的重疊區(qū)域，其尺寸為f×1F。在該實施例中，二極管結2bd’位于地址線交叉區(qū)“abcd”的邊緣，它的一條邊線“cd”與高層地址線20b的一條邊線“vw”重合。
圖3CA-圖3CC表示第三種結形狀型N-MPM存儲元1bd”。其結開口“mnop”3bd”的特征尺寸為＞1F，即nF×n’F，且n、n’＞1。與圖3BA相比較，結開口3bd”不僅沿-y方向延伸，也在-x和+x方向延伸。由于采用了nF開口工藝，二極管結“ijcd”2bd”只形成在結開口“mnop”3bd”和地址線交叉區(qū)“abcd”的重疊區(qū)域，故只要結開口3bd”在y方向上與高層地址線20b的重合尺寸為f，則二極管結2bd”的最后尺寸仍為f×1F。類似地，在該實施例中，二極管結2bd”位于地址線交叉區(qū)“abcd”的邊緣。
在圖3BA-圖3CC中，結開口3bd’、3bd”的特征尺寸≥1F，用來形成這些結開口的nF(n≥1)開口掩膜版成本較低。此外，在圖3BA、圖3CA中，二極管結2bd’、2bd”的最終結面積僅由邊線“ij”決定，而與其它邊線(如“mo”、“op”)無關。因此，在nF開口掩膜版的制造過程中，除了邊線“ij”外，結開口不需要嚴格的精度控制。也就是說，nF開口掩膜版是一低精度掩膜版，這能進一步降低掩膜版成本。
圖4A-圖4D描述了一種nF開口工藝的工藝流程。圖4A-圖4C是其在z-x方向上的斷面圖；圖4D是在y-z方向上的斷面圖。它含有如下步驟A)淀積第一N型硅膜30d4、一導體膜30d3、第二N型硅膜30d2和一拋光停止膜30d1。拋光停止膜30d1(如氮化硅)是非必要的，它可用作CMP(化學機械拋光)步驟的停止膜。之后，刻蝕這些膜以形成低層地址線30c、30d。接著，在低層地址線之間淀積層間介質35，再通過一個CMP步驟將其平面化，且將拋光停止膜30d1暴露出來(圖4A)；B)在平面化后的低層地址線上淀積一層絕緣介質16。對nF開口掩膜版曝光，并在結開口區(qū)域(如3bd”)除去絕緣介質16。注意到，這時結開口尺寸(＞1F)大于地址線(如30d)的線寬(1F)(圖4B)；C)將拋光停止膜30d1刻蝕除去，并暴露第二N型硅膜30d2。淀積第一P型硅膜20b4、另一導體膜20b3、第二P型硅膜20b2和另一拋光停止膜20b1，最后刻蝕這些膜以形成高層地址線20b(圖4C、圖4D)。
從上述工藝步驟可以看出，在nF工藝流程中，二極管結只形成在結開口和地址線交叉區(qū)的重疊區(qū)域。因此，即使結開口在地址線交叉區(qū)外延伸，也不會影響最后形成的結面積。此外，不同存儲元的結開口還可以合并在一起，反映在nF開口掩膜版上，即一個大的合并開口圖形可以用來形成多個二極管結。很明顯，含有合并開口圖形的nF開口掩膜版的成本更低。
圖5A-圖5B表示兩個采用合并開口的4-MPM存儲元。在圖5A中，4-MPM存儲元1ca、1cb、1cc、1cd分別代表“0”、“1”、“2”、“3”，它們可通過將結開口3ca、3cb、3cc、3cd相對于地址線20c沿-y方向分別移動1F、2/3F、1/3F、0而實現(xiàn)。這里，高層地址線被分為多個地址線對(如20c/20d)，每個地址線對20c/20d含有兩條相鄰的地址線(如20c、20d)。在一組地址線對20c/20d中，所有結開口相向移動比如說，結開口3cb向3db移動2/3F(即沿-y方向移動)，而結開口3db向3cb移動+2/3F(即沿+y方向移動)，它們自然形成一合并開口5b(由粗黑線表示)；又比如說，結開口3cc向3dc移動-1/3F，而結開口3dc向3cc移動+1/3F。加上由于采用nF開口工藝，結開口3cc、3dc可以在地址線交叉區(qū)外延伸，最后它們相遇并形成一合并開口5c(由粗黑線表示)。注意到，圖5A中所有開口在y方向上的尺寸均＞1F。
在圖5B中，圖5A中的開口5a-5d還可以沿+x和-x方向延伸，直至它們與相鄰的開口相遇并合并。比如說，開口5c可以沿+x方向延伸并與5d合并，它也可以沿-x方向延伸并與5b合并。實際上，地址線對20c/20d中的所有開口5a-5d可以形成一合并開口7(由粗黑線表示)，其最小尺寸為5F/3(在開口5b處)。很明顯，采用這種形式的開口可以極大地降低掩膜版成本。注意到，開口7的最左邊和最右邊的邊緣還可以繼續(xù)向左、向右延伸，直至與相鄰開口相遇并合并；開口7甚至還可以與相鄰地址線對上的開口合并。
圖6A-圖6C描述了三種N-MPM的讀出電路。它們一般采用差分放大器(如8x-8z、8a-8d)將位線上的電壓變化轉換成數(shù)碼輸出。為了為差分放大器提供參考電壓，這些實施例中設計了多個啞元。啞元與存儲元結構類似，并具有多個r值。在圖6A-圖6B中，啞元的種類為N-1，且具有與存儲元不同的r值；在圖6C中，啞元的種類為N，且具有與存儲元相同的r值。在這些實施例中，雙引號中的數(shù)值為存儲元中存儲的數(shù)碼，括號中的數(shù)值為其r值。
圖6A表示第一種讀出電路。每個N-MPM單位陣列需要N-1條啞位線。該實施例含有四條數(shù)據(jù)位線30a-30d(它們整個被稱為數(shù)據(jù)位線組30DT)和三條啞位線32a-32c(它們整個被稱為啞位線組32DY)。啞元的r值介于存儲元的r值之間存儲元的r值分別為0、1/3、2/3和1；啞元的r值則分別為1/6、1/2和5/6。讀電路含有一列譯碼器(或多路選擇器mux)6和一模數(shù)轉換器(A/D)10。列譯碼器6含有開關6a-6d，在讀周期的任意時刻只有一個開關關閉。模數(shù)轉換器10含有差分放大器8x-8z。
該實施例的讀出過程如下為讀出存儲元1cc存儲的信息，首先將字線20c電壓提高，然后列譯碼器6中的開關6c閉合；位線30c上的電壓變化通過信號線11送至模數(shù)轉換器10；它分別在差分放大器8x-8z處與啞位線信號32a-32c比較；比較的結果2x-2z可以用來推斷存儲元1cc中存儲的信息。如2x-2y的輸出分別為1、1、0，則表示存儲元(如1cc)存儲的信息為“24”。
圖6B表示第二種讀出電路。每個N-MPM單位陣列需要N-1條啞位線。在該實施例中，每條數(shù)據(jù)位線30a-30d分別與差分放大器8a-8d的一個輸入相連；每條啞位線(32a-32c)通過列譯碼器4與信號線13相連，然后被送至所有差分放大器8a-8d的另一輸入。列譯碼器4含有開關4a-4c，并且在讀周期的任意時刻只有一個開關關閉。在信號線13還可以含有一1x的驅動器15，它可以幫助驅動差分放大器8a-8d的輸入。
該實施例的每個讀過程需要至少N-1個讀周期(如在該實施例中，為3個讀周期)A)在第一讀周期中，只有開關4a關閉。啞信號32a在差分放大器8a-8d處與數(shù)據(jù)位線信號30a-30d比較。這時，輸出2a-2d為0、1、1、1，并存儲在第一緩沖器(未畫出)中；
B)在第二讀周期中，只有開關4b關閉。啞信號32b在差分放大器8a-8d處與數(shù)據(jù)位線信號30a-30d比較。這時，輸出2a-2d為0、0、1、1，并存儲在第二緩沖器(未畫出)中；C)在第三讀周期中，只有開關4c關閉。啞信號32c在差分放大器8a-8d處與數(shù)據(jù)位線信號30a-30d比較。這時，輸出2a-2d為0、0、0、1，并存儲在第三緩沖器(未畫出)中；D)最后，根據(jù)存儲于第一、第二和第三緩沖器中的輸出可計算出存儲元1ca-1cd中存儲的信息。
圖6C表示第三種讀出電路。與圖6A-圖6B不同，其啞元1c0’-1c3’與存儲元具有相同的r值，即均為0、1/3、2/3和1。在該實施例中，每個N-MPM單位陣列需要N條啞位線。列譯碼器14含有三個開關信號14a-14c，每個開關信號(如14a)能同時控制兩個開關(如4e和4f)，并將兩條啞位線(如34a和34b)與同一條信號線13相連。這樣，信號線13上的電壓是兩條位線(如34a和34b)上電壓的平均值，其等效的r值為兩個啞元(如1c0’和1c1’)的平均值(如0和1/3的平均值，即1/6)。剩下的讀過程與圖6B相同。由于啞元的r值與存儲元相同，在設計開口掩膜版時啞元開口的設計較為簡單。這能進一步降低掩膜版成本。
圖7列舉了兩套用于4-MPM的r值。在第一套中，r值均勻分布在0(無通道孔)和1(全通道孔)之間。這種分布一般適用于理想的生產(chǎn)環(huán)境中，如光刻過程中沒有對準誤差。在第二套中，r值的分別是非均勻的，如r的第一增值(Δr)(從“0”到“1”，Δr＝0.37)大于第二Δr(從“1”到“2”，Δr＝0.27)。這套r值提供更大的工藝余量，故更適合于量產(chǎn)環(huán)境。比如說，如果高層地址線掩膜版與開口掩膜版的對準誤差沿-y方向為10％，對于第一套r值，“0”-“3”存儲元在硅片上的實際r值分別為0.1、0.34、0.77、1，其最小的Δr為0.23；對于第二套r值，這些值分別為0.1、0.47、0.74、1，其最小的Δr為0.26，較第一套的大。較大的Δr可以使讀出電路的設計更為簡單。方程(1)列出了一種在考慮對準誤差的情形下計算各個存儲元r值的方法r
＝0；r[iN]＝MA+i×x(i＝1...N-2)；r[(N-1)N]＝1(1)這里，x＝(1-2×MA)/(N-1)，MA是最大的對準誤差(以F為單位)。
在結特性型N-MPM中，存儲元的N種狀態(tài)可通過改變二極管結的特性(結特性)來實現(xiàn)。通常改變結特性的方法是改變二極管結的摻雜特性。由于摻雜特性不同，存儲元的伏-安(IV)特征也不同。圖8A表示一種結特性型3-MPM，其存儲元1ba-1bc具有不同的結特性存儲元1ba的二極管結3ba比存儲元1bb的二極管結3bb摻雜濃度高；而存儲元1bc含有一絕緣介質16故不導電。由于存儲元1ba摻雜濃度高，它比存儲元1bb的二極管開啟電壓較低，在相同讀出電壓下能導通較大電流(圖8B)，故其讀出時間較短。
圖9A-圖9C描述了一種制造結特性型N-MPM的工藝流程A)形成低層地址線30a、30b、30c。每條低層地址線含有一層N型硅膜3ba-3bc。這時，所有的N型硅膜3ba-3bc具有相同的摻雜濃度。接著在低層地址線的頂端形成一絕緣介質16(圖9A)；B)對第一開口掩膜版曝光，清除存儲元1ha處的光刻膠17a并刻蝕該處的絕緣介質16，接著實施一離子注入，以增加二極管結3ba處的摻雜濃度(圖9B)；C)對第二開口掩膜版曝光，清除存儲元1bb處的光刻膠17b并刻蝕該處的絕緣介質16(圖9C)；D)形成高層地址線20b(包括P型硅膜3b)，以形成結特性型N-MPM存儲元(圖8A)。
圖10A表示一種結特性型N-MPM的讀出電路。存儲元1ba的二極管7ba導電性較強，故它畫得較7bb大。每條位線(如30a)與一讀出放大器(如8a)和限流電路(如32a)相連。當讀出放大器8a的輸入電壓超過一閾值時，其輸出2a翻轉。另一方面，限流電路32a限制流過二極管7ba的電流大小。如圖10B所示，限流電路32a可含有一開關34a和一電壓源VH。開關34a由讀出放大器8a的輸出2a控制。當輸出2a為高時，開關34a關閉，地址線30a的電壓被限制為VH。這樣，在剩余讀過程中流過二極管7ba的電流受到限制，從而避免它被過大的電流損傷。
圖10C是字線電壓和位線電壓的時序圖。讀出過程可以分為兩階段T1和T2。在T1階段，讀電壓VR1被加在字線20b上，存儲元1ba中的二極管7ba導通，位線30a上的電壓上升，當其電壓超過差分放大器8a的閾值電壓VT時，存儲元1ba被讀出為“1”。另一方面，由于存儲元1bb、1bc導電性較弱，它們在T1階段不能使讀出放大器8b翻轉，故被讀出為“0”。在T2階段，一個較大的讀電壓VR2(VR2＞VR1)被加在字線20b上。由于讀電壓較大，存儲元1bb上流過足夠大的電流，并被讀出為“1”。這時，存儲元1bc上仍沒有電流，故它仍被讀出為“0”。注意到，在T2階段，存儲元1ba的限流電路32a將被開啟。這樣，位線30a上的電壓將升至VH，二極管7ba上的電壓降僅為VR2-VH。相應地，存儲元1ba上流過的電流較小，這樣可以避免它被過大的讀電流損傷。最后，通過在T1和T2階段的讀出值2a-2c，可以算出存儲元1ba-1bc中存儲的信息。
除了結形狀型和結特性型，N-MPM還可以采用別的形式，如混合型N-MPM?；旌闲蚇-MPM結合了結形狀型和結特性型N-MPM的優(yōu)點。具體說來，對于不同的存儲元可能狀態(tài)，二極管結的形狀和特性均可改變。相應地，每個存儲元能存儲更多位數(shù)碼信息。
圖11表示一種三維N進制掩膜編程存儲器(3-D N-MPM)。它是一個采用N-MPM的三維掩膜編程存儲器。在該實施例中，3-D N-MPM 00含有兩個存儲層100、200。存儲層200疊置在存儲層100上，并均疊置于襯底0上。注意到，圖1A中存儲元只能有兩種狀態(tài)。與之相比，該實施例中的存儲元可以具有更多狀態(tài)。具體說來，絕緣介質16并非只是將高低兩層地址線之間(如30x、20a之間)的通道孔完全斷開或接通，它可以將它們之間的通道孔部分斷開或接通，從而形成局部通道孔。因此，該存儲器是一N進制存儲器。3-D N-MPM結合了N進制存儲器和三維存儲器的優(yōu)勢，它能達到其它半導體存儲器無法達到的存儲密度如采用100nm技術以及8層和2位/元的設計，3-D N-MPM的存儲密度可以達到～5GByte/cm2。
在N-MPM中，N可以是2的整數(shù)冪，也可以是2的非整數(shù)冪。當N為2的整數(shù)冪時(N＝2n，n為整數(shù))，每個存儲元存儲整數(shù)位，即n位(n為整數(shù))。同時，N-MPM的譯碼是對每個存儲元單獨進行的。當N為2的非整數(shù)冪時(N＝2x，x為非整數(shù))，N-MPM以字為單位進行譯碼。如圖12所示，每個字80含有m個存儲元80a、80b...80m(用符號N×m表示，其中，N代表進制，m代表字寬，N＞2、m≥2且均為正整數(shù))。譯碼時，通過一N進制譯碼器84，將m個N進制碼(N×m)一起轉換為i位二進制碼(2×i)88a、88b...88ii≤INT[log2(Nm)]。這里，INT[z]是指小于z的最大整數(shù)。將i位平均到m個存儲元中，每個存儲元存儲非整數(shù)位(指二進制位)信息。相應地，這種N-MPM被稱為非整數(shù)位N-MPM。
有關非整數(shù)位N-MPM，可參見申請?zhí)枮?00510059914.6的中國專利申請“非整數(shù)位系統(tǒng)”。以下是其中的一些結論1)最好能選擇m使系統(tǒng)效率β＞90％。這里，系統(tǒng)效率β表示該非整數(shù)位系統(tǒng)存儲的信息和它所能存儲的最大信息量之比，它定義為β＝INT[og2(Nm)]/log2(Nm)。具體說來，A)對于N＝5，m≥4；B)對于N＝7、11、15，m≥3；C)對于N＝6、12、13、14，m≥2；或D)對于N＝9、10，m≥1。
2)最好能選擇m使系統(tǒng)效率β達到局部最大。具體說來，A)對于N＝5，m＝4、7、10、13、16、19、22、25、28或32；B)對于N＝6，m＝2、4、7、9、12、14、16、19、21、24、26、28或31；C)對于N＝7，m＝5、10、15、20、25或31；D)對于N＝9，m＝6、12、18、24或30；E)對于N＝10，m＝4、7、10、13、16、19、22、25或28；F)對于N＝11，m＝3、5、7、9、11、14、16、18、20、22、24、27、29或31；G)對于N＝12，m＝2、4、7、9、12、14、16、19、21、24、26、28或31；H)對于N＝13，m＝3、6、10、13、16、20、23、26或30；I)對于N＝14，m＝5、10、15、20、25或31；或J)對于N＝15，m＝10、21或32。
雖然以上說明書具體描述了本發(fā)明的一些實例，熟悉本專業(yè)的技術人員應該了解，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。例如說，本發(fā)明中的實施例均基于二極管技術，這并不妨礙將本發(fā)明的精神應用到其它掩膜編程存儲器(如基于晶體管的掩膜編程存儲器)中。另外，除了三維掩膜編程存儲器，這發(fā)明的精神還可以應用到常規(guī)的掩膜編程存儲器(即所有存儲元均處于一個平面內)中。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N(＞2)進制掩膜編程存儲器，其特征在于含有一條低層地址線(30a)；一條位于該低層地址線上方的高層地址線(20b)；一個位于該高低層地址線交叉處并與該高低層地址線耦合的存儲元(1ba)，所述存儲元對該高低層地址線選擇性地提供似二極管電連接，并具有至少N種可能狀態(tài)(5ba、5bb...)。
2.根據(jù)權利要求1所述的N進制掩膜編程存儲器，其特征還在于該存儲器含有至少兩個相互疊置的掩膜編程存儲層(100、200)，每個存儲層均含有多個存儲元，所述存儲元具有至少N種可能狀態(tài)。
3.根據(jù)權利要求1所述的N進制掩膜編程存儲器，其特征還在于該存儲元含有一二極管結(5ba)，該二極管結具有多種可能形狀或特性。
4.根據(jù)權利要求3所述的N進制掩膜編程存儲器，其特征還在于該存儲元含有至少一個局部通道孔(2bd’)，該局部通道孔的面積小于該高低層地址線交叉區(qū)的面積。
5.根據(jù)權利要求4所述的N進制掩膜編程存儲器，其特征還在于所述局部通道孔的一個邊緣和該高層地址線的一個邊緣重合。
6.根據(jù)權利要求4所述的N進制掩膜編程存儲器，其特征還在于所述局部通道孔具有多種可能面積，該可能面積分布不均勻。
7.根據(jù)權利要求3所述的N進制掩膜編程存儲器，其特征在于還含有多個啞元(1c0、1c1...)，該啞元為差分放大器提供參考電壓，并滿足如下兩個條件A)-B)之一A)該啞元具有至少N-1種可能狀態(tài)，且其可能狀態(tài)與存儲元不同；或B)該啞元具有至少N種可能狀態(tài)，且其可能狀態(tài)與存儲元相同。
8.根據(jù)權利要求3所述的N進制掩膜編程存儲器，其特征在于還含有一含有第一二極管結(3ba)的第一存儲元(1ba)；一含有第二二極管結(3bb)的第二存儲元(1bb)，所述第一第二二極管結的摻雜濃度不同。
9.根據(jù)權利要求8所述的N進制掩膜編程存儲器，其特征在于還含有一與該存儲元(1ba)相連的限流電路(32a)，該限流電路限制在讀過程中流過該存儲元的電流。
10.根據(jù)權利要求1所述的N進制掩膜編程存儲器，其特征還在于滿足如下兩個條件A)-B)之一A)N為2的整數(shù)冪；或B)N為2的非整數(shù)冪。
全文摘要
本發(fā)明提出一種N(＞2)進制掩膜編程存儲器(N－MPM)，尤其是三維N(＞2)進制掩膜編程存儲器(3－D N－MPM)。N－MPM存儲元具有N種可能狀態(tài)。數(shù)字信息按N進制代碼來存儲。由于每個存儲元可以存儲＞1位信息，N－MPM比常規(guī)的二進制MPM(2－MPM，每個存儲元存儲1位信息)存儲密度大。
文檔編號G11C17/10GK1897161SQ200610100860
公開日2007年1月17日 申請日期2006年7月9日 優(yōu)先權日2005年7月15日
發(fā)明者張國飆 申請人:張國飆