分離的三維縱向存儲器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種分離3D-MV 50，它含有至少一三維陣列芯片30和至少一電壓產(chǎn)生芯片40。三維陣列芯片30含有多個豎直存儲串16X、16Y。至少一電壓產(chǎn)生器組件位于電壓產(chǎn)生芯片40內(nèi)，而非三維陣列芯片30內(nèi)。三維陣列芯片30和電壓產(chǎn)生芯片40具有完全不同的后端（BEOL）結(jié)構(gòu)。
【專利說明】
分離的三維縱向存儲器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及集成電路存儲器領(lǐng)域，更確切地說，涉及三維縱向存儲器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]三維縱向存儲器(three-dimens1nal vertical memory，簡稱為 3D_MV)是一種單體(monolithic)半導(dǎo)體存儲器，它含有多個豎直存儲串。3D-MV包括三維只讀存儲器 (3D-R0M)和三維隨機讀取存儲器(3D-RAM)。3D-R0M可以進一步劃分為三維掩膜編程只讀存儲器(3D-MPR0M)和三維電編程只讀存儲器(3D-EPR0M)?；谄渚幊虣C制，以含有 memristor、resistive random-access memory (RRAM 或 ReRAM)、phase-change memory (PCM)、 programmable metallizat1n memory (PMM)、或 conductive-bridging random-access memory (CBRAM)等。
[0003]美國專利 8, 638, 611 披露了一種 3D-MV，它是一種縱向 NAND(vertical NAND)。如圖1所示，該3D-MV芯片20V含有至少一 3D-MV陣列16V和周邊電路18。3D-MV陣列16V含有多個豎直的存儲串16X、16Y。每個存儲串(如16X)含有多個垂直堆疊的存儲元(如8a-8h)。 這些存儲元通過一條豎直地址線相互耦合。每個存儲元(如8f)含有一個縱向晶體管，該縱向晶體管含有柵極6、存儲膜7和縱向溝道9。周邊電路18含有晶體管0t及其互連線0i。 晶體管〇t形成在半導(dǎo)體襯底0中，它是傳統(tǒng)的平面型晶體管?；ミB線0i為晶體管0t實現(xiàn)相互連接。在圖1中，襯底互連線〇i含有金屬層0M1、0M2。
[0004]周邊電路18為3D_MV陣列16V產(chǎn)生讀/寫電壓和/或轉(zhuǎn)換地址/數(shù)據(jù)。具體說來，它將外界提供的電源電壓轉(zhuǎn)換成讀電壓和/或?qū)戨妷?，也可將外界的邏輯地?數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D-MV陣列16V的物理地址/數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有技術(shù)的3D-M v是一種集成3D-M v，即3D-M^ 列16V及其周邊電路18集成在同一芯片20V內(nèi)。也就是說，3D-MV芯片20V在內(nèi)部產(chǎn)生讀 /寫電壓和/或轉(zhuǎn)換地址/數(shù)據(jù)。由于3D-MV的豎直存儲串16X、16Y占用其下方的襯底0， 周邊電路18只能位于3D-MV陣列16V之外。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)的主流觀點是:集成降低成本。不幸的是，該觀點對3D-MV不成立。對于 3D-MV來說，由于豎直存儲串16X、16Y采用了繁復(fù)的后端(BE0L)工藝，而周邊電路18的后端工藝較簡單，因此盲目地將存儲串16X、16Y和周邊電路18集成的直接結(jié)果就是不得不用制造存儲串16X、16Y的昂貴工藝流程來制造周邊電路18,這不僅不能降低成本，反而會增加成本。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的主要目的是提供一種更為廉價的三維縱向存儲器(3D_MV)。
[0007]本發(fā)明的另一目的是提高3D_MV的陣列效率。
[0008]為了實現(xiàn)這些以及別的目的，本發(fā)明遵從如下設(shè)計原則:將三維電路和二維電路分離到不同芯片，以便將它們分別優(yōu)化。為了提高三維陣列芯片的陣列效率，應(yīng)盡量減少其上的周邊電路。例如說，可以將3D_Mj^電壓產(chǎn)生器分離到另外一個芯片中。相應(yīng)地，本發(fā)明提出一種分離3D_MV，它含有至少一三維陣列芯片和至少一電壓產(chǎn)生器芯片。三維陣列芯片(三維電路)構(gòu)建在三維空間中并含有多個功能層，電壓產(chǎn)生器芯片(二維電路)構(gòu)建在二維空間中并只含有一個功能層。由于電壓產(chǎn)生器組件是實現(xiàn)3D-MJA能的必需組件，不含電壓產(chǎn)生器組件的三維陣列芯片本身不是一個能獨立工作的存儲芯片。分離3D-MV帶來一個好處:三維陣列芯片具有較高的陣列效率。
[0009]在分離3D-M#，由于三維陣列芯片和電壓產(chǎn)生器芯片可以分別設(shè)計和制造，它們可以具有不同的后端(BE0L)結(jié)構(gòu):電壓產(chǎn)生器芯片可以含有更少的后端薄膜。雖然三維陣列芯片與集成3D-MV芯片的晶片成本相近，但由于電壓產(chǎn)生器芯片可以采用獨立的、廉價的后端工藝流程來制造，其晶片成本較低。因此，對于相同的存儲容量，分離3D-MJ^總成本低于集成3D-MV。[〇〇1〇] 本發(fā)明提出一種分離3D-MV (50)，其特征在于包括:一含有至少一 3D-MV陣列 (16V)的三維陣列芯片(30)，該3D-MV陣列(16V)含有多個豎直存儲串(16X、16Y)，每個豎直存儲串含有多個垂直堆疊的存儲元(8a_8h);—含有至少部分電壓產(chǎn)生器的電壓產(chǎn)生器芯片(40)，該電壓產(chǎn)生器為該三維陣列芯片(30)提供至少一與電源電壓(VDD)不同的讀電壓(VR)和/或?qū)戨妷?Vw);所述三維陣列芯片(30)不含所述部分電壓產(chǎn)生器，所述三維陣列芯片(30)比所述電壓產(chǎn)生器芯片(40)含有更多的后端薄膜，所述三維陣列芯片(30)和所述電壓產(chǎn)生器芯片(40)為兩個不同的芯片。【附圖說明】
[0011]圖1是一種集成3D-MV芯片(現(xiàn)有技術(shù))的截面圖。
[0012]圖2A是一種分離30-]\^的示意圖，圖2B是該分離3D-MV的電路框圖。
[0013]圖3是另一種分離3D-MV的示意圖。
[0014]圖4是一種分離3D_MV中三維陣列芯片的截面圖。
[0015]圖5是該分離3D_MV*電壓產(chǎn)生器芯片的截面圖。
[0016]圖6A—圖6C是三種電壓產(chǎn)生器的電路圖。
[0017]圖7A —圖7C是三種分離3D-MV的截面圖。
[0018]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(jié)構(gòu)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(yīng)或類似的結(jié)構(gòu)?！揪唧w實施方式】
[0019]在本發(fā)明中，“/”表示“和”或“或”的關(guān)系。例如，讀/寫電壓表示讀電壓、或?qū)戨妷?、或讀電壓和寫電壓；地址/數(shù)據(jù)表示地址、或數(shù)據(jù)、或地址和電壓。
[0020]圖2A—圖2B表示一種分離3D-MV 50。它含有一三維陣列芯片30 (三維電路)和一電壓產(chǎn)生器芯片40 (二維電路)。其中，三維陣列芯片30構(gòu)建在三維空間中并含有多個功能層(即存儲層)，電壓產(chǎn)生器芯片40構(gòu)建在二維空間中并只含有一個功能層。將三維電路和二維電路分離到不同芯片中可以將它們分別優(yōu)化。
[0021]圖2A中的分離3D-MV 50是一 3D-MV存儲卡，它包括一能與各種主機實現(xiàn)物理連接、并按照一種通訊標準通訊的接口 54。接口 54包括多個接觸端52a、52b、54a — 54d，它們能與主機插口對應(yīng)的接觸端耦合。其中，電源端52a與主機的電源接觸端耦合，主機通過電源端52a提供的電源被稱為電源電壓VDD;接地端52b為分離3D-M v 50提供接地電壓Vss; 信號端54a — 54d為主機和分離3D-MV 50提供信號交換，這些信號包括地址/數(shù)據(jù)。由于這些地址/數(shù)據(jù)直接被主機使用，它們是邏輯地址/數(shù)據(jù)。
[0022]電壓產(chǎn)生器芯片40從電源端52處獲取電源電壓VDD，將其轉(zhuǎn)換成讀/寫電壓，并通過電源總線56向三維陣列芯片30提供該讀/寫電壓。讀/寫電壓可以是僅為讀電壓VR、 或僅為寫電壓Vw、或同時包括讀電壓VjP寫電壓V w;此外，V挪V ,與V DD具有不同的數(shù)值。 在本實施例中，讀/寫電壓包括一個讀電壓VR和兩個寫電壓V W1、VW2。在別的實施例中，讀/ 寫電壓可以包括不止一個讀電壓或兩個寫電壓。
[0023]圖2B是分離3D-MV 50的電路框圖。三維陣列芯片30含有多個3D-MV陣列22aa、 22ay…及其解碼器24、24G。電壓產(chǎn)生芯片40位于三維陣列芯片30的整體解碼器24G和接口 54之間。它含有至少一個3D-MV的電壓產(chǎn)生器組件。與集成3D-MV不同，該組件位于電壓產(chǎn)生芯片40,而非三維陣列芯片30中。由于該組件是實現(xiàn)3D-MJA能的必需組件，不含電壓產(chǎn)生器組件的三維陣列芯片30本身不是一個能獨立工作的存儲芯片。
[0024]30嚙的電壓產(chǎn)生器可以含有多個電壓產(chǎn)生器組件，如帶隙基準電路(精確基準電壓源)40B、讀電壓產(chǎn)生器40R和電荷栗40W。其中，讀電壓產(chǎn)生器40R產(chǎn)生讀電壓VR，電荷栗40W產(chǎn)生寫電壓Vw (參考美國專利6, 486, 728)。圖6A-圖6C披露了更多的電壓產(chǎn)生器的例子。
[0025]圖3中的分離3D_MV 50可用作大容量存儲卡或固態(tài)硬盤，它含有多個三維陣列芯片30a、30b- 30w。電壓產(chǎn)生器芯片40通過電源總線56為這些三維陣列芯片提供讀/寫電壓。轉(zhuǎn)換器芯片60將來自接觸端54a-54d的邏輯地址/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物理地址/數(shù)據(jù)。 三維陣列芯片組成兩個通道:A和B。通道A中，內(nèi)部總線58A為三維陣列芯片30a、30b… 30i提供物理地址/數(shù)據(jù)；通道B中，內(nèi)部總線58B為三維陣列芯片30r、30s- 30w提供物理地址/數(shù)據(jù)。雖然本實施例僅有兩個通道，對于熟悉本專業(yè)的人士來說，大容量存儲卡和固態(tài)硬盤可以含有更多通道。
[0026]圖4是分離3D-MV 50中三維陣列芯片30的截面圖。三維陣列芯片30形成在三維空間中，并含有多個存儲串16X、16Y。每個存儲串(如16X)含有多個垂直堆疊的存儲元 (如8a-8h)。這些存儲元通過一條豎直地址線相互耦合。每個存儲元(如8f)含有一個縱向晶體管，該縱向晶體管含有柵極6、存儲膜7和縱向溝道9。一個3D-MV的例子是縱向NAND (vertical NAND)。由于一個縱向NAND存儲串含有24到256個垂直堆疊的存儲元，三維陣列芯片30含有數(shù)目眾多(24到256層)的后端薄膜。
[0027]圖5是分離3D_MV 50中電壓產(chǎn)生器芯片40的截面圖。電壓產(chǎn)生器芯片40形成在二維空間中，并只含有一個功能層，即襯底層0K’。襯底層0K’包括晶體管0t及其互連線 OiB。晶體管0t形成在電壓產(chǎn)生器襯底0B上，互連線OiB包括兩個金屬層0M1’ 一 0M2’。 由于每個金屬層(如0M1’)含有2兩層后端薄膜，電壓產(chǎn)生芯片40總共只含有4層后端薄膜。
[0028]在分離3D-MV 50中，由于三維陣列芯片30和電壓產(chǎn)生器芯片40可以分別設(shè)計和制造，它們可以具有不同的后端結(jié)構(gòu):電壓產(chǎn)生器芯片40可以含有更少的后端薄膜。雖然三維陣列芯片30與集成3D-MV芯片20V的晶片成本相近，但由于電壓產(chǎn)生器芯片40可以采用獨立的、廉價的后端工藝流程來制造，其晶片成本較低。因此，對于相同的存儲容量，分離3D-MV 50的總成本低于集成3D-MV 20V。
[0029]對于常規(guī)的二維存儲器(2D-M，存儲元分布在二維平面上，如閃存)來說，雖然也可以像分離3D-MV—樣將2D-M陣列和電壓產(chǎn)生器分離到不同芯片上，這樣做會增加總成本。 這是因為二維陣列芯片和電壓產(chǎn)生芯片具有類似的后端結(jié)構(gòu)和相近的晶片成本，加上額外的封裝成本，分離2D-M比集成2D-M昂貴。這與3D-MV很不相同。3D-MV*三維陣列芯片30 和電壓產(chǎn)生芯片40具有不同的后端結(jié)構(gòu)，因此分離3D-MV比集成3D-MV廉價。
[0030]圖6A—圖6C是三種電壓產(chǎn)生器的電路圖。電壓產(chǎn)生器最好使用直流一直流變換器(DC-DC converter)。直流一直流變換器包括升壓器和降壓器。升壓器的輸出電壓比輸入電壓高，降壓器的輸入電壓比輸入電壓低。升壓器的例子包括電荷栗(charge pump，圖 6A)和Boost變換器(Boost converter，圖6B)等。降壓器的例子包括低壓降穩(wěn)壓器(low dropout，圖 6C)和 Buck 變換器(Buck converter)等。
[0031]圖6A中的電壓產(chǎn)生器包括一電荷栗72,其輸出電壓V。#大于輸入電壓Vin。一般說來，電荷栗72還含有一個或多個電容。圖6B中的電壓產(chǎn)生器包括一高頻Boost變換器74， 其輸出電壓大于輸入電壓Vin。Boost變換器74還含有電感。該電感最好是一薄電感， 以滿足存儲卡或固態(tài)硬盤對厚度的要求。圖6C中的電壓產(chǎn)生器包括一低壓降穩(wěn)壓器76,其輸出電壓V。#小于輸入電壓V in。一般說來，低壓降穩(wěn)壓器76還含有一個或多個電容。
[0032]圖7A —圖7C是三種分離3D-MJ^截面圖。圖7A —圖7B中的分離3D-M v是一種多芯片封裝(MCP)。其中，圖7A中的3D-MV多芯片封裝60含有兩個單獨的芯片:一三維陣列芯片30和一電壓產(chǎn)生器芯片40。芯片30、40堆疊在一封裝襯底(interposer)63上并位于同一封裝殼61中。引線(bondwire)65為芯片30、40提供電連接。除了引線，還可以采用焊球(solder bump)等。為了保證數(shù)據(jù)安全，芯片30、40最好封裝在一模塑料(molding compound) 67內(nèi)。在本實施例中，三維陣列芯片30堆疊在電壓產(chǎn)生器芯片40上。在其它實施例中，電壓產(chǎn)生器芯片40可以堆疊在三維陣列芯片30上，或三維陣列芯片30與電壓產(chǎn)生器芯片40面對面地堆疊在一起，或三維陣列芯片30和電壓產(chǎn)生器芯片40并列放置。
[0033]圖7B中的3D-MV多芯片封裝60含有至少兩個三維陣列芯片30a、30b和一電壓產(chǎn)生器芯片40。這些芯片30a、30b和40是三個單獨的芯片。它們位于同一封裝殼61中。其中，三維陣列芯片30a堆疊在三維陣列芯片30b之上，三維陣列芯片30b堆疊在電壓產(chǎn)生器芯片40之上。引線65為芯片30a、30b和40提供電連接。
[0034]圖7C中的分離3D-MV是一 3D-MV多芯片模塊(MCM)60,它含有一個框架76。該框架76含有兩個單獨的封裝:三維陣列封裝72和電壓產(chǎn)生器封裝74。其中，三維陣列封裝 72含有兩個三維陣列芯片30a、30b，而電壓產(chǎn)生器封裝74含有電壓產(chǎn)生器芯片40。框架 76還為三維陣列封裝72和電壓產(chǎn)生器封裝74提供電連接(此處未畫出)。
[0035]應(yīng)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(yīng)用本發(fā)明的精神。因此，除了根據(jù)附加的權(quán)利要求書的精神， 本發(fā)明不應(yīng)受到任何限制。
【主權(quán)項】
1.一種分離的三維縱向存儲器(3D-M v) (50)，其特征在于包括:一含有至少一 3D-MV陣列(16V)的三維陣列芯片(30)，該3D-MV陣列(16V)含有多個 豎直存儲串(16X、16Y)，每個豎直存儲串含有多個垂直堆疊的存儲元(8a-8h);一含有至少部分電壓產(chǎn)生器的電壓產(chǎn)生器芯片(40)，該電壓產(chǎn)生器為該三維陣列芯片 (30)提供至少一與電源電壓(VDD)不同的讀電壓(VR)和/或?qū)戨妷?Vw);所述三維陣列芯片(30)不含所述部分電壓產(chǎn)生器，所述三維陣列芯片(30)比所述電 壓產(chǎn)生器芯片(40)含有更多的后端(BEOL)薄膜，所述三維陣列芯片(30)和所述電壓產(chǎn)生 器芯片(40)為兩個不同的芯片。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器，其特征還在于:每個所述存儲元含有一縱向晶體管。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的存儲器，其特征還在于:所述縱向晶體管含有一縱向溝道。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器，其特征還在于:所述3D-MV是縱向NAND (vertical NAND)〇5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器，其特征還在于:所述3D-MV是三維只讀存儲器 (3D-ROM)或三維隨機讀取存儲器(3D-RAM)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器，其特征還在于:所述30-]\^是3D-memristor、3D-RRAM 或 3D-ReRAM、3D-PCM、3D-PMC 和 3D-CBRAM 中的一種。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器，其特征還在于:所述電壓產(chǎn)生器芯片(40)含有一直 流一直流變換器(DC — DC converter)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的存儲器，其特征還在于:該直流一直流變換器是電荷栗 (charge pump)、Boost 變換器(Boost converter)、低壓降穩(wěn)壓器(low dropout)和 Buck變 換器(Buck converter)中的一種。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器，其特征還在于:所述分離30-1^是存儲卡、固態(tài)硬盤、 多芯片封裝和多芯片模塊中的至少一種。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器，其特征還在于:含有另一三維陣列芯片，該電壓產(chǎn) 生芯片含有所述另一三維陣列芯片的電壓產(chǎn)生器。
【文檔編號】H01L27/112GK105990351SQ201510088410
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月26日
【發(fā)明人】張國飆
【申請人】杭州海存信息技術(shù)有限公司