[發明專利]電子系統、與寬帶隙半導體器件集成的可編程電阻存儲器及其操作方法

在審

• 申請號: 202210073024.4
• 申請日: 2022-01-21
• 公開（公告）號: CN114792688A
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 莊建祥
• 申請（專利權）人: 上峰科技股份有限公司
• 主分類號: H01L27/112
• 分類號: H01L27/112;G11C16/04;G11C16/10
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 張燕華;祁建國

可編程電阻存儲器可以與寬帶隙半導體、硅或絕緣體基體上的寬帶隙半導體器件集成。寬帶隙半導體可以是IV族、IV?IV族、III?V族或II?VI族化合物半導體，例如碳化硅或氮化鎵。可編程電阻存儲器可以是PCRAM、RRAM、MRAM或OTP。OTP組件可以是金屬、硅、多晶硅、硅化多晶硅或隔熱寬帶隙半導體。可編程電阻存儲器中的選擇器可以是由寬帶隙半導體制成的MOS或二極管。

本申請要求于2021年1月26日提交，名為“PROGRAMMABLE RESISTANCE MEMORY ONWIDE-BANDGAP SEMICONDUCTOR TECHNOLOGIES的美國專利，臨時申請編號為63/141,479的優先權，其通過引用并入本文。

本申請要求于2021年3月1日提交，名為“PROGRAMMABLE RESISTANCE MEMORY ONWIDE-BANDGAP SEMICONDUCTOR TECHNOLOGIES的美國專利，臨時申請編號為63/155,269的優先權，其通過引用并入本文。

技術領域

本申請涉及一種電子系統、與寬帶隙半導體器件集成的可編程電阻存儲器及其操作方法。

背景技術

可編程電阻組件通常是指組件的電阻狀態可在編程后改變。電阻狀態可以由電阻值來決定。例如，電阻性組件可以是單次性可編程(One-Time Programmable,OTP)組件(如電性熔絲)，而編程方法可以施用高電壓，來產生高電流通過OTP組件。當高電流藉由將編程選擇器導通而流過OTP組件，OTP組件將被燒成高或低電阻狀態(取決于是熔絲或反熔絲)而加以編程。

電性熔絲是一種常見的OTP，而這種可編程電阻組件，可以是多晶硅、硅化多晶硅、硅化物、熱隔離的主動區、金屬、金屬合金或它們的組合。金屬可以是鋁、銅或其它過渡金屬。其中最常用的電性熔絲是硅化的多晶硅,用互補式金氧半導體晶體管(CMOS)的柵極制成，用來作為內連接(interconnect)。電性熔絲也可以是一個或多個接點(contact)或層間接點(via)，而不是小片段的內連接。高電流可把接點或層間接點燒成高電阻狀態。電性熔絲可以是反熔絲，其中高電壓使電阻降低，而不是提高電阻。反熔絲可由一個或多個接點或層間接點組成，并含有絕緣體于其間。反熔絲也可由CMOS柵極耦合于CMOS本體，其含有柵極氧化層當做為絕緣體。

一種傳統的可編程電阻式記憶存儲單元如圖1(a)所示。存儲單元10包含電阻組件11和N型金氧半導體晶體管(NMOS)編程選擇器12。電阻組件11一端耦合到NMOS的漏極，另一端耦合到正電壓V+。NMOS 12的柵極耦合到選擇信號SEL，源極耦合到負電壓V-。當高電壓加在V+而低電壓加在V-時，電阻組件10則可被編程，經由提高編程選擇信號SEL來打開NMOS12。一種最常見的電阻組件是硅化多晶硅，乃是在同時制作MOS柵極時用的同樣材料。NMOS編程選擇器12的面積需要足夠大，以使所需的編程電流可持續幾微秒。硅化多晶硅的編程電流通常是從幾毫安(對寬度約40納米的熔絲)至20毫安(對寬度約0.6微米熔絲)。因此使用硅化多晶硅的電性熔絲存儲單元往往需有大的面積。電阻單元10可以組織為二維陣列，其中行中的所有Sel和V-分別耦合為字線(WLs)和地線，并且列中的所有V+耦合為位線(BLs)。

如圖1(b)所示，另一種OTP的可編程電阻組件20。OTP單元20具有OTP組件21和二極管22。OTP組件21被耦合在二極管22的陽極和高壓V+之間。二極管22的陰極被耦合到低電壓V-。施加適當的電壓在V+和V-之間持續一段適當的時間，根據電壓和持續時間，OTP組件21可以被編程為高或低電阻狀態。