專利名稱：存儲單元及其制程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種存儲單元及其制程，且特別是有關(guān)于一種電阻式存儲
器(resistance memory)的存儲單元及其制程。
背景技術(shù)：
隨著消費(fèi)性電子產(chǎn)品的普及與系統(tǒng)產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，對于具有低功率耗 損、低成本、高讀取/寫入速度與多次編程的存儲器的需求也越來越高。因此， 來自不同市場的存儲器的新技術(shù)呈現(xiàn)出突破存儲器的目前的限制，且期望成為 新一代存儲器的主流技術(shù)。
在目前的存儲器中，具有一種借由改變數(shù)據(jù)儲存層(data storage layer)的電 阻率來記錄數(shù)據(jù)的存儲器。 一般來說，電阻式存儲器利用電氣脈沖(electrical pulse)，以及施加轉(zhuǎn)換電壓(switching voltage)以改變位于設(shè)定狀態(tài)(set state)與重 置狀態(tài)(reset state)之間的簡單的二進(jìn)位金屬氧化物薄膜(simple binary metal oxide thin film)或復(fù)雜的的l丐鈦礦氧化物薄膜(complex perovskite oxide thin film) 的狀態(tài)，以在不同的狀態(tài)中基于不同的電阻率來儲存數(shù)據(jù)。此技術(shù)具有靜態(tài)隨 機(jī)存取存儲器(static random access memory, SRAM)的高速度、動態(tài)隨機(jī)存取存 儲器(dynamic random access memory, DRAM)的高密度、低成本、低功率耗損 與非揮發(fā)性(non-volatility)的優(yōu)點(diǎn)，且在半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展中扮演重要的角色。 此種存儲器的一個例子為非揮發(fā)性隨機(jī)存取存儲器(non-volatile random-access memory ， NVRAM)。
通常，電阻式存儲器的數(shù)據(jù)儲存層是借由沉積一層鐠鈣錳氧(PrCaMnO， PCMO)、氧化鎳(NiO)或氧化鈦(TiOx)而形成。然而，使用上述材料的電阻式存 儲器具有制程復(fù)雜、高沉積溫度(約300°C)、高轉(zhuǎn)換電壓(約10 V)與數(shù)據(jù)保持時 間短的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的就是在提供一種存儲單元及其制程。此存儲單元
包括數(shù)據(jù)儲存層。數(shù)據(jù)儲存層為借由對過渡金屬層(transition metal layer)進(jìn)行等
離子體氧化步驟而形成的過渡金屬氧化物層。此存儲單元具有長的數(shù)據(jù)保持時 間、低轉(zhuǎn)換電壓、高產(chǎn)品品質(zhì)與節(jié)省制程開發(fā)成本的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提出一種存儲單元制程。首先，于位于基底上方的導(dǎo)體層上形成第 一電極層。然后，于第一電極層上形成過渡金屬層。接著，對過渡金屬層進(jìn)行 等離子體氧化步驟，以形成作為數(shù)據(jù)儲存層的前驅(qū)物(precursor)的過渡金屬氧 化物層。之后，于過渡金屬氧化物層上形成第二電極層。
上述制程還可以包括分別將第二電極層、過渡金屬氧化物層與第一電極層 圖案化成第二電極、數(shù)據(jù)儲存層與第一電極的步驟。接著，于導(dǎo)體層上形成介 電層，此介電層覆蓋第二電極、數(shù)據(jù)儲存層與第一電極的側(cè)壁。在形成介電層 之后，位元線可形成于介電層與第二電極上。
本發(fā)明另提出一種存儲單元，其包括第一電極、第二電極與作為數(shù)據(jù)儲存 層的過渡金屬氧化物層。第一電極配置于位于基底上方的導(dǎo)體層上。過渡金屬 氧化物層配置于第一電極上，且以等離子體氧化步驟形成。第二電極配置于過 渡金屬氧化物層上。
此存儲單元還可以包括配置于導(dǎo)體層上且覆蓋第一電極、過渡金屬氧化物 層與第二電極的側(cè)壁的介電層，其中介電層的頂面與第二電極的頂面共平面。 此外，存儲單元還可以包括配置于第二電極與介電層上的位元線。


為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，以下結(jié)合附圖對本發(fā) 明的具體實施方式
作詳細(xì)說明，其中
圖1A至圖1G為依照本發(fā)明實施例所繪示的存儲單元的制程剖面示意圖， 其中圖1G繪示為所形成的存儲單元。
圖2A為分別于NVRAM存儲單元的設(shè)定狀態(tài)與重置狀態(tài)中的電阻率-時間 曲線圖，其中NVRAM存儲單元的過渡金屬氧化物層是依照現(xiàn)有技術(shù)而借由沉 積所形成。
圖2B為分別于NVRAM存儲單元的設(shè)定狀態(tài)與重置狀態(tài)中的電阻率-時間 曲線圖，其中NVRAM存儲單元的過渡金屬氧化物層是依照本發(fā)明實施例而借 由等離子體氧化步驟所形成。
主要元件符號說明
10:存儲單元
11:基底
12:導(dǎo)體層
13:第一電極層
14:過渡金屬層
15:過渡金屬氧化物層
16:第二電極層
16a:頂面
17:介電材料 17':介電層 18:位元線
具體實施例方式
圖1A至圖1G為依照本發(fā)明實施例所繪示的存儲單元的制程剖面示意圖， 其中圖1G繪示為所形成的存儲單元。此存儲單元例如是NVRAM或類似存儲 器的存儲單元。NVRAM存儲單元的數(shù)據(jù)儲存層必須能夠維持在某一保持時間 中NVRAM存儲單元的不同儲存狀態(tài)之間的電阻差。
請參照圖1A，提供基底11?；?1例如由Si02所組成。然后，依序于 基底11上形成作為存儲單元的金屬導(dǎo)線的導(dǎo)體層12、第一電極層13與過渡金 屬層14。導(dǎo)體層12例如為銅或銀，其例如借由濺鍍(sputtering)或電子蒸鍍 (electron evaporation)形成。第一電極層13例如為TiN、 Ti、 Pt、 Al或Cu，其 例如借由濺鍍或電子蒸鍍形成。過渡金屬層14例如為Ti、 Cu、 PrCaMn、 Ni 或w，其例如借由如濺鍍或電子蒸鍍的物理氣相沉積法或化學(xué)氣相沉積法形 成。此外，導(dǎo)體層12的厚度例如介于1000A至10000A之間。第一電極層13 的厚度例如介于1000A至10000A之間。過渡金屬層14的厚度例如介于IOOOA
至iooooA之間。
請參照圖1B，對過渡金屬層14進(jìn)行等離子體氧化步驟，以形成過渡金屬 氧化物層15。過渡金屬氧化物層15即將被圖案化成數(shù)據(jù)儲存層，并被視為數(shù) 據(jù)儲存層的前驅(qū)物。等離子體氧化步驟可以是吹式等離子體氧化(down-stream (remote) plasma oxidation)步驟。在等離子體氧化步驟中所使用的反應(yīng)氣體包括 如氧氣的氧化氣體，且較佳地還包括選自氮?dú)夂蜌鍤獾乃M成的族群的輔助氣 體(assistgas)。在等離子體氧化步驟中的壓力設(shè)定于1 mTorr至10000 mTorr之 間，較佳為3000 mTorr。在等離子體氧化步驟中的溫度設(shè)定于IO(TC至500°C 之間。氧化氣體的流量介于10sccm至10000 sccm之間。
在一較佳實施例中，在等離子體氧化步驟中，使用氧氣作為氧化氣體，且 使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體，其中氧氣的流量介于10 sccm至10000 sccm之間，較 佳為4000 sccm，而氮?dú)獾牧髁拷橛?0 sccm至10000 sccm之間，較佳為200 sccm。此外，當(dāng)過渡金屬層14包括Ti、 Cu、 PrCaMn、 Ni或W，則過渡金屬 氧化物層15包括氧化鈦、氧化銅、PrCaMnO(PCMO)、氧化鎳或氧化鎢。作為 NVRAM的數(shù)據(jù)儲存層的前驅(qū)物的過渡金屬氧化物層15可以維持在某一保持 時間中存儲單元的不同儲存狀態(tài)之間的電阻差。
請參照圖1C，于過渡金屬氧化物層15上形成第二電極層16。第二電極層 16例如包括TiN、 Ti、 Pt、 Ta、 Al或Cu，其借由濺鍍或電子蒸鍍來形成。第 二電極層16的厚度例如介于1000A至10000A之間。
請參照圖1D，分別將第二電極層16、過渡金屬氧化物層15與第一電極層 13圖案化，以形成第二電極、數(shù)據(jù)儲存層與第一電極，并暴露出一部分位于下 方的導(dǎo)體層12。
然后，于導(dǎo)體層12上形成介電層，以覆蓋第一電極(第一電極層13)、數(shù) 據(jù)儲存層(過渡金屬氧化物層15)與第二電極(第二電極層16)的側(cè)壁。介電層例 如包括氧化硅。介電層的形成方法例如包括以下步驟。首先，請參照圖1E，于 基底12上沉積介電材料17，以覆蓋第一電極(第一電極層13)、數(shù)據(jù)儲存層(過 渡金屬氧化物層15)與第二電極(第二電極層16)。然后，請參照圖1F，將介電 材料17與第二電極(第二電極層16)的頂面16a平坦化，以使得介電材料17的 頂面與第二電極(第二電極層16)的頂面16a共平面。經(jīng)平坦化的介電材料17
成為介電層17'，其覆蓋第一電極(第一電極層13)、過渡金屬氧化物層15與第 二電極(第二電極層16)的側(cè)壁。
之后，請參照圖1G，于介電層17，與第二電極(第二電極層16)上形成位元 線18。位元線18例如包括Cu、 Al或Ag，其借由濺鍍或電子蒸鍍來形成。當(dāng) 導(dǎo)體層12與位元線18皆包括金屬時，介電層17'則作為金屬間介電(inter-metal dielectric, IMD)層。
依照本發(fā)明實施例所形成的存儲單元結(jié)構(gòu)如下所描述。請參照圖1G，存 儲單元IO包括導(dǎo)體層12、第一電極(第一電極層13)、作為數(shù)據(jù)儲存層的過渡 金屬氧化物層15、第二電極(第二電極層16)、介電層17'與位元線18。在一實 施例中，過渡金屬氧化物層15例如由氧化鈦所形成，其借由當(dāng)過渡金屬層形 成于第一電極層上時等離子體氧化鈦層來形成。此外，導(dǎo)體層12可作為存儲 單元10的金屬導(dǎo)線，以串連連接多個存儲單元10。導(dǎo)體層12例如由Cu或Ag 所形成。介電層17'為金屬間介電層，其將導(dǎo)體層12與位元線18隔離開，以 避免產(chǎn)生短路。介電層17'例如由氧化硅所形成。
依照上述實施例所述的存儲單元及其制作方法，過渡金屬層14在等離子 體氧化步驟中被氧化成過渡金屬氧化物層15。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，寫入數(shù) 據(jù)時所需的轉(zhuǎn)換電壓可降低至10 V至1.5V，且增加了存儲單元10的導(dǎo)電率。 此外，根據(jù)可多次編程(multi-time programmable, MTP)測試的結(jié)果，也增加了 存儲單元IO的數(shù)據(jù)保持時間。
此外，為了檢視作為數(shù)據(jù)儲存層的過渡金屬氧化物層的制作方法對其電氣 特性的影響，對作為本發(fā)明的實例的NVRAM存儲單元以及現(xiàn)有技術(shù)中的 NVRAM存儲單元進(jìn)行電阻率測試。測試結(jié)果如圖2A與圖2B所示。圖2A為 NVRAM存儲單元的電阻率-時間曲線圖，其中NVRAM存儲單元的過渡金屬氧 化物層是依照現(xiàn)有技術(shù)而借由沉積所形成。圖2B為NVRAM存儲單元的電阻 率-時間曲線圖，其中NVRAM存儲單元的過渡金屬氧化物層是依照本發(fā)明實 施例而借由等離子體氧化步驟所形成。
請參照圖2A，當(dāng)過渡金屬氧化物層借由沉積來形成時，在10秒之后，設(shè) 定狀態(tài)與重置狀態(tài)中的NVRAM存儲單元的電阻率非常接近，使得NVRAM存 儲單元不再能基于不同的電阻率來儲存數(shù)據(jù)。請參照圖2B，當(dāng)過渡金屬氧化物
層借由等離子體氧化來形成時，不同狀態(tài)中的NVRAM存儲單元的電阻率則不 相同，其在至少1000秒的保持時間內(nèi)幾乎相差了 10倍。
綜上所述，在本發(fā)明的存儲單元中，借由等離子體氧化來形成過渡金屬氧 化物層，使得存儲單元的數(shù)據(jù)保持時間可以延長，并使存儲單元的導(dǎo)電率增加， 以及改善產(chǎn)品品質(zhì)。此外，由于轉(zhuǎn)換電壓可以被降低至1.5 V，因此可以改善 產(chǎn)品穩(wěn)定性。另外，本發(fā)明的存儲單元的制作方法可相容于現(xiàn)行的制程，且因 此可以節(jié)省制程發(fā)展成本。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本 領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善， 因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種存儲單元的制程，其特征在于包括于位于一基底上方的一導(dǎo)體層上形成一第一電極層；于該第一電極層上形成一過渡金屬層；對該過渡金屬層進(jìn)行一等離子體氧化步驟，以形成作為一數(shù)據(jù)儲存層的前驅(qū)物的一過渡金屬氧化物層；以及于該過渡金屬氧化物層上形成一第二電極層。
2. 如權(quán)利要求l所述的存儲單元的制程，其特征在于還包括 將該第二電極層、該過渡金屬氧化物層與該第一電極層分別圖案化為一第二電極、該數(shù)據(jù)儲存層與一第一電極；以及于該導(dǎo)體層上形成一介電層，以覆蓋該第一電極、該數(shù)據(jù)儲存層與該第二 電極的側(cè)壁。
3. 如權(quán)利要求2所述的存儲單元的制程，其特征在于，形成該介電層的方 法包括于該導(dǎo)體層上沉積一介電材料，以覆蓋該第一電極、該數(shù)據(jù)儲存層與該第 二電極；以及將該介電材料與該第二電極的頂面平坦化，其中經(jīng)平坦化的該介電材料成 為該介電層。
4. 如權(quán)利要求1所述的存儲單元的制程，其特征在于，該過渡金屬層包括 Ti、 Cu、 PrCaMn、 Ni或W，且該過渡金屬氧化物層包括氧化鈦、氧化銅、 PrCaMnO、氧化鎳或氧化鎢。
5. 如權(quán)利要求1所述的存儲單元的制程，其特征在于，該過渡金屬層借由 化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積形成于該第一電極層上。
6. 如權(quán)利要求1所述的存儲單元的制程，其特征在于，該等離子體氧化步 驟中的壓力介于1 mTorr至10000 mTorr之間。
7. 如權(quán)利要求1所述的存儲單元的制程，其特征在于，該等離子體氧化步 驟中的氧氣流量介于10sccm至10000 sccm之間。
8. 如權(quán)利要求1所述的存儲單元的制程，其特征在于，該等離子體氧化步驟為吹式等離子體氧化步驟。
9. 如權(quán)利要求1所述的存儲單元的制程，其特征在于，該數(shù)據(jù)儲存層維持 在一保持時間中該存儲單元的不同狀態(tài)之間的電阻差。
10. 如權(quán)利要求9所述的存儲單元的制程，其特征在于，該保持時間至少為 1000秒。
11. 一種存儲單元，其特征在于包括 一第一電極，配置于位于一基底上方的一導(dǎo)體層上；作為一數(shù)據(jù)儲存層的一過渡金屬氧化物層，配置于該第一電極上，該過渡 金屬氧化物層是借由一過渡金屬層的等離子體氧化而形成；以及 一第二電極，配置于該數(shù)據(jù)儲存層上。
12. 如權(quán)利要求11所述的存儲單元，其特征在于還包括一介電層，配置于 該導(dǎo)體層上，以覆蓋該第一電極、該過渡金屬氧化物層與該第二電極的側(cè)壁， 其中該介電層的頂面與該第二電極的頂面共平面。
13. 如權(quán)利要求11所述的存儲單元，其特征在于，該過渡金屬氧化物層包 括氧化鈦、氧化銅、PrCaMnO、氧化鎳或氧化鎢。
14. 如權(quán)利要求11所述的存儲單元，其特征在于，該數(shù)據(jù)儲存層維持在一 保持時間中該存儲單元的不同狀態(tài)之間的電阻差。
15. 如權(quán)利要求14所述的存儲單元，其特征在于，該保持時間至少為1000秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種存儲單元及其制程。此制程是先于位于基底上方的導(dǎo)體層上形成第一電極層。然后，于第一電極層上形成過渡金屬層。接著，對過渡金屬層進(jìn)行等離子體氧化步驟，以形成作為數(shù)據(jù)儲存層的前驅(qū)物的過渡金屬氧化物層。之后，于過渡金屬氧化物層上形成第二電極層。在分別將第二電極層、過渡金屬氧化物層與第一電極層圖案化成第二電極、數(shù)據(jù)儲存層與第一電極之后，形成了存儲單元。此存儲單元具有長的數(shù)據(jù)保持時間、低轉(zhuǎn)換電壓、高產(chǎn)品品質(zhì)與節(jié)省制程開發(fā)成本的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01L45/00GK101174672SQ20071018111
公開日2008年5月7日 申請日期2007年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月4日
發(fā)明者何家驊, 李明道, 謝光宇, 賴二琨 申請人:旺宏電子股份有限公司