專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)尉w管單電阻器電阻式存儲(chǔ)器元件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有垂直晶體管及埋入式位線(xiàn)(buried bit line)的單晶體管單電阻器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為1T1R)電阻式存儲(chǔ)器元件以及其制作方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今閃存及DRAM存儲(chǔ)器的制造已能達(dá)到18納米的技術(shù)結(jié)點(diǎn)，但是在18納米以下勢(shì)必將面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，目前已有各種不同的存儲(chǔ)器架構(gòu)被提出并研究，其中較有可為的一種是所謂的電阻切換式(resistive switching)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器或稱(chēng)為電阻式存儲(chǔ)器(RRAM)，其利用電阻器件材料在兩個(gè)穩(wěn)定阻態(tài)之間的電子切換(可以是電流或電壓誘發(fā))來(lái)進(jìn)行操作。已知的電阻式存儲(chǔ)器元件的各存儲(chǔ)胞單元是設(shè)在一柱狀二極管結(jié)構(gòu)(diode)中，然而，等效電路中的各存儲(chǔ)胞單元包括一隧道柵極表效應(yīng)晶體管(tunnel gate surfaceeffect transistor)，其形成在柱狀二極管結(jié)構(gòu)的柵極氧化層并不均勻。因此，所述柱狀二極管結(jié)構(gòu)在順向?qū)ǚ较虿粫?huì)如二極管般作用。另一種電阻式存儲(chǔ)器陣列是采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)存取方式，可以在較低的電壓操作，并具有較低的漏電流。相較于二極管式電阻式存儲(chǔ)器，這種采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管存儲(chǔ)器的電阻式存儲(chǔ)器陣列也具有較佳的電流控制。然而，其缺點(diǎn)在于采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管存取的電阻式存儲(chǔ)器陣列的制作方法較為繁雜。由上可知，目前業(yè)界仍需要一種改良的電阻式存儲(chǔ)器元件，可具備進(jìn)一步的微縮能力，以及制作這類(lèi)電阻式存儲(chǔ)器元件的方法，而具有較精簡(jiǎn)的工藝步驟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在提供一種改良的ITlR電阻式存儲(chǔ)胞單元，應(yīng)用于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器元件中，其具有4F2 (F指最小元件尺寸)的單位面積，可減少所占芯片面積或提供更高的內(nèi)存密度。本發(fā)明的另一目的在提供一種制作具有垂直晶體管及埋入式位線(xiàn)的ITlR電阻式存儲(chǔ)器元件的方法，其中的垂直晶體管是制作在一硅柱體中，而埋入式位線(xiàn)則是嵌入在該娃柱體一側(cè)。本發(fā)明的又另一目的在提供一種制作ITlR電阻式存儲(chǔ)胞單元的方法，其結(jié)合自我對(duì)準(zhǔn)的存儲(chǔ)器工藝，并在步驟上較先前技藝精簡(jiǎn)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供一種存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，包含有一有源區(qū)域，位于一半導(dǎo)體基底中，被一第一絕緣溝槽及一第二絕緣溝槽包圍，其中所述第一絕緣溝槽沿著一第一方向延伸，所述第二絕緣溝槽沿著一第二方向延伸；一位線(xiàn)溝槽，凹入所述有源區(qū)域及所述半導(dǎo)體基底中， 其中所述位線(xiàn)溝槽沿著所述第二方向延伸并橫截所述第一絕緣溝槽；一字線(xiàn)溝槽，凹入所述有源區(qū)域及所述半導(dǎo)體基底中，其中所述字線(xiàn)溝槽較所述位線(xiàn)溝槽淺，且所述字線(xiàn)溝槽沿著所述第一方向延伸并橫截所述第二絕緣溝槽，其中所述位線(xiàn)溝槽與所述字線(xiàn)溝槽共同將所述有源區(qū)域區(qū)分成四個(gè)柱狀子區(qū)域；一位線(xiàn)，埋入于所述位線(xiàn)溝槽中；一字線(xiàn)，埋入于所述字線(xiàn)溝槽中；一垂直晶體管，內(nèi)建于各所述柱狀子區(qū)域；以及一存儲(chǔ)器電阻器件，電耦合所述垂直晶體管。為讓本發(fā)明的上述目的、特征及優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實(shí)施方式，并配合所附圖式作詳細(xì)說(shuō)明如下。然而如下的優(yōu)選實(shí)施方式與圖式僅供參考與說(shuō)明用，并非用來(lái)對(duì)本發(fā)明加以限制。


圖1至圖7為依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所繪示的制作ITlR電阻式存儲(chǔ)胞單元的方法，其中，圖1A 7A為部分存儲(chǔ)器陣列的上視圖，圖1B 7B及圖1C 7C分別為圖1A 7A的切線(xiàn)1-1’及切線(xiàn)11-11’的橫斷面示意圖；以及圖8為依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所繪示的單柵極ITlR電阻式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的立體示意圖。其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下:I 電阻式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 54字線(xiàn)10 半導(dǎo)體基底 58字線(xiàn)上蓋硅氧層

IOa主表面 62開(kāi)孔12 氧化硅墊層 70漏極摻雜區(qū)14 氮化硅墊層 80存儲(chǔ)器電阻器件21 第一絕緣溝槽 90垂直溝道22 第二絕緣溝槽 100有源區(qū)域26 溝槽填充層 101柱狀子區(qū)域31 位線(xiàn)溝槽IOla第一側(cè)壁32 底部摻雜區(qū)IOlb第二側(cè)壁36 位線(xiàn)IOlc第三側(cè)壁38 位線(xiàn)上蓋硅氧層 130虛線(xiàn)(位線(xiàn))40 源極摻雜區(qū) 150虛線(xiàn)(字線(xiàn))51 字線(xiàn)溝槽 201垂直晶體管52 柵極氧化層
具體實(shí)施例方式下文中將陳述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，該些具體實(shí)施方式
可參考相對(duì)應(yīng)的圖式，使該些圖式構(gòu)成實(shí)施方式的一部分，同時(shí)也借以說(shuō)明并公開(kāi)本發(fā)明可據(jù)以施行的方式。下文中將清楚地描述該些實(shí)施例的細(xì)節(jié)，使所述技術(shù)領(lǐng)域中具有通常技術(shù)的技術(shù)人員可據(jù)以實(shí)施本發(fā)明。在不違背于本發(fā)明宗旨的前提下，相關(guān)的具體實(shí)施例也可被加以施行，且對(duì)于其結(jié)構(gòu)上、邏輯上以及電性上所做的改變?nèi)詫俦景l(fā)明所涵蓋的范疇。對(duì)于晶體管與集成電路的制造而言，如在一平面工藝的場(chǎng)合中，“主表面” 一詞是指那些內(nèi)部或近處制有多個(gè)晶體管的半導(dǎo)體層的表面。如文中所使用的，“垂直”一詞意指其與主表面大體上呈直角。一般而言，主表面會(huì)沿著所制作出的場(chǎng)效應(yīng)晶體管上的單晶硅層的一〈100〉平面延伸。本發(fā)明是關(guān)于一種改良的ITlR電阻式存儲(chǔ)胞單元，可應(yīng)用于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器元件，其具有4F2(F指最小元件尺寸)的單位面積，可減少所占芯片面積或提供更高的內(nèi)存密度。本發(fā)明ITlR電阻式存儲(chǔ)胞單兀具有一垂直晶體管，內(nèi)建于一垂直娃柱體中，以及一埋入式位線(xiàn)緊貼著垂直硅柱體。下文中也例示出一種導(dǎo)入自我對(duì)準(zhǔn)存儲(chǔ)器工藝的ITlR電阻式存儲(chǔ)胞單元的制作方法。請(qǐng)參閱圖1至圖7，其為依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所繪示的制作ITlR電阻式存儲(chǔ)胞單元的方法，其中，圖1A 7A為部分存儲(chǔ)器陣列的上視圖，圖1B 7B及圖1C 7C分別為圖1A 7A的切線(xiàn)1-1’及切線(xiàn)11-11’的橫斷面示意圖。首先，如圖1A IC所示，提供一半導(dǎo)體基底10，例如硅基底。在半導(dǎo)體基底10的主表面IOa上可以形成有一氧化硅墊層12及一氮化硅墊層14。接著，于半導(dǎo)體基底10中刻蝕出第一絕緣溝槽21以及一第二絕緣溝槽22，其中，第一絕緣溝槽21以及一第二絕緣溝槽22互相垂直正交，且第一絕緣溝槽21會(huì)沿著參考坐標(biāo)X軸方向延伸，第二絕緣溝槽22則沿著參考坐標(biāo)y軸方向延伸。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，第一絕緣溝槽21以及一第二絕緣溝槽22的寬度均等于1F。第一絕緣溝槽21以及一第二絕緣溝槽22共同界定出一陣列的有源區(qū)域100，且各有源區(qū)域100的邊長(zhǎng)為3F。在形成有源區(qū)域100之后，接著將一溝槽填充層26 (如硅氧層)填入第一絕緣溝槽21以及一第二絕緣溝槽22中，再以化學(xué)機(jī)械拋光工藝平坦化溝槽填充層26，使得拋光后的溝槽填充層26上表面約略與氮化硅墊層14的上表面齊平。如圖2A 2C所示，接著于半導(dǎo)體基底10刻蝕出多條位線(xiàn)溝槽31，使各位線(xiàn)溝槽31在兩平行的第二絕緣溝槽22之間沿著參考坐標(biāo)I軸方向延伸。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，各位線(xiàn)溝槽31的寬度等于IF(亦即half-pitch為2F)，且位線(xiàn)溝槽31橫截有源區(qū)域100以及第一絕緣溝槽21。形成位線(xiàn)溝槽31的方法可以利用光刻工藝及刻蝕工藝，包括刻蝕氮化硅墊層14、氧化硅墊層12、溝槽填充層26及半導(dǎo)體基底10。繼之，于有源區(qū)域100的下部形成一源極摻雜區(qū)40。形成源極摻雜區(qū)40的方法可以利用離子注入搭配回火，或者利用氣相擴(kuò)散法等技術(shù)。接著，于各位線(xiàn)溝槽31的底部形成一底部摻雜區(qū)32。然后，在底部摻雜區(qū)32上形成一導(dǎo)電層或位線(xiàn)36，其材質(zhì)可為氮化鈦。形成位線(xiàn)36的方法可為先以氮化鈦層將位線(xiàn)溝槽31填滿(mǎn)并平坦化后，再將氮化鈦層凹蝕至一定深度。在圖2C中，位線(xiàn)36的位置以虛線(xiàn)130表示。如圖3A 3C所示，接下來(lái)，進(jìn)行一化學(xué)氣相沉積工藝，于半導(dǎo)體基底10上全面沉積一位線(xiàn)上蓋硅氧層38，使該位線(xiàn)上蓋硅氧層38填滿(mǎn)位線(xiàn)溝槽31。繼之，以化學(xué)機(jī)械拋光工藝平坦化位線(xiàn)上蓋硅氧層38，借以去除位線(xiàn)溝槽31外的位線(xiàn)上蓋硅氧層38。完成化學(xué)機(jī)械拋光工藝之后，位線(xiàn)上蓋娃氧層38的上表面即約略與氮化娃墊層14的上表面齊平。在圖3C中，位線(xiàn)36的位置以虛線(xiàn)130表示。如圖4A 4C所示，接著進(jìn)行光刻工藝及刻蝕工藝，于半導(dǎo)體基底10中形成多條字線(xiàn)溝槽51，其中字線(xiàn)溝槽51較位線(xiàn)溝槽31淺。各字線(xiàn)溝槽51在兩平行的第一絕緣溝槽21之間沿著參考坐標(biāo)X軸方向延伸。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，各字線(xiàn)溝槽51的寬度等于1.5F(其半節(jié)距仍為2F)，且字線(xiàn)溝槽51橫截有源區(qū)域100、位線(xiàn)溝槽31以及第二絕緣溝槽22。此時(shí)，位線(xiàn)溝槽31與字符線(xiàn)溝槽51共同將各有源區(qū)域100區(qū)分成四個(gè)柱狀子區(qū)域101。如圖5A 5C所示，形成字線(xiàn)溝槽51之后會(huì)再進(jìn)行一氧化工藝，于字線(xiàn)溝槽51內(nèi)的表面上形成一柵極氧化層52。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，上述氧化工藝是在相對(duì)低溫的環(huán)境下進(jìn)行，例如，500 600°C之間。然后，在字線(xiàn)溝槽51內(nèi)的相對(duì)側(cè)壁上形成字線(xiàn)54，其材質(zhì)可為氮化鈦。在圖5B中，字線(xiàn)54的位置會(huì)以虛線(xiàn)150來(lái)表示。如圖6A 6C所示，接著進(jìn)行一化學(xué)氣相沉積工藝，于半導(dǎo)體基底10上全面沉積一字線(xiàn)上蓋硅氧層58，使字線(xiàn)上蓋硅氧層58填滿(mǎn)字線(xiàn)溝槽51。接著，以化學(xué)機(jī)械拋光工藝平坦化字線(xiàn)上蓋硅氧層58，借以去除字線(xiàn)溝槽51外的字線(xiàn)上蓋硅氧層58。完成化學(xué)機(jī)械拋光工藝之后，字線(xiàn)上蓋娃氧層58的上表面即約略與氮化娃墊層14的上表面齊平。如圖7A 7C所示，在化學(xué)機(jī)械拋光工藝后，接著去除氮化硅墊層14及氧化硅墊層12，并于各柱狀子區(qū)域101上形成開(kāi)孔62，使開(kāi)孔62裸露出部分的半導(dǎo)體基底10的主表面10a。接著，進(jìn)行漏極離子注入工藝，將摻質(zhì)經(jīng)由開(kāi)孔62注入裸露出的半導(dǎo)體基底10的主表面10a，如此于各柱狀子區(qū)域101的上部形成漏極摻雜區(qū)70。另外，也可在漏極離子注入工藝之后再將氧化硅墊層12去除。接著，進(jìn)行一自我對(duì)準(zhǔn)存儲(chǔ)器工藝，先全面地沉積一電阻式存儲(chǔ)器材料層，并使其填滿(mǎn)開(kāi)孔62，其中，電阻式存儲(chǔ)器材料層可以是二元過(guò)渡金屬氧化物所構(gòu)成，例如，HfOx, TiOx或AlOx等。再以化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除開(kāi)孔62外的電阻式存儲(chǔ)材料層，如此即形成相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器電阻器件80，其與漏極摻雜區(qū)70直接接觸。在存儲(chǔ)器電阻器件80上可以形成一上電板共同電極，以提供參考電壓。如圖7C圖所示，本發(fā)明的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)特征在于內(nèi)建于各柱狀子區(qū)域101的垂直晶體管201，其中，包括源極摻雜區(qū)40、漏極摻雜區(qū)70、介于源極摻雜區(qū)40與漏極摻雜區(qū)70之間的垂直溝道90，以及單柵極，其中單柵極為字線(xiàn)54通過(guò)垂直溝道90的部分。圖8為依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所繪示的單柵極ITlR電阻式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的立體示意圖，其中仍沿用相同符號(hào)表示相同元件。為簡(jiǎn)化說(shuō)明，圖8中僅顯示參考坐標(biāo)X軸方向上的兩相鄰的柱狀子區(qū)域101。此外，圖中也省略絕緣材料。本發(fā)明單柵極ITlR電阻式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)I包含有源極摻雜區(qū)40，其位于各柱狀子區(qū)域101的一下部；漏極摻雜區(qū)70，其位于各柱狀子區(qū)域101的一上部；存儲(chǔ)器電阻器件80，直接設(shè)于漏極摻雜區(qū)70上；垂直溝道90，介于源極摻雜區(qū)40與漏極摻雜區(qū)70之間；柵極氧化層52，形成在各柱狀子區(qū)域101的一第一側(cè)壁IOla ;字線(xiàn)54，位于第一側(cè)壁IOla上并沿著參考坐標(biāo)X軸方向延伸；以及位線(xiàn)36，埋入在半導(dǎo)體基底10中并位于字線(xiàn)54下方。其中，垂直溝道90與字線(xiàn)54重疊。源極摻雜區(qū)40與位線(xiàn)36之間可另外形成一底部摻雜區(qū)32。位線(xiàn)36位于第二側(cè)壁IOlb上并沿著參考坐標(biāo)y軸方向延伸。相對(duì)于第一側(cè)壁IOla的一第三側(cè)壁IOlc上，則不會(huì)形成有字線(xiàn)。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),其特征在于,包含: 一有源區(qū)域，位于一半導(dǎo)體基底中，被一第一絕緣溝槽及一第二絕緣溝槽包圍，其中所述第一絕緣溝槽沿著一第一方向延伸，所述第二絕緣溝槽沿著一第二方向延伸； 一位線(xiàn)溝槽，凹入所述有源區(qū)域及所述半導(dǎo)體基底中，其中所述位線(xiàn)溝槽沿著所述第二方向延伸并橫截所述第一絕緣溝槽； 一字線(xiàn)溝槽，凹入所述有源區(qū)域及所述半導(dǎo)體基底中，其中所述字線(xiàn)溝槽較所述位線(xiàn)溝槽還淺，且所述字線(xiàn)溝槽沿著所述第一方向延伸并橫截所述第二絕緣溝槽，其中所述位線(xiàn)溝槽與所述字線(xiàn)溝槽共同將所述有源區(qū)域區(qū)分成四個(gè)柱狀子區(qū)域； 一位線(xiàn)，埋入于所述位線(xiàn)溝槽中； 一字線(xiàn)，埋入于所述字線(xiàn)溝槽中； 一垂直晶體管，內(nèi)建于各所述柱狀子區(qū)域；以及 一存儲(chǔ)器電阻器件，電耦合所述垂直晶體管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其特征在于，另包含有一位線(xiàn)上蓋硅氧層填入所述位線(xiàn)溝槽中并蓋住所述位線(xiàn)，使所述位線(xiàn)上蓋硅氧層隔離所述位線(xiàn)與所述字線(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其特征在于，另包含有一字線(xiàn)上蓋硅氧層，其位于所述字線(xiàn)溝槽中并蓋住所述字線(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述字線(xiàn)上蓋硅氧層是與所述存儲(chǔ)器電阻器件齊平。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述垂直晶體管包含有一源極摻雜區(qū)，其位于各所述柱狀子區(qū)域的一下部；一漏極摻雜區(qū)，其位于各所述柱狀子區(qū)域的一上部；以及一單柵極，其為所述字線(xiàn)的一部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述垂直晶體管另包含有一垂直溝道，介于所述源極摻雜區(qū)與所述漏極摻雜區(qū)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述源極摻雜區(qū)與所述位線(xiàn)之間另有一底部摻雜區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述存儲(chǔ)器電阻器件與所述漏極摻雜區(qū)直接接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述位線(xiàn)包含有氮化鈦。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述字線(xiàn)包含有氮化鈦。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述存儲(chǔ)器電阻器件包含有二元過(guò)渡金屬氧化物。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其包含有有源區(qū)域，被第一絕緣溝槽及第二絕緣溝槽包圍，第一絕緣溝槽沿著一第一方向延伸，第二絕緣溝槽沿著一第二方向延伸；位線(xiàn)溝槽，凹入有源區(qū)域中，該位線(xiàn)溝槽沿著一第二方向延伸并橫截該第一絕緣溝槽；字線(xiàn)溝槽，凹入該有源區(qū)域中且沿著一第一方向延伸并橫截該第二絕緣溝槽，其中位線(xiàn)溝槽與字線(xiàn)溝槽共同將有源區(qū)域區(qū)分成四個(gè)柱狀子區(qū)域；位線(xiàn)是埋入于該位線(xiàn)溝槽中；字線(xiàn)是埋入于該字線(xiàn)溝槽中；垂直晶體管，內(nèi)建于各柱狀子區(qū)域；以及存儲(chǔ)器電阻器件，其電耦合該垂直晶體管。
文檔編號(hào)H01L27/10GK103151354SQ201210174258
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者何欣戎, 吳昌榮, 陳偉嘉 申請(qǐng)人:南亞科技股份有限公司