非易失性存儲器的電阻性元件與存儲單元及其相關(guān)制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是有關(guān)于一種存儲器的存儲單元與制作方法，且特別是有關(guān)于一種非易失性存儲器的電阻性元件與存儲單元及其相關(guān)制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，非易失性存儲器(non-volatile memory)能夠在電源關(guān)閉時(shí)持續(xù)保存其內(nèi)部的儲存數(shù)據(jù)。而現(xiàn)今使用最普遍的非易失性存儲器即為快閃存儲器(flashmemory)。快閃存儲器用浮動?xùn)啪w管(floating gate transistor)作為儲存單元。而根據(jù)儲存于浮動?xùn)艠O上的電荷量即可決定其儲存狀態(tài)。
[0003]最近，一種全新架構(gòu)的非易失性存儲器已經(jīng)被提出。該非易失性存儲器稱為電阻性隨機(jī)存取存儲器(Resistive Random Access Memory, RRAM),且其存儲單元中包括一電阻性兀件(resistive element)。
[0004]請參照圖1，其所繪示為現(xiàn)有非易失性存儲器示意圖，其揭示于美國專利號US8，107，274。該非易失性存儲器300具有(1T+1R)的存儲單元，IT代表一個(gè)晶體管(transistor), IR代表一個(gè)電阻(resistor)。亦即，該非易失性存儲器300的存儲單元中包括一晶體管310與一電阻性元件320，且電阻性元件320連接至晶體管310。其中，電阻性兀件320為可變的以及可回復(fù)的電阻性兀件(variable and reversible resistiveelement);晶體管310為一開關(guān)晶體管(switch transistor)。當(dāng)晶體管310被開啟(turnon)時(shí),可以對編程(program)電阻性元件320或者讀取(read)電阻性元件320的儲存狀態(tài)。
[0005]晶體管310 包括:基板 318、柵介電層(gate dielectric layer) 313、一柵極 312、第一源/漏極區(qū)域314、第二源/漏極區(qū)域316、間隙壁(spaCer)319。其中，該基板318以可以是一個(gè)井區(qū)(well reg1n)。
[0006]電阻性元件320包括:過渡金屬氧化層(transit1n metal oxide layer) 110、介電層150、一導(dǎo)電的插塞模塊(conductive plug module)130。其中，介電層150形成于第一源/漏極區(qū)域314上，且導(dǎo)電的插塞模塊130位于過渡金屬氧化層110上。
[0007]再者,導(dǎo)電的插塞模塊130包括一金屬插塞132與一障壁層(barrier layer) 134。金屬插塞132垂直地配置于過渡金屬氧化層110上且可以導(dǎo)電至過渡金屬氧化層110，并且障壁層134包覆著金屬插塞132。其中，過渡金屬氧化層110由介電層150與障壁層134反應(yīng)后所形成。再者，過渡金屬氧化層110可以經(jīng)由設(shè)定(set)與重置(reset)而呈現(xiàn)不同的電阻值，而每一電阻值皆可對應(yīng)至一個(gè)儲存狀態(tài)，因此可以用來作為存儲器的用途。
[0008]請參照圖2A?2D2A?2D，其所繪示為非易失性存儲器的制造方法。在圖2A中，一個(gè)晶體管已經(jīng)形成。此晶體管包括一柵極312、第一源/漏極區(qū)域314與第二源/漏極區(qū)域316。再者，柵介電層313形成于基板318(或者井區(qū))上，柵極312再形成于柵介電層313上。另外，在基板318 (或者井區(qū))中柵極312的相對二側(cè)形成第一源/漏極區(qū)域314與第二源/漏極區(qū)域316 ;并且，間隙壁319形成于柵極312的兩側(cè)。除此之外，介電層150形成于第一源/漏極區(qū)域314上。再者，層間絕緣層(interlayer insulating layer) 160覆蓋于介電層150以及晶體管上。
[0009]如圖2B所示，利用蝕刻步驟于層間絕緣層160形成開口 162穿透至介電層150。而開口 162的底部152與第一源/漏極區(qū)域314之間尚有一部分的介電層150殘留。
[0010]如圖2C所示，在開口 162的內(nèi)壁以及底部152形成障壁層134。
[0011]如圖2D所示，開口 162底部的障壁層134與介電層150相互接觸，并可以反應(yīng)成過渡金屬氧化層110。而當(dāng)過渡金屬氧化層110形成后，過渡金屬氧化層110與第一源/漏極區(qū)域314之間仍有介電層150殘留。再者，金屬插塞132填滿開口 162，且可以導(dǎo)電至過渡金屬氧化層110
[0012]然而，由于開口 162的蝕刻步驟不易控制，使得開口 162底部的介電層150的殘留厚度無法精確地掌握。如此，反應(yīng)后形成的過渡金屬氧化層110的電阻值將會有很大的變異，造成工藝不穩(wěn)定。換句話說，現(xiàn)有非易失性存儲器的(1T+1R)存儲單元無法運(yùn)用于大量生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明為一種非易失性存儲器的電阻性元件的制造方法，包括下列步驟:(a)在一導(dǎo)電區(qū)域的一表面上形成一電性絕緣層；(b)蝕刻該電性絕緣層并形成一穿透洞，且該穿透洞被蝕刻至該導(dǎo)電區(qū)域的該表面；(C)形成一介電層覆蓋于該穿透洞的內(nèi)壁與底部；(d)形成一障壁層覆蓋于該介電層；(e)形成一金屬層填滿于該穿透洞；以及(g)反應(yīng)該介電層與該障壁層而形成一過渡層。
[0014]本發(fā)明為一種非揮性存儲器的電阻性兀件，包括:一導(dǎo)電區(qū)域，具有一表面；一電性絕緣層，覆蓋于該導(dǎo)電區(qū)域的該表面；一穿透洞形成于該電性絕緣層內(nèi)，且該穿透洞的底部暴露出該導(dǎo)電區(qū)域；一介電層覆蓋于該穿透洞的內(nèi)壁與底部；一障壁層覆蓋于該介電層；以及一金屬層填滿于該穿透洞；其中，該介電層與該障壁層經(jīng)由一反應(yīng)而形成一過渡層。
[0015]本發(fā)明為一種非揮性存儲器的存儲單元制造方法，包括下列步驟:(a)提供一晶體管，包括一第一源/漏極區(qū)域、一第二源/漏極區(qū)域、一柵極結(jié)構(gòu)，其中該第一源/漏極區(qū)域與該第二源/漏極區(qū)域位于一基板的一表面下方，且該柵極結(jié)構(gòu)位于該第一源/漏極區(qū)域與該第二源/漏極區(qū)域之間的該表面上方；(b)形成一電性絕緣層，覆蓋于該一第一源/漏極區(qū)域；(C)蝕刻該電性絕緣層并形成一第一穿透洞，且該第一穿透洞被蝕刻至該第一源/漏極區(qū)域；(d)形成一介電層覆蓋于該第一穿透洞的內(nèi)壁與底部；(e)形成一障壁層覆蓋于該介電層；(f)形成一第一金屬層填滿于該第一穿透洞；以及(g)反應(yīng)該介電層與該障壁層而形成一過渡層。
[0016]本發(fā)明為一種非揮性存儲器的存儲單兀，包括:一基板，其中該基板中的一表面下方有一第一源/漏極區(qū)域與一第二源/漏極區(qū)域；一柵極結(jié)構(gòu)，位于該第一源/漏極區(qū)域與該第二源/漏極區(qū)域之間的該表面上方；一電性絕緣層，覆蓋于該一第一源/漏極區(qū)域；一第一穿透洞形成于該電性絕緣層內(nèi)，且該第一穿透洞的底部暴露出該第一源/漏極區(qū)域；一介電層覆蓋于該第一穿透洞的內(nèi)壁與底部；一障壁層覆蓋于該介電層；以及一第一金屬層填滿于該第一穿透洞；其中，該介電層與該障壁層經(jīng)由一反應(yīng)而形成一過渡層。
[0017]為了對本發(fā)明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0018]圖1所繪示為現(xiàn)有非易失性存儲器。
[0019]圖2A?2D所繪示為現(xiàn)有非易失性存儲器的制造方法。
[0020]圖3A?3F所繪示為本發(fā)明電阻性元件的制作方法。
[0021]圖4A?4G所繪示為本發(fā)明非易失性存儲器的存儲單元的制作方法。
[0022]圖4H所繪示為本發(fā)明非易失性存儲器的存儲單元的等效電路。
[0023]圖5A?5B所繪示為本發(fā)明非易失性存儲器的存儲單元的其他實(shí)施例。
[0024]其中，附圖標(biāo)記說明如下:
[0025]110:過渡金屬氧化層
[0026]130:導(dǎo)電的插塞模塊
[0027]132:金屬插塞
[0028]1:34、366、454:障壁層
[0029]1δ0、364、453:介電層
[0030]152:底部
[0031]160、426:層間絕緣層
[0032]162:開口
[0033]300:非易失性存儲器
[0034]310:晶體管
[0035]312、412、565:柵極
[0036]313、413:柵介電層
[0037]314、316、414、416:源 / 漏極區(qū)域
[0038]318、418:基板
[0039]319、419、519、569:間隙壁
[0040]320:電阻性元件
[0041]350:導(dǎo)電區(qū)域
[0042]360:電性絕緣層
[0043]362、451、452:穿透洞
[0044]368、456、458:金屬層 370、410:過渡層
[0045]420:阻擋保護(hù)層
[0046]421、422:金屬硅化物層
[0047]512:控制柵極
[0048]512:浮動?xùn)艠O
[0049]562,564:氧化物層
[0050]563:氮化物層
【具體實(shí)施方式】
[0051]本發(fā)明為一種非易失性存儲器的電阻性元件與存儲單元及其相關(guān)制作方法。本發(fā)明可以準(zhǔn)確地控制介電層以及障壁層的厚度，使得非易失性存儲器的工藝穩(wěn)定。再者。由于反應(yīng)后所形成的過渡層(transit1n layer)的電阻值變異性不大，因此非常適合于大量生產(chǎn)。以下詳細(xì)介紹本發(fā)明:
[0052]請參照圖3A?3F所繪示為本發(fā)明電阻性元件的制作方法。如圖3A所示，在導(dǎo)電區(qū)域350上形成一電性絕緣層360。其中，導(dǎo)電區(qū)域350可為N型基板、P型基板、N型井區(qū)、P型井區(qū)。
[0053]如圖3B所示，利用蝕刻工藝于電性絕緣層360中形成一穿透洞(