CN109427961A - 存储单元上的顶电极盖结构的形成方法 - Google Patents

Abstract

本公开关于存储单元上的顶电极盖结构的形成方法。在一些实施例中，形成顶电极盖结构于存储单元上的方法包括提供存储单元，其包括顶电极、底电极、与阻值存储器夹设于顶电极与底电极之间。对覆盖存储单元的层间介电层进行蚀刻，以形成通孔开口露出存储单元的顶电极。接着形成集气层以衬垫通孔开口，且集气层位于存储单元的顶电极上并邻接顶电极。形成阻氧层于集气层上，且阻氧层邻接集气层。

Description

存储单元上的顶电极盖结构的形成方法

技术领域

本公开实施例涉及存储单元，更特别涉及其顶电极上的盖结构。

背景技术

许多现代电子装置包含电子存储器。电子存储器可为易失性存储器或非易失性存储器。非易失性存储器可在电源关闭后储存资料，而易失性存储器在电源关闭后失去资料内容。磁阻随机存取存储器比现有的电子存储器如快闪随机存取存储器更快且更耐久，因此为下一世代的非易失性存储器技术的有力候选。与现有的易失性存储器如动态随机存取存储器或静态随机存取存储器相较，磁阻随机存取存储器通常具有类似效能与密度，但耗能更低。

发明内容

本公开一实施例提供的存储单元上的顶电极盖结构的形成方法，包括：提供存储单元，其包括顶电极、底电极、以及阻值存储器夹设于该顶电极与该底电极之间；对覆盖存储单元的层间介电层进行蚀刻，以形成通孔开口露出存储单元的顶电极；形成集气层以衬垫通孔开口，且集气层位于存储单元的顶电极上并邻接顶电极；以及形成阻氧层于集气层上，且阻氧层邻接该气层。

附图说明

图1A是一些实施例中，集成电路的剖视图，且集成电路包含的存储单元具有改良的顶电极盖结构。

图1B是一些实施例中，图1A中改良的顶电极盖结构的放大剖视图。

图2是一些实施例中，图1A的集成电路的扩大剖视图。

图3A是与去离子水溶液相关的集气材料其阻氧图。

图3B是与浆料溶液相关的集气材料其阻氧图。

图4至图19是一些实施例中，具有改良的顶电极盖结构的存储单元的形成方法的剖视图。

图20是一些实施例中，图4至图19的方法的流程图。

附图标记说明：

Tg、Tr 厚度

100A、100B、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900 剖视图

101 存储单元

102 基板

104 下侧层间介电层

106 下侧金属层

108 第一扩散阻挡层

110 第一介电保护层

112 第二介电保护层

114 底电极通孔

116 第二扩散阻挡层

118 保护层

120 底电极

122 存储器

124 顶电极

126 下侧铁磁层

128 磁穿隧绝缘层

130 上侧铁磁层

132 介电间隔物

134 盖结构

136 集气层

138 阻氧层

140 顶电极通孔

142 上侧层间介电层

150 卵形区

152 第一沟槽

154 第二沟槽

202 存储区

204 逻辑区

206 逻辑装置

207 存取装置

208 半导体基板

210 通孔

212 线路

214 扩散阻挡层

300A、300B 阻氧图

502、1502 掩模层

504、904、1102、1202、1504 蚀刻

506 蚀刻开口

602 底电极通孔层

802 底电极层

804 存储器膜

806 顶电极层

808 钉扎铁磁层

810 介电阻挡层

812 自由铁磁层

814 硬掩模层

1002 间隔物层

1506 通孔开口

1508 氧化物层

1602 清洁步骤

1802 顶电极通孔层

2000 流程

2002、2004、2006、2008、2010、2012、2014、2016、2018、2020、2022、2024 步骤

具体实施方式

下述公开内容提供许多不同实施例或实例以实施本公开的不同结构。下述特定构件与排列的实施例是用以简化本公开而非局限本公开。举例来说，形成第一构件于第二构件上的叙述包含两者直接接触，或两者之间隔有其他额外构件而非直接接触。此外，本公开的多个实例可采用重复标号和/或符号使说明简化及明确，但这些重复不代表多种实施例中相同标号的元件之间具有相同的对应关系。

此外，空间性的相对用语如「下方」、「其下」、「较下方」、「上方」、「较上方」、或类似用语可用于简化说明某一元件与另一元件在图示中的相对关系。空间性的相对用语可延伸至以其他方向使用的元件，而非局限于图示方向。元件亦可转动90°或其他角度，因此方向性用语仅用以说明图示中的方向。

半导体工艺中的方向之一为整合不同种类的装置至单一基板上。举例来说，逻辑区与存储区可形成于单一基板上。在一些实施例中，存储区可包含磁阻随机存取存储单元或电阻随机存取存储单元。磁阻随机存取存储单元或电阻随机存取存储单元包含垂直排列于后段工艺的金属化堆叠中的阻值存储器，其位于底电极与顶电极之间。

举例来说，磁组随机存取存储单元的阻值单元可为磁穿隧接面。磁穿隧接面包含以绝缘膜分隔的铁磁膜。至少一铁磁膜的磁向可由外部磁场切换。磁向平行的铁磁膜的电子，比磁向反平行的铁磁膜的电子更易穿隧通过绝缘膜。如此一来，磁穿隧接面可在两个电阻态(一者的电阻较低，而另一者的电阻较高)之间切换以储存资料。

阻值存储器具有薄的层状物。举例来说，由于绝缘层薄(通常为几纳米)，电子可自一铁磁膜穿隧至另一铁磁膜。因为阻值存储器的层状物薄，即使少量氧化都会造成有害影响。同样地，以阻值存储器分隔的电极亦可能氧化。举例来说，用于顶电极通孔的开口形成时，顶电极将暴露至环境，而环境所含的氧气可能氧化顶电极。即使进行预清洁并以低氧化能力的盖层覆盖顶电极，预清洁可能未移除所有的氧化和/或一些氧可能穿过盖层并再氧化顶电极。顶电极氧化会增加接点电阻，导致不良的读取窗口及低良率。

综上所述，本公开多种实施例涉及集成电路，其包含的存储单元具有改良的顶电极盖结构，以避免氧化顶电极。在一些实施例中，存储单元包含存储器、存储器上的鼎便极、以及覆盖保护顶电极的盖结构。盖结构包含集气层，其具有高浓度的金属(如钛)以大量吸收氧气。集气层可捕获周围的氧气，以降低顶电极氧化的风险。此外，盖结构包含阻氧层于集气层上，其对氧具有高抗性。综上所述，盖结构可降低顶电极对氧化的敏感性，因此可保护存储单元操作。

图1A是一些实施例中，集成电路的剖视图100A。集成电路包含存储单元101，其具有改良的顶电极盖结构134。存储单元101配置于基板102上。在一些实施例中，基板102包含后段工艺的金属化堆叠(仅部分图示)，以及后段工艺的金属化堆叠下的半导体基板(未图示)。后段工艺的金属化堆叠其下侧部分包含下侧层间介电层104，以及陷入下侧层间介电层104中的下侧金属层106。举例来说，下侧金属层106可为导电材料如铜、铝铜、一些其他金属、或上述的组合。在一些实施例中，第一扩散阻挡层108围绕部分的下侧金属层106。第一扩散阻挡层108直接接触下侧金属层106，并顺应性地对应下侧金属层106的形状。举例来说，第一扩散阻挡层108可为氮化钛、氮化钽、或一些其他阻挡材料。举例来说，下侧层间介电层104可为氧化物、低介电常数介电物、一些其他介电材料、或上述的组合。此处所述的低介电常数介电物，其介电常数低于约3.9、3、2、或1。

第一介电保护层110配置于下侧层间介电层104上。在一些实施例中，第一介电保护层110包含碳化硅、氮化硅、一些其他介电物、或上述的组合。第二介电保护层112位于第一介电保护层110上。在一些实施例中，第二介电保护层112包括富硅氧化物、一些其他氧化物、一些其他介电物、或上述的组合。

底电极通孔114与第二扩散阻挡层116配置于第一介电保护层110与第二介电保护层112中。下侧金属层106与底电极通孔114之间的第二扩散阻挡层116，顺应性地位于至少部分的底电极通孔114周围，并位于下侧金属层106上。在一些实施例中，第二扩散阻挡层116直接接触底电极通孔114和/或下侧金属层106。此外，一些实施例中的第二扩散阻挡层116可自下侧金属层106向上延伸至底电极通孔114。第二扩散阻挡层116可包含氮化钽、碳化硅、氮化硅、或上述的组合。保护层118位于底电极通孔114与第二扩散阻挡层116的两侧上。在一些实施例中，保护层118横向地围绕(比如完全横向围绕)底电极通孔114与第二扩散阻挡层116。综上所述，保护层118可为外侧侧壁间隔物结构。保护层118的最下侧表面接触第二介电保护层112。保护层118自第二介电保护层112向上延伸，并具有弧状的内侧侧壁与外侧侧壁。保护层118可包含碳化硅、氮化硅、或上述的组合。

存储单元101配置于底电极通孔114。存储单元101包含底电极120、存储器122、与顶电极124。在一些实施例中，存储器122可为阻值切换层。在一些实施例中，存储器122为磁穿隧接面，其可包含下侧铁磁层126、磁穿隧绝缘层128、与上侧铁磁层130。此外，一些实施例中的下侧铁磁层126或上侧铁磁层130钉扎或固定至一磁向。在其他实施例中，存储器122为电阻随机存取存储器。

举例来说，底电极120与顶电极124可包含导电材料，比如氮化钛、氮化钽、钽、钛、或上述的组合。在一些实施例中，在制作集成电路时，可清洁顶电极124以移除吸收的原子(如氧原子)的顶层。举例来说，清洁步骤可采用钝性原子撞击顶极124的上表面，可物理移除吸收的原子，即清除顶电极124吸附的原子。综上所述，上表面可能不均匀和/或免于氧化。

介电间隔物132围绕底电极120、存储器122、与顶电极124。介电间隔物132位于底电极120、存储器122、与顶电极124的两侧上。此外，一些实施例中的介电间隔物132横向地围绕(比如完全横向围绕)底电极120、存储器122、与顶电极124。介电间隔物132的内侧侧壁可接触底电极120、存储器122、与顶电极124。此外，介电间隔物132的外侧侧壁可为弧形，且顺应性地邻接保护层118的弧形内侧侧壁。举例来说，介电间隔物132可为氮化硅、氧化硅、一些其他介电物、或上述的组合。

盖结构134位于顶电极124上。盖结构134包含集气层136与阻氧层138。集气层136位于顶电极124上。在一些实施例中，集气层136位于顶电极124的上表面上，并接触顶电极124的上表面。此外，一些实施例的集气层136延伸至顶电极124的上表面下，并顺应性地位于顶电极124的侧壁上。在其他实施例中，集气层136嵌置于顶电极124的区域中，比如集气层136可形成于顶电极124中的至少一沟槽(未图示)内。

集气层136包含集气材料，其设置以吸收可能负面地影响(如氧化)顶电极124的气体。举例来说，气体可包含氢气、氧气、水蒸气、或氮气。举例来说，集气材料可包含钛、锆、铪、镧、钯、钯银、钯钌、或上述的组合。在一些实施例中，集气层136含有50质量％或更多的集气材料。此外，一些实施例中的集气层136包含其吸收的原子。举例来说，集气层136可包含自顶电极124吸收的氧，因此集气层136可包含金属氧化物如氧化钛。举例来说，集气层136富含集气材料特性，使其与氧具有高反应性。如此一来，集气层136可高效地吸收周围的氧粒子。在一些实施例中，集气层136其材料与氧的反应性，高于顶电极124其材料与氧的反应性，即集气层136需较少能量即可与氧反应。举例来说，顶电极124可为钽，而集气层136可为铪、钛、锆、或镧。此外，一些实施例中的集气层136其材料对气体如氢气和/或氧气的亲和力，高于顶电极124其材料对气体的亲和力。此外，一些实施例中的集气层136为非晶和/或非孔洞，因此集气层136较不易碎裂(比如具有较高机械强度)和/或更易成膜。

阻氧层138位于集气层136上。阻氧层138可接触集气层136，并顺应性地位于集气层136上。阻氧层138可包含与氧的反应性低于集气层136和/或顶电极124的金属或陶瓷，即阻氧层138需要更多能量才能与氧反应。举例来说，金属或陶瓷可包含氮化钛、氮化钽、镍、钨、铜、金、钌、铂、或上述的组合。在一些实施例中，氮化钛中氮与钛的质量比介于约0.9至1.1之间(比如约1.02)。此外，一些实施例中的阻氧层138为氮化钛(比如氮/钛比为约1.02)，集气层136为钛(比如纯钛或钛元素)，而顶电极124为钽(比如纯钽或钽元素)。阻氧层138保护集气层136免于暴露至超出其能吸收的更多氧。

盖结构134的双层如集气层136与阻氧层138，可一起保护顶电极124。阻氧层138保护下方的层状物免于暴露至氧。即使氧穿过阻氧层138，集气层136可吸收不想要的氧。此外，若清洁顶步骤后残留任何氧于顶电极124上，集气层136可吸收残留的氧。如此一来，盖结构134可减少顶电极124的氧化，而上述氧化会负面地影响存储单元101的操作。举例来说，氧化会增加接点电阻，导致不良的读取窗口及低良率。

顶电极通孔140自顶电极124延伸穿过盖结构134与上侧层间介电层142。在一些实施例中，顶电极通孔140接触盖结构134。举例来说，顶电极通孔140可为金属如铜、铝、钨、或上述的组合。上侧层间介电层142可包含四乙氧基硅烷的氧化物、一些其他氧化物、低介电常数介电物、一些其他介电材料、或上述的组合。

图1B是一些实施例中，图1A的改良顶电极盖结构134的放大剖视图100B。举例来说，放大剖视图100B对应图1A中的卵形区150。如图所示，一些实施例的集气层136延伸至顶电极124的下表面下，和/或顺应性地形成于顶电极124的侧壁上。如此一来，一些实施例中的盖结构134定义第一沟槽152与第二沟槽154(在剖视图中)，且上述沟槽之间隔有顶电极124。在一些实施例中，第一沟槽152与第二沟槽154为部分的环状沟槽(在剖视图中)。

此外，一些实施例中位于第一沟槽152与第二沟槽154中的阻氧层138其上表面，低于顶电极124的上表面。举例来说，集气层136的厚度Tg可介于约至约之间、介于约至之间、介于约至之间、或小于约举例来说，阻氧层138的厚度Tr可介于约至之间、介于约至之间、介于约至之间、或小于约在一些实施例中，集气层136的厚度Tg为约而集氧层138的厚度Tr为约阻氧层138的厚度Tr可大于集氧层136的厚度Tg。

图2是一些实施例中，图1A的集成电路的扩大剖视图。在附图中，集成电路分为存储区202与逻辑区204。存储区202具有存储单元阵列(仅部分图示)，其包含图1A的存储单元101。举例来说，存储单元阵列的每一存储单元可为图1A所示的存储单元101，并搭配图1A说明如上。逻辑区204包含多个逻辑装置206(仅图示一个)。举例来说，逻辑装置206有利于存储单元101读取与写入资料。此外，逻辑装置206可包含绝缘栅极场效晶体管、金属氧化物半导体场效晶体管、或一些其他种类的半导体装置。

集成电路包含半导体基板208与多个层间介电层堆叠于半导体基板208上。举例来说，半导体基板208可为基体硅基板、绝缘层上硅基板、或一些其他种类的半导体基板。层间介电层包含覆盖半导体基板208的下侧层间介电层104、亦包含覆盖下侧层间介电层104的上侧层间介电层142。逻辑装置206凹陷至半导体基板208的上表面中，且位于半导体基板208与下侧层间介电层104之间。在一些实施例中，存取装置207位于存储单元阵列的每一存储单元下，且位于半导体基板208及下侧层间介电层104之间。举例来说，存取装置207可为绝缘栅极场效晶体管、金属氧化物半导体场效晶体管、或一些其他种类的晶体管。此外，存储单元阵列位于半导体基板208上，且位于下侧层间介电层104与上侧层间介电层142之间。举例来说，下侧层间介电层104与上侧层间介电层142可为氧化物、氮化物、低介电常数介电物、一些其他介电物、或上述的组合。

导电结构堆叠于层间介电层中，以定义逻辑装置206与存储单元阵列的内连线的导电路径。导电结构包含通孔210与线路212。线路212包含下侧金属层106，且通孔210包含顶电极通孔140与底电极通孔114。为简化附图，只标示一些通孔210与一些线路212。举例来说，通孔210与线路212可为钨、铜、铝铜、铝、一些其他导电材料、或上述的组合。在一些实施例中，以扩散阻挡层214衬垫线路212，且扩散阻挡层214包含下侧金属层106的第一扩散阻挡层108。为简化附图，只标示一些扩散阻挡层214。举例来说，扩散阻挡层214可为氮化钛、氮化钽、一些其他阻挡材料、或上述的组合。

图3A是以去离子水溶液清洁顶电极124时，阻氧层138的阻氧图300A。改良的顶电极盖结构134的阻氧能力取决于清洁顶电极124的方式，以及改良顶电极盖结构134的阻氧能力。在此图中，用于阻氧层138的氮化钛比氮化钽的抗氧化效果好。

图3B是以浆料溶液进行化学机械研磨以形成顶电极124时，阻氧层138的阻氧图300B。在浆料中，氮化钛比氮化钽的阻氧能力好。综上所述，在考虑盖结构134的材料时，需考虑其在多种工艺如化学机械研磨与清洁顶电极124中的阻氧能力。

图4至图19是一些实施例中，具有改良盖结构的存储单元其形成方法的剖视图400至1900。举例来说，存储单元可对应图1A与图1B的存储单元。

如图4的剖视图400所示，提供或形成基板102。基板102包含下侧层间介电层104与下侧金属层106。下侧层间介电层104可为氧化物、低介电常数介电物、超低介电常数介电物、一些其他介电物、或上述的组合。下侧金属层106与第一扩散阻挡层108凹陷至下侧层间介电层104的顶部中，且第一扩散阻挡层108衬垫下侧金属层106的下侧。在一些实施例中，下侧金属层106与第一扩散阻挡层108的形成方法为蚀刻至下侧层间介电层104中，以形成开口于下侧层间介电层104中。第一扩散阻挡层108可衬垫开口，且导电层(如铜、铝、或类似物)可填入第一扩散阻挡层108上的开口。此外，可对第一扩散阻挡层108与导电层进行平坦化工艺，以移除开口之外的材料。

第一介电保护层110形成于下侧层间介电层104及下侧金属层106的上表面上。第一介电保护层110可包含氮化硅、碳化硅、一些其他介电物、或上述的组合。在一些实施例中，第一介电保护层110的厚度为约30纳米。第二介电保护层112形成于第一介电保护层110上。第二介电保护层112可包含富硅氧化物、四乙氧基硅烷的氧化物、一些其他介电物、或上述的组合。举例来说，第一介电保护层110与第二介电保护层112的形成方法可为一或多道沉积工艺，比如物理气相沉积、化学气相沉积、溅镀、或一些其他沉积工艺。

如图5的剖视图500所示，形成并图案化掩模层502于第二介电保护层112上。经由掩模层502中的蚀刻开口506进行蚀刻504，以图案化第二介电保护层112与下方的第一介电保护层110。在一些实施例中，掩模层502可为光致抗蚀剂层。在一些实施例中，蚀刻开口506可让干蚀刻工艺(如等离子体蚀刻)到达第二介电保护层112与下方的第一介电保护层110。

如图6的剖视图600所示，形成底电极通孔层602与第二扩散阻挡层116于第二介电保护层112上。特别的是，扩散阻挡层的材料可衬垫蚀刻开口506以形成第二扩散阻挡层116，接着再填入底电极通孔层602的材料。举例来说，扩散阻挡层的材料可包含氮化钛、氮化钽、一些其他阻挡材料、或上述的组合。底电极通孔层602为导电材料，比如铜、铝、或类似物。

如图7的剖视图700所示，可进行平坦化工艺以移除及平坦化底电极通孔层602的上表面。在一些实施例中，平坦化工艺可为化学机械研磨。

如图8的剖视图800所示，沉积底电极层802、存储器膜804、顶电极层806、与硬掩模层814。在一些实施例中，存储器膜804可包含磁穿隧膜，其具有钉扎铁磁层808与自由铁磁层812，且上述两者之间隔有介电阻挡层810。在其他实施例中，存储器膜804可包含电阻随机存取存储器的介电资料储存膜。在一些实施例中，存储器膜804的厚度为约3纳米。

底电极层802与顶电极层806包含一或多个导电层。在一些实施例中，顶电极层806可包含氮化钛、氮化钽、金属(如钛或钽)、或其他导电材料。在一些实施例中，顶电极层806的厚度为约100纳米。硬掩模层814位于顶电极层806上。底电极层802、存储器膜804、顶电极层806、与硬掩模层814的形成方法可为一或多道的沉积工艺如物理气相沉积、化学气相沉积、或类似方法。

如图9的剖视图900所示，沉积光致抗蚀剂于部分的硬掩模层814上。接着进行蚀刻904，可图案化底电极层802、存储器膜804、与顶电极层806，以分别形成底电极120、存储器122、与顶电极124。蚀刻904可为干蚀刻(如等离子体蚀刻)，以达底电极通孔层602。

如图10的剖视图1000所示，顺应性的间隔物层1002可沉积于硬掩模层814、底电极120、存储器122、与顶电极124上。顺应性的间隔物层120可包括氮化硅、氧化硅、四乙氧基硅烷的氧化物、富碳氧化物、一些其他介电材料、或上述的组合。在一些实施例中，顺应性的间隔物层1002的形成方法可为气相沉积技术，比如物理气相沉积、化学气相沉积、或类似技术。

如图11所示的剖视图1100所示，对顺应性的间隔物层1002进行蚀刻1102，以形成介电间隔物132。蚀刻1102可为干蚀刻(如等离子体蚀刻)以达底电极通孔层602。

如图12的剖视图1200所示，进行蚀刻1202以自底电极通孔层602形成底电极通孔114，并图案化第二扩散阻挡层116。蚀刻1202可为干蚀刻(如等离子体蚀刻)以达第二介电保护层112。在一些实施例中，底电极通孔114与第二扩散阻挡层116的外侧侧壁，自介电间隔物132的外侧侧壁向下延伸。此外，底电极通孔114与扩散阻挡层116的外侧侧壁可在同一直线上。

如图13的剖视图所示，沉积保护层118于第二介电保护层112、介电间隔物132、与硬掩模层814上。保护层118作为蚀刻停止层，且可包含碳化硅、氮化硅、护上述的组合。此外，沉积上侧层间介电层142于保护层118上。举例来说，上侧层间介电层142可包含介电材料如四氧基硅烷的氧化物。

如图14的剖视图1400所示，对上侧层间介电层142进行平坦化工艺，使上侧层间介电层142的上表面平坦。在一些实施例中，平坦化工艺可为化学机械研磨。

如图15所示的剖视图1500所示，形成掩模层1502于上侧层间介电层142上。在一些实施例中，掩模层1502可为光致抗蚀剂层。进行蚀刻1504以图案化通孔开口1506于上侧层间介电层142中，且通孔开口1506延伸穿过硬掩模层814至顶电极124。由于通孔开口1506露出顶电极124，顶电极124的露出部分可能氧化，以形成氧化物层1508于顶电极124上。氧化会增加顶电极124的接点电阻，并负面地影响存储单元的效能。在一些实施例中，硬掩模层814的两侧上的过蚀刻将分别形成第一沟槽152与第二沟槽154于顶电极124的两侧上。

如图16的剖视图1600所示，对顶电极124进行清洁步骤1602以移除顶电极124上的氧化物层1508(见图15)。在一些实施例中，采用溅镀技术清洁顶电极124，并以离子轰击物理侵蚀顶电极124的最上侧表面与氧化物层1508。举例来说，在磁控溅镀的步骤中，低压气体等离子体轰击氧化物层1508与顶电极124的最上侧表面，以驱离表面上的原子如氧原子。气体可为惰性钝气如氩。顶电极124可清洁一段预定时间，比如5至7秒。在其他实施例中，可清洁顶电极124以移除氧化物1508及预定量的顶电极124。举例来说，顶电极124在清洁前具有初始高度，且在清洁后具有所需的缩小高度。在一些实施例中，清洁步骤会让顶电极124的最上侧表面不均匀、凹陷、或具有坑洞。

如图17的剖视图1700所示，沉积集气层136于通孔开口1506中的顶电极124上。在一些实施例中，集气层136的沉积方法可为物理气相沉积、化学气相沉积、或一些其他沉积工艺。集气层136的厚度可小于约10纳米。举例来说，集气层136的厚度可为约5纳米。在一些实施例中，集气层136的组成为集气材料，其可吸收和/或消耗气体如氧，以避免氧化顶电极124。举例来说，集气材料可为钛、锆、铪、炉、钯、钯银、钯炉、镧、或上述的组合。

在一些实施例中，集气材料亦可包含IV族元素如钛、锆、铪、或炉。上述元素可形成稳定的氢化物，有利于收集氢气、氧气、氮气、与水蒸气。此外，一些实施例中集气材料的选择取决于其与周围气体的反应性，以消耗任何存在的周围气体。在其他实施例中，集气材料亦可为钯或钯合金(如钯钌或钯银)。在一些实施例中，集气层136对氧气的反应性高于顶电极124，即集气层136与氧反应所需的能量较低。举例来说，顶电极124可为钽，而集气层136可为铪、钛、锆、或镧。

在一些实施例中，集气材料为富含金属的材料。举例来说，集气层136可包含富钛材料，其集氢能力为27Pa-l/mg、集氧能力为4.4Pa-l/mg、且集氮能力为0.85Pa-l/mg。在一实施例中，可依对特定气体的亲和力选择集气材料。举例来说，钛与其他IV族元素相较，对氢的亲和力较高。亦可依物理特性选择集气材料。举例来说，集气材料的选择需考虑机械强度、非晶格结构、与类似性质。

如图17的剖视图1700所示，沉积阻氧层138于集气层136上。举例来说，阻氧层138的最下侧表面可接触集气层136的最上侧表面。举例来说，阻氧层138的沉积方法可为物理气相沉积、化学气相沉积、或一些其他沉积工艺。举例来说，阻氧层138可为氮化钽、氮化钛、镍、钨、铜、金、钌、铂、或上述的组合。在一些实施例中，氮化钛的氮/钛比例的质量比介于约0.9至1.1之间，比如1.02。此外，一些实施例中的阻氧层138为氮化钛(其氮/钛比可为约1.02)，集气层136为钛(纯钛或钛元素)，且顶电极124为钽(纯钽或钽元素)。阻氧层138的厚度至少部分取决于存储器122的种类。举例来说，阻氧层138的厚度可介于约2纳米至约20纳米之间。在一些实施例中，阻氧层138的厚度为约10纳米。阻氧层138可避免额外的氧气到达集气层136和/或顶电极124。

在一些实施例中，为减少集气层136和/或顶电极124暴露至氧气的机会，可进行图16所示的清洁并临场沉积集气层136与阻氧层138。举例来说，可清洁顶电极124如图16所示，接着可沉积集气层136与阻氧层138如图17所示，且上述清洁与沉积工艺均在相同工艺腔室中进行和/或不移动图16与图17中的半导体结构。

如图18的剖视图1800所示，将导电材料如铜、铝、或类似物超填通孔开口1506(见图17)，以形成顶电极通孔层1802。

如图19所示的剖视图1900，对顶电极通孔层1802进行平坦化工艺，以形成顶电极通孔140。在一些实施例中，平坦化工艺可为化学机械研磨。

图20是一些实施例中，具有改良盖结构的存储单元的形成方法其流程2000。举例来说，方法可对应图4至图19的方法。此外，存储单元可对应图1A与图1B的存储单元。

在步骤2002中，形成第一介电保护层与第二介电保护层的堆叠于基板上。基板包含下侧层间介电层，与陷入下侧层间介电层的顶部中的下侧金属线路。举例来说，此步骤可参考图4。

在步骤2004中，对第一与第二介电保护层进行第一蚀刻，形成蚀刻开口以露出下侧金属层。举例来说，此步骤可参考图5。

在步骤2006中，将阻挡层与底电极通孔层填入蚀刻开口中，且可平坦化底电极通孔层。举例来说，此步骤可参考图6与图7。

在步骤2008中，形成底电极层、存储器膜、顶电极层、与硬掩模层于底电极通孔层上。举例来说，此步骤可参考图8。

在步骤2010中，可对底电极层、存储器膜、与顶电极层进行第二蚀刻，以分别形成底电极、存储器、与顶电极。举例来说，此步骤可参考图9。

在步骤2012中，可形成顺应性的间隔物层于硬掩模层上。举例来说，此步骤可参考图10。

在步骤2014中，可对顺应性的间隔物层、底电极通孔层、与阻挡层进行第三蚀刻，以自顺应性的间隔物层形成介电间隔物、自底电极通孔层形成底电极通孔、并图案化扩散阻挡层。举例来说，此步骤可参考图11与图12。

在步骤2016中，可形成保护层与层间介电层于硬掩模层上，且可平坦化层间介电层。此步骤可参考图13与图14。

在步骤2018中，对层间介电层进行第四蚀刻形成通孔开口，以露出顶电极。举例来说，此步骤可参考图15。露出顶电极可能会导致氧化顶电极。举例来说，氧化除了其他负作用外，还可能增加顶电极的接点电阻而负面地影响存储单元。

在步骤2020中，经由通孔开口清洁顶电极，以移除顶电极上的氧化物。清洁顶电极的方法可为离子轰击。举例来说，此步骤可参考图16。

在步骤2022中，形成集气层于通孔开口中并接触顶电极。集气层的组成可富含金属，比如具有50wt％的金属。集气层有利于移除步骤2020的清洁步骤后残留在顶电极上的任何氧气。同样在步骤2022中，形成阻氧层于集气层上。阻氧层的组成可为阻氧材料。举例来说，此步骤可参考图17。在一些实施例中，步骤2020中的清洁以及步骤2022中形成集气层与阻氧层等工艺，可临场进行于共同的工艺腔室中，和/或在工艺中不移动存储单元。

在步骤2024中，形成顶电极通孔于盖结构上的通孔开口中。可平坦化顶电极通孔。举例来说，此步骤可参考图18与图19。

虽然上述方法搭配图4至图19说明，但应理解上述方法不限于图4至图19所示的结构，而可独立存在于图4至图19所示的结构之外。同样地，应理解图4至图19所示的结构不限于上述方法，而可独立存在于上述方法之外。

此外，当图20的流程2000在上述内容中为一系列的步骤或事件，但应理解这些步骤或事件不局限于上述顺序。举例来说，可采用不同顺序进行一些步骤，或同时进行一些步骤与其他步骤。此外，并非所有的步骤均必需实施于本公开的一或多个实施例中。另一方面，可在一或多个分开的步骤和/或阶段中，进行下述的一或多个步骤。

本公开一些实施例提供存储单元上的顶电极盖结构的形成方法。方法包括提供存储单元，其包括顶电极、底电极、以及阻值存储器夹设于顶电极与底电极之间。对覆盖存储单元的层间介电层进行蚀刻，以形成通孔开口露出存储单元的顶电极。接着形成集气层以衬垫通孔开口，且集气层位于存储单元的顶电极上并邻接顶电极。形成阻氧层于集气层上，且阻氧层邻接集气层。

在一些实施例中，上述方法还包括在形成集气层之前，先清洁顶电极的最上侧表面以移除最上侧表面上的氧化。

在一些实施例中，上述方法临场进行清洁步骤、形成集气层的步骤、与形成阻氧层的步骤。

在一些实施例中，上述方法的清洁步骤采用氩等离子体清洁工艺。

在一些实施例中，上述方法临场进行形成集气层的步骤与形成阻氧层的步骤而不移动存储单元。

在一些实施例中，上述方法的集气层具有至少50重量％的集气材料，且集气层的集气材料为IV族金属。

在一些实施例中，上述方法的顶电极为钽，集气层为钛，且阻氧层为氮化钛。

在一些实施例中，上述方法的集气层厚度介于约至之间，且阻氧层厚度介于约至之间。

在一些实施例中，上述方法的集气层材料对氧的反应性，高于顶电极材料对氧的反应性。

在一些实施例中，上述方法的阻氧层材料对氧的反应性，低于集气层材料及顶电极材料对氧的反应性。

在一些实施例中，上述方法还包括形成第一顶电极通孔填入阻氧层上的电极开口，其中顶电极通孔接触阻氧层。

本公开其他实施例提供的存储装置，包括底电极；阻值存储器，位于底电极上；以及顶电极，位于阻值存储器上。存储装置亦包含盖结构，位于顶电极上。盖结构包含集气层，与集气层上的阻氧层。

在一些实施例中，上述存储装置的集气层材料对氧的反应性，高于顶电极材料对氧的反应性，且阻氧层材料对氧的反应性，低于集气层材料与顶电极材料对氧的反应性。

在一些实施例中，上述存储装置的顶电极为包含钽的金属，集气层包含至少50wt％的钛，且阻氧层为氮化钛。

在一些实施例中，上述存储装置的集气层包含IV族金属。

在一些实施例中，上述存储装置的集气层包含至少50wt％的集气材料。

在一些实施例中，上述存储装置的阻值存储器为磁穿隧接面。

在一些实施例中，上述存储装置的盖结构衬垫阻值存储器两侧上的一对沟槽，且每一沟槽凹陷至低于顶电极的最顶部表面。

本公开又一实施例提供的存储装置，具有基板，其包括层间介电层，金属线路凹陷至层间介电层的顶部中，以及介电保护层位于层间介电层与金属线路上。存储装置亦包括底电极通孔位于金属线路上。底电极通孔自介电保护层上延伸穿过介电保护层。存储装置亦包括底电极、存储器、与顶电极堆叠于底电极通孔上。存储器位于底电极与顶电极之间。介电间隔物位于底电极通孔上及存储器的两侧上。介电间隔物横向接触顶电极、存储器、与底电极。顶电极通孔位于顶电极上。盖结构位于顶电极与顶电极通孔之间，并接触顶电极与顶电极通孔。盖结构包含集气层接触顶电极，以及阻氧层接触集气层与顶电极通孔。

在一些实施例中，上述存储装置的集气层接触顶电极其最顶部的表面，横向接触顶电极的两侧，并横向接触介电间隔物的两侧，其中阻氧层顺应性地形成于集气层上。

本公开已以数个实施例公开如上，以利本领域普通技术人员理解本公开。本领域普通技术人员可采用本公开为基础，设计或调整其他工艺与结构，用以实施实施例的相同目的，和/或达到实施例的相同优点。本领域普通技术人员应理解上述等效置换并未偏离本公开的构思与范畴，并可在未偏离本公开的构思与范畴下进行这些不同的改变、置换、与调整。

Claims (1)

1.一种存储单元上的顶电极盖结构的形成方法，包括：

提供一存储单元，其包括一顶电极、一底电极、以及一阻值存储器夹设于该顶电极与该底电极之间；

对覆盖该存储单元的一层间介电层进行蚀刻，以形成一通孔开口露出该存储单元的该顶电极；

形成一集气层以衬垫该通孔开口，且该集气层位于该存储单元的该顶电极上并邻接该顶电极；以及

形成一阻氧层于该集气层上，且该阻氧层邻接该集气层。