CN113206189B 存储器器件、磁性隧道结存储器器件及其形成方法 （台湾积体电路制造股份有限公司）

US2016028000A1,2016.0US2019207090A1,2019US2016190207A1,2016.介电间隔件防止硬掩模部分的金属材料在磁性且金属单元接触结构可形成于每一顶部电极的2金属单元接触结构，在包括介电基质层的顶部表面的水平面内接触所述顶2.根据权利要求1所述的磁性隧道结存储器器件，其中所述内介电间隔件的所述锥形3.根据权利要求1所述的磁性隧道结存储器器件，进一步包括在所述垂直堆叠和所述4.根据权利要求3所述的磁性隧道结存储器器件，进一步包括定位在所述底部电极与所述金属通孔填充材料部分接触所述底部电极的底部表面且具有比所述底部电极更小的6.根据权利要求1所述的磁性隧道结存储器器件，其中所述内介电间隔件具有可变宽面在垂直横截面视图中具有笔直轮廓且在水平横截面视图中具有金属内连线结构，形成于上覆所述场效应晶体管且在所述垂直堆叠之其中所述参考磁化结构通过所述金属内连线结构的子集连接到所述场效应晶体管的金属单元接触结构，形成于所述介电基质层的上部部分中且接触所3外介电间隔件，横向包围所述内介电间隔件和所述垂直堆叠，第一介电间隔件，包括环形水平延伸部分和垂直延伸部及第二介电间隔件，上覆所述第一介电间隔件的所述环形水其中所述第一介电间隔件和所述第二介电间12.根据权利要求11所述的存储器器件，其中每一磁性隧道结存储单元包括接触所述垂直堆叠的底部表面和所述外介电间隔件的环形底每一磁性隧道结存储单元的所述内介电间隔件包含锥形外侧壁，所所述内介电间隔件的所述锥形外侧壁的底部周边与每一磁性隧道结存储单元内的所形成包括顶部电极和硬掩模部分的柱堆叠，所述顶部电极与所述硬通过在所述柱堆叠上方沉积连续介电衬里且通过各向异性地刻蚀所述连续介电衬里使用所述内介电间隔件和所述硬掩模部分作为刻蚀掩模来各向异性地刻蚀所述连续形成含有相应参考磁化结构、相应非磁性隧道阻挡以及相应自由磁化结构的垂直堆所述垂直堆叠中的每一个具有与所述内介电间隔件中的相应一个的外底部周边重合4形成外介电间隔件，所述外介电间隔件横向包围所述内介电间隔件和所形成金属单元接触结构，所述金属单元接触结构接触所述顶部电内介电间隔件的顶部表面和所述外介电间隔件的顶部表面，且所述顶部电极的顶部表面、所述内介电间隔件的顶部表面和所述外介电间隔件的顶部表面大致15.根据权利要求14所述的在半导体衬底上形成磁性隧道结存储器器件的方法，进一在所述半导体衬底上方形成连续底部电极材料层，其中所述连16.根据权利要求14所述的在半导体衬底上形成磁性隧道结存储器器件的方法，进一在所述场效应晶体管上方形成金属内连线结构，所述金属内连所述参考磁化层中的每一个电连接到所述场效应晶体管中的相应一外介电间隔件，横向包围所述内介电间隔件和所述垂直堆叠，金属单元接触结构，接触所述顶部电极的顶部表面、所述内介电间隔第一介电间隔件，包括环形水平延伸部分和垂直延伸部及第二介电间隔件，上覆所述第一介电间隔件的所述环形水5垂直延伸部分，横向包围磁性隧道结存储单元，并接触所述外表面位于在与所述介电基质层的顶部表面相同6在所述柱堆叠上方沉积连续介电衬里且通过各向异性地刻蚀所述连续介电衬里来形成内垂直堆叠中的每一个具有与所述内介电间隔件中的相应一个的外底部周边重合的顶部周7[0008]图1是根据本公开的实施例的在形成在介电材料层中形成的互补金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor；CMOS)晶体管和金属内连线结构之后的[0009]图2是根据本公开的实施例的在形成介电顶盖层、通孔层级介电层以及下部电极[0010]图3是根据本公开的实施例的在形成连续金属阻挡层和金属通孔填充材料部分之[0011]图4是根据本公开的实施例的在形成连续底部电极材料层、连续非磁性金属缓冲[0012]图5是根据本公开的实施例的在使硬掩模材料层图案化成硬掩模部分之后的示例[0013]图6是根据本公开的实施例的在包含顶部电极、介电衬垫以及硬掩模部分的柱堆[0014]图7是根据本公开的实施例的在连续介电衬里的顺应沉积之后的示例性结构的垂[0015]图8是根据本公开的实施例的在形成内介电间隔件之后的示例性结构的垂直横截由磁化层以及至少一个顶盖层的离散垂直堆叠的阵列之后的示例性结构的垂直横截面视[0017]图10是根据本公开的实施例的在垂直堆叠周围形成外介电间隔件的阵列之后的[0020]图13是根据本公开的实施例的在使第一介电基质层平坦化的化学机械平坦化工[0021]图14是根据本公开的实施例的在逻辑区中形成第二介电基质层和通孔腔之后的[0022]图15是根据本公开的实施例的在逻辑区中形成集成线和通孔腔以及在存储阵列[0023]图16是根据本公开的实施例的在逻辑区中形成集成线和通孔结构以及在存储阵[0024]图17是根据本公开的实施例的在形成在额外介电材料层中形成的额外金属内连89(旋转90度或处于其它定向)，且本文中所使用的空间相对描述词同样可相应地进行解释。例来描述本公开(所述第五金属内连线层层级通常称为成于半导体衬底9的上部部分中。合适的掺杂的半导体井(例如p型井和n型井)可形成于由浅沟槽隔离结构720的连续部分横向围封的每一区域内。场效应晶体管可形成于半导体衬于源极区732与漏极区738之间的半导体衬底9的表面部分的半导体沟道735以及栅极结构[0109]示例性结构可包含其中可随后形成存储器元件的阵列的存储阵列区100，以及其列区100中的器件(例如场效应晶体管)可包含底部电极存取晶体管，所述底部电极存取晶部电极的存取。逻辑区200中的器件(例如场效应晶体管)可提供操作随后待形成的存储单顶部电极偏压电路。形成于半导体衬底9的顶部表面上的器件可包含互补金属氧化物半导[0110]形成于介电材料层中的不同金属内连线结构可随后形成于半导体衬底9和器件线结构628可包含连接到存储元件的阵列的源极侧电源的源极线。由源极线提供的电压可通过设置在存储阵列区100中的存取晶体管施加到镶嵌工艺形成为集成线和通孔结构，和/或第三金属通孔结构642和第四金属线结构648可通孔层级介电材料层640上方的实施例来描述本公开，但本文中明确预期其中存储单元的[0112]参考图2，介电顶盖层108和通孔层级介电层110可依序形成于金属内连线结构和述介电顶盖材料可保护例如第四金属线结构648的之下的金属内连线结构。在一个实施例[0113]通孔层级介电层110可包含可用于介电材料层(介电材料层601、介电材料层610、分解来沉积的掺杂的硅酸盐玻璃。通孔层级介电层110的厚度可在50纳米到200纳米范围绘示)可施加在通孔层级介电层110上方，且可进行图案化以在上覆第四金属线结构648中本文中称为下部电极接触通孔腔121，因为底部电极连接通孔结构随后形成于下部电极接围内的锥角(相对于垂直方向)。第四金属线结构648的顶部表面可物理地暴露于每一下部孔层级介电层110的顶部表面，而没有穿过其的任何孔。连续金属阻挡层122L可包含例如[0116]例如钨或铜的金属填充材料可沉积在下部电极接触通孔腔121的剩余体积中。上覆包含连续金属阻挡层122L的最顶部表面的水平面的金属填充材料的部分可通过例如化材料部分124可具有可与连续金属阻挡层122L的最顶部表面共面的158L以及连续顶部电极材料层160L的层堆叠可形成于连续金属阻挡层122L和金属通孔填充材料部分124上方。层堆叠内的层可通过相应化学气相沉积工艺或相应物理气相沉积工磁性金属缓冲层128L可提供模板晶体结构，所述模板晶体结构沿着使连续合成反铁磁层141L的磁化方向和连续参考磁化层143L的磁化方向在随后待形成的存储单元的操作期间使用公开的所涵盖范围内的其它合适的材料。连续非磁性隧道阻挡层146L的厚度可以是[0123]至少一个连续顶盖层158L包含至少一种顶盖材料。可用于至少一个连续顶盖层158L的示例性顶盖材料包含(但不限于)例如少一个连续顶盖层158L可包含导电金属氮化物。至少一个连续顶盖层158L的总厚度可在[0124]连续顶部电极材料层160L包含至少一种金属材料，例如以是金属材料或介电材料的硬掩模材料。在一个实施例中，硬掩模材料层168L包含例如168的侧壁可相对于垂直方向以在1度到5度范围内(例如2度到4度范围内)的锥角逐渐变[0129]参考图6，可执行各向异性刻蚀工艺以穿过连续介电衬垫层166L和连续顶部电极材料层160L转印硬掩模部分168中的图案。通过各向异性刻蚀工艺来刻蚀连续介电衬垫层166L和顶部电极材料层160L的未遮蔽部分。至少一个连续顶盖层158L可用作刻蚀终止层。连续介电衬垫层166L的每一图案化部分包括介电衬垫166。连续顶部电极材料层160L的每一图案化部分包括顶部电极160。每一顶部电极160可具有与上覆硬掩模部分168的底部表面的形状大体上相同或从所述形状横向扩展的水平横截面形状。顶部电极160的最大横向还可使用更小和更大的最大横向尺寸。顶部电极160的侧壁可相对于垂直方向以在1度到5续顶盖层158L上覆连续非磁性隧道阻挡层146L，所以顶部电极160的侧壁上的这种重新沉原子层沉积(ALD)或化学气相沉积(例如低压化学气相沉积或具有高度顺应覆盖的等离子的每一剩余垂直延伸部分构成在本文中称为内介电间隔件161的介电间隔件。每一内介电部表面的内周边与底部表面的外周边之间的距离可以是均匀的。每一内介电间隔件161的构158的离散垂直堆叠的阵列可形成于连续非磁性金属缓冲层128L上方。每一合成反铁磁非磁性隧道阻挡层146L的图案化部分。每一自由磁化结构148可以是连续自由磁化层148L垂直堆叠158)中的每一个可具有与内介电间隔件161中的相应一个的外底部周边重合的顶垂直堆叠158)内的至少一个顶盖结构158可包括非磁性导电材料，且可接触上覆顶部电极电极160。每一内介电间隔件161可包含相对于垂直方向具有在2度到10度范围内的锥角的[0136]在一个实施例中，每一内介电间隔件161的锥形外侧壁的底部周边可与相应之下一内介电间隔件161的锥形外侧壁的底部周边可与相应之下的垂直堆叠(垂直堆叠141、垂笔直轮廓且在水平横截面视图中具有闭合二维形状。共同锥形平面TP可以是圆锥形平面、全含于共同锥形平面TP内。共同锥形平面TP的水平横截面形状与垂直堆叠(垂直堆叠141、[0138]参考图10，至少一个介电间隔件材料层可顺应地沉积在离散垂直堆叠(垂直堆叠介电间隔件材料的第一介电间隔件材料层和包含第二介电间隔件材料的第二介电间隔件第一介电间隔件材料层和第二介电间隔件材料层中的每一个可使用更小和更大一介电间隔件材料和第二介电间隔件材料的各向异性刻蚀工艺可对连续非磁性金属缓冲层128L的材料具有选择性。第一介电间隔件材料层的每一剩余部分构成第一介电间隔件间隔件162和第二介电间隔件164构成外介电间隔件(外介电间隔件162、外介电间隔件件(外介电间隔件162、外介电间隔件164)和硬掩模部分168作为刻蚀掩模来各向异性地刻部电极160的连续金属阻挡层122L、连续底部电极材料层126L以及连续非磁性金属缓冲层性刻蚀工艺(例如反应性离子刻蚀工艺)和/或各向同性刻蚀工艺(例如湿式刻蚀工艺)。如果顶部电极160包含与连续金属阻挡层122L、连续底部电极材料层126L以及连续非磁性金属缓冲层128L的材料不同的材料，那么刻蚀工艺可对顶部电极160的材料具有选择性(即，[0141]连续非磁性金属缓冲层128L的每一图案化部分构成非磁性金属缓冲层128。连续底部电极材料层126L的每一图案化部分构成底部电极126。连续金属阻挡层122L的每一图一组合构成底部电极连接通孔结构(底部电极连接通孔结构122、底部电极连接通孔结构124)，所述底部电极连接通孔结构(底部电极连接通孔结构122、底部电极连接通孔结构124)提供相应底部电极126与相应第四金属线结构64构124)的阵列可形成于金属内连线结构的相应之下的一个上。存储单元101的阵列可形成电连接到定位在半导体衬底9上的场效应晶体管中的相应一作平坦化终止材料。刻蚀终止介电层170随后可在各向异性刻蚀工艺期间用作刻蚀终止材包含和/或可主要由氧化铝(Al2O3)、氮化铝公开的所涵盖范围内的其它合适的材料。刻蚀终止介电层170可通过等离子体增强化学气[0146]刻蚀终止介电层170可形成于外介电间隔件(外介电间隔件162、外介电间隔件突出部分的阵列，所述垂直突出部分的阵列横向包围存储单元101的阵列中的每一存储单化硅衬里层172可通过顺应或非顺应沉积工艺形成。定位在逻辑区200中或顶部电极160的[0148]第一介电基质层176可形成于氧化硅衬里层172和刻蚀终止介电层170上方。第一实施例中，第一介电基质层176包含具有小于2.5的介电常数的极低介电常数(低k)气相沉积工艺(PECVD)或热化学气相沉积工艺。在632.8纳米的波长(其是可商购的HeNe激存储阵列区100中的第一介电基质层176的顶部表面的第一部分可具有更大的距半导体衬逻辑区200中更高。第一介电基质层176的顶部表面的第一部分可包含第一介电基质层176一部分与形成于逻辑区200中的第一介电基质层176的顶部表面的第二部分之间的高度差介电间隔件164)的阵列。164)的阵列的物理地暴露的表面的轮廓。当第一介电基质层176的材料部分在每对相邻的艺的持续时间，使得逻辑区200中的第一介电基质层176的部分的顶部表面与顶部电极160时间，使得逻辑区200中的第一介电基质层176的厚度与通过将存储单元101的高度和金属区200中的刻蚀终止介电层170的厚度而获得[0151]定位在存储阵列区100中的第一介电基质层176的顶部表面的第一部分与形成于逻辑区200中的第一介电基质层176的顶部表面的第二部分之间的高度差可在包含通孔层级介电层110的顶部表面的水平面与包含顶部电极160的顶部表面的水平面之间的垂直距一介电基质层176的顶部表面的第一部分与形成于逻辑区200中的第一介电基质层176的顶[0152]参考图13，可通过平坦化工艺去除上覆包含顶部电极160的顶部表面的水平面的[0153]在一个实施例中，内介电间隔件161中的每一个可具有物理地暴露的环形水平顶件(外介电间隔件162、外介电间隔件164)的环形底部表面的底部电极126。在一个实施例暴露的水平表面上方，且直接沉积在其上。第二介电基质层178可具有与第一介电基质层[0157]第一光刻胶层(未绘示)可施加在第二介电基质层178上方，且可以光刻方式图案化以在逻辑区200中形成开口的阵列。光刻胶层中的开口的图案可穿过第二介电基质层里层172的材料的第一刻蚀步骤的刻蚀终止层，且可在各向异性刻蚀工艺的第二刻蚀步骤二光刻胶层中的线图案转印到之下的材料部分中。每一通孔腔181可垂直延伸穿过通孔层级介电层110和介电顶盖层108，使得相应第四金属线结构648的顶部表面可在每一通孔腔含相应线腔和与相应线腔的底部表面邻接的至少一个通孔腔。上覆顶部电极160中的相应一个的单元接触腔187可形成于存储阵列区[0159]形成单元接触腔187和集成线和通孔腔183的各向异性刻蚀工艺可对刻蚀终止介的每一个可具有大于相应之下的顶部电极160的横向范围的[0160]在一个实施例中，集成线和通孔腔183内的线沟槽的底部表面可形成于第一介电基质层176与第二介电基质层178之间的水平界面之下。横向包围存储单元101的刻蚀终止介电层170的垂直突出部分充当刻蚀终止材料部分，而线沟槽的底部表面在第一介电基质层176与第二介电基质层178之间的水平[0161]参考图16，至少一种导电材料可沉积在线和通孔腔183中以及单元接触腔187中。料。上覆包含第二介电基质层178的顶部表面的水平面的至少一种导电材料的多余部分可通过例如化学机械抛光工艺的平坦化工艺去除。填充集成线和通孔腔183的至少一种导电元层级占据包含第四金属线结构648的顶部表面的水平面与包含集成线和通孔结构184和金属单元接触结构188的顶部表面的水平及第二介电基质层178的组合共同充当第五线和通孔层级介电材料层。第六线和通孔层级介电材料层660可形成于第二介电基质层178上方。第五金属通孔结构662可形成于第六线168)上方沉积连续介电衬里161L且通过各向异性地刻蚀连续介电衬里161L来形成内介电形成含有相应参考磁化结构143、相应非磁性隧道阻挡146以及相应自由磁化结构148的垂直堆叠158)中的每一个具有与内介电间隔件161中的相应一个的外底部周边重合的顶部周垂直堆叠与内介电间隔件的每一组合周围形电极具有与所述外介电间隔件中的相应一个的外底部周边重合的所述硬掩模部分；以及在所述第一介电基质层的平坦化顶部表面上方形成第二介电基质所述场效应晶体管上方形成金属内连线结构，所述金属内连线结构形成于介电材料层中。包含相对于垂直方向具有在2度到10度范分接触所述底部电极的底部表面且具有比所述底部述顶部电极的底部表面的水平面的垂直距离中所述参考磁化结构通过所述金属内连线结构的子集连接到电材料层620、介电材料层630、介电材料层640)的介电基质层(例如第一介电基质层176)[0182]在一实施方式中，每一磁性隧道结存储单元的所述内介电间隔件包含锥形外侧件的所述锥形