一种垂直型三维存储器的制备方法与流程

1.本技术涉及半导体制备领域，尤其涉及一种垂直型三维存储器的制备方法。


背景技术：

2.铁电存储器(feram)是在后道制程(beol)中集成存储单元(cell)的器件，其为存储单元插入相邻两金属层之间的构造。铁电存储器的存储性能与存储单元中存储层及电极层的有效面积成正比。
3.现有技术中，铁电存储器的电极层在工艺制备上采用类似8寸工艺的铝制程凸版布线，这给后续刻蚀工艺带来困难，也不符合目前主流工艺方法。
4.请一并参阅图1～图2d，其中，图1为现有技术中存储器的制备方法的步骤示意图，图2a～图2d为现有技术中存储器的制备方法主要步骤形成的器件结构示意图。
5.如图1所示，现有技术中三维存储器的制备方法包括如下步骤：步骤s11，提供一基底，所述基底包括衬底，形成于所述衬底之上的介质层、形成于所述介质层内的金属结构；s12、于所述介质层内刻蚀出垂直沟槽，所述垂直沟槽的底部部分暴露所述金属结构的表面；s13、于所述垂直沟槽的内壁以及所述介质层的表面依次沉积下电极材料层、铁电材料层、上电极材料层、金属材料层；以及s14、采用预先设计的掩膜版作为掩膜，用干法刻蚀去除多余金属材料层、上电极材料层、铁电材料层、下电极材料层，形成金属膜层、上电极层、铁电膜层、下电极层；其中，上电极层、铁电膜层、下电极层构成存储单元。
6.请参阅步骤s11及图2a，提供一基底，所述基底包括衬底20，形成于所述衬底20之上的介质层21、形成于所述介质层21内的金属结构22。
7.请参阅步骤s12及图2b，于所述介质层21内刻蚀出垂直沟槽25，所述垂直沟槽25的底部部分暴露所述金属结构22的表面。
8.请参阅步骤s13及图2c，于所述垂直沟槽25的内壁以及所述介质层21的表面依次沉积下电极材料层2310、铁电材料层2320、上电极材料层2330、金属材料层240。
9.请参阅步骤s14及图2d，采用预先设计的掩膜版作为掩膜，用干法刻蚀去除多余金属材料层、上电极材料层、铁电材料层、下电极材料层，形成金属膜层24、上电极层233、铁电膜层232、下电极层231；其中，上电极层233、铁电膜层232、下电极层231构成存储单元23。
10.但多层混合膜层的刻蚀，特别是包括金属膜层的干法刻蚀，对蚀刻气体配比、刻蚀选择比等工艺要求高，刻蚀过程中关键尺寸、垂直沟槽的侧壁轮廓等控制难度大，不利于大规模推广生产。


技术实现要素：

11.本技术所要解决的技术问题是提供一种垂直型三维存储器的制备方法，通过改善工艺流程，无需采用工艺难度较高的多层金属刻蚀工艺，降低了整体工艺难度。
12.为了解决上述问题，本技术提供了一种垂直型三维存储器的制备方法，所述方法包括如下步骤：提供一基底，所述基底包括衬底，形成于所述衬底之上的第一介质层、形成
于所述第一介质层内的金属结构；形成覆盖所述第一介质层的第二介质层；形成部分暴露所述金属结构的垂直沟槽，所述垂直沟槽具有位于所述第一介质层中的第一沟槽以及位于所述第二介质层中的第二沟槽，所述第一沟槽与第二沟槽连通、且所述第二沟槽的开口尺寸大于所述第一沟槽的开口尺寸；于所述垂直沟槽的内壁以及所述第二介质层的表面依次形成第一电极材料层、存储材料层、第二电极材料层及金属材料层；以及去除所述垂直沟槽区域以外的金属材料层、第二电极材料层、存储材料层、第一电极材料层，形成金属膜层、第二电极层、存储层、第一电极层，其中，所述第二电极层、存储层、第一电极层构成存储单元，所述垂直沟槽底部的所述第一电极层与所述金属结构相接触，所述金属膜层的表面与所述第二介质层的表面基本齐平以用于外接电路。
13.在一些实施例中，所述的去除所述垂直沟槽区域以外的金属材料层、第二电极材料层、存储材料层、第一电极材料层的步骤进一步包括：以所述第二介质层为研磨停止层对金属材料层、第二电极材料层、存储材料层、第一电极材料层进行化学机械研磨，以去除所述垂直沟槽区域以外的金属材料层、第二电极材料层、存储材料层、第一电极材料层。
14.上述技术方案，通过预先形成部分暴露金属结构的上宽下窄的垂直沟槽，于垂直沟槽的内壁以及介质层的表面依次形成第一电极材料层、存储材料层、第二电极材料层及金属材料层，并采用化学机械研磨工艺去除垂直沟槽区域以外的金属材料层、第二电极材料层、存储材料层、第一电极材料层，形成金属膜层以及存储单元的第二电极层、存储层、第一电极层；垂直沟槽底部的第一电极层与金属结构相接触，金属膜层的表面与介质层的表面基本齐平、以用于外接电路。本技术通过采用工艺成熟、过程控制相对简单的化学机械研磨工艺替代控制难度较大的多层混合膜层的刻蚀、特别是包括金属膜层的干法刻蚀，大大降低整体工艺难度，改善了工艺流程，利于规模化推广。
15.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术的实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为现有技术中存储器的制备方法的步骤示意图；
18.图2a～图2d为现有技术中存储器的制备方法主要步骤形成的器件结构示意图；
19.图3为本技术一实施例中垂直型三维存储器的制备方法的步骤示意图；
20.图4～图10为本技术一实施例中垂直型三维存储器的制备方法主要步骤形成的器件结构示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
22.本技术一实施例提供了一种垂直型三维存储器的制备方法。
23.请一并参阅图3～图10，其中，图3为本技术一实施例中垂直型三维存储器制备方法的步骤示意图，图4～图10为本技术一实施例中垂直型三维存储器制备方法主要步骤形成的器件结构示意图。
24.如图3所示，本实施例所述垂直型三维存储器的制备方法包括如下步骤：s31、提供一基底，所述基底包括衬底，形成于所述衬底之上的第一介质层、形成于所述第一介质层内的金属结构；s32、形成覆盖所述第一介质层的第二介质层；s33、形成部分暴露所述金属结构的垂直沟槽，所述垂直沟槽具有位于所述第一介质层中的第一沟槽以及位于所述第二介质层中的第二沟槽，所述第一沟槽与第二沟槽连通、且所述第二沟槽的开口尺寸大于所述第一沟槽的开口尺寸；s34、于所述垂直沟槽的内壁以及所述第二介质层的表面依次形成第一电极材料层、存储材料层、第二电极材料层及金属材料层；以及s35、去除所述垂直沟槽对应区域以外的金属材料层、第二电极材料层、存储材料层、第一电极材料层，形成金属膜层、第二电极层、存储层、第一电极层，其中，所述第二电极层、存储层、第一电极层构成存储单元，所述垂直沟槽底部的所述第一电极层与所述金属结构相接触，所述金属膜层的表面与所述第二介质层的表面基本齐平以用于外接电路。
25.请参阅步骤s31及图4，提供一基底，所述基底包括衬底40，形成于所述衬底40之上的第一介质层411，形成于所述第一介质层411内的金属结构42。
26.在一些实施例中，衬底40可以包括硅(si)衬底、锗(ge)衬底、锗化硅(sige)衬底、绝缘体上硅(silicon-on-insulator，简称soi)衬底或绝缘体上锗(germanium-on-insulator，简称goi)衬底等；衬底40还可以为叠层结构，例如硅/锗硅叠层等。在本实施例中，以衬底40为硅衬底为例进行说明。第一介质层411的材料为氧化物(ox)，例如氧化硅(sio)。金属结构42可以为包括金属铝(al)层的叠层结构，其中，金属铝层位于叠层结构的中间层；金属结构42可以为单层金属铝层，或单层金属钨(w)层。
27.请参阅步骤s32及图5、形成覆盖所述第一介质层411的第二介质层412。具体的，第二介质层412的膜层厚度小于第一介质层411的膜层厚度。在一些实施例中，第二介质层412与第一介质层411的膜层厚度之和基本等于预设阈值；该预设阈值可以为现有技术中三维存储器中衬底与金属膜层之间的介质层的膜层厚度，从而本技术可以在不改变器件膜层总厚度的基础上改善工艺流程。在一些实施例中，第二介质层412与第一介质层411的材料相同均为氧化物(ox)，例如氧化硅(sio)。
28.在本实施例中，所述形成覆盖所述第一介质层411的第二介质层412的步骤之前还包括：于所述第一介质层411的表面形成保护层401，所述第二介质层412覆盖于所述保护层401的远离所述第一介质层411的表面。保护层401可以作为后续进行垂直沟槽区域刻蚀工艺的刻蚀停止层，并对位于其下方的介质层进行保护。在一些实施例中，保护层401的材料可以为氮化硅(sin)。
29.请参阅步骤s33及图8、形成部分暴露所述金属结构42的垂直沟槽45，所述垂直沟槽45具有位于所述第一介质层411中的第一沟槽451以及位于所述第二介质层412中的第二沟槽452，所述第一沟槽451与第二沟槽452连通、且所述第二沟槽452的开口尺寸大于所述
第一沟槽451的开口尺寸。也即，刻蚀得到上宽下窄的“t”型垂直沟槽。
30.在本实施例中，所述第二沟槽452在所述金属结构42上的正投影完全覆盖所述第一沟槽451在所述金属结构22上的正投影，从而便于后续在垂直沟槽45的内壁形成连续的存储单元。
31.在本实施例中，所述第一沟槽451与第二沟槽452基本共轴，从而便于后续在垂直沟槽45的内壁形成沿垂直沟槽45的轴线基本对称的存储单元。
32.在一些实施例中，所述的形成部分暴露所述金属结构42的垂直沟槽45的步骤进一步包括：1)以第一掩膜版491为掩膜，刻蚀所述第二介质层412，于所述第二介质层412中形成第一通孔4501，如图6a所示；2)以第二掩膜版492为掩膜，于所述第一通孔4501处刻蚀所述第一介质层411，于所述第一介质层411中形成第二通孔4502，如图6b所示。所述第一通孔4501作为所述垂直沟槽45的所述第二沟槽452，所述第二通孔4502作为所述垂直沟槽45的所述第一沟槽451，如图8所示。其中，所述第一掩膜版491的开口4910的尺寸大于所述第二掩膜版492的开口4920的尺寸，从而所形成的所述第二沟槽452的开口尺寸大于所述第一沟槽451的开口尺寸。各掩膜版可以为形成于所述第二介质层412的表面的具有相应开口的光阻层，也可以为其它具有相应开口的掩膜结构，掩膜结构可以贴合所述第二介质层412放置、也可以通过支撑结构放置于所述第二介质层412之上并于所述第二介质层412之间具有间隙。
33.当所述第一介质层411的表面形成有保护层401，所述第二介质层412覆盖于所述保护层401的远离所述第一介质层411的表面时，所述的刻蚀所述第二介质层412的步骤进一步包括：以所述保护层401为刻蚀停止层刻蚀所述第二介质层412，形成所述第一通孔4501；所述的于所述第一通孔4501处刻蚀所述第一介质层411的步骤进一步包括：以所述金属结构42为刻蚀停止层刻蚀所述第一介质层411，形成所述第二通孔4502。
34.在一些实施例中，所述的形成部分暴露所述金属结构42的垂直沟槽45的步骤进一步包括：1)以第一掩膜版481为掩膜，刻蚀所述第二介质层412及所述第一介质层411，于所述第二介质层412及所述第一介质层411中形成初始通孔4509，如图7a所示；2)以第二掩膜版482为掩膜，继续刻蚀所述第二介质层412，以扩大所述初始通孔4509位于所述第二介质层412中的部分形成目标通孔4508，如图7b所示。所述目标通孔4508位于所述第一介质层411中的部分作为所述垂直沟槽45的所述第一沟槽451，所述目标通孔4508位于所述第二介质层412中的部分作为所述垂直沟槽45的所述第二沟槽452，如图8所示。其中，所述第二掩膜版482的开口4820的尺寸大于所述第一掩膜版481的开口4810的尺寸，从而所形成的所述第二沟槽452的开口尺寸大于所述第一沟槽451的开口尺寸。各掩膜版可以为形成于所述第二介质层412的表面的具有相应开口的光阻层，也可以为其它具有相应开口的掩膜结构，掩膜结构可以贴合所述第二介质层412放置、也可以通过支撑结构放置于所述第二介质层412之上并于所述第二介质层412之间具有间隙。
35.当所述第一介质层411的表面形成有保护层401，所述第二介质层412覆盖于所述保护层401的远离所述第一介质层411的表面时，所述的刻蚀所述第二介质层412及所述第一介质层411的步骤进一步包括：以所述金属结构42为刻蚀停止层刻蚀所述第二介质层412、所述保护层401及所述第一介质层411，形成所述初始通孔4509；所述的继续刻蚀所述第二介质层412的步骤进一步包括：以所述保护层401为刻蚀停止层继续刻蚀所述第二介质
层412，形成所述目标通孔4508。
36.请参阅步骤s34及图9、于所述垂直沟槽45的内壁以及所述第二介质层412的表面依次形成第一电极材料层4310、存储材料层4320、第二电极材料层4330及金属材料层440。
37.在一些实施例中，第一电极材料层4310、存储材料层4320、第二电极材料层4330及金属材料层440采用原子层沉积(atomic layer deposition，简称ald)方式逐层沉积生长。
38.在一些实施例中，所述第一电极材料层4310及第二电极材料层4330均为氮化钛(tin)材料层；所述存储材料层4420为铁电材料层、相变材料层或磁阻材料层；所述金属材料层440为金属钨材料层。
39.请参阅步骤s35及图10、去除所述垂直沟槽45区域以外的金属材料层440、第二电极材料层4330、存储材料层4320、第一电极材料层4310，形成金属膜层44、第二电极层433、存储层432、第一电极层431；其中，所述第二电极层433、存储层432、第一电极层431构成存储单元43，所述垂直沟槽45底部的所述第一电极层431与所述金属结构42相接触，所述金属膜层44的表面与所述第二介质层412的表面基本齐平、以用于外接电路。
40.在一些实施例中，所述的去除所述垂直沟槽45区域以外的金属材料层440、第二电极材料层4330、存储材料层4320、第一电极材料层4310的步骤进一步包括：以所述第二介质层412为研磨停止层对金属材料层440、第二电极材料层4330、存储材料层4320、第一电极材料层4310进行化学机械研磨(cmp)，以去除所述垂直沟槽45区域以外的金属材料层440、第二电极材料层4330、存储材料层4320、第一电极材料层4310，剩余的金属材料层440、第二电极材料层4330、存储材料层4320、第一电极材料层4310形成金属膜层44、第二电极层433、存储层432、第一电极层431。通过采用化学机械研磨工艺磨去垂直沟槽45区域以外的金属材料层440、第二电极材料层4330、存储材料层4320、第一电极材料层4310，所述金属膜层44的顶表面露出，方便外接电路。化学机械研磨也称为化学机械抛光，其原理是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的加工技术，是机械加工中可以实现表面全局平坦化的技术。化学机械研磨综合了化学研磨的表面精度较高、损伤低、完整性好、不容易出现表面/亚表面损伤的优势，和机械研磨的研磨一致性好、表面平整度高、研磨效率高的优势，可以在保证材料去除效率的同时，获得平整度及表面粗糙度较完美的表面。本实施例通过采用工艺成熟、过程控制相对简单的化学机械研磨工艺替代控制难度较大的多层混合膜层的刻蚀、特别是包括金属膜层的干法刻蚀，大大降低整体工艺难度，改善了工艺流程，利于规模化推广。
41.上述实施例，通过预先形成部分暴露金属结构的上宽下窄的垂直沟槽，于垂直沟槽的内壁以及介质层的表面依次形成第一电极材料层、存储材料层、第二电极材料层及金属材料层，并采用化学机械研磨工艺去除垂直沟槽区域以外的金属材料层、第二电极材料层、存储材料层、第一电极材料层，形成金属膜层以及存储单元的第二电极层、存储层、第一电极层；垂直沟槽底部的第一电极层与金属结构相接触，金属膜层的表面与介质层的表面基本齐平、以用于外接电路。本技术通过采用工艺成熟、过程控制相对简单的化学机械研磨工艺替代控制难度较大的多层混合膜层的刻蚀、特别是包括金属膜层的干法刻蚀，大大降低整体工艺难度，改善了工艺流程，利于规模化推广。
42.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”、“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系、顺序或主次。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变
体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“还包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
43.以上所述仅是本技术的优选实施方式，并非用于限定本技术的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。

技术特征：
1.一种垂直型三维存储器的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：提供一基底，所述基底包括衬底，形成于所述衬底之上的第一介质层、形成于所述第一介质层内的金属结构；形成覆盖所述第一介质层的第二介质层；形成部分暴露所述金属结构的垂直沟槽，所述垂直沟槽具有位于所述第一介质层中的第一沟槽以及位于所述第二介质层中的第二沟槽，所述第一沟槽与第二沟槽连通、且所述第二沟槽的开口尺寸大于所述第一沟槽的开口尺寸；于所述垂直沟槽的内壁以及所述第二介质层的表面依次形成第一电极材料层、存储材料层、第二电极材料层及金属材料层；以及去除所述垂直沟槽区域以外的金属材料层、第二电极材料层、存储材料层、第一电极材料层，形成金属膜层、第二电极层、存储层、第一电极层，其中，所述第二电极层、存储层、第一电极层构成存储单元，所述垂直沟槽底部的所述第一电极层与所述金属结构相接触，所述金属膜层的表面与所述第二介质层的表面基本齐平以用于外接电路。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的形成部分暴露所述金属结构的垂直沟槽的步骤进一步包括：以第一掩膜版为掩膜，刻蚀所述第二介质层，于所述第二介质层中形成第一通孔；以第二掩膜版为掩膜，于所述第一通孔处刻蚀所述第一介质层，于所述第一介质层中形成第二通孔；其中，所述第一掩膜版的开口尺寸大于所述第二掩膜版的开口尺寸，所述第一通孔作为所述垂直沟槽的所述第二沟槽，所述第二通孔作为所述垂直沟槽的所述第一沟槽。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述形成覆盖所述第一介质层的第二介质层的步骤之前还包括：于所述第一介质层的表面形成保护层，所述第二介质层覆盖于所述保护层的远离所述第一介质层的表面；所述的刻蚀所述第二介质层的步骤进一步包括：以所述保护层为刻蚀停止层刻蚀所述第二介质层，形成所述第一通孔；所述的于所述第一通孔处刻蚀所述第一介质层的步骤进一步包括：以所述金属结构为刻蚀停止层刻蚀所述第一介质层，形成所述第二通孔。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的形成部分暴露所述金属结构的垂直沟槽的步骤进一步包括：以第一掩膜版为掩膜，刻蚀所述第二介质层及所述第一介质层，于所述第二介质层及所述第一介质层中形成初始通孔；以第二掩膜版为掩膜，继续刻蚀所述第二介质层，以扩大所述初始通孔位于所述第二介质层中的部分形成目标通孔；其中，所述第二掩膜版的开口尺寸大于所述第一掩膜版的开口尺寸，所述目标通孔位于所述第一介质层中的部分作为所述垂直沟槽的所述第一沟槽，所述目标通孔位于所述第二介质层中的部分作为所述垂直沟槽的所述第二沟槽。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述形成覆盖所述第一介质层的第二介质层的步骤之前还包括：于所述第一介质层的表面形成保护层，所述第二介质层覆盖于所述保护层的远离所述第一介质层的表面；
所述的刻蚀所述第二介质层及所述第一介质层的步骤进一步包括：以所述金属结构为刻蚀停止层刻蚀所述第二介质层、所述保护层及所述第一介质层，形成所述初始通孔；所述的继续刻蚀所述第二介质层的步骤进一步包括：以所述保护层为刻蚀停止层继续刻蚀所述第二介质层，形成所述目标通孔。6.根据权利要求3或5所述的方法，其特征在于，所述第一电极层及第二电极层的材料均为氮化钛材料层，所述存储层的材料为铁电材料层、相变材料层或磁阻材料层，所述保护层的材料为氮化硅，所述金属膜层的材料为金属钨，所述第一介质层与所述第二介质层的材料均为氧化物材料，所述金属结构为包括金属铝层的叠层结构。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的于所述垂直沟槽的内壁以及所述第二介质层的表面依次形成第一电极材料层、存储材料层、第二电极材料层及金属材料层的步骤进一步包括：采用原子层沉积方式逐层沉积生长所述第一电极材料层、存储材料层、第二电极材料层及金属材料层。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的去除所述垂直沟槽区域以外的金属材料层、第二电极材料层、存储材料层、第一电极材料层的步骤进一步包括：以所述第二介质层为研磨停止层对金属材料层、第二电极材料层、存储材料层、第一电极材料层进行化学机械研磨，以去除所述垂直沟槽区域以外的金属材料层、第二电极材料层、存储材料层、第一电极材料层。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二沟槽在所述金属结构上的正投影完全覆盖所述第一沟槽在所述金属结构上的正投影。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一沟槽与第二沟槽基本共轴。

技术总结
本申请提供了一种垂直型三维存储器的制备方法。本申请通过预先形成部分暴露金属结构的上宽下窄的垂直沟槽，于垂直沟槽的内壁以及介质层的表面依次形成第一电极材料层、存储材料层、第二电极材料层及金属材料层，并采用化学机械研磨工艺去除垂直沟槽区域以外的金属材料层、第二电极材料层、存储材料层、第一电极材料层，形成金属膜层以及存储单元的第二电极层、存储层、第一电极层；垂直沟槽底部的第一电极层与金属结构相接触，金属膜层的表面与介质层的表面基本齐平、以用于外接电路。本申请通过采用工艺成熟、过程控制相对简单的化学机械研磨工艺替代控制难度较大的多层混合膜层的刻蚀，降低了整体工艺难度，改善了工艺流程，利于规模化推广。于规模化推广。于规模化推广。


技术研发人员：王孟磊 罗来青
受保护的技术使用者：上海积塔半导体有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/13