一种三维存储器及其平坦化方法与流程

本发明涉及半导体器件制作技术领域，尤其涉及一种三维存储器及其平坦化方法。

背景技术：

nand闪存是一种比硬盘驱动器更好的存储设备，随着人们追求功耗低、质量轻和性能佳的非易失存储产品，在电子产品中得到了广泛的应用。目前，平面结构的nand闪存已接近实际扩展的极限，为了进一步的提高存储容量，降低每比特的存储成本，提出了3d结构的nand存储器。

在3dnand存储器结构中，采用垂直堆叠多层数据存储单元的方式，实现堆叠式的3dnand存储器结构，这些垂直堆叠的多层数据存储单元称之为台阶。然而在制作台阶的过程中，在台阶形成之后，台阶的最上层与最下层会形成一个很大的台阶高度差，通常，需要用氧化层对其填充，再对器件表面进行化学机械研磨(cmp，chemicalmechanicalplanarization)。

但现有技术中平坦化过程中研磨均匀性较差，晶圆部分区域会有研磨不足导致的氧化层残留或者研磨过量导致的核心区损伤、外围区域凹陷等缺陷，对后续的沟道刻蚀以及金属连接工艺造成影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种三维存储器及其平坦化方法，以解决现有技术中晶圆部分区域会有研磨不足导致的氧化层残留或者研磨过量导致的核心区损伤、外围区域凹陷等缺陷，对后续的沟道刻蚀以及金属连接工艺造成影响的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三维存储器平坦化方法，应用于三维存储器的制作，所述三维存储器包括衬底，所述衬底分为核心区域和包围所述核心区域的外围区域，以及位于所述外围区域和所述核心区域之间，沿所述外围区域指向所述核心区域方向依次设置的空旷区域和台阶区域；所述台阶区域衬底上形成有台阶结构；所述核心区域衬底上形成有包括第一子叠层和第二子叠层交叉层叠的叠层结构，且所述叠层结构背离所述衬底的表面为第一阻挡层；

所述三维存储器平坦化方法包括：

沉积氧化层，使所述空旷区域的氧化层背离所述衬底的表面与所述第一阻挡层朝向所述衬底的表面齐平；

去除所述外围区域的氧化层，使所述外围区域的氧化层背离所述衬底的表面与所述空旷区域的氧化层背离所述衬底的表面齐平；

在所有所述氧化层上形成第二阻挡层；

去除所述核心区域的第二阻挡层以及所述核心区域的氧化层；

进行第一次平坦化，使所述外围区域、所述空旷区域、所述台阶区域和所述核心区域的表面齐平至所述第二阻挡层背离所述衬底的表面；

去除所述外围区域的第二阻挡层、所述空旷区域的第二阻挡层和所述核心区域的第一阻挡层；

进行第二次平坦化，使所述外围区域、所述空旷区域、所述台阶区域和所述核心区域的表面齐平所述空旷区域氧化层背离所述衬底的表面。

优选地，所述进行第一次平坦化和所述进行第二次平坦化采用的工艺相同，具体包括：

采用化学机械研磨工艺进行平坦化。

优选地，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层以及所述第一子叠层的材质相同，均为sin或多晶硅。

优选地，所述第二阻挡层的厚度为包括端点值。

本发明还提供另一种三维存储器平坦化方法，应用于三维存储器的制作，所述三维存储器包括衬底，所述衬底分为核心区域和包围所述核心区域的外围区域，以及位于所述外围区域和所述核心区域之间，沿所述外围区域指向所述核心区域方向依次设置的空旷区域和台阶区域；所述台阶区域衬底上形成有台阶结构；所述核心区域衬底上形成有包括第一子叠层和第二子叠层交叉层叠的叠层结构，且所述叠层结构背离所述衬底的表面为第一阻挡层；

所述三维存储器平坦化方法包括：

沉积氧化层，使所述空旷区域的氧化层背离所述衬底的表面与所述第一阻挡层朝向所述衬底的表面齐平；

去除所述外围区域的氧化层，使所述外围区域的氧化层背离所述衬底的表面与所述空旷区域的氧化层背离所述衬底的表面齐平；

去除所述核心区域的氧化层；

在所述外围区域、所述空旷区域和所述台阶区域的氧化层上，以及所述核心区域的第一阻挡层上形成第二阻挡层；

进行第一次平坦化，使所述外围区域、所述空旷区域、所述台阶区域和所述核心区域的表面齐平至所述第二阻挡层背离所述衬底的表面；

去除所述外围区域的第二阻挡层、所述空旷区域的第二阻挡层和所述核心区域的第一阻挡层；

进行第二次平坦化，使所述外围区域、所述空旷区域、所述台阶区域和所述核心区域的表面齐平所述空旷区域氧化层背离所述衬底的表面。

优选地，所述进行第一次平坦化和所述进行第二次平坦化采用的工艺相同，具体包括：

采用化学机械研磨工艺进行平坦化。

优选地，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层以及所述第一子叠层的材质相同，均为sin或多晶硅。

优选地，所述第二阻挡层的厚度为包括端点值。

本发明还提供一种三维存储器，采用上面任意一项所述的三维存储器平坦化方法制作形成；

所述三维存储器包括：

衬底，所述衬底分为核心区域和包围所述核心区域的外围区域，以及位于所述外围区域和所述核心区域之间，沿所述外围区域指向所述核心区域方向依次设置的空旷区域和台阶区域；所述台阶区域衬底上形成有台阶结构；所述核心区域衬底上形成有包括第一子叠层和第二子叠层交叉层叠的叠层结构；

覆盖所述衬底的氧化层，所述氧化层平坦化所述核心区域与其他区域的高度差，且所述氧化层背离所述衬底的表面为平整表面。

优选地，所述三维存储器的核心区域的叠层结构中的第一子叠层为sin或多晶硅，第二子叠层为sio2。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的三维存储器制作方法，在平坦化步骤之前，通过氧化层厚度控制，以及在空旷区域和外围区域增加设置与核心区域的第一阻挡层齐平的第二阻挡层，由于阻挡层的去除速度要比氧化层的去除速度慢，因此，一方面，阻挡层可以保护核心区域的叠层结构，避免现有技术中由于过量研磨造成的影响，提高三维存储器整体工艺均匀性，提高良率；另一方面，阻挡层能够对外围区域和空旷区域进行保护，避免出现凹陷。同时，由于器件的核心区域、空旷区域和外围区域的大部分均被阻挡层保护，只有外围区域和空旷区域的交界区域以及台阶区域的凸起被平坦化，从而使得平坦化时间大大缩短，提高了器件制作效率。

本发明还提供一种三维存储器，采用上述平坦化方法制作形成，由于平坦化工艺改变，从而避免了核心区域的氧化层残留以及核心区域损伤等缺陷，提高晶圆良率；同时还能对外围区域及台阶区域的凹陷进行改善，降低对后续金属连线工艺的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1a-图1c为现有技术三维存储器平坦化工艺截面示意图；

图2a-图2c为现有技术中三维存储器平坦化工艺存在的缺陷示意图；

图3为本发明实施例提供的一种三维存储器平坦化方法流程图；

图4a-图4g为本发明实施例提供的一种三维存储器平坦化工艺截面示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种三维存储器平坦化方法流程图；

图6a-图6b为本发明实施例提供的另一种三维存储器平坦化方法工艺截面示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，三维存储器在现有技术平坦化过程中研磨均匀性较差，晶圆部分区域会有研磨不足导致的氧化层残留或者研磨过量导致的核心区损伤等缺陷，对后续的沟道刻蚀以及金属连接工艺造成影响。

具体的，三维存储器在核心区域形成后，会与外围区域形成较大的高度差，为避免影响后续制程，需要填充氧化层再用化学机械研磨的方法进行平坦化，结合图1a-图1c，目前的平坦化方法如下：

沉积氧化层，通常为二氧化硅(sio2)；请参见图1a，在衬底01的外围区域p(peri)、空旷区域o(open)、台阶区域s(stair)和核心区域c(core)上均沉积氧化层02，其中，核心区域c上包括有叠层结构03，其顶层(即叠层结构背离衬底的最外层)为氮化硅层，可以作为后续化学机械研磨阻挡层。

将核心区域的氧化层刻蚀一部分；请参见图1b，仅刻蚀去除核心区域c上的部分氧化层，并保留一部分氧化层。

化学机械研磨，停在核心区域叠层顶层氮化硅阻挡层031，通过量测确定核心区域上面的氧化层被完全磨掉后停止研磨。请参见图1c，将核心区域c的顶层氮化硅作为阻挡层，停止研磨，从而平坦化三维存储器的半成品。

但，一方面，由于化学机械研磨速率不稳定，需要多次测量以确定核心区域氧化层是否已经被研磨掉，造成现有平坦化工艺效率较低；另一方面，因为研磨均匀性较差，晶圆部分区域会有研磨不足导致的氧化层02残留，请参见图2a；或者研磨过量导致的核心区域叠层结构03损伤(请参见图2b)等缺陷，对后续的沟道刻蚀以及金属连接工艺造成影响。再一方面，目前工艺由于外围区域p及台阶区域s缺乏保护，存在凹陷缺陷(请参见图2c)，对后续的金属连接工艺造成影响。

基于此，本发明提供一种三维存储器平坦化方法，使得化学机械研磨工艺难度降低，工时缩短。避免氧化层残留以及核心区域损伤等缺陷，提高晶圆良率；同时还能对外围区域及台阶区域的凹陷进行改善，降低对后续金属连线工艺的影响。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种三维存储器平坦化方法，应用于三维存储器的制作，所述三维存储器包括衬底，所述衬底分为核心区域和包围所述核心区域的外围区域，以及位于所述外围区域和所述核心区域之间，沿所述外围区域指向所述核心区域方向依次设置的空旷区域和台阶区域；所述台阶区域衬底上形成有台阶结构；所述核心区域衬底上形成有包括第一子叠层和第二子叠层交叉层叠的叠层结构，且所述叠层结构背离所述衬底的表面为第一阻挡层；

请参见图3，所述三维存储器平坦化方法包括：

s101：沉积氧化层，使所述空旷区域的氧化层背离所述衬底的表面与所述第一阻挡层朝向所述衬底的表面齐平；

请参见图4a，本实施例中沉积氧化层13之前，已经在衬底11上的外围区域p制作出必要的外围区域结构(图中并未示出细节)以及在核心区域c上制作出叠层结构12，本实施例中叠层结构12包括第一子叠层121和第二子叠层122，第一子叠层121和第二子叠层122交叉层叠，形成叠层结构12。

需要说明的是，本实施例中不限定第一子叠层121和第二子叠层122的具体材质，只要两者满足湿法刻蚀过程中能够被单独选择刻蚀去掉的性质，且第一子叠层能够作为后续工艺的阻挡层即可，即需要刻蚀去掉第二子叠层时，对第一子叠层不会造成影响，或者刻蚀去除第一子叠层时，对第二子叠层不会造成影响。由于氮化硅或多晶硅与氧化硅具有刻蚀速率不同的，且取材相对容易，本实施例中可选的，第一子叠层121的材质为氮化硅(sin)或多晶硅；而第二子叠层122的材质，可选的与氧化层的材质相同，为氧化硅(sio2)。在本发明的其他实施例中，第一子叠层和第二子叠层还可以为其他材质，本实施例中对此不做限定。

本实施例中，叠层结构12背离衬底11的表面为第一阻挡层121a，也即本实施例中第一阻挡层121a为第一子叠层，氮化硅(sin)或多晶硅层。为了方便后续第一子叠层作为阻挡层，本实施例中第一阻挡层121a的厚度可以相较于其他第一子叠层的厚度厚一些。

本步骤中沉积氧化层，为在外围区域p、空旷区域o、台阶区域s和核心区域c已经完成必要结构以后进行的氧化层沉积。由于氧化层采用沉积工艺，因此，各个部分的氧化层厚度相同。

本实施例中不限定氧化层的具体厚度，需要满足的是，空旷区域o处的氧化层13背离衬底11的表面与核心区域c上叠层结构12(不包括最顶层的第一阻挡层)背离衬底11的表面齐平。也即，如图4a所示，本实施例中氧化层13的厚度满足，空旷区域o的氧化层13背离衬底11的表面与核心区域c的第一阻挡层121a的下表面齐平，如图4a中虚线所示。

s102：去除所述外围区域的氧化层，使所述外围区域的氧化层背离所述衬底的表面与所述空旷区域的氧化层背离所述衬底的表面齐平；

本实施例中不限定去除外围区域的氧化层的具体工艺，可选的，去除外围区域的氧化层采用的工艺为硬掩膜刻蚀工艺。需要说明的是，由于去除的氧化层厚度相同，因此，本实施例中外围区域p和空旷区域o的交界位置处的倾斜部分的氧化层并没有被去除。还保留一个尖角，如图4b中j所示。

s103：在所有氧化层上形成第二阻挡层；

如图4c所示，在氧化层13上形成第二阻挡层14，本实施例中第二阻挡层14采用沉积方法形成，且第二阻挡层14覆盖整个氧化层13所在的位置。本实施例中不限定第二阻挡层14的厚度，可选的，第二阻挡层14的厚度能够保护外围区域以及空旷区域在化学机械研磨时不会损伤。需要说明的是，第二阻挡层14的厚度太厚时，后续研磨时间需要较长，因此，本实施例中，可选的，所述第二阻挡层的厚度为包括端点值。

本实施例中不限定第二阻挡层的材质，第二阻挡层的材质可以与第一阻挡层的材质相同，也可以不相同，可选的，第二阻挡层材质与第一阻挡层材质相同，均为氮化硅或多晶硅。

s104：去除所述核心区域的第二阻挡层以及所述核心区域的氧化层；

请参见图4d，本实施例中通过刻蚀工艺将核心区域c上的第二阻挡层14和氧化层13去除。与现有技术中先通过刻蚀部分核心区域氧化层，然后再研磨去除全部核心区域氧化层的步骤不同的是，本实施例中核心区域c上的氧化层13采用刻蚀工艺全部去除，刻蚀氧化层至核心区域c的第一阻挡层截止。刻蚀过程中，可以通过分析反应物的成分来抓取核心区域第一阻挡层信号，来确定是否已经将核心区域的氧化层完全刻蚀，避免氧化层残留。

s105：进行第一次平坦化，使所述外围区域、所述空旷区域、所述台阶区域和所述核心区域的表面齐平至所述第二阻挡层背离所述衬底的表面；

请参见图4e，在将整个衬底上大部分氧化层去除后，采用平坦化工艺将所有凸起与第一阻挡层和第二阻挡层的部分平坦化，本实施例中不限定平坦化工艺具体方法，可选的，采用化学机械研磨工艺进行平坦化。

如图4e所示，将图4d中台阶区域s的第二阻挡层14和氧化层13，以及尖角部分的第二阻挡层和氧化层采用化学机械研磨工艺去除。由于需要化学机械研磨去除的区域相对于现有技术中需要化学机械研磨去除的区域(请参见图1b)而言，研磨面积较小，因此，能够大大缩短化学机械研磨时间。

而由于外围区域和空旷区域也均有阻挡层进行保护，从而在化学机械研磨过程中，不会出现凹陷问题。台阶区域因区域面积较小而且研磨时间短，凹陷也会得到很好的改善。

s106：去除所述外围区域的第二阻挡层、所述空旷区域的第二阻挡层和所述核心区域的第一阻挡层；

请参见图4f，将所有第一阻挡层和第二阻挡层去除。去除后，未被第一阻挡层和第二阻挡层保护的区域与具有第一阻挡层和第二阻挡层保护的区域之间存在一个较小的高度差。

s107：进行第二次平坦化，使所述外围区域、所述空旷区域、所述台阶区域和所述核心区域的表面齐平所述空旷区域氧化层背离所述衬底的表面。

请参见图4g，通过第二次平坦化，消除步骤s106中所述的高度差。本实施例中可选的，采用化学机械研磨进行第二次平坦化。由于该高度差较小，研磨时间较短，即使没有阻挡层保护，也不会出现凹陷等缺陷。

本发明提供的三维存储器制作方法，在平坦化步骤之前，通过氧化层厚度控制，以及在空旷区域和外围区域增加设置与核心区域的第一阻挡层齐平的第二阻挡层，由于阻挡层的去除速度要比氧化层的去除速度慢，因此，一方面，阻挡层可以保护核心区域的叠层结构，避免现有技术中由于过量研磨造成的影响，提高三维存储器整体工艺均匀性，提高良率；另一方面，阻挡层能够对外围区域和空旷区域进行保护，避免出现凹陷。同时，由于器件的核心区域、空旷区域和外围区域的大部分均被阻挡层保护，只有外围区域和空旷区域的交界区域以及台阶区域的凸起被平坦化，从而使得平坦化时间大大缩短，提高了器件制作效率。

进一步地，在第一次平坦化过程中，由于化学机械研磨面积减小，且存在阻挡层，使得化学机械研磨工艺难度降低，进而缩短了研磨工时，提高了器件制作效率。

本发明实施例还提供另外一种三维存储器平坦化方法，应用于三维存储器的制作，所述三维存储器包括衬底，所述衬底分为核心区域和包围所述核心区域的外围区域，以及位于所述外围区域和所述核心区域之间，沿所述外围区域指向所述核心区域方向依次设置的空旷区域和台阶区域；所述台阶区域衬底上形成有台阶结构；所述核心区域衬底上形成有包括第一子叠层和第二子叠层交叉层叠的叠层结构，且所述叠层结构背离所述衬底的表面为第一阻挡层；

请参见图5，所述三维存储器平坦化方法包括：

s201：沉积氧化层，使所述空旷区域的氧化层背离所述衬底的表面与所述第一阻挡层朝向所述衬底的表面齐平；

s202：去除所述外围区域的氧化层，使所述外围区域的氧化层背离所述衬底的表面与所述空旷区域的氧化层背离所述衬底的表面齐平；

s203：去除所述核心区域的氧化层；

s204：在所述外围区域、所述空旷区域和所述台阶区域的氧化层上，以及所述核心区域的第一阻挡层上形成第二阻挡层；

s205：进行第一次平坦化，使所述外围区域、所述空旷区域、所述台阶区域和所述核心区域的表面齐平至所述第二阻挡层背离所述衬底的表面；

s206：去除所述外围区域的第二阻挡层、所述空旷区域的第二阻挡层和所述核心区域的第一阻挡层；

s207：进行第二次平坦化，使所述外围区域、所述空旷区域、所述台阶区域和所述核心区域的表面齐平所述空旷区域氧化层背离所述衬底的表面。

与上一实施例不同的是，步骤s203和步骤s204；具体地，在图4b基础上，请参见图6a，先去除核心区域c的氧化层23，暴露出核心区域c上的第一阻挡层221a，同上实施例，本实施例中去除核心区域c上的氧化层23采用的是刻蚀工艺全部去除，刻蚀氧化层至核心区域c的第一阻挡层截止。刻蚀过程中，可以通过分析反应物的成分来抓取核心区域第一阻挡层信号，来确定是否已经将核心区域的氧化层完全刻蚀，避免氧化层残留。

请参见图6b，在所述外围区域p、所述空旷区域o和所述台阶区域s的氧化层23上，以及所述核心区域c的第一阻挡层221a上形成第二阻挡层24；本实施例中第二阻挡层24采用沉积方法形成，且第二阻挡层24覆盖整个氧化层23所在的位置。本实施例中不限定第二阻挡层24的厚度，可选的，第二阻挡层24的厚度能够保护外围区域以及空旷区域在化学机械研磨时不会损伤。需要说明的是，第二阻挡层24的厚度太厚时，后续研磨时间需要较长，因此，本实施例中，可选的，所述第二阻挡层的厚度为包括端点值。

本实施例中不限定第二阻挡层的材质，第二阻挡层的材质可以与第一阻挡层的材质相同，也可以不相同，可选的，第二阻挡层材质与第一阻挡层材质相同，均为氮化硅或多晶硅。

本发明提供的三维存储器制作方法，在平坦化步骤之前，通过氧化层厚度控制，以及在空旷区域和外围区域增加设置与核心区域的第一阻挡层齐平的第二阻挡层，由于阻挡层的去除速度要比氧化层的去除速度慢，因此，一方面，阻挡层可以保护核心区域的叠层结构，避免现有技术中由于过量研磨造成的影响，提高三维存储器整体工艺均匀性，提高良率；另一方面，阻挡层能够对外围区域和空旷区域进行保护，避免出现凹陷。同时，由于器件的核心区域、空旷区域和外围区域的大部分均被阻挡层保护，只有外围区域和空旷区域的交界区域以及台阶区域的凸起被平坦化，从而使得平坦化时间大大缩短，提高了器件制作效率。

进一步地，在第一次平坦化过程中，由于化学机械研磨面积减小，且存在阻挡层，使得化学机械研磨工艺难度降低，进而缩短了研磨工时，提高了器件制作效率。

在上述实施例的基础上，本实施例还提供了一种三维存储器，该器件通过上述的三维存储器平坦化方法形成，请参见图4g，所述三维存储器包括：

衬底11，衬底11分为核心区域c和包围核心区域c的外围区域p，以及位于外围区域p和核心区域c之间，沿外围区域p指向核心区域c方向依次设置的空旷区域o和台阶区域s；台阶区域s衬底上形成有台阶结构；核心区域c衬底上形成有包括第一子叠层121和第二子叠层122交叉层叠的叠层结构12；

覆盖衬底11的氧化层13，氧化层13平坦化核心区域c与其他区域(包括外围区域p、空旷区域o和台阶区域s)的高度差，且氧化层13背离衬底11的表面为平整表面。氧化层13经过上面实施例中的平坦化方法制作形成各个区域高度一致的氧化层。

本发明还提供一种三维存储器，采用上述平坦化方法制作形成，由于平坦化工艺改变，从而避免了核心区域的氧化层残留以及核心区域损伤等缺陷，提高晶圆良率；同时还能对外围区域及台阶区域的凹陷进行改善，降低对后续金属连线工艺的影响。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。