3DNAND存储器阶梯结构关键尺寸的量测方法与流程

本申请涉及存储器技术领域，尤其涉及一种3dnand存储器阶梯结构关键尺寸的量测方法。

背景技术：

现有的3dnand存储器存储单元的字线区通常为阶梯形貌，其主要工艺步骤为交替堆叠沉积氧化硅和牺牲层薄膜，随后通过分段刻蚀此交替堆叠薄膜形成阶梯形貌，阶梯壁面角度及台阶面宽度等关键尺寸直接影响着垂直金属连线等后段工艺。

现有的3dnand存储器中的阶梯结构关键尺寸常由透射电子显微镜(tem)测量，因此需要将晶圆进行切片制样，属于破坏性测量且测量周期较长。普通的扫描电子显微镜(sem)则只能测量阶梯形貌的台阶面宽度等，无法有效测量整个阶梯形貌的关键尺寸。

技术实现要素：

有鉴于此，为了实现对3dnand存储器中的阶梯结构进行快速无损的关键尺寸测量，本申请提供了一种3dnand存储器阶梯结构关键尺寸的量测方法。

为了达到上述发明目的，本申请采用了如下技术方案：

一种3dnand存储器阶梯结构关键尺寸的量测方法，包括：

在存储单元的非字线区设置关键尺寸量测区；所述关键尺寸量测区的薄膜组成结构与字线区的薄膜组成结构相同；

在字线区形成多级阶梯结构，同时在所述量测区形成多个周期性排布的独立阶梯结构，其中，形成在所述量测区内的独立阶梯结构与形成在字线区内的阶梯结构具有相同的关键尺寸；

采用光学关键尺寸测量方法对所述量测区内的周期性分布的阶梯结构进行关键尺寸测量，得到的测量结果用于表征字线区阶梯结构的关键尺寸。

可选地，所述在字线区形成多级阶梯结构，同时在所述量测区形成多个周期性排布的独立阶梯结构，具体包括：

通过多道光刻工艺并且每道光刻工艺配合多次光刻刻蚀集成工艺依次分别对字线区和量测区进行光刻刻蚀，从而在字线区形成连续均匀分布的n级阶梯结构，同时在量测区形成m个周期性排布的独立阶梯结构，其中，n≥2、m≥2，且n和m均为整数。

可选地，所述通过多道光刻工艺并且每道光刻工艺配合多道光刻刻蚀集成工艺依次分别对字线区和量测区进行光刻刻蚀，从而在字线区形成连续的均匀分布的多级阶梯结构，同时在量测区形成多个周期性排布的独立阶梯结构，具体包括：

步骤a：将字线区和量测区分别划分为若干个均匀分布的区域段；

步骤b：在字线区和量测区上方涂覆光刻胶，并进行掩模图案化，以分别在字线区和量测区的一个区域段上形成刻蚀窗口；

步骤c：根据刻蚀窗口对字线区和量测区进行刻蚀；

步骤d：修整字线区和量测区上方的光刻胶宽度，使其均缩减预设值，刻蚀窗口的宽度增大预设值，所述预设值为字线区阶梯结构中的台阶面宽度；

步骤e：根据修整后的刻蚀窗口继续对所述字线区和量测区进行刻蚀；

步骤f：循环执行步骤c和d，在所述字线区的一个区域段形成均匀分布的n级阶梯结构，同时在量测区的一个区域段形成一个具有n级台阶的独立阶梯结构；其中，n为正整数；

步骤g：去除光刻胶，并在字线区和量测区上方重新涂覆光刻胶，并进行掩模图案化，以分别在字线区和量测区的另一个区域段上形成刻蚀窗口；

循环执行步骤c至步骤g，直至在字线区形成连续均匀分布的n级阶梯结构，同时在量测区形成m个周期性排布的独立阶梯结构，其中，n≥2、m≥2，且n和m均为整数。

可选地，所述步骤a具体为：

根据字线区的阶梯层级数、台阶面的宽度和一道光刻工艺能够形成的阶梯级数将字线区和量测区划分为若干个均匀分布的区域段。

可选地，所述量测区形成有至少4个周期性排布的独立阶梯结构。

可选地，形成于所述量测区的每个独立阶梯结构的台阶级数不少于2。

可选地，形成于所述量测区的每个独立阶梯结构为倒金字塔镂空结构。

可选地，形成于量测区内的周期性排布的多个独立阶梯结构沿同一方向排列。

可选地，形成于量测区内的周期性排布的多个独立阶梯结构沿量测区呈矩阵排列。

相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

通过以上技术方案可知，本申请提供的量测方法在非存储功能区形成与字线区阶梯结构具有相同关键尺寸的周期性排布的阶梯结构。如此，可以利用光学关键尺寸测量方法测量非存储功能区的周期性排布的阶梯结构的关键尺寸。因非存储功能区阶梯结构的关键尺寸与字线区阶梯结构的关键尺寸相同，因此，非存储功能区阶梯结构的关键尺寸测量结果可以表征字线区阶梯结构的关键尺寸。因此，本申请将不具备周期性重复结构特征的3dnand存储器阶梯结构关键尺寸的测量替换为与其具有相同关键尺寸的周期性排布的阶梯结构的关键尺寸的测量，又因为周期性排布的结构结构的关键尺寸可以通过具有快速无损特点的光学关键尺寸量测方法进行测量。所以，该测量方法能够实现对3dnand存储器阶梯结构关键尺寸的快速无损量测。因而该方法可以用于3dnand存储器的字线区阶梯形貌刻蚀工艺的在线监测。

附图说明

为了清楚地理解本申请的具体实施方式，下面将描述本申请具体实施方式时用到的附图做一简要说明。

图1是本申请实施例提供的3dnand存储器阶梯结构关键尺寸的量测方法流程示意图；

图2是本申请实施例中的3dnand存储器存储单元的结构俯视图；

图3是本申请实施例提供的步骤s102的一个具体实现方式流程示意图；

图4a至图4g是本申请实施例提供的步骤s102的一个具体实现方式的一系列制程对应的剖面结构示意图。

附图标记：

200：非存储功能区，210：关键尺寸量测区，100：储功能区，110：字线区，411和411’：第一刻蚀窗口，421：第一级台阶，431：第一矩形槽，410：牺牲层，420：氧化硅层，40和40’：光刻胶，412和412’：第二刻蚀窗口，422：第一级台阶，432第二矩形槽。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式进行详细描述。

现有的光学关键尺寸(opticalcriticaldimension,ocd)量测是基于宽谱可见光衍射的一种快速无损量测方法，其只能测量出具有周期性重复结构的目标尺寸，而现有的3dnand中阶梯结构为金字塔形，不具备周期性重复结构特征，无法使用光学关键尺寸量测方法。

为了能够采用光学关键尺寸量测方法测量3dnand存储器中的字线区阶梯结构的关键尺寸，本申请的发明构思如下：构建一个周期性排布的、与字线区阶梯结构具有相同关键尺寸的阶梯结构。因两者具有相同的关键尺寸，因此，该周期性排布的阶梯结构的关键尺寸可以用于表征3dnand存储器中的字线区阶梯结构的关键尺寸。如此，可以将3dnand存储器中的字线区阶梯结构关键尺寸的量测可以转换为该周期性排布的阶梯结构的关键尺寸的量测。而该周期性排布的阶梯结构的关键尺寸可以通过学关键尺寸量测，因此，通过这种转换可以快速无损地测量到3dnand存储器中的阶梯结构的关键尺寸。

基于上述发明构思，本申请实施例提供了一种3dnand存储器阶梯结构关键尺寸的量测方法。请参阅图1。该3dnand存储器阶梯结构关键尺寸的量测方法包括以下步骤：

s101：在存储单元的非存储功能区200设置关键尺寸量测区210；所述关键尺寸量测区的薄膜组成结构与字线区的薄膜组成结构相同。

图2为本申请实施例中的3dnand存储器存储单元的结构俯视图。如图2所示，存储单元包括存储功能区100和非存储功能区200，其中存储功能区100包括字线区110，在非存储功能区200的位置设置有关键尺寸量测区210，其中，关键尺寸量测区210的内部薄膜结构与字线区110的内部薄膜结构完全相同。对应的内部薄膜结构均为氧化硅/牺牲层交替层叠结构。

s102：在字线区110形成多级阶梯结构，同时在所述量测区210形成多个周期性排布的独立阶梯结构，其中，形成在所述量测区210内的独立阶梯结构与形成在字线区内的阶梯结构具有相同的关键尺寸。

后续将详细描述步骤s102的具体实现方式。

s103：采用光学关键尺寸测量方法对所述量测区210内的周期性分布的阶梯结构进行关键尺寸测量，得到的关键尺寸对应表征字线区110阶梯结构的关键尺寸。

具体地，采用光学关键尺寸测量方法对所述量测区210内的周期性分布的阶梯结构的高度、宽度和夹角，得到的测量结果对应表征字线区110阶梯结构的关键尺寸。

以上为本申请实施例提供的3dnand存储器阶梯结构关键尺寸的量测方法。在该量测方法中，在非存储功能区形成与字线区阶梯结构具有相同关键尺寸的周期性排布的阶梯结构。如此，可以利用光学关键尺寸测量方法测量非存储功能区的周期性排布的阶梯结构的关键尺寸。因非存储功能区阶梯结构的关键尺寸与字线区阶梯结构的关键尺寸相同，因此，非存储功能区阶梯结构的关键尺寸测量结果可以表征字线区阶梯结构的关键尺寸。因此，本申请将不具备周期性重复结构特征的3dnand存储器阶梯结构关键尺寸的测量替换为与其具有相同关键尺寸的周期性排布的阶梯结构的关键尺寸的测量，又因为周期性排布的结构结构的关键尺寸可以通过具有快速无损特点的光学关键尺寸量测方法进行测量。所以，该测量方法能够实现对3dnand存储器阶梯结构关键尺寸的快速无损量测。因而该方法可以用于3dnand存储器的字线区阶梯形貌刻蚀工艺的在线监测。

下面详细描述步骤s102的具体实现方式。

在本申请实施例中，步骤s102可以通过多道光刻工艺并且每道光刻工艺配合多次光刻刻蚀集成工艺依次分别对字线区和量测区进行光刻刻蚀，从而在字线区形成连续均匀分布的n级阶梯结构，同时在量测区形成m个周期性排布的独立阶梯结构，其中，n≥2、m≥2，且n和m均为整数。

下面结合图3至图4g详细描述步骤s102的实现方式的一个示例。

请参阅图3，该具体实现方式可以具体包括以下步骤：

s1021：将字线区110和量测区210分别划分为若干个均匀分布的区域段。

需要说明，因光刻胶在刻蚀过程中很容易老化，所以，光刻胶不能连续很多次刻蚀工艺，在本申请实施例中，设定一道光刻工艺进行3次刻蚀过程。所以，一道光刻工艺只能对应形成若干级阶梯，而现有的3dnand存储器制造中阶梯数较多，所以，通常需要多道光刻刻蚀集成工艺完成字线区阶梯形貌分段刻蚀，形成连续且均匀分布的数十级台阶。

为了使得在字线区形成的阶梯结构与真实存储器中字线区的阶梯结构相同，字线区可以根据字线区的阶梯层级数、台阶面的宽度和一道光刻工艺能够形成的阶梯级数划分区域段。

s1022：进行第一道光刻工艺，在字线区110和量测区210上方涂覆光刻胶40，并进行掩模图案化，以分别在字线区110和量测区210的一个区域段上形成第一刻蚀窗口411和411’，根据第一刻蚀窗口411和411’对字线区110和量测区210的薄膜进行刻蚀。

参阅图4a，采用本领域惯用的光刻工艺，在字线区110和量测区210上方涂覆光刻胶40、曝光，形成掩模图案，从而分别在字线区110和量测区210的一个区域段上形成第一刻蚀窗口411和411’，根据该第一刻蚀窗口411和411’采用各向异性的干法刻蚀方法对字线区110和量测区210进行刻蚀，从而在字线区110形成第一级台阶421，同时在量测区210形成一个第一矩形槽431，其中，第一矩形槽431的宽度与第一刻蚀窗口411’的宽度相等。在本申请实施例中，设定第一矩形槽431的宽度为x。

在本申请实施例中，一次刻蚀工艺刻蚀掉一层牺牲层410/氧化硅层420交替层。如此，一级阶梯结构包括一层牺牲层410和一层氧化硅层420。此外，在存储功能区的牺牲层410/氧化硅420的堆叠结构中可以已经形成有存储器件的沟道孔。作为示例，牺牲层410可以为氮化硅层。

s1023：第一次修整字线区110和量测区210上方的光刻胶宽度，使其均缩减预设值y，第一刻蚀窗口的宽度增大预设值y，根据修整后的第一刻蚀窗口继续对所述字线区110和量测区210的薄膜进行刻蚀。

所述预设值为字线区阶梯结构中的台阶面宽度。

如图4b所示，修整字线区110和量测区210上方的光刻胶40的宽度，使其均缩减预设值y，第一刻蚀窗口的宽度分别增大预设值y，从而露出更多的薄膜表面，根据修整后的第一刻蚀窗口继续对所述字线区110和量测区210的薄膜进行刻蚀，此时，在字线区110的第一级台阶被继续刻蚀形成第二级台阶，露出的薄膜表面被刻蚀形成第一级台阶，经过该步骤刻蚀后，在字线区110形成一个台阶面宽度为y的台阶，同时在量测区210内的第一矩形槽431内形成包含一级阶梯且台阶面宽度为y的倒金字塔镂空结构。

s1024：第二次修整字线区110和量测区210上方的光刻胶40的宽度，使其均缩减预设值y，第一刻蚀窗口的宽度增大预设值y，根据修整后的第一刻蚀窗口继续对所述字线区110和量测区210进行刻蚀。

该步骤的具体实现方式与s1023相同，执行完该步骤后，对应的字线区和量测区的薄膜结构局部剖面示意图如图4c所示。

s1025：去除光刻胶40，并进行第二道光刻工艺，在字线区和量测区上方重新涂覆光刻胶40’，并进行掩模图案化，以分别在字线区110和量测区210的另一个区域段上形成第二刻蚀窗口412和412’，根据第二刻蚀窗口412和412’对字线区110和量测区210的薄膜进行刻蚀。

执行完该步骤后，对应的字线区和量测区的薄膜结构局部剖面示意图如图4d所示。该步骤的具体实现方式与s1022相同，为了简要起见，在此不再详细描述。需要说明，第二刻蚀窗口412与第一刻蚀窗口411形状相同，第二刻蚀窗口412’与第一刻蚀窗口411’形状相同。

s1026：第一次修整字线区和量测区上方的光刻胶40’宽度，使其均缩减预设值y，第二刻蚀窗口412和412’的宽度增大预设值，根据修整后的第二刻蚀窗口412和412’继续对所述字线区110和量测区210进行刻蚀，从而在字线区110形成第一级台阶422，同时在量测区210形成一个第二矩形槽432。

执行完该步骤后，对应的字线区和量测区的薄膜结构局部剖面示意图如图4e所示。该步骤的具体实现方式与s1022相同，为了简要起见，在此不再详细描述。

s1027：第二次修整字线区和量测区上方的光刻胶40’宽度，使其均缩减预设值，第二刻蚀窗口412和412’的宽度增大预设值，根据修整后的第二刻蚀窗口412和412’继续对所述字线区和量测区进行刻蚀。

执行完该步骤后，对应的字线区和量测区的薄膜结构局部剖面示意图如图4f所示。该步骤的具体实现方式与s1024相同，为了简要起见，在此不再详细描述。

通过以上两道光刻光刻工艺并分别配合2次光刻刻蚀工艺在量测区形成2个重复阶梯结构。

s1028：循环执行多道光刻工艺以及多次光刻刻蚀工艺，直至在字线区110形成连续均匀分布的n级阶梯结构，同时在量测区210形成m个周期性排布的独立阶梯结构(该独立阶梯结构为单个周期结构)，其中，n≥2、m≥2，且n和m均为整数。最终形成图4g所示的剖面结构图。

为了较为准确地测量出阶梯结构的关键尺寸，可选地，m≥4。形成于所述量测区的每个独立阶梯结构的台阶级数不少于2。形成于所述量测区的每个独立阶梯结构可以为倒金字塔镂空结构。

需要说明，在本申请实施例中，不同道光刻工艺形成的刻蚀窗口的位置不同，其中，不同道光刻工艺形成在字线区110内的刻蚀窗口位于不同的区域段内，形成在量测区210的刻蚀窗口位于不同的区域段内，且不同道光刻工艺形成的刻蚀窗口之间的间距相同，其在量测区呈周期性排布，其可以沿同一方向周期性排布，也可以呈二维矩阵的形式周期性排布。如此，在同一方向上，相邻两个刻蚀窗口之间的距离相等。

根据形成于量测区210内的刻蚀窗口的不同排布形式，对应地，形成于量测区的周期性排布的独立阶梯结构的排布形式也不同。相应地，形成于量测区内的周期性排布的多个独立阶梯结构沿同一方向排列，也可以呈矩阵排列。

需要说明，在上述步骤s102的具体示例中，是以每道光刻工艺配合两次刻蚀工艺。如此，在量测区210内形成的单个周期性结构包括3层阶梯的倒金字塔结构。实际上，在本申请实施例中，每道光刻工艺不限定配合两道刻蚀工艺，其可以配合3次或其它更多次刻蚀工艺，根据光刻工艺的不同道数

以上为本申请的具体实施方式。