一种铁电存储器及其制造方法与流程

本发明涉及存储器，特别涉及一种铁电存储器的制造方法及铁电存储器结构。

背景技术：

1、铁电存储器是一种特殊工艺的非易失性的存储器。当电场被施加到铁晶体管时，中心原子顺着电场停在第一低能量状态位置，而当电场反转被施加到同一铁晶体管时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动并停在第二低能量状态。大量中心原子在晶体单胞中移动耦合形成铁电畴，铁电畴在电场作用下形成极化电荷。铁电畴在电场下反转所形成的极化电荷较高，铁电畴在电场下无反转所形成的极化电荷较低，这种铁电材料的二元稳定状态使得铁电可以作为存储器。

2、当移去电场后，中心原子处于低能量状态保持不动，存储器的状态也得以保存不会消失，因此可利用铁电畴在电场下反转形成高极化电荷，或无反转形成低极化电荷来判别存储单元是在“1”或“0”状态。铁电畴的反转不需要高电场，仅用一般的工作电压就可以改变存储单元是在“1”或“0”的状态；也不需要电荷泵来产生高电压数据擦除，因而没有擦写延迟的现象。这种特性使铁电存储器在掉电后仍能够继续保存数据，写入速度快且具有无限次写入寿命，不容易写坏。并且，与现有的非易失性内存技术比较，铁电存储器具有更高的写入速度和更长的读写寿命。

3、图1示出了示例性铁电存储单元100的电路示意图。铁电存储单元100是铁电存储器件的存储元件，并且可以包括各种设计和配置。如图1所示，铁电存储单元100是“1t-1c”单元，其包括电容器102和晶体管104。晶体管104为nmos晶体管。晶体管104的源极s电连接到位线bl。晶体管104的栅极电连接到字线wl。晶体管104的漏极d电连接到电容器102的下电极112。电容器102的上电极110连接到板线pl。常见的铁电存储器件有两种结构，分别如图2a及2b所示，其中图2a所示为电容位于位线之上的cob结构，图2b所示为电容位于位线之下的cub结构。相较而言，cub结构基本可以采用标准的fab工艺实现，具有更好的工艺兼容性，同时整体结构更为紧凑。

技术实现思路

1、针对现有技术中的部分或全部问题，本发明第一方面提供一种铁电存储器，包括：

2、半导体衬底，所述半导体衬底包括铁电存储单元区，所述铁电存储单元区具有源区、漏区、栅极区、隔离区以及各个功能区上方的电极及互连金属线；

3、设置在半导体衬底上方的第一互连结构，所述第一互连结构包括第一电容导电柱、第一位线导电柱以及导电柱之间的第一介质层；

4、层叠在第一介质层上的第二介质层；

5、电容器，其包括第一电极层、高k铁电氧化物层和第二电极层，其中所述第一电极层沉积于所述第二介质层的深孔内，与所述第一电容导电柱电连接，所述高k铁电氧化物层沉积于所述第一电极层表面，以及所述第二电极层沉积于所述高k铁电氧化物层的表面；

6、板线，其设置于所述第二电极层的表面，与所述第二电极层电连接；以及

7、位线，其与所述板线位于同一高度，且通过第二位线导电柱连接到第一位线导电柱。

8、进一步地，所述电容器的内部填充有电介质材料，所述板线包括金属导电层，所述金属导电层通过形成于所述电介质材料中的第二电容导电柱连接到所述第二电极板。

9、进一步地，所述电容器的内部填充有导电材料，所述板线形成于所述导电材料的表面，通过所述导电材料与所述第二电极板电连接。

10、进一步地，所述电容器的内部填充有导电材料，所述导电材料与所述第二电极板电连接，且被配置为板线。

11、进一步地，所述铁电存储器还包括导电金属层，其通过导电柱与所述板线电连接。

12、本发明第二方面提供一种制造如前所述的铁电存储器的方法，包括：

13、提供半导体衬底，所述半导体衬底包括铁电存储单元区，所述铁电存储单元区具有源区、漏区、栅极区、隔离区以及各个功能区上方的电极及互连金属线；

14、形成第一互连结构，所述第一互连结构包括导电柱以及导电柱之间的第一介质层，其中所述导电柱包括第一电容导电柱以及第一位线导电柱；

15、在第一介质层的表面依次形成刻蚀停止层、第二介质层及硬掩模层；

16、通过光刻和刻蚀工艺在第二介质层中形成深孔，所述深孔的底部暴露出所述第一电容导电柱的端面；

17、在所述深孔及第二介质层的表面沉积电极材料，形成第一电极层；

18、去除部分电极材料，仅保留所述深孔的底部及侧面的第一电极层；

19、在所述第一电极层及第二介质层的表面依次形成高k铁电氧化物层和第二电极层，形成电容结构；

20、形成填充层，所述填充层的表面不低于所述第二电极层的表面；以及

21、形成金属互连及板线和位线。

22、进一步地，所述填充层采用电介质材料，且形成金属互连及板线和位线包括：

23、在所述填充层上钻孔，并形成导电柱，其中所述导电柱包括第二电容导电柱以及第二位线导电柱，所述第二电容导电柱的一端与所述第二电极层电连接，以及所述第二位线导电柱的一端与所述第一位线导电柱电连接；以及

24、在所述填充层的表面形成导电金属层，其中与所述第二电容导电柱电连接的部分形成板线，以及与所述第二位线导电柱电连接的部分形成位线。

25、进一步地，所述填充层采用钨金属，且形成金属互连及板线和位线包括：

26、在电容器的一侧形成第二位线导电柱，所述第二位线导电柱的一端与所述第一位线导电柱电连接；以及

27、在所述填充层的表面形成导电金属层，其中与所述填充层接触的部分形成板线，以及与所述第二位线导电柱电连接的部分形成位线。

28、进一步地，所述填充层采用导电材料，且形成金属互连及板线和位线包括：

29、在所述填充层的表面形成第三介质层，在所述第三介质层上钻孔，并形成导电柱，其中所述导电柱包括第二电容导电柱以及第二位线导电柱，所述第二电容导电柱的一端与所述填充层电连接，以及所述第二位线导电柱的一端与所述第一位线导电柱电连接；以及

30、在所述第三介质层的表面形成导电金属层，其中与所述第二电容导电柱电连接的部分形成板线，以及与所述第二位线导电柱电连接的部分形成位线。

31、此外，若采用钨金属等导电材料作为填充层，也可直接采用填充层作为板线及位线，基于此，本发明第三方面提供这一结构的铁电存储器的制造方法，包括：

32、提供半导体衬底，所述半导体衬底包括铁电存储单元区，所述铁电存储单元区具有源区、漏区、栅极区、隔离区以及各个功能区上方的电极及互连金属线；

33、形成第一互连结构，所述第一互连结构包括导电柱以及导电柱之间的第一介质层，其中所述导电柱包括第一电容导电柱以及第一位线导电柱；

34、在第一介质层的表面依次形成刻蚀停止层、第二介质层及硬掩模层；

35、在所述第二介质层形成第二位线导电柱，所述第二位线导电柱的第一端与所述第一位线导电柱电连接，第二端露出所述第二介质层的表面；

36、通过光刻和刻蚀工艺在第二介质层中形成深孔，所述深孔的底部暴露出所述第一电容导电柱的端面；

37、在所述深孔、第二介质层的表面及第二位线导电柱的第二端面沉积电极材料，形成第一电极层；

38、在所述第一电极层的表面依次形成高k铁电氧化物层和第二电极层，形成电容结构；

39、在所述第二电极层表面填充钨金属，形成填充层；以及

40、去除部分填充层、第二电极层、高k铁电氧化物层及第一电极层，使得各个电容器之间及电容器与第二位线导电柱分离。

41、本发明提供的一种铁电存储器及其制造方法，一方面采用了cub结构，使得整体制造工艺可与标准fab工艺兼容，便于集成、降低制造成本。另一方面，所述铁电存储器采用填充层至少部分地充当板线，又进一步地简化了工艺，同时缩小了所述铁电存储器的整体体积，进一步地提高了系统的集成度。