制造铁电存储器件的方法 本发明涉及一种半导体器件，特别涉及一种铁电存储器件及其制造方法。
现代数据处理系统需要存储于其存储器中的信息的主要部分能够随机存取，以确保快速存取这种信息。由于这种半导体技术执行的存储器的高速度工作，已开发了铁电随机存取存储器(FRAM)，并且FRAM具有非易失性的显著优点，这是由于铁电电容器包括一对电容器极板及夹在两极板间具有两种不同稳定极化态的铁电材料获得的，这两种极化态可以用通过依据所加电压标绘极化度描述的滞后回路限定。
近来，这种铁电材料的应用已达到了商业应用于半导体工业的程度。铁电存储元件是非易失的，用例如低于5V的低电压可编程(快擦写存储器用18-22V)，具有低于纳秒级的快速存取时间(快擦写存储器为微秒级)，并相对于实际无限次数的读和写周期数耐久性强。这些存储器元件的功率消耗也低(低于1微安的备用电流)，并具有防辐射能力。
允许集成电路应用中的这种发展的铁电材料包括钙钛矿结构铁电介质化合物，例如，锆钛酸铅PbZrxTi1-xO3(PZT)、钛酸锶钡(BST)、PLZT(锆钛酸镧铅)和SBT(锶铋钽)。
铁电存储器地制造工艺中，关键一点是获得铁电特性，而没有任何退化以及获得一个电容器/一个晶体管结构和多级金属结构。特别是，在PZT的情况下，铁电特性与利用淀积后退火制造的钙钛矿结晶结构的量直接相关。由于PZT膜按异质结构形式形成，所以利用淀积后退火形成钙钛矿结晶结构受与之接触的材料如电容器电极(即下电极和上电极)的影响很大。特别是，铂催化还原反应，即很容易氧化PZT，因而在各电极和PZT间的界面处引起了不可接受的缺陷，造成了PZT的钛不足(容易氧化)，最终导致了可靠性问题。
考虑到上述问题作出了本发明，因此本发明的目的是提供一种制造铁电存储器件的方法，具有改进的铁电特性，例如高温保持性、高读/写持久性。
为了实现这个和其它优点，根据本发明，制造铁电存储器件的方法包括在半导体衬底上形成第一绝缘层。在半导体衬底中和上的有源区上已经形成多个运行晶体管。每个晶体管包括具有绝缘帽盖层的栅极和一对从栅极的侧向边缘延伸且在有源区内到一预定深度的源/漏区。
铁电电容器组形成于第一绝缘层之上。铁电电容器组包括从第一绝缘层开始的下电极、铁电膜和上电极。还可以在下电极之下形成粘附/阻挡层。粘附/阻挡层由例如二氧化钛(TiO2)构成。下电极由具有导电氧化物电极和铂电极的多层构成。导电氧化物电极由例如利用DC磁控溅射技术形成的二氧化铱(IrO2)构成。铂电极用于有利地提供用于铁电膜淀积的良好结晶结构。还可以采用其它合适的电极。铁电膜由PZT(锆钛酸铅)构成。所得PZT铁电膜具有比锆酸盐高的钛含量。例如，钛和锆酸盐的组分约为3∶2、7∶3或4∶1。上电极由依次层叠的二氧化铱和铱的多层结构构成。进行光刻工艺，形成铁电电容器。构图电容器后，形成扩散阻挡层，以覆盖铁电电容器。下一工艺步骤是形成互连。在所得结构上形成第二层间绝缘层。在第二层间绝缘层和扩散阻挡层中形成到达下电极的第一开口。为了将作为还原剂的铂电极对PZT膜的催化作用减至最小，通过快速热退火或处理炉，在约450℃，在氧气氛中进行热处理。这种氧气氛热处理有助于稳定二氧化铱电极形成，将铁电膜和下电极间界面处的缺陷减至最少，并将二氧化铱电极的应力变化减至最小。在第一开口中和第二层间绝缘层上形成第一反应阻挡层。在阻挡层、第二和第一层间绝缘膜中形成到达源/漏区的第二开口。在所得结构上形成第二反应阻挡层，然后在其上淀积主金属层。
结合以下介绍、所附权利要求书及附图可以更好地理解本发明的这些和其它特点、方面和优点，其中：
图1A-1J是根据本发明在铁电电容器的选择工艺阶段的半导体衬底的剖面图；
图2A展示了本发明的铁电电容器的滞后回路；及
图2B展示了现有技术的铁电电容器的滞后回路。
下面与本发明的目的一致，具体说明制造铁电存储器件的方法。图1A-1J是在铁电电容器的选择工艺阶段的半导体衬底的剖面图。参见图1A，提供具有在其有源区上的晶体管104及第一绝缘层106的半导体衬底100。有源区被具有预定图形的器件隔离区102包围。晶体管104包括具有绝缘帽盖层的栅极，和一对从栅极的侧向边缘延伸且在有源区内到达预定深度的源/漏区。
参见图1B，在第一绝缘层106上形成粘附/阻挡层108。粘附/阻挡层108用于增强随后的铁电电容器的下电极与第一绝缘层106间的粘附性。另外，层106用作阻挡层，以防止材料的扩散。粘附/阻挡层108由例如二氧化钛(TiO2)构成。
在粘附/阻挡层108上依次淀积氧化物电极层110和铂电极层112，用作电容器的下电极。氧化物电极110由二氧化铱(IrO2)构成，是利用DC磁控溅射技术形成的。在约600℃，在氧气氛中进行热处理，以加强电极特性。二氧化铱电极层110的厚度最好为约500埃。铂电极层112用于有利地提供用于铁电膜淀积的良好结晶结构，其厚度约2700埃。所属领域的技术人员可以明白，还可以采用其它合适的电极。例如，可以用单层Ir、Rh或Ru代替二氧化铱层和铂层的双层结构。另外，双层结构可包括选自IrO2、ITO、RhO2、RuO2和MoO3中的下层和选自Pt、Ir、Rh和Ru中的上层。
铁电膜114形成于下电极层110和112上，可以选PLZT或PZT(锆钛酸铅)作这种铁电膜。本发明如下形成铁电膜(PZT)。利用溶凝胶工艺，以非晶形式淀积包括铁电材料成分的前体层。前体层具有比锆酸盐成分多的钛成分。例如，钛与锆酸盐的组分比为3∶2、7∶3或4∶1。进行淀积后退火，以便允许所淀积层从非晶相到结晶相即具有所需铁电介质特性的钙钛矿铁电介质相的转变。通过快速热处理或通过利用处理炉，在650℃以上最好是约700℃，在氧气氛中进行淀积后退火。
在铁电膜114上依次淀积氧化物电极层116和金属电极层118的双层结构，作为电容器的上电极。氧化物电极116由二氧化铱(IrO2)构成，并由DC磁控溅射技术形成。进行热处理，以在约450℃，在氧气氛中提供稳定的氧化物导电电极层。二氧化铱电极层110的厚度最好约300埃。金属电极118由铱构成，其厚度约1700埃。所属领域的技术人员应理解，也可以采用其它合适的电极。例如，用单层Ir、Rh或Ru代替二氧化铱层和铂层的双层结构。另外，双层结构可包括选自IrO2、ITO、RhO2、RuO2和MoO3中的下层及选自Pt、Ir、Rh和Ru中的上层。
在上电极层118上淀积厚约500埃的掩模层120，例如二氧化钛层(TiO2)120。通过光刻工艺，将掩模层120构图为所需要构形。利用这种掩模图形，利用RIE工艺各向异性腐蚀上电极层118和116，形成上电极图形。然后通过光腐蚀工艺，腐蚀暴露的PZT铁电膜114。为了去除腐蚀损伤，在约450℃进行热处理。此后，通过光腐蚀工艺，依次腐蚀下电极层112和110及粘附/阻挡层108，形成图1C所示所要求的结构。
在图1C所示的所得结构上淀积扩散阻挡层122。例如，选择二氧化钛(TiO2)层作这种扩散阻挡层。其厚度最好是约500埃-1000埃。这种扩散阻挡层用于防止电容器中的材料扩散到外部。在约650℃以上，在氧气氛中进行热处理，以致密化扩散阻挡层122。然后局部腐蚀所淀积的扩散阻挡层122，形成图1D所示的铁电结构。
参见图1E，利用CVD(化学汽相淀积)氧化层，在所得结构上常规形成第二绝缘层124。依次腐蚀第二绝缘层124和扩散阻挡层122，形成到达下电极铂层112的第一开口。铂可以催化还原反应。这种还原剂特性可氧化PZT膜，在下电极和PZT膜间的界面处造成缺陷。为了将作为还原剂的铂电极对PZT膜的催化作用降至最小，通过快速热退火工艺(RTP)或利用处理炉，在约450℃，在氧气氛中进行热处理。这种氧气氛热处理有助于形成稳定下电极，即二氧化铱电极，将铁电膜(PZT)和下电极(铂)间界面处的缺陷减至最少，并将二氧化铱电极的应力(由于退火期间二氧化铱向铱转变的趋势造成的)变化减至最小。
在第一开口125中和第二层间绝缘层124上形成第一反应阻挡层126，如图1F所示。例如形成厚约900埃的氮化钛层。在第一阻挡层126、第二和第一层间绝缘层124和106中形成到达源/漏区的第二开口128，如图1G所示。
参见图1H，在所得结构上形成第二反应阻挡层130。第二反应阻挡层130由双层结构构成，即，厚约300埃的钛层和约900埃的氮化钛层。依次淀积几千埃的铝和250埃的氮化钛层，形成第一金属线132。通过熟知的光腐蚀工艺，构图第一金属线132、第二反应阻挡层130和第一阻挡层126，形成电连接下电极至源/漏区的接触层，同时还形成位线，如图1I所示。
参见图1J，在所得结构上淀积第三绝缘层134。可以选择ECR(电子回旋共振)氧化层作第三绝缘层134。首先淀积厚约5000埃的ECR氧化层，然后对其进行平面化，再淀积到约6500埃厚，利用这种工艺形成ECR氧化层。或者，可采用CVD技术的TEOS氧化层。腐蚀第三绝缘层134、第二绝缘层124、扩散阻挡层122及掩模层120，形成到达铁电电容器上电极的第三开口136。尽管未示出，但同时形成暴露第一金属线的另一开口。在约450℃，在氮气氛中进行热处理，激活第二开口128和硅衬底中的钛层。
下一工艺步骤是形成第二金属线。在第三开口136中和第三绝缘层134上依次淀积约6000埃厚的铝层和约250埃厚的氮化钛层。利用光刻技术，腐蚀钛层和铝层，形成第二金属线138。在形成铝层前，还可以形成约900埃厚的氮化钛层。此后，在所得结构上进行钝化工艺。
本发明提供一种带有铁电膜的铁电电容器，所述铁电膜具有比锆酸盐成分较高量的钛成分，以便改善铁电特性。例如，钛与锆酸盐的组分比可以为3∶2、7∶3或4∶1。
根据本发明，在绝缘层中形成接触开口后，对已形成的铁电电容器进行热处理，以便改善铁电特性。
图2A展示了在进行了约1010个疲劳周期前(见参考数字10)和后(见参考数字12)，前述本发明的铁电电容器的滞后回路。如图所示，原始的滞后回路(参考数字10)与进行了1010个周期后的滞后回路间基本上没有差别。这意味着，本发明的电容器甚至在1010个周期后仍基本上保持了原铁电特性。
图2B展示了现有技术的铁电电容器的滞后回路，提供与图2A所示的本发明的比较。应注意，铁电膜中锆酸盐与钛的组分比为13∶12，且采用单层上电极(即铂)。如图所示，原始滞后回路(参考数字13)与约1010个疲劳周期后的滞后线(参考数字14)间存在显著变化。
提供下表以展示本发明的优点。
表1 参数图2A所示铁电电容器图2B所示铁电电容器 在5V切换 70.4μc/cm2 63.7μc/cm2 在5V不切换 16.7μc/cm2 32.8μc/cm2 在3V切换 59.1μc/cm2 51.8μc/cm2 在3V不切换 12.1μc/cm2 26.5μc/cm2 在5V的2Pr 53.7μc/cm2 30.9μc/cm2 在3V的2Pr 47.0μc/cm2 25.3μc/cm2 2Pr(疲劳后) 46.4μc/cm2 6.8μc/cm2 ％2Pr 90.8％ 5.8％或更小
如表1所示，与现有技术相比，本发明的5V和3V的切换电荷相当高。本发明的不切换电荷大约是现有技术的两倍。所以本发明的剩余极化为现有技术的两倍。约1010个疲劳周期后(在±5V双极脉冲，1MHz，50％占空度)，本发明具有约46.4μc/cm2的2Pr，为疲劳前2Pr的90.8％(＝47/46.4×100)。另一方面，现有技术具有约6.8μc/cm2的2Pr，只为疲劳前的2Pr的5.8％(25.3/6.8×100)。
根据本发明的电铁电容器具有良好的铁电特性，例如，相对于实际无限次数的读和写周期具有耐久性，并具有高剩余极化。
所属领域的技术人员应认识到，本申请所公开的发明思想可很广泛地应用。另外，可以各种方式修改优选实施方式。因此，应理解，在以下和上述提到的改形和改变只是例示性的，这些例子有助于展示本发明思想的范围，但这些例子并未穷尽所公开的新思想的全部变化范围。