电子元件、制作方法和用于制作电子元件的靶极 本发明大体上涉及电子元件而更详细地涉及用于电子元件制造的介电材料。
在包括用作电容器结构中两块导电平板之间的绝缘材料的各种各样的应用中使用象氧化硅和氮化硅之类的介电材料。部分地由介电材料的介电常数和两块平板之间介电材料的面积决定给定的电容器的有效电容值。为了减少电容器的相应尺寸而仍形成具有一样的电容值的电容器，在电容器中使用的材料的介电常数上必须成比例增大。
目前，一般的介电材料存在下述四个问题之一：一般的介电材料与制作电子元件使用的材料不相容；一般的介电材料不具备足够大的介电常数；在电子元件的工作范围内一般的介电材料具有居里温度，或者一般的介电材料具有高的漏电流密度。
因此，提供一种能够在电子元件制造中使用的具有较大地介电常数值和较低的漏电流密度的介电材料是有益的。倘若介电材料具有低于电子元件的工作温度的居里温度因此介电材料在电子元件正常工作期间不从顺电(paraeletric)态变化到铁电态，那么也是有利的。
图1说明根据本发明制作的电子元件的放大剖面图；和
图2是溅射沉积装置的剖面图。
要知道为了说明的简洁和清晰，在图中说明的元件不一定按比例绘图。例如，为了清晰，一些元件的尺寸与其他一些元件比较起来是被放大了。进一步，在这些附图中把附图之间重复出现的相当的标号看作表示相应的或相似的元件。
一般来说，本发明提供能够用于各种用途的电子元件的制造中的新型介电材料。本技术领域一般技术人员会明白本发明能够用于制造象微处理机、微控制器、传感器、动态随机存取存储器(DRAM)、嵌入DRAM、静态随机存取存储器(SRAM)、电可擦和可编程序的只读存储器(EEPROM)、快闪电可编程序只读存储器(快闪EPROM)或快闪电可擦和可编程序的只读存储器(快闪EEPROM)之类的集成电路。此外，本发明的介电材料同样能用来制作象独立电容器之类的分立元件。
由于介电材料的绝缘性能，所以本发明能来代替通常的介电材料。在下面描述的例子中，能用作本发明的介电材料来代替氧化硅或氮化硅作栅结构、电容器结构或非易失存储器设备中的绝缘材料。
最佳实施例的介电材料包括钡、钛、锡和氧化物。更详细地说，能用分子式：Ba(Ti(1-x)Snx)O3表示介电材料。式中X能够在大于0的值到1左右的范围内。
本发明的介电材料的一个出乎意外的特点是向化合物添加Sn构成归入介电材料类的材料。这种材料与通常多半想象到的物质不同例如用于形成互连结构或者引线结构的导电材料。而向本发明的化合物添加锡形成具有大于1的介电常数而电阻率大于1×105欧姆一厘米的材料。从历史上来看，介电常数大于1一直是本技术领域的一般技术人员把材料归入介电材料类而不是导电性或电阻性的材料类采用的数值。就其功能来说，本发明的材料适合于使材料用来形成导电结构之间的电绝缘而且还在导电结构之间形成电容耦合。例如，如果把介电材料置于二个导电区域或二块平板之间，则介电材料会阻止在平板之间的电流流动而使导电平板能容性耦合在一起。
介电材料的另一个出乎意外的特点是能够改变锡在化合物中的浓度的相对值以调节化合物的居里温度。特别是，能够改变上面表示的分子式中的X值以形成具有不同居里温度的化合物。材料的居里温度是材料从顺电性变化到铁电性时的温度。顺电性材料被认为在施加的电压电位时具有唯一的极化值。然而铁电性材料在极化上显示出取决于以前和现时施加于材料的电压电位的滞后现象。
在大多数应用中，最理想的是形成在性质上保持顺电性的介电材料。这样可以使电子元件形成具有可预测而一致的极化的电子元件。为了保持介电材料的顺电性质，材料的居里温度必须低于电子元件的正常工作温度以致介电材料不通过其居里点。例如，如果使电子元件在摄氏(C)0°到100°时正常工作时，则在理论上，材料的居里温度应该为-25℃或更低。
除了如上所述的改变其电特性外，由于介电材料通过其居里温度所以介电材料也经受很大的物理应力。因此，最理想的是形成以使其居里温度在其正常工作温度范围之外的介电材料。因为介电材料不从顺电态转换到铁电态所以这就使介电材料和含有介电材料的电子元件不致于在工作期间受损害。
然而在本技术领域一般技术人员会意识到有一些应用，在这些应用中最理想的是用在性质上是铁电性的介电材料制作电子元件。例如，最理想的是用铁电性介电材料制作非易失存储单元并用二种极化状态代表非易失存储单元的编程序状态和擦除状态。
图1说明能够使用本发明的介电材料的应用实例的剖面图。例如，能够用介电材料来制作如电子元件40和50中所示的电容器结构。电子元件40是在衬底41上形成的电容器。衬底41最好是半导体衬底，但是也可以采用本技术领域一般技术人员使用的其他衬底材料。电子元件40其有在下文称之为介电层43、夹在导电平板42和44中间的一层介电材料43。
上述的实施例中，介电层43最好是顺电性的以使电子元件具有可测而恒定的极化值。因此，应该调节锡在化合物Ba(Ti(1-x)Snx)O3中的相对量以使介电层43的居里温度小于电子元件40的正常工作温度。例如，从约0.15到0.3范围内变动的X值构成具有从约-25℃到100℃范围内变动的居里温度的介电材料。因此，只要电子元件40保持在-25℃以上，介电层43就保持顺电性。下面的表1提供在造成具有不同居里温度的化合物Ba(Ti(1-x)Snx)O3中的X值的其他范围。表1也分别列出在0℃和-25℃时材料的性质。用值‘＞0’表示浓度大于零而能够具有0.001、0.0001、0.00001或取决于测量能力的更小的值。用值‘＜1’表示浓度小于1而能够具有0.99、0.999、0.9999或取决于测量能力的更大的值。
表ⅠX值 居里温度 0℃性质 -25℃性质＞0到0.1 120℃到40℃ 铁电性 铁电性0.1到0.3 40℃到-125℃ 顺电或铁电性 顺电或铁电性0.15到0.3 0℃到-125℃ 顺电或铁电性 顺电或铁电性0.01到0.1 119℃到40℃ 铁电性 铁电性0.01到0.3 119℃到-125℃ 顺电或铁电性 顺电或铁电性＞0到＜1 小于120℃ 顺电或铁电性 顺电或铁电性
如表1中提供的例子所示，形成在约0℃时是顺电性的介电材料或者形成在约0℃时是铁电性的介电材料是可以实现的。形成具有居里温度小于0℃的介电材料或者形成具有居里温度小于-25℃的介电材料也是可以实现的。形成X从约0.2到0.4、从约0.3到0.5、从约0.4到0.6、从约0.5到0.7、从约0.6到0.8、从约0.7到0.9、从约0.8到1范围内变动的化合物也是可以实现的，然而目前不完全清楚在居里温度方面的范围。
在最佳实施例中，介电材料43包括导致介电材料具有从约28,000到35,000范围内的体介电常数的化合物Ba(Ti(1-x)Snx)O3。介电常数肯定大于1左右而且大于10左右，比氧化硅和氮化硅的常数大。本发明的介电常数也大于300左右，超过钡-锶-钛-氧化物的薄膜介电常数。本发明的材料介电常数与约为15,000到20,000的钡-锶-钛-氧化物的体介电常数相吻合。
如表1所示，掺入锡形成的化合物仍构成介电材料。可以形成包含锡或者锡和钛的其他化合物也是可能的，这样的化合物同样形成具有介电特性的材料。此外，虽然最佳实施例中的化合物包含氧，但是也可以使用其他氧化物应该是不言而喻的。
如图1所示，电子元件40包括与介电材料43直接接触的导电平板42和44。当其他象氮化硅、氧化硅或含氧氮化物之类的介电材料能在导电平板之间形成时，介电材料43没有必要与导电平板42和44直接接触。另外，如在电子元件50中用图所说明的那样，能用掺杂区52代替电容器结构中的下面的导电平板。因此，能使本发明的介质材料置于二个导电区之间以形成电容器结构。
同样能够用本发明的介电材料来制作象非易失存储单元之类的电子元件60。例如，能够用包括Ba(Ti(1-x)Snx)O3的介电层61和63使浮栅62与在下面的在衬底41内的沟道区67电隔离并且使浮栅62与控制栅64电隔离。沟道区指的是在源区65和漏区66之间的衬底部分。不需要完全用本发明的介电材料制备介电层61和63而且没有必要两层薄层都包括Ba(Ti(1-x)Snx)O3，这应该是不言而喻的。在介电层61和63中的每一介电层中包含象二氧化硅、氮化硅诸如此类的其他介电材料也是可能的。
同样在图1中所示的是说明能够怎样使用本发明的介电材料作栅介电材料的电子元件70。电子元件70具有在栅结构72和衬底41之间用来使栅结构72与沟道区75电隔离的一层介电材料71。在电子元件70运作时，在栅结构72上接入电压电位以调节在源区73和漏区74之间的沟道区75。
现在提供根据本发明制作具有含锡介电材料的电子元件的方法。制作介电材料43、61、63或71的一种方法是采用金属有机物分解工艺或溶液-凝胶(sol-gel)工艺。例如按适当比率配制含有所希望元素的产物母体的溶液。然后使溶液分涂或者旋转摔在衬底的表面上以形成在衬底横向上的一层溶液。然后使溶液加热或热处理以驱除在溶液中的有机物，由此形成一层具有理想组分的介电材料。
能够把象β-正丁氧锡、氯化锡、醋酸锡、硝酸锡、乳酸锡、醋酸铵锡、四异丙氧锡或异丙氧锡之类的产物母体用作锡源加入溶液。能够把象四正丁氧钛、二叔丁氧基四甲基庚二酮钛酯、四叔丁氧钛、双四甲基庚二酮双异丙氧钛、四乙氧钛、乳酸钛、醋酸铵钛、四异丙氧钛或异丙氧钛之类的产物母体用作钛源加入溶液。能够把象四甲基庚二酮钡酯的b-双酮酯络合物、六氟乙酰丙酮钡酯、钡(2,2,6,6-四甲基-3,5庚二酮)2、钡·六氟乙酰丙酮或者钡·四氟乙酰丙酮之类的产物母体用作钡源加入溶液。
根据本发明采用例如图2所说明的离子溅射或者活性离子溅射(RIS)工艺形成介电材料层也是可行的。图2说明射频(RF)溅射装置的剖面部分。本发明也能够用于直流(DC)溅射装置而本领域领域一般技术人员会清楚需要作适当的更换，这应该是不言而喻的。装置10包括在里面发生溅射的溅射室11。溅射靶极12用作在半导体衬底13的表面上形成介电薄膜16的材料源。通过溅射使材料从溅射靶极12输送到薄膜16。为了便于RF溅射操作，使RF电源与靶极12连接以及与衬底13连接。
溅射靶极12含有所希望的钡量、钛量和锡量并且能够通过使氧化钡、氧化钛和氧化锡按适当的比例混合以形成陶瓷溅射靶极来制作溅射靶极12。在混合以后采用加压和加温使混合物转化成溅射靶极12。例如，能够从约300大气压(atm)冷压混合物，而然后在大气压下以接近1200℃的温度烧结混合物。这些压力和温度可以随加热炉和靶极的尺寸而且也随靶极组分而改变。
此后，把靶极12与衬底13同时放入溅射室11。为了形成电场和便于使材料从靶极溅射到衬底13表面，使靶极12和衬底13与RF电源15连接。典型的是，电源15把近五百伏电压施加到靶极12和衬底13。为完善RF溅射，在溅射室11内用惰性气体保护以形成等离子体。对于本技术领域一般技术人员来说，是非常熟悉RF溅射操作。
用由氧化钡、氧化锡和氧化钛制成的溅射靶极来形成介电层16同样是可以行得通的。把溅射靶极12和衬底13放入充满环境含有的氧气的溅射室11。随着部分溅射靶极输送到衬底13，以所希望的比例并入氧以形成介电材料。在沉积介电层16以后在富氧环境中使衬底热处理或加热而不是在富氧环境中溅射也是可以得行通的。
采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺形成本发明的介电材料也是可以实现的。在上述的工艺中，把一些早先列举的产物母体用携带气体按所希望的比例输送到反应室。反应条件部分地取决于所选择的产物母体而本技术领域一般技术人员是会清楚的。
至此应该知道本发明提供能够用来形成电子元件中的介电材料的化合物。本发明也提供例如通过制作溅射靶形成介电材料的方法，而且提供有关其使用的操作说明。根据本发明形成的介电层具有比以前已知的介电材料高的介电常数。因此，能够在较小的面积内制作电子元件，而仍具有与在用通常的材料制作电子元件的时候一样的电容值。所以，本发明容许用较小的表面积因而以较低的制造成本制作电子元件。