使用混合电极的多晶铁电电容器异质结构 本发明的领域
近来，具有高结晶品位的铁电薄膜已在硅衬底上长成，其中使用了缓冲层和模板的组成以引发结晶作用和形成所需的按特定的结晶取向的材料相。例如，已在化学净洗过的[100]Si晶片上使用以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)作为缓冲层以提供一种晶状的模板，供铜酸盐超导体后续层(如钇-钡-铜酸盐(YBCO))之生长。在美国专利No.5155658中，用一种高结晶品位的C-轴定向的YBCO为结构模板，供后续的一层假立方钛酸铅锆(PZT)钙钛矿铁电层和一层覆盖的YBCO电极层的生长，得出铁电记忆元件。然而，在Si-CMOS处理过程中呈现出高的生长温度这样一个问题。
过后，立方金属氧化物(如镧-锶-钴氧化物(LSCO))的较低温度的晶体生长获得了成功，其中使用了一层钙钛矿(例如钛酸铋(BTO))模板层引发LSCO和PZT铁电覆层中的C-轴定向，正如美国专利No.5270298中所述者。铁电器件的生成的进一步改进则在美国专利No.5248564中得到了实现，其中使用铅-镧-锆-钛酸盐(PLZT)于LSCO/PLZT/LSCO异质结构中，后者可通过一层BTO，或相似的钨酸铋(BWO)模板，相容地形成于CMOS SiO2/Si衬底上。
尽管如此可克服温度地限制性和做到了CMOS的相容性，但在SiO2/Si衬底上的异质结构的电导性仍然不足以供有效的集成电路应用之需。按照尚未审定的顺序号为08/318587的美国专利申请(1994年10月5日提出，且与本申请共同转让)所披露的操作，借助于在一层钙钛矿模板上的定向铂的中间外延淀积，已使这一缺点被消除。可是，额外的模板和结晶层生长的操作明显延长了器件的加工处理时间。
本发明的概述
本发明业已惊奇地发现，形成的一层钙钛矿(例如BTO)模板夹层可予废除，而常规地生长在打底过Ti，Ta或TiO2的具有无定形SiO2表面的商品级硅晶片衬底上的薄的金属(如铂)膜可提供所需的电层导电性，又能支持如LSCO，LaSrCrO3，RuOx和SrRuO3之类的任何数种金属氧化物电容器电极材料的良好的多晶生长，随后同样还可生长至少一种如PLZT或PZT之类的中间钙钛矿铁电层。这类材料的所要求的铁电性能，尤其就抗疲劳和印记(imprint)而言，并不受多晶体生长所影响且可借助掺杂％-10％镧和铌而进一步使之尽可能完善。
附图的简述
本发明将参照下列附图加以叙述，其中：
图1为本发明的铁电异质结构的代表性正视截面图；
图2为按本发明的，由生长于Si/SiO2衬底上所得的强铁电异质结构的代表性X-射线衍射图形；
图3为生长于缺少一层SiO2的衬底所得的弱铁电异质结构的代表性X-射线衍射图形；
图4为在LSCO电极底层生长所得的强铁电异质结构的代表性X-射线衍射图形；
图5为无LSCO电极底层生长所得的弱铁电异质结构的代表性X-射线衍射图形；
图6为测试以图2和图3为特征的异质结构而得到的对比滞后回线图；和
图7为测试以图4和图5为特征的异质结构而得到的对比滞后回线图。
发明详述
图1显示了按本发明制成的一个典型铁电异质结构记忆元件10，它包括作为衬底的单晶定向
硅片11，其表面已经过热湿式氧化以形成一层电子级无定形SiO2层12，厚约100nm。在压电器件中特别有用的另一种硅覆盖层材料是四氮化三硅Si3N4。使用准分子激光器(248nm)，以范围为2-2.5J/cm2的能量密度，用脉冲激光淀积法(PLD)在SiO2层表面于600-680℃的温度下生长约50nm钛打底层13，然后同样在Ti层13上生长一层50-150nm金属铂层。其它通用的生长技术，如溅射法，化学蒸气淀积法(CVD)，以及电子束沉积法，同样均可使用。
采用具有合适成分的靶，用PLD设备进行随后的电极和铁电层的淀积。在通常温度范围为550°-700℃和氧分压为约13.3Pa气氛下，使LSCO的第一电极层生长于Pt层14之上至约厚50-150nm，最好为约100nm；LSCO的组成通常为L1-xSrxCoO3，其中X为约0.15-0.85，最好为约0.5。其它已知的金属氧化物电极材料，如RuOx，SrRuO3和LaSrCrO3同样是可行的。
接着生长PLZT铁电层16至达约100-500nm，通常为300nm，在本例中，PLZT材料的组成为Pb0.9 La0.1 Zr0.2 Ti0.8 O3，但可视所要求的应用而作宽幅变化。又，掺杂镧或铌1％-10％，最好为4％-6％，对于使铁电性能最佳化是有用的。其它铁电或顺电材料，如钛酸钡、钛酸钡锶、钛酸铅、钛酸铋、钽酸铋锶，铌酸铋锶和铌钽酸钾同样可在高介电常数的电容器应用中和在热电和压电器件中用作层16。然后生长一层约100nm LSCO顶电极层17并将完成的异质结构在氧分压约为1×102至约1×105Pa的气氛中以约5-20℃/min的最佳速率冷至室温。完成的多晶异质结构的X-射线衍射测定证实了铁电叠式积层完全处于钙钛矿相。
用普通的光刻法由上面的LSCO层17制出50μm直径的试验电容器电极18，其上淀积有Pt/Au电接触19。与底部电极层15的配伍接触系通过电容藕合经由结构表面上某处的一块大导电垫片(未画出)加以建立。电容器异质结构的典型铁电试验表示出了非常合意的疲劳、老化和保留性质，特别适合于长时期，非易失性存储器的应用场合。器件所显示的剩余极化强度值在5V约为15-20μc/cm2，很适合此一目的。在提升的温度下和dc偏压存在下的更极端的条件下的进一步试验显示同样满意的结果。例如，在约100℃，器件在至少1011个循环内显示出良好的读-写耐久性。
生长了另外的一些异质结构，以提供样品，供试验本发明的工艺过程的有效性。在一组此类样品中，第一个异质结构照如上所述包含SiO2层12而制成，而在第二样品中则省去此SiO2层。示于图2和图3中的此两样品的相应的X-射线衍射图形显示，有SiO2夹层12时生长的PLZT层(图2)的铁电取向占优势，而由无SiO2层所生长者则占弱势并有杂质相的衍射峰(图3)。两图形的各别强度特别显著。
图4和图5这两个对比X-射线衍射图形系得自第二组样品，该组中的两样品的不同在于分别是包括和省略了LSCO层15，后者是与异质结构叠层的PLZT铁电层16下的Pt层14形成混合金属/金属氧化物电极所需者(图1)。LSCO电极层15的作用可最显著地从PLZT铁电钙钛矿相的X-射线衍射峰看出(图4)，也可从衍射的强度中看出。无LSCO电极层时，只形成非铁电的PLZT的焦绿石相(pyro)(图5)。
随后的铁电性能测定突出地显示了存在于Si晶片衬底上的SiO2层的重要作用，这可从这些样品的对比滞后回线图中观察到(图6)。这类测定也证实了显著的优点，即LSCO电极层既提供了能使铁电钙钛矿相优先成核的特性又提供了优秀的铁电可靠度特性。用有LSCO电极层和无LSCO电极层制成的异质结构的对比滞后回线图(图7)以实例说明了后一种样品中基本上不存在铁电性质。
本发明的操作和铁电异质结构电容器材料可应用于范围广泛的器件，如供DRAM(动态随机存取存储器)电容器用的电介质，供无损读出存储器用的铁电FET(场效应晶体管)元件，供集成光学仪器、热电检测器用的在SiO2/Si衬底上生长的电-光钙钛矿，等等。使用混合金属/金属氧化物电极的这些铁电薄膜的另一个重要方面是它们在诸如FRAM(铁电随机存取存储器)之类的非易失性的存储器储存介质中的应用。
通过借助本发明而得以实现的铁磁元件和晶体管电路的集成，可制成磁阻随机存取存储器(MRAM)和磁记录和检测元件形式的另外的器件。这类结构供用于集成的微机电系统(此中使用了铁电材料的压电性能)也是特别有价值的。根据前面所述，这些和其它应用对熟练的技术人员而言将变得显而易见，故被认为均在如所附权利要求书中所限定的本发明的范围之内。