專利名稱：減少可移動物質(zhì)從金屬氧化物陶瓷的擴散的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于集成電路(IC)的金屬氧化物陶瓷薄膜。更具體而言，本發(fā)明涉及到減少可移動物質(zhì)向襯底中的擴散。
背景技術(shù)：
金屬氧化物陶瓷材料已經(jīng)被研究用于IC中。例如，作為鐵電體或能夠被轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電體的金屬氧化物陶瓷是有用的，這是由于它們具有高的剩余極化(2Pr)和可靠的長期存儲特性。非鐵電體的金屬氧化物陶瓷比如超導(dǎo)體，也已經(jīng)被研究。
各種技術(shù)比如溶膠-凝膠方法、化學(xué)氣相淀積(CVD)、濺射、或脈沖激光淀積(PLD)，已經(jīng)被開發(fā)出來在襯底上淀積鐵電薄膜。這些技術(shù)在例如下面的出版物或?qū)＠杏兴枋鯞udd et al.，Brit.Ceram.Soc.Proc.，36，p107(1985)；Brierley et al.，F(xiàn)erroelectrics，91，p181(1989)；Takayama et al.，J.Appl.Phys.，65，p1666(1989)；Morimoto et al.，J.Jap.Appl.Phys.318，9296(1992)；以及美國專利在案申請USSN08/975087，題為“使用B-二酮酸(B-Diketonate)鉍前體制備集成到鐵電存儲器件中的鉍陶瓷薄膜的低溫CVD工藝”，和USSN09/107861，題為“無定形淀積的金屬氧化物陶瓷薄膜”，為了各種目的，所有這些在此處被列為參考。
金屬氧化物陶瓷經(jīng)常被在相對的高溫下進行淀積后熱處理，以便產(chǎn)生具有所需要電特性的材料。例如，一些Bi-基氧化物陶瓷比如鉭酸鍶鉍(SBT)通過“鐵退火”被熱處理。鐵退火把所淀積的薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相。在所淀積的薄膜被轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相之后，為了獲得良好的剩余極化，繼續(xù)鐵退火，使薄膜的晶粒尺寸長大(例如約大于180nm)。其他類型金屬氧化物陶瓷能被淀積為鐵電體。例如，鈦酸鉛鋯(PZT)經(jīng)常在相對更高的溫度比如高于500℃下被淀積，以形成具有鐵電鈣鈦礦相的淀積薄膜。盡管PZT被淀積為鐵電體，但仍然經(jīng)常需要淀積后熱處理來提高其電特性。
典型地，金屬氧化物陶瓷包含可移動物質(zhì)。淀積后熱處理的高溫引起可移動物質(zhì)從金屬氧化物陶瓷層向外擴散。從金屬氧化物陶瓷層向外擴散的可移動物質(zhì)的數(shù)量被稱作“過量可移動物質(zhì)”。該可移動物質(zhì)能處于原子、分子或化合物的形式。過量可移動物質(zhì)的擴散能對成品率有負面影響。過量可移動物質(zhì)在淀積后熱處理期間，能容易地遷移到IC的其他區(qū)域比如襯底中。這會導(dǎo)致其他器件區(qū)域比如擴散區(qū)的電特性不足和/或改變。
如前面的討論所證明，消除由過量可移動物質(zhì)從金屬氧化物陶瓷層擴散引起的負面影響，是所希望的。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及金屬氧化物陶瓷薄膜和它們在IC中的應(yīng)用。更具體而言，本發(fā)明減少過量可移動物質(zhì)從金屬氧化物陶瓷到襯底的擴散。
按照本發(fā)明，提供了一種阻擋層。該阻擋層充當擴散勢壘以減少過量可移動物質(zhì)的擴散或使之最小。在一個實施方案中，該阻擋層被提供在襯底上，把金屬氧化物陶瓷和襯底隔開。
在一個實施方案中，阻擋層包含與可移動物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的材料。該反應(yīng)俘獲可移動物質(zhì)，防止它穿過阻擋層。在另一個實施方案中，阻擋層包含致密材料，以阻擋可移動物質(zhì)穿過。同樣，包含無定形材料或晶粒尺寸非常小的材料的阻擋層是有用的。這樣的材料延長可移動物質(zhì)的擴散路徑，使可移動物質(zhì)更難以擴散穿過。
在另一個實施方案中，阻擋層包含很少或不與可移動物質(zhì)相互吸引的晶粒表面。作為變通，包含與可移動物質(zhì)有強烈相互作用的晶粒表面和高的可移動物質(zhì)遷移激活能的阻擋層，也是有用的。
在又一個實施方案中，對金屬氧化物陶瓷的化學(xué)配比即組成成分進行選擇，以減少可移動物質(zhì)的擴散或使之最小，而不負面影響材料的電特性。此外，可以控制金屬氧化物陶瓷的淀積參數(shù)，來減少過量可移動物質(zhì)從金屬氧化物陶瓷的擴散。在一個實施方案中，氧化劑對氧化劑前體的量的比率被減少，以便減少可移動物質(zhì)的擴散。
附圖的簡要說明

圖1示出了本發(fā)明的說明性實施方案的示意圖2示出了本發(fā)明的實施方案的剖面圖；圖3a-c示出了根據(jù)本發(fā)明實施方案制作器件的工藝；圖4a-4d示出了形成本發(fā)明變通實施方案的工藝；圖5a-5c示出了形成本發(fā)明另一個實施方案的工藝；圖6a-6b示出了形成本發(fā)明變通實施方案的工藝；以及圖7a-7b示出了形成本發(fā)明變通實施方案的工藝。
發(fā)明的詳細描述本發(fā)明涉及到金屬氧化物陶瓷薄膜及其在IC中的應(yīng)用。更確切地說，本發(fā)明涉及到減少由于過量可移動物質(zhì)從金屬氧化物陶瓷擴散而引起的負面影響。
為了說明的目的，用鐵電存儲單元和鐵電晶體管來描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明一般能夠應(yīng)用于金屬氧化物陶瓷的制作。其他應(yīng)用比如包含金屬氧化物陶瓷層的鐵電晶體管，也是有用的。在例如Miller和McWhorter的論文"鐵電非易失存儲器場效應(yīng)晶體管的物理性質(zhì)"，J.Appl.Physics，73(12)，p5999-6010(1992)；以及題為“無定形淀積的金屬氧化物陶瓷薄膜”的美國在案專利申請USSN09/107861中，描述了鐵電晶體管，此處將這些文獻列為參考。
參考圖1，示出了鐵電存儲單元100的示意圖。如所示，該存儲單元包含晶體管110和鐵電電容器150。晶體管的第一電極111被耦合到位線125，而第二電極112被耦合到電容器。晶體管的柵電極被耦合到字線126。
鐵電電容器包含被鐵電層155隔開的第一和第二極板153和157。第一極板153被耦合到晶體管的第二電極。第二極板通常用作存儲陣列的公共極板。
多個存儲單元被字線和位線互連成存儲IC中的陣列。通過提供適當?shù)碾妷旱阶志€和位線，使數(shù)據(jù)能夠從電容器被寫入或讀出，而實現(xiàn)對存儲單元的訪問。
參考圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的鐵電存儲單元100的剖面。該存儲單元包含襯底101比如半導(dǎo)體晶片上的晶體管110。該晶體管包括被溝道113分隔開的擴散區(qū)111和112，溝道113上面是柵114。柵氧化物(未示出)把柵和溝道分隔開。擴散區(qū)包含p型或n型摻雜劑。摻雜劑類型的選擇取決于所要求的晶體管的類型。例如，n型摻雜劑比如砷(As)或磷(P)被用于n溝道器件，而p型摻雜劑比如硼(B)被用于p溝道器件。取決于擴散區(qū)之間的電流方向，一個被稱作“漏”，另一個被稱作“源”。術(shù)語“漏”和“源”在這里可以互換地用來表示各擴散區(qū)。電流通常從源流向漏。柵代表字線，而擴散區(qū)111中的一個被接觸插頭(未示出)耦合到位線。
電容器150經(jīng)接觸插頭140被耦合到擴散區(qū)112。電容器包含被金屬氧化物陶瓷層155隔開的底部和頂部電極153和157。在一個實施方案中，金屬陶瓷層包含鐵電相或能夠轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電體。電極包含導(dǎo)電材料。
金屬氧化物陶瓷層的組成即化學(xué)配比能被調(diào)整，以引起從中擴散的過量可移動物質(zhì)的數(shù)量減少。通過減少過量可移動物質(zhì)的擴散，金屬氧化物保持正確的組成以獲得良好的電特性。
此外，金屬氧化物陶瓷的淀積參數(shù)能被控制，以減少從金屬氧化物陶瓷擴散出來的過量可移動物質(zhì)的數(shù)量。在一個實施方案中，氧化劑對氧化劑前體的量的比率被減少，以減少過量可移動物質(zhì)的擴散。
層間電介質(zhì)(ILD)層160被提供來隔離存儲單元的不同元件。ILD層包含例如二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)之類的硅酸鹽玻璃。摻雜的硅酸鹽玻璃比如硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)、硼硅酸鹽玻璃(BSG)、或磷硅酸鹽玻璃(PSG)，也是有用的。其他類型的電介質(zhì)材料也能被使用。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，阻擋層被提供作為過量可移動物質(zhì)的擴散勢壘。在一個實施方案中，阻擋層被提供在金屬氧化物陶瓷層和襯底之間，以減少過量可移動物質(zhì)擴散到襯底中，或使之最小。該阻擋層例如被形成在電容器周圍的ILD上，防止襯底出現(xiàn)過量的可移動物質(zhì)。
圖3a-b示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案形成存儲單元的方法。參考圖3a，示出了包含部分形成的器件的襯底201。如所示，該襯底包括晶體管210。該襯底例如是包含硅的半導(dǎo)體晶片。其他類型的襯底比如鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)或其他半導(dǎo)體化合物，也能被使用。襯底通常被p型摻雜劑比如B輕摻雜。更重摻雜的襯底也是有用的。具有輕摻雜外延(epi)層的重摻雜襯底，比如p-/p+襯底，也能被使用。n型摻雜的襯底，包括輕摻雜、重摻雜、或帶有輕摻雜epi層的重摻雜襯底，也是有用的。
如有需要，包含摻雜劑的摻雜阱270被提供以防止穿通。借助于選擇性注入摻雜劑到制作晶體管的區(qū)域中的襯底中，來形成摻雜阱。在一個實施方案中，通過注入p型摻雜劑比如B到襯底中來形成摻雜阱。p型摻雜阱(p-阱)充當n溝道器件的摻雜阱。包括例如As或P摻雜劑的n型摻雜阱(n-阱)的使用，對p溝道器件也是有用的。
擴散區(qū)211和212通過選擇性注入具有第二導(dǎo)電類型的摻雜劑到所要求的襯底部分而形成。在一個實施方案中，n型摻雜劑被注入到用于n溝道器件的p型阱中，且p型摻雜劑被用于p溝道器件。也可以執(zhí)行將摻雜劑注入到擴散區(qū)之間的溝道區(qū)213中的注入，以調(diào)整晶體管的柵閾值電壓(VT)。在制作柵之后形成擴散區(qū)也是有用的。
各種層被淀積在襯底上并被圖形化以形成柵214。該柵例如包括柵氧化物層和多晶硅(poly)層。例如多晶硅被摻雜。在某些情況下，金屬硅化物層被制作在摻雜的多晶硅上，產(chǎn)生多晶硅-硅化物(多硅化物)層，以減少薄層電阻。各種金屬硅化物，包括鉬硅化物(MoSix)、鉭硅化物(TaSix)、鎢硅化物(WSix)、鈦硅化物(TiSix)、或鈷硅化物(CoSix)，都是有用的。鋁或高熔點金屬比如鎢和鉬，能被單獨使用或與硅化物或多晶硅組合使用。
將擴散區(qū)211耦合到位線225的接觸插頭220以及耦合到擴散區(qū)212的接觸插頭240，能在晶體管完成之后使用各種已知技術(shù)比如單重或雙重鑲嵌技術(shù)來形成。反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)也是有用的。鑲嵌和刻蝕技術(shù)的組合也能被使用。接觸插頭包含導(dǎo)電材料比如摻雜的多晶硅或鎢(W)。其他導(dǎo)電材料也是有用的。位線例如包含鋁(Al)或其他類型的導(dǎo)電材料。ILD層260把存儲單元的不同元件隔離開來。
參考圖3b，繼續(xù)該工藝以形成鐵電電容器。導(dǎo)電的電極阻擋層251被淀積在ILD層上。該電極阻擋層防止氧進入插頭。該電極阻擋層能防止或減少原子在接觸插頭240和后續(xù)形成的底部電極之間的遷移。該電極阻擋層包含例如氮化鈦(TiN)。其他材料比如IrSixOy、CeO2TiSi2、或TaSiNx也是有用的。
導(dǎo)電層253被淀積在電極阻擋層上。導(dǎo)電層253用作底部電極。底部電極最好包含不與后續(xù)淀積的金屬氧化物陶瓷薄膜發(fā)生反應(yīng)的導(dǎo)電材料。在一個實施方案中，底部電極包含貴金屬比如Pt、Pd、Au、Ir、或Rh。其他材料比如導(dǎo)電的金屬氧化物、導(dǎo)電的金屬氮化物、或超導(dǎo)氧化物，也是有用的。導(dǎo)電的金屬氧化物、導(dǎo)電的金屬氮化物、或超導(dǎo)氧化物，最好不與鐵電層反應(yīng)。導(dǎo)電的氧化物包括例如IrOx、RhOx、RuOx、OsOx、ReOx或WOx(其中x大于大約0而小于大約2)。導(dǎo)電的金屬氮化物包括例如TiNx、ZrNx(其中x大于大約0而小于大約1.1)、WNx或TaNx(其中x大于大約0而小于大約1.7)。超導(dǎo)氧化物可以包括例如YBa2Cu2O7－x、Bi2Sr2Ca2Cu3Ox、或Bi2Sr2Ca1Cu2Oy。
電極阻擋層和導(dǎo)電層被圖形化，以形成耦合到接觸接線柱240的底部電極疊層280。金屬氧化物陶瓷層被形成在底部電極疊層上。在一個實施方案中，金屬氧化物陶瓷包含鐵電相或能夠轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電體。
各種技術(shù)比如溶膠-凝膠方法、化學(xué)氣相淀積(CVD)、濺射、脈沖激光淀積(PLD)、和蒸發(fā)，被用來形成金屬氧化物陶瓷層。最好用CVD來形成金屬氧化物陶瓷層。最好用低溫CVD技術(shù)來淀積金屬氧化物陶瓷。在題為“使用B-二酮酸鉍前體制備集成到鐵電存儲器件中的鉍陶瓷薄膜的低溫CVD工藝”的美國專利在案申請USSN08/975087中，描述了低溫技術(shù)，這里列為參考。更優(yōu)選的是，使用CVD方法以無定形的形式來淀積金屬氧化物陶瓷層。在題為“無定形淀積的金屬氧化物陶瓷薄膜”的美國專利在案申請USSN09/107861(代理人文檔號為98P7422)中，描述了CVD無定形淀積的金屬氧化物層，為了各種目的，此處將其列為參考。
在一個實施方案中，金屬氧化物陶瓷包含Bi-基金屬氧化物陶瓷。Bi-基金屬氧化物層一般表示為YaBibX2Oc，其中Y包含2價陽離子，而X包含5價陽離子。在一個實施方案中，Y等于選自Sr、Ba、Pb、和Ca中的一個或更多個元素，X在一個實施方案中等于選自Ta和Nb中的一個或更多個元素。下標“a”指的是對于每2個X原子，Y原子的數(shù)量；下標“b”指的是對于每2個X原子，Bi原子的數(shù)量；而下標“c”指的是對于每2個X原子，氧原子的數(shù)量。
鐵電Bi-基金屬氧化物陶瓷優(yōu)選包含層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，它具有被帶正電的Bi氧化物層[Bi2O2]2n+隔開的帶負電的鈣鈦礦層[Am－1BmO3m＋1]2-，其中A＝Bi3+、L3+、L2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Na+(L＝諸如Ce4+、La3+、Pr3+、Ho3+、Eu2+、Ub2+之類的鑭系金屬)；B＝Fe3+、Al3+、Y3+、L3+、Ti4+、Nb5+、Ta5+、W6+、Mo6+；而m＝1、2、3、4、5。
在一個實施方案中，Bi-基氧化物陶瓷包含Sr。包含Sr和Ta的Bi-基氧化物也是有用的。Bi-氧化物最好包含SBT，一般表示為SraBibTa2Oc。SBT能被更具體地表示為比如SrBi2Ta2O9。鐵電SBT包含具有被帶正電的Bi氧化物層隔開的帶負電的Sr和Ta氧化物的鈣鈦礦層的層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。Sr和Ta氧化物的化學(xué)配比例如是[SrTa2O7]2n-n，而Bi氧化物層的化學(xué)配比例如是[Bi2O2]2n+n，產(chǎn)生由交替的[SrTa2O7]2n-n和[Bi2O2]2n+n層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。
SBT的衍生物也是有用的。SBT衍生物包括SraBibTa2－xNbxOc(0＜x＜2)、SraBibNb2Oc、SraBibTa2Oc、Sra－xBaxBibTa2－yNbyOc(0≤x≤a，0≤y≤2)、Sra－xCaxBibTa2－yNbyO9(0≤x≤a，0≤y≤2)、Sra－xPbxBibTa2－yNbyOc(0≤x≤a，0≤y≤2)、或Sra－x－y－zBaxCayPbzBibTa2－pNbpOc(0≤x＋y＋z≤a，0≤p≤2)。用鑭系金屬替換或摻雜Bi-基氧化物或SBT衍生物也是有用的。
在另一個實施方案中，Bi-基氧化物陶瓷包含Bi4Ti3O12或它的衍生物。Bi4Ti3O12的衍生物包括例如PrBi3Ti3O12、HoBi3Ti3O12、LaBi3Ti3O12、Bi3TiTaO9、Bi3TiNbO9、SrBi4Ti4O15、CaBi4Ti4O15、BaBi4Ti4O15、PbBi4Ti4O15、Srl－x－y－zCaxBayPbzBi4Ti4O15(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)、Sr2Bi4Ti5O18、Ca2Bi4Ti5O18、Ba2Bi4Ti5O18、Pb2Bi4Ti5O18、Sr2－x－y－zCaxBayPbzBi5Ti4FeO18(0≤x≤2，0≤y≤2，0≤z≤2)、SrBi5Ti4FeO18、CaBi5Ti4FeO18、BaBi5Ti4FeO18、PbBi5Ti4FeO18、Srl－x－y－zCaxBayPbzBi5Ti4FeO18(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)、Bi5Ti3FeO15、LaBi4Ti3FeO15、PrBi4Ti3FeO15、以及Bi6Ti3FeO18、Bi9Ti3Fe5O27。
在一個實施方案中，用低溫CVD技術(shù)來淀積Bi-基金屬氧化物陶瓷。在一個優(yōu)選實施方案中，用CVD來無定形淀積Bi-基金屬氧化物。Bi-基金屬氧化物的淀積溫度為例如大約430℃或更低，最好約為385-430℃。
在下列美國專利在案申請中，描述了用來制作Bi-基氧化物陶瓷的前體和反應(yīng)氣體1997年11月20日提交的題為“使用B-二酮酸鉍前體制備集成到鐵電存儲器件中的鉍陶瓷薄膜的低溫CVD工藝”的USSN08/975087；1997年10月30日提交的題為“無水單核三(β-二酮酸)鉍合成物及其制作方法”的USSN08/960915；1998年6月30日提交的題為“無定形淀積的金屬氧化物陶瓷薄膜”的USSN09/107861；為了各種目的，此處將所有這些列為參考。
前體可以被各自溶解在溶劑系統(tǒng)中，并儲存在輸送子系統(tǒng)的各自貯存器中。在淀積之前，前體被以正確的比例混合。在單個的貯存器中混合前體也是有用的。前體應(yīng)該是高度可溶解于該溶劑系統(tǒng)的。前體在溶劑系統(tǒng)中的溶解度例如約為0.1-5M。大約0.1-2M或0.1-1M的溶解度也是有用的。
Bi-基金屬氧化物的組成能被調(diào)整，以減少可移動物質(zhì)的擴散。Bi-基金屬氧化物陶瓷的可移動物質(zhì)包含諸如例如Bi或Bi2O3之類的Bi。實驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，Bi-基金屬氧化物陶瓷層的組成影響從該層擴散出來的可移動物質(zhì)(Bi)的數(shù)量。特別是，包含組成成分中Bi對2X的比率(化學(xué)式Y(jié)aBibX2Oc中的b)大于2.4的Bi-基金屬氧化物陶瓷層，會導(dǎo)致大量的Bi損失或擴散。
在一個實施方案中，Bi-基金屬氧化物陶瓷包含其中b小于或等于大約2.4的組成成分，以減少過量可移動物質(zhì)的擴散。金屬氧化物陶瓷層的組成成分最好包含b的值約為1.95到2.2，更優(yōu)選是b的值約為2.0到2.2。
Y分子的含量也影響B(tài)i-基金屬氧化物陶瓷中Bi的損失。人們相信減少Y原子的數(shù)量(例如Y不足的組成成分)為Bi原子提供了額外的位置來占用，從而減少能擴散出金屬氧化物陶瓷層的Bi的數(shù)量。由于得到的層包含產(chǎn)生良好電特性的結(jié)構(gòu)，故這也是有利的。在一個實施方案中，金屬氧化物陶瓷層的組成包含約為0.8到1.0的Y對2X比率(化學(xué)式Y(jié)aBibX2Oc中的a)。約等于0.9-1.0的值也已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)可用來減少過量可移動物質(zhì)的擴散而不會降低Bi-基金屬氧化物陶瓷層的電特性。
在一個優(yōu)選實施方案中，Bi-基金屬氧化物陶瓷包含SBT。該SBT包含小于大約2.4的b值。在一個實施方案中，SBT的組成成分包含約為1.95到2.2，最好是約為2.0到2.2的b值。SBT的Sr對2Ta(a)的比率大約為0.8到1.0。
在制作金屬氧化物陶瓷層之后，執(zhí)行退火。退火把淀積的金屬氧化物陶瓷轉(zhuǎn)變成具有所要求的電特性的層。在一個實施方案中，該退火把淀積的金屬氧化物轉(zhuǎn)變成鐵電相。退火還使鐵電相的晶粒生長，以產(chǎn)生良好的電特性，比如高的2Pr。退火典型地在大約750-800℃下的氧化環(huán)境中進行大約1-60分鐘。更低的溫度也是有用的。例如可以在大約650-750℃下進行退火。然而，更低的溫度可能需要更長的退火時間(例如大約30-120分鐘)來獲得所要求的電特性。取決于所要求的電特性，可以改變退火的持續(xù)時間。
導(dǎo)電層257被淀積在金屬氧化物陶瓷層上，以形成頂部電極。該導(dǎo)電層包含例如諸如Pt、Pd、Au、Ir、或Rh之類的貴金屬。諸如用來形成底部電極的其他材料也是有用的。在淀積頂部電極之后進行退火，以確保金屬氧化物陶瓷和電極之間明確的界面，常常是有用的。用以恢復(fù)金屬氧化物陶瓷和電極之間的界面的退火，通常可以在大約500-800℃的O2流速約為5slm的氧氣環(huán)境中進行大約1-30分鐘。電極和金屬氧化物陶瓷之間有一個明確的界面，由于減少了例如漏電流，因而是有優(yōu)點的。
在淀積金屬氧化物陶瓷之后，進行預(yù)退火，以部分或全部形成鐵電相，然后，如果金屬氧化物陶瓷沒有被完全轉(zhuǎn)變，則為了促進晶粒生長和確保清晰的金屬氧化物陶瓷/電極界面，在淀積頂部電極之后，進行另一次退火，以便把金屬氧化物陶瓷全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相，也能是有用的。
預(yù)退火通常在低于大約750℃的溫度下進行。在一個實施方案中，預(yù)退火在大約700-750℃下進行。預(yù)退火的持續(xù)時間大約為5-10分鐘。在另一個實施方案中，預(yù)退火在低于700℃下進行。在更低的溫度下，可能需要更長時間的預(yù)退火來把金屬氧化物陶瓷部分或全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相。
頂部電極典型地用作公共電極，它連接存儲陣列中的其他各電容器。頂部電極同它下面的其他各層可以一起被圖形化，以便提供到位線和字線所需的接觸窗口。執(zhí)行附加的處理，以便完成鐵電存儲IC。這樣的附加處理在本領(lǐng)域中是已知的。例如，附加處理包括形成支持電路、最終鈍化層、鈍化層中為測試和連接到引線框的接觸窗口、以及封裝。
圖4a-c示出了本發(fā)明的另一個實施方案。如所示，襯底201包含類似于已經(jīng)描述的部分形成的存儲單元，用同樣的參照號代表同樣的零件。
阻擋層275被淀積在ILD層260上。在一個實施方案中，阻擋層包含一種與過量可移動物質(zhì)起反應(yīng)的材料。在Bi-基金屬氧化物陶瓷的情況下，阻擋層包含與Bi可移動物質(zhì)起反應(yīng)的氧化物。在一個實施方案中，阻擋層包含選自含有早期過渡金屬的氧化物。這樣的氧化物包括例如Sc2O3、Y2O3、TiO2、ZrO2、HfO2、V2O5、Nb2O5、Ta2O5、和TiO2。在一個優(yōu)選實施方案中，阻擋層包含TiO2和Ta2O5。在另一個實施方案中，阻擋層包含與諸如Pr2O3、Ho2O3、或La2O3之類的鑭系元素氧化物組合的過渡金屬氧化物，以便在與含Bi的過量可移動物質(zhì)反應(yīng)之后形成各個阻擋層PrBi3Ti3O12、HoBi3Ti3O12、和LaBi3Ti3O12。
在另一個實施方案中，阻擋層包含鈦酸鹽(Ti)，它具有通式MTiO3，其中M＝Ca、Sr、和Ba。鈦酸鹽比如舉例來說SrTiO3、BaTiO、(Ba，Sr)TiO3是有用的。同樣，選自含有堿土金屬的氧化物能被用來形成阻擋層。這樣的氧化物包括舉例來說MgO、CaO、SrO、和BaO。
其他與Bi-可移動物質(zhì)起反應(yīng)的材料，比如含有過渡金屬的氮化物，也能被用來形成阻擋層。過渡金屬氮化物包括舉例來說TiNx、ZrNx、和HfNx，其中0＜x＜1；TaNx和NbNx，其中0＜x＜1.5；WNx和MoNx，其中0＜x＜2。該氮化物被氧化，以形成不導(dǎo)電的阻擋層。
在另一個實施方案中，阻擋層包含致密材料，它減少過量可移動物質(zhì)從金屬氧化物陶瓷到襯底的遷移。在Bi-基金屬氧化物陶瓷的情況下，足夠致密的減少Bi可移動物質(zhì)擴散的材料包括諸如Al2O3、Sc2O3、Y2O3、MgO、BeO、TiO2、和Ta2O5之類的氧化物。
可以用各種淀積技術(shù)比如濺射、CVD、或物理氣相淀積(PVD)來制作阻擋層。其他淀積技術(shù)也能是有用的。在一個實施方案中，通過在有氧參與的情況下使用例如氧化物靶或金屬靶的濺射，在襯底上淀積阻擋層。阻擋層的濺射溫度通常為大約200-400℃。更低的濺射溫度，比如舉例來說大約20-200℃，優(yōu)選約為200℃，導(dǎo)致更細小的晶粒，因為它們延長了可移動物質(zhì)的擴散路徑，故這是有利的。更高的溫度，比如高于400℃，也是有用的。
在一個優(yōu)選實施方案中，用濺射或CVD方法，以金屬的形式來淀積阻擋層。在淀積之后，該阻擋層在氧中被退火，以便把淀積的層轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸镒钃鯇印Ｔ撏嘶鹩捎谘趸饔枚鴮?dǎo)致淀積的層的擴展，從而提高它的密度。
在某些情況下，這一擴展能產(chǎn)生過量的壓應(yīng)力。為抵消壓應(yīng)力的影響，可以在張應(yīng)力下淀積阻擋層。張應(yīng)力能夠由于在升高的溫度例如大約200-400℃下淀積阻擋層而引起。
作為變通，阻擋層能夠被淀積成氧含量不足，以形成氧化物和金屬的混合物或低價氧化物。然后在氧氣中進行退火，使阻擋層氧化。由于所淀積的薄膜包含低價氧化物(具有小于其最高氧化態(tài)的氧化態(tài)的金屬)或氧化物和金屬的混合物，故體積膨脹量更小，從而減小壓應(yīng)力。
在一個實施方案中，阻擋層包含Ti-低價氧化物。Ti-低價氧化物的化學(xué)配比舉例來說為TiOx，其中0.5≤x≤1.5。在退火期間，該低價氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)門iO2。這個反應(yīng)可以描述為TiO2其中y＝(2－x)/2。
包含Ta-低價氧化物的阻擋層也是有用的Ta-低價氧化物可以表示為TaOx，其中0.5≤x≤2。
在另一個實施方案中，阻擋層包含具有第一和第二阻擋層的阻擋層疊層。第一阻擋層包含可移動物質(zhì)擴散常數(shù)小的材料，而第二阻擋層包含與可移動物質(zhì)有強反應(yīng)的材料。第二阻擋層趨向于吸引與之反應(yīng)形成穩(wěn)定化合物的可移動物質(zhì)。另一方面，第一阻擋層由于其致密性而阻止可移動物質(zhì)通過。
在一個實施方案中，第二阻擋層被制作在第一阻擋層上。過量可移動物質(zhì)與第二阻擋層發(fā)生反應(yīng)，并被捕獲于其中。下方的第一阻擋層由于其致密性而阻止過量可移動物質(zhì)通過。
參考圖4b，阻擋層和ILD層被圖形化，以形成到擴散區(qū)212的窗口。導(dǎo)電材料被淀積，將窗口填充。過量導(dǎo)電材料能通過例如化學(xué)機械拋光(CMP)來清除，以形成接觸插頭240。
參考圖4c，用作底部電極的導(dǎo)電層253被淀積在襯底上，將阻擋層和接觸插頭240覆蓋?？梢栽谥谱鲗?dǎo)電層之前在襯底上制作導(dǎo)電電極阻擋層251，以防止氧進入插頭240。電極阻擋層也能用來減少接觸插頭和電極之間的原子遷移。電極阻擋層和導(dǎo)電層被圖形化，以形成底部電極疊層280。底部電極被接觸插頭240耦合到擴散區(qū)212。
金屬氧化物陶瓷層255被制作在底部電極和ILD層上。在一個實施方案中，金屬氧化物陶瓷包含鐵電相或能夠轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電體。如前面所述，金屬氧化物陶瓷的組成成分能被調(diào)整，以減少過量可移動物質(zhì)的擴散。
進行退火，以便把金屬氧化物陶瓷轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己秒娞匦缘乃璧南?。?dǎo)電層257被淀積在金屬氧化物陶瓷上，以形成頂部電極。制作頂部電極257之后進行退火，也能是有用的。作為變通，在淀積金屬氧化物陶瓷之后，進行預(yù)退火，以形成鐵電相，然后在制作頂部電極之后，進行退火，以獲得所需要的電特性。
頂部電極典型地用作公共電極，以連接存儲陣列中的其他電容器。頂部電極與它下面的其他層一起按需要被圖形化，以提供到位線和字線的接觸窗口。執(zhí)行附加的處理以完成鐵電存儲IC。
作為變通，如圖4d所示，電極阻擋層被淀積在ILD層上，并被圖形化，以便在插頭240的頂部形成電極阻擋層251。導(dǎo)電材料被淀積和圖形化，以形成底部電極253。該底部電極覆蓋電極阻擋層251和阻擋層275的一部分。這個過程如圖4c中所述繼續(xù)進行。
圖5a-c示出了本發(fā)明的另一個實施方案。如所示，襯底201包含如前所述的部分形成的存儲單元。根據(jù)本發(fā)明的阻擋層275被形成在襯底表面上。使用常規(guī)的掩蔽和刻蝕工藝對阻擋層進行圖形化，以形成窗口241，將接觸插頭的表面暴露出來。如所示，窗口241只暴露插頭240的表面。如虛線242所述提供也暴露ILD層一部分的窗口241，也是有用的。例如，該窗口能是后續(xù)形成的底部電極的尺寸。其他清除過量電極阻擋層材料的技術(shù)也能被使用。
參考圖5b，電極阻擋層被淀積在襯底上，覆蓋阻擋層275和電極?？梢酝ㄟ^CMP來整平襯底表面，以便從阻擋層275的表面清除過量的電極阻擋層材料。CMP產(chǎn)生平整的上表面276。
參考圖5c，導(dǎo)電層253被淀積在襯底表面上，并被圖形化以形成底部電極。金屬氧化物陶瓷層255被淀積在襯底上，覆蓋電極和阻擋層275。組成成分能被調(diào)整，以減少擴散出來的過量可移動物質(zhì)的數(shù)量。
進行退火，以便把金屬氧化物陶瓷轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己秒娞匦缘乃蟮南?。?dǎo)電層257被淀積在金屬氧化物陶瓷上，以形成頂部電極。作為變通，在淀積金屬氧化物陶瓷之后進行預(yù)退火，以便部分或全部形成鐵電相，然后，為了促進晶粒生長以獲得需要的電特性，并確保清晰的金屬氧化物陶瓷/電極界面，如果需要，則在形成頂部電極之后進行退火，以便把金屬氧化物陶瓷完全轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相。執(zhí)行附加的處理以完成鐵電存儲IC。
圖6a-b示出了本發(fā)明的另一個實施方案。參考圖6a，襯底201包含如前所述的部分形成的存儲單元。根據(jù)本發(fā)明的阻擋層275被淀積在ILD 260上。
參考圖6b，附加的ILD層261被形成在阻擋層275上。附加的ILD層，盡管不是必須的，能夠用與ILD層260相同的材料形成。接著，借助于對ILD層261和其下面的層進行圖形化以暴露擴散區(qū)212而形成接觸插頭240。淀積導(dǎo)電材料，將窗口填充。過量的導(dǎo)電材料可以通過例如化學(xué)機械拋光(CMP)加以清除，以形成接觸插頭240。
電極阻擋層251和導(dǎo)電層253被淀積在襯底上，并被圖形化，以形成底部電極疊層280。底部電極疊層被接觸插頭240耦合到擴散區(qū)212。
導(dǎo)電層253被形成在ILD層260上。該導(dǎo)電層包含阻擋過量可移動物質(zhì)穿過它擴散的導(dǎo)電材料。該導(dǎo)電材料最好不與后續(xù)形成的金屬氧化物陶瓷255起反應(yīng)。該導(dǎo)電層能通過例如濺射、物理氣相淀積、或CVD來形成。導(dǎo)電層的其它淀積工藝也是有用的。
在一個實施方案中，導(dǎo)電材料在退火期間發(fā)生氧化。形成的氧化物能夠從基底電極材料分凝并填充晶粒邊界之間的間隙，從而阻擋可移動物質(zhì)的擴散。氧化物也能被集中到基底電極材料中，形成完全或高度可混合的材料，與過量可移動物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)以俘獲它們。
在一個實施方案中，導(dǎo)電層包含諸如貴金屬之類的基底導(dǎo)電材料。貴金屬包括舉例來說Pt、Pd、Au、Ir、或Rh。貴金屬與一種在熱處理(退火)期間氧化的金屬組合，形成抑制可移動物質(zhì)擴散的導(dǎo)電層。在一個實施方案中，貴金屬與一種選自Ti、Ti、Nb、W、Mo、Mg的金屬組合。
金屬氧化物陶瓷層255被淀積在襯底上，覆蓋電極和阻擋層275。金屬氧化物陶瓷的組成成分能被調(diào)整，以減少擴散出來的過量可移動物質(zhì)的數(shù)量。
進行退火，以便把金屬氧化物陶瓷轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己秒娞匦缘乃蟮南?。?dǎo)電層257被淀積在金屬氧化物陶瓷上，以形成頂部電極。作為變通，在淀積金屬氧化物陶瓷之后，進行預(yù)退火，以部分或全部形成鐵電相，然后，如果需要，為了促進晶粒生長以獲得需要的電特性，并確保清晰的金屬氧化物陶瓷/電極界面，在制作頂部電極之后，進行退火，以便把金屬氧化物陶瓷完全轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相。執(zhí)行附加的處理，以完成鐵電存儲IC。
圖7a-b示出了本發(fā)明的又一個實施方案。參考圖7a，襯底201包含如前所述的部分形成的存儲單元。如所示，插頭240的表面凹入到ILD層260的表面下面。電極阻擋層被形成在襯底上，覆蓋襯底并填充該凹陷。過量的材料借助于例如CMP被清除，留下電極阻擋層251在插頭上面。其他清除過量材料的技術(shù)也是有用的。
參考圖7b，根據(jù)本發(fā)明的阻擋層275被淀積在襯底上，覆蓋ILD和電極阻擋層。該阻擋層被圖形化，將電極阻擋層暴露出來。導(dǎo)電層253被淀積在襯底上并被圖形化，以形成底部電極。
金屬氧化物陶瓷層255被淀積在襯底上，覆蓋電極和阻擋層275。金屬氧化物陶瓷的組成成分能被調(diào)整，以減少擴散出來的過量可移動物質(zhì)的數(shù)量。進行退火，以便把金屬氧化物陶瓷轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己秒娞匦缘乃蟮南唷?dǎo)電層257被淀積在金屬氧化物陶瓷上，以形成頂部電極。然后進行退火，以確保清晰的金屬氧化物陶瓷/電極界面。
作為變通，在淀積金屬氧化物陶瓷之后，進行預(yù)退火，以部分或全部形成鐵電相，然后，如果需要，為了促進晶粒生長以獲得需要的電特性，并確保清晰的金屬氧化物陶瓷/電極界面，在制作頂部電極之后，進行退火，以便把金屬氧化物陶瓷完全轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相。執(zhí)行附加的處理，以完成鐵電存儲IC。
雖然參照各個實施方案已經(jīng)確切地描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將承認，可以對本發(fā)明作出修正和改變而不偏離其構(gòu)思與范圍。本發(fā)明的范圍因此應(yīng)該不是由參照上面的描述、而是由參照所附權(quán)利要求和它們的全部等價范圍來確定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括襯底上的電介質(zhì)層；形成在部分電介質(zhì)層上的導(dǎo)電層，電介質(zhì)層和底部電極上的金屬氧化物陶瓷層；電介質(zhì)層上分隔金屬氧化物陶瓷和襯底的阻擋層，該阻擋層減少過量可移動物質(zhì)從金屬氧化物陶瓷向襯底中的擴散。
2.權(quán)利要求1所述半導(dǎo)體器件，其中金屬氧化物陶瓷包含Bi-基金屬氧化物陶瓷。
3.權(quán)利要求2所述半導(dǎo)體器件，其中過量可移動物質(zhì)包含Bi。
4.權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中阻擋層包含與含Bi的過量可移動物質(zhì)起反應(yīng)的材料。
5.權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件，其中阻擋層包含早期過渡金屬的氧化物。
6.權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件，其中氧化物選自Sc2O3、Y2O3、TiO3、ZrO2、HfO2、V2O5、Nb2O5、Ta2O5、和TiO2。
7.權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件，其中阻擋層包含TiO2和Ta2O5。
8.權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中早期過渡金屬氧化物進一步與鑭系元素氧化物組合。
9.權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件，其中阻擋層包含選自Pr2O3、Ho2O3、或La2O3的氧化物，以便在與過量可移動物質(zhì)反應(yīng)之后分別形成PrBi3Ti3O12、HoBi3Ti3O12、和LaBi3Ti3O12。
10.權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件，其中阻擋層包含鈦酸鹽(Ti)氧化物，其通式為MTiO3，其中M包含至少一種選自Ca、Sr、和Ba的元素。
11.權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件，其中阻擋層包含選自SrTiO3、BaTiO3、和(Ba，Sr)TiO3的氧化物。
12.權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件，其中阻擋層包含堿土金屬的氧化物。
13.權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件，其中阻擋層包含選自MgO、CaO、SrO、和BaO的氧化物。
14.權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件，其中阻擋層包含過渡金屬的氮化物。
15.權(quán)利要求14的半導(dǎo)體器件，其中氮化物選自TiNx、ZrNx、和HfNx，其中0＜x＜1；TaNx和NbNx，其中0＜x＜1.5；以及WNx和MoNx，其中0＜x＜2。
16.權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中阻擋層包含致密材料，它減少包含Bi的過量可移動物質(zhì)從金屬氧化物陶瓷到襯底中的遷移。
17.權(quán)利要求16的半導(dǎo)體器件，其中阻擋層包含選自Al2O3、Sc2O3、Y2O3、MgO、BeO、TiO2、和Ta2O5的氧化物。
18.權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中阻擋層包含包括第一和第二阻擋層的阻擋層疊層，第一阻擋層對于過量可移動物質(zhì)有小的擴散常量，而第二阻擋層與可移動物質(zhì)有高反應(yīng)度。
19.權(quán)利要求18的半導(dǎo)體器件，其中第一阻擋層在電介質(zhì)層上面，而第二阻擋層在第一阻擋層上面。
20.權(quán)利要求19的半導(dǎo)體器件，其中第二阻擋層吸引可移動物質(zhì)以形成穩(wěn)定的材料，且第一阻擋層由于它的致密性而阻止過量可移動物質(zhì)通過。
21.一種制作半導(dǎo)體器件的方法，包含提供其表面上包括具有電介質(zhì)層的部分形成的半導(dǎo)體器件的襯底；在電介質(zhì)層上淀積阻擋層；在電介質(zhì)層上淀積導(dǎo)電層并圖形化導(dǎo)電層，以形成底部電極；在襯底上淀積金屬氧化物陶瓷層，該金屬氧化物陶瓷層覆蓋阻擋層和底部電極；以及對襯底進行退火，以產(chǎn)生具有良好電特性的金屬氧化物陶瓷，其中退火引起過量可移動物質(zhì)從金屬氧化物陶瓷擴散，阻擋層減少過量可移動物質(zhì)向襯底的擴散。
22.權(quán)利要求21所述方法，其中金屬氧化物陶瓷包含Bi-基金屬氧化物陶瓷。
23.權(quán)利要求22所述方法，其中過量可移動物質(zhì)包含Bi。
24.權(quán)利要求23所述方法，其中阻擋層包含與含Bi的過量可移動物質(zhì)起反應(yīng)的材料。
25.權(quán)利要求24所述方法，其中阻擋層包含早期過渡金屬的氧化物。
26.權(quán)利要求25所述方法，其中氧化物選自Sc2O3、Y2O3、TiO3、ZrO2、HfO2、V2O5、Nb2O5、Ta2O5、和TiO2。
27.權(quán)利要求24所述方法，其中阻擋層包含鈦酸鹽(Ti)氧化物，其通式為MTiO3，其中M包含至少一種選自Ca、Sr、和Ba的元素。
28.權(quán)利要求24所述方法，其中阻擋層包含堿土金屬的氧化物。
29.權(quán)利要求24所述方法，其中阻擋層包含過渡金屬的氮化物。
30.權(quán)利要求23所述方法，其中阻擋層包含致密材料，它減少包含Bi的過量可移動物質(zhì)從金屬氧化物陶瓷到襯底中的遷移。
31.權(quán)利要求30所述方法，其中阻擋層包含選自Al2O3、Sc2O3、Y2O3、MgO、BeO、TiO2、和Ta2O5的氧化物。
32.權(quán)利要求23所述方法，其中淀積阻擋層的步驟包含淀積第一和第二阻擋層以形成阻擋層疊層，第一阻擋層對于過量可移動物質(zhì)有小的擴散常量，而第二阻擋層與可移動物質(zhì)有高反應(yīng)度。
33.權(quán)利要求32所述方法，其中第一阻擋層在電介質(zhì)層上面，而第二阻擋層在第一阻擋層上面。
34.權(quán)利要求33的半導(dǎo)體器件，其中第二阻擋層吸引可移動物質(zhì)，以形成穩(wěn)定的材料，且第一阻擋層由于它的致密性而阻止過量可移動物質(zhì)通過。
35.權(quán)利要求25、26、27、28、29、和31所述方法，其中阻擋層以金屬的形式被淀積，并被氧化以形成阻擋層。
36.權(quán)利要求25、26、27、28、29、和31所述方法，其中阻擋層被淀積成具有不足的氧含量，以形成低價氧化物，并被氧化形成阻擋層。
全文摘要
提供了一種阻擋層來防止過量可移動物質(zhì)從金屬氧化物陶瓷向襯底中擴散。該阻擋層被提供在金屬氧化物陶瓷下面,把金屬氧化物陶瓷與下面的襯底分隔開。
文檔編號C23C14/08GK1330798SQ99814615
公開日2002年1月9日 申請日期1999年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月18日
發(fā)明者F·S·欣特邁爾 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司