專利名稱：具有內(nèi)部氧源的鐵電隨機(jī)存儲單元及釋放氧的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵電(FE)電容器及其制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種鐵電電容器/CMOS集成結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)至少包括鐵電材料；一對與鐵電材料的兩個相反面接觸的電極，這些電極在沉積或退火時不分解；以及至少與一個電極接觸的氧源層，該氧源層包含在沉積和/或隨后處理中至少部分分解的金屬氧化物。
鐵電材料的新進(jìn)展又激發(fā)了對其在存儲器件中的應(yīng)用的新興趣。鐵電材料的一個主要優(yōu)勢在于它們能提供不揮發(fā)的穩(wěn)定存儲。另一優(yōu)勢在于鐵電材料具有很高的介電常數(shù)(不小于20的級別)。需要低廉且穩(wěn)定存儲的應(yīng)用正迅速擴(kuò)大，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定存儲的低廉集成的科技突破會加劇這一趨勢。
鐵電材料還面臨一些尚未攻克的集成方面的難題。更具體地而言，為了用作存儲介質(zhì)，鐵電材料在材料沉積后通常需要氧退火。該退火步驟優(yōu)選地在電容器的上電極形成之后并在BEOL(引線后末端)膜形成之前進(jìn)行。退火不僅用來提高電極/鐵電界面的質(zhì)量，還用來修復(fù)可能因任何高能加工步驟諸如用于電極和/或鐵電構(gòu)圖的各向異性蝕刻造成的對鐵電材料的損失。可接受的器件特性可能還會進(jìn)一步要求BEOL工藝之后的附加氧退火，以去除在諸如介電沉積和反應(yīng)氣體退火等步驟中因在氧中而暴露在鐵電材料中生成的氧空穴。
氧不能透過大量的BEOL膜，限制了晶片制造工藝結(jié)束后退火的有效性。而且，通常氧退火與易于氧化的BEOL材料如銅和與氧反應(yīng)而揮發(fā)的有機(jī)低k值介電物質(zhì)是不相容的。因?yàn)橥嘶鸫蟠筇岣哞F電材料的存儲特性，所以這些因素成為大問題。
因此迫切需要一種制造具有良好存儲特性的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)的方法。這種方法能避免或減少在BEOL層形成后的處理后期對高溫氧退火的需要。盡管在不對任何BEOL層造成氧化損傷的情況下使氧穿過多個BEOL膜層是很困難的，所開發(fā)的方法應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。
本發(fā)明的目的之一在于提供一種具有良好存儲特性的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中在該集成結(jié)構(gòu)中有足夠的氧，從而可避免或減少在處理后期對高溫氧退火的需要。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種制造鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)的方法，在該集成結(jié)構(gòu)中有足夠的氧，從而可通過至少部分釋放所述氧而提高集成結(jié)構(gòu)的存儲特性。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種簡單的制造鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)的方法，其中可同時利用CMOS技術(shù)和BEOL技術(shù)。
在本發(fā)明中，通過在集成結(jié)構(gòu)中利用氧源層，含有高ε值(ε≥20)介電材料的鐵電電容器和非鐵電電容器都可實(shí)現(xiàn)上述和其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。該氧源層通常是在鐵電/高ε值材料沉積和/或用來把氧釋放到集成結(jié)構(gòu)中去以提高器件存儲性能的后面的器件處理中，至少部分分解的金屬氧化物。氧源層的分解和/或氧釋放溫度Td，最好足夠低以允許大量的氧釋放且不損傷集成結(jié)構(gòu)的層(即，Td優(yōu)選為≤700℃)，但還必須足夠高以確保在BEOL形成時不會發(fā)生完全的氧釋放(即，Td優(yōu)選地≥350-400℃)。上述后面的器件處理可能還包括BEOL后退火，它特別用于從氧源層中釋放出所期望數(shù)量的氧。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種鐵電電容器，包括導(dǎo)電電極層；位于所述導(dǎo)電電極層上的鐵電層；在所述鐵電層上形成的導(dǎo)電反電極層；以及與上述電極層之一鄰近的至少部分分解的氧源層。
上述鐵電電容器還可包括一個或多個附加導(dǎo)電電極層。這些附加電極層可置于本發(fā)明的電容器的導(dǎo)電電極層之上或之下?？梢栽诒景l(fā)明的存儲電容器的最上層的上面形成一個或多個氧可穿過的介電疊層。本發(fā)明的鐵電電容器的導(dǎo)電電極可以獨(dú)立地構(gòu)圖或不構(gòu)圖。
如上所述的鐵電電容器構(gòu)成本發(fā)明的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)的一部分。具體地，本發(fā)明的FE/CMOS集成結(jié)構(gòu)包括具有至少一個晶體管區(qū)的CMOS結(jié)構(gòu)；在所述CMOS結(jié)構(gòu)上形成的鐵電電容器，該鐵電電容器包括導(dǎo)電電極層、位于所述導(dǎo)電電極層上的鐵電層、在所述鐵電層上形成的導(dǎo)電反電極層，以及與上述電極層之一鄰近的至少部分分解的氧源層；以及在所述鐵電電容器上形成的多個布線層級(wiring level)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造鐵電電容器/CMOS集成結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括下列步驟(a)在半導(dǎo)體晶片上形成至少一個互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件；(b)在所述CMOS器件上形成鐵電電容器，該鐵電電容器包括至少一個與導(dǎo)電電極層鄰近的氧源層，其中所述氧源層在低于700℃的溫度下至少可部分分解；(c)在低于450℃的溫度下在所述鐵電電容器上形成布線層級，以及(d)在300℃以上的溫度下對該結(jié)構(gòu)可選擇地退火，使氧源層至少部分分解，以將氧釋放到鐵電電容器中。
雖然上述本發(fā)明的各個方面都是對鐵電電容器描述的，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的范圍還應(yīng)包括該發(fā)明的各方面和元件在包含高ε值介電材料的非鐵電電容器上的應(yīng)用。


圖1(a)～(c)示出在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，用來制造鐵電電容器/CMOS集成結(jié)構(gòu)的各工藝步驟；圖2(a)～(f)示出本發(fā)明的其它鐵電電容器的橫截面視圖，其中在結(jié)構(gòu)的不同部分畫出了氧源層。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解，在附圖中相同的標(biāo)號表示相同的或相應(yīng)的部件。
下面參見圖1(a)～(c)，其中示出了本發(fā)明的方法的一個實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中，示出氧源層在導(dǎo)電反電極層的上面。盡管只是對該特定方案進(jìn)行了描述，本發(fā)明的方法還可有各種變化，后面將講到這一點(diǎn)。
圖1(a)示出本發(fā)明的初始的結(jié)構(gòu)，其中包括CMOS結(jié)構(gòu)部分，除了示出的元件以外，該部件還可包括其它一些本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的元件。具體地，圖1(a)所示的結(jié)構(gòu)包括在其表面上形成有擴(kuò)散區(qū)12，即字位線的擴(kuò)散部分，的半導(dǎo)體襯底10。在半導(dǎo)體襯底的上部示出與擴(kuò)散區(qū)接觸的晶體管區(qū)14。圖1(a)所示的結(jié)構(gòu)還包括在介電層18上形成的導(dǎo)電層16。
圖1(a)所示的結(jié)構(gòu)由本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的常規(guī)材料構(gòu)成，并用也為本領(lǐng)域公知的常規(guī)技術(shù)制造。例如，半導(dǎo)體襯底10可由包括但不限于Si、Ge、SiGe、GaAs、InAs、InP、其它III/V半導(dǎo)體化合物和有機(jī)半導(dǎo)體的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。半導(dǎo)體襯底可以是摻雜的，也可是未摻雜的。擴(kuò)散區(qū)可包含p或n型摻雜劑。
晶體管區(qū)14包括常規(guī)門堆棧，該門堆棧包括在半導(dǎo)體襯底上形成的諸如SiO2的門絕緣層以及在該門絕緣層上形成的多硅或其它門導(dǎo)體。在該多硅或門導(dǎo)體上可能形成有自對準(zhǔn)硅化物(self-alignedsilicide或稱salicide)層。晶體管區(qū)14可能包括側(cè)壁隔離區(qū)和其它本領(lǐng)域公知的常規(guī)部件。為簡化起見，晶體管的各元件未在圖上示出，但它們是應(yīng)當(dāng)包括在晶體管區(qū)14之中的。
導(dǎo)電層16包括本領(lǐng)域公知的導(dǎo)電材料如金屬、導(dǎo)電氮化物、導(dǎo)電的金屬硅氮化物、導(dǎo)電硅化物、導(dǎo)電氧化物、以及其混合物或復(fù)合層。導(dǎo)電材料的例子包括Cu、W、Al、多硅、TiN、Ta、TaN、Ti和WSix。導(dǎo)電層16可包括許多由相同或不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的金屬線或通路。為簡化起見，本發(fā)明的附圖中只示出兩個通路和一條金屬線。
介電層18由本領(lǐng)域公知的任何有機(jī)或無機(jī)介電材料構(gòu)成，包括但不限于SiO2、Si3N4、SiCOH、金剛石、類金剛石碳(即無定形碳)、PARALYENE(聚氯代對二甲苯)聚合物、聚酰亞胺、含硅聚合物及其它合適的介電材料。介電層18可由同種材料構(gòu)成，如圖1(a)所示，或由不同介電材料構(gòu)成。當(dāng)采用不同種類的材料時，在各相鄰介電層之間可能形成有阻擋層，圖中并未畫出?？梢赃x擇的阻擋層由包括但不限于SiO2、Al2O3、TiO2、Si3N4、SiOxNy和Ta2O5的常規(guī)材料構(gòu)成。
如上所述，圖1(a)所示的結(jié)構(gòu)可用本領(lǐng)域公知的常規(guī)工藝制造，包括半導(dǎo)體器件制造和線后端(BEOL)處理。例如，圖1(a)所示的CMOS器件可通過在半導(dǎo)體襯底表面上形成晶體管區(qū)，即生長門絕緣體，在該門絕緣體上沉積門導(dǎo)體以及隨后對這些層構(gòu)圖以提供晶體管區(qū)來形成。然后可用常規(guī)離子注入和退火形成擴(kuò)散區(qū)。
圖1(a)所示的CMOS結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層16通常如下形成在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面上沉積第一介電層，在介電層上開一通路，用導(dǎo)電材料填充該通路，用常規(guī)平整技術(shù)如化學(xué)-機(jī)械拋光或研磨將該結(jié)構(gòu)平整化，然后通過沉積第二介電層形成金屬線，用導(dǎo)電材料填充溝道并平整化處理。
根據(jù)本發(fā)明，如圖1(a)所示，在CMOS結(jié)構(gòu)上形成鐵電電容器。本發(fā)明的該步驟示于圖1(b)。鐵電電容器可以是構(gòu)圖的，也可以是未構(gòu)圖的?；蛘呤前?gòu)圖層和未構(gòu)圖層的混合物。
具體地，首先在CMOS結(jié)構(gòu)的表面上形成導(dǎo)電電極層20，使其與CMOS結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層電接觸。導(dǎo)電電極層20是本發(fā)明的鐵電電容器的下電極。
本發(fā)明中，可用于導(dǎo)電電極層20的合適導(dǎo)電電極材料包括但不限于貴金屬如Pt、Pd、Ir、Rh、Os、Au、Ag和Ru；貴金屬氧化物如PtOx、IrOx、PdOx、RhOx、OsOx、AuOx、AgOx和RuOx；導(dǎo)電氧化物如SrRuOx、LaSrCoO3和YBa2Cu3O7；其混合物和復(fù)合層。貴金屬和/或氧化物可以是晶態(tài)或非晶態(tài)形式。電容器的導(dǎo)電電容層可以是未構(gòu)圖的，或是用常規(guī)光刻或RIE法構(gòu)圖的。電極層20還可包括一層或多層從下列組中選出的導(dǎo)電阻擋層材料金屬氮化物(如TiN、TaN、WN、TaAlN、TiA(N)、金屬硅氮化物(如TaSiN、TiSiN)、金屬氧化物和金屬氧氮化物。
形成導(dǎo)電電極層20(可能包括平整化)之后，可以選擇性地對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行合適的表面處理。本發(fā)明中可采用的合適的表面處理包括用等離子灰化氧化、熱氧化、表面化學(xué)處理、以及通過化學(xué)液相沉積(CSD)、化學(xué)汽相沉積(CVD)或物理汽相沉積(PVD)形成薄的金屬氧化物層。
根據(jù)本發(fā)明，在導(dǎo)電電極層20的表面上形成鐵電層22。雖然此處和下面描述的層22是鐵電層，應(yīng)當(dāng)理解，只要不背離本發(fā)明的意圖，層22可以包括非鐵電高ε值(ε≥20)介電材料。鐵電層22可以是構(gòu)圖的或未構(gòu)圖的。在構(gòu)圖時，可用介電層包圍鐵電膜以確保平整結(jié)構(gòu)。形成鐵電層22后可進(jìn)行合適的退火以實(shí)現(xiàn)所期望的鐵電性能。通常，這些退火在約600℃或更高的溫度下進(jìn)行。
本發(fā)明所用的鐵電層或非鐵電高ε值層是介電常數(shù)不小于20的介電材料。包括晶態(tài)的、多晶的或非晶態(tài)的高介電常數(shù)材料。用作層22的優(yōu)選鐵電材料包括但不限于鈣鈦礦型氧化物，具有燒綠石結(jié)構(gòu)的化合物如Cd2Nb2O7、磷酸二氫鉀，銣、銫或砷的磷酸鹽和其它鐵電材料。也可考慮這些鐵電材料的組合或復(fù)合層。本發(fā)明中高ε值材料也可用作高介電常數(shù)鐵電層。高介電材料可表現(xiàn)出(對于NVRAM)或不表現(xiàn)出(對于DRAM)自發(fā)電極化。
在上述鐵電材料中，本發(fā)明的鐵電層22尤其優(yōu)選由鈣鈦礦型氧化物組成。此處的術(shù)語“鈣鈦礦型氧化物”指包括至少一種酸性氧化物的材料，該酸性氧化物包含至少一種從元素周期表(CAS版本)的IVB族(Ti、Zr或Hf)、VB族(V、Nb或Ta)、VIB族(Cr、Mo或W)、VIIB族(Mn或Re)、IIIA族(Al、Ga或In)或IB(Cu、Ag或Au)中選出的金屬元素，和至少一種帶約1～3個正電荷的附加陽離子。這些鈣鈦礦型氧化物的通式是ABO3，其中A是上述陽離子之一，B是形成酸性氧化物的上述金屬元素之一。
合適的鈣鈦礦型氧化物包括但不限于鈦酸鹽基的鐵電材料，錳酸鹽基材料，銅酸鹽基材料，鎢青銅型的鈮酸鹽，鉭酸鹽或鈦酸鹽，以及鉍夾層的鉭酸鹽、鈮酸鹽或鈦酸鹽。在這些鈣鈦礦型氧化物中，優(yōu)選采用鍶鉍鉭酸鹽，鍶鉍鈮酸鹽、鉍鈦酸鹽、鍶鉍鉭鈮酸鹽、鉛鋯鈦酸鹽，銅鑭鋯鈦酸鹽、以及用摻雜劑改性的這些材料的組合物作為鐵電材料。
然后，在鐵電層22表面上形成導(dǎo)電反電極層24。該導(dǎo)電反電極層構(gòu)成本發(fā)明的存儲電容器的上電極，且其可用與導(dǎo)電電極層20相同或不同的材料構(gòu)成。該反電極層可構(gòu)圖(即形成圖案)，也可不構(gòu)圖。
圖1(b)所示的最后的層是氧源層26，其在低于700℃的溫度下至少可部分分解以將足夠的氧釋放到結(jié)構(gòu)中，以提高鐵電電容器的存儲特性。優(yōu)選地，該氧源層包括化學(xué)式為MOx的導(dǎo)電金屬氧化物，其中M選自包括貴金屬如Pd、Pt、Ir、Rh、Ru和Os、非貴金屬、以及這些金屬的混合物或合金。氧源層可以是這些純金屬氧化物的的混合物或多層組合、或其中添加了一種或幾種從包含貴金屬、非貴金屬、氮(N)、半導(dǎo)體如Si、Ge、C和B的組中選擇的元素的這些金屬氧化物的混合物或多層組合?；旌衔镌诔煞稚峡梢允蔷鶆虻模部梢允欠旨壍?。
MOx中的x值可從約0.03到約3。若MOx材料的x值低則通常具有因氧夾雜而畸變的近似金屬的結(jié)構(gòu)，若x值高，則通常具有近似金屬氧化物的晶格結(jié)構(gòu)和M-O鍵結(jié)合。氧源層可以是晶態(tài)、非晶態(tài)、或晶態(tài)相與非晶態(tài)相的混合物。晶態(tài)的氧源層可包括PdO、PtO2、PtO、Pt3O4和IrO2。包含金屬-MOx混合物的氧源層包括PtOx與Pt的混合物。
氧源層特別優(yōu)選具有不同分解特性的兩種以上氧化物組分的貴金屬合金氧化物(或貴金屬氧化物的混合物)，因?yàn)橥ㄟ^改變氧化物組合的比例可以調(diào)節(jié)它們的分解特性。這種氧源層的例子包括IryPtzOx或PdyPtzOx，其中分解溫度高的較穩(wěn)定的貴金屬氧化物(IrO2或PdO)和分解溫度低的較不穩(wěn)定的貴金屬氧化物(PtOx)相結(jié)合，提供一種分解溫度適中的材料。
氧源層可以構(gòu)圖或不構(gòu)圖，且為了易于和上電極電連接，優(yōu)選為導(dǎo)電的。但是如果在其中設(shè)置了接觸孔，氧源層也可采用絕緣氧化物。
應(yīng)當(dāng)指出，圖1(b)中的層20、22、24、26只代表本發(fā)明的鐵電電容器的一種可能的結(jié)構(gòu)。圖2(a)-(f)示出其它一些可能的結(jié)構(gòu)。在這些圖中，標(biāo)號20、22、24、26的意義與上述相同。標(biāo)號28表示一在本發(fā)明中可選擇的(即可有可無的)導(dǎo)電電極層，它可包括上面列出的任何電極或當(dāng)材料。這些圖的共同之處在于氧源層形成為與本發(fā)明的鐵電電容器的電極層之一相鄰。圖2(f)示出也可用本發(fā)明的方法制造的鐵電電容器的三維(非平面)圖。在圖2(f)所示結(jié)構(gòu)的構(gòu)有圖案的層20和26上，可以有可選擇的側(cè)壁隔層。
構(gòu)成本發(fā)明的鐵電電容器的各層，可用本領(lǐng)域公知的常規(guī)沉積工藝形成。例如，層20、24、26和可選擇層28可采用化學(xué)汽相沉積(CVD)、等離子增強(qiáng)CVD、電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、熱氧化、濺射、反應(yīng)濺射、電鍍和其它沉積技術(shù)或其組合。沉積各層后，可用常規(guī)技術(shù)如化學(xué)機(jī)械拋光對該結(jié)構(gòu)平整化。還可以用常規(guī)光刻和反應(yīng)離子蝕刻進(jìn)行構(gòu)圖。
鐵電材料22也可用本領(lǐng)域公知的常規(guī)沉積技術(shù)形成，這些技術(shù)包括還不限于化學(xué)液相沉積(CSD)、溶膠-凝膠法、金屬有機(jī)分解法、旋涂、濺射、反應(yīng)濺射、金屬-有機(jī)化學(xué)汽相沉積、物理汽相沉積、等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積、脈沖激光沉積、化學(xué)汽相沉積、蒸發(fā)和其它沉積技術(shù)。此時可能需要進(jìn)行高溫退火以獲得所期望的鐵電性能。
在形成圖1(b)所示的結(jié)構(gòu)，其中可能包括用一步或多步對電容器的所有層進(jìn)行構(gòu)圖之后，可在結(jié)構(gòu)頂部形成多個布線層線。本發(fā)明的該步驟包括如圖1(c)所示的可選擇構(gòu)圖步驟。構(gòu)圖結(jié)束后，可以用介電層(圖中未示出)將構(gòu)圖后的電容器，即層20、22、24、26和可選擇的層28包覆起來，以保護(hù)鐵電層免受氧類滲出和氫類滲入的影響?？蛇x擇的鐵電包覆層通常是氧化物、氮化物或氧氮化物，如SiO2、SiNx、SiOxNy、TiO2、Ta2O5或Al2O3。
通過首先在結(jié)構(gòu)上形成介電材料30，然后在其中用BEOL處理方法形成導(dǎo)電層32來獲得布線層級，該處理優(yōu)選在氧源層的分解溫度之下如400℃以下的溫度下進(jìn)行。介電層30可用與層18相同或不同的介電材料構(gòu)成，同樣地，導(dǎo)電層32也可由與導(dǎo)電層16相同或不同的材料構(gòu)成。
氧源層的至少部分分解可與處理過程中的其它步驟如，鐵電/高ε值材料沉積、上電極沉積、可選擇的包覆層沉積和BEOL處理同時發(fā)生，還可以在器件工作(極低速)和BEOL后退火時發(fā)生，該BEOL后退火具體是用來把氧源層中的所期望數(shù)量的氧釋放到鐵電電容器中以提高其存儲特性的。BEOL后退火可在基本為不活潑氣體的氣氛中進(jìn)行，該氣氛如真空、He氣、Ar氣和N2氣，也可以在其中摻有氧化氣體如氧氣、水蒸氣、O3、N2O或H2O2。本發(fā)明中可采用的退火溫度優(yōu)選為約350～700℃，更優(yōu)選為約350～500℃。通常退火時間為約1分鐘～4小時，更優(yōu)選為約1分鐘～10分鐘。退火步驟可以是一個裝卸載循環(huán)，也可是多重裝卸載浸水循環(huán)。
盡管本發(fā)明是對優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行具體描述的，可以理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下做出各種形式和細(xì)節(jié)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種鐵電電容器，包括導(dǎo)電電極層、位于所述導(dǎo)電電極層上的鐵電層、在所述鐵電層上形成的導(dǎo)電反電極層，以及與上述電極層之一鄰近的至少部分分解的氧源層。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵電電容器，其中所述導(dǎo)電電極層和所述導(dǎo)電反電極層由從包括貴金屬、貴金屬氧化物、導(dǎo)電氧化物及其混合物和復(fù)合層中選擇的同一導(dǎo)電材料或不同導(dǎo)電材料構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的鐵電電容器，其中所述鐵電層是鈣鈦礦型氧化物，具有燒綠石結(jié)構(gòu)的復(fù)合物，磷酸二氫鉀，銣、銫或砷的磷酸鹽，及其混合物或其復(fù)合層。
4.如權(quán)利要求3所述的鐵電電容器，其中所述鈣鈦礦型氧化物的化學(xué)式是ABO3，其中B是至少一個包含元素周期表的IVB、VB、VIB、VIIB、IIIA或IB族中的一個元素的酸性氧化物，而A是具有約1～3個正電荷的附加陽離子。
5.如權(quán)利要求4所述的鐵電電容器，其中所述鈣鈦礦型氧化物是鈦酸鹽基的鐵電材料，錳酸鹽基材料，銅酸鹽基材料，鎢青銅的鈮酸鹽、鉭酸鹽或鈦酸鹽，或鉍夾層的鉭酸鹽、鈮酸鹽或鈦酸鹽。
6.如權(quán)利要求5所述的鐵電電容器，其中所述鈣鈦礦型氧化物是鍶鉍鉭酸鹽，鍶鉍鈮酸鹽、鉍鈦酸鹽、鍶鉍鉭鈮酸鹽、鉛鋯鈦酸鹽、鉛鑭鋯酸鹽及它們的用摻雜劑改性的組合物。
7.如權(quán)利要求1所述的鐵電電容器，其中所述氧源層是化學(xué)式為MOx的金屬氧化物，其中M是貴金屬、非貴金屬或其混合物和合金，x為約0.03～3。
8.如權(quán)利要求1所述的鐵電電容器，其中還包括多個與所述電極、反電極或氧源層鄰近的附加導(dǎo)電層，該附加導(dǎo)電層是從包括貴金屬、貴金屬氧化物、導(dǎo)電氧化物、金屬氮化物、金屬硅氮化物、金屬氧化物、金屬氧氮化物以及其混合物或復(fù)合層的組中選擇的材料。
9.如權(quán)利要求1所述的鐵電電容器，其中還包括一個或多個在電容器的最上面層上形成的介電層。
10.如權(quán)利要求1所述的鐵電電容器，其中所述導(dǎo)電電極層是構(gòu)有圖案的或是未構(gòu)圖的。
11.如權(quán)利要求1所述的鐵電電容器，其中所述氧源層是構(gòu)有圖案的或是未構(gòu)圖的。
12.如權(quán)利要求1所述的鐵電電容器，其中所述至少部分分解的氧源層和所述電極層是構(gòu)有圖案的，所述構(gòu)有圖案的氧源層位于構(gòu)有圖案的電極層之下，所述鐵電層設(shè)置成與所述構(gòu)有圖案的電極層的上表面和側(cè)表面、以及所述構(gòu)有圖案的氧源層的側(cè)表面都接觸。
13.如權(quán)利要求1所述的鐵電電容器，其中所述結(jié)構(gòu)是平的或不平的。
14.如權(quán)利要求1所述的鐵電電容器，其中用介電常數(shù)不小于20的高ε值材料層代替所述鐵電層。
15.一種鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，包括具有至少一個晶體管的CMOS結(jié)構(gòu)；在所述CMOS結(jié)構(gòu)上形成的鐵電電容器，該鐵電電容器包括導(dǎo)電電極層、位于所述導(dǎo)電電極層上的鐵電層、在所述鐵電層上形成的導(dǎo)電反電極層，以及與上述電極層之一鄰近的至少部分分解的氧源層；以及在所述鐵電電容器上形成的至少一種布線層級。
16.如權(quán)利要求15所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述CMOS結(jié)構(gòu)還包括在半導(dǎo)體襯底上形成的至少一個布線層級。
17.如權(quán)利要求15所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體襯底是從包括Si、Ge、SiGe、GeAs、InAs、InP、其它III/V化合物及有機(jī)半導(dǎo)體的組中選擇的半導(dǎo)體材料。
18.如權(quán)利要求15所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述導(dǎo)電電極層和所述導(dǎo)電反電極層由從包括貴金屬、貴金屬氧化物、導(dǎo)電氧化物及其混合物和復(fù)合層中選擇的同一導(dǎo)電材料或不同導(dǎo)電材料構(gòu)成。
19.如權(quán)利要求15所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述鐵電層是鈣鈦礦型氧化物，具有燒綠石結(jié)構(gòu)的復(fù)合物，磷酸二氫鉀，銣、銫或砷的磷酸鹽，及其混合物或其復(fù)合層。
20.如權(quán)利要求19所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述鈣鈦礦型氧化物的化學(xué)式是ABO3，其中B是至少一個包含元素周期表的IVB、VB、VIB、VIIB、IIIA或IB族中的一個元素的酸性氧化物，而A是具有約1～3個正電荷的附加陽離子。
21.如權(quán)利要求20所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述鈣鈦礦型氧化物是鈦酸鹽基的鐵電材料，錳酸鹽基材料，銅酸鹽基材料，鎢青銅的鈮酸鹽、鉭酸鹽或鈦酸鹽，或鉍夾層的鉭酸鹽、鈮酸鹽或鈦酸鹽。
22.如權(quán)利要求21所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述鈣鈦礦型氧化物是鍶鉍鉭酸鹽，鍶鉍鈮酸鹽、鉍鈦酸鹽、鍶鉍鉭鈮酸鹽、鉛鋯鈦酸鹽、鉛鑭鋯酸鹽及它們的用摻雜劑改性的組合物。
23.如權(quán)利要求15所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述氧源層是化學(xué)式為MOx的金屬氧化物，其中M是貴金屬、非貴金屬或其混合物和合金，x為約0.03～3。
24.如權(quán)利要求15所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中還包括多個與所述電極、反電極或氧源層鄰近的附加導(dǎo)電層，該附加導(dǎo)電層是從包括貴金屬、貴金屬氧化物、導(dǎo)電氧化物、金屬氮化物、金屬硅氮化物、金屬氧化物、金屬氧氮化物以及其混合物或復(fù)合層的組中選擇的材料。
25.如權(quán)利要求15所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述導(dǎo)電電極層可以是構(gòu)有圖案的或是未構(gòu)圖的。
26.如權(quán)利要求15所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述氧源層可以是構(gòu)有圖案的或是未構(gòu)圖的。
27.如權(quán)利要求15所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述至少部分分解的氧源層和所述電極層是構(gòu)有圖案的，所述構(gòu)有圖案的氧源層位于構(gòu)有圖案的電極層之下，所述鐵電層設(shè)置成與所述構(gòu)有圖案的電極層的上表面和側(cè)表面、以及所述構(gòu)有圖案的氧源層的側(cè)表面都接觸。
28.如權(quán)利要求15所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述布線層級都包括至少一個導(dǎo)電層和至少一個介電層。
29.如權(quán)利要求15所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)是平的或不平的。
30.如權(quán)利要求15所述的鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)，其中用介電常數(shù)不小于20的高ε值材料層代替所述鐵電層。
31.一種制造鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)的方法，包括下列步驟(a)在半導(dǎo)體晶片上形成至少一個互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件；(b)在所述CMOS器件上形成鐵電電容器，該鐵電電容器包括至少一個鐵電層和與導(dǎo)電電極層鄰近的氧源層，其中所述氧源層在低于700℃的溫度下至少可部分分解；(c)在低于450℃的溫度下在所述鐵電電容器上形成布線層級，以及(d)在300℃～700℃之間的溫度下對該結(jié)構(gòu)退火，使氧源層部分分解，以將氧釋放到鐵電電容器中。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述CMOS器件包括晶體管區(qū)和半導(dǎo)體襯底。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底是從包括Si、Ge、SiGe、GeAs、InAs、InP、其它III/V化合物及有機(jī)半導(dǎo)體的組中選擇的半導(dǎo)體材料。
34.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述導(dǎo)電電極層和所述導(dǎo)電反電極層由從包括貴金屬、貴金屬氧化物、導(dǎo)電氧化物及其混合物和復(fù)合層中選擇的同一或不同材料構(gòu)成。
35.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述鐵電層是鈣鈦礦型氧化物，具有燒綠石結(jié)構(gòu)的復(fù)合物，磷酸二氫鉀，銣、銫或砷的磷酸鹽，及其混合物或其復(fù)合層。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述鈣鈦礦型氧化物的化學(xué)式是ABO3，其中B是至少一個包含元素周期表的IVB、VB、VIB、VIIB、IIIA或IB族中的一個元素的酸性氧化物，而A是具有約1～3個正電荷的附加陽離子。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述鈣鈦礦型氧化物是鈦酸鹽基的鐵電材料，錳酸鹽基材料，銅酸鹽基材料，鎢青銅的鈮酸鹽、鉭酸鹽或鈦酸鹽，或鉍夾層的鉭酸鹽、鈮酸鹽或鈦酸鹽。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其中所述鈣鈦礦型氧化物是鍶鉍鉭酸鹽，鍶鉍鈮酸鹽、鉍鈦酸鹽、鍶鉍鉭鈮酸鹽、鉛鋯鈦酸鹽、鉛鑭鋯酸鹽及它們的用摻雜劑改性的組合物。
39.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述氧源層是化學(xué)式為MOx的金屬氧化物，其中M是貴金屬、非貴金屬或其混合物和合金，x為約0.03～3。
40.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述導(dǎo)電電極層可以是構(gòu)有圖案的或是未構(gòu)圖的。
41.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述氧源層可以是構(gòu)有圖案的或是未構(gòu)圖的。
42.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述退火步驟是在約350℃～700℃的溫度下進(jìn)行約1分鐘～4小時的處理。
43.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述退火步驟是在約350℃～500℃的溫度下進(jìn)行約1分鐘～10分鐘的處理。
44.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述退火步驟是在其中可混有或不混有氧化性氣體的不活潑氣氛中進(jìn)行的。
45.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述鐵電電容器是平的或不平的。
46.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述退火步驟可用下述步驟代替，即，使所述氧源層在從包括鐵電沉積、上電極沉積、選擇性包覆沉積、BEOL工藝及器件工作的組中選擇的步驟中分解。
47.如權(quán)利要求31所述的方法，其中用介電常數(shù)不小于20的高ε值材料層代替所述鐵電層。
全文摘要
提供一種鐵電/CMOS集成結(jié)構(gòu)及其制造方法,該結(jié)構(gòu)至少包括鐵電材料;一對與鐵電材料的兩個相反面接觸的電極,這些電極在沉積或退火時不分解;以及至少與一個電極接觸的氧源層,該氧源層是在沉積和/或隨后處理中至少部分分解的金屬氧化物。
文檔編號H01L27/10GK1276629SQ0010878
公開日2000年12月13日 申請日期2000年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月4日
發(fā)明者查爾斯·托馬斯·布萊克, 西里爾·卡布拉·Jr., 阿爾弗雷德·格利爾, 德博拉·安·紐梅爾, 威爾伯·大衛(wèi)·普萊瑟, 卡舍萊恩·萊恩·薩恩格爾, 托馬斯·姆卡羅爾·邵 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司