專利名稱：用于鐵電薄膜的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積和退火處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵電存儲器裝置的制造，尤其涉及展示出優(yōu)良的鐵電性質(zhì)和低表面粗糙度的特別定向的鐵電薄膜的使用。
背景技術(shù)：
在非易失性存儲器中使用鐵電薄膜在近年來已引起注意，其主要是由于這些薄膜的雙穩(wěn)態(tài)特性，即這些薄膜具有兩個主極化方向。鐵電隨機(jī)存儲器(FRAM)的絕大多數(shù)研究集中在具有一個晶體管和一個電容器的結(jié)構(gòu)。該電容器由夾在兩個導(dǎo)電電極之間的鐵電薄膜制成。此類存儲器的電路結(jié)構(gòu)和讀/寫順序與DRAM類似，除了在FRAM中數(shù)據(jù)刷新不是必需的。
鐵電非易失性存儲器形式的另一方面是確定用于將鐵電薄膜直接沉積到FET(場效應(yīng)晶體管)柵極區(qū)域上并形成鐵電柵極控制FET(FGCFET)的最佳技術(shù)。鐵電柵極控制裝置，例如金屬-鐵電體-硅(MFS)FET，在二十世紀(jì)五十年代就被提出，并且各種改進(jìn)的MFSFET的結(jié)構(gòu)已被提出，例如金屬-鐵電體-絕緣體-硅(MFIS)FET、金屬-鐵電體-金屬-硅(MFMS)FET、以及金屬-鐵電體-金屬-氧化物-硅(MFMOS)FET。
然而，為了滿足FRAM應(yīng)用的要求，需要特別定向的鐵電薄膜。實驗結(jié)果顯示使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法，由于使用MOCVD的生長方法，高度定向的、即其中C軸峰值與隨機(jī)峰值的比率大于80％的鐵電薄膜總是具有不能被接受的表面粗糙度。

發(fā)明內(nèi)容
一種制造c軸定向的鐵電薄膜的方法，其包括準(zhǔn)備一襯底；通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積，包括使用一前體溶液，沉積一鐵電材料層，所述前體溶液在汽化器溫度約為140-200℃具有約為0.1M/L的鐵電材料濃度；以及將所述襯底和所述鐵電材料層在約500-560℃溫度下退火處理約30-120分鐘。
本發(fā)明的一目的是提供一種用于具有優(yōu)選定向的鐵電薄膜的制造方法，例如MOCVD和退火。
本發(fā)明的另一目的是提供一種通過使用多個MOCVD和退火處理得到的鐵電薄膜，其具有最小的表面粗糙度、均勻的表面形態(tài)以及改善的鐵電性質(zhì)。
本發(fā)明的概要和目的使得可快速地領(lǐng)會本發(fā)明的本質(zhì)。參照以下優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，可獲得對本發(fā)明更完全的理解。


圖1示出了通過本發(fā)明方法的MOCVD和退火處理在Ir電極上制成的PGO薄膜的X射線圖象；圖2示出了通過本發(fā)明方法在Ir電極上制成的PGO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)；圖3示出了通過本發(fā)明方法在Ir電極上制成的PGO薄膜的滯后回線；圖4示出了通過本發(fā)明方法在Ir電極上制成的PGO薄膜在各種外加電壓下的滯后回線；圖5示出了通過本發(fā)明方法在Ir電極上制成的PGO薄膜的漏電流；和圖6示出了通過本發(fā)明方法在Ir電極上制成的PGO薄膜的介電常數(shù)。
具體實施例方式
在本發(fā)明中，公開了一種金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和退火方法，其導(dǎo)致一具有低表面粗糙度的高質(zhì)量的、特別定向的鐵電薄膜。適合用于本發(fā)明的鐵電材料包括Pb5Ge3O11(PGO)、SrBi2Ta2O9(SBT)、Bi4Ti3O12(BTO)、以及PbZrXTi1-XO3(PZT)。
本發(fā)明的方法提供了一種沉積具有優(yōu)選定向的鐵電薄膜的技術(shù)，其導(dǎo)致表面粗糙度的提高，更好的表面形態(tài)并且保持了所需的定向鐵電薄膜的性質(zhì)。極高C軸定向的PGO薄膜顯示出優(yōu)良的鐵電性質(zhì)，然而，PGO薄膜的表面展示出粗糙的特征，其在重疊層中產(chǎn)生缺陷并導(dǎo)致不一致的傳導(dǎo)性。為了解決該問題，采用了低溫的MOCVD步驟和高溫退火步驟，其導(dǎo)致高質(zhì)量的、特別定向的鐵電薄膜，該薄膜具有較光滑的表面。
一氧化物MOCVD反應(yīng)器用于C軸定向的PGO薄膜的生長。摩爾比率為5∶3的[Pb(thd)2]和[Ge(ETO)4]的前體溶液(precursor solution)溶解于一混合溶劑中，該混合溶劑包括摩爾比為8∶2∶1的丁基醚或四氫呋喃、異丙醇、以及四甘醇二甲醚。該前體溶液具有0.1M/L的PGO濃度。該溶液通過泵在約為140-200℃的溫度下以約0.1-0.2ml/min的速率注入汽化器，以形成前體氣體。生長線溫度約為165-245℃。沉積溫度和壓力分別為300-450℃和約5-10torr(托)。氬氣覆蓋氣體具有約1000sccm-6000sccm的流量，并且氧氣的分壓力約為20-50％。30-120分鐘的沉積時間用于在Ir電極上的PGO薄膜的生長。在此處的使用中，“低溫”被定義為＜500℃的溫度，在該溫度下PGO薄膜幾乎是非晶體的。隨后當(dāng)溫度升高到500℃以上，特別是510℃以上時，該薄膜成為晶體。
在PGO薄膜沉積后，在約500℃-560℃，約30-120分鐘的高溫退火過程用于進(jìn)一步提高PGO薄膜的細(xì)晶粒生長。重復(fù)該過程，以形成多層的高質(zhì)量PGO薄膜。
圖1示出了通過本發(fā)明方法的低溫MOCVD和高溫退火步驟制成的C軸定向的PGO薄膜的X射線圖象。該PGO薄膜具有Pb5Ge3O11的非常高度的C軸定向，并且具有極少的第二階段的Pb3GeO5。圖2示出通過本發(fā)明方法的MOCVD和退火步驟形成的C軸定向的PGO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)。PGO薄膜的平均結(jié)晶粒度為約0.8μm。層狀結(jié)構(gòu)的存在確認(rèn)C軸定向的PGO薄膜沿C軸方向一層一層地生長。層狀結(jié)構(gòu)由圖2顯微照片中的磷片狀外觀示出，其在正面被部分地強(qiáng)化，以更好地顯示出分層。PGO薄膜的厚度約為300nm。
通過本發(fā)明方法制成的PGO薄膜展示出優(yōu)良的鐵電特性和電特性。圖3示出PGO薄膜的滯后回線，其在5V的外加電壓下是正方形的、對稱的并且良好飽和的，其中x軸表示電壓，y軸表示極化(μC/cm2)?？色@得3.98μC/cm2的2Pr和128KV/cm的2Ec，以用于PGO薄膜。圖4示出總體以10表示的PGO薄膜的滯后回線。示出了對于1V的跡線12；對于2V為14；對于3V為16；對于4V為18；對于5V為20。自3V起，PGO薄膜的滯后回線幾乎是飽和的。
對于存儲器應(yīng)用，低的漏電流密度是一重要的考慮。圖5示出由本發(fā)明方法形成的300nm厚的PGO薄膜的I-V曲線。顯示出優(yōu)良的I-V特性。Pb5Ge3O11薄膜的漏電流密度隨外加電壓的增加而增加，該漏電流密度在100KV/cm時為5.07×10-7。
對于存儲器應(yīng)用，特別是對于一個晶體管存儲器的應(yīng)用，介電常數(shù)也是另一重要的考慮。Pb5Ge3O11薄膜的介電常數(shù)展示出與大多數(shù)鐵電材料相似的性質(zhì)，即介電常數(shù)隨外加電壓的變化而變化。如圖6所示，Pb5Ge3O11薄膜的最大的介電常數(shù)約為36。
總之，鐵電材料的低溫MOCVD和高溫退火方法制造出表面粗糙度降低的C軸定向的PGO薄膜。本發(fā)明的方法在Ir電極上制成高質(zhì)量的PGO薄膜，其具有3.98μC/cm2的2Pr和128KV/cm的2Ec。
這樣，公開了一種對于C軸定向的鐵電薄膜的低溫鐵電MOCVD和高溫退火方法。應(yīng)當(dāng)理解，在可以在后附的權(quán)利要求書所限定的范圍內(nèi)進(jìn)行其它的變化和變型。
權(quán)利要求
1.一種制造c軸定向的鐵電薄膜的方法，其包括準(zhǔn)備一襯底；通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，其包括使用一前體溶液，沉積一鐵電材料層，所述前體溶液在約為140-200℃的汽化器溫度下具有約為0.1M/L的鐵電材料濃度；以及將所述襯底和所述鐵電材料層在約500-560℃溫度下退火處理約30-120分鐘。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括從一包括Pb5Ge3O11(PGO)、SrBi2Ta2O9(SBT)、Bi4Ti3O12(BTO)、以及PbZrXTi1-XO3(PZT)的材料組中選擇鐵電材料。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括以摩爾比為5∶3制備[Pb(thd)2]和[Ge(ETO)4]的溶液，其溶解于一混合溶劑中，該混合溶劑包括取自一溶劑組中的溶劑，該溶劑組包括摩爾比為8∶2∶1的丁基醚和四氫呋喃、異丙醇、以及四甘醇二甲醚。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括以約0.1-0.2ml/min的泵速率提供所述前體溶液。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括在MOCVD室中提供約165-245℃的生長線溫度。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括在約300-450℃的沉積溫度下沉積所述鐵電材料層。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括在約5-10torr(托)的沉積壓力下沉積所述鐵電材料層。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括提供流量為約1000-6000sccm的氬氣覆蓋氣體，并且氧氣分壓力約為20-50％。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括在約30-120分鐘的時間段內(nèi)沉積所述鐵電材料層。
10.一種制造c軸定向的鐵電薄膜的方法，其包括準(zhǔn)備一襯底；通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，其包括使用一前體溶液，沉積一從鐵電材料組中選擇的鐵電材料層，所述前體溶液在汽化器溫度約為140-200℃具有約為0.1M/L的鐵電材料濃度，所述鐵電材料組包括Pb5Ge3O11(PGO)、SrBi2Ta2O9(SBT)、Bi4Ti3O12(BTO)和PbZrXTi1-XO3(PZT)；以及將所述襯底和所述鐵電材料層在約500-560℃溫度下退火處理約30-120分鐘。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括以摩爾比為5∶3制備[Pb(thd)2]和[Ge(ETO)4]的溶液，其溶解于一混合溶劑中，該混合溶劑包括取自一溶劑組中的溶劑，該溶劑組包括摩爾比為8∶2∶1的丁基醚和四氫呋喃、異丙醇、以及四甘醇二甲醚，并且以約0.1-0.2ml/min的泵速率提供所述前體溶液。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括在MOCVD室中提供約165-245℃的生長線溫度。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括在約300-450℃的沉積溫度下沉積所述鐵電材料層。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括在約5-10torr(托)的沉積壓力下沉積所述鐵電材料層。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括提供流量為約1000-6000sccm的氬氣覆蓋氣體，并且氧氣分壓力約為20-50％。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括在約30-120分鐘的時間段內(nèi)沉積所述鐵電材料層。
17.一種制造c軸定向的鐵電薄膜的方法，其包括準(zhǔn)備一襯底；通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，其包括制備一摩爾比為5∶3的[Pb(thd)2]和[Ge(ETO)4]的前體溶液，沉積一鐵電材料層，所述前體溶液溶解于一混合溶劑中，該混合溶劑包括取自一溶劑組中的溶劑，該溶劑組包括摩爾比為8∶2∶1的丁基醚和四氫呋喃、異丙醇、以及四甘醇二甲醚，并且使用一在約為140-200℃的汽化器溫度下具有約為0.1M/L的鐵電材料濃度的前體溶液；以及將所述襯底和所述鐵電材料層在約500-560℃溫度下退火處理約30-120分鐘。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括以約0.1-0.2ml/min的泵速率提供所述前體溶液。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括在MOCVD室中提供約165-245℃的生長線溫度。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括在約300-450℃的沉積溫度下沉積所述鐵電材料層。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括在約5-10torr(托)的沉積壓力下沉積所述鐵電材料層。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括提供流量為約1000-6000sccm的氬氣覆蓋氣體，并且氧氣分壓力約為20-50％。
23.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述沉積過程包括在約30-120分鐘的時間段內(nèi)沉積所述鐵電材料層。
全文摘要
一種制造c軸定向的鐵電薄膜的方法，其包括準(zhǔn)備一襯底；通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積，其包括使用一前體溶液，沉積一鐵電材料層，所述前體溶液在汽化器溫度約為140－200℃具有約為0.1M/L的鐵電材料濃度；以及將所述襯底和所述鐵電材料層在約500－560℃溫度下退火處理約30－120分鐘。
文檔編號H01L27/105GK1401817SQ02128590
公開日2003年3月12日 申請日期2002年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月13日
發(fā)明者李廷凱, 潘威, 許勝籐 申請人:夏普公司