專利名稱：鐵電電容器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的電容器及其制造方法，并且特別涉及一種包括至少兩層具有不同成分或不同成份比例的鐵電物質(zhì)膜的鐵電電容器(ferroelectric capacitor)及其制造方法。
背景技術(shù)：
諸如移動(dòng)信息及通信裝置的便攜式電子裝置的廣泛使用產(chǎn)生了對(duì)于即使在關(guān)閉電源后仍能夠保存數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)器(non-volatile memory)的越來越大的需求。期望鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(以下，稱為FRAM)成為一種具有高速數(shù)據(jù)處理和低功耗優(yōu)點(diǎn)的非易失性存儲(chǔ)器。
通常，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器包括多個(gè)存儲(chǔ)單元，并且每個(gè)存儲(chǔ)單元都包括晶體管和電容器。每個(gè)FRAM的存儲(chǔ)單元也包括晶體管和電容器。然而，F(xiàn)RAM中的電容器是使用鐵電物質(zhì)作為介電材料的鐵電電容器。
如圖1所示，傳統(tǒng)鐵電電容器通過順序地疊置作為下電極的第一鉑(Pt)膜10、作為鐵電膜的PZT(PbZrXTi1-XO3)膜12、以及作為上電極的第二鉑(Pt)膜14而形成。
在圖1的傳統(tǒng)鐵電電容器中，PZT膜12通過利用化學(xué)溶液沉積(以下稱為CSD)或化學(xué)汽相沉積(以下稱為CVD)每次形成規(guī)定的厚度。
同時(shí)，諸如空隙或過剩原子的缺陷殘留在PZT膜12的界面區(qū)域。此類缺陷即使在重新加熱PZT膜12后仍留在鐵電電容器內(nèi)，這導(dǎo)致FRAM的劣化，并特別導(dǎo)致FRAM保持特性的退化。保持特性(retention chracteristics)及其測(cè)量將在下面介紹。
為解決這一問題，近期的研究引入了一種鐵電電容器，其中以諸如IrO2、RuO2、SrRuO2等的氧化物質(zhì)替代上電極和下電極，從而補(bǔ)償氧的泄漏，并且用對(duì)于PZT膜12的晶體形成有幫助的鉑(Pt)膜作為中間層，從而改善PZT膜12界面區(qū)域的特性。
如圖2所示，這種鐵電電容器包括PZT膜12、通過順序地疊置第一氧化銥(IrO2)膜16和第一鉑(Pt)膜10而形成在PZT膜12下的下電極、以及通過順序地疊置第二鉑(Pt)膜14和第二氧化銥(IrO2)膜18而形成在PZT膜12上的上電極。
此處，第一和第二鉑(Pt)膜10和14分別用作第一和第二中間層，但是為方便說明，這里將其分別作為構(gòu)成上電極和下電極的一個(gè)元件介紹。
圖2的鐵電電容器與圖1的鐵電電容器相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，但在PZT膜12中仍具有缺陷。缺陷隨著電荷長(zhǎng)時(shí)間地從上電極和下電極的流動(dòng)而積累在PZT膜12的界面區(qū)域中。在其中磁疇通過向電容器施加電壓而沿一個(gè)方向排列的電容器中或者在為加速測(cè)試而加熱的電容器中，電荷的移動(dòng)或來自外部的電荷的流入呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
結(jié)果，在PZT膜12中沿著與外部電場(chǎng)方向相同的方向產(chǎn)生了導(dǎo)致鐵電疇極化(polarization of the ferroelectric domain)的電場(chǎng)。電荷的移動(dòng)和積累保持持續(xù)，這增大了引入PZT膜12中的電場(chǎng)的強(qiáng)度。
如果在鐵電疇的極化方向通過向PZT膜12施加電壓而換至相反方向規(guī)定時(shí)間后PZT膜12中存在引入的電場(chǎng)，新的鐵電疇的極化方向變得不穩(wěn)定。
如上所述，由于傳統(tǒng)的鐵電電容器由于PZT膜的缺陷而在PZT膜中包括了引入的電場(chǎng)，因此在鐵電疇的極化方向通過向PZT膜施加電壓而換至相反方向時(shí)，新的鐵電疇的極化方向變得不穩(wěn)定。因此，伴隨著FRAM集成密度的提高而使得鐵電電容器的尺寸變小，在經(jīng)歷了幾次處理后缺陷的濃度增大。因此，每次寫入數(shù)據(jù)時(shí)，PZT膜的磁疇的極化狀態(tài)變得更加不穩(wěn)定。由此，隨著集成密度提高，包括此類傳統(tǒng)鐵電電容器的FRAM的可靠性劣化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種鐵電電容器，其保持鐵電疇的穩(wěn)定的極化狀態(tài)很長(zhǎng)的保持時(shí)間，由此確保了鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FRAM)的充分的可靠性。
本發(fā)明還提供了一種制造鐵電電容器的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種鐵電電容器，包括順序疊置的下電極、電介質(zhì)層和上電極，其中電介質(zhì)層為由順序疊置的鐵電膜形成的多層，并且兩層相鄰的鐵電膜具有不同的成分或不同的成份比例。
鐵電電容器還包括下電極與電介質(zhì)層之間或上電極與電介質(zhì)層之間的中間層。
電介質(zhì)層為順序疊置的第一至第三鐵電膜，并且第一至第三鐵電膜分別為從由PZT膜、PLZT膜或BSO-PZT膜構(gòu)成的組中選取的一種膜，并且兩層相鄰的鐵電膜彼此不同。
上電極和下電極分別為導(dǎo)電氧化層或金屬層，諸如鉑(Pt)層或銥(Ir)層，或包括介電氧化層和金屬層的多層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造鐵電電容器的方法，該鐵電電容器中順序疊置著下電極、電介質(zhì)層和上電極，其中電介質(zhì)層通過在下電極上形成第一鐵電膜并在第一鐵電膜上形成第二鐵電膜而形成，第二鐵電膜具有與第一鐵電膜的成分或成份比例不同的成分或不同的成份比例。
該方法還包括在第二鐵電膜上形成第三鐵電膜，第三鐵電膜具有與第二鐵電膜的成分或成份比例不同的成分或不同的成份比例。
第一和第二鐵電膜用不同的形成工藝形成為具有相同的成分但不同的成份比例。此處，第一和第二鐵電膜分別通過利用化學(xué)溶液沉積(CSD)或金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)形成。
第一和第二鐵電膜形成為具有不同的成分，但用相同的形成工藝形成。此處，第一和第二鐵電膜通過利用CSD或MOCVD形成。
第二和第三鐵電膜用不同的形成工藝形成為具有相同的成分但不同的成份比例。此處，第二和第三鐵電膜通過利用CSD或MOCVD形成。
第二和第三鐵電膜形成為具有不同的成分，但用相同的形成工藝形成。此處，第二和第三鐵電膜分別通過利用CSD或MOCVD形成。
根據(jù)本發(fā)明的鐵電電容器，由于通過在兩層不同的鐵電膜之間形成界面區(qū)域防止了鐵電電容器中缺陷的移動(dòng)，大大減弱了鐵電膜中的電場(chǎng)，其使得可以保持鐵電疇的穩(wěn)定的極化狀態(tài)很長(zhǎng)的保持時(shí)間。由此，可以精確地讀出很長(zhǎng)時(shí)間以前寫入鐵電電容器的數(shù)據(jù)，從而改善了FRAM的可靠性。


通過參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)介紹，將使本發(fā)明的上述和其它的特征和優(yōu)點(diǎn)變得更加明顯易懂，附圖中圖1和圖2為示出傳統(tǒng)鐵電電容器結(jié)構(gòu)的截面圖；圖3為示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的鐵電電容器結(jié)構(gòu)的截面圖；
圖4為示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的鐵電電容器結(jié)構(gòu)的截面圖；圖5為示出傳統(tǒng)鐵電電容器和根據(jù)本發(fā)明的鐵電電容器的極化特性(polarization characteristics)的測(cè)量結(jié)果的圖表；圖6為示出傳統(tǒng)鐵電電容器和根據(jù)本發(fā)明的鐵電電容器的疲勞特性(fatigue characteristics)的測(cè)量結(jié)果的圖表；圖7為示出傳統(tǒng)鐵電電容器和根據(jù)本發(fā)明的鐵電電容器的非易失性留存極化特性(non-volatile remnant polarization characteristics)的測(cè)量結(jié)果的圖表；圖8為用于解釋用于測(cè)量圖7的非易失性極化特性的脈沖序列的時(shí)序圖；以及圖9為示出用于制造根據(jù)本發(fā)明的鐵電電容器的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面，將參照示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖更加全面地介紹本發(fā)明。附圖中，為清楚起見放大了元件的外形。為方便理解，所使用的相同附圖標(biāo)記表示了對(duì)于該些附圖是通用的相同元件。
以下，將介紹鐵電電容器。
第一實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的鐵電電容器的特征在于由三層具有不同成分或不同成份比例的鐵電膜(ferroelectric film)形成的電介質(zhì)膜。
參照?qǐng)D3，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的鐵電電容器包括下電極40、電介質(zhì)層42和上電極44。電介質(zhì)層42通過在下電極40上順序疊置第一至第三電介質(zhì)膜42a、42b和42c而形成。第一電介質(zhì)膜42a為諸如PZT(PbZrXTi1-XO3)膜、PLZT(Pb1-ZLaZZrXTi1-XO3)膜或BSO-PZT(Bi2SiO5添加的PZT)膜的規(guī)定的鐵電膜。此處，X和Z表示有效范圍在0至1內(nèi)的數(shù)字。例如，若X等于0.35，Zr對(duì)Ti的分配比例為35對(duì)65。第二電介質(zhì)膜42b為規(guī)定的鐵電膜，并且可以為PZT或PLZT膜，但是第二電介質(zhì)膜42b優(yōu)選與第一電介質(zhì)膜42a不同。第三電介質(zhì)膜42c也為鐵電膜，并且可以為PZT膜、PLZT膜或BSO-PZT膜，但是第三電介質(zhì)膜42c優(yōu)選與第二電介質(zhì)膜42b不同。
如果第一和第二電介質(zhì)膜42a和42b為具有相同成分的鐵電膜，例如PZT膜，優(yōu)選作為第一電介質(zhì)膜42a的PZT膜(以下稱為第一PZT膜)的成份比例與作為第二電介質(zhì)膜42b的PZT膜(以下稱為第二PZT膜)的不同。即，第一和第二PZT膜的分子式中，即PbZrXTi1-XO3和PbZrYTi1-YO3中，優(yōu)選下標(biāo)X和Y彼此不同。這可應(yīng)用于第一和第二電介質(zhì)膜42a和42b為PLZT膜的情況下。
第二與第三電介質(zhì)膜42b與42c之間的關(guān)系與第一與第二電介質(zhì)膜42a與42b之間的關(guān)系相同。
優(yōu)選，第三電介質(zhì)膜42c為諸如PZT膜、PLZT膜或BSO-PZT膜的鐵電膜。然而，優(yōu)選第三電介質(zhì)膜42c為具有與第二電介質(zhì)膜42b不同成分或不同成份比例的鐵電膜。因此，若第二電介質(zhì)膜42b為具有規(guī)定厚度的PZT膜，優(yōu)選第三電介質(zhì)膜42c為具有規(guī)定厚度的PLZT膜、BSO-PZT膜或另一層鐵電膜。若第二和第三電介質(zhì)膜42b和42c為具有相同成分的鐵電膜，優(yōu)選第二和第三電介質(zhì)膜42b和42c具有不同的成份比例。優(yōu)選，第一至第三電介質(zhì)膜42a、42b和42c各自具有3nm至50nm、30nm至150nm和3nm至50nm的厚度。
優(yōu)選，下電極和上電極40和44分別為諸如鉑(Pt)層或銥(Ir)層的單層金屬層，或包括導(dǎo)電氧化層的多層。例如，下電極和上電極40和44可通過分別順序疊置銥(Ir)層和具有導(dǎo)電性的氧化銥層(IrO2)而形成。
下電極和上電極40和44可為單層材料層，例如諸如鉑(Pt)層或銥(Ir)層的單層金屬層或諸如氧化銥層(IrO2)或氧化釕層(RuO2)的單層氧化層。
盡管未在整個(gè)圖中示出，諸如鉑(Pt)層的中間層可存在于下電極40與第一電介質(zhì)膜42a之間、上電極44與第三電介質(zhì)膜42c之間、或兩者之間都有。
第二實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的鐵電電容器的特征在于由兩層鐵電膜形成的電介質(zhì)層。本發(fā)明第一實(shí)施例中已經(jīng)提及的元件將以與本發(fā)明第一實(shí)施例中使用的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記表示，并且不再詳細(xì)介紹。
參照?qǐng)D4，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的鐵電電容器包括下電極40、電介質(zhì)層46和上電極44。電介質(zhì)層46通過在下電極40上順序疊置第一和第二電介質(zhì)膜46a和46b而形成。第一和第二電介質(zhì)膜46a和46b為具有不同成分或具有相同成分但不同成份比例的鐵電膜。對(duì)于前一種情況，第一電介質(zhì)膜46a可為PZT膜，而第二電介質(zhì)膜46b可為PLZT膜，或反之亦然。對(duì)于后一種情況，第一和第二電介質(zhì)膜46a和46b可為具有不同成份比例的PZT或PLZT膜。此處，第一和第二電介質(zhì)膜46a和46b分別具有3nm至50nm和30nm至150nm的厚度。
諸如鉑(Pt)層的中間層可存在于下電極40與第一電介質(zhì)膜46a之間、上電極44與第二電介質(zhì)膜46b之間、或兩者之間都有。
本發(fā)明的發(fā)明人測(cè)量了用作對(duì)比組的傳統(tǒng)電容器(以下，稱作第二鐵電電容器)的特性，以及根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的鐵電電容器(以下，稱作第一鐵電電容器)的特性。
發(fā)明人使用一種類型的第一鐵電電容器和三種類型的第二鐵電電容器進(jìn)行測(cè)量。第一和第二鐵電電容器的成分在下表中示出。
樣品1、2和4表示三種類型的第二鐵電電容器，而樣品3表示一種類型的第一鐵電電容器。上電極、電介質(zhì)層和下電極的順序在表的成分欄中由左至右排列。
表

表中，0.1％La表示PLZT膜中鑭(La)的比例為0.1％，而PZT(40/60)表示PLZT膜中Zr/Ti的比例。
發(fā)明人測(cè)量了第一和第二鐵電電容器的極化特性(polarizationcharacteristics)、疲勞特性(fatigue characteristics)和非易失性留存極化特性(non-volatile remnant polarization characteristics)。
圖5至圖7示出了測(cè)量結(jié)果。圖5示出了極化特性，圖6示出了疲勞特性，而圖7示出了非易失性留存極化特性，即保持特性。
圖5中，附圖標(biāo)記S1至S4分別表示樣品1至4極化率的第一至第四磁滯曲線。
參照第一至第四極化率磁滯曲線S1至S4，第三極化率磁滯曲線S3中示出的第一鐵電電容器的磁滯與第一、第二和第四極化率磁滯曲線S1、S2和S4中示出的三種類型的第二鐵電電容器的相等。這一結(jié)果表明包括通過順序疊置至少兩層不同的鐵電膜而形成電介質(zhì)層的根據(jù)本發(fā)明的第一鐵電電容器的極化特性與包括由單層鐵電膜形成的電介質(zhì)層的傳統(tǒng)鐵電電容器的極化特性相比更加持久。
圖6中，附圖標(biāo)記S1’至S4’分別表示樣品1至4的第一至第四疲勞特性曲線。
參照第一至第四疲勞特性曲線S1’至S4’，對(duì)于樣品1，疲勞周期(fatiguecycle)與極化差ΔP成反比。然而，對(duì)于樣品2至4，隨著疲勞周期的增大。極化差ΔP僅表現(xiàn)出很小的變化。這一結(jié)果表明第一鐵電電容器的疲勞特性與包括作為上電極和下電極的導(dǎo)電氧化層以及位于下電極與由單層鐵電膜形成的電介質(zhì)層之間的鉑(Pt)膜的第二鐵電電容器(樣品2和4)的疲勞特性同樣優(yōu)良。
圖7中，附圖標(biāo)記S1”、S2”、S3”和S4”分別表示示出樣品1至4的非易失性留存極化特性的第一至第四保持曲線(retention curve)。
第一至第四保持曲線S1”至S4”利用如下程序獲得。由于對(duì)樣品1至4應(yīng)用了相同的程序，因此樣品3，即第一鐵電電容器，將作為示例用于說明該程序。
在說明該程序前，將介紹保持特性的定義及其測(cè)量方法。保持特性的測(cè)量用于測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在鐵電電容器中經(jīng)過規(guī)定的時(shí)間后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是否損壞。
存儲(chǔ)在鐵電電容器中的數(shù)據(jù)通常由在鐵電的極化方向切換時(shí)產(chǎn)生的電荷的量表示。在沿規(guī)定方向施加用于極化狀態(tài)(“0”或“1”，其方向彼此相反)的規(guī)定電壓時(shí)產(chǎn)生的電荷的量之間的差異必須足夠大，使其可通過讀出放大器或電路讀出。鐵電層的極化方向通過向鐵電電容器施加負(fù)的或正的電壓使得鐵電層的極化狀態(tài)為“0”或“1”而對(duì)準(zhǔn)。經(jīng)過規(guī)定的時(shí)間后，通過施加規(guī)定的電壓使鐵電層的極化狀態(tài)反轉(zhuǎn)。然后，讀出反轉(zhuǎn)的極化狀態(tài)。這一過程稱作相對(duì)狀態(tài)保持評(píng)價(jià)(opposite-state retention evaluation)。相對(duì)狀態(tài)保持特性可通過非易失性極化率或相對(duì)狀態(tài)極化率表示。相對(duì)狀態(tài)極化率(opposite-state polarization rate)如下確定。
在第一步中，向第一鐵電電容器施加第一電壓以寫入數(shù)據(jù)“0”。即，第一鐵電電容器的鐵電膜變?yōu)橐?guī)定的極化狀態(tài)。在第二步中，將已寫入數(shù)據(jù)“0”的第一鐵電電容器烘焙規(guī)定時(shí)間。在第三步中，將與第一電壓具有相同幅度但具有相反極性的第二電壓施加至烘焙過的第一鐵電電容器，使得寫入的數(shù)據(jù)“0”變?yōu)閿?shù)據(jù)“1”，即，第一鐵電電容器的極化狀態(tài)變?yōu)橄喾吹臉O化狀態(tài)。在第四步中，將第一鐵電電容器的改變的極化狀態(tài)保持規(guī)定的時(shí)間。在第五步中，再將第一電壓施加至第一鐵電電容器，使得寫入的數(shù)據(jù)“1”變?yōu)閿?shù)據(jù)“0”，即，再次改變第一鐵電電容器的鐵電膜的極化狀態(tài)。此處，讀出最終寫入的第一鐵電電容器的數(shù)據(jù)“0”時(shí)測(cè)出的極化率表示為P*OS(以下，稱為第一相對(duì)狀態(tài)極化率)。
在第一步中，將第二電壓施加至第一鐵電電容器，并且由此在第一鐵電電容器中寫入數(shù)據(jù)“1”。然后，執(zhí)行第二步。在第三步中，將第一電壓施加至第一鐵電電容器，使得寫入第一鐵電電容器的數(shù)據(jù)“1”變?yōu)閿?shù)據(jù)“0”，并且由此將改變的極化狀態(tài)“0”寫入第一鐵電電容器中。然后，執(zhí)行第四和第五步。此處，讀出最終寫入的第一鐵電電容器的數(shù)據(jù)“0”時(shí)測(cè)出的極化率表示為P^OS(以下，稱為第二相對(duì)狀態(tài)極化率)。
第一鐵電電容器(即樣品3)的第三保持曲線S3”如下地從第一與第二相對(duì)狀態(tài)極化率之間的差ΔPOS獲得。
ΔPOS＝P*OS-P^OS………………………………(1)優(yōu)選，差ΔPOS大于0。越高的差ΔPOS的值，保持特性越好。保持特性優(yōu)良表示即使經(jīng)歷了很長(zhǎng)的時(shí)間(通常，大于十年)也可以精確地讀出寫入鐵電電容器中的數(shù)據(jù)。
為了精確地評(píng)價(jià)鐵電電容器的保持特性，優(yōu)選將規(guī)定的數(shù)據(jù)寫入鐵電電容器中，并且在十年或更長(zhǎng)的時(shí)間后從鐵電電容器讀出數(shù)據(jù)。然而，很難用如此長(zhǎng)的時(shí)間來讀取數(shù)據(jù)。為此，通常，鐵電電容器的保持特性在能夠?yàn)殍F電電容器提供相當(dāng)于經(jīng)歷了很長(zhǎng)時(shí)間的效果的條件下處理。
因此，在第二步中，為達(dá)到建立上述條件的目的，將第一鐵電電容器烘焙。此處，發(fā)明人在第二步中，在約125℃的溫度下烘焙第一和第二鐵電電容器1至100小時(shí)。然后，在第四步中，第一鐵電電容器的改變的極化狀態(tài)保持30秒鐘。烘焙時(shí)間可相對(duì)于烘焙溫度而改變。
圖8為用于第一至第五步的時(shí)序圖，其中附圖標(biāo)記tb和tw分別表示第二步中的烘焙時(shí)間和第四步中的保持時(shí)間。
參照?qǐng)D7中的第一至第四保持曲線S1”、S2”、S3”和S4”，樣品1至4的差ΔPOS大于0。另外，隨著烘焙時(shí)間tb增大，差ΔPOS減小。差ΔPOS變小的程度在樣品3中比在樣品1、2和4中的小。因此，樣品3中的差ΔPOS最大。這表示，表示本發(fā)明鐵電電容器的樣品3的保持特性最優(yōu)。
下面，將介紹制造根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的鐵電電容器的方法。
具體地說，參照?qǐng)D3和9，在步驟100中，在襯底(未示出)上形成下電極40。此處，襯底由與導(dǎo)電插頭(未示出)的整個(gè)表面接觸的導(dǎo)電材料層形成，導(dǎo)電插頭連接至形成在鐵電電容器下的晶體管(未示出)的規(guī)定區(qū)域。下電極40由導(dǎo)電氧化層形成，例如氧化銥層或氧化釕層(RuO2)。
步驟110、120和130涉及電介質(zhì)層42的形成，電介質(zhì)層42包括下電極40上的具有不同的成分或成份比例的第一至第三鐵電膜42a、42b和42c。
電介質(zhì)層42可根據(jù)如下兩種方法中的一種形成。
在第一種方法中，第一至第三鐵電膜42a、42b和42c由具有相同成份的鐵電膜形成，例如PZT膜、PLZT膜或BSO-PZT膜。同時(shí)，每層鐵電膜的成份比例不同。
具體地說，第一鐵電膜42a用CSD法和諸如金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(以下稱為MOCVD法)的CVD法中的一種方法形成。第二鐵電膜42b形成在第一鐵電膜42a上，利用與第一鐵電膜42a不同的方法。例如，若第一鐵電膜42a用CSD法形成，則第二鐵電膜42b用MOCVD法或CSD與MOCVD的組合方法形成。然后，第三鐵電膜42c形成在第二鐵電膜42b上。此處，第三鐵電膜42c用CSD法或與MOCVD法不同的其它沉積法形成。
在第二種方法，兩個(gè)相鄰鐵電膜，例如第一和第二鐵電膜42a和42b或第二和第三鐵電膜42b和42c可由具有不同成分的鐵電膜形成。
具體地說，第一電介質(zhì)膜42a用CSD法或MOCVD法形成在下電極40上。第一鐵電膜42a可為PZT膜、PLZT膜或BSO-PZT膜。然后，用與第一鐵電膜42a相同的形成工藝在第一鐵電膜42a上形成第二鐵電膜42b。優(yōu)選，第一和第二鐵電膜42a和42b具有不同的成分。例如，若第一鐵電膜42a由PZT膜形成，則第二鐵電膜42b由PLZT膜形成。用與第一鐵電膜42a相同的形成工藝在第二鐵電膜42b上形成第三鐵電膜42c。優(yōu)選，第二和第三鐵電膜42b和42c具有不同的成分。例如，若第二鐵電膜42b由PLZT膜形成，則第三鐵電膜42c由PZT膜或PLZT膜以外的其它膜形成。
在用于形成第一至第三鐵電膜42a、42b和42c的兩種方法中，每個(gè)鐵電膜形成在300至450℃的溫度下。第一鐵電膜42a形成至3nm至50nm的厚度。第二鐵電膜42b形成至30nm至150nm的厚度。第三鐵電膜42c形成至3nm至50nm的厚度。
電介質(zhì)層42可使用第一和第二方法的組合形成。例如，根據(jù)第一種方法，第一和第二鐵電膜42a和42b用不同的形成工藝由具有相同成分的諸如PZT膜的鐵電膜形成。然后，根據(jù)第二種方法，第三鐵電膜42c可用與第二鐵電膜42b相同的形成工藝由諸如包括0.1％鑭(La)的PLZT膜的具有與第二鐵電膜42b不同成分的鐵電膜形成。
如上所述，用于防止缺陷移動(dòng)的俘獲點(diǎn)通過形成具有不同成分或不同成份比例的鐵電膜的電介質(zhì)層42而建立在鐵電膜中，并且由此改善了鐵電電容器的保持特性。
在形成電介質(zhì)層42前，可在下電極40上形成中間層(未示出)。優(yōu)選，中間層由能夠幫助第一鐵電膜42a生長(zhǎng)的材料膜形成。由此，優(yōu)選中間層在第一鐵電膜42a由PZT膜或PLZT膜形成時(shí)由鉑(Pt)層形成。
在步驟140中，上電極44形成在第三鐵電膜42c上。
具體地說，導(dǎo)電氧化層，例如氧化銥層(IrO2)或氧化釕層(RuO2)，形成在第三鐵電膜42c上。其后，在導(dǎo)電氧化層上形成諸如銥(Ir)層或釕(Ru)層的金屬層。
優(yōu)選，上電極44由包括導(dǎo)電氧化層的多層形成，但也可以為諸如導(dǎo)電氧化層或金屬層的單層。
形成上電極44后，在高于用于形成第一至第三鐵電膜42a、42b和42c的溫度的溫度下，例如，在450至650℃的溫度下退火所得到的結(jié)構(gòu)。
其后，通過構(gòu)圖順序疊置在襯底上的下電極40、電介質(zhì)層42和上電極44而完成鐵電電容器。對(duì)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火可在鐵電電容器形成后執(zhí)行。
如上所述，由于本發(fā)明的鐵電電容器的電介質(zhì)層通過疊置至少兩層具有不同成分或不同成份比例的異質(zhì)鐵電膜而形成，因此可以防止鐵電膜中缺陷的移動(dòng)。因此，引入鐵電膜中的電場(chǎng)大大地減弱，這使得可以保持鐵電疇穩(wěn)定的極化狀態(tài)很長(zhǎng)的保持時(shí)間。這表示，可以精確地讀出很長(zhǎng)時(shí)間以前記錄在鐵電電容器內(nèi)的數(shù)據(jù)。另外，這還表示，使用本發(fā)明的鐵電電容器的FRAM的可靠性比傳統(tǒng)的FRAM更高。
雖然，本發(fā)明已經(jīng)參照其優(yōu)選實(shí)施例具體地示出和說明如上，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，電介質(zhì)層42可用第一或第二種方法形成為多于三層。另外，電介質(zhì)層42的一部分可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)形成，而電介質(zhì)膜42的剩余部分可根據(jù)本發(fā)明而形成。因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求或與其等效的范圍來限定。
權(quán)利要求
1.一種鐵電電容器，包括順序疊置的下電極、電介質(zhì)層和上電極，其中電介質(zhì)層為由順序疊置的鐵電膜形成的多層，并且兩層相鄰的鐵電膜具有不同的成分或不同的成份比例。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵電電容器，其中鐵電電容器還包括下電極與電介質(zhì)層之間或上電極與電介質(zhì)層之間的中間層。
3.如權(quán)利要求1所述的鐵電電容器，其中電介質(zhì)層為順序疊置的第一至第三鐵電膜。
4.如權(quán)利要求2所述的鐵電電容器，其中電介質(zhì)層為順序疊置的第一至第三鐵電膜。
5.如權(quán)利要求3所述的鐵電電容器，其中第一至第三鐵電膜分別為從由PZT膜、PLZT(Pb1-ZLaZZrXTi1-XO3)膜或BSO-PZT膜構(gòu)成的組中選取的一種膜，并且兩層相鄰的鐵電膜彼此不同。
6.如權(quán)利要求2所述的鐵電電容器，其中中間層為鉑(Pt)層。
7.如權(quán)利要求6所述的鐵電電容器，其中上電極和下電極由導(dǎo)電氧化層或金屬層中的一種形成。
8.一種制造鐵電電容器的方法，該鐵電電容器中順序疊置著下電極、電介質(zhì)層和上電極，其中電介質(zhì)層通過在下電極上形成第一鐵電膜并在第一鐵電膜上形成第二鐵電膜而形成，第二鐵電膜具有與第一鐵電膜的成分或成份比例不同的成分或不同的成份比例。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中該方法還包括在第二鐵電膜上形成第三鐵電膜，第三鐵電膜具有與第二鐵電膜的成分或成份比例不同的成分或不同的成份比例。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中第一和第二鐵電膜用不同的形成工藝形成為具有相同的成分但不同的成份比例。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中第一和第二鐵電膜形成為具有不同的成分，但用相同的形成工藝形成。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中第一和第二鐵電膜由PZT膜、PLZT膜或BSO-PZT膜形成。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中第一和第二鐵電膜由PZT膜、PLZT膜或BSO-PZT膜形成，但形成為具有不同的成分。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中第一和第二鐵電膜通過利用化學(xué)溶液沉積(CSD)或金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)形成。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中第一和第二鐵電膜通過利用CSD或MOCVD形成。
16.如權(quán)利要求9所述的方法，其中第二和第三鐵電膜用不同的形成工藝形成為具有相同的成分但不同的成份比例。
17.如權(quán)利要求9所述的方法，其中第二和第三鐵電膜形成為具有不同的成分，但用相同的形成工藝形成。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中第二和第三鐵電膜由PZT膜、PLZT膜或BSO-PZT膜形成。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中第二和第三鐵電膜由PZT膜、PLZT膜或BSO-PZT膜形成，但形成為具有不同的成分。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中第二和第三鐵電膜通過利用CSD或MOCVD形成。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中第二和第三鐵電膜通過利用CSD或MOCVD形成。
22.如權(quán)利要求8所述的方法，中間層還形成于下電極與電介質(zhì)層之間，用于第一鐵電膜的生長(zhǎng)。
23.如權(quán)利要求8所述的方法，其中中間層還形成于上電極與電介質(zhì)層之間，用于第三鐵電膜的生長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鐵電電容器及其制造方法。該鐵電電容器包括順序疊置的下電極、電介質(zhì)層和上電極，其中電介質(zhì)層為由順序疊置的鐵電膜形成的多層，并且相鄰的鐵電膜具有不同的成分或不同的成分比例。通過使用該鐵電電容器，可保持鐵電疇的穩(wěn)定的極化狀態(tài)很長(zhǎng)的保持時(shí)間，并且由此可精確地讀出很長(zhǎng)時(shí)間以前寫入鐵電電容器的數(shù)據(jù)，因此，改善了鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FRAM)的可靠性。
文檔編號(hào)H01L27/105GK1519939SQ0315667
公開日2004年8月11日 申請(qǐng)日期2003年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月4日
發(fā)明者申尚旻, 李容均, 姜保守, 盧泰元, 尹鐘杰, 申尚 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社