專利名稱：制造半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，并特別涉及一種制造具有包含鐵電薄膜的電容結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)已知各種半導(dǎo)體器件，如半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。在這些存儲(chǔ)器件中，那些即使電源關(guān)閉仍能夠保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器件被稱為非易失性存儲(chǔ)器。在這些非易失性存儲(chǔ)器中，使用鐵電材料作為用于保存電荷的電容材料的非易失性存儲(chǔ)器被稱為鐵電存儲(chǔ)器(鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器(FRAM，注冊(cè)商標(biāo)))。
FRAM利用鐵電薄膜所具有的相異極性的兩個(gè)剩余極化特性，并且即使在電源關(guān)閉時(shí)，該FRAM仍能夠保存數(shù)據(jù)。表示非易失性特性的次數(shù)可能是1×1010至1×1012次。重寫速度是幾十毫微秒級(jí)，速度很高。
在該FRAM中，用于形成電容的鐵電材料可以沿兩個(gè)方向中的一個(gè)方向極化。通過區(qū)分極化的方向，可以相應(yīng)于一個(gè)極化方向存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“1”，并相應(yīng)于相反極化方向存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“0”。當(dāng)電容中的介電材料不是鐵電材料而是順電材料(paradieletric material)時(shí)，只有當(dāng)電極之間存在電位差時(shí)才能保持極化；當(dāng)電位差消除時(shí)，就不能保持極化。因此，在這種情況下，產(chǎn)生了易失操作(volatile operation)。通過施加足以轉(zhuǎn)換電容極性的大的電位，可以檢測(cè)FRAM中的鐵電材料的極化方向。
用于FRAM中的鐵電材料包括鉛基鐵電材料和鉍基鐵電材料。鉛基鐵電材料的代表如PZT(PbZrxTi1-xO3)、PLZT(PbyLa1-yZrxTi1-xO3)等。鉍基鐵電材料的代表是SBT(SrBi2Ta2O9)。
關(guān)于FRAM中使用的鐵電材料，日本待審專利公開(Kokai)13-102543教導(dǎo)了使用單晶鐵電薄膜作為鐵電材料，用于在FRAM中形成電容。然而，此公開文本中沒有教導(dǎo)在本發(fā)明中描述的、通過使用在單晶襯底上生長(zhǎng)的單晶鐵電薄膜來制造半導(dǎo)體器件的方法。
日本待審專利公開(Kokai)11-103024教導(dǎo)了一種結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其中，在下電極上形成了具有多個(gè)排列為一層的晶體粒子的鐵電薄膜(定向多晶薄膜)，其中，構(gòu)成與薄膜接觸的表面的晶體排列于平面(111)上。
此外，F(xiàn)oster等人在《應(yīng)用物理期刊》(Journal of Applied Physics)81，2324，1997中，公布了一種具有較大剩余極化電荷(2Pr)的PZT薄膜，其是通過在(001)SrTiO3上形成作為下電極的(001)SrRuO3，之后用MOCVD方法形成PZT(001)薄膜而獲得的。
因?yàn)槭褂描F電材料形成上述電容的LSI系統(tǒng)用于處理貨幣數(shù)據(jù)及個(gè)人數(shù)據(jù)，如IC卡、智能卡等的設(shè)備中，所以該LSI系統(tǒng)必須具有較高的可靠性。為了達(dá)到十年的使用壽命，如這些LSI系統(tǒng)所預(yù)期的，理想是鐵電電容的極化電荷盡可能大。然而，通過傳統(tǒng)的濺射方法制造的鐵電電容，極化電荷的數(shù)量最多從20μC/cm2到25μC/cm2，并且難以保持高產(chǎn)量地獲得滿足實(shí)際產(chǎn)品所需的30μC/cm2極化電荷量的鐵電電容。更難以獲得提高產(chǎn)品的可靠性所需的不小于35μC/cm2極化電荷量的鐵電電容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種方法，使得能夠產(chǎn)生具有電容結(jié)構(gòu)的高可靠性的半導(dǎo)體器件，該電容結(jié)構(gòu)包括具有大量極化電荷的鐵電薄膜。
根據(jù)本發(fā)明的制造半導(dǎo)體器件的方法，使用了具有平面(111)的單晶的薄膜材料或具有平行于平面(111)取向的多晶薄膜作為鐵電晶體材料，并且在其兩個(gè)表面上形成電極，以制造一種半導(dǎo)體器件，其包括的電容的剩余極化量大于使用定向多晶薄膜的傳統(tǒng)電容的剩余極化量。
具體地，本發(fā)明涉及一種制造具有包含鐵電薄膜的電容結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的方法，特征是在具有適合于生長(zhǎng)具有平面(111)的鐵電單晶薄膜層的表面的單晶襯底上，形成包含Pb且具有與該襯底表面平行的平面(111)的鐵電單晶薄膜、或包含Pb且取向與平行于該襯底表面的平面(111)平行的鐵電多晶薄膜、以及半導(dǎo)體器件的部分電路，以由此制備具有所述包含Pb的鐵電薄膜和所述半導(dǎo)體器件的部分電路的單晶襯底；以及將所述單晶襯底接合到已經(jīng)預(yù)先形成有該半導(dǎo)體器件另一電路的另一襯底上，以便將此兩個(gè)電路連接，以由此獲得具有包含鐵電薄膜的電容結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種制造具有包含鐵電薄膜的電容結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的方法，包括(1)在單晶襯底上，形成包含Pb且具有與該襯底的表面平行的平面(111)的鐵電單晶薄膜層；圖案化所述薄膜層，以由此在該單晶襯底上形成預(yù)定形狀的單獨(dú)的鐵電薄膜；形成位于所述鐵電薄膜上的預(yù)定形狀的電容的一個(gè)電極；以及在該單晶襯底上形成半導(dǎo)體器件的部分電路，以由此制備具有所述包含Pb的鐵電薄膜、所述一個(gè)電極以及所述半導(dǎo)體器件的部分電路的單晶襯底；(2)制備形成有該半導(dǎo)體器件的另一電路的半導(dǎo)體襯底；(3)將所述單晶襯底接合到所述半導(dǎo)體襯底上，以將此兩個(gè)襯底的電路連接起來；以及(4)去除所述單晶襯底，以暴露該鐵電薄膜，并在該暴露的鐵電薄膜上形成該電容的另一電極。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種制造具有包含鐵電薄膜的電容結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的方法，包括(1)在具有通孔的單晶襯底上形成導(dǎo)電薄膜層；在所述導(dǎo)電薄膜層上形成包含Pb且具有與該襯底表面平行的平面(111)的鐵電單晶薄膜、或包含Pb且取向與平行于該襯底表面的平面(111)平行的鐵電多晶薄膜；圖案化所述導(dǎo)電薄膜層和所述鐵電薄膜層，以由此形成預(yù)定形狀的單獨(dú)的鐵電薄膜和預(yù)定形狀的電容的一個(gè)電極；在所述鐵電薄膜上形成該電容的另一電極；以及，形成半導(dǎo)體器件的部分電路，以穿過所述單晶襯底中的孔，以便由此制備包含電容結(jié)構(gòu)以及所述半導(dǎo)體器件的部分電路的單晶襯底，其中該電容結(jié)構(gòu)由所述包含Pb的鐵電薄膜和保持該鐵電薄膜的一對(duì)電極組成；(2)制備具有形成有該半導(dǎo)體器件的另一電路的半導(dǎo)體襯底；(3)將所述單晶襯底接合到所述半導(dǎo)體襯底上，以將此兩個(gè)襯底的電路連接起來。
在本發(fā)明的方法中，從包含鉛(Pb)的鐵電材料形成電容的介電薄膜。作為包含鉛(Pb)的鐵電材料，可以使用PZT(PbZrxTi1-xO3)、PLZT(PbyLa1-yZrxTi1-xO3)、PLCSZT((Pb，La，Ca，Sr)(Zr，Ti)O3)、或通過添加Nb得到的物質(zhì)。
作為要形成有鐵電薄膜的單晶襯底，可以使用具有要形成有鐵電薄膜的平面(111)的單晶襯底、或具有偏離該平面(111)的偏角的單晶襯底。通常，使用具有偏角的單晶襯底增加生長(zhǎng)的晶體的表面的光滑度。作為具有平面(111)的單晶襯底的典型的例子，可以以MgO或SrTiO3單晶襯底作為代表。
或者，作為要形成有鐵電薄膜的單晶襯底，可以使用具有要形成有鐵電薄膜的平面(0001)(C-平面)的α-Al2O3單晶襯底、或具有偏離該平面(0001)的偏角的α-Al2O3單晶襯底。還可以使用具有要形成有鐵電薄膜的平面(001)的MgAl2O4(鎂氧尖晶石)單晶襯底。
當(dāng)使用上述用于形成鐵電薄膜的襯底(MgO、SrTiO3、α-Al2O3、或MgAl2O4單晶襯底)時(shí)，可以在形成鐵電多晶薄膜層之前，在襯底上形成用作電容的一個(gè)電極的導(dǎo)電薄膜。該導(dǎo)電薄膜可以由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成，并且，其平面(111)可以用作上面形成有鐵電薄膜的表面。
或者，作為用于在上面形成鐵電薄膜的單晶襯底，可以采用具有要形成有鐵電薄膜的平面(111)、或具有等價(jià)平面即具有平面{111}的單晶硅襯底，或采用具有偏離該平面{111}的偏角的單晶硅襯底。此外，采用具有要形成有鐵電薄膜的平面{100}的單晶硅襯底、或具有相對(duì)該平面{100}的偏角的單晶硅襯底，作為所述單晶襯底。
當(dāng)采用此單晶硅襯底時(shí)，該鐵電薄膜可以直接在該單晶襯底的鐵電薄膜形成表面上外延生長(zhǎng)，或通過在其上形成的緩沖層而進(jìn)行外延生長(zhǎng)。在形成鐵電薄膜期間，使用緩沖層能有效地防止硅的形成。該緩沖層可以由MgO、YSZ(釔穩(wěn)定氧化鋯(ZrO2))、MgAl2O4、CaO、SrTiO3、CeO2等形成，其平面(111)或平面(0001)可以用于鐵電薄膜的形成。
當(dāng)使用單晶硅襯底并且在該襯底的鐵電薄膜形成表面上直接地或通過緩沖層地形成鐵電薄膜時(shí)，可以在形成鐵電多晶薄膜層之前，在該襯底上或在緩沖層上形成用作電容的一個(gè)電極的導(dǎo)電薄膜。該導(dǎo)電薄膜由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成，并且，其平面(111)可以用作上面形成有鐵電薄膜的表面。此外，可以使用這些金屬元素的合金。此外，上述金屬或其合金的多層可以堆疊?；蛘?，該導(dǎo)電薄膜可以由SrRuO3、YBCO或LSCO形成，并且，其平面(111)可以用作形成鐵電薄膜的表面。


圖1A至圖1E描述了在實(shí)施例1中的制造半導(dǎo)體器件的方法的前半部分的步驟；圖2A至圖2C描述了在實(shí)施例1中的制造半導(dǎo)體器件的方法的后半部分的步驟；圖3A至圖3F描述了在制造實(shí)施例2形成的半導(dǎo)體中使用的、具有電容的單晶襯底的制備；圖4描述了通過將圖2形成的具有電容的單晶襯底翻轉(zhuǎn)并將其接合到所形成的具有半導(dǎo)體電路的硅襯底來制造的半導(dǎo)體器件；圖5描述了不將圖2形成的具有電容的單晶襯底翻轉(zhuǎn)、但將其接合到所形成的具有半導(dǎo)體電路的硅襯底來制造的半導(dǎo)體器件；以及圖6A至圖6F描述了在制造實(shí)施例3形成的半導(dǎo)體中使用的、具有電容的單晶襯底的制備。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明中，在單晶襯底上形成了具有與該襯底表面平行的平面(111)且包括Pb的鐵電單晶薄膜。Foster等人在《應(yīng)用物理期刊》81，2324，1997中，公布了當(dāng)在(001)SrTiO3上形成作為下電極的(001)SrRuO3，并且之后通過有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法形成具有平面(001)的PZT薄膜時(shí)，該薄膜具有的剩余極化電荷量(2Pr)為110μC/cm2。這表明如果計(jì)算平面(111)，則剩余極化電荷為63μC/cm2，這是上述的實(shí)際產(chǎn)品所需的量30μC/cm2的兩倍多。
例如，當(dāng)采用PZT材料作為鐵電材料時(shí)，當(dāng)晶體類型是立方型時(shí)，極化軸沿(001)方向。當(dāng)在該電極上形成鐵電薄膜單晶的平面(111)時(shí)，垂直于該電極的表面的軸<111>與極化軸<001>成35.3°的角度。多晶鐵電薄膜具有30至100nm的疇結(jié)構(gòu)；由于極化軸的方位角的波動(dòng)，所以，與單晶薄膜相比，該多晶鐵電薄膜僅具有少量的極化電荷。
因此，通過下述過程可以制造具有電容的高可靠性半導(dǎo)體器件在單晶結(jié)構(gòu)上形成具有與襯底的表面平行的平面(111)的鐵電單晶薄膜層，蝕刻該薄膜層，以在單晶襯底上形成預(yù)定形狀的單獨(dú)的(isolated)鐵電薄膜；在該薄膜的兩個(gè)表面上形成電極，并將該單晶襯底接合到已經(jīng)形成有半導(dǎo)體電路的另一襯底上，以將兩個(gè)電路連接在一起。上述高可靠性半導(dǎo)體器件中的該電容包括單晶鐵電薄膜，該單晶鐵電薄膜的極化電荷量不小于傳統(tǒng)的定向多晶薄膜的極化電荷量30μC/cm2的兩倍。
根據(jù)本發(fā)明制造的該半導(dǎo)體器件在用于電容的鐵電薄膜的單位面積上具有較大的極化電荷量，因此，即使降低了電容面積，也能夠確保所需的極化電荷量。這樣就可以根據(jù)比例規(guī)則進(jìn)行微加工，并因此能夠以較低的成本制造出具有高集成度的半導(dǎo)體器件，而且能夠保持較高的性能。
實(shí)施例下面將通過實(shí)施例來進(jìn)一步描述本發(fā)明，然而，本發(fā)明不受實(shí)施例限制。
實(shí)施例1如圖1A所示，單晶PZT層12在單晶襯底10上外延生長(zhǎng)，該單晶PZT層12具有與該襯底10的表面平行的平面(111)11?？梢允褂镁哂欣鏜gO平面(111)、SrTiO3平面(111)、或α-Al2O3平面(0001)的襯底作為單晶襯底10。
單晶PZT(111)可以通過有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法、分子束外延(MBE)方法或脈沖激光沉積(PLD)的方法外延生長(zhǎng)。但薄膜成形方法并不局限于此。此外，不局限于PZT(PbZrxTi1-xO3)，還可以使用例如PLZT(PbyLa1-yZrxTi1-xO3)、PLCSZT((Pb，La，Ca，Sr)(Zr，Ti)O3)的鐵電材料、以及通過添加Nb獲得的材料。
例如，通過使用Pb(THD)2、Zr(THD)4及Ti(i-PrO)2(THD)2作為起始材料，在550至600℃的襯底溫度及130至670Pa(1至5Torr)的壓力下，由MOCVD方法形成PZT薄膜。在這些起始化合物(starting compound)的分子式中，THD代表三甲基己烷二離子(trimethylhexane dionate)，并且i-Pro代表異丙氧基(isopropoxy)。
在襯底10的整個(gè)表面上形成具有扁平PZT平面(111)11的薄膜層12，并且然后蝕刻該薄膜層12，在要制造薄膜電容的區(qū)域留下薄膜12’(圖1B)。在留下的PZT薄膜12’上，通過Pt或Ir材料的薄膜形成下電極14(當(dāng)在隨后的步驟中要被接合到另一襯底時(shí)，其被翻轉(zhuǎn))。在襯底10上形成鎢插塞16(圖1C)，其將是半導(dǎo)體器件的電路的一部分，并且與在后續(xù)過程中與襯底接合的另一襯底(半導(dǎo)體襯底)彼此連接。
接下來，在襯底10上形成絕緣材料(例如TEOS)層，并且其表面通過平坦化方法(例如CMP)被平坦化，以形成絕緣膜18(圖1D)。之后，在下電極14上以及在該鎢插塞16上形成鎢薄膜20；并且再形成TEOS絕緣層，然后平坦化該TEOS絕緣層，以形成層間絕緣膜22(圖1E)。
如圖2A所示，將形成有用于電容的鐵電PZT薄膜12’的襯底10翻轉(zhuǎn)，以便朝向預(yù)先形成有作為半導(dǎo)體器件的電路的一部分的晶體管23的半導(dǎo)體襯底24。接下來，如圖2B所示，襯底10緊密地粘著于襯底24上，使得襯底10的鎢薄膜20連接到襯底22的晶體管的互連電極26上，隨后通過熱處理，將兩個(gè)襯底連接到一起，并使其彼此機(jī)械地以及電性地連接。例如，日本待審專利公開(Kokai)號(hào)2-303114和1-115143中已經(jīng)揭示了通過熱處理接合晶片型襯底的技術(shù)。
接下來，去除用于形成電容的鐵電PZT薄膜12’的襯底10。當(dāng)襯底10是MgO襯底時(shí)，通過使用HCl的化學(xué)分解的方法去除襯底10。在SrTiO3襯底的情況下，采用HNO3、HF和HCl的混合酸使其化學(xué)溶解。藍(lán)寶石(α-Al2O3)襯底只有用熔融的KOH使其溶解，因此，使用SiC研磨劑機(jī)械地將其去除或使用膠質(zhì)氧化硅機(jī)械地并化學(xué)地將其去除。
最后，如圖2C所示，按照上述相同的方法，形成電容的上電極28、連接到上電極28的鎢薄膜30、連接到鎢插塞16上的另一鎢插塞32、以及層間絕緣薄膜34，以由此提供具有由下電極14、鐵電PZT薄膜12’以及上電極28組成的鐵電電容36的半導(dǎo)體器件。上電極28可以通過使用例如Ir或IrO2形成。
實(shí)施例2本實(shí)施例描述了通過在具有通孔的藍(lán)寶石(α-Al2O3)襯底的平面(0001)上形成PZT薄膜，制造具有鐵電電容的半導(dǎo)體器件。
如圖3A所示，在以平面(0001)51作為上表面的藍(lán)寶石(α-Al2O3)單晶襯底上制出通孔52a、52b。通孔52a用于形成將與電容的一個(gè)電極連接的插塞(plug)，并且通孔52b用于形成將與要后續(xù)接合的半導(dǎo)體襯底(電路板)連接的、用作互連的插塞?？赏ㄟ^機(jī)加工藍(lán)寶石襯底50、或通過使用反應(yīng)氣體的干蝕刻方法、或通過使用Ar離子的離子研磨方法、或通過使用熔融KOH的化學(xué)蝕刻來制出這些通孔。
如圖3B所示，在襯底50的平面(0001)51上形成薄膜54，該薄膜54具有與平面51平行的平面(111)55。薄膜54將形成鐵電電容的一個(gè)電極，并且可以由Pr或Ir形成。在該薄膜54上，進(jìn)一步形成PZT薄膜56，該P(yáng)ZT薄膜56具有與襯底50的平面(0001)51平行的平面(111)57。在Pt平面(111)或在Ir平面(111)上生長(zhǎng)的PZT薄膜具有與Pt或Ir晶體的不一致的晶格常數(shù)，因此，不是形成為完整的單晶，而是形成為具有較強(qiáng)取向的多晶薄膜(取向平行于平面(111)的多晶薄膜)。如果使用SrRuO3薄膜取代Pt或Ir薄膜，則可以獲得單晶PZT薄膜。接下來，如圖3C所示，去除薄膜56和54(圖3B)，但留下將形成電容的鐵電薄膜58的部分、以及形成電極60的部分。
如圖3D所示，通孔52a和52b(圖3C)用鎢填充，并且形成從通孔52a中的鎢延伸的鎢插塞62a，以與電極60連接。柱狀的鎢材料從通孔52b中的鎢的頂端延伸，以形成插塞62b，該插塞62b將形成與隨后接合的半導(dǎo)體襯底連接的互連。
絕緣材料層(如TEOS)形成于襯底50上，并且其表面被平坦化，以形成絕緣薄膜64(圖3E)。接下來，如圖3F所示，在鐵電薄膜58上形成Pt或Ir薄膜的另一電極66，該電極66具有與襯底50的表面平行的平面(111)。在電極66和鎢插塞62b上分別形成鎢薄膜68a和68b。再次形成TEOS絕緣層，并將其平坦化，以形成層間絕緣薄膜70(圖3F)。
在本實(shí)施例中，形成有電容的襯底50可以翻轉(zhuǎn)并接合到預(yù)先形成有晶體管的另一襯底上，其中該電容由鐵電薄膜58以及夾持該鐵電薄膜58的兩個(gè)電極60和66組成；或上述襯底50可以不翻轉(zhuǎn)而接合到所述另一襯底上。當(dāng)襯底50被翻轉(zhuǎn)時(shí)，如圖4所示，電容的電極66形成下電極，并通過鎢薄膜68a連接到形成于另一襯底(半導(dǎo)體襯底)74中的晶體管76的互連電極78a上；并且鎢插塞62b通過鎢薄膜68b連接到另一互連電極78b上。當(dāng)襯底50沒有被翻轉(zhuǎn)時(shí)，如圖5所示，電容的電極60形成了下電極，并通過鎢插塞62a連接到另一襯底74的晶體管76的一個(gè)互連電極78a上；并且鎢插塞62b連接到另一互連電極78b上。
實(shí)施例3本實(shí)施例描述了通過在具有通孔的硅襯底的平面(111)上形成PZT薄膜，制造具有鐵電電容的半導(dǎo)體器件。
如圖6A所示，在以平面(111)91作為上表面的硅襯底90上制出通孔92a、92b。通孔92a用于形成將與電容的一個(gè)電極連接的插塞，并且通孔92b用于形成將與后續(xù)要接合的半導(dǎo)體襯底連接的、用作互連的插塞?？赏ㄟ^機(jī)加工硅襯底90、或通過使用反應(yīng)氣體的干蝕刻方法、或通過使用Ar離子的離子研磨方法、或通過使用HF和HNO3的混合酸的化學(xué)蝕刻來制出這些通孔。
如圖6B所示，在襯底90的平面(111)91上形成MgAl2O4薄膜94，該薄膜94具有平行于平面91的平面(111)95。薄膜94用作緩沖層，以在其上形成具有與襯底90的平面91平行的平面(111)的PZT薄膜；并且薄膜94具有防止在形成PZT薄膜的過程中形成硅化物的作用。然后，在薄膜94上，用Pt或Ir形成將用作鐵電電容的一個(gè)電極的薄膜96。該薄膜96也具有與襯底90的平面(111)91平行的平面(111)97。在該薄膜96上進(jìn)一步形成具有與襯底90的平面(111)91平行的平面(111)99的PZT薄膜98。
接下來，如圖6C所示，去除薄膜98和96(圖6B)，僅留下將形成電容的鐵電薄膜100的部分、以及形成電極102的部分。
接下來，如圖6D所示，通孔92a和92b(圖6C)用鎢填充，并且形成從通孔92a中的鎢延伸的鎢插塞104a，以與電極102連接。柱狀的鎢材料從通孔92b中的鎢的頂端延伸，以形成插塞104b，該插塞104b形成將與隨后接合的半導(dǎo)體襯底連接的互連。
絕緣材料層(如TEOS)形成于襯底90上，并且其表面被平坦化，以形成絕緣膜106(圖6E)。接下來，如圖6F所示，在鐵電薄膜100上形成Pt或Ir薄膜的另一電極108，該電極108具有與襯底90的表面平行的平面(111)。在電極108和鎢插塞104b上分別形成鎢薄膜110a和110b。再次形成TEOS絕緣層，并將其被平坦化，以形成層間絕緣薄膜112(圖6F)。
如實(shí)施例2所述，在本實(shí)施例中，形成有電容的襯底90也可以翻轉(zhuǎn)并接合到預(yù)先已經(jīng)形成有晶體管的另一襯底上，其中該電容由鐵電薄膜100以及夾持該鐵電薄膜58的兩個(gè)電極102和108組成；或該襯底90可以不翻轉(zhuǎn)而接合到所述另一襯底上。
實(shí)施例4本實(shí)施例描述了通過在具有通孔的硅襯底的平面(001)上形成PZT薄膜，制造具有鐵電電容的半導(dǎo)體器件。
與實(shí)施例3描述的方式相同，在以平面(001)作為上表面的硅襯底上制出一通孔，其用于形成將連接到電容的一個(gè)電極的插塞；以及，一通孔，其用于形成將與隨后接合的半導(dǎo)體襯底(電路板)連接的、用作互連的插塞。
通常，硅襯底的表面上存在薄氧化膜(自然氧化物(native oxide))。這里，在留有氧化膜的硅襯底的平面(001)上形成MgAl2O4薄膜。在存在薄氧化膜的Si平面(001)上形成的該MgAl2O4薄膜是具有平面(111)的薄膜，其形成緩沖層，用于在其上形成具有與硅襯底的表面(薄膜形成表面)平行的平面(111)的PZT薄膜，如實(shí)施例3所述；并該MgAl2O4薄膜可以防止在PZT薄膜的形成過程中硅化物的形成。
接下來，根據(jù)在上面實(shí)施例3描述的過程，在硅襯底上形成電容。該襯底可以接合到預(yù)先形成有晶體管的另一襯底上，以由此產(chǎn)生具有鐵電PZT電容的半導(dǎo)體器件。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的半導(dǎo)體器件使用具有平面(111)的表面的單晶作為電容的鐵電薄膜，該平面(111)垂直于軸<111>，該軸<111>相對(duì)于極化軸<001>具有35.3°的角度。該單晶鐵電薄膜具有計(jì)算為63μC/cm2的極化電荷量，其不小于傳統(tǒng)的定向多晶薄膜的極化電荷量30μC/cm2的兩倍。由于其較大的剩余極化量，所以，具有采用本發(fā)明獲得的半導(dǎo)體器件作為非易失性存儲(chǔ)器的系統(tǒng)LSI具有非常高的可靠性。
此外，通過本發(fā)明獲得的半導(dǎo)體器件具有較大的單位面積的極化電荷量，這樣即使電容面積減小，也能確保所需的極化電荷量。這樣就可以根據(jù)比例規(guī)則進(jìn)行微加工，并因此能夠以較低的成本制造出具有高集成度的半導(dǎo)體器件，而且能夠保持較高的性能。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，該半導(dǎo)體器件具有包含鐵電薄膜的電容結(jié)構(gòu)，該方法包括在具有適合于生長(zhǎng)具有平面(111)的鐵電單晶薄膜層的表面的單晶襯底上，形成包含Pb且具有與該襯底的表面平行的平面(111)的鐵電單晶薄膜、或包含Pb且取向與平行于該襯底的表面的平面(111)平行的鐵電多晶薄膜、以及半導(dǎo)體器件的部分電路，以由此制備具有所述包含Pb的鐵電薄膜和所述半導(dǎo)體器件的部分電路的單晶襯底；以及將所述單晶襯底接合到已經(jīng)預(yù)先形成有該半導(dǎo)體器件的另一電路的另一襯底上，以便將此兩個(gè)電路連接，以由此獲得具有包含鐵電薄膜的電容結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
2.如權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，包括(1)在單晶襯底上，形成包含Pb且具有與該襯底的表面平行的平面(111)的鐵電單晶薄膜層；圖案化所述薄膜層，以由此在該單晶襯底上形成預(yù)定形狀的單獨(dú)的鐵電薄膜；形成位于所述鐵電薄膜上的預(yù)定形狀的電容的一個(gè)電極；以及在該單晶襯底上形成半導(dǎo)體器件的部分電路，以由此制備具有所述包含Pb的鐵電薄膜、所述一個(gè)電極以及所述半導(dǎo)體器件的部分電路的單晶襯底；(2)制備形成有該半導(dǎo)體器件的另一電路的半導(dǎo)體襯底；(3)將所述單晶襯底接合到所述半導(dǎo)體襯底上，以將此兩個(gè)襯底的電路連接起來；以及(4)去除所述單晶襯底，以暴露該鐵電薄膜，并在暴露的鐵電薄膜上形成該電容的另一電極。
3.如權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，包括(1)在具有通孔的單晶襯底上形成導(dǎo)電薄膜層；在所述導(dǎo)電薄膜層上形成包含Pb且具有與該襯底表面平行的平面(111)的鐵電單晶薄膜、或包含Pb且取向與平行于該襯底的表面的平面(111)平行的鐵電多晶薄膜；圖案化所述導(dǎo)電薄膜層和所述鐵電薄膜層，以由此形成預(yù)定形狀的單獨(dú)的鐵電薄膜和預(yù)定形狀的電容的一個(gè)電極；在所述鐵電薄膜上形成該電容的另一電極；以及，形成半導(dǎo)體器件的部分電路，以穿過所述單晶襯底中的孔，以便由此制備包含電容結(jié)構(gòu)以及所述半導(dǎo)體器件的部分電路的單晶襯底，其中該電容結(jié)構(gòu)由所述包含Pb的鐵電薄膜和夾持該鐵電薄膜的一對(duì)電極組成；(2)制備形成有該半導(dǎo)體器件的另一電路的半導(dǎo)體襯底；(3)將所述單晶襯底接合到所述半導(dǎo)體襯底上，以將此兩個(gè)襯底的電路連接起來。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述鐵電材料的是PZT(PbZrxTi1-xO3)，PLZT(PbyLa1-yZrxTi1-xO3)、PLCSZT((Pb，La，Ca，Sr)(Zr，Ti)O3)、或通過添加Nb獲得的物質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中采用具有要形成有該鐵電薄膜的平面(111)的單晶襯底、或具有偏離該平面(111)的偏角的單晶襯底，作為所述單晶襯底。
6.如權(quán)利要求5所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述單晶襯底是MgO或SrTiO3單晶襯底。
7.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中采用具有要形成有該鐵電薄膜的平面(0001)的α-Al2O3單晶襯底、或具有偏離該平面(0001)的偏角的α-Al2O3單晶襯底，作為所述單晶襯底。
8.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中采用具有要形成有該鐵電薄膜的平面(001)的MgAl2O4單晶襯底，作為所述單晶襯底。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中在形成所述鐵電多晶薄膜層之前，該方法還包括形成導(dǎo)電薄膜，該導(dǎo)電薄膜將在所述單晶襯底上形成該電容的一個(gè)電極。
10.如權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述導(dǎo)電薄膜由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成。
11.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中采用具有要形成有該鐵電薄膜的平面{111}的單晶硅襯底、或具有偏離該平面{111}的偏角的單晶硅襯底，作為所述單晶襯底。
12.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中采用具有要形成有該鐵電薄膜的平面{100}的單晶硅襯底、或具有偏離該平面{100}的偏角的單晶硅襯底，作為所述單晶襯底。
13.如權(quán)利要求11或12所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述鐵電薄膜直接在所述單晶襯底的鐵電薄膜形成表面上外延生長(zhǎng)。
14.如權(quán)利要求11或12所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述鐵電薄膜通過在所述單晶襯底的鐵電薄膜形成表面上形成的緩沖層外延生長(zhǎng)。
15.如權(quán)利要求14所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述緩沖層由MgO、釔穩(wěn)定氧化鋯、MgAl2O4、CaO、SrTiO3、或CeO2形成，并且所述鐵電薄膜在所述緩沖層的平面(111)或平面(0001)上生長(zhǎng)。
16.如權(quán)利要求13所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中在形成所述鐵電多晶薄膜層之前，在所述單晶襯底上形成導(dǎo)電薄膜。
17.如權(quán)利要求16所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述導(dǎo)電薄膜由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成，并且所述鐵電多晶薄膜在所述導(dǎo)電薄膜的平面(111)上生長(zhǎng)。
18.如權(quán)利要求17所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述導(dǎo)電薄膜通過堆疊由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成的多層來形成。
19.如權(quán)利要求16所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述導(dǎo)電薄膜由SrRuO3、YBCO或LSCO形成，并且所述鐵電薄膜在所述導(dǎo)電薄膜的平面(111)上生長(zhǎng)。
20.如權(quán)利要求14或15所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中在形成所述鐵電多晶薄膜層之前，在所述緩沖層上形成導(dǎo)電薄膜。
21.如權(quán)利要求20所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述導(dǎo)電薄膜由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成，并且所述鐵電多晶薄膜在所述導(dǎo)電薄膜的平面(111)上生長(zhǎng)。
22.如權(quán)利要求21所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述導(dǎo)電薄膜通過堆疊由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成的多層來形成。
23.如權(quán)利要求20所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述導(dǎo)電薄膜由SrRuO3、YBCO或LSCO形成，并且所述鐵電薄膜在所述導(dǎo)電薄膜的平面(111)上生長(zhǎng)。
全文摘要
一種具有包含鐵電薄膜的電容結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其通過如下方法形成在具有適合于生長(zhǎng)具有平面(111)的鐵電單晶薄膜層的表面的單晶襯底10上，形成包含Pb且具有與該襯底表面平行的平面(111)的鐵電單晶薄膜12’(或包含Pb且取向與平行于該襯底表面的平面(111)平行的鐵電多晶薄膜)、以及半導(dǎo)體器件的部分電路16，以由此制備具有所述包含Pb的鐵電薄膜和所述半導(dǎo)體器件的部分電路的單晶襯底10；以及將所述單晶襯底10接合到已經(jīng)預(yù)先形成有該半導(dǎo)體器件的另一電路的另一襯底上，以便將此兩個(gè)電路連接。由此獲得的半導(dǎo)體器件中的電容包括具有大極化電荷量的鐵電薄膜。該半導(dǎo)體器件可以用作高可靠性的非易失性存儲(chǔ)器。
文檔編號(hào)H01L27/105GK1711624SQ20038010301
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2003年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月12日
發(fā)明者丸山研二, 倉(cāng)澤正樹, 近藤正雄, 有本由弘 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社