專利名稱：鐵電膜、半導體裝置、鐵電膜的制造方法及其制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵電膜、半導體裝置、鐵電膜的制造方法及鐵電膜的制造裝置。
背景技術(shù)：
作為非易失性的半導體存儲器，有利用鐵電體的自發(fā)極化狀態(tài)的鐵電存儲器。這種鐵電存儲器使施加電場所引起的兩個穩(wěn)定的電極化狀態(tài)與“0”、“1”對應(yīng)，從而來進行存儲。眾所周知，與其他的非易失性存儲器相比，該鐵電存儲器功率消耗小并能夠進行高速動作。
鐵電存儲器有如下那樣的例如在電容器部分具有鐵電膜，在例如場效應(yīng)晶體管(FET)型的鐵電存儲器中，在硅半導體襯底的溝道形成區(qū)域上順次層疊柵極絕緣膜、下部導電膜、鐵電膜、上部導電膜的鐵電存儲器(MFMIS-FET)；以及在硅半導體襯底上順次層疊柵極絕緣膜、鐵電膜、上部導電膜的鐵電存儲器(MFIS-FET)。
在上述鐵電膜的膜材料中，以往一直采用Pb2(Zr1-xTix)(0≤x≤1)(以下稱“PZT”)、SrBi2Ta2O9(以下稱“SBT”)等的鐵電材料，但是近年來，能夠?qū)⒔殡姵?shù)抑制得比較低且難以老化的、以Sr、Ta、Nb為主成分的Sr2(Ta1-xNbx)O7(0≤x≤1)(以下稱“STN”)受到了關(guān)注。
但是，作為STN的鐵電膜的成膜方法，目前采用溶膠-凝膠法，即涂覆鐵電材料的前驅(qū)體溶液，然后進行干燥使有機物蒸發(fā)，之后以高溫加熱、氧化并結(jié)晶(例如，日本專利公開公報特開平10-326872號)。由于STN由離子化能量高的Ta、Nb組成，所以在Ta、Nb原子的氧化過程中需要極高的能量。采用上述溶膠-凝膠法是因為前軀體內(nèi)自始含有氧成分，從而用較少的氧化能量就能完成。
但是，關(guān)于采用上述溶膠-凝膠法成膜的STN的鐵電膜，在目前已經(jīng)公布的鐵電膜中，以介電常數(shù)為40、表示鐵電性的矯頑電場為50kV/cm的為最佳，而具有更好特性的鐵電膜尚未實現(xiàn)。
鐵電存儲器是通過在鐵電膜上施加、去除電場而引起穩(wěn)定的極化狀態(tài)的，為了以更少的功率使鐵電膜極化，就需要進一步減小鐵電膜的介電常數(shù)。另外，為了更穩(wěn)定地進行鐵電存儲器的存儲等的動作，就需要增大鐵電膜的矯頑電場。這樣，為了謀求半導體存儲器的省電以及動作的穩(wěn)定，介電常數(shù)更低、矯頑電場高的鐵電膜的開發(fā)就成為了重要的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是鑒于上述問題而完成的，其目的在于提供一種介電常數(shù)更低、矯頑電場大的STN的鐵電膜，具有該鐵電膜的半導體裝置，鐵電膜的制造方法以及鐵電膜的制造裝置。
為了達成所述目的，本發(fā)明的鐵電膜使用以Sr、Ta、Nb為主成分的鐵電材料作為膜材料；該鐵電膜的介電常數(shù)不足40且矯頑電場超過50kV/cm。
根據(jù)發(fā)明者的驗證可知，用與目標物(target)相同的材質(zhì)形成用于進行濺射處理的處理室的目標物周邊的內(nèi)側(cè)表面；在該處理室內(nèi)通過濺射處理在襯底的表面形成鐵電膜，然后，加熱并氧化該鐵電膜，從而可以制造介電常數(shù)不足40且矯頑電場超過50kV/cm的STN的鐵電膜。通過該鐵電膜，例如可以制造功率消耗少且動作穩(wěn)定的鐵電存儲器。
所述鐵電膜也可以具有通過氧基導入了氧成分的膜層。此時，由于在鐵電膜的一部分膜層中導入了氧成分，所以鐵電膜內(nèi)的氧成分不會不足，從而鐵電膜的氧化可以充分地進行。因此，即使使用STN那樣的具有離子化能量高的原子的膜材料作為鐵電膜，氧化也能夠充分進行，從而可以實現(xiàn)矯頑電場等特性的改善。
所述鐵電膜的膜層也可以含有惰性氣體成分。另外，該惰性氣體成分優(yōu)選氪(Kr)。
具有本發(fā)明的鐵電膜的半導體裝置使用以Sr、Ta、Nb為主成分的鐵電材料作為鐵電膜的膜材料；所述鐵電膜的介電常數(shù)不足40且矯頑電場超過50kV/cm。
所述半導體裝置的鐵電膜也可以具有通過氧基導入了氧成分的膜層。所述鐵電膜的膜層也可以含有惰性氣體成分。所述惰性氣體成分也可以是氪(Kr)。也可以將金屬氧化物用于這些半導體裝置的鐵電膜的襯底的材料。
另外，所述半導體裝置也可以在所述鐵電膜的兩面具有夾著所述鐵電膜的上部導電膜和下部導電膜；并通過所述鐵電膜、所述上部導電膜以及所述下部導電膜形成電容器。進一步，所述半導體裝置也可以具有柵極與所述電容器相連接的場效應(yīng)晶體管。
本發(fā)明的鐵電膜的制造方法具有膜形成工序，在處理室的至少目標物周邊的內(nèi)側(cè)表面是由與目標物相同的構(gòu)成材質(zhì)形成的處理室內(nèi)，使等離子體中的離子沖擊目標物，并使通過該沖擊而產(chǎn)生的目標原子沉積在襯底上，從而形成鐵電膜；和加熱工序，加熱所述鐵電膜并進行氧化。
根據(jù)發(fā)明者的驗證可知，用與目標物相同的構(gòu)成材質(zhì)形成處理室的目標物周邊的內(nèi)側(cè)表面；在該處理室內(nèi)通過濺射處理進行鐵電膜的成膜，然后，加熱并氧化該鐵電膜，從而可以制造與以往相比介電常數(shù)低且矯頑電場大的鐵電膜。在基于本發(fā)明那樣的濺射法的成膜方法中，等離子體中的離子通過并沖擊在目標物周邊。根據(jù)本發(fā)明，由于用與目標物同樣的材質(zhì)形成目標物的周邊，所以即使離子沖擊該目標物的周邊，也會與沖擊目標物時一樣有目標原子飛出。其結(jié)果是，在襯底上形成了沒有雜質(zhì)的、高純度的鐵電膜，從而可以推斷出形成了介電常數(shù)低、矯頑電場高的優(yōu)質(zhì)鐵電膜。
所述鐵電膜的制造方法中的所述膜形成工序也可以具有在襯底上形成比較薄的下層鐵電膜的第一膜形成工序；然后，通過由等離子體產(chǎn)生的氧基將氧成分導入所述下層鐵電膜的氧導入工序；以及然后，在所述下層鐵電膜上形成比較厚的上層鐵電膜的第二膜形成工序。此時，在鐵電膜的下層形成導入了氧成分的薄的下層鐵電膜。該下層鐵電膜起擴散防止層的作用，用于防止上層鐵電膜內(nèi)的氧成分向襯底一側(cè)擴散。因此，由于鐵電膜中的氧成分不會向襯底一側(cè)流出，所以可以充分氧化鐵電層，從而能夠形成矯頑電場高的優(yōu)質(zhì)膜。
所述鐵電膜的制造方法中的所述加熱工序也可以具有使鐵電膜結(jié)晶的結(jié)晶工序；和在鐵電膜上形成上部膜之后，用于恢復所述鐵電膜的氧成分含量的氧成分恢復工序。
在所述氧成分恢復工序中，也可以通過由等離子體產(chǎn)生的氧基來氧化鐵電膜。此時，由于通過氧基能夠以更強的氧化能力氧化鐵電膜，所以可以通過比較低溫的加熱來進行鐵電膜的氧成分含量的恢復。
所述鐵電膜的制造方法也可以具有下述的工序，即加熱所述鐵電膜，使所述鐵電膜的溫度為居里溫度以上，然后當該鐵電膜降溫并且鐵電膜的溫度經(jīng)過居里溫度時，給所述鐵電膜施加預定方向的電場。這樣，在通過居里溫度時給鐵電膜施加電場，可以使鐵電膜內(nèi)的極化軸為單向。其結(jié)果是，可以制造矯頑電場大的優(yōu)質(zhì)鐵電膜。另外，上述“通過居里溫度時”不僅包括在變?yōu)榫永餃囟鹊臅r刻施加電場的情況，也包括從變?yōu)榫永餃囟戎熬褪┘与妶龅那闆r。
另外，所述鐵電膜的制造方法也可以使用以Sr、Ta、Nb為主成分的鐵電材料作為所述鐵電膜的膜材料；所述處理室的至少目標物周邊的內(nèi)側(cè)表面是由以Sr、Ta、Nb為主成分的材質(zhì)形成的。
另外，根據(jù)其他觀點，在本發(fā)明的鐵電膜的制造方法中，加熱鐵電膜，使鐵電膜的溫度達到居里溫度以上，然后，在該鐵電膜降溫并且鐵電膜的溫度通過居里溫度時，給鐵電膜施加預定方向的電場。
根據(jù)本發(fā)明，通過施加電場可以使鐵電膜內(nèi)的極化軸為單向。其結(jié)果是，可以形成矯頑電場更大的優(yōu)質(zhì)鐵電膜。
本發(fā)明的鐵電膜的制造裝置是，在容納被處理體的處理室中，使等離子體中的離子沖擊目標物，并使通過該沖擊而飛出的目標原子沉積在被處理體上，從而在被處理體上形成鐵電膜；所述處理室的內(nèi)側(cè)表面的至少目標物周邊部分是由與所述目標物相同的構(gòu)成材質(zhì)形成的。
根據(jù)本發(fā)明，即使在離子飛過并偏離目標物而沖擊在目標物的周邊部分時，與目標物一樣的原子也會從該沖擊部分飛出。其結(jié)果是，不會有雜質(zhì)混入到沉積在被處理體上的鐵電膜中，從而可以形成高純度的鐵電膜。根據(jù)發(fā)明者的檢驗，確認了通過使用該鐵電膜的制造裝置可以形成介電常數(shù)低且矯頑電場高的高質(zhì)量鐵電膜。
在所述鐵電膜的制造裝置中，也可以在所述目標物的周邊部分安裝與所述目標物同樣的構(gòu)成材質(zhì)的保護部件。另外，在所述鐵電膜的制造裝置中，也可以使用以Sr、Ta、Nb為主成分的鐵電材料作為所述鐵電膜的膜材料；與所述目標物同樣的構(gòu)成材質(zhì)是以Sr、Ta、Nb為主成分的材料。
另外，根據(jù)其他觀點，本發(fā)明的鐵電膜的制造裝置具有加熱單元，用于將鐵電膜加熱到居里溫度以上；和施加電場單元，用于在變?yōu)榫永餃囟纫陨系蔫F電膜降溫，并且鐵電膜的溫度通過所述居里溫度時，給該鐵電膜施加預定方向的電場。所述鐵電膜的膜材料也可以使用以Sr、Ta、Nb為主成分的鐵電材料。


圖1是用于實施本發(fā)明的實施方式的濺射裝置的縱截面圖；圖2是從側(cè)面觀察退火裝置時的縱截面圖；圖3是從正面觀察退火裝置時的縱截面圖；圖4是形成有柵極絕緣膜和下部導電膜的晶片的縱截面圖；圖5是在圖4的下部導電膜上形成了鐵電膜的晶片的縱截面圖；圖6是在圖5的鐵電膜上形成了上部導電膜的晶片的縱截面圖；圖7是表示用圖1的濺射裝置和圖2的退火裝置所制造的鐵電膜的電滯特性的曲線圖；圖8是表示圖7的鐵電膜的C-E特性的曲線圖；圖9是等離子體處理裝置的縱截面圖；圖10是形成有薄的下層鐵電膜的晶片的縱截面圖；圖11是在下層鐵電膜上通過氧基導入了氧的晶片的縱截面圖；圖12是在圖11的下層鐵電膜上形成了上層鐵電膜的晶片的縱截面圖；圖13是對具有經(jīng)過了等離子體處理的下層鐵電膜的鐵電膜與未經(jīng)過等離子體處理的鐵電膜的電滯特性進行比較的曲線圖；圖14是表示圖13的鐵電膜的C-E特性的曲線圖；圖15是具有電場施加單元的退火裝置的縱截面圖；圖16是表示在晶片上施加了電場的狀態(tài)的晶片的縱截面圖。
具體實施例方式
下面，針對本發(fā)明的實施方式進行說明。圖1示意性地示出了作為鐵電膜的制造裝置的濺射裝置1的縱截面的情況，該鐵電膜的制造裝置用于實施本發(fā)明的鐵電膜的制造方法。圖2示意性地示出了退火裝置2的縱截面的情況。
濺射裝置1具有例如上部開口并且為有底圓筒狀的處理容器10以及可以封閉處理容器10的上部的蓋11。通過蓋11封閉處理容器10的上部，從而形成處理室S。在處理容器10的底部設(shè)有載物臺12，該載物臺12用于裝載形成鐵電膜的被處理體，即襯底，例如半導體晶片(以下稱為“晶片”)W。在該載物臺12上設(shè)有未圖示的吸引裝置，從而載物臺12能夠吸附并保持所裝載的晶片W。
在與載物臺12相對的處理室S的頂面，即蓋11的下表面的中央部分設(shè)有例如凹部11a，在該凹部11a中埋設(shè)電極13。來自設(shè)于處理容器10的外部的高頻電源14的電壓自由施加在電極13上。在電極13的下表面，即與載物臺12相對的面上設(shè)有目標物15。目標物15的材質(zhì)由晶片W上所形成的鐵電膜的種類來決定，在形成STN(Sr2(Ta1-xNbx)O7(0≤x≤1))的鐵電膜的本實施方式中，將以Sr、Ta、Nb為主成分的Sr2.5(Ta0.7Nb0.3)2O7用在目標物15的材質(zhì)中。
例如，在處理容器10的一端的側(cè)面設(shè)有處理氣體導入口20，在處理氣體導入口20連接著與處理氣體供給源21連通的處理氣體供給管22。在處理氣體供給管22上設(shè)有閥23以及質(zhì)量流量控制器24，從而可以將預定壓力的處理氣體供給到處理室S內(nèi)。在本實施方式中，作為處理氣體的氧氣(O2)和惰性氣體氬(Ar)氣各自的供給源25、26連接在處理氣體供給源21上。當然，也可以用氪(Kr)、氙(Xe)等其他惰性氣體代替氬(Ar)氣。
在處理容器10的與所述處理氣體導入口20相對的另一端的側(cè)面上設(shè)有用于排出處理室S內(nèi)的氣體的排氣口30。與真空泵等的排氣裝置31連通的排氣管32連接在排氣口30上。通過從該排氣口30排出氣體，例如可以將處理室S內(nèi)減壓到預定的壓力。
通過電極13的高頻電壓，被供給到處理室S內(nèi)的處理氣體等離子體化，從而產(chǎn)生氬離子。通過將電極13的電位維持為負電位，正電荷的氬離子飛向目標物15一側(cè)并產(chǎn)生沖擊。通過該沖擊，作為目標原子的STN沉積粒子從目標物15飛出。在該氬離子可能沖擊的部分，例如在蓋11下表面的目標物15的周邊部分安裝有以與目標物15同樣的構(gòu)成材質(zhì)形成的保護部件35。即，保護部件35由以Sr、Ta、Nb為主成分的Sr2.5(Ta0.7Nb0.3)2O7的材質(zhì)形成。由此，即使氬離子穿過并沖擊目標物15的周邊部分，也不會有STN沉積粒子以外的其他雜質(zhì)從該沖擊部分飛出。
另外，當處理氣體被等離子體化時，在處理室S內(nèi)產(chǎn)生氧基。從目標物15飛出的STN沉積粒子被該氧基氧化，并沉積在晶片W表面。在處理室S內(nèi)暴露在氧基中的部分，例如在處理室S的內(nèi)側(cè)表面中比晶片W的高度高的部分，覆蓋著石英膜K。通過該石英膜K抑制了氧基的消失，因此能夠更可靠地氧化處理室S內(nèi)的STN沉積粒子。
另一方面，如圖2所示，退火裝置2例如具有軸為水平方向的大致圓柱狀的筐體40?？痼w40的軸向的側(cè)面部40a、40b由法蘭封閉，從而在筐體40內(nèi)形成封閉的處理室H。在筐體40內(nèi)的中央部分設(shè)有裝載晶片W的載物板41。覆蓋筐體40的徑向的側(cè)面的圓柱部40c被形成為厚壁，且其中內(nèi)置有加熱器42。如圖3所示，圍繞著圓柱部40c的整個周邊均勻地內(nèi)置加熱器42，從而可以從整個周邊方向無偏移地加熱載物板41上的晶片W。如圖2所示，加熱器42連接在設(shè)于筐體40外部的電源43上，并通過從該電源43供電而發(fā)熱。電源43例如由溫度控制器44控制，溫度控制器44可以通過改變電源43的供電輸出來控制加熱器42的溫度。例如在載物板41上設(shè)有作為溫度傳感器的熱電偶T。通過熱電偶T測量的溫度測量結(jié)果可以輸出到溫度控制器44，溫度控制器44可以根據(jù)該溫度測量結(jié)果調(diào)節(jié)加熱器42的溫度。
在筐體40一端的側(cè)面部40a上開口出處理氣體導入口45，并且與處理氣體供給源46連通的處理氣體供給管47連接在處理氣體導入口45上。在處理氣體供給管47上設(shè)有閥48、質(zhì)量流量控制器49，從而可以向處理室H內(nèi)供給預定壓力的處理氣體。在本實施方式中，作為處理氣體的氧氣和氬氣各自的供給源50、51連接在處理氣體供給源46上。當然，也可以用氮氣(N2)代替氬氣。
在筐體40的與處理氣體導入口45相對的另一端的側(cè)面部40b上設(shè)有排氣口53，該排氣口53與設(shè)置在筐體40外部的排氣裝置52連通，并用于排出處理室H內(nèi)的氣體。
濺射裝置1和退火裝置2具有如上所述的結(jié)構(gòu)，下面，以制造作為半導體裝置的鐵電存儲器的情況為例來說明與本發(fā)明的實施方式相關(guān)的鐵電膜的制造方法。
本實施方式中的鐵電存儲器例如是采用了場效應(yīng)晶體管的半導體存儲器，例如，如圖4所示，在由硅(Si)構(gòu)成的晶片W的溝道區(qū)域R上形成作為氧化硅(SiO2)的柵極的柵極絕緣膜I。在柵極絕緣膜I上形成金屬氧化膜，例如由IrO2膜構(gòu)成的下部導電膜M1。該下部導電膜M1被形成為后述的鐵電膜的襯底膜。另外，該下部導電膜M1也可以通過與后述鐵電膜相同的濺射處理來形成。
形成了下部導電膜M1的晶片W被傳送到濺射裝置1內(nèi)，并如圖1所示被保持在載物臺12上。晶片W被保持在載物臺12上之后，處理室S內(nèi)的氣體被從排氣口30排出，從而處理室S內(nèi)被減壓到例如4Pa左右。從處理氣體供給口20供給氬氣和氧氣，從而使處理室S內(nèi)充滿氬氣和氧氣。接著，在電極13上施加負電位的高頻電壓，并通過該高頻電壓將處理室S內(nèi)的氣體等離子體化，從而氬氣變?yōu)闅咫x子。該氬離子被吸引到負電位的電極13一側(cè)，并高速沖擊目標物15。氬離子沖擊目標物15之后，STN沉積粒子從目標物15飛出。該飛出的STN沉積粒子通過由于氧氣變?yōu)榈入x子體所產(chǎn)生的氧基而被氧化，并沉積在晶片W的表面上。這樣，對晶片W進行了濺射處理，從而如圖5所示，在下部導電膜M1上形成以STN為膜材料的鐵電膜F。
該STN沉積粒子的堆積持續(xù)預定的時間，從而在下部導電膜M1上形成例如260nm的鐵電膜F，然后停止施加高頻電壓，從而結(jié)束濺射裝置1中的濺射處理。濺射處理結(jié)束之后，如圖2所示，晶片W被傳送到退火裝置2內(nèi)，并被裝載在由加熱器42預加熱到例如900℃的載物板41上。從處理氣體供給口45向處理室H內(nèi)導入氧氣和氬氣，同時，從排氣口53排出處理室H內(nèi)的氣體。這樣，在處理室H內(nèi)，在形成了軸向流動的氣流且處理室H內(nèi)被不斷凈化的同時，處理室H內(nèi)被置換為氧氣和氬氣的混合氣體的氛圍。裝載在維持900℃的載物板41上的晶片W被加熱，從而鐵電膜F被氧化并結(jié)晶。鐵電膜F結(jié)晶之后，從退火裝置2中取出晶片W，從而退火處理結(jié)束。
退火處理結(jié)束之后，在鐵電膜F上形成如圖6所示的上部導電膜M2。該上部導電膜M2的成膜例如可以通過上述那樣的濺射處理來進行。上部導電膜M2形成之后，晶片W被再次傳送到退火裝置2內(nèi)，并在氧氣氛圍內(nèi)被加熱。由此，鐵電膜F的表面被再次氧化，從而在上部導電膜M2形成時欠缺的鐵電膜F表面的氧成分含量可以被恢復、填補。之后進行光刻工序等，從而完成場效應(yīng)晶體管型的鐵電存儲器。
接下來，利用圖7、圖8的曲線來說明通過以上方法制造的鐵電存儲器的鐵電膜F的特性。上述鐵電膜F的濺射處理中的處理條件為施加電壓的頻率13.56MHz；處理室壓力4Pa(30mTorr)；氧氣分壓6％。
在該鐵電膜F的襯底，即下部導電膜M1中采用IrO2，并利用在目標物15的周邊部分安裝有保護部件35的濺射裝置1來形成鐵電膜F。圖7表示鐵電膜F的電滯特性，鐵電膜F的矯頑電場Ec為52kV/cm。圖8表示鐵電膜F的C(Capacitance；電容量)-E(Electric field；電場)特性，在鐵電膜F的電容器面積S為1.2×10-3cm2、膜厚df為260nm的條件下，鐵電膜F的電容量C為1.44×10-4F。將這些數(shù)值代入計算介電常數(shù)εf的公式1εf＝(C·df)/(εo·S)，(εo8.854×10-14F/cm)算出鐵電膜F的介電常數(shù)εf為35。
因此，根據(jù)以上記載的鐵電膜的制造方法可以形成以往沒有的、介電常數(shù)在40以下且矯頑電場超過50kV/cm的鐵電膜F。發(fā)明人認為，通過所述方法實現(xiàn)的介電常數(shù)降低以及矯頑電場升高是由于在目標物15的周邊部分安裝了保護部件35。通過該保護部件35可以防止STN以外的沉積粒子從氬離子的沖擊部位飛出并沉積在晶片W上，因此可以防止雜質(zhì)混入鐵電膜F內(nèi)。其結(jié)果是形成了高純度的膜，從而實現(xiàn)了介電常數(shù)和矯頑電場的改善。另外，由于在鐵電膜F的襯底中使用金屬氧化膜，所以可以防止氧成分從鐵電膜F通過襯底流出從而造成鐵電膜F的氧成分欠缺。其結(jié)果是，鐵電膜F內(nèi)的Ta、Nb原子的氧化得以充分地進行。在應(yīng)用這樣制造的鐵電膜F的鐵電存儲器中，容易向例如由鐵電膜F及其兩側(cè)的導電膜M1、M2構(gòu)成的電容器部分施加電場。其結(jié)果是，可以通過更小的電壓實現(xiàn)鐵電膜F的極化狀態(tài)，從而可以實現(xiàn)功率消耗小的半導體存儲器。另外，由于矯頑電場大，所以可以實現(xiàn)極化狀態(tài)穩(wěn)定的半導體存儲器。
在以上的實施方式中記載的鐵電膜的制造方法是通過一次濺射處理來形成鐵電膜F的，但是也可以如下形成首先形成薄的下層鐵電膜，再通過氧基將氧導入到該薄的下層鐵電膜中，之后形成厚的上層鐵電膜。相關(guān)的情況作為第二實施方式來進行說明。
這里，對用于通過氧基將氧導入鐵電膜的等離子體處理裝置進行說明。圖9示意性地示出了等離子體處理裝置60的縱截面的情況，該等離子體處理裝置60例如由鋁合金形成。等離子體處理裝置60具有在頂部有開口部的、大致圓柱狀的處理容器61。該處理容器61接地。在該處理容器61的底部設(shè)有例如用于裝載晶片W的基座62。在該基座62中，通過從設(shè)置在處理容器61外部的交流電源63供電，基座62內(nèi)的加熱器64發(fā)熱，從而可以將基座62上的晶片W加熱到例如400℃左右。
在處理容器61的底部設(shè)有排氣口71，該排氣口71與渦輪分子泵等的排氣裝置70連通，用于排出處理容器61內(nèi)的氣體。排氣口71例如設(shè)置在處理容器61的側(cè)面部。在處理容器61的頂部，在與排氣口71隔著基座62相對的一側(cè)設(shè)有供給口72。與處理氣體供給源73連通的供給管74連接在供給口72上。在本實施方式中，氧氣和惰性氣體氪(Kr)氣各自的供給源75、76連接在處理氣體供給源73上。從供給口72供給到處理容器61內(nèi)的氣體通過基座62的晶片W的上方，并從排氣口71排出。當然，也可以用其他惰性氣體代替氪氣。
在處理容器61的上部開口部分，經(jīng)由用于確保氣密性的O形環(huán)等的密封材料80而設(shè)有例如由石英玻璃構(gòu)成的電介質(zhì)窗81。通過該電介質(zhì)窗81封閉處理容器61，并在處理容器61內(nèi)形成處理空間U。
在電介質(zhì)窗81的上方設(shè)有天線部件82。在天線部件82的上部連接有同軸波導管83。同軸波導管83連接在設(shè)置于處理容器61外部的微波供給裝置84上。由該微波供給裝置84產(chǎn)生的例如2.45GHz的微波通過同軸波導管83傳送到所述天線部件82，并經(jīng)由電介質(zhì)窗81而放射到處理空間U內(nèi)。在處理容器61的側(cè)部設(shè)有用于搬入搬出晶片W的搬運口90以及開關(guān)該搬運口90的閘門91。
下面，針對第二實施方式中的鐵電膜的制造方法進行說明。例如形成了下部導電膜M1的晶片W被搬運到濺射裝置1中。在該濺射裝置1中，通過與所述第一實施方式同樣的過程，例如像圖10所示那樣在下部導電膜M1上形成1nm以上的、例如20nm左右的薄膜層，即下層鐵電膜F1。形成下層鐵電膜F1之后，晶片W被搬運出濺射裝置1并被送入等離子體處理裝置60。
在等離子體處理裝置60中，晶片W被從搬運口90搬入，并如圖9所示被裝載在例如維持在400℃的基座62上。接著，從供給口72向處理空間U內(nèi)供給氧氣和氪氣的混合氣體，從而處理空間U內(nèi)被置換為混合氣體的氛圍。處理空間U內(nèi)的氣體從排氣口71排出，從而處理空間S2內(nèi)被減壓到預定的壓力，例如133Pa左右。進一步，通過微波供給裝置84產(chǎn)生微波，并且該微波被傳送到天線部件82。然后處理空間U內(nèi)的混合氣體通過微波而被等離子體化，并如圖11所示，通過由此在處理空間U內(nèi)產(chǎn)生的氧基將氧導入到下層鐵電膜F1內(nèi)。另外，此時少量的氪成分也會被導入到下層鐵電膜F1內(nèi)。
在預定時間內(nèi)通過氧基將氧導入下層鐵電膜F1之后，停止從天線部件82放射微波，并將晶片W從等離子體裝置60中搬出。被搬出的晶片W被再次搬運至濺射裝置1內(nèi)，并如圖12所示，在下層鐵電膜F1上形成比240nm厚的上層鐵電膜F2。這樣，在下層導電膜M1上形成了兩層結(jié)構(gòu)的鐵電膜F(F1+F2)。然后，晶片W被搬運至退火裝置2中，使鐵電膜F結(jié)晶，然后與上述實施方式一樣形成上部導電膜M2，然后在晶片W上實施用于氧恢復的退火處理。
圖13對如上述制造方法那樣通過等離子體處理將氧導入下層鐵電膜F1時(有等離子體處理)與未進行氧導入時(無等離子體處理)的鐵電膜F的電滯特性進行了比較。圖14示出了有等離子體處理以及無等離子體處理時的C-E特性。另外，在采集該數(shù)據(jù)的實驗中，作為襯底的下部導電膜M1用的是作為非氧化物的鉑。如圖13所示，進行了等離子體處理的鐵電膜F的矯頑電場Ec1為35kV/cm，未進行等離子體處理的鐵電膜的矯頑電場Ec2為17kV/cm。另外，如圖14所示，在有等離子體處理時，在電容器面積S為1.35×10-3cm2、膜厚為240nm的條件下，電容量C為1.95×10-10F；在無等離子體處理時，在電容器面積S為1.2×10-3cm2、膜厚為240nm的條件下，電容量C為1.95×10-10F。因此，根據(jù)上述公式1，有等離子體處理時的鐵電膜F的介電常數(shù)εf為39，而無等離子體處理時的介電常數(shù)εf為44。
從相關(guān)結(jié)果可知，形成下層鐵電膜F1，并通過氧基將氧導入該下層鐵電膜F1，從而使整個鐵電膜F的介電常數(shù)降低而矯頑電場增大。其原因被認為是，通過氧基導入氧，從而下層鐵電膜F1成為氧成分的隔離壁，由此能夠抑制上層鐵電膜F2內(nèi)的氧成分流出到下部導電膜M1中從而整個鐵電膜F的氧成分欠缺。
根據(jù)上述第二實施方式的鐵電膜的制造方法，由于形成了下層鐵電膜F1，所以即使在使用容易吸收氧成分的非氧化物作為鐵電膜F的襯底的材料時，也能夠防止氧成分的流出，從而能夠形成低介電常數(shù)、高矯頑電場的鐵電膜。此外，通過在鐵電膜F的下層形成薄膜，可以在上層部分形成具有與下層的面取向?qū)?yīng)的所期望的面取向的鐵電膜。因此，即使假設(shè)襯底是非晶體，也能夠形成矯頑電場大的優(yōu)質(zhì)的鐵電膜。
在向以上的實施方式中記載的鐵電膜F補充氧成分的退火處理中，將晶片W加熱到鐵電膜F的居里溫度，之后在鐵電膜F的溫度降低并通過居里溫度時，在鐵電膜F上施加電場也可以。相關(guān)情況的鐵電膜的制造方法作為第三實施方式進行說明。
如圖15所示，在作為第三實施方式中所使用的制造裝置的退火裝置100中，除了上述退火裝置2的結(jié)構(gòu)之外，還設(shè)有例如直流電源101、可以一端與直流電源101的陽極端子相連而另一端與晶片W相連的陽極導線102、以及可以一端與直流電源101的陰極端子相連而另一端與晶片W相連的陰極導線103。并且，本實施方式中的電場施加裝置由直流電源101、陽極導線102以及陰極導線103構(gòu)成，加熱裝置由加熱器42、交流電源43以及溫度控制器44構(gòu)成。另外，退火裝置100的其他部件與退火裝置2相同，所以省略其說明。
然后，在第三實施方式中的鐵電膜的制造過程中，形成了上部導電膜M2的晶片W被搬運至退火裝置100內(nèi)，并如圖15所示被裝載在載物板41上，然后如圖16所示，陽極導線102連接在上部導電膜M2上，陰極導線103連接在下部導電膜M1上。此時，直流電源101為關(guān)閉狀態(tài)，從而在鐵電膜F上沒有施加電場。接著，晶片W通過加熱器42而被加熱到鐵電膜F的居里溫度以上的溫度，例如900℃左右，此時鐵電膜F的氧成分含量得以恢復。氧成分含量恢復后，例如加熱器42的電源被切斷，晶片W慢慢冷卻。在該冷卻期間，例如通過熱電偶T持續(xù)測定晶片W的溫度。然后，在晶片W的溫度經(jīng)過鐵電膜F的居里溫度，例如600℃時，接通直流電源101，從而在上部導電膜M2和下部導電膜M1之間施加電壓。由此，電場被施加于鐵電膜F，從而可以謀求鐵電膜F的極化軸的單向化。其結(jié)果是，鐵電膜F的剩余極化強度增大，矯頑電場也擴大。
在以上的第三實施方式中，向鐵電膜F施加電場的工序在用于氧恢復的加熱處理時進行，但是也可以在例如使鐵電膜F結(jié)晶的結(jié)晶化加熱處理時或使鐵電膜F成膜的濺射處理時進行。
另外，第三實施方式中所記載的那樣的給鐵電膜施加電場的處理也可以應(yīng)用于鐵電膜F的成膜方法不是如上所述的濺射方法，而是例如采用了溶膠-凝膠法、CVD法等的時候，無論采用哪一種方法都可以實現(xiàn)鐵電膜特性的改善。
另外，在以上的實施方式中所記載的恢復鐵電膜F的氧的退火處理也可以通過氧基使之氧化來進行。在該情況下，例如也可以用上述的等離子體處理裝置60來進行氧恢復的退火處理。例如，形成了上部導電膜M2的晶片W被搬運到等離子體處理裝置60內(nèi)，并且晶片W被裝載在基座62上，該基座62被維持在較低溫的400℃左右。然后，在晶片W被加熱到400℃的同時，處理空間U內(nèi)的處理氣體通過天線部件82而被等離子體化，從而產(chǎn)生氧基。鐵電膜F通過產(chǎn)生的該氧基而被氧化，從而氧恢復得以完成。此時，由于是利用氧化能力高的氧基來進行氧化，所以鐵電膜F的氧成分的恢復可以在低溫下進行。
在以上的實施方式中所記載的鐵電膜的制造方法并不限于制造鐵電存儲器的情況，也可以應(yīng)用于制造采用鐵電膜的其他的半導體裝置。另外，作為鐵電膜的膜材料，雖然只用了STN，但是本發(fā)明也可應(yīng)用于STN與PZT或SBT等的混合材料的情況。
根據(jù)本發(fā)明，由于鐵電膜的介電常數(shù)降低，而矯頑電場提高，所以可以利用例如鐵電膜來制造省電且極化狀態(tài)穩(wěn)定的存儲器。
工業(yè)實用性本發(fā)明對于構(gòu)成存儲器等半導體裝置的Sr2(Ta1-xNbx)O7(0≤x≤1)的鐵電膜，在降低介電常數(shù)并增大矯頑電場時有用。
權(quán)利要求
1.一種鐵電膜，其中，使用以Sr、Ta、Nb為主成分的鐵電材料作為膜材料；所述鐵電膜的介電常數(shù)不足40且矯頑電場超過50kV/cm。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵電膜，其中，具有通過氧基導入了氧成分的膜層。
3.如權(quán)利要求2所述的鐵電膜，其中，所述膜層含有惰性氣體成分。
4.如權(quán)利要求3所述的鐵電膜，其中，所述惰性氣體成分為Kr。
5.一種具有鐵電膜的半導體裝置，其中，使用以Sr、Ta、Nb為主成分的鐵電材料作為鐵電膜的膜材料；所述鐵電膜的介電常數(shù)不足40且矯頑電場超過50kV/cm。
6.如權(quán)利要求5所述的半導體裝置，其中，所述鐵電膜具有通過氧基導入了氧成分的膜層。
7.如權(quán)利要求6所述的半導體裝置，其中，所述膜層含有惰性氣體成分。
8.如權(quán)利要求7所述的半導體裝置，其中，所述惰性氣體成分為Kr。
9.如權(quán)利要求5所述的半導體裝置，其中，將金屬氧化物用于所述鐵電膜的襯底的材料。
10.如權(quán)利要求5所述的半導體裝置，其中，在所述鐵電膜的兩面具有夾著所述鐵電膜的上部導電膜和下部導電膜；通過所述鐵電膜、所述上部導電膜和下部導電膜形成電容器。
11.如權(quán)利要求10所述的半導體裝置，其中，具有柵極與所述電容器相連接的場效應(yīng)晶體管。
12.一種鐵電膜的制造方法，具有膜形成工序，在處理室的至少目標物周邊的內(nèi)側(cè)表面是由與目標物相同的構(gòu)成材質(zhì)形成的處理室內(nèi)，使等離子體中的離子沖擊目標物，并使通過該沖擊而產(chǎn)生的目標原子沉積在襯底上，從而形成鐵電膜；和加熱工序，加熱所述鐵電膜并進行氧化。
13.如權(quán)利要求12所述的鐵電膜的制造方法，其中所述膜形成工序具有在襯底上形成比較薄的下層鐵電膜的第一膜形成工序；然后，通過由等離子體產(chǎn)生的氧基將氧成分導入所述下層鐵電膜的氧導入工序；以及然后，在所述下層鐵電膜上形成比較厚的上層鐵電膜的第二膜形成工序。
14.如權(quán)利要求12所述的鐵電膜的制造方法，其中所述加熱工序具有使鐵電膜結(jié)晶的結(jié)晶工序；和在鐵電膜上形成上部膜之后，恢復所述鐵電膜的氧成分含量的氧成分恢復工序。
15.如權(quán)利要求14所述的鐵電膜的制造方法，其中，在所述氧成分恢復工序中，通過由等離子體產(chǎn)生的氧基來氧化鐵電膜。
16.如權(quán)利要求12所述的鐵電膜的制造方法，其中，具有下述的工序，即加熱所述鐵電膜，使所述鐵電膜的溫度為居里溫度以上，然后當該鐵電膜降溫并且鐵電膜的溫度經(jīng)過居里溫度時，給所述鐵電膜施加預定方向的電場。
17.如權(quán)利要求12所述的鐵電膜的制造方法，其中，使用以Sr、Ta、Nb為主成分的鐵電材料作為所述鐵電膜的膜材料；所述處理室的至少目標物周邊的內(nèi)側(cè)表面是由以Sr、Ta、Nb為主成分的材質(zhì)形成的。
18.一種鐵電膜的制造方法，其中，加熱鐵電膜，使鐵電膜的溫度為居里溫度以上，然后，在該鐵電膜降溫并且鐵電膜的溫度經(jīng)過居里溫度時，給鐵電膜施加預定方向的電場。
19.一種鐵電膜的制造裝置，其中，在容納被處理體的處理室中，使等離子體中的離子沖擊目標物，并使通過該沖擊而飛出的目標原子沉積在被處理體上，從而在被處理體上形成鐵電膜；所述處理室的內(nèi)側(cè)表面的至少目標物周邊部分是由與所述目標物相同的構(gòu)成材質(zhì)形成的。
20.如權(quán)利要求19所述的鐵電膜的制造裝置，其中，在所述目標物的周邊部分安裝有與所述目標物同樣的構(gòu)成材質(zhì)的保護部件。
21.如權(quán)利要求19的鐵電膜的制造裝置，其中，使用以Sr、Ta、Nb為主成分的鐵電材料作為所述鐵電膜的膜材料；與所述目標物同樣的構(gòu)成材質(zhì)是以Sr、Ta、Nb為主成分的材料。
22.一種鐵電膜的制造裝置，具有加熱單元，用于將鐵電膜加熱到居里溫度以上；和施加電場單元，用于在變?yōu)榫永餃囟纫陨系蔫F電膜降溫，并且鐵電膜的溫度通過所述居里溫度時，給該鐵電膜施加預定方向的電場。
23.如權(quán)利要求22所述的鐵電膜的制造裝置，其中，使用以Sr、Ta、Nb為主成分的鐵電材料作為所述鐵電膜的膜材料。
全文摘要
本發(fā)明目的在于降低Sr
文檔編號H01L21/316GK1748264SQ200480003650
公開日2006年3月15日 申請日期2004年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月5日
發(fā)明者大見忠弘, 高橋一郎, 山田敦彥, 櫻井弘之 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會社, 大見忠弘