專利名稱：一種氧化物鐵電存儲單元及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到氧化物鐵電存儲單元及制備方法，特別是用于制備導(dǎo)電氧擴散阻擋層的方法，屬于半導(dǎo)體器件或其部件的制造或處理方法技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于鐵電材料和高K氧化物薄膜材料在微電子行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景，在過去幾年里，鐵電材料和高K氧化物薄膜材料的應(yīng)用和研究取得了巨大的進(jìn)展。鐵電存儲器的核心是鐵電電容器，人們希望能夠把鐵電電容器與現(xiàn)代硅晶體管技術(shù)結(jié)合起來構(gòu)造硅基高密度鐵電存儲器。在把鐵電電容器生長在半導(dǎo)體硅襯底上的過程中，最基本問題就是各種材料必須承受住高的生長溫度和強氧化氣氛。因此成功選擇鐵電存儲器單元和硅襯底之間的導(dǎo)電阻擋層是制備硅基高密度鐵電存儲器的關(guān)鍵。理想的阻擋層應(yīng)當(dāng)滿足以下條件第一，不能與硅反應(yīng)，并與硅形成歐姆接觸；第二，能阻擋材料之間的互擴散；第三，能阻擋硅的氧化；第四，完成鐵電存儲器與半導(dǎo)體硅的集成后，阻擋層仍能保持小的電阻率。Yang和Summerfelt發(fā)現(xiàn)Ir或Pt/TiN能起很好的阻擋層作用 Appl.Phys.Lett.71，356(1997)；Appl.Phys.Lett.，24，4004(2001)」?，F(xiàn)在商業(yè)鐵電存儲器也多采用與Ir、Pt有關(guān)的阻擋層材料來實現(xiàn)鐵電薄膜與硅襯底的集成，但是含Ir或Pt的導(dǎo)電阻擋層材料存在造價高、難以離子刻蝕等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種氧化物鐵電存儲單元，用成本低、抗氧化性強、無氧通道的金屬間化合物材料作為導(dǎo)電氧擴散阻擋層以替代Ir(Pt)阻擋層，通過選擇磁控濺射工藝參數(shù)實現(xiàn)阻擋層及相關(guān)氧化物電極的制備。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的這種氧化物鐵電存儲單元，由硅襯底、導(dǎo)電阻擋層、氧化物下電極、氧化物鐵電薄膜、氧化物上電極組成。其特征在于導(dǎo)電阻擋層材料是采用磁控濺射法在硅襯底基體上覆蓋非晶態(tài)Ni-Al二元合金薄膜材料制成。
所述的氧化物鐵電存儲單元。直接生長在硅襯底上的非晶態(tài)Ni-Al薄膜作為導(dǎo)電氧擴散阻擋層，第一層氧化物L(fēng)a-Sr-Co-O薄膜作為鐵電電容器的下電極，氧化物鐵電薄膜作為鐵電電容器的介電材料；第二層氧化物L(fēng)a-Sr-Co-O薄膜作為鐵電電容器的上電極。
所述的氧化物鐵電存儲單元，所述的硅襯底為拋光的單晶硅或表面生長有多晶硅的單晶硅。
所述的氧化物鐵電存儲單元，所述的La-Sr-Co-O氧化物電極材料可以用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的La-Ni-O或SrRuO3導(dǎo)電薄膜材料，或超導(dǎo)材料Y-Ba-Cu-O，或巨磁阻材料La-Ca-Mn-O等薄膜替代。
所述的氧化物鐵電存儲單元，所述的氧化物鐵電薄膜材料，是Pb(ZrXTi1-X)O3或SrBi2Ta2O9。
所述的氧化物鐵電存儲單元的制備方法，Ni-Al薄膜作為導(dǎo)電氧擴散阻擋層的制備方法包括如下步驟
A、把拋光的單晶硅襯底依次用HF、丙酮、酒精、去離子水超聲處理后，放置到磁控濺射真空室的樣品臺上；B、應(yīng)用分子泵和真空泵將真空室的真空度抽至(1-5)×10-4Pa；C、應(yīng)用流量計向真空室中通入高純氬氣，保持真空室的高純氬動態(tài)平衡的氣壓為0.8-20Pa；D、Ni-Al靶與襯底間距為25-65mm，濺射功率為1-50W，沉積時間為10min，得到的Ni-Al非晶薄膜厚度20-60nm。
所述的氧化物鐵電存儲單元的制備方法，氧化物鐵電存儲單元的制備包括如下步驟A、鐵電電容器的下電極的制備Ni-Al薄膜制備完畢后，不打開真空室，將真空室的真空度抽至(1-5)×10-4Pa后，向真空室中充入高純氬氣氧氣為3∶1的混合氣體，保持真空室的沉積氣壓為0.8-20Pa；La-Sr-Co-O靶與襯底間距為20-60mm，轉(zhuǎn)動樣品臺，濺射功率為10-100W，沉積時間為30min，得到厚度為20-100nm的La-Sr-Co-O薄膜；B、在流動氧的管式退火爐中對La-Sr-Co-O薄膜進(jìn)行450-650℃的高溫退火；C、氧化物鐵電薄膜的制備應(yīng)用溶膠-凝膠法，在高溫退火后的La-Sr-Co-O薄膜的上面甩涂Pb(ZrXTi1-X)O3薄膜，于100-400℃烘干，重復(fù)甩涂至所需厚度，最后，在流動氧的管式退火爐中對Pb(ZrXTi1-X)O3薄膜進(jìn)行450-650℃的高溫退火；
D、鐵電電容器的上電極的制備重復(fù)步驟A制備La-Sr-Co-O薄膜。
所述的氧化物鐵電存儲單元的制備方法，步驟A、B中所述的磁控濺射及高溫退火處理直接應(yīng)用高溫的磁控濺射法實現(xiàn)La-Sr-Co-O薄膜的制備，背底真空度為(1-5)×10-4Pa，沉積氣壓為0.8-20Pa，濺射功率為10-100W，靶-襯底間距為25～65mm，沉積溫度為450-650℃，沉積完畢后，通入(0.1-1)×105Pa的氧氣，將基片的溫度降至室溫。
所述的氧化物鐵電存儲單元的制備方法，鐵電電容器的上、下電極La-Sr-Co-O氧化物薄膜的制備采用脈沖激光沉積或化學(xué)方法實現(xiàn)。
所述的氧化物鐵電存儲單元的制備方法，氧化物鐵電存儲單元的制備包括如下步驟直接在非晶態(tài)Ni-Al薄膜上生長氧化物鐵電薄膜以及金屬上電極Pt。
本發(fā)明采用磁控濺射法在半導(dǎo)體硅襯底上制備非晶態(tài)Ni-Al薄膜氧擴散導(dǎo)電阻擋層，進(jìn)一步在其上構(gòu)架La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi1-X)O3/La-Sr-Co-O鐵電電容器。Ni-Al材料具有強的高溫抗氧化性；非晶的Ni-Al薄膜不存在氧擴散通道，可以有效避免La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi1-X)O3/La-Sr-Co-O生長過程中氧向硅襯底的擴散；Ni-Al材料不與硅以及La-Sr-Co-O等氧化物反應(yīng)的特點，決定了非晶態(tài)Ni-Al薄膜可以充當(dāng)氧化物薄膜與硅襯底集成的氧擴散導(dǎo)電阻擋層。


圖1是La-Sr-Co-O/Pb(ZrXi1-X)O3/La-Sr-Co-O鐵電電容器的電滯回線圖2是La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi-X)O3/La-Sr-Co-O鐵電電容器的保持性能圖3是La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi-X)O3/La-Sr-Co-O鐵電電容器的疲勞性能
具體實施例方式
實施例11、非晶態(tài)Ni-Al薄膜擴散阻擋層的制備1-1、把拋光的(001)單晶硅襯底或多晶硅/單晶硅襯底用10％的HF、丙酮、酒精、去離子水超聲處理清洗后，放置到可以實現(xiàn)磁控濺射的真空室的樣品臺上；1-2、將真空室的真空度抽至2×10-4Pa，然后通入高純氬氣，沉積氣壓為8Pa；1-3、應(yīng)用射頻磁控濺法進(jìn)行Ni-Al薄膜的制備Ni-Al靶(北京泰科諾有限公司)與襯底間距為40mm，濺射功率為15W，沉積時間為10min，得到的Ni-Al非晶薄膜厚度40nm；2、La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi1-X)O3/La-Sr-Co-O氧化物鐵電存儲單元的制備2-1、在實施例1制備的Ni-Al非晶薄膜基礎(chǔ)上，不打開真空室，將真空室的真空度抽至2×10-4Pa，然后通入高純氬氣和氧氣的混合氣體(Ar∶O2＝3∶1)，控制沉積氣壓為5Pa；La-Sr-Co-O靶(北京泰科諾有限公司)與襯底間距為40mm，轉(zhuǎn)動樣品臺，濺射功率為80W，沉積時間為30min，得到厚度為100nm的La-Sr-Co-O薄膜；2-2、在流動氧的管式退火爐中對La-Sr-Co-O薄膜進(jìn)行550℃的高溫退火處理，得到結(jié)晶的La-Sr-Co-O薄膜；2-3、應(yīng)用Pb(Zr0.4Ti0.6)O3溶膠-凝膠前驅(qū)體，在La-Sr-Co-O薄膜的上面旋涂Pb(Zr0.4Ti0.6)O3薄膜，甩膠速度為3000rpm，烘烤溫度為200℃，在550℃的高溫氧氣退火爐中退火，得到結(jié)晶的Pb(Zr0.4Ti0.6)O3薄膜；2-4、將Pb(Zr0.4Ti0.6)O3薄膜放入磁控濺射真空室中，將真空室的真空度抽至2×10-4Pa，然后通入高純氬氣和氧氣的混合氣體(Ar∶O2＝3∶1)，沉積氣壓為5Pa；La-Sr-Co-O靶(北京泰科諾有限公司)與襯底間距為40mm，濺射功率為80W，沉積時間為30min，在Pb(Zr0.4Ti0.6)O3薄膜上面，制備厚度為100nm的La-Sr-Co-O薄膜；2-5、在流動氧的管式退火爐中對La-Sr-Co-O薄膜進(jìn)行550℃的高溫退火，得到結(jié)晶的La-Sr-Co-O薄膜；2-6、應(yīng)用光刻、Pt沉積以及化學(xué)反應(yīng)刻蝕技術(shù)，制備出含非晶態(tài)Ni-Al薄膜阻擋層的La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi1-X)O3/La-Sr-Co-O硅基鐵電電容器。
實施例2實施例1中2-1、2-2、2-4、2-5中的La-Sr-Co-O薄膜可以用La-Ni-O或SrRuO3薄膜替代；其制備方法可以用磁控濺射方法以外的其它方法如脈沖激光沉積和化學(xué)方法如化學(xué)氣相沉積來實現(xiàn)(J.Appl.Phys.82，1293(1997))；實施例3實施例1中2-1、2-2、2-4、2-5中的La-Sr-Co-O制備薄膜450-650℃的高溫退火處理可以直接應(yīng)用高溫的磁控濺射法實現(xiàn)背底真空為(1-5)×10-4Pa，沉積氣壓為0.8-20Pa，濺射功率為10-100W，靶-襯底間距為25-65mm，沉積溫度為450-650℃，沉積完畢后，通入(0.1-1)×105Pa的氧氣，通過控溫程序?qū)⒒臏囟冉抵潦覝亍?br> 實施例1中所提到的Ni-Al、La-Sr-Co-O以及La-Ni-O和SrRuO3薄膜不僅適用于平面結(jié)構(gòu)也可以為大馬士革結(jié)構(gòu)的電容器；上述實施例中所使用的磁控濺射系統(tǒng)是由沈陽科學(xué)儀器中心生產(chǎn)的多靶系統(tǒng)。
上述實施例中La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi1-X)O3/La-Sr-Co-O/非晶態(tài)Ni-Al/Si異質(zhì)結(jié)的X射線衍射測量沒有發(fā)現(xiàn)雜相存在，對異質(zhì)結(jié)界面進(jìn)行透射電子顯微鏡以及高分辨透射電子顯微鏡的研究發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)界面清晰、不同材料之間不存在互擴散、相互反應(yīng)；附圖1、2、3顯示對La-Sr-Co-O/Pb(ZrXTi1-X)O3/La-Sr-Co-O鐵電電容器進(jìn)行極化強度、疲勞等鐵電性能研究，得到了非常理想的物理性能。鐵電性能和結(jié)構(gòu)性能的測量都表明非晶態(tài)Ni-Al薄膜可以用作導(dǎo)電阻擋層，實現(xiàn)硅基鐵電電容器與硅襯底的集成。實驗結(jié)果充分表明了用非晶態(tài)Ni-Al薄膜取代造價高、難以離子刻蝕的含Ir(或Pt)的阻擋層材料，構(gòu)架高密度硅基鐵電存儲器件的可行性。
本發(fā)明列舉的實施例旨在更進(jìn)一步地闡明非晶態(tài)Ni-Al薄膜阻擋層和這種氧化物鐵電存儲單元的制備方法，而不對本發(fā)明的范圍構(gòu)成任何限制，本發(fā)明實施例或經(jīng)由本發(fā)明權(quán)利要求書所述均可得到這種氧化物鐵電存儲單元材料及其硅基鐵電電容器。
權(quán)利要求
1.一種氧化物鐵電存儲單元，由硅襯底、導(dǎo)電阻擋層、氧化物下電極、氧化物鐵電薄膜、氧化物上電極組成，其特征在于導(dǎo)電阻擋層材料是采用磁控濺射法在硅襯底基體上覆蓋非晶態(tài)Ni-Al二元合金薄膜材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化物鐵電存儲單元，其特征在于直接生長在硅襯底上的非晶態(tài)Ni-Al薄膜作為導(dǎo)電氧擴散阻擋層，第一層氧化物L(fēng)a-Sr-Co-O薄膜作為鐵電電容器的下電極，氧化物鐵電薄膜作為鐵電電容器的介電材料；第二層氧化物L(fēng)a-Sr-Co-O薄膜作為鐵電電容器的上電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧化物鐵電存儲單元，其特征在于所述的硅襯底為拋光的單晶硅或表面生長有多晶硅的單晶硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化物鐵電存儲單元，其特征在于所述的La-Sr-Co-O氧化物電極材料可以用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的La-Ni-O或SrRuO3導(dǎo)電薄膜材料，或超導(dǎo)材料Y-Ba-Cu-O，或巨磁阻材料La-Ca-Mn-O等薄膜替代。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧化物鐵電存儲單元，其特征在于所述的氧化物鐵電薄膜材料，是Pb(ZrXTi1-X)O3或SrBi2Ta2O9。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧化物鐵電存儲單元的制備方法，其特征在于Ni-Al薄膜作為導(dǎo)電氧擴散阻擋層的制備方法包括如下步驟A、把拋光的單晶硅襯底依次用HF、丙酮、酒精、去離子水超聲處理后，放置到磁控濺射真空室的樣品臺上；B、應(yīng)用分子泵和真空泵將真空室的真空度抽至(1-5)×104Pa；C、應(yīng)用流量計向真空室中通入高純氬氣，保持真空室的高純氬動態(tài)平衡的氣壓為0.8-20Pa；D、Ni-Al靶與襯底間距為25-65mm，濺射功率為1-50W，沉積時間為10min，得到的Ni-Al非晶薄膜厚度20-60nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2和6所述的氧化物鐵電存儲單元的制備方法，其特征在于氧化物鐵電存儲單元的制備包括如下步驟A、鐵電電容器的下電極的制備Ni-Al薄膜制備完畢后，不打開真空室，將真空室的真空度抽至(1-5)×104Pa后，向真空室中充入高純氬氣∶氧氣為3∶1的混合氣體，保持真空室的沉積氣壓為0.8-20Pa；La-Sr-Co-O靶與襯底間距為20-60mm，轉(zhuǎn)動樣品臺，濺射功率為10-100W，沉積時間為30min，得到厚度為20-100nm的La-Sr-Co-O薄膜；B、在流動氧的管式退火爐中對La-Sr-Co-O薄膜進(jìn)行450-650℃的高溫退火；C、氧化物鐵電薄膜的制備應(yīng)用溶膠-凝膠法，在高溫退火后的La-Sr-Co-O薄膜的上面甩涂Pb(ZrXTi1-X)O3薄膜，于100-400℃烘干，重復(fù)甩涂至所需厚度，最后，在流動氧的管式退火爐中對Pb(ZrXTi1-X)O3薄膜進(jìn)行450-650℃的高溫退火；D、鐵電電容器的上電極的制備重復(fù)步驟A制備La-Sr-Co-O薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氧化物鐵電存儲單元的制備方法，其特征在于步驟A、B中所述的磁控濺射及高溫退火處理直接應(yīng)用高溫的磁控濺射法實現(xiàn)La-Sr-Co-O薄膜的制備，背底真空度為(1-5)×10-4Pa，沉積氣壓為0.8-20Pa，濺射功率為10-100W，靶-襯底間距為25-65mm，沉積溫度為450-650℃，沉積完畢后，通入(0.1-1)×105Pa的氧氣，將基片的溫度降至室溫。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氧化物鐵電存儲單元的制備方法，其特征在于鐵電電容器的上、下電極La-Sr-Co-O氧化物薄膜的制備采用脈沖激光沉積或化學(xué)方法實現(xiàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氧化物鐵電存儲單元的制備方法，其特征在于氧化物鐵電存儲單元的制備包括如下步驟直接在非晶態(tài)Ni-Al薄膜上生長氧化物鐵電薄膜以及金屬上電極Pt。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氧化物鐵電存儲單元，用成本低、抗氧化性強、無氧通道的金屬間化合物材料作為導(dǎo)電氧擴散阻擋層以替代Ir(Pt)阻擋層，通過選擇磁控濺射工藝參數(shù)實現(xiàn)阻擋層及相關(guān)氧化物電極的制備。這種氧化物鐵電存儲單元，由硅襯底、導(dǎo)電阻擋層、氧化物下電極、氧化物鐵電薄膜、氧化物上電極組成，其特征在于導(dǎo)電阻擋層材料是采用磁控濺射法在硅襯底基體上覆蓋非晶態(tài)Ni－Al二元合金薄膜材料制成。對La－Sr－Co－O/Pb(Zr
文檔編號H01L21/02GK1835241SQ200610012370
公開日2006年9月20日 申請日期2006年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月24日
發(fā)明者劉保亭, 李鋒, 程春生, 趙慶勛, 閆正 申請人:河北大學(xué)