金属氧化物介电膜气相生长方法和PZT膜技术

为了使用有机金属源气体在基底导电材料上形成具有用ＡＢＯ↓［３］表示的钙钛矿型晶体结构的金属氧化物介电膜，在第一沉积条件下，在基底导电材料上形成初始钙钛矿晶核或初始无定形层，所述初始无定形层具有无定形结构；和在第二沉积条件下，在初始晶核或初始无定形层上再生长具有钙钛矿晶体结构的膜。在该方法中，第一沉积条件满足下述要求的至少一个要求：（ａ）比第二沉积条件低的基片温度；和（ｂ）比第二沉积条件高的源气体压力。该方法可用于沉积具有减少的漏电流的膜如ＰＺＴ。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种含有电容元件的半导体器件的制备方法。具体而言，涉及一种使用有机金属源气体，沉积高介电或铁电膜的方法，所述的膜用于在半导体集成电路中的电容器或门(gate)。
技术介绍
最近，对利用铁电电容器的铁电体存储器以及动态随机存取存储器(DRAMs)进行了广泛地研究和开发。这些铁电体存储器和DRAMs含有选择晶体管。他们使用连接到在选择晶体管中的其中一层扩散层的电容器来贮存信息，所述的电容器作为存储元件。铁电电容器包括由如作为电容器绝缘膜的由Pb(Zr，Ti)O3(以下，称为“PZT”)制成的铁电膜，并且铁电电容器可以通过使铁电材料极化来贮存非易失性的信息。另一方面，高介电的电容器使用高介电膜作为电容器绝缘膜，所述的膜例如由(Ba，Sr)TiO3(以下，称为“BST”)制成，以便可以提高电容器的电容并且可以因而将器件微型化。当在半导体器件中使用这样的陶瓷材料时，非常重要地是将沉积在导电层上的陶瓷材料进行电学上的分离以形成一个下面的电极，作为精细电容器。溶胶-凝胶、溅射和CDV技术作为沉积膜的方法在以前已经进行了描述。为了达到铁电现象，材料必须按对准的方向进行结晶。在溶胶-凝胶或溅射技术中，为了结晶必须将沉积膜在高温中在氧气氛条件下退火。对于由PZT制成的金属氧化物介电膜而言，足够的铁电性能的结晶温度为600℃，而对于由BST制成的膜，为650℃。因此，在形成铝互连后结晶金属氧化物介电膜不能在半导体基片上形成。此外，溶胶-胶凝技术不能用于大直径的晶片并且提供的阶梯覆盖不足。在溅射法中，膜的组分基本上取决于标靶的组分。因此，为了改变膜的组分，必须变换标靶，这在方法效率方面是不利的。CVD技术给出好的均匀度和对大直径的晶片中的表面阶梯的良好覆盖，并且因此相信对于ULSI是一种有希望的方法。日本已公开专利申请2000-58525描述了在下面的电极上形成钙钛矿型金属氧化物介电膜的化学气相沉积(CVD)方法，该方法使用有机金属源气体和氧化气体，其中在第一条件下形成初始晶核或初始结晶层，和在不改变沉积温度的代替第一条件的第二条件下，在源气体的进料速度下将膜沉积。根据此方法，可以将显示良好的取向的钙钛矿型晶体在约450℃或更低的温度在金属如Pt、Ru和Ir或氧化物导电电极如RuO2或IrO2上沉积形成。因此，在形成铝互连后在半导体基片上可以形成金属氧化物介电膜并且它的较高的电容允许器件的尺寸减小。另一方面，为了高速操作和尺寸减小必须减小源电压，并且为了将足够电场施加到电容器绝缘膜上，必须制成更薄的陶瓷电容器绝缘膜。但是膜越薄，漏电流就越明显。即使使用日本已公开专利申请2000-58525公布的方法，在一定的条件下可以产生相当明显的漏电流。当使用Ru、Ir或氧化物如RuO2和IrO2作为用于电容器中的下面的电极的材料时，这个问题在特别明显。在铁电体存储器(FeRAM)中，通过检测位线电压的增加量读出数据，该增加量是将由自发极化固定的电流引起的位线电压与用传感器放大器写于相反方向的邻近电容器的位线电压进行比较的增加量。如果在位线电极中的差低于50mV，这是传感器放大器的检测界限，则该位是有缺陷的。为了提高芯片的产量，有必要增大位线电压差，即相当大地提高滞后性能。但是，当将大量的存贮器集成时，位线电压差在电容元件间改变。因此，少数有缺陷的位是常常形成在分配的末端中。此外，在制备半导体器件的实用方法中，在光刻方法中必须重复掩模对准。在金属氧化物介电膜如PZT沉积后，取决于其结晶态的膜可以变为不透明，而引起不规则的反射，这种不规则的反向使对准标记变为不透明的而导致连续对准的困难。在当使用Ru、Ir或氧化物如RuO2和IrO2作为用于电容器中下面电极的材料时，膜的加工性能恶化的问题特别明显。
技术实现思路
考虑到现有技术的这些问题，本专利技术的目的是提供一种具有减小的漏电流的氧化物介电膜特别是PZT膜(Pb(Zr，Ti)O3膜)的气相生长方法。本专利技术的另一目的在于提供一种PZT膜的气相生长方法，其中即使在所述的PZT膜沉积之后，所述的膜也展示出良好的平坦性，因此将减小不规则的反射和可以平稳地进行掩模对准。本专利技术一个方面的目的在于提供一种制备氧化物介电膜的方法，所述的膜可以用于形成电容元件，所述的电容元件具有在电容元件间位线电压差的减小变化与具有最小数目的缺陷位。本专利技术提供一种使用有机金属源气体，在基底导电材料上形成金属氧化物介电膜的气相生长的方法，该介电膜具有用ABO3表示的钙钛矿型晶体结构，所述的方法包括在第一沉积条件下，在基底导电材料上形成初始钙钛矿晶核或初始无定形层的第一步骤，所述初始无定形层具有无定形结构，和在第二沉积条件下在第一步骤形成的初始晶核或初始无定形层上再生长具有钙钛矿晶体结构的膜的第二步骤，所述的第二沉积条件与第一沉积条件是不同的；其中，第一条件满足下述要求的至少一个要求(a)比第二沉积条件低的基片温度；和(b)比第二沉积条件高的源气体压力。本专利技术一个优选的方面提供上述的方法，其中将所有的有机金属源气体在第一沉积条件下使用以形成初始核或初始无定形层，所述的有机金属源气体将成为用于金属氧化电介质的材料，并且在改变进料条件的第二沉积条件下，用所有的有机金属源气体生长有钙钛矿晶体结构的膜。本专利技术另一个优选的方面提供上述的方法，其中将部分的有机金属源气体在第一沉积条件下使用以形成初始核或初始无定形层，所述的有机金属源气体将成为用于金属氧化电介质的材料，并且在第二沉积条件下，用所有的有机金属源气体生长有钙钛矿晶体结构的膜。根据本专利技术的方法可以用于具有电容元件的半导体器件的制备方法。三个代表性的实施方案是 一种制备半导体器件的方法，该方法包括的步骤如下在半导体基片上形成MOS晶体管；在晶体管上形成第一夹层绝缘膜；在第一夹层绝缘膜中打开一个接头，所述的接头达到在MOS晶体管中的扩散层并且为了导电用金属插塞填充接头；在有金属插塞的第一夹层绝缘膜的整个表面之上形成电容器下面的电极层；用上述的化学气相沉积法在电容器下面的电极层之上沉积金属氧化物介电膜；在金属氧化物介电膜上形成电容器上面的电极；将下面的电极层、金属氧化物介电膜和电容器上面的电极层形成图案以提供三层结构的电容器；一种制备半导体器件的方法，该方法包括的步骤如下在半导体基片上形成MOS晶体管；在晶体管上形成第一夹层绝缘膜；在第一夹层绝缘膜中打开一个接头，所述的接头达到在MOS晶体管中的扩散层并且为了导电用金属插塞填充接头；在有金属插塞的第一夹层绝缘膜的整个表面之上形成电容器下面的电极层；将下面的电极层形成图案，以在金属插塞中形成电容器下面的电极；用上述的化学气相沉积法在形成图案的电容器下面的电极和第一夹层绝缘膜的整个表面之上沉积金属氧化物介电膜；在金属氧化物介电膜整个表面之上形成电容器上面的电极；并且将电容器上面的电极层形成图案，以提供包括电容器下面的电极、金属氧化物介电膜和电容器上面的电极的三层结构的电容器；和一种制备半导体器件的方法，该方法包括的步骤如下在半导体基片上形成MOS晶体管；在晶体管上形成第一夹层绝缘膜；在第一夹层绝缘膜中打开一个接头，所述的接头达到在MOS晶体管中的扩散层并且为了导电用金属插塞填充接头；在第一夹层绝缘膜上形成与金属插塞电学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用有机金属源气体在基底导电材料上形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，该介电膜具有用ＡＢＯ↓［３］表示的钙钛矿型晶体结构，该方法包括：在第一沉积条件下，在基底导电材料上形成初始钙钛矿晶核或初始无定形层的第一步骤，所述初始无定形层 具有无定形结构；和在第二沉积条件下，在第一步骤形成的初始晶核或初始无定形层上再生长具有钙钛矿晶体结构的膜的第二步骤，所述的第二沉积条件与第一沉积条件是不同的；其中，第一条件满足下述要求的至少一个要求：（ａ）比第二沉积 条件低的基片温度；和（ｂ）比第二沉积条件高的源气体压力。

【技术特征摘要】
JP 2001-3-9 67133/011.一种使用有机金属源气体在基底导电材料上形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，该介电膜具有用ABO3表示的钙钛矿型晶体结构，该方法包括在第一沉积条件下，在基底导电材料上形成初始钙钛矿晶核或初始无定形层的第一步骤，所述初始无定形层具有无定形结构；和在第二沉积条件下，在第一步骤形成的初始晶核或初始无定形层上再生长具有钙钛矿晶体结构的膜的第二步骤，所述的第二沉积条件与第一沉积条件是不同的；其中，第一条件满足下述要求的至少一个要求(a)比第二沉积条件低的基片温度；和(b)比第二沉积条件高的源气体压力。2.根据权利要求1所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中在第一和第二沉积条件中，压力相同而在第一沉积条件中的基片温度较低。3.根据权利要求1所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中在第一和第二沉积条件中，基片温度相同而在第一沉积条件中压力较高。4.根据权利要求1所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中在第一和第二沉积条件中，第一沉积条件同时满足两个要求(a)比第二沉积条件低的基片温度和(b)比第二沉积条件高的压力。5.根据权利要求1至4任何一项所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中在第一沉积条件下使用所有的有机金属源气体形成初始核或初始无定形层，所述有机金属源气体将成为用于金属氧化电介质的材料，并且在改变进料条件的第二沉积条件下，使用所有的有机金属源气体生长具有钙钛矿晶体结构的膜。6.根据权利要求1至4任何一项所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中在第一沉积条件下使用部分有机金属源气体形成初始核或初始无定形层，所述有机金属源气体将成为用于金属氧化电介质的材料，并且在第二沉积条件下，使用所有的有机金属源气体生长具有钙钛矿晶体结构的膜。7.根据权利要求6所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中当成分A和成分B的至少一种成分含有多种元素时，在第一沉积条件下使用的有机金属源气体同时含有成分A源和成分B源。8.根据权利要求1至7任何一项所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中加入具有良好自动控制性能的源气体进行第二沉积条件下的沉积，并且加入比第二沉积条件量大的成分A源进行第一沉积条件下的沉积。9.根据权利要求1至8任何一项所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中当同时使用Zr和Ti作为成分B时，在下面的条件下进行沉积，即与第二沉积条件相比，在第一沉积条件中的Zr源/Ti源的比率较小。10.根据权利要求6所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中当同时使用Zr和另外的元素作为成分B时，在第一沉积条件下的沉积是在没有加入Zr源气体的条件下进行的。11.根据权利要求1至7任何一项所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中当通过控制第一沉积条件中的温度和源气体压力的至少一种来控制晶体粒度时，进行沉积。12.根据权利要求1至11任何一项所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中当在第二沉积条件中的源气体总压力保持在200毫托或更低时，进行沉积。13.根据权利要求1至12任何一项所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中在第二沉积条件中的基片温度为470℃或更低。14.根据权利要求1至7任何一项所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，其中金属氧化物介电膜是PZT膜或BST膜。15.根据权利要求1至14任何一项所述的形成金属氧化物介电膜的气相生长方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：辰巳徹，
申请(专利权)人：日本电气株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]