铁电电容器和半导体器件制造技术

本发明专利技术涉及一种铁电电容器和半导体器件，所述铁电电容器（３０）包括：下电极（３３）；在下电极（３３）上形成并具有钙钛矿型结构的铁电膜（３４）；以及在铁电膜（３４）上形成的上电极（３５）。铁电膜（３４）包括：具有第一晶系的第一铁电膜部分（３４Ａ、３４Ｃ），它沿与下电极（３３）和上电极（３５）中至少一个的至少一个界面上形成；以及具有第二晶系的第二铁电膜部分（３４Ｂ），第二晶系不同于第一晶系。（*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半导体器件，并更具体地涉及一种具有铁电电容器的半导体器件。然而，磁盘器件体积庞大，容易受到机械撞击并且耗电量大。磁盘器件的另一缺陷是在信息读/写操作过程中存取速度低。为了克服此缺陷，近年来经常使用EEPROM或闪存作为永久性辅助存储器，这些存储器是通过在浮动栅极上积累电荷而储存信息的。具体地，闪存具有与DRAM相似的单元结构并且能高集成密度地形成。因此，与磁盘器件相比，闪存正引人注意地成为一种大规模存储器。在EEPROM或闪存中，通过隧道绝缘膜向浮动栅电极中喷射热电子而写信息。这些存储器的缺陷是写操作较耗费时间以及由于重复执行信息的写/擦除操作而引起隧道绝缘膜降质。为克服这些缺陷，已提出铁电存储器(以下称作FeRAM)，它以自发极化的形式储存信息。此种FeRAM的结构与DRAM的结构相似，其中，每个存储器单元晶体管用作单个MOSFET。进一步地，存储器单元电容器中的介电膜用诸如PZT(Pb(Zr，Ti)O3)或PLZT((Pb，La)(Zr，Ti)O3)的铁电材料取代并进一步用SBT(SrBi2Ta2O3)取代。FeRAM能以高集成密度集成。铁电半导体存储器通过施加电场而控制铁电电容器的自发极化，从而，此种存储器的写速度比EEPROM或闪存的快1000倍或更多，在EEPROM或闪存中通过隧道绝缘膜向浮动栅中喷射热电子而写信息。另外，FeRAM的优点是其功耗减少到EEPROM或闪存的大约1/10。而且，由于不需要隧道绝缘膜，FeRAM的寿命增长并且它所执行的写操作是闪存存储器的大约100000倍。附图说明图1示出常规FeRAM 10的构造。如图1所示，FeRAM 10在p型Si基片11上构造，并在具有有源区域的p型阱11A上形成，此有源区域由场氧化膜12确定。在有源区域中，栅极13通过图中未示出的栅极氧化膜形成得与FeRAM的字线一致。进而，在基片11中在栅极13的两侧形成n+型扩散区域11B和11C，分别用作存储器单元晶体管的源极区域和漏极区域。在p型阱11A中在扩散区域11B和11C之间的位置上形成凹槽区域。栅极13被CVD氧化膜14覆盖，CVD氧化膜14还覆盖Si基片11与有源区域对应的表面。在CVD氧化膜14上形成铁电电容器C，铁电电容器C包括下电极15、在下电极15之上形成的铁电膜16如PZT膜、以及在铁电膜16之上形成的上电极17。铁电电容器C被诸如CVD氧化膜的绝缘膜18覆盖。上电极17经局部互连图案19A电连接到扩散区域11B，此局部互连图案19A在绝缘膜18中形成的接触孔与上电极17接触而在绝缘膜18和14中形成的接触孔与扩散区域11B接触。进一步地，通过在绝缘膜18和14中形成的接触孔，扩散区域11C电连接到形成FeRAM 10位线的电极19B。用保护绝缘膜20保护因此形成的FeRAM 10的整个表面。在常规铁电电容器中，下电极15经常由Ti/Pt层叠膜制成，并且在下电极15上形成的铁电膜16由PZT膜制成。对于此种铁电电容器，形成下电极15的Pt膜主要由取向在<111>方向上的Pt多晶体形成。因此，在Ti/Pt层叠膜上形成的铁电膜16的取向主要由下电极的取向决定，并且因而其取向主要在<111>方向上。亦即，已知此种铁电电容器具有所谓的(111)取向(参见J.Appl.Phys，1991年第一期，卷70，第382-388页)。图2为示出相关技术的铁电电容器C的结构的示意图。参照图2，铁电电容器绝缘膜16具有柱状PZT晶体的微结构，其中，柱状PZT晶体从下电极15向上电极17延伸并且每个晶体都取向在<111>方向上。已知PZT晶体属于四方晶系并具有在<001>方向上的自发极化。如图2箭头所示，在此种取向在<111>方向上的柱状晶体中，极化方向相对于连接上、下电极17、15的电场的方向倾斜。图3为示出此种铁电电容器的电特性的图形。在图3中，垂直轴代表极化，水平轴代表施加的电压。在图3中，白色圆圈表示当PZT晶体取向在<111>方向上时图2铁电电容器的电特性。黑色圆圈表示当PZT晶体取向在<001>方向上时图2铁电电容器的电特性。从图3可看出，无论在哪一种情况下，铁电电容器都清楚地表现出铁电材料所特有的磁滞特性。易于理解，当电容器绝缘膜16中的PZT晶体取向在所施加的电场方向或在<001>方向上时，与它们取向在相对于所施加电场倾斜的方向或在<111>方向上相比，铁电电容器具有更大的残余极化和更好的保持特性。当此种铁电电容器用作图1所示FeRAM的电容器C时，信息能以电容器C残余极化的形式保留。通过具有扩散区域11B、11C和栅极13的晶体管，在位线19B可读出此种铁电电容器的极化状态。而且，在写操作或擦除操作过程中，预定的写电压施加到位线19B以接通晶体管，从而在铁电电容器C的电极15和17之间施加足以翻转图3极化特性的电压。如图4所示，此种铁电电容器发生称为保持特性疲劳或下降的现象，其中，残余极化Pr的值，即保持特性随时间而降低。而且，已知当重复写“1”或“0”时，发生称为刻印(imprint)不足的现象。此刻印不足可从图5看到，图3的矫顽电压Vc随时间而漂移。图6示出使用取向在<111>方向上的PZT多晶体铁电膜的铁电电容器的保持特性与使用取向在<001>方向上的PZT多晶体铁电膜的铁电电容器的保持特性的比较。参照图6，可看到，使用取向在<111>方向上的PZT多晶体铁电膜的铁电电容器明显发生疲劳。相反，可看到，使用取向在<001>方向上的PZT多晶体铁电膜的铁电电容器几乎不发生任何疲劳。可以理解，对于取向在<111>方向上的PZT多晶体铁电膜，当一对相邻磁畴的极化方向不同时，应变在磁畴壁内积累，因应变引起的缺陷导致铁电膜的保持特性降低。对于使用取向在<001>方向上的PZT多晶体铁电膜的铁电电容器，相邻磁畴的极化方向平行并因而在磁畴壁内不发生此种应变积累。图7示出相同铁电电容器的矫顽电压的漂移量。参照图7，可看出，在PZT膜取向在<001>方向上的情况和在PZT膜取向在<111>方向上的情况下，以相似的方式发生矫顽电压Vc漂移。基于认识图6中所示的取向在<001>方向上的PZT膜几乎不发生极化随时间的降质，因此可假设在PZT膜中发生的任何矫顽电压漂移不是因图2所示磁畴壁内的应变或PZT膜本身降质而引起的。刻印特性的此种降质可假设是由电荷在PZT膜16和上电极17之间的或者在PZT膜16和相邻的下电极15之间的边界表面附近积累而引起的。本专利技术的另一个和更具体的目的是提供具有提高的保持和刻印特性的铁电电容器和半导体器件。为了实现以上目的，提供的铁电电容器包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁电电容器（３０），其中包括： 下电极（３３）； 在所述下电极（３３）上形成并具有钙钛矿型结构的铁电膜（３４）；以及 在所述铁电膜（３４）上形成的上电极（３５）， 所述铁电电容器（３０）的特征在于，所述铁电膜（３４）包括：具有第一晶系的第一铁电膜部分（３４Ａ、３４Ｃ），它沿与所述下电极（３３）和所述上电极（３５）中至少一个的至少一个界面上形成；以及具有第二晶系的第二铁电膜部分（３４Ｂ），所述第二晶系不同于所述第一晶系。

【技术特征摘要】
JP 2001-11-1 336576/20011.一种铁电电容器(30)，其中包括下电极(33)；在所述下电极(33)上形成并具有钙钛矿型结构的铁电膜(34)；以及在所述铁电膜(34)上形成的上电极(35)，所述铁电电容器(30)的特征在于，所述铁电膜(34)包括具有第一晶系的第一铁电膜部分(34A、34C)，它沿与所述下电极(33)和所述上电极(35)中至少一个的至少一个界面上形成；以及具有第二晶系的第二铁电膜部分(34B)，所述第二晶系不同于所述第一晶系。2.如权利要求1所述的铁电电容器(30)，其特征在于，所述第一晶系是三角晶系，并且所述第二晶系为四方晶系。3.如权利要求1所述的铁电电容器(30)，其特征在于，所述第一铁电膜部分(34A、34C)形成第一层和第二层，所述第一层和所述第二层分别沿所述下电极(33)和所述上电极(35)形成；并且所述第二铁电膜部分(34B)在所述第一层和所述第二层之间形成。4.如权利要求1所述的铁电电容器(30)，其特征在于，所述第一和第二铁电膜部分(34A、34B、34C)每一个都包含Pb、Zr和Ti。5.如权利要求1所述的铁电电容器(30)，其特征在于，所述第一和第二铁电膜部分(34A、34B、34C)具有表示为Pb(Zr1-x，Tix)O3的组成，在这，对于所述第一铁电膜部分(34A、34C)，x表示为小于0.48(x＜0.48)的组合参数，而对于所述第二铁电膜部分(34B)，x则表示为大于或等于0.48(0.48≤x)的组合参数。6.如权利要求1所述的铁电电容器(30)，其特征在于，所述第二铁电膜部分(34B)的取向为<00...

【专利技术属性】
技术研发人员：倉泽正树，丸山研二，
申请(专利权)人：富士通株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]