带覆盖层的铁电装置及其制造方法制造方法及图纸

一种铁电装置（１００、２００）包括一个铁电层（１１２）和一个电极（１１６、１１０）。铁电材料是由一种钙钛矿或一种分层超晶格材料组成。在所述铁电层与所述电极之间沉积一种超晶格发生器金属氧化物作为覆盖层（１１４、２０４）以提高铁电层的剩余极化容量。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
1.专利
本专利技术涉及用于集成电路的薄膜领域，特别涉及铁电薄膜。更具体地，涉及一种用于提高铁电薄膜性能的覆盖层。2.问题陈述铁电薄膜具有在即使缺少应用电场的情况下保持感应极化状态的特征。如果在一个方向上的极化状态被定义为逻辑“0”极化状态而在相反方向上的极化状态被定义为逻辑“1”极化状态，并提供适当的电路检测极化状态，铁电薄膜可用来作为一个高速非易失性计算机存储器的信息存储介质。众所周知，这样的一个铁电存储器可通过使用铁电材料替代传统DRAM电容器电路的电绝缘电容器材料，并在读写回路中产生适当的变化从而应用铁电薄膜作为信息存储介质。具体实例参见，1998年7月21日颁发给库期柔(Cuchiaro)等的专利号为5,784,310的美国专利。由于即使在缺少应用场时铁电材料同样能够长期保持感应的极化状态，这种替代将DRAM单元转换成一个非易失性存储器单元。如颁发给亚码诺比(Yamanobe)等人的专利号为5,780,886的美国专利所述，由于铁电薄膜的非易失性极化状态，也可能形成一个由一个单一场效应晶体管组成的非易失性存储器单元。在使用薄膜铁电材料时引起的一个问题是，由于薄膜表面感应的电荷形成一个与应用场相反的场，薄膜表面缺少点电荷从而产生应用场屏蔽效应。因此，晶体的一些内部铁电区域不会暴露在应用场下从而具有足够的量来完成区域的极化。薄膜的极化性能由于场的屏蔽效应而受到影响。铁电存储器的密度受到从铁电材料获得的剩余极化量的限制。此外，由于随着使用时极化量的减少，在长期使用时前述薄膜铁电材料一般具有高的极化衰减率从而造成不可靠的存储性。而且，薄膜铁电材料的极化磁滞曲线相对零点电压或零场值上下移动或留下印痕也是可能的。最终，由于衰减或印痕问题，与已知铁电材料偶合的控制电路将不能读出材料的衰减极化状态，所以也不能保存或恢复信息比特。因此，为了提高铁电存储性能，需要增强薄膜铁电材料的极化量。衰减或印痕问题可通过使用分层超晶格材料而大大地解决，正如1998年7月21日授予库期柔(Cuchiaro)等的专利号为5,784,310的美国专利中所报道的。铁电钙钛矿类氧化分层超晶格材料是一种已知的自排序晶体，在适用于集成电路的薄膜中使用，例如，如1996年5月21日授予阿柔究(Araujo)等的专利号为5,519,234的美国专利中所报道的。术语“钙钛矿类”通常是指一些相互连接的氧八面体。主要的晶胞通常是由一个位于一个立方体内的氧八面体形成的，所述立方体是由氧原子占据了立方体表面中心的大A位金属和一个占据了立方体中心的小B位元素定义的。在一些实例中，氧八面体可以在缺少A位元素的情况下被保留。分层超晶格材料具有在分层结构中能找到热力稳定性的特征。当进行热处理时，超晶格金属的无序溶液能自发地形成一个单一的分层超晶格物质混合物，具有钙钛矿类八面体相对顺序层，和一个如氧化铋这样的超晶格发生器。合成的自排序结构形成了一个相对于重复的层具有双重周期的超晶格。分层的超晶格材料具有这种自排序能力，并且由此与在一个单独的沉积步骤中需要对每一层进行沉积的半导体异晶格截然不同。众所周知，由于一些如铋这样的元素在干燥和退火期间更具挥发性而且不成比例地从材料中挥发，所以如果使用化学计量的预处理器，能够减小分层的超晶格材料的极化性能。因此，经常使用采用了过多挥发性元素的预处理器，使得在干燥和退火之后所形成的材料近似符合化学计量。铋梯度也被实质上用来获得化学计量的最终分层超晶格材料。参见实例，1995年8月8日颁发给Watanabe等的专利号为5,439,845的美国专利。当采用一个梯度的装置显示出被增强的极化性能，同时也由于多层结构而具有相应的厚度，造成了铁电存储器较低的密度。为了提高铁电存储器和其它包含铁电材料的集成电路的密度，从而产生一种需求，需要从薄膜铁电材料，更具体地讲，从一种分层超晶格材料中获得更大的剩余极化量。解决方案本专利技术通过提供改进的具有增强剩余极化量的薄膜铁电装置，提高了技术工艺并解决了前述问题。这些改进是通过在电极和铁电材料之间增加一覆盖层来补偿铁电材料与电极接触面的损失获得的。采用本专利技术，所获得的剩余极化量提高了32％。根据本专利技术所述的一种铁电装置，包括一个基片，用来支撑一个从由钙钛矿和自排序分层超晶格材料组成的一组成分中选出的薄膜铁电层。铁电材料的顶端和底端或其中的一端被覆盖层“覆盖”。覆盖层最好为非铁电材料。一个电极在覆盖层的上面或下面。覆盖层最好至少有3nm厚，并最好直接与电极和铁电材料接触。覆盖层加入了一种超晶格发生器金属，通常为三价铋或三价铊。覆盖层材料最好是从一组由氧化铋、锶化铋、钽酸铋、铌酸铋和钽酸铋铌组成的成分中选出的。覆盖层最好覆盖位于顶端电极之下的铁电材料，但是如果有两个电极，如在铁电电容器中，覆盖层可以覆盖铁电层的顶端和底端。在优选实施例中，超晶格发生器金属与在自排序分层超晶格材料中的超晶格发生器金属相同。在优选实施例中，铁电材料层包括自排序分层超晶格材料实质上由铋元素组成，超晶格发生器金属实质上由铋元素组成。特别优选的分层超晶格材料是从由钽酸锶铋、铌酸锶铋和钽酸锶铋铌组成的一组成分中选出的。最佳的覆盖层材料是氧化铋。覆盖层最好至少为大约3nm厚，最好是在3nm到30nm的厚度范围内，而极佳的厚度范围是从5nm到20nm。这个范围的厚度能够提供合适的损失补偿，这样由于厚度足够小能够避免寄生电容的重大问题。使用覆盖层可通过提供一个从铁电材料到导电体的转变来防止场屏蔽。这种方法可以是一个非常薄并具有极佳的铁电特性的铁电装置。本专利技术的许多其它性能、目的和优点，将通过结合附图，在下面的描述中很容易理解。附图简述附图说明图1是根据本专利技术描述了一个在铁电层之上和顶端电极之下带有一个覆盖层的铁电装置。图2描述了一个在铁电层之下和底端电极之上带有一个覆盖层的铁电装置。图3按照图1和图2的方式，描述了一个不带覆盖层的比较装置。图4描述了一个从与图1对应的实例中获得的极化迟滞曲线。图5为从与图1、2、3对应的三个独立样品中获得剩余极化量的柱型图。图6为从与图1、2、3对应的三个独立样品中获得的强制场量的柱型图。优选实施例的详细描述一种改进的铁电装置图1描述了一种铁电装置100，包括一个支撑一个铁电电容器104的基片102。铁电装置100为一个薄膜铁电电容器，用于需要铁电材料的铁电存储器和其它集成电路。例如，铁电装置100在场效应晶体管(“FET”)中作为一个铁电电容器或作为一个门使用。基片102包括一个半导体晶片106，最好是硅，和一个绝缘层108，最好是二氧化硅。在集成电路工艺中，晶片106通常是指一个“基片”。这里术语“基片”更通常被用在为其它层提供支持的任意层或合成层。例如，用于铁电电容器104的基片102为快速绝缘层108，但也被广泛地认为包括晶片106和晶片106与绝缘层108的组合。作为传统工艺，我们也可以认为处于完成的不同状态的装置为基片，包括所有在参考时间点内完成的层。方位术语，如“在……上面”，“顶端”，“上面的”，“在……之下”，“底端”和“较低的”，在这里是相对于图1-3中的晶片106而言的，即，如果一个第二元素在一个第一元素之上，是指它比另一元素更靠近晶片106。长尺寸的晶片10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁电装置（１００、２００），包括一个基片（１０２），支撑一个从一组由钙钛矿和自排序分层超晶格材料组成的成分中选出的薄膜铁电层（１１２），一个电极（１１０、１１６），所述装置的特征在于在所述薄膜铁电层（１１２）和所述电极（１１０、１１６）之间存在一个至少３ｎｍ厚的覆盖层（１１４，２０４），所述覆盖层包括一种加入了超晶格发生器金属的非铁电性材料。

【技术特征摘要】
US 1999-1-14 09/229,8831.一种铁电装置(100、200)，包括一个基片(102)，支撑一个从一组由钙钛矿和自排序分层超晶格材料组成的成分中选出的薄膜铁电层(112)，一个电极(110、116)，所述装置的特征在于在所述薄膜铁电层(112)和所述电极(110、116)之间存在一个至少3nm厚的覆盖层(114，204)，所述覆盖层包括一种加入了超晶格发生器金属的非铁电性材料。2.一种铁电装置(100)，包括一个基片(102)，用于支撑一个从一组由钙钛矿和自排序分层超晶格材料组成的成分中选出的薄膜铁电层(112)，和一个电极(110、116)，所述装置的特征在于在所述薄膜铁电层和所述电极之间存在一个3nm到30nm厚的覆盖层(114)，所述覆盖层加入了超晶格发生器金属。3.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其中所述铁电层实质上由一种自排序分层超晶格材料组成。4.根据权利要求3所述的铁电装置，其特征在于所述超晶格发生器金属与所述自排序分层超晶格金属中的一种超晶格发生器元素相同。5.根据权利要求3所述的铁电装置，其中所述分层超晶格材料是从一组由钽酸锶铋、铌酸锶铋和钽酸锶铋铌组成的成分中选出的。6.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其特征在于所述超晶格发生器金属实质上由铋元素组成。7.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其中所述覆盖层直接与所述铁电材料和所述电极接触。8.根据权利要求1所述的铁电装置，其特征在于所述覆盖层具有从3nm到30nm范围的厚度。9.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其特征在于所述覆盖层具有从5nm到20nm范围的厚度。10.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其中所述电极为一个顶端电极(116)，所述顶端电极相对于所述铁电层(112)远离所述基片(102)。11.根据权利要求10所述的铁电装置，包括一个底端电极(110)存在于所述铁电材料与所述基片之间。12.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其特征在于所述覆盖层材料是从一组由氧化铋、锶化铋、钽酸铋，铌酸铋和钽酸铋铌组成的成分中选出的。13.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其特征在于所述覆盖层由氧化铋组...

【专利技术属性】
技术研发人员：林慎一郎，大槻建男，卡洛斯A帕斯德阿劳约，
申请(专利权)人：塞姆特里克斯公司，松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：US[美国]