具有铁电薄膜的铁电存储器及其制造方法技术

一种涂层，将包含金属的液体母体涂覆到第一电极（１２２），在氧环境中不超过３００℃的温度下，在热板上烘焙５分钟，然后在６７５℃进行ＲＴＰ退火３０秒钟。然后在７００℃氧或氮环境中退火１小时，以便形成厚度不超过９０ｎｍ的层状超点阵材料薄膜（１２４）。形成第二电极（１２６）以形成电容器（１２８），和在不超过７００℃的氧或氮环境中进行后退火。如果材料是锶铋钽，母体包含ｕ摩尔当量的锶，ｖ摩尔当量的铋和ｗ摩尔当量的钽，其中０．８≤ｕ≤１．０，２．０≤ｖ≤２．３和１．９≤ｗ≤２．１。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
1.专利
本专利技术总的来说涉及具有层状超点阵铁电材料薄膜的铁电存储器，薄膜具有小于90纳米或更薄的厚度，以及制造这种薄膜的方法。2.问题的提出铁电化合物具有用于永久集成电路存储器的良好的特性。如美国专利No.5，046，043，Miller所公开的。当铁电器件例如电容器具有所需要的电特性例如高的剩余极化、好的矫顽场、高的疲劳电阻和低的漏电流时，可将它用做永久存储器。已经研究将层状超点阵材料氧化物用于集成电路。如美国专利No.5,434,102，Watanable。层状超点阵材料在铁电存储器中呈现的特性的数量级优于交变型铁电材料，例如PZT和PLZT化合物。目前已经制造出了包含铁电元件的集成电路器件，该铁电元件具有层状超点阵材料。层状超点阵材料包括金属氧化物。特别希望铁电存储器是密集的；也就是说，在给定的芯片体积中，具有大量的存储单元。为了得到最大的密度，存储器的各个元件应尽可能的小，这就需要铁电材料膜尽可能的薄。然而，本领域已经知道当铁电膜做得更薄时，其临界电性能特别是铁电极化率恶化。看Physical Review第8卷第7期第3257-3265页(1973年10月)Batra et al的“铁电薄膜中的相转变、稳定性和去极化场”中的第3261页第一栏的底部和第二栏的顶部、图4和第3265页第Ⅳ结论部分的最后一句。实验已经证实Batra et al的理论分析是正确的。例如，IEEE关于超声波、铁电体和频率控制的会刊上Robert W.Vest和Jiejie XU的“从金属有机物母体得到的钛酸铅膜(PbTiO3 Film From Metalloorganic Precursors)”第13卷第6期(1998年12月)第711页地1栏第1段和714页最后一段。还可以看1996年5月21日出版的Carios A.Paz De Araujo et al的美国专利No.5,519,234，特别是图25和第34栏第28-33行的讨论。铁电存储器的极化率必须至少是每平方厘米7微库仑(μC/cm2)以便制造实用的存储器。例如欧洲专利公开号No.0489512A2第4页第3-7行和第5页第7-10行。如上面的参考文献中Vest论文和美国专利No.5,519,234所指出的，当制作低于140纳米至200纳米厚的的薄膜时，铁电材料的极化率通常低于上述水平。因此，当利用铁电材料薄膜时，通常要制作几个铁电材料的涂层以达到大约140纳米(1400埃)或更大的厚度，以便得到足够高的极化率来制造存储器。看1993年3月30日出版的Scott L Swartz和PterJ.Melling的美国专利No.5,198,269。制造密集铁电存储器的另一个障碍是在商业上实用的衬底上制作非常薄的薄膜是很困难的。通常，已经发现制造集成电路优质电子器件所需要的工艺参数例如退火温度也会引起小于大约100纳米厚的膜破裂或失效。为了增加铁电存储器的密度，特别希望得到极化率高于7μC/cm2而厚度大大低于100纳米的铁电薄膜，该铁电薄膜能够用商业上可行的工艺制造。3.专利技术概述本专利技术提供一种永久铁电存储器，具有商业上实用的铁电存储电容器，在该铁电存储电容器中，铁电材料的薄膜具有90纳米或更薄的厚度。本专利技术还提供一种制造这种薄膜的方法。该方法是液体淀积方法，其中用产物母体涂覆衬底，然后加热。最好是，不同加热步骤的温度不超过700。总的加热时间少于两小时。本专利技术的器件是铁电存储器，该铁电存储器包括厚90纳米(下文“nm”)或更薄的层状超点阵材料薄膜，在本专利技术的一个实施例中，厚度小于50纳米。在本专利技术的一个实施例中，层状超点阵材料包括锶、铋和钽。在这种情况下，上述材料最好包含u摩尔当量的锶，v摩尔当量的铋，w摩尔当量的钽，其中0.8≤u≤1.0，2.0≤v≤2.3和1.9≤w≤2.1。实验显示当u＝0.9和v＝2.18时，能得到好的结果。在另一个实施例中，层状超点阵材料还包括铌。在这种情况下，材料还包含x摩尔当量的铌，且1.9≤(w＋x)≤2.1。最好，u＝0.9和v＝2.18。本专利技术还提供一种厚度不超过90纳米的铁电材料薄膜的制造方法。该方法包含提供衬底和在加热母体时能自然形成超点阵材料的有效量的母体，上述母体包含一部分金属；将母体涂到电极上以形成涂层；在不超过700℃的温度下对涂层加热，加热的总时间不超过两个小时，以在衬底上形成厚90nm或更薄的层状超点阵材料薄膜。在本专利技术的一个方面，加热包含在不超过300℃的温度下干燥衬底上的涂层的步骤。另一个特征是干燥步骤是在富氧环境下进行的，时间不超过15分钟。一般，富氧环境是氧气环境(下文的“O2气”)。本专利技术的特征是加热包括快速热处理涂层的步骤。该快速热处理步骤是在不超过700℃的温度下进行的。在最佳实施例中，快速热处理是以100℃每秒的斜率进行30秒。本专利技术的一个重要特征是加热包括在不超过700℃的温度下进行对涂层进行退火的步骤，时间最好不超过一个半小时。在本专利技术的一个实施例中，该热退火是在富氧环境、一般是O2气中进行的。在本专利技术的另一个实施例中，退火是在无氧环境、一般是N2气中进行的。本专利技术的一个方面，衬底包括第一电极，方法包含在退火步骤后，在涂层上形成第二电极的步骤，以便形成电容器，然后进行后退火的步骤。在最佳实施例中，第一电极和第二电极包含铂和钛。后退火步骤是在不超过700℃的温度下进行的，最好时间不超过30分钟。在本专利技术的一个实施例中，后退火是在富氧环境、一般是在氧气中进行的。在本专利技术的另一个实施例中，后退火是在无氧环境、一般是N2气中进行的。在本专利技术的最佳实施例中，在涂覆母体涂层之前，在衬底上形成导电阻挡层。在本专利技术的方法的最佳实施例中，加热包括下列步骤烘烤涂层、快速热处理涂层、使涂层退火和使涂层后退火。本专利技术的特征在于在所有这些加热步骤进行过程中，时间总量不超过两个小时。在一个实施例中，层状超点阵材料薄膜的厚度不超过90nm。在另一个实施例中，薄膜厚度不超过50nm。在一个实施例中，层状超点阵材料包括锶、铋、钽。最好，相应的母体包括u摩尔当量的锶、v摩尔当量的铋和w摩尔当量的钽，并且0.8≤u≤1.0，2.0≤v≤2.3，1.9≤w≤2.1。利用实验母体溶液，其中u＝0.9和v＝2.18，根据本专利技术的方法制造的铁电电容器在铁电薄膜厚度为50nm或90nm时显示了很好的性能。在另一实施例中，层状超点阵材料包括锶、铋、钽和铌。最好，相应的母体包含u摩尔当量的锶、v摩尔当量的铋、w摩尔当量的钽和x当量的铌，并且，0.8≤u≤1.0，2.0≤v≤2.3，1.9≤w≤2.1，1.9≤x≤2.1和1.9≤(w＋x)≤2.1。最好，u＝0.9和v＝2.18。本专利技术的一个重要特征是在不超过300℃的温度下，在富氧环境、一般是O2气中烘烤衬底上的涂层。结合附图以及下面的描述，本专利技术的许多其它特征、目的和优点将更加明了。附图简要说明附图说明图1是根据本专利技术的具有永久铁电存储单元的集成电路的部分截面示意图，其中铁电电容器位于开关上；图2是流程图，显示了根据本专利技术的永久铁电存储器件的制造方法的最佳图6是漏电流曲线图，单位是A/cm2，作为单位为KV/cm的施加场的函数绘制，从图5的样品电容器测得。图7是在2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁电集成电路存储器单元（１００）包括：包含铁电薄膜（１２４）的铁电存储元件（１２８）和用于给所述铁电薄膜施加电场的电极（１２６），所述存储器单元的特征在于所述铁电薄膜具有９０纳米或更薄的厚度。

【技术特征摘要】
US 1999-1-11 09/228,5781.一种铁电集成电路存储器单元(100)包括包含铁电薄膜(124)的铁电存储元件(128)和用于给所述铁电薄膜施加电场的电极(126)，所述存储器单元的特征在于所述铁电薄膜具有90纳米或更薄的厚度。2.如权利要求1所述的铁电存储器单元，其特征还在于，所述厚度是500纳米或更薄。3.如权利要求1或2所述的铁电存储器单元，其特征还在于，所述铁电薄膜具有大于7μC/cm2的极化率。4.如权利要求1或2所述的铁电存储器单元，其特征还在于，所述铁电薄膜包括层状超点阵材料。5.如权利要求4所述的铁电存储器单元，其中所述层状超点阵材料包括锶、铋和钽。6.如权利要求4所述的铁电存储器单元，其特征还在于，所述层状超点阵材料包含u摩尔当量的锶，v摩尔当量的铋和w摩尔当量的钽，其中0.8≤u≤1.0，2.0≤v≤2.3和1.9≤w≤2.1。7.如权利要求4所述的铁电存储器单元，其中所述层状超点阵材料包含锶、铋、钽和铌。8.如权利要求7所述的铁电存储器单元，其特征还在于，所述层状超点阵材料包含u摩尔当量的锶，v摩尔当量的铋、w摩尔当量的钽和x摩尔当量的铌，其中0.8≤u≤1.0，2.0≤v≤2.3和1.9≤(w＋x)≤2.1。9.一种铁电集成电路存储器单元(100)包括包含铁电薄膜(124)的铁电存储元件(128)和用于给所述铁电薄膜施加电场的电极(126)，所述存储单元的特征在于，所述铁电薄膜包括层状超点阵材料，具有90纳米或更薄的厚度。10.如权利要求9所述的铁电存储器单元，...

【专利技术属性】
技术研发人员：纳拉杨索拉亚鹏，维克拉姆乔希，卡洛斯A帕斯德阿劳约，拉里D麦克米伦，林慎一郎，大槻达男，
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]