选择性沉积铋基铁电薄膜的方法技术

本申请叙述一种通过选择性化学气相沉积在衬底上选择性沉积铋基铁电膜的方法。沉积过程的选择性是通过选择衬底－母体的组合得到的，与特定的工艺参数组合，能确保在某些区域的高铋沉积率和在另一些区域的低铋沉积率。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及选择性沉积铋基陶瓷薄膜的方法。更具体而言，本专利技术涉及通过选择性化学气相沉积制备铋基铁电薄膜。钙钛矿铁电体，例如一般称作PZT的PbZr1-xTixO3，就是对这类应用最早被研究的材料。不幸的是，制备这些材料所采用的技术已经导致缺陷的形成，由于空穴的生成，这些缺陷改变了化学计量。由于这些困难，时常出现对装置寿命产生不利影响的退化问题，例如疲劳、老化和漏电流。最近，本领域的研究人员将他们的兴趣集中在采用有机金属气相沉积技术制备SrBi2Ta2O9(SBT)膜。因此，例如Desu等人在美国专利5,527,567中公开一种采用化学气相沉积技术沉积高质量层状结构的氧化物铁电薄膜的方法。这些膜是在温度450-800℃下沉积的。该专利权所有人特别注意到，在温度高于650℃时膜质量较差，而在温度低于600℃时膜质量却极好。然而发现，采用较低的温度，沉积速率降低，因而需要二步沉积，即在温度450-600℃下的短时间沉积和在温度600-700℃下的长时间沉积。Desu等人还发现，在采用高温的一步沉积方法中，在用作所研究电容器中的底电极的晶体材料上，不均匀的晶核的生成和晶粒的成长常常发生。如此制备的膜，晶体构件不均匀，表面形态粗糙。然而该专利权所有人发现，在二步沉积方法中，第一步产生均匀的晶核薄层，晶粒的成长发生在衬底的顶部，为第二步沉积提供均匀的晶核和晶粒成长条件。虽然本领域研究人员所述的这一现有技术和相关技术已经取得有限程度的成功，但并未证实包括采用多衬底在内的沉积是令人满意的。因此，例如就制备铁电体SBT薄膜而言，如果在化学气相沉积过程中有二种衬底例如铂和二氧化硅存在，沉积会在这二种衬底上进行。在高温下，靠近电极沉积铋的氧化物是不希望的，因为铋有迁移到衬底内部并与衬底成分化合的能力。不幸的是，这一结果抵消了采用这类技术沉积适用于计算机铁电随机存取存储器铁电介质的能力。沉积过程的选择性，是通过选择衬底/绝缘材料的组合得到的，这与被控制的工艺参数结合起来，能确保Bi2O3在导电材料上的高沉积效率，和Bi2O3在绝缘材料上的低沉积效率。采用另一种方案，沉积过程的选择性，是通过在Bi2O3沉积效率高的时帧过程中采用氧化物相，或利用沉积在电极上的附加薄层实现的。图2a是衬底部件在其上沉积阻挡层和包含下电极的材料层之后的正剖面图2b是图2a的构件在将图2a中沉积的二层形成图案，制成下电极后的正剖面图；图2c是图2b的构件由Bi2O3在其上沉积速度低的材料沉积和形成附加介电材料图案后的正剖面图；图2d是图2c的构件在下电极上化学气相沉积SBT和在附加介电材料层上沉积钽酸锶(SrTa2O6)后的正剖面图；图2e是图2d的构件在沉积上电极材料层后的正剖面图；和图2f是图2e的构件在平直和平面化后的正剖面图；图3a-3d是按照本专利技术制备的异型电容器的正剖面图。图3a是衬底部件的构件在其上沉积形成铂下电极图案后的正剖面图；图3b是图3a的构件，通过选择性化学气相沉积，在其上沉积SrBi2Ta2O9(SBT)层和钽酸锶层后的正剖面图；图3c是图3b的构件在其上沉积铂上电极后的正剖面图；图3d是图3c的构件在制成上电极图案后的正剖面图；图3e是通过器件略图A-A剖面的平面图，该器件包括在图3d所示的电容器中；和图4是在三苯铋分压(乇)对铋沉积率坐标系上的曲线图，它表示出分压的变化对铋的氧化物在铂和二氧化硅衬底上沉积选择性的影响。专利技术详述现在参见附图说明图1a，该图示出典型的铁电随机存取存储器元件(FRAM)的正剖面图。图中所示的是在硅衬底顶部上的绝缘衬底11，一般是二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)。在这二种衬底的界面上埋入硅衬底的是CMOS晶体管，其中包括源极12、漏极13和栅极14。源极12和栅极14分别连接到位线15和字线16上。漏极13连接到插头14上，插头被设计用作层叠电容器的引线，该层叠电容器具有下电极、铁电层和上电极层。气相沉积过程，通常是在温度400-700℃下在含氧的环境中进行的，插头一般是硅或钨制的，以避免加工过程中插头的氧化，可在层叠电容器的下电极与插头14之间，还可以中间层的形式沉积氧阻挡层。图1b示出在其上沉积任选的阻挡层17之后的图1a的构件。如果没有阻挡层存在，有可能发生氧化作用，以致在下电极和漏极之间造成断流。另外，阻挡层往往能阻碍原子从电极或铁电材料扩散到插头中。在图1b中还示出电容器的下电极18，它一般包含选自铂、钯、铑、金和钌的贵金属；选自钌的氧化物、锇的氧化物、铼的氧化物、铑的氧化物和铱的氧化物的导电金属氧化物，或LSCO、YBCO之类的混合金属氧化物；以及氮化钛或氮化锆之类的金属氮化物。本专利技术涉及选择性沉积含铋的铁电膜的方法。这类含铋的铁电膜是通过例如采用铋母体β-二酮盐制成的。在1997年11月20日提交的，题目为“采用低温化学气相沉积方法制备用于铁电存储器件的含铋陶瓷薄膜”的美国专利申请USSN＿＿，(委托书号ATMI-256A和＿＿)，和同时提交的，题目为“用于晶核控制化学气相沉积金属氧化物铁电薄膜的方法”的美国专利申请USSN＿＿(委托书号97 P 7961 US)中，叙述了采用β-二酮盐母体制备铋膜的方法，为此引入这二份专利作为参考。制造所需FRAM的下一个步骤，包括采用常规的光刻技术制造阻挡层和下电极。制出的构件示于图1c。就是在此时采用选择性沉积SBT的新方法。正如上面所指出的，二种衬底即下电极18和衬底部件11的存在与特定的加工参数相结合是本专利技术的关键。本专利技术的目的是保证优选在下电极上沉积SBT，在衬底的基面上不沉积，或沉积到有限的程度。在开始时提供具有高密度吸收位置的下电极和选择催化活化的电极材料有助于实现这一目的。其每一个特性都将保证铋氧化物的高沉积速率。贵金属和含贵金属的合金或上述类型的氧化物都适合于这种目的。另外，例如通过溅射腐蚀、化学后处理、蚀刻等方法将下电极的表面粗糙化，以及对下电极进行物理或化学预处理均适合于此目的。如此处理的下电极具有大量的吸收位置，这会提高SBT沉积的选择性。基衬底提供少量的吸收位置，而且在化学气相沉积条件下不是催化活化的。已经找到适合这种目的的典型材料是二氧化硅、氮化硅和某些不导电氧化物的金属氧化物，例如五氧化二钽和锶钛氧化物(SrTiO3)。母体的选择恐怕是金属氧化物化学气相沉积加工中最重要的因素。适合此目的的材料，在低蒸发温度下的蒸气压高，在衬底上的分解温度低，并且在环境条件下稳定。已经找到的适合选择性沉积的有机金属化合物是铋族化合物，它们选自三苯铋Bi(Ph)3、三甲苯铋Bi(Ph-Me)(正、偏或对位)，以及其它一取代或多取代的芳基铋化合物。另外，其它的铋母体对提供所需的选择性也是适合的，取决于所选的衬底组合和工艺参数。为此目的，能采用的铋母体是烷基铋、铋的醇盐、铋的羧酸盐、铋的双-二酮盐、铋酰胺和混合的配位体铋化合物。所需材料的沉积，可在常规的化学气相沉积设备，例如热壁反应器中进行。先将衬底放在反应室中，然后封闭反应室，将系统抽空到压力为约0.1-10乇。然后用约500-5000 sccm的气流将该室和衬底部件加热到温度500-700℃。已经找到能特别好地适合化学气相沉积SrBi2Ta2O9的化学母本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在具有绝缘和导电表面的衬底部件上选择性化学气相沉积铋基铁电薄膜的方法。

【技术特征摘要】
US 1997-12-23 08/996,5751．一种在具有绝缘和导电表面的衬底部件上选择性化学气相沉积铋基铁电薄膜的方法。2．按照权利要求1的方法，通过有机金属化学气相沉积在衬底部件上选择性沉积铋基铁电膜包括将具有绝缘和导电表面的衬底部件放入化学气相沉积设备中；在其中将衬底加热到高温；使衬底部件暴露在蒸发的有机金属母体中，有机金属母体包含由隋性气体载带到所述设备中的铋母体，将所述的母体热分解一段时间，以足以在导电的表面上沉积第一种金属氧化物薄膜和在绝缘的表面上沉积第二种金属氧化物膜；停止供给母体流；和从设备中取出衬底。3．按照权利要求2的方法，其中热分解是在温度400-700℃下进行的。4．按照权利要求2的方法，其中热分解是在压力0.1-10乇下进行的。5．按照权利要求2的方法，其中热分解是在气体流量100-20000sccm下进行的。6．按照权利要求2的方法，其中所述的铁电膜是SrBi2Ta2O9或其衍生物。7．按照权利要求2的方法，其中所述的铁电膜是Bi4Ti3O12或其衍生物。8．按照权利要求2的方法，其中母体是由固体或液体组合物蒸发产生的，组合物是由惰性载体气体载带到气相沉积设备中。9．按照权利要求2的方法，其中导电的材料是一种选自铂、钯、铑、铱、钌、锇和金的贵金属。10．按照权利要求9的方法，其中贵金属沉积在绝缘材料层上。11．按照权利要求9的方法，其中贵金属沉积在导体材料层上。12．按照权利要求2的方法，其中绝缘材料是二氧化硅。13．按照权利要求2的方法，其中绝缘材料是氮化硅。14．按照权利要求11的方法，其中所述的导电材料选自钛、钽、钨和搀杂的硅。...

【专利技术属性】
技术研发人员：F欣特迈尔，B亨德里克斯，JR勒德，P范布斯基尔克，TH鲍姆，
申请(专利权)人：西门子公司，先进技术材料公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]