[发明专利]制造超晶格材料的快速递变退火方法

说明书

                   本发明的背景技术

1、本发明的技术领域

概括地来说，本发明涉及层状超晶格材料的制作，更具体地来说，是涉及一种构成铁电集成电路器件的制造方法，通过利用低温快速递变退火技术，铁电集成电路器件包括具有高极化率、低疲劳和低漏电流特性的层状超晶格材料的薄膜。

2、问题的提出

铁电化合物具有良好的特性而用于非易失性集成电路存储器。参见米勒的美国专利5046043。当铁电器件(例如电容器)具有所需的电特性时，例如高剩余极化、良好的矫顽场、高疲劳电阻和低漏电流，它可用作非易失性存储器。层状超晶格材料氧化物已被研究而用于集成电路。在Watanabe等人的美国专利5434102(1995年7月18日公布)和Yoshimori等人的美国专利5468684(1995年11月21日公布)中，描述了将这些材料集成于实际的集成电路中的过程。层状超晶格材料表现出铁电存储器中的特性，其数量级优于PZT(锆钛酸铅)及PLZT(锆钛酸铅镧)化合物。

集成电路中一种典型的铁电存储器包含半导体衬底和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)，它电连接一个铁电器件，一般是铁电电容器。目前应用和开发的层状超晶格材料包括金属氧化物。在传统的制作方法中，产生所需电子特性的金属氧化物的晶化需要在含氧气体中以高温进行热处理。在氧气中的加热步骤一般是在800℃到900℃范围之温度下进行30分钟到2小时。由于存在高温的活性氧，在半导体硅衬底的单晶结构中产生很多缺陷，例如悬挂键，导致MOSFET的电子特性的退化。在现有技术中利用约700℃之加热温度的处理来晶化层状超晶格材料，可获得良好的铁电特性。参见lto等人的美国专利5508226(1996年4月16日公布)。然而，在现有技术中公开的低温方法中的退火和其它加热时间为3至6小时之范围内，这在经济上不实用。更重要的是，在长达几个小时的时间中处于氧气之中，即使温度范围有所降低，会导致对半导体衬底和CMOS电路的其它元件的氧破坏。

集成电路制成后，氧化物的存在仍会引发问题，因为来自金属氧化物层状超晶格材料的薄膜的氧原子往往通过包含于集成电路中的各种材料扩散，并与衬底中及半导体层中的原子结合，形成不需要的氧化物。所形成的氧化物干扰集成电路的功能；例如，它们在半导体特性区域起着绝缘体的作用，因此构成虚电容器。原子从底层衬底和其它电路层扩散到铁电金属氧化物，这也是一个问题；例如，来自硅衬底和来自多晶硅接触层的硅被认为扩散到层状超晶格材料并使其铁电特性退化。对于较低密度的应用，铁电存储电容器被设置在底层CMOS电路之侧面，这可能会稍微减小电路元件之间不希望出现的原子扩散之问题。然而，随着对制造高密度电路的市场要求和技术能力的增大，电路元件之间的距离减小，元件之间的分子及原子扩散之问题变得更加尖锐。为了通过减小电路面积而获得高电路密度，存储单元的铁电电容器几乎被设置在开关元件(一般是场效应晶体管，以下记为“FET”)的顶部，该开关和电容器的底部电极通过导电插件实现电连接。为了抑制不需要的扩散，在铁电氧化物下、电容器的底部电极和底层之间设置一个隔离层。该隔离层不仅必须阻止氧和其它可能引发问题的化学成分的扩散，它还必须是导电的，使得电容器与开关之间实现电连接。对于当前的隔离技术，可允许的最大处理温度约为700℃。在700℃以上的温度下，最高温度的隔离材料降低并失去其扩散-隔离特性。另一方面，在现有技术中所用层状超晶格材料的最小可用制造处理温度约为800℃，在该温度下，所涂覆的超晶格材料(例如钽酸锶铋)被退火而获得良好的晶化。

在该技术中常见的是，在炉内退火(furnace annealing)前应用快速热处理(“RTP”)，以改进所涂覆的(特别是层状超晶格材料的)金属氧化物薄膜的铁电或介电特性。在帕兹德阿罗等人的美国专利5648114(1997年7月15日公布)和Watanabe等人的美国专利5825057(1998年10月20日公布)中描述了在氧退火前利用RTP的方法，在现有技术中公开的RTP一般是在700℃至850℃温度下进行约30秒的维持时间，然后再在800℃进行氧炉内退火达30至60分钟。这些处理温度都超出了以上所述的小于700℃之所需范围。

因此，基于以上原因，采用低温方法制造铁电集成电路中的层状超晶格材料将是有益的，它使得在高温下暴露于氧的时间被减至最小，并减小所用的最大温度。

                       解决方案