[发明专利]具有相同特性的存储单元的半导体存储器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有铁电电容器的半导体存储器。尤其是，本发明涉及用于在半导体存储器的整个存储单元阵列区域上获得一致的工作特性的技术。

背景技术

具有铁电电容器的半导体存储器是常规已知的。这种常规半导体存储器的例子，将用逻辑电路嵌入式FeRAM(铁电随机存取存储器)来描述。图1表示逻辑电路嵌入式FeRAM的宏观电路布局的一个例子。

参考图1，宏观的逻辑电路嵌入式FeRAM具有多个存储单元阵列。读出放大器在水平方向被安排在每个存储单元阵列之间，字线和板线驱动器的垂直方向被安排在以读出放大器和存储单元阵列为一组之间。另外，X译码器被安排在最上层字线和板线驱动器的上面，Y译码器被安排在各组读出放大器和存储单元阵列的左侧。在存储单元阵列与读出放大器之间，以及存储单元阵列与字线和板线驱动器之间，提供有一定空间。以后这个空间叫做“连接区”。

图2表示存储单元阵列的FeRAM单元的电路图。如图2中所示，FeRAM单元由两个晶体管和两个铁电电容器组成，作为2T2C单位单元。由2T2C构成的FeRAM单元，通过给铁电电容器施加两个不同极性的电压保持数据。在读出数据时，板线从地电压偏置到电源电压，从带有反转极性的铁电电容器来的电荷，和从带有非反转极性的铁电电容器来的电荷，被输出到一对位线上。然后，这对位线上的电压差被读出放大器放大并往外输出。

图3表示以上述方法形成的常规逻辑电路嵌入式FeRAM的横断面图，逻辑电路嵌入式FeRAM有3层接线结构。逻辑电路嵌入式FeRAM包括：安排有FeRAM单元的存储单元阵列区，安排有外围电路例如读出放大器，字线驱动器和板线驱动器的外围电路区，和形成在它们之间的连接区。

在存储单元阵列区中，铁电电容器由上电极、铁电薄膜和下电极组成，并被形成在包含第三金属接线的最上层铝接线层上。在连接区中，以斜线表示的伪电容器上由电极、铁电薄膜和下电极组成。伪电容器的作用是防止在连接区的光刻处理或干刻蚀处理中产生二维效应，例如邻近效应和图形疏密效应，从而使铁电电容器形成时，在整个存储单元阵列上具有预定的尺寸。

顺便说明，如上所述，存储单元阵列有处于铝接线层上的铁电电容器，并有由钨组成的接触插塞。当在高温(600℃至750℃)下退火以形成铁电电容器时，铝接线层被毁坏。所以，通常是在相对低的温度下采用晶体管生长法形成铁电电容器。在这种情况下，基本上是在450℃或更低的生长温度下形成铁电电容器，以保持接触插塞和铝接线的可靠性。一般来说，当作为铁电薄膜的PZT(Pb(Zr_x，Ti_1-x)O₃)薄膜的生长温度降低时，PZT的晶态会降级，铁电特性下降。

图4中的特性1(实线)表示PZT在450℃的生长温度下被形成时的铁电特性。在这种情况下，能形成较高极化强度的铁电电容器。特性2(虚线)表示PZT在430℃的生长温度下被形成时的铁电特性。在这种情况下，形成较低极化强度的铁电电容器。

图5表示试验用的存储单元阵列(它包含电压测量用的单元)的全部FeRAM单元的位线电压差。在图5中，以斑点的疏密方式表示位线电压从0V至大约1.3V。深色部分表示较大的位线电压差。每个FeRAM单元有在430℃的生长温度下制造的PZT薄膜。当位线电位有效期较大时，FeRAM单元有较大的位线电压差或工作容限。参考图5，FeRAM单元的工作容限在右侧区和中心区较大，FeRAM的工作容限在上侧区和左侧区较小。工作容限取决于铁电电容器的特性，如图4中所示。就是说，当极化强度像特性1那样高时，工作容限大，当极化强度像特性2那样低时，工作容限小。

与FeRAM单元的物理位置有关的工作容限的偏离，来源于FeRAM单元的特性差异，如图5中所示。可以认为，这种偏离是基于PZT薄膜形成时铁电电容器的下电极(它一般由铂(Pt)组成)的表面温度。