[发明专利]使用混合电极的多晶铁电电容器异质结构

说明书

本发明的领域

近来，具有高结晶品位的铁电薄膜已在硅衬底上长成，其中使用了缓冲层和模板的组成以引发结晶作用和形成所需的按特定的结晶取向的材料相。例如，已在化学净洗过的[100]Si晶片上使用以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)作为缓冲层以提供一种晶状的模板，供铜酸盐超导体后续层(如钇-钡-铜酸盐(YBCO))之生长。在美国专利No.5155658中，用一种高结晶品位的C-轴定向的YBCO为结构模板，供后续的一层假立方钛酸铅锆(PZT)钙钛矿铁电层和一层覆盖的YBCO电极层的生长，得出铁电记忆元件。然而，在Si-CMOS处理过程中呈现出高的生长温度这样一个问题。

过后，立方金属氧化物(如镧-锶-钴氧化物(LSCO))的较低温度的晶体生长获得了成功，其中使用了一层钙钛矿(例如钛酸铋(BTO))模板层引发LSCO和PZT铁电覆层中的C-轴定向，正如美国专利No.5270298中所述者。铁电器件的生成的进一步改进则在美国专利No.5248564中得到了实现，其中使用铅-镧-锆-钛酸盐(PLZT)于LSCO/PLZT/LSCO异质结构中，后者可通过一层BTO，或相似的钨酸铋(BWO)模板，相容地形成于CMOS SiO₂/Si衬底上。

尽管如此可克服温度的限制性和做到了CMOS的相容性，但在SiO₂/Si衬底上的异质结构的电导性仍然不足以供有效的集成电路应用之需。按照尚未审定的顺序号为08/318587的美国专利申请(1994年10月5日提出，且与本申请共同转让)所披露的操作，借助于在一层钙钛矿模板上的定向铂的中间外延淀积，已使这一缺点被消除。可是，额外的模板和结晶层生长的操作明显延长了器件的加工处理时间。

本发明的概述

本发明业已惊奇地发现，形成的一层钙钛矿(例如BTO)模板夹层可予废除，而常规地生长在打底过Ti，Ta或TiO₂的具有无定形SiO₂表面的商品级硅晶片衬底上的薄的金属(如铂)膜可提供所需的电层导电性，又能支持如LSCO，LaSrCrO₃，RuOx和SrRuO₃之类的任何数种金属氧化物电容器电极材料的良好的多晶生长，随后同样还可生长至少一种如PLZT或PZT之类的中间钙钛矿铁电层。这类材料的所要求的铁电性能，尤其就抗疲劳和印记(imprint)而言，并不受多晶体生长所影响且可借助掺杂％-10％镧和铌而进一步使之尽可能完善。

附图的简述

本发明将参照下列附图加以叙述，其中：

图1为本发明的铁电异质结构的代表性正视截面图；

图2为按本发明的，由生长于Si/SiO₂衬底上所得的强铁电异质结构的代表性X-射线衍射图形；

图3为生长于缺少一层SiO₂的衬底所得的弱铁电异质结构的代表性X-射线衍射图形；

图4为在LSCO电极底层生长所得的强铁电异质结构的代表性X-射线衍射图形；

图5为无LSCO电极底层生长所得的弱铁电异质结构的代表性X-射线衍射图形；

图6为测试以图2和图3为特征的异质结构而得到的对比滞后回线图；和

图7为测试以图4和图5为特征的异质结构而得到的对比滞后回线图。

发明详述

图1显示了按本发明制成的一个典型铁电异质结构记忆元件10，它包括作为衬底的单晶定向[001]硅片11，其表面已经过热湿式氧化以形成一层电子级无定形SiO₂层12，厚约100nm。在压电器件中特别有用的另一种硅覆盖层材料是四氮化三硅Si₃N₄。使用准分子激光器(248nm)，以范围为2-2.5J/cm²的能量密度，用脉冲激光淀积法(PLD)在SiO₂层表面于600-680℃的温度下生长约50nm钛打底层13，然后同样在Ti层13上生长一层50-150nm金属铂层。其它通用的生长技术，如溅射法，化学蒸气淀积法(CVD)，以及电子束沉积法，同样均可使用。