[发明专利]制造铁电集成电路的方法

说明书

本发明一般涉及层状超晶格材料和ABO₃型金属氧化物的制造，特别涉及保护铁电器件的元件不因氢受损伤的铁电集成电路的制造方法。

铁电化合物具有用于非挥发集成电路存储器的良好特性。见Miller的美国专利5046043。在如电容器等的电铁器件具有如高剩余极化、良好的矫顽场、高抗疲劳性和低漏电流等所需要的电特性时，可用作非挥发存储器。已研究将如PZT(lead titanate zirconate，锆钛酸铅)和PLZT(lanthanum lead titanate zirconate，锆钛酸铅镧)等含铅ABO₃型铁电金属氧化物实际用于集成电路。还研究将层状超晶格材料用于集成电路。见Watanable的美国专利5434102。层状超晶格材料化合物在铁电存储器中具有超过PZT和PLZT化合物几个数量级的特性。尽管已用这种层状超晶格化合物成功地制造了铁电存储器样品，但仍然没有利用具有所需要的电特性的ABO₃型氧化物或层状超晶格材料化合物经济且商业级数量地制造存储器的制造工艺。从缺乏制造高质量的铁电集成电路的经济实际的工艺方面来说，其中一个理由是，金属氧化物化合物在氢退火期间易于被氢还原。氢退火是CMOS集成电路存储器制造过程中常规的步骤，该步骤会导致某些重要铁电特性的退化。对于复杂的层状超晶格材料化合物来说尤其如此，尤其是层状氧化物因氢而倾向于退化。

集成电路中的一种典型铁电存储器件含有半导体衬底和与一般为铁电电容器的铁电器件电接触的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。铁电电容器一般含有位于第一，下电极和第二，上电极之间的铁电薄膜，这些电极一般含铂。在制造这种电路期间，会使MOSFET处于在硅衬底中引起缺陷的状态。例如，制造工艺一般包括高能步骤，如离子铣腐蚀和等离子腐蚀。缺陷还会在通常为500-900℃的相对高温下的铁电薄膜的结晶热处理期间产生。结果，在单晶结构的半导体硅衬底中产生了大量缺陷，导致了MOSFET的电特性退化。

为了恢复MOSFET/CMOS的硅特性，制造工艺一般包括氢退火步骤，该步骤中利用氢的还原性消除如悬空键等缺陷。已开发出各种技术来进行氢退火，例如在环境气氛中的H₂气热处理。一般情况下，氢处理在350℃-550℃下、典型地在450℃左右进行约30分钟。此外，还有其他几种集成电路制造工艺，通常在升高的温度下将集成电路暴露于氢中，例如淀积金属的CVD工艺，由硅烷或TEOS源生长二氧化硅的工艺。在涉及氢的工艺过程中，氢会通过上电极和电容器的侧面扩散到铁电薄膜中，还原铁电材料中的金属氧化物。所吸收的氢还会使铁电薄膜的表面金属化。由于界面处的化学变化，导致了铁电薄膜与上电极的粘附性下降。另外，上电极会被氧气、水、和氧化还原反应生成的其它产物向上推。结果，电容器的电特性下降，在上电极和铁电薄膜的界面处易发生剥离。此外，氢还会到达下电极，引起内部应力，使电容器从其衬底上剥离下来。由于这些金属氧化物特别复杂，且倾向于因氢还原而退化，所以这些问题对于含层状超晶格化合物的铁电存储器来说是严重的。

本发明提供一种制造用于集成电路的层状超晶格材料和ABO₃型金属氧化物薄膜的方法，可以减少氢热处理的不利影响，并保护铁电元件的良好电特性。

本发明的一个方面是在相对低的温度，200℃-350℃下进行H₂气处理步骤。

本发明的另一方面是进行少于30分钟的短时H₂气处理。

氢气的相对浓度为0.01-50％。热处理的气氛条件很宽，所以可以在例如大气压和存在氮或其它惰性气体的情况下进行。

按优选的方法，形成钛或硅的氮化物，覆盖铁电元件，用作氢的阻挡层。

本发明的再一方面是形成其中含有至少具有两种金属的氧化物材料薄膜的集成电路元件。在优选的实施方案中，该薄膜包括层状超晶格化合物。较好是在氧化物材料中至少有一种金属是过量的。本发明的再一方面是形成一种铁电材料，其中至少一种构成金属的量足以在铁电材料中形成单独的金属氧化物。在本发明的一个实施方案中，层状超晶格化合物包括铌酸钽铋锶(strontium bismuth tantalumniobate)。本发明的另一方面是过量存在的金属是铌或铋的方法。本发明的还有一个方面是形成具有层状超晶格化合物的金属氧化物元件，所说层状超晶格化合物含有化学元素铋、铌和钽，其中各化学元素的相对量选择为使因氢所致的电特性退化最小。