[发明专利]制造铁电存储器件的方法

说明书

本发明涉及一种半导体器件，特别涉及一种铁电存储器件及其制造方法。

现代数据处理系统需要存储于其存储器中的信息的主要部分能够随机存取，以确保快速存取这种信息。由于这种半导体技术执行的存储器的高速度工作，已开发了铁电随机存取存储器(FRAM)，并且FRAM具有非易失性的显著优点，这是由于铁电电容器包括一对电容器极板及夹在两极板间具有两种不同稳定极化态的铁电材料获得的，这两种极化态可以用通过依据所加电压标绘极化度描述的滞后回路限定。

近来，这种铁电材料的应用已达到了商业应用于半导体工业的程度。铁电存储元件是非易失的，用例如低于5V的低电压可编程(快擦写存储器用18-22V)，具有低于纳秒级的快速存取时间(快擦写存储器为微秒级)，并相对于实际无限次数的读和写周期数耐久性强。这些存储器元件的功率消耗也低(低于1微安的备用电流)，并具有防辐射能力。

允许集成电路应用中的这种发展的铁电材料包括钙钛矿结构铁电介质化合物，例如，锆钛酸铅PbZr_xTi_1-xO₃(PZT)、钛酸锶钡(BST)、PLZT(锆钛酸镧铅)和SBT(锶铋钽)。

铁电存储器的制造工艺中，关键一点是获得铁电特性，而没有任何退化以及获得一个电容器/一个晶体管结构和多级金属结构。特别是，在PZT的情况下，铁电特性与利用淀积后退火制造的钙钛矿结晶结构的量直接相关。由于PZT膜按异质结构形式形成，所以利用淀积后退火形成钙钛矿结晶结构受与之接触的材料如电容器电极(即下电极和上电极)的影响很大。特别是，铂催化还原反应，即很容易氧化PZT，因而在各电极和PZT间的界面处引起了不可接受的缺陷，造成了PZT的钛不足(容易氧化)，最终导致了可靠性问题。

考虑到上述问题作出了本发明，因此本发明的目的是提供一种制造铁电存储器件的方法，具有改进的铁电特性，例如高温保持性、高读/写持久性。

为了实现这个和其它优点，根据本发明，制造铁电存储器件的方法包括在半导体衬底上形成第一绝缘层。在半导体衬底中和上的有源区上已经形成多个运行晶体管。每个晶体管包括具有绝缘帽盖层的栅极和一对从栅极的侧向边缘延伸且在有源区内到一预定深度的源/漏区。

铁电电容器组形成于第一绝缘层之上。铁电电容器组包括从第一绝缘层开始的下电极、铁电膜和上电极。还可以在下电极之下形成粘附/阻挡层。粘附/阻挡层由例如二氧化钛(TiO₂)构成。下电极由具有导电氧化物电极和铂电极的多层构成。导电氧化物电极由例如利用DC磁控溅射技术形成的二氧化铱(IrO₂)构成。铂电极用于有利地提供用于铁电膜淀积的良好结晶结构。还可以采用其它合适的电极。铁电膜由PZT(锆钛酸铅)构成。所得PZT铁电膜具有比锆酸盐高的钛含量。例如，钛和锆酸盐的组分约为3∶2、7∶3或4∶1。上电极由依次层叠的二氧化铱和铱的多层结构构成。进行光刻工艺，形成铁电电容器。构图电容器后，形成扩散阻挡层，以覆盖铁电电容器。下一工艺步骤是形成互连。在所得结构上形成第二层间绝缘层。在第二层间绝缘层和扩散阻挡层中形成到达下电极的第一开口。为了将作为还原剂的铂电极对PZT膜的催化作用减至最小，通过快速热退火或处理炉，在约450℃，在氧气氛中进行热处理。这种氧气氛热处理有助于稳定二氧化铱电极形成，将铁电膜和下电极间界面处的缺陷减至最少，并将二氧化铱电极的应力变化减至最小。在第一开口中和第二层间绝缘层上形成第一反应阻挡层。在阻挡层、第二和第一层间绝缘膜中形成到达源/漏区的第二开口。在所得结构上形成第二反应阻挡层，然后在其上淀积主金属层。

结合以下介绍、所附权利要求书及附图可以更好地理解本发明的这些和其它特点、方面和优点，其中：

图1A-1J是根据本发明在铁电电容器的选择工艺阶段的半导体衬底的剖面图；

图2A展示了本发明的铁电电容器的滞后回路；及

图2B展示了现有技术的铁电电容器的滞后回路。

下面与本发明的目的一致，具体说明制造铁电存储器件的方法。图1A-1J是在铁电电容器的选择工艺阶段的半导体衬底的剖面图。参见图1A，提供具有在其有源区上的晶体管104及第一绝缘层106的半导体衬底100。有源区被具有预定图形的器件隔离区102包围。晶体管104包括具有绝缘帽盖层的栅极，和一对从栅极的侧向边缘延伸且在有源区内到达预定深度的源/漏区。