專利名稱：高－ε－介電層或鐵電層的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在一種襯底上制造高-ε-介電層或鐵電層的方法，特別是制造集成半導(dǎo)體儲(chǔ)存器用的方法。
在集成電路的制造中-ε-介電層或鐵電材料的重要性逐漸增加。由于這種材料的介電常數(shù)(幾百εr)高，占用面積小，或者由于鐵電體的極化方向不同，有可能使用一種非流體的儲(chǔ)存器結(jié)構(gòu)(FRAM)(斷電時(shí)不會(huì)丟失信息，不需要不斷更新)，它在集成電路中作為，例如，電容器的介電體使用。
這類材料的示例有鍶化鋇(BST)，鍶化鈦(ST)，鈦酸鉛鋯(PZT)，以及SBT(SrBi2Ta2O9),SBTN(SrBi2Ta2-xNbxO9)。制造這些材料是需要在含氧的高溫環(huán)境下(≥700℃)通過(guò)濺射、旋壓或沉積工序進(jìn)行的。當(dāng)在儲(chǔ)存器中使用時(shí)，例如在構(gòu)成層疊電容器的結(jié)構(gòu)時(shí)，第一電極要用鉑或釕等貴金屬作材料，因?yàn)樵谶@種條件下如果用多晶硅或鋁等普通導(dǎo)電材料作電極材料使用時(shí)會(huì)發(fā)生氧化。然而此類貴金屬電極卻會(huì)滲透氧，在電容器介電材料的制造過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致其深部結(jié)構(gòu)氧化，不能保證儲(chǔ)存器件中的第一電極和選擇晶體管的充分接觸。按照現(xiàn)有技術(shù)水平，為此需要在電容器介電體的下方有一層阻擋層來(lái)抑制氧的擴(kuò)散。即便有這層阻擋層，在電容器介電體的制造過(guò)程中仍然會(huì)有氧化的危險(xiǎn)，以致會(huì)使第一電極和選擇晶體管的導(dǎo)電接觸中斷。其主要原因除了高溫以外還有沉積或退火的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(高達(dá)60分鐘)。
根據(jù)A.Yuuki et al，在IEDM 95，技術(shù)文摘，115頁(yè)的一篇文章中發(fā)表的方法，在一種CVD法所制薄膜的結(jié)晶是在N2環(huán)境中進(jìn)行的。采用這種方法制成的膜層仍然具有很高的漏泄電流。
C.S.Hwang et al在Appl.Phys.Lett.67(1995),2819頁(yè)的一篇文章中介紹采用濺射法制成的BST膜層于550至750℃在氮和氧中的退火。然而這種方法仍然不足以作為制造儲(chǔ)存器之用，因?yàn)樵谘鯕庵杏谶@樣的溫度下進(jìn)行退火會(huì)使阻擋層產(chǎn)生劇烈氧化，會(huì)導(dǎo)致選擇晶體管的導(dǎo)電連接中斷。
因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種溫度負(fù)荷有所減低的高-ε-介電層或鐵電層的制造方法。通過(guò)權(quán)利要求1的特征就可以完成這項(xiàng)任務(wù)。
按照本發(fā)明要用至少有三個(gè)步驟的避免阻擋層氧化的多道工序。在第一道工序中，在低溫(T1＜500℃)襯底上濺射膜層。經(jīng)過(guò)這樣制成的膜層仍然不是結(jié)晶體或者是很小的晶粒。結(jié)果是ε很小。第二道工序是在較高的中等溫度(T2:500至900℃，最好是600至800℃)在一種不含氧氣的惰性氣體中的RTP(迅速熱處理)工序。最合適的是一種氮?dú)鈿夥?、氬氣或?N2混合氣體。N2氣氛阻止阻擋層氧化，因?yàn)樗械难踉匾呀?jīng)都在膜層中形成化合物。經(jīng)過(guò)這道工序之后，膜層雖然有高的ε，但是漏泄電流仍然很大，泄漏電流仍然會(huì)返回到膜層中的氧空位。在第三道工序中，是在含氧氣氛中在低溫或中溫(T3:200至600℃，最好是300至500℃)進(jìn)行的后處理。此時(shí)在膜層中引進(jìn)了氧氣，使漏泄電流降低多個(gè)數(shù)量級(jí)。ε略有降低。后處理的持續(xù)時(shí)間可以在1小時(shí)以下(典型的是1至15分鐘)，在這道工序中的溫度不要選得過(guò)高，借以防止阻擋層氧化。


圖1所示是在可以采用本方法的一種半導(dǎo)體集成電路中的一種儲(chǔ)存器器件，圖2所示是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的溫度時(shí)間曲線圖。
圖1所示是在設(shè)有選擇晶體管的電容器(層疊器件)中的DRAM-儲(chǔ)存器器件中應(yīng)用本發(fā)明的一個(gè)示例圖。該圖表示在一塊硅襯底1之中設(shè)有一個(gè)MOS晶體管，其中包括兩個(gè)摻雜半導(dǎo)體材料的部位3、4，以及在襯底上設(shè)置的門電路5。電路中的無(wú)源區(qū)用一層絕緣層2覆蓋。一個(gè)絕緣層6覆蓋晶體管，其中有一條引線7接至摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)3，另外有一條處于圖中所示范圍以外的引線接至摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)4。引線7可以，例如，用多晶硅或鎢制造，用來(lái)填入絕緣層6中蝕刻接觸孔中。然后采用慣用的方法敷設(shè)用氮化鎢(或WTiN,TiN,TaN等)割成的、厚度為30nm的擴(kuò)散層9，至少將引線7的全部裸露表面覆蓋。接著敷設(shè)第一電極8，例如，采用濺射法或MOCVD法敷設(shè)一層鉑層，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸こ尚?。也可以將阻擋層敷設(shè)在電極8上，或者也可以用阻擋材料制作電極。截至此時(shí)制成的結(jié)構(gòu)是用作高-ε-介電層或鐵電層的1-9的載體。然后在載體上或電極8上敷設(shè)一層BST層，作為電容器的介電體10。為此要用三道工序。第一道工序是在350℃最高溫度的襯底上濺射敷設(shè)BST，其層厚在10至200nm。僅只在濺射過(guò)程中將襯底以及在其上面敷設(shè)的BST層加熱到T1的溫度。但是這樣沉積的BST層仍然還不是晶體，或者只是很小的晶粒。在經(jīng)過(guò)濺射之后，BST在第二道工序中采用一種RTP法在氮?dú)鈿夥罩薪Y(jié)晶。此時(shí)的溫度為700℃，持續(xù)時(shí)間約為60秒。在氮?dú)鈿夥罩凶钃鯇?的氧化受阻。接著進(jìn)行對(duì)于BST有決定性意義的第三道工序，就是在400℃在空氣、氧氣或者O2/N2混合氣體中進(jìn)行3分鐘的后處理，借以使BST充氧，并且將泄漏電流減小多個(gè)數(shù)量級(jí)。O2的分壓對(duì)于BST的質(zhì)量有影響。根據(jù)對(duì)這三道工序的說(shuō)明，就能夠按照所述的結(jié)構(gòu)制成ε＞200，漏泄電流為10-8A/cm2的BST層。最后以利用，例如鉑制成第二電極而告終。
圖2所示是在圖1所述方法中的溫度-時(shí)間曲線圖。
權(quán)利要求
1．在一載體(1至9)上制造高-ε-介電層或鐵電層的方法，具有下列工序1)在低于500℃的低的T1溫度下濺射層件(10)，2)在一種惰性氣體中，在500-900℃的溫度范圍內(nèi)的T2溫度下進(jìn)行一道RTP工序，3)在一種含氧氣氛中，在200-600℃的溫度范圍內(nèi)的T3溫度下，對(duì)層件(10)進(jìn)行退火。
2．如權(quán)利要求1的制造方法，其中，溫度T2在600-800℃的溫度范圍內(nèi)。
3．如權(quán)利要求1至2之一的制造方法，其中，溫度T3在300-500℃的溫度范圍內(nèi)。
4．如權(quán)利要求1至3之一的制造方法，其中，第二道工序是在一種氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行的。
5．如權(quán)利要求1至4之一的制造方法，其中，第三道工序的氣氛是由氧氣或空氣構(gòu)成的，其持續(xù)時(shí)間是1至15分鐘。
6．如權(quán)利要求1至5之一的方法在集成儲(chǔ)存器件中的一種電容器介電體的制造中的應(yīng)用。
全文摘要
本方法是一種多道工序的方法。其中,第一道工序是:在低溫下濺射層件;在第二道工序中,在惰性氣體氣氛中,于中溫或者高溫下進(jìn)行RTP工序;在第三道工序中,在含氧氣氛中,在低溫或中溫下,對(duì)層件進(jìn)行退火處理。溫度負(fù)荷明顯小于普通的方法。采用這種方法制造集成儲(chǔ)存器件時(shí),可以防止敷設(shè)在下方的阻擋層氧化。
文檔編號(hào)H01L21/3205GK1231760SQ97198370
公開日1999年10月13日 申請(qǐng)日期1997年9月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月30日
發(fā)明者W·哈特納, G·欣德勒, R·布魯赫豪斯, R·普里米格 申請(qǐng)人:西門子公司