半导体器件及其制造方法技术

半导体器件包含底电极、顶电极和位于底电极和顶电极之间、由含有Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ和Ｏ的钙钛矿型铁电体制成的介电膜，介电膜包含由许多晶粒形成的第一部分，这些晶粒被具有许多方向的晶粒边界分隔开。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，特别地，涉及包含使用铁电材料的电容的。
技术介绍
最近几年，LSI(大规模集成电路)的应用领域得到了很大的扩展。特定地，LSI在过去主要应用于，例如，超级计算机、EWS(工程工作站)和个人计算机。然而，LSI如今主要应用于，例如，移动设备和多媒体系统。结果，在如今，除了低功耗和高速运算之外，对于LSI很重要的一点是要加入非易失性功能。而且，为了对LSI加入更高性能和更多功能，在LSI中引入新材料也是很重要的。例如，具有非易失性的铁电存储器(铁电RAM)最近得到了很大的关注，这种铁电存储器使用铁电膜——例如钙钛矿材料膜或铋叠层材料膜——作为用于存储信息的电容的介电膜。可用于取代闪存、SRAM(静态RAM)和DRAM(动态RAM)并且可用于内置逻辑电路的器件的铁电存储器非常有希望作为下一代存储器。而且，因为铁电存储器可在不使用电池的情况下高速工作，因而铁电存储器已开始应用于非接触卡——例如RF-ID(射频识别)——中。用于制作铁电存储器的材料包括高挥发性元素或制造过程中会扩散的元素，并且它们会与其它材料反应。结果，用于制作铁电存储器的材料极大地影响了制造过程。PZT膜——即Pb(Zr，Ti)O3膜——是用作铁电膜的最常用氧化物之一。PZT膜中所含有的铅(Pb)比PZT膜中所含有的其它元素具有更高的蒸汽压。因此，通常使用下面的方法来形成非晶膜首先在低温下形成非晶膜，然后在高温下进行热处理，将非晶膜转变成晶太膜。例如，广泛使用的是下面这种方法首先通过，例如，溅射的方法在室温下形成非晶PZT膜，然后在氧气气氛中对非晶PZT膜进行RTA(快速热退火)处理，以使该非晶PZT膜快速结晶。然而，由于在整个制造过程中难以控制Pb总量，因而非常难以高的成品率制造具有高精确重复性的半导体器件。还应指出的是，为了改善半导体器件的可靠性，使用氧化物——例如IrO2、RuO2、SRO(SrRuO3)或LSCO((La，Sr)CoO3)——来形成电容的电极。应当指出的是，电极材料中所含有的这些元素会扩散到PZT膜中并与Pb在晶粒边界发生反应，导致I-V特性退化和差的铁电特性。此外，在传统的结晶情形中，非晶PZT膜在氧气氛围中进行退火。这样，PZT膜的结晶呈现出柱状结构，如后所述，导致高的泄漏电流和开关持久性的恶化。在，例如，Jpn.Pat.Appln.KOKAI Publication No.2000-156473和U.S.Patent No.6,287,637B1中提到了PZT膜的使用。这些出版物中的每一篇都指出首先形成的PZT膜在Ar气气氛中进行退火，然后在氧气气氛中进一步将PZT膜进行退火。然而，退火处理之后PZT膜的结构在这些出版物的每一篇中都没有考虑。通常，难以获得泄漏特性非常好的铁电电容。如上所述，在传统铁电电容中，泄漏电流增大，疲劳特性退化，使得难以得到I-V特性和可靠性非常好的电容。通常，开发包含特性和可靠性非常好的电容的半导体器件以及制造该半导体器件的方法是极为重要的。
技术实现思路
根据本专利技术第一方面，给出半导体器件，包含底电极；顶电极；以及处于底电极和顶电极之间、由含有Pb、Zr、Ti和O的钙钛矿型铁电体制成的介电膜，介电膜包含第一部分，该第一部分由许多被具有许多方向的晶粒边界分隔开的晶粒形成。根据本专利技术第二方面，给出制造半导体器件的方法，包含在底电极上形成由含有Pb、Zr、Ti和O的钙钛矿型铁电体制成的介电膜；在介电膜上形成顶电极，形成介电膜包含通过在氧气气氛中退火在底电极上形成介电膜的第一部分；通过在惰性气体气氛中退火在第一部分上形成介电膜的第二部分。附图说明图1为一剖视图，示意性示出根据本专利技术第一实施方案的电容的结构；图2为一剖视图，示意性示出用作比较例(传统情形)的电容的结构；图3为一TEM图，示出根据本专利技术第一实施方案的电容的剖面结构；图4为一TEM图，示出用作比较例(传统情形)的电容的剖面结构；图5示出根据本专利技术的实施方案的电容的I-V特性；图6示出用作比较例(传统情形)的电容的I-V特性；图7涉及本专利技术某一实施方案，示出PZT膜中所含Ru的分析结果，该分析使用TEM-EDX来进行；图8涉及比较例(传统情形)，示出PZT膜中所含Ru的分析结果，该分析使用TEM-EDX来进行；图9示出关于电容中所含Pb总量对温度的依赖关系的ICP分析结果；图10示出关于电容疲劳特性的测量结果；图11示出关于电容印迹特性的测量结果；图12为一剖视图，示意性示出根据本专利技术第二实施方案的电容的结构；以及图13为一剖视图，示意性示出根据本专利技术第三实施方案的电容的结构。具体实施例方式现在将参考附图描述本专利技术的某些实施方案。第一实施方案图1示意性示出根据本专利技术第一实施方案的半导体器件中的电容的结构。图1中所示的电容在半导体衬底(未示出)——硅衬底——之上形成，用作非易失性铁电存储器中用于存储电荷的电容。现在将描述制造图1所示的电容的方法。第一步中，通过DC磁控溅射方法在下层膜——例如LP-TEOS氧化膜——上形成厚度100nm的Pt膜11。用于形成Pt膜11的溅射处理在Ar气气氛中进行20秒，输入功率设置在3kW。然后，通过DC磁控溅射方法在室温下形成SrRuO3膜(SRO膜)12。用于形成SRO膜12的溅射处理在Ar气气氛中进行11.5秒，输入功率设置在700W。然后，在氧气气氛中进行30秒550至600的热处理，以使SRO膜12结晶。下一步中，在SRO膜12上形成PZT膜13，即，Pb(Zr，Ti)O3膜。PZT是钙钛矿型铁电材料，由ABO3表示，至少含有Pb、Zr、Ti和O。铅(Pb)相当于位置A元素，Zr或Ti相当于位置B元素。在某些情形中，少量的另一种元素取代了位置A元素或位置B元素。现在将描述形成PZT膜13的步骤。第一步中，在室温下通过RF磁控溅射方法在SRO膜12上沉积非晶PZT，然后通过RTA处理在550至600下对非晶PZT膜进行30秒热处理，以使非晶PZT膜结晶。然后，在晶化PZT膜上沉积附加的非晶PZT膜，然后在550至600下对附加非晶PZT进行30秒RTA处理，以使附加非晶PZT膜结晶。结果，所形成的是总厚度130nm的晶化PZT膜13。如上所述，非晶PZT膜的沉积和退火重复两次以降低PZT膜13的表面粗糙度并且使得PZT膜13中的Pb均匀扩散。附带地，使用组分为，例如，(Pb1.15，La0.03)(Zr0.4，Ti0.6)O3的高密度标靶作为PZT标靶。此外，用于形成每层非晶PZT膜的溅射沉积在Ar气气氛中进行72秒，输入功率设置在1.5kW。现在将详细描述PZT膜13的退火步骤。考虑下层PZT膜(PZT膜的下层部分)，在温度达到550至600的最高温度之后，在氧气气氛中进行前15秒退火，然后在Ar气气氛中进行后15秒退火。从氧气向Ar气的切换顺序进行。另一方面，考虑上层PZT膜(PZT膜的上层部分)，在温度达到550至600之后，在Ar气气氛中进行前15秒退火，然后在氧气气氛中进行后15秒退火。从Ar气向氧气的切换顺序进行。PZT膜13b主要在在氧气气氛中进行的下层PZT膜退火步骤中得到，而PZT膜13a主要在随后的步骤中得到。下一步中，在PZT膜13上形成厚度10nm本文档来自技高网...

【技术保护点】
半导体器件，包含：底电极；顶电极；以及介电膜，位于底电极和顶电极之间，由含有Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ和Ｏ的钙钛矿型铁电体制成，介电膜包含由许多晶粒形成的第一部分，这些晶粒被具有许多方向的晶粒边界分隔开。

【技术特征摘要】
JP 2002-5-28 154585/20021.半导体器件，包含底电极；顶电极；以及介电膜，位于底电极和顶电极之间，由含有Pb、Zr、Ti和O的钙钛矿型铁电体制成，介电膜包含由许多晶粒形成的第一部分，这些晶粒被具有许多方向的晶粒边界分隔开。2.根据权利要求1的半导体器件，其中第一部分中所含的晶粒为圆锥形的或椭球形的。3.根据权利要求1的半导体器件，其中介电膜进一步包含第二部分，位于底电极和第一部分之间，由许多晶粒形成，这些晶粒被沿某一方向延伸的晶粒边界分隔开。4.根据权利要求3的半导体器件，其中第二部分中所含的晶粒为圆柱形的。5.根据权利要求3的半导体器件，其中介电膜进一步包含第三部分，位于顶电极和第一部分之间，由许多晶粒形成，这些晶粒被沿某一方向延伸的晶粒边界分隔开。6.根据权利要求5的半导体器件，其中第三部分中所含有的晶粒为圆柱形的。7.根据权利要求1的半导体器件，其中介电膜进一步包含第二部分，位于顶电极和第一部分之间，由许多晶粒形成，这些晶粒被沿某一方向延伸的晶粒边界分隔开。8.根据权利要求7的半导体器件，其中第二部分中所含有的晶粒为圆柱形的。9.根据权利要求1的半导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：有隅修，今井馨太郎，山川晃司，文范基，
申请(专利权)人：株式会社东芝，英芬能技术公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]