氢损坏的铁电薄膜的惰性气体恢复性退火制造技术

一种集成电路，包含金属氧化物薄膜（１００，２００，３００，６０１）。进行恢复性退火以抵消由氢引起的铁电性能的降低。惰性气体恢复性退火处理在惰性气体氮、氩或者其它类似气体气氛中进行，其温度范围为３００℃～１０００℃，持续时间从一分钟到两个小时。金属氧化物薄膜包含钙钛矿物质如ＰＺＴ（钛酸铅锆）或者最好是分层超点阵材料象ＳＢＴ（钽酸锶铋）或ＳＢＴＮ（铌酸钽锶铋）。如果集成电路制造步骤包括成形－气体退火步骤４３２，那么惰性气体恢复性退火４３４在成形－气体退火４３２之后进行，并且最好与成形－气体退火处理的温度范围和持续时间相同。惰性气体恢复性退火处理避免了氧恢复性退火，并且它使得传统的富氢等离子体工艺和成形－气体退火处理能够继续使用，而没有铁电薄膜永久性损坏的危险。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

，已经报导了好几种在铁电氧化物材料中抑制或者抵消因氢引起的电子性能降低的方法。在高温(800℃)下进行大约一个小时的氧退火处理实际上可以完全恢复由于氢处理引起的铁电物质性能的降低。但高温氧退火本身也可能在硅晶体结构中引起缺陷，并且，它可能抵消前面任意一个成形-气体退火处理在互补金属氧化物半导体特性上的正面影响。特殊的金属化层和阻碍扩散层已经试用于减小氢的影响，这种氢的影响产生于高能处理步骤和成形-气体退火步骤中。典型的金属化方案涉及到一种在高于400℃的有氧环境中容易氧化的材料的使用。铝是主要的金属化材料，其熔点低，并且不能承受450℃以上的温度。具有阻碍氢扩散层的铁电材料的密封事实上不是完全有效的，并且它需要复杂的工艺方案，包括沉积和去除阻挡材料。因此，人们希望找到制造铁电集成电路的一种方法，这种方法能够消除由含氢处理步骤造成的电子性能的降低，但同时不在传统的互补金属氧化物半导体处理中进行本质上的改变，或者不引入复杂的加工方案，如不引入具有氢扩散阻挡层的铁电材料的密封工艺。3.解决方案本专利技术提供了一种制造集成电路中的铁电元件的方法，这种方法消除了在铁电氧化物材料中氢的有害影响，避免了复杂的和昂贵的方案的引入，同时也避开了达不到预期目的的氧退火。通过取消高温O2恢复性退火步骤和其它复杂的处理步骤，如取消具有扩散阻挡层的铁电物质的密封步骤(前面所述的用于使氢降低(hydrogen degradation)最小的基本步骤)，本专利技术的方法能够使FeRAM制造者继续使用传统的富氢等离子体工艺和成形-气体退火(为了表面状态处理)，同时又没有对铁电元件造成永久性损伤的危险。本专利技术的主要特征是进行惰性气体的恢复性退火处理，以便消除氢降低的影响，从而恢复铁电元件所需的电子性能和铁电性能。惰性气体恢复性退火更适宜用于氢等离子体处理、成形-气体退火步骤、以及其它在集成电路形成过程中导致还原性条件的高能步骤。用于惰性气体恢复性退火的气体可以是任意相对惰性的气体，如氮气和惰性气体，特别是氩气和氦气。纯的化学上的惰性气体或者不起化学反应的气体的混合物都可以使用。通常用氩气和氦气惰性气体进行恢复性退火。本专利技术的另一个特特征是铁电元件由金属氧化物组成。金属氧化物材料可以是ABO3型钙钛矿化合物，如PZT(钛酸铅锆)和PLZT(钛酸铅镧锆)；最好是分层超点阵铁电材料，如钽酸锶铋(SBT)或者铌酸锶铋钽(SBTN)。惰性气体恢复性退火最好在300℃～1000℃的温度范围内进行一分钟或者更长时间。如果集成电路制造过程包括成形-气体退火，则成形-气体退火通常在300℃～1000℃的温度范围内进行一分钟到两个小时。如果集成电路制造过程包括成形-气体退火，则惰性气体退火最好和成形-气体退火工艺的温度范围和时间期限相同。实验结果已经证明如果成形-气体退火在400℃～450℃范围进行大约30分钟，同时当惰性气体退火也在400℃～450℃范围进行大约30分钟，则铁电元件的铁电性能和电子性能几乎完全恢复。本专利技术的方法最好包括三种退火用于形成铁电材料的铁电退火；成形-气体退火；以及在惰性气体气氛中的恢复性退火。最好是，三次退火按照上述给定的顺序进行。本专利技术的许多其它特征、目的和优点将通过下面结合附图的描述逐渐变得清晰。附图的简要说明附图说明图1是利用本专利技术的方法制造的集成电路的一部分的剖面图，它展示了一个非易失性铁电存储器单元，其中，电容器横向偏离开关；图2是利用本专利技术的方法制造的集成电路的一部分的剖面示意图，它展示了一个堆栈式非易失性铁电存储器单元，其中，电容器位于开关上面；图3是利用本专利技术的方法制造的集成电路的一部分的横截面示意图，它展示了一个铁电材料晶体管；图4是按照本专利技术的最佳实施例制造非易失性铁电存储器的方法的流程图 图5是一个示例性晶片的顶视图，在晶片上面示出的是根据本专利技术制造的薄膜电容器的放大图；图6是图5中沿线6-6线切开的剖面的一部分，示意性地说明根据本专利技术制造的薄膜电容器元件；图7是钽酸锶铋薄膜电容器在3伏特电压下测定的磁滞曲线，图中，极化强度(μC/cm2)是电场(kv/cm)的函数，三条磁滞曲线分别是在成形-气体退火前、在430℃进行30分钟成形-气体退火后、以及在430℃进行30分钟N2气恢复性退火后测定的。图8是钽酸锶铋电容器在实用电压下与之相对应的泄漏电流(A/cm2)的曲线图，三条曲线分别是在成形-气体退火前、在430℃进行30分钟成形-气体退火后、以及在430℃进行30分钟N2气恢复性退火后测定的。图9示出了试验晶体管的漏电流1drain(安培)的常用对数与三种不同容积电压Vbulk(伏特)对应的栅电压Vgate(伏特)的函数关系图，曲线是在成形-气体处理过程(FGA)后以及在随后的N2气恢复性退火处理过程后测定的。图10示出了试验晶体管的漏电流1drain(安培)与三种不同容积电压Vbulk(伏特)对应的栅电压Vgate(伏特)的函数关系图，曲线是在成形-气体工艺(FGA)后以及在随后的N2气恢复性退火工艺后测定的。最佳实施例的详细说明1.概述应该理解图1-3、5-6所示的铁电材料集成电路器件不是指实际的集成电路器件中任意特殊部分的实际平面图和剖面图，这些层是不规则的，并且厚度可以有不同的比例。实际元件中的这些不同的层是弯曲的并且具有重叠边缘。这些图只是理想化示意图，它们可以比别的可能的方式更清楚、更全面地描述本专利技术的方法。此外，这些图仅仅表示采用本专利技术的方法制造的无数种铁电器件中的一种。图1描述了一种具有开关的铁电存储器，这个开关采用与铁电电容器电接触的场效应晶体管的形式。图2描述了一个具有堆栈式铁电电容器的铁电存储器，电容器通过插头与开关部件的下部相连接。但仍然希望使用本专利技术的方法制造一个铁电材料的场效应晶体管，其中，铁电部件如图3所示与开关元件连在一起。这种铁电材料场效应晶体管在授予McMillan的第5,523,964号美国专利中有所描述。同样的，其它使用本专利技术的方法制造的集成电路也可包括其它部件及材料的合成物。图1示出了非易失性铁电存储器单元部分(100)的一个实施例，它可根据本专利技术的方法来制造。制造集成电路的一般步骤包括制造金属氧化物半导体场效应晶体管和在本
公知的铁电电容器部件，这种铁电电容器还在许多文献中有记载，如授予Yoshimori的第5,561,307号美国专利。因此，图1所示电路的部件将在这里简单识别一下。在图1中，场氧化区104在硅基片102的表面上形成，源区106和漏区108在硅基片102内分别各自形成。栅绝缘层112在硅基片102上的源区106和漏区108之间形成。更进一步地，栅电极110在栅绝缘层112上形成。源区106、漏区108、栅绝缘层112以及栅电极110一起形成一个金属氧化物半导体场效应晶体管开关113。由硼掺杂磷硅酸盐玻璃(BPSG)组成的中间层介电层(ILD)114在基片102和场氧化区104上形成。粘结层116在ILD 114的一部分上形成，然后铁电薄膜电容器118在粘结层116上形成。例如粘结层116由钛制成，最好是具有200nm的厚度。铁电电容器118最好是在传统晶片140上形成，晶片140可以由硅、砷化镓或者其它半导体组成，或者由绝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造集成电路的方法（４１０），包含集成电路部分（１００，２００，３００，６０１）的形成步骤，这些集成电路部分（１００，２００，３００，６０１）具有铁电体金属氧化物材料薄膜（１２２，２２２，３２２，６２２）；其特征在于：把所述的集成电路部分（１００，２００，３００，６０１）置于惰性气体气氛中，在３００℃～１０００℃的温度范围内，进行一分钟或更长时间的惰性气体恢复性退火处理（４３４）。

【技术特征摘要】
US 1998-11-13 09/191,6341.一种制造集成电路的方法(410)，包含集成电路部分(100，200，300，601)的形成步骤，这些集成电路部分(100，200，300，601)具有铁电体金属氧化物材料薄膜(122，222，322.622)；其特征在于把所述的集成电路部分(100，200，300，601)置于惰性气体气氛中，在300℃～1000℃的温度范围内，进行一分钟或更长时间的惰性气体恢复性退火处理(434)。2.按照权利要求1的方法，进一步的特征在于所述的铁电体金属氧化物材料包含ABO3型的铁电钙钛矿物质。3.按照权利要求2的方法，进一步的特征在于所述的铁电钙钛矿物质包含从PZT(钛酸铅锆)和PLZT(钛酸铅镧锆)中选择的一种材料。4.按照权利要求1的方法，进一步的特征在于所述的铁电体金属氧化物材料包含铁电分层超点阵材料。5.按照权利要求5的方法，进一步的特征在于所述的铁电分层超点阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：维克拉姆乔希，纳拉杨索拉亚鹏，瓦尔特哈特纳，京特申德勒，
申请(专利权)人：塞姆特里克斯公司，英菲尼昂科技股份公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]