專利名稱：形成鐵電膜的方法及使用其形成電容器和存儲器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成材料膜的方法及制造使用該材料膜的器件的方法，更具體而言，涉及一種形成鐵電膜的方法及采用形成該鐵電膜的方法制造電容器和半導(dǎo)體存儲器件的方法。
背景技術(shù)：
鐵電隨機(jī)存取存儲器(Ferroelectric Random Access Memory，F(xiàn)RAM)和磁隨機(jī)存取存儲器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)是期望取代閃存(flash memory)的非揮發(fā)存儲器。
FRAM包括使用鐵電膜作為電介質(zhì)的晶體管和電容器，且MRAM包括磁隧穿結(jié)層(magnetic tunneljunction layer)，取代電容器作為數(shù)據(jù)記錄材料。
通常，F(xiàn)RAM可以采用兩種工藝制造用于在基底上形成場效應(yīng)晶體管(FET)的工藝，以及用于在FET形成于其中的所得結(jié)構(gòu)上形成有待于連接到該FET的鐵電電容器的工藝。鐵電電容器的主要工藝是在下電極上形成鐵電膜。鐵電膜是具有大于常規(guī)電容器中的電介質(zhì)膜的介電常數(shù)的電介質(zhì)。即，鐵電膜具有更好的抗蝕刻性，且因此，蝕刻鐵電膜是困難的。
因此，已經(jīng)提出易于形成鐵電膜的各種方法，例如化學(xué)溶液淀積(CSD)法。CSD法具有簡單和容易控制組分的優(yōu)點(diǎn)。然而，CSD法也具有缺點(diǎn)，階梯覆蓋率(step coverage)差，且由于鐵電膜是在高于600℃的溫度下形成的，因此當(dāng)鐵電膜形成時，組成該FRAM的材料被熱破壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種形成鐵電膜的方法，該方法可以減小當(dāng)鐵電膜形成時對FRAM的其他組分的熱破壞。
本發(fā)明還提供了一種使用形成鐵電膜的方法制造半導(dǎo)體器件的電容器的方法。
本發(fā)明還提供了一種使用制造該電容器的方法的制造半導(dǎo)體器件的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種形成鐵電膜的方法，該方法包括制備適合于淀積鐵電膜的基底、在該基底上淀積非晶鐵電膜、和通過照射激光束到該非晶鐵電膜而結(jié)晶該非晶鐵電膜。
在基底上淀積非晶鐵電膜可以包括在基底上涂覆包含鐵電膜源(ferroelectric film source)的化學(xué)溶液、固化該化學(xué)溶液、和預(yù)退火所得產(chǎn)物。預(yù)退火可以在500-550℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
激光束可以是XeCl準(zhǔn)分子激光束或者KrF準(zhǔn)分子激光束之一，且激光束的照射可以在氧或氮?dú)夥障?、基底保持低?00℃的溫度的狀態(tài)中進(jìn)行?；瘜W(xué)溶液可以通過在300℃下烘烤5分鐘而固化，且可以重復(fù)進(jìn)行化學(xué)溶液的涂覆和化學(xué)溶液的固化。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造電容器的方法，該方法包括形成下電極、在該下電極上形成非晶鐵電膜、通過照射激光到非晶鐵電膜而結(jié)晶非晶鐵電膜、以及在結(jié)晶化的鐵電膜上形成上電極。
此處，在下電極上形成非晶鐵電膜可以包括在基底上涂覆包含鐵電膜源的化學(xué)溶液、固化該化學(xué)溶液、和預(yù)退火該固化的所得產(chǎn)物。
預(yù)退火、激光束的照射、和化學(xué)溶液可以如形成鐵電膜的方法中一樣進(jìn)行。
鐵電膜可以是從包含PZT膜、SBT膜、BLT膜和BNT膜的組中選擇出的一種。
根據(jù)本發(fā)明的另一方法，提供了一種制造包括適合于低溫工藝的透明基底、用在低溫多晶硅工藝中的TFT、和電容器的半導(dǎo)體存儲器件的方法，該方法包括形成有待于連接到TFT的下電極、在下電極上形成非晶鐵電膜、通過照射激光束到非晶鐵電膜而結(jié)晶該非晶鐵電膜、和在結(jié)晶的鐵電膜上形成上電極。
在形成半導(dǎo)體存儲器件的方法中，在下電極上形成非晶鐵電膜和在非晶鐵電膜上形成上電極可以如在制造電容器的方法中一樣進(jìn)行。
鐵電膜可以形成為具有小于250nm厚度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，形成TFT包括在透明基底上形成緩沖層、在緩沖層上形成非晶硅層、將非晶硅層結(jié)晶為多晶硅層、通過構(gòu)圖該多晶硅層而形成多晶硅層島、在多晶硅層島的預(yù)定區(qū)域形成柵極堆棧(gate stack)、摻雜多晶硅層島的暴露區(qū)、和活化多晶硅層島的摻雜區(qū)。
多晶硅層島的摻雜區(qū)可以通過照射準(zhǔn)分子激光到多晶硅層島而活化。
根據(jù)本發(fā)明，由于鐵電膜是通過CSD方法與準(zhǔn)分子激光照射法的結(jié)合而形成的，結(jié)晶化的鐵電膜可以在低于500℃的溫度下形成。因此，本發(fā)明可以在鐵電膜形成時減少對其他成分的熱破壞。而且，使用準(zhǔn)分子激光的鐵電膜的結(jié)晶工藝可以選擇性地進(jìn)行。因此，鐵電膜的結(jié)晶工藝可以用在高集成度的工藝中，并可以批量生產(chǎn)。


通過參照附圖，對示范性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更為明顯。
圖1-圖4是示出形成根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的鐵電膜的方法的截面圖；圖5是解釋圖1到4所示的鐵電膜的形成方法的方框圖；圖6是示出關(guān)于采用形成圖1到4所示的鐵電膜的方法形成的PZT膜的晶體分析結(jié)果的曲線圖；圖7和8是示出采用形成圖1到4所示的鐵電膜的方法制造根據(jù)本發(fā)明的電容器的方法的截面圖；圖9是示出電容器單元陣列的平面圖，其中包括在其中的下電極和上電極為交叉形；和圖10-圖15是示出制造根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的方法，其中包括根據(jù)制造圖7和8所示的電容器的方法而形成的電容器。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中，示出了本發(fā)明的示范性實(shí)施例。在附圖中，為了清楚而放大了層和區(qū)域的厚度。
下面將描述形成根據(jù)本發(fā)明的鐵電膜的方法(下面稱為第一方法)。
參照圖1，適合于淀積鐵電膜的基底38被制備，且包含鐵電膜源的化學(xué)溶液層40涂覆在基底38上?；瘜W(xué)溶液層40可以涂覆為預(yù)定厚度，例如30-100nm。化學(xué)溶液層40可以包括用于形成從包含PZT膜、SBT膜、BLT膜和BNT膜的組中選擇的一種的源。化學(xué)溶液層40可以使用旋涂(spin coating)涂覆。
接著，化學(xué)溶液層40通過烘烤化學(xué)溶液層40形成于其上的所得產(chǎn)物而固化?？梢栽?00℃溫度下進(jìn)行5分鐘的烘烤。烘烤溫度和時間可以根據(jù)化學(xué)溶液層40的種類和厚度而變化。參照圖2，非晶鐵電膜42形成在基底38上。
化學(xué)溶液層40可以在一個涂覆工藝中形成為期望厚度，但也可以在兩個或更多個涂覆工藝中形成。例如，如果化學(xué)溶液層40的總厚度是40nm，化學(xué)溶液層40可以通過相繼涂覆兩個20nm層在兩個涂覆工藝中形成。
當(dāng)化學(xué)溶液層40在兩個或更多個涂覆工藝中形成時，對每次涂覆都要進(jìn)行烘烤。用于形成化學(xué)溶液層40的工藝和用于烘烤的工藝可以重復(fù)，直到獲得化學(xué)溶液層40的期望厚度。
接著，其上形成有非晶鐵電膜42的基底38被預(yù)退火。預(yù)退火在氧氣氛下、500-550℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行30分鐘。
然后，具有預(yù)定能量密度的激光束46照射到被預(yù)退火的非晶鐵電膜42上。激光束46的能量密度可以為50-500mJ/cm2。激光束46的照射可以使用預(yù)定激光例如XeCl準(zhǔn)分子激光進(jìn)行，但也可以采用KrF準(zhǔn)分子激光。當(dāng)使用XeCl準(zhǔn)分子激光時，激光束46的照射可以在氧氣氛或氮?dú)夥障逻M(jìn)行。在此過程中，基底38保持在400-500℃溫度范圍內(nèi)。如果激光束46的能量密度合適，激光束46的照射僅照射一次，但是，如果激光束46的能量密度不合適，激光束46照射至少兩次或更多次。
參照圖3，由于通過激光束46的照射熔化被預(yù)退火的非晶鐵電膜42，所以用于生長晶體的晶粒(seed)44在非晶鐵電膜42的底部，即，在基底38的表面形成。晶體從晶粒44形成并延伸到非晶鐵電膜42的表面。結(jié)果，如圖4所示，結(jié)晶的鐵電膜48在基底38上形成。
參照圖5，本發(fā)明的第一方法可以概括為五個步驟步驟50制備適合于淀積鐵電膜的基底；步驟52在基底上涂覆非晶鐵電膜；步驟54通過烘烤而固化涂覆的非晶鐵電膜步驟56預(yù)退火烘烤過的非晶鐵電膜；步驟58照射準(zhǔn)分子激光到預(yù)退火的非晶鐵電膜。
圖6示出關(guān)于采用本發(fā)明的第一方法形成的PZT膜的X射線衍射分析結(jié)果的曲線圖。
在圖6中，第一曲線G1表示未照射激光束的PZT膜的X射線衍射分析結(jié)果。第二曲線G2表示照射100次具有300mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射線衍射分析結(jié)果。第三曲線G3表示照射100次具有325mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射線衍射分析結(jié)果。第四曲線G4表示照射100次具有350mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射線衍射分析結(jié)果。第五曲線G5表示照射100次具有375mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射線衍射分析結(jié)果。第六曲線G6表示照射50次具有400mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射線衍射分析結(jié)果。第七曲線G7表示照射50次具有425mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射線衍射分析結(jié)果。第八曲線G8表示照射50次具有450mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射線衍射分析結(jié)果。
在圖6中，參考標(biāo)號P1表示關(guān)于PZT膜的(100)晶面的峰組的第一峰組，且參考標(biāo)號P2表述關(guān)于PZT膜的(200)晶面的峰組的第二峰組。
考慮在第一峰組P1中的峰，在曲線G2到G8中的峰的高度高于在曲線G1中的峰的高度。對于第二峰組P2中的峰也是如此。
而且，考慮第一峰組P1，當(dāng)照射到PZT膜上的激光束的能量密度升高時，在曲線G2到G8中的峰的高度增加。
此結(jié)果表示當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的第一方法形成時，鐵電膜的結(jié)晶速率增加。
下面將描述根據(jù)本發(fā)明形成的鐵電膜的各種應(yīng)用實(shí)例。
下面將參照圖7和8描述制造包括根據(jù)本發(fā)明的第一方法形成的鐵電膜的電容器的方法(第二方法)。
參照圖7，條紋狀的下電極60形成在基底材料膜59上，且覆蓋下電極60的電介質(zhì)膜62形成在基底材料膜59上。電介質(zhì)膜62可以由從包含PZT膜、SBT膜、BLT膜和BNT膜的組中選擇的鐵電膜形成。在這種情況下，電介質(zhì)膜62可以通過根據(jù)本發(fā)明的第一方法形成。當(dāng)鐵電膜用作電介質(zhì)膜62時，下電極60可以由能夠在蝕刻電介質(zhì)膜62時抵抗蝕刻的抗蝕刻金屬例如鉑或釕形成。
參照圖8，上電極64形成在電介質(zhì)膜62上。上電極64優(yōu)選形成為垂直于下電極60的條紋狀。上電極64可以由具有與電介質(zhì)膜62之間較好的界面特性的金屬如Pt形成。
圖8是沿圖9中的8-8’線所取的電容器C11的截面圖，在該電容器中，下電極60和上電極64彼此交叉形成。為了方便，在圖9中沒有示出電介質(zhì)膜62和基底材料膜59。
下面將參照圖10到13描述制造包括根據(jù)本發(fā)明的第二方法形成的電容器的半導(dǎo)體存儲器件的方法。
參照圖10，第一緩沖層72形成在基底70上?；?0可以是透明基底，例如玻璃基底，適合于低溫工藝。第一緩沖層72可以是氧化硅膜。薄膜晶體管(TFT)通過低溫多晶硅工藝(LTPS)形成在第一緩沖層72上。
更具體地，多晶硅層74形成在第一緩沖層72上。多晶硅層74可以通過在基底70上形成非晶硅層之后結(jié)晶非晶硅層(未示出)而形成。非晶硅層的結(jié)晶工藝優(yōu)選采用準(zhǔn)分子激光在低溫下進(jìn)行。在形成多晶硅層74之后，如圖11所示，柵極堆棧76形成在多晶硅層74的預(yù)定區(qū)域中。柵極堆棧76包括相繼堆疊的柵極絕緣膜76a和柵極76b。柵極絕緣膜76a可以由氧化硅膜形成，但它也可以由具有比氧化硅膜大的介電常數(shù)的電介質(zhì)膜，即高K膜形成。柵極76b可以由例如鋁的金屬或硅化物材料形成。在柵極76b上還可以包括保護(hù)膜(未示出)。在形成柵極堆棧76之后，導(dǎo)電雜質(zhì)摻在多晶硅層74的暴露區(qū)，且所摻的雜質(zhì)被激活。所摻雜質(zhì)的激活優(yōu)選使用準(zhǔn)分子激光在低溫下進(jìn)行。這樣，源和漏區(qū)74s和74d形成在多晶硅層74上。多晶硅層74在柵極堆棧76下面的一部分是連接源區(qū)76s和漏區(qū)76d的溝道區(qū)74c。柵極堆棧76、源區(qū)74s和漏區(qū)74d構(gòu)成TFT。
多晶硅層74可以被其他材料層例如SiOG層取代，等效低溫工藝可以應(yīng)用到該SiOG層。
參照圖12，覆蓋TFT的層間絕緣層78形成在第一緩沖層72上。第二緩沖層80形成在層間絕緣層78上。
參照圖13，暴露漏區(qū)74d的接觸孔h1形成在第二緩沖層80和層間絕緣層78中。接觸孔h1可以通過照像和蝕刻工藝形成。接觸孔h1填充有導(dǎo)電塞82。
參照圖14，覆蓋導(dǎo)電塞82的下電極84形成在第二緩沖層80上。下電極84可以由與鐵電膜例如PZT膜之間保持較好的界面特性的鉑電極形成。還可以形成能減少雜質(zhì)擴(kuò)散或者能減小下電極84與導(dǎo)電塞82之間的接觸電阻的材料層。
在形成下電極84之后，非晶鐵電膜86在第二緩沖層80上形成為預(yù)定厚度。非晶鐵電膜86可以通過在涂覆包含從包括PZT膜、SBT膜、BLT膜和BNT膜的組中選擇的一種源材料的化學(xué)溶液之后，烘烤和預(yù)退火化學(xué)溶液而形成。涂覆工藝、烘烤工藝和預(yù)退火工藝可以根據(jù)本發(fā)明的第一方法而進(jìn)行。
接著，激光束88照射到非晶鐵電膜86。激光束88可以是從準(zhǔn)分子激光器發(fā)射的激光束，且優(yōu)選從XeCl準(zhǔn)分子激光器發(fā)射的具有308nm波長和20ns脈沖寬度的激光束。激光束88的能量密度、照射激光束的次數(shù)、當(dāng)激光束照射時氣體氣氛和溫度、以及非晶鐵電膜86由于激光束88的照射的變化與根據(jù)本發(fā)明的第一方法中的描述相同。
由于激光束88的照射，如圖15所示，非晶鐵電膜86變成晶體鐵電膜86a。板電極90形成在晶體鐵電膜86a上。板電極90也可以由鉑形成以保持與鐵電膜之間較好的界面特性，如同下電極84。板電極90用作上電極。這樣，形成了包括晶體管和鐵電電容器的半導(dǎo)體存儲器件。
如上所述，在本發(fā)明中，使用CSD方法的非晶鐵電膜通過XeCl準(zhǔn)分子激光而被結(jié)晶。即，在本發(fā)明中，通過結(jié)合CSD方法與準(zhǔn)分子激光照射法而實(shí)現(xiàn)非晶鐵電膜的結(jié)晶。因此，當(dāng)本發(fā)明用于形成電容器或半導(dǎo)體存儲器件時，由于用于形成鐵電膜的工藝可以在低于500℃的溫度下進(jìn)行，從而形成在鐵電膜下面的其他材料層的熱破壞可以被最小化。而且，當(dāng)鐵電膜根據(jù)本發(fā)明所提供的方法被結(jié)晶時，由于激光束的選擇吸收是可能的，因此鐵電膜可以用在制造高集成度的半導(dǎo)體器件的工藝中，并且批量生產(chǎn)也是可能的。
雖然已經(jīng)參考本發(fā)明的實(shí)施例具體示出并描述了本發(fā)明，但不應(yīng)該理解為本發(fā)明局限于此處提出的實(shí)施例。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本發(fā)明的第一方法用于形成電容器的工藝或形成半導(dǎo)體存儲器件的工藝中。而且，在形成TFT的半導(dǎo)體存儲器件的過程中，可以通過照射激光束以外的其他方法來活化源區(qū)和漏區(qū)。因此，本發(fā)明的范疇?wèi)?yīng)該由所附的權(quán)利要求的技術(shù)精神來限定。
權(quán)利要求
1.一種形成鐵電膜的方法，該方法包括制備基底；在所述基底上淀積非晶鐵電膜；和通過照射激光束到所述非晶鐵電膜而結(jié)晶所述非晶鐵電膜。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在基底上淀積非晶鐵電膜還包括在所述基底上涂覆包含鐵電膜源的化學(xué)溶液；固化所述化學(xué)溶液；和預(yù)退火固化的所得產(chǎn)物。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述預(yù)退火在500-550℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激光束是XeCl準(zhǔn)分子激光束和KrF準(zhǔn)分子激光束之一。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中照射激光束在氧或氮?dú)夥障?、基底保持在低?00℃溫度的狀態(tài)中進(jìn)行。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述化學(xué)溶液通過在300℃烘烤5分鐘而固化。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述化學(xué)溶液的涂覆和化學(xué)溶液的固化重復(fù)進(jìn)行。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激光束的能量密度是50-500mJ/cm2。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述激光束照射1-100次。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鐵電膜是從包含PZT膜、SBT膜、BLT膜和BNT膜的組中選擇的一種。
11.一種制造電容器的方法，該方法包括形成下電極；在所述下電極上形成非晶鐵電膜；通過照射激光到所述非晶鐵電膜而結(jié)晶該非晶鐵電膜；和在所述結(jié)晶的鐵電膜上形成上電極。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中在下電極上形成非晶鐵電膜還包括在基底上涂覆包含鐵電膜源的化學(xué)溶液；固化所述化學(xué)溶液；和預(yù)退火被固化的所得產(chǎn)物。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中預(yù)退火在500-550℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述激光束是XeCl準(zhǔn)分子激光束和KrF準(zhǔn)分子激光束之一。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中照射激光束在氧或氮?dú)夥障隆⑾码姌O保持在低于500℃溫度的狀態(tài)中進(jìn)行。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述化學(xué)溶液通過在300℃烘烤5分鐘而固化。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述化學(xué)溶液的涂覆和化學(xué)溶液的固化重復(fù)進(jìn)行。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述激光束的能量密度是50-500mJ/cm2。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述激光束照射1-100次。
20.一種制造包括適合低溫工藝的透明基底、用在低溫多晶硅工藝中的TFT、和電容器的半導(dǎo)體存儲器件的方法，該方法包括形成有待于連接到所述TFT的下電極；在所述下電極上形成非晶鐵電膜；通過照射激光束到所述非晶鐵電膜上而結(jié)晶所述非晶鐵電膜；和在所述結(jié)晶的鐵電膜上形成上電極。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中在所述下電極上形成非晶鐵電膜包括在所述基底上涂覆包含鐵電膜源的化學(xué)溶液；固化所述化學(xué)溶液；和預(yù)退火所述固化的所得產(chǎn)物。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中涂覆所述化學(xué)溶液和固化所述化學(xué)溶液重復(fù)進(jìn)行。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其中XeCl準(zhǔn)分子激光照射到非晶鐵電膜。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，其中當(dāng)激光照射時，所述TFT形成于其上的基底在氧或氮?dú)夥罩斜３衷诘陀?00℃的溫度。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述預(yù)退火在500-550℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
26.如權(quán)利要求20所述的方法，其中形成所述TFT包括在透明基底上形成緩沖層；在所述緩沖層上形成非晶硅層；將所述非晶硅層結(jié)晶為多晶硅層；通過構(gòu)圖所述多晶硅層形成多晶硅層島；在所述多晶硅層島的預(yù)定區(qū)域形成柵極堆棧；摻雜所述多晶硅層島的暴露區(qū)；和活化所述多晶硅層島的摻雜區(qū)。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中通過照射準(zhǔn)分子激光到所述多晶硅層島而活化所述多晶硅層島的摻雜區(qū)。
全文摘要
提供了一種形成鐵電膜的方法及使用該形成鐵電膜的方法制造電容器和半導(dǎo)體存儲器件的方法。形成鐵電膜的方法包括制備基底、在該基底上碘淀積非晶鐵電膜、和通過照射激光束到非晶鐵電膜而結(jié)晶該非晶鐵電膜。由于鐵電膜可以在低于500℃的溫度形成，因此形成鐵電膜的方法可以減少對其他元件的熱破壞。
文檔編號H01L21/70GK1770392SQ20051010686
公開日2006年5月10日 申請日期2005年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月24日
發(fā)明者鮮于文旭, 野口隆, 趙世泳, 權(quán)章淵, 殷華湘 申請人:三星電子株式會社