專利名稱：帶覆蓋層的鐵電裝置及其制造方法
背景技術：
1.發(fā)明領域本發(fā)明涉及用于集成電路的薄膜領域，特別涉及鐵電薄膜。更具體地，涉及一種用于提高鐵電薄膜性能的覆蓋層。
2.問題陳述鐵電薄膜具有在即使缺少應用電場的情況下保持感應極化狀態(tài)的特征。如果在一個方向上的極化狀態(tài)被定義為邏輯“0”極化狀態(tài)而在相反方向上的極化狀態(tài)被定義為邏輯“1”極化狀態(tài)，并提供適當?shù)碾娐窓z測極化狀態(tài)，鐵電薄膜可用來作為一個高速非易失性計算機存儲器的信息存儲介質。眾所周知，這樣的一個鐵電存儲器可通過使用鐵電材料替代傳統(tǒng)DRAM電容器電路的電絕緣電容器材料，并在讀寫回路中產(chǎn)生適當?shù)淖兓瘡亩鴳描F電薄膜作為信息存儲介質。具體實例參見，1998年7月21日頒發(fā)給庫期柔(Cuchiaro)等的專利號為5,784,310的美國專利。由于即使在缺少應用場時鐵電材料同樣能夠長期保持感應的極化狀態(tài)，這種替代將DRAM單元轉換成一個非易失性存儲器單元。如頒發(fā)給亞碼諾比(Yamanobe)等人的專利號為5,780,886的美國專利所述，由于鐵電薄膜的非易失性極化狀態(tài)，也可能形成一個由一個單一場效應晶體管組成的非易失性存儲器單元。
在使用薄膜鐵電材料時引起的一個問題是，由于薄膜表面感應的電荷形成一個與應用場相反的場，薄膜表面缺少點電荷從而產(chǎn)生應用場屏蔽效應。因此，晶體的一些內部鐵電區(qū)域不會暴露在應用場下從而具有足夠的量來完成區(qū)域的極化。薄膜的極化性能由于場的屏蔽效應而受到影響。鐵電存儲器的密度受到從鐵電材料獲得的剩余極化量的限制。此外，由于隨著使用時極化量的減少，在長期使用時前述薄膜鐵電材料一般具有高的極化衰減率從而造成不可靠的存儲性。而且，薄膜鐵電材料的極化磁滯曲線相對零點電壓或零場值上下移動或留下印痕也是可能的。最終，由于衰減或印痕問題，與已知鐵電材料偶合的控制電路將不能讀出材料的衰減極化狀態(tài)，所以也不能保存或恢復信息比特。因此，為了提高鐵電存儲性能，需要增強薄膜鐵電材料的極化量。
衰減或印痕問題可通過使用分層超晶格材料而大大地解決，正如1998年7月21日授予庫期柔(Cuchiaro)等的專利號為5,784,310的美國專利中所報道的。鐵電鈣鈦礦類氧化分層超晶格材料是一種已知的自排序晶體，在適用于集成電路的薄膜中使用，例如，如1996年5月21日授予阿柔究(Araujo)等的專利號為5,519,234的美國專利中所報道的。術語“鈣鈦礦類”通常是指一些相互連接的氧八面體。主要的晶胞通常是由一個位于一個立方體內的氧八面體形成的，所述立方體是由氧原子占據(jù)了立方體表面中心的大A位金屬和一個占據(jù)了立方體中心的小B位元素定義的。在一些實例中，氧八面體可以在缺少A位元素的情況下被保留。
分層超晶格材料具有在分層結構中能找到熱力穩(wěn)定性的特征。當進行熱處理時，超晶格金屬的無序溶液能自發(fā)地形成一個單一的分層超晶格物質混合物，具有鈣鈦礦類八面體相對順序層，和一個如氧化鉍這樣的超晶格發(fā)生器。合成的自排序結構形成了一個相對于重復的層具有雙重周期的超晶格。分層的超晶格材料具有這種自排序能力，并且由此與在一個單獨的沉積步驟中需要對每一層進行沉積的半導體異晶格截然不同。
眾所周知，由于一些如鉍這樣的元素在干燥和退火期間更具揮發(fā)性而且不成比例地從材料中揮發(fā)，所以如果使用化學計量的預處理器，能夠減小分層的超晶格材料的極化性能。因此，經(jīng)常使用采用了過多揮發(fā)性元素的預處理器，使得在干燥和退火之后所形成的材料近似符合化學計量。鉍梯度也被實質上用來獲得化學計量的最終分層超晶格材料。參見實例，1995年8月8日頒發(fā)給Watanabe等的專利號為5,439,845的美國專利。當采用一個梯度的裝置顯示出被增強的極化性能，同時也由于多層結構而具有相應的厚度，造成了鐵電存儲器較低的密度。
為了提高鐵電存儲器和其它包含鐵電材料的集成電路的密度，從而產(chǎn)生一種需求，需要從薄膜鐵電材料，更具體地講，從一種分層超晶格材料中獲得更大的剩余極化量。
解決方案本發(fā)明通過提供改進的具有增強剩余極化量的薄膜鐵電裝置，提高了技術工藝并解決了前述問題。這些改進是通過在電極和鐵電材料之間增加一覆蓋層來補償鐵電材料與電極接觸面的損失獲得的。采用本發(fā)明，所獲得的剩余極化量提高了32％。
根據(jù)本發(fā)明所述的一種鐵電裝置，包括一個基片，用來支撐一個從由鈣鈦礦和自排序分層超晶格材料組成的一組成分中選出的薄膜鐵電層。鐵電材料的頂端和底端或其中的一端被覆蓋層“覆蓋”。覆蓋層最好為非鐵電材料。一個電極在覆蓋層的上面或下面。覆蓋層最好至少有3nm厚，并最好直接與電極和鐵電材料接觸。覆蓋層加入了一種超晶格發(fā)生器金屬，通常為三價鉍或三價鉈。覆蓋層材料最好是從一組由氧化鉍、鍶化鉍、鉭酸鉍、鈮酸鉍和鉭酸鉍鈮組成的成分中選出的。
覆蓋層最好覆蓋位于頂端電極之下的鐵電材料，但是如果有兩個電極，如在鐵電電容器中，覆蓋層可以覆蓋鐵電層的頂端和底端。
在優(yōu)選實施例中，超晶格發(fā)生器金屬與在自排序分層超晶格材料中的超晶格發(fā)生器金屬相同。在優(yōu)選實施例中，鐵電材料層包括自排序分層超晶格材料實質上由鉍元素組成，超晶格發(fā)生器金屬實質上由鉍元素組成。特別優(yōu)選的分層超晶格材料是從由鉭酸鍶鉍、鈮酸鍶鉍和鉭酸鍶鉍鈮組成的一組成分中選出的。最佳的覆蓋層材料是氧化鉍。
覆蓋層最好至少為大約3nm厚，最好是在3nm到30nm的厚度范圍內，而極佳的厚度范圍是從5nm到20nm。這個范圍的厚度能夠提供合適的損失補償，這樣由于厚度足夠小能夠避免寄生電容的重大問題。
使用覆蓋層可通過提供一個從鐵電材料到導電體的轉變來防止場屏蔽。這種方法可以是一個非常薄并具有極佳的鐵電特性的鐵電裝置。本發(fā)明的許多其它性能、目的和優(yōu)點，將通過結合附圖，在下面的描述中很容易理解。
附圖簡述

圖1是根據(jù)本發(fā)明描述了一個在鐵電層之上和頂端電極之下帶有一個覆蓋層的鐵電裝置。
圖2描述了一個在鐵電層之下和底端電極之上帶有一個覆蓋層的鐵電裝置。
圖3按照圖1和圖2的方式，描述了一個不帶覆蓋層的比較裝置。
圖4描述了一個從與圖1對應的實例中獲得的極化遲滯曲線。
圖5為從與圖1、2、3對應的三個獨立樣品中獲得剩余極化量的柱型圖。
圖6為從與圖1、2、3對應的三個獨立樣品中獲得的強制場量的柱型圖。
優(yōu)選實施例的詳細描述一種改進的鐵電裝置圖1描述了一種鐵電裝置100，包括一個支撐一個鐵電電容器104的基片102。鐵電裝置100為一個薄膜鐵電電容器，用于需要鐵電材料的鐵電存儲器和其它集成電路。例如，鐵電裝置100在場效應晶體管(“FET”)中作為一個鐵電電容器或作為一個門使用。
基片102包括一個半導體晶片106，最好是硅，和一個絕緣層108，最好是二氧化硅。在集成電路工藝中，晶片106通常是指一個“基片”。這里術語“基片”更通常被用在為其它層提供支持的任意層或合成層。例如，用于鐵電電容器104的基片102為快速絕緣層108，但也被廣泛地認為包括晶片106和晶片106與絕緣層108的組合。作為傳統(tǒng)工藝，我們也可以認為處于完成的不同狀態(tài)的裝置為基片，包括所有在參考時間點內完成的層。
方位術語，如“在……上面”，“頂端”，“上面的”，“在……之下”，“底端”和“較低的”，在這里是相對于圖1-3中的晶片106而言的，即，如果一個第二元素在一個第一元素之上，是指它比另一元素更靠近晶片106。長尺寸的晶片106定義了一個平面，在這里被認做“水平”面，與這個平面垂直的方向被認做“垂直”面。
術語“薄膜”在這里是一個應用于集成電路的具有合適厚度的薄膜。所述薄膜厚度小于1微米，而且通常是在2nm到500nm的范圍之內。區(qū)別本術語與一般用在宏觀領域的相同詞語“薄膜”是非常重要的。這里的“薄膜”是指超過1微米的膜，通常是指從2微米到100微米。所述的宏觀“薄膜”比用在集成電路中的“薄膜”厚上百倍到上千倍，而且是通過完全不同的處理過程形成的，并通常容易產(chǎn)生裂紋、氣孔和其它缺陷以致?lián)p壞集成電路，而對光學和其它宏觀領域沒有任何價值。
鐵電電容器104包括一個金屬底端電極110。金屬底端電極結構可以是適用于集成電路的任何金屬或電極結構，例如，鋁、金、釕、銠和鈀。底端電極110最好是由鉑111和鈦109混合而成，其中鈦的作用是作為附著金屬來防止鉑成分從氧化層上剝離。鉭、銥和氧化銥也可作為附著金屬。鈦或其它附著金屬109一般是被噴鍍?yōu)?0nm到20nm的厚度。鉑111的最佳厚度范圍是從100nm到200nm。底端電極110的金屬層是采用傳統(tǒng)的原子噴鍍技術形成的，例如直流磁電管噴鍍或無線電頻噴鍍。
一個鐵電層112位于底端電極110之上。鐵電層112最好是一種具有高恒定的電絕緣性和鐵電特性的金屬氧化物。鐵電層112的制造過程將在下文中詳細描述，其厚度不要超過400nm，最佳狀態(tài)是不要超過200nm。鐵電層112可以是鈣鈦礦，如鈦酸鋇鍶或鈦酸鍶。鐵電層112為一種分層超晶格材料，更佳的是為一種混合分層超晶格結構。
術語“鈣鈦礦”在這里包括一種具有ABO3常態(tài)的已知材料，這里的A和B為陽離子，0為氧陰離子成分。該術語可包括以AB代表多種成分的材料，例如，包括A’A”BO3、AB’B”O(jiān)3和A’A”B’B”O(jiān)3形式的材料，這里的A’、A”、B’、B”為不同的金屬成分。最好，A、A’、A”是從由鋇、鉍、鍶、鉛、鈣和鑭元素組成的一組金屬中選出的金屬；B、B’、B”是從由鈦、鋯、鉭、鉬、鎢和鈮元素組成的一組金屬中選出的金屬。術語A位和B位是指在鈣鈦礦氧八面體晶格中的具體位置。
許多分層超晶格材料具有由相應數(shù)量的氧化鉍層分開的多層鈣鈦礦類氧八面體。盡管不是所有分層超晶格材料都能在室溫下表現(xiàn)出鐵電性能，但是分層超晶格材料通常為鐵電材料。無論這些材料是否是鐵電材料，它們一般都具有高恒定的電絕緣性并在高恒定電絕緣電容器中使用。
所有類型的分層超晶格材料通?？捎梢话愕慕?jīng)驗公式概括(1)A1w1+a1A2w2+a2Ajwj+ajS1x1+s1S2x2+s2…Skxk+skB1y1+b1B2y2+b2…B1y1+b1Qz-2.]]>注意公式(1)是指超晶格形成二分之一的化學計量平衡列表。公式(1)不代表一個單位晶胞結構，也沒有試圖為分開的層分配成分。在公式(1)中，A1、A2…Aj代表一個鈣鈦礦類八面體結構的A位元素，包括諸如鍶、鈣、鉍、鉛及其混合物一類的元素，和其它具有相似離子半徑的金屬元素。S1、S2…Sk代表超晶格發(fā)生器元素，最好只包括鉍，但也可包括如釔、鈧、鑭、銻、鉻和鉈一類的三價金屬元素。B1、B2…B1代表鈣鈦礦類結構中的B位元素，可以為諸如鈦、鉭、鉿、鎢、鈮、釩、鋯一類的元素和其它元素；Q代表一個陰離子，這里最好為氧原子，但也可以是其它元素，如氟、氯和這些元素的混合物，如氟氧化物、氯氧化物等。公式(1)中的上標表示每個元素的化合價，下標表示在單位晶胞中元素的原子數(shù)目。下標可以是整數(shù)或小數(shù)。簡而言之，公式(1)描述了在整個材料中單位晶胞可以變化的實例，例如在Sr.75Ba.25Bi2Ta2O9中，平均75％的時間鍶為A原子，25％的時間鈀位A位原子。如果在化合物中僅有一個A位元素，則由“A1”表示，w2…wj全為零。如果在化合物中僅有一個B位元素，則由“B1”表示，y2…y1全為零，對超晶格發(fā)生器元素也類似。通常的例子是有一個A位元素，一個超晶格發(fā)生器元素和一個或兩個B位元素，盡管因為本發(fā)明還包括這樣的情況，A位或B位和超晶格發(fā)生器為多種成分，公式(1)采用了更通用的形式。Z的值由下列等式獲得(2) (a1w1+a2w2…+ajwj)+(s1x1+s2x2…+skxk)+
(b1y1+b2y2+...+b1y1)＝2z定義的分層超晶格材料不包括適合公式(1)的每一種材料，而是那些在結晶時能自發(fā)形成可區(qū)分的結晶層種一層元素。這種自發(fā)的結晶過程通常是由對混合成分進行熱處理或退火而協(xié)助實現(xiàn)的。提高的溫度推動了一半的形成超晶格排序，形成有利于熱力學的結構，如鈣鈦礦類八面體。
術語“超晶格發(fā)生器元素”如運用到S1、S2…Sk，是指這些金屬以介于兩類鈣鈦礦層之間的氧化金屬層形式非常穩(wěn)定地存在，正好與遍布混合分層超晶格材料的超晶格發(fā)生器金屬均勻地隨機分布相反。特別地，鉍元素存在一個離子半徑，使它既可以作為A位材料，也可以作為超晶格發(fā)生器，但是鉍在數(shù)量上如果少于化學計量比例的最低限度，將自發(fā)集中形成一個非鈣鈦礦類鉍氧化層。
術語“分層超晶格材料”這里還包括涂上涂料的分層超晶格材料。簡而言之，任意一種在公式(1)種包含的材料可被涂上不同的材料，如硅、鍺、鈾、鋯、錫、鉻、鏑或鉿。
公式(1)至少包括所有三種Smolenskii型鐵電分層超晶格材料，即具有單獨的經(jīng)驗公式(3)Am-1S2BmO3m+3(4)Am+1BmO3m+1(5)AmBmO3m+2這里A是一個鈣鈦礦類超晶格A位元素，B是一個B位金屬，S是一個三價超晶格發(fā)生器金屬，如鉍或鉈，m是配平整個公式的電荷數(shù)目。當m是小數(shù)時，整個經(jīng)驗公式能提供許多不同的或混合的鈣鈦礦類層，單獨的層具有不同的鈣鈦礦類氧八面體厚度。
一個覆蓋層114是在鐵電層112上面形成的。覆蓋層114用來補償鐵電層112上表面的點電荷損失。在優(yōu)選的應用中，對鐵電材料112采用分層超晶格材料，覆蓋層114最好是超晶格發(fā)生器金屬的氧化物。已知的最佳超晶格發(fā)生器金屬是氧化鉍，所以極佳的是，覆蓋層114是當氧化鉍厚度超過在超晶格中一個氧化鉍序列在正常周期內形成的厚度時沉積而成。覆蓋層材料最好是從一組由氧化鉍、鍶化鉍、鉭化鉍和鉭化鉍鈮組成的成分中選出的。覆蓋層的最佳厚度是至少3nm，最佳范圍是從3nm到30nm，更佳的厚度范圍是從5nm到20nm。最佳厚度值為10nm。由于覆蓋層材料在有害的方式下產(chǎn)生與由電荷損失造成的場屏蔽相類似的應用場屏蔽而具有電絕緣性，所以大于30nm厚度的覆蓋層可造成寄生電容。
在有些情況下，覆蓋層114足夠薄而漫射到鐵電層112。相似地，鐵電層112可漫射到覆蓋層114或這些層相互漫射。
當鐵電層112是一種鈣鈦礦，相互漫射的效果通常在鈣鈦礦之上形成一個局部的分層超晶格材料區(qū)。當鉍作為超晶格發(fā)生器元素，例如在圖1中描述的，形成與覆蓋層114對應的加入了鉍的分層超晶格材料區(qū)。這種分層超晶格材料區(qū)由一種當相互漫射的金屬氧化物在分層序列中尋找熱力穩(wěn)定性時形成的自排序超晶格組成。相似地，當鐵電層112為分層超晶格材料，如在圖1中描述的，相互漫射的效果產(chǎn)生一個與覆蓋層114對應的加入了超晶格發(fā)生器元素的分層超晶格材料區(qū)。如果覆蓋層沒有漫射到鐵電層112，則在鐵電層112為一種鈣鈦礦和鐵電層112為一種分層超晶格材料兩種情況下，沉積形成的覆蓋層本身是一種被加入的超晶格發(fā)生器元素中的層，在某種意義上它比鈣鈦礦和分層超晶格材料每摩爾包含更多的超晶格發(fā)生器元素。例如，如果覆蓋層114包含一種超晶格發(fā)生器金屬而不是鉍，在上述三種情況下，每一種情況都形成了一種加入鉍的覆蓋層。當應用到覆蓋層114時，所有本段中討論的方法的可選擇性都包含在術語“加入了超晶格發(fā)生器金屬的覆蓋層”的意義之內。而且，超晶格發(fā)生器元素也指超晶格發(fā)生器金屬為與鉍和鉈具有相似離子半徑的三價金屬。
頂端電極116一般為100nm到200nm厚，通常是用與底端電極110相同的金屬或電極結構形成的，除了鈦或其它通常不需要的附著金屬。頂端電極116也可具有與底端電極110不同的結構或者是由不同金屬形成的。
正如本領域所知，鐵電裝置100可包括其它普通層，如漫射屏障層。許多其它材料也可在上述討論的層中使用，如用于絕緣層108的鈮化硅；用于晶片106的砷化鉀，銻化銦，氧化鎂，鈦酸鍶，藍寶石或石英；和許多其它附著層、屏障層和電極材料。底端電極110在鐵電裝置100不再是鐵電電容器而用做一個作為金屬鐵電絕緣半導體晶胞的1T或晶體管門的情況下可去掉。而且可以理解的是，圖1沒有具體顯示一個真正的鐵電裝置任一具體部分的實際橫截面視圖，而僅是一個為了更清楚更詳盡地描述本發(fā)明結構和處理過程而無其它目的的理想示意圖。例如，由于為使視圖美觀而對如基片106等其它一些層加厚，所以單個層的相對厚度不成比例。用于比較目的的第二實施例圖2描述了一個第二鐵電裝置200。在圖2中，根據(jù)圖1對相同部件保留了相同的編號。鐵電裝置200包括一個鐵電電容器202，它與鐵電電容器104不一樣而是在鐵電層112與底端電極110之間增加了一個氧化鉍覆蓋層204。上覆蓋層114在圖2表示的實施例中已不存在，而覆蓋層114還包括頂端電極116和鐵電層112之間的部分。用于比較目的的第三實施例(現(xiàn)有技術)圖3描述了一個現(xiàn)有技術的鐵電裝置300。在圖3中，根據(jù)圖1對相部件保留了相同的編號。鐵電裝置300包括一個鐵電電容器302，它與鐵電電容器104和202不同，不帶覆蓋層114和覆蓋層204。一種制造裝置100的方法裝置100、裝置200、裝置300的所有部件，除了覆蓋層114和覆蓋層204，都是根據(jù)已知的方法制造的。這些傳統(tǒng)方法為已知已有工藝，例如生成絕緣層108的晶片106的熱氧化物或者產(chǎn)生主要相似結果的層108的旋壓玻璃沉積。傳統(tǒng)噴鍍過程用于形成底端電極110和頂端電極116。傳統(tǒng)抗蝕技術在集成電路中用于為裝置上圖案。這些處理過程并不是本發(fā)明的關鍵。例如，基片102可替換為由傳統(tǒng)CMOS處理產(chǎn)生的堆疊集成電路結構。
根據(jù)這些傳統(tǒng)處理過程，鐵電層112是通過噴鍍、化學蒸發(fā)沉積、霧化液體沉積、旋壓液體沉積、或其它合適的沉積方法形成的。鐵電層112經(jīng)受退火產(chǎn)生的溫度提升使層112的鐵電性能最大化。這些溫度的典型范圍為650℃到850℃。由于鐵電層112相應的分層超晶格材料中鉍的損失，這些溫度被認為揮發(fā)了鉍金屬并造成相應損失。
通過使用銫作為第一離子的分光鏡測量方法所獲得的第二離子團的結果，可以發(fā)現(xiàn)化學計量鉍的缺乏存在于圖3所示的與鐵電層112對應的傳統(tǒng)分層超晶格材料的大部分區(qū)域。這些實驗結果確認了存在鉍揮發(fā)性損失。損失程度是由退火時，退火時間和溫度，沉積方法和是否存在其它層，特別是是否存在頂端電極116而共同影響的。相應地，覆蓋層114的一個重要作用是彌補鐵電層中由于金屬揮發(fā)損失產(chǎn)生的缺陷。這些揮發(fā)性損失不僅是由鉍的損失造成的，還包括其它金屬的損失。
覆蓋層114和204可由退火過程中氧化的噴鍍金屬形成，氧化金屬本身可以被噴鍍，或者覆蓋層由旋壓液體預處理器形成；如溶膠-凝膠(金屬烷氧化基)，金屬羧酸酯或金屬烷氧基羧酸酯溶液。霧化液體沉積或化學蒸發(fā)沉積也可以使用。
下面的非限制性實施例為實施本發(fā)明提出了優(yōu)選的方法和材料。
實施例1準備一個基片用于鐵電層112的沉積。采用傳統(tǒng)方式準備一個傳統(tǒng)硅晶片帶一個熱生成的氧化層。采用傳統(tǒng)直流磁電管方式噴鍍鈦金屬，形成20nm的厚度。噴鍍鉑金屬形成180nm的厚度。
一種研究級二甲苯乙醛乙酸金屬純溶液可從日本的Kojundo化學公司定貨購買。溶液中鍶、鉍、鉭的克分子比例為1∶2.8∶2。這樣，溶液能形成一種符合經(jīng)驗公式SrBi2.8Ta2O10.2無鉍蒸發(fā)的分層超晶格材料。這個公式中所包括的鉍元素比一般經(jīng)驗公式要求的多30％，符合與當m＝2時的經(jīng)驗公式(3)對應的鐵電層112的化學計量式。所以，根據(jù)從準備好的其它樣品在退火條件下得到的第二離子團光譜學數(shù)據(jù)所做的假設是這樣的，樣品中大約30％的鉍將會由于退火時產(chǎn)生的蒸發(fā)而損失掉。按照經(jīng)驗公式溶液具有0.2克分子的金屬濃度。取出3毫升該溶液與2毫升n價醋酸丁基溶劑混合形成一種0.2摩爾的提高了基片吸濕容量的溶液。
基片被置于傳統(tǒng)的旋壓鍍膜機上?；悦糠昼?900轉的速度旋轉30秒，在此期間用吸管向基片加入3毫升溶液。這種鍍膜過程在基片上形成一預處理器薄膜，將基片從旋壓鍍膜機上移開并在空氣中放置在一熱平板上1分鐘，熱平板溫度保持在150℃，用來干燥預處理器薄膜以祛除溶劑。然后將基片放置在260℃的熱平板上4分鐘來祛除預溶液中多余的溶劑和有機溶液。然后對帶有干燥的預處理器薄膜的基片進行快速熱處理，即將基片在空氣中置于傳統(tǒng)鹵素燈RTA裝置下在725℃停留30秒，采用每秒125℃斜率將溫度從室溫升到725℃，再按125℃的斜率回到室溫。通過快速熱退火對預處理器進行沉積的過程重復兩次使鐵電層厚度達到200nm。
一種具有0.4摩爾濃度的研究級二甲苯乙醛乙酸金屬純溶液可從日本的Kojundo化學公司定貨購買。取出1毫升該溶液與1.6毫升n價醋酸丁基溶劑混合形成一種0.154摩爾的溶液。將晶片放置在傳統(tǒng)的旋壓鍍膜機上以每分鐘1500轉旋轉30秒，在此期間用吸管向晶片加入該溶液。然后將基片從旋壓鍍膜機上移開并放置在一個熱平板上，置于空氣1分鐘，熱平板保持150℃用來干燥預處理器薄膜以祛除溶劑。然后將基片放置在260℃的熱平板上4分鐘以從預處理器薄膜中祛除多余的溶劑和有機溶液。通過對使用干燥進行預處理器沉積的步驟重復兩次使覆蓋層114的厚度達到大約10nm。
一個鉑的頂端電極采用一個直流磁電管噴鍍成型。對帶有合適頂端電極的基片在漫射爐中進行800℃退火，經(jīng)受陽氧原子流60分鐘，包括經(jīng)過一個5分鐘的斜度達到最高溫度，同樣經(jīng)過一個5分鐘斜度下降到原溫度。然后通過傳統(tǒng)的反應離子蝕刻工藝對裝置上圖案，包括在離子蝕刻時應用一種光抗蝕劑，已為本領域技術人員掌握。然后，基片為多數(shù)每一個具有6940μm2面積的矩形電容器提供支撐。
選擇一種具有代表性的電容器進行測試。一臺HP3314功能發(fā)生器與一臺HP54502A數(shù)字示波器相連。采用電壓振幅分別為0.5、1、3、5和10伏的一個10KHz正弦波進行極化磁滯測試。測試在Colorado Springs的標準大氣壓下進行，溫度為20℃。圖4描述了磁滯結果。
實施例2比較測試按照實施例1中描述的過程，除了考慮到氧化鉍在頂端電極之下的放置會有些不同，采用相同的方法準備另一個晶片。實施例1中描述的基片這里作為BiOx/LSM樣品，包括在鐵電分層超晶格材料之上的一個氧化鉍層。這種結構與圖1中所示的鐵電裝置100相對應。
準備一個符合圖2所示的鐵電裝置200的AnLSM/BiOx樣品。這種裝置具有位于鐵電分層超晶格材料之下，底端電極之上的氧化鉍覆蓋層204。相應地，沉積氧化鉍預處理器和干燥的處理過程在底端電極沉積之后立即進行，與在鐵電分層超晶格材料沉積之后立即進行相反。
準備一個在鐵電電容器中不帶覆蓋層的LSM樣品。該裝置與圖3中所述的鐵電裝置300相對應。相應地，在實施例1中描述的沉積氧化鉍的過程對于LSM樣品可以略過。
圖5是分別關于LSM、BiOx/LSM和LSM/BiOx樣品剩余極化量的柱型圖。當2Pr時對每一個基片的晶胞在5伏和10伏的磁滯曲線測量剩余極化量值。與LSM樣品相比，實施例1中的BiOx/LSM樣品證明了剩余極化量在10伏時提高32％，在5伏時提高19％。是由氧化鉍覆蓋層產(chǎn)生了上述提高。一種類似的LSM/BiOx與LSM的樣品比較證明了剩余極化量在10伏時有少量提高，在5伏時下降了4％。
圖6描述了2Ec時每一種樣品關鍵場轉換的比較。BiOx/LSM樣品證明了在10伏時下降了7％，在5伏時下降了10％。LSM/BiOx樣品證明了在10伏時有2％的較小下降，在5伏時有5％。由于需要一個較低的電壓來轉換鐵電材料的極化狀態(tài)，在2Ec產(chǎn)生的下降值是一個改進。在集成電路中，較低的電壓能夠方便地產(chǎn)生較低的熱量和較少的能量損耗。
從上述描述中可以看出，帶有上覆蓋層的電容器所表現(xiàn)出的重要改進是明顯的，而帶有較低覆蓋層的電容器表現(xiàn)出小的改進。
相關領域的技術人員能夠理解上述優(yōu)選實施例在不違背本發(fā)明的精神和真實范圍所做的改進。同時，發(fā)明人在這里聲明，為了保護他們對本發(fā)明具有的充分權利，本發(fā)明遵照等同原則。
權利要求
1.一種鐵電裝置(100、200)，包括一個基片(102)，支撐一個從一組由鈣鈦礦和自排序分層超晶格材料組成的成分中選出的薄膜鐵電層(112)，一個電極(110、116)，所述裝置的特征在于在所述薄膜鐵電層(112)和所述電極(110、116)之間存在一個至少3nm厚的覆蓋層(114，204)，所述覆蓋層包括一種加入了超晶格發(fā)生器金屬的非鐵電性材料。
2.一種鐵電裝置(100)，包括一個基片(102)，用于支撐一個從一組由鈣鈦礦和自排序分層超晶格材料組成的成分中選出的薄膜鐵電層(112)，和一個電極(110、116)，所述裝置的特征在于在所述薄膜鐵電層和所述電極之間存在一個3nm到30nm厚的覆蓋層(114)，所述覆蓋層加入了超晶格發(fā)生器金屬。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的鐵電裝置，其中所述鐵電層實質上由一種自排序分層超晶格材料組成。
4.根據(jù)權利要求3所述的鐵電裝置，其特征在于所述超晶格發(fā)生器金屬與所述自排序分層超晶格金屬中的一種超晶格發(fā)生器元素相同。
5.根據(jù)權利要求3所述的鐵電裝置，其中所述分層超晶格材料是從一組由鉭酸鍶鉍、鈮酸鍶鉍和鉭酸鍶鉍鈮組成的成分中選出的。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的鐵電裝置，其特征在于所述超晶格發(fā)生器金屬實質上由鉍元素組成。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的鐵電裝置，其中所述覆蓋層直接與所述鐵電材料和所述電極接觸。
8.根據(jù)權利要求1所述的鐵電裝置，其特征在于所述覆蓋層具有從3nm到30nm范圍的厚度。
9.根據(jù)權利要求1或2所述的鐵電裝置，其特征在于所述覆蓋層具有從5nm到20nm范圍的厚度。
10.根據(jù)權利要求1或2所述的鐵電裝置，其中所述電極為一個頂端電極(116)，所述頂端電極相對于所述鐵電層(112)遠離所述基片(102)。
11.根據(jù)權利要求10所述的鐵電裝置，包括一個底端電極(110)存在于所述鐵電材料與所述基片之間。
12.根據(jù)權利要求1或2所述的鐵電裝置，其特征在于所述覆蓋層材料是從一組由氧化鉍、鍶化鉍、鉭酸鉍，鈮酸鉍和鉭酸鉍鈮組成的成分中選出的。
13.根據(jù)權利要求1或2所述的鐵電裝置，其特征在于所述覆蓋層由氧化鉍組成。
14.一種制造一種鐵電裝置(100、200)的方法，所述方法包括步驟為一個基片(102)上的一個鐵電層(112)沉積材料，所述鐵電層是從一組由鈣鈦礦和自排序分層超晶格材料組成的成分中選出的；沉積一個電極層(116、110)；所述方法的特征在于沉積一個非鐵電覆蓋層(114、204)，包括一個在所述鐵電層和所述電極之間的超晶格發(fā)生器金屬；對一個或多個所述層進行退火。
15.一種制造一種鐵電裝置(100、200)的方法，所述方法包括步驟為一個基片(102)上的一個鐵電層(112)沉積材料，所述鐵電層是從一組由鈣鈦礦和自排序分層超晶格材料組成的成分中選出的；沉積一個電極層(116、110)；所述方法的特征在于沉積一個覆蓋層(114、204)，包括一個在所述鐵電層和所述電極之間的超晶格發(fā)生器金屬，所述覆蓋層具有3nm到30nm的厚度；對一個或多個所述層進行退火。
16.根據(jù)權利要求14或15所述的方法，其中所述為鐵電層沉積材料的步驟包括為一個自排序分層超晶格材料沉積材料。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中所述沉積一個覆蓋層超晶格發(fā)生器金屬的步驟的特征在于為所述自排序分層超晶格材料中的一種超晶格發(fā)生器金屬沉積一種相同的超晶格發(fā)生器金屬。
18.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中所述為鐵電層沉積材料的步驟包括為一種由鉭酸鍶鉍、鈮酸鍶鉍和鉭酸鍶鉍鈮組成的成分中選出的分層超晶格材料沉積材料。
19.根據(jù)權利要求14或15所述的方法，其特征在于所述沉積一個覆蓋層的步驟包括沉積鉍元素。
20.根據(jù)權利要求14或15所述的方法，其特征在于所述退火步驟包括將所述覆蓋層擴散到所述鐵電層來形成一個加入了超晶格發(fā)生器金屬的分層超晶格材料。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其特征在于所述加入了超晶格發(fā)生器金屬的分層超晶格材料不是鐵電材料。
22.根據(jù)權利要求20所述的方法，其特征在于所述加入了超晶格發(fā)生器金屬的分層超晶格材料是鐵電材料。
23.根據(jù)權利要求14或15所述的方法，其特征在于所述覆蓋層(114)被沉積在所述鐵電層(112)上，然后，所述電極(116)被沉積在所述覆蓋層上。
24.根據(jù)權利要求14或15所述的方法，其特征在于所述覆蓋層具有5nm到20nm范圍的厚度。
全文摘要
一種鐵電裝置(100、200)包括一個鐵電層(112)和一個電極(116、110)。鐵電材料是由一種鈣鈦礦或一種分層超晶格材料組成。在所述鐵電層與所述電極之間沉積一種超晶格發(fā)生器金屬氧化物作為覆蓋層(114、204)以提高鐵電層的剩余極化容量。
文檔編號H01L21/8242GK1338113SQ9981643
公開日2002年2月27日 申請日期1999年10月15日 優(yōu)先權日1999年1月14日
發(fā)明者林慎一郎, 大槻建男, 卡洛斯·A·帕斯·德阿勞約 申請人:塞姆特里克斯公司, 松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社