铁电电容器、铁电记忆体元件及其制造方法

摘要

此发明的目的为提出铁电电容器及铁电记忆体元件，其能稳定操作而不会因为漏电流及氧扩散而造成电阻率变动；即使重复反转铁电电容器也不容易发生介电疲之；因此有寿命长及可靠度高的优点；并提出其制造方法。此发明的构造包括铁电电容器CAP，其有Ir下面电极、PZT薄膜、Ir上面电极。晶粒层14a、14b及14c由晶粒50a、50b及50c藉着晶界51a、51b及51c组成，51a、51b及51c藉Ir电极表面的晶界52A及52B作为薄层，因而形成铁电薄膜。制造铁电电容器CAP的方法须满足：(1)选择如Ir之适当的电极材料；(2)藉TiOvx原子核连接及过多的Pb以控制晶体成长方向及(3)适当的退火温度以消除表面沉积；且其中沉积氧化钛，形成含过多铅的铁电薄膜材料层，加热使其表面沉积实质消失，并重复上述步骤以薄层化晶粒层14a、14b及14c。

主权项

1.一种铁电电容器,包含:-第一电极,由易氧化之金属制成;-复数层铁电薄膜,包含一形成于该第一电极上之第一铁电薄膜及形成于该第一铁电薄膜上之第二铁电薄膜,该第二铁电薄膜之晶界相对第一铁电薄膜之晶界系互不对齐;以及-第二电极,其形成于该复数层铁电薄膜之上。2.如申请专利范围第1项之铁电电容器,其中该复数层铁电薄膜由铅锆钛酸盐(PZT)制成。3.如申请专利范围第1或第2项之铁电电容器,其中该第一及第二电极由铱所制成。4.如申请专利范围第3项之铁电电容器,其中该铁电电容器系在一记忆体细胞中。5.如申请专利范围第1或2项之铁电电容器,其中该铁电电容器系在一记忆体细胞中。6.一种铁电电容器的制造方法,其中于制造铁电电容器中,该铁电电容器具有由易氧化金属制成的第一电极,在第一电极上的铁电薄膜,在铁电薄膜上的第二电极,且其中经由晶界而组合晶粒所构成的多重晶粒层系藉由沿前述第一电极之表面的晶界而叠置,因而形成前述的铁电薄膜,其制造方法具有:第一个过程以形成前述的第一电极;第二个过程用以沉积至少一种上述铁电薄膜的组成成分的氧化物至第一电极上;第三个过程形成铁电薄膜材料层其包含在上述第一电极上氧化物沈积处之前述铁电薄膜之特定组成成分的过多部份;第四个过程在一温度下加热,在该温度下主要由前述定组成成份制成之表面沉积物会实质消失,而形成前述晶粒层的下层;第五个过程用以沉积至少一种前述铁电薄膜的组成成份之氧化物至下层晶粒层上;第六个过程形成一铁电薄膜材料层,其包含在上述下层晶粒层上氧化物沈积处之前述铁电薄膜之特定组成成份的过多部份;以及第七个过程在一温度下加热,在该温度下主要由前述特定组成成份制成之表面沉积物会实质消失,而形成前述晶粒层的上层。7.如申请专利范围第6项的制造方法,其中对应于第五个过程、第六个过程及第七个过程之各过程可增加所需次数。8.如申请专利范围第6项或第7项的制造方法,其中在制造铁电电容器中,第一电极和第二电极分别由易氧化金属制成,铁电薄膜则由铅锆钛酸盐制成,第二个过程及第五个过程分别沉积氧化钛,第三个过程及第六个过程分别形成含过多铅的铅锆钛酸盐的非结晶层,以及第四个过程及第七个过程分别在一温度下进行退火以形成铅锆钛酸盐的结晶层,在该温度下,主要由过多铅构成的表面沉积物会消失,及/或分别进行前述结晶层之后退火。9.如申请专利范围第8项的制造方法,其中该铁电电容器系在一记忆体细胞中。10.如申请专利范围第8项的制造方法,其中铅锆钛酸盐的非结晶层的铅含量,以原子数比値时为锆及钛总数的(1.02-1.50)倍,且退火及后退火系在625℃或以上进行。11.如申请专利范围第8项的制造方法,是基于溶液-胶化方式,其中含过多铅的铅锆钛酸盐前导溶液分布在整个下电极上,下电极上沉积氧化钛;将分布之前导溶液加热以形成铅锆钛酸盐的非结晶层;并且此非结晶层藉由退火以结晶化。12.如申请专利范围第6或7项的制造方法,其中氧化物沉积厚度为0.01-10nm。13.如申请专利范围第12项的制造方法,其中该铁电电容器系在一记忆体细胞中。14.如申请专利范围第6或7项的制造方法,其中该铁电电容器系在一记忆体细胞中。15.如申请专利范围第10项的制造方法,其中该铁铁电电容器系在一记忆体细胞中。16.如申请专利范围第11项的制造方法,其中该铁铁电电容器系在一记忆体细胞中。图式简单说明:第一图(A)为此发明PZT电容器具体实例的示意轮廓剖面图,第一图(B)为其示意平面图。第二图为PZT电容器制造顺序之轮廓剖面图。第三图为PZT电容器电极材质的剩余极化密度和极化反转数目的比较关系图(双极性脉冲电压5V)。第四图为PZT薄膜介电极化値的磁滞曲线图。第五图(A)、第五图(B)、第五图(C)为PZT电容器在不同Pb浓度及退火温度下结构变化比较之轮廓剖面图。第六图为在附着于TiOx原子核的Ir电极上形成之相同PZT薄膜的SEM影像图。第七图为相同PZT电容器因Pb浓度不同下剩余极化密度和极化反转数目的比较关系图。第八图为在不同电极上形成的PZT薄膜I/V特性图。第九图为相同PZT电容器因退火温度不同下剩余极化密度和极化反转数目的比较关系图。第十图为相同PZT电容器的PZT薄膜的X光绕射频谱图。第十一图(A)为相同PZT电容器电流对时间特性图,第十一图(B)为电流对电压特性图。第十二图为比较性PZT电容器之示意轮廓剖面图。第十三图为装有相同PZT电容器的半导体元件(FRAM)的轮廓剖面图。第十四图为装有相同PZT电容器的动态RAM的记忆体细胞的轮廓剖面图。第十五图为相同记忆体细胞的制造方法中一个过程的放大剖面图。第十六图为相同记忆体细胞的制造方法中另一个过程的放大剖面图。第十七图为相同记忆体细胞的制造方法中另一个过程的放大剖面图。第十八图为相同记忆体细胞的制造方法中另一个过程的放大剖面图。第十九图为相同记忆体细胞的制造方法中另一个过程的放大剖面图。第二十图为相同记忆体细胞的制造方法中另一个过程的放大剖面图。第二十一图为一般PZT电容器范例的轮廓剖面图。第二十二图为装有一般PZT电容器范例的半导体元件(FRAM)的剖面图。