專利名稱：鐵電電容器、具有該電容器的存儲器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體存儲器件，更特別地，涉及具有三維結(jié)構(gòu)的鐵電電容器、以及具有該鐵電電容器的非易失性存儲器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件制造期間產(chǎn)生的問題之一是材料的相互擴(kuò)散引起的副作用(side-effect)。
材料的相互擴(kuò)散源自于形成半導(dǎo)體器件的組分材料的界面特性或半導(dǎo)體器件制造中的高處理溫度。
近來，作為下一代半導(dǎo)體存儲器件的鐵電隨機存取存儲器(FRAM)與磁隨機存取存儲器(MRAM)、相變隨機存取存儲器(PRAM)等一起引起了人們的注意。此外，為了器件的高度集成，已經(jīng)努力將FRAM中鐵電電容器的結(jié)構(gòu)修改為各種形狀和結(jié)構(gòu)，處理期間出現(xiàn)的問題之一是由于PZT層的Pb與PZT層下面的層的Si相互擴(kuò)散而使PZT層中Pb的濃度降低。
當(dāng)PZT層中Pb的濃度降低時，PZT層的晶體結(jié)構(gòu)由鈣鈦礦結(jié)構(gòu)變成燒綠石結(jié)構(gòu)。這樣，如果晶體結(jié)構(gòu)改變，由于PZT層中的正常極化特性消失，則具有改變的晶體結(jié)構(gòu)的PZT層不可用作鐵電物質(zhì)。此外，即使晶體結(jié)構(gòu)的改變僅限制在PZT層的局部區(qū)域，由于可用作一般鐵電物質(zhì)的PZT區(qū)域減少，而減小了鐵電電容器的有效面積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能夠防止或最小化Pb和Si相互擴(kuò)散的鐵電電容器。
本發(fā)明還提供一種具有該鐵電電容器的非易失性存儲器件。
本發(fā)明還提供一種制造該非易失性存儲器件的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種鐵電電容器，包括下電極；形成在該下電極周圍的絕緣中間層(interlayer)；形成在該絕緣中間層上的擴(kuò)散阻擋層；形成在該下電極和該擴(kuò)散阻擋層上的鐵電層；以及形成在該鐵電層上的上電極。
該下電極可以是溝槽(trench)結(jié)構(gòu)。該鐵電層可以是PZT層，該擴(kuò)散阻擋層可以是除SiO2層之外的絕緣層。這里，所述絕緣層可以是SiN層、TiO2層、SiON層和Al2O3層中的至少一種。該絕緣層可具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，不包括Pb。該擴(kuò)散阻擋層可包括第一和第二擴(kuò)散阻擋層。這里，該第一擴(kuò)散阻擋層可以是SiN層、TiO2層、SiON層和Al2O3層之一，該第二擴(kuò)散阻擋層可以是具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的絕緣層，不包括Pb。在此情況下，該絕緣層可以是BST層或LiNbO3層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種鐵電電容器，包括具有溝槽結(jié)構(gòu)的下電極；形成在該下電極周圍且由除SiO2之外的絕緣材料構(gòu)成的絕緣中間層；形成在該下電極和該絕緣中間層上的鐵電層；以及形成在該鐵電層上的上電極。
該鐵電層可以是PZT層，該絕緣中間層可以是SiN層、TiO2層、SiON層和Al2O3層中的至少一種。該鐵電電容器還可包括形成在該絕緣中間層和該鐵電層之間的具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)不包括Pb的絕緣層。這里，該絕緣層可以是BST層或LiNbO3層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種非易失性存儲器件，包括開關(guān)元件、鐵電電容器和連接該開關(guān)元件與該鐵電電容器的連接元件，其中該鐵電電容器包括接觸該連接元件的下電極；形成在該下電極周圍的絕緣中間層；形成在該絕緣中間層上的擴(kuò)散阻擋層；形成在該下電極和該擴(kuò)散阻擋層上的鐵電層；以及形成在該鐵電層上的上電極。
在該存儲器件中，該鐵電電容器的具體組分元素可以與上面描述的相同。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種非易失性存儲器件，包括開關(guān)元件、鐵電電容器和連接該開關(guān)元件與該鐵電電容器的連接元件，其中該鐵電電容器包括與上面第二個中描述的鐵電電容器相同的特性。
在該存儲器件中，該鐵電電容器的具體組分元素可以與上面描述的相同。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造非易失性存儲器件的方法，包括在襯底中形成晶體管；在襯底上形成覆蓋該晶體管的第一絕緣中間層；在該第一絕緣中間層中形成暴露該晶體管的漏極區(qū)的接觸孔；用導(dǎo)電塞填充該接觸孔；在該第一絕緣中間層上順序形成覆蓋該導(dǎo)電塞的第二絕緣中間層和擴(kuò)散阻擋層；在包括該第二絕緣中間層和該擴(kuò)散阻擋層的疊層結(jié)構(gòu)中形成暴露該導(dǎo)電塞的通孔；在該通孔的側(cè)表面和底表面上形成下電極；在該擴(kuò)散阻擋層上形成覆蓋該通孔內(nèi)的下電極的鐵電層；以及在該鐵電層上形成上電極。
該第二絕緣中間層可以由SiO2層或SiN層形成，該鐵電層可以由PZT層形成。該擴(kuò)散阻擋層可以是SiN層、TiO2層、SiON層和Al2O3層之一。此外，該擴(kuò)散阻擋層可以是具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)不包括Pb的絕緣層。
該擴(kuò)散阻擋層可以通過順序疊置第一和第二擴(kuò)散阻擋層形成。
該下電極的形成還可包括在該擴(kuò)散阻擋層上形成覆蓋該通孔的側(cè)表面和底表面的下電極；以及拋光該下電極直到暴露該擴(kuò)散阻擋層。
還可以在該第一和第二絕緣中間層之間形成覆蓋該導(dǎo)電塞的歐姆接觸層，并可以形成所述通孔從而暴露該歐姆接觸層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造非易失性存儲器件的方法，包括在襯底中形成晶體管；在該襯底上形成覆蓋該晶體管的第一絕緣中間層；在該第一絕緣中間層中形成暴露該晶體管的漏極區(qū)的接觸孔；用導(dǎo)電塞填充該接觸孔；在該第一絕緣中間層上形成覆蓋該導(dǎo)電塞的第二絕緣中間層；在該第二絕緣中間層中形成暴露該導(dǎo)電塞的通孔；在該通孔的側(cè)表面和底表面上形成下電極；在該第二絕緣中間層上形成覆蓋該通孔內(nèi)的下電極的鐵電層；以及在該鐵電層上形成上電極，其中該第二絕緣中間層由除SiO2之外的絕緣材料構(gòu)成。
該第二絕緣中間層可以由SiN層、SiON層、Al2O3和TiO2層之一形成，該鐵電層可以由PZT層形成。
該下電極的形成還可包括在該第二絕緣中間層上形成覆蓋該通孔的側(cè)表面和底表面的下電極；以及拋光該下電極直到暴露該第二絕緣中間層。


通過參照附圖詳細(xì)描述其示例性實施例，本發(fā)明的上述和其他特征和優(yōu)點將變得更加明顯，附圖中圖1至5是剖視圖，示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的非易失性存儲器件；圖6是曲線圖，示出當(dāng)在根據(jù)本發(fā)明一實施例的非易失性存儲器件中不提供擴(kuò)散阻擋層時檢驗Pb和Si的相互擴(kuò)散程度的SIMS數(shù)據(jù)；圖7是曲線圖，示出當(dāng)在根據(jù)本發(fā)明一實施例的非易失性存儲器件中擴(kuò)散阻擋層為SiN層時檢驗Pb和Si的相互擴(kuò)散程度的SIMS數(shù)據(jù)；圖8是曲線圖，示出當(dāng)在根據(jù)本發(fā)明一實施例的非易失性存儲器件中擴(kuò)散阻擋層為Al2O3層時檢驗Pb和Si的相互擴(kuò)散程度的SIMS數(shù)據(jù)；圖9是曲線圖，示出在根據(jù)本發(fā)明一實施例的非易失性存儲器件中檢驗當(dāng)不提供擴(kuò)散阻擋層時Pb的擴(kuò)散程度以及當(dāng)提供擴(kuò)散阻擋層時Pb根據(jù)擴(kuò)散阻擋層的種類的擴(kuò)散程度的SIMS數(shù)據(jù)；圖10至15是剖視圖，按照工藝順序示出根據(jù)本發(fā)明一實施例制造存儲器件的方法。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更全面地描述本發(fā)明，附圖中示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式實施，不應(yīng)理解為局限于這里提出的實施例。而是，提供這些實施例是為了使本公開徹底和完整，且向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分傳達(dá)本發(fā)明的范圍。在圖中，為了清楚起見而放大了層的厚度和區(qū)域。
現(xiàn)在，將與根據(jù)本發(fā)明一實施例的鐵電電容器(下文中稱為本發(fā)明的電容器)一起闡釋根據(jù)本發(fā)明一實施例的非易失性存儲器件。
<第一實施例>
參照圖1，在根據(jù)本發(fā)明第一實施例的非易失性存儲器件(下文稱為第一存儲器件)中，第一和第二雜質(zhì)區(qū)42s和42d以距襯底40的表面預(yù)定深度形成在襯底40中。第一和第二雜質(zhì)區(qū)42s和42d被摻雜以具有與摻雜襯底40的雜質(zhì)相反的極性的雜質(zhì)，且彼此間隔開。第一和第二雜質(zhì)區(qū)42s和42d之一可以是源極區(qū)且另一個可以是漏極區(qū)。在第一和第二雜質(zhì)區(qū)42s和42d之間在襯底40上形成柵極疊層44。柵極疊層44可包括柵氧化層、柵電極、間隔壁等。第一和第二雜質(zhì)區(qū)42s和42d以及柵極疊層44構(gòu)成作為開關(guān)元件之一的場效應(yīng)晶體管。在襯底40上設(shè)置覆蓋場效應(yīng)晶體管的第一絕緣中間層46。在第一絕緣中間層46中形成暴露第二雜質(zhì)區(qū)域42d的接觸孔h1。用導(dǎo)電塞48填充接觸孔h1。在第一絕緣中間層46上形成覆蓋導(dǎo)電塞48的上表面的歐姆接觸層50。歐姆接觸層50可以僅形成在導(dǎo)電塞48的上表面上，如圖5所示。歐姆接觸層50可以是例如TiAlN層。在歐姆接觸層50上設(shè)置厚的第二絕緣中間層52。第二絕緣中間層52可以是例如二氧化硅(SiO2)層。在第二絕緣中間層52的上表面上形成擴(kuò)散阻擋層54。擴(kuò)散阻擋層54可以是除SiO2之外的絕緣層，例如氮化物層(SiN)、氧化鈦(TiO2)層、氮氧化硅(SiON)層或氧化鋁(Al2O3)層。在包括第二絕緣中間層52和擴(kuò)散阻擋層54的疊層結(jié)構(gòu)中形成暴露歐姆接觸層50的通孔v1。通孔v1的側(cè)表面和底部被覆蓋以下電極56。下電極56可以是由貴金屬例如銥(Ir)構(gòu)成的電極。用預(yù)定厚度的PZT層58覆蓋下電極56的內(nèi)表面。PZT層58延伸到擴(kuò)散阻擋層54上?？梢允褂贸齈ZT層58之外的鐵電層代替PZT層58。在PZT層58上形成上電極60以覆蓋通孔v1。上電極60可以是由與下電極56相同的貴金屬例如銥(Ir)構(gòu)成的電極，但也可以是由與下電極56不同的貴金屬構(gòu)成的電極。下電極56、PZT層58和上電極60構(gòu)成鐵電電容器。
考慮到包括第一和第二絕緣中間層46和52的疊層結(jié)構(gòu)，形成在包括第二絕緣中間層52和擴(kuò)散阻擋層54的疊層結(jié)構(gòu)中的通孔v1是溝槽。這樣，形成在通孔v1中的鐵電電容器具有溝槽結(jié)構(gòu)。
<第二實施例>
下面將闡釋根據(jù)本發(fā)明第二實施例的非易失性存儲器件(下文稱為第二存儲器件)。第二存儲器件主要具有與圖1所示的第一存儲器件相同的結(jié)構(gòu)。
但是，第二存儲器件在絕緣中間層52和PZT層58之間具有雙層的擴(kuò)散阻擋層62，如圖2所示。雙層的擴(kuò)散阻擋層62包括順序疊置的第一和第二擴(kuò)散阻擋層62a和62b。第一擴(kuò)散阻擋層62a可以與第一存儲器件的擴(kuò)散阻擋層54(圖1)相同。第二擴(kuò)散阻擋層62b可以是具有與PZT層58相同晶體結(jié)構(gòu)即鈣鈦礦結(jié)構(gòu)且不包括Pb的鐵電層，例如BST層或LiNbO3層。
<第三實施例>
現(xiàn)在將參照圖3闡釋根據(jù)本發(fā)明第三實施例的非易失性存儲器件(下文稱為第三存儲器件)。如圖3所示，第三存儲器件的結(jié)構(gòu)大部分與第一存儲器件的結(jié)構(gòu)相同，且擴(kuò)散阻擋層73為單層。
但是，第三存儲器件的擴(kuò)散阻擋層73與第一存儲器件的擴(kuò)散阻擋層54不同，而是與第二存儲器件的第二擴(kuò)散阻擋層62b(圖2)相同。
<第四實施例>
現(xiàn)在將參考圖4闡釋根據(jù)本發(fā)明第四實施例的非易失性存儲器件(下文稱為第四存儲器件)。在第四存儲器件中，第二絕緣中間層84和PZT層58彼此直接接觸而沒有擴(kuò)散阻擋層。此時，第二絕緣中間層84可以是由除SiO2之外的絕緣材料構(gòu)成的絕緣層，例如SiN層或Al2O3層。因此，認(rèn)為第四存儲器件的第二絕緣中間層84也用作擴(kuò)散阻擋層。具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)且不包括Pb的絕緣層例如BST層或LiNbO3層可以設(shè)置在第二絕緣中間層84與PZT層58之間。
<第五實施例>
下面將闡釋根據(jù)本發(fā)明第五實施例的非易失性存儲器件(下文稱為第五存儲器件)。第五存儲器件主要具有與第一存儲器件相同的結(jié)構(gòu)。但是，在圖5所示的第五存儲器件中，歐姆接觸層50僅形成在導(dǎo)電塞48的上表面上。第五存儲器件的歐姆接觸層50的結(jié)構(gòu)也可以用于第二至第四存儲器件。
在如上所述的本發(fā)明的存儲器件中，存在擴(kuò)散阻擋層54的效果可以通過二次離子質(zhì)譜(SIMS)分析來得到，其中使用濺射法，每次以預(yù)定厚度從PZT層58的上表面到第二絕緣中間層52的下表面順序去除具有依次層疊的第二絕緣中間層52、擴(kuò)散阻擋層54和PZT層58的疊層結(jié)構(gòu)，然后依次對去除部分(removed portion)進(jìn)行質(zhì)譜測定。
通過SIMS分析，可以分析存在于疊層結(jié)構(gòu)的上表面即PZT層58的上表面與疊層結(jié)構(gòu)的底表面即第二絕緣中間層52的底表面之間的材料的成分。通過成分分析，可以發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散到疊層結(jié)構(gòu)的PZT層58中的材料成分的量，例如Si的量，且可以發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散到第二絕緣中間層52中的Pb的量。
在SIMS分析中，隨著對疊層結(jié)構(gòu)的濺射時間增長，疊層結(jié)構(gòu)的厚度變薄。
圖6至8示出疊層結(jié)構(gòu)的SIMS數(shù)據(jù)。
圖6示出當(dāng)疊層結(jié)構(gòu)不包括擴(kuò)散阻擋層54且第二絕緣中間層52是二氧化硅(SiO2)層時，即當(dāng)PZT層58直接接觸第二絕緣中間層52時，有多少PZT層58的Pb組分和第二絕緣中間層52的Si組分?jǐn)U散到彼此中，以及PZT層58和第二絕緣中間層52的其他組分到彼此中的相互擴(kuò)散狀態(tài)。
圖6的第一至第五曲線G1至G5是分別示出鈦(Ti)、鉛(Pb)、鋯(Zr)、硅(Si)和氧化硅(SiO)層的SIMS數(shù)據(jù)的曲線。
圖6的垂線L示出了PZT層58和第二絕緣中間層52的界面。圖6的垂線L的左區(qū)域?qū)?yīng)于PZT層58，其右區(qū)域?qū)?yīng)于第二絕緣中間層52。此外，圖6中的d1和d2分別表示基于垂線L測量的Pb和Si的相互擴(kuò)散長度。
如圖6所示，當(dāng)PZT層58的Pb和第二絕緣中間層52的Si深地相互擴(kuò)散到彼此中時，PZT層58的Pb濃度隨Pb和Si的反應(yīng)而降低。結(jié)果，PZT層58的硅擴(kuò)散到其中的區(qū)域的相從鈣鈦礦結(jié)構(gòu)變?yōu)闊G石結(jié)構(gòu)。PZT層58的具有與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)的區(qū)域不表現(xiàn)與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中相同的正常極化特性。此外，這樣的區(qū)域會延伸到不直接接觸第二絕緣中間層52的部分PZT層58。因此，由于鐵電電容器的有效面積縮小，即使鐵電電容器形成為溝槽結(jié)構(gòu)那樣的三維形狀，有效面積的增大效果也不大。但是，當(dāng)在PZT層58和第二絕緣中間層52之間提供擴(kuò)散阻擋層54時，Pb和Si相互擴(kuò)散的程度與圖6所示的相比可以忽略不計。
圖7和8證實了該事實，圖7和8示出根據(jù)擴(kuò)散阻擋層54的種類的Pb和Si相互擴(kuò)散程度。
圖7示出當(dāng)擴(kuò)散阻擋層54為SiN層時的SIMS數(shù)據(jù)，圖8示出當(dāng)擴(kuò)散阻擋層54為Al2O3層時的SIMS數(shù)據(jù)。
首先，參考圖7，第一至第五曲線G11至G55是分別示出關(guān)于鈦(Ti)、鉛(Pb)、鋯(Zr)、硅(Si)和氮化物(SiN)層的SIMS數(shù)據(jù)的曲線。垂線L1表示PZT層和SiN構(gòu)成的擴(kuò)散阻擋層54之間的界面。垂線L1的左區(qū)域是PZT層58的區(qū)域，垂線L1的右區(qū)域是擴(kuò)散阻擋層54和第二絕緣中間層52的區(qū)域。
比較圖7的第二曲線G22、第四曲線G44和第五曲線G55，鉛(Pb)的強度從左向右穿過垂線L1迅速下降，硅(Si)的強度從右向左穿過垂線L1也迅速下降。氮化物(SiN)層的強度從右向左穿過垂線L1也迅速下降。
比較圖6和7，圖7中Pb和Si的相互擴(kuò)散距離d11和d22比圖6中Pb和Si的相互擴(kuò)散距離d1和d2短得多。
然后，參考圖8，第一至第六曲線GG1至GG6分別示出關(guān)于鈦(Ti)、鉛(Pb)、鋯(Zr)、硅(Si)、鋁(Al)和氧化鋁(AlO)的SIMS數(shù)據(jù)。垂線L2表示PZT層58和擴(kuò)散阻擋層54的界面。此外，垂線L2的左區(qū)域?qū)?yīng)于PZT層58，其右區(qū)域?qū)?yīng)于擴(kuò)散阻擋層54和第二絕緣中間層52。
參考圖8的第二曲線GG2和第四曲線GG4，Pb和Si的強度穿過垂線L2都迅速下降。因此，圖8中Pb和Si的相互擴(kuò)散距離dd1和dd2比圖6中Pb和Si的相互擴(kuò)散距離d1和d2短得多。
由圖6的結(jié)果以及圖7和8的結(jié)果，證實當(dāng)在第二絕緣中間層52和PZT層58之間形成擴(kuò)散阻擋層54時，Pb和Si的相互擴(kuò)散距離比其間不形成擴(kuò)散阻擋層54時的相互擴(kuò)散距離短得多。
圖9示出根據(jù)擴(kuò)散阻擋層54的種類的Pb擴(kuò)散的SIMS數(shù)據(jù)。
圖9的第一曲線S1示出當(dāng)不設(shè)置擴(kuò)散阻擋層時Pb的擴(kuò)散。第二至第六曲線S2至S6分別示出當(dāng)擴(kuò)散阻擋層54分別由TiO2層、SiON層、具有200 厚度的Al2O3層、具有100 厚度的Al2O3層、以及SiN層形成時Pb的擴(kuò)散。此外，圖9的垂線L3示出第二至第六曲線S2至S6中PZT層58和擴(kuò)散阻擋層54之間的界面，并示出第一曲線S1中PZT層58和第二絕緣中間層52之間的界面。
比較圖9的第一至第六曲線S1至S6，發(fā)現(xiàn)分別在第三至第六曲線S3至S6中穿過垂線L3 Pb的強度迅速下降。這意味著，當(dāng)穿過PZT層58和擴(kuò)散阻擋層54之間的界面時Pb的強度迅速下降。此外，在第二曲線S2的情況下，當(dāng)擴(kuò)散阻擋層54為TiO2層時，發(fā)現(xiàn)Pb的強度隨濺射時間而降低。但是，在第一曲線S1的情況下，當(dāng)不形成擴(kuò)散阻擋層54時，發(fā)現(xiàn)Pb的強度維持為高直到濺射時間約為500秒。
現(xiàn)在將說明制造上述本發(fā)明的存儲器件的方法。將參考圖10至15闡釋作為示例的制造第一存儲器件的方法。由于與制造第一存儲器件的方法沒有太大不同，所以將省略關(guān)于制造第二至第五存儲器件的方法的說明。
參考圖10，在制造第一存儲器件的方法(下文稱為本發(fā)明的制造方法)中，在襯底40的預(yù)定部分上形成柵極疊層44。然后，使用柵極疊層44作為掩模在襯底40中形成第一和第二雜質(zhì)區(qū)域42s和42d?？梢酝ㄟ^注入具有與襯底40的摻雜雜質(zhì)的極性相反的極性的雜質(zhì)來形成第一和第二雜質(zhì)區(qū)域42s和42d。第一和第二雜質(zhì)區(qū)域42s和42d中的一個可以是源極區(qū)，另一個可以是漏極區(qū)。這樣，在襯底40中形成用作開關(guān)元件的場效應(yīng)晶體管。在形成場效應(yīng)晶體管之后，在襯底40上形成覆蓋晶體管的第一絕緣中間層46。然后，使用常規(guī)光刻和蝕刻工藝在第一絕緣中間層46中形成暴露第二雜質(zhì)區(qū)域42d的接觸孔h1。如圖11所示，用導(dǎo)電塞48填充接觸孔h1。導(dǎo)電塞48可以由形成與第二雜質(zhì)區(qū)域42d的歐姆接觸的材料構(gòu)成，例如，摻雜的多晶硅。
然后，參考圖12，在第一絕緣中間層46上形成覆蓋導(dǎo)電塞48的上表面的歐姆接觸層50。歐姆接觸層50可以由例如TiAlN層形成。歐姆接觸層50可以由單層或雙層形成。此外，歐姆接觸層50可以僅形成在導(dǎo)電塞48的上表面上，如圖5所示。此外，當(dāng)導(dǎo)電塞48與在隨后工藝中形成的下電極56(圖13)形成歐姆接觸時，可以省略歐姆接觸層50的形成。
形成歐姆接觸層50之后，在歐姆接觸層50上依次層疊第二絕緣中間層52和擴(kuò)散阻擋層54。第二絕緣中間層52可以由SiO2形成。此外，由于隨后工藝中下電極高度基本上由第二絕緣中間層52的厚度決定，因此考慮到下電極的合適高度，第二絕緣中間層52形成得厚度上較厚?？梢允褂没瘜W(xué)氣相沉積(CVD)法或濺射法形成第二絕緣中間層52，且可以使用其他沉積方法來形成。擴(kuò)散阻擋層54可以由選自包括SiN層、SiON層、Al2O3層和TiO2層的組的層來形成。擴(kuò)散阻擋層54可以由具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)且不包括Pb的絕緣層例如BST層或LiNbO3層形成。擴(kuò)散阻擋層54可以由這樣的單層形成，但可以由包括第一和第二擴(kuò)散阻擋層的雙層來形成。當(dāng)擴(kuò)散阻擋層54由雙層構(gòu)成時，第一擴(kuò)散阻擋層可以由上述組中的一層來形成，第二擴(kuò)散阻擋層可以由具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)且不包括Pb的絕緣層形成?？梢允褂肅VD法、濺射法或原子層沉積(ALD)法來形成擴(kuò)散阻擋層54。
同時，第二絕緣中間層52可以由不包括SiO2的絕緣層形成，例如SiN層或Al2O3層。在此情況下，由于第二絕緣中間層52不包含會擴(kuò)散到第二絕緣中間層52外的元素，因此不需要在第二絕緣中間層52上形成擴(kuò)散阻擋層54。但是，如果存在Pb從隨后工藝中形成的鐵電層例如PZT層擴(kuò)散到第二絕緣中間層52的可能性，則即使第二絕緣中間層52由SiO2之外的絕緣層形成，為了防止Pb的擴(kuò)散，也要在第二絕緣中間層52上形成擴(kuò)散阻擋層54。
然后，參考圖13，在包括第二絕緣中間層52和擴(kuò)散阻擋層54的疊層結(jié)構(gòu)中形成暴露歐姆接觸層50的通孔v1。通孔v1優(yōu)選形成在導(dǎo)電塞48正上方。在形成通孔v1之后，在擴(kuò)散阻擋層54上形成下電極56從而覆蓋通孔v1的側(cè)表面和底表面。下電極56可以由預(yù)定的貴金屬構(gòu)成，例如銥(Ir)。
然后，對下電極56進(jìn)行拋光工藝?？梢允褂没瘜W(xué)機械拋光(CMP)法或離子研磨法進(jìn)行拋光工藝。進(jìn)行拋光工藝直到露出擴(kuò)散阻擋層54為止。結(jié)果，去除了形成在擴(kuò)散阻擋層54的上表面上的部分56a和56b，且因此，僅在通孔v1的側(cè)表面和底表面上保留下電極56，如圖14所示。結(jié)果，下電極56的所得結(jié)構(gòu)為溝槽結(jié)構(gòu)。
參考圖15，在擴(kuò)散阻擋層54上形成覆蓋通孔v1內(nèi)下電極56的暴露表面的PZT層58?？梢杂闷渌F電層代替PZT層58。由于擴(kuò)散阻擋層54的存在，PZT層58不直接接觸第二絕緣中間層52。在形成PZT層58之后，在PZT層58上形成上電極60以填充通孔v1。上電極60優(yōu)選由與下電極56相同的貴金屬構(gòu)成，但可以由不同的貴金屬構(gòu)成。這樣，制造了本發(fā)明的第一存儲器件。
已經(jīng)具體進(jìn)行了許多描述，但必須理解這些描述是示例性實施例的例子，而不是對本發(fā)明范圍的限定。例如，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯然地，鐵電電容器可以制成具有與溝槽結(jié)構(gòu)不同的三維結(jié)構(gòu)。下電極可以延伸到通孔v1周圍的區(qū)域。此外，在下電極56和PZT層58順序形成在第二絕緣中間層52的上表面上而沒有擴(kuò)散阻擋層54之后，下電極56和PZT層58可以在距通孔v1預(yù)定距離處被切割，然后，絕緣層間隔物可以形成在被切割的表面處。因此，本發(fā)明的范圍必須由所附權(quán)利要求的思想而不是上述實施例來定義。
如上所述，在本發(fā)明的存儲器件中，由于存在擴(kuò)散阻擋層，可以防止Pb和Si的相互擴(kuò)散，并且即使發(fā)生了這樣的擴(kuò)散，擴(kuò)散程度也可以忽略。因此，可以防止由Pb和Si的相互擴(kuò)散和反應(yīng)導(dǎo)致的PZT層中Pb濃度的降低，并且由于防止了PZT層的相變，因此可以防止PZT層和下電極之間有效面積的減小。因此，即使將本發(fā)明的存儲器件高度集成，本發(fā)明的存儲器件的鐵電電容器也可以確保存儲器件正常操作所需的電容。
此外，當(dāng)如上所述在本發(fā)明的存儲器件中形成擴(kuò)散阻擋層時，由于不需要考慮Pb和Si的相互擴(kuò)散，所以可以消除與PZT層的沉積相關(guān)的不穩(wěn)定問題。
此外，由于在依次層疊第二絕緣中間層和擴(kuò)散阻擋層之后形成其上將形成下電極的通孔v1，因此，即使擴(kuò)散阻擋層由雙層或多層形成，也不增加掩模的數(shù)量。
雖然參照其示例性實施例特別顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不偏離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的思想和范圍的情況下，可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種鐵電電容器，包括下電極；形成在該下電極周圍的絕緣中間層；形成在該絕緣中間層上的擴(kuò)散阻擋層；形成在該下電極和該擴(kuò)散阻擋層上的鐵電層；以及形成在該鐵電層上的上電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵電電容器，其中該下電極是溝槽結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵電電容器，其中該鐵電層是PZT層，該擴(kuò)散阻擋層是除SiO2層之外的絕緣層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的鐵電電容器，其中該絕緣層是選自包括SiN層、TiO2層、SiON層和Al2O3層的組的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的鐵電電容器，其中該絕緣層具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)且不包括Pb。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵電電容器，其中該鐵電層是PZT層，該擴(kuò)散阻擋層包括第一和第二擴(kuò)散阻擋層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的鐵電電容器，其中該第一擴(kuò)散阻擋層是選自包括SiN層、TiO2層、SiON層和Al2O3層的組的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的鐵電電容器，其中該第二擴(kuò)散阻擋層是具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)不包括Pb的絕緣層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的鐵電電容器，其中該絕緣層是BST層或LiNbO3層。
10.一種鐵電電容器，包括具有溝槽結(jié)構(gòu)的下電極；絕緣中間層，形成在該下電極周圍且由除SiO2之外的絕緣材料構(gòu)成；形成在該下電極和該絕緣中間層上的鐵電層；以及形成在該鐵電層上的上電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的鐵電電容器，其中該鐵電層是PZT層，該絕緣中間層是選自包括SiN層、TiO2層、SiON層和Al2O3層的組的至少一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的鐵電電容器，還包括形成在該絕緣中間層和該鐵電層之間的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)不包括Pb的絕緣層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的鐵電電容器，其中該絕緣層是BST層或LiNbO3層。
14.一種非易失性存儲器件，包括開關(guān)元件、鐵電電容器、以及連接該開關(guān)元件和該鐵電電容器的連接元件，其中該鐵電電容器包括接觸該連接元件的下電極；形成在該下電極周圍的絕緣中間層；形成在該絕緣中間層上的擴(kuò)散阻擋層；形成在該下電極和該擴(kuò)散阻擋層上的鐵電層；以及形成在該鐵電層上的上電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的非易失性存儲器件，其中該下電極具有溝槽結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的非易失性存儲器件，其中該鐵電層是PZT層，該擴(kuò)散阻擋層是除SiO2層之外的絕緣層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的非易失性存儲器件，其中該絕緣層是選自包括SiN層、TiO2層、SiON層和Al2O3層的組的至少一種。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的非易失性存儲器件，其中該絕緣層具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)且不包括Pb。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的非易失性存儲器件，其中該鐵電層是PZT層，該擴(kuò)散阻擋層包括第一和第二擴(kuò)散阻擋層。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的非易失性存儲器件，其中該第一擴(kuò)散阻擋層是選自包括SiN層、TiO2層、SiON層和Al2O3層的組的一種。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的非易失性存儲器件，其中該第二擴(kuò)散阻擋層是具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)不包括Pb的絕緣層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的非易失性存儲器件，其中該絕緣層是BST層或LiNbO3層。
23.一種非易失性存儲器件，包括開關(guān)元件、鐵電電容器、以及連接該開關(guān)元件和該鐵電電容器的連接元件，其中該鐵電電容器包括接觸該連接元件且具有溝槽結(jié)構(gòu)的下電極；絕緣中間層，形成在該下電極周圍且由除SiO2之外的絕緣材料形成；形成在該下電極和該絕緣中間層上的鐵電層；以及形成在該鐵電層上的上電極。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的非易失性存儲器件，其中該鐵電層是PZT層，該絕緣中間層是選自包括SiN層、TiO2層、SiON層和Al2O3層的組的至少一種。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的非易失性存儲器件，還包括形成在該絕緣中間層和該鐵電層之間的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)不包括Pb的絕緣層。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的非易失性存儲器件，其中該絕緣層是BST層或LiNbO3層。
27.一種制造非易失性存儲器件的方法，包括在襯底中形成晶體管；在該襯底上形成覆蓋該晶體管的第一絕緣中間層；在該第一絕緣中間層中形成暴露該晶體管的漏極區(qū)的接觸孔；用導(dǎo)電塞填充該接觸孔；在該第一絕緣中間層上依次形成覆蓋該導(dǎo)電塞的第二絕緣中間層和擴(kuò)散阻擋層；在包括該第二絕緣中間層和該擴(kuò)散阻擋層的疊層結(jié)構(gòu)中形成暴露該導(dǎo)電塞的通孔；在該通孔的側(cè)表面和底表面上形成下電極；在該擴(kuò)散阻擋層上形成覆蓋該通孔內(nèi)的所述下電極的鐵電層；以及在該鐵電層上形成上電極。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中該第二絕緣中間層由SiO2層或SiN層形成，該鐵電層由PZT層形成。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中該擴(kuò)散阻擋層是選自包括SiN層、TiO2層、SiON層和Al2O3層的組的一種。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中該擴(kuò)散阻擋層是具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)不包括Pb的絕緣層。
31.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中該擴(kuò)散阻擋層通過依次層疊第一和第二擴(kuò)散阻擋層形成。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中該第一擴(kuò)散阻擋層是選自包括SiN層、TiO2層、SiON層和Al2O3層的組的一種。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中該第二擴(kuò)散阻擋層是具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)不包括Pb的絕緣層。
34.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中該下電極的形成還包括在該擴(kuò)散阻擋層上形成覆蓋該通孔的側(cè)表面和底表面的下電極；以及拋光該下電極直到露出該擴(kuò)散阻擋層。
35.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中在該第一和第二絕緣中間層之間還形成覆蓋該導(dǎo)電塞的歐姆接觸層，且該通孔形成為暴露該歐姆接觸層。
36.一種制造非易失性存儲器件的方法，包括在襯底中形成晶體管；在該襯底上形成覆蓋該晶體管的第一絕緣中間層；在該第一絕緣中間層中形成暴露該晶體管的漏極區(qū)的接觸孔；用導(dǎo)電塞填充該接觸孔；在該第一絕緣中間層上形成覆蓋該導(dǎo)電塞的第二絕緣中間層；在該第二絕緣中間層中形成暴露該導(dǎo)電塞的通孔；在該通孔的側(cè)表面和底表面上形成下電極；在該第二絕緣中間層上形成覆蓋該通孔內(nèi)的所述下電極的鐵電層；以及在該鐵電層上形成上電極，其中該第二絕緣中間層由除SiO2之外的絕緣材料構(gòu)成。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中該第二絕緣中間層由選自包括SiN層、SiON層、Al2O3層和TiO2層的組的一種形成，該鐵電層由PZT層形成。
38.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中該下電極的形成還包括在該第二絕緣中間層上形成覆蓋該通孔的側(cè)表面和底表面的下電極；以及拋光該下電極直到暴露該第二絕緣中間層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有三維結(jié)構(gòu)的鐵電電容器、具有該鐵電電容器的非易失性存儲器件及其制造方法。該鐵電電容器包括溝槽型下電極；絕緣中間層，形成在該下電極周圍，例如為SiO
文檔編號H01L21/822GK101013694SQ20061012859
公開日2007年8月8日 申請日期2006年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月5日
發(fā)明者申尚旻, 樸永洙, 具俊謨, 裵丙才, 宋利憲, 金錫必 申請人:三星電子株式會社