專利名稱：電子元件、制作方法和用于制作電子元件的靶極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及電子元件而更詳細地涉及用于電子元件制造的介電材料。
在包括用作電容器結(jié)構(gòu)中兩塊導電平板之間的絕緣材料的各種各樣的應用中使用象氧化硅和氮化硅之類的介電材料。部分地由介電材料的介電常數(shù)和兩塊平板之間介電材料的面積決定給定的電容器的有效電容值。為了減少電容器的相應尺寸而仍形成具有一樣的電容值的電容器，在電容器中使用的材料的介電常數(shù)上必須成比例增大。
目前，一般的介電材料存在下述四個問題之一一般的介電材料與制作電子元件使用的材料不相容；一般的介電材料不具備足夠大的介電常數(shù)；在電子元件的工作范圍內(nèi)一般的介電材料具有居里溫度，或者一般的介電材料具有高的漏電流密度。
因此，提供一種能夠在電子元件制造中使用的具有較大的介電常數(shù)值和較低的漏電流密度的介電材料是有益的。倘若介電材料具有低于電子元件的工作溫度的居里溫度因此介電材料在電子元件正常工作期間不從順電(paraeletric)態(tài)變化到鐵電態(tài)，那么也是有利的。


圖1說明根據(jù)本發(fā)明制作的電子元件的放大剖面圖；和圖2是濺射沉積裝置的剖面圖。
要知道為了說明的簡潔和清晰，在圖中說明的元件不一定按比例繪圖。例如，為了清晰，一些元件的尺寸與其他一些元件比較起來是被放大了。進一步，在這些附圖中把附圖之間重復出現(xiàn)的相當?shù)臉颂柨醋鞅硎鞠鄳幕蛳嗨频脑?br> 一般來說，本發(fā)明提供能夠用于各種用途的電子元件的制造中的新型介電材料。本技術(shù)領(lǐng)域一般技術(shù)人員會明白本發(fā)明能夠用于制造象微處理機、微控制器、傳感器、動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)、嵌入DRAM、靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)、電可擦和可編程序的只讀存儲器(EEPROM)、快閃電可編程序只讀存儲器(快閃EPROM)或快閃電可擦和可編程序的只讀存儲器(快閃EEPROM)之類的集成電路。此外，本發(fā)明的介電材料同樣能用來制作象獨立電容器之類的分立元件。
由于介電材料的絕緣性能，所以本發(fā)明能來代替通常的介電材料。在下面描述的例子中，能用作本發(fā)明的介電材料來代替氧化硅或氮化硅作柵結(jié)構(gòu)、電容器結(jié)構(gòu)或非易失存儲器設(shè)備中的絕緣材料。
最佳實施例的介電材料包括鋇、鈦、錫和氧化物。更詳細地說，能用分子式Ba(Ti(1-x)Snx)O3表示介電材料。式中X能夠在大于0的值到1左右的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的介電材料的一個出乎意外的特點是向化合物添加Sn構(gòu)成歸入介電材料類的材料。這種材料與通常多半想象到的物質(zhì)不同例如用于形成互連結(jié)構(gòu)或者引線結(jié)構(gòu)的導電材料。而向本發(fā)明的化合物添加錫形成具有大于1的介電常數(shù)而電阻率大于1×105歐姆一厘米的材料。從歷史上來看，介電常數(shù)大于1一直是本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員把材料歸入介電材料類而不是導電性或電阻性的材料類采用的數(shù)值。就其功能來說，本發(fā)明的材料適合于使材料用來形成導電結(jié)構(gòu)之間的電絕緣而且還在導電結(jié)構(gòu)之間形成電容耦合。例如，如果把介電材料置于二個導電區(qū)域或二塊平板之間，則介電材料會阻止在平板之間的電流流動而使導電平板能容性耦合在一起。
介電材料的另一個出乎意外的特點是能夠改變錫在化合物中的濃度的相對值以調(diào)節(jié)化合物的居里溫度。特別是，能夠改變上面表示的分子式中的X值以形成具有不同居里溫度的化合物。材料的居里溫度是材料從順電性變化到鐵電性時的溫度。順電性材料被認為在施加的電壓電位時具有唯一的極化值。然而鐵電性材料在極化上顯示出取決于以前和現(xiàn)時施加于材料的電壓電位的滯后現(xiàn)象。
在大多數(shù)應用中，最理想的是形成在性質(zhì)上保持順電性的介電材料。這樣可以使電子元件形成具有可預測而一致的極化的電子元件。為了保持介電材料的順電性質(zhì)，材料的居里溫度必須低于電子元件的正常工作溫度以致介電材料不通過其居里點。例如，如果使電子元件在攝氏(C)0°到100°時正常工作時，則在理論上，材料的居里溫度應該為-25℃或更低。
除了如上所述的改變其電特性外，由于介電材料通過其居里溫度所以介電材料也經(jīng)受很大的物理應力。因此，最理想的是形成以使其居里溫度在其正常工作溫度范圍之外的介電材料。因為介電材料不從順電態(tài)轉(zhuǎn)換到鐵電態(tài)所以這就使介電材料和含有介電材料的電子元件不致于在工作期間受損害。
然而在本技術(shù)領(lǐng)域一般技術(shù)人員會意識到有一些應用，在這些應用中最理想的是用在性質(zhì)上是鐵電性的介電材料制作電子元件。例如，最理想的是用鐵電性介電材料制作非易失存儲單元并用二種極化狀態(tài)代表非易失存儲單元的編程序狀態(tài)和擦除狀態(tài)。
圖1說明能夠使用本發(fā)明的介電材料的應用實例的剖面圖。例如，能夠用介電材料來制作如電子元件40和50中所示的電容器結(jié)構(gòu)。電子元件40是在襯底41上形成的電容器。襯底41最好是半導體襯底，但是也可以采用本技術(shù)領(lǐng)域一般技術(shù)人員使用的其他襯底材料。電子元件40其有在下文稱之為介電層43、夾在導電平板42和44中間的一層介電材料43。
上述的實施例中，介電層43最好是順電性的以使電子元件具有可測而恒定的極化值。因此，應該調(diào)節(jié)錫在化合物Ba(Ti(1-x)Snx)O3中的相對量以使介電層43的居里溫度小于電子元件40的正常工作溫度。例如，從約0.15到0.3范圍內(nèi)變動的X值構(gòu)成具有從約-25℃到100℃范圍內(nèi)變動的居里溫度的介電材料。因此，只要電子元件40保持在-25℃以上，介電層43就保持順電性。下面的表1提供在造成具有不同居里溫度的化合物Ba(Ti(1-x)Snx)O3中的X值的其他范圍。表1也分別列出在0℃和-25℃時材料的性質(zhì)。用值‘＞0’表示濃度大于零而能夠具有0.001、0.0001、0.00001或取決于測量能力的更小的值。用值‘＜1’表示濃度小于1而能夠具有0.99、0.999、0.9999或取決于測量能力的更大的值。
表ⅠX值 居里溫度 0℃性質(zhì) -25℃性質(zhì)＞0到0.1120℃到40℃ 鐵電性 鐵電性0.1到0.340℃到-125℃ 順電或鐵電性順電或鐵電性0.15到0.3 0℃到-125℃順電或鐵電性順電或鐵電性0.01到0.1 119℃到40℃ 鐵電性 鐵電性0.01到0.3 119℃到-125℃ 順電或鐵電性順電或鐵電性＞0到＜1小于120℃ 順電或鐵電性順電或鐵電性如表1中提供的例子所示，形成在約0℃時是順電性的介電材料或者形成在約0℃時是鐵電性的介電材料是可以實現(xiàn)的。形成具有居里溫度小于0℃的介電材料或者形成具有居里溫度小于-25℃的介電材料也是可以實現(xiàn)的。形成X從約0.2到0.4、從約0.3到0.5、從約0.4到0.6、從約0.5到0.7、從約0.6到0.8、從約0.7到0.9、從約0.8到1范圍內(nèi)變動的化合物也是可以實現(xiàn)的，然而目前不完全清楚在居里溫度方面的范圍。
在最佳實施例中，介電材料43包括導致介電材料具有從約28,000到35,000范圍內(nèi)的體介電常數(shù)的化合物Ba(Ti(1-x)Snx)O3。介電常數(shù)肯定大于1左右而且大于10左右，比氧化硅和氮化硅的常數(shù)大。本發(fā)明的介電常數(shù)也大于300左右，超過鋇-鍶-鈦-氧化物的薄膜介電常數(shù)。本發(fā)明的材料介電常數(shù)與約為15,000到20,000的鋇-鍶-鈦-氧化物的體介電常數(shù)相吻合。
如表1所示，摻入錫形成的化合物仍構(gòu)成介電材料。可以形成包含錫或者錫和鈦的其他化合物也是可能的，這樣的化合物同樣形成具有介電特性的材料。此外，雖然最佳實施例中的化合物包含氧，但是也可以使用其他氧化物應該是不言而喻的。
如圖1所示，電子元件40包括與介電材料43直接接觸的導電平板42和44。當其他象氮化硅、氧化硅或含氧氮化物之類的介電材料能在導電平板之間形成時，介電材料43沒有必要與導電平板42和44直接接觸。另外，如在電子元件50中用圖所說明的那樣，能用摻雜區(qū)52代替電容器結(jié)構(gòu)中的下面的導電平板。因此，能使本發(fā)明的介質(zhì)材料置于二個導電區(qū)之間以形成電容器結(jié)構(gòu)。
同樣能夠用本發(fā)明的介電材料來制作象非易失存儲單元之類的電子元件60。例如，能夠用包括Ba(Ti(1-x)Snx)O3的介電層61和63使浮柵62與在下面的在襯底41內(nèi)的溝道區(qū)67電隔離并且使浮柵62與控制柵64電隔離。溝道區(qū)指的是在源區(qū)65和漏區(qū)66之間的襯底部分。不需要完全用本發(fā)明的介電材料制備介電層61和63而且沒有必要兩層薄層都包括Ba(Ti(1-x)Snx)O3，這應該是不言而喻的。在介電層61和63中的每一介電層中包含象二氧化硅、氮化硅諸如此類的其他介電材料也是可能的。
同樣在圖1中所示的是說明能夠怎樣使用本發(fā)明的介電材料作柵介電材料的電子元件70。電子元件70具有在柵結(jié)構(gòu)72和襯底41之間用來使柵結(jié)構(gòu)72與溝道區(qū)75電隔離的一層介電材料71。在電子元件70運作時，在柵結(jié)構(gòu)72上接入電壓電位以調(diào)節(jié)在源區(qū)73和漏區(qū)74之間的溝道區(qū)75。
現(xiàn)在提供根據(jù)本發(fā)明制作具有含錫介電材料的電子元件的方法。制作介電材料43、61、63或71的一種方法是采用金屬有機物分解工藝或溶液-凝膠(sol-gel)工藝。例如按適當比率配制含有所希望元素的產(chǎn)物母體的溶液。然后使溶液分涂或者旋轉(zhuǎn)摔在襯底的表面上以形成在襯底橫向上的一層溶液。然后使溶液加熱或熱處理以驅(qū)除在溶液中的有機物，由此形成一層具有理想組分的介電材料。
能夠把象β-正丁氧錫、氯化錫、醋酸錫、硝酸錫、乳酸錫、醋酸銨錫、四異丙氧錫或異丙氧錫之類的產(chǎn)物母體用作錫源加入溶液。能夠把象四正丁氧鈦、二叔丁氧基四甲基庚二酮鈦酯、四叔丁氧鈦、雙四甲基庚二酮雙異丙氧鈦、四乙氧鈦、乳酸鈦、醋酸銨鈦、四異丙氧鈦或異丙氧鈦之類的產(chǎn)物母體用作鈦源加入溶液。能夠把象四甲基庚二酮鋇酯的b-雙酮酯絡(luò)合物、六氟乙酰丙酮鋇酯、鋇(2,2,6,6-四甲基-3,5庚二酮)2、鋇·六氟乙酰丙酮或者鋇·四氟乙酰丙酮之類的產(chǎn)物母體用作鋇源加入溶液。
根據(jù)本發(fā)明采用例如圖2所說明的離子濺射或者活性離子濺射(RIS)工藝形成介電材料層也是可行的。圖2說明射頻(RF)濺射裝置的剖面部分。本發(fā)明也能夠用于直流(DC)濺射裝置而本領(lǐng)域領(lǐng)域一般技術(shù)人員會清楚需要作適當?shù)母鼡Q，這應該是不言而喻的。裝置10包括在里面發(fā)生濺射的濺射室11。濺射靶極12用作在半導體襯底13的表面上形成介電薄膜16的材料源。通過濺射使材料從濺射靶極12輸送到薄膜16。為了便于RF濺射操作，使RF電源與靶極12連接以及與襯底13連接。
濺射靶極12含有所希望的鋇量、鈦量和錫量并且能夠通過使氧化鋇、氧化鈦和氧化錫按適當?shù)谋壤旌弦孕纬商沾蔀R射靶極來制作濺射靶極12。在混合以后采用加壓和加溫使混合物轉(zhuǎn)化成濺射靶極12。例如，能夠從約300大氣壓(atm)冷壓混合物，而然后在大氣壓下以接近1200℃的溫度燒結(jié)混合物。這些壓力和溫度可以隨加熱爐和靶極的尺寸而且也隨靶極組分而改變。
此后，把靶極12與襯底13同時放入濺射室11。為了形成電場和便于使材料從靶極濺射到襯底13表面，使靶極12和襯底13與RF電源15連接。典型的是，電源15把近五百伏電壓施加到靶極12和襯底13。為完善RF濺射，在濺射室11內(nèi)用惰性氣體保護以形成等離子體。對于本技術(shù)領(lǐng)域一般技術(shù)人員來說，是非常熟悉RF濺射操作。
用由氧化鋇、氧化錫和氧化鈦制成的濺射靶極來形成介電層16同樣是可以行得通的。把濺射靶極12和襯底13放入充滿環(huán)境含有的氧氣的濺射室11。隨著部分濺射靶極輸送到襯底13，以所希望的比例并入氧以形成介電材料。在沉積介電層16以后在富氧環(huán)境中使襯底熱處理或加熱而不是在富氧環(huán)境中濺射也是可以得行通的。
采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)工藝形成本發(fā)明的介電材料也是可以實現(xiàn)的。在上述的工藝中，把一些早先列舉的產(chǎn)物母體用攜帶氣體按所希望的比例輸送到反應室。反應條件部分地取決于所選擇的產(chǎn)物母體而本技術(shù)領(lǐng)域一般技術(shù)人員是會清楚的。
至此應該知道本發(fā)明提供能夠用來形成電子元件中的介電材料的化合物。本發(fā)明也提供例如通過制作濺射靶形成介電材料的方法，而且提供有關(guān)其使用的操作說明。根據(jù)本發(fā)明形成的介電層具有比以前已知的介電材料高的介電常數(shù)。因此，能夠在較小的面積內(nèi)制作電子元件，而仍具有與在用通常的材料制作電子元件的時候一樣的電容值。所以，本發(fā)明容許用較小的表面積因而以較低的制造成本制作電子元件。
權(quán)利要求
1．一種電子元件(40、50、60、70)，具有介電材料層(43、61、63、71)，其中介電材料(43、61、63、71)層包括錫。
2．一種電子元件(40)，具有由Ba(Ti(1-x)Snx)表征的介電材料(43)，其中X在從大于零到約1左右的范圍內(nèi)。
3．如權(quán)利要求2的電子元件(40)，其中X在約0.15到0.3的范圍。
4．如權(quán)利要求2的電子元件(40)，其進一步的特征在于襯底(41)；和在襯底(41)上面的柵結(jié)構(gòu)(44)，其中介電材料(43)在柵結(jié)構(gòu)(44)和襯底(41)之間。
5．一種電子元件(40)，具有由Ba(Ti(1-x)Snx)O3表征的介電材料(43)，其中X在約0.01到0.3的范圍。
6．一種電子元件(40)，具有由Ti(1-x)和Snx表征的介電材料(43)，其中X在約0.01到0.3的范圍。
7．一種電子元件(40)，具有基本上由Ba(Ti(1-x)Snx)O3組成的介電材料(43)，其中，X在大于零的值到小于1的值的范圍內(nèi)。
8．一種濺射靶極(12)，其特征在于用鋇、鈦和錫構(gòu)成。
9．如權(quán)利要求8的濺射靶極(12)，其中濺射靶極(12)包括氧化鋇和氧化錫。
10．如權(quán)利要求9的濺射靶極(12)，其中濺射靶極(12)基本上由氧化鋇、氧化鈦和氧化錫組成。
全文摘要
用Ba(Ti
文檔編號H01L21/70GK1213145SQ98120858
公開日1999年4月7日 申請日期1998年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月30日
發(fā)明者博思·A·鮑莫特, 常立新(音譯), 蔡奇?zhèn)?音譯) 申請人:摩托羅拉公司