CN1276089A - 介电元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于通过采用包含绝缘粒子的铁电层,提供具有高Pr和低Ec并且耐电压性能优良的薄膜化的铁电元件。包含绝缘粒子的铁电层可以有效抑制沿晶界产生的漏泄电流,并由此表面出具有高Pr、低Ec及优良的耐电压。铁电元件的结构为铁电层以薄膜的形式夹于电极之间。通过将该铁电元件装进场效应晶体管结构中,可以得到用以检测读出和写入的具有高集成度的半导体装置。

Description

介电元件的制造方法

技术领域

本发明涉及利用铁电材料的不挥发性的诸如FeRAM的铁电(或强介电)元件、使用该铁电元件的半导体装置以及该铁电元件的制造方法。本发明还涉及利用高介电材料的不挥发性的诸如DRAM的高介电元件、使用该高介电元件的半导体装置以及该高介电元件的制造方法。

背景技术

众所周知，作为半导体存储器，DRAM(动态随机存取存储器)具有高速写入数据的特点。随着实现高密度和高集成度的技术的进展，DRAM进入16M至64M字节的大容量时代。这就要求实现电路元件的微细化，特别是存储信息的电容器的微细化。为实现电容器的微细化，需要将介电材料薄膜化，选择具有高介电常数的材料，并把由上电极、下电极和介电材料构成的电容器从平面结构改为立体结构。众所周知，关于高介电材料，具有钙钛矿(perovskite)晶体结构的简单晶格的BST(Ba/Sr)TiO₃表现出比SiO₂/Si₃N₄高的介电常数(ε)。在国际电子装置会议技术文摘1991年第823页(IEDM Tech.Dig.：P.823，1991)报告了使用这种高介电材料的例子。

由于以铁电材料作为电容器材料的非挥发性存储器FeRAM(铁电随机存取存储器)利用两个极性不同的残留极性状态，所以该FeRAM具有在电源断开的状态下可以存储数据的特性。FeRAM可以以等于或小于μs的量级高速改写数据，因此被认为是下一代理想的存储器。对于这种FeRAM，为了实现大容量，仍然需要铁电材料的薄膜化。顺便提及，在日本专利特开平5-190797中已公开了用于抑制铁电材料和金属电极之间进行反应的半导体存储器，其中用PZT(锆钛酸铅)作为铁电材料，用作扩散防止层的氮化硅(SiN_x)膜在铁电材料的周围形成。

发明的公开

但是上述现有技术不能实现对漏泄电流密度的抑制，该漏泄电流是伴随为增加集成度而无法避免的介电材料薄膜化产生的。使用上述BST的存储器目标是降低伴随高集成度化的运行电压。为降低存储器的运行电压，需要保证在低电压时有足够的电容量。为增加该电容量，已检验了多种方法，包括：选择具有高介电常数的材料、增加电极的面积、使介电材料薄膜化。但是，由多晶结构BST制成的薄膜在耐压特性方面存在问题，因为这样的多晶膜会让漏泄电流很容易地沿晶粒晶界流过。由于这种原因，在BST薄膜作为电容器的情况下，很难在其上施加足够的电压。

在上述氮化硅形成于PZT膜周围的铁电电容器中，氮化硅膜作为可以防止PZT元件热扩散的扩散防止层，由此保持对于铁电特性十分必要的合适的铁电材料化学计量比。但是，上述已有技术中的铁电电容器的氮化硅层存在一个问题：由于氮化硅膜介电常数等于或小于7，它必须形成为厚度等于或小于30埃的超薄膜以防止降低具有4μm²尺寸的铁电电容器的电容量。并且，在更高的集成度1Gb的情况下，电容器的面积变得更小，如0.1μm²。在这种情况  通过简单的计算可以很显然地看到，氮化硅层必须形成为等于或小于1埃的超薄厚度。

并且，在已有技术的薄膜化处理过程中，如果以金属作为电极，就会存在下列问题：通过介电薄膜和金属电极界面上的元素的扩散形成过渡层，由此会降低自发极化(Pr)，增加磁场反向(field reversing)(Ec)，并产生膜破坏。

为解决上述问题，提出了本发明，本发明的目的是提供：一种含有绝缘粒子的高介电层，该介电层可以抑制通过晶粒的晶界产生漏泄电流，并可以被薄膜化至满足高集成度要求的程度；一种高介电元件，其中高介电薄膜夹在上下电极之间；使用高介电元件的半导体装置；以及制造高介电元件的方法。

本发明的另一个目的是为解决上述问题，提供：一种含有绝缘粒子的铁电层，该铁电层可以抑制沿晶粒的晶界产生漏泄电流，并可以被薄膜化至满足高集成度要求的程度；一种铁电元件，其中铁电薄膜夹在上下电极之间；使用铁电元件的半导体装置；以及制造铁电元件的方法。

本发明的另外一个目的是为了提供含有厚度200埃以上的上述高介电薄膜或上述铁电薄膜的高介电元件或铁电元件，其中，可以对该元件施加2V的半导体存储器的运行电压。

本发明的另外一个目的是提供一种高介电元件，在该介电元件中，将导电性氧化物用作与上述高介电薄膜接触的电极，以抑制过渡层的形成，以及制造该介电元件的方法。

本发明的另外一个目的是提供一种铁电元件，在该铁电元件中，将导电性氧化物用作与上述铁电薄膜接触的电极，以抑制过渡层的形成，以及制造该铁电元件的方法。

为实现上述目的，根据本发明，提供一种含有上电极、铁电薄膜和下电极的铁电元件，其中铁电层含有电阻值等于或大于10⁶Ω的绝缘粒子。

根据本发明，提供一种含有上电极、高介电薄膜和下电极的高介电元件，其中高介电层含有电阻值等于或大于10⁶Ω的绝缘粒子。

每个绝缘粒子的粒径在等于或小于50埃的范围内。

铁电薄膜可以由从表达式为(Pb_1-xA_x)(Zr_1-yTi_y)O₃(其中A为从La、Ba、Nb中选出的一种元素)的材料和表达式为(AO)²⁺(B_y-1C_yO_3y+1)^2-(其中A为从Tl、Hg、Pb、Bi等稀土元素中选出的至少一种元素，B为从Bi、Pb、Ca、Sr、Ba中选出的至少一种元素，C为从Ti、Nb、Ta、W、Mo、Fe、Co、Cr、Zr中选出的至少一种元素，y＝2、3、4、5)的材料中选出一种制成。

高介电薄膜可以由从表达式为(Ba_1-xSr_x)TiO₃的材料和表达式为(Pb_1-xA_x)(Zr_1-yTi_y)O₃(其中A为从La、Ba、Nb中选出的一种元素)的材料中选择的材料制成。

绝缘粒子可以是含有硅元素的化合物。

下电极可以包含：金属、单一元素的导电性氧化物、具有钙钛矿结构的导电性氧化物，它们按此次序在基板上形成，并且每种导电性氧化物可以沿特定晶面取向。

上电极可以包含：具有钙钛矿结构的导电性氧化物和金属，或包含具有钙钛矿结构的导电性氧化物、单一元素的导电性氧化物和金属，它们按此次序沿与铁电薄膜或高介电薄膜接触的面形成。

在铁电薄膜厚度等于或大于200埃的情况下，该铁电元件在漏泄电流密度等于或小于10^-5A/cm²时可以表现出等于或大于2V的耐电压。

在高介电薄膜厚度等于或大于200埃的情况下，该高介电元件在漏电密度等于或小于10^-5A/cm²时可以表现出等于或大于2V的耐电压。

用作电极的金属可以为从Pt、Au、Al、Ni、Cr、Ti、Mo、W中选出的至少一种。并且，为实现电极材料的功能，可以将电阻率等于或小于1mΩ·cm的单一元素或钙钛矿结构的导电性氧化物用作电极。单一元素的导电性氧化物可以为从Ti、V、Eu、Cr、Mo、W、Ph、Os、Ir、Pt、Re、Ru、Sn中选出的一种元素的氧化物。具有钙钛矿结构的导电性氧化物可以为从ReO₃、SrReO₃、BaReO₃、LaTiO₃、SrVO₃、CaCrO₃、SrCrO₃、SrFeO₃、La_1-xSr_xCoO₃(0＜x＜0.5)、LaNiO₃、CaRuO₃、SrRuO₃、SrTiO₃、BaPbO₃中选出的一种钙钛矿氧化物，其电阻系数等于或小于1mΩ·cm。

根据本发明，提供一种形成铁电薄膜的方法，该方法包含如下步骤：在等于或低于650℃的温度下在氧气与惰性气体的混合气体的气氛中通过溅射形成铁电薄膜。另外，选择膜形成温度以抑制铁电薄膜与电极之间的反应。除了上述溅射的方法，铁电薄膜可以在等于或低于650℃的温度下在氧气与活性氧的混合气体的气氛中通过MOCVD方法形成。

根据本发明，提供一种形成铁电薄膜的方法，该方法包含如下步骤：将包含金属醇盐或有机酸的金属盐的原始材料通过旋涂或浸涂的方法涂敷于基板上，以形成铁电体薄膜，在常压及等于或低于650℃的温度下进行烘烤。另外，选择膜形成温度以抑制铁电薄膜与电极的反应。

根据本发明，提供一种形成高介电薄膜的方法，该方法包含下列步骤：在等于或低于650℃的温度下在氧气与惰性气体的混合气体的气氛中通过溅射的方法形成高介电薄膜。另外，选择膜形成温度以抑制高介电薄膜与电极之间的反应。除了上述溅射的方法，高介电薄膜可以在等于或低于650℃的温度下在氧气与活性氧的混合气体的气氛中通过MOCVD方法形成。

根据本发明，提供一种形成高介电薄膜的方法，该方法包含下列步骤：将包含金属醇盐(metal alkoxide)或有机酸的金属盐的原始材料(starting material)通过旋涂或浸涂的方法涂敷于基板上形成高介电薄膜，在常压及等于或低于650℃的温度下进行烘烤。另外，选择膜形成温度以抑制高介电薄膜与电极的反应。根据本发明，提供了形成单一元素或钙钛矿结构的导电性氧化物的方法，该方法包含下列步骤：在等于或低于650℃的温度下在氧气与惰性气体的混合气体的气氛中通过溅射的方法形成单一元素或钙钛矿结构的导电性氧化物。除了上述溅射的方法，单一元素或钙钛矿结构的导电性氧化物还可以在等于或低于650℃的温度下在氧气与活性氧的混合气体的气氛中通过MOCVD方法形成。

根据本发明，提供一种形成单一元素或钙钛矿结构的导电性氧化物的方法，该方法包含下列步骤：将包含金属醇盐或有机酸的金属盐的原始材料通过旋涂或浸涂的方法涂敷于基板上形成单一元素或钙钛矿结构的导电性氧化物，在常压及等于或低于650℃的温度下进行烘烤。另外，选择膜形成温度以抑制与电极的反应。

并且，在将包含金属醇盐或有机酸的金属盐的原始材料通过旋涂或浸涂的方法形成铁电薄膜的步骤中，铁电薄膜可以在紫外线照射到铁电薄膜上时形成。这基于以下知识：由于光线照射会导致原始材料分解，这样可以有效降低膜形成温度。高介电薄膜同样可以在紫外线以同样的方式照射到高介电薄膜上时形成。并且，导电性氧化物可以在紫外线以上述同样的方式照射到薄膜上时形成。

根据本发明，提供一种半导体装置，其中包含上电极、铁电薄膜和下电极的结构作为电容器形成于场效应晶体管的结构中。

并且，根据本发明，提供一种半导体装置，其中包含上电极、高介电薄膜和下电极的结构作为电容器形成于场效应晶体管的结构中。

附图简介

图1为本发明的铁电层的示意图；

图2为已有技术的铁电层的示意图；

图3为本发明的铁电元件的断面图；

图4为本发明的高介电元件的断面图；

图5为本发明的铁电层的TEM照片；

图6为本发明的铁电元件的漏泄电流密度数据图；

图7为本发明的下电极的内部结构的断面图；

图8为本发明的上电极的内部结构的断面图；

图9为使用本发明的铁电元件的半导体装置的断面图；并且

图10为本发明的铁电元件膜厚与耐压特性的关系图。

实施本发明的最优方案

下面，根据附图对本发明的实施例进行说明。但本发明并不仅限于此。

另外，附图中的符号如下：

符号31、41、81、91为上电极；32、71、81、92为铁电薄膜；42为高介电薄膜；33、43、83、93为下电极；34、44、75为基板；72、82为钙钛矿结构的导电性氧化物；73、83为单一元素的导电性氧化物；74、84为金属；94、96为SiO₂膜；95为硅；97为扩散层；98为门电极；99为SiO₂门膜(gate film)。

(实施例1)

图1为本发明中的上电极11、铁电层13、下电极12的结构图。在铁电层13中，含有硅元素的绝缘粒子16沿铁电材料晶粒14之间的晶界析出。这种结构可以抑制作为对比例的如图2所示的、由于漏泄电流21沿铁电体材料晶界流过而导致的耐压特性的降低，由此可以施加运行存储器所必需的运行电压。并且由于绝缘粒子的粒径在50埃以下，绝缘粒子仅在其介电常数等于或小于介电材料时才会对电容器的容量产生很小的影响。这样，具有这种结构的电容器可以满足DRAM所必需的等于或大于30fF的容量。

下面，将对由化学结构式为(AO)²⁺(B₁C₂O₇)^2-的材料制成铁电薄膜的制作方法进行说明，其中A＝Bi，B＝Sr，C＝Ta。在如图3所示的铁电元件的断面图中，符号34为基板。首先，对于基板34，使用硅片，在该硅片上在300℃的温度下形成厚度为200埃的作为阻挡层的TiN层，这样SiO₂层由于热氧化作用而形成。然后，下电极33在基板34上形成，下电极是在350℃的温度下通过溅射方法形成厚度为1000埃的Pt箔而形成的。然后铁电薄膜32在下电极33上按如下的方法形成：首先，将Bi、Sr、Ta、Si的醇盐溶液(solution of alkoxides)用旋涂的方法以1500rpm的转速涂敷于下电极33上，时间为30秒，然后在150℃的温度下烘干5分钟，然后将其在空气或氧气中在等于或低于铁电薄膜结晶温度580℃的温度200-550℃下进行预热处理，时间为10-30分。以上操作被称为一个循环。重复该循环2-5次，以形成厚度为1000埃的前体薄膜(precursorfilm)。最后将该前体薄膜在580-650℃进行热处理，以获得包含非晶态硅化物的铁电层(Bi₂O₂)²⁺(SrTa₂O₇)^2-。

用TEM对通过这种方法得到的铁电体层进行观察，结果如图5所示。从图5可以清楚看出，粒径在20-50埃的范围内的非晶态粒子位于粒径在100-1000埃范围内的铁电材料的晶粒之间。非晶态粒子为含有Si、Bi、Sr、Ta元素的化合物。该化合物的成分在很大程度上依赖于粒子的状态。

对这种铁电元件电压和漏泄电流密度之间的关系进行研究的结果如图6所示。对于已有技术中的不包含粒子的铁电元件，漏泄电流密度在1V时等于或大于10^-4A/cm²。这样，已有技术中的铁电元件不能被用作电容器。相反，对于包含粒子的铁电元件，漏泄电流密度在5V时等于或小于10^-7A/cm²。这表明包含粒子的铁电元件表现出非常好的耐压特性。包含粒子的铁电元件还表现出好的铁电特性。即，在3V时2Pr＝16μC/cm²，Ec＝40kV/cm，并且在通过以电压为3V正负反转进行写操作10⁵次之后该特性只降低3％。因此，在包含粒子的铁电元件中，没有看出由于粒子的析出而引起的特性的降低。

对于包含上述绝缘粒子的铁电层((Bi₂O₂)²⁺(SrTa₂O₇)^2-)，膜厚与耐压特性之间的关系如图10所示。通过改变上述形成前体薄膜的循环过程，得到膜厚为200-2000埃的试样。从图10可以清楚地看出，对于膜厚等于或大于200埃的试样，其在漏泄电流密度为10^-5A/cm²时耐电压等于或大于2V。

虽然在上述对实施例的说明中使用(Bi₂O₂)²⁺(SrTa₂O₇)^2-作为铁电材料，但可以把硅的醇盐溶液加入由化学结构式(AO)²⁺(B_y-1C_yO_3y+1)^2-表示的具有钙钛矿结构的铁电材料中，其中A为Tl、Hg、Y、Ce、Pr、Nd、Pm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中选出的一种元素；B为从Bi、Pb、Ca、Sr、Ba中选出的至少一种元素；C为从Ti、Nb、Ta、W、Mo、Fe、Co、Cr、Zr中选出的至少一种元素；y＝2、3、4、5。

并且，通过与上述同样的方法制成另一种铁电薄膜32，步骤如下：首先，将Pb、Zr、Ti、Si的醇盐溶液用旋涂的方法以1500rpm的转速涂敷于下电极33上，时间为30秒，在150℃的温度下烘干5分钟，然后将其在空气或氧气中在比铁电薄膜结晶温度450℃低的温度200-400℃进行预热处理，时间为10-30分。以上操作被称为一个循环。重复该循环2-5次，以形成厚度为1000埃的前体薄膜。最后将该前体薄膜在500-650℃进行热处理，以获得包含非晶态硅化物的铁电层Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃。对于这种包含粒子的铁电元件，在5V时的漏泄电流密度等于或小于1×10^-7A/cm²，这表明该铁电元件具有非常好的耐压特性。该铁电元件还表现出好的铁电特性。例如，在3V时2Pr＝40μC/cm²，Ec＝60kV/cm，并且在通过以电压为3V正负反转进行写操作10¹²次后该特性只降低3％。没有看出由于粒子的析出而引起的特性的降低。并且，关于膜厚与耐电压的关系，对于厚度而等于或大于200埃的试样，在漏泄电流密度为10^-5A/cm²时其耐电压等于或大于2V。

虽然在上述的对实施例说明中使用Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃作为铁电材料，但可以把硅的醇盐溶液加入化学结构式由(Pb_1-xAx)(Zr_1-yTi_y)O₃表示的具有钙钛矿结构的铁电材料中，其中A由从La、Ba、Nb中选出一种以上的元素进行置换；x和y在0-1的范围内。

(实施例2)

下面说明在本实施例中使用的表达式为(Ba_0.5Sr_0.5)TiO₃的晶体结构的高介电层的制作方法。在图4所示的高介电元件的断面图中，符号44为基板。首先，对于基板44，使用这样的硅晶片，在其上在300℃的温度下形成厚度为200埃的作为阻挡层的TiN层，以及由于热氧化作用而形成的SiO₂层。然后，在基板44上形成下电极43，下电极是在350℃的温度下通过溅射的方法形成厚度为1000埃的Pt箔而形成的。然后高介电薄膜42按如下的方法形成于下电极43上：首先，将Ba、Sr、Ti、Si的醇盐溶液用旋涂的方法以1500rpm的转速涂敷于下电极43上，时间为30秒，在150℃的温度下烘干5分钟，然后将其在空气或氧气中在比铁电薄膜结晶温度580℃低的温度200-550℃下进行预热处理，时间为10-30分钟。以上操作被称为一个循环。重复该循环2-5次，以形成厚度为1000埃的前体薄膜。最后将该前体薄膜在580-650℃下进行热处理，以获得包含非晶态硅化物的高介电层(Ba_0.5Sr_0.5)TiO₃。用TEM对通过这种方法得到的高介电层进行观察，可以看到粒径在20-50埃范围内的非晶态粒子位于粒径在100-500埃范围内的高介电材料的晶粒之间。该粒子为包含Si、Ba、Sr、Ti元素的化合物，且该化合物的成分很大程度上依赖于粒子的状态。对该高介电元件电压与漏泄电流密度之间的关系进行研究之后，发现在3V时的漏泄电流密度等于或小于1×10^-7A/cm²，这表明这种包含粒子的高介电元件具有优良的耐电压特性。同时该高介电元件在1MHz的频率下介电常数(ε)为250，等于或大于SiN_x的介电常数，因此没有看出由于粒子的析出而导致特性降低。关于膜厚对耐电压的依赖关系，对于膜厚等于或大于200埃的高介电薄膜，在漏泄电流密度为10^-5A/cm²时其耐电压等于或大于2V。

虽然在上述对实施例的说明中用Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃作为铁电材料，但可以把硅的醇盐溶液加入化学结构式由(Ba_1-xSr_x)TiO₃表示的具有钙钛矿结构的高介电材料中，其中x在0-1的范围内。

(实施例3)

图7为本实施例中的下电极的内部结构图。该下电极包含金属74、单一元素的导电性氧化物73和具有钙钛矿结构的导电性氧化物72。在实施例1和实施例2，已对用金属电极作为下电极的情况作了说明，在本实施例中，与铁电材料接触的下电极由具有钙钛矿结构的导电性氧化物制成。这样的下电极可以有效抑制一般认为位于铁电材料和金属电极之间界面上的氧损失层的形成，由此可以抑制由于电压反向而导致的Pr含量的降低。在该下电极的形成过程中，金属、单一元素的导电性氧化物和具有钙钛矿结构的导电性氧化物在基板上依次叠层。这样可以有效提高邻近层之间的结合力，还可以有效控制具有钙钛矿结构的导电性氧化物的取向，从而在控制薄膜取向时在导电性氧化物上形成铁电薄膜或高介电薄膜。下面，对下电极的制作方法进行说明。首先，在上述基板34上，由Ru作为代表的金属74在600℃的温度下通过溅射的方法形成，厚度达1000埃；由RuO作为代表的单一元素的导电性氧化物在450℃的温度下在氧气气氛中通过溅射的方法在金属上形成，厚度达1000埃；由SrRuO₃作为代表的具有钙钛矿结构的导电性氧化物72在650℃的温度下通过溅射的方法在单一元素的导电性氧化物上形成，厚度达1000埃；在下电极33上以与第一种实施例相同的方式形成包含非晶态硅化合物的铁电层(Bi₂O₂)²⁺(SrTa₂O₇)^2-。用X-射线衍射测定铁电薄膜的取向，结果为C-轴倾斜45°，并且，用(105)面的衍射峰进行的极图测量表明取向度为93％。

本实施例中的上电极结构如图8(a)所示。上电极31包含具有钙钛矿结构的导电性氧化物82、单一元素的导电性氧化物83和金属84。正如用导电性氧化物作为下电极的情况一样，这种上电极31可以有效抑制一般认为位于铁电材料和金属电极之间界面上的氧损失层的形成。由SrRuO₃作为代表的具有钙钛矿结构的导电性氧化物在650℃的温度下在氧气气氛中通过溅射的方法在包含非晶态硅化合物的上述铁电层(Bi₂O₂)²⁺(SrTa₂O₇)^2-上形成，厚度达1000埃。然后，由RuO作为代表的单一元素的导电性氧化物83在450℃的温度下在氧气气氛中通过溅射的方法在具有钙钛矿结构的导电性氧化物上形成，厚度达1000埃。然后，由Ru作为代表的金属84在600℃的温度下通过溅射的方法在单一元素的导电性氧化物上形成，厚度达1000埃。这种铁电元件表现出非常好的铁电特性。例如，在5V时的漏泄电流密度为1×10^-8A/cm²；在3V时2Pr＝16μm/cm²，Ec＝40kV/cm；并且在通过以电压为3V正负逆转进行写操作10¹⁵次后特性只降低5％。

虽然在对本实施例的说明中用(Bi₂O₂)²⁺(SrTa₂O₇)^2-作为铁电材料，但还可以用实施例1中的化学结构式为(AO)²⁺(B_y-1C_yO_3y+1)^2-的铁电材料或化学结构式为(Pb_1-xA_x)(Zr_1-yTi_y)O₃的铁电材料，或实施例2中的化学结构式为(Ba_1-xSr_x)TiO₃的高介电材料。

关于上述的上电极和下电极，金属的详例可以包含Pt、Au、Al、Ni、Cr、Ti、Mo和W；单一元素的导电性氧化物的详例可以包含TiO_x、VO_x、EuO、CrO₂、MoO₂、WO₂、PhO、OsO、IrO、PtO、ReO₂、RuO₂和SnO₂；具有钙钛矿结构的导电性氧化物的详例可以包含ReO₃、SrReO₃、BaReO₃、LaTiO₃、SrVO₃、CaCrO₃、SrCrO₃、SrFeO₃、La_1-xSr_xCoO₃(0＜x＜0.5)、LaNiO₃、CaRuO₃、SrRuO₃、SrTiO₃和BaPbO₃。

并且，在下电极、铁电薄膜或高介电薄膜以与上述相同方式形成之后，如图8(b)所示的本发明中的另一种上电极通过下面的方法制成：正如上述实施例，具有钙钛矿结构的导电性氧化物82，诸如ReO₃、SrReO₃、BaReO₃、LaTiO₃、SrVO₃、CaCrO₃、SrCrO₃、SrFeO₃、La_1-xSr_xCoO₃(0＜x＜0.5)、LaNiO₃、CaRuO₃、SrRuO₃、SrTiO₃或BaPbO₃，在650℃的温度下在氧气气氛中通过溅射的方法形成，厚度达1000埃，然后由Pt、Au、Al、Ni、Cr、Ti、Mo、W作为代表的金属84在600℃的温度下通过溅射的方法在具有钙钛矿结构的导电性氧化物上形成，厚度达1000埃，从而形成上电极。由此得到铁电元件或高介电元件。

(实施例4)

虽然在实施例1-3中，为形成高介电薄膜，将金属醇盐用作用于旋涂的原始材料，铁电薄膜或高介电薄膜还可以用金属乙酰丙酮化物(metalacetyleacetonato)、金属碳酸盐、醋酸盐或诸如金属环烷酸盐或金属辛酸盐的金属皂作为原始材料，通过旋涂的方法制成。

同样，铁电薄膜或高介电薄膜可以用金属醇盐、金属乙酰丙酮化物、金属碳酸盐、醋酸盐或诸如金属环烷酸盐或金属辛酸盐的金属皂作为原始材料，以与上述同样的过程通过浸涂的方法制成。

在制作实施例1-3中的铁电薄膜或高介电薄膜的过程中，厚度为1000埃的铁电薄膜或高介电薄膜在530-650℃的温度和0.02～10^-4乇的压力下在含有氧气的气氛中通过溅射的方法形成，成膜时间为1小时。

在制作实施例1-3中的铁电薄膜或高介电薄膜的过程中，厚度为1000埃的铁电薄膜或高介电薄膜也可以在530-650℃的温度和0.3-10^-4乇的压力下，在含有氧气的气氛中用与上述高介电薄膜成分相同的烧结体通过激光气相沉积的方法形成，成膜时间为1小时。

并且，在制作实施例1-3中的铁电薄膜或高介电薄膜的过程中，厚度为1000埃的铁电薄膜或高介电薄膜用β-二酮复合物、或苯基或o-甲苯基化合物作为原始材料，在530-650℃的温度和0.3-10^-4乇的压力下在含有氧气的气氛中通过MOCVD法制成，成膜时间为2小时。

在上述激光气相沉积或MOCVD过程中，厚度为1000埃的铁电薄膜或高介电薄膜在500-620℃的温度和0.3-10^-4乇的压力下，在含有活性氧气(新鲜空气、ECR或微波等离子体)的气氛中制成，成膜时间为2小时。

并且，在制作各实施例中的金属、单一元素的导电性氧化物、具有钙钛矿结构的导电性氧化物时，通过执行与上述相同的过程，就可以制作该实施例中的与上述例子相同的金属、单一元素的导电性氧化物、钙钛矿结构的导电性氧化物。

(实施例5)

图9为包含铁电元件的半导体装置图。该半导体装置通过以下方法制成。首先，通过离子注入和热处理在硅片95上形成扩散层97；通过表面氧化作用在扩散层97上形成SiO₂门膜99；门电极98在门膜99上形成。在用以隔开晶体管和电容器的SiO₂膜94和SiO₂膜96形成后，形成铝互连件910用以连接上电极91和扩散层97。形成在实施例1-4中制作的包含上电极91、体薄膜92和下电极93的结构作为铁电元件，从而得到包含铁电元件的装置。通过这种方法得到的包含铁电元件的半导体装置，可以对在电压为3V时得到的储存电荷容量的变化进行检测。

虽然在本实施例中用包含上电极91、铁电薄膜92、下电极93的结构进行说明，还可以形成包含上电极、高介电薄膜和下电极的高介电元件。通过这种方法制成的包含高介电元件的半导体装置，是在电压为3V时具有30fF的储存电荷容量的半导体装置。

工业应用性

如上所述，根据本发明，通过使该铁电层包含绝缘粒子以抑制沿晶界产生的漏泄电流的产生，可以提供高集成度的具有高Pr和低Ec并且耐电压性能优良的铁电元件，其中膜厚等于或大于200A的铁电薄膜夹在电极之间。

如上所述，根据本发明，通过使该高介电层包含绝缘粒子，抑制沿晶界产生的漏泄电流，可以提供具有高介电常数并且耐电压性能优良的高介电元件，其中膜厚等于或大于200A的高介电薄膜夹在电极之间。

而且，通过将上述铁电元件装进场效应晶体管结构中，可以形成包含铁电元件的半导体装置。

而且，通过将上述高介电元件装进场效应晶体管结构中，可以形成包含高介电元件的半导体装置。

如上所述，本发明可以有效应用于高集成度的铁电元件或高介电元件及使用它们的半导体装置中。

Claims (19)

1.一种包含上电极、介电薄膜和下电极的介电元件，其中所述介电薄膜包含电阻值不等于或小于10⁶Ω的绝缘粒子。

2.根据权利要求1的介电元件，其中所述介电薄膜包含铁电薄膜和高介电薄膜中的至少一种。

3.根据权利要求1或2的介电元件，其中所述绝缘粒子的粒径等于或小于50埃。

4.根据权利要求2的介电元件，其中所述铁电薄膜由从表达式为(Pb_1-xA_x)(Zr_1-yTi_y)O₃(其中A为从La、Ba、Nb中选出的一种)、(AO)²⁺(B_y-1C_yO_3y+1)^2-(其中A为从Tl、Hg、Pb、Bi和稀土元素中选出的至少一种；B为从Bi、Pb、Ca、Sr、Ba中选出的至少一种；C为从Ti、Nb、Ta、W、Mo、Fe、Co、Cr、Zr中选出的至少一种；y＝2、3、4、5)组成的材料中选出一种制成。

5.根据权利要求2的介电元件，其中所述介电薄膜由从表达式为(Ba_1-xSr_x)TiO₃和(Pb_1-xA_x)(Zr_1-yTi_y)O₃(其中A为从La、Ba、Nb中选出的一种)组成的材料中选出一种制成。

6.根据权利要求1的介电元件，其中所述绝缘粒子为包含硅元素的化合物。

7.根据权利要求1的介电元件，其中所述下电极包含金属、单一元素的导电性氧化物、具有钙钛矿结构的导电性氧化物，它们按此顺序在基板上形成，并且所述导电性氧化物沿特定平面取向。

8.根据权利要求2的介电元件，其中所述上电极包含具有钙钛矿结构的导电性氧化物和金属，或包含具有钙钛矿结构的导电性氧化物、单一元素的导电性氧化物和金属，它们按此顺序在与所述铁电薄膜或所述高介电薄膜接触的一面上形成。

9.根据权利要求4的介电元件，其中所述铁电薄膜的厚度等于或大于200埃，并且所述介电元件在漏泄电流密度不等于或大于10^-5A/cm²时耐电压不等于或低于2V。

10.根据权利要求5的介电元件，其中所述高介电薄膜的厚度等于或大于200埃，并且所述介电元件在漏泄电流密度不等于或大于10^-5A/cm²时耐电压不等于或低于2V。

11.根据权利要求7或8的介电元件，其中所述金属为从Pt、Au、Al、Ni、Cr、Ti、Mo、W中选出的至少一种。

12.根据权利要求7或8的介电元件，其中所述单一元素的导电性氧化物为从Ti、V、Eu、Cr、Mo、W、Ph、Os、Ir、Pt、Re、Ru、Sn中选出的至少一种元素的氧化物，并且该氧化物电阻系数等于或小于1mΩ·cm。

13.根据权利要求7或8的介电元件，其中所述具有钙钛矿结构的导电性氧化物为从ReO₃、SrReO₃、BaReO₃、LaTiO₃、SrVO₃、CaCrO₃、SrCrO₃、SrFeO₃、La_1-xSr_xCoO₃(0＜x＜0.5)、LaNiO₃、CaRuO₃、SrRuO₃、SrTiO₃、BaPbO₃中选出的至少一种，并且其电阻率等于或小于1mΩ·cm。

14.一种形成介电薄膜的方法，其中包含以下步骤：在不高于650℃的温度下在氧气和惰性气体的混合气氛中通过溅射的方法形成介电薄膜。

15.一种形成介电薄膜的方法，其中包含以下步骤：在不高于650℃的温度下在氧气或活性氧的气氛中通过MOCVD方法形成介电薄膜。

16.一种形成铁电薄膜或高介电薄膜的方法，其中包含形成铁电薄膜或高介电薄膜的以下步骤：在不高于650℃的温度及常压下，在基板上旋涂包含金属醇盐或有机酸的金属盐的原始材料并进行烘烤。

17.一种形成铁电薄膜或高介电薄膜的方法，其中包含形成铁电薄膜或高介电薄膜的以下步骤：在不高于650℃的温度及常压下，在基板上浸涂包含金属醇盐或有机酸的金属盐的原始材料并进行烘烤。

18.根据权利要求16或17的形成铁电薄膜或高介电薄膜的方法，其中，在用包含金属醇盐或有机酸的金属盐的原始材料通过旋涂或浸涂的方法形成铁电薄膜或高介电薄膜的过程中，该方法包含用紫外线对铁电薄膜或高介电薄膜进行照射而形成铁电薄膜或高介电薄膜的步骤。

19.一种半导体装置，其中在场效应晶体管的结构中，如权利要求1的所述介电元件作为电容器而形成。

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