材料的晶体结构及结晶取向。两种TiN材料的晶体结构都是多晶立方的。然而， 两种材料具有不同的结晶取向。如在图2中展示，通过ALD工艺形成的TiN具有主要（111)结 晶取向，同时在(200)及(220)结晶取向处具有较小峰值，而通过SFD工艺形成的TiN具有主 要（200)结晶取向，同时在（111)及（220)结晶取向处具有次要峰值。在通过SFD工艺形成的 TiN中，（200)结晶取向平行于或接近平行于衬底的表面，而在通过ALD工艺形成的TiN中， (111)结晶取向平行于或接近平行于衬底的表面。
[0049] 两种氮化铁材料的粗糖度也不同。通过常规原子力显微镜(AFM)技术测量材料的 粗糖度。如在图3及4中展示，通过ALD工艺形成的Ti化k通过S抑工艺形成的TiN明显更光滑。 通过ALD工艺形成的TiN具有4. OA的均方根（RMS)粗糖度，而通过SFD工艺形成的TiN具有 11.1 A的RMS。
[0050] 实例2
[0051] 准备包含通过不同技术形成的TiN材料的测试晶片。对照晶片包含多晶娃衬底、衬 底之上的50 ATiN材料(底部电极）、底部电极的TiN材料之上的100 AHfSiOx材料、HfSiOx 材料之上的TOO ATiN材料(顶部电极)及在顶部电极的TiN材料之上的600 AWSix。底部电 极的T i N具有主要(200)结晶取向。Hf S i Ox材料包含4.7mo 1 %娃。通过使用T i C U及N出的常规 循序流沉积(SFD)工艺形成底部电极及顶部电极的TiN。对照晶片在本文中及图式中被称为 晶片5。
[0052] 在样本晶片中，通过使用TDMAT作为ALD前驱物的ALD工艺将底部电极的TiN材料形 成至飾A或125 A。具有底部电极的1.2.5 ATiN材料的样本晶片在本文中及图式中被称为晶 片5,且具有底部电极的60: ATiN材料的样本晶片在本文中及图式中被称为晶片18。底部电 极的TiN具有主要（111)结晶取向。样本晶片包含多晶娃衬底、底部电极的TiN材料之上的 1㈱AHf Si Ox材料(包含4.7mo 1 %娃）、Hf Si Ox材料之上的100 A T iN材料(顶部电极)及顶部 电极的TiN材料之上的600 AWSix。通过常规S抑工艺形成顶部电极的100 ATiN材料。
[0053] 包含如上文描述的材料的堆叠112的对照晶片及样本晶片在1000°C下经受退火。 在退火之后，通过ALD工艺（晶片18)形成的TiN材料之上的Hf SiOx材料展现斜方晶体结构及 主要(200)结晶取向（如在图5中展示）。相反地，通过S抑工艺（晶片5)形成的TiN材料之上的 Hf SiOx材料展现主要（111)结晶取向。
[0054] 也确定对照晶片及样本晶片的性能。通过常规正上负下(PUND)脉冲技术WlOO个 循环评估数据保持特性。如在图6中展示，与对照晶片（晶片5)的Ec(2.8V)相比，晶片18具有 1.6V的较低铁电矫顽性化。）。较低E。暗示操作包含晶片18的装置所需的电压将小于用于晶 片5的电压，且包含晶片18的装置可W低于晶片5的电压操作。因此，晶片18表现出具有较低 E。及较低电场饱和度的健康得多的铁电/PUND电滞行为。
[0055] 图7是随循环数目而变化的中值2Pr的曲线图，其中阶段1是初始轮询状态，阶段2 是寿命状态，且阶段3是降级状态。如在图7中展示，与晶片5(对照晶片)相比，晶片18展现在 降级之前的延长的循环。晶片5在约IxlO 5次循环时展示极化疲劳，而晶片18展示在降级出 现之前的大几乎1.5个数量级的改进(3xl06循环）。另外，晶片18具有约12uC/sq cm的平均 2Pr平稳状态，其与具有约9uC/sq cm的平均2Pr平稳状态的晶片5相比是30%的存储器窗/ 感测裕度改进。晶片18也展示初始循环的改进，如由拟合在阶段1期间测量的数据的线（未 展示）的较低斜率所证明。晶片18的初始循环（即，阶段1)比晶片5的初始循环更稳定，此暗 示晶片18的FE材料的偶极子相对于电极的偶极子正确取向，且所得装置能够快速开始写 入。相比之下，晶片5需要额外时间W供其FE材料的偶极子与其电极的偶极子正确对准，此 由阶段1中的线的睹峭斜率指示。因此，晶片18展现改进的初始循环、较大2Pr及改进的降级 出现之前的延长循环。
[0056] 运些结果展示晶片18(具有在主要（111)结晶取向TiN上的斜方HfSiOx晶体结构及 主要(200)结晶取向）与对照晶片相比具有本质上改进的铁电性质，例如改进的2Pr值、改进 循环、改进Ec及较低电场饱和度。
[0057]虽然本发明易具有各种修改及替代形式，但已在图式中通过实例方式展示且已在 本文中详细描述特定实施例。然而，本发明不希望限于所掲示的特定形式。实情是，本发明 将涵盖属于如由随附权利要求书及其合法等效物定义的本发明的范围内的所有修改、等效 物及替代方案。
【主权项】
1. 一种形成铁电存储器单元的方法，其包括： 形成展现所要主要结晶取向的电极材料； 在所述电极材料之上形成铪基材料;及 使所述铪基材料结晶以引发具有所要结晶取向的铁电材料的形成。2. 根据权利要求1所述的方法，其中形成展现所要主要结晶取向的电极材料包括:形成 结晶氮化钛。3. 根据权利要求1所述的方法，其中形成展现所要主要结晶取向的电极材料包括:形成 呈主要（111)结晶取向的氮化钛。4. 根据权利要求3所述的方法，其中形成呈主要（111)结晶取向的氮化钛包括:使用有 机金属前驱物形成呈所述主要（111)结晶取向的所述氮化钛。5. 根据权利要求3所述的方法，其中形成呈主要（111)结晶取向的氮化钛包括:通过原 子层沉积形成呈所述主要（111)结晶取向的所述氮化钛。6. 根据权利要求3所述的方法，其中形成呈主要（111)结晶取向的氮化钛包括:使用四 氯化钛及氨形成呈所述主要（111)结晶取向的所述氮化钛。7. 根据权利要求3所述的方法，其中使所述铪基材料结晶包括:在呈所述主要（111)结 晶取向的所述氮化钛之上形成斜方硅酸铪。8. 根据权利要求3所述的方法，其中使所述铪基材料结晶包括:在呈所述主要（111)结 晶取向的所述氮化钛之上形成呈主要(200)结晶取向的硅酸铪。9. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述电极材料之上形成铪基材料包括:在所述电 极材料之上形成非晶形铪基材料。10. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述电极材料之上形成铪基材料包括:在所述 电极材料之上形成娃酸铪、错酸铪、错酸铪、掺杂锁的氧化铪、掺杂镁的氧化铪、掺杂IL的氧 化铪、掺杂钇的氧化铪或其组合。11. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述电极材料之上形成铪基材料包括:在所述 电极材料之上形成非晶形硅酸铪材料。12. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述铁电材料之上形成另一电极材 料。13. 根据权利要求1所述的方法，其中使所述铪基材料结晶包括:将所述铪基材料暴露 到大于约800°C的温度。14. 一种半导体装置结构，其包括： 在衬底之上的电极，所述电极包括呈主要（111)结晶取向的氮化钛； 铁电材料，其在所述电极之上;及 另一电极，其在所述铁电材料之上。15. 根据权利要求14所述的半导体装置结构，其中所述铁电材料包括硅酸铪、铝酸铪、 锆酸铪、掺杂锶的氧化铪、掺杂镁的氧化铪、掺杂钆的氧化铪、掺杂钇的氧化铪或其组合。16. 根据权利要求14所述的半导体装置结构，其中所述铁电材料包括硅酸铪，所述硅酸 铪包括从约4.4mo 1 %到约5.6mo 1 %的娃。17. 根据权利要求14所述的半导体装置结构，其中所述铁电材料包括结晶的、经掺杂氧 化铪材料。18. 根据权利要求14所述的半导体装置结构，其中所述铁电材料包括硅酸铪，所述硅酸 铪包括主要(200)结晶取向。19. 根据权利要求14所述的半导体装置结构，其进一步包括在所述另一电极之上的金 属娃化物材料。
【专利摘要】本发明揭示一种形成铁电存储器单元的方法。所述方法包括形成展现所要主要结晶取向的电极材料。在所述电极材料之上形成铪基材料且所述铪基材料经结晶以引发具有所要结晶取向的铁电材料的形成。本发明也描述额外方法，以及包含铁电材料的半导体装置结构。
【IPC分类】H01L21/8247, H01L27/115
【公开号】CN105556658
【申请号】CN201480049629
【发明人】陶谦, 马修·N·洛克莱, 贝丝·R·曲克, D·V·尼马尔·拉马斯瓦米
【申请人】美光科技公司
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2014年8月27日
【公告号】EP3044808A1, US9231206, US20150076437, US20160064655, WO2015038332A1