专利名称：形成铁电膜的方法及使用其形成电容器和存储器件的方法
技术领域：
本发明涉及一种形成材料膜的方法及制造使用该材料膜的器件的方法，更具体而言，涉及一种形成铁电膜的方法及采用形成该铁电膜的方法制造电容器和半导体存储器件的方法。
背景技术：
铁电随机存取存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)和磁随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)是期望取代闪存(flash memory)的非挥发存储器。
FRAM包括使用铁电膜作为电介质的晶体管和电容器，且MRAM包括磁隧穿结层(magnetic tunneljunction layer)，取代电容器作为数据记录材料。
通常，FRAM可以采用两种工艺制造用于在基底上形成场效应晶体管(FET)的工艺，以及用于在FET形成于其中的所得结构上形成有待于连接到该FET的铁电电容器的工艺。铁电电容器的主要工艺是在下电极上形成铁电膜。铁电膜是具有大于常规电容器中的电介质膜的介电常数的电介质。即，铁电膜具有更好的抗蚀刻性，且因此，蚀刻铁电膜是困难的。
因此，已经提出易于形成铁电膜的各种方法，例如化学溶液淀积(CSD)法。CSD法具有简单和容易控制组分的优点。然而，CSD法也具有缺点，阶梯覆盖率(step coverage)差，且由于铁电膜是在高于600℃的温度下形成的，因此当铁电膜形成时，组成该FRAM的材料被热破坏。
发明内容
本发明提供了一种形成铁电膜的方法，该方法可以减小当铁电膜形成时对FRAM的其他组分的热破坏。
本发明还提供了一种使用形成铁电膜的方法制造半导体器件的电容器的方法。
本发明还提供了一种使用制造该电容器的方法的制造半导体器件的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种形成铁电膜的方法，该方法包括制备适合于淀积铁电膜的基底、在该基底上淀积非晶铁电膜、和通过照射激光束到该非晶铁电膜而结晶该非晶铁电膜。
在基底上淀积非晶铁电膜可以包括在基底上涂覆包含铁电膜源(ferroelectric film source)的化学溶液、固化该化学溶液、和预退火所得产物。预退火可以在500-550℃温度范围内进行。
激光束可以是XeCl准分子激光束或者KrF准分子激光束之一，且激光束的照射可以在氧或氮气氛下、基底保持低于500℃的温度的状态中进行。化学溶液可以通过在300℃下烘烤5分钟而固化，且可以重复进行化学溶液的涂覆和化学溶液的固化。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造电容器的方法，该方法包括形成下电极、在该下电极上形成非晶铁电膜、通过照射激光到非晶铁电膜而结晶非晶铁电膜、以及在结晶化的铁电膜上形成上电极。
此处，在下电极上形成非晶铁电膜可以包括在基底上涂覆包含铁电膜源的化学溶液、固化该化学溶液、和预退火该固化的所得产物。
预退火、激光束的照射、和化学溶液可以如形成铁电膜的方法中一样进行。
铁电膜可以是从包含PZT膜、SBT膜、BLT膜和BNT膜的组中选择出的一种。
根据本发明的另一方法，提供了一种制造包括适合于低温工艺的透明基底、用在低温多晶硅工艺中的TFT、和电容器的半导体存储器件的方法，该方法包括形成有待于连接到TFT的下电极、在下电极上形成非晶铁电膜、通过照射激光束到非晶铁电膜而结晶该非晶铁电膜、和在结晶的铁电膜上形成上电极。
在形成半导体存储器件的方法中，在下电极上形成非晶铁电膜和在非晶铁电膜上形成上电极可以如在制造电容器的方法中一样进行。
铁电膜可以形成为具有小于250nm厚度。
根据本发明的另一方面，形成TFT包括在透明基底上形成缓冲层、在缓冲层上形成非晶硅层、将非晶硅层结晶为多晶硅层、通过构图该多晶硅层而形成多晶硅层岛、在多晶硅层岛的预定区域形成栅极堆栈(gate stack)、掺杂多晶硅层岛的暴露区、和活化多晶硅层岛的掺杂区。
多晶硅层岛的掺杂区可以通过照射准分子激光到多晶硅层岛而活化。
根据本发明，由于铁电膜是通过CSD方法与准分子激光照射法的结合而形成的，结晶化的铁电膜可以在低于500℃的温度下形成。因此，本发明可以在铁电膜形成时减少对其他成分的热破坏。而且，使用准分子激光的铁电膜的结晶工艺可以选择性地进行。因此，铁电膜的结晶工艺可以用在高集成度的工艺中，并可以批量生产。
通过参照附图，对示范性实施例的详细描述，本发明的上述和其他特点和优点将变得更为明显。
图1-图4是示出形成根据本发明的实施例的铁电膜的方法的截面图；图5是解释图1到4所示的铁电膜的形成方法的方框图；图6是示出关于采用形成图1到4所示的铁电膜的方法形成的PZT膜的晶体分析结果的曲线图；图7和8是示出采用形成图1到4所示的铁电膜的方法制造根据本发明的电容器的方法的截面图；图9是示出电容器单元阵列的平面图，其中包括在其中的下电极和上电极为交叉形；和图10-图15是示出制造根据本发明的半导体器件的方法，其中包括根据制造图7和8所示的电容器的方法而形成的电容器。
具体实施例方式
下面将参照附图更充分地描述本发明，在附图中，示出了本发明的示范性实施例。在附图中，为了清楚而放大了层和区域的厚度。
下面将描述形成根据本发明的铁电膜的方法(下面称为第一方法)。
参照图1，适合于淀积铁电膜的基底38被制备，且包含铁电膜源的化学溶液层40涂覆在基底38上。化学溶液层40可以涂覆为预定厚度，例如30-100nm。化学溶液层40可以包括用于形成从包含PZT膜、SBT膜、BLT膜和BNT膜的组中选择的一种的源。化学溶液层40可以使用旋涂(spin coating)涂覆。
接着，化学溶液层40通过烘烤化学溶液层40形成于其上的所得产物而固化。可以在300℃温度下进行5分钟的烘烤。烘烤温度和时间可以根据化学溶液层40的种类和厚度而变化。参照图2，非晶铁电膜42形成在基底38上。
化学溶液层40可以在一个涂覆工艺中形成为期望厚度，但也可以在两个或更多个涂覆工艺中形成。例如，如果化学溶液层40的总厚度是40nm，化学溶液层40可以通过相继涂覆两个20nm层在两个涂覆工艺中形成。
当化学溶液层40在两个或更多个涂覆工艺中形成时，对每次涂覆都要进行烘烤。用于形成化学溶液层40的工艺和用于烘烤的工艺可以重复，直到获得化学溶液层40的期望厚度。
接着，其上形成有非晶铁电膜42的基底38被预退火。预退火在氧气氛下、500-550℃温度范围内进行30分钟。
然后，具有预定能量密度的激光束46照射到被预退火的非晶铁电膜42上。激光束46的能量密度可以为50-500mJ/cm2。激光束46的照射可以使用预定激光例如XeCl准分子激光进行，但也可以采用KrF准分子激光。当使用XeCl准分子激光时，激光束46的照射可以在氧气氛或氮气氛下进行。在此过程中，基底38保持在400-500℃温度范围内。如果激光束46的能量密度合适，激光束46的照射仅照射一次，但是，如果激光束46的能量密度不合适，激光束46照射至少两次或更多次。
参照图3，由于通过激光束46的照射熔化被预退火的非晶铁电膜42，所以用于生长晶体的晶粒(seed)44在非晶铁电膜42的底部，即，在基底38的表面形成。晶体从晶粒44形成并延伸到非晶铁电膜42的表面。结果，如图4所示，结晶的铁电膜48在基底38上形成。
参照图5，本发明的第一方法可以概括为五个步骤步骤50制备适合于淀积铁电膜的基底；步骤52在基底上涂覆非晶铁电膜；步骤54通过烘烤而固化涂覆的非晶铁电膜步骤56预退火烘烤过的非晶铁电膜；步骤58照射准分子激光到预退火的非晶铁电膜。
图6示出关于采用本发明的第一方法形成的PZT膜的X射线衍射分析结果的曲线图。
在图6中，第一曲线G1表示未照射激光束的PZT膜的X射线衍射分析结果。第二曲线G2表示照射100次具有300mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射线衍射分析结果。第三曲线G3表示照射100次具有325mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射线衍射分析结果。第四曲线G4表示照射100次具有350mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射线衍射分析结果。第五曲线G5表示照射100次具有375mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射线衍射分析结果。第六曲线G6表示照射50次具有400mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射线衍射分析结果。第七曲线G7表示照射50次具有425mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射线衍射分析结果。第八曲线G8表示照射50次具有450mJ/cm2的能量密度的激光束的PZT膜的X射线衍射分析结果。
在图6中，参考标号P1表示关于PZT膜的(100)晶面的峰组的第一峰组，且参考标号P2表述关于PZT膜的(200)晶面的峰组的第二峰组。
考虑在第一峰组P1中的峰，在曲线G2到G8中的峰的高度高于在曲线G1中的峰的高度。对于第二峰组P2中的峰也是如此。
而且，考虑第一峰组P1，当照射到PZT膜上的激光束的能量密度升高时，在曲线G2到G8中的峰的高度增加。
此结果表示当根据本发明的第一方法形成时，铁电膜的结晶速率增加。
下面将描述根据本发明形成的铁电膜的各种应用实例。
下面将参照图7和8描述制造包括根据本发明的第一方法形成的铁电膜的电容器的方法(第二方法)。
参照图7，条纹状的下电极60形成在基底材料膜59上，且覆盖下电极60的电介质膜62形成在基底材料膜59上。电介质膜62可以由从包含PZT膜、SBT膜、BLT膜和BNT膜的组中选择的铁电膜形成。在这种情况下，电介质膜62可以通过根据本发明的第一方法形成。当铁电膜用作电介质膜62时，下电极60可以由能够在蚀刻电介质膜62时抵抗蚀刻的抗蚀刻金属例如铂或钌形成。
参照图8，上电极64形成在电介质膜62上。上电极64优选形成为垂直于下电极60的条纹状。上电极64可以由具有与电介质膜62之间较好的界面特性的金属如Pt形成。
图8是沿图9中的8-8’线所取的电容器C11的截面图，在该电容器中，下电极60和上电极64彼此交叉形成。为了方便，在图9中没有示出电介质膜62和基底材料膜59。
下面将参照图10到13描述制造包括根据本发明的第二方法形成的电容器的半导体存储器件的方法。
参照图10，第一缓冲层72形成在基底70上。基底70可以是透明基底，例如玻璃基底，适合于低温工艺。第一缓冲层72可以是氧化硅膜。薄膜晶体管(TFT)通过低温多晶硅工艺(LTPS)形成在第一缓冲层72上。
更具体地，多晶硅层74形成在第一缓冲层72上。多晶硅层74可以通过在基底70上形成非晶硅层之后结晶非晶硅层(未示出)而形成。非晶硅层的结晶工艺优选采用准分子激光在低温下进行。在形成多晶硅层74之后，如图11所示，栅极堆栈76形成在多晶硅层74的预定区域中。栅极堆栈76包括相继堆叠的栅极绝缘膜76a和栅极76b。栅极绝缘膜76a可以由氧化硅膜形成，但它也可以由具有比氧化硅膜大的介电常数的电介质膜，即高K膜形成。栅极76b可以由例如铝的金属或硅化物材料形成。在栅极76b上还可以包括保护膜(未示出)。在形成栅极堆栈76之后，导电杂质掺在多晶硅层74的暴露区，且所掺的杂质被激活。所掺杂质的激活优选使用准分子激光在低温下进行。这样，源和漏区74s和74d形成在多晶硅层74上。多晶硅层74在栅极堆栈76下面的一部分是连接源区76s和漏区76d的沟道区74c。栅极堆栈76、源区74s和漏区74d构成TFT。
多晶硅层74可以被其他材料层例如SiOG层取代，等效低温工艺可以应用到该SiOG层。
参照图12，覆盖TFT的层间绝缘层78形成在第一缓冲层72上。第二缓冲层80形成在层间绝缘层78上。
参照图13，暴露漏区74d的接触孔h1形成在第二缓冲层80和层间绝缘层78中。接触孔h1可以通过照像和蚀刻工艺形成。接触孔h1填充有导电塞82。
参照图14，覆盖导电塞82的下电极84形成在第二缓冲层80上。下电极84可以由与铁电膜例如PZT膜之间保持较好的界面特性的铂电极形成。还可以形成能减少杂质扩散或者能减小下电极84与导电塞82之间的接触电阻的材料层。
在形成下电极84之后，非晶铁电膜86在第二缓冲层80上形成为预定厚度。非晶铁电膜86可以通过在涂覆包含从包括PZT膜、SBT膜、BLT膜和BNT膜的组中选择的一种源材料的化学溶液之后，烘烤和预退火化学溶液而形成。涂覆工艺、烘烤工艺和预退火工艺可以根据本发明的第一方法而进行。
接着，激光束88照射到非晶铁电膜86。激光束88可以是从准分子激光器发射的激光束，且优选从XeCl准分子激光器发射的具有308nm波长和20ns脉冲宽度的激光束。激光束88的能量密度、照射激光束的次数、当激光束照射时气体气氛和温度、以及非晶铁电膜86由于激光束88的照射的变化与根据本发明的第一方法中的描述相同。
由于激光束88的照射，如图15所示，非晶铁电膜86变成晶体铁电膜86a。板电极90形成在晶体铁电膜86a上。板电极90也可以由铂形成以保持与铁电膜之间较好的界面特性，如同下电极84。板电极90用作上电极。这样，形成了包括晶体管和铁电电容器的半导体存储器件。
如上所述，在本发明中，使用CSD方法的非晶铁电膜通过XeCl准分子激光而被结晶。即，在本发明中，通过结合CSD方法与准分子激光照射法而实现非晶铁电膜的结晶。因此，当本发明用于形成电容器或半导体存储器件时，由于用于形成铁电膜的工艺可以在低于500℃的温度下进行，从而形成在铁电膜下面的其他材料层的热破坏可以被最小化。而且，当铁电膜根据本发明所提供的方法被结晶时，由于激光束的选择吸收是可能的，因此铁电膜可以用在制造高集成度的半导体器件的工艺中，并且批量生产也是可能的。
虽然已经参考本发明的实施例具体示出并描述了本发明，但不应该理解为本发明局限于此处提出的实施例。例如，本领域的技术人员可以将本发明的第一方法用于形成电容器的工艺或形成半导体存储器件的工艺中。而且，在形成TFT的半导体存储器件的过程中，可以通过照射激光束以外的其他方法来活化源区和漏区。因此，本发明的范畴应该由所附的权利要求的技术精神来限定。
权利要求
1.一种形成铁电膜的方法，该方法包括制备基底；在所述基底上淀积非晶铁电膜；和通过照射激光束到所述非晶铁电膜而结晶所述非晶铁电膜。
2.如权利要求1所述的方法，其中在基底上淀积非晶铁电膜还包括在所述基底上涂覆包含铁电膜源的化学溶液；固化所述化学溶液；和预退火固化的所得产物。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述预退火在500-550℃的温度范围内进行。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述激光束是XeCl准分子激光束和KrF准分子激光束之一。
5.如权利要求1所述的方法，其中照射激光束在氧或氮气氛下、基底保持在低于500℃温度的状态中进行。
6.如权利要求2所述的方法，其中所述化学溶液通过在300℃烘烤5分钟而固化。
7.如权利要求2所述的方法，其中所述化学溶液的涂覆和化学溶液的固化重复进行。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述激光束的能量密度是50-500mJ/cm2。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述激光束照射1-100次。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述铁电膜是从包含PZT膜、SBT膜、BLT膜和BNT膜的组中选择的一种。
11.一种制造电容器的方法，该方法包括形成下电极；在所述下电极上形成非晶铁电膜；通过照射激光到所述非晶铁电膜而结晶该非晶铁电膜；和在所述结晶的铁电膜上形成上电极。
12.如权利要求11所述的方法，其中在下电极上形成非晶铁电膜还包括在基底上涂覆包含铁电膜源的化学溶液；固化所述化学溶液；和预退火被固化的所得产物。
13.如权利要求12所述的方法，其中预退火在500-550℃温度范围内进行。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述激光束是XeCl准分子激光束和KrF准分子激光束之一。
15.如权利要求11所述的方法，其中照射激光束在氧或氮气氛下、下电极保持在低于500℃温度的状态中进行。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述化学溶液通过在300℃烘烤5分钟而固化。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述化学溶液的涂覆和化学溶液的固化重复进行。
18.如权利要求11所述的方法，其中所述激光束的能量密度是50-500mJ/cm2。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述激光束照射1-100次。
20.一种制造包括适合低温工艺的透明基底、用在低温多晶硅工艺中的TFT、和电容器的半导体存储器件的方法，该方法包括形成有待于连接到所述TFT的下电极；在所述下电极上形成非晶铁电膜；通过照射激光束到所述非晶铁电膜上而结晶所述非晶铁电膜；和在所述结晶的铁电膜上形成上电极。
21.如权利要求20所述的方法，其中在所述下电极上形成非晶铁电膜包括在所述基底上涂覆包含铁电膜源的化学溶液；固化所述化学溶液；和预退火所述固化的所得产物。
22.如权利要求21所述的方法，其中涂覆所述化学溶液和固化所述化学溶液重复进行。
23.如权利要求20所述的方法，其中XeCl准分子激光照射到非晶铁电膜。
24.如权利要求20所述的方法，其中当激光照射时，所述TFT形成于其上的基底在氧或氮气氛中保持在低于500℃的温度。
25.如权利要求21所述的方法，其中所述预退火在500-550℃温度范围内进行。
26.如权利要求20所述的方法，其中形成所述TFT包括在透明基底上形成缓冲层；在所述缓冲层上形成非晶硅层；将所述非晶硅层结晶为多晶硅层；通过构图所述多晶硅层形成多晶硅层岛；在所述多晶硅层岛的预定区域形成栅极堆栈；掺杂所述多晶硅层岛的暴露区；和活化所述多晶硅层岛的掺杂区。
27.如权利要求26所述的方法，其中通过照射准分子激光到所述多晶硅层岛而活化所述多晶硅层岛的掺杂区。
全文摘要
提供了一种形成铁电膜的方法及使用该形成铁电膜的方法制造电容器和半导体存储器件的方法。形成铁电膜的方法包括制备基底、在该基底上碘淀积非晶铁电膜、和通过照射激光束到非晶铁电膜而结晶该非晶铁电膜。由于铁电膜可以在低于500℃的温度形成，因此形成铁电膜的方法可以减少对其他元件的热破坏。
文档编号H01L21/70GK1770392SQ20051010686
公开日2006年5月10日 申请日期2005年9月26日 优先权日2004年9月24日
发明者鲜于文旭, 野口隆, 赵世泳, 权章渊, 殷华湘 申请人:三星电子株式会社