带覆盖层的铁电装置及其制造方法

专利名称：带覆盖层的铁电装置及其制造方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及用于集成电路的薄膜领域，特别涉及铁电薄膜。更具体地，涉及一种用于提高铁电薄膜性能的覆盖层。
2.问题陈述铁电薄膜具有在即使缺少应用电场的情况下保持感应极化状态的特征。如果在一个方向上的极化状态被定义为逻辑“0”极化状态而在相反方向上的极化状态被定义为逻辑“1”极化状态，并提供适当的电路检测极化状态，铁电薄膜可用来作为一个高速非易失性计算机存储器的信息存储介质。众所周知，这样的一个铁电存储器可通过使用铁电材料替代传统DRAM电容器电路的电绝缘电容器材料，并在读写回路中产生适当的变化从而应用铁电薄膜作为信息存储介质。具体实例参见，1998年7月21日颁发给库期柔(Cuchiaro)等的专利号为5,784,310的美国专利。由于即使在缺少应用场时铁电材料同样能够长期保持感应的极化状态，这种替代将DRAM单元转换成一个非易失性存储器单元。如颁发给亚码诺比(Yamanobe)等人的专利号为5,780,886的美国专利所述，由于铁电薄膜的非易失性极化状态，也可能形成一个由一个单一场效应晶体管组成的非易失性存储器单元。
在使用薄膜铁电材料时引起的一个问题是，由于薄膜表面感应的电荷形成一个与应用场相反的场，薄膜表面缺少点电荷从而产生应用场屏蔽效应。因此，晶体的一些内部铁电区域不会暴露在应用场下从而具有足够的量来完成区域的极化。薄膜的极化性能由于场的屏蔽效应而受到影响。铁电存储器的密度受到从铁电材料获得的剩余极化量的限制。此外，由于随着使用时极化量的减少，在长期使用时前述薄膜铁电材料一般具有高的极化衰减率从而造成不可靠的存储性。而且，薄膜铁电材料的极化磁滞曲线相对零点电压或零场值上下移动或留下印痕也是可能的。最终，由于衰减或印痕问题，与已知铁电材料偶合的控制电路将不能读出材料的衰减极化状态，所以也不能保存或恢复信息比特。因此，为了提高铁电存储性能，需要增强薄膜铁电材料的极化量。
衰减或印痕问题可通过使用分层超晶格材料而大大地解决，正如1998年7月21日授予库期柔(Cuchiaro)等的专利号为5,784,310的美国专利中所报道的。铁电钙钛矿类氧化分层超晶格材料是一种已知的自排序晶体，在适用于集成电路的薄膜中使用，例如，如1996年5月21日授予阿柔究(Araujo)等的专利号为5,519,234的美国专利中所报道的。术语“钙钛矿类”通常是指一些相互连接的氧八面体。主要的晶胞通常是由一个位于一个立方体内的氧八面体形成的，所述立方体是由氧原子占据了立方体表面中心的大A位金属和一个占据了立方体中心的小B位元素定义的。在一些实例中，氧八面体可以在缺少A位元素的情况下被保留。
分层超晶格材料具有在分层结构中能找到热力稳定性的特征。当进行热处理时，超晶格金属的无序溶液能自发地形成一个单一的分层超晶格物质混合物，具有钙钛矿类八面体相对顺序层，和一个如氧化铋这样的超晶格发生器。合成的自排序结构形成了一个相对于重复的层具有双重周期的超晶格。分层的超晶格材料具有这种自排序能力，并且由此与在一个单独的沉积步骤中需要对每一层进行沉积的半导体异晶格截然不同。
众所周知，由于一些如铋这样的元素在干燥和退火期间更具挥发性而且不成比例地从材料中挥发，所以如果使用化学计量的预处理器，能够减小分层的超晶格材料的极化性能。因此，经常使用采用了过多挥发性元素的预处理器，使得在干燥和退火之后所形成的材料近似符合化学计量。铋梯度也被实质上用来获得化学计量的最终分层超晶格材料。参见实例，1995年8月8日颁发给Watanabe等的专利号为5,439,845的美国专利。当采用一个梯度的装置显示出被增强的极化性能，同时也由于多层结构而具有相应的厚度，造成了铁电存储器较低的密度。
为了提高铁电存储器和其它包含铁电材料的集成电路的密度，从而产生一种需求，需要从薄膜铁电材料，更具体地讲，从一种分层超晶格材料中获得更大的剩余极化量。
解决方案本发明通过提供改进的具有增强剩余极化量的薄膜铁电装置，提高了技术工艺并解决了前述问题。这些改进是通过在电极和铁电材料之间增加一覆盖层来补偿铁电材料与电极接触面的损失获得的。采用本发明，所获得的剩余极化量提高了32％。
根据本发明所述的一种铁电装置，包括一个基片，用来支撑一个从由钙钛矿和自排序分层超晶格材料组成的一组成分中选出的薄膜铁电层。铁电材料的顶端和底端或其中的一端被覆盖层“覆盖”。覆盖层最好为非铁电材料。一个电极在覆盖层的上面或下面。覆盖层最好至少有3nm厚，并最好直接与电极和铁电材料接触。覆盖层加入了一种超晶格发生器金属，通常为三价铋或三价铊。覆盖层材料最好是从一组由氧化铋、锶化铋、钽酸铋、铌酸铋和钽酸铋铌组成的成分中选出的。
覆盖层最好覆盖位于顶端电极之下的铁电材料，但是如果有两个电极，如在铁电电容器中，覆盖层可以覆盖铁电层的顶端和底端。
在优选实施例中，超晶格发生器金属与在自排序分层超晶格材料中的超晶格发生器金属相同。在优选实施例中，铁电材料层包括自排序分层超晶格材料实质上由铋元素组成，超晶格发生器金属实质上由铋元素组成。特别优选的分层超晶格材料是从由钽酸锶铋、铌酸锶铋和钽酸锶铋铌组成的一组成分中选出的。最佳的覆盖层材料是氧化铋。
覆盖层最好至少为大约3nm厚，最好是在3nm到30nm的厚度范围内，而极佳的厚度范围是从5nm到20nm。这个范围的厚度能够提供合适的损失补偿，这样由于厚度足够小能够避免寄生电容的重大问题。
使用覆盖层可通过提供一个从铁电材料到导电体的转变来防止场屏蔽。这种方法可以是一个非常薄并具有极佳的铁电特性的铁电装置。本发明的许多其它性能、目的和优点，将通过结合附图，在下面的描述中很容易理解。
附图简述

图1是根据本发明描述了一个在铁电层之上和顶端电极之下带有一个覆盖层的铁电装置。
图2描述了一个在铁电层之下和底端电极之上带有一个覆盖层的铁电装置。
图3按照图1和图2的方式，描述了一个不带覆盖层的比较装置。
图4描述了一个从与图1对应的实例中获得的极化迟滞曲线。
图5为从与图1、2、3对应的三个独立样品中获得剩余极化量的柱型图。
图6为从与图1、2、3对应的三个独立样品中获得的强制场量的柱型图。
优选实施例的详细描述一种改进的铁电装置图1描述了一种铁电装置100，包括一个支撑一个铁电电容器104的基片102。铁电装置100为一个薄膜铁电电容器，用于需要铁电材料的铁电存储器和其它集成电路。例如，铁电装置100在场效应晶体管(“FET”)中作为一个铁电电容器或作为一个门使用。
基片102包括一个半导体晶片106，最好是硅，和一个绝缘层108，最好是二氧化硅。在集成电路工艺中，晶片106通常是指一个“基片”。这里术语“基片”更通常被用在为其它层提供支持的任意层或合成层。例如，用于铁电电容器104的基片102为快速绝缘层108，但也被广泛地认为包括晶片106和晶片106与绝缘层108的组合。作为传统工艺，我们也可以认为处于完成的不同状态的装置为基片，包括所有在参考时间点内完成的层。
方位术语，如“在……上面”，“顶端”，“上面的”，“在……之下”，“底端”和“较低的”，在这里是相对于图1-3中的晶片106而言的，即，如果一个第二元素在一个第一元素之上，是指它比另一元素更靠近晶片106。长尺寸的晶片106定义了一个平面，在这里被认做“水平”面，与这个平面垂直的方向被认做“垂直”面。
术语“薄膜”在这里是一个应用于集成电路的具有合适厚度的薄膜。所述薄膜厚度小于1微米，而且通常是在2nm到500nm的范围之内。区别本术语与一般用在宏观领域的相同词语“薄膜”是非常重要的。这里的“薄膜”是指超过1微米的膜，通常是指从2微米到100微米。所述的宏观“薄膜”比用在集成电路中的“薄膜”厚上百倍到上千倍，而且是通过完全不同的处理过程形成的，并通常容易产生裂纹、气孔和其它缺陷以致损坏集成电路，而对光学和其它宏观领域没有任何价值。
铁电电容器104包括一个金属底端电极110。金属底端电极结构可以是适用于集成电路的任何金属或电极结构，例如，铝、金、钌、铑和钯。底端电极110最好是由铂111和钛109混合而成，其中钛的作用是作为附着金属来防止铂成分从氧化层上剥离。钽、铱和氧化铱也可作为附着金属。钛或其它附着金属109一般是被喷镀为10nm到20nm的厚度。铂111的最佳厚度范围是从100nm到200nm。底端电极110的金属层是采用传统的原子喷镀技术形成的，例如直流磁电管喷镀或无线电频喷镀。
一个铁电层112位于底端电极110之上。铁电层112最好是一种具有高恒定的电绝缘性和铁电特性的金属氧化物。铁电层112的制造过程将在下文中详细描述，其厚度不要超过400nm，最佳状态是不要超过200nm。铁电层112可以是钙钛矿，如钛酸钡锶或钛酸锶。铁电层112为一种分层超晶格材料，更佳的是为一种混合分层超晶格结构。
术语“钙钛矿”在这里包括一种具有ABO3常态的已知材料，这里的A和B为阳离子，0为氧阴离子成分。该术语可包括以AB代表多种成分的材料，例如，包括A’A”BO3、AB’B”O3和A’A”B’B”O3形式的材料，这里的A’、A”、B’、B”为不同的金属成分。最好，A、A’、A”是从由钡、铋、锶、铅、钙和镧元素组成的一组金属中选出的金属；B、B’、B”是从由钛、锆、钽、钼、钨和铌元素组成的一组金属中选出的金属。术语A位和B位是指在钙钛矿氧八面体晶格中的具体位置。
许多分层超晶格材料具有由相应数量的氧化铋层分开的多层钙钛矿类氧八面体。尽管不是所有分层超晶格材料都能在室温下表现出铁电性能，但是分层超晶格材料通常为铁电材料。无论这些材料是否是铁电材料，它们一般都具有高恒定的电绝缘性并在高恒定电绝缘电容器中使用。
所有类型的分层超晶格材料通常可由一般的经验公式概括(1)A1w1+a1A2w2+a2Ajwj+ajS1x1+s1S2x2+s2…Skxk+skB1y1+b1B2y2+b2…B1y1+b1Qz-2.]]>注意公式(1)是指超晶格形成二分之一的化学计量平衡列表。公式(1)不代表一个单位晶胞结构，也没有试图为分开的层分配成分。在公式(1)中，A1、A2…Aj代表一个钙钛矿类八面体结构的A位元素，包括诸如锶、钙、铋、铅及其混合物一类的元素，和其它具有相似离子半径的金属元素。S1、S2…Sk代表超晶格发生器元素，最好只包括铋，但也可包括如钇、钪、镧、锑、铬和铊一类的三价金属元素。B1、B2…B1代表钙钛矿类结构中的B位元素，可以为诸如钛、钽、铪、钨、铌、钒、锆一类的元素和其它元素；Q代表一个阴离子，这里最好为氧原子，但也可以是其它元素，如氟、氯和这些元素的混合物，如氟氧化物、氯氧化物等。公式(1)中的上标表示每个元素的化合价，下标表示在单位晶胞中元素的原子数目。下标可以是整数或小数。简而言之，公式(1)描述了在整个材料中单位晶胞可以变化的实例，例如在Sr.75Ba.25Bi2Ta2O9中，平均75％的时间锶为A原子，25％的时间钯位A位原子。如果在化合物中仅有一个A位元素，则由“A1”表示，w2…wj全为零。如果在化合物中仅有一个B位元素，则由“B1”表示，y2…y1全为零，对超晶格发生器元素也类似。通常的例子是有一个A位元素，一个超晶格发生器元素和一个或两个B位元素，尽管因为本发明还包括这样的情况，A位或B位和超晶格发生器为多种成分，公式(1)采用了更通用的形式。Z的值由下列等式获得(2) (a1w1+a2w2…+ajwj)+(s1x1+s2x2…+skxk)+
(b1y1+b2y2+...+b1y1)＝2z定义的分层超晶格材料不包括适合公式(1)的每一种材料，而是那些在结晶时能自发形成可区分的结晶层种一层元素。这种自发的结晶过程通常是由对混合成分进行热处理或退火而协助实现的。提高的温度推动了一半的形成超晶格排序，形成有利于热力学的结构，如钙钛矿类八面体。
术语“超晶格发生器元素”如运用到S1、S2…Sk，是指这些金属以介于两类钙钛矿层之间的氧化金属层形式非常稳定地存在，正好与遍布混合分层超晶格材料的超晶格发生器金属均匀地随机分布相反。特别地，铋元素存在一个离子半径，使它既可以作为A位材料，也可以作为超晶格发生器，但是铋在数量上如果少于化学计量比例的最低限度，将自发集中形成一个非钙钛矿类铋氧化层。
术语“分层超晶格材料”这里还包括涂上涂料的分层超晶格材料。简而言之，任意一种在公式(1)种包含的材料可被涂上不同的材料，如硅、锗、铀、锆、锡、铬、镝或铪。
公式(1)至少包括所有三种Smolenskii型铁电分层超晶格材料，即具有单独的经验公式(3)Am-1S2BmO3m+3(4)Am+1BmO3m+1(5)AmBmO3m+2这里A是一个钙钛矿类超晶格A位元素，B是一个B位金属，S是一个三价超晶格发生器金属，如铋或铊，m是配平整个公式的电荷数目。当m是小数时，整个经验公式能提供许多不同的或混合的钙钛矿类层，单独的层具有不同的钙钛矿类氧八面体厚度。
一个覆盖层114是在铁电层112上面形成的。覆盖层114用来补偿铁电层112上表面的点电荷损失。在优选的应用中，对铁电材料112采用分层超晶格材料，覆盖层114最好是超晶格发生器金属的氧化物。已知的最佳超晶格发生器金属是氧化铋，所以极佳的是，覆盖层114是当氧化铋厚度超过在超晶格中一个氧化铋序列在正常周期内形成的厚度时沉积而成。覆盖层材料最好是从一组由氧化铋、锶化铋、钽化铋和钽化铋铌组成的成分中选出的。覆盖层的最佳厚度是至少3nm，最佳范围是从3nm到30nm，更佳的厚度范围是从5nm到20nm。最佳厚度值为10nm。由于覆盖层材料在有害的方式下产生与由电荷损失造成的场屏蔽相类似的应用场屏蔽而具有电绝缘性，所以大于30nm厚度的覆盖层可造成寄生电容。
在有些情况下，覆盖层114足够薄而漫射到铁电层112。相似地，铁电层112可漫射到覆盖层114或这些层相互漫射。
当铁电层112是一种钙钛矿，相互漫射的效果通常在钙钛矿之上形成一个局部的分层超晶格材料区。当铋作为超晶格发生器元素，例如在图1中描述的，形成与覆盖层114对应的加入了铋的分层超晶格材料区。这种分层超晶格材料区由一种当相互漫射的金属氧化物在分层序列中寻找热力稳定性时形成的自排序超晶格组成。相似地，当铁电层112为分层超晶格材料，如在图1中描述的，相互漫射的效果产生一个与覆盖层114对应的加入了超晶格发生器元素的分层超晶格材料区。如果覆盖层没有漫射到铁电层112，则在铁电层112为一种钙钛矿和铁电层112为一种分层超晶格材料两种情况下，沉积形成的覆盖层本身是一种被加入的超晶格发生器元素中的层，在某种意义上它比钙钛矿和分层超晶格材料每摩尔包含更多的超晶格发生器元素。例如，如果覆盖层114包含一种超晶格发生器金属而不是铋，在上述三种情况下，每一种情况都形成了一种加入铋的覆盖层。当应用到覆盖层114时，所有本段中讨论的方法的可选择性都包含在术语“加入了超晶格发生器金属的覆盖层”的意义之内。而且，超晶格发生器元素也指超晶格发生器金属为与铋和铊具有相似离子半径的三价金属。
顶端电极116一般为100nm到200nm厚，通常是用与底端电极110相同的金属或电极结构形成的，除了钛或其它通常不需要的附着金属。顶端电极116也可具有与底端电极110不同的结构或者是由不同金属形成的。
正如本领域所知，铁电装置100可包括其它普通层，如漫射屏障层。许多其它材料也可在上述讨论的层中使用，如用于绝缘层108的铌化硅；用于晶片106的砷化钾，锑化铟，氧化镁，钛酸锶，蓝宝石或石英；和许多其它附着层、屏障层和电极材料。底端电极110在铁电装置100不再是铁电电容器而用做一个作为金属铁电绝缘半导体晶胞的1T或晶体管门的情况下可去掉。而且可以理解的是，图1没有具体显示一个真正的铁电装置任一具体部分的实际横截面视图，而仅是一个为了更清楚更详尽地描述本发明结构和处理过程而无其它目的的理想示意图。例如，由于为使视图美观而对如基片106等其它一些层加厚，所以单个层的相对厚度不成比例。用于比较目的的第二实施例图2描述了一个第二铁电装置200。在图2中，根据图1对相同部件保留了相同的编号。铁电装置200包括一个铁电电容器202，它与铁电电容器104不一样而是在铁电层112与底端电极110之间增加了一个氧化铋覆盖层204。上覆盖层114在图2表示的实施例中已不存在，而覆盖层114还包括顶端电极116和铁电层112之间的部分。用于比较目的的第三实施例(现有技术)图3描述了一个现有技术的铁电装置300。在图3中，根据图1对相部件保留了相同的编号。铁电装置300包括一个铁电电容器302，它与铁电电容器104和202不同，不带覆盖层114和覆盖层204。一种制造装置100的方法装置100、装置200、装置300的所有部件，除了覆盖层114和覆盖层204，都是根据已知的方法制造的。这些传统方法为已知已有工艺，例如生成绝缘层108的晶片106的热氧化物或者产生主要相似结果的层108的旋压玻璃沉积。传统喷镀过程用于形成底端电极110和顶端电极116。传统抗蚀技术在集成电路中用于为装置上图案。这些处理过程并不是本发明的关键。例如，基片102可替换为由传统CMOS处理产生的堆叠集成电路结构。
根据这些传统处理过程，铁电层112是通过喷镀、化学蒸发沉积、雾化液体沉积、旋压液体沉积、或其它合适的沉积方法形成的。铁电层112经受退火产生的温度提升使层112的铁电性能最大化。这些温度的典型范围为650℃到850℃。由于铁电层112相应的分层超晶格材料中铋的损失，这些温度被认为挥发了铋金属并造成相应损失。
通过使用铯作为第一离子的分光镜测量方法所获得的第二离子团的结果，可以发现化学计量铋的缺乏存在于图3所示的与铁电层112对应的传统分层超晶格材料的大部分区域。这些实验结果确认了存在铋挥发性损失。损失程度是由退火时，退火时间和温度，沉积方法和是否存在其它层，特别是是否存在顶端电极116而共同影响的。相应地，覆盖层114的一个重要作用是弥补铁电层中由于金属挥发损失产生的缺陷。这些挥发性损失不仅是由铋的损失造成的，还包括其它金属的损失。
覆盖层114和204可由退火过程中氧化的喷镀金属形成，氧化金属本身可以被喷镀，或者覆盖层由旋压液体预处理器形成；如溶胶-凝胶(金属烷氧化基)，金属羧酸酯或金属烷氧基羧酸酯溶液。雾化液体沉积或化学蒸发沉积也可以使用。
下面的非限制性实施例为实施本发明提出了优选的方法和材料。
实施例1准备一个基片用于铁电层112的沉积。采用传统方式准备一个传统硅晶片带一个热生成的氧化层。采用传统直流磁电管方式喷镀钛金属，形成20nm的厚度。喷镀铂金属形成180nm的厚度。
一种研究级二甲苯乙醛乙酸金属纯溶液可从日本的Kojundo化学公司定货购买。溶液中锶、铋、钽的克分子比例为1∶2.8∶2。这样，溶液能形成一种符合经验公式SrBi2.8Ta2O10.2无铋蒸发的分层超晶格材料。这个公式中所包括的铋元素比一般经验公式要求的多30％，符合与当m＝2时的经验公式(3)对应的铁电层112的化学计量式。所以，根据从准备好的其它样品在退火条件下得到的第二离子团光谱学数据所做的假设是这样的，样品中大约30％的铋将会由于退火时产生的蒸发而损失掉。按照经验公式溶液具有0.2克分子的金属浓度。取出3毫升该溶液与2毫升n价醋酸丁基溶剂混合形成一种0.2摩尔的提高了基片吸湿容量的溶液。
基片被置于传统的旋压镀膜机上。基片以每分钟1900转的速度旋转30秒，在此期间用吸管向基片加入3毫升溶液。这种镀膜过程在基片上形成一预处理器薄膜，将基片从旋压镀膜机上移开并在空气中放置在一热平板上1分钟，热平板温度保持在150℃，用来干燥预处理器薄膜以祛除溶剂。然后将基片放置在260℃的热平板上4分钟来祛除预溶液中多余的溶剂和有机溶液。然后对带有干燥的预处理器薄膜的基片进行快速热处理，即将基片在空气中置于传统卤素灯RTA装置下在725℃停留30秒，采用每秒125℃斜率将温度从室温升到725℃，再按125℃的斜率回到室温。通过快速热退火对预处理器进行沉积的过程重复两次使铁电层厚度达到200nm。
一种具有0.4摩尔浓度的研究级二甲苯乙醛乙酸金属纯溶液可从日本的Kojundo化学公司定货购买。取出1毫升该溶液与1.6毫升n价醋酸丁基溶剂混合形成一种0.154摩尔的溶液。将晶片放置在传统的旋压镀膜机上以每分钟1500转旋转30秒，在此期间用吸管向晶片加入该溶液。然后将基片从旋压镀膜机上移开并放置在一个热平板上，置于空气1分钟，热平板保持150℃用来干燥预处理器薄膜以祛除溶剂。然后将基片放置在260℃的热平板上4分钟以从预处理器薄膜中祛除多余的溶剂和有机溶液。通过对使用干燥进行预处理器沉积的步骤重复两次使覆盖层114的厚度达到大约10nm。
一个铂的顶端电极采用一个直流磁电管喷镀成型。对带有合适顶端电极的基片在漫射炉中进行800℃退火，经受阳氧原子流60分钟，包括经过一个5分钟的斜度达到最高温度，同样经过一个5分钟斜度下降到原温度。然后通过传统的反应离子蚀刻工艺对装置上图案，包括在离子蚀刻时应用一种光抗蚀剂，已为本领域技术人员掌握。然后，基片为多数每一个具有6940μm2面积的矩形电容器提供支撑。
选择一种具有代表性的电容器进行测试。一台HP3314功能发生器与一台HP54502A数字示波器相连。采用电压振幅分别为0.5、1、3、5和10伏的一个10KHz正弦波进行极化磁滞测试。测试在Colorado Springs的标准大气压下进行，温度为20℃。图4描述了磁滞结果。
实施例2比较测试按照实施例1中描述的过程，除了考虑到氧化铋在顶端电极之下的放置会有些不同，采用相同的方法准备另一个晶片。实施例1中描述的基片这里作为BiOx/LSM样品，包括在铁电分层超晶格材料之上的一个氧化铋层。这种结构与图1中所示的铁电装置100相对应。
准备一个符合图2所示的铁电装置200的AnLSM/BiOx样品。这种装置具有位于铁电分层超晶格材料之下，底端电极之上的氧化铋覆盖层204。相应地，沉积氧化铋预处理器和干燥的处理过程在底端电极沉积之后立即进行，与在铁电分层超晶格材料沉积之后立即进行相反。
准备一个在铁电电容器中不带覆盖层的LSM样品。该装置与图3中所述的铁电装置300相对应。相应地，在实施例1中描述的沉积氧化铋的过程对于LSM样品可以略过。
图5是分别关于LSM、BiOx/LSM和LSM/BiOx样品剩余极化量的柱型图。当2Pr时对每一个基片的晶胞在5伏和10伏的磁滞曲线测量剩余极化量值。与LSM样品相比，实施例1中的BiOx/LSM样品证明了剩余极化量在10伏时提高32％，在5伏时提高19％。是由氧化铋覆盖层产生了上述提高。一种类似的LSM/BiOx与LSM的样品比较证明了剩余极化量在10伏时有少量提高，在5伏时下降了4％。
图6描述了2Ec时每一种样品关键场转换的比较。BiOx/LSM样品证明了在10伏时下降了7％，在5伏时下降了10％。LSM/BiOx样品证明了在10伏时有2％的较小下降，在5伏时有5％。由于需要一个较低的电压来转换铁电材料的极化状态，在2Ec产生的下降值是一个改进。在集成电路中，较低的电压能够方便地产生较低的热量和较少的能量损耗。
从上述描述中可以看出，带有上覆盖层的电容器所表现出的重要改进是明显的，而带有较低覆盖层的电容器表现出小的改进。
相关领域的技术人员能够理解上述优选实施例在不违背本发明的精神和真实范围所做的改进。同时，发明人在这里声明，为了保护他们对本发明具有的充分权利，本发明遵照等同原则。
权利要求
1.一种铁电装置(100、200)，包括一个基片(102)，支撑一个从一组由钙钛矿和自排序分层超晶格材料组成的成分中选出的薄膜铁电层(112)，一个电极(110、116)，所述装置的特征在于在所述薄膜铁电层(112)和所述电极(110、116)之间存在一个至少3nm厚的覆盖层(114，204)，所述覆盖层包括一种加入了超晶格发生器金属的非铁电性材料。
2.一种铁电装置(100)，包括一个基片(102)，用于支撑一个从一组由钙钛矿和自排序分层超晶格材料组成的成分中选出的薄膜铁电层(112)，和一个电极(110、116)，所述装置的特征在于在所述薄膜铁电层和所述电极之间存在一个3nm到30nm厚的覆盖层(114)，所述覆盖层加入了超晶格发生器金属。
3.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其中所述铁电层实质上由一种自排序分层超晶格材料组成。
4.根据权利要求3所述的铁电装置，其特征在于所述超晶格发生器金属与所述自排序分层超晶格金属中的一种超晶格发生器元素相同。
5.根据权利要求3所述的铁电装置，其中所述分层超晶格材料是从一组由钽酸锶铋、铌酸锶铋和钽酸锶铋铌组成的成分中选出的。
6.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其特征在于所述超晶格发生器金属实质上由铋元素组成。
7.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其中所述覆盖层直接与所述铁电材料和所述电极接触。
8.根据权利要求1所述的铁电装置，其特征在于所述覆盖层具有从3nm到30nm范围的厚度。
9.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其特征在于所述覆盖层具有从5nm到20nm范围的厚度。
10.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其中所述电极为一个顶端电极(116)，所述顶端电极相对于所述铁电层(112)远离所述基片(102)。
11.根据权利要求10所述的铁电装置，包括一个底端电极(110)存在于所述铁电材料与所述基片之间。
12.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其特征在于所述覆盖层材料是从一组由氧化铋、锶化铋、钽酸铋，铌酸铋和钽酸铋铌组成的成分中选出的。
13.根据权利要求1或2所述的铁电装置，其特征在于所述覆盖层由氧化铋组成。
14.一种制造一种铁电装置(100、200)的方法，所述方法包括步骤为一个基片(102)上的一个铁电层(112)沉积材料，所述铁电层是从一组由钙钛矿和自排序分层超晶格材料组成的成分中选出的；沉积一个电极层(116、110)；所述方法的特征在于沉积一个非铁电覆盖层(114、204)，包括一个在所述铁电层和所述电极之间的超晶格发生器金属；对一个或多个所述层进行退火。
15.一种制造一种铁电装置(100、200)的方法，所述方法包括步骤为一个基片(102)上的一个铁电层(112)沉积材料，所述铁电层是从一组由钙钛矿和自排序分层超晶格材料组成的成分中选出的；沉积一个电极层(116、110)；所述方法的特征在于沉积一个覆盖层(114、204)，包括一个在所述铁电层和所述电极之间的超晶格发生器金属，所述覆盖层具有3nm到30nm的厚度；对一个或多个所述层进行退火。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述为铁电层沉积材料的步骤包括为一个自排序分层超晶格材料沉积材料。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述沉积一个覆盖层超晶格发生器金属的步骤的特征在于为所述自排序分层超晶格材料中的一种超晶格发生器金属沉积一种相同的超晶格发生器金属。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述为铁电层沉积材料的步骤包括为一种由钽酸锶铋、铌酸锶铋和钽酸锶铋铌组成的成分中选出的分层超晶格材料沉积材料。
19.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于所述沉积一个覆盖层的步骤包括沉积铋元素。
20.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于所述退火步骤包括将所述覆盖层扩散到所述铁电层来形成一个加入了超晶格发生器金属的分层超晶格材料。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于所述加入了超晶格发生器金属的分层超晶格材料不是铁电材料。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于所述加入了超晶格发生器金属的分层超晶格材料是铁电材料。
23.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于所述覆盖层(114)被沉积在所述铁电层(112)上，然后，所述电极(116)被沉积在所述覆盖层上。
24.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于所述覆盖层具有5nm到20nm范围的厚度。
全文摘要
一种铁电装置(100、200)包括一个铁电层(112)和一个电极(116、110)。铁电材料是由一种钙钛矿或一种分层超晶格材料组成。在所述铁电层与所述电极之间沉积一种超晶格发生器金属氧化物作为覆盖层(114、204)以提高铁电层的剩余极化容量。
文档编号H01L21/8242GK1338113SQ9981643
公开日2002年2月27日 申请日期1999年10月15日 优先权日1999年1月14日
发明者林慎一郎, 大槻建男, 卡洛斯·A·帕斯·德阿劳约 申请人:塞姆特里克斯公司, 松下电器产业株式会社