形成铁电存储器单元的方法及相关半导体装置结构的制作方法
【专利说明】
[0001 ] 优先权主张
[0002] 本申请案主张2013年9月13日申请的题为"形成铁电存储器单元的方法及相关半 导体装置结构（METHODS OF FORMING A FERROELECTRIC MEMORY CElX AND RELATED SEMICONDUCTOR DEVICE STRUCTURESr的第14/026,883号美国专利申请案的申请日期的权 益。
技术领域
[0003] 本发明的实施例设及半导体装置设计及制造领域。更特定来说，本发明的实施例 设及在电极材料上形成包含铁电(FE)材料的FE存储器单元的方法，且设及相关半导体装置 结构。
【背景技术】
[0004] 已研究错铁酸铅(PZT)作为在非易失性数据存储装置（例如FE随机存取存储器 (FERAM))中使用的FE材料。然而，PZT并不与常规半导体处理技术兼容且由于PZT在较低厚 度下失去其FE性质而不可缩放，且因此具有集成问题。
[0005] 娃酸给化fSiOx)是高k电介质材料且已被研究作为PZT的替代性铁电材料。娃酸给 是多晶型的且可形成为单斜、正方、立方或斜方晶体结构，其中晶体结构中的每一者具有多 个可能结晶取向，例如（111)或（200)结晶取向。娃酸给常规地经形成而具有作为主要的所 形成结晶取向的（111)结晶取向。
[0006] 氮化铁是多晶型材料且可形成许多晶体结构，其中每一晶体结构具有多个可能结 晶取向，例如(001)、（002)、（100)、（110)、（111)或（200)结晶取向。氮化铁常规地形成为立 方相且具有多个结晶取向，其中（200)结晶取向通常是主要的所形成结晶取向。
[0007] 可期望具有形成娃酸给或其它FE材料的改进方法，使得可实现铁电材料的所要结 晶取向。
【附图说明】
[0008] 图1是根据本发明的实施例的半导体装置结构的局部横截面视图；
[0009] 图2展示如通过掠入射X射线衍射(GIXRD)测量的由原子层沉积(ALD)工艺形成的 TiN及由常规循序流沉积(SFD)工艺形成的TiN的结晶取向；
[0010] 图3及4是展示与通过SH)工艺形成的TiN的粗糖度相比的通过ALD工艺形成的TiN 的粗糖度的显微图；
[0011] 图5展示如通过GIXRD测量的测试晶片及对照晶片的娃酸给的结晶取向；
[0012] 图6是测试晶片及对照晶片的WlOO个循环实施的正上负下(PUND)电滞;及
[0013] 图7是测试晶片及对照晶片的根据循环数目而变化的中值2Pr(剩余极化强度，其 是在E = O处的正极化及负极化的量值的总和）的曲线图。
【具体实施方式】
[0014] 本发明掲示形成铁电存储器单元的方法，W及包含铁电材料及电极材料的相关半 导体装置结构。可W所要结晶取向使铁电材料结晶。可通过形成呈所要结晶取向的电极材 料、在电极材料之上形成给基材料且使给基材料结晶W产生铁电材料来实现铁电材料的所 要结晶取向。因此，电极材料可用作模板W引发铁电材料的所要结晶取向的形成。
[0015] W下描述提供特定细节(例如材料类型、材料厚度及处理条件），W便提供对本发 明的实施例的详尽描述。然而，所属领域的一般技术人员将理解，可在不运用运些特定细节 的情况下实践本发明的实施例。实际上，可结合在行业中运用的常规制造技术实践本发明 的实施例。另外，在本文中提供的描述并不形成用于形成半导体装置结构的完整工艺流程， 且在下文中描述的半导体装置结构中的每一者并不形成完整半导体装置。在下文中仅详细 描述理解本发明的实施例所必需的那些工艺动作及结构。可通过常规制造技术执行形成完 整半导体装置的额外动作。还应注意，随附本申请案的任何图式仅出于说明目的，且因此并 不按比例绘制。另外，图式之间共有的元件可保持相同数字标示。
[0016] 如在本文中所使用，单数形式"一"及"所述"希望同样包含复数形式，除非在上下 文中另外明确指示。
[0017] 如在本文中所使用，例如"第一"、"第二"、"顶部V'底部'、"上"、"下"、"在……之 上"、"在……之下"等等的相关术语用于清楚且方便地理解本发明及随附图式，且并不暗含 或取决于任何特定偏好、取向或次序，除非在上下文中明确另外指示。
[0018] 如在本文中所使用，术语"衬底"意味且包含其上形成例如在半导体装置结构内的 组件的组件的基座材料或构造。衬底可为半导体衬底、支撑结构上的基底半导体材料、金属 电极或具有形成于其上的一或多个材料、结构或区域的半导体衬底。衬底可为常规娃衬底 或包含半导体材料的其它块状衬底。如在本文中所使用，术语"块状衬底"不仅意味且包含 娃晶片，且还意味且包含绝缘体上娃（"SOr )衬底(例如蓝宝石上娃（"SOS")衬底或玻璃上 娃（"S0G")衬底）、在基底半导体基座上的娃外延层或其它半导体或光电材料(例如错化娃 (Sii-xGex，其中X是（例如）介于0.2与0.8之间的摩尔分数）、错(Ge)、神化嫁(GaAs)、氮化嫁 (GaN)或憐化铜（InP) W及其它）。此外，当在W下描述中提到"衬底"时，可能已利用先前工 艺阶段在基底半导体结构或基座中或上形成材料、区域或接面。
[0019] 如在本文中所使用，术语"铁电"意味且包含具有在存在电场的情况下可反向的自 发电极化(电偶极子)的材料。
[0020] 如在本文中所使用，关于材料的结晶取向的术语"主要"意味且包含W相对大于任 何其它结晶取向的量展现特定结晶取向的材料。通过非限制性实例的方式，"主要（111)结 晶取向"意味材料W大于任何其它结晶取向的量展现(111)结晶取向。
[0021] 如在本文中所使用，术语"娃酸给"意味且包含包括给、娃及氧原子的材料。为方便 起见，材料的组成可缩写为"HfSiOx"，其并不指示给、娃及氧原子的化学计量。
[0022] 如在本文中所使用，术语"侣酸给"意味且包含包括给、侣及氧原子的材料。为方便 起见，材料的组成可缩写为"HfAlOx"，其并不指示给、侣及氧原子的化学计量。
[0023] 如在本文中所使用，术语"错酸给"意味且包含包括给、错及氧原子的材料。为方便 起见，材料的组成可缩写为"HfZrOx"，其并不指示给、错及氧原子的化学计量。
[0024] 如在本文中所使用，术语"渗杂锁的氧化给"意味且包含包括给、锁及氧原子的材 料。为方便起见，材料的组成可缩写为"HfSrOx"，其并不指示给、锁及氧原子的化学计量。
[0025] 如在本文中所使用，术语"渗杂儀的氧化给"意味且包含包括给、儀及氧原子的材 料。为方便起见，材料的组成可缩写为"HfMgOx"，其并不指示给、儀及氧原子的化学计量。
[0026] 如在本文中所使用，术语"渗杂礼的氧化给"意味且包含包括给、礼及氧原子的材 料。为方便起见，材料的组成可缩写为"HfGdOx"，其并不指示给、礼及氧原子的化学计量。
[0027] 如在本文中所使用，术语"渗杂锭的氧化给"意味且包含包括给、锭及氧原子的材 料。为方便起见，材料的组成可缩写为"HfYOx"，其并不指示给、锭及氧原子的化学计量。 [00%]图1说明半导体装置结构100,其具有衬底102、衬底102之上的电极104、电极104之 上的阳材料106、阳材料106之上的另一电极108及另一电极108之上的金属娃化物材料110。 电极104可由具有所要主要结晶取向（例如主要（111)结晶取向）的结晶材料(例如氮化铁） 形成。因此，如果电极材料是氮化铁，则电极材料可包含比氮化铁的其它结晶取向（即， (001)、（002)、（100)、（110)、（200)、（311)、（331)、（420)、（422)或（511)结晶取向）更大量的 氮化铁的（111)结晶取向。虽然本文中的实例描述电极104由TiN形成，但只要电极104的材 料具有经配置W产生FE材料106的所要结晶取向的所要结晶取向，就可使用其它材料。
[0029] 半导体装置结构100可被配置为FERAM的存储器单元。存储器单元可(例如)排列成 1个晶体管/1个电容器（1T/1C)配置。然而，也可使用存储器单元的其它配置。可通过常规制 造技术(其未在本文中详细描述)执行形成包含图1的半导体装置结构100的完整FERAM的额 外动作。
[0030] FE材料106可为包含渗杂物的金属氧化物材料，例如给基材料。给基材料经结晶W 形成FE材料106。为简明及方便起见，术语"给基材料"在本文中用于指代在材料结晶之前的 材料，且术语"阳材料"用于指代在材料结晶之后的材料。FE材料106可为其中并入有渗杂物 的氧化给。渗杂物可