[发明专利]高介电常数的金属氧化物薄膜

说明书

                     发明领域

本发明通常涉及集成电路中具有最佳化学计量式的金属氧化物材料，它们具有实质上不依赖电压和温度的高的介电常数、电容和其它电性能。

                      背景技术

众所周知，需要一种高介电常数的材料，从而适合用作集成电路和相关领域中的电荷存储介质，例如微波整体集成电路(MMIC)中的旁路电容器。在集成电路中用于存储电荷的最常用的电介质是二氧化硅，它的介电常数为约4。用于存储电荷的其它普通电介质，如Si₃N₄、Al₂O₃和Ta₂O₅，也具有4-20的低介电常数。使用这种材料的存储电容器必需大的面积，以便提供现有技术的集成电路中所需的电容值。这样大的面积很难在集成电路或MMIC中获得高的电容元件密度。然而，使用在集成电路中提供这种介电常数的其它材料已受到以下事实的阻碍：具有高介电常数的常用材料经常具有不理想的性能。例如，已知例如钛酸铅锆(PZT)的铁电材料具有高的介电常数，因此已提议作为高介电常数存储器的候选。然而，本领域技术人员都知道，由于铁电材料在强制电压下产生大的转换电荷，该转换电荷将掩盖DRAM用作存储器存储介质的常规线性电荷，因此不应将这些铁电材料用于高介电常数DRAM。参见O.Auciello，J.F.Scott和R. Ramesh，＂The Physics of Ferroelectric Memories＂，PhysicsToday，第51卷第7期，1998年7月，第22-27页，特别是第24页的“方框1”。并且，PZT和其它高电介材料显示出介电常数对温度和外加电压的显著、非线性依赖性。如果将其用作电容器电介质或旁路电容器，该材料使得电容值随温度和电压而变化。由于集成电路的有效操作要求电性能具有特定值，丙炔集成电路应该能够在整个温度和电压范围内操作，因此电性能随温度和电压变化的材料在集成电路和MMIC中是不理想的。PZT和其它高介电的材料经常具有不依比例决定的电性能；即，当该材料变薄时这些性能发生显著变化。这种依比例决定的缺陷会对难以满足的加工提出苛刻的要求，并且随着它们加工得越密集需要大规模设计电路。因此，特别需要有一种高介电常数的材料，其电性能依比例决定并且实质上不依赖温度和电压。

通常可用于集成电路的高介电常数电容器也是有用的，例如可用于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、铁电场效应晶体管(铁电FET)和其它晶体管中的栅电介膜；作为缓冲层，用于防止某些材料之间不想要的相互作用；作为扩散阻挡层，用于防止元素从一层扩散到另一层；以及作为中间层电介质。在每一种这些应用中，材料具有不随温度和电压而变化的电子值是有用的。此外，每一种这些应用都具有其它电要求。如果高电介质在MOSFET、铁电FET和其它晶体管中的栅绝缘体膜中有效，由于在该应用中它必需满足多重，经常是相矛盾的要求，因此特别难以预料。相对温度、电压和厚度变化，除了具有平的电容之外，它们必需具有低的漏电流和高的击穿电压，作为栅电压的功能时它们不一定改变晶体管的阈电压，并且它们相对电荷注入时必需是一有效的阻挡层。缓冲层必需于它们缓冲的材料和围绕集成电路的材料都相容。扩散阻挡层必需有效地防止特定元素在高温时移动，并且本身不一定包括可以移动的元素。中间层电介质必需具有低的漏电流并具有高的击穿电压。当集成电路变小时，由于材料厚度降低并且不同材料之间的距离收缩，因此所有上面的要求将变得越来越苛刻。介电常数大于20且不具有有问题的性能的材料的缺乏，被认为是高密度集成电路存储器的严重障碍之一。

最近，可商购获得铁电存储器，特别是铁电随机存取存储器(FERAM)。尽管实际FERAM还没有达到DRAM的密度，但是在该领域的快速发展暗示着这些存储器不久就可以与DRAM竞争。由于这些存储器如DRAM，最适合用于温度和电压可以发生很大变化的环境中，因此电性能依比例决定并且实质上不依赖温度和电压的铁电材料是非常有用的。

                     发明概述