TWI228821B - Method of producing semiconductor device - Google Patents

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1228821 玖、發明說明： 這個申請案是根據並主張2002年11月12日成案之日本 專利申請第2002-328382號的優先權，其内容在此處被併人 參考貨料中。 【發明所屬^^技領域】 發明領域 本發明是關於半導體元件，特別是關於製造具有包括 鐵電薄膜的電容器結構之半導體元件的方法。 L先前】 10 發明背景 有不同的已知的半導體元件，諸如半導體記憶體。在 這些記憶體元件之中，那些甚至當電源關閉時仍可保存資 料者是所謂的非揮發性記憶體。在非揮發性記憶體之中貝 15 使用鐵電材料作為-用於保存電荷的電容器材料被稱 電記憶體（鐵f隨機存取記憶體(FRAM，註冊商標 該FRAM·由鐵電薄膜所擁有的兩個殘餘之不同極 性的性質’甚至當電源關閉時仍可保存資料。可能的重寫 次數，其是非揮發性性質的指標，最大是ΐχΐ〇1()至/·、、 10次。重寫速度是在數十奈秒的數量級，非常高的速戶。 在該FRAM中，該被使用於形成電容的鐵電材料能又在 兩個方向之一被極化。藉由區別極化方向的，它能夠對庫 極化的相反方向而儲存資料，，和資㈣"。當在電容器中的 介^材料不是-個鐵電材料，但是—個㈣ieleetHc材料 的時候’只有當電極之間有-電位差時，極化才會被保持。 20 1228821 因此，在此情況中，會發生揮發性的操作。在該FRAM中 之該鐵電材料的極化方向可以藉由施加一足夠大到可以轉 換該電容之極化的電位而被偵測出來。 在該FRAM中使用的鐵電材料包括鉛基鐵電材料和鉍 5基鐵電材料。代表性的鉛基鐵電材料是PZT(鉛鍅 <鈦^氧 3)、PLZT(錯J㈠锆χ鈦1χ氧3)及其他。代表性的鉍基 鐵電材料是 SBT(SrBi2Ta209)。 關於被用於FRAM中之該鐵電材料，日本未審查專利 公報(Kokai)第13-102543號使用單晶鐵電薄膜作為鐵電材 10料，以形成FRAM中之該電容。不過，此公報沒有如本發 明使用生長在單晶基材上的單晶鐵電薄膜產生半導體元件 的方法。 曰本未審查專利公報(K〇kai)第11-103024號使用該結 構的半導體元件，其中鐵電薄膜（列向的多晶薄膜），具有 15排列成一層的多數結晶顆粒，被形成在下面的電極上，其 中組成與該薄膜接觸的表面的晶體被排列在（111)面上。 再者，佛司特等，應用物理期刊（Journal of Applied Physics^ 81 卷第 2324 頁，1997 年，報導一種在(〇〇1) SrTi〇3上形成做為下面的電極之(〇〇1) SrRu〇;，而獲得具有 2〇大殘留電荷(2Pr)之薄ρζτ薄膜，然後藉由金屬氧化物化學 蒸汽沈積方法形成一薄PZT(OOl)薄膜。 使用鐵電材料形成如上述的電容之大型積體電路系統 必須有非常高的可靠性，因為它被使用於處理金錢資料與 個人資料的設備中，諸如1C卡、智慧卡等。為了要獲得數 !228821 十年的使料命，該鐵電材料的極化電荷要盡可能的大。 _ 不過，以傳統的機錢方法製造的鐵電電容器，其極化電荷 幾乎疋2〇至25微庫侖/平方公分，而且它後難獲得，維持高 產率’滿足實用的產品所需要的極化電荷的量，職庫命/ 平方A刀b甚至很難獲得—具有不小於％微庫侖/平方》 分的極化電荷量，用於改善產品的可靠度所必須的。 【明内穷2 發明概要 本發明的-個目的是提供一種可以製造併入包括具有 φ 1〇大量極化電荷的鐵電材料的電容結構中之高可靠度的半導 體元件的方法。 依據生產本發明之半導體元件的方法，使用具有（ΐΐι) 面的單晶薄膜材料或平行於(111)面之列向的多晶薄膜材料 作為鐵電結晶材料，而且電極被形成在其兩個表面上，以 產生包含具有大於多晶的薄膜的極化量之殘餘極化量的電 谷之半導體元件。 明確地，本發明是關於一種製造併入包含一鐵電薄膜 φ 之電容結構的半導體元件的方法，其特徵是： 在具有適合用於在其上生長一有（111)面的鐵電單晶薄 20獏層的表面之單晶基材上，形成一包含鉛，且具有平行於 - 該基材之該表面的（111)面之鐵電單晶薄膜，或—包含鉛且 在平行於該基材之該表面，與（11丨）面平行列向的鐵電多晶 溥膜，以及部分的半導體元件的電路，藉此製造—個具有 包含怒之該鐵電薄膜的單晶基材，以及該半導體元件的部 7 1228821 分電路之單晶基材，同時接合該單晶基材與其它在其上已 經事先形成之該半導體元件的其他電路的基材，以將該二 電路耦合在一起，藉此獲得一併入包含一鐵電薄膜之電容 結構的半導體元件。 5 依據本發明的一個實施例，有一製造併入包含一鐵電 薄膜之電谷結構的半導體元件的方法被提供，其包含： (1) 在一早晶基材上形成包括叙且具有平行於該基材 之該表面的（111)面之鐵電單晶薄膜層，圖紋化該薄膜層藉 此在該單晶基材上形成預定形狀之獨立的鐵電薄膜，形成 10位於該鐵電薄膜上之預定形狀的電容的一電極，並且在該 單晶基材上形成半導體元件的部分電路，藉此製造在其上 具有包含鉛之該鐵電薄膜、該一電極與該半導體元件之部 分電路的單晶基材； (2) 製造具有该形成的半導體元件之另外的電路之半導 15 體基材； (3) 接合該單晶基材與該半導體基材，以將該二基材之 該些電路耦合在一起；和 (4) 移除該單晶基材，以暴露該鐵電薄膜，並且在被暴 露之該鐵電薄膜上形成該電容的另一個電極。 20 依據本發明的一個實施例，有一製造併入包含一鐵電 薄膜之電容結構的半導體元件的方法被提供，其包含： (1)在具有通孔的單晶基材上形成一導電薄膜層，在該 導電薄膜層上形成包含鉛且具有平行於該基材之該表面的 (111)面的鐵電單晶薄膜層，或一包含錯且平行於該基材之 1228821 該表面之的（111)面平行列向的鐵電多晶薄膜，圖紋化該導 電薄膜層和該鐵電薄膜層，藉此形成預定形狀之獨立的鐵 電薄膜’以及一預定形狀之電容的電極，在該鐵電薄膜上 形成該電容之另一個電極，並且形成半導體元件的部分電 5路’以便通過在該單晶基材中之該些孔，藉此製造包含由 該鐵電薄膜與一對將該鐵電薄膜保持其間之電極與該半導 體元件的該部分電路組成之電容結構的單晶基材； (2)製造具有形成的該半導體元件之該另外的電路之半 導體基材；和 10 (3)接合該單晶基材與該半導體基材，以將該二基材的 該些電路耦合在一起。 在本發明中，該電容之介電薄膜是由包含鉛(pb)的鐵電 材料形成。可以被使用作為包含鉛之鐵電材料的有ρζτ(鉛 錯X鈦14氧3)、？1^丁(錯J 4錘\鈦以氧3)、PLCSZT ((錯， 15鑭，約，銷)(錯，鈦）氧3) ’或在其中添加#σ而衍生出來的物 當該單晶基材用於在其上形成該鐵電薄膜時，其可以 使用一具有（U1)面，且該鐵電薄膜形成其上之單晶基材， 或與該（111)面有一補償角度（offset angle)的單晶基材。 2〇大體上，具有補償角度之該單晶基材的使用會增加該成長 的晶體之平坦性。氧化鎂或鈦酸銘（SrTi〇3)單晶基材可 以成為一典型具有（111)面之該單晶基材的示例。 或者，像在其上形成該鐵電薄膜的單晶基材，可以使 用一具有（0001)面（C-面）的α氧化鋁單晶基材，該鐵電薄膜 1228821 可以形成其上，或者使用與該(麵υ面有1償角度之4 化銘單晶基材。也可以使用具有轉）面之鎂銘2氧4 (magnesia spind)單晶基材，該鐵電薄膜將在其上形4成。 當該上述的基材（氧化鎮、鈦酸錄、α氧化 5氧4單晶錄)將被祕形成觸電薄_，可以在形成』 鐵電多晶薄膜層之前，在基材上形成一導電薄膜，其作為 該電容的-電極。該導電薄膜可以由舶、鐵、欽、釘或其 氧化物形成，其(111)面可以被使用作為該鐵電薄膜產生其 上的表面。 10 3 —方面’像在其上形成該鐵電薄膜的單晶基材，可 以使用-具有（111)面的單晶石夕基材，該鐵電薄膜可以形成 其上，或者具有與其相同的面，意即（111)面，或者與該⑴U 面有-補償角度之單晶石夕基材。它可以使用該鐵電薄膜將 形成其上，具有（100)面之單晶石夕基材，或者是與該（1〇〇)面 15 有一補償角度單晶矽基材。 當此-單晶石夕基材被使用時，該鐵電薄膜可以蠢晶地 直接生長在該基材的鐵電薄膜表面上，或者通過形成其上 的緩衝層。該緩衝層的使用在該鐵電薄膜形成期間會有效 的避免石夕化物的形成。該緩衝層可能是氧化鎮、YSZ (紀 20穩定的氧化結(Zr02))、氧化馳（MgAl2〇小氧化舞、欽 酸錄、氧化铯或類似物形成的，該（111)面或(_)面可以 被使用於該鐵電薄膜的形成。 當該單晶石夕基材被使用時而且該鐵電薄膜直接生長在 該基材的鐵電薄膜表面上，或者通過形成其上的緩衝層 1228821 時，在該鐵電多晶薄膜層形成之前’ 一電容器可以被形成 在該基材上《緩衝層上。該導電薄膜可能是#、鐵、欽、 釕或其氧化物形成，其（1⑴面外以被使用作為該鐵電薄膜 產生其上的表面。這些金元素的合金可以被使用。再者， 5上面該些金屬或其合金<以多廣的堆疊在一起。或者’該 導電薄膜可能是由氧化锶釕、釔鋇銅氧(YBCO)或鑭锶鈷氧 (LSCO)形成，而且其（hi)面f以被使用作為5玄鐵電薄膜產 生其上的表面。 圖式簡單說明 10 第1A至1E圖說明製造實施例1之半導體元件的方法的 前半部份的步驟； 第2A至2C圖說明製造實施例1之半導體元件的方法的 前半部份的步驟； 第3A至3F圖說明一具有在實施例2之半導體元件製造 15中使用的電容器之單晶基材的製造； 第4圖說明利用將具有實施例2形成的電容器之單晶基 材翻轉，並且將其與具有半導體電路形成之矽基材接合而 製成的半導體元件； 第5圖說明沒有將具有實施例2形成的電容器之單晶基 2〇材翻轉，但將其與具有半導體電路形成之矽基材接合而製 成的半導體元件；和 第6A至6F圖說明具有一電容器而將被用於實施例3形 成之半導體元件的單晶基材的製造。 【】 1228821 較佳實施例之詳細說明 、，在本毛曰月中，在一單晶基材上有一具有與該基材表面 平行之(111)面且含有錯的鐵電單晶薄膜層形成。佛司特 等，應用物理期刊（1〇1111^1(^八卯14(11>11%丨(^第81卷第 5 2324頁’ 1997年’報導_種在⑽1)SrTiQ3上形成做為下 面的電極之(001) SrRu〇3,然後藉由有機金屬化學蒸汽沈積 (MOCVD)方法形成一具有_)面的ρζτ_)薄膜該 薄膜具有大如110微庫侖/平方公分之殘留極化電荷量 (2Pr)。這顯不如果在該（lu)面上計算時，殘留極化電荷量 忉變成63微庫命/平方公分，其比上面說明之實際的產品所 需要的30微庫侖/平方公分的兩倍還大。 舉例來說，當PZT材料被使用鐵電材料時，當晶型式 立方晶體時，極化的軸存在於(〇〇1)-方向，當該鐵電薄膜單 曰曰的（111)面是形成在該電極上時，垂直於該電極表面之該 15軸<m>與該基化軸<001〉具有一 35.3。的角度。該多晶鐵 電薄膜具有30至1〇〇奈米之晶相結構，而且因為該極化軸 的方位的波動，與該單晶薄膜的極化電荷相比，其只有少 量的極化電荷。 因此’在該單晶結構上形成一具有平行該基材表面之 20 (111)面的鐵電單晶薄膜層，蝕刻該薄膜層以藉此在該單晶 基材上形成預定形狀之獨立的鐵電薄膜，在該薄膜的兩面 上形成電極，並且接合該單晶基材與已經有半導體電路形 成之另一個基材，以將該二電路耦合在一起，其能夠產生 一併入其包含不小於傳統的列向性的多晶薄膜之極化電 12 1228821 荷，30微庫侖/平方公分，的兩倍大之極化電荷量的電容器 之高可靠度的半導體元件。 依據本發明產生的半導體裝置，該被使用於電容器之 鐵電薄膜的每單位面積具有大量的極化電荷，因此，如果 5電谷面積減少時，其可以確保所需要的極化電荷量。這使 其能夠依據尺寸規格進行微製造，因而在降低成本同時維 持高功能性下，產生具有高度整合性的半導體元件。 實施例 現在將藉由實施例的方式進一步說明本發明，不過本 10發明不限制是該些實施例。 實施例1 如第1A圖所示，單晶PZT層12是磊晶地生長在單晶 基材10上，該單晶PZT層12具有（111)面11。舉例來說， 具有（111)面的氧化鎂（111)面的鈦酸锶或(0001)面的^:-氧 15 化銘之基材可以被使用作為該單晶基材10。 该單晶PZT(lll)可以藉由有機金屬化學蒸汽沈積 (MOCVD)方法、分子束壘晶(MBE)方法或脈衝雷射沈積 (PLD)方法而磊晶地生長。此外，該些薄膜形成方法不是限 制。也不是限制於PZT(鉛锆 X 欽 l-x 氧3)，可以被使用的鐵 20 電材料，諸如PLZT(鉛y鑭Ι-y锆X鈦1-X氧3)、PLCSZT ((鉛，鑭，鈣，锶)(銼，鈦）氧3)，以及其中添加铷而衍生出 來的物質。 舉例來說，藉由有機金屬化學蒸汽沈積方法形成之 PZT薄膜，可以在55〇至600□的基材溫度與130至670帕 13 1228821 (Pa)(l 至 5 托耳），藉由使 Pb(THD)2、Zr(THD)4 和 Ti(i-PrO)2(THD)2作為起始材料來進行。在這些起始化合 物的配方中，THD代表三甲基己烧二酮化物 (tdmethylhexane dionate)，同時 i_Pr〇 代表異丙氧基。 5 具有平的PZT面之薄膜層12s被形成在該基材1〇的整 個表面上，然後被蝕刻留下將被做成薄膜電容之區域中的 薄膜12’（第1B圖）。在該ρζτ薄膜12,上，也又是被留下 來的部分，利用鉑或鐵材料形成一下面的電極14 (當其在 下一步驟中與另一基材接合時，它將被翻轉）。在該基材ι〇 10上’形成一鎢柱塞（第1C圖），其是半導體元件的電路的 -部份’而且是與稍後將和該基材接合在—起之另一基材 (半導體基材)連接之内接。 然後’-諸如TEQS缘材㈣獅成在該基材1〇 上而且其表面是利用諸如化學機械研磨的平坦化方法進 仃平坦化’以形成_絕緣薄膜18(第m圖）。其後，薄嫣膜 2〇被形成在該下電極14上以及該餘塞16上，而且該 〇s再-人被形成，然後被平坦化，藉此形成一中間層絕 緣薄膜22(第1E圖）。 如第2A圖所不，其上有用於電容器之鐵電PZT薄膜 ^形成之祕材1Q軸轉，以面向其上已_先形成作為 η亥半導體兀件之電路的一部份的電晶體23之半導體基材 24 °其後’如第2Β圖所#，該基材1()被仔細地黏附在該 基材24，以便該基材1〇之該薄嫣膜…皮連接至該基材U 的為電晶體之该内接電極26，然後進行熱處理以將該二基 1228821 材接合在一起，並且機械地及電氣地將他們耦合在一起。 藉由熱處理將二件晶圓型式的基材接合在一起的技 術，舉例來說，已經被揭示於日本為審查專利公報 第 2-303114 和第 li_i〇3〇24 號。 5 然後，形成被使用於電容之鐵電PZT薄膜12，之該基材 10被去除。當该基材10是一氧化鎂基材時，該基材1〇是 使用鹽酸而藉由化學溶解被去除，在鈦酸鳃基材的情況 中匕疋使用石肖酸、氲氟酸和鹽酸的混合酸做化學溶解。 一藍寶石（α-氧化鋁）基材只可以溶解在熔融的氫氧化鉀， 10因此其是使用碳化矽研磨劑做機械式地去除，或者使用膠 狀的一氧化碎進行機械地與化學地去除。 农後，如第2Β圖所示，有一電容的上電極28被形成， 一薄鎢膜30被連接在那裡，以與上面說明的相同方式使另 一鎢柱塞32連接至該鎢柱塞16與中間層絕緣薄膜％，藉 15此提供一具有由該下電極14、鐵電ΡΖΤ薄膜12,和上電極 28組成之鐵電電容器36之半導體元件。 舉例來說，该上電極28可以使用鐵或二氧化鐵形成。 實施例2 此實施例說明藉由在具有通孔形成的藍寶石（α _氧化 20鋁）基材的（0001)面上併入一鐵電電容的半導體元件的產 生。 如第3Α圖所示，在具有（〇〇〇1)面51作為上表面之藍 寶石（α -氧化鋁）基材50中打洞形成通孔52a、52b。通孔 52a疋用於形成將與泫電容器的一電極連接的柱塞，而且通 15 1228821 孔52b疋驗㊉成作為將與姉後將減合之 訓反版内接的柱塞。這些通孔可導體元件 使用反應性氣體藉由乾㈣方法，或使錢離子藉由離^ 研磨方法，或使用融的氫氧化鉀以化學ϋ刻 該藍寶石基材50。 而打洞於 圖所示，薄媒54是形成在基材50的_ 51上，具有㈣面Μ之該薄膜54是平行於該面面 棋54將形成鐵電電容器的—個電極，而且可 違薄 成。在該薄膜54上進一步形成一具有平行於基材^鐵形 10 (0001)面51的（111)面57的ρζτ薄膜56。生長在1 上或鐵(111)面上之該Ρζτ薄膜具有與触麵之日 數不相符的晶格常數，因此不會形成一完全的單晶 形成-有明顯列向的多晶薄膜（與該（111)面平行列向的^ 晶薄膜）。如果使用氧化銷釕薄膜替代始或鐵薄膜，可以二 15得一單晶的ΡΖΤ薄膜。然後，如第3C圖所示，薄膜56 = 54(第3B圖）被移除，但是留下一個將形成電容器之鐵電薄 膜58的部分與形成電極6〇的部分。 / 如第3D圖所示，通孔5“和52b(第3C圖）被充填鎢， 且一由該通孔52a中的鎢延展的鎢柱塞62a被形成以連接 20該電極60。柱狀的鎢材料是由通孔52b中之鎢的頂端延 伸，以形成將形成一連接後續被接合之該半導體基材的内 接之柱塞62b。 一諸如TEOS的絕緣材料層被形成在該基材5()上，而 且其表面被平坦化以形成一絕緣薄膜64(第3E圖）。然後， 1228821 如第3F圖所示，另一鉑或鐵薄膜的電極66被形成在該鐵 電薄膜58上，該電極66具有平行於基材5〇的表面之（111) 面。薄鎢膜68a和68b分別被形成在電極66上以及該鎢柱 塞62b上。一 TE〇s絕緣層再一次被形成，然後被平坦化 5 以形成一中間層絕緣膜70(第3F圖）。 在此貫施例中，該基材50具有形成的電容，由鐵電薄 膜5 8與將其夾在中間的兩個電極和％組成之該電容可 以被翻轉，並且可以被接合至另一已經預先形成電晶體的 基材。當該基材50被翻轉時，如第4圖所示，該電容之該 1〇電極66形成該下面的電極，並且通過該薄鎢膜68a而被連 接至形成在另一基材（半導體基材）中之該電晶體76的一内 接電極78a，同時該鎢柱塞62b通過該薄鎢膜68b而被連接 至另一内接電極78b。當該基材50沒有如第5圖所示被翻 轉時，該電容的該電極60形成該下面的電極，且通過該鎢 15柱塞62&而被連接至該另一基材74的該電晶體76之電極 78a，同時該鎢柱塞62b被連接至該另一個内接電極7此。 實施例3 此實施例說明並如藉由在具有通孔形成的矽基材之 (111)面上形成一 PZT薄膜而併入一鐵電電容的半導體元 20 件的產生。 如第6A圖所示，在具有⑴！）面作為上表面的石夕基材 90中打洞形成通孔92a和92b。通孔92a是用於形成將與 該電容器的-電極連接的柱塞，而且通孔92b是用於形成 作為將與該稍後將被接合之半導體基材連接之内接的柱 17 1228821 基這些通孔可It由機械加工，或使用反應性氣體藉由乾 钱刻方法’或使用氬離子藉由離子研磨方法，或使用溶融 的氫氧化卸以化學触刻，而打洞於該矽基材9〇。 如第6B圖所示，一薄氧化鎂鋁膜94被形成在該基材 5 9〇的（111)面91上，該薄膜94具有平行於面91之（in)面 95。該薄膜94作為一用於在其上形成一具有平行該基材9〇 之（111)面91的（111)面之PZT薄膜的緩衝層，而且具有在 該ΡΖΤ薄膜形成期間避免矽化物形成的功能。然後，將作 為該鐵電電容之一電極的薄膜96是在該薄膜94上由鉑或 10鐵形成。該薄膜96也具有平行於該基材90之（in)面91的 (111)面97。在該薄膜96上進一步形成一具有平行於該基 材90之（111)面91的（111)面99的ΡΖΤ薄膜98。 然後’如第6C圖所示，薄膜98和96被移除，但留下 形成该電容之該鐵電薄膜1〇〇的部分與形成電極1〇2的部 15 分。 隨後，如第6D圖所示，通孔92a和92b (第6C圖）被 充填鎢，且一由該通孔92a中的鎢延展的鎢柱塞104a被形 成以連接該電極102。柱狀的鶴材料是由通孔92b中之嫣的 頂端延伸’以形成將形成一連接後續被接合之該半導體基 20 材的内接之柱塞104b。 一诸如TEOS的絕緣材料層被形成在該基材90上，而 且其表面被平坦化以形成一絕緣薄膜1〇6(第6E圖）。然後， 如第6F圖所示，另一鉑或鐵薄膜的電極ι〇8被形成在該鐵 電薄膜100上，該電極108具有平行於基材90的表面之（ill) 18 1228821 面。薄鎢膜ll〇a和ll〇b分別被形成在電極1〇8上以及該 鎢柱塞104b上。一 TEOS絕緣層再一次被形成，然後被平 坦化以形成一中間層絕緣膜112(第6F圖）。 在此實施例中，如實施例中說明的，也形成具有該電 5容的基材90，由鐵電薄膜100與將其夾在中間的兩個電極 102和108組成之該電容可以被翻轉，並且被接合至另一已 經預先形成電晶體的基材’或者可以沒有被翻轉而被接合。 實施例4 此實施例說明並如藉由在具有通孔形成的石夕基材之 10 (001)面上形成一 PZT薄膜而併入一鐵電電容的半導體元 件的產生，該PZT薄膜具有平行於該(〇〇1)面的（m)面。 在如實施例3中說明之相同的方法中，在具有（〇〇1)面 作為上表面之該石夕基材被穿孔，一通孔用於形成將連接至 該電容的一個電極之柱塞，以及一用於形成作為與稍後將 15 被接合之半導體基材連接的一内接的通孔。 大體上，一薄的氧化物膜（天然的氧化物）存在於矽 基材的表面上。此處，一薄的氧化鎂鋁膜被形成在該矽基 材之(001)面上，該氧化物薄膜殘留該基材上。形成在有一 氧化物薄膜存在的石夕(001)面上之該薄氧化鎂鋁膜是擁有 20 (111)面的薄膜，其形成用於在其上形成一具有平行如實施 例3中說明之該石夕基材的表面（薄膜形成的表面）的（111) 面之PZT薄膜的緩衝層，而且可以在該ρζτ薄膜形成期間 避免矽化物形成。 接著，依據稍早貫施例3中說明的程序在該石夕基材上 19 1228821 形成-電容器。該基材被接合料電晶體已經預 之另一基材，藉此藉此產生1人該鐵電ρζτ電= 體元件。 導 工業的適用性 5 擔明的半導體聽使用〜具有與對極化軸有35 ν 之角度的<m>軸垂直的（111)面之表面，作為用於:。 鐵電薄膜。料晶鐵電薄膜料計算是63微料/平方'的 分的極化電荷量，其不小於傳統的列像多晶薄膜的極_ 荷量的兩倍。由於其大的殘留極化量，藉由併人彻 鲁 10明而獲得之料導體元件，諸如_發性記鐘，的大^ 積體電路系統，其呈現非常高的可靠度。 此外，由本發明而獲得之該半導體元件每-個單位面 積有大量的極化電荷。使其甚至當電容面積減少時，可以 確保所需要的極化電荷量。這使其能夠依據尺寸規格進行 15微製造，因而在降低成本同時維持高功能性下，產生具有 高度整合性的半導體元件。 【圖式簡單說明】 · 第1A至1E圖說明製造實施例丨之半導體元件的方法的 前半部份的步驟； 20 第2A至2C圖說明製造實施例1之半導體元件的方法的 前半部份的步驟； 第3A至3F圖說明一具有在實施例2之半導體元件製造 中使用的電容器之單晶基材的製造； 第4圖說明利用將具有實施例2形成的電容器之單晶基 20 1228821 材翻轉’並且將其與具有半導體電路形成之石夕基材接合而 製成的半導體元件； 第5圖說明沒有將具有實施例2形成的電容器之單晶基 材翻轉，但將其與具有半導體電路形成之矽基材接合而製 5 成的半導體元件，和 第6A至6F圖說明具有一電容器而將被用於實施例3形 成之半導體元件的早晶基材的製造。 【圖式之主要元件代表符號表】 10…單晶基材 12’···ΡΖΤ 薄膜 14…下面的電極 16…鎢柱塞 18…絕緣薄膜 20…薄鎢膜 22…中間層絕緣薄膜 23…電晶體 24…半導體基材 26…内接電極 28…上電極 30…薄鎢膜 32…鎢柱塞 34…絕緣薄膜 36…鐵電電容器 50…藍寶石基材 5 卜.(0001)面 52a…通孔 52b…通孔 54…薄膜 56…PZT薄膜 58…鐵電薄膜 60…電極 62a…嫣柱塞 62b…鎮柱塞 64…絕緣薄膜 66…電極 68a···薄鹤膜 68b···薄鶴膜 70…中間層絕緣膜 74…基材 76…電晶體 78a"·電極 78b…電極 90…矽基材 9 卜.(111)面 92a…通孔 92b···通孔 94…氧化鎮銘膜 95···(111)面 96…薄膜 97…(111)面 98···ΡΖΤ 薄膜 100···鐵電薄膜 102 · · ·電極 104a…鶴柱塞 104b…鶴柱塞 106…絕緣薄膜 108…電極 110a…薄鎢膜 110b…薄I烏膜 112···中間層絕緣膜

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Claims (1)

1228821 拾、申請專利範圍： 1· 一種製造併入包括一鐵電薄膜之電容器結構的半導體元 件之方法，包含： 在具有適合用於在其上生長一有（1U)面的鐵電單晶薄 5膜層的表面之單晶基材上，形成一包含鉛且具有平行於該 基材表面的（111)面之鐵電單晶薄膜，或形成一包含鉛且與 垓平行於基材表面之（111)面平行列向的鐵電多晶薄膜，以 及形成部分的半導體元件的電路，藉此製造一具有包含鉛 之鐵電薄膜與該半導體元件之部分電路的單晶基材；和 10 接合該單晶基材與在其上已經事先形成該半導體元件 的其他電路之另一基材，以將該二電路耦合在一起，藉此 獲得一併入包括一鐵電薄膜之電容器結構的半導體元件。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其更包含： (1) 在一單晶基材上形成包括鉛並且具有平行於該基材 15表面的（111)面之鐵電單晶薄膜層，圖紋化該薄膜層，藉此 在該單晶基材上形成預定形狀之獨立的鐵電薄膜，形成位 於該鐵電薄膜上之預定形狀的電容的一電極，並且在該單 晶基材上形成半導體元件的部分電路，藉此製造在其上具 有包含鉛之該鐵電薄膜、該一電極與該半導體元件之部分 20 電路的單晶基材； (2) 製造具有該形成的半導體元件之另外的電路之半導 體基材； (3) 接合該單晶基材與該半導體基材，以將該二基材之 亥些電路耗合在一起；和 22 1228821 (4)移除該單晶基材，以暴露該鐵電薄膜，並且在被暴 路之5亥鐵電薄臈上形成該電容H的另-個電極。 3·如申請專利範圍第1項之方法，其更包含： (1)在一具有通孔的單晶基材上形成一導電薄膜層，在 5 β VI：薄膜層上形成—包含錯^具有平行於該基材表面的 (111)面的鐵電單晶薄膜層，或形成一包含鉛且與該平行於 孩基材表面之（Ui)面平行列向的鐵電多晶薄膜，圖紋化該 導電薄膜層和該鐵電薄膜層，藉此形成預定形狀之獨立的 鐵電薄膜，以及一預定形狀之電容器的電極，在該鐵電薄 10膜上形成該電容器之另一個電極，並且形成半導體元件的 部分電路，以便通過在該單晶基材中之該些孔，藉此製造 包έ有電谷器結構的單晶基材，該電容器結構係由該鐵 電薄膜與一對將該鐵電薄膜保持其間之電極及該半導體元 件的部分電路所組成； 15 (2)製造具有形成的該半導體元件之該另外的電路之半 導體基材；和 (3)接合該單晶基材與該半導體基材，以將該二基材的 該些電路麵合在一起。 4.如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中該鐵 20 電材料是 PZTXPbZrJ^OJ，PLZT (PbyLabZrJikC^， PLCSZT ((Pb，La，Ca，Sr)(Zr，Ti)〇3)，或為一藉由添加铷 而衍生出來的物質。 5·如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中一具 有該鐵電薄膜將被形成其上之(111)面的單晶基材，或與 23 1228821 該（111)面有一補償角的單晶基材被使用作為該單晶基 材。 6·如申請專利範圍第5項之方法，其中該單晶基材是Mg〇 或SrTi03單晶基材。 5 7·如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中具有 該鐵電薄膜可以形成其上之(0001)面的^；_八12〇3單晶基 材’或者具有與該(0001)面有一補償角度的^Al2〇3單 晶基材被使用作為該單晶基材。 8·如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中一具 10 有该鐵電薄膜將形成其上之(001)面的該MgAl204單晶 基材被使用作為該單晶基材。 9·如申凊專利範圍第1至3項中任一項之方法，進一步包 含在形成該鐵電多晶薄膜層之前，在該單晶基材上形成 一導電薄膜，該導電薄膜將形成該電容之一電極。 15 10·如申請專利範圍第9項之製造一半導體元件的方法， 其中該導電薄膜是由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物所形成。 11·如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中具有 其上將形成該鐵電薄膜之（111)面的單晶矽基材或與該 (111)面有一補償角的單晶矽基材被使用作為該單晶基 20 材。 12·如申請專利範園第1至3項中任一項之方法，其中具 有其上將形成該鐵電薄膜之（100)面的單晶矽基材或與 该（100)面有一補償角的單晶石夕基材被使用作為該單晶 基材。 24 1228821 13·如申請專利範圍第u項之方法，其中該鐵電薄膜是直 接磊晶地生長在該單晶基材的該鐵電薄膜生成表面上。 14·如申請專利範圍第12項之方法，其中該鐵電薄膜是直 接磊晶地生長在該單晶基材的該鐵電薄膜生成表面上。 5 15·如申請專利範圍第u項之方法，其中該鐵電薄膜是磊 晶地生長在形成於該單晶基材之該鐵電薄膜生成表面上 的一緩衝層之各處。 16·如申請專利範圍第12項之方法，其中該鐵電薄膜是磊 晶地生長在形成於該單晶基材之該鐵電薄膜生成表面上 10 的一緩衝層之各處。 17·如申請專利範圍第15項之方法，其中該緩衝層是由 MgO、釔穩定的氧化鍅、MgAl204、CaO、SrTi03 或 Ce02 形成，該鐵電薄膜是在該（111)面或該(〇〇〇丨）面上生長。 18·如申請專利範圍第16項之方法，其中該緩衝層是由 15 1^〇、釔穩定的氧化錯、]^八1204、€&0、81^03或〇6〇2 形成’該鐵電薄膜是在該（111)面或該（〇〇〇1)面上生長。 19·如申請專利範圍第π項之方法，其中一導電薄膜是在 生成該鐵電多晶薄膜層之前，被生成在該單晶基材上。 20·如申請專利範圍第14項之方法，其中一導電薄膜是在 20 生成該鐵電多晶薄膜層之前，被生成在該單晶基材上。 21·如申請專利範圍第19項之方法，其中該導電薄膜是由 Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成，而且該鐵電多晶薄膜 是生長在其（111)面上。 22·如申請專利範圍第20項之方法，其中該導電薄膜是由 1228821 Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成，而且該鐵電多晶薄膜 是生長在其（111)面上。 23. 如申請專利範圍第21項之方法，其中該導電薄膜是藉 由堆疊由Pt、Ir、Ti、Rii或其氧化物形成的多數層而生 5 成。 24. 如申請專利範圍第22項之方法，其中該導電薄膜是藉 由堆疊由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成的多數層而生

成。 25. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該導電薄膜是由 10 氧化锶釕（SrRu03)、釔鋇銅氧(YBCO)或鑭锶鈷氧(LSCO) 所形成，而且該鐵電薄膜是生長在其（111)面上。 26. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該導電薄膜是由 氧化锶釕（SrRu03)、釔鋇銅氧(YBCO)或鑭鋰鈷氧(LSCO) 所形成，而且該鐵電薄膜是生長在其（111)面上。 15 27.如申請專利範圍第15項之方法，其中一導電薄膜是在

形成該鐵電多晶薄膜層之前，被形成在該緩衝層上。 28. 如申請專利範圍第16項之方法，其中一導電薄膜是在 形成該鐵電多晶薄膜層之前，被形成在該緩衝層上。 29. 如申請專利範圍第17項之方法，其中一導電薄膜是在 20 形成該鐵電多晶薄膜層之前，被形成在該緩衝層上。 30. 如申請專利範圍第18項之方法，其中一導電薄膜是在 形成該鐵電多晶薄膜層之前，被形成在該緩衝層上。 31. 如申請專利範圍第27項之方法，其中該導電薄膜是由 Pt、It*、Ti、Ru或其氧化物形成，而且該鐵電多晶薄膜 26 1228821 是生長在其（111)面上。 32.如申請專利範圍第28項之方法，其中該導電薄膜是由 Pt、It*、Ti、Ru或其氧化物形成，而且該鐵電多晶薄膜 是生長在其（111)面上。 5 33.如申請專利範圍第29項之方法，其中該導電薄膜是由 Pt、If、Ti、Ru或其氧化物形成，而且該鐵電多晶薄膜 是生長在其（111)面上。

34. 如申請專利範圍第30項之方法，其中該導電薄膜是由 Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成，而且該鐵電多晶薄膜 10 是生長在其（111)面上。 35. 如申請專利範圍第31項之方法，其中該導電薄膜是藉 由堆疊由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成的多數層而生 成。 36. 如申請專利範圍第32項之方法，其中該導電薄膜是藉 15 由堆疊由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成的多數層而生

成。 37. 如申請專利範圍第33項之方法，其中該導電薄膜是藉 由堆疊由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成的多數層而生 成。 20 38.如申請專利範圍第34項之方法，其中該導電薄膜是藉 由堆疊由Pt、Ir、Ti、Ru或其氧化物形成的多數層而生 成。 39.如申請專利範圍第27項之方法，其中該導電薄膜是由 氧化認釕氧化錄釕（SrRu03)、紀鋇銅氧(YBCO)或鑭錄鈷 27 1228821 氧(LSCO)所形成，而且該鐵電薄膜是生長在其（m)面 上。 40·如申請專利範圍第28項之方法，其中該導電薄膜是由 氧化錯釕氧化鳃釕（SrRu〇3)、釔鋇銅氧(YBCO)或鑭锶鈷 5 氧(LSC0)所形成，而且該鐵電薄膜是生長在其（ill)面 上。 41. 如申請專利範圍第29項之方法，其中該導電薄膜是由 氧化锶釕氧化鳃釕（SrRu〇3)、釔鋇銅氧(YBCO)或鑭鋰鈷 氧(LSCO)所形成，而且該鐵電薄膜是生長在其（111)面 10 上。 42. 如申請專利範圍第30項之方法，其中該導電薄膜是由 氧化勰釕氧化鳃釕（SrRu03)、釔鋇銅氧(YBCO)或鑭锶鈷 氧(LSCO)所形成，而且該鐵電薄膜是生長在其（111)面 上。

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