[发明专利]制造镶嵌式自对准铁电随机存取存储器设备结构的方法

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2011年8月12日提交的美国临时专利申请序列No.61/522,953的优先权，该申请的全部公开内容通过引用明确地结合在本文中。本发明还与在以下申请中公开的主题相关：均在同一日期提交并受让给瑞创国际公司（Ramtron International Corporation）的名称为“Method for Fabricating a Damascene Self-Aligned Ferroelectric Random Access Memory(F-RAM)with Simultaneous Formation of Sidewall Ferroelectric Capacitors”的美国专利申请序列号[RAM 627]和名称为“Method for Fabricating a Damascene Self-Aligned Ferroelectric Random Access Memory(F-RAM)Having a Ferroelectric Capacitor Aligned with a Three Dimensional Transistor structure”的美国专利申请序列号[RAM 628]，这些申请的全部公开内容也通过引用明确地结合在本文中。

背景技术

本发明一般来说涉及集成电路（IC）存储设备领域。更具体地说，本发明涉及非易失性铁电随机存取存储器（F-RAM）设备和使用减少数量的掩模和蚀刻步骤在平坦表面上制造镶嵌式自对准F-RAM设备结构的方法的领域。

根据世界半导体贸易统计组织（WSTS），2010年半导体市场达到了重要里程碑，在行业历史上全世界收入首次突破$300,000,000,000（美元）以上。具体而言，存储器芯片部分在2010年期间呈现了最高增长率，从2009年的$45,000,000,000增长到了2010年的$71,000,000,000，同比增长率为57%。嵌入式存储器设备在2010年占据了整个半导体市场的23%以上。

在这样的环境下，对更高处理能力的增长需求正推动半导体行业开发具有更高运行速度的存储设备，以支持现代电子设备的能力。F-RAM已成为行业有前景的选择，特别是在移动计算、智能仪表、无线射频识别（RFID）设备、办公室设备以及需要非易失性数据存储器的其他应用的市场领域中。

标准的动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）设备虽然提供相对快速存取时间，但由于电源中断时存储在这种存储器中数据丢失而被认为是易失性存储设备。相比之下，非易失性存储器设备是具有尽管有任何功率损失也能保持数据的功能的存储设备。

F-RAM设备本身是非易失的，意思是说这些存储设备在无供电时能够保持数据。与目前最流行类型的非易失性存储器—电可擦可编程只读存储器（EEPROM）闪存设备相比，F-RAM设备具有若干优点，包括较低功率要求（在读写操作过程中只需要5V的操作电压）、较高读写速度（低于70毫微秒）、几乎无限的写寿命容量（超过10,000,000,000个写周期）。

F-RAM存储设备可以基于将锆钛酸铅（PZT）铁电存储电容器用作集成了互补性氧化金属半导体（CMOS）寻址、选择和控制逻辑的存储器元件而制造。PLZT是掺镧形式的PZT，其中一些铅以镧取代。

同样已知的是PZT还可以掺锶和钙以改进其铁电介电特性。具有钽酸锶铋（SBT）、钛酸锶钡（BST）和氧化钛酸锶（STO）电介质的铁电存储电容器也是现有技术已知的。

如在本申请中所使用的，“PZT”一词也应被认为是包含PLZT、SBT、BST、STO和其他可比的铁电介电材料。而且，应注意的是，本文所公开的本发明的技术可适用于所有已知的铁电电介质，包括包含PZT、PLZT、BST、SBT、STO及其他材料的钙钛矿和层状钙钛矿（无论是掺杂的还是无掺杂的），同时允许具有可能更广的电极材料选择和在完成的IC结构上使用合成气体退火工序。

无论使用哪种铁电介电材料，在操作中F-RAM设备都通过其在一个方向或另一个方向上极化的能力而发挥功能，以便存储代表逻辑级“1”或“0”的二进制值。由于介电材料中的钙钛矿晶体内的内偶极子对准，铁电效应允许在无施加电场的情况下保持稳定的极化状态。该对准可以通过施加超过材料的矫顽场的电场而选择性地实现。相反地，颠倒施加电场则颠倒内偶极子。