铁电随机存取存储器（FRAM）电容器和构造方法与流程

本公开涉及非易失性存储器(nvm)，并且更具体地涉及铁电随机存取存储器(fram)电容器和构造方法以及包括fram电容器的fram存储器单元。

背景技术：

1、非易失性存储器(nvm)是指可在没有外部电力供应的情况下保持数据的存储器。nvm对于许多应用程序是有用的，例如作为微控制器部件。相比之下，通常由六个晶体管构成的静态随机存取存储器(sram)需要外部电力来保持数据。类似地，通常包括一个晶体管和一个电容器的动态随机存取存储器(dram)也需要外部电力来保持和刷新数据。

2、当前，nvm的最常见形式是闪存存储器，其包括基于浮栅的存储器单元。nor型闪存存储器通常用于存储代码，而nand型闪存存储器通常用于存储数据。然而，闪存存储器具有各种限制和缺点。例如，难以继续减小闪存存储器的临界尺寸。此外，闪存存储器通常需要高电压(通常约20v)用于编程和擦除。另外，将闪存存储器单元添加到典型cmos处理流程作为嵌入式存储器需要若干附加光掩膜层，例如5个或更多个掩膜层。这显著增加了嵌入式应用程序中闪存存储器的成本。

3、因此，近年来已经开发了其他类型的nvm存储器，包括铁电随机存取存储器(fram)。fram存储器单元包括至少一个晶体管和至少一个电容器(“fram电容器”)。典型的fram存储器单元由包括晶体管(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管，或mosfet)和fram电容器的1t1c(一个晶体管，一个电容器)架构或者包括两个晶体管(例如，mosfet)和两个fram电容器的2t2c(两个晶体管，两个电容器)架构构成。

4、fram电容器包括置于两个电极之间的铁电元件，从而限定具有电极-铁电元件-电极结构的电容器，在本文中称为efe结构。铁电元件包含晶体，该晶体可通过外部电场自发地极化到两个限定的两个状态中的一者，并且可通过反向外部电场极化到两个限定的状态中的另一者。在移除外部电场之后维持极化状态(即，限定非易失性数据存储装置)。极化状态的改变不涉及原子碰撞；因此，fram存储器单元通常表现出高读取和写入速度、超低功率消耗和几乎无限的写周期。因此，fram存储器特别适合于某些系统中的存储装置存储器，例如用于在不同子系统之间的数据的频繁读取和写入。

5、此外，fram对于微控制器(mcu)应用程序具有独特的优点。例如，与闪存存储器相比，fram通常不需要高电压器件，使用明显更少的功率，可提供更快的写入性能，并且可提供更大的最大读取/写入耐久性。

6、然而，典型的fram电容器具有各种缺点或不足。例如，与相关的背景集成电路制造过程相比，一些fram电容器构造需要至少两个附加的掩膜层。而且，一些fram电容器形成为堆叠电容器，其通常难以蚀刻。例如，常规的反应离子蚀刻(rie)可能不适用，因为通常用于fram电容器的顶部电极和底部电极两者的贵金属不是反应性的，并且来自铁电材料的副产物的蒸气压极低。因此，可能需要通过使用氩气混合的蚀刻气体来采用物理辅助的rie，这通常针对蚀刻室维护造成重大挑战。而且，fram电容器可能承受氢暴露的风险，因为氢与铁电材料反应，这可能导致它们的极化能力的永久降低。

7、需要构建减少或消除上述缺点和挑战中的任何一者或多者的fram电容器。需要以较低成本(例如，通过减少或消除添加的掩膜层)以及用改进的制造过程(例如，通过消除上述外来电极金属蚀刻)来构建fram电容器。

技术实现思路

1、本公开提供了fram电容器和构造方法，以及包括fram电容器的fram存储器单元。如本文所用，fram电容器是指由铁电元件形成的电容器。fram电容器可包括形成在相邻金属互连层之间或在有源层(例如，包括mosfet器件)与第一金属互连层之间的电极-铁电元件-电极或“efe”结构。该fram电容器的该efe结构可通过镶嵌过程形成，该镶嵌过程包括在电介质区中形成桶开口、在该桶开口中形成杯形底部电极、在由该杯形底部电极限定的内部开口中形成杯形铁电元件以及在由该杯形铁电元件限定的内部开口中形成顶部电极。在一些实施方案中，该杯形底部电极可与至少一个互连通孔同时形成，例如通过将钨或其他共形金属沉积到形成在该电介质区中的相应开口中。在一些示例中，该fram电容器可在不向背景集成电路制造过程(例如，典型cmos制造过程)添加任何光掩膜过程的情况下形成。

2、一方面提供了一种形成集成电路结构的方法，该集成电路结构包括fram电容器。该方法包括：在电介质区中形成桶开口；在该桶开口中形成杯形底部电极；在由该杯形底部电极限定的内部开口中形成杯形铁电元件；在由该杯形铁电元件限定的内部开口中形成顶部电极；以及在该电介质区上方形成上部金属层，该上部金属层包括与该顶部电极导电接触的电容器接触件。该杯形底部电极、杯形铁电元件和顶部电极限定该fram电容器。

3、在一些示例中，该fram电容器通过镶嵌过程形成。该fram电容器可在不向背景集成电路制造过程添加任何光掩膜过程的情况下形成。

4、在一个示例中，该方法包括在该桶开口中形成杯形底部电极接触件以及在由该杯形底部电极接触件限定的内部开口中形成杯形底部电极。在一个示例中，该方法包括沉积共形金属以同时形成(a)该桶开口中的该杯形底部电极接触件和(b)该电介质区中与该桶开口间隔开的通孔开口中的通孔。在一个示例中，在该电介质区上方形成该上部金属层包括同时形成与该顶部电极接触的该电容器接触件和与该通孔接触的上部互连元件。

5、在一个示例中，在该电介质区上方形成该上部金属层之前，使该杯形铁电元件的顶部表面与该电介质区的顶部表面平面化，并且沉积扩散阻挡层以覆盖该杯形铁电元件的经平面化的顶部表面。

6、在一个示例中，在该电介质区上方形成该上部金属层之前，使该杯形底部电极的顶部表面、该杯形铁电元件的顶部表面和该顶部电极的顶部表面平面化，并且沉积扩散阻挡层以覆盖该杯形底部电极、该杯形铁电元件和该顶部电极的经平面化的顶部表面。

7、在一个示例中，该顶部电极是杯形的，并且该方法包括在由该杯形顶部电极限定的内部体积中形成顶部电极接触件，并且该电容器接触件被形成为与该顶部电极接触件导电接触。

8、在一些示例中，该底部电极和该顶部电极中的每一者包括至少一种贵金属。例如，该底部电极和该顶部电极中的每一者可包括铱或铂。在一个示例中，该底部电极和该顶部电极中的每一者包括铱和氧化铱。

9、在一个示例中，铁电元件包括锆钛酸铅(pzt)。在其他示例中，铁电元件包括铌钽酸锶铋(sbnt)、钽酸锶铋(sbt)或镧取代的钛酸铋(blt)。

10、另一方面提供了一种集成电路结构，该集成电路结构包括：电介质区，该电介质区包括桶开口；fram电容器，该fram电容器形成在该桶开口中；和上部金属层，该上部金属层形成在该fram电容器上方。该fram电容器包括杯形底部电极、杯形铁电元件和顶部电极。形成在该电介质区上方的该上部金属层可包括与该fram电容器的该顶部电极导电接触的电容器接触件。

11、在一个示例中，该电介质区形成在下部金属互连层上方，并且该上部金属层包括上部金属互连层。

12、在一个示例中，该电介质区形成在包括掺杂源极区和掺杂漏极区的晶体管上方，并且该杯形底部电极被导电地耦合到该晶体管的该掺杂源极区或该掺杂漏极区。

13、在一些示例中，该集成电路结构包括形成在该晶体管的该掺杂源极区或该掺杂漏极区的顶侧上的硅化物区上的杯形底部电极接触件，其中该杯形底部电极形成在该杯形底部电极接触件上。在一个示例中，该上部金属层包括金属-1互连层。

14、在一个示例中，该顶部电极是杯形的，该集成电路结构包括至少部分地形成在由该杯形顶部电极限定的内部体积中的顶部电极接触件，并且该电容器接触件与该顶部电极接触件导电地接触以便与该顶部电极导电接触。

15、在一个示例中，该集成电路结构包括形成在通孔开口中的通孔，该通孔开口与该电介质区中的该桶开口横向间隔开，并且该上部金属层包括与该通孔接触的互连元件。

16、另一方面提供了一种铁电随机存取存储器(fram)存储器单元，该fram存储器单元包括(a)晶体管，该晶体管包括栅极、掺杂源极区和掺杂漏极区；以及(b)fram电容器，该fram电容器被耦合到晶体管并且包括杯形底部电极、形成在由该杯形底部电极限定的内部开口中的杯形铁电元件以及形成在由该杯形铁电元件限定的内部开口中的顶部电极。

17、在一个示例中，该fram电容器包括形成在该晶体管的该掺杂源极区或掺杂漏极区的顶侧上的硅化物区上的杯形底部电极接触件，并且该杯形底部电极形成在由该杯形底部电极接触件限定的内部体积中。

18、在一个示例中，该fram电容器包括形成在金属互连层的下部互连元件上的杯形底部电极接触件，并且该杯形底部电极形成在由该杯形底部电极接触件限定的内部体积中。

19、在一个示例中，该fram电容器形成在具有至少一个互连通孔或接触通孔的公共通孔层中。

20、在一个示例中，该fram存储器单元具有一晶体管一电容器(1t1c)配置。又如，该fram存储器单元具有包括该晶体管、附加晶体管、该fram电容器和附加fram电容器的二晶体管二电容器(2t2c)配置。