[發(fā)明專利]反鐵電類材料在非易失性存儲器件中的應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710112946.0
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN107146793B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 烏韋·施勒德爾;米蘭·佩希奇
• 申請（專利權(quán)）人: 納姆實(shí)驗(yàn)有限責(zé)任公司
• 主分類號: H01L27/11507
• 分類號: H01L27/11507
• 代理公司: 北京康信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11240
• 代理人: 梁麗超;劉彬

本發(fā)明公開了反鐵電類材料在非易失性存儲器件中的應(yīng)用。公開了在電容器或晶體管堆棧中包括箍縮磁滯環(huán)(PHL)材料的集成器件。PHL材料包括場誘導(dǎo)鐵電(FFE)材料、反鐵電(AFE)材料和弛豫型鐵電(RFE)材料。每個(gè)集成器件包括具有設(shè)置在兩個(gè)電極之間的PHL材料層的材料堆棧。該材料的應(yīng)用取決于在堆棧上電場偏置的誘導(dǎo)。根據(jù)一個(gè)選項(xiàng)，可以采用具有不同功函數(shù)值的電極來誘導(dǎo)所需的內(nèi)建偏置場并且使得能夠使用PHL材料。根據(jù)另一選項(xiàng)，將PHL材料和電荷(例如電荷中間層)設(shè)置在兩個(gè)電極之間，使得出現(xiàn)誘導(dǎo)的內(nèi)建偏置場。采用PHL材料堆棧的集成器件包括存儲器、晶體管以及壓電和熱電器件。

背景技術(shù)

鐵電(FE)材料是表現(xiàn)出自發(fā)電極化的電解質(zhì)晶體。自發(fā)極化的方向可以通過施加外部電場在兩個(gè)晶體定義的狀態(tài)之間反轉(zhuǎn)。兩種明顯不同狀態(tài)的這種材料性質(zhì)可以用于存儲器應(yīng)用以儲存信息，即，兩個(gè)二進(jìn)制狀態(tài)0和1的表示。

僅在居里溫度T_c以下(這在文獻(xiàn)中也被稱為相變溫度)，鐵電材料表現(xiàn)出鐵電性。由于相變溫度是材料性質(zhì)，它的價(jià)值涵蓋了大范圍的溫度。高于該溫度，該材料表現(xiàn)出順電性質(zhì)和行為。

鐵電鈦酸鋇(BaTiO₃)的發(fā)現(xiàn)觸發(fā)了對鐵電材料的研究的增加，因?yàn)閺V泛認(rèn)識到，穩(wěn)健的、化學(xué)穩(wěn)定的和相對惰性的鐵電晶體的存在提供了電可切換的雙態(tài)器件。此類器件的主要優(yōu)點(diǎn)通過其編碼對于二進(jìn)制計(jì)算機(jī)存儲器的布爾代數(shù)所需的1和0狀態(tài)的能力來表示。在鐵電存儲器件中，極化狀態(tài)決定要儲存的信息，其中二進(jìn)制狀態(tài)通過極化的正和負(fù)極化狀態(tài)表示。

鐵電隨機(jī)存取存儲器(FeRAM)的構(gòu)思被用作由其電介質(zhì)是鐵電的一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器(1T-1C)配置組成的基本非易失性存儲器單元。這里，與標(biāo)準(zhǔn)DRAM電容器(其中由通過存取晶體管的泄漏電流引起不可避免的放電)相比，F(xiàn)eRAM不隨時(shí)間表現(xiàn)出存儲損耗，因?yàn)樾畔Υ嬖陔x子的永久位置偏移中。在FE層中儲存信息的另一種可能性是在鐵電場效應(yīng)晶體管(FeFET)內(nèi)。這里，F(xiàn)eFET器件中的電介質(zhì)層的極化狀態(tài)改變晶體管的閾值電壓。

隨著摻雜硅的氧化鉿(Si:HfO₂)的鐵電性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，鐵電場效應(yīng)晶體管(FeFET)以及鐵電隨機(jī)存取存儲器(FRAM)的可集成性和可擴(kuò)展性得到顯著改善。基于PZT的低功率、非易失性存儲器FeFET在1963年由J.L.Moll等人提出。然而，由于與CMOS工藝的兼容性問題、有限的保持和其難以擴(kuò)展性，它們從未達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)。摻雜的氧化鉿中鐵電性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)已改變了該情況。在達(dá)到CMOS兼容性和最先進(jìn)的可擴(kuò)展性之后，摻雜鉿的層的可靠性研究顯示出低的耐久性特性。

通常，基于HfO₂的鐵電電容器具有高的氧空位含量，導(dǎo)致由器件的早期擊穿引起的更短的耐久性。對于顯示更強(qiáng)的反鐵電(AFE)性質(zhì)的樣品達(dá)到了良好的耐久性。在HfZrO₂混合氧化物(HZ)的情況下，混合HZ層中較高的ZrO₂含量引起更強(qiáng)的AFE類性質(zhì)。由于耐久性與AFE增加相關(guān)，預(yù)期更長的耐久性，這有益于FeCAP(FRAM)壽命性能。

所有現(xiàn)有電子器件的存儲器應(yīng)用由于操作的亞閾值區(qū)域而消耗一定量的能量，這即使在操作的中性狀態(tài)下也需要電力。隨著集成電路器件的數(shù)量在日常生活中上升，提供對于操作所需的消耗功率上的減少的解決方案變得更加重要。

除了具有自發(fā)電極化的FE材料之外，還存在通過施加外部電場而表現(xiàn)出電極化的其它材料。表現(xiàn)出反鐵電性質(zhì)的材料在文獻(xiàn)中被描述為晶體，其結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為由在反平行方向上自發(fā)極化的兩個(gè)亞晶格構(gòu)成，并且其中通過施加電場可以誘導(dǎo)鐵電相。AFE材料的典型示例是PbZrO₃。