CN1101049C

CN1101049C - 非挥发性集成铁电薄膜存储器

Info

Publication number: CN1101049C
Application number: CN 95113358
Authority: CN
Inventors: 陈先同; 丁爱丽; 罗维根; 仇萍荪; 何夕云; 屈新萍
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 2003-02-05
Anticipated expiration: 2015-12-07
Also published as: CN1151591A

Abstract

一种非易失性集成铁电薄膜存储器，属于新一代信息存储器领域。主要由包含铁电薄膜电容器、开关管组成的铁电存储单元和制有动态随机存取存储器(DRAM)或静态随机存取存储器(SRAM)存储电路的芯片构成，铁电存储单元沉积在芯片上，其特征是铁电存储单元并联在DRAM的存储电容上或接在SRAM的输出端上。克服了现有铁电存储器的直流击穿和易疲劳等缺点，集成度高，能实现非易失性存储，易规模生产，可广泛用于信用卡、电子辞典、电子记录本、移动电话、电子游戏机等方面。

Description

非易失性集成铁电薄膜存储器

技术领域

本发明是关于可编程非易失性铁电薄膜存储器，属于新一代信息存储器。可用于移动电话、移相器(PHS)和移动数据终端、电子辞典、信用卡、电子游戏机等需要低电压、大容量、高速处理大量数据的方面。

背景技术

铁电体和半导体相结合组成存储器件早在1957年已提出，如1957年5月7日公布的美国专利(U.S.2791758，U.S.2791759，U.S.2791760，U.S.2791761)，但实验结果并不理想。后又通过溅射半导体膜在铁电体上形成存储器件(IEEE Trans.Electron Devices Vol.ED-10，pp.338-339，1963.Solid-state Electron.，Vol.9，pp.657-661，1966.Proc.IEEE，Vol.54，pp.842-848，1966.IEEE Trans.Electron Devices，Vol.ED-14pp.816-821，1967.IEEE Trans.Eectron Devices，Vol.15，pp.182-183，1968.Solid State Electron Vol.11，pp.527-533，1968.IEEE Trans ElectronDevices，Vol.D-16，pp.525-532，1969.Ferroelectrics，Vol.1，pp.23-30，1970)。但这些器件都存在半导体薄膜材料的电学不稳定性问题，即ON或OFF态的电导会随时间漂移进入中间态。七十年代，S.Y Wu提出了一新的结构，即用铁电薄膜代替栅绝缘体，组成一铁电一半导体场效应管(U.S.3728694，1973.Ferroelectrics，10，209(1976))。但在状态转换时，电子和空穴将从半导体注入到铁电体，使记忆时间以秒数量级衰减，且工作电压过高无法与硅集成电路相容。1988年美国Ramtron公司把PZT膜和半导体芯片集成，利用锆钛酸铅(PZT)自发极化反转电流检出方式制成了FRAM(Eermelectocs Random Access Memories，铁电随机存取存储器)(Ramtron Corporation Technical Report 1988)。虽然以这一方式可形成高容量的一个晶体管和1个电容(1T/1C)结构，但其读写方式是破坏性的，而铁电薄膜的反转电荷随读写次数增多而逐渐下降，将产生所谓的铁电薄膜疲劳现象，即使材料性能提高到如钇1(Y1)材料可反转10¹³次，但仍和电可擦除的可编程序只读存储器(EEPROM，可擦写10⁵次，读10¹⁵次)有一定距离，难以在高频度读操作下工作。为解决这一问题，Marrami等提出了动态随机存取存储器(DRAM)式的非破坏性读写方式，仅在断电时极化铁电薄膜。这一方式的主要缺点在于铁电薄膜处于短路状态，要求铁电薄膜长时间承受一定的电压，这一电压常产生“时间相关的直流击穿”，即铁电薄膜通常在30μs单脉冲下可承受45V电压，但长时间下，5V甚至2.5V即可造成铁电薄膜的击穿。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有铁电薄膜存储器的疲劳和直流击穿问题。

为实现本发明的目的，用铁电薄膜电容器和一开关管和DRAM(DynamicRandom Access Memory，动态随机存取存储器)或SRAM(Static RandomAccess Memory，静态随机存取存储器)芯片集成组成一具有非易失性记忆的铁电薄膜存储器。其特征是把开关和铁电电容器组成的铁电存储器单元并联到DRAM的存储电容上或接在SRAM的输出端上。

本发明工作原理如下：当外加电压和铁电薄膜自发极化方向相同时，电流-电压关系如图3(a)所示。此时铁电电容器近似一线性电容，当外加电压与自发极化反向且外加电压超过铁电膜的矫顽电压时，如图3(b)所示，自发极化将反向，电路中有一峰值电流流过，此时铁电薄膜类似于一大电容，将铁电薄膜电容器C_f和开关管T_f并联在电容C₁的AB点(见图2)。工作时，CP₂处于低电平(V_L)，T_f不导通，C_f处于开路状态，此时存储器工作如DRAM。当要断电时，CP₁和CP₂同时处于高电平(V_H)，T₁、T_f导通，数据信号电压通过T₁和T_f加在铁电薄膜电容器C_f上，使其极化，记录下当时的数据。写入状态由WL＝V_H、V_S＝V_L，或V_S＝V_H、WL＝V_L而定。

当电源重新开通后，工作时序示于图4，首先在t＝0时，使WL＝V_H、V_S＝V_L，接着让CP₁为高电平T₁导通，对C₁充电，然后让CP₁为低电平关断T₁，同时使CP₂高电平导通T_f。铁电电容器C_f和C₁并联，此时C₁为低电平关断T₁，同时使CP₂高电平导通T_f。铁电电容器C_f和C₁并联，此时C₁将对C_f充电，如V_C1和C_f中极化方向相同，C₁上的电压将从V_C1突变到(C₁/(C₁+C_f))·V_C1，然后随e^-t/R(C1+Cf)放电，可以选择C_f＜C₁(1-2)/10使(C₁/(C₁+C_f))·V_C1仍为高电平，即V_C1和C_f的极化方向相同时，输出状态不变，而V_C1和C_f中极化方向反向时，可预先选择C_f的厚度d_f使V_C1/d_f＞2E_C(E_C为铁电薄膜的矫顽场)，选择材料的极化值P_S使2P_S＝V_C1·C₁。所以V_C1对C_f充电时，C_f中自发极化将反向。极化反转产生的电荷将中和C₁上的充电电荷，使V_C1趋于低电位，输出为低电平。读出电路将读出的信号输出到数据输出线的同时把该信号反馈到数据输入线，使WL线的电平根据C_f的存储状态重新置位再开始以DRAM方式工作。

可利用同样原理，将本发明应用于SRAM，如图5所示。

工作状态简述如下：工作时，CP₂为低电位关断T_f，此时C_f开路，整个电路如SRAM。要断电时，使CP₁、CP₂为高电平，打开T₅、T₆和T_f，使信号电压给C_f极化，记录下状态。

通电时，先使所有的WL为高电位，再使CP₁为高电位、CP₂为低电位，打开T₅、T₆关断T_f，使存储单位都置位为“1”、然后使CP₁为低电位，关断T₅、T₆，使CP₂为高电平，打开T_f，使静态存储器本身存储的状态对C_f充电。充电电流大小根据C_f中自发极化方向不同而有很大不同，电流大将使静态存储器反转，否则则不变。所以根据C_f的原有极化方向，静态存储器将保持或改变状态，然后通过读出放大电路对输入电路重新置位，再以SRAM方式开始工作。

本发明克服了现有铁电薄膜存储器的易疲劳或易击穿的缺点，有以下特点：

1.能实现非易失性存储，即断电后仍能保存信息。

2.铁电存储单元仅在断电时被极化，在工作状态时处于开路，克服了现有技术中铁电存储单元为短路时所固有的缺陷。

3.体积小，集成度高，由于铁电存储电容其可立体集成在芯片上，且其尺寸符合大规模集成电路要求。

4.可以规模生产。本发明在制备时可把沉积铁电薄膜作为最后的处理过程，既能减少投资又能很容易投入大规模生产。

附图说明

图1为非易失性集成铁电薄膜存储器的结构原理图。

图2为非易失性集成铁电薄膜DRAM存储器的电路示意图。

图3为铁电电容器充电电源和自发极化关系。

图4为非易失性集成铁电薄膜存储器的时序图。

图5为非易失性集成铁电薄膜SRAM存储器的电路图。

如图1所示，本发明的存储器件包括铁电薄膜2、下电极Pt膜3、及上电极1、硅片衬底中有DRAM的1T/1C5及场效应管6。铁电薄膜和上下电极组成铁电电容器。铁电薄膜材料为钙钛矿结构(包括层状钙钛矿结构)铁电材料，如钛酸铅(PbTiO₃)，锆钛酸铅(PZT)，钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂)，铌酸锶铋(SrBi₂Nb₂O₉)。

图2为该器件的电路图。DRAM中电容C₁的AB端并联一铁电电容器C_f和金属氧化物半导体MOS管T_f，用CP₂线控制T_f。

具体实施方式

实施例1

DRAM的存储器内部工作电压的高电平一般为4V，电容一般为50fF-5pF，选择C1-50fF/μm²。根据现有制备铁电薄膜技术，设定铁电电容器C_f的厚度为200μm。根据本发明原理，须满足以下条件：(1)C_f＞((1-2)/10)C₁，(2)Vc＞2dEc，(3)Pr＝Vc₁C₁/2。

计算可得，具有如下参数的铁电薄膜将符合要求：介电系数。ε-200，矫顽场强Ec＜100kV/cm，剩余自发极化Pr＞100μC/cm²，铁电薄膜存储单元的面积为1μm²(64M DRAM存储器的存储单元面积为1.31μm²)，所以可选择铁电材料PbTiO₃。制作方法为：先用溅射法在DRAM或SRAM芯片上制备100nm左右的(111)择优取向的Pt膜下电极，用现代铁电薄膜制备技术如金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)法或溅射(Sputtering)法或溶胶—凝胶(Sol-gel)法再沉积200纳米(nm)厚度的铁电薄膜PbTiO₃，然后用蒸发或溅射沉积铬金上电极(如图1)。

实施例2

所选择的铁电材料为PZT，其他同实施例1。

实施例3

所选择的铁电材料为Bi₄Ti₃O₁₂，其他同实施例1。

实施例4

所选择的铁电材料为SrBi₂Nb₂O₉，其他同实施例1。

实施例5

内藏有IC芯片的信用卡统称为IC卡，其中的存储器分别为易失性存储器SRAM(辅以电池)和非易失性存储器掩膜只读存储器(MASKROM)、可编程只读存储器(PROM)、电可擦除的可编程只读存储器(E²PROM)，现主要使用的是64kbit E²PROM。但在低电压下需高速写入和写操作频度高的场合，MASKROM、EPROM、熔丝只读存储器(FUSEROM)以及E²PROM和闪烁存储器均将不适用，只有SRAM加电池可用。本发明为2个晶体管/2个电容(2T/2C)结构，比6T SRAM有更高的集成度，而且断电时信息不会向SRAM那样消失掉，且铁电薄膜的反转时间小(1ns)、消耗电力少、擦写次数高(10⁸-10¹⁰)，在将来无内藏电池的信用卡中也有很大的应用前景，性能是其他存储器所不能比的。

Claims

1.一种非易失性集成铁电薄膜存储器，由铁电薄膜电容器、开关管构成的铁电存储单元；制有动态随机存取存储器或静态随机存取存储器的硅片衬底构成，其特征是把开关和铁电电容器组成的铁电存储单元并联到动态随机存取存储器的存储电容上或接到静态随机存取存储器的输出端上。

2.如权利要求1所述的非易失性集成铁电薄膜存储器，其特征是铁电薄膜采用钙钛矿结构的铁电材料。

3.如权利要求2所述的非易失性集成铁电薄膜存储器，其特征是铁电薄膜为层状钙钛矿结构的铁电材料。

4.一种制作非易失性集成铁电薄膜存储器的方法，其特征在于先用溅射法在动态随机存取存储器或静态随机存取存储器芯片上制备100纳米左右的(111)择优取向的Pt膜下电极，然后用铁电薄膜制备技术或金属氧化物化学气相沉积法或溅射法或溶胶—凝胶法再沉积200纳米厚的钛酸铅膜，最后用蒸发或溅射方法沉积铬金上电极。