CN113871386A - 基于非对称叠层的铁电电容和低压高速铁电存储器以及制备方法 - Google Patents
基于非对称叠层的铁电电容和低压高速铁电存储器以及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113871386A CN113871386A CN202111068025.1A CN202111068025A CN113871386A CN 113871386 A CN113871386 A CN 113871386A CN 202111068025 A CN202111068025 A CN 202111068025A CN 113871386 A CN113871386 A CN 113871386A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ferroelectric
- dielectric layer
- memory
- ferroelectric capacitor
- bottom electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B53/00—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于非对称叠层铁电电容及低压高速铁电存储器和制备方法，属于半导体存储器件领域。该非对称叠层铁电电容由顶电极、底电极以及两电极之间的双介质层构成，双介质层具体为与顶电极相邻的铁电介质层和与底电极相邻的介质层，本发明利用介质层作为籽层为铁电介质层提供结晶模板，能够在厚度不变的情况下提升铁电相占比；并利用不同元素还原性产生氧空位浓度梯度，从而产生内建电场辅助极化翻转。本发明提升了铁电随机存储器的存储窗口；且内建电场增强了读出电压，提高读出速度，缓解由于低电压操作带来的动态问题，有利于铁电随机存储器在低压高速下的应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体存储器件领域，特别涉及一种基于非对称叠层的铁电电容以及低压高速铁电存储器。
背景技术
随着电子信息技术的不断推进，对低功耗、大容量以及高速访问的存储器需求不断上升。传统闪存存储器(Flash)由于电荷存储原理，其热电子注入或隧穿方式会带来较大的功耗和较长的擦写时间；而传统动态随机存储器(DRAM)由于晶体管漏电，导致存储器保持时间较短，需要高频刷新，进而带来较大的功耗。在如今信息社会伴随的庞大数据量的背景下，这些问题将变得愈发严重。
铁电介质材料由于其存在非对称晶格结构，材料整体表现为具有可以由电场控制的自发极化电荷，且极化翻转速度取决于晶格弛豫时间，因此基于铁电材料设计的存储器具有低功耗与高速的优势。然而基于钙钛矿结构的传统铁电材料(例如PZT、BTO等)由于组分复杂，CMOS工艺兼容性低；且尺寸效应明显，无法在先进工艺节点中集成，导致基于传统铁电材料的存储器只在某些特殊的边缘应用中发挥作用。
近年来，研究者发现超薄氧化铪(HfO2)在特定的掺杂、应力与退火条件下也具有铁电性，一举打破了铁电材料器件难以集成与微缩性差的桎梏。在不同种类的氧化铪基铁电存储器中，由一个选择晶体管与一个铁电电容(1T1C)构成的铁电随机存储器(FeRAM)与DRAM结构与操作模式类似，可以高速读写数据并有更好的保持性与更低的功耗，有望成为传统DRAM的替代品。然而随着进一步研究发现，基于HfO2的铁电材料具有较高的矫顽场(EC)，导致基于其的铁电存储器具有较大的工作电压，不适用于嵌入式存储，并影响器件可靠性；而采用低电压操作，使铁电存储器工作在子回滞(Sub-loop)状态，可以优化器件可靠性，但低电压带来的较长铁电翻转时间会带来严重的动态翻转问题，影响其在高速存储领域的应用；且常规材料优化手段例如改变厚度、改变掺杂等无法同时优化存储窗口和动态问题。所以，实现低压且高速的铁电存储器成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于非对称叠层铁电电容及低压高速铁电存储器。本发明核心是采用两层不同的介质材料形成非对称叠层的铁电电容，该铁电电容利用介质层的结晶模板作用使铁电介质层在结晶过程中晶相更为统一且占比更高，提升自发极化强度进而提升存储窗口；此外，上述两层介质材料中等效元素还原性不同，导致介质层相比铁电介质层在退火过程中产生更多氧空位，从而形成自底电极向顶电极方向的内建电场，在低电压操作时该内建电场补偿操作电压，从而提升存储器低电压操作时的速度，减小铁电动态翻转带来的问题。与传统单层铁电电容存储器相比，本发明的基于非对称叠层铁电电容铁电存储器具有低工作电压同时还有较快的写入速度。
本发明具体的技术方案如下：
一种基于非对称叠层的铁电电容，其特征在于，由顶电极、底电极以及两电极之间的双介质层构成，双介质层具体为，与顶电极相邻的铁电介质层和与底电极相邻的介质层，所述介质层作为籽层为铁电介质层提供结晶模板，所述铁电介质层的元素等效还原性比介质层的元素等效还原性大，在制备过程中退火能够使介质层形成多于铁电介质层的氧空位，从而聚集氧空位形成内建电场。
上述非对称叠层铁电电容的顶电极和底电极为同功函数金属，且能够在退火时提供足够应力使铁电介质层形成铁电结晶，可按铁电材料的要求选自下列电极材料：TiN、TaN、Pt、Mo、Ru等。所述铁电介质层：采用钙钛矿型铁电(PZT,BFO，SBT)、铁电聚合物(P(VDF-TrFE))等传统铁电材料或基于HfO2在特定处理(掺杂、应力、退火等)下产生铁电性的新型铁电材料；所述介质层：ZrO2、HfO2、Ta2O5、Al2O3等，同时需要考虑材料等效元素还原性，使所选双介质层组合满足还原性铁电介质层大于介质层的要求。上述基于双层非对称叠层的铁电电容中，电极的厚度优选为50～100nm。铁电介质层厚度优选为8～15nm；介质层厚度优选为1～4nm。
本发明进一步提供基于双层非对称叠层的铁电随机存储器，包括一非对称叠层铁电电容，一个单元选择晶体管；其中，用于存储数据的非对称叠层铁电电容由顶电极、底电极、铁电介质层和介质层构成，单元选择晶体管T1为一个n型MOSFET器件，用于实现单元选择控制，非对称铁电电容的底电极与存储器板线(Plate Line,PL)相连，非对称铁电电容的顶电极与单元选择晶体管的源端相连；单元选择晶体管的栅极与存储器字线(Word Line,WL)相连，单元选择晶体管的漏端与存储器位线(Bit Line,BL)相连，其中，介质层需要能够起到铁电结晶模板作用，使铁电介质层结晶过程中晶相更统一且占比更高，提升自发极化强度进而提升存储窗口；此外，铁电介质层的元素等效还原性要大于介质层，使介质层在退火过程中能够形成多于铁电介质层的氧空位，从而形成内建场。
本发明还提供了上述基于双介质层材料的非对称铁电叠层电容的一种制备方法，制备工艺如下：
(1)通过物理气相沉积(PVD)的方法在硅衬底表面制备底电极；
(2)通过原子层沉积(ALD)方式在步骤(1)中制备的底电极上生长介质层；
(3)通过原子层沉积(ALD)方式在步骤(2)中生长好的介质层表面生长铁电介质层；
(4)通过物理气相沉积(PVD)的方法继续生长顶电极；
(5)通过光刻定义电容面积，并通过湿法腐蚀或干法刻蚀的方法去除其他部分的材料，暴露底电极；
(6)通过一定条件的快速热退火(RTA)结晶，使材料产生铁电性；
(7)制备接触电极。
本发明的基于非对称叠层铁电电容的低压高速存储器有益效果及相应原理：
1、利用介质层作为籽层为铁电介质层提供结晶模板，晶相更统一且占比更高，提升自发极化强度进而提升存储窗口。
利用介质层作为籽层为铁电介质层提供结晶模板，在退火结晶过程中介质层降低了铁电介质层向铁电晶相结晶的激活能，使铁电介质层产生更大比例的铁电相结晶，提升材料整体铁电性，实现在厚度不变的情况下提升自发极化强度，进而提升存储器存储窗口。
2、利用两介质层等效还原性不同，在介质层中产生更高浓度氧空位，从而产生内建场提升低电压操作时的速度，减小铁电动态翻转带来的问题。
利用介质层与铁电介质层不同的元素等效还原性，在介质层中，相比铁电介质层在退火过程中产生更多氧空位，形成氧空位浓度梯度，从而在电容中形成内建场，方向由底电极指向顶电极；该内建场在存储器读取时增强读出电压，提高读出速度，进而缓解动态问题。
附图说明
图1是本发明实施例基于非对称叠层铁电电容的低压高速铁电存储器示意图。
图中：
1——字线Word Line,WL 2——位线Bit Line,BL
3——板线Plate Line,PL 4——单元选择晶体管(nMOSFET)
5——非对称铁电电容CFE 6——等效位线负载电容CBL
7——灵敏再生放大器SA
图2是本发明实施例制备的非对称铁电电容的剖面示意图。
图中：
11——顶电极(TiN) 12——铁电介质层(Hf0.5Zr0.5O2)
13——介质层(ZrO2) 14——底电极(TiN)
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供一种基于非对称叠层铁电电容的低压高速铁电存储器，包括单元选择晶体管T1、非对称叠层铁电电容CFE、等效位线负载电容CBL、.灵敏再生放大器SA。其中，如图2所示，非对称叠层铁电电容由顶电极、底电极、铁电介质层和介电层组成，铁电介质层：采用钙钛矿型铁电(PZT,BFO，SBT)、铁电聚合物(P(VDF-TrFE))等传统铁电材料或基于HfO2在特定处理(掺杂、应力、退火等)下产生铁电性的新型铁电材料；介质层采用如下材料：ZrO2、HfO2、Ta2O5、Al2O3等。所述电极的厚度优选为50～100nm。所述铁电介质层厚度优选为8～15nm；介质层厚度优选为1～4nm。单元选择晶体管T1为一个n型MOSFET器件，用于实现单元选择控制，单元选择晶体管T1的源端与非对称铁电电容顶电极相连，单元选择晶体管T1的漏端接存储器位线，存储器位线电容以等效位线负载电容CBL代替，灵敏再生放大器SA与位线相连，并同时采用合适的参考电平；非对称叠层铁电电容由TiN/Hf0.5Zr0.5O2/ZrO2/TiN构成，用于存储数据，底电极连接板线，当铁电电容自发极化方向朝向底电极时，代表存储状态为”1”，反之则为”0”；灵敏再生放大器用于放大位线差分信号，从而实现数据读出与回写入，其输入端接入位线，参考端接虚单元。存储器处于数据保持状态时，WL,PL,BL处于低电平，单元选择晶体管关断，电容保持存储状态；读出状态时，BL首先预充到低电平，WL接高电平，单元选择晶体管打开，随后PL接高电平，使铁电电容极化方向翻转(读出“1”)或不翻转(读出“0”)，对应位线电压变化不同。
以本实施例说明本发明的有益效果：
1、以低压高速操作铁电存储器时，存储窗口为读出不同状态时铁电电容极化翻转量差，其正比于铁电电容的可翻转极化量；本发明中的非对称铁电电容有ZrO2籽层，为HZO铁电层提供结晶模板，从而在不改变厚度等其他条件下提高了可翻转极化量；综上所述，本发明的基于非对称铁电电容的低压高速存储器利用非对称电容增强的极化强度，提高了存储器的存储窗口。
2、以低电压高速操作铁电存储器时，铁电电容的翻转速度由于电压低而变慢。此时铁电电容工作在子回滞状态，存在动态问题：相比于读出“1”带来的极化翻转，读出“0”数据时依然存在极化翻转，降低了存储窗口。本发明中的非对称铁电电容存在由底电极指向顶电极的内建电场，在读出“1”数据时内建场增强读出电压，使读出“1”具有更大的极化翻转量；综上所述，本发明的基于非对称铁电电容的低压高速存储器利用非对称电容的内建电场，在读出时缓解了低电压操作带来的动态问题。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种基于非对称叠层的铁电电容，其特征在于，该非对称叠层铁电电容由顶电极、底电极以及两电极之间的双介质层构成，双介质层具体为与顶电极相邻的铁电介质层和与底电极相邻的介电层，所述介质层作为籽层为铁电介质层提供结晶模板，所述铁电介质层的元素等效还原性比介质层的元素等效还原性大。
2.如权利要求1所述的基于非对称叠层铁电电容的铁电存储器，其特征在于，所述顶电极或底电极选自下列材料：TiN、TaN、Pt、Mo或Ru。
3.如权利要求1所述的基于非对称叠层铁电电容的铁电存储器，其特征在于，所述铁电介质层采用钙钛矿型铁电、铁电聚合物或基于HfO2在特定处理下产生铁电性的新型铁电材料。
4.如权利要求1所述的基于非对称叠层铁电电容的铁电存储器，其特征在于，所述介质层选自下列材料：ZrO2、HfO2、Ta2O5或Al2O3。
5.如权利要求1所述的基于非对称叠层铁电电容的铁电存储器，其特征在于，所述顶电极或底电极的厚度范围为50～100nm。
6.如权利要求1所述的基于非对称叠层铁电电容的铁电存储器，其特征在于，所述铁电介质层厚度范围为8～15nm。
7.如权利要求1所述的基于非对称叠层铁电电容的铁电存储器，其特征在于，所述介质层厚度范围为1～4nm。
8.一种铁电随机存储器，其特征在于，包括如权利要求1所述的铁电电容和单元选择晶体管；单元选择晶体管为一个n型MOSFET器件，所述铁电电容的底电极与存储器板线相连，所述铁电电容的顶电极与单元选择晶体管的源端相连；单元选择晶体管的栅极与存储器字线相连，单元选择晶体管的漏端与存储器位线相连。
9.如权利要求8所述的铁电随机存储器，其特征在于，所述存储器位线连接灵敏再生放大器。
10.一种制备如权利要求1所述铁电电容的方法，其步骤包括：
1)通过物理气相沉积PVD方法在硅衬底表面制备底电极；
2)通过原子层沉积ALD在步骤1)中制备的底电极上生长介质层；
3)通过原子层沉积ALD在步骤2)中生长好的介质层表面生长铁电介质层；
4)通过物理气相沉积PVD继续生长顶电极；
5)通过光刻定义电容面积，并通过湿法腐蚀或干法刻蚀的方法去除其他部分材料，暴露底电极；
6)快速热退火结晶，使材料产生铁电性；
7)制备接触电极。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111068025.1A CN113871386A (zh) | 2021-09-13 | 2021-09-13 | 基于非对称叠层的铁电电容和低压高速铁电存储器以及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111068025.1A CN113871386A (zh) | 2021-09-13 | 2021-09-13 | 基于非对称叠层的铁电电容和低压高速铁电存储器以及制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113871386A true CN113871386A (zh) | 2021-12-31 |
Family
ID=78995501
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111068025.1A Pending CN113871386A (zh) | 2021-09-13 | 2021-09-13 | 基于非对称叠层的铁电电容和低压高速铁电存储器以及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113871386A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114927526A (zh) * | 2022-06-02 | 2022-08-19 | 北京超弦存储器研究院 | 一种铁电存储器及其铁电电容和制备方法 |
-
2021
- 2021-09-13 CN CN202111068025.1A patent/CN113871386A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114927526A (zh) * | 2022-06-02 | 2022-08-19 | 北京超弦存储器研究院 | 一种铁电存储器及其铁电电容和制备方法 |
| WO2023231430A1 (zh) * | 2022-06-02 | 2023-12-07 | 北京超弦存储器研究院 | 一种铁电存储器及其铁电电容和制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11532635B1 (en) | High-density low voltage multi-element ferroelectric gain memory bit-cell with pillar capacitors | |
| JP6229026B2 (ja) | 半導体装置 | |
| TWI611515B (zh) | 採用應變閘極工程與鐵電負電容介電質之動態隨機記憶體及其製造方法 | |
| JP5674576B2 (ja) | 半導体装置 | |
| US20160118404A1 (en) | Three-dimensional non-volatile ferroelectric random access memory | |
| US11790972B1 (en) | Writing scheme for multi-element gain ferroelectric memory bit-cell with plate-lines parallel to a bit-line and with individual switches and control on the plate-lines of the bit-cell | |
| US5889696A (en) | Thin-film capacitor device and RAM device using ferroelectric film | |
| CN100388497C (zh) | 金属薄膜及其制造方法、电介质电容器及其制造方法及半导体装置 | |
| WO2023231430A1 (zh) | 一种铁电存储器及其铁电电容和制备方法 | |
| US20030028745A1 (en) | Semiconductor storage device | |
| CN104637948A (zh) | 非破坏性读出铁电存储器及其制备方法和读/写操作方法 | |
| CN113871386A (zh) | 基于非对称叠层的铁电电容和低压高速铁电存储器以及制备方法 | |
| Chang et al. | Hafnium-based FeRAM for Next-generation High-speed and High-Density Embedded Memory | |
| WO2023216965A1 (zh) | 铁电存储器及其形成方法、电子设备 | |
| CN116193867A (zh) | 高密度铁电存储器及其制备方法和应用 | |
| US20240206189A1 (en) | Ferroelectric memory and forming method thereof, and electronic device | |
| US11765908B1 (en) | Memory device fabrication through wafer bonding | |
| US20220246716A1 (en) | Capacitor for dynamic random access memory, dram including the same and methods of fabricating thereof | |
| WO2023115265A1 (zh) | 铁电存储器及其制造方法 | |
| CN117156864A (zh) | 一种三维堆叠铁电电容交叉点阵存储器及其制备方法 | |
| CN117769259A (zh) | 一种基于多层氧化铪薄膜的铁电存储器件及制造方法 | |
| CN116133437A (zh) | 高速高密度铁电存储器及其制备方法和应用 | |
| CN117794250A (zh) | 铁电存储阵列及其制备方法、存储器、电子设备 | |
| CN117769257A (zh) | 铁电存储阵列及其制备方法、存储器、电子设备 | |
| JP3458217B2 (ja) | 容量素子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |