CN1812105A - 铁电记忆体装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铁电记忆体装置，包括：多个第一电极，该第一电极彼此基本平行；多个第二电极，该第二电极彼此基本平行且与上述第一电极相垂直；及一铁电记忆体薄膜位于第一电极与第二电极之间。该铁电记忆体薄膜材料为铁电聚合物，该铁电聚合物为铁电纳米晶与聚合物基体溶液混合形成而成，铁电纳米晶均匀分散于聚合物中。其对电场的响应速度非常快，在重复转换存储单元的存储状态时能够有效地消除疲劳现象，且在厚度非常薄的时候仍然能够体现出良好地铁电效应，因此能够更好地适应未来记忆体大规模集成化发展要求。

Description

铁电记忆体装置及其制造方法

【技术领域】

本发明涉及一种铁电记忆体装置及其制造方法，尤其涉及一种使用铁电电容器构成存储单元的矩阵型铁电记忆体装置及其制造方法。

【背景技术】

传统半导体记忆体包括易失性记忆体(Volatile Memory)与非易失性记忆体(Non-volatile Memory)两大体系。易失性记忆体如SRAM与DRAM，它们具有快速、易用及性能好的优点，但在没有电源的情况下易失性记忆体皆不能保数据。而非易失性记忆体如EPROM与EEPROM等由于起源于只读存储器(ROM)技术，它们虽然可以在断电后继续保存数据，但却存在写入缓慢、写入次数有限以及写入时需要较大功耗等缺点。

铁电随机存取记忆体(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)因为同时兼有RAM与ROM记忆体的性能，自其问世以来便引起了人们的极大关注。铁电记忆体装置是一种使用铁电材料的记忆体装置。所谓铁电材料，是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材料的这种特性被称为“铁电现象”或“铁电效应”。目前使用最多的铁电材料是锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃，PZT)。

按照结构来分，现有的铁电记忆体装置可分为1T、1T1C、2T2C以及单纯矩阵型(T：晶体管；C：电容)。其中，1T型由于其结构缺少电容，因此数据保存的时间较短。1T1C与2T2C型由于结构较为复杂不适于集成化程度的提高。而单纯矩阵型则由于单元(Cell)尺寸较小，且容易实现多层化，因而更加适应未来记忆体高集成度与低成本发展的要求。

2004年3月24日，中国大陆专利申请公开号为CN1484858A揭露一种单纯矩阵型铁电存储装置及其制造方法，该铁电存储装置包括一第一电极、与第一电极交叉排列的第二电极及至少位于两电极间的铁电体薄膜，该铁电体薄膜材料是采用锆钛酸铅或其它纯度较高的铁晶体管材料。然而，当铁电材料的厚度小于一定范围时铁晶体管结构自身的自极化现象会逐渐消失，其所需外加转换电场则会增加，尤其当铁电薄膜的厚度小于100纳米时，这种铁电材料丧失铁电效应的现象尤为明显。

因此，提供一种适应未来记忆体集成化发展要求，自极化及存储转换性能好的铁电记忆体及其制造方法十分必要。

【发明内容】

为解决现有技术中当铁电材料的厚度小于一定范围时会丧失铁电效应的技术问题，本发明的目的是提供一种适应未来记忆体大规模集成化发展要求，在厚度非常薄时仍然具有良好的自极化及存储转换性能的铁电记忆体装置。

本发明的另一目的是提供一种上述铁电记忆体装置的制造方法。

为实现本发明的目的，本发明提供一种铁电记忆体装置，其包括：多个第一电极，该第一电极彼此基本平行；多个第二电极，该第二电极彼此基本平行且与上述第一电极相垂直；及一铁电记忆体薄膜位于第一电极与第二电极之间。该铁电记忆体薄膜材料为铁电聚合物，该铁电聚合物为铁电纳米晶与聚合物基体溶液混合形成而成，铁电纳米晶均匀分散于聚合物中。

为实现本发明的另一目的，本发明提供一种铁电记忆体装置的制造方法，其包括以下步骤：提供一基底；形成多个相互平行的第一电极于上述基底表面作为铁电记忆体装置的字线；形成铁电记忆体薄膜于上述第一电极与基底；形成多个相互平行的第二电极于上述铁电记忆体薄膜上作为铁电记忆体装置的位线，该第二电极与第一电极相垂直。

本发明铁电记忆体薄膜的形成方法包括以下步骤：制备铁电纳米晶材料；将聚合物基体材料溶解于极性溶剂内形成聚合物基体的前体溶液；将铁电纳米晶均匀分散于上述聚合物基体前体溶液；沉积形成铁电记忆体薄膜。

本发明铁电纳米晶材料的制备方法包括以下步骤：按照化学计量比配备出铁电体基体材料的复合醇盐前躯体溶液；将混合后的复合前躯体溶液放入空气中一段时间，形成凝胶；将所形成的凝胶放入炉中烘干，将其研碎得到铁电纳米晶材料。

与现有技术相比较，本发明的铁电记忆体装置及其制造方法采用铁电纳米晶聚合物材料作为存储材料，其对电场的响应速度非常快，在重复转换存储单元的存储状态时能够有效地消除疲劳现象，因而具有良好地存储转换性能及迟滞曲线。另外，由于本发明的铁电记忆体材料在其厚度非常薄的时候仍然能够体现出良好地铁电效应，因此能够更好地适应未来记忆体大规模集成化发展要求。

【附图说明】

图1是本发明的铁电记忆体装置的示意图；

图2是图1沿II-II线的剖视示意图；

图3是本发明的铁电记忆体装置的迟滞曲线的示意图；

图4是本发明的铁电记忆体的制造方法的流程示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

请参阅图1，本发明提供一种铁电记忆体装置10，其包括：多个第一电极12，该第一电极12彼此基本平行，形成铁电记忆体装置10的字线。多个第二电极14，该第二电极14彼此基本平行且与上述第一电极12成交叉垂直方向排列，形成铁电记忆体装置10的位线。铁电记忆体薄膜13位于第一电极12与第二电极14之间，形成多个铁电记忆体装置10的存储单元15。该铁电记忆体薄膜13材料为一种铁电聚合物。该铁电聚合物为铁电纳米晶与聚合物基体溶液混合形成而成，铁电纳米晶均匀分散于聚合物中。其中，铁电纳米晶材料可选自：铌酸锶钡(SrBi₂Ta₂O₉，SBT)、锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃，PZT)或钛酸钡(BaTiO₃)。聚合物材料包括聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)及其共聚物。

图2是第一图沿II-II线剖视图。第一电极12与第二电极14彼此间隔，并且将铁电记忆体薄膜13夹在其中。位于字线与位线之间交叉点处的铁电记忆体薄膜13构成铁电记忆体装置10的一个存储单元15，该存储单元15具有电容类结构。当对字线与位线施加电压时，在每根字线与位线的交叉处将建立一个电场穿过铁电记忆体薄膜13。由于铁电材料的铁电效应，存储单元15可以无限地储存这种极化状态，直到再次向存储单元15施加电场而转化该极化状态。

图3是本发明铁电记忆体装置的迟滞曲线。本发明铁电记忆体装置在工作时将通过图3所示进行寻址。所示铁电极记忆体材料的极化与电场E相关，极化值将沿着迟滞曲线以指定的方向移动。通过施加比矫顽电场Ec更强的电场E，如图所示具有迟滞曲线的铁电记忆体材料将改变其极化方向。当电场E变得大干矫顽电场Ec时，极化度P变为大的正值+Pr。该正极化度+Pr将一直保持到较大电场(其数值大于负电场-Ec)时再次将极化度变为负的极化状态为止。因此具有铁电记忆体的装置在没有施加电场时表现出存储效应，并且将会通过给存储材料施加电势差以产生极化响应而存储非易失性数据。因此可以将极化的方向与数值以所需状态固定化并且保存。即，可通过在每个存储单元选择性寻址以进行读/写操作，在存储单元建立所需的极化状态，或者进行极化转换，并且其中在存储单元中建立的极化状态决定其逻辑状态。

请参阅图4，本发明提供一种铁电记忆体装置的制造方法，其包括以下步骤：

步骤100是提供一具光滑表面的基底，基底材料为硅。

步骤200是形成多个第一电极于上述基底的光滑表面作为铁电记忆体装置的字线，该第一电极为条状、彼此相互平行且具有一定间隔距离。电极材料可选自铂(Pt)、银(Ag)、铜(Cu)，优选为铂。电极的形成方法包括溅射法。

步骤300是形成铁电记忆体薄膜于上述第一电极与基底上。本发明的铁电记忆体薄膜是一种铁电聚合物薄膜材料，是将铁电纳米晶材料与聚合物通过极性溶剂溶解混合制成的薄膜，薄膜厚度小于100纳米，优选为20～100纳米。其中，铁电纳米晶材料可选自：铌酸锶钡(SrBi₂Ta₂O₉，SBT)、锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃，PZT)或钛酸钡(BaTiO₃)。聚合物材料包括聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)及其共聚物。

步骤400是形成多个第二电极于上述铁电记忆体薄膜上作为铁电记忆体装置的位线。其中，该第二电极为条状、彼此相互平行且具有一定间隔距离。第二电极与第一电极相互交叉垂直排列，位于字线与位线之间交叉点处的铁电记忆体薄膜构成铁电记忆体装置的一个存储单元。电极材料可选自铂(Pt)、银(Ag)、铜(Cu)，优选为铂。电极的形成方法包括溅射法。

本发明的铁电记忆体薄膜的形成方法包括以下步骤：首先制备铁电纳米晶材料，制备方法包括水热法或溶胶-凝胶法，纳米晶粒径范围为10～80纳米；其次将聚合物基体材料溶解于极性溶剂内形成聚合物基体的前体溶液；然后通过超声波将铁电纳米晶均匀分散于上述聚合物基体前体溶液，其中铁电纳米晶的质量百分含量为1～30％(铁电纳米晶质量/聚合物基体质量)；沉积形成铁电记忆体薄膜，具体方法包括以甩胶法(Spin-Coating)或浸渍法(Dip-Coating)沉积形成薄膜，再通过热处理蒸发溶剂，根据所需铁电记忆体薄膜的厚度，该沉积形成铁电记忆体薄膜的工艺过程可重复多次。

本发明通过溶胶-凝胶法制备铁电纳米晶材料的具体方法包括：首先，按照化学计量比配备出铁电体基体材料的复合醇盐前躯体溶液。其中溶剂一般采用2-甲氧基乙醇，构成铁电体的主要成分的前躯体包括各类醇盐或其它有机盐。配置的基本程序是：先将金属中含有的各种有机盐或醇盐分别溶于2-甲氧基乙醇，再将溶液混合并搅拌，使其形成复合醇盐溶液。对于具有两种以上金属元素的铁电体，一般先将其中两类化学活性较小，或化学相近的金属前躯体溶液相混合。如对于锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃，PZT)体系，首先将Zr的前驱体溶液(异丙酸锆)溶液与Ti的前驱体溶液(丁醇钛)相混合，再将混合溶液Pb的前驱体溶液(醋酸铅)溶液相混合。其次，将混合后的复合前躯体溶液放入空气中一段时间，形成凝胶。最后，将所形成的凝胶放入炉中烘干，将其研碎得到铁电纳米晶材料。其中，纳米晶粒径范围为10～80纳米。

本发明的铁电记忆体装置可通过堆栈形成三维或大体积的数据存储装置。其中，每个铁电记忆体装置中有一套电极将与另一个铁电记忆体装置共享，或者采用电绝缘层作为分离层夹在铁电记忆体装置之间以形成所需的堆栈。

本发明的铁电记忆体装置及其制造方法采用铁电纳米晶聚合物材料作为存储材料，其对电场的响应速度非常快，在重复转换存储单元的存储状态时能够有效地消除疲劳现象，因而具有良好地存储转换性能及迟滞曲线。另外，由于本发明的铁电记忆体材料在其厚度非常薄的时候仍然能够体现出良好地铁电效应，因此能够更好地适应未来记忆体大规模集成化发展要求。

Claims (12)

1.一种铁电记忆体装置，其包括：多个第一电极，该第一电极彼此基本平行；多个第二电极，该第二电极彼此基本平行且与上述第一电极相垂直；及铁电记忆体薄膜位于第一电极与第二电极之间；其特征在于，该铁电记忆体薄膜材料为铁电聚合物，该铁电聚合物包括铁电纳米晶。

2.如权利要求1所述的铁电记忆体装置，其特征在于该铁电聚合物由铁电纳米晶与聚合物基体溶液混合形成而成，铁电纳米晶均匀分散于聚合物中。

3.如权利要求2所述的铁电记忆体装置，其特征在于该聚合物材料包括聚偏二氟乙烯及其共聚物。

4.如权利要求1所述的铁电记忆体装置，其特征在于该铁电纳米晶材料选自铌酸锶钡、锆钛酸铅或钛酸钡。

5.如权利要求1所述的铁电记忆体装置，其特征在于该第一电极与第二电极材料选自铂、银或铜。

6.如权利要求1所述的铁电记忆体装置，其特征在于铁电记忆体薄膜的厚度为20～100纳米。

7.一种铁电记忆体装置的制造方法，其包括以下步骤：

提供一基底；

形成多个相互平行的第一电极于上述基底表面作为铁电记忆体装置的字线；

形成铁电记忆体薄膜于上述第一电极与基底；

形成多个相互平行的第二电极于上述铁电记忆体薄膜上作为铁电记忆体装置的位线，该第二电极与第一电极垂直。

8.如权利要求7所述的铁电记忆体装置的制造方法，其特征在于该铁电记忆体薄膜的形成方法包括以下步骤：

制备铁电纳米晶材料；

将聚合物基体材料溶解于极性溶剂内形成聚合物基体的前体溶液；

将铁电纳米晶均匀分散于上述聚合物基体前体溶液；

沉积形成铁电记忆体薄膜。

9.如权利要求8所述的铁电记忆体装置的制造方法，其特征在于该铁电纳米晶材料的制备方法包括以下步骤：

按照化学计量比配备出铁电体基体材料的复合醇盐前躯体溶液；

将混合后的复合前躯体溶液放入空气中一段时间，形成凝胶；

将所形成的凝胶放入炉中烘干，将其研碎得到铁电纳米晶材料。

10.如权利要求8所述的铁电记忆体装置的制造方法，其特征在于该铁电纳米晶材料的制备方法选自水热法或溶胶-凝胶法。

11.如权利要求8所述的铁电记忆体装置的制造方法，其特征在于铁电纳米晶于聚合物基体前体溶液的质量百分含量为1～30％。

12.如权利要求8所述的铁电记忆体装置的制造方法，其特征在于沉积形成铁电记忆体薄膜的方法包括甩胶法或浸渍法。

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