非挥发性集成铁电薄膜存储器的制作方法

xiaoxiao2020-8-1  1

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专利名称:非挥发性集成铁电薄膜存储器的制作方法
技术领域
本发明是关于可编程非挥发性铁电薄膜存储器,属于新一代信息存储器。可用于移动电话、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。
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.Patent,2791758,U.S.Patent,2791759,U.S.Patent,2791760,U.S.Patent,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-StateElectron.,Vol.9,pp.657-661,1966.Proc.IEEE,Vol.54,pp.842-848,1966.IEEE Trans.Electron Devices,Vol.ED-14,pp.816-821,1967.IEEE Trans.Electron Devices,Vol.15,pp.182-183,1968.Solid State Electron,Vol.11,pp.527-533,1968.IEEE Trans Electron Devices,Vol.ED-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-半导体场效应管(U.S.Patent,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PZT自发极化反转电流检出方式制成了FRAM(FerroelectricsRandomAcessMemories,铁电随机存取存储器)(Ramtron CorporationTechnical Report 1988)。虽然以这一方式可形成高容量的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Y1材料可反转1013次,仍和EEPROM(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。
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(DynamicRandonAccessMemory,动态随机存取存储器)或SRAM(StaticRandomAccessMemory,静态随机存取存储器)芯片集成组成一具有非挥发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。


图1为非挥发性集成铁电薄膜存储器的结构原理图。
图2为非挥发性集成铁电薄膜DRAM存储器的电路示意图。
图3为铁电电容器充电电流和自发极化关系。
图4为非挥发性集成铁电薄膜存储器的时序图。
图5为非挥发性集成铁电薄膜SRAM存储器的电路图。
以下结合附图详述本发明的原理。
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/1C(5)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)的铁电材料,如PbTiO3,PZT,Bi4Ti3O12,SrBi2Nb2O9。
图2为该器件的电路图。DRAM中电容C1的AB的端并联一铁电电容器Cf和MOS管Tf,用CP2线控制Tf。
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Cf和开关管Tf并联在电容C1的AB点(见图2)。工作时,CP2处于低电平(VL),Tf不导通,Cf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(VH),T1、Tf导通,数据信号电压通过T1和Tf加在铁电薄膜电容器Cf上,使其极化,记录下当时的数据。写入状态由WL=VH、VS=VL,或VS=VH、WL=VL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=VH、VS=VL,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Tf。铁电电容器Cf和C1并联,此时C1将对Cf充电,如Vc1和Cf中极化方向相同,C1上的电压将从Vc1突变到(C1/(C1+Cf))·Vc1,然后随e-t/R(C1+Cf)放电,可以选择Cf<C1·(1~2)/10使(C1/(C1+Cf))·Vc1仍为高电平,即Vc1和Cf的极化方向相同时,输出状态不变,而Vc1和Cf中极化方向反向时,可预先选择Cf的厚度df使Vc1/df>2Ec(Ec为铁电薄膜的矫顽场),选择材料的极化值Ps使2Ps=Vc1·C1。所以Vc1对Cf充电时,Cf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Vc1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Cf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Tf,此时Cf开路,整个电路如SRAM。要断电时,使CP1、CP2为高电平,打开T5、T6和Tf,使信号电压给Cf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Tf,使存储单元都置位为“1”、然后使CP1为低电位,关断T5、T6,使CP2为高电平,打开Tf,使静态存储器本身存储的状态对Cf充电。充电电流大小根据Cf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Cf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、能实现非挥发性存储,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淀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。
实施例1DRAM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,定铁电电容器Cf的厚度为200μm。根据本发明原理,须满足以下条件1)Cf<((1~2)/10)C1,2)Vc>2d·Ec,3)Pr=Vc1·C1/2。
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>10μC/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1.3μm2),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MOCVD法或Sputtering法或Sol-gel法再淀积200nm厚度的铁电薄膜PbTiO3,然后用蒸发或溅射淀积铬金上电极(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挥发性存储器SRAM(辅以电池)和非挥发性存储器MASKROM、PROM、E2PROM,现主要使用的是64kbitE2PROM。但在低电压下需高速写入和写操作频度高的场合,MASKROM、EPROM、FUSEROM等不用说,E2PROM和FLASH存储器将不适合,只有SRAM加电池可用。本发明为2T/2C结构,比6T SRAM有更高的集成度,而且断电时信息不会象SRAM那样消失掉。且铁电薄膜的反转时间小(lns)、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。
权利要求
1.一种非挥发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DRAM或SRAM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DRAM的存储电容上或接在SRAM的输出端上。
2.如权利要求1所述的非挥发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(包括层状钙钛矿结构)的铁电材料。
3.如权利要求1所述的非挥发性集成铁电薄膜存储器,其特征是把铁电薄膜和上下电极组成的铁电电容器用MOCVD、溅射法、Sol-Gel法、蒸发法直接淀积到制有DRAM或SRAM的集成电路芯片上。
全文摘要
一种非挥发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DRAM或SRAM存储电路的芯片构成,铁电存储单元淀积在芯片上,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,能实现非挥发性存储,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。
文档编号G11C11/22GK1151591SQ95113358
公开日1997年6月11日 申请日期1995年12月7日 优先权日1995年12月7日
发明者陈先同, 丁爱丽, 罗维根, 仇萍荪, 何夕云, 屈新萍 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所

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