專利名稱：非揮發(fā)性集成鐵電薄膜存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于可編程非揮發(fā)性鐵電薄膜存儲(chǔ)器，屬于新一代信息存儲(chǔ)器?？捎糜谝苿?dòng)電話、PHS和移動(dòng)數(shù)據(jù)終端、電子辭典、信用卡、電子游戲機(jī)等需要低電壓、大容量、高速處理大量數(shù)據(jù)的方面。
鐵電體和半導(dǎo)體相結(jié)合組成存儲(chǔ)器件早在1957年已提出，如1957年5月7日公布的美國(guó)專利(U.S.Patent，2791758，U.S.Patent，2791759，U.S.Patent，2791760，U.S.Patent，2791761)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想。后又通過濺射半導(dǎo)體膜在鐵電體上形成存儲(chǔ)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.)。但這些器件都存在半導(dǎo)體薄膜材料的電學(xué)不穩(wěn)定性問題，即ON或OFF態(tài)的電導(dǎo)會(huì)隨時(shí)間漂移進(jìn)入中間態(tài)。七十年代，S.Y.Wu提出了一新的結(jié)構(gòu)，即用鐵電薄膜代替柵絕緣體，組成一鐵電-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(U.S.Patent，3728694，1973.Ferroelectrics，10，209(1976))。但在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，電子和空穴將從半導(dǎo)體注入到鐵電體，使記憶時(shí)間以秒數(shù)量級(jí)衰減，且工作電壓過高無法與硅集成電路相容。1988年美國(guó)Ramtron公司把PZT膜和半導(dǎo)體芯片集成，利用PZT自發(fā)極化反轉(zhuǎn)電流檢出方式制成了FRAM(FerroelectricsRandomAcessMemories，鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)(Ramtron CorporationTechnical Report 1988)。雖然以這一方式可形成高容量的1T/1C結(jié)構(gòu)，但其讀寫方式是破壞性的，而鐵電薄膜的反轉(zhuǎn)電荷隨讀寫次數(shù)增多而逐漸下降，將產(chǎn)生所謂的鐵電薄膜疲勞現(xiàn)象，即使材料性能提高到如Y1材料可反轉(zhuǎn)1013次，仍和EEPROM(擦寫105次，讀1015次)有一定距離，難以在高頻度讀操作下工作。為解決這一問題，Marrami等提出了DRAM式的非破壞性讀寫方式，僅在斷電時(shí)極化鐵電薄膜。這一方式的主要缺點(diǎn)在于鐵電薄膜處于短路狀態(tài)，要求鐵電薄膜長(zhǎng)時(shí)間承受一定的電壓，這一電壓常產(chǎn)生“時(shí)間相關(guān)的直流擊穿”，即鐵電薄膜通常在30μs單脈沖下可承受45V電壓，但長(zhǎng)時(shí)間下，5V甚至2.5V即可造成鐵電薄膜的擊穿。
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有鐵電薄膜存儲(chǔ)器的疲勞和直流擊穿問題。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，用鐵電薄膜電容器和一開關(guān)管和DRAM(DynamicRandonAccessMemory，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)或SRAM(StaticRandomAccessMemory，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)芯片集成組成一具有非揮發(fā)性記憶的鐵電薄膜存儲(chǔ)器。其特征是把開關(guān)和鐵電電容器組成的鐵電存儲(chǔ)器單元并聯(lián)到DRAM的存儲(chǔ)電容上或接在SRAM的輸出端上。


圖1為非揮發(fā)性集成鐵電薄膜存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2為非揮發(fā)性集成鐵電薄膜DRAM存儲(chǔ)器的電路示意圖。
圖3為鐵電電容器充電電流和自發(fā)極化關(guān)系。
圖4為非揮發(fā)性集成鐵電薄膜存儲(chǔ)器的時(shí)序圖。
圖5為非揮發(fā)性集成鐵電薄膜SRAM存儲(chǔ)器的電路圖。
以下結(jié)合附圖詳述本發(fā)明的原理。
如圖1所示，本發(fā)明的存儲(chǔ)器件包括鐵電薄膜(2)、下電極Pt膜(3)、及上電極(1)、硅片襯底中有DRAM的1T/1C(5)及場(chǎng)效應(yīng)管(6)。鐵電薄膜和上下電極組成鐵電電容器。鐵電薄膜材料為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(包括層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu))的鐵電材料，如PbTiO3，PZT，Bi4Ti3O12，SrBi2Nb2O9。
圖2為該器件的電路圖。DRAM中電容C1的AB的端并聯(lián)一鐵電電容器Cf和MOS管Tf，用CP2線控制Tf。
本發(fā)明工作原理如下當(dāng)外加電壓和鐵電薄膜自發(fā)極化方向相同時(shí)，電流-電壓關(guān)系如圖3(a)所示。此時(shí)鐵電電容器近似一線性電容，當(dāng)外加電壓與自發(fā)極化反向且外加電壓超過鐵電膜的矯頑電壓時(shí)，如圖3(b)所示，自發(fā)極化將反向，電路中有一峰值電流流過，此時(shí)鐵電薄膜類似于一大電容，將鐵電薄膜電容器Cf和開關(guān)管Tf并聯(lián)在電容C1的AB點(diǎn)(見圖2)。工作時(shí)，CP2處于低電平(VL)，Tf不導(dǎo)通，Cf處于開路狀態(tài)，此時(shí)存儲(chǔ)器工作如DRAM。當(dāng)要斷電時(shí)，CP1和CP2同時(shí)處于高電平(VH)，T1、Tf導(dǎo)通，數(shù)據(jù)信號(hào)電壓通過T1和Tf加在鐵電薄膜電容器Cf上，使其極化，記錄下當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)。寫入狀態(tài)由WL＝VH、VS＝VL，或VS＝VH、WL＝VL而定。
當(dāng)電源重新開通后，工作時(shí)序示于圖4，首先在t＝0時(shí)，使WL＝VH、VS＝VL，接著讓CP1為高電平T1導(dǎo)通，對(duì)C1充電，然后讓CP1為低電平關(guān)斷T1，同時(shí)使CP2高電平導(dǎo)通Tf。鐵電電容器Cf和C1并聯(lián)，此時(shí)C1將對(duì)Cf充電，如Vc1和Cf中極化方向相同，C1上的電壓將從Vc1突變到(C1/(C1+Cf))·Vc1，然后隨e-t/R(C1+Cf)放電，可以選擇Cf＜C1·(1～2)/10使(C1/(C1+Cf))·Vc1仍為高電平，即Vc1和Cf的極化方向相同時(shí)，輸出狀態(tài)不變，而Vc1和Cf中極化方向反向時(shí)，可預(yù)先選擇Cf的厚度df使Vc1/df＞2Ec(Ec為鐵電薄膜的矯頑場(chǎng))，選擇材料的極化值Ps使2Ps＝Vc1·C1。所以Vc1對(duì)Cf充電時(shí)，Cf中自發(fā)極化將反向。極化反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電荷將中和C1上的充電電荷，使Vc1趨于低電位，輸出為低電平。讀出電路將讀出的信號(hào)輸出到數(shù)據(jù)輸出線的同時(shí)把該信號(hào)反饋到數(shù)據(jù)輸入線，使WL線的電平根據(jù)Cf的存儲(chǔ)狀態(tài)重新置位再開始以DRAM方式工作。
可利用同樣原理，將本發(fā)明應(yīng)用于SRAM，如圖5所示。
工作狀態(tài)簡(jiǎn)述如下工作時(shí)，CP2為低電位關(guān)斷Tf，此時(shí)Cf開路，整個(gè)電路如SRAM。要斷電時(shí)，使CP1、CP2為高電平，打開T5、T6和Tf，使信號(hào)電壓給Cf極化，記錄下狀態(tài)。
通電時(shí)，先使所有的WL為高電位，再使CP1為高電位、CP2為低電位，打開T5、T6關(guān)斷Tf，使存儲(chǔ)單元都置位為“1”、然后使CP1為低電位，關(guān)斷T5、T6，使CP2為高電平，打開Tf，使靜態(tài)存儲(chǔ)器本身存儲(chǔ)的狀態(tài)對(duì)Cf充電。充電電流大小根據(jù)Cf中自發(fā)極化方向不同而有很大不同，電流大將使靜態(tài)存儲(chǔ)器反轉(zhuǎn)，否則則不變。所以根據(jù)Cf的原有極化方向，靜態(tài)存儲(chǔ)器將保持或改變狀態(tài)，然后通過讀出放大電路對(duì)輸入電路重新置位，再以SRAM方式開始工作。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有鐵電薄膜存儲(chǔ)器的易疲勞或易擊穿的缺點(diǎn)，有以下特點(diǎn)1、能實(shí)現(xiàn)非揮發(fā)性存儲(chǔ)，即斷電后仍能保存信息。
2、鐵電存儲(chǔ)單元僅在斷電時(shí)被極化，在工作狀態(tài)時(shí)處于開路，克服了現(xiàn)有技術(shù)中鐵電存儲(chǔ)單元為短路時(shí)所固有的缺陷。
3、體積小，集成度高，由于鐵電存儲(chǔ)電容其可立體集成在芯片上，且其尺寸符合大規(guī)模集成電路要求。
4、可以規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明在制備時(shí)可把淀積鐵電薄膜作為最后的處理過程，既能減少投資又能很容易投入大規(guī)模生產(chǎn)。
實(shí)施例1DRAM的存儲(chǔ)器內(nèi)部工作電壓的高電平一般為4V，電容一般為50fF-5pF，選擇C1＝50fF/μm2。根據(jù)現(xiàn)有制備鐵電薄膜技術(shù)，定鐵電電容器Cf的厚度為200μm。根據(jù)本發(fā)明原理，須滿足以下條件1)Cf＜((1～2)/10)C1，2)Vc＞2d·Ec，3)Pr＝Vc1·C1/2。
計(jì)算可得，具有如下參數(shù)的鐵電薄膜將符合要求介電系數(shù)ε～200，矯頑場(chǎng)強(qiáng)Ec＜100kV/cm，剩余自發(fā)極化Pr＞10μC/cm2，鐵電薄膜存儲(chǔ)單元的面積為1μm2(64M DRAM存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元面積為1.3μm2)，所以可選擇鐵電材料PbTiO3。制作方法為先用濺射法在DRAM或SRAM芯片上制備100nm左右的(111)擇優(yōu)取向的Pt膜下電極，用現(xiàn)代鐵電薄膜制備技術(shù)如MOCVD法或Sputtering法或Sol-gel法再淀積200nm厚度的鐵電薄膜PbTiO3，然后用蒸發(fā)或?yàn)R射淀積鉻金上電極(如圖1)。
實(shí)施例2所選擇的鐵電材料為PZT，其他同實(shí)施例1。
實(shí)施例3所選擇的鐵電材料為Bi4Ti3O12，其他同實(shí)施例1。
實(shí)施例4所選擇的鐵電材料為SrBi2Nb2O9，其他同實(shí)施例1。
實(shí)施例5內(nèi)藏有IC芯片的信用卡統(tǒng)稱為IC卡，其中的存儲(chǔ)器分別為揮發(fā)性存儲(chǔ)器SRAM(輔以電池)和非揮發(fā)性存儲(chǔ)器MASKROM、PROM、E2PROM，現(xiàn)主要使用的是64kbitE2PROM。但在低電壓下需高速寫入和寫操作頻度高的場(chǎng)合，MASKROM、EPROM、FUSEROM等不用說，E2PROM和FLASH存儲(chǔ)器將不適合，只有SRAM加電池可用。本發(fā)明為2T/2C結(jié)構(gòu)，比6T SRAM有更高的集成度，而且斷電時(shí)信息不會(huì)象SRAM那樣消失掉。且鐵電薄膜的反轉(zhuǎn)時(shí)間小(lns)、消耗電力少、擦寫次數(shù)高(108～1010)，在將來無內(nèi)藏電池的信用卡中也有很大的應(yīng)用前景，性能是其他存儲(chǔ)器所不能比的。
權(quán)利要求
1.一種非揮發(fā)性集成鐵電薄膜存儲(chǔ)器，由鐵電薄膜電容器、開關(guān)管構(gòu)成的鐵電存儲(chǔ)單元，制有DRAM或SRAM的硅片襯底構(gòu)成，其特征是把開關(guān)和鐵電電容器組成的鐵電存儲(chǔ)單元并聯(lián)到DRAM的存儲(chǔ)電容上或接在SRAM的輸出端上。
2.如權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性集成鐵電薄膜存儲(chǔ)器，其特征是鐵電薄膜采用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(包括層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu))的鐵電材料。
3.如權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性集成鐵電薄膜存儲(chǔ)器，其特征是把鐵電薄膜和上下電極組成的鐵電電容器用MOCVD、濺射法、Sol-Gel法、蒸發(fā)法直接淀積到制有DRAM或SRAM的集成電路芯片上。
全文摘要
一種非揮發(fā)性集成鐵電薄膜存儲(chǔ)器，屬于新一代信息存儲(chǔ)器領(lǐng)域。主要由包含鐵電薄膜電容器、開關(guān)管組成的鐵電存儲(chǔ)單元和制有DRAM或SRAM存儲(chǔ)電路的芯片構(gòu)成，鐵電存儲(chǔ)單元淀積在芯片上，其特征是鐵電存儲(chǔ)單元并聯(lián)在DRAM的存儲(chǔ)電容上或接在SRAM的輸出端上?？朔爽F(xiàn)有鐵電存儲(chǔ)器的直流擊穿和易疲勞等缺點(diǎn)，集成度高，能實(shí)現(xiàn)非揮發(fā)性存儲(chǔ)，易規(guī)模生產(chǎn)，可廣泛用于信用卡、電子辭典、電子記錄本、移動(dòng)電話、電子游戲機(jī)等方面。
文檔編號(hào)G11C11/22GK1151591SQ95113358
公開日1997年6月11日 申請(qǐng)日期1995年12月7日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月7日
發(fā)明者陳先同, 丁愛麗, 羅維根, 仇萍蓀, 何夕云, 屈新萍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所