[发明专利]一种基于金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半导体场效应管结构的存储器单元

说明书

技术领域

本发明属存储器件领域，涉及基于场效应管结构的非破坏性读取的非挥发存 储器件。尤其涉及一种基于金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半导体场效应管结构的 存储器单元。

背景技术

IT产业中存储器件的产品占据了整个市场的四分之一，其中以非挥发闪存 器件FLASH的发展逐渐成为主流。这种存储器件的优点是存储密度高、数据读取 速度快、成本低，但是它的缺点是数据的擦写操作速度慢(～ms量级)、电压高 (～7V)和持久性差(～10⁵循环)，很难完全替代目前市场上的EEPROM、SRAM 和DRAM等，限制了该产品未来的发展。

快闪存储器件主要有两种类型，一种是浮栅型，基本结构是金属/氧化硅/ 金属浮栅/氧化硅/硅场效应管，另一种是电荷俘获型，基本结构是金属/氮化硅/ 氧化硅/硅场效应管。两种器件存储、读取数据的原理是一致的，只是前者是把 电荷存储在金属浮栅中，而后者是把电荷存储在氮化硅/氧化硅界面陷阱中。这 两种构造都会导致相当一部分的外电场加在了对注入电荷没有帮助的上层氧化 硅(或氮化硅)上，从而导致隧道电流变小，影响了擦写操作速度(一般为~ms 量级)。

发明内容

本发明的目的是提供基于场效应管结构的非破坏性读取的非挥发存储器件。 尤其涉及一种基于金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半导体场效应管结构的存储器 单元。

具体而言，本发明提供了/金属氧化物结构替代快闪存储器中的氧化硅/金属 浮栅/氧化硅结构(浮栅型)以及氮化硅/氧化硅结构(电荷俘获型)，利用反铁 电薄膜在外加电场下电畴迅速反转引起极化强度迅速增大，从而使反铁电薄膜的 电容迅速变大，于是外加电场几乎全部加在金属氧化物层上，使起注入电荷作用 的隧穿电流比起快闪存储器有显著增大，所以金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半 导体结构的编程、檫除速度要快很多。在外加电场撤去后，反铁电薄膜的剩余极 化为零，电容会重新降初始值，从而不会影响器件阈值电压的移动，所以不会影 响数据的读取。由于栅压几乎全部降落在金属氧化物层，阻挡层的厚度(金属氧 化物层)可以适当加厚，从而加强了器件的保持特性，这也是相比快闪存储器的 一个优点。

本发明的金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半导体场效应管结构在拥有FLASH 器件存储密度高、数据读取速度快、非破坏性读取等优点的同时能够大幅提高擦 写操作的速度(可以达到～ns量级)，是一种相当有潜力的非挥发型存储器件。 为实现上述目标，本发明提出的金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半导体场效应管， 包括：衬底；金属氧化物层，反铁电薄膜，栅电极；

所述金属氧化物层置于半衬底表面；所述反铁电薄膜置于金属氧化物层远离 衬底的表面；所述栅电极置于反铁电薄膜远离金属氧化物层的表面；源、漏，置 于半导体表面两端。

作为可选的技术方案，所述衬底选自于P型硅、N型硅、锗、砷化镓中的一 种。

作为可选的技术方案，所述金属氧化物选自于氧化铝、氧化铪、氧化钛和氧 化铌中的一种。

作为可选的技术方案，所述金属氧化物厚度为2～30nm。

作为可选的技术方案，所述反铁电薄膜材料选自于锆酸铅、铪酸铅、铌酸钠、 磷酸二氢铵、碘酸铵及三氧化钨中的一种。

作为可选的技术方案，所述反铁电薄膜厚度为20～300nm。

作为可选的技术方案，所述栅电极材料选自于多晶硅、铂、金、铝、铱、金 属硅化物中的一种。

附图说明

附图1A是编程过程的金属/反铁电薄膜/金属氧化物/P型硅场效应管的器件 结构示意图。

附图1B是编程时电子隧穿通过金属氧化物层，在反铁电薄膜/金属氧化物界 面被俘获的能带图。

附图2A是檫除过程的金属/反铁电薄膜/金属氧化物/P型硅场效应管的器件 结构示意图。

附图2B是檫除时空穴隧穿通过金属氧化物层，与反铁电薄膜/金属氧化物界 面中的电子复合过程的能带图。

附图3是金属/反铁电薄膜/金属氧化物/P型硅场效应管的漏极电流特性 及檫除和编程后阈值电压的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半导体场效应 管存储器件的具体实施方式做详细说明。

实施例1