[发明专利]一种多位铁电存储器及其电压施加方法

说明书

技术领域

本发明属微电子技术领域，具体涉及一种多位铁电存储器及其电压施加方法。

背景技术

存储器在半导体市场中占有重要地位，据调查，仅DRAM(Dynamic RandomAccess Memory)和Flash两种就占有整个市场的15％。随着便携式电子设备的逐步普及，不挥发存储器的市场也越来越大，目前Flash占不挥发存储器市场的90％。但随着半导体技术的进步，Flash遇到了越来越多的技术瓶颈，隧穿氧化层不能随着集成电路工艺的发展无限制地减薄，据ITRS 2007报道，Flash将很难逾越32nm工艺节点。解决这个问题的思路是研发新一代不挥发存储器，主要有磁存储器(MRAM)，相变存储器(PCM)，电阻存储器(ReRAM)和铁电存储器(FeRAM)，其中铁电存储器最先实现商品化，具有很强商业潜质。

铁电存储器利用铁电材料具有的自发极化，且自发极化矢量可以在外电场作用下反转的性质而实现存储功能。现有技术公开的铁电存储器一般采用钙钛矿结构系列的材料，例如锆钛酸铅，即Pb(Zr，Ti)O3的合金(以下简称PZT)。此材料的主要特征是具有铁电性，即电极化强度与外电场之间具有电滞回线的关系。这种特性使之非常适于做存储器，其剩余极化的两个状态分别对应着存储器的“0”和“1”态，并可通过改变外电场的方向来改变存储状态或通过外围电路来传感其极化状态，读取信息。

传统的铁电存储单元通常采用堆栈形式的结构，如图1所示。以1T1C结构为例，其形成方法一般是现在硅衬底10上形成晶体管的栅极12、栅极介电层14以及源极/漏极区16之后，再覆盖上一层介电层20，然后在介电层20中形成接触窗插塞22连接到源极/漏极区16的一端，最后在接触窗插塞22上形成铁电存储单元。传统的铁电存储单元是以“平面方式”由下向上堆栈，在第一电极24上形成铁电薄膜26，并且在铁电薄膜26上形成第二电极28。此种铁电存储单元为了维持足够的电容量，必须提供足够的平面面积，以保持储存资料的长久性。因此，为了实现铁电存储器的存储密度，一方面，可以增加铁电存储单元的集成密度；另一方面，可以在单个存储单元中存储多位数据。

显然，通过前一种方法来增加铁电存储器的存储密度时，存在如下缺点：随着铁电存储单元集成密度的不断增加，相对地，铁电存储单元的可用面积将不断缩小，这样往往会造成电容量不足的问题。而采用后一种方法可以在不减小原有铁电存储单元可用面积的前提下有效地提高存储密度，从而大大地降低了生产成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种多位铁电存储器及其电压施加方法，本发明可以实现铁电存储器多位存储的结构，以提高存储密度，降低生产成本。

本发明提出的多位铁电存储器通过构建一层凹凸有致具有多种不同厚度的台阶状铁电薄膜材料，并通过组合不同台阶厚度的铁电薄膜来实现在单个存储单元中存储多位数据的多位存储功能。其特征在于包括步骤：

(1)在硅衬底上淀积第一金属电极薄膜材料；

(2)在第一金属电极上制备一层凹凸有致具有不同厚度的台阶状铁电薄膜材料；

(3)在铁电薄膜上淀积第二金属电极薄膜材料。

本发明中，在第一电极上制备一层凹凸有致具有不同厚度的台阶状铁电薄膜的方法包括纳米压印，机械压印和先进的光刻及蚀刻技术。

本发明中，铁电薄膜材料包括锆钛酸铅、钛酸锶铋、钛酸铋镧、钛酸钡锶以及聚偏二氟乙烯基铁电材料；所述的第一金属电极包括铂，钌，铱，铬金合金以及氧化铱；所述的第二金属电极包括铂，钌，铱，铬金合金以及氧化铱。

本发明的另一个目的在于提供所述的多位铁电存储器的电压施加方法，由于不同厚度的铁电薄膜需施加不同大小的外电压才能实现极化反转，n种不同厚度的铁电薄膜依次对应n种不同大小的外电压。以n＝2为例，n≥2时依次类推，具体步骤包括：

(1)在第一电极和第二电极之间施加一个较高正向电压V2，使得两个不同台阶厚度处的铁电薄膜都反向极化，，此状态对应第一存储状态；

(2)在第一电极和第二电极之间施加一个较低反向电压-V1，使得台阶厚度较小处的铁电薄膜反转成正向极化，台阶厚度较大处的铁电薄膜反向极化保持，此状态对应第二存储状态；

(3)在第一电极和第二电极之间施加一个较高负向电压-V2，使得两个不同台阶厚度处的铁电薄膜都正向极化，此状态对应第三存储状态；

(4)在第一电极和第二电极之间施加一个较低的正向电压V1，使得台阶厚度较小处的铁电薄膜反转成反向极化，台阶厚度较大处的铁电薄膜正向极化保持，此状态对应第四存储状态；