[发明专利]铁电元件及其制备方法

说明书

本发明涉及一种非发散性FRAM。例如应用热电效应的红外线传感器、广泛用作通讯设备零件的存储元件和铁电元件、存储单元，本发明还涉及其制备方法。

ROM(只读存储器)表示半导体存储器，即使关掉电源该ROM也能应用非发散性存储数据，但该ROM涉及一个问题，那就是重写数据的次数受到限制，其速度低。更有名的是RAM(随机读写存储器)，其特征为高速重写数据。特别是，应用铁电材料的FRAM表现了良好的非发散性，由于应用了两种不同极性的残余极化该FRAM的数据重写次数也高达1010-1012次。另外，其重写速度之高也要用μs甚至更小的数量级来表示，作为下一代理想存储器FRAM引起了人们的注意。

人们已经努力去开发大容量、非发散和高速运行的FRAM。但是，薄膜磨损问题严重，这是由于随着重写次数的增加铁电材料的自然极化作用(Pr)下降。已知通过如下两种方法可以提高FRAM的容量、改善FRAM的耐久性：(1)使用具有强自然极化作用(Pr)的铁电材料，(2)使用抗磨铁电材料。钙钛矿结构的氧化物已被广泛用作如上材料。其中，已知具有钙钛矿晶体结构的单晶格PZT(Pb(Zr_1-xTi_x)O₃)表现出很大的Pr性，且该PZT晶体非各向异性。用作非发散性存储器的该种材料二极管已经在国际电器设备会议技术汇编1989，P，255中公开(IEEE IEDE TECH.Di g.：255-256，1989)。我们还知道铋薄膜铁电材料SrBi2Ta2O9的晶体结构中，大量的钙钛矿结构单晶格相互重叠。该种材料中，只有在和C-轴垂直的方向上Pr表现出晶体各向异性。尽管该Pr值不是很大，但该材料表现出良好的耐磨性。应用此种材料的实施例已在专利WO 93/12542和PCT/US 92/10627中公开。

根据上述现有技术，提供这样一种铁电材料已经成为可能，即该铁电材料具有较高的、并与集成度的进一步增加无关的自然极化作用(Pr)，具有低矫顽电场和突出的抗磨能力。在应用具有钙钛矿晶体结构单晶格PZT(Pb(Zr_1-xTi_x)O₃)的存储器中，已经进行了通过提高集成度来降低操作电压的偿试。该存储器的操作电压的变化与铁电薄膜的厚度和矫顽电场强度成比例。为了降低操作电压，已经研究生产过程控制来降低铁电薄膜的厚度。使之不大于100nm。根据上述的降低薄膜厚度的现有技术，由于铁电薄膜和金属电极界面之间的元素扩散反应，形成一过滤层。这就带来了诸如自然极化作用降低和薄膜磨损导致矫顽电场强度上升的问题。该问题是由于氧化物铁电材料(PZT)和金属电极(Pt)十分接近以致于使PZT中的氧通过界面扩散进入Pt电极。因此，由于逆向电场的存在数据重写次数受到了很大限制。

根据现有技术，在铋薄膜铁电材料中，其晶体结构中大量的钙钛矿结构单晶格相互重叠，没有氧通过该薄膜和金属电极之间的界面，过渡层的形成受到抑制，该薄膜表现出优秀的抗磨损能力。但其自然极化作用小，当电场和C-轴平行时，极化作用只在与C-轴垂直的方向上表现出极强的晶体各向异性。这是因为在铋薄膜铁电材料晶体结构中，钽(Ta)原子沿C-轴方向上的极化方向彼此相反，由于铋-氧双层屏蔽膜该钽原子引起自然极化。而且在铋薄膜铁电材料中，晶粒优先在与C-轴垂直的方向上长大。根据现有技术，在上电极、铁电材料和下电极组成的结构中，非晶体铋薄膜铁电材料形成在非晶体下电极上，然后对其进行快速热处理来生长自由晶向的晶粒(方向度不大于60％)其中，只有那些具有与所加电场方向垂直的C-轴的铋薄膜铁电材料晶粒用来产生极化作用。因此，实际有效晶粒只有50％，这是不充足的。而且根据现有技术，电极由诸如铂、铝、金或镍等阻碍光线透射的金属构成，其不适合作为光学感应系统零件。

为了解决以上提及的问题。本发明已经完成，其能提供一种没有两层抑制自然极化作用的屏蔽层的、钙钛晶体结构的铁电薄膜，提供一具有夹在上下或左右电极间的铁电薄膜的铁电元件，提供一铁电存储单元，提供一种制备该铁电元件的方法。

本发明的另一个目的是提供一种钙钛矿结构的铁电薄膜，该薄膜包括两层屏蔽层，并且通过替换不同离子半径的元素而适当地造成晶格畸变，使该薄膜表现出极强的自然极化作用和微弱的矫顽电场，本发明提供一种具有夹在上下或左右电极之间的铁电薄膜的铁电元件，本发明还提供该铁电元件的制备方法。