[发明专利]钽酸锶铋铌铁电薄膜

说明书

本发明涉及用于集成电路的薄膜材料，更具体地涉及用于集成存储器电路的铁电材料。更具体地，该薄膜铁电材料为钽酸锶铋铌材料，该材料甚至在单向电压脉冲的长期重复后也基本上无极化痕迹。

众所周知，薄膜铁电材料可用在各种非易失性随机存取存储器件中。例如，授予Koike的美国专利US 5,600,587推荐使用由铁电电容器和开关晶体管组成的存储器单元的铁电非易失性随机存取存储器。授予Omura的美国专利US 5,495,438建议一种由铁电电容器并联形成的铁电存储器。这种电容器具有不同矫顽磁场值的铁电材料，因此可使用或存储多值数据。授予Nishimura等人的美国专利US 5,592,409推荐包括被两个栅极之间的外加电压极化的铁电层的非易失性存储器。当高或低电流流过该铁电层时其极化或存储器存储状态被读出，且它允许无破坏地读出。授予Takeuchi的美国专利US 5,539,279提出一种高速单晶体管-单电容器铁电存储器，它可在包括动态随机存取存储器(“DRAM”)方式及铁电随机存取存储器(“FERAM”)方式的两种工作方式之间转换。

图1表示铁电薄膜的理想极化磁滞曲线100。曲线100的边102是通过当施加磁场E从正值变化到负值时测量铁电电容上的电荷产生的。曲线100的边104是通过在施加磁场E从负值变化到正值时测量铁电电容上的电荷产生的。点-Ec及Ec通常称为矫顽磁场，它是使极化值变到零所需的。类似地，剩余极化值Pr及-Pr是零磁场值时铁电材料中的极化值。Pr及-Pr值理想上应是相同的幅值，但实际上这些值通常是不同的。因此，以2Pr量度的极化值即使在Pr与-Pr幅值不同时可通过实际Pr与-Pr值的绝对值相加来得到。自发极化值Ps及-Ps通过将磁滞环的远端，例如端106线性外推与极化轴相交来量度。在理想铁电体中Ps等于Pr，但在实际铁电体中，由于线性介电特性及非线性铁电特性，这些值是不同的。一个大的、四方的基本上呈矩形的中心区域108鉴于其矫顽磁场及极化值在曲线102及104之间具有宽的间隔，体现了用作存储器的适用性。

目前能得到的铁电材料不同于图1所示的理想磁滞曲线。自从1970年代开始，对集成铁电器件中使用的材料作出研究，但是由于它们与理想磁滞曲线不同，因此这些研究尚未取得商业上的成功。例如，授予Rohrer的美国专利US 3,939,293发表了早期的研究，即，使用III相的硝酸钾作为用在铁电存储器中的铁电材料。在实践中，硝酸钾材料具有低的极化能力及易受疲劳及痕迹(imprint)的不良影响，以致使该材料实际上不能用在微电子存储器中。

几乎不可能找到能满足商业需要的铁电体。对于集成铁电器件最好的材料是使用能从传统集成电路工作电压，即3至5伏获得的矫顽磁场转换的材料。这种材料应具有非常高的极化值，如确定为2Pr的值超过12至15μc/cm²，以允许构成具有足够密度的存储器，极化疲劳应非常低或不存在。此外，铁磁材料应不留痕迹，即磁滞曲线应无偏移，以利于正向或负向矫顽磁场。

图2表示在曲线200旁的磁滞曲线100，曲线200表示疲劳对曲线100的影响。疲劳减小了确定中心区域108的曲线102与104之间的间隔。随着疲劳增加，中心区域108逐渐变得愈来愈小。该间隔的变化是由作为极化转换结果的铁电材料中产生的点电荷缺陷和该缺陷对施加磁场的相关屏蔽作用引起的。因此，由于重复极化转换随着时间推移疲劳引起铁电材料耗损。

授予Araujo等人的美国专利US5,519,234提出曲线200的疲劳问题通过使用层状超晶格材料，如在Smolenskii等人写的“铁电体及相关材料”(Gordon and Breach(1984))中所述的“层状似钙钛矿”材料可被实质性地克服。层状超晶格材料能够提供一种薄膜铁电材料，其中的极化状态可转换高达至少10⁹次而疲劳少于百分之三十。这种疲劳耐久等级在该领域中大为领先，因为它的幅值等级至少优于其它铁体电如钛酸铅锆(“PZT”)或钛酸铅镧锆(“PLZT”)的疲劳耐久性。

根据Smolenskii所著书的章节15.3，层状似钙钛矿材料或层状超晶格材料具有三个通用等级：