[发明专利]反铁电类材料在非易失性存储器件中的应用

说明书

本发明公开了反铁电类材料在非易失性存储器件中的应用。公开了在电容器或晶体管堆栈中包括箍缩磁滞环(PHL)材料的集成器件。PHL材料包括场诱导铁电(FFE)材料、反铁电(AFE)材料和弛豫型铁电(RFE)材料。每个集成器件包括具有设置在两个电极之间的PHL材料层的材料堆栈。该材料的应用取决于在堆栈上电场偏置的诱导。根据一个选项，可以采用具有不同功函数值的电极来诱导所需的内建偏置场并且使得能够使用PHL材料。根据另一选项，将PHL材料和电荷(例如电荷中间层)设置在两个电极之间，使得出现诱导的内建偏置场。采用PHL材料堆栈的集成器件包括存储器、晶体管以及压电和热电器件。

背景技术

铁电(FE)材料是表现出自发电极化的电解质晶体。自发极化的方向可以通过施加外部电场在两个晶体定义的状态之间反转。两种明显不同状态的这种材料性质可以用于存储器应用以储存信息，即，两个二进制状态0和1的表示。

仅在居里温度T_c以下(这在文献中也被称为相变温度)，铁电材料表现出铁电性。由于相变温度是材料性质，它的价值涵盖了大范围的温度。高于该温度，该材料表现出顺电性质和行为。

铁电钛酸钡(BaTiO₃)的发现触发了对铁电材料的研究的增加，因为广泛认识到，稳健的、化学稳定的和相对惰性的铁电晶体的存在提供了电可切换的双态器件。此类器件的主要优点通过其编码对于二进制计算机存储器的布尔代数所需的1和0状态的能力来表示。在铁电存储器件中，极化状态决定要储存的信息，其中二进制状态通过极化的正和负极化状态表示。

铁电随机存取存储器(FeRAM)的构思被用作由其电介质是铁电的一个晶体管和一个电容器(1T-1C)配置组成的基本非易失性存储器单元。这里，与标准DRAM电容器(其中由通过存取晶体管的泄漏电流引起不可避免的放电)相比，FeRAM不随时间表现出存储损耗，因为信息储存在离子的永久位置偏移中。在FE层中储存信息的另一种可能性是在铁电场效应晶体管(FeFET)内。这里，FeFET器件中的电介质层的极化状态改变晶体管的阈值电压。

随着掺杂硅的氧化铪(Si:HfO₂)的铁电性质的发现，铁电场效应晶体管(FeFET)以及铁电随机存取存储器(FRAM)的可集成性和可扩展性得到显着改善。基于PZT的低功率、非易失性存储器FeFET在1963年由J.L.Moll等人提出。然而，由于与CMOS工艺的兼容性问题、有限的保持和其难以扩展性，它们从未达到大规模生产。掺杂的氧化铪中铁电性质的发现已改变了该情况。在达到CMOS兼容性和最先进的可扩展性之后，掺杂铪的层的可靠性研究显示出低的耐久性特性。

通常，基于HfO₂的铁电电容器具有高的氧空位含量，导致由器件的早期击穿引起的更短的耐久性。对于显示更强的反铁电(AFE)性质的样品达到了良好的耐久性。在HfZrO₂混合氧化物(HZ)的情况下，混合HZ层中较高的ZrO₂含量引起更强的AFE类性质。由于耐久性与AFE增加相关，预期更长的耐久性，这有益于FeCAP(FRAM)寿命性能。

所有现有电子器件的存储器应用由于操作的亚阈值区域而消耗一定量的能量，这即使在操作的中性状态下也需要电力。随着集成电路器件的数量在日常生活中上升，提供对于操作所需的消耗功率上的减少的解决方案变得更加重要。

除了具有自发电极化的FE材料之外，还存在通过施加外部电场而表现出电极化的其它材料。表现出反铁电性质的材料在文献中被描述为晶体，其结构可以被认为由在反平行方向上自发极化的两个亚晶格构成，并且其中通过施加电场可以诱导铁电相。AFE材料的典型示例是PbZrO₃。