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

摘要

本发明属半导体存储器件领域，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，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；反铁电薄膜置于金属氧化物层远离衬底的表面；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。本发明采用反铁电薄膜代替了传统非挥发存储器的氧化硅、氧化氮层，在拥有快闪存储器优点的同时，大幅提高了编程、檫除速度，改善了保持特性，更好地满足了存储器工业化应用的需要，完全有潜力替代快闪存储器件而得到广泛的应用。

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

金属/反铁电薄膜/金属氧化物/硅场效应管的制备工艺同现有的MOSFET(金属/氧化物/硅场效应管)工艺完全兼容，其中源、漏极可以用离子注入或者扩散的方式实现，金属氧化物层更据厚度的不同可以用原子层淀积(ALD)及物理气相淀积(PVD)工艺生长。反铁电薄膜可以用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)、磁控溅射、脉冲激光淀积(PLD)等方法制备，栅电极可以用化学气相淀积(CVD)、磁控溅射、电子束蒸发等工艺生长。

金属氧化物的作用主要有三个：一、为反铁电薄膜的淀积提供一个良好的衬底(反铁电薄膜不易在硅衬底是直接淀积)；二、反铁电薄膜/金属氧化物结构起隧道开关的作用；三、金属氧化物一般是高介电常数材料，在较薄的厚度下也能够防止注入电荷的背隧穿以更好地贮存电荷。

反铁电薄膜/金属氧化物结构隧道开关原理：在一定的外加电场下(所需电场大小和反铁电薄膜厚度有关)，反铁电薄膜中部分电畴会迅速反转(时间在纳秒量级)，反铁电薄膜的极化强度也随之增大，从而打开金属氧化物层的导电通道，使电荷能够注入到反铁电薄膜/金属氧化物界面；当外加电场撤除后，刚才反转的电畴又会迅速地恢复到一开始的状态(也是纳秒量级)，反铁电薄膜的极化强度趋近于零，金属氧化物层的导电通道关闭，电荷不能再通过金属氧化物层。由于反铁电薄膜电畴反转很快(纳秒量级)，金属氧化物层的开态和关态都是能够迅速达到的(纳秒量级)。

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件通过俘获电荷来改变阈值电压进而影响沟道电流大小来达到存储数据的目的。存储器单元结构需要有编程(写)、擦除、读取过程，下面本发明以P型硅为衬底的金属/反铁电薄膜/金属氧化物/P-Si场效应管为例来做说明并与FLASH器件来做比较：

编程(写)过程：如图1所示，以P型硅衬底的金属/反铁电薄膜/金属氧化物/P-Si结构为例来说明编程机理。金属栅上加正向偏压(所需大小取决于反铁电薄膜和金属氧化物层的厚度)，反铁电薄膜部分电畴发生反转，极化强度变大，同时金属氧化物层导通，电子穿过金属氧化物层从P型硅衬底注入到反铁电薄膜/金属氧化物界面，并能被界面中的陷阱俘获从而贮存在反铁电薄膜/金属氧化物界面。电子通过金属氧化物层形成的电流是Fowler-Nordheim隧穿电流。

金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半导体结构与FLASH中电荷俘获型器件MNOS(金属/氮化硅/氧化硅/硅)的写操作类似，都是用Fowler-Nordheim隧穿电流机制来俘获电荷，但前者要比后者的写入速度快很多，原因如下：

Fowler-Nordheim隧穿电流的公式为：

$J=C_1{E}^2\exp [-\frac{C_2}{E}]---\left(1\right)$

其中E为金属氧化物上的电场，C₁、C₂为常数(数值与衬底、反铁电薄膜、金属氧化物层的厚度、材料有关)。在MNOS结构中，假设加在金属栅上的电场为E栅，氮化硅与氧化硅可以看作两个串联的电容，设氮化硅上的电场为E₁，氧化硅上的电场为E₂，E栅＝E₁+E₂，E₁和E₂的值与C₁和C₂的值成反比，即与相应材料的介电常数成反比，氮化硅的介电常数为7.8，氧化硅的介电常数为3.9，于是可得E₂＝2E₁＝2/3E栅，由此可见有1/3的栅压加在了氮化硅上，这部分电场对隧穿电流没有贡献(隧穿电流大小只和氧化硅上电场有关)。再看金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半导体结构，同样的假设金属栅上加的电场为E栅，由于反铁电材料的特殊性质，在电畴反转的同时，极化强度会变的很大，根据电介质物理学的知识

D＝εoE+P＝εoεrE    (2)

其中D为电位移，P极化强度，εo为真空介电常数，εr为相对介电常数。当极化强度变大时，反铁电薄膜的电介质系数就会变大(大约从几十变大到几千甚至上万)，从而使反铁电薄膜的电容显著变大，因为金属氧化物的介电常数一般只有几到几十，所以这时反铁电薄膜的电容要远远大于金属氧化物层的电容，此时E栅几乎全部加在金属氧化物层上，在相同的栅压下，金属氧化物层上的电场为氧化硅上的1.5倍，由(1)式可知隧穿电流会有显著的增大。隧穿电流大就意味着在较短时间里就能注入同等数量的电荷即写入速度变快。

檫除过程：如图2所示，檫除的机理与编程机理类似，只是注入相反极性的电荷，以前例来说就是往反铁电薄膜/金属氧化物层界面注入空穴，空穴和界面陷阱中的电子复合达到檫除的目的。空穴穿过金属氧化物层的机理与电子一样是Fowler-Nordheim隧穿，所以同理可知，金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半导体结构比FLASH器件的擦除过程更快。

读取过程：如图3所示，设存储在反铁电薄膜/金属氧化物层界面中的电荷为Q，其值等于注入电流的积分，根据半导体器件物理的理论，存储的电荷Q会引起器件阈值电压的移动，移动量为：

${\mathrm{\Delta V}}_T=-\frac{Q}{C_n}---\left(3\right)$

其中C_n为栅电场撤除后反铁电薄膜的电容值。此阈值电压的移动量可以由I_D-V_G曲线直接测量，也可用漏电导进行测量。阈值电压的变化会引起沟道电导的变化，当存储电荷为Q(此例为负电荷)后，g_D(或I_D)-V_G曲线向右移动ΔV_T。

读取数据时在金属栅上加一介于两阈值电压区间内的电压，若此时没有存储电荷(“0”态)，则器件处于截止区，导电沟道没有形成，源漏间的电流为零；若此时有存储电荷(“1”态)，则硅表面处于强反型区，导电沟道形成，源漏间的电流为I_D(I_D值与栅压以及阈值电压有关)。通过区分源漏间电流的大小来判断逻辑值，在前例中，源漏间有电流的是逻辑“0”态，电流值为零(或很小的)为逻辑“1”态。

对于存储器件而言，数据保持特性是很重要的一项指标。电荷保持特性与器件所用的阻挡层的介电常数和厚度有关(介电常数越大、厚度越厚则越不容易漏电，保持特性就越好)。现在随着器件尺寸的缩小，使用高介电常数材料代替氧化硅已是一种趋势。而金属氧化物层就是高介电常数材料，在介电常数相同的情况下，由于反铁电薄膜/金属氧化物层的电压都降在金属氧化物层上，所以同FLASH器件比较，在需要相同电压的情况下，阻挡层的厚度就可以更厚，保持特性就会更好。

综合上述实施例，作为存储器件，与FLASH器件相比，金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半导体场效应管结构的编程(写)、檫除速度有显著提高，保持特性会比FLASH器件更好，而FLASH器件的优点，金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半导体场效应管器件同样具备，所以金属/反铁电薄膜/金属氧化物/半导体场效应管器件会在存储器件领域会有很大的潜力。