操作铁电存储器单元的方法及相关的铁电存储器单元技术

本发明专利技术揭示操作铁电存储器单元的方法。所述方法包括：将正偏置电压及负偏置电压中的一者施加到包括电容器的铁电存储器单元，所述电容器包含上电极、下电极、所述上电极与所述下电极之间的铁电材料，及所述铁电材料与所述上电极及所述下电极中的一者之间的界面材料。所述方法进一步包括：将所述正偏置电压及所述负偏置电压中的另一者施加到所述铁电存储器单元以切换所述铁电存储器单元的极化，其中所述负偏置电压的绝对值不同于所述正偏置电压的绝对值。本发明专利技术还描述铁电存储器单元。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】操作铁电存储器单元的方法及相关的铁电存储器单元优先权主张本申请案主张2015年9月1日申请的名称为“操作铁电存储器单元的方法及相关的铁电存储器单元(METHODSOFOPERATINGFERROELECTRICMEMORYCELLS,ANDRELATEDFERROELECTRICMEMORYCELLS)”的第14/842,124号美国专利申请案的申请日的权益。
本文所揭示的实施例涉及操作包含展现非对称铁电性质的铁电材料的铁电存储器单元的方法及此类铁电存储器单元。
技术介绍
已考虑将铁电随机存取存储器(FeRAM)单元用于许多存储器阵列中。FeRAM单元包含铁电材料，其具有可响应于施加电场(例如，偏置电压)而切换的极化。FeRAM单元中的铁电材料的极化状态可用于确定FeRAM单元的逻辑状态(例如，1或0)。在移除偏置电压之后，铁电材料的极化可保持。因此，FeRAM单元是非易失性的，从而无需周期性地刷新存储器单元。常规FeRAM单元理论上在施加电场下展现如图1中所说明的方形磁滞回线102，这是因为铁电材料的原子在两种同样有利状态之间转变。FeRAM单元通过将FeRAM单元暴露于切换偏置电压而从一种操作状态切换到另一操作状态。例如，铁电材料可暴露于正电压以将铁电材料的极化切换到第一方向。在足够大的正电压(特征化为正切换电压)下，铁电材料的极化从负极化切换到正极化。为将FeRAM单元切换到另一状态，将铁电材料暴露于负切换电压以将铁电材料的极化改变成第二相反方向。常规地，施加到常规FeRAM单元的正切换电压及负切换电压具有相等量值(例如，具有相同绝对值，在本文中又称为对称偏置方案)。不幸的是，许多FeRAM单元需要利用高偏置电压来切换于不同极化状态之间。由FeRAM单元相对于DRAM单元的非易失性实现的任何电力节省由必须经施加以切换铁电材料的极化状态的高偏置电压抵消。因此，将铁电材料暴露于较高电压增加FeRAM单元的电力消耗，增加操作成本，且还会缩短FeRAM单元的使用寿命。
技术实现思路
附图说明图1是常规铁电存储器单元的使用及操作期间的磁滞曲线；图2是根据本专利技术的实施例的非对称铁电电容器的横截面图；图3是根据本专利技术的实施例的包含图2的非对称铁电电容器的铁电存储器单元的横截面图；图4是根据本专利技术的实施例的用于操作铁电存储器单元的非对称偏压方案的图形表示；图5A是根据本专利技术的实施例的铁电存储器单元的使用及操作期间的磁滞曲线；图5B是根据本专利技术的实施例的使用对称偏压方案来操作的铁电存储器单元与使用非对称偏压方案来操作的所述铁电存储器单元的信号强度对周期数的曲线图；图5C是在30℃处使用对称偏压方案及非对称偏压方案来操作铁电存储器单元时的所述单元的循环期间的频率相依信号损失的图形表示；图5D是在100℃处使用对称偏压方案及非对称偏压方案来操作铁电存储器单元时的所述单元的循环期间的频率相依信号损失的图形表示；图5E及图5F是说明依各种周期数分别使用对称偏压方案及非对称偏压方案来操作的铁电存储器单元的电压及电流的曲线图；图6A是根据本专利技术的实施例的非对称铁电存储器单元的使用及操作期间的磁滞曲线；图6B是根据本专利技术的实施例的使用对称偏压方案来操作的铁电存储器单元与使用非对称偏压方案来操作的所述铁电存储器单元的信号强度对周期数的曲线图；图6C是在30℃处使用对称偏压方案及非对称偏压方案来操作铁电存储器单元时的所述单元的循环期间的频率相依信号损失的图形表示；图6D是在100℃处使用对称偏压方案及非对称偏压方案来操作铁电存储器单元时的所述单元的循环期间的频率相依信号损失的图形表示；图6E是依恒定负偏置电压及不同正偏置电压操作的铁电存储器单元的依据周期数而变化的信号强度的图形表示；及图6F是以恒定正偏置电压及不同负偏置电压操作的铁电存储器单元的依据周期数而变化的信号强度的图形表示。具体实施方式包含于本专利技术中的说明不意在为任何特定系统或半导体装置的实际视图，而是仅为用于描述本文的实施例的理想化表示。图式之间的共同元件及特征可保持相同元件符号标示。以下描述提供例如材料类型、材料厚度及处理条件的特定细节以提供对本文所描述的实施例的详尽描述。然而，所属领域的一般技术人员应了解，可在不采用此类特定细节的情况下实践本文所揭示的实施例。其实，可结合用于半导体工业中的常规制造技术来实践实施例。另外，本文所提供的描述不形成用于制造铁电存储器单元的完整工艺流程，且下文将描述的铁电存储器单元不形成完整铁电存储器单元。下文将仅详细描述理解本文所描述的实施例所需的那些过程动作及结构。用于形成完整铁电存储器单元的额外动作可由常规技术执行。如本文所使用，术语“切换电压”表示且包含施加于一对电极(例如电容器)之间的偏置电压，其足以切换安置于所述对电极之间的铁电材料的极化状态。偏置电压可为正偏置电压，在此情况中，切换电压称为“正切换电压”；或偏置电压可为负偏置电压，在此情况中，切换电压称为“负切换电压”。根据一些实施例，揭示一种通过施加非对称偏压方案而操作铁电存储器单元的方法。所述铁电存储器单元可为非对称的且可展现非对称切换特性。如本文所使用，术语“非对称铁电存储器单元”表示且包含存储器单元，其包含安置于两个电极之间的铁电材料。所述非对称铁电存储器单元可包含所述电极中的一者与所述铁电材料之间的界面材料。在一些实施例中，所述电极中的每一者还具有不同厚度或由不同方法形成。如本文所使用，术语“非对称偏压方案”表示且包含跨铁电存储器单元的电极施加偏置电压(例如电势)以将所述铁电存储器单元的铁电材料的极化从第一状态切换到第二状态，所述偏置电压不同于用于将所述极化从所述第二状态切换到所述第一状态的跨电极所施加的偏置电压。换句话来说，施加非对称偏压方案包含施加其量值不同于负切换电压的正切换电压。例如，可通过跨铁电存储器单元施加正偏置电压而将铁电存储器单元的极化的方向从第一方向切换到第二方向，所述正偏置电压不同于用于将极化的方向从所述第二方向切换到所述第一方向的负偏置电压。因此，可在正偏置电压下将铁电存储器单元从第一极化切换到第二极化，所述正偏置电压具有不同于用于从所述第二极化状态切换到所述第一极化状态的负偏置电压的绝对值。使用非对称偏压方案来操作铁电存储器单元可减小用于操作铁电存储器单元的电力且可增加铁电存储器单元的操作寿命。使用非对称偏压方案来操作铁电存储器单元还可在不同操作条件下(例如，以不同频率脉冲)在铁电存储器单元的寿命内提供更一致切换信号强度。图2说明包含铁电材料206的电容器200。电容器200可形成根据本专利技术的实施例的铁电存储器单元的部分且可包含下电极202、覆于下电极202上的界面材料204、覆于界面材料204上的铁电材料206，及覆于铁电材料上的上电极208。例如，电容器200可为金属-绝缘体-金属(MIM)电容器。虽然已将电容器200描述且说明为用于铁电存储器单元中，但电容器200还可用于动态随机存取存储器(DRAM)应用中。下电极202可包含导电材料。在一些实施例中，下电极202包含钛、氮化钛(TiN)、氮化钛铝(TiAlN)、氮化钽(TaN)、铂、其组合或其它导电材料。在一些实施例中，下电极202可掺杂有碳。下电极202可通过溅镀、原子层沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种操作铁电存储器单元的方法，所述方法包括：将正偏置电压及负偏置电压中的一者施加到包括铁电电容器的铁电存储器单元；及将所述正偏置电压及所述负偏置电压中的另一者施加到所述铁电存储器单元以切换所述铁电存储器单元的极化，所述负偏置电压具有不同于所述正偏置电压的量值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.01 US 14/842,1241.一种操作铁电存储器单元的方法，所述方法包括：将正偏置电压及负偏置电压中的一者施加到包括铁电电容器的铁电存储器单元；及将所述正偏置电压及所述负偏置电压中的另一者施加到所述铁电存储器单元以切换所述铁电存储器单元的极化，所述负偏置电压具有不同于所述正偏置电压的量值。2.根据权利要求1所述的方法，其中施加正偏置电压及负偏置电压中的一者包括：施加具有小于等于所述正偏置电压的绝对值的约2/3的绝对值的所述负偏置电压。3.根据权利要求1所述的方法，其中：施加正偏置电压及负偏置电压中的一者包括施加约1.8V的正电压；及施加所述正偏置电压及所述负偏置电压中的另一者包括施加约-1.2V的负偏置电压。4.根据权利要求1所述的方法，其中将正偏置电压及负偏置电压中的一者施加到包括铁电电容器的铁电存储器单元包括将所述正偏置电压及所述负偏置电压中的一者施加到所述铁电电容器的第一电极，所述第一电极具有不同于所述铁电电容器的第二电极的厚度。5.根据权利要求1所述的方法，其中将正偏置电压及负偏置电压中的一者施加到包括铁电电容器的铁电存储器单元包括将所述正偏置电压及所述负偏置电压中的一者施加到所述铁电电容器，所述铁电电容器包括界面材料，所述界面材料包括氮化钛铝、氧化钛或氮化铝。6.根据权利要求1到权利要求5中任一权利要求所述的方法，其中将正偏置电压及负偏置电压中的一者施加到包括铁电电容器的铁电存储器单元包括将所述正偏置电压及所述负偏置电压中的一者施加到所述铁电电容器，所述铁电电容器包括氮化钛铝作为其的第一电极或第二电极中的一者。7.根据权利要求1到权利要求5中任一权利要求所述的方法，其中将正偏置电压及负偏置电压中的一者施加到包括铁电电容器的铁电存储器单元包括将所述正偏置电压及所述负偏置电压中的一者施加到所述铁电电容器，所述铁电电容器包括介于第一电极与第二电极之间的氧化铪及氧化锆中的至少一者。8.根据权利要求1到权利要求5中任一权利要求所述的方法，其中施加正偏置电压及负偏置电压中的一者包括施加具有介于所述正偏置电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·C·尼科勒斯，A·A·恰范，M·N·洛克莱，
申请(专利权)人：美光科技公司，
类型：发明
国别省市：美国,US