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存储装置及其制备方法制造方法及图纸

技术编号:3083069 阅读:109 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术的实施方案通过在金属电极和聚合物铁电体层间的绝缘金属氮化物和/或金属氧化物层中产生过量空穴降低对聚合物铁电存储器器件中的聚合物铁电体层所产生的损害。金属氮化物和/或金属氧化物中的过量空穴俘获金属电极在AC偏置下注入的电子,否则所述电子将会损害聚合物铁电体层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施方案涉及铁电存储器,更具体地涉及通过降低铁电材料的分解延长铁电存储器器件的使用寿命。
技术介绍
存储器制造商目前正在研究和开发下一代存储器器件。这类开发之一包括设计用于代替现有快闪非易失性存储器技术的技术。闪存继承者的重要因素包括致密性、低价格、低操作电压、非易失性、高密度、读写周期快和寿命长。预计现有的闪存技术将存续至90纳米和65纳米工艺阶段。这种存续部分基于例如外部存储器介电材料、钴和镍的源区和漏极区、铜和用于互联层(interconnect level)的低介电常数材料和用于晶体管门(transistor gate)的高介电常数材料。然而,此后将需求新的存储器材料和技术,尤其是非易失性存储器。铁电存储器就是旨在代替快闪存储器的技术之一。铁电存储器器件将快闪存储器的非易失性和提高的读写速度结合于一体。简而言之,铁电存储器器件依赖于铁电材料的使用,所述材料能为所施加的电压或电场自发极化,并在断电或移除电场后保持极化。由此,依据极化方向,可用二进制的“1”或“0”编程铁电存储器器件。然后,可在读出周期对存储器器件的状态进行检测。已出现两种晶体材料作为有前途的薄膜用于铁电存储器方案,即钛酸铅锆(“PZT”)和锶铋钽铁矿(“SBT”)。然而,即便是这些材料具有合适的铁磁性能,但因为价格昂贵,其还是不能结合到现有的CMOS工艺中。较近的发展包括使用具有铁电性能的聚合物。聚合物铁电存储器使用具有净偶极矩的聚合物链制备。通过改变金属线间的聚合物链的极化存储数据,所述金属线将包含铁电聚合物链的层夹在其间。另外所述层可堆叠(例如金属字线、铁电聚合物、金属位线、铁电聚合物、金属字线等)以提高存储器元件密度。聚合物铁电存储器器件表现出微秒初始读出速度,同时其写入速度与闪存相当。附图简述附图说明图1是铁电β相聚偏氟乙烯(PVDF)分子链示意图。图2是聚合物铁电存储器器件示意图。图3是脱氟化氢反应示意图。图4是脱氟化氢反应示意图。图5是本专利技术实施方案的聚合物铁电存储器器件的横截面图。图6是本专利技术实施方案的聚合物铁电存储器器件的横截面图,其中标示了注入的电子和电子陷阱。专利技术详述描述了在聚合物存储器器件的金属氮化物和金属氧化物电极中产生电子陷阱的实施方案。现具体参考附图所示这些实施方案的描述。尽管参照这些附图对实施方案进行描述,但无意将实施方案局限在本专利技术所公开的附图内。相反,打算涵盖权利要求限定的所述实施方案精神和范围内的所有修改、改变和等价物。简而言之,本专利技术的实施方案通过在金属电极和聚合物铁电体层间的绝缘金属氮化物和/或金属氧化物层中产生过量空穴降低对聚合物铁电存储器器件中的聚合物铁电体层所产生的损害。金属氮化物和/或金属氧化物中的过量空穴俘获金属电极在AC偏置下注入的电子,否则所述电子将会损害聚合物铁电体层。应当提及的是,大部分对铁电存储器器件技术的先前研究集中在选择晶体材料上,例如PZT和SBT。然而,较近的趋势包括使用具有铁电性能的聚合物链。聚偏氟乙烯(“PVDF”)是具有交替的CH2和CF2基团的含氟聚合物,因此氢和氟原子间相对电子密度产生净离子偶极矩。图1示出了铁电β相PVDF100,包括碳110链、交替和对位的氢120和氟130对。具体PVDF共聚物是聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(“PVDF-TrFE”)。向链加入三氟乙烯C2HF3(实质上是用氟取代氢)降低了铁电PVDFβ相链的总理论离子偶极矩,但相对顺电PVDFα相增加了结晶过程中形成铁电PVDFβ相的可能性。结晶PVDF-TrFE聚合物是铁电的,由于可给予其可在足够强的电场(即矫顽场)转换的剩余极化。基于极化方向,所述极化可用于存储以此制备的存储器器件的二进制“0”状态和二进制“1”状态。使用聚合物铁电材料的存储器元件可以是无源的,而不需要有源组件(例如DRAM中与MOS电容器连接的晶体管)。通过改变金属线间的聚合物链的极化存储数据,所述金属线将包含铁电聚合物的层夹在其间。所述元件通过对合适的字和位线施加电压而外部驱动以实现对聚合物铁电存储单元的读出或写入。基于这种设置,读出周期是破坏性的,所述存储单元必须以与DRAM刷新周期类似的方式重写。图2示出了单层聚合物铁磁存储器器件的俯视图。位线250-280和字线210-240夹着聚合物铁电材料200层。当对交迭的位和字线(例如位线250和字线240)施加电压时,可能发生许多操作过程。相对高的电压(例如约8-10伏)能产生矫顽电场足以基于改变夹在位线250和字线240的聚合物铁电材料200的剩余极化方向而进行二进制“1”状态或二进制“0”状态的编程。可施加独立的电压连同未示出的外部检测电路以读出存储单元的二进制状态。施加交替电压以对聚合物铁电材料单元进行写和/或读的顺序使得包含在存储单元中的聚合物受到AC偏置。例如,一个读或写周期可能使单元暴露于字线和位线间的正电压差,而另一个读或写周期则可能使单元暴露于字线和位线间的负电压差。有很多与制备聚合物铁电存储器器件相关的加工难题。一个难题是从电极(例如夹持铁电聚合物层的金属位和字线)隔离聚合物。这通常采用金属电极和铁电聚合物材料间的氮化物和/或氧化物层实现。图3示出了脱氟化氢反应300的第一步。当聚合物铁电存储器器件置于AC偏置时(例如为执行读或写操作而对电极施加的电压),金属电极将电子注入PVDF310。注入的电子320与PVDF310中的氟相互作用产生带负电荷的氟阴离子330。如图4中受损的PVDF420所示,氟阴离子330接着与PVDF310中的氢相互作用产生HF410和另外的氟阴离子330。所述脱氟化氢反应是自续的并严重降低聚合物的铁电性能。HF410还会攻击金属电极材料。本专利技术的实施方案在电极金属中产生电子陷阱以减少或阻止图3和4所示的金属到聚合物的电子注入。当带电粒子(在这种情况是电子)在某一中心被俘获随后在不发生复合的情况下再次激发时就存在陷阱。因此所述陷阱(一般为半导体中晶格缺陷或杂质能级的形式)保持原样。或者,电子陷阱是由引入电极金属的特定点缺陷所产生的空穴。电子可与空穴复合进而阻止其注入聚合物。图5示出了聚合物铁电存储器500的横截面图。其上制备聚合物铁电存储器的衬底可为能用于制备存储器器件的任意衬底,例如从整片硅晶圆到双嵌刻工艺(dual damascene process)结构的顶端互联层、介电层或钝化层范围。在一个实施方案中,底端电极是钽510。通过例如物理蒸气沉积或溅射使用钽靶在惰性氩气氛下沉积钽。在实施方案中,使用Endura溅射装置和纯度约为99.9995%的钽靶溅射钽。沉积室的底压是约5.0×10-8托,氩压力为约1.4毫托。在0.0AC偏置瓦特、无控温度和1kW沉积功率/靶电压条件下,在约10-12秒沉积约100-150埃厚度的钽。在一个实施方案中,第二层是氮化钽520。通过物理蒸气沉积使周钽靶在氩和氮存在下沉积氮化钽520。在一个实施方案中,周围环境为约80%-90%的氮。如果与上述实施方案的钽沉积不同,近似方法参数还包括5.9mT氩压力和5kW沉积功率/靶电压。在约45-50秒沉积约50-100埃的氮化钽。在一个实施方案中,通过使用含铪高达3%的钽铪合金物理蒸气沉积靶用铪掺杂氮化钽520以产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置,所述装置包括:第一金属电极层;邻近所述第一金属电极层的金属氮化物层;邻近所述金属氮化物层的聚合物铁电体层;邻近所述聚合物铁电体层的金属氧化物层;和邻近所述金属氧化物层的第二金属电极层;   其中所述金属氮化物和金属氧化物层包含过量空穴以与所述第一和第二金属电极层注入的电子复合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-3-31 10/816,2591.一种装置,所述装置包括第一金属电极层;邻近所述第一金属电极层的金属氮化物层;邻近所述金属氮化物层的聚合物铁电体层;邻近所述聚合物铁电体层的金属氧化物层;和邻近所述金属氧化物层的第二金属电极层;其中所述金属氮化物和金属氧化物层包含过量空穴以与所述第一和第二金属电极层注入的电子复合。2.权利要求1的装置,其中所述第一金属电极层和第二金属电极层是钽。3.权利要求1的装置,其中所述聚合物铁电体层是聚偏氟乙烯。4.权利要求1的装置,其中所述聚合物铁电体层是聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物。5.权利要求1的装置,其中所述金属氮化物层是氮化钽。6.权利要求5的装置,其中所述氮化钽用铪掺杂以在氮化钽晶格中产生过量空穴。7.权利要求6的装置,其中所述氮化钽的空穴密度为约1020/cm3-1021/cm3。8.权利要求5的装置,其中所述氮化钽在过量氮存在下沉积以在氮化钽晶格中产生过量空穴。9.权利要求8的装置,其中所述氮化钽的空穴密度为约1.8x1021/cm3-5.4x1021/cm3。10.权利要求1的装置,其中所述金属氧化物层是氧化钽。11.权利要求10的装置,其中所述氧化钽层用铪掺杂以在氧化钽晶格中产生过量空穴。12.权利要求11的装置,其中所述氧化钽的空穴密度为约1020/cm3-1021/cm3。13.权利要求10的装置,其中所述氧化钽层在过量氧存在下沉积以在氧化钽晶格中产生过量空穴。14.权利要求13的装置,其中所述氧化钽的空穴密度为约7x1021/cm3-2.1x1022/cm3。15.一种方法,所述方法包括沉积第一金属电极层;邻近所述第一金属电极层沉积金属氮化物层;邻近所述金属氮化物层沉积聚合物铁电体层;邻近所述聚合物铁电体层沉积金属氧化物层;和邻近所述金属氧化物层沉积第二金属电极层;其中所述金属氮化物和金属氧化物层包含过量空穴以与所述第一和第二金属电极层注入的电子复合。16.权利要求15的方法,其中所述第一金属电极层和第二金属电极层是钽。17.权利要求15的方法,其中所述聚合物铁电体层是聚偏氟乙烯。18.权利要求15的方法,其中所述聚合物铁电体层是聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物。19.权利要求15的方法,其中所述金属氮化物层是氮化钽。20.权利要求19的方法,所述方法还包括用铪掺杂氮化钽以在氮化钽晶格中产生过量空穴。21.权利要求20的装置,其中所述氮化钽的空穴密度为约1020/cm3-1021/cm3。22.权利要求19的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员:MP雷纳维卡GH奥斯卡斯多蒂尔
申请(专利权)人:英特尔公司
类型:发明
国别省市:US[美国]

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