專利名稱:混合存儲器件及其控制方法、制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及微電子行業(yè)存儲器技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種可以實現(xiàn)兩種存儲方式-鐵電存儲方式和阻變存儲方式相結(jié)合的混合存儲器件及其控制方法、制備方法。
背景技術(shù):
目前的半導(dǎo)體存儲器市場,以揮發(fā)性的動態(tài)隨機存儲器(DRAM)和靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)及非揮發(fā)性的“閃存”存儲器(Flash)為代表。隨著移動存儲設(shè)備、手機通信設(shè)備以及數(shù)碼相機等各種便攜式數(shù)碼產(chǎn)品的發(fā)展與普及,市場對非易失性數(shù)據(jù)存儲的需求進一步增加,為了提高存儲密度和數(shù)據(jù)存儲可靠性,基于傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)的Flash存儲器正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此,業(yè)界對下一代非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲器技術(shù)進行了大量的研究,多種新型存儲器技術(shù)得到了飛速發(fā)展。如鐵電存儲器和阻變存儲器是目前最具有代表性的兩個研究方向。鐵電存儲器是利用鐵電體的鐵電效應(yīng)來實現(xiàn)信息存儲的。圖1A為現(xiàn)有技術(shù)鐵電存儲器第一狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1B為現(xiàn)有技術(shù)鐵電存儲器第二狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1A及IB所示,鐵電存儲器包括:硅襯底101 ;源端102 ;漏端103,氧化硅層104 ;鐵電存儲層105,電極106。圖1A中正向的剩余極化代表二進制存儲中的“I”信息(如圖1A所示)。圖1B中反向的剩余極化代表二進制存儲中的“O”信息(如圖1B所示)。鐵電存儲器的工作原理如下:利用鐵電薄膜取代常規(guī)場效應(yīng)晶體管中的柵介質(zhì)層,通過柵極極化狀態(tài)實現(xiàn)對源-漏電流的調(diào)制,使溝道導(dǎo)通或關(guān)閉來實現(xiàn)對信息的存儲與讀取。鐵電存儲器具有低壓、低功耗和快速的寫入特性,可靠性(如:耐久性> IO12個周期),使得FeRAM成為便攜式系統(tǒng)和智能卡的理想存儲技術(shù),但由于基于電容電荷的信號會隨著技術(shù)節(jié)點的減小而變?nèi)?,這使得高密度大容量鐵電存儲器很難制造。同時基于阻變材料的阻變存儲器也被廣泛地研究,阻變存儲器件RRAM主要是利用某些薄膜材料在電激勵的作用下會出現(xiàn)不同電阻狀態(tài)(高、低阻態(tài))的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象來進行數(shù)據(jù)的存儲。目前RRAM的存儲單元結(jié)構(gòu)主要是一個晶體管一個RRAM(ITIR)或一個晶體管η個RRAM(ITnR)和一個二極管一個RRAM(IDIR)結(jié)構(gòu)。而在本發(fā)明中,選擇ITnR結(jié)構(gòu)。圖2Α為現(xiàn)有技術(shù)阻變存儲器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2Α所示,阻變存儲器包括:襯底201,下電極202,阻變層203,上電極204。阻變存儲器可以為單極器件,雙極器件或無極器件,其中,單極器件可以在單一方向的偏壓下實現(xiàn)電阻的高低轉(zhuǎn)變,而雙極器件需要在不同方向的偏壓下實現(xiàn)電阻的高低轉(zhuǎn)變,無極器件指的是可以在任一方向的偏壓下實現(xiàn)電阻的高低轉(zhuǎn)變。圖2Β為現(xiàn)有技術(shù)單極阻變存儲器件的工作原理示意圖。如圖2Β所示,205為SET過程,206為RESET過程,207為限流過程。圖2C為現(xiàn)有技術(shù)雙極阻變存儲器件的工作原理示意圖。如圖2C所示,208為SET過程,209為RESET過程。具體的:寫I時,施加SET電壓使其轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài),寫O時施加RESET電壓使其轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài),讀取時施加讀電壓(一般都很小,在0.2v左右)。研究發(fā)現(xiàn)RRAM具有寫入電壓低,寫入擦除時間短,非破壞性讀取,結(jié)構(gòu)簡單,所需面積小等優(yōu)點,而且因為它的高速,也可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DRAM,因此RRAM已經(jīng)被越來越多的人所關(guān)注。在系統(tǒng)級芯片(System on a Chip,簡稱Soc)領(lǐng)域中,存儲體系上包括SRAM、DRAM、Flash等存儲結(jié)構(gòu),而DRAM、Flash都需要不同的工藝流程,成本很高,致使Soc的成本很難降低。在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中,申請人意識到現(xiàn)有技術(shù)存在如下技術(shù)缺陷:傳統(tǒng)的存儲陣列只能實現(xiàn)一種存儲方式,不能根據(jù)用戶需要靈活選擇。
發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題為解決上述的一個或多個問題,本發(fā)明提供了一種結(jié)合鐵電存儲器的高可靠性和阻變存儲器的高密度設(shè)計出一種混合存儲器件及其控制方法、制備方法,以實現(xiàn)存儲方式的靈活選擇。(二)技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個方面,提供了一種混合存儲器件。該混合存儲器件包括:鐵電存儲單元;及形成于鐵電存儲單元的漏極之上的阻變存儲單元;鐵電存儲單元的柵極作為混合存儲器件的字線;阻變存儲單元的下電極與鐵電存儲單元的漏極相連接,阻變存儲單元的上電極作為混合存儲器件的位線;混合存儲器件在兩種存儲模式間切換:在第一種存儲模式中,阻變存儲單元作為存儲模塊,鐵電存儲單元作為選通模塊;在第二種存儲模式中,阻變存儲單元處于低阻態(tài),鐵電存儲單元作為存儲模塊。根據(jù)本發(fā)明的再一個方面,還提供了一種混合存儲器件的控制方法,用于控制上述的混合存儲器件,包括:根據(jù)在混合存儲器件的字線和位線的電壓和方向,確定該混合存儲器件處于第一種存儲模式或第二種存儲模式,及在確定的存儲模式下的編程、擦除或讀取操作。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面,還提供了一種混合存儲器件的制備方法,用于制備上述的混合存儲器件,包括:在半導(dǎo)體襯底上形成淺槽隔離;在形成淺槽隔離的半導(dǎo)體襯底上依次沉積鐵電存儲單元的氧化層、鐵電存儲層和電極材料層;對電極材料層、鐵電存儲層和氧化層進行刻蝕,并在刻蝕之后露出的襯底處進行摻雜,形成鐵電存儲單元的源極和漏極;在鐵電存儲單元的漏極上依次沉積阻變存儲單元的下電極層、阻變存儲層和上電極層。(三)有益效果本發(fā)明混合存儲器件及其控制方法、制備方法綜合利用了 FeRAM存儲方式和RRAM存儲方式的優(yōu)點,在單塊芯片上實現(xiàn)了兩種不同的存儲方式,從而可以滿足不同方式的存儲需要,提高了性能,降低了成本,而且它的制備過程與傳統(tǒng)的微電子工藝相兼容,利于廣泛推廣和應(yīng)用。
圖1A為現(xiàn)有技術(shù)鐵電存儲器第一狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖;圖1B為現(xiàn)有技術(shù)鐵電存儲器第二狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2A為現(xiàn)有技術(shù)阻變存儲器的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2B為現(xiàn)有技術(shù)單極阻變存儲器件的工作原理示意圖2C為現(xiàn)有技術(shù)雙極阻變存儲器件的工作原理示意圖;圖3A為本發(fā)明實施例混合存儲器件的連接關(guān)系示意圖;圖3B為本發(fā)明實施例混合存儲器件的結(jié)構(gòu)示意圖;圖4為本發(fā)明實施例混合存儲器件控制方法的流程圖;圖5為多個本發(fā)明實施例混合存儲器件組成存儲陣列的示意圖;圖6為本發(fā)明實施例混合存儲器件制備方法的流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合具體實施例,并參照附圖,對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范,但應(yīng)了解,參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值,而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于所述值。在本發(fā)明的一個示例性實施例中,提出一種混合存儲器件。圖3A為本發(fā)明實施例混合存儲器件的連接關(guān)系示意圖。如圖3A所示,本實施例混合存儲器件包括:阻變存儲單元(RRAM單元)和鐵電存儲單元(FeRAM單元);RRAM單元形成于FeRAM單元的漏極之上。其中,混合存儲子單元可在兩種存儲模式間切換=RRAM單元作為存儲模塊,F(xiàn)eRAM單元作為選通模塊;或RRAM單元處于低阻態(tài),F(xiàn)eRAM單元作為存儲模塊。圖3B為本發(fā)明實施例混合存儲器件的結(jié)構(gòu)示意圖。以下結(jié)合圖3B,分別對FeRAM單兀和RRAM單兀進行介紹。鐵電存儲單??梢詾镸FIS(metal-ferroelectric-1nsulator-silicon)結(jié)構(gòu)或者 MFMIS(metal-ferroelectric-metal-1nsulator-silicon)結(jié)構(gòu)。如圖3B所示,F(xiàn)eRAM單元包括:襯底;源極301和漏極302,形成于襯底溝道區(qū)的兩側(cè);氧化硅層、鐵電存儲層、電極層( 共同標(biāo)記為303),依次形成與襯底溝道區(qū)的上方。阻變存儲單元可以為單極器件、雙極器件或無極器件,其包括:下電極,形成于鐵電存儲單元的漏極上方;鐵電存儲層,形成于鐵電存儲單元的漏極上方;上電極,形成與鐵電存儲層的上方。此外,如圖3B所示,本實施例混合存儲子單元中,RRAM單元的一電極與FeRAM單元的漏極相連接;RRAM單元與電極相對應(yīng)的另一電極作為混合存儲子單元的位線(BL);以及FeRAM單元的柵極作為混合存儲子單元的字線(WL)。對于本實施例的混合存儲器件而言,電極材料、鐵電存儲材料、阻變存儲材料均可以選擇已有的材料。其中,電極的材料可以選取貴重金屬Pt、Ag、Pd ;CM0S工藝中常用的金屬W、T1、Al、Cu ;金屬氧化物L(fēng)aA103、SrRuO3以及多晶Si材料。鐵電存儲單元中鐵電存儲層的材料選自以下材料中的至少一種=PbTiO3 ;Pb (Zr1-Jix)O3,其中O < X < I ; SrTi O3 ;LiNbO3 ;Bi4Ti3012 ;BaTi03O RRAM的阻變層材料可以是鈣鈦礦氧化物:SrTi03> SrZr03、LiNbO3^BaTiO3 等過渡金屬二元氧化物:Zr02、Nb205、Ta205、A1203、CoO、V02、ZnO 等;固態(tài)電解質(zhì):Si02、W03等,有機物:、PVK (聚乙烯咔唑)、Alq3(8_羥基喹啉鋁)等有類似性質(zhì)的材料。本實施例提出了一種多功能通用式的混合存儲器件的設(shè)計方案,通過在一個存儲陣列中融合FeRAM與RRAM的存儲技術(shù),既可以實現(xiàn)RRAM單元的高速低壓存儲,也可以實現(xiàn)FeRAM單元的高密度高可靠性的存儲,不同存儲方式的切換可根據(jù)不同的存儲環(huán)境通過外部軟件控制來實現(xiàn)。以下將介紹該混合存儲器件的控制方法。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面,還提出了一種混合存儲器件的控制方法。圖4為本發(fā)明實施例混合存儲器件控制方法的流程圖。如圖4所示,本實施例包括:
步驟S402,獲取外部環(huán)境的需要;步驟S404,是否為高密度低壓存儲,如果是,執(zhí)行步驟S412,否則,執(zhí)行步驟S406 ;步驟S406,選擇為FeRAM存儲方式;步驟S408,對所有的RRAM單元進行Reset,使其進入低阻態(tài);步驟S410,相應(yīng)的FeRAM單元執(zhí)行讀寫/擦出操作,流程結(jié)束;步驟S412,選擇為RRAM存儲方式步驟S414,F(xiàn)eRAM單元作為選通管;步驟S416,相應(yīng)的RRAM單元執(zhí)行讀寫/擦出操作,流程結(jié)束。圖5為多個本發(fā)明實施例混合存儲器件組成存儲陣列的示意圖?,F(xiàn)以圖5為例,對本發(fā)明實施例混合存儲器件控制方法進行說明。圖5中,501為列譯碼器,502為多路選擇器,503為SL (source line),504為阻變存儲單元,505為CTM存儲單元,506為字線,507為位線,508為行譯碼器,509為寫驅(qū)動,510為讀出放大器,511為輸入輸出,512為工作模式信號。本實施例步驟S416中,當(dāng)外部環(huán)境需要高密度低壓存儲方式時,系統(tǒng)選擇RRAM作為存儲單元,工作模式信號來控制具體的操作狀態(tài)。其中FeRAM單元作為選通管,WL加合適電壓使FeRAM單元的源漏導(dǎo)通或截止。編程的時候,WL施加合適電壓Vpass使源漏導(dǎo)通,在BL上施加編程電壓Vset (通常I 2V,因材料而定),擦除的時候,WL施加合適電壓Vpass使源漏導(dǎo)通,在BL上施加相應(yīng)的擦除電壓V,eset,讀取時,WL施加合適電壓Vpass使源漏導(dǎo)通,在BL上施加讀取電壓VMad( —般為0.2V)進行讀取。本實施例步驟S410中,當(dāng)需要FeRAM作為存儲單元的時候,先按照上邊操作模式將RRAM單元初始化為低阻態(tài),工作模式信號來控制具體的操作狀態(tài)。選取相應(yīng)字線施加寫脈沖Vpulse, BL浮空,鐵電薄膜被極化,源漏導(dǎo)通為“ I”態(tài)。若再施加反向?qū)懨}沖-Vpulse,則溝道關(guān)閉為“O”態(tài)。讀取信息時,在相應(yīng)位線上施加讀電壓V_d,WL浮空,根據(jù)源漏電流的大小即可讀出所存儲的信息。通過本實施例的方法,實現(xiàn)了對上述實施例混合存儲器件的控制。在本發(fā)明的再一個示例性實施例中,還提供了一種混合存儲器件的制備方法。圖6為本發(fā)明實施例混合存儲器件制備方法的流程圖。如圖5所示,本實施例包括:步驟S602,選取合適的襯底;該襯底可以為硅,鍺或者其他有類似性質(zhì)的半導(dǎo)體材料步驟S604,在上述襯底上形成淺槽隔離(Shallow Trench Isolation,簡稱STI);步驟S606,在襯底上依次淀積FeRAM單元的氧化層、鐵電存儲層和電極材料;本步驟中,氧化層由熱氧化或原子層堆積(ALD)方法制備,其厚度為2 IOnm ;其材料可以為二氧化硅,氧化鋁,氧化鉿,或者其他有類似性質(zhì)的二元氧化物或多元氧化物。鐵電存儲層由磁控濺射法、脈沖激光沉積等方法制備,其厚度為60 400nm ;其材料可以選擇為 PbTiO3, Pb (Zr1-Jix) O3 (其中 O < x < I),SrTiO3, LiNbO3, Bi4Ti3O12, BaTiO3 等。電極由電子束蒸發(fā)方法制備,其厚度為70 300nm ;其材料可以為Pt、Ag、Pd、W、T1、Al、Cu、LaA103、SrRuO3以及多晶Si等材料。步驟S608,對上述的電極材料層、鐵電存儲層和氧化層進行刻蝕,并在刻蝕之后露出的襯底處進行摻雜,形成鐵電存儲單元的源漏結(jié)構(gòu)。
步驟S610,采用與S608步驟配套的掩模版,依次在FeRAM單元的漏端上方淀積RRAM單元的下電極、阻變層和上電極;本步驟中,RRAM單元阻變層由原子層堆積、磁控濺射、電子書蒸發(fā)等方法制備,其厚度為 5 50nm 不等,其材料可以選擇為 SrTi03、SrZr03、LiNb03、BaTi03、Zr02、Nb205、Ta205、Al203、Co0、V02、Zn0、Si02、W03、AIDCN、PVK、PS等有類似性質(zhì)的材料。電極的選擇和步驟S4的一致。此外,下電極和上電極由電子束蒸發(fā)方法制備,其厚度為70 300nm。步驟S612,從FeRAM單元的漏端(RRAM單元的下電極),源端以及RRAM單元的上電極引出電極,形成字線和位線。其中,RRAM單元的上電極作為混合存儲子單元的位線(BL);以及FeRAM單元的柵極作為混合存儲子單元的字線(WL)。綜上所述,本發(fā)明混合存儲器件及其控制方法、制備方法綜合利用了 FeRAM存儲器件和RRAM存儲器件的優(yōu)點,在單塊芯片上實現(xiàn)了兩種不同的存儲方式,從而可以滿足不同方式的存儲需要,提高了性能,降低了成本,而且它的制備過程與傳統(tǒng)的微電子工藝相兼容,利于廣泛推廣和應(yīng)用。以上所述的具體實施例,對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明,所應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種混合存儲器件,其特征在于,包括:鐵電存儲單元;及形成于所述鐵電存儲單元的漏極之上的阻變存儲單元; 所述混合存儲器件在兩種存儲模式間切換:在第一種存儲模式中,所述阻變存儲單元作為存儲模塊,所述鐵電存儲單元作為選通模塊;在第二種存儲模式中,所述阻變存儲單元處于低阻態(tài),所述鐵電存儲單元作為存儲模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合存儲器件,其特征在于,所述鐵電存儲單元為MFIS結(jié)構(gòu)或者MFMIS結(jié)構(gòu),其包括: 襯底; 源極和漏極,形成于所述襯底溝道區(qū)的兩側(cè); 氧化硅層、鐵電存儲層、電極層,依次形成與所述襯底溝道區(qū)的上方。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混合存儲器件,其特征在于,所述鐵電存儲單元中鐵電存儲層的材料選自以下材料中的至少一種=PbTiO3 ;Pb (Zr1-Jix)O3,其中O < X < I ;SrTiO3 ;LiNbO3 ;Bi4Ti3012 ;BaTi03。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合存儲器件,其特征在于:所述阻變存儲單元為單極器件、雙極器件或無極器件,其包括: 下電極,形成于所述鐵電存儲單元的漏極上方; 阻變存儲層,形成于所述下電極的漏極上方; 上電極,形成與所述鐵電存儲層的上方。
5.根據(jù)權(quán)利要求4 所述的混合存儲器件,其特征在于,所述阻變存儲單元中阻變存儲層的材料選自以下材料中的至少一種:SrTi03、SrZr03、LiNb03、BaTiO3> ZrO2, Nb2O5, Ta2O5,A1203、CoO、VO2, ZnO, SiO2, W03、AIDCN、PVK, PS。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的混合存儲器件,其特征在于, 所述鐵電存儲單元的柵極作為所述混合存儲器件的字線; 所述阻變存儲單元的下電極與所述鐵電存儲單元的漏極相連接,所述阻變存儲單元的上電極作為混合存儲器件的位線。
7.一種混合存儲器件的控制方法,其特征在于,用于控制權(quán)利要求6所述的混合存儲器件,包括: 根據(jù)在所述混合存儲器件的字線和位線的電壓和方向,確定該混合存儲器件處于第一種存儲模式或第二種存儲模式,及在確定的存儲模式下的編程、擦除或讀取操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的混合存儲器件控制方法,其特征在于,所述確定該混合存儲器件處于第一種存儲模式或第二種存儲模式,及在確定的存儲模式下的編程、擦除和讀取操作的步驟,包括: 在字線施加電壓Vpass,使鐵電存儲單元的源漏導(dǎo)通,該混合存儲器件處于第一種存儲模式; 在所述第一種存儲模式下,在位線上施加編程電壓Vsrt,進行阻變存儲單元的編程操作;在位線上施加擦除電壓Vreset,進行阻變存儲單元的擦除操作;在位線上施加讀取電壓Vread,進行阻變存儲單元的讀取操作;
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的混合存儲器件控制方法,其特征在于,所述確定該混合存儲器件處于第一種存儲模式或第二種存儲模式,及在確定的存儲模式下的編程、擦除和讀取操作的步驟,包括: 將RRAM單元初始化為低阻態(tài),該混合存儲器件處于第二種存儲模式; 在所述第二種存儲模式下,在字線施加寫電壓脈沖Vpulse,位線浮空,源漏導(dǎo)通為“ I ”態(tài),進行鐵電存儲單元的編程操作;施加一反向電壓脈沖-Vpulse,則溝道關(guān)閉為“O”態(tài),從而進行鐵電存儲單元的擦除操作;或在位線上施加一讀電壓VMad,字線浮空,進行鐵電存儲單元的讀取操作。
10.一種混合存儲器件的制備方法,其特征在于,用于制備權(quán)利要求1至5中任一項所述的混合存儲器件,包括: 在半導(dǎo)體襯底上形成淺槽隔離; 在形成淺槽隔離的半導(dǎo)體襯底上依次沉積鐵電存儲單元的氧化層、鐵電存儲層和電極材料層; 對所述電極材料層、鐵電存儲層和氧化層進行刻蝕,并在刻蝕之后露出的襯底處進行摻雜,形成鐵電存儲單元的源極和 漏極; 在所述鐵電存儲單元的漏極上依次沉積阻變存儲單元的下電極層、阻變存儲層和上電極層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的混合存儲器件的制備方法,其特征在于,所述襯底為硅襯底或鍺襯底。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的混合存儲器件的制備方法,其特征在于,所述對電極材料層、鐵電存儲層和氧化層進行刻蝕步驟中應(yīng)用的掩模版,與在所述鐵電存儲單元的漏極上依次沉積阻變存儲單元的下電極層、阻變存儲層和上電極層的掩模版相對應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混合存儲器件及其控制方法、制備方法。該混合存儲器件包括鐵電存儲單元;及形成于鐵電存儲單元的漏極之上的阻變存儲單元;混合存儲器件在兩種存儲模式間切換在第一種存儲模式中,阻變存儲單元作為存儲模塊,鐵電存儲單元作為選通模塊;在第二種存儲模式中,阻變存儲單元處于低阻態(tài),鐵電存儲單元作為存儲模塊。本發(fā)明綜合利用了FeRAM存儲方式和RRAM存儲方式的優(yōu)點,在單塊芯片上實現(xiàn)了兩種不同的存儲方式,從而可以滿足不同方式的存儲需要。
文檔編號G11C11/22GK103165172SQ20111040949
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者劉明, 許中廣, 霍宗亮, 朱晨昕, 謝常青 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所