背景技術(shù)：

鐵電(fe)材料是表現(xiàn)出自發(fā)電極化的電解質(zhì)晶體。自發(fā)極化的方向可以通過施加外部電場(chǎng)在兩個(gè)晶體定義的狀態(tài)之間反轉(zhuǎn)。兩種明顯不同狀態(tài)的這種材料性質(zhì)可以用于存儲(chǔ)器應(yīng)用以儲(chǔ)存信息，即，兩個(gè)二進(jìn)制狀態(tài)0和1的表示。

僅在居里溫度tc以下(這在文獻(xiàn)中也被稱為相變溫度)，鐵電材料表現(xiàn)出鐵電性。由于相變溫度是材料性質(zhì)，它的價(jià)值涵蓋了大范圍的溫度。高于該溫度，該材料表現(xiàn)出順電性質(zhì)和行為。

鐵電鈦酸鋇(batio3)的發(fā)現(xiàn)觸發(fā)了對(duì)鐵電材料的研究的增加，因?yàn)閺V泛認(rèn)識(shí)到，穩(wěn)健的、化學(xué)穩(wěn)定的和相對(duì)惰性的鐵電晶體的存在提供了電可切換的雙態(tài)器件。此類器件的主要優(yōu)點(diǎn)通過其編碼對(duì)于二進(jìn)制計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的布爾代數(shù)所需的1和0狀態(tài)的能力來表示。在鐵電存儲(chǔ)器件中，極化狀態(tài)決定要儲(chǔ)存的信息，其中二進(jìn)制狀態(tài)通過極化的正和負(fù)極化狀態(tài)表示。

鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(feram)的構(gòu)思被用作由其電介質(zhì)是鐵電的一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器(1t-1c)配置組成的基本非易失性存儲(chǔ)器單元。這里，與標(biāo)準(zhǔn)dram電容器(其中由通過存取晶體管的泄漏電流引起不可避免的放電)相比，feram不隨時(shí)間表現(xiàn)出存儲(chǔ)損耗，因?yàn)樾畔?chǔ)存在離子的永久位置偏移中。在fe層中儲(chǔ)存信息的另一種可能性是在鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fefet)內(nèi)。這里，fefet器件中的電介質(zhì)層的極化狀態(tài)改變晶體管的閾值電壓。

隨著摻雜硅的氧化鉿(si:hfo2)的鐵電性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fefet)以及鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(fram)的可集成性和可擴(kuò)展性得到顯著改善?；趐zt的低功率、非易失性存儲(chǔ)器fefet在1963年由j.l.moll等人提出。然而，由于與cmos工藝的兼容性問題、有限的保持和其難以擴(kuò)展性，它們從未達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)。摻雜的氧化鉿中鐵電性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)已改變了該情況。在達(dá)到cmos兼容性和最先進(jìn)的可擴(kuò)展性之后，摻雜鉿的層的可靠性研究顯示出低的耐久性特性。

通常，基于hfo2的鐵電電容器具有高的氧空位含量，導(dǎo)致由器件的早期擊穿引起的更短的耐久性。對(duì)于顯示更強(qiáng)的反鐵電(afe)性質(zhì)的樣品達(dá)到了良好的耐久性。在hfzro2混合氧化物(hz)的情況下，混合hz層中較高的zro2含量引起更強(qiáng)的afe類性質(zhì)。由于耐久性與afe增加相關(guān)，預(yù)期更長的耐久性，這有益于fecap(fram)壽命性能。

所有現(xiàn)有電子器件的存儲(chǔ)器應(yīng)用由于操作的亞閾值區(qū)域而消耗一定量的能量，這即使在操作的中性狀態(tài)下也需要電力。隨著集成電路器件的數(shù)量在日常生活中上升，提供對(duì)于操作所需的消耗功率上的減少的解決方案變得更加重要。

除了具有自發(fā)電極化的fe材料之外，還存在通過施加外部電場(chǎng)而表現(xiàn)出電極化的其它材料。表現(xiàn)出反鐵電性質(zhì)的材料在文獻(xiàn)中被描述為晶體，其結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為由在反平行方向上自發(fā)極化的兩個(gè)亞晶格構(gòu)成，并且其中通過施加電場(chǎng)可以誘導(dǎo)鐵電相。afe材料的典型示例是pbzro3。

其它相關(guān)材料是場(chǎng)誘導(dǎo)鐵電(例如，純zro2)和弛豫鐵電型材料(例如，batio3或pbmg1/3nb2/3o3)。在場(chǎng)誘導(dǎo)鐵電(ffe)材料中，存在非fe材料，其通過施加外部電場(chǎng)而轉(zhuǎn)化為fe。在弛豫鐵電型(rfe)材料中，fe種晶存在于非fe鄰域(周圍)結(jié)構(gòu)中。通過施加外部電場(chǎng)，在材料內(nèi)增加fe相區(qū)域。

在所有這三種情況下，fe性質(zhì)與外部施加場(chǎng)相關(guān)地增加及減少。在所有情況下，存在明顯不同的狀態(tài)。根據(jù)外部場(chǎng)(例如，通過外部電壓)顯示電荷極化的這些材料的相關(guān)電荷-電壓特性磁滯曲線表現(xiàn)出“箍縮(pinched)磁滯環(huán)”，其中相關(guān)電荷-電壓特性(以下簡稱為電荷-電壓特性)在正電壓范圍中具有第一磁滯環(huán)，在負(fù)電壓范圍中具有第二磁滯環(huán)，并且電荷與緊鄰0伏特(對(duì)應(yīng)于不存在電場(chǎng))的電壓線性相關(guān)。這些類型的材料不能直接用于非易失性數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。用零電壓感測(cè)將引起去極化，導(dǎo)致儲(chǔ)存信息的丟失。在本文中，表現(xiàn)出箍縮磁滯環(huán)的這三種類型的材料被稱為“箍縮磁滯環(huán)”(phl)鐵電材料(或簡稱為“phl材料”)，并且包括所有上述三種類型的材料：afe、ffe和rfe。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文所述的是用于將反鐵電類材料集成到集成電路元件中的新構(gòu)思。反鐵電類材料的特征在于利用施加外部電場(chǎng)的箍縮磁滯環(huán)(phl)。具有作為施加的外部電場(chǎng)的結(jié)果的此類行為的材料是：反鐵電(afe)、場(chǎng)誘導(dǎo)鐵電(ffe)和弛豫鐵電(rfe)型材料。本文公開的本發(fā)明構(gòu)思使得采用phl材料的元件能夠用作鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(fram)器件中的鐵電體。該器件結(jié)構(gòu)提供內(nèi)部(內(nèi)建)偏置電場(chǎng)，其基本上使phl材料的電荷-電壓特性偏移，以使兩個(gè)磁滯環(huán)中的一個(gè)與零電壓狀態(tài)對(duì)準(zhǔn)(例如居中)，使得phl材料能夠在不存在外部電場(chǎng)的情況下保持在選定的極化狀態(tài)。根據(jù)一個(gè)選項(xiàng)，器件包括夾在具有誘導(dǎo)內(nèi)部偏置電場(chǎng)的不同功函數(shù)值的兩個(gè)電極之間的phl材料，該內(nèi)部偏置電場(chǎng)使器件的讀出偏移并且使得能夠集成和使用集成電路作為例如二進(jìn)制非易失性存儲(chǔ)器。根據(jù)另一選項(xiàng)，可以將固定電荷引入phl材料和/或兩個(gè)電極之間的中間層中以提供內(nèi)部偏置電場(chǎng)?？蛇x地，具有帶有不同功函數(shù)值的電極和具有設(shè)置在電極之間的固定電荷的電極的技術(shù)均可以用于誘導(dǎo)對(duì)于使phl材料的電荷-電壓特性偏移所需的內(nèi)部偏置電場(chǎng)。

通過利用具有不對(duì)稱電極的新堆棧，本文所述的箍縮磁滯環(huán)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(phlram)的本發(fā)明集成構(gòu)思提供了優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)fram方案的數(shù)個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這包括：包含夾在具有不對(duì)稱功函數(shù)值和/或?qū)τ谡T導(dǎo)內(nèi)部的內(nèi)置偏置電場(chǎng)所需要的固定電荷的電極之間的phl材料的堆棧，其實(shí)現(xiàn)使得改善的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和讀出。

典型的非易失性鐵電存儲(chǔ)器單元基于與存取晶體管耦接的金屬-絕緣體-金屬(mim)電容器。在這些器件中，電容器包括具有相似的功函數(shù)值的兩個(gè)金屬層(電極)和在它們之間的鐵電層。該電容器與金屬-氧化物-半導(dǎo)體(mos)存取晶體管一起構(gòu)建能夠儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的一個(gè)二進(jìn)制位的一個(gè)存儲(chǔ)器單元。在該系統(tǒng)中使用的金屬層(電極)的特征在于用于兩個(gè)電極的類似功函數(shù)值，其在器件的鐵電體上產(chǎn)生均勻的電場(chǎng)(沒有朝向一側(cè)的偏置)。

本文所述的集成構(gòu)思和堆棧依賴于利用箍縮磁滯環(huán)(phl)材料層代替鐵電材料層，并且依賴于內(nèi)部偏置電場(chǎng)，其以phl材料的兩個(gè)磁滯環(huán)中的一個(gè)與“零電壓”條件(即，在不存在外部電場(chǎng)的情況下)對(duì)準(zhǔn)的方式使該(phl)材料的電荷-電壓特性偏移，器件可以保持在兩種極化狀態(tài)中的一種，因?yàn)閜hl材料的兩個(gè)磁滯環(huán)中的一個(gè)已被偏移以跨越(straddle)電荷-電壓特性中的零電壓條件。為了達(dá)到非易失性存儲(chǔ)器件，需要產(chǎn)生內(nèi)部偏置場(chǎng)以使磁滯曲線偏移(例如，偏移-1伏特)。偏置場(chǎng)可以由具有約1ev的功函數(shù)差異的兩個(gè)電極產(chǎn)生。根據(jù)另一選項(xiàng)，內(nèi)部偏置場(chǎng)可以通過儲(chǔ)存在phl材料層本身中或者同樣儲(chǔ)存在電極之間的附加層中的電荷來實(shí)現(xiàn)。不同電極功函數(shù)值和內(nèi)部電荷的組合也可以用于實(shí)現(xiàn)所需的內(nèi)部偏置電場(chǎng)。

現(xiàn)有技術(shù)的基于hfo2的鐵電電容器具有高的氧空位含量，導(dǎo)致由器件的早期擊穿引起的更短的耐久性。對(duì)于顯示更強(qiáng)的phl性質(zhì)的樣品，例如si：hfo2或hfzro，達(dá)到良好的壽命。在hfzro2混合氧化物(hz)的情況下，混合hz層中較高的zro2含量引起更強(qiáng)的afe類性質(zhì)。因此，耐久性增加與phl增加直接相關(guān)，這有益于fram壽命性能。此外，基于fe的存儲(chǔ)器的離子位移在器件的晶格中誘導(dǎo)附加應(yīng)力，這導(dǎo)致器件壽命的降低。與fe存儲(chǔ)器相反，本文所述的本發(fā)明構(gòu)思不經(jīng)歷上述離子位移應(yīng)力，這改善了器件的性能度量，諸如穩(wěn)定性和耐久性。

另外，電介質(zhì)zro2層內(nèi)的界面層通過避免晶粒邊界從底部電極到達(dá)頂部電極而減少漏電流。因此，由于沿著晶粒邊界的缺陷移動(dòng)(導(dǎo)致隨后發(fā)生擊穿事件)的減少，預(yù)期器件的壽命更長。

具有中間層的zro2基薄膜是完全cmos和3d可集成的并且在半導(dǎo)體dram工藝中是可容易獲得的。此外，諸如zro2的phl材料具有比摻雜hfo2材料更高的耐久性(壽命)。對(duì)于其它phl、afe或弛豫型材料可以實(shí)現(xiàn)類似的行為。另外，具有高結(jié)晶溫度的al2o3或其它高帶隙電介質(zhì)中間層因此改善了可靠性和耐久性。此外，al2o3中間層減小了phl層的晶粒尺寸，并且因此改善了器件的可變性。

為了能夠使用phl材料作為非易失性存儲(chǔ)器件，需要產(chǎn)生內(nèi)部偏置場(chǎng)以使磁滯曲線偏移(例如，偏移-1v)。偏置場(chǎng)可以由具有約1ev的功函數(shù)差異的兩個(gè)電極產(chǎn)生。本發(fā)明的柵極堆棧集成產(chǎn)生所謂的一晶體管-一電容器(1t-1c)存儲(chǔ)器架構(gòu)。

除了1t-1c存儲(chǔ)器構(gòu)思之外，半導(dǎo)體代替底部金屬電極的使用將使得fe層能夠集成在所謂的單晶體管(1t-構(gòu)思)非易失性存儲(chǔ)器和新穎phl-mos1t存儲(chǔ)器件中。

除了先前討論的存儲(chǔ)器應(yīng)用之外，表現(xiàn)出箍縮磁滯的材料的本發(fā)明集成將降低集成器件的功耗?，F(xiàn)有技術(shù)構(gòu)思遭受來自亞閾值電壓的功率耗散，甚至在集成電路未被接通時(shí)，亞閾值電壓也消耗功率。本文所述的本發(fā)明構(gòu)思的應(yīng)用使得能夠使用所謂的陡峭的亞閾值器件，這減少了非接通器件的器件中消耗能量的量，并且降低了用于接通器件的電壓的高度(閾值電壓)。

除了低功率電子器件和存儲(chǔ)器應(yīng)用之外，具有本文提出的兩個(gè)不同的功函數(shù)金屬電極的本發(fā)明器件堆?？梢杂糜陔姛崞骷械哪芰渴占瘧?yīng)用，例如基于熱電效應(yīng)、鐵電體和熱電傳感器、壓電器件、所謂的超級(jí)電容器以及在基于電容器的配置中使用電介質(zhì)材料的fe或phl性質(zhì)的其它器件。

附圖說明

圖1a是示出用于具有特征在于鐵電磁滯環(huán)的鐵電(fe)材料層的器件的具有和不具有施加的外部場(chǎng)的極化取向的圖。

圖1b是示出用于具有特征在于箍縮磁滯環(huán)(phl)的場(chǎng)誘導(dǎo)鐵電材料(ffe)層的器件的具有和不具有施加的外部場(chǎng)的極化取向的圖。

圖1c是示出用于具有特征在于箍縮磁滯環(huán)(phl)的弛豫型鐵電材料(rfe)層的器件的具有和不具有施加的外部場(chǎng)的極化取向的圖。

圖1d是示出用于具有特征在于箍縮磁滯環(huán)(phl)的反鐵電材料(afe)層的器件的具有和不具有施加的外部場(chǎng)的極化取向的圖。

圖2a是示出用于具有鐵電電荷-電壓特性的材料的作為電壓的函數(shù)的電荷的曲線圖。

圖2b是示出用于具有圖2a所示的鐵電電荷-電壓特性的材料的作為電壓的函數(shù)的電流的曲線圖。

圖2c是示出根據(jù)本發(fā)明集成的示例的用于具有箍縮磁滯電荷-電壓特性的材料的作為電壓的函數(shù)的電荷的曲線圖。

圖2d是示出圖2c所示的用于具有箍縮磁滯電荷-電壓特性的材料的作為電壓的函數(shù)的電流的曲線圖。

圖3示出了基于用于電極的不同功函數(shù)值的本發(fā)明集成構(gòu)思，其使得能夠利用phl材料作為非易失性存儲(chǔ)器材料。

圖4a示出了基于用于電極的不同功函數(shù)值的本發(fā)明集成構(gòu)思，其影響對(duì)應(yīng)的電荷-電壓特性，使得能夠利用phl材料作為非易失性存儲(chǔ)器材料。

圖4b示出了基于用于電極的不同功函數(shù)值的本發(fā)明集成構(gòu)思，其影響對(duì)應(yīng)的電流-電壓特性，使得能夠利用phl材料作為非易失性存儲(chǔ)器材料。

圖5示出了根據(jù)本文所述的本發(fā)明構(gòu)思的不同的功函數(shù)電極材料本發(fā)明構(gòu)思與phl材料非易失性存儲(chǔ)器件的調(diào)整讀出一起的集成的示例。

圖6a示出了本文所述的本發(fā)明構(gòu)思的測(cè)量結(jié)果。

圖6b示出了具有不同功函數(shù)值的電極的使用的輸出。

圖7a示出了本發(fā)明構(gòu)思的柵極堆棧，其涉及夾在兩個(gè)不同的功函數(shù)金屬電極之間的phl材料。

圖7b示出了本發(fā)明構(gòu)思的柵極堆棧，其涉及夾在具有不同功函數(shù)值的金屬電極和半導(dǎo)體襯底之間的phl材料。

圖8a示出了使用基于電容器和晶體管集成的phlram存儲(chǔ)器單元架構(gòu)的本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)現(xiàn)。

圖8b示出了使用基于電容器和晶體管集成的phl材料fet(phlfet)存儲(chǔ)器單元架構(gòu)的本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)現(xiàn)。

圖9a示出了根據(jù)圖8a實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明構(gòu)思的詳細(xì)器件堆棧的示例。

圖9b示出了根據(jù)圖8b實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明構(gòu)思的詳細(xì)器件堆棧的示例。

圖10a至圖10c示出了根據(jù)本文所述的本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的基于對(duì)于產(chǎn)生內(nèi)建偏置場(chǎng)所需的固定電荷層和箍縮磁滯的居中的三個(gè)不同存儲(chǔ)器單元堆棧的示例。

圖11描繪了金屬phl層金屬(mphlm)結(jié)構(gòu)的示例實(shí)施例的橫截面圖，其中phl材料層包括多個(gè)域。

具體實(shí)施方式

本文所述的是用于在集成電路中集成phl材料的新構(gòu)思。這些材料的特征在于在施加外部電場(chǎng)期間的箍縮磁滯環(huán)。表現(xiàn)出作為施加外部電場(chǎng)的結(jié)果的此類行為的材料是：場(chǎng)誘導(dǎo)鐵電(ffe)材料、反鐵電(afe)材料和弛豫型鐵電(rfe)材料。

在下文中，呈現(xiàn)了基于參考附圖的詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，除非另有特別說明，否則本文所述的各種示例性實(shí)施例的特征可以彼此組合。

圖1a是示出具有設(shè)置在(夾在)頂部電極101a和底部電極103a之間的鐵電(fe)材料的分層器件的圖。圖1a的左側(cè)部分示出了沒有施加外部電場(chǎng)的fe材料的極化取向102a，并且圖1a的右側(cè)部分示出了具有施加的外部電場(chǎng)的fe材料的極化取向104a。在此類鐵電存儲(chǔ)器件中，極化狀態(tài)決定要儲(chǔ)存的信息。0和1的二進(jìn)制狀態(tài)通過分別在圖1a的左側(cè)和右側(cè)所示的正和負(fù)極化狀態(tài)表示。

圖1b與圖1a的不同之處在于，場(chǎng)誘導(dǎo)鐵電(ffe)材料代替鐵電(fe)材料設(shè)置在頂部電極101a和底部電極103a之間。圖1b的左側(cè)部分示出了在不存在(102b)和存在(104b)電場(chǎng)的情況下ffe材料的極化行為。如圖1b的左側(cè)部分所示，如果不存在外部激勵(lì)場(chǎng)，則沒有取向域并且沒有所得的極化。在圖1b的右側(cè)部分中，外部電場(chǎng)的施加誘導(dǎo)域朝向施加場(chǎng)側(cè)的極化和取向。

圖1c示出了設(shè)置在頂部電極101a和底部電極103a之間的弛豫鐵電(rfe)材料。圖1c的左側(cè)部分示出了在不存在(102c)和存在(104c)外部電場(chǎng)的情況下rfe材料的極化行為。如圖1c的左側(cè)部分所示，如果不存在外部激勵(lì)場(chǎng)，則極化僅存在于rfe層的一小部分中(由圓圈中的箭頭圖形地表示)。在圖1c的右側(cè)部分中，施加外部電場(chǎng)使得rfe層的極化部分增加，導(dǎo)致具有以與圖1b相同的方式取向的域的極化rfe層。

圖1d示出了設(shè)置在頂部電極101a和底部電極103a之間的反鐵電(afe)材料。圖1d的左側(cè)部分示出了在不存在(102d)和存在(104d)外部電場(chǎng)的情況下afe材料的極化行為。如圖1d的左側(cè)部分所示，如果不存在外部激勵(lì)場(chǎng)，則afe材料表現(xiàn)出相反的極化以及相反的域取向。在圖1d的右側(cè)部分中，外部電場(chǎng)的施加誘導(dǎo)域朝向施加場(chǎng)側(cè)的極化和取向，導(dǎo)致具有以與圖1b和圖1c相同的方式取向的域的極化afe層。

本文所述的是用于將phl材料集成到集成電路中的創(chuàng)新方法?；谠摲椒?，公開了存儲(chǔ)器件構(gòu)思。每個(gè)存儲(chǔ)器件包括夾在兩個(gè)電極之間的phl材料。器件結(jié)構(gòu)提供內(nèi)部(內(nèi)建)偏置電場(chǎng)，其使phl材料的電荷-電壓特性偏移，以使兩個(gè)磁滯環(huán)中的一個(gè)與零電壓狀態(tài)對(duì)準(zhǔn)(即，兩個(gè)磁滯中的一個(gè)跨越電荷-電壓特性的零電壓狀態(tài))，使得phl材料能夠在不存在外部電場(chǎng)的情況下保持在選定的極化狀態(tài)。根據(jù)本文所述的一個(gè)選項(xiàng)，頂部和底部電極包含具有誘導(dǎo)允許在非易失性存儲(chǔ)器件內(nèi)儲(chǔ)存和讀出數(shù)據(jù)的內(nèi)置偏置電場(chǎng)的不同功函數(shù)值的不同材料。根據(jù)另一選項(xiàng)，可以將電荷引入phl材料和/或兩個(gè)電極之間的中間層中，以提供內(nèi)部偏置電場(chǎng)?？蛇x地，具有帶有不同功函數(shù)值的電極和具有設(shè)置在電極之間的固定電荷的電極的技術(shù)均可以用于誘導(dǎo)對(duì)于使phl材料的電荷-電壓特性偏移所需的內(nèi)部偏置電場(chǎng)。

圖2b示出了鐵電材料的電流-電壓特性201b，其特征在于由于經(jīng)由施加足夠的正或負(fù)電壓而施加到器件的外部場(chǎng)發(fā)生的單個(gè)正峰和單個(gè)負(fù)峰。該電流-電壓特性轉(zhuǎn)換為圖2a所示的磁滯電荷-電壓行為201a，其具有用于區(qū)分兩個(gè)非易失性狀態(tài)的兩個(gè)二進(jìn)制狀態(tài)。該解決方案可以集成在常規(guī)鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器架構(gòu)中。

與鐵電材料相反，圖2c示出了與圖1b、圖1c和1d所示的ffe、rfe和afe材料(統(tǒng)稱為phl材料)相關(guān)聯(lián)的“箍縮磁滯環(huán)”電荷-電壓特性201c。phl電荷-電壓特性表現(xiàn)出三個(gè)材料相，其中電荷跟隨用于正電壓的第一磁滯環(huán)，用于負(fù)電壓的第二磁滯環(huán)，并且與0伏特附近的電壓線性相關(guān)。圖2d對(duì)應(yīng)地示出了phl材料的電荷-電壓特性201d(圖2d)，其特征在于由于經(jīng)由合適的電壓而施加到器件的外部場(chǎng)發(fā)生的兩個(gè)正峰和兩個(gè)負(fù)峰。phl材料以前尚未被認(rèn)為適合于非易失性信息儲(chǔ)存，因?yàn)楫?dāng)沒有施加場(chǎng)時(shí)丟失數(shù)據(jù)，如由圖2c所示的電荷-電壓特性所暗示的。

在下文中，將闡明圖4和圖5中描述的phlram實(shí)施例的本發(fā)明能量(energetic)方案的基本原理。

在具有不同功函數(shù)的兩個(gè)金屬電極之間的phl材料的集成誘導(dǎo)為使電荷-電壓特性的兩個(gè)電荷-電壓回線中的一個(gè)的位置相對(duì)于0伏居中所需的內(nèi)建偏置電壓偏移。該偏移使得能夠使用phl材料作為使用兩個(gè)電荷-電壓回線中的一個(gè)的二進(jìn)制存儲(chǔ)器應(yīng)用的材料。通過用不同的功函數(shù)值材料進(jìn)行偏置使兩個(gè)磁滯環(huán)中的一個(gè)圍繞零伏特的居中，使得能夠在兩狀態(tài)非易失性存儲(chǔ)器件中使用和集成phl材料，其即使在去除外部激勵(lì)場(chǎng)之后仍保持二進(jìn)制狀態(tài)。

在兩個(gè)phl電荷-電壓磁滯環(huán)中的一個(gè)圍繞零伏特居中之后，可以通過在電極上施加對(duì)稱電壓條件來執(zhí)行器件的二進(jìn)制狀態(tài)的低功率讀出。

圖3示出了用于實(shí)現(xiàn)非易失性存儲(chǔ)器的能帶圖的示例。對(duì)于鐵電材料，電荷電壓行為201a(圖2a)圍繞零居中，因此不需要誘導(dǎo)特性的人工附加偏移。相比之下，圖2b所示的箍縮電荷-電壓特性201c的特征在于雙磁滯環(huán)，并且兩個(gè)磁滯環(huán)都不圍繞零電場(chǎng)居中。為了誘導(dǎo)需要使兩個(gè)磁滯環(huán)中的一個(gè)的電荷-電壓關(guān)系居中并且限定1和0的兩個(gè)不同二進(jìn)制狀態(tài)所需的偏移，可以使用具有不同功函數(shù)值的電極。

phl材料可以是包含zraxbo2的場(chǎng)誘導(dǎo)鐵電型層，其中x是離子半徑小于zr的元素周期表的元素，并且a>0，b>0。合適的x元素可以是hf、si、al、ge和元素周期表的第二族的元素中的一個(gè)，并且a>0，b>0。除了該組合之外，phl材料層可以包含hfaxbo2，其中x是離子半徑比hf小的元素周期表的元素，并且a>0，b>0。用于該組合的合適的元素可以是元素周期表的第二族的元素(zr、si、al、ge)中的一個(gè)，其中a>0，b<0，如前所述。phl材料層的厚度可以在1nm至20nm之間的范圍內(nèi)。

phl材料的另一種可能性可以是由純zro2層或包含基于zro2或hfo2的電介質(zhì)材料組成的場(chǎng)誘導(dǎo)鐵電型。

phl材料的第三種可能性可以是弛豫型鐵電材料(例如，batio3或pbmg1/3nb2/3o3)。并且phl材料的第四種可能性可以是afe型材料，如pbzro3。

在下文中，參考圖1b、圖1c和圖1d所示的實(shí)施例，結(jié)合圖3的能量圖來解釋基于不同的功函數(shù)電極材料的本發(fā)明構(gòu)思。功函數(shù)表示需要給予電荷載流子使得它其可以離開封閉的材料系統(tǒng)的能量。更具體地，功函數(shù)表示電極的費(fèi)米能級(jí)301和真空300能級(jí)之間的差。圖3示出了根據(jù)本文所述的本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)的不同功函數(shù)材料101a(頂部電極)與103a(底部電極)和表現(xiàn)出箍縮磁滯的phl鐵電層102(包含afe、ffe或rfe層)的集成的能量結(jié)果。因此，第一頂部電極101a的能量值必須與第二底部電極103a的能量值不同。該能量差誘導(dǎo)使phl層102的電荷電壓特性偏移的內(nèi)建偏置電場(chǎng)。

在該具體應(yīng)用中，第一電極和第二電極具有0.7ev至1.5ev的功函數(shù)值差，并且第一電極和第二電極包含提供0.7ev至1.5ev的功函數(shù)差的以下材料或其組合：ti、tin、tisi、tialn、tan、tacn、tasi、w、wsi、wn、al、ru、ruo、ruo2、re、pt、ir、iro、iro2、in2o3、insno、sno、zno、ti、ni、nisi、nb、ga、gan、c、ge、si、摻雜si、sic或gesi。

圖2c和2d示出了對(duì)應(yīng)于常規(guī)解決方案的使用具有相同功函數(shù)值的電極分別對(duì)電荷電壓特性和電流電壓特性的影響。圖3中所示的本發(fā)明構(gòu)思基于使用具有不同功函數(shù)值的電極誘導(dǎo)前述特性中的偏移。因此，集成不同功函數(shù)材料誘導(dǎo)內(nèi)建電場(chǎng)，其使箍縮(雙)磁滯中的一個(gè)圍繞0伏特居中，并且產(chǎn)生如圖4a所示的偏移箍縮磁滯401a。對(duì)應(yīng)的偏移電流-電壓特性401b在圖4b中示出。

根據(jù)所選擇的電極材料，兩個(gè)箍縮回線中的一個(gè)可以居中。有利的是，選擇第一電極和第二電極之間的功函數(shù)差，使得箍縮(雙)磁滯中的一個(gè)被居中到零外部場(chǎng)，如圖5所示。在特性居中之后，可以施加對(duì)稱的正和負(fù)電場(chǎng)，用于存儲(chǔ)器件的讀取和寫入。該讀出范圍500在圖5中示出，在該范圍中可以施加低的和對(duì)稱的操作電場(chǎng)，導(dǎo)致高壽命和良好的狀態(tài)保持。

在phl存儲(chǔ)器單元的編程操作中，將電壓脈沖施加到存儲(chǔ)器單元的phl材料以在極化狀態(tài)與非極化狀態(tài)之間改變其狀態(tài)，其中在極性中的該改變對(duì)應(yīng)于(例如)“0”或“1”狀態(tài)。在操作方面，phlram類似于feram。編程通過在phl材料層的任一側(cè)的板充電而跨phl材料層施加場(chǎng)來完成，從而迫使晶格處于極化或非極化狀態(tài)(這取決于電荷的極性)，從而儲(chǔ)存“1”或“0”。phlram中的感測(cè)與feram中的感測(cè)相同。晶體管迫使單元進(jìn)入特定狀態(tài)，比如說“0”。如果單元已經(jīng)儲(chǔ)存了“0”，則輸出線中將不會(huì)發(fā)生任何操作。如果單元已經(jīng)儲(chǔ)存了“1”，則phl材料層中的晶格的重新極化將在輸出中引起電流的短暫脈沖，因?yàn)樗鼈儗㈦娮訌摹跋隆眰?cè)的金屬推出。該脈沖的存在意味著單元已經(jīng)保持“1”。由于該過程“過度編程”單元，所以感測(cè)是破壞性過程，并且如果單元被改變則需要單元被重新編程。

本文所述的實(shí)施例的測(cè)量結(jié)果在圖6a和圖6b中示出。圖6a示出了具有兩個(gè)相同功函數(shù)值的工作器件上的測(cè)量結(jié)果，其中在電流-電壓特性中所有四個(gè)峰都是可見的。本文所述的本發(fā)明構(gòu)思在圖6b中示出，其中,在所測(cè)量的特性中，包括不同的功函數(shù)電極(wf1-wf2＝0.3ev)的本發(fā)明構(gòu)思誘導(dǎo)內(nèi)建場(chǎng)和電流-電壓朝向0伏特偏移。

圖7a和圖7b示出了柵極堆棧的電極部分的兩個(gè)選項(xiàng)。表現(xiàn)出磁滯極化的phl層102的集成可以按照下面兩種方式來執(zhí)行。首先，如圖7a所示，phl材料層102可以夾在兩個(gè)金屬電極(例如，第一電極101a和第二電極103a)之間。根據(jù)圖7b所示的第二集成選項(xiàng)，phl材料層102可以夾在第一金屬電極101a和用作第二電極的半導(dǎo)體層703之間。半導(dǎo)體電極703可以是襯底，諸如來自硅的晶片。

圖8a和圖8b示出了基于電容器和晶體管集成的本發(fā)明存儲(chǔ)器單元構(gòu)思的兩個(gè)示例。圖8a示出了參考本文所述的本發(fā)明構(gòu)思的集成電路的一個(gè)實(shí)施例的橫截面圖，包括平面1t-1cphl材料存儲(chǔ)單元(phlram)。phlram存儲(chǔ)器單元包括形成在體載體800a(諸如硅襯底)內(nèi)的源極區(qū)801a/漏極區(qū)802a。在載體800a的表面上方，形成金屬柵極層803a，其在源極區(qū)802a和漏極區(qū)801a之間延伸。位線805a形成在源極區(qū)802a的頂部，并且字線804a形成在金屬柵極層803a的頂部。根據(jù)本文所述的本發(fā)明構(gòu)思的儲(chǔ)存元件耦接到漏極區(qū)801a。具體地，形成包括底部電極101a、箍縮磁滯極化層102和頂部電極103a的堆棧結(jié)構(gòu)，其中頂部和底部電極具有不同的功函數(shù)。因此，儲(chǔ)存元件根據(jù)圖7a所示的布置形成。

圖8b示出了參考本文所述的本發(fā)明構(gòu)思的集成電路的一個(gè)實(shí)施例的橫截面圖，包括其中將phl儲(chǔ)存層結(jié)合到柵極堆棧中的平面1tphl存儲(chǔ)器單元(phlfet)。與圖8a所示的結(jié)構(gòu)一樣，圖8b的phlfet存儲(chǔ)器單元包括形成在體載體800a內(nèi)的源極區(qū)802a/漏極區(qū)801a，以及形成在源極層802a的頂部的位線805a。在載體層800a的表面上形成phl鐵電層102，其在源極區(qū)802a和漏極區(qū)801a之間延伸。在phl鐵電層102的頂部形成金屬電極101a，并且在金屬電極101a的頂部形成字線。以這種方式，圖7b所示的結(jié)構(gòu)被結(jié)合到柵極堆棧中并由載體層800a、phl層102和金屬電極101a形成。

作為第二器件，圖7b的配置可以用作晶體管。在此類應(yīng)用中，phl材料層用作柵極材料。晶體管的性質(zhì)可以是電流-電壓曲線的位移。在本發(fā)明晶體管器件中的該phl材料層將導(dǎo)致這種電流-電壓曲線的非常陡峭的斜率。常規(guī)構(gòu)思遭受來自亞閾值電壓的功率耗散，甚至在集成電路未被接通時(shí)，仍繼續(xù)消耗功率。換句話說，現(xiàn)在的晶體管遭受在斷開狀態(tài)中不斷“泄漏”或丟失或浪費(fèi)的能量損失。降低常規(guī)邏輯電路中的功耗的最有效方法是降低電源電壓(vdd)，因?yàn)殪o態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗兩者都強(qiáng)烈取決于vdd。不幸的是，在常規(guī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中縮放vdd的能力是由在室溫下亞閾值斜率(ss)必須大于2.3kbt/q(60mv/十年)的事實(shí)限制的材料本性。本文所述的本發(fā)明構(gòu)思的應(yīng)用使得能夠使用所謂的陡峭的亞閾值器件，這將減少非接通器件的器件中消耗能量的量，并且將降低用于接通器件的電壓的高度(閾值電壓)。本文所述的創(chuàng)新構(gòu)思表現(xiàn)出負(fù)電容，其補(bǔ)償常規(guī)集成電路的閾值電壓的典型電容極限。因此，特征在于陡峭的亞閾值斜率的新穎器件表現(xiàn)出在斷開(低電流)和接通(高電流)狀態(tài)之間更快的轉(zhuǎn)換。

作為第三發(fā)明器件，圖7a或圖7b的布置可以用作壓電器件。在此類應(yīng)用中，phl材料用于壓電元件、傳感器或致動(dòng)器中。當(dāng)向phl材料施加機(jī)械壓力時(shí)，在向器件施加電壓或者用于在器件電極上啟動(dòng)電壓時(shí)，phl材料中的壓電性質(zhì)用于啟動(dòng)線性機(jī)電運(yùn)動(dòng)。

作為第四個(gè)發(fā)明器件，圖7a或圖7b的裝置可以用作熱電器件。在此類應(yīng)用中，phl材料將用于熱電紅外傳感器或能量收集器件中。當(dāng)它們被加熱或冷卻時(shí)，phl材料中的熱電性質(zhì)用于產(chǎn)生臨時(shí)電壓。

圖9a示出夾在頂部電極101a和底部電極103a之間的電介質(zhì)堆棧的示例。根據(jù)該實(shí)現(xiàn)，器件堆棧包括分別與頂部電極101a和底部電極103a相鄰(即，直接連接)的第一和第二界面層901a、兩個(gè)phl層102和設(shè)置在phl層102之間并與其相鄰的中間層902a。phl層102中的一個(gè)與第一界面層901a相鄰，并且另一個(gè)phl層102與第二界面層901a相鄰。底部電極103a與襯底900a相鄰。該中間層的集成增加了器件的壽命，并防止缺陷和電荷從器件一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)(即，從頂部電極到底部電極)。

為了實(shí)現(xiàn)該改善，使中間層包含具有高結(jié)晶溫度或高帶隙的材料是有利的。作為非限制性示例，中間層材料可以是al2o3、sro或其它稀土氧化物中的一種。

圖9b示出了類似于圖9a的示例，但具有夾在頂部金屬電極101a和半導(dǎo)體襯底703之間的電介質(zhì)堆棧。根據(jù)該實(shí)現(xiàn)，器件堆棧包括分別與頂部電極101a和半導(dǎo)體襯底703相鄰的第一和第二界面層901a、兩個(gè)phl層102以及設(shè)置在phl層102之間并與其相鄰的中間層903b。phl層102中的一個(gè)與第一界面層901a相鄰，并且另一個(gè)phl層102與第二界面層901a相鄰。與前述示例一樣，集成該中間層增加了器件的壽命，并防止缺陷和電荷從器件的一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)。

另外，偏移磁滯的內(nèi)部偏置場(chǎng)可以通過在phl材料層本身中儲(chǔ)存電荷來實(shí)現(xiàn)。圖10a至圖10c分別示出了基于固定電荷層集成的三個(gè)本發(fā)明的存儲(chǔ)器件構(gòu)思的示例，其中儲(chǔ)存在電介質(zhì)層中的固定電荷引起使電荷-電壓特性磁滯環(huán)偏移的內(nèi)部偏置場(chǎng)。圖10a表示本文所述的本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)，其中包括用于誘導(dǎo)儲(chǔ)存在夾在頂部電極101a和底部電極103a之間的箍縮磁滯層102內(nèi)的偏移所需的固定電荷102x的層。

圖10b示出了本文所述的本發(fā)明構(gòu)思，其中在phl層102的頂部，(即，在頂部電極101a和phl層102之間并且與其直接相鄰)形成的附加固定電荷內(nèi)建偏置誘導(dǎo)層1000。第三發(fā)明構(gòu)思堆棧包括夾在兩個(gè)phl層102之間并與其相鄰的固定電荷層1000。

除了先前討論的單層單元(slc)存儲(chǔ)器應(yīng)用之外，并行地表現(xiàn)出不同的箍縮磁滯性質(zhì)的多種材料的本發(fā)明集成將使得能夠?qū)⒈疚乃龅谋景l(fā)明構(gòu)思用作多層單元(mlc)。多層單元(mlc)是能夠儲(chǔ)存多于單個(gè)位的信息的存儲(chǔ)器元件。圖11中示出了本文所述的創(chuàng)新構(gòu)思的本發(fā)明集成。

參考圖11的橫截面圖，mlc結(jié)構(gòu)的示例實(shí)施例包括含金屬材料的頂部電極101a和包含金屬材料的底部電極103a。phl材料氧化物層102設(shè)置在電極101a和103a之間。phl材料層102包括分別具有不同phl特性的三個(gè)不同的并排區(qū)域102x、102y和102z，其表現(xiàn)出具有各自不同雙環(huán)幅度的箍縮磁滯環(huán)。phl材料層102可以例如在底部電極103a上生長。phl材料氧化物層102的區(qū)域102x、102y和102z包括各自不同的域，其可以與多晶膜中的不同晶粒重合。域中的每一者可以包括不同的矯頑電壓，其源自單個(gè)晶粒的不同晶體取向、不同的內(nèi)部應(yīng)力，由于不同晶粒尺寸造成的不同表面能、不同摻雜濃度，或者物理或化學(xué)組成中的其它差異。如本文所使用的術(shù)語phl材料是指至少部分地處于箍縮磁滯狀態(tài)的材料。例如，phl材料可以包含hfo2、zro2、hf和zr與氧結(jié)合的任何比率(例如，zrxhf1-xo2，其中x<1)以及它們的任何組合中的任一種。界面固定電荷層1000可在電極101a和phl材料氧化物層102之間形成并與其相鄰，包括對(duì)于多個(gè)區(qū)域102x、102y和102z的電荷-電壓特性的居中所需的固定電荷。

雖然本文已經(jīng)示出和描述了具體實(shí)施例，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，各種替代和/或等同實(shí)現(xiàn)可以代替所示出和描述的具體實(shí)施例，而不脫離本發(fā)明的范圍。本申請(qǐng)旨在覆蓋本文所討論的具體實(shí)施例的任何修改或變化。因此，本發(fā)明旨在僅由權(quán)利要求及其等同物限制。