Ячейка сегнетоэлектрической памяти
FERROELECTRIC MEMORY CELL

Область техники
Изобретение относится к области устройств энергонезависимой памяти на основе явления сегнетоэлектричества (FeRAM, ferroelectric random access memory).
Уровень техники
Известно устройство сегнетоэлектрической памяти на основе PZT, являющееся аналогом, которое предложено в патенте Т. Noda - Ferroelectric memory device and method for manufacturing the same // US Patent, Pub. No. US 2009/0127604, (2009) [1]. Данное устройство включает:
подложку;
сегнетоэлектрический конденсатор, сформированный над подложкой и состоящий из двух электродов и сегнетоэлектрического слоя;
первый барьерный слой, который изолирует сегнетоэлектрический конденсатор;
межслойный диэлектрик, сформированный после первого барьерного слоя;
и металлическую разводку, электрически соединенную с верхним электродом ячейки памяти.
Металлическая разводка также включает два барьерных слоя и непосредственно слой металла, сформированный после этих барьерных слоев.
Недостатками этого устройства является излишняя сложность технологии создания данной конструкции, которая заключается в использовании дополнительных барьерных слоев и большего числа литографий; плохая технологичность материала PZT, который используется в качестве сегнетоэлектрического слоя; большая стоимость одного бита информации и маленькая плотность памяти, которые являются следствием первых двух недостатков.
В качестве прототипа взята ячейка сегнетоэлектрической памяти, предложенная в патенте Т. Boscke - Integrated circuit including a ferroelectric memory cell and method of manufacturing the same // US Patent, Pub. No. US 2009/0261395, (2009) [2].
Ячейка сегнетоэлектрической памяти, предложенная в патенте, включает в себя подложку, транзистор и элемент хранения, в котором присутствует: слой оксида, который хотя бы частично кристаллизован и содержит кислород и как минимум гафний или цирконий; верхний и нижний электроды.
Основным недостатком прототипа, который устраняется предлагаемым изобретением, является излишняя сложность технологии создания ячейки памяти. Такая излишняя сложность обусловлена тем, что после создания слоев нижнего электрода, оксида и верхнего электрода, над получившимся стеком необходимо провести ряд основных технологических операций, таких как: травление составного стека нижний электрод/оксид/верхний электрод (далее «элемент хранения»), осаждение диэлектрика (как правило, оксида кремния), химико-механическая полировка диэлектрика (ХМП) для сглаживания рельефа, осаждение диэлектрика, травление переходных окон, осаждение слоя Ti/TiN на поверхность окон, последующее заполнение их вольфрамом с последующей химико-механической полировкой для формирования столбиков вольфрама в переходных окнахперед тем, как приступать к формированию последующих слоев металлизации, необходимых для электрического соединения элементов интегральной схемы. При этом количество литографий не увеличивается (сохраняется). В прототипе: стек, переходные окна, металлическая разводка. В изобретении: нижний электрод, сегнетоэлектрический слой, верхний электрод и металлическая разводка (одновременно).
Также недостатком прототипа является то, что с уменьшением толщины сегнетоэлектрического слоя, понижается надежность элемента хранения при проведении операции травления составного стека. При травлении такого стека возникает возможность утечек и закоротки по боковой поверхности стека между нижним и верхним электродами. В изобретении исключается возможность утечек и закоротки по боковой поверхности стека за счет разнесения боковой поверхности нижнего электрода, сегнетоэлектрического слоя, верхнего электрода (путем использования перекрытий между сегнетоэлектриком и электродами).
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание ячейки сегнетоэлектрической памяти с упрощенной и более надежной конструкцией, которую можно использовать для создания схем памяти большой емкости.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в ячейке сегнетоэлектрической памяти, включающей подложку, транзистор выборки и элемент хранения, в котором присутствует: нижний электрод из нитрида титана; слой оксида, который хотя бы частично кристаллизован и содержит кислород и как минимум гафний или цирконий; верхний электрод из нитрида титана, предусмотрено следующее отличие: слой оксида перекрывает область сформированного нижнего электрода, изолируя его от верхнего электрода, а верхний электрод из нитрида титана с расположенным на нем слоем металлической разводки перекрывает область сформированного оксида так, чтобы полностью изолировать слой оксида от вышележащего слоя металлической разводки.
Кроме того, слой оксида может содержать комбинации гафния со следующими элементами: цирконий, кремний, алюминий, магний, гадолиний, иттрий, лантан в процентном соотношении от 0,5% до 50% по отношению к концентрации гафния.
Также, в качестве металлической разводки может использоваться алюминиевая разводка.
Благодаря наличию перекрытий между сегнетоэлектриком и электродами появляется возможность формировать металлическую разводку одновременно с верхним электродом элемента хранения (используется одна литография). В изобретении исключается возможность утечек и закоротки по боковой поверхности стека за счет разнесения боковой поверхности нижнего электрода, сегнетоэлектрического слоя, верхнего электрода (путем использования перекрытий между сегнетоэлектриком и электродами). При этом площадь ячейки возрастает незначительно ~20%.
Это отличие позволяет повысить надежность конструкции, избежав возможных утечек и закороток по боковой поверхности элемента хранения, а также упростить технологию в части формирования элемента хранения и металлической разводки, а именно:
- позволяет не использовать операцию травления составного стека, а травить по отдельности слои нижнего электрода, сегнетоэлектрического слоя и верхнего электрода совместно с металлической разводкой;
- позволяет формировать последующий слой металлизации совмещенно с верхним электродом из нитрида титана без проведения дополнительных операций, таких как: осаждение диэлектрика (как правило, оксида кремния), химико-механическая полировка диэлектрика (ХМП) для сглаживания рельефа, осаждение диэлектрика, травление переходных окон, осаждение слоя Ti/TiN на поверхность окон, последующее заполнение их вольфрамом с последующей химико-механической полировкой для формирования столбиков вольфрама в переходных окнах.
В связи с вышеизложенным изобретение позволяет достигать повышенной технологичности и надежности, а также высокого уровня выхода годных при сохранении высокой плотности интеграции схем энергонезависимой памяти.
Краткое описание чертежей
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами:
Фиг. 1 - Боковое сечение ячейки памяти FRAM 1Т-1С
Фиг. 2 - Фрагмент бокового сечения с увеличенным масштабом
Фиг. 3 - Эскиз топологии транзистора без элемента хранения (показаны основные слои)
Фиг. 4 - Эскиз топологии ячейки памяти 1Т-1С (показаны основные слои).
Фиг. 5 - Зависимость значения вектора поляризации от приложенного напряжения.
Осуществление изобретения
0,5
0,5
2
Продемонстрируем возможность осуществления заявляемого изобретения, рассмотрев пример ячейки памяти, в которой в качестве сегнетоэлектрика используется оксид гафния с цирконием (химическая формула HfZrO), а в качестве электродов нитрид титана (химическая формула TiN).
Конструкция ячейки сегнетоэлектрической памяти топологии 1Т-1С состоит из кремниевой подложки, транзистора выборки, который сформирован в подложке, и элемента хранения, который представляет собой сегнетоэлектрический конденсатор и сформирован после транзистора выборки в слоях металлизации.
На фиг. 1 представлено боковое сечение, иллюстрирующее конструкцию ячейки памяти.
Для формирования сегнетоэлектрической памяти используется кремниевая подложка 1 с ориентацией <100> и эпитаксиальным слоем 2. В данной подложке формируются области STI-изоляции (щелевая изоляция) 5. Затем формируются p-карман 3 для создания в нем n-канального транзистора и n-карман 4 для создания p-канального транзистора.
Далее наносится слой подзатворного диэлектрика 10. В качестве подзатворного диэлектрика используется слой оксида кремния толщиной от 3 нм до 10 нм (толщина варьируется для разных транзисторов). После этого формируется слой поликремния 13, являющийся затвором транзистора. Для снижения эффекта горячих носителей в канале транзистора создаются LDD области p-типа 8 и n-типа 9.
Затем происходит создание спейсера 11 для боковой изоляции затвора. Далее в p-кармане 3 создаются n+ сток-истоковые области 6, а в n-кармане 4 - р+ сток-истоковые области 7. Затем структуру силицидируют 12, закрывают диэлектриком 15 и формируют контактные окна 14. Боковые стенки и дно окон покрываются слоем Ti/TiN, и затем окна заполняются вольфрамом. При этом формирование диэлектрика 15, окон и их заполнение вольфрамом происходит последовательно в два этапа.
После этого пластина проходит химико-механическую полировку для сглаживания рельефа для последующего формирования слоев металлической разводки.
На данном этапе завершается так называемый FEOL (front-end) цикл производства транзистора. Интеграция с элементом памяти будет происходить в BEOL цикле (back-end), то есть на этапе создания слоев металлизации.
Для формирования электрической разводки может использоваться один или несколько слоев металлизации. Если нет необходимости в слоях металлизации между сегнетоэлектрическим конденсатором и транзистором выборки, то конденсатор может формироваться сразу после создания контактных окон к транзистору.
На фиг. 1 изображен пример ячейки, в которой использовалось 2 слоя металлизации между элементом памяти и транзистором выборки. 16, 19 и 24 - алюминиевая металлизация, 17, 20 и 25 - межслойные диэлектрики, 18 - переходные окна, заполненные вольфрамом.
На фиг. 2 представлен фрагмент бокового сечения ячейки памяти с увеличенным масштабом.
Слои 21, 22 и 23 - представляют собой сегнетоэлектрический конденсатор. 21 - нижний электрод из нитрида титана, который может наносить как методом магнетронного распыления, атомно-слоевым осаждением или осаждением из газовой фазы.
22 - сегнетоэлектрический слой, который выращивают методом атомно-слоевого осаждения из металлорганических прекурсов гафния (tetrakis(ethylmethylamino)hafnium, обозначается как ТЕМАН) и циркония (tetrakis(ethylmethylamido)zirconium, обозначается как TEMAZ). Сегнетоэлектрический слой может быть выращен при помощи методов химического осаждения из газовой фазы. В качестве сегнетоэлектрика могут выступать оксиды различных переходных металлов и комбинации этих оксидов. Слой оксида может содержать комбинации гафния со следующими элементами: цирконий, кремний, алюминий, магний, гадолиний, иттрий, лантан в процентном соотношении от 0,5% до 50% по отношению к концентрации гафния.
Данный слой выступает не только в роли сегнетоэлектрика, но и также надежно изолирует электроды друг от друга, благодаря перекрытию относительно нижнего электрода.
Допускается возможность выращивать данный слой при помощи методов химического осаждения из газовой фазы.
23 - верхний электрод сегнетоэлектрического конденсатора. Электрод состоит из нитрида титана и может наноситься при помощи осаждения из газовой фазы с последующим отжигом структуры либо при помощи атомно-слоевоего осаждения с автоматическим отжигом, как показано в работе [3]. Отжиг необходим для формирования нецентрально симметричной орторомбической фазы, которая обладает необходимыми сегнетоэлектрическими свойствами.
После того как создан сегнетоэлектрический конденсатор, делается разводка слоем металла 24, в качестве металла используется хорошо проводящий материал, например, алюминий. Особое внимание следует обратить на то, что металлизация 24 создается в одной литографии с верхним электродом элемента памяти.
На фиг. 3 приведен эскиз топологии транзистора выборки для предлагаемой ячейки памяти. Карман 1, представляет собой легированную область, в которой формируются сток-истоковые области 2. Над каналом, лежит слой диэлектрика, на котором находится слой управляющего затвора 3 из поликремния или другого металла. В области над стоком создаются переходные окна для обеспечения электрического контакта между стоком транзистора и нижним электродом элемента хранения.
На фиг. 4 изображен эскиз топологии ячейки памяти с транзистором выборки и элементом хранения. Области 1, 2 и 3 соответствуют фиг. 3. Нижний электрод 4 сформирован над стоком, переходные окна и нижележащая металлизация не показана. С перекрытием относительно нижнего электрода 4 осаждается сегнетоэлектрик 5, а после с дополнительным перекрытием формируется верхний электрод 6. Металлизация, которая используется для разводки, повторяет контуры верхнего электрода, так как делается в одной литографии с электродом.
Описанная выше ячейка сегнетоэлектрической памяти работает следующим образом:
В режиме записи/стирания информации на затвор управляющего транзистора подается напряжение, необходимое для того, чтобы открыть канал транзистора, тем самым обеспечить доступ к элементу хранения, исток и подложка заземляются, на верхний электрод элемента хранения подается импульс заданной длительности и амплитуды для того, чтобы записать в элемент хранения определенное логическое состояние. Для записи различных логических состояний на обкладках сегнетоэлектрического конденсатора создается разность потенциалов разной полярности.
Выбор ячеек, которые должны подвергнуться записи/стиранию информации осуществляется за счет транзистора выборки. На затворы транзисторов выборки интересующих нас ячеек подается напряжение, открывающее канал, на затворы транзисторов ячеек, которые не должны быть перепрограммированы, подается напряжение, при котором канал транзистора закрыт.
Чтение информации происходит за счет подачи импульса напряжения заранее определенного знака на верхний электрод элемента хранения и детектирования импульса тока через ячейку. При этом, если направление внешнего электрического поля совпадает с направлением вектора поляризации в ячейке, то при детектировании импульса тока через ячейку памяти будет зафиксировано значение близкое к нулю. Если же электрическое поле и вектор поляризации в ячейке направлены в противоположные стороны, то при чтении произойдет переполяризация ячейки памяти и будет детектирован импульс тока, отличный от нуля.
Основываясь на наличии или отсутствии импульса тока при чтении информации из ячейки, мы можем сказать, в каком исходном состоянии находилась ячейка до операции чтения. Однако после операции чтения ячейка однозначно будет находиться в состоянии логической единицы (либо логического нуля, в зависимости от полярности напряжения чтения). Такой метод считывания называется деструктивным, потому что при чтении информации исходное состояние изменяется и соответствует импульсу напряжения, используемому для операции чтения.
Хранение информации происходит при отсутствии внешнего приложенного напряжения, поэтому данный тип памяти называется энергонезависимым.
Технические характеристики предлагаемой ячейки сегнетоэлектрической памяти:
На фиг. 5 показана зависимость значения вектора поляризации от приложенного напряжения для ячейки памяти со следующими характеристиками:
0,5
0,5
2
- в качестве сегнетоэлектрика используется слой оксида гафния с цирконием - HfZrO;
2
- латеральные размеры сегнетоэлектрического конденсатора 2×2 мкм;
- толщина сегнетоэлектрического слоя 10 нм;
- электроды выполнены из нитрида титана TiN;
- верхний электрод сформирован с алюминиевой разводкой с помощью одной литографии.
2
Из графика видно, что для данной ячейки напряжение записи равняется 2,5 В, при этом остаточная поляризация, которая определяет окно памяти, равна 20 мкКл/см. Это означает, что при перезаписи бита информации через ячейку данного размера протечет импульс тока равный 800 фКл. Этот уровень заведомо превышает современные схемотехнические возможности по детектированию импульса тока, что позволяет сделать вывод о возможности использования данной ячейки в схемах памяти большой емкости.
Список литературы
[1] Т. Noda - Ferroelectric memory device and method for manufacturing the same // US Patent, Pub. No. US 2009/0127604 (2009).
[2] T. Boscke - Integrated circuit including a ferroelectric memory cell and method of manufacturing the same // US Patent, Pub. No. US 2009/0261395 (2009).
0.5
0.5
2
[3] A. Chernikova, et al. - Confinement-free annealing induced ferroelectricity in HfZrO thin films // Microelectronic Engineering, vol. 147, pp. 15-18 (2015).