---在信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天,通信產(chǎn)品、計算機、消費類電子產(chǎn)品（3C）的融合趨勢已經(jīng)日漸明顯。
---作為信息產(chǎn)業(yè)的基礎之一,存儲器的發(fā)展換代亦處在潮頭浪尖,不揮發(fā)存儲器具有斷電后保存存儲數(shù)據(jù)的特性,將逐步取代現(xiàn)有的存儲器而成為主流。利用鐵電材料電滯回線雙穩(wěn)態(tài)性質實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的鐵電隨機存儲器(FeRAM)是一種具有巨大前景的新型不揮發(fā)存儲器,其擁有低功耗、快速讀寫、擦寫次數(shù)高等諸多優(yōu)點。鐵電薄膜的制備工藝與傳統(tǒng)集成電路工藝的集成問題,是實現(xiàn)鐵電存儲器發(fā)展的關鍵。PZT（鋯鈦酸鉛 [Pb(ZrxTi1-x)O3]）是所最廣泛使用于鐵電存儲器的一種鐵電材料,具有剩余極化較大,原材料便宜,晶化溫度較低的優(yōu)點。 2 鐵電存儲器的結構和原理
 ---2.1 鐵電存儲器的單元結構
---鐵電存儲器的單元電路,與DRAM較為相似,如圖1所示,鐵電材料的存儲電容一端通過一個MOS管連到位線BL,MOS管的通斷受橫向的字線WL控制;另一端接橫向的驅動線PL。如果這樣的存儲單元成對出現(xiàn),存儲互為相反的一對數(shù)據(jù),互為參考,其位線再由靈敏放大器進行放大輸出,這樣每個存儲單元由兩個MOS管和兩個鐵電電容組成,為2T2C型單元;如果存儲單元的位線與一參考電壓進行比較,由靈敏放大器進行放大輸出,這樣每個存儲單元由一個MOS管和一個鐵電電容組成,為1T1C型單元。
--- 2.2 鐵電存儲器的器件結構
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 ---2.3 鐵電存儲器的工作原理
---鐵電材料的電滯回線具有雙穩(wěn)態(tài)特性（見圖4）,成為其進行數(shù)據(jù)存儲的基礎。其基本工作原理是,進行讀操作時,升高字線電壓使MOS管導通,再使驅動線電壓升高為VCC, 從而存儲電容的不同電荷將部分分配到位線寄生電容中去,于是BL上呈現(xiàn)出不同的電壓,從而鑒別出數(shù)據(jù)。進行寫操作時,升高字線使MOS管導通,驅動線加一脈沖,從而將位線上不同數(shù)據(jù)存入鐵電電容的兩個不同穩(wěn)態(tài)。 3 鐵電存儲器的關鍵工藝環(huán)節(jié)－H2隔離層技術
---3.1 鐵電存儲器的H2隔離層的作用
---在集成電路的工藝流程,為了對器件進行鈍化和消除晶體管界面缺陷而進行的N2、H2氣氛中的形成性氣體退火是必不可少的。在鐵電存儲器的鐵電電容制作工藝完成之后,這種形成性退火中H2的還原性會使鐵電薄膜的性質大大退化,剩余極化大大減少而漏電流成數(shù)量級增加,并且,在鐵電電容之上的介質絕緣層的淀積和接觸孔的刻蝕過程中,也會遇到含有H2的氣體。因此,在鐵電電容之上形成一種對于H2產(chǎn)生隔離作用的介質層,對于保證鐵電存儲器的功能是至關重要的。這種隔離層應具有以下性質和作用：（1）隔離還原性氣體H2;（2）阻止PZT中Pb的擴散;（3）具有更好的絕緣特性;（4）化學不活潑性;（5）良好的臺階覆蓋;（6）較低的工藝溫度。為了提高隔離層的性能,可以用多層薄膜甚至不同材料的多層復合薄膜來作為鐵電存儲器件的H2隔離層。同樣,與其他鐵電器件一樣,實現(xiàn)H2隔離層的主要問題集中在工藝集成的過程中。
 ---3.2 用于作為H2隔離層的材料和集成工藝研究
---常用于作為H2隔離層的材料有TiO2、SiON和Al2O3。TiO2是較早被使用的作為鐵電電容之上的H2隔離層和不同材料間的擴散阻止層,用淀積的方法制作,厚度大約500A,如圖5。SiON作為H2隔離層材料在鐵電存儲器中被使用,有一個很大的原因是Si3N4和SiON薄膜在傳統(tǒng)超大規(guī)模集成電路的工藝中被廣泛應用,因此用此類薄膜作H2隔離層并不需要開發(fā)新的工藝、材料及設備,從而大大節(jié)約了工藝成本。采用SiON而非Si3N4作為H2隔離層材料,有以下原因：首先,用等離子增強化學氣相淀積（PECVD）方法來淀積Si3N4時,會產(chǎn)生大量的氫,這將對下面的鐵電電容性能產(chǎn)生極大影響,而淀積SiON并控制其氮、氧比例,使反應過程中產(chǎn)生的氫被控制在較少的量,從而使其對鐵電電容性能 影響有限;其次,Si3N4薄膜的臺階覆蓋性較差;此外,在PECVD生長SiON時,反應氣體為SiH4、 NH3、N2O,通過改變后兩者的氣體流量比例來控制所生成的SiON薄膜中氮、氧比例,所生成的SiON薄膜的應力可以通過調整N2O氣體流量的速率來控制。采用PECVD方法生長SiON薄膜,優(yōu)點在于低溫下生長,一般不超過400℃,有利于PZT材料特性的保持和防止Pb擴散。但PECVD方法生長的SiON薄膜致密性較差,需要在其后進行N2氣氛中退火。通常當選用SiON作為H2隔離層材料時,將采用一種SiO2/SiON/SiO2結構來實現(xiàn),即在兩層較厚的SiO2介質絕緣層中間用一層相對較薄的SiON薄膜實現(xiàn)H2隔離功能。這樣,連續(xù)生長三層介質膜,實現(xiàn)絕緣和隔離作用,三層膜間的界面特性對于器件最后的性能,影響至關重要,為了改善這一性能,除了采用SiON替代Si3N4以外,在每層薄膜淀積之后均進行一次N2氣氛中退火,使薄膜的原子重新成鍵,增強了致密性并且改善薄膜間界面性質。圖6就是采用SiO2(300nm) /SiON(60nm)/SiO2(200nm)的H2隔離層結構。對于這種SiO2/SiON/SiO2結構的H2隔離層,其覆蓋范圍對其隔離性能也有著較大的影響,只對鐵電電容區(qū)域進行整體覆蓋的隔離效果最好,H2退火后鐵電電容具有良好的電滯回線;對鐵電電容和CMOS電路區(qū)域進行整體覆蓋的隔離效果其次,H2退火后電滯回線明顯退化,剩余極化有所降低;對單個鐵電電容進行覆蓋的效果最差,H2退火后電容徹底失去鐵電性。目前用于鐵電存儲器件H2隔離層最為普遍的材料是Al2O3,它所具備的隔離性能相比于前面, 更加良好而穩(wěn)定。目前用于制備Al2O3薄膜的方法常見的有原子層淀積(ALD)和濺射方法。原子層淀積的反應原理是將Al(CH3)3水解,這種方法在淀積溫度、應力影響、反應氛圍等諸多方面更優(yōu),能夠形成極�。�100A左右）并具有良好臺階覆蓋的Al2O3薄膜,如圖7,這種薄膜致密,具有十分良好的H2隔離性能。另外一種制備Al2O3薄膜的方法是用濺射的方法,用Al2O3靶直接濺射,形成致密的Al2O3薄膜并具備良好的H2隔離性能。
4 總結
---本文介紹了鐵電隨機存儲器(FeRAM)的廣闊應用前景、工作原理、特點和優(yōu)勢、單元類型和主要器件結構種類并進行了簡單的比較。簡單闡述了鐵電存儲器的集成工藝在實現(xiàn)器件功能方面的重要作用。著重探討了H2隔離層技術作為鐵電存儲器集成工藝中的重要環(huán)節(jié),其意義和作用。詳細研究了TiO2、SiON和Al2O3三種H2隔離層材料的各自材料特性和集成工藝的實現(xiàn)情況,并對各種材料的優(yōu)缺點進行了對比研究。 參考文獻
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