[发明专利]绿色晶体管、纳米硅铁电存储器及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种纳米硅铁电存储器及其驱动方法。

背景技术

铁电存储器(FeRAM)是一种利用铁电材料的铁电效应实现数据存储的存储器结构，所述铁电效应是指在铁电材料(Ferro-Electric)上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下偏离原位置，而达到一种稳定的状态，当外界电场消失后，中心原子依然保持在同样位置，即铁电材料已被极化，因此铁电存储器保持数据并不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电材料所固有的一种极化特性，所以其存储器的内容不会因为外界电场影响而消失，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失的存储特性。此外由于器件单元尺寸较小，具有低操作电压、快速读写的特点，读写功耗低适于集成电路微缩化的发展，因此铁电存储器具有广泛应用前景。然而现有的铁电材料(如PZT、BST等)，由于与CMOS工艺兼容性差(例如氢气退火引起铁电材料变质)，而存在一定的非易失性的持续问题，极化特性容易退化，数据保持能力较弱，从而阻碍了铁电存储器的发展，制约其替代现有的非易失性存储技术。因此找到一种与CMOS工艺兼容性较佳的铁电材料，能够促进铁电存储器的发展应用。

现有一种新型的纳米硅材料，称为“内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅”，被发现同样具有铁电效应，且与CMOS工艺兼容性极佳，如图1所示，为所述“内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅”的结构示意图，包括：蜂窝多孔状氧化硅1，位于蜂窝孔内的纳米硅颗粒2。在普通状态下，蜂窝孔内的纳米硅颗粒2处于无序状态，随机内嵌于氧化硅1内，而当向所述“内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅”材料外加电场时，蜂窝孔内的纳米硅颗粒2的硅原子与氧化硅材质的孔壁上的氧原子化学键合，并趋向电场方向有序附着于氧化硅1孔壁上，呈现出极化特性，当外界电场被撤除后，上述极化特性并不会消失，从而在材料内产生极化。因此上述“内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅”也同样具有铁电效应。与现有其他的铁电材料不同，这种纳米硅材料与CMOS工艺兼容性极佳，能够长期保持极化特性，因此具有较强的非易失数据存储能力，极其适合替代现有的铁电材料，而应用于铁电存储器中。

与其他非易失性存储器相同，铁电存储器FeRAM也包括多个存储单元组成的存储器阵列，通常也使用场效应晶体管MOSFET作为存储单元的选通管。美国专利US6163482提供了一种非易失铁电存储器，使用铁电材料制作场效应晶体管的栅极侧壁，作为数据存储区，如图2所示，为其基本的存储单元结构，所述存储单元包括：衬底100；位于衬底100表面的栅极101；位于栅极101两侧衬底100内的源极102以及漏极103；位于漏极103内且靠近栅极101的反相注入区104，所述反相注入区104的掺杂类型与源、漏极相反；所述栅极101靠近漏极103一侧的侧壁105为铁电材料。

上述铁电存储器中，场效应晶体管本身作为存储单元的选通管，而栅极上靠近漏极一侧的侧壁105作为存储单元的数据存储区，因此其等效电路如图3所示。以N型场效应晶体管为例简单介绍其读写操作机制。

在进行写操作时，将源极102以及漏极103悬置，而分别在栅极101以及反相注入区104上施加电压，使得栅极101与反相注入区104之间形成电压差，构成外建电场，在此外建电场的影响下，使得材质为铁电材料的侧壁105产生铁电效应，而被极化。所述侧壁105内的极化方向(定义为从内部负电荷指向正电荷)，与栅极101以及反相注入区104之间的外建电场的方向相同，因此可以通过调整栅极101以及反相注入区104上的施加电压，实现对侧壁105的极化方向的操纵。假设侧壁105的极化方向由反相注入区104指向栅极101时，定义为写入数据为1，则在写操作时，使得反相注入区104的电势高于栅极101，电势差的大小足够保证侧壁105被极化即可；而极化方向由栅极101指向反相注入区104，定义为写入数据为0，则在写操作时，同样使得栅极101的电势高于反相注入区104，电势差的大小足够保证侧壁105被极化即可。