专利名称：热稳定的铁电体存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铁电体存储器，本发明尤其涉及一种热稳定的、高密度的铁电体存储器。
背景技术：
在铁电体存储器中，定义域的尺寸大小较小并且偏振方向改变较快，因此它吸引了许多注意并且被看作潜在的下一代存储器。铁电体随机存取存储器(FeRAM)是使用铁电体材料的传统存储器的一个例子。
FeRAM使用由铁电体材料所形成的电容器来储存信息，该铁电体材料在小于预定温度的温度下可以自发地进行偏振，并且可以具有偏振大小和方向，借助外部电场可以相应地控制和颠倒偏振大小和方向。由于铁电体电容器的尺寸大小是微米级的，因此不具有与定义的热稳定有关的一些问题，而在该定义域上产生了介质偏振。但是，它在尺寸大小方面、记录和复制速度方面及信息集成密度方面受到限制。
为了得到具有较小尺寸大小、较高的集成密度和提高记录和复制速度的存储器，因此人们研究可以使用探针来记录和复制信息的存储器。
但是，使用铁电体材料的探针型存储介质具有疲劳现象，在这种现象中，当读/写循环数目增加到超过预定值时，存储能力减少了；及老化现象，在这种现象中，随着时间的过去，偏振逐渐消失了。下面这样的时间被称为保留时间该时间是在没有转换的情况下铁电体存储器可以存储信息的时间。当阻止偏振老化现象的能力增大时，保留时间增加了。
为了提高使用铁电体材料的存储器内的信息存储的可靠性，因此需要克服疲劳现象和增大保留时间。相应地，用来提高毕特(bit)的热稳定性的方法对于后者是理想的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种铁电体存储器，该存储器通过提高毕特的热稳定性而可以提高信息存储的可靠性。
为了实现本发明的上述目的，因此提供了一种铁电体存储器，它包括下部电极；和铁电体层，它形成于下部电极的顶表面上，因此具有介质偏振的定义域被设置为毕特。铁电体层的厚度不大于毕特的尺寸大小。
铁电体层的厚度“d”相对于毕特的面积A而满足公式(1)。
d≤2(A/π)1/2(1)相应地，本发明形成了纳米尺寸大小的铁电体定义域，这些定义域穿过了铁电体存储器中的铁电体层，因此提高了毕特的热稳定性。因此，信息存储的可靠性得到了提高。
通过参照附图详细地描述优选实施例，本发明的上面目的和优点将变得更加明显，在这些附图中图1A是本发明实施例的铁电体存储器的正面透视图；图1B是本发明实施例的铁电体存储器的平面视图；图1C是本发明实施例的铁电体存储器的横剖面图；图2在上图中示出了本发明实施例的毕特尺寸大小相对于电压，而在下图中示出了毕特深度相对于电压；图3A示出了本发明实施例的铁电体存储器中的点结构的横剖视图(a)、点结构的振幅图像的平面视图(b)和点结构的相位图形的平面视图(c)。
图3B示出了本发明实施例的铁电体存储器的蛋形结构的横剖视图(a)、蛋形结构的振幅图形的平面视图(b)和蛋形结构的相位图形的平面视图(c)；图3C示出了本发明实施例的铁电体存储器的环形结构的横剖视图(a)、环形结构的振幅图形的平面视图(b)和环形结构的相位图形的平面视图(c)。
图4A示出了在本发明实施例的铁电体存储器内、所有都在老化之前的压电力显微(PFM)图形，其中图形(a)、(b)和(c)，各自示出了点结构的外形、振幅和相位；PFM图形(d)、(e)和(f)各自示出了蛋形结构的外形、振幅和相位；及图形(g)、(h)和(i)各自示出了环形结构的外形、振幅和相位。
图4B示出了在本发明实施例的铁电体存储器内、所有在老化之后的PFM图形，其中图形(a)、(b)和(c)各自表示点结构的外形、振幅和相位；PFM图形(d)、(e)和(f)各自表示蛋形结构的外形、振幅和相位；及PFM图形(g)、(h)和(i)各自示出了环形结构的外形、振幅和相位；图5是各自示出了在点结构、蛋形结构和环形结构中作为老化温度函数的残余毕特的数目的图形；及图6是各自示出了作为点结构、蛋形结构和环形结构的老化温度的函数的毕特尺寸大小的图形。
具体实施例方式
在下文中，参照附图详细地描述本发明实施例的铁电体存储器。在这些附图中，为了清楚起见，铁电体存储器所具有的铁电体层和下部电极的厚度被放大了。
图1A到1C各自是本发明实施例的铁电体存储器的透视图、平面视图和横剖视图。参照图1A到1C，本发明实施例的铁电体存储器10包括下部电极11和铁电体层13，而铁电体层13沉积在下部电极11的顶表面上。
如果在下部电极11和纳米尺寸大小的顶部(未示出)之间施加直流(DC)脉冲，那么介质偏振局部对准在铁电体层13上。具有上、下偏振方向，并且“0”或者“1”表示上偏振方向或者下偏振方向。偏振方向在存储装置中起着毕特(bit)的作用。如公式(2)所示一样，毕特的尺寸大小即直径Φ大于或者等于铁电体层13的厚度d。
d≤Φ (2)尤其地，在定义域具有圆形的情况下，如附图所示一样，当毕特的面积是A时，满足公式(1)。公式(1)由涉及毕特面积A的公式(3)推出。
A＝π(Φ/2)2(3)本发明存储装置的最大优点是具有至少100Gbit/in2的高存储密度，并且具有至少10年的较长保留时间，因此本发明的存储装置满足较小毕特尺寸大小、快速工作速度和较长保留时间的条件，而这些条件是不易失的超高密度的存储装置所需要的。
图2到5示出了本发明实施例的不易失的铁电体存储装置中的毕特的热稳定性的测试结果。
图2在上图中示出了毕特尺寸大小和电压之间的关系，并且在下图中示出了毕特深度和电压之间的关系。根据振幅和相位的毕特图像，我们把电压范围分成三个区域。当电压增大时，毕特尺寸大小与电压成比例地增大，并且毕特深度在区域I和II内与电压成比例地增大。但是，在区域III内，毕特深度保持不变，而与电压的变化没有关系。
毕特尺寸大小一定得被减少，从而增加信息储存密度。相应地，一定得使脉冲电压减少来形成更小的毕特。但是，当电压被降低时，毕特深度被减少，从而导致毕特的热稳定性不好。相应地，需要发现毕特尺寸大小和毕特深度的合适条件来满足毕特的热稳定性和较高的信息储存密度。
毕特尺寸大小和毕特深度随着脉冲电压进行改变，并且毕特的振幅图形随着铁电体层的厚度进行改变。振幅图形的的毕特结构被分成点结构、蛋形结构和环形结构。
图3A到3C示意性地示出了形成于区域I到III内的铁电体层上的定义域(domain)的形状、定义域的振幅图形和定义域的相位图。
图3A示出了在脉冲电压处于0V和6V之间即处于图2的区域I内时点结构的横剖视图(a)、振幅图的平面视图(b)和相位图的平面视图(c)。参照横剖视图(a)，毕特15a的深度小于点结构中的铁电体层13a厚度的一半。从图2中可以推出，毕特15a的深度大约为0-120nm。这里，如平面视图(b)所示一样，介质偏振形成于其中的一部分内的振幅小于包围该部分的边缘内的振幅，因此示出了黑点。如平面视图(c)所示一样，在具有介质偏振的部分和边缘之间的相位没有不同，因此整个图形是黑的。
图3B示出了在脉冲电压处于6V和13V之间即处于图2的区域II内时蛋形结构的横剖视图(a)、振幅的平面视图(b)和相位的平面视图(c)。参照横剖视图(a)，毕特15b的深度大于蛋形结构中的铁电体层13b厚度的一半。从图2中可以推出，毕特15b的深度大约为120-270nm。这里，如平面视图(b)所示一样，介质偏振形成于其中的一部分具有黑边缘，在该黑边缘内，振幅小于包围该部分的边缘内的振幅，和内部黑点，在该内部黑点内，偏振大于边缘内的偏振，并且小于包括该部分的边缘内的偏振，因此示出了蛋形图。如平面视图(c)所示一样，毕特部分局部反向，从而显示明亮。这里，毕特尺寸大小小于具有平面视图(b)所示蛋形结构的定义域的尺寸大小。
图3C示出了在脉冲电压处于13V和30V之间即处于图2的区域III内时环形结构的横剖视图(a)、振幅的平面视图(b)和相位的平面视图(c)。参照横剖视图(a)，毕特15c形成为穿过环形结构的铁电体层13c。从图2中可以推出，毕特1 5b的深度大约为275nm。这里，如平面视图(b)所示一样，环形部分是黑的，而在该环形部分内，振幅小于除开该环形部分之外的其它部分内的振幅。如平面视图(c)所示一样，毕特部分被反向，从而显示明亮。
图4A示出了压电力显微(PFM)图像，它们示出了在老化之前点结构形成于铁电体层上时的外形(a)、振幅(b)和相位(c)；在老化之前蛋形结构形成于铁电体层上时的外形(d)、振幅(e)和相位(f)；及在老化之前环形结构形成于铁电体层上时的外形(g)、振幅(h)和相位(i)。图4B示出了(PFM)图像，它们示出了，全部在100度下老化进行30分钟之后的情况下，点结构中的外形(a)、振幅(b)和相位(c)的变化；蛋形结构中的外形(d)、振幅(e)和相位(f)的变化；及环形结构中的外形(g)、振幅(h)和相位(i)的变化。
在通过1ms的脉冲来形成点结构的情况下，可以看到，均匀布置的点形毕特(图4A的(b))被改变成不均匀的布置(图4B的(b))。在把图4A的图形(c)中所示的相位图像与图4B的图形(c)中所示的相位图像进行比较时，可以看到，在老外之后，毕特的数目减少了。
在通过3ms的脉冲来形成蛋形结构的情况下，老化之前的蛋形振幅被改变成老化之后的点形图像(图4B的(e))。对于相位图像而言，图4A的图形(f)所示的毕特数目在图4B的图形(f)中被减少了。
在通过5ms的脉冲来形成环形结构的情况下，可以看到，在老化过程之后，只改变振幅。在把图4A的图形(i)中所示的相位图像与图4B的图形(i)中所示的相位图像进行比较时，可以看到，毕特的数目被保持成几乎不变。
图5和6各自是示出了残余毕特的数目和毕特尺寸大小对温度的图形，从而在不同结构之间比较热稳定性和保留损失(retention loss)特性。这里，残留毕特表明一定义域，该定义域的整个宽度一半的最大值(FWHM)在相位图像的线性外形中是非零。
图5是各自示出了点结构(1ms)、蛋形结构(3ms)和环形结构(5ms)的残余毕特的数目的图形。这里，倾斜与毕特保留损失速度有关。参照图5，在温度增大时，残余毕特的数目减少了。点结构具有最高的毕特保留损失速度，同时环形结构具有最小的毕特保留损失速度。
图6是各自示出了点结构、蛋形结构和环形结构的毕特尺寸大小的图形。参照图6，当在由3ms脉冲所形成的蛋形结构和由5ms脉冲所形成的环形结构中增加温度时，同时由1ms脉冲所形成的点结构与温度无关时，毕特尺寸大小减小了。这里，毕特尺寸大小表示残留毕特的尺寸大小。深度小于铁电体层厚度的一半的毕特从相位图像中消失了。当它们的深度为铁电体层厚度的50-60％时，并且当最小毕特尺寸大小在相位图像中被设置成75-90nm时，毕特从相位图像中消失了。最小毕特尺寸大小与图6所示点结构的图形中的最小毕特尺寸大小相同。换句话说，尺寸大小小于75nm的毕特从相位图像中消失了，因此这些毕特被包括在毕特的减少数目中。
相应地，在温度增大时，在点结构中尺寸大小大约为75nm的毕特容易从相位图像中消失。这种现象可以从图5所示的点结构的毕特数目明显减少中推出来。
对于蛋形结构中的毕特布置而言，当温度从摄氏25度改变到160度时，毕特尺寸大小从148nm减少到78nm。从图4A和4B中所示图形(d)中可以推出，随着毕特尺寸大小的减小，蛋形结构被改变成点结构。
对于环形结构的毕特布置而言，当温度从25度改变到160度时，毕特尺寸大小从250nm减少到180nm。从图4A和4B中所示图形(g)中可以推出，随着毕特尺寸大小的减小，环形结构被改变成蛋形结构。但是，从图5中可以推出毕特的最小数目被减少了。
从图4A到6中可以得出，毕特的结构可以大大地影响毕特保留损失特性。可以推出，具有环形结构(在这种环形结构中，定义域形成为完全穿过铁电体层)的毕特布置的热稳定性远远大于蛋形结构或者点形结构的，而在这些蛋形结构或者点结构中，定义域形成为不穿过铁电体层。相应地，本发明可以通过下面方法来提供热稳定的铁电体形成铁电体层，该铁电体的厚度不大于毕特尺寸大小，以致介质偏振形成于其中的定义域完全穿过该铁电体层，如图1A到1C所示一样。
本发明提供一种不易失的铁电体存储器，该存储器通过加热而进行稳定化处理，因此得到了可靠的存储器，该存储器以高速度和高密度储存信息并且提高了存储器的保留能力。
参照优选实施例特别地描述和示出了本发明，但是本发明不局限于上述实施例。例如，显而易见的是，在没有脱离本发明的精神实质的情况下，本领域普通技术人员可以改变毕特的形状。因此，本发明的范围不是由本发明的详细描述来限定的，而是由附加的权利要求来限定的。
如上所述，本发明的铁电体存储器具有毕特，而毕特具有环形结构，在该环形结构中，定义域被形成为穿过铁电体层，因此提高了热稳定性和存储保留时间。
权利要求
1.一种铁电体存储器，它包括下部电极；及铁电体层，它形成于下部电极的顶表面上，使得具有一介质偏振的定义域被设置为毕特，其中，铁电体层的厚度不大于毕特的尺寸大小。
2.如权利要求1所述的铁电体存储器，其特征在于，铁电体层的厚度“d”相对于毕特的面积A而满足下面公式d≤2(A/π)1/2。
全文摘要
提供了一种热稳定的铁电体存储器。该铁电体存储器包括下部电极；和铁电体层，它形成于下部电极的顶表面上，使具有一介质偏振的定义域被设置为毕特。铁电体层的厚度不大于毕特的尺寸大小。相应地，提供了一种热稳定的、不易失的铁电体存储器，因此得到了一种可靠的存储器，该存储器可以高速、高密度地储存信息并且提高了存储保留。
文档编号H01L21/70GK1459794SQ0215598
公开日2003年12月3日 申请日期2002年12月11日 优先权日2002年5月23日
发明者洪承范, 辛铉正 申请人:三星电子株式会社