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铁电存储器的设计及工艺研究

翟亚红  
【摘要】:随着电子信息技术领域各种新技术的快速发展,对高性能存储器的需求越来越大,而被称之为“存储器终结者”的铁电存储器(FRAM),作为一种非挥发性的存储器(即使在芯片电源突然断开的情况下也可保存存储在其中的信息),以其快速的写入速度,低功耗,低的操作电压,无限次的读写次数以及抗辐射等优越的性能,成为该领域最具发展潜力的产品。铁电存储器材料、电路结构及工艺实现的研究是当今国际上信息功能材料及微电子领域的前沿研究课题。 本文通过对各种铁电材料以及电极材料的研究分析,在电极的设计中采用Pt/Ti/SiO2/Si 的下电极材料结构以及Pt/TiN 的上电极材料。讨论了由于材料的影响而在存储器的应用中涉及到的疲劳、老化、印记等可靠性问题。 本文工作对16×32 位的SRAM 进行仿真,设计仿真了可实现对微弱信号实现放大的敏感放大器和节约芯片面积的译码器。在此基础上设计了2T/2C 单元结构的铁电存储器的读出电路,分析了铁电单元的读出电路的工作原理,设计了2×4 的铁电单元阵列和带有读出电路的铁电单元阵列。设计了避免上下电极间短路的平面形电容结构,根据中电集团第24 所的设计规则完成了整个芯片版图,并负责加工流片。 本文工作通过大量的实验,最后选用丙酮加超声作为铁电电容工艺中的清洗液。通过反应离子干法刻蚀铁电薄膜的实验,得出对于未退火的铁电薄膜采用三氟甲烷的刻蚀效果要好于六氟化硫,但刻蚀时间都太长。最后通过湿法刻蚀实验,得出可采用5%的HF 腐蚀液来实现对铁电薄膜的刻蚀的方案。 本文工作另外一个重点是,解决与讨论特殊的铁电电容工艺与标准CMOS 工艺在集成中所遇到的问题,PZT 材料因为其优越的性能是铁电存储器中最具潜力的材料,但在该材料的析晶过程中需要600℃的退火温度,这就使其在与CMOS工艺的集成中受到一定的限制,讨论了流片过程中所遇到的薄膜开裂、工艺条件的交叉污染、工艺温度的兼容性等问题。通过工艺步骤的调整,不退火先进行铁电薄膜的刻蚀,使铁电薄膜都位于下电极上,解决了薄膜开裂的问题,通过铅的挥发性试验来验证是否会对工艺线造成污染。


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