一種基於鐵電異質結的具有多值存儲特性的非易失性阻變存儲單元及其製備方法與流程

2023-06-25 10:31:41 4

本發明屬於半導體固態存儲器技術領域，具體涉及一種基於鐵電異質結的具有多值存儲特性的非易失性阻變存儲單元及其製備方法。

背景技術：

信息存儲器件是現代信息產業中的基礎器件之一，大多數電子產品中大都有它的存在，包括手機，電腦、相機、汽車電子系統、全球定位系統等。按斷電後能否保存數據分類，存儲器主要分為，非易失性存儲器和易失性存儲器兩大類。易失性存儲器斷電後不能保存數據，而非易失性存儲器斷電後仍能保存數據。

傳統的非易失存儲主要是基於磁存儲和光存儲，而固態存儲器沒有讀寫頭、不需要轉動，因而耗電少、抗震性強，並且固態存儲器電寫入和讀取的方式，可以實現更高速度的數據寫入和讀取。當下基於半導體技術的固態存儲器由於其優異的性能優勢獲得了飛速的發展。特別是動態隨機存儲器(dram)和快閃記憶體(flash)出現，引領了存儲領域的一場革命。然而，對高存儲密度和高讀取寫入速度的需求使得技術不斷發展，器件尺寸不斷地縮小，dram和flash將會縮小到它的物理極限。進入到十幾納米的特徵尺寸後，量子效應將十分明顯，單純依靠存儲單元特徵尺寸的減小來實現更高的存儲密度的技術路線終將走到盡頭。

以動態存儲器為例，若存儲單元中的電容太小，將不能提供足夠多數量的電子給放大器，無法獲得足夠的信噪比，信息存儲的可靠性無法得到保證。由此可見，不能僅僅依靠器件尺寸的減小來解決面臨的高密度信息存儲的需求，因此在一個存儲單元中存入多個比特的多值存儲技術顯得越來越重要。因為傳統的存儲單元中，只有兩個狀態「導通」、「絕緣」兩個電阻態，即「開」和「關」，對應與二進位中的「0」和「1」。在單個存儲單元中實現多個狀態的存儲將極大的提高存儲器的存儲密度。

技術實現要素：

本發明針對上述問題，提出了一種室溫下基於鐵電異質結的具有多值存儲特性的非易失阻變存儲單元及其製備方法。

一種基於鐵電異質結的具有多值存儲特性的非易失阻變存儲單元，如圖1所示，由寫入底電極、鐵電單晶基片、阻變層和頂電極組成；寫入底電極(電極的厚度為0.1～100μm)由單質金屬材料(例如al、pt、au、w、ag等)、金屬合金材料(例如au-ni、al-ni、au-ti等)、導電金屬化合物(例如ito、izgo等)中的一種或幾種製成，製備在鐵電單晶基片的下表面；鐵電單晶基片，可以選用鐵電特性的單晶材料，例如batio3、baxsr1-xtio3、linbo3、(1-x)pb(mg1/3nb2/3)o3/xpbtio3(0＜x＜1)等(厚度為0.3～0.6mm)；在鐵電單晶基片的上表面製備有tio2薄膜阻變層，厚度為10～70nm；在tio2薄膜阻變層上製備有頂電極(頂電極的材料由單質金屬材料、金屬合金材料和導電的金屬化合物中的一種或幾種製成，厚度為10～100nm)，頂電極由四個條形電極構成，中間兩個條形電極為電阻狀態的讀取電極，在讀取電極的外側對稱的分布的兩個條形電極為寫入頂電極，用外部導線相連；或頂電極由一個環形電極和兩個條形電極構成，環形電極對稱環繞分布在兩個條形電極的周圍，環形電極為寫入頂電極，兩個條形電極為電阻狀態的讀取電極；寫入頂電極與寫入底電極一起構成了電阻狀態的寫入電極。

本發明另一方面提供了一種基於鐵電異質結的具有多值存儲特性的非易失阻變存儲單元的製作方法，其步驟如下：

(1)鐵電單晶基片的清洗

將鐵電單晶基片依次使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗，或者使用等離子清洗機進行清洗，使單晶基片表面無汙染即可；

(2)在鐵電單晶基片上脈衝雷射沉積具有氧空位的tio2薄膜作為阻變層

運用脈衝雷射沉積技術，選擇高純度(純度>99.9％)的tio2陶瓷作為靶材料，氧氣環境下在鐵電單晶基片上沉積具有氧空位的tio2薄膜；靶材距離鐵電單晶基片的間距為50～60mm，腔室內的氧分壓為0.05～1pa，鐵電單晶基片溫度為650～750℃，脈衝雷射的頻率為1～4hz，沉積時間為0.5～2小時，沉積完成後將鐵電單晶基片自然冷卻到室溫；

(3)製備電極得到多值阻變存儲單元；

電極的製備方法為真空鍍膜、磁控濺射、雷射沉積或絲網印刷等方法。底電極全部覆蓋到鐵電單晶基片的底面，頂電極製備在tio2薄膜表面；電阻狀態的讀取電極連接到外部的電阻測量元件上，電阻狀態的寫入電極連接到外部的電壓輸出元器件上；從而製備得到本發明所述的基於鐵電異質結的具有多值存儲特性的非易失阻變存儲單元。

本發明實現多值存儲是基於tio2薄膜阻變層中的氧空位可以在電場的作用下遷移的基本原理。通過在tio2薄膜表面構建電阻寫入頂電極，在鐵電單晶基片的下表面構建電阻寫入底電極，在寫入頂/底電極之間外加直流電壓可以實現氧空位在tio2薄膜的上表面和薄膜與鐵電基片界面之間遷移。在tio2薄膜表面構建電阻的讀取電極，氧空位不同的狀態會對讀取電極與tio2薄膜的肖特基接觸的勢壘高度和寬度產生影響，進而獲得不同的電阻狀態。室溫條件下，薄膜中的氧空位在外部寫入電場去掉後能保持其在空間中的相對位置，因此薄膜的電阻的狀態可以實現長時間的保持。本發明中選擇的襯底材料為鐵電單晶，由於鐵電單晶材料具有自發極化，在外部電場去掉後剩餘極化可以在薄膜和襯底的界面吸附電荷並保持。因而當外加的電場超過矯頑場時，可以對鐵電單晶襯底極化狀態的進行調製，進而實現對tio2薄膜中的載流子濃度的調控，獲得高低阻態之間的更大的變化率。

通過寫入電極之間的外加電場可以實現tio2薄膜讀取電極之間多種電阻狀態，進而實現多個電阻狀態的存儲。將不同的電阻狀態進行編碼，實現多位數的信息存儲，這種在同一單元上實現多值的存儲，將會極大的提高信息存儲的密度。

本發明的優點：

本發明採用一般常用的脈衝雷射沉積生長方法，在可以直接購買到的常用鐵電單晶基片上，生長tio2薄膜，再製作阻變存儲單元。該阻變存儲單元可以在室溫條件下，通過不同大小電壓的寫入信號，將阻變層的電阻激發到不同的狀態，並且不同的電阻狀態可以在室溫條件下長時間的保持，是一種非易失性的存儲方式。將不同的電阻狀態進行編碼實現多位數的信息存儲，將會極大的提高信息存儲的密度。該阻變存儲單元，結構簡單、穩定性強，製作成本低，能與目前的cmos工藝兼容。

附圖說明

圖1是本發明所述的基於鐵電異質結的多值存儲單元的結構示意圖；

各部分名稱為：寫入底電極1、鐵電單晶基片2、tio2薄膜阻變層3、寫入頂電極4、讀取電極5；

圖2室溫條件下，本發明的鐵電異質結的多值存儲單元在不同寫入電壓下(分別為35v、50v、60v、100v、150v、200v、300v)的循環曲線；

圖3是室溫條件下，本發明的鐵電異質結的多值存儲單元在不同寫入電壓下(分別為35v、50v、60v、100v、150v、200v、300v)的開關比曲線；

圖4是室溫條件下，本發明的鐵電異質結的多值存儲單元在±60v脈衝寫入電壓下的存儲特性的測試圖；

圖5是室溫條件下，本發明的鐵電異質結的多值存儲單元在±70v脈衝寫入電壓下的存儲特性的測試圖。

圖6是室溫條件下，電阻寫入後的保持特性測試圖。

具體實施方式

實施例1

步驟1：鐵電單晶基片的清洗。

鐵電單晶基片選用表面法線方向為(001)取向的0.5mm厚的0.7pb(mg1/3nb2/3)o3/0.3pbtio3單面拋光單晶基片。交替使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗，使鐵電單晶基片表面無汙染即可。

步驟2：在鐵電單晶基片上基於脈衝雷射沉積製備具有氧空位的tio2薄膜作為阻變層。

選擇tio2(純度>99.9％)陶瓷作為靶材料，0.7pb(mg1/3nb2/3)o3/0.3pbtio3為鐵電單晶基片，靶材距離鐵電單晶基片的間距為60mm。沉積的氧分壓和鐵電單晶基片溫度分別為0.1pa和700℃，krf脈衝雷射的頻率為4hz，沉積時間為0.5小時，沉積完成後鐵電單晶基片自然冷卻到室溫。所製備的tio2薄膜的厚度為40nm。

步驟3：製備底電極和頂電極，構成阻變存儲單元。

在tio2薄膜表面覆蓋電極的掩模版，運用真空熱蒸發鍍膜的方式，將金屬銀蒸鍍到tio2薄膜表面製備寫入頂電極和讀取電極(4個條形電極，長度為3mm，寬度為0.5mm，電極間距為1mm，電極厚度為30nm)。在鐵電單晶基片的背面用銀漿製備寫入底電極(電極的厚度為50μm)，兩個讀取電極經導線連接到外部的電阻測量元件(keithley2400數字源表)上，寫入頂電極和寫入底電極經導線連接到外部的電壓輸出元器件(keithley6487電壓源)上，從而得到所述的電阻型多值存儲單元。

本發明所提供的基於鐵電異質結的存儲單元，是一種能夠實現多值存儲的非易失性存儲單元。室溫條件下，當通過寫入電極外加不同大小的電場脈衝時，可以在tio2薄膜上實現不同的電阻狀態，並可以通過讀取電極讀出該電阻的大小。利用高阻態和低阻態之間的電阻的比值來表徵存儲單元的開關比。

參考圖2所示，在室溫條件下，基於鐵電異質結的具有多值存儲特性的非易失性阻變存儲單元，通過在寫入電極外加不同大小(35v、50v、60v、100v、150v、200v、300v)的掃描電壓信號，進行循環(循環的方式為0→v→0→-v→0)，不同大小的循環電壓低電阻狀態的大小基本一致，而高阻態差異較大，即可以利用不同的寫入電壓將阻變單元激發到不同的高阻態，並且阻變單元的高阻態在去掉外部電壓後可以保持。參考圖3所示，在不同外加寫入電壓下，高低阻態的開關比(高阻態的電阻/低阻態的電阻)變化。可以看出隨著寫入電壓的增大，高低阻態之間的開關比逐漸增大。因而可以利用不同的寫入電壓實現阻變單元的多值存儲。

參考圖4所示，在室溫條件下，基於鐵電異質結的具有多值存儲特性的非易失性阻變存儲單元，通過在寫入電極外加為+60伏的電壓脈衝信號時，存儲單元的電阻為高阻態，通過在寫入電極外加為-60伏的電壓脈衝信號時，存儲單元的電阻回到初始的低阻態，高低阻態的開關比為10.5。並且在正負脈衝交替寫入後，開關比保持穩定。

參考圖5所示，在室溫條件下，本發明所提供的基基於鐵電異質結的具有多值存儲特性的非易失性阻變存儲單元在通過在寫入電極外加為+70伏的電壓脈衝信號時，存儲單元的電阻為高阻態，通過在寫入電極外加為-70伏的電壓脈衝信號時，存儲單元的電阻回到初始的低阻態，高低阻態的開關比為17。並且在正負脈衝交替寫入後，開關比保持穩定。

參考圖6所示，在室溫條件下，本發明所提供的基於鐵電異質結的具有多值存儲特性的非易失性阻變存儲單元的電阻在通過在寫入電極外加為+125v伏的電壓脈衝信號後，存儲單元的高阻態為10兆歐姆，通過在寫入電極外加為-125v伏的電壓脈衝信號後，存儲單元回到初始的低阻態，並且該高阻態和低阻態可以在較長的時間範圍內保持穩定，表明該存儲單元具有的阻變特性具有良好的非易失性的特點。

由此可見通過不同大小的寫入電壓脈衝可以將存儲單元中薄膜的電阻調製到不同大小的狀態。將不同的電阻狀態進行編碼實現多位數的信息存儲，而不僅僅是傳統存儲其非「開」即「關」只能實現二進位存儲。這種在同一單元上實現多值的存儲，將會極大的提高信息存儲的密度。