一種基于導(dǎo)電絲和極化共控制的多值存儲單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息技術(shù)存儲領(lǐng)域，具體涉及一種基于導(dǎo)電絲和極化共控制的多值存儲單元。
【背景技術(shù)】
[0002]非揮發(fā)性存儲器是一種在斷電狀態(tài)下仍可以保存信息的存儲器，其在電子設(shè)備中具有很大的市場份額。然而，現(xiàn)有的存儲器操作電壓，讀寫時(shí)間、抗疲勞特性以及存儲密度已經(jīng)接近其物理極限。鐵電存儲器因具有讀取速度快，低功耗和存儲密度高等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。目前，已經(jīng)商業(yè)化的鐵電存儲器是基于電容結(jié)構(gòu)的破壞性讀取器件，這種破壞性讀取方式需要在讀取以后重新寫入信息狀態(tài)，不斷的擦除/重寫過程大大的縮減了存儲器件的壽命，并且這種鐵電存儲器只能存儲‘0’和‘I’兩個(gè)存儲狀態(tài)，這都限制了鐵電存儲器的進(jìn)一步應(yīng)用。2012年開始人們發(fā)現(xiàn)可以通過檢測漏電流的大小實(shí)現(xiàn)非破壞性讀取材料的極化狀態(tài)，并且材料極化狀態(tài)存在可以介于正負(fù)極化中間的中間態(tài)而實(shí)現(xiàn)多值存儲。但是這種多值存儲大多是在無頂電極的情況下，使用探針寫入，并且襯底材料以及電極材料難于制備、價(jià)格昂貴。特別是很多鐵電隧道結(jié)器件都要求鐵電功能層外延生長，而外延生長的鐵電薄膜生產(chǎn)困難，成品率很低，將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中困難重重。另外，電子器件的小型化發(fā)展，目前鐵電存儲器件的密度還很小。因此，發(fā)展一種新型的鐵電存儲器件既能夠在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)，又能在滿足器件小型化帶來的高密度要求以適應(yīng)納米科技的發(fā)展顯得十分必要?；趯?dǎo)電絲和極化共控制的多值存儲單元及其制備方法可以克服目前鐵電存儲器件存儲態(tài)少、制備難、與現(xiàn)有Si工藝不兼容等缺陷；基于此種結(jié)構(gòu)，可以使用多晶的鐵電超薄膜來代替單晶外延生長得鐵電超薄膜，對于器件的大規(guī)模生產(chǎn)，以及成品率具有很大的意義，對于促進(jìn)鐵電薄膜材料在存儲器件領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大的科學(xué)意義和商業(yè)價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對現(xiàn)有鐵電存儲器的破壞性讀取，需采用昂貴的電極材料，以及需要外延生長薄膜、低存儲密度、與Si工藝不兼容等一系列問題，本發(fā)明的目的是在于提供一種能實(shí)現(xiàn)非破壞性讀取，采用非外延鐵電薄膜，具有高存儲密度的與Si工藝兼容的多值存儲單元，該鐵電存儲器單元通過加入一層半導(dǎo)體功能層使得該器件能實(shí)現(xiàn)低電壓的寫入和讀取，多值存儲，克服了鐵電隧道結(jié)以往使用外延鐵電薄膜、探針寫入讀取多值存儲、采用昂貴襯底、昂貴電極材料和不能與Si工藝兼容的局限，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
[0004]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種基于導(dǎo)電絲和極化共控制的多值存儲單元，包括底電極、鐵電功能層、半導(dǎo)體功能層和頂電極。鐵電功能層位于下電極和半導(dǎo)體功能層之間，半導(dǎo)體功能層位于頂電極和鐵電功能層之間；所述的鐵電功能層厚度為0.4 nm-20 nm;半導(dǎo)體功能層的厚度在5 nm-1OOnm;其存儲多值范圍為2-32.半導(dǎo)體功能層由鈦酸鍶、氧化鋅、氧化鈦、氧化鉿、摻雜氧化鋅、摻雜氧化鈦、摻雜氧化鉿、摻雜鈦酸鍶中的一種或者幾種材料構(gòu)成；
金屬電極為銀、銅、含銀合金、含銅合金中的一種或者幾種，金屬電極的一種或幾種金屬原子在電場作用下可以通過電化學(xué)反應(yīng)在半導(dǎo)體功能層中實(shí)現(xiàn)迀移，而在鐵電功能層中這些金屬離子的迀移很少或者完全不能迀移。
[0005]金屬原子迀移時(shí)金屬原子可以在鐵電功能層和半導(dǎo)體功能層的界面聚集。
[0006]鐵電功能層是Pb(ZrQ.52TiQ.48 ) 03、BiFe03 或者 BaT13本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明通過采用在鐵電超薄膜和頂電極中間增加一層半導(dǎo)體功能層來改進(jìn)鐵電隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)，并且使用非外延鐵電薄膜、特殊電極，使電極材料中的一種或幾種金屬原子在電場作用通過電化學(xué)反應(yīng)可以在半導(dǎo)體功能層中可以實(shí)現(xiàn)迀移，與鐵電極化和鐵電功能層中氧空位的濃度變化共同來實(shí)現(xiàn)鐵電隧道結(jié)的多值存儲。在電壓作用下，這種金屬電極中的一種或者幾種原子通過電化學(xué)反應(yīng)在半導(dǎo)體功能層中迀移，由于其在鐵電功能層中幾乎不能迀移，致使這種電極的迀移原子在半導(dǎo)體功能層和鐵電功能層的界面聚集，當(dāng)聚集的金屬原子足夠多時(shí)，聚集的金屬原子層層堆疊會和頂電極接觸形成金屬絲(也就是“導(dǎo)電絲”)，這種導(dǎo)電絲會使半導(dǎo)體功能層導(dǎo)通，整個(gè)存儲單元的電阻就會減小。當(dāng)電場強(qiáng)度增大時(shí)，鐵電功能層中的極化狀態(tài)會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而引起鐵電勢皇高度的變化，整個(gè)存儲單元的電阻就會再減小。電場繼續(xù)增大時(shí)這種金屬原子在半導(dǎo)體功能層和鐵電功能層界面處聚集的面積會增大，當(dāng)其面積足夠大時(shí)，這些金屬原子會吸附許多鐵電功能層中的氧原子形成氧化物，這種吸附會提高了鐵電功能層中的氧空位濃度，增強(qiáng)鐵電功能層的導(dǎo)電能力，從而使存儲單元的電阻進(jìn)一步降低。當(dāng)施加足夠大的反向電場的時(shí)候，被金屬吸附的氧原子會被釋放，而金屬導(dǎo)電絲會被破壞，極化狀態(tài)也會翻轉(zhuǎn)，存儲器件又會恢復(fù)最初的高電阻狀態(tài)。總之，這種多值存儲器件利用鐵電薄膜的極化翻轉(zhuǎn)以及金屬原子在半導(dǎo)體功能層中的迀移，以及界面金屬原子對鐵電功能層中氧原子的吸附，來控制器件內(nèi)部的勢皇高度和寬度，通過讀取漏電流的變化來讀取存儲狀態(tài)而讀取操作不會改變存儲單元中的存儲狀態(tài)；本發(fā)明中的多值存儲單元保持性好，極化反轉(zhuǎn)容易，解決了鐵電存儲器的破壞性讀取的問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多值存儲的高密度存儲;本發(fā)明中半導(dǎo)體功能層的應(yīng)用以及原理的創(chuàng)新降低了鐵電薄膜的制備要求，使多晶鐵電超薄膜也可以使用在多值隧穿存儲中。從本發(fā)明實(shí)施案例I的多值存儲器單元的電流和電壓關(guān)系圖(圖2)可以看出，當(dāng)處于不同的電壓處理以后，會有不同的可以區(qū)分的電阻狀態(tài)，這主要是由于本發(fā)明多值存儲單元，在不同的電壓處理以后，會呈現(xiàn)出不同的勢皇高度和寬度，不同的勢皇狀態(tài)下漏電流不同，因此可以實(shí)現(xiàn)無損的讀取。目前報(bào)道的鐵電存儲器需要昂貴的上下電極，并且多值存儲只能依靠探針寫入，而本發(fā)明可以使用普通的金屬下電極，使用金屬做頂電極，得到的多值存儲可以測試出多個(gè)可區(qū)分的電阻;此外本發(fā)明中多值存儲單元中頂電極的應(yīng)用，以及可采用已沉積下電極的襯底或者直接使用導(dǎo)電襯底的方式，而且較低的鐵電薄膜制備要求都有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
【附圖說明】
[0007]
下面結(jié)合附圖及實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明: 圖1為一種基于導(dǎo)電絲和極化共控制的多值存儲單元的截面結(jié)構(gòu)示意圖，11為襯底，12為鐵電功能層，13為半導(dǎo)體功能層，14為頂電極。
[0008]圖2為一種基于導(dǎo)電絲和極化共控制的多值存儲單元的電流和電壓關(guān)系圖。在不同的電壓施加以后，該存儲單元會出現(xiàn)不同的存儲狀態(tài)。(a)在0—0.25 V掃描以后，存儲單元電阻會‘0’變?yōu)椤甀’，Ag導(dǎo)電絲形成；(b)在0—0.3 V掃描以后，存儲單元電阻會‘I’變?yōu)椤?’，極化發(fā)生翻轉(zhuǎn)；(c)在0—1.0 V掃描以后，存儲單元電阻會‘2’變?yōu)椤?’，鐵電功能層中的氧空位增加；(d)在0—-1.0 V掃描以后，存儲單元電阻會‘ 3，變?yōu)椤?O ’，恢復(fù)到初始高阻狀
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[0009]圖3為一種基于導(dǎo)電絲和極化共控制的多值存儲單元在定電壓下讀取不同阻態(tài)時(shí)的電流和時(shí)間關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]
以下實(shí)施例意在進(jìn)一步說明本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明。
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