CN105679933B - 一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元，该基于导电丝和极化共控制的多值存储单元是从下到上依次为底电极、铁电功能层、半导体功能层和顶电极；该多值存储单元通过顶电极金属原子在半导体功能层中迁移，以及铁电功能层的极化翻转和氧空位浓度变化来实现多值存储的特性，该特性能实现非破坏性读取且储存密度高，此外操作简单，操作电压低，并且与Si工艺兼容，能实现低电压的写入和读取，克服了铁电隧道结以往使用探针写入读取多值存储、采用昂贵衬底、昂贵电极材料和不能与Si工艺兼容的局限，并且实现了多值存储，有利于实现工业化。
Description
技术领域
本发明属于信息技术存储领域，具体涉及一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元。
背景技术
非挥发性存储器是一种在断电状态下仍可以保存信息的存储器，其在电子设备中具有很大的市场份额。然而，现有的存储器操作电压，读写时间、抗疲劳特性以及存储密度已经接近其物理极限。铁电存储器因具有读取速度快，低功耗和存储密度高等优点而受到广泛关注。目前，已经商业化的铁电存储器是基于电容结构的破坏性读取器件，这种破坏性读取方式需要在读取以后重新写入信息状态，不断的擦除/重写过程大大的缩减了存储器件的寿命，并且这种铁电存储器只能存储‘0’和‘1’两个存储状态，这都限制了铁电存储器的进一步应用。2012年开始人们发现可以通过检测漏电流的大小实现非破坏性读取材料的极化状态，并且材料极化状态存在可以介于正负极化中间的中间态而实现多值存储。但是这种多值存储大多是在无顶电极的情况下，使用探针写入，并且衬底材料以及电极材料难于制备、价格昂贵。特别是很多铁电隧道结器件都要求铁电功能层外延生长，而外延生长的铁电薄膜生产困难，成品率很低，将其应用于实际生产中困难重重。另外，电子器件的小型化发展，目前铁电存储器件的密度还很小。 因此，发展一种新型的铁电存储器件既能够在实际生产中实现，又能在满足器件小型化带来的高密度要求以适应纳米科技的发展显得十分必要。基于导电丝和极化共控制的多值存储单元及其制备方法可以克服目前铁电存储器件存储态少、制备难、与现有Si工艺不兼容等缺陷；基于此种结构，可以使用多晶的铁电超薄膜来代替单晶外延生长得铁电超薄膜，对于器件的大规模生产，以及成品率具有很大的意义，对于促进铁电薄膜材料在存储器件领域的应用具有重大的科学意义和商业价值。
发明内容
本发明针对现有铁电存储器的破坏性读取，需采用昂贵的电极材料，以及需要外延生长薄膜、低存储密度、与Si工艺不兼容等一系列问题，本发明的目的是在于提供一种能实现非破坏性读取，采用非外延铁电薄膜，具有高存储密度的与Si工艺兼容的多值存储单元，该铁电存储器单元通过加入一层半导体功能层使得该器件能实现低电压的写入和读取，多值存储，克服了铁电隧道结以往使用外延铁电薄膜、探针写入读取多值存储、采用昂贵衬底、昂贵电极材料和不能与Si工艺兼容的局限，有利于实现工业化。
本发明采用以下技术方案：
一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元，包括底电极、铁电功能层、半导体功能层和顶电极。铁电功能层位于下电极和半导体功能层之间，半导体功能层位于顶电极和铁电功能层之间；所述的铁电功能层厚度为0.4 nm-20 nm；半导体功能层的厚度在5 nm-100nm；其存储多值范围为2-32.
半导体功能层由钛酸锶、氧化锌、氧化钛、氧化铪、掺杂氧化锌、掺杂氧化钛、掺杂氧化铪、掺杂钛酸锶中的一种或者几种材料构成；
金属电极为银、铜、含银合金、含铜合金中的一种或者几种，金属电极的一种或几种金属原子在电场作用下可以通过电化学反应在半导体功能层中实现迁移，而在铁电功能层中这些金属离子的迁移很少或者完全不能迁移。
金属原子迁移时金属原子可以在铁电功能层和半导体功能层的界面聚集。
铁电功能层是Pb(Zr0.52Ti0.48)O3、BiFeO3或者BaTiO3
本发明的有益效果
本发明通过采用在铁电超薄膜和顶电极中间增加一层半导体功能层来改进铁电隧道结的结构，并且使用非外延铁电薄膜、特殊电极，使电极材料中的一种或几种金属原子在电场作用通过电化学反应可以在半导体功能层中可以实现迁移，与铁电极化和铁电功能层中氧空位的浓度变化共同来实现铁电隧道结的多值存储。在电压作用下，这种金属电极中的一种或者几种原子通过电化学反应在半导体功能层中迁移，由于其在铁电功能层中几乎不能迁移，致使这种电极的迁移原子在半导体功能层和铁电功能层的界面聚集，当聚集的金属原子足够多时，聚集的金属原子层层堆叠会和顶电极接触形成金属丝(也就是“导电丝”)，这种导电丝会使半导体功能层导通，整个存储单元的电阻就会减小。当电场强度增大时，铁电功能层中的极化状态会发生翻转，从而引起铁电势垒高度的变化，整个存储单元的电阻就会再减小。电场继续增大时这种金属原子在半导体功能层和铁电功能层界面处聚集的面积会增大，当其面积足够大时，这些金属原子会吸附许多铁电功能层中的氧原子形成氧化物，这种吸附会提高了铁电功能层中的氧空位浓度，增强铁电功能层的导电能力，从而使存储单元的电阻进一步降低。当施加足够大的反向电场的时候，被金属吸附的氧原子会被释放，而金属导电丝会被破坏，极化状态也会翻转，存储器件又会恢复最初的高电阻状态。总之，这种多值存储器件利用铁电薄膜的极化翻转以及金属原子在半导体功能层中的迁移，以及界面金属原子对铁电功能层中氧原子的吸附，来控制器件内部的势垒高度和宽度，通过读取漏电流的变化来读取存储状态而读取操作不会改变存储单元中的存储状态；本发明中的多值存储单元保持性好，极化反转容易，解决了铁电存储器的破坏性读取的问题，同时实现了多值存储的高密度存储；本发明中半导体功能层的应用以及原理的创新降低了铁电薄膜的制备要求，使多晶铁电超薄膜也可以使用在多值隧穿存储中。从本发明实施案例1的多值存储器单元的电流和电压关系图（图2）可以看出，当处于不同的电压处理以后，会有不同的可以区分的电阻状态，这主要是由于本发明多值存储单元，在不同的电压处理以后，会呈现出不同的势垒高度和宽度，不同的势垒状态下漏电流不同，因此可以实现无损的读取。目前报道的铁电存储器需要昂贵的上下电极，并且多值存储只能依靠探针写入，而本发明可以使用普通的金属下电极，使用金属做顶电极，得到的多值存储可以测试出多个可区分的电阻；此外本发明中多值存储单元中顶电极的应用，以及可采用已沉积下电极的衬底或者直接使用导电衬底的方式，而且较低的铁电薄膜制备要求都有利于实现工业化。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元的截面结构示意图，11为衬底，12为铁电功能层，13为半导体功能层，14为顶电极。
图2 为一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元的电流和电压关系图。在不同的电压施加以后，该存储单元会出现不同的存储状态。（a）在0→0.25 V扫描以后，存储单元电阻会‘0’变为‘1’，Ag导电丝形成；（b）在0→0.3 V扫描以后，存储单元电阻会‘1’变为‘2’，极化发生翻转；（c）在0→1.0 V扫描以后，存储单元电阻会‘2’变为‘3’，铁电功能层中的氧空位增加；（d）在0→-1.0 V扫描以后，存储单元电阻会‘3’变为‘0’，恢复到初始高阻状态。
图3为一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元在定电压下读取不同阻态时的电流和时间关系图。
具体实施方式
以下实施例意在进一步说明本发明，而不是限制本发明。
实施例1
制备的Ag/ZnO(2%Mn掺杂)/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/Pt一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元包括以下步骤：
（1）Pt顶电极衬底的准备
将镀有Pt底电极的Si衬底上清洗干净并干燥。
（2）用脉冲激光分子束外延沉积技术制备Pb(Zr0.52Ti0.48)O3铁电薄膜
在真空腔中，将Pb(Zr0.52Ti0.48)O3靶材安装于靶材架上，依次打开机械泵和分子泵，抽真空。等真空腔内的压强到1×10-6 mTorr左右，将清洗好的Pt衬底置于衬底架上，调整衬底与靶材的间距为60mm。等真空腔内的压强抽至3×10-4 Pa，开启KrF固体激光器（波长为248 nm），调整好激光单脉冲能量200 mJ，激光重频5 Hz；打开衬底加热装置，将衬底加热到625 ℃；再往真空腔内通入氧气，氧气压强稳定在22 Pa时，然后开激光器发射脉冲激光，激光辐射在Pb(Zr0.52Ti0.48)O3靶材上产生目标靶材羽辉，开始镀膜；沉积60s后得到平均厚度为8nm的Pb(Zr0.52Ti0.48)O3铁电薄膜，镀膜结束以后，依次关闭激光器、衬底加热装置、氧气阀门、分子泵和机械泵，经过4个小时后取出样品。
（3）用脉冲激光沉积技术制备ZnO(Mn2%)半导体功能层的制备
在真空腔中，将ZnO(Mn2%)靶材安装于靶材架上，依次打开机械泵和分子泵，抽真空。等真空腔内的压强到1×10-6 mTorr左右，Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/Pt衬底置于衬底架上，调整衬底与靶材的间距为87 mm。等真空腔内的压强抽至3×10-4 Pa，开启KrF固体激光器（波长为248 nm），调整好激光单脉冲能量200 mJ，激光重频5 Hz；打开衬底加热装置，将衬底加热到300 ℃；再往真空腔内通入氧气，氧气压强稳定在2 Pa时，然后开激光器发射脉冲激光，激光辐射在ZnO(Mn2%)靶材上产生目标靶材羽辉，开始镀膜；沉积300s后得到平均厚度为20nm的ZnO(Mn2%)薄膜，镀膜结束以后，依次关闭激光器、衬底加热装置、氧气阀门、分子泵和机械泵，经过4个小时后取出样品。
(4）Ag顶电极的制备
利用溅射的方法制备金属Ag薄膜作为顶电极，形成电容器结构。顶电极，铁电功能层和过渡层和导电衬底层就构成了制备的Ag/ZnO(2%Mn)/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/Pt一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元。
其电性能测试如图2和图3所示。在图2中，（a）0→0.25 V扫描以后，该器件单元中Ag电极的Ag原子会迁移到掺锰氧化锌薄膜和Pb(Zr0.52Ti0.48)O3薄膜的界面处，并在掺锰氧化锌薄膜中形成Ag导电丝，存储单元电阻降低；（b）0→0.3 V扫描以后Pb(Zr0.52Ti0.48)O3薄膜中的极化方向会发生翻转，存储单元电阻进一步降低；（c）0→1.0 V扫描以后界面处的Ag足够多以后会吸附Pb(Zr0.52Ti0.48)O3薄膜中的氧原子，使Pb(Zr0.52Ti0.48)O3薄膜中氧空位增多，存储单元电阻降到最低；（d）0→-1.0 V扫描以后Ag导电丝断裂，金属原子束缚的氧原子释放，极化翻转，存储单元电阻恢复的原来的高电阻状态。图3中所示的是其在不同阻态时在0.05V电压下读取的电流随时间的变化。
实施例2
制备的Ag/ZnO(Mn2%)/BiFeO3/Pt一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元与实施例1中的主要流程相似，不同之处为BiFeO3制备参数是氧压13Pa，沉积温度675℃，其厚度为2~5nm。该实施例中实现了4 个不同阻态的存储。
实施例3
制备的Ag/ZnO(Mn2%)/BaTiO3/Pt一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元与实施例1中的主要流程相似，不同之处为BaTiO3制备参数是氧压2.6Pa，沉积温度675℃，其厚度为2~5nm。该实施例中实现了2~10个不同阻态的存储。
实施例4
制备的Ag/TiO2/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/Pt一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元与实施例1中的主要流程相似，不同之处为TiO2制备参数。该实施例中实现了4 个不同阻态的存储。
实施例5
制备的Ag/TiO2/BiFeO3/Pt一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元与实施例1中的主要流程相似，不同之处为TiO2制备参数。该实施例中实现了4 个不同阻态的存储。
实施例6
制备的Ag/TiO2/BaTiO3/Pt一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元与实施例1中的主要流程相似，不同之处为TiO2制备参数。该实施例中实现了4 个不同阻态的存储。
Claims (3)
1.一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元，包括底电极、铁电功能层、半导体功能层和顶电极；其特征在于，铁电功能层位于底电极和半导体功能层之间，半导体功能层位于顶电极和铁电功能层之间；所述的铁电功能层厚度为0.4nm-20nm；半导体功能层的厚度在5nm-100nm；其存储多值范围为2～10；其中，所述半导体功能层由钛酸锶、氧化锌、氧化钛、氧化铪、掺杂氧化锌、掺杂氧化钛、掺杂氧化铪、掺杂钛酸锶中的一种或者几种材料构成；所述顶电极为银、铜、含银合金、含铜合金中的一种或者几种，顶电极的一种或几种金属原子在电场作用下可以通过电化学反应在半导体功能层中实现迁移，而在铁电功能层中这些金属原子的迁移很少或者完全不能迁移。
2.如权利要求1所述的一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元，其特征在于，金属原子通过电化学反应在半导体功能层中实现迁移，金属原子迁移时金属原子可以在铁电功能层和半导体功能层的界面聚集。
3.如权利要求1所述的一种基于导电丝和极化共控制的多值存储单元，其特征在于，所述的铁电功能层是Pb(Zr0.52Ti0.48)O3、BiFeO3或者BaTiO3。
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