CN108520879B - 一种高密度铁电存储器单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高密度铁电存储器单元，该存储单元中包括衬底、下电极、存储功能层、左上电极、右上电极，每个存储器单元中包含有两个存储微单元。该存储单元中的存储功能层为铁电材料，基于隧穿电流或者漏电流的读取来识别存储状态，能实现非破坏性读取。由于存储功能层不平行于衬底，能够极大地提高单位面积内的存储密度；能用于实现更高存储密度的三维堆垛结构存储器；能有效减少电极的数量，增大电极之间的间距，提高存储单元的数据可靠性；此外存储单元结构简单有利于实现工业化。

Description

一种高密度铁电存储器单元
技术领域
本发明涉及信息技术存储领域，特别提供了一种高密度铁电存储器单元。
背景技术
铁电存储器具有工作温度范围宽、读写速度快、抗疲劳、功耗低、抗辐射等优点，在军民用领域引起了高度关注。铁电存储器基于铁电薄膜电畴的取向来进行数据存储，在外电场或者力场等的作用下通过电畴的翻转可以实现二进制“1”和“0”的转换。事实上，基于破坏性读取铁电极化的普通畴壁存储器、非破坏性读取的铁电晶体管存储器和铁电畴壁存储器外，还有基于隧穿效应的铁电隧道结存储器和基于读取铁电薄膜导电性能的铁电阻变存储器。如何提高铁电存储器的存储密度一直以来都是铁电存储器研究和产业化研究方面的重要问题。然而在器件小型化的趋势下，当铁电存储器单元尺寸小于130nm时，目前读出电路基本无法识别存储单元中所存储的逻辑信息，严重地阻碍了铁电存储器向高密度方向发展。
自2009年在绝缘体铁电氧化物中发现某些特殊类型畴壁具有导电性之后，学者们掀起了对铁电畴壁导电性研究的热潮，并基于导电/非导电时的阻态，提出了铁电畴壁型高密度铁电存储器的构想。然而，目前铁电存储器在多逻辑铁电存储中依然面临着严峻的问题，尤其是铁电畴壁的可控性方面还需要提高。虽然在理论上可以实现多逻辑态存储，但是对于铁电畴壁的形成位置以及导电性能可控性并不明确，尤其是其通过控制电压的大小来实现铁电畴壁的形成，致使铁电薄膜中畴壁的位置、构型以及厚度难以控制。因此基于铁电畴壁的高密度铁电畴壁存储器依然只是一种构想。
为进一步地提高铁电存储器的存储密度，科学家和工程师做了大量的努力，然而目前还未有有效的方法。虽然通过三维堆叠能够在一定程度上提高存储器的容量，然而为减小存储单元间的相互影响，尤其是串扰等问题，致使存储单元间间距较大，使得存储密度方面并未有质的提高。
发明内容
为此本发明的目的在于提供一种高密度铁电存储单元，采用一个存储单元中包含两个存储微单元的结构来提高存储密度，并且两个微单元共用一个下电极来减小微单元的体积，两个微单元中存储功能层不平行于衬底，下电极2011与存储功能层3001相接触的左侧面与衬底的夹角(φ)大于或者等于90°，同时下电极2011与存储功能层3001相接触的右侧面与衬底的夹角(θ)也大于或者等于90°。这种结构设计能够有效地提高衬底面积内铁电存储单位的数量，同时提高铁电存储单元的存储密度，这种铁电存储单元易于集成与三维堆垛，能有效地减小电极之间的相互影响，表面串扰问题，能促进高密度铁电存储器的应用。
本发明采用以下技术方案：
一种高密度铁电存储器单元，包括衬底1001、下电极2011、存储功能层3001、左上电极2021、右上电极2022，所述的下电极2011与存储功能层3001相接触的左侧面与衬底的夹角(φ)大于或者等于90°，下电极2011与存储功能层3001相接触的右侧面与衬底的夹角(θ)也大于或者等于90°。
所述衬底1001的材料为氧化铪、掺杂氧化铪、钛酸锶、铌掺杂钛酸锶、钛酸钡、氧化硅、掺杂氧化硅、氧化镁、氧化铝、钛酸钙、钛酸镁、白宝石、尖晶石、氧化钛、云母、石英、氧化铍、尖晶石、蓝宝石、砷化钾、红宝石、硅、铁酸钴、掺杂硅中的一种或者几种构成。
所述下电极2011为钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡、掺杂Si、氮化钛、铂、铌酸锂、掺杂铌酸锂中的一种或者几种构成。
所述存储功能层3001为锆掺杂氧化铪、钇掺杂氧化铪、硅掺杂氧化铪、铝掺杂氧化铪、钆掺杂氧化铪、钛酸铅、钛酸锆铅、铁酸铋、掺杂铁酸铋、钛酸钡、掺杂钛酸钡、铁酸镥、掺杂铁酸镥、铁酸镓、掺杂铁酸镓中的一种或者几种构成，左上电极2021和下电极2011所夹持的部分存储功能层的厚度约为0.4nm-60nm，右上电极2022和下电极2011所夹持的部分存储功能层的厚度也约为0.4nm-60nm。
所述存储功能层外延生长于衬底1001。
所述下电极2011与左上电极2021及其所夹持的存储功能层3001部分可作为独立的一个存储微单元0001，下电极2011与右上电极2022及其所夹持的存储功能层3001部分可作为另外的一个存储微单元0002。
所述下电极2011外接电路的部分延伸与存储单元的一侧，左上电极2021和右上电极2022外接电路的部分延伸于存储单元的另一侧。
所述的一种高密度铁电存储器单元内部包含的两个存储微单元0001和0002可存储表示的逻辑态数量相同，范围在2-16，并且两个存储微单元共用一个下电极2011，在存储态写入或者读取时下电极电势为零。
所述左上电极2021和右上电极2022可以为同种材料也可为不同种材料，可以为银、铜、含银合金、含铜合金、铂、铁、钴、镍、锌、钛、铝、掺杂硅、钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡、碳纳米管、石墨烯、掺杂石墨烯、二硫化钼、氮化钛、铂、铌酸锂、掺杂铌酸锂等金属或者半导体材料中的一种或者多种构成。
本发明产生的有益效果：
本发明中采用特殊形态的铁电薄膜使得同一铁电薄膜中两个不相互影响的部分能够分别用于存储，在一个新型高密度铁电存储单元中形成了两个存储微单元，并且两个存储微单元共用同一个下电极，极大地减小了存储微单元的体积，提高了存储单元的存储密度，见图1。另外，下电极2011外接电路的部分位于存储单元的一侧，左上电极2021和右上电极2022外接电路的部分位于存储单元的另一侧，极大地减小了三个电极之间的相互影响，提高了铁电存储单元性能存储性能的可靠性，见图1。特别需要注意的是，在该新型高密度铁电存储单元中利用存储功能层的极化来存储数据时，铁电薄膜的极化方向与衬底并不垂直，铁电薄膜极化方向的平行直线与衬底的夹角小于或者等于60°，下电极2011与存储功能层3001相接触的左侧面与衬底的夹角(φ)和存储功能层3001相接触的右侧面与衬底的夹角(θ)均大于或者等于90°(见图2)，直接区别于传统的铁电存储器基于存储功能层垂直衬底的极化来存储数据的特点。该存储单元在实现存储时，可以在下电极2011和左上电极2021间施加电压使得存储功能层薄膜极化，在微单元0001中存储一个数值；类似的可以在下电极2011和右上电极2022间施加电压使得存储功能层薄膜极化，在微单元0002中存储一个数值。在读取微单元0001和微单元0002中的数值时，可在下电极2011和左上电极2021间施加一不会改变微单元0001存储态的电压来读取隧穿电流或者漏电流；可在下电极2011和右上电极2022间施加一不会改变微单元0002存储态的电压来读取隧穿电流或者漏电流；当微单元0001和微单元0002中的存储功能层的极化状态不同时，读取得到各自的隧穿电流或者漏电流值不同，从而可以识别微单元0001和微单元0002各自的存储状态。需要注意的是，微单元0001和微单元0002中的存储功能层在采用不同的写入方法写入时(以不同大小的脉冲电压为例，存储功能层的极化值可能不同，而不同的极化值会影响读取微单元0001和微单元0002时隧穿电流或者漏电流的大小，从而使得单个微单元实现多逻辑态存储的性能。这样能够进一步地提高存储器的存储容量和存储密度，具有广阔的应用前景。这种结构设计能够有效地提高衬底单位面积内铁电存储单位的数量，同时提高铁电存储单元的存储密度，易于集成，且适合三维堆垛，能促进高密度铁电存储器的应用。
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为一种高密度铁电存储器单元的(a)俯视图；(b)右视图；(c)主视图；(d)图1俯视图中α处的截面示意图。其中，2011a和2011b为下电极2011的部分；2021a和2021b为左上电极2021的部分；2022a、2022b和2022c是右上电极2022的部分；3001a、3001b和3001c是存储功能层3001的部分。
图2为一种高密度铁电存储器单元制备过程中不同工艺程序后存储单元的(a)下电极刻蚀以后的俯视图；(b)下电极和存储功能层构成的异质结刻蚀以后的俯视图；(c)下电极和存储功能层构成的异质结刻蚀以后可选结构的俯视图；(d)下电极/存储功能层/上电极构成的异质结刻蚀以后的俯视图；(e)下电极/存储功能层/上电极构成的异质结刻蚀以后可选结构的俯视图。
图3为一种高密度铁电存储器单元的(a)图1俯视图中α处的截面示意图中下电极左右侧面与衬底的夹角示意图；(b)图1俯视图中α处的截面示意图中下电极左右侧面与衬底的夹角不为90°时α处的截面示意图。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。
在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，图示中的各部分之间的尺寸比例关系并不反映实际的尺寸比例关系。
实施例1
MoS2/BaTiO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3一种新型高密度铁电存储器单元，其中衬底为SrTiO3，下电极为La0.66Sr0.33MnO3，存储功能层为BaTiO3，左上电极和右上电极均为MoS2，实现的主要流程：
a)将SrTiO3衬底上清洗干净并干燥。
b)用脉冲激光分子束外延沉积技术在SrTiO3衬底上制备130nm厚的La0.66Sr0.33MnO3半导体下电极，构成La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3异质结。
c)对La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3异质结刻蚀，其结构见图2(a)，其中1001为衬底SrTiO3，2011为下电极La0.66Sr0.33MnO3，下电极垂直衬底方向的厚度为130nm左右，图1中下电极2011处2011a俯视时看到的形状，可选的可改为圆形或者菱形等。
d)用脉冲激光分子束外延沉积技术在La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3异质结上制备4nm厚的BaTiO3铁电超薄膜，构成BaTiO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3异质结，并再次刻蚀，其结构见图2(b)，可选的其结构也可为图2(c)所示。
e)用化学气相沉积法制备MoS2二维材料半导体上电极，并使用机械剥离或者腐蚀转移的方法，将单层MoS2转移到BaTiO3铁电超薄膜上，构成MoS2/BaTiO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3一种新型高密度铁电存储器单元，并进行刻蚀，其结构见图2(d)所示，可选的其结构可以为图2(e)所示。
(f)最终得到的基本单元结构俯视图见图1(a)所示，右视图见图1(b)所示，主视图见图1(c)所示，图1(a)处α截面的图如图1(d)所示。
在该MoS2/BaTiO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3一种新型高密度铁电存储器单元中，微单元0001中存储功能层BaTiO3的厚度为4nm左右，当存储功能层的极化指向左上电极时，其是一个存储状态，当存储功能层的极化指向下电极时，其是另一个存储状态。类似地，微单元0002中也是当存储功能层中的极化状态分别指向右上电极和下电极时，分别表示两个存储状态。在微单元0001和微单元0002中分别通过读取微单元中的隧穿电流来识别其中的存储状态。
实施例2
MoS2/BiFeO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3一种新型高密度铁电存储器单元，其中衬底为SrTiO3，下电极为La0.66Sr0.33MnO3，存储功能层为BiFeO3且存储区域的厚度约为2nm，左上电极和右上电极均为MoS2，其实现方式与实施例1类似。
在该MoS2/BiFeO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3一种新型高密度铁电存储器单元中，微单元0001中存储功能层BiFeO3的厚度为2nm左右，当在左上电极和下电极间使用不同的操作电压在存储功能层中写入极化状态时，存储功能层的不同极化状态(极化值的大小、极化方向均可不同)表示存储单元的不同存储状态。类似地，微单元0002中也是当存储功能层中的不同极化状态表示微单元0002中的不同存储状态。分在微单元0001和微单元0002中分别通过读取微单元中的隧穿电流来识别其中的存储状态，并且均可以用作8逻辑态存储微单元来使用。
实施例3
Pt/Si:HfO2/TiN/Si一种新型高密度铁电存储器单元，其中衬底为Si，下电极为TiN，存储功能层为Si:HfO2且存储区域的厚度约为3nm，左上电极和右上电极均为Pt，实现的主要流程：
a)将Si衬底上清洗干净并干燥。
b)用原子层沉积系统技术在Si衬底上制备20nm厚的TiN半导体下电极，构成TiN/Si异质结。
c)对TiN/Si异质结刻蚀，其中1001为衬底SrTiO3，2011为下电极TiN，下电极垂直衬底方向的厚度为20nm左右。
d)用脉冲激光分子束外延沉积技术在TiN/Si异质结上制备4nm厚的Si:HfO2铁电超薄膜，构成Si:HfO2/TiN/Si异质结，并再次刻蚀。
e)用小型离子溅射仪制备Pt上电极，并使用刻蚀方法，构成Pt/Si:HfO2/TiN/Si一种新型高密度铁电存储器单元，并进行刻蚀，得到的基本单元结构俯视图见图1(a)所示，右视图见图1(b)所示，主视图见图1(c)所示。
在该Pt/Si:HfO2/TiN/Si一种新型高密度铁电存储器单元中，微单元0001中存储功能层Si:HfO2的厚度为3nm左右，当存储功能层的极化指向左上电极时，其是一个存储状态，当存储功能层的极化指向下电极时，其是另一个存储状态。类似地，微单元0002中也是当存储功能层中的极化状态分别指向右上电极和下电极时，分别表示两个存储状态。在微单元0001和微单元0002中分别通过读取微单元中的隧穿电流来识别其中的存储状态。
实施例4
Au/Si:HfO2/TiN/Si一种新型高密度铁电存储器单元，其中衬底为Si，下电极为TiN，存储功能层为Si:HfO2且存储区域的厚度约为3nm，左上电极和右上电极均为Au，其实现方式与实施例3类似，不同之处为其左右上电极为Au。
在该Pt/Si:HfO2/TiN/Si一种新型高密度铁电存储器单元中，微单元0001中存储功能层Si:HfO2的厚度为3nm左右，当存储功能层的极化指向左上电极时，其是一个存储状态，当存储功能层的极化指向下电极时，其是另一个存储状态。类似地，微单元0002中也是当存储功能层中的极化状态分别指向右上电极和下电极时，分别表示两个存储状态。在微单元0001和微单元0002中分别通过读取微单元中的隧穿电流来识别其中的存储状态。
实施例5
Graphene/BiFeO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3一种新型高密度铁电存储器单元，其中衬底为SrTiO3，下电极为La0.66Sr0.33MnO3，存储功能层为BiFeO3且存储区域的厚度约为2nm，左上电极和右上电极均为Graphene，其实现方式与实施例1类似。
在该Graphene/BiFeO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3一种新型高密度铁电存储器单元中，微单元0001中存储功能层BiFeO3的厚度为2nm左右，当在左上电极和下电极间使用不同的操作电压在存储功能层中写入极化状态时，存储功能层的不同极化状态(极化值的大小、极化方向均可不同)表示存储单元的不同存储状态。类似地，微单元0002中也是当存储功能层中的不同极化状态表示微单元0002中的不同存储状态。在微单元0001和微单元0002中分别通过读取微单元中的隧穿电流来识别其中的存储状态，并且均可以用作8逻辑态存储微单元来使用。
实施例6
Graphene/BiFeO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3一种新型高密度铁电存储器单元，其中衬底为SrTiO3，下电极为La0.66Sr0.33MnO3，存储功能层为BiFeO3且存储区域的厚度约为20nm，左上电极和右上电极均为Graphene，其实现方式与实施例1类似。
在该Graphene/BiFeO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3一种新型高密度铁电存储器单元中，微单元0001中存储功能层BiFeO3的厚度为20nm左右，当在左上电极和下电极间使用不同的操作电压在存储功能层中写入极化状态时，存储功能层的不同极化状态(极化值的大小、极化方向均可不同)表示存储单元的不同存储状态。类似地，微单元0002中也是当存储功能层中的不同极化状态表示微单元0002中的不同存储状态。在微单元0001和微单元0002中存储功能层中具有较多的氧空位，分别通过读取微单元中的漏电流来识别其中的存储状态，并且均可以用作16逻辑态存储微单元来使用。
实施例7
Ag/PbZr0.52Ti0.48O3/Pt/SrTiO3一种新型高密度铁电存储器单元，其中衬底为SrTiO3，下电极为Pt，存储功能层为BiFeO3且存储区域的厚度约为20nm，左上电极和右上电极均为Ag，其实现方式与实施例1类似。
在该Ag/PbZr0.52Ti0.48O3/Pt/SrTiO3一种新型高密度铁电存储器单元中，微单元0001中存储功能层PbZr0.52Ti0.48O3的厚度为20nm左右，当在左上电极和下电极间使用不同的操作电压在存储功能层中写入极化状态时，存储功能层的不同极化状态(极化值的大小、极化方向均可不同)表示存储单元的不同存储状态，同时在电压作用下Ag电极与PbZr0.52Ti0.48O3界面处会生成AgO x 或者分解AgO x 来调控PbZr0.52Ti0.48O3内部的氧空位，致使两个微单元中的开关比大幅度地提高。类似地，微单元0002中也是当存储功能层中的不同极化状态表示微单元0002中的不同存储状态，也存在电压作用下Ag电极与PbZr0.52Ti0.48O3界面处会生成AgO x 或者分解AgO x 来调控PbZr0.52Ti0.48O3内部的氧空位。在微单元0001和微单元0002中存储功能层中分别通过读取微单元中的漏电流来识别其中的存储状态，并且均可以用作6逻辑态存储微单元来使用。
实施例8
MoS2/BaTiO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3一种新型高密度铁电存储器单元，其中衬底为SrTiO3，下电极为La0.66Sr0.33MnO3，存储功能层为BaTiO3，左上电极和右上电极均为MoS2，其实现方式与实施例1类似，不同之处为其图1俯视图中α处的截面的下电极左右侧面与衬底的夹角不为90读，示意图如图3(a)所示，图3(b)为图1俯视图中α处的截面示意图中下电极左右侧面与衬底的夹角不为90°时α处的截面示意图。

Claims (7)

1.一种高密度铁电存储器单元，包括衬底(1001)、下电极(2011)、存储功能层(3001)、左上电极(2021)、右上电极(2022)，其特征在于，下电极(2011)与存储功能层(3001)相接触的左侧面与衬底的夹角(φ)大于或者等于90°，下电极(2011)与存储功能层(3001)相接触的右侧面与衬底的夹角(θ)也大于或者等于90°；
所述下电极(2011)与左上电极(2021)及其所夹持的存储功能层(3001)部分可作为独立的一个存储微单元(0001)，下电极(2011)与右上电极(2022)及其所夹持的存储功能层(3001)部分可作为另外的一个存储微单元(0002)；
所述下电极(2011)的外接电路的部分延伸于存储单元的一侧，左上电极(2021)和右上电极(2022)的外接电路的部分延伸于存储单元的另一侧。
2.如权利要求1所述的一种高密度铁电存储器单元，其特征在于，所述衬底(1001)的材料为氧化铪、掺杂氧化铪、钛酸锶、铌掺杂钛酸锶、钛酸钡、氧化硅、掺杂氧化硅、氧化镁、氧化铝、钛酸钙、钛酸镁、白宝石、尖晶石、氧化钛、云母、石英、氧化铍、蓝宝石、砷化钾、红宝石、硅、铁酸钴、掺杂硅中的一种或者几种构成。
3.如权利要求1所述的一种高密度铁电存储器单元，其特征在于，所述下电极(2011)为钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡、掺杂Si、氮化钛、铂、铌酸锂、掺杂铌酸锂中的一种或者几种构成。
4.如权利要求1所述的一种高密度铁电存储器单元，其特征在于，所述存储功能层(3001)为锆掺杂氧化铪、钇掺杂氧化铪、硅掺杂氧化铪、铝掺杂氧化铪、钆掺杂氧化铪、钛酸铅、钛酸锆铅、铁酸铋、掺杂铁酸铋、钛酸钡、掺杂钛酸钡、铁酸镥、掺杂铁酸镥、铁酸镓、掺杂铁酸镓中的一种或者几种构成，左上电极(2021)和下电极(2011)所夹持的部分存储功能层的厚度为0.4nm-60nm，右上电极(2022)和下电极(2011)所夹持的部分存储功能层的厚度也为0.4nm-60nm。
5.如权利要求1所述的一种高密度铁电存储器单元，其特征在于，所述存储功能层外延生长于衬底(1001)。
6.如权利要求1所述的一种高密度铁电存储器单元，其特征在于，所述的一种高密度铁电存储器单元内部包含的两个存储微单元可存储表示的逻辑态数量相同，范围在2-16，并且两个存储微单元共用一个下电极(2011)，在存储态写入或者读取时下电极电势为零。
7.如权利要求1所述的一种高密度铁电存储器单元，其特征在于，所述左上电极(2021)和右上电极(2022)为银、铜、含银合金、含铜合金、铂、铁、钴、镍、锌、钛、铝、掺杂硅、钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡、碳纳米管、石墨烯、掺杂石墨烯、二硫化钼、氮化钛、铌酸锂、掺杂铌酸锂或者半导体材料中的一种或者多种构成。
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