CN109599486A - 一种基于多铁异质结构的阻变存储器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多铁异质结构的阻变存储器，所述阻变存储器包括：衬底；设置在所述衬底上的铁磁底电极层；设置在所述铁磁底电极层背离所述衬底一侧的铁电势垒层，其中，所述铁电势垒层部分覆盖所述铁磁底电极层；设置在所述铁电势垒层背离所述铁磁底电极层一侧的铁磁顶电极层，其中，所述铁磁顶电极层的面积和所述铁电势垒层的面积相同；设置在所述铁磁底电极层上，且包围所述铁电势垒层的侧壁和所述铁磁顶电极层的侧壁的绝缘层；设置在所述铁磁顶电极层背离所述铁电势垒层一侧的接触电极引线层。该存储器具有写入速度快、写入电流密度低和具有多个非挥发存储状态的特点。

Description

一种基于多铁异质结构的阻变存储器

技术领域

本发明涉及存储技术领域，更具体地说，涉及一种基于多铁异质结构的阻变存储器。

背景技术

现代的存储器正在往密度高、速度快、能耗小和安全可靠的方面发展，但是追求高密度特性就需要不断缩小晶体管的尺寸，当缩小至纳米尺寸时就会出现诸多量子效应，如量子隧穿等，此时传统硅基半导体器件将达到物理和技术极限，因此人们需要开发新型的多功能材料及其信息存储和处理技术。

闪存和硬盘是现在使用的非挥发存储器件，写入速度较慢，在10微秒甚至毫秒量级。作为下一代新型存储器件，相变存储器和基于铁磁隧道结的磁阻存储器，都面临着写入电流密度大和写入速度慢的问题。而铁电材料由于具有快速的、低能耗的、保持特性好的的铁电极化翻转，被认为是能够同时获得快速和低写入电流密度的存储媒介。但是基于铁电的铁电随机存储器仍然使用电荷作为存储媒介，为破坏性读取，难以小型化。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种基于多铁异质结构的阻变存储器，技术方案如下：

一种基于多铁异质结构的阻变存储器，所述阻变存储器包括：

衬底；

设置在所述衬底上的铁磁底电极层；

设置在所述铁磁底电极层背离所述衬底一侧的铁电势垒层，其中，所述铁电势垒层部分覆盖所述铁磁底电极层；

设置在所述铁电势垒层背离所述铁磁底电极层一侧的铁磁顶电极层，其中，所述铁磁顶电极层的面积和所述铁电势垒层的面积相同；

设置在所述铁磁底电极层上，且包围所述铁电势垒层的侧壁和所述铁磁顶电极层的侧壁的绝缘层；

设置在所述铁磁顶电极层背离所述铁电势垒层一侧的接触电极引线层。

优选的，所述衬底的材料为SrTiO₃材料或Al₂O₃材料或SiC材料或Si材料。

优选的，所述铁磁底电极层的材料为La_1-xSr_xMnO₃材料或La_1-xCa_xMnO₃材料，其中，0＜x＜1；

或Fe₃O₄材料或Fe材料或Co材料或Ni材料或Co_xFe_0.8-xB_0.2材料，其中0＜x＜0.8。

优选的，所述铁磁顶电极层的材料为La_1-xSr_xMnO₃材料或La_1-xCa_xMnO₃材料，其中，0＜x＜1；

或Fe₃O₄材料或Fe材料或Co材料或Ni材料或Co_xFe_0.8-xB_0.2材料，其中0＜x＜0.8。

优选的，所述铁电势垒层的材料为BaTiO₃或BiFeO₃或PbZr_1-xTi_xO₃或LiTaO₃或LiNbO₃或具有掺杂元素的HfO₂，其中，0＜x＜1。

优选的，所述铁磁底电极层的厚度大于3nm。

优选的，所述铁磁顶电极层的厚度大于3nm。

优选的，所述铁电势垒层的厚度为1nm-5nm，包括端点值。

优选的，所述接触电极引线层为金属接触电极引线层。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

本发明采用铁电层作为势垒层，铁磁层作为顶电极层和底电极层。铁电势垒层在电场作用下会产生非挥发的快速铁电极化翻转，且施加不同电压得到的极化状态不同，通过铁电极化改变界面电荷分布，调控隧穿势垒的高度或宽度形成不同的电阻状态即隧穿电致电阻效应(TER)，并且用电场调控铁电极化翻转，有速度快、功耗小、且畴结构保持特性好的特点，实现了具有写入速度快，写入电流密度低、稳定性强、利于小型化的存储器。进一步通过外加磁场，改变两层铁磁电极的磁矩相对取向，利用隧穿磁致电阻效应(TMR)，在单个原型器件中实现更多的非挥发的电阻状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种阻变存储器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的在脉冲电压脉宽为t_p＝6ns时，扫描顺序为0V到+V_p ^max到-2.0V到0V，不同的最大电压+V_p ^max的电阻回滞曲线示意图，在一个脉宽序列中先施加一个振幅为V_p，脉宽为t_p的方波后，再施加一个小脉冲V_r＝10mV的测量偏压；

图3为本发明实施例提供的施加不同幅度的正向电压V_p脉冲序列得到的6个清晰可分辨的电阻状态的示意图；

图4为本发明实施例提供的利用铁电极化相关的隧穿电致电阻效应获得的5阻态基础上，在温度为20K的情况下，施加磁场利用隧穿电致电阻效应得到的10阻态示意图，读取电压V_r为0.3V。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种阻变存储器的结构示意图，所述阻变存储器包括：

衬底1；

设置在所述衬底1上的铁磁底电极层2；

设置在所述铁磁底电极层2背离所述衬底1一侧的铁电势垒层3，其中，所述铁电势垒层3部分覆盖所述铁磁底电极层2；

设置在所述铁电势垒层3背离所述铁磁底电极层2一侧的铁磁顶电极层4，其中，所述铁磁顶电极层4的面积和所述铁电势垒层3的面积相同；

设置在所述铁磁底电极层2上，且包围所述铁电势垒层3的侧壁和所述铁磁顶电极层4的侧壁的绝缘层5；

设置在所述铁磁顶电极层4背离所述铁电势垒层3一侧的接触电极引线层6。

可选的，所述绝缘层5可以选取任意绝缘性好的材料，在本发明实施例中并不作限定。

可选的，所述接触电极引线层6为导电性好的金属接触电极引线层。

在该实施例中，底电极层和顶电极层均为铁磁材料，即底电极层为铁磁底电极层2，顶电极层为铁磁顶电极层4，势垒层为铁电材料，即势垒层为铁电势垒层3，即三者构成了铁磁/铁电/铁磁的异质结构。

其中，铁电势垒层3在电场作用下会产生非挥发的快速铁电极化翻转，且施加不同的电压得到的极化状态不同，通过铁电极化改变铁磁底电极层2和铁电势垒层3的交界面和铁磁顶电极层4和铁电势垒层3的交界面的界面电荷分布，调控异质结构势垒的高度或宽度形成不同的电阻状态即隧穿电致电阻效应，并且用电场调控铁电极化翻转，具有速度快和功耗小等优点，实现了具有写入速度快、写入电流密度低和稳定性强的存储器。

并且，通过外加磁场，改变铁磁底电极层2和铁磁顶电极层4的磁矩相对取向，利用隧穿磁致电阻效应，在单个存储器中可以实现更多的非挥发的电阻状态。

进一步的，所述衬底1的材料包括但不限定为SrTiO₃材料或Al₂O₃材料或SiC材料或Si材料。

在该实施例中，所述衬底1的材料选取并不进行限定，只是以举例的形式进行说明，只需保证器件可以在衬底上生长制备即可。

进一步的，所述铁磁底电极层2的材料包括但不限定为La_1-xSr_xMnO₃材料或La_{1- x}Ca_xMnO₃材料，其中，0＜x＜1；

或Fe₃O₄材料或Fe材料或Co材料或Ni材料或Co_xFe_0.8-xB_0.2材料，其中0＜x＜0.8；

在该实施例中，所述铁磁底电极层2的材料选取并不进行限定，只需是铁磁性材料即可，优选的，所述铁磁底电极层2的材料为La_0.7Sr_0.3MnO₃材料。

进一步的，所述铁磁顶电极层4的材料包括但不限定为La_1-xSr_xMnO₃材料或La_{1- x}Ca_xMnO₃材料，其中，0＜x＜1；

或CoFeB材料或Fe₃O₄材料或Fe材料或Co材料或Ni材料或Co_xFe_0.8-xB_0.2材料，其中0＜x＜0.8；

在该实施例中，所述铁磁顶电极层4的材料选取并不进行限定，只需是铁磁性材料即可，优选的，所述铁磁顶电极层4的材料为La_0.7Sr_0.3MnO₃材料。

需要说明的是，在本发明实施例中，所述铁磁底电极层2的材料和所述铁磁顶电极层4的材料可以相同也可以不同。

当所述铁磁底电极层2的材料和所述铁磁顶电极层4的材料不同时，所述铁电势垒层3和所述铁磁底电极层2的接触面与所述铁电势垒层3和所述铁磁顶电极层4的接触面形成非对称界面。

当所述铁磁底电极层2的材料和所述铁磁顶电极层4的材料相同时，所述铁磁底电极层2和所述铁电势垒层3的接触面和所述铁磁顶电极层4和所述铁电势垒层3的接触面的生长顺序不同，也能形成非对称界面。

进一步的，所述铁磁底电极层2的厚度大于3nm。所述铁磁顶电极层4的厚度大于3nm。

在该实施例中，例如所述铁磁底电极层2的厚度为10nm或30nm或55nm，所述铁磁顶电极层4的厚度为20nm或40nm或65nm。

进一步的，所述铁电势垒层3的材料包括但不限定为BaTiO₃或BiFeO₃或PbZr_{1- x}Ti_xO₃或LiTaO₃或LiNbO₃或具有掺杂元素的HfO₂，其中，0＜x＜1。

在该实施例中，所述铁电势垒层3的材料选取并不进行限定，只需是铁电性材料即可，优选的，所述铁电势垒层3的材料为BaTiO₃材料。

进一步的，所述铁电势垒层3的厚度为1nm-5nm，包括端点值。

在该实施例中，例如所述铁电势垒层3的厚度为2nm或3nm或4nm，当所述铁电势垒层3的厚度小于1nm时，铁电势垒层3会有较大的漏电流且铁电性差，当所述铁电势垒层3的厚度大于5nm时，其量子隧穿效应会变弱。

在一个实施例中，当结区面积，即所述铁磁顶电极层4的面积和所述铁电势垒层3的面积均为10×10μm²时，其写入操作速度＜10ns，写入能耗约为30pJ/bit，写入电流密度为2.5×10³A/cm²，实现超快低写入电流密度的多态信息存储功能。

在另一个实施例中，当结区面积，即所述铁磁顶电极层4的面积和所述铁电势垒层3的面积均降低至1×1μm²时，写入能耗可以降低至＜5pJ/bit，写入电流密度也随之降低到10³A/cm²。

在理想情况下，随着所述铁磁顶电极层4的面积和所述铁电势垒层3的面积的进一步降低，写入电流密度和能耗也会随之降低。

基于本发明上述实施例提供的存储器，下面以结区面积为10×10μm²势垒层厚度为3nm的实施例对其原理和存储功能进行说明。

由于铁电势垒层与铁磁底电极层和铁磁顶电极层的上下接触界面不同，铁电极化向上到向下，会产生不同的界面电荷分布，形成不同的界面势垒，形成不同的阻态。在该实施例中，铁磁底电极层和铁磁顶电极层使用同种铁磁电极材料，但是生长顺序的不同形成了非对称的界面，当铁电极化指向铁磁底电极层时，为高阻态；当铁电极化指向铁磁顶电极时，为低阻态。

如图2所示，在脉冲电压脉宽为t_p＝6ns时，扫描顺序为0V到+V_p ^max到-2.0V到0V，不同的最大电压+V_p ^max有不同的电阻回滞曲线表明了器件可以随脉冲次数和幅值达到不同电阻状态。

如图3所示，通过施加不同幅值的正向脉冲电压序列获得清晰可辨的6个不同的电阻状态，并且该6个电阻状态之间的转变具有良好的可重复性和稳定性。

并且，依据附图中的参数信息结合实验结果，其写入电压为2.06V时的能耗E_write为30pJ/bit，写入电流密度约为2.5×10³A/cm²。

参考图4，图4为本发明实施例提供的利用铁电极化相关的隧穿电致电阻效应获得的5阻态基础上，在温度为20K的情况下，施加磁场利用隧穿电致电阻效应得到的10阻态示意图，其中，V_r读取电压为0.3V。

在施加脉宽为6ns不同幅度的极化电压使之处于5个不同阻态后，再扫描磁场得到的磁阻曲线，也就说明在隧穿电致电阻效应的基础上，利用隧穿磁致电阻效应可以得到更多的至少10个可分辨的电阻状态。

通过上述描述可知，该基于多铁异质结构的存储器中，铁电势垒层为铁电材料，铁磁底电极层和铁磁顶电极层为铁磁材料，铁电势垒层、铁磁底电极层和铁磁顶电极层构成异质结构。其中，铁电势垒层在电场作用下会产生非挥发的快速铁电极化翻转，且施加不同电压得到的极化状态不同，通过铁电极化改变界面电荷分布，调控隧穿势垒的高度或宽度形成不同的电阻状态即隧穿电致电阻效应(TER)，并且用电场调控铁电极化翻转，有速度快、功耗小、且畴结构保持特性好的特点，实现了具有写入速度快，写入电流密度低、稳定性强的存储器。

进一步通过外加磁场，改变两层铁磁电极的磁矩相对取向，利用隧穿磁致电阻效应，在单个原型器件中实现更多的非挥发的电阻状态。

进而在基于“铁磁/铁电/铁磁”异质结构设计出具有超快写入速度和超低写入电流密度的非挥发多阻态存储器。

以上对本发明所提供的一种基于多铁异质结构的存储器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于多铁异质结构的阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器包括：

衬底；

设置在所述衬底上的铁磁底电极层；

设置在所述铁磁底电极层背离所述衬底一侧的铁电势垒层，其中，所述铁电势垒层部分覆盖所述铁磁底电极层；

设置在所述铁电势垒层背离所述铁磁底电极层一侧的铁磁顶电极层，其中，所述铁磁顶电极层的面积和所述铁电势垒层的面积相同；

设置在所述铁磁底电极层上，且包围所述铁电势垒层的侧壁和所述铁磁顶电极层的侧壁的绝缘层；

设置在所述铁磁顶电极层背离所述铁电势垒层一侧的接触电极引线层。

2.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述衬底的材料为SrTiO₃材料或Al₂O₃材料或SiC材料或Si材料。

3.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述铁磁底电极层的材料为La_1-xSr_xMnO₃材料或La_1-xCa_xMnO₃材料，其中，0＜x＜1；

或Fe₃O₄材料或Fe材料或Co材料或Ni材料或Co_xFe_0.8-xB_0.2材料，其中0＜x＜0.8。

4.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述铁磁顶电极层的材料为La_1-xSr_xMnO₃材料或La_1-xCa_xMnO₃材料，其中，0＜x＜1；

或Fe₃O₄材料或Fe材料或Co材料或Ni材料或Co_xFe_0.8-xB_0.2材料，其中0＜x＜0.8。

5.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述铁电势垒层的材料为BaTiO₃或BiFeO₃或PbZr_1-xTi_xO₃或LiTaO₃或LiNbO₃或具有掺杂元素的HfO₂，其中，0＜x＜1。

6.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述铁磁底电极层的厚度大于3nm。

7.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述铁磁顶电极层的厚度大于3nm。

8.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述铁电势垒层的厚度为1nm-5nm，包括端点值。

9.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述接触电极引线层为金属接触电极引线层。