CN113113536A - 一种透明多值非易失阻变存储单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种透明多值非易失阻变存储单元及其制备方法，属于半导体固态存储器技术领域。存储单元由底电极、铁电单晶层、阻变层和顶电极所构成；底电极制备在铁电单晶层的下表面，阻变层制备在铁电单晶层的上表面；阻变层上制备有两个电极构成的顶电极。两个顶电极作为电阻状态的读取电极，其中一个顶电极与底电极一起构成了电阻状态的写入电极。组成存储单元的各个部分皆选用透明的材料。该存储单元具有结构简单、稳定性强、透明、非易失性以及可以工作在室温的特点。
Description
技术领域
本发明属于半导体固态存储器技术领域，具体涉及一种基于透明铁电异质结的具有多值非易失存储特性阻变存储单元及其制备方法。
背景技术
随着集成电路行业的飞速发展，技术和工艺的进步使得器件的尺寸不断缩小，功能更加丰富，集成化程度逐步提高。近年来，作为基础器件之一的信息存储器件对高存储密度和高读取写入速度的需求使得技术不断发展，器件尺寸不断地缩小。进入到十几纳米的特征尺寸后，量子效应将十分明显，单纯依靠存储单元特征尺寸的减小来实现更高的存储密度的技术路线终将走到尽头。新型器件的研发已迫在眉睫。在提高存储密度的技术路线中，在单一存储单元中存入多个状态的多值存储技术，可以在不改变尺寸的前提下，大幅提高存储密度，越来越受到重视。
另一方面，随着应用场景的多样化，也对器件提出了多功能化的需求。其中对可见光透明的器件就是其中的重要一种。具有透明特性的存储器件，可以将存储芯片集成到屏幕中，从而释放主板的空间以用于可提供其他功能的其他组件。同时，将信息存储在屏幕中而不是存储在内部的组件内可以进一步降低设备的整体厚度。因此，开发具有对可见光透明的多值非易失存储器件，对未来存储器件的发展具有重要的价值
发明内容
本发明针对上述需求，提出了一种透明多值非易失阻变存储单元及其制备方法。
一种透明多值非易失阻变存储单元，如图1所示，由底电极、铁电单晶、阻变层和顶电极组成；底电极制备在铁电单晶基片的下表面；铁电单晶选用双面抛光的表面为(111)面的铁电单晶基片，如BaTiO3、BaxSr1-xTiO3、(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(0＜x＜1)，厚度为0.1～0.6mm；铁电单晶基片的上表面制备有掺Cr的In2O3薄膜作为阻变层，Cr的质量分数为0.1％～10％，厚度为10～70nm；阻变层上制备有顶电极，顶电极由形状为条形或叉指的两个电极构成，作为电阻状态的读取电极；电阻状态的写入电极由底电极和其中一个顶电极构成；电极材料选用透明导电金属化合物(氧化铟锡、铝掺杂的氧化锌等)中的一种或几种制成，电极厚度为0.01～10μm。
本发明另一方面提供了一种透明多值非易失阻变存储单元的制作方法，其步骤如下：
(1)清洗铁电单晶基片；
依次使用丙酮、乙醇和去离子水对铁电单晶基片进行超声清洗，或者使用等离子清洗机进行清洗，使单晶基片表面无污染即可；
(2)沉积掺Cr的In2O3薄膜作为阻变层；
运用脉冲激光沉积技术，选择高纯度(纯度>99.9％)的掺Cr的In2O3作为靶材料，在铁电单晶基片上沉积掺Cr的In2O3薄膜；靶材与基片的间距为50～70mm，沉积腔内的氧分压为0.05～1Pa，铁电单晶基片温度为650～750℃，激光的频率为1～10Hz；
(3)制备电极得到存储单元；
采用真空镀膜、磁控溅射或脉冲激光沉积的方法制备电极。底电极覆盖在铁电单晶基片的下表面，顶电极制备在掺Cr的In2O3薄膜表面。电阻状态的读取电极由两个顶电极构成，并连接到外部的电阻测量元件上。电阻状态的写入电极由底电极和其中一个顶电极构成，并连接到外部的电压输出元器件上。
本发明的优点：
本发明所述的存储单元中阻变层、铁电单晶、透明电极都是可见光区透明的材料，因此整个单元表现出可见光区透明的特性。该存储单元的存储机理基于铁电异质结的应变效应。通过在顶/底电极之间施加不同大小的直流电压(电场沿单晶的[111]方向)，可以调控铁电单晶的极化状态，产生多种非易失应变亚稳态。应变传递到阻变层薄膜，进而获得多个电阻状态。同时，阻变层的电阻状态可以长时间的保持。因此，该存储单元室温下具有多值且非易失的存储特性，提高了信息的存储密度。此外，该存储单元结构简单、制作成本较低，所使用的制备工艺是当下信息产业中较为常见的工艺，利于推广。
附图说明
图1是本发明所述的透明多值非易失阻变存储单元的结构示意图；
各部分：1为顶电极、2为底电极、3为掺Cr的In2O3薄膜阻变层、4为铁电单晶；
图2是室温时，在写入电极之间施加双极性循环扫描电场(分别为100V、120V、150V、180V、200V)时，存储单元的电阻值随循环电压变化的曲线；
图3是存储单元在不同电阻状态的XRD图；
图4(a)是室温时，在存储单元写入电极交替施加的不同大小的写入/擦除脉冲电压(分别为+100V/-100V、+120V/-120V、+160V/-160V、+200V/-200V)的示意图；(b)是存储单元随着(a)中所示的施加写入/擦除脉冲电压所发生的阻值变化。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步详述。
实施例1
步骤1：清洗铁电单晶基片。
铁电单晶基片选用表面法线方向为(111)取向的0.5mm厚的0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3/0.3PbTiO3单晶基片。交替使用丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗，使基片表面无污染。
步骤2：基于脉冲激光沉积在铁电单晶基片上制备掺Cr的In2O3薄膜作为阻变层。
选择Cr的质量分数为10％的In2O3作为靶材。靶材距离单晶基片的间距为50mm。沉积的基片温度分别为600℃，背底真空和氧分压分别为1.33×10-1Pa和10-5Pa，脉冲激光频率为2Hz，沉积时间为0.5小时。所制备的掺Cr的In2O3薄膜的厚度为30nm。
步骤3：制备底电极和顶电极，构成阻变存储单元。
基于磁控溅射技术，在掺Cr的In2O3薄膜表面制备两个条形的顶电极，在铁电单晶基片的下表面制备底电极，从而得到多值非易失存储单元。两个读取电极经导线连接到外部的电阻测量元件(Keithley2450数字源表)上，写入顶电极和写入底电极经导线连接到外部的电压输出元器件(Keithley2400电压源)上。
如图2所示，室温时，当通过写入电极外加双极性电场(0→V→0→-V→0)，测量两个读取电极之间阻变层的电阻，发现阻变层的电阻表现出类似于电滞回线的特性，获得了大小不同的电阻状态。不同大小(分别为100V、120V、150V、200V)的双极性电场可以获得多个不同的电阻状态，即不同大小的正电压(从顶电极到底电极为正)可以将阻变层置于阻值不同的高阻态，同时施加负电压可以将阻变层置于阻值近似相同的低阻态。
在室温环境下，在顶/底电极施加不同大小(分别为+100V、+120V、+150V、+200V)的电压使阻变层的电阻从初始的低阻态被置于高阻态，并对存储单元进行XRD测量。如图3所示，随着电阻的增大，布拉格衍射角θ向着高位角移动，说明单晶衬底发生晶格应变，表明阻变层电阻的改变是由于单晶衬底的应变所诱导。
该存储单元的多值存储特性的测量结果如图4所示。在室温环境下，对存储单元施加-200V的写入电压，使其电阻处于低阻态(“0”状态)。在顶/底电极外加+200V电压脉冲(脉宽0.5s)作为“写入”操作，存储单元的电阻被置为高阻态(“1”状态)并保持稳定，再在写入电极施加-200V电压脉冲信号作为“擦除”操作，存储单元的电阻被重置为“0”状态。通过多次重复的写入/擦除，存储单元可以在“0”状态和“1”状态稳定切换。随后在“0”状态分别施加+160V、+120V、+100V的脉冲电压作为写入操作，存储单元分别可被置于在“2”、”3”、“4”状态，通过与写入脉冲电压大小相同极性相反的负电压脉冲可以将写入的状态擦除。多次重复的写入/擦除操作，存储单元均可以在不同状态稳定切换。
由此可见通过不同大小的写入电压脉冲可以将透明存储单元中阻变层的电阻调制到不同大小的状态。将不同的电阻状态进行编码实现多值的信息存储，而非传统存储单元非“开”即“关”的二进制存储形式。这种在同一单元上实现多值非易失的透明存储元件，将会极大的提高信息存储的密度。
Claims (5)
1.一种透明多值非易失阻变存储单元，其特征在于：由底电极、铁电单晶层、阻变层和顶电极组成；底电极制备在铁电单晶层的下表面；铁电单晶层的上表面制备有掺Cr的In2O3薄膜作为阻变层；阻变层的上表面制备有两个顶电极作为电阻状态的读取电极；电阻状态的写入电极由底电极和其中一个顶电极构成。
2.如权利要求1所述的一种透明多值非易失阻变存储单元，其特征在于：电极的厚度为0.01～10μm，电极材料由透明导电金属化合物(氧化铟锡、铝掺杂的氧化锌等)制成，顶电极的形状可选用叉指或条形。
3.如权利要求1所述的一种透明多值非易失阻变存储单元，其特征在于：铁电单晶为BaTiO3、BaxSr1-xTiO3或(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(其中0＜x＜1)单晶基片，基片为双面抛光，表面为(111)面，厚度为0.1～0.6mm。
4.如权利要求1所述的一种透明多值非易失阻变存储单元，其特征在于：掺Cr的In2O3薄膜中Cr的质量分数为0.1％～10％，厚度为10～70nm。
5.如权利要求1所述的一种透明多值非易失阻变存储单元的制备方法，其步骤如下：
(1)清洗铁电单晶基片
依次使用丙酮、乙醇和去离子水对铁电单晶基片进行超声清洗，或者使用等离子清洗机进行清洗，使单晶基片表面无污染；
(2)沉积掺Cr的In2O3薄膜作为阻变层
运用脉冲激光沉积技术，选择高纯度的掺Cr的In2O3作为靶材料，在铁电单晶基片上沉积掺Cr的In2O3薄膜；靶材与基片的间距为50～70mm，沉积腔内的氧分压为0.05～1Pa，铁电单晶基片温度为650～750℃，激光的频率为1～10Hz；
(3)制备电极得到存储单元
采用真空镀膜、磁控溅射或脉冲激光沉积的方法制备电极。底电极覆盖在铁电单晶基片的下表面，顶电极制备在掺Cr的In2O3薄膜表面。电阻状态的读取电极由两个顶电极构成，并连接到外部的电阻测量元件上。电阻状态的写入电极由底电极和其中一个顶电极构成，并连接到外部的电压输出元器件上。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20210713 |