CN113643738A - 一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器及其制备方法，涉及存储器技术领域，首先准备洁净的衬底；然后采用原子层沉积工艺，在衬底上沉积铁电层，铁电层的材料为Hf_0.5Zr_0.5O₂，厚度为12nm，沉积温度为280℃；接着采用磁控溅射工艺，利用圆孔掩膜版在铁电层上沉积点状顶电极，厚度为40nm，在铁电层上沉积保护层，厚度为40nm；最后在距离保护层4‑5mm处设置悬臂，在悬臂前端设置朝下的数据读取头与数据写入头。本发明中的铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器解决了磁性介质机械硬盘或者铁电场效应晶体管存在的存储密度不高的问题。

Description

一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器及其制备方法

技术领域

本发明涉及存储器技术领域，更具体的说是涉及一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器及其制备方法。

背景技术

作为目前世界上使用最广泛的存储器，磁性介质机械硬盘的存储密度约为100Gbit/in.²，这是磁性材料本身磁畴的大小所决定的，为了克服这一限制做了很多不受欢迎的尝试，包括设计磁道重叠以至于可能会损害所存储数据的叠瓦式ShingledMagneting Recording(SMR)硬盘等，但这些方法都无法从根本上提高磁性介质机械硬盘的存储密度。

中国科学院微电子研究在其申请号为CN201711075067.1的专利中公开了一种铁电场效应晶体管及其制备方法，该铁电场效应晶体管包括衬底、源/漏极、栅堆叠和侧墙，栅堆叠由沿远离衬底的方向顺序层叠的栅介质层、下电极层、铁电层、绝缘介质层和栅极组成。这种场效应晶体管结构，即利用铁电薄膜材料来代替传统金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)中的氧化物层，通过铁电薄膜材料极化方向的转换来控制沟道导通或截止，这种方式极大增加了元器件的体积，使得目前所有产品化的铁电存储器存储容量无法超过兆字节(MB)级别，存储密度难以提高。

铁电薄膜材料具有双稳态的自发极化，根据铁电薄膜材料所处的极化状态可以实现信息的存储。有研究表明，铁电薄膜材料如钛酸钡(BaTiO3)纳米颗粒在5nm以下，甚至只有2-3个晶胞时，仍具有铁电性，而Hf基铁电薄膜材料如Hf0.5Zr0.5O被认为单个晶胞也具有铁电极化。因此，相比于使用磁性材料的硬盘式存储器，使用铁电材料的硬盘式存储器，以钽酸锂(LiTaO3)铁电薄膜材料为例，可以实现约3.4Tbit/in.2的存储密度，远大于以磁性材料作为盘片的存储密度。

然而通常利用铁电薄膜材料制备的存储器多采用晶体管结构，即利用铁电薄膜材料来代替传统金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)中的氧化物(Oxide)层，通过铁电薄膜材料极化方向的转换来控制沟道导通或截止，这种方式极大增加了元器件的体积，使得目前所有产品化的铁电存储器存储容量无法超过兆字节(MB)级别，存储密度难以提高。所以，如何提高存储器的存储密度对本领域技术人员来说是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器及其制备方法，解决了磁性介质机械硬盘或者铁电场效应晶体管存在的存储密度不高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一方面，提供一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器，包括：

衬底；

铁电层，在所述衬底上沉积；

点状顶电极，位于所述铁电层的表面；

保护层，位于所述铁电层的表面，所述保护层的高度与所述点状顶电极层的高度相同，所述点状顶电极与所述保护层间隔设置在所述铁电层表面；

悬臂，位于所述保护层上方4-5mm处，

数据读取头、数据写入头，位于所述悬臂的前端，方向朝下，距离所述保护层0.5-1nm。

优选的，所述衬底的材料包括硅或锗。

优选的，所述铁电层的材料为氧化铪基铁电薄膜或者包括Zr、Y、Al、Gd、Sr、La中的一种或多种元素掺杂的氧化铪基铁电薄膜。

优选的，所述铁电层的厚度为10-12nm。

优选的，所述点状顶电极的材料包括TaN、TiN、HfN、Al或Au中的一种。

优选的，所述保护层的材料为聚四氟乙烯、二氧化硅或氧化铝中的一种。

优选的，所述悬臂的材料为SUS304不锈钢、SUS316不锈钢、SUS440不锈钢中的一种。

优选的，所述数据读取头与所述数据写入头的材料为铂或者镀铱和钛的硅。

另一方面，提供一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器的制备方法，具体步骤如下：

S1、准备衬底并对所述衬底进行清洗；

S2、采用原子层沉积工艺，在所述衬底上沉积铁电层，所述铁电层的材料为Hf_0.5Zr_0.5O₂，所述铁电层的厚度为5-15nm，沉积温度为200-280℃；

S3、沉积所述铁电层后进行快速热退火处理，退火温度为400-600℃；

S4、采用磁控溅射工艺，利用圆孔掩膜版在所述铁电层上沉积点状顶电极，厚度为35-40nm，在所述铁电层上沉积保护层，所述保护层的厚度与所述点状顶电极相同；

S5、在距离所述保护层4-5mm处设置悬臂，在所述悬臂前端设置朝下的数据读取头与数据写入头。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器及其制备方法，基于铁电薄膜材料的硬盘式存储器采用与磁性介质机械硬盘相似的结构，通过盘片的旋转与悬臂的移动来实现机械寻址，通过对数据写入头施加不同方向的电压来改变铁电薄膜材料的极化方向从而写入二进制信息，通过对数据读取头施加不同方向的电压，由于铁电薄膜材料的压电效应，通过比较施加的电压及数据读取头反馈回来的形变信号可以判别铁电薄膜材料局部的极化状态从而读取出二进制信息。避免了现有铁电存储器通过将铁电材料制作为晶体管的体积增大，最大程度上发挥了铁电材料的存储密度优势。

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为本发明的铁电硬盘式存储器结构示意图；

图2是本发明的的制备铁电硬盘式存储器的步骤S2的示意图；

图3是本发明的的制备铁电硬盘式存储器的步骤S3的示意图；

图4是本发明的的制备铁电硬盘式存储器的步骤S4、S5的示意图。

其中，1为衬底；2为铁电层；3为点状顶电极；4为保护层；5为悬臂；6为数据读取头；7为数据写入头。

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。

本发明实施例一方面公开了一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器，如图1所示，包括：

衬底1；

铁电层2，在衬底1上沉积；

点状顶电极3，位于铁电层2的表面；

保护层4，位于铁电层2的表面，保护层4的高度与点状顶电极层3的高度相同，点状顶电极3与保护层4间隔设置在铁电层2表面；

悬臂5，位于保护层4上方4-5mm处，

数据读取头6、数据写入头7，位于悬臂5的前端，数据读取头6与数据写入头7的尖端距离保护层40.5-1nm。

进一步的，衬底1的材料包括硅或锗。在本实施例中，衬底1由P型硅材料组成。

进一步的，铁电层2的材料为氧化铪基铁电薄膜或者包括Zr、Y、Al、Gd、Sr、La中的一种或多种元素掺杂的氧化铪基铁电薄膜。在实施例中，铁电层2的材料为Hf_0.5Zr_0.5O₂，铁电层2的厚度为12nm。

进一步的，点状顶电极3的材料包括TaN、TiN、HfN、Al或Au中的一种。在本实施例中，点状顶电极3的材料为TiN。

进一步的，保护层4的材料为聚四氟乙烯、二氧化硅或氧化铝中的一种。在本实施例中，保护层4的材料为氧化铝。

进一步的，悬臂5的材料为SUS304不锈钢、SUS316不锈钢、SUS440不锈钢中的一种。在本实施例中，悬臂5的材料为SUS440不锈钢。

进一步的，数据读取头6与数据写入头7的材料为铂或者镀铱和钛的硅。在本实施例中，数据读取头6与数据写入头7的材料为铂。

本发明实施例另一方面，提供一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器的制备方法，如图2-图4所示，具体步骤如下：

S1、准备洁净的衬底1；

S2、采用原子层沉积工艺，在衬底上沉积铁电层2，铁电层2的材料为Hf_0.5Zr_0.5O₂，铁电层2的厚度为12nm，沉积温度为280℃；

S3、沉积铁电层2后对其进行快速热退火处理，退火温度为400-600℃；

S4、采用磁控溅射工艺，利用圆孔掩膜版在铁电层2上沉积点状顶电极3，厚度为40nm，然后采用原子层沉积工艺，不使用掩膜版直接在铁电层2上沉积保护层4，保护层4的材料为Al₂O₃，沉积温度为250-300℃，使保护层4覆盖整个表面，保护层4的厚度大于点状顶电极3(即保护层4整体厚度大于40nm)，然后机械抛光，使得表面平整，整体点状顶电极3与保护层4齐平，厚度为40nm；

S5、在距离保护层4-5mm处设置悬臂5，在悬臂5前端设置朝下的数据读取头6与数据写入头7。

进一步的，沉积点状顶电极3和保护层4的具体方式为：点状顶部电极3通过圆孔掩膜版沉积于铁电层2表面，去掉掩膜版后铁电层2表面即留下分立的柱状顶电极(高度为40nm)，然后不使用掩膜直接沉积保护层，则铁电层2上未被覆盖的部分被保护层4覆盖，然后机械抛光使得整个表面平整。

基于铁电薄膜材料的硬盘式存储器采用与磁性介质机械硬盘相似的结构，机械硬盘主要由：盘片、磁头、盘片转轴及控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部分组成。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。信息通过离磁性表面很近的磁头，由电磁流来改变极性方式被电磁流写到磁盘上，信息可以通过相反的方式读取。

本发明实施例中的硬盘式存储器通过盘片的旋转与悬臂的移动来实现机械寻址，通过对数据写入头施加不同方向的电压来改变铁电薄膜材料的极化方向从而写入二进制信息，通过对数据读取头施加不同方向的电压，由于铁电薄膜材料的压电效应，通过比较施加的电压及数据读取头反馈回来的形变信号可以判别铁电薄膜材料局部的极化状态从而读取出二进制信息。避免了现有铁电存储器通过将铁电材料制作为晶体管的体积增大，最大程度上发挥了铁电材料的存储密度优势。

本说明书中各个实施例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。

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)

1.一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器，其特征在于，包括：

衬底；

铁电层，在所述衬底上沉积；

点状顶电极，位于所述铁电层的表面；

保护层，位于所述铁电层的表面，所述保护层的高度与所述点状顶电极的高度相同，所述点状顶电极与所述保护层间隔设置在所述铁电层表面；

悬臂，位于所述保护层上方4-5mm处，

数据读取头、数据写入头，位于所述悬臂的前端，所述数据读取头与所述数据写入头的尖端距离所述保护层0.5-1nm。

2.根据权利要求1所述的一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器，其特征在于，所述衬底的材料包括硅或锗。

3.根据权利要求1所述的一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器，其特征在于，所述铁电层的材料为氧化铪基铁电薄膜或者包括Zr、Y、Al、Gd、Sr、La中的一种或多种元素掺杂的氧化铪基铁电薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器，其特征在于，所述铁电层的厚度为5-15nm。

5.根据权利要求1所述的一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器，其特征在于，所述点状顶电极的材料包括TaN、TiN、HfN、Al或Au中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器，其特征在于，所述保护层的材料为聚四氟乙烯、二氧化硅或氧化铝中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器，其特征在于，所述悬臂的材料为SUS304不锈钢、SUS316不锈钢、SUS440不锈钢中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器，其特征在于，所述数据读取头与所述数据写入头的材料为铂或者镀铱和钛的硅。

9.一种铁电薄膜材料存储介质的硬盘式存储器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1、准备衬底并对所述衬底进行清洗；

S2、采用原子层沉积工艺，在所述衬底上沉积铁电层，所述铁电层的材料为Hf_0.5Zr_0.5O₂，所述铁电层的厚度为5-15nm，沉积温度为200-280℃；

S3、沉积所述铁电层后进行快速热退火处理，退火温度为400-600℃；

S4、采用磁控溅射工艺，利用圆孔掩膜版在所述铁电层上沉积点状顶电极，厚度为35-40nm，在所述铁电层上沉积保护层，所述保护层的厚度与所述点状顶电极相同；

S5、在距离所述保护层4-5mm处设置悬臂，在所述悬臂前端设置朝下的数据读取头与数据写入头。

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