CN115589774A - 一种光控电容型铁电存储器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光控电容型铁电存储器，包括自下而上依次设置的底电极、半导体层、铁电介质层、顶电极；所述半导体层的耗尽层电容状态代表了铁电存储器的存储信息；所述顶电极施加电压，半导体层中的载流子数量受光照调控与铁电介质层中的极化电荷相互响应，并改变半导体层的耗尽层电容状态。本发明利用光电调控铁电介质层的电极化状态，进而编辑半导体层的耗尽层电容状态，通过半导体层的耗尽层电容状态表征铁电存储器的存储信息，从而使存储器具有光信号感知功能和信息存储功能，且该存储器为电容型存储器，具有零静态功耗的显著优势。

Description

一种光控电容型铁电存储器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种光控电容型铁电存储器及其制备方法。
背景技术
以物联网为代表的信息技术，正持续推动人类社会的信息化和智能化改革。中国信息通信研究院统计表明，截至2025年以边缘端为主题的信息感存算总量将突破163 ZB（1ZB = 1×1021 Byte）。因此，发展高功能集成密度、低功耗、高算力和高能效的“非冯”架构新型感存算器件及其芯片技术，已成为推动相关技术边界扩展的关键瓶颈技术。
目前实现这一突破的关键技术之一是具有感知功能的忆阻器，它能够根据感知到的刺激信号和电信号共同调制非易失性电导，为推动感知和存内计算一体化的发展起到了关键性作用。然而，忆阻器不可避免的读取电流或潜径电流会导致额外的静态功耗，严重降低了它的能效效益。为了解决这一问题，研究者提出了电容型存储器，由于该存储器为单电容结构，避免了静态功耗，所以可实现低功耗特性。尤其是基于铪基铁电材料的铁电电容型存储器因其优良的运算速度、能效、可靠性、可扩展性和CMOS兼容性，吸引着科学家们投入大量的精力来加速其实际应用。但目前针对电容型存储器的研究极其有限，并且现有的电容型存储器并不具备感知功能，阻碍了该器件在感存算技术中的应用，限制了低功耗、高效能感存算技术的发展。
发明内容
本发明的目的是针对物联网技术为代表的信息技术对于具有“长航时、低功耗、高能效和高算力”特征的边缘智能芯片的需求，提出了一种光控电容型铁电存储器及其制备方法，实现了集宽波段光感知、逻辑运算和数据存储功能于一体，且具备低功耗和高集成度特性。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种光控电容型铁电存储器，包括自下而上依次设置的底电极、半导体层、铁电介质层、顶电极；
所述半导体层的耗尽层电容状态代表了铁电存储器的存储信息；
所述顶电极施加电压，半导体层中的载流子数量受光照调控与铁电介质层中的极化电荷相互响应，并改变半导体层的耗尽层电容状态。
作为优选，所述半导体层选用P型半导体时，当向顶电极施加正向电压，在无光照情况下，半导体层无法提供足够多的载流子与铁电介质层内的极化电荷响应，此时铁电介质层中大部分的极化电荷不能发生翻转，极化状态不发生改变；有光照情况下，半导体层内部载流子浓度会提升，半导体层中的载流子与铁电介质层内的极化电荷响应，极化电荷翻转，极化状态发生改变，半导体层的耗尽层电容呈低电容状态，此时光控电容型铁电存储器的逻辑状态为“0”；
当向顶电极施加负向电压，在有光照或无光照的情况下，半导体层内都具有足够多的空穴与铁电介质层内部的极化电荷发生响应，极化电荷充分翻转，极化状态发生充分改变，半导体层的耗尽层电容呈高电容状态，此时光控电容型铁电存储器的逻辑状态为“1”。
作为优选，所述底电极和顶电极的材料采用金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种。
作为优选，所述半导体层采用 Si、Ge、SiGe、GaN、GaAs 和 SiC 中的任意一种。
作为优选，所述铁电介质层的材料采用Hf0.5Zr0.5O2、Hf0.3Zr0.7O2、HYO、HZO、HSO、HAO、BFO、PZT、BST、ZrO2、Al2O3、ZnSnO3中的任意一种。
一种光控电容型铁电存储器的制备方法，包括如下具体步骤：
1）制作半导体层；
2）利用淀积工艺，在半导体层上方淀积一层铁电材料，形成铁电介质层；
3）利用溅射工艺或淀积工艺，在铁电介质层上方生长一层电极材料，形成顶电极；
4）利用溅射工艺或淀积工艺，在半导体层下方生长一层电极材料，形成底电极，完成光控电容型铁电存储器的制备。
作为优选，步骤 3）和步骤4）中所述的溅射工艺，是先对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达0.02托，再在溅射功率为350W、氩气压力为5毫托条件下进行溅射形成顶电极或底电极。
作为优选，使用分子泵或冷泵对反应腔体进行抽真空。
本发明的有益效果是：本发明利用光电调控铁电介质层的电极化状态，进而编辑半导体层的耗尽层电容状态，通过半导体层的耗尽层电容状态表征铁电存储器的存储信息，从而使存储器具有光信号感知功能和信息存储功能，且该存储器为电容型存储器，具有零静态功耗的显著优势；其次，本发明同时获得光感知、逻辑运算和非易失存储功能，可用于发展高功能密度、高能效“非冯”感存算一体架构，有望成为后摩尔时代理想的高效数据存储器件结构；本存储器所属结构及材料均为集成电路工艺兼容材料，可以与集成电路硅基工艺兼容，能够与现有的集成电路制造产业相兼容性。
附图说明
图1为本发明光控电容型铁电存储器的结构示意图；
图2为光控电容型铁电存储器的存储状态受光调控的原理示意图；
图3为有光照和无光照情况下的光控电容型铁电存储器的极化响应曲线图；
图4为光控电容型铁电存储器的制备流程示意图。
图中：1、底电极，2、半导体层，3、铁电介质层，4、顶电极。
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1所示，图1为光控电容型铁电存储器的结构示意图，光控电容型铁电存储器包括自下而上依次设置的底电极1、半导体层2、铁电介质层3、顶电极4。
其中，底电极1和顶电极4均采用金属材料制成。具体的，底电极1和顶电极4的材料采用金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种。
半导体层2可采用P型半导体或者N型半导体，具体的，半导体层2的材料可采用Si、Ge、SiGe、GaN、GaAs 和 SiC 中的任意一种。
铁电介质层3的材料采用Hf0.5Zr0.5O2、Hf0.3Zr0.7O2、HYO、HZO、HSO、HAO、BFO、PZT、BST、ZrO2、Al2O3、ZnSnO3中的任意一种。其中，HZO为掺杂锆的氧化铪，BFO为铁酸铋，PZT为锆钛酸铅，ZrO2为二氧化锆，Al2O3为氧化铝，ZnSnO3为锡酸锌，HSO为掺杂硅的氧化铪、HAO为掺杂铝的氧化铪、BST为钛酸锶钡、HYO为掺杂钇的氧化铪。
半导体层2的耗尽层电容状态代表了铁电存储器的存储信息；顶电极4施加正向电压或负向电压，半导体层2中的载流子数量受光照调控与铁电介质层3中的极化电荷相互响应，并改变半导体层2的耗尽层电容状态。
图2为光控电容型铁电存储器的存储状态受光调控的原理示意图，以半导体层2采用P型半导体为例：1）向顶电极施加正向电压，无光照情况下，P型半导体不能提供足够多的载流子（电子）与铁电介质层3内的极化电荷响应，此时铁电介质层中绝大部分的极化电荷不能发生翻转，因此极化状态不发生改变；2）向顶电极施加正向电压，有光照情况下，当光子能量等于或者大于半导体层的禁带宽度，则半导体层价带中的载流子（电子）吸收光子能量后进入导带，产生电子-空穴对，这种载流子为光生载流子；由于光生载流子的产生，使半导体层2内部的载流子数量大大提升，并形成一定数量规模的载流子，这些载流子（电子）与铁电介质层3内的极化电荷响应，使得铁电介质层3中极化电荷充分翻转，极化状态发生改变，此时半导体层2的耗尽层电容呈现低电容状态，此时光控电容型铁电存储器的逻辑状态为“0”；3）向顶电极4施加负向电压，此时无论是否有受到光照，半导体层2内部都具有足够多的空穴与铁电介质层3内部的极化电荷发生响应，使得铁电介质层3内的极化电荷充分翻转，极化状态充分改变，此时半导体层2的耗尽层电容呈现高电容状态，此时光控电容型铁电存储器的逻辑状态为“1”。
当半导体层2采用N型半导体时，该光控电容型铁电存储器的极化状态会在顶电极施加负向电压时受光调控，原理同上。综上所述，通过向顶电极4施加电压，半导体层2在受光照射时，半导体层2中的载流子数量受光照调控与铁电介质层3中的极化电荷相互响应，从而控制存储器的极化状态以及半导体层的耗尽层电容状态，进而控制该光控电容型铁电存储器的存储状态以及逻辑状态，实现感光功能和信息的存储。
通过改变半导体层2的材料种类，可以实现不同的禁带宽度，进而可以实现光控电容型铁电存储器对不同波段的光的感知能力。
图3为有光照和无光照情况下的光控电容型铁电存储器的极化响应曲线图，依然以半导体层2采用P型半导体为例，从图中可以看出：在有光照情况下，顶电极4无论施加正向电压还是负向电压，均存在极化翻转电流，说明该存储器的极化电荷均可以充分发生响应；在黑暗情况下，该存储器的极化电荷仅在顶电极4施加负向电压时充分发生响应，当顶电极施加正向电压时，极化电荷几乎未发生响应。
本发明利用光电调控铁电介质层的电极化状态，进而编辑半导体层的耗尽层电容状态，通过半导体层的耗尽层电容状态表征铁电存储器的存储信息，从而使存储器具有光信号感知功能和信息存储功能，且该存储器为电容型存储器，具有零静态功耗的显著优势；其次，本发明同时获得光感知、逻辑运算和非易失存储功能，可用于发展高功能密度、高能效“非冯”感存算一体架构，有望成为后摩尔时代理想的高效数据存储器件结构；本存储器所属结构及材料均为集成电路工艺兼容材料，可以与集成电路硅基工艺兼容，能够与现有的集成电路制造产业相兼容性。
参见图4，本发明还包括光控电容型铁电存储器的制备方法，包括如下具体步骤：
1）制作半导体层2，如图4中的（a）；
2）利用淀积工艺，在半导体层2上方淀积一层铁电材料，形成铁电介质层3，图4中的（b）。
3）利用溅射工艺或淀积工艺，在铁电介质层3上方生长一层电极材料，形成顶电极4，如图4中的（c）；
4）利用溅射工艺或淀积工艺，在半导体层2下方生长一层电极材料，形成底电极1，如图4中的（d），完成光控电容型铁电存储器的制备。
其中，步骤 3）和步骤4）中的溅射工艺，是先使用分子泵或冷泵对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达0.02托，再在溅射功率为350W、氩气压力为5毫托条件下进行溅射形成顶电极4或底电极1。
以下给出三种基于不同材料的光控电容型铁电存储器的制备方法的具体实施例。
实施例1：
以Hf0.5Zr0.5O2制作铁电介质层3，以Si衬底作为半导体层，以金属钨作为底电极1和顶电极4的材料，具体制作方法如下：
步骤1：以P型半导体掺杂Si材料制作半导体层2。
步骤2：利用淀积工艺在半导体层2上方淀积铁电材料，形成铁电介质层3；
该步骤中，利用原子层淀积工艺，先将离子水作为氧源，四乙基甲基氨基铪（TEMAHf）作为铪前驱体源，四乙基甲基氨基锆（TEMAZr）作为锆前驱体源，温度升高至573K；再通过调节铪前驱体源和锆前驱体源的脉冲比例，在半导体层2的上表面生长出Zr组分为0.5的Hf0.5Zr0.5O2铁电材料薄膜，形成铁电介质层3。
步骤3：利用溅射工艺在铁电介质层3上淀积电极材料，形成顶电极4；
该步骤中，利用反应溅射工艺，先使用分子泵或冷泵对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达0.02托，再在溅射功率为 350W、氩气压力为5毫托条件下，使用金属钨作为靶材对铁电介质层3上表面进行均匀溅射，在其表面淀积一层金属钨，从而形成顶电极4。
步骤4：淀积电极材料，形成底电极1；
该步骤中，利用反应溅射工艺，先使用分子泵或冷泵对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达0.02托，再在溅射功率为 350W、氩气压力5毫托条件下，使用金属钨作为靶材对半导体层2下方表面进行均匀溅射，在其表面淀积一层金属钨，形成底电极1，并完成光控电容型铁电存储器的制备。
实施例2：
以HYO铁电材料制作铁电介质层3，以Ge衬底制作半导体层2，以金属钛作为底电极1和顶电机4的材料，具体制作方法如下：
步骤一：以N型半导体掺杂Ge制作半导体层2。
步骤二：利用淀积工艺在半导体层2上方淀积铁电材料，形成铁电介质层3；
利用脉冲激光溅射沉积工艺，通过双靶（HfO2陶瓷靶99.99%、Y2O3陶瓷靶99.99%）交替溅射沉积以在半导体层2的上表面形成HYO材料薄膜，通过退火工艺使将HYO材料结晶，形成铁电介质层3。
步骤三：淀积电极材料，形成顶电极4。
该步骤中，利用反应溅射工艺，先使用分子泵或冷泵对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达0.02托，再在溅射功率为 350W、氩气压力为5毫托条件下，使用金属钛作为靶材对铁电介质层3上表面进行均匀溅射，在其表面淀积一层金属钛，从而形成顶电极4。
步骤四：淀积电极材料，形成底电极1；
该步骤中，利用反应溅射工艺，先使用分子泵或冷泵对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达0.02托，再在溅射功率为 350W、氩气压力5毫托条件下，使用金属钛作为靶材对半导体层2下方表面进行均匀溅射，在其表面淀积一层金属钛，形成底电极1，并完成光控电容型铁电存储器的制备。
实施例3：
以Hf0.3Zr0.7O2材料制作铁电介质层3，以Si衬底制作半导体层2，以金属铜作为底电极1和顶电机4的材料，具体制作方法如下：
步骤一：以N型半导体掺杂Si制作半导体层2。
步骤二：利用淀积工艺在半导体层2上方淀积铁电材料，形成铁电介质层3；
该步骤中，利用原子层淀积工艺，先将离子水作为氧源，四乙基甲基氨基铪（TEMAHf）作为铪前驱体源，四乙基甲基氨基锆（TEMAZr）作为锆前驱体源，温度升高至300摄氏度；再通过调节铪前驱体源和锆前驱体源的脉冲比例，在半导体层2的上表面生长出Zr组分为0.7的Hf0.3Zr0.7O2铁电材料薄膜，形成铁电介质层3。
步骤三：利用溅射工艺在铁电介质层3上淀积电极材料，形成顶电极4；
该步骤中，该步骤中，利用反应溅射工艺，先使用分子泵或冷泵对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达0.02托，再在溅射功率为 350W、氩气压力为5毫托条件下，使用金属铜作为靶材对铁电介质层3上表面进行均匀溅射，在其表面淀积一层金属铜，从而形成顶电极4。
步骤四：淀积电极材料，形成底电极1。
该步骤中，利用反应溅射工艺，先使用分子泵或冷泵对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达0.02托，再在溅射功率为 350W、氩气压力5毫托条件下，使用金属铜作为靶材对半导体层2下方表面进行均匀溅射，在其表面淀积一层金属铜，形成底电极1，并完成光控电容型铁电存储器的制备。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光控电容型铁电存储器，其特征在于，包括自下而上依次设置的底电极（1）、半导体层（2）、铁电介质层（3）、顶电极（4）；
所述半导体层（2）的耗尽层电容状态代表了铁电存储器的存储信息；
所述顶电极（4）施加电压，半导体层（2）中的载流子数量受光照调控与铁电介质层（3）中的极化电荷相互响应，并改变半导体层（2）的耗尽层电容状态。
2.根据权利要求1所述的一种光控电容型铁电存储器，其特征在于，所述半导体层（2）选用P型半导体时，
当向顶电极（4）施加正向电压，在无光照情况下，半导体层（2）无法提供足够多的载流子与铁电介质层内的极化电荷响应，此时铁电介质层（3）中大部分的极化电荷不能发生翻转，极化状态不发生改变；有光照情况下，半导体层（2）内部载流子浓度会提升，半导体层（2）中的载流子与铁电介质层内的极化电荷响应，极化电荷翻转，极化状态发生改变，半导体层（2）的耗尽层电容呈低电容状态，此时光控电容型铁电存储器的逻辑状态为“0”；
当向顶电极（4）施加负向电压，在有光照或无光照的情况下，半导体层（2）内都具有足够多的空穴与铁电介质层（3）内部的极化电荷发生响应，极化电荷充分翻转，极化状态发生充分改变，半导体层（2）的耗尽层电容呈高电容状态，此时光控电容型铁电存储器的逻辑状态为“1”。
3.根据权利要求1所述的一种光控电容型铁电存储器，其特征在于，所述底电极（1）和顶电极（4）的材料采用金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种光控电容型铁电存储器，其特征在于，所述半导体层（2）采用 Si、Ge、SiGe、GaN、GaAs 和 SiC 中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种光控电容型铁电存储器，其特征在于，所述铁电介质层（3）的材料采用Hf0.5Zr0.5O2、Hf0.3Zr0.7O2、HYO、HZO、HSO、HAO、BFO、PZT、BST、ZrO2、Al2O3、ZnSnO3中的任意一种。
6.一种光控电容型铁电存储器的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
1）制作半导体层（2）；
2）利用淀积工艺，在半导体层（2）上方淀积一层铁电材料，形成铁电介质层（3）；
3）利用溅射工艺或淀积工艺，在铁电介质层（3）上方生长一层电极材料，形成顶电极（4）；
4）利用溅射工艺或淀积工艺，在半导体层（2）下方生长一层电极材料，形成底电极（1），完成光控电容型铁电存储器的制备。
7.根据权利要求6所述的一种光控电容型铁电存储器的制备方法，其特征在于，步骤3）和步骤4）中所述的溅射工艺，是先对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达0.02托，再在溅射功率为350W、氩气压力为5毫托条件下进行溅射形成顶电极（4）或底电极（1）。
8.根据权利要求7所述的一种光控电容型铁电存储器的制备方法，其特征在于，使用分子泵或冷泵对反应腔体进行抽真空。
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