[發明專利]一種非揮發阻變存儲器

在審

• 申請號: 201310276651.9
• 申請日: 2013-07-03
• 公開（公告）號: CN103337250A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 吳迪;溫崢;李愛東;李晨;閔乃本
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G11C11/22
• 分類號: G11C11/22
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

?

技術領域

本發明屬于非揮發信息存儲技術領域，具體涉及一種基于金屬/鐵電體/半導體（MFS）鐵電隧道結的新型非揮發阻變存儲器。

背景技術

隨著近年來半導體技術的發展，便攜式個人消費類電子產品，如平板筆記本電腦，智能手機，MP3等逐漸流行，并成為人們生活中不可缺少部分。當前便攜式電子產品要求低能耗，小型化。并具有關機或待機時間長等使用特點。這樣，要保持信息就必須使用非揮發存儲器，所謂“非揮發”，即在無電源供應時仍能保持所存儲信息的特性。

目前市場上的非揮發存儲器以閃存（flash?memory）為主流，每年約有千億美元的市場。然而，閃存的操作高功耗和低擦寫速度久為人所詬病。近來，由于集成度的提高，閃存的柵極氧化層漏電造成的記憶時間降低問題越來越突出。盡管在器件設計上做了很多彌補，一般認為閃存難以進入65～45?nm以下的工藝線。基于這種現狀，目前已經提出多種非揮發存儲方案，試圖取代閃存。鐵電存儲器（FeRAM）和阻變存儲器（ReRAM）是其中最有前景，也是研究最為廣泛的候選存儲方案。

FeRAM利用鐵電薄膜的自發極化雙穩特性存儲信息，向上和向下兩個方向的剩余極化代表計算結構二進制中的“0”和“1”。因為鐵電薄膜的極化翻轉較容易，?FeRAM的寫操作速度快（納秒）、功耗低。但是因為FeRAM是破壞性讀出，讀出數據后需要重新寫入，讀操作不僅速度慢、功耗大而且增加了電路的復雜性，限制了集成度的進一步提高。這一缺點成為制約FeRAM發展的瓶頸。盡管FeRAM早已量產，目前主要應用還集中于游戲機、玩具、智能卡和自動收費等低端領域的低密度應用。

ReRAM基于氧化物材料中的阻變現象來工作，直觀上在ReRAM器件上施加一個電信號就能夠改變ReRAM的電阻值，并且在電信號結束后，這個狀態能夠保持。高、低兩個阻態代表計算機數據存儲的“0”和“1”，這就實現了非揮發信息存儲。ReRAM中高電壓實現數據寫入，通過施加低電壓來讀出這個數據，因此，其具有非破壞性讀出這一優點，克服了FeRAM的不足，并且電路結構簡單，僅需要Cross-point結構就能實現數據讀寫。然而，不管是基于導電細絲理論，還是界面勢壘調制效應，氧化物中阻變性能的實現都依賴于荷電點缺陷，如氧空位等在外電場下的遷移和在局部的聚集。眾所周知，點缺陷在材料中的形成以及之后的讀寫操作中的控制具有很大的隨機性和不可預知性，這就對ReRAM器件的可靠性和壽命產生了潛在威脅。

最近，鐵電隧道結的出現很好的克服了FeRAM和ReRAM的缺點。鐵電隧道結具有金屬/鐵電體/金屬（MFM）結構，鐵電層作為電子勢壘，其厚度僅有幾個納米，允許量子隧穿效應。鐵電體極化翻轉改變了勢壘的高度，從而改變了隧道結中的隧道電流，使隧道結在高、低兩個阻態之間翻轉。因此，鐵電隧道結同時具備了FeRAM和ReRAM兩種存儲結構的優點，引起了當前學術界和工業界的廣泛關注。量子力學中，隧道電流的大小不僅依賴于勢壘高，還與勢壘寬度成指數關系，因此，如果在鐵電隧道結中實現對勢壘高和寬的同時調制，必將極大的提升其性能。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供了一種新型非揮發阻變存儲器，該存儲器以金屬/鐵電體/半導體鐵電隧道結為核心，能夠實現對勢壘高度和寬度的同時調制，所以具有非常高的阻態開關比。

本發明所述的一種基于鐵電隧道結的非揮發阻變存儲器，其鐵電隧道結以半導體為底電極，具有金屬/鐵電體/半導體結構。

本發明借鑒鐵電場效應器件的工作機制，采用半導體材料作為電極，提出基于MFS鐵電隧道結的非揮發阻變存儲方案。這一結構中，自發極化翻轉調制了鐵電體/半導體界面上半導體表面多數載流子濃度，具體來說，以n型半導體為例，當極化指向半導體時，正極化束縛電荷使半導體進入積累態，鐵電極化被多數載流子（電子）屏蔽，這與MFM隧道結類似。但當極化指向金屬電極時，負束縛電荷迫使半導體進入耗盡態，由電離施主來屏蔽極化電荷。半導體表面耗盡態空間電荷層本身就是電子的勢壘，即在MFS結構中，電子必須隧穿耗盡層中的額外勢壘。這就實現對結勢壘高度和寬度的同時調制。

進一步的，所述金屬/鐵電體/半導體鐵電隧道結具體結構包括Pt/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃，或者Au/Pb(ZrTi)O₃/(LaSr)MnO₃、Au/Co/BaTiO₃/La:SrTiO₃。