[實(shí)用新型]一種多層膜結(jié)構(gòu)的多源調(diào)控的阻變存儲器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420055422.4
• 申請日: 2014-01-28
• 公開（公告）號: CN203800041U
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王守宇;劉衛(wèi)芳;席曉鵑;王海菊;王旭;郭峰
• 申請（專利權(quán)）人: 天津師范大學(xué)
• 主分類號: H01L23/64
• 分類號: H01L23/64;H01L21/02
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 朱紅星

本申請得到天津市自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：11JCZDJC21800,?11JCYBJC02700）、國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：11004148,?11104202）和教育部留學(xué)人員歸國科研啟動基金的資助。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于信息存儲器件的技術(shù)領(lǐng)域，涉及新型非揮發(fā)信息存儲器件重要組成部分的開發(fā)研究工作，更具體的是一種多場多源調(diào)控的阻變存儲器。

背景技術(shù)

在2007年的國際半導(dǎo)體器件發(fā)展路線圖（ITRSD）中單獨(dú)新開辟一章，命名為“新型存儲器件與材料”，其中強(qiáng)調(diào)指出，設(shè)計(jì)研發(fā)新一代的基于新的信息存儲機(jī)制的存儲器件具有重要的意義。當(dāng)前市場中的主流存儲器件為閃存（Flash?memory）和動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）。采用電信號調(diào)控電阻改變的電阻隨機(jī)存取存儲器（Resistive?Random?Access?Memory,?RRAM）?可以兼具以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，因而成為一種極具競爭力的未來信息存儲器件，受到各國科研人員的廣泛關(guān)注和深入研究。而鐵電極化翻轉(zhuǎn)過程不涉及缺陷的伴隨遷徙，因而采用鐵電薄膜制備的金屬-鐵電薄膜-金屬（MFM）結(jié)構(gòu)的鐵電電致阻變器件有望獲得更高存儲穩(wěn)定性的商業(yè)化器件。

電致阻變（Resistive?switching）效應(yīng)已經(jīng)在鐵電隧穿結(jié)（Ferroelectric?Tunnel?Junction,FTJ）中被觀察到。在該類隧穿結(jié)中由于鐵電薄膜的厚度僅為幾個納米，所以量子隧穿電流為主要的電流傳導(dǎo)機(jī)制。但是FTJ中的電致阻變效應(yīng)都是通過用原子力顯微鏡（AFM）的分析測試技術(shù)得以表征的，這是AFM測試技術(shù)中的電極采用的是探針針尖，其對應(yīng)的電容器面積及其微小，可以避免由于FTJ中超薄的鐵電薄膜容易導(dǎo)致過大的漏電流。對于信息存儲器件中存儲的信息代碼往往容易受到過大漏電流的影響，因此FTJ結(jié)構(gòu)的存儲器件很難應(yīng)用到當(dāng)今主流的金屬-氧化物-半導(dǎo)體集成工藝中。另外，鐵電二極管（Ferroelectric?Diode）也表現(xiàn)出電致阻變效應(yīng)，鐵電二極管中的鐵電薄膜的厚度比FTJ要厚其約為幾十到幾百納米，但其電輸運(yùn)的測量結(jié)果往往無法表現(xiàn)出在鐵電極化翻轉(zhuǎn)處的陡變；而且包括采用Pb(Ti,Zr)O₃,?Ba_xSr_1-xTiO₃,?BiFeO₃等采用作為鐵電層的鐵電二極管的電致阻變的系數(shù)（Resistive?switching?coefficient,?RSC=Rmax/Rmin）通常小于500。

解決以上困難的途徑之一是構(gòu)建金屬-鐵電-半導(dǎo)體（MFM）結(jié)構(gòu)的存儲器件。相比于金屬電極，由于半導(dǎo)體電極中的載流子密度較低導(dǎo)致其中的電荷屏蔽效應(yīng)較弱。這將引起界面處能帶結(jié)構(gòu)的彎曲，強(qiáng)烈地改變電勢的分布，從而有望在MFM結(jié)構(gòu)中獲得較大的電致阻變系數(shù)。同時，半導(dǎo)體層材料具有的許多優(yōu)秀特性也有望提高存儲器件的阻變系數(shù)，如錳氧化物具有的優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和豐富的相分離特征。后者表明錳氧化物處于多個電子相的平衡之下，很敏感于外界的擾動（如磁場、電場或壓強(qiáng)等）。因此采用錳氧化物薄膜作為MFS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體電極層有望獲得明顯的電致阻變效應(yīng)，且可以實(shí)現(xiàn)電場和磁場的雙源調(diào)控。但是半導(dǎo)體電極層中的電荷的積累和耗盡的狀態(tài)對MFS結(jié)構(gòu)的存儲性能的影響一直缺乏直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，且國際上不同的研究表組對MFS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體層的功能作用的結(jié)論存在巨大的分歧。因此恰當(dāng)?shù)拿枋霭雽?dǎo)體薄膜的作用是一個巨大的挑戰(zhàn)，其困難在于難以原位地通過改變半導(dǎo)體層中載流子的多寡去調(diào)控電致阻變的系數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

當(dāng)前的阻變存儲器件都是采用單一的外加電場實(shí)現(xiàn)器件的電阻調(diào)控，本實(shí)用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)出一種金屬/鐵電層/錳氧化物薄膜的多層薄膜結(jié)構(gòu)，且將其生長于具有壓電特性的單晶基底之上，同時提出了一種新的制備方法。本實(shí)用新型成品具有高的電致阻變系數(shù)，本實(shí)用新型成品能原位地通過改變半導(dǎo)體層中載流子的多寡從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)原位地調(diào)控電致阻變的系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了電致電阻系數(shù)的多場調(diào)控。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型公開了如下的技術(shù)內(nèi)容：

一種多層膜結(jié)構(gòu)的多源調(diào)控的阻變存儲器，包括鐵電單晶基板1、導(dǎo)電下電極2、鐵電薄膜層或異質(zhì)結(jié)層3、上電極薄膜層4、門電極層5；其特征在于：導(dǎo)電下電極2設(shè)于鐵電單晶基板1和鐵電薄膜層或異質(zhì)結(jié)層3之間，上電極薄膜層4設(shè)于頂層，門電極層5至于最下層。