[發明專利]一種非對稱鐵電隧穿結多值存儲單元的調制方法

有效

• 申請號: 202010049214.3
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111211135B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 王興晟;余豪;王成旭;繆向水
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L27/1159
• 分類號: H01L27/1159;G11C11/22;G11C11/56
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 張英

本發明提供了一種非對稱鐵電隧穿結多值存儲單元的調制方法及其對應的存儲單元、存儲器。該多值存儲單元包括N個鐵電功能層；N個鐵電功能層分別具有不同的矯頑場值，以使N個鐵電功能層在施加第一激勵后仍呈現出不同的剩余極化差異，進而在第二激勵作用下所述多值存儲單元呈現2^N種隧穿阻態；其中，N為大于等于2的整數，且第一激勵包括改變驅動激勵的大小和驅動激勵的方向。本發明的非對稱鐵電隧穿結多值存儲單元具有非易失、讀取功耗低的特點；同時在一個存儲單元中可以實現多種不同的存儲狀態，大幅度提高了存儲密度以及單位存儲容量。

技術領域

本發明屬于微電子器件領域，特別是涉及一種非對稱鐵電隧穿結多值存儲單元的調制方法及其對應的存儲單元、存儲器。

背景技術

大數據時代的到來，對信息處理能力以及信息存儲容量的需求不斷提高，傳統的馮·諾依曼計算機架構和存儲器越來越難以滿足需求。鐵電材料因其擦寫速度快、超低功耗、循環次數多、極化狀態非易失等固有優勢而被應用于存儲領域，基于鐵電材料的FRAM、FeFET以及FTJ等新型非易失性存儲器受到了廣泛的關注。其中，FTJ存儲器通過鐵電極化方向調制絕緣層界面勢壘高度進而實現方向可切換的整流功能從而實現高低阻態的切換。FTJ存儲器不僅具備鐵電存儲器擦寫速度快、超低功耗、循環次數多、非易失性的固有優勢，相較于FRAM和FeFET還具有尺寸更小，結構簡單，非破壞性讀出等優勢。

經研究發現，不同于常規介質材料內部極化隨外加電場線性變化，鐵電材料內部極化與外加電場成非線性關系，并且由于取向極化的緣故，其存在兩個穩定的極化狀態，這為其作為存儲器奠定了很好的基礎。鉿基材料具有十分優良的鐵電性，以及與CMOS工藝兼容的優點也讓基于鉿基材料的鐵電器件具有很好的發展前景。基于MFIM結構（即金屬-鐵電功能層-絕緣層-金屬）的FTJ存儲器，相較于MFM結構（即金屬-鐵電功能層-金屬）FTJ器件，在鐵電功能層與金屬電極之間插入了一層絕緣隧穿層，很好地解決了金屬電極所帶來的介電屏蔽效應以及退極化問題。MFIM結構利用絕緣層作為隧穿層而非將鐵電功能層作為隧穿層，降低了對于鐵電功能層厚度的要求，使用較厚的鐵電功能層也可以實現隧穿效應，從而很大程度上降低了制備FTJ存儲器的工藝難度以及制備成本。

基于MFIM的存儲器多被應用于二值存儲器，其原理在于，通過外加電場使鐵電功能層表現出穩定的相同方向的極化。在去掉外加電場之后，由于剩余極化強度不為0，會造成由極化電荷所產生的極化電場，該極化電場會抬升鐵電功能層的能帶能量或者降低鐵電功能層的能帶能量。當鐵電功能層近絕緣層界面的能帶能量較高時，電子從絕緣層一側的金屬隧穿則面臨較高的FN隧穿勢壘，讀出電流較小，器件處于高阻態；而當鐵電功能層近絕緣層界面的能帶能量較低時，電子則面臨較低的FN隧穿勢壘，讀出電流較大，器件處于低阻態；從而實現“0”和“1”的邏輯存儲。因此，基于MFIM的存儲器只能被應用于二值存儲器，難以很好的滿足未來社會對對信息處理能力和信息存儲容量的更高要求。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種用于，可以具有多項高。

為實現上述目的，本發明第一方面提供一種非對稱鐵電隧穿結的多值存儲單元的調制方法，所述多值存儲單元包括N個鐵電功能層；

其中，所述N個鐵電功能層分別具有不同的矯頑場值，以使所述N個鐵電功能層在施加第一激勵后仍呈現出不同的剩余極化差異，進而在第二激勵作用下所述多值存儲單元呈現2^N種隧穿阻態；

其中，所述N為大于等于2的整數。

進一步地，所述第一激勵包括改變驅動激勵的大小和驅動激勵的方向。

根據一種優選的實施方式，本發明提供一種非對稱鐵電隧穿結的多值存儲單元的調制方法，所述多值存儲單元包括第一鐵電功能層和第二鐵電功能層；