专利名称：一种表面阻态随电畴变化的存储器及其制备方法
技术领域：
本发明属于存储器技术领域，具体涉及一种表面阻态随电畴变化的存储器及其制备方法。
背景技术：
随着半导体器件特征尺寸的进一步缩小，传统的存储器已经不能满足微电子技术高速发展的要求。开发下一代非挥发存储器近期引起了业界的浓厚兴趣。铁电存储器 (FRAM)，磁控存储器(MRAM)，相变存储器(PRAM)相继受到广泛关注。近几年一种基于材料电阻变化的电阻随机存储器(RRAM)技术的研究成为关注的焦点。RRAM的基本存储单元包括一个金属-绝缘体-金属(MIM)结构的电阻器。采用电压或者电流脉冲，可以使MIM结构的电阻在高低电阻态之间转换，以实现数据的写入和擦除。RRAM具有结构简单、制备方便、 记忆速度快、存储密度高、数据保持时间长等优点，是下一代非挥发存储器的替代者之一。阻变存储器的信息读写依靠读取或者改变阻变材料的电阻率实现。通常的阻变材料具有高阻和低阻两种状态。与当前大多数半导体存储器的存储原理不同，阻变存储器并不依靠电容式结构中所存储的电荷量来存储信息，而是依靠材料本身的电阻率的改变。由于材料本身的电阻率与材料的尺寸无关，因此理论上阻变存储器的存储性能并不会随着器件尺寸的缩小而退化。这就决定了阻变存储器潜在的集成能力远远高于当前主流的浮栅式闪存。另一方面，阻变存储器的器件结构简单，可以非常容易地实现与现有的CMOS生产工艺的集成。阻变存储器的材料体系多种多样，包括I^rCaMnO3、锆酸锶(SrZrO3)、钛酸锶 (SrTiO3)等钙钛矿复杂氧化物，高分子有机材料以及简单二元过渡金属氧化物如A1203、 Ti02、Ni0、Zr02、HfO2等。近期研究发现，铁电材料同样可以满足阻变存储器的特性要求，同时由于铁电薄膜材料结构简单，制造成本低，以及和现有的CMOS工艺兼容的优点受到格外关注。
发明内容
本发明的目的在于提出一种存储密度高、稳定性好、可靠性强的表面阻态随电畴变化的存储器，以及其制作方法，能够应用于高密度存储器领域。本发明提出的表面阻态随电畴变化的存储器，是一种基于铁电薄膜的表面阻态随电畴变化的存储器。该存储器包括电极以及位于所述电极之下的电阻转变存储层。所述电阻转变存储层为经热退火处理的铁电薄膜。该电阻转变存储层厚度在10 nm 300nm之间。所述热退火处理的温度可为200 0C 600°C，退火氛围可为CO、H2, H2S 等还原性气体。所述电极材料由金属Au、Co、Ir、Re、Pd或者Pt制成。所述电极中相邻两个正负电极之间的距离在IOnm 300nm。本发明提出的表面阻态随电畴变化的存储器的制备方法，具体步骤如下步骤一将硅基底进行表面处理和清洗；
步骤二 采用热氧化法，在硅基底表面生成二氧化硅层；
步骤三采用溶胶-凝胶法在二氧化硅层上制备铁电薄膜层；
步骤四对铁电薄膜层进行退火处理；
步骤五在铁电薄膜层上制备金属电极。所述步骤三中，铁电薄膜层厚度为10 nm 300nm。所述步骤四中，退火温度为200 °C 600°C，退火氛围为C0、H2、H2S等还原性气体。本发明具有以下优点
普通的阻变存储器的导电机理主要是缺陷导电，即阻变材料中都存在一定量的缺陷 (可能是氧空位)。处于高阻态的材料中的缺陷零散无规律地分布在阻变材料当中。在写入脉冲的作用下，缺陷随机产生并移动。随着产生及移动的缺陷越来越多，总会形成一条连通上电极和下电极的缺陷导电通道，从而实现由高阻态向低阻态的转变。这种转变具有极大的随机性。与普通阻变存储器不同，本发明是利用铁电薄膜中电畴的极化方向转变来调制表面电流，使得存储器在较低的操作电压和极高的存储密度下实现高阻态与低阻态之间的转变。在外加电场的作用下，铁电薄膜中的电畴会随着外加电场方向的变化而发生极性转变， 由于电畴的极化方向会影响铁电绝缘层中的隧穿电流的大小，因此可以利用电畴极化反转导致的高阻态和低阻态来实现存储功能。在施加不同的电场时，随着电畴的极化反转，铁电薄膜在高阻态和低阻态之间切换，去除电场后，由于电畴的极化方向保持不变，电阻状态不会发生改变，从而实现稳定的存储功能。采用调制铁电薄膜表面电流的方法来获取阻变效应，能够在纳米尺度量级实现存储功能，极大地提高了存储密度。另外，这种利用铁电薄膜材料作为存储层的方式使存储器的稳定性大幅提高，可靠性增强，适用于大规模系统集成的应用。
图1是本发明表面阻态随电畴变化的存储器的器件结构示意图。图2是本发明铁电薄膜材料在不同外加电场下铁电电畴的极化方向。图3是本发明实施例中利用原子力显微镜测试探针测量表面阻态随电畴变化的存储器的示意图。图4是本发明表面阻态随电畴变化的存储器的电流-电压特性曲线。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了方便说明，放大了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。图1为本发明实施例表面阻态随电畴变化的存储器的基本结构示意图。如图1所示，所述存储器包括1、硅衬底2、二氧化硅层3、铁电薄膜层4、金属电极。所述电极材料由金属Au、Co、Ir、Re、Pd或者Pt制成。本发明制备表面阻态随电畴变化的存储器的工艺步骤为
利用热氧化方法将二氧化硅层2生长在硅衬底1上，氧化温度为1100 °C，氧化时间为 5分钟，二氧化硅层厚度为150 200nm。铁电薄膜层3的制备使用溶胶-凝胶的方法，薄膜的厚度可以通过先体的浓度、涂胶的转数和层数来改变，薄膜的组分可以通过调节先体的锆(Zr)、钛(Ti)比来实现。我们所用的铁电材料PZT的锆(Zr)、钛(Ti)比为3 :7，浓度为0.4 mol/L，衬底为硅基钼金片(Si\Si02\Ti\Pt)，涂胶机的转速为3000转/秒。每层膜的厚度为50nm，铁电薄膜总厚度为200nm (旋涂4层)。退火温度为600°C，退火在体积浓度为2. 5%的H2氛围中进行，时间为5分钟。最后，利用溅射生长的方法制备Pt作为金属电极层4。图2为铁电薄膜在不同外加电场下电畴的极化方向示意图。铁电体内部自发极化方向一致的区域成为电畴，在不同外加电场下，电畴会随着外电场的变化而发生极化反转。 由于极化反转使铁电电畴的极化方向改变，从而改变隧穿势垒的高度及电极与势垒间的状态密度，进而影响到隧穿电流的大小。利用原子力显微镜的导电测试模块，测试器件在微小尺寸下(小于IOOnm)铁电薄膜表面的电流-电压特性。测试偏压加在原子力显微镜测试探针和某一电极之间，图3为利用测试探针测量该存储器的示意图，如图3所示，电阻转变存储层1为铁电薄膜，原子力显微镜的测试探针2是表层镀有Pt金属层的导电针尖，可以作为移动电极来测量铁电薄膜的表面电流。当原子力显微镜测试探针2与上电极3的间距为l(Tl00nm范围时，电流-电压特性测试结果见图4。电压从OV开始扫描时，该器件表现出高阻特性，当电压高于2. 5V 时器件突然转变为低阻态，此时需设定一个钳制电流，以免电流过大损坏器件。当电压重新从2. 5V扫描至1. 5V时，器件保持在低阻态。电压从1. 5V开始扫描致-2. 5V时器件电阻转变为高阻态，当电压从-2. 5V扫描至-1. 5V时器件保持在低阻态，电压从-1. 5V扫描至OV 时，器件又转变为高阻态。该高低电阻态的转变过程可以重复进行，随着原子力显微镜测试探针的电压改变，位于测试探针和电极之间的铁电薄膜的阻值会发生高阻和低阻之间的转变，即存储器“0”，“ 1，，两个状态之间的转变。本发明表面阻态随电畴变化的存储器的制作方法简单，制作成本低，可靠性高， 与传统的CMOS工艺兼容性好。在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。
权利要求
1.一种表面阻态随电畴变化的存储器，其特征在于包括电极以及位于所述电极之下的电阻转变存储层，其中，所述电阻转变存储层为经热退火处理的铁电薄膜，厚度在IOnm 300nmo
2.根据权利要求1所述的表面阻态随电畴变化的存储器，其特征在于，所述电阻转变存储层热退火处理的温度为200 oC 600°C。
3.根据权利要求2所述的表面阻态随电畴变化的存储器，其特征在于，所述电阻转变存储层热退火处理的还原性气体氛围为CO、H2或气体。
4.根据权利要求1所述的表面阻态随电畴变化的存储器，其特征在于，所述电极由金属 Au、Co、Ir、Re、Pd 或者 Pt 制成。
5.根据权利要求1所述的表面阻态随电畴变化的存储器，其特征在于，所述电极中相邻两个正负电极之间的距离为IOnm 300nm。
6.一种如权利要求1所述的表面阻态随电畴变化的存储器的制作方法，其特征在于， 该制作方法包括以下步骤步骤一将硅基底进行表面处理和清洗；步骤二 采用热氧化法，在硅基底表面生成二氧化硅层；步骤三采用溶胶-凝胶法在二氧化硅层上制备铁电薄膜层；步骤四对铁电薄膜层进行热退火处理；步骤五在铁电薄膜层上制备金属电极。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步骤四中，热退火处理的温度为 200 oC 600°C ；热退火处理的还原性气体氛围为CO、H2或H2S气体。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述电极的材料为Au、C0、Ir、Re、Pd 或者Pt ；所述电极中相邻两个正负电极之间的距离为IOnm 300nm。
全文摘要
本发明属于存储器技术领域，具体为基于铁电薄膜的表面阻态随电畴变化的存储器及其制备方法。所述存储器包括电极以及位于所述电极之下的电阻转变存储层，所述电极由金属电极材料制成，所述电阻转变层为铁电薄膜材料。本发明存储器的结构简单，通过铁电薄膜中电畴的极性变化来调制表面电流，利用表面电流在电畴不同极化方向的特异性，使得存储器在较低的操作电压和极高的存储密度下实现高阻态与低阻态之间的转变。
文档编号H01L45/00GK102157686SQ20111005443
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者刘骁兵, 惠文渊, 江安全, 陈闽川 申请人:复旦大学