[发明专利]一种基于铁电隧道结的压电存储器单元及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于铁电隧道结的压电存储器单元及其制备方法，属于信息存储技术领域。

背景技术

近年来，铁电存储器因具有读写速度快、低功耗和存储密度高等优点而受到广泛关注。它是利用铁电薄膜的极化反转来实现数据的写入与读取，其中铁电元件的±P_r状态分别代表二进制中“1”和“0”。目前，已经商业化的铁电存储器主要是基于铁电电容的电容型存储器，然而该存储器具有破坏性读出的缺点。这是因为铁电存储器实际读操作过程是：在存储单元电容上施加一已知电场（即对电容充电），如果原来晶体的中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，则中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，则在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个尖峰，把这个充电波形同参考位（确定且已知）的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。无论是2T2C还是1T1C结构单元的铁电存储器，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变。由于读操作可能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个“预充”过程来对数据位恢复，而参考位则不用恢复。这种破坏性读取后需要重新写入数据，在信息读取的过程中伴随着大量的擦除/重写操作，随着不断的极化翻转会使得铁电存储器会发生疲劳失效等可靠性问题。2009年，研究人员发现通过检测穿过铁电超薄层的隧道电流大小，可以非破坏性读出材料的极化状态，同时也能使这些器件达到高的存储密度。在此基础上，2012年研究人员研制了基于铁电隧道结单元的原理型铁电存储器，这些器件的工作原理是基于静电屏蔽效应，也就是通过不对称金属电极屏蔽长度的不同来形成高低电势调控器件的电致电阻性能，但该效应不但要求必须使用不对称的电极外，而且存在保持性差和极化翻转困难的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的铁电存储器存在破坏性读取，需采用昂贵的不对称电极材料，而且还存在保持性差和极化翻转困难等一系列问题，本发明的目的是在于提供一种具有高压电系数，能实现非破坏性读取且储存密度高的基于铁电隧道结的压电存储器单元，该压电存储器单元底电极和顶电极可以采用相同或不同的金属电极或金属氧化物电极，克服了以往只能采用不对称电极的局限，有利于实现工业化。

本发明提供了一种基于铁电隧道结的压电存储器单元，该压电存储器单元是衬底上由下到上依次为底电极层、超薄铁电层和顶电极层；所述的超薄铁电层由钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、铁酸铋、钛酸钕铋、铌酸钾钠中一种材料构成；所述的超薄铁电层厚度为2～20nm；其中，底电极层和顶电极层的构成材料相同或不同。

所述的底电极层由铂、金、银、铜、铝中的一种或几种材料构成，或者由钌酸锶、镍酸镧、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶中的一种材料构成。

所述的顶电极层由铂、金、银、铜、铝中的一种或几种材料构成，或者由钌酸锶、镍酸镧、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶中的一种材料构成。

所述的衬底由硅、蓝宝石、钛酸锶、氧化镁、氮化镓、镓酸钕、掺钕钛酸锶、铝酸锶镧中的一种材料构成。

本发明还提供了一种如上所述的压电存储器单元的制备方法，该制备方法是先在衬底上沉积底电极层，在底电极层上通过脉冲激光沉积方法制备超薄铁电层，再在所制得的超薄铁电层上沉积顶电极层，即得。

所述的脉冲激光沉积方法制备超薄铁电层是在真空腔中以超薄铁电层的材料为靶材，把沉积了底电极层的衬底温度升高到600～750℃后，在氧气压强为50～200mTorr的条件下，将频率为1～10Hz的激光束辐照在靶材上，在已沉积底电极层的衬底上镀铁电层，直到铁电层达到所需厚度。

所述的激光的单脉冲能量为250～400mJ。

所述的激光束辐照时间为1～30min。

本发明的基于铁电隧道结的压电存储器单元的制备方法，包括以下步骤：

1)底电极的制备

在衬底上沉积一层底电极层材料；所述的底电极层材料为金、银、铜、铝中的一种或几种，或者由钌酸锶、镍酸镧、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶中的一种；

2)超薄铁电层的制备