[发明专利]一种基于铁电异质结的具有多值存储特性的非易失性阻变存储单元及其制备方法

说明书

一种基于铁电异质结的具有多值存储特性的非易失性阻变存储单元及其制备方法，属于半导体固态存储器技术领域。由写入底电极、铁电单晶基片、阻变层和顶电极组成；铁电单晶基片的下表面制备有写入底电极，上表面制备有阻变层；阻变层上制备有顶电极，顶电极由四个条形电极构成，中间两个条形电极为电阻状态的读取电极，在读取电极的外侧对称的分布的两个条形电极为写入顶电极，用外部导线相连；或顶电极由一个环形电极和两个条形电极构成，环形电极对称环绕分布在两个条形电极的周围，环形电极为写入顶电极，两个条形电极为电阻状态的读取电极；写入顶电极与写入底电极一起构成了电阻状态的写入电极。具有结构简单、稳定性强、制作成本低、可以工作在室温的特点。

技术领域

本发明属于半导体固态存储器技术领域，具体涉及一种基于铁电异质结的具有多值存储特性的非易失性阻变存储单元及其制备方法。

背景技术

信息存储器件是现代信息产业中的基础器件之一，大多数电子产品中大都有它的存在，包括手机，电脑、相机、汽车电子系统、全球定位系统等。按断电后能否保存数据分类，存储器主要分为，非易失性存储器和易失性存储器两大类。易失性存储器断电后不能保存数据，而非易失性存储器断电后仍能保存数据。

传统的非易失存储主要是基于磁存储和光存储，而固态存储器没有读写头、不需要转动，因而耗电少、抗震性强，并且固态存储器电写入和读取的方式，可以实现更高速度的数据写入和读取。当下基于半导体技术的固态存储器由于其优异的性能优势获得了飞速的发展。特别是动态随机存储器(DRAM)和闪存(Flash)出现，引领了存储领域的一场革命。然而，对高存储密度和高读取写入速度的需求使得技术不断发展，器件尺寸不断地缩小，DRAM和Flash将会缩小到它的物理极限。进入到十几纳米的特征尺寸后，量子效应将十分明显，单纯依靠存储单元特征尺寸的减小来实现更高的存储密度的技术路线终将走到尽头。

以动态存储器为例，若存储单元中的电容太小，将不能提供足够多数量的电子给放大器，无法获得足够的信噪比，信息存储的可靠性无法得到保证。由此可见，不能仅仅依靠器件尺寸的减小来解决面临的高密度信息存储的需求，因此在一个存储单元中存入多个比特的多值存储技术显得越来越重要。因为传统的存储单元中，只有两个状态“导通”、“绝缘”两个电阻态，即“开”和“关”，对应与二进制中的“0”和“1”。在单个存储单元中实现多个状态的存储将极大的提高存储器的存储密度。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种室温下基于铁电异质结的具有多值存储特性的非易失阻变存储单元及其制备方法。

一种基于铁电异质结的具有多值存储特性的非易失阻变存储单元，如图1所示，由写入底电极、铁电单晶基片、阻变层和顶电极组成；写入底电极(电极的厚度为0.1～100μm)由单质金属材料(例如Al、Pt、Au、W、Ag等)、金属合金材料(例如Au-Ni、Al-Ni、Au-Ti等)、导电金属化合物(例如ITO、IZGO等)中的一种或几种制成，制备在铁电单晶基片的下表面；铁电单晶基片，可以选用铁电特性的单晶材料，例如BaTiO₃、Ba_xS_r1-xTiO₃、LiNbO₃、(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃/xPbTiO₃(0＜x＜1)等(厚度为0.3～0.6mm)；在铁电单晶基片的上表面制备有TiO₂薄膜阻变层，厚度为10～70nm；在TiO₂薄膜阻变层上制备有顶电极(顶电极的材料由单质金属材料、金属合金材料和导电的金属化合物中的一种或几种制成，厚度为10～100nm)，顶电极由四个条形电极构成，中间两个条形电极为电阻状态的读取电极，在读取电极的外侧对称的分布的两个条形电极为写入顶电极，用外部导线相连；或顶电极由一个环形电极和两个条形电极构成，环形电极对称环绕分布在两个条形电极的周围，环形电极为写入顶电极，两个条形电极为电阻状态的读取电极；写入顶电极与写入底电极一起构成了电阻状态的写入电极。