[发明专利]铁电膜层的制造方法、铁电隧道结单元、存储器元件及其写入与读取方法

说明书

本发明公开一种铁电膜层的制造方法、铁电隧道结单元、应用其的存储器元件及其写入与读取方法。铁电隧道结单元包括：第一电极、第二电极以及一夹设于第一电极与第二电极之间的铁电膜层，构成铁电膜层的材料至少包括一基底材料以及一掺杂物，且基底材料包括两个氧化物，每一个氧化物是一碱土金属氧化物以及一过渡金属氧化物两者之中的至少一种，且掺杂物包括铝原子、硅原子、钛原子、钽原子、氮原子、镧原子、氮化钽、氮化钛或其组合。通过在铁电膜层的基底材料中加入不同的掺杂物以及调整掺杂物的浓度，可调变铁电膜层的矫顽电场。

技术领域

本发明涉及一种通过改变电阻值来储存信息的半导体非挥发存储器元件及其部分结构的制造方法，特别是涉及一种铁电膜层的制造方法、应用其的铁电隧道结单元、存储器元件及存储器元件的写入与读取方法。

背景技术

铁电隧道结(ferroelectric tunnel junction,FTJ)结构通常包括上电极、下电极以及夹设于上下电极之间的铁电材料层。铁电材料层内部的电偶极矩的方向会随着外加的电场而改变，从而使铁电材料层被极化。

在对铁电隧道结结构施加读取电压时，铁电材料层的极化方向不同，会影响在铁电材料层与上电极的接面所形成的能障高度(barrier height)以及在铁电材料层与下电极的接面所形成的能障高度。所述的在接面所形成的能障高度会影响隧穿电流(tunnelingcurrent)的大小，从而影响铁电材料层的电阻值。详细而言，当对铁电隧道结结构的上电极施加足够的正偏压时，会促使铁电材料层的极化方向由上电极指向下电极。此时，在铁电材料层与上电极的接面所形成的能障高度(barrier height)较低，而在铁电材料层与下电极的接面所形成的能障高度较高。

在这个情况下，若读取电压是对上电极施加一不影响铁电材料层的极化方向的正电压，电子不容易隧穿(tunnel)过下电极与铁电材料层之间的能障到上电极，因此会检测到较低的隧穿电流以及较高的电阻。

当对铁电隧道结结构的上电极施加足够的负偏压时，又会促使铁电材料层的极化方向转换成相反方向，也就是由下电极指向上电极。在铁电材料层与上电极的接面所形成的能障高度(barrier height)较高，而在铁电材料层与下电极的接面之间的能障高度较低。在这个情况下，对铁电隧道结结构施加读取电压时，电子较容易从下电极穿隧至上电极，从而检测到较高的电阻值。

要转换铁电材料层极化方向的最低电场强度，被称为是铁电材料层的矫顽电场(coercive field)。现有的铁电材料层通常是由具有钙钛矿结构的材料所构成，如：铋铁氧(BiFeO₃)或钛酸钡(BaTiO₃)等材料。所述具有钙钛矿结构的材料的矫顽电场通常无法根据应用的需要来调整，从而限制铁电隧道结结构的应用范围。

另外，这些材料须搭配由镧锶锰氧(La_0.67Sr_0.33MnO₃)或钙铈锰氧(Ca_0.96Ce_0.04MnO₃)所构成的下电极以及由钴所构成的上电极。然而，上述的铁电材料层与下电极的材料成分过于复杂，难以整合到现今的半导体工艺中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，如何使铁电穿隧单元的铁电膜层的矫顽电场可根据不同的需求来改变，并可使铁电穿隧单元的工艺整合在现有的半导体工艺中。

为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是，提供一种铁电隧道结单元，其包括第一电极、第二电极以及一夹设于第一电极与第二电极之间的铁电膜层，构成铁电膜层的材料至少包括一基底材料以及一掺杂物，且基底材料包括两个氧化物，每一个氧化物是一碱土金属氧化物以及一过渡金属氧化物两者之中的至少一种，且掺杂物包括铝原子、硅原子、钛原子、钽原子、氮原子、镧原子、氮化钽、氮化钛或其组合。