一种新型高密度铁电存储器单元制造技术

本发明专利技术公开了一种新型高密度铁电存储器单元，该存储单元中包括衬底、下电极、存储功能层、左上电极、右上电极，每个存储器单元中包含有两个存储微单元。该存储单元中的存储功能层为铁电材料，基于隧穿电流或者漏电流的读取来识别存储状态，能实现非破坏性读取。由于存储功能层不平行于衬底，能够极大地提高单位面积内的存储密度；能用于实现更高存储密度的三维堆垛结构存储器；能有效减少电极的数量，增大电极之间的间距，提高存储单元的数据可靠性；此外存储单元结构简单有利于实现工业化。

A new high density ferroelectric memory cell

The invention discloses a novel high density ferroelectric memory unit, which comprises a substrate, a lower electrode, a storage functional layer, a left upper electrode and a right upper electrode, and each memory unit contains two storage micro units. The storage function layer in the storage unit is ferroelectric material. The storage state can be identified based on the reading of tunneling current or leakage current, and the non-destructive reading can be realized. Because the storage function layer is not parallel to the substrate, it can greatly improve the storage density per unit area; can be used to achieve higher storage density of the three-dimensional stacking structure memory; can effectively reduce the number of electrodes, increase the spacing between electrodes, improve the data reliability of the storage unit; in addition, the storage unit structure is simple. It is conducive to industrialization.

【技术实现步骤摘要】
一种新型高密度铁电存储器单元
本专利技术涉及信息技术存储领域，特别提供了一种新型高密度铁电存储器单元。
技术介绍
铁电存储器具有工作温度范围宽、读写速度快、抗疲劳、功耗低、抗辐射等优点，在军民用领域引起了高度关注。铁电存储器基于铁电薄膜电畴的取向来进行数据存储，在外电场或者力场等的作用下通过电畴的翻转可以实现二进制“1”和“0”的转换。事实上，基于破坏性读取铁电极化的普通畴壁存储器、非破坏性读取的铁电晶体管存储器和铁电畴壁存储器外，还有基于隧穿效应的铁电隧道结存储器和基于读取铁电薄膜导电性能的铁电阻变存储器。如何提高铁电存储器的存储密度一直以来都是铁电存储器研究和产业化研究方面的重要问题。然而在器件小型化的趋势下，当铁电存储器单元尺寸小于130nm时，目前读出电路基本无法识别存储单元中所存储的逻辑信息，严重地阻碍了铁电存储器向高密度方向发展。自2009年在绝缘体铁电氧化物中发现某些特殊类型畴壁具有导电性之后，学者们掀起了对铁电畴壁导电性研究的热潮，并基于导电/非导电时的阻态，提出了铁电畴壁型高密度铁电存储器的构想。然而，目前铁电存储器在多逻辑铁电存储中依然面临着严峻的问题，尤其是铁电畴壁的可控性方面还需要提高。虽然在理论上可以实现多逻辑态存储，但是对于铁电畴壁的形成位置以及导电性能可控性并不明确，尤其是其通过控制电压的大小来实现铁电畴壁的形成，致使铁电薄膜中畴壁的位置、构型以及厚度难以控制。因此基于铁电畴壁的高密度铁电畴壁存储器依然只是一种构想。为进一步地提高铁电存储器的存储密度，科学家和工程师做了大量的努力，然而目前还未有有效的方法。虽然通过三维堆叠能够在一定程度上提高存储器的容量，然而为减小存储单元间的相互影响，尤其是串扰等问题，致使存储单元间间距较大，使得存储密度方面并未有质的提高。
技术实现思路
为此本专利技术的目的在于提供一种新型的高密度铁电存储单元，采用一个存储单元中包含两个存储微单元的结构来提高存储密度，并且两个微单元共用一个下电极来减小微单元的体积，两个微单元中存储功能层不平行于衬底，下电极2011与存储功能层3001相接触的左侧面与衬底的夹角大于或者等于90°，同时下电极2011与存储功能层3001相接触的右侧面与衬底的夹角(θ)也大于或者等于90°。这种结构设计能够有效地提高衬底面积内铁电存储单位的数量，同时提高铁电存储单元的存储密度，这种铁电存储单元易于集成与三维堆垛，能有效地减小电极之间的相互影响，表面串扰问题，能促进高密度铁电存储器的应用。本专利技术采用以下技术方案：一种新型高密度铁电存储器单元，包括衬底1001、下电极2011、存储功能层3001、左上电极2021、右上电极2022，所述的下电极2011与存储功能层3001相接触的左侧面与衬底的夹角大于或者等于90°，下电极2011与存储功能层3001相接触的右侧面与衬底的夹角(θ)也大于或者等于90°。所述衬底1001的材料为氧化铪、掺杂氧化铪、钛酸锶、铌掺杂钛酸锶、钛酸钡、氧化硅、掺杂氧化硅、氧化镁、氧化铝、钛酸钙、钛酸镁、白宝石、尖晶石、氧化钛、云母、石英、氧化铍、尖晶石、蓝宝石、砷化钾、红宝石、硅、铁酸钴、掺杂硅中的一种或者几种构成。所述下电极2011为钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡、掺杂Si、氮化钛、铂、铌酸锂、掺杂铌酸锂中的一种或者几种构成。所述存储功能层3001为锆掺杂氧化铪、钇掺杂氧化铪、硅掺杂氧化铪、铝掺杂氧化铪、钆掺杂氧化铪、钛酸铅、钛酸锆铅、铁酸铋、掺杂铁酸铋、钛酸钡、掺杂钛酸钡、铁酸镥、掺杂铁酸镥、铁酸镓、掺杂铁酸镓中的一种或者几种构成，左上电极2021和下电极2011所夹持的部分存储功能层的厚度约为0.4nm-60nm，右上电极2022和下电极2011所夹持的部分存储功能层的厚度也约为0.4nm-60nm。所述存储功能层外延生长于衬底1001。所述下电极2011与左上电极2021及其所夹持的存储功能层3001部分可作为独立的一个存储微单元0001，下电极2011与右上电极2022及其所夹持的存储功能层3001部分可作为另外的一个存储微单元0002。所述下电极2011外接电路的部分延伸与存储单元的一侧，左上电极2021和右上电极2022外接电路的部分延伸于存储单元的另一侧。所述的一种新型高密度铁电存储器单元内部包含的两个存储微单元0001和0002可存储表示的逻辑态数量相同，范围在2-16，并且两个存储微单元共用一个下电极2011，在存储态写入或者读取时下电极电势为零。所述左上电极2021和右上电极2022可以为同种材料也可为不同种材料，可以为银、铜、含银合金、含铜合金、铂、铁、钴、镍、锌、钛、铝、掺杂硅、钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡、碳纳米管、石墨烯、掺杂石墨烯、二硫化钼、氮化钛、铂、铌酸锂、掺杂铌酸锂等金属或者半导体材料中的一种或者多种构成。本专利技术产生的有益效果：本专利技术中采用特殊形态的铁电薄膜使得同一铁电薄膜中两个不相互影响的部分能够分别用于存储，在一个新型高密度铁电存储单元中形成了两个存储微单元，并且两个存储微单元共用同一个下电极，极大地减小了存储微单元的体积，提高了存储单元的存储密度，见图1。另外，下电极2011外接电路的部分位于存储单元的一侧，左上电极2021和右上电极2022外接电路的部分位于存储单元的另一侧，极大地减小了三个电极之间的相互影响，提高了铁电存储单元性能存储性能的可靠性，见图1。特别需要注意的是，在该新型高密度铁电存储单元中利用存储功能层的极化来存储数据时，铁电薄膜的极化方向与衬底并不垂直，铁电薄膜极化方向的平行直线与衬底的夹角小于或者等于60°，下电极2011与存储功能层3001相接触的左侧面与衬底的夹角和存储功能层3001相接触的右侧面与衬底的夹角(θ)均大于或者等于90°(见图2)，直接区别于传统的铁电存储器基于存储功能层垂直衬底的极化来存储数据的特点。该存储单元在实现存储时，可以在下电极2011和左上电极2021间施加电压使得存储功能层薄膜极化，在微单元0001中存储一个数值；类似的可以在下电极2011和右上电极2022间施加电压使得存储功能层薄膜极化，在微单元0002中存储一个数值。在读取微单元0001和微单元0002中的数值时，可在下电极2011和左上电极2021间施加一不会改变微单元0001存储态的电压来读取隧穿电流或者漏电流；可在下电极2011和右上电极2022间施加一不会改变微单元0002存储态的电压来读取隧穿电流或者漏电流；当微单元0001和微单元0002中的存储功能层的极化状态不同时，读取得到各自的隧穿电流或者漏电流值不同，从而可以识别微单元0001和微单元0002各自的存储状态。需要注意的是，微单元0001和微单元0002中的存储功能层在采用不同的写入方法写入时(以不同大小的脉冲电压为例，存储功能层的极化值可能不同，而不同的极化值会影响读取微单元0001和微单元0002时隧穿电流或者漏电流的大小，从而使得单个微单元实现多逻辑态存储的性能。这样能够进一步地提高存储器的存储容量和存储密度，具有广阔的应用前景。这种结构设计能够有效地提高衬底单位面积内铁电存储单位的数量，同时提高铁电存储单元的存储密度，易于集成，且适合三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型高密度铁电存储器单元，包括衬底(1001)、下电极(2011)、存储功能层(3001)、左上电极(2021)、右上电极(2022)，其特征在于，下电极(2011)与存储功能层(3001)相接触的左侧面与衬底的夹角

【技术特征摘要】
1.一种新型高密度铁电存储器单元，包括衬底(1001)、下电极(2011)、存储功能层(3001)、左上电极(2021)、右上电极(2022)，其特征在于，下电极(2011)与存储功能层(3001)相接触的左侧面与衬底的夹角大于或者等于90°，下电极(2011)与存储功能层(3001)相接触的右侧面与衬底的夹角(θ)也大于或者等于90°。2.如权利要求1所述的一种新型高密度铁电存储器单元，其特征在于，所述衬底(1001)的材料为氧化铪、掺杂氧化铪、钛酸锶、铌掺杂钛酸锶、钛酸钡、氧化硅、掺杂氧化硅、氧化镁、氧化铝、钛酸钙、钛酸镁、白宝石、尖晶石、氧化钛、云母、石英、氧化铍、尖晶石、蓝宝石、砷化钾、红宝石、硅、铁酸钴、掺杂硅中的一种或者几种构成。3.如权利要求1所述的一种新型高密度铁电存储器单元，其特征在于，所述下电极(2011)为钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡、掺杂Si、氮化钛、铂、铌酸锂、掺杂铌酸锂中的一种或者几种构成。4.如权利要求1所述的一种新型高密度铁电存储器单元，其特征在于，所述存储功能层(3001)为锆掺杂氧化铪、钇掺杂氧化铪、硅掺杂氧化铪、铝掺杂氧化铪、钆掺杂氧化铪、钛酸铅、钛酸锆铅、铁酸铋、掺杂铁酸铋、钛酸钡、掺杂钛酸钡、铁酸镥、掺杂铁酸镥、铁酸镓、掺杂铁酸镓中的一种或者几种构成，左上电极(2021)和下电极(2011)所夹持的部分存储功能层的厚度约为0.4nm-60nm，右上电极(2022)和下电极(2011)所夹持的部分存储功能层的厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯鹏飞，宋佳讯，邢思玮，王金斌，钟向丽，郭红霞，杨琼，刘云霞，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43