非对称的铁电功能层阵列、铁电隧道结多值存储单元的制备方法技术

本发明专利技术提供了非对称铁电功能层阵列、非对称铁电隧道结多值存储单元的制备方法，非对称铁电功能层阵列由N个铁电功能层和N‑1个绝缘层交替堆叠形成，制备方法包括：提供电极层，在该电极层上表面生长N个平行于第一平面方向的铁电功能层，且相邻的铁电功能层之间通过绝缘层隔离，将该铁电功能层晶化，以使N个铁电功能层材料呈现铁电性能；N个铁电功能层的形成工艺期间的物理参数不同，以使N个铁电功能层呈现不同的矫顽场值。物理参数包括铁电功能层材料类型、铁电功能层材料掺杂方式、铁电功能层晶化条件以及铁电功能层材料的厚度。由此制备的存储单元可以实现多种不同的存储状态，从而大幅度提高存储密度以及单位存储容量。

Preparation of asymmetric ferroelectric functional layer array and ferroelectric tunnel junction multi value memory cell

【技术实现步骤摘要】
非对称的铁电功能层阵列、铁电隧道结多值存储单元的制备方法
本专利技术属于微电子器件领域，特别是涉及一种非对称铁电功能层阵列、非对称铁电隧道结多值存储单元、存储器及其制备方法。
技术介绍
大数据时代的到来，对信息处理能力以及信息存储容量的需求不断提高，传统的冯·诺依曼计算机架构和存储器越来越难以满足需求。铁电材料因其擦写速度快、超低功耗、循环次数多、极化状态非易失等固有优势而被应用于存储领域，基于铁电材料的FRAM、FeFET以及FTJ等新型非易失性存储器受到了广泛的关注。其中，FTJ存储器通过铁电极化方向调制绝缘层界面势垒高度进而实现方向可切换的整流功能从而实现高低阻态的切换。FTJ存储器不仅具备铁电存储器擦写速度快、超低功耗、循环次数多、非易失性的固有优势，相较于FRAM和FeFET还具有尺寸更小，结构简单，非破坏性读出等优势。经研究发现，不同于常规介质材料内部极化随外加电场线性变化，铁电材料内部极化与外加电场成非线性关系，并且由于取向极化的缘故，其存在两个稳定的极化状态，这为其作为存储器奠定了很好的基础。铪基材料具有十分优良的铁电性，以及与CMOS工艺兼容的优点也让基于铪基材料的铁电器件具有很好的发展前景。基于MFIM结构(即金属-铁电功能层-绝缘层-金属)的FTJ存储器，相较于MFM结构(即金属-铁电功能层-金属)FTJ器件，在铁电功能层与金属电极之间插入了一层绝缘隧穿层，很好地解决了金属电极所带来的介电屏蔽效应以及退极化问题。MFIM结构利用绝缘层作为隧穿层而非将铁电功能层作为隧穿层，降低了对于铁电功能层厚度的要求，使用较厚的铁电功能层也可以实现隧穿效应，从而很大程度上降低了制备FTJ存储器的工艺难度以及制备成本。基于MFIM的存储器多被应用于二值存储器，其原理在于，通过外加电场使铁电功能层表现出稳定的相同方向的极化。在去掉外加电场之后，由于剩余极化强度不为0，会造成由极化电荷所产生的极化电场，该极化电场会抬升铁电功能层的能带能量或者降低铁电功能层的能带能量。当铁电功能层近绝缘层界面的能带能量较高时，电子从绝缘层一侧的金属隧穿则面临较高的FN隧穿势垒，读出电流较小，器件处于高阻态；而当铁电功能层近绝缘层界面的能带能量较低时，电子则面临较低的FN隧穿势垒，读出电流较大，器件处于低阻态；从而实现“0”和“1”的逻辑存储。因此，基于MFIM的存储器只能被应用于二值存储器，难以很好的满足未来社会对对信息处理能力和信息存储容量的更高要求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种用于，可以具有多项高。为实现上述目的，本专利技术一方面提供一种非对称铁电功能层阵列的制备方法，所述非对称铁电功能层阵列由N个铁电功能层和N-1个绝缘层交替堆叠形成，所述方法包括以下步骤：提供电极层，在所述电极层上表面生长N个平行于第一平面方向的铁电功能层，且相邻的所述铁电功能层之间通过绝缘层隔离，包括：在所述电极层上表面形成第i铁电功能层；在所述第i铁电功能层上表面形成第j绝缘层；在所述第j绝缘层上表面形成第(i+1)铁电功能层；将所述铁电功能层晶化，以使N个所述铁电功能层材料呈现铁电性能；其中，N个所述铁电功能层的形成工艺期间的物理参数不同，以使N个所述铁电功能层呈现不同的矫顽场值；其中，N为大于等于2的整数，i为所述铁电功能层沿垂直第一平面方向由下至上的序号，i＝1,2,……N，j为所述绝缘层沿垂直第一平面方向由下至上的序号，j＝1,2,……N-1。进一步地，所述物理参数包括以下至少一项：铁电功能层材料类型、铁电功能层材料掺杂方式、铁电功能层晶化条件以及铁电功能层材料的厚度。本专利技术第二方面提供一种非对称铁电隧道结的多值存储单元的制备方法，所述方法包括：提供衬底，在所述衬底上表面形成第一电极层；在所述第一电极层上表面形成非对称铁电功能层阵列，其包括：N个平行于第一平面方向的铁电功能层，且相邻的所述铁电功能层之间通过绝缘层隔离；在所述非对称铁电功能层阵列上表面形成第二电极层；其中，所述非对称铁电功能层阵列形成方法包括：提供第一电极层，在所述第一电极层上表面生长N个平行于第一平面方向的铁电功能层，且相邻的所述铁电功能层之间通过绝缘层隔离，包括：在所述电极层上表面形成第i铁电功能层；在所述第i铁电功能层上表面形成第j绝缘层；在所述第j绝缘层上表面形成第(i+1)铁电功能层；将所述铁电功能层晶化，以使N个所述铁电功能层材料呈现铁电性能；其中，N个所述铁电功能层的形成工艺期间的物理参数不同，以使N个所述铁电功能层呈现不同的矫顽场值；其中，N为大于等于2的整数，i为所述铁电功能层沿垂直第一平面方向由下至上的序号，i＝1,2,……N，j为所述绝缘层沿垂直第一平面方向由下至上的序号，j＝1,2,……N-1。进一步地，所述物理参数包括以下至少一项：铁电功能层材料类型、铁电功能层材料掺杂方式、铁电功能层晶化条件以及铁电功能层材料的厚度。进一步地，所述方法包括：采用原子层沉积、物理气相沉积或者旋转涂抹的方法在所述第一电极层上表面交替生长N个的铁电功能层以及N-1个绝缘层。采用物理气相沉积的方法在所述衬底上表面生长第一电极层；采用物理气相沉积的方法在所述非对称铁电功能层阵列上表面形生长第二电极层。进一步地，所述N个铁电功能层的制备材料选自掺杂或者未掺杂的HfO2、HfxZr1-xO2、BiFeO3、BaTiO3、Pb(Zr1-xTix)O3、SrxBa1-xO3、聚偏氟乙烯中至少一种，且其厚度为2～20nm。进一步地，所述N-1个绝缘层的制备材料选自Al、Si、Hf、Zr、Ta、Ti的氧化物中至少一种，且其厚度为0.5～3nm。进一步地，所述第一、第二电极层的制备材料选自多晶硅、Al、TiN、TaN、W、Ni、Ta、SrRuO3、Nd:SrTiO3中至少一种，且二者厚度为10～200nm。本专利技术第三方面提供一种非对称铁电隧道结的多值存储单元，使用如上述的制备方法制备而成；其中，N个所述铁电功能层分别具有不同的矫顽场值，以使N个所述铁电功能层在激励作用下呈现出不同的极化差异。本专利技术第四方面提供一种非对称铁电隧道结的多值存储单元的制备方法，其特征在于，所述方法包括：提供衬底，采用物理气相沉积的方法在所述衬底上表面形成第一电极层；采用原子层沉积、物理气相沉积或者旋转涂抹的方法在所述第一电极层上表面形成第一铁电功能层；采用原子层沉积、物理气相沉积或者旋转涂抹的方法在所述第一铁电功能层上表面形成第一绝缘层；采用原子层沉积、物理气相沉积或者旋转涂抹的方法在所述第一绝缘层上表面形成第二铁电功能层；采用物理气相沉积的方法在所述第二铁电功能层上表面形成第二电极层；将所述第一、第二铁电功能层晶化，以使第一、第二铁电功能层材料呈现铁电性能；其中，第一、第二铁电功能层的形成工艺期间的物理参数不同，以使二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非对称铁电功能层阵列的制备方法，其特征在于，所述非对称铁电功能层阵列由N个铁电功能层和N-1个绝缘层交替堆叠形成，所述方法包括以下步骤：/n提供电极层，在所述电极层上表面生长N个平行于第一平面方向的铁电功能层，且相邻的所述铁电功能层之间通过绝缘层隔离，包括：在所述电极层上表面形成第i铁电功能层；在所述第i铁电功能层上表面形成第j绝缘层；在所述第j绝缘层上表面形成第(i+1)铁电功能层；/n将所述铁电功能层晶化，以使N个所述铁电功能层材料呈现铁电性能；/n其中，N个所述铁电功能层的形成工艺期间的物理参数不同，以使N个所述铁电功能层呈现不同的矫顽场值；/n其中，N为大于等于2的整数，i为所述铁电功能层沿垂直第一平面方向由下至上的序号，i＝1,2,……N，j为所述绝缘层沿垂直第一平面方向由下至上的序号，j＝1,2,……N-1。/n

【技术特征摘要】
1.一种非对称铁电功能层阵列的制备方法，其特征在于，所述非对称铁电功能层阵列由N个铁电功能层和N-1个绝缘层交替堆叠形成，所述方法包括以下步骤：
提供电极层，在所述电极层上表面生长N个平行于第一平面方向的铁电功能层，且相邻的所述铁电功能层之间通过绝缘层隔离，包括：在所述电极层上表面形成第i铁电功能层；在所述第i铁电功能层上表面形成第j绝缘层；在所述第j绝缘层上表面形成第(i+1)铁电功能层；
将所述铁电功能层晶化，以使N个所述铁电功能层材料呈现铁电性能；
其中，N个所述铁电功能层的形成工艺期间的物理参数不同，以使N个所述铁电功能层呈现不同的矫顽场值；
其中，N为大于等于2的整数，i为所述铁电功能层沿垂直第一平面方向由下至上的序号，i＝1,2,……N，j为所述绝缘层沿垂直第一平面方向由下至上的序号，j＝1,2,……N-1。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述物理参数包括以下至少一项：铁电功能层材料类型、铁电功能层材料掺杂方式、铁电功能层晶化条件以及铁电功能层材料的厚度。


3.一种非对称铁电隧道结的多值存储单元的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底，在所述衬底上表面形成第一电极层；
在所述第一电极层上表面形成非对称铁电功能层阵列，其包括：N个平行于第一平面方向的铁电功能层，且相邻的所述铁电功能层之间通过绝缘层隔离；
在所述非对称铁电功能层阵列上表面形成第二电极层；
其中，所述非对称铁电功能层阵列形成方法包括：
提供第一电极层，在所述第一电极层上表面生长N个平行于第一平面方向的铁电功能层，且相邻的所述铁电功能层之间通过绝缘层隔离，包括：在所述电极层上表面形成第i铁电功能层；在所述第i铁电功能层上表面形成第j绝缘层；在所述第j绝缘层上表面形成第(i+1)铁电功能层；
将所述铁电功能层晶化，以使N个所述铁电功能层材料呈现铁电性能；
其中，N个所述铁电功能层的形成工艺期间的物理参数不同，以使N个所述铁电功能层呈现不同的矫顽场值；
其中，N为大于等于2的整数，i为所述铁电功能层沿垂直第一平面方向由下至上的序号，i＝1,2,……N，j为所述绝缘层沿垂直第一平面方向由下至上的序号，j＝1,2,……N-1。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述物理参数包括以下至少一项：铁电功能层材料类型、铁电功能层材料掺杂方式、铁电功能层晶化条件以及铁电功能层材料的厚度。


5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，进一步包括：
采用原子层沉积、物理气相沉积或者旋转涂抹的方法在所述第一电极层上表面交替生长N个的铁电功能层以及N-1个绝缘层。
采用物理气相沉积的方法在所述衬底上表面生长第一电极层；
采用物理气相沉积的方法在所述非对称铁电功能层阵列上表面形生长第二电极层。


6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述铁电功能层的制备材料选自掺杂或者未掺杂的HfO2、H...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兴晟，王成旭，余豪，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42