具有多值特性的SrFeO制造技术

本发明专利技术属于半导体信息存储技术领域，更具体地，涉及具有多值特性的SrFeO

【技术实现步骤摘要】
具有多值特性的SrFeO
x
阻变存储器、其制备和应用


[0001]本专利技术属于半导体信息存储
，更具体地，涉及具有多值特性的SrFeO
x
阻变存储器、其制备和应用。

技术介绍

[0002]在信息技术飞速发展的今天，业界对于数据处理及存储的需求呈指数级增长，随着5G通信技术的普及，消费类终端电子产品、大数据存储中心以及人工智能等先进研究领域所产生的数据量每两年就会增长一倍。截止2020年，全球数据量已达到44Zettabyte，为了应对巨大的数据增长负担，急需对现有的存储架构进行迭代升级。作为存储数据的主力，闪存NAND Flash当前的主流发展方向为通过层数的堆叠和增加存储单元的数据位数(TLC
→
QLC)来增加单位面积内的存储容量，上述两种途径均无法避免对器件的擦写速度、数据保持力及使用寿命造成影响，因此急需寻找下一代非易失性存储介质。阻变存储器(Resistive Switching Random Access Memory,RRAM)以结构简单、低功耗以及擦写速度快等优势受到业界的广泛关注，是新一代非挥发性存储器的有力竞争者之一。RRAM是利用功能介质层的电阻高低来区分器件状态进而实现存储。
[0003]研究表明SrFeO
x
材料可以在钙钛矿型PV
‑
SFO(SrFeO3)与褐铁矿型BM
‑
SFO(SrFeO
2.5
)两种晶体结构之间相互转变以达到拓扑相变的特性，可以作为RRAM器件的功能介质层。目前SrFeO
x RRAM的器件类型主要分为两种:
①
导电丝型；
②
界面势垒调制型。上述两种类型的SrFeO
x RRAM均只能形成高阻态(High Resistance State,HRS)和低阻态(Low Resistance State,LRS)两种状态，限制了单位面积下器件的存储容量。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种具有多值特性的SrFeO
x
阻变存储器、其制备和应用，该SrFeO
x
阻变存储器通过结构设计能够具有四个稳定存在的电阻状态，解决了现有技术SrFeO
x RRAM的器件目前只能形成高阻态和低阻态两种状态，限制了其单位面积下器件存储容量的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种具有多值特性的SrFeO
x
阻变存储器器件，包括：
[0006]衬底；
[0007]下电极，其设置在所述衬底上；
[0008]第一电阻变化层，其设置在所述下电极上；
[0009]第二电阻变化层，其设置在所述第一电阻变化层上；和
[0010]顶电极，其设置在所述第二电阻变化层上；
[0011]其中，所述第一电阻变化层和第二电阻变化层的材料分别为SrFeO
m
和SrFeO
2.5
，其中2.7≤m≤3，所述第一电阻变化层SrFeO
m
为导电介质，其与所述下电极为欧姆接触；所述第一电阻变化层为第二电阻变化层形成导电丝与界面扩散提供所需的氧离子源；所述第二
电阻变化层的电阻高于第一电阻变化层，且所述第二电阻变化层具有半导体属性，其导电机制符合热电子发射模式。
[0012]优选地，所述衬底为SrTiO3衬底或硅衬底。
[0013]优选地，所述下电极为SrRuO3、Nb
‑
doped SrTiO3和TiN中的一种或多种，其厚度为50
‑
80nm。
[0014]优选地，所述第一电阻变化层的厚度为30
‑
70nm，第二电阻变化层的厚度为10
‑
50nm。
[0015]优选地，所述顶电极选自Pt电极或Au电极。
[0016]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的阻变存储器器件的制备方法，包括如下步骤：
[0017](1)使用脉冲激光沉积工艺在清洗后的衬底上依次沉积制备下电极和第一电阻变化层SrFeO
m
薄膜，其中2.7≤m≤3；
[0018](2)使用脉冲激光沉积工艺在所述第一电阻变化层SrFeO
m
薄膜表面沉积第二电阻变化层SrFeO
2.5
薄膜；
[0019](3)采用磁控溅射和光刻工艺在第二电阻变化层SrFeO
2.5
薄膜表面沉积制备顶电极。
[0020]优选地，步骤(1)所述脉冲激光沉积的工艺条件：温度为650～700℃，腔体气氛为氧气，气压为3～10Pa，激光能量为250～450mJ，激光频率为1～8Hz，真空度为1
×
10
‑6～1
×
10
‑5Pa，待沉积表面与靶材间距为40～60mm。
[0021]优选地，步骤(2)中所述脉冲激光沉积的工艺条件：温度为650～700℃，腔体气氛为氧气，气压为1～3Pa，激光能量为250～450mJ，激光频率为1～8Hz，真空度为1
×
10
‑6～1
×
10
‑5Pa，待沉积表面与靶材间距为40～60mm。
[0022]优选地，步骤(3)所述磁控溅射的工艺条件：温度为室温，沉积速度为沉积时间为1500～2000s。
[0023]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述阻变存储器器件的应用，用于以拓扑相变材料为功能层的阻变存储器的多值存储。
[0024]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0025](1)本专利技术提供的SrFeO
x
阻变存储器器件结构为Pt/BM
‑
SFO(SrFeO
2.5
)/PV
‑
SFO(SrFeO
m
)/SRO(SrRuO3)，其中，2.7≤m≤3；通过控制高阻功能层PV
‑
SFO以及低阻功能层BM
‑
SFO的厚度，确保该器件在工作过程中可以稳定存在肖特基势垒跃迁和导电细丝两种导电机制，使得其能够持续施加正偏压条件下产生因导电丝形成而额外产生的两个电阻状态，从而实现了该器件的多比特单元存储特性。
[0026](2)本专利技术采用脉冲激光沉积的方法制备SrFeO
x
功能层，沉积过程伴随高能量和高温，可以精确控制复杂薄膜的组分，保持相应的化学计量比。
[0027](3)本专利技术在具有稳定界面势垒调制型阻变机制的基础上，通过优化现有器件结构及控制脉冲激光沉积工艺参数，制备出同时具有导电丝型和界面势垒调制型阻变机制的Pt/BM
‑
SFO(SrFeO
2.5
)/PV
‑
SFO(SrFeO
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有多值特性的SrFeO
x
阻变存储器器件，其特征在于，包括：衬底；下电极，其设置在所述衬底上；第一电阻变化层，其设置在所述下电极上；第二电阻变化层，其设置在所述第一电阻变化层上；和顶电极，其设置在所述第二电阻变化层上；其中，所述第一电阻变化层和第二电阻变化层的材料分别为SrFeO
m
和SrFeO
2.5
，其中2.7≤m≤3，所述第一电阻变化层SrFeO
m
为导电介质，其与所述下电极为欧姆接触；所述第一电阻变化层为第二电阻变化层形成导电丝与界面扩散提供所需的氧离子源；所述第二电阻变化层的电阻高于第一电阻变化层，且所述第二电阻变化层具有半导体属性，其导电机制符合热电子发射模式。2.如权利要求1所述的阻变存储器器件，其特征在于，所述衬底为SrTiO3衬底或硅衬底。3.如权利要求1所述的阻变存储器器件，其特征在于，所述下电极为SrRuO3、Nb
‑
doped SrTiO3和TiN中的一种或多种，其厚度为50
‑
80nm。4.如权利要求1所述的阻变存储器器件，其特征在于，所述第一电阻变化层的厚度为30
‑
70nm，第二电阻变化层的厚度为10
‑
50nm。5.如权利要求1所述的阻变存储器器件，其特征在于，所述顶电极选自Pt电极或Au电极。6.如权利要求1至5任一项所述的阻变存储器器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)使用脉冲激光沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：程伟明，苏睿，陈家宝，缪向水，
申请(专利权)人：湖北江城实验室，
类型：发明
国别省市：