一种铁电氧化物/半导体复合薄膜二极管阻变存储器 【技术领域】
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种复合薄膜作为功能层的二极管阻变存储器。
背景技术
非易失性存储器是实现断电保存信息的一种半导体存储器，其最大的优点是在无电源供应时所存储的数据仍能被长时间保持下来。目前市场上的非易失性存储器仍以闪存(Flash)为主流。随着数字高科技的飞速发展，对存储器的性能也提出了更高的要求，如高速度、高密度、低功耗、长寿命和更小的尺寸等。尤其是当器件的特征尺寸减小到65nm以下时，传统多晶硅浮栅结构Flash存储器件的擦写速度与可靠性的矛盾以及栅介质漏电等问题，擦写次数一般在105量级，擦写电压一般在7-17伏，擦写时间一般在毫秒和秒的量级之间。以上在很大程度上限制了传Flash存储器的进一步发展。因此，开发一种全新的信息存取技术引起了研究者的广泛兴趣。基于不同材料、不同机制以及不同的操作方式，目前已研制出多种有望取代Flash存储器的新型非挥发性存储器，如铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)及阻变存储器(RRAM)。在这些存储器当中，阻变存储器因为其具有制备简单、存储密度高、操作电压低、读写速度快、保持时间长、尺寸小、非破坏性读取、低功耗、与传统CMOS工艺兼容性好等优势而被广泛研究，有成为下一代通用存储器的潜力。RRAM器件作为一种新型的非易失性存储器，是以薄膜材料的电阻可在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)之间实现可逆转换为基本工作原理并作为记忆的方式。阻变存储器的操作电压、电阻值改变倍率、单极转换、双极转换、耐受性、数据保持能力等特性随着功能层材料以及结构的不同而有较大差异。但是，目前简单氧化物材料的RRAM，擦写次数较小，一般小于10000次，且工艺集成可靠性差。
本发明所涉及的新型铁电氧化物/半导体复合薄膜二极管阻变存储器是基于一种新的铁电氧化物/半导体复合薄膜，具有阻变特性，兼具铁电存储器和阻变存储器的共同优点，结构简单、性能可靠、读取速度快(可达纳秒或亚纳秒量级)，写电压和膜厚呈正比(可小于3伏)，写次数大于1010，且改变了传统的1T1C或2T2C结构存储单元通过电荷读取的破坏性信息的识别方式。通过读取不同阻态的电流即可识别所存储的信息，可以大幅提升存储器的集成密度，延长其使用寿命。薄膜的制备可使用磁控溅射、脉冲激光淀积、分子束淀积等多种制作方法，具有广阔的发展空间和市场应用潜力。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种阻变特性稳定、结构简单、读取速度快的二极管阻变存储器。
本发明提供的二极管阻变存储器，其结构依次为衬底、薄膜底电极和脉冲激光淀积或磁控溅射制备的铁电氧化物/半导体复合存储功能层，以及顶电极。
所述的衬底采用单晶钛酸锶或长有氧化层的单晶硅衬底，其中单晶钛酸锶优选(100)或(111)方向，氧化层厚度为100nm-200nm。
所述的底电极为由脉冲激光淀积的钌酸锶、镍酸镧复合物薄膜底电极或由电子束蒸发、磁控溅射制备的Pt/Ti底电极，其中复合物薄膜厚度10-500nm。
所述的功能层为在铁酸铋或钛酸钡纳米柱中成垂直分布夹杂有三氧化二铁或氧化锌半导体纳米丝，该功能层厚度为200-500nm。
所述的顶电极为电子束蒸发或磁控溅射生长的Pt或Au电极。
本发明是基于一种铁电氧化物材料和半导体纳米材料的复合结构薄膜，实现二极管可擦写的功能，同时兼具铁电存储的非易失性和阻变存储的非破坏性读取功能，大大提高了非易失性存储单元的编程/擦除速度。该阻变存储器的复合铁电氧化物/半导体功能层具有比较稳定的阻变特性，高阻态(HRS)和低阻态(LRS)的电流开关比值可大于100倍，擦写次数可大于1010，擦写电压和膜厚呈正比，擦写时间可达纳秒量级。
上述二极管阻变存储器的制备步骤如下：
步骤一：
在单晶钛酸锶或SiO2/Si衬底上生长钌酸锶、镍酸镧复合物薄膜底电极，或用电子束蒸发、磁控溅射制备的Pt/Ti底电极。
步骤二：
通过脉冲激光淀积或射频磁控溅射方法在底电极生长铁电氧化物/半导体复合存储功能层，具体为在铁酸铋或钛酸钡纳米柱中成垂直分布夹杂的三氧化二铁或氧化锌纳米丝。
步骤三：
生长金属顶电极，形成单二极管存储结构。
本发明中，所述功能层是新型的铁电氧化物/半导体纳米复合结构；在电学上的特性为，复合薄膜材料在不同的极化状态下，所夹杂的半导体纳米丝阻态发生可逆的转化：当写脉冲电压大于电畴翻转地娇顽电压时，电畴会沿电场方向取向；这时沿着和逆着电畴的方向施加一个较小的读电压，且小于铁电电畴的矫顽电压，电流的变化可达100倍，即表现出二极管的单向导通特性；该二极管的极性会随写电压或电畴的方向而发生变化；写电压的大小和膜厚呈正比，读电流的大小可通过单位体积内纳米丝的含量进行调节；通过改变铁电双稳极化状态，记录存储的“1”、“0”信息；通过利用以上二极管特性，可以非破坏性读取所存储的逻辑信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
普通的阻变存储器的导电机理主要是缺陷导电。即阻变材料中都存在一定的缺陷(可能是氧空位)。处于高阻态的材料中的缺陷零散、无规律地分布在阻变材料当中。在写入脉冲的作用下，缺陷随机产生移动。随着产生及移动的缺陷越来越多，总会形成一条联通顶电极和底电极的缺陷导电通道，从而实现由高阻态向低阻态的转变。
与普通阻变存储器不同，本发明的新型复合铁电薄膜二极管存储器是以铁电氧化物/半导体纳米复合薄膜作为存储介质。具体的是利用射频磁控溅射或脉冲激光淀积(PulsedLaser Deposition)方法对铁电材料(如铁酸铋、钛酸钡等)陶瓷靶材和半导体靶(如氧化锌、三氧化二铁等)进行共溅射，或是对特殊组分比例的铁电陶瓷靶材(铁电材料中某一组分即为半导体的陶瓷靶中加入过量的半导体组分，如铁酸铋陶瓷靶中的三氧化二铁组分过量10％)，进行射频磁控溅射或脉冲激光淀积，得到铁电氧化物/半导体复合薄膜，形成在铁酸铋或钛酸钡纳米柱中呈垂直分布夹杂的三氧化二铁或氧化锌纳米丝。在不同的电畴极化状态下，氧化物半导体中纳米丝的阻态发生可逆的转化，通过在存储单元施加小于铁电电畴的矫顽电压的读脉冲，可判断铁电纳米柱的极化状态，从而获得通过铁电双稳态极化状态所记录的“1”、“0”信息。由于通过电流读取所记录的信息，本发明所涉及的存储器的存储单元具有读写速度快(在纳秒或亚纳秒量级)，通过电流读取数据替代了传统1T1C或2T2C结构单元电容器的电荷积分的读取模式，可大幅缩小存储器单元的尺寸，同时保证了足够的信息识别功能，大幅提升存储器的存储密度。读写取脉冲的电压幅值和膜厚呈正比，当膜厚小于100纳米时，读写电压小于1.5伏，因而器件的功耗大幅减小。
【附图说明】
图1复合铁电薄膜二极管阻变存储器的存储单元的结构示意图。
图2存储单元在不同的电畴极化状态下所对应的读取电流。
图中标号：101为顶电极，102为复合功能层，103为底电极，104为复合功能层中的垂直夹杂分布的纳米丝结构。
【具体实施方式】
结合以下附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的材料范围。
实例
本实例新型铁电氧化物/半导体复合薄膜二极管阻变存储器存储单元如图1所示，包括衬底和底电极103(钌酸锶/钛酸锶)，铁电氧化物材料(铁酸铋)/半导体(三氧化二铁)复合功能层102，顶电极(Pt、Au)101。
上述器件通过下述方法制备：
1)以(100)方向单晶钛酸锶为衬底，以脉冲激光淀积(PLD)方法生长钌酸锶底电极(厚度为10nm-150nm)。
2)在上述衬底上，用PLD淀积铁电氧化物材料(铁酸铋)/半导体(三氧化二铁)复合功能层(厚度为200nm-500nm)，具体为以铁酸铋中三氧化二铁组分过量10％的陶瓷靶材。
3)利用直流磁控溅射生长铂金属顶电极(厚度100nm-150nm)。
与现有的阻变存储器相比，本发明所涉及的新型铁电氧化物/半导体复合薄膜二极管阻变存储器具有以下明显优点：
1、结构简单，存储单元仅有一个复合铁电薄膜二极管构成，易于制备。
2、采用铁电材料作为存储介质，疲劳性能好，擦写次数可达108-1010次。
3、通过铁电材料极化引起的氧化物半导体纳米丝阻态变化作为读取数据基础，读取电流即可获得存储单元中记录的信息，读取脉冲的幅值(3V左右)和电流(10-9A-对应高阻态，10-5-对应低阻态)都很小，因而器件的功耗也大幅减小，如图2所描述。
4、通过电流读取所记录的信息，本发明所涉及的存储器的存储单元具有读写速度快(在纳秒或亚纳秒量级)，替代了传统1T1C或2T2C结构单元电容器的电荷积分的读取模式，可大幅缩小存储器单元的尺寸，同时保证了足够的信息识别功能，大幅提升存储器的存储密度。