[发明专利]一种非挥发阻变存储器

说明书

 

技术领域

本发明属于非挥发信息存储技术领域，具体涉及一种基于金属/铁电体/半导体（MFS）铁电隧道结的新型非挥发阻变存储器。

背景技术

随着近年来半导体技术的发展，便携式个人消费类电子产品，如平板笔记本电脑，智能手机，MP3等逐渐流行，并成为人们生活中不可缺少部分。当前便携式电子产品要求低能耗，小型化。并具有关机或待机时间长等使用特点。这样，要保持信息就必须使用非挥发存储器，所谓“非挥发”，即在无电源供应时仍能保持所存储信息的特性。

目前市场上的非挥发存储器以闪存（flash memory）为主流，每年约有千亿美元的市场。然而，闪存的操作高功耗和低擦写速度久为人所诟病。近来，由于集成度的提高，闪存的栅极氧化层漏电造成的记忆时间降低问题越来越突出。尽管在器件设计上做了很多弥补，一般认为闪存难以进入65～45 nm以下的工艺线。基于这种现状，目前已经提出多种非挥发存储方案，试图取代闪存。铁电存储器（FeRAM）和阻变存储器（ReRAM）是其中最有前景，也是研究最为广泛的候选存储方案。

FeRAM利用铁电薄膜的自发极化双稳特性存储信息，向上和向下两个方向的剩余极化代表计算结构二进制中的“0”和“1”。因为铁电薄膜的极化翻转较容易， FeRAM的写操作速度快（纳秒）、功耗低。但是因为FeRAM是破坏性读出，读出数据后需要重新写入，读操作不仅速度慢、功耗大而且增加了电路的复杂性，限制了集成度的进一步提高。这一缺点成为制约FeRAM发展的瓶颈。尽管FeRAM早已量产，目前主要应用还集中于游戏机、玩具、智能卡和自动收费等低端领域的低密度应用。

ReRAM基于氧化物材料中的阻变现象来工作，直观上在ReRAM器件上施加一个电信号就能够改变ReRAM的电阻值，并且在电信号结束后，这个状态能够保持。高、低两个阻态代表计算机数据存储的“0”和“1”，这就实现了非挥发信息存储。ReRAM中高电压实现数据写入，通过施加低电压来读出这个数据，因此，其具有非破坏性读出这一优点，克服了FeRAM的不足，并且电路结构简单，仅需要Cross-point结构就能实现数据读写。然而，不管是基于导电细丝理论，还是界面势垒调制效应，氧化物中阻变性能的实现都依赖于荷电点缺陷，如氧空位等在外电场下的迁移和在局部的聚集。众所周知，点缺陷在材料中的形成以及之后的读写操作中的控制具有很大的随机性和不可预知性，这就对ReRAM器件的可靠性和寿命产生了潜在威胁。

最近，铁电隧道结的出现很好的克服了FeRAM和ReRAM的缺点。铁电隧道结具有金属/铁电体/金属（MFM）结构，铁电层作为电子势垒，其厚度仅有几个纳米，允许量子隧穿效应。铁电体极化翻转改变了势垒的高度，从而改变了隧道结中的隧道电流，使隧道结在高、低两个阻态之间翻转。因此，铁电隧道结同时具备了FeRAM和ReRAM两种存储结构的优点，引起了当前学术界和工业界的广泛关注。量子力学中，隧道电流的大小不仅依赖于势垒高，还与势垒宽度成指数关系，因此，如果在铁电隧道结中实现对势垒高和宽的同时调制，必将极大的提升其性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种新型非挥发阻变存储器，该存储器以金属/铁电体/半导体铁电隧道结为核心，能够实现对势垒高度和宽度的同时调制，所以具有非常高的阻态开关比。

本发明所述的一种基于铁电隧道结的非挥发阻变存储器，其铁电隧道结以半导体为底电极，具有金属/铁电体/半导体结构。

本发明借鉴铁电场效应器件的工作机制，采用半导体材料作为电极，提出基于MFS铁电隧道结的非挥发阻变存储方案。这一结构中，自发极化翻转调制了铁电体/半导体界面上半导体表面多数载流子浓度，具体来说，以n型半导体为例，当极化指向半导体时，正极化束缚电荷使半导体进入积累态，铁电极化被多数载流子（电子）屏蔽，这与MFM隧道结类似。但当极化指向金属电极时，负束缚电荷迫使半导体进入耗尽态，由电离施主来屏蔽极化电荷。半导体表面耗尽态空间电荷层本身就是电子的势垒，即在MFS结构中，电子必须隧穿耗尽层中的额外势垒。这就实现对结势垒高度和宽度的同时调制。

进一步的，所述金属/铁电体/半导体铁电隧道结具体结构包括Pt/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃，或者Au/Pb(ZrTi)O₃/(LaSr)MnO₃、Au/Co/BaTiO₃/La:SrTiO₃。