CN115084360A - 一种具有局域调控特性的铁电多值存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有局域调控特性的铁电多值存储器及其制备方法。本发明的具有局域调控特性的铁电多值存储器包括：衬底；沟道材料，形成在所述衬底上；源电极和漏电极，形成在所述沟道材料两端；铪基铁电材料，覆盖上述器件，作为栅介质层；分离栅电极，四个栅电极相互间隔平行排列在所述栅介质层上且位于所述沟道材料上方，利用电学脉冲作为铁电存储器的激励源，分别在四个栅电极施加电压，获得四个不同的电阻状态“00”、“01”、“10”、“11”，实现基于局域调控特性的多值存储功能。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种具有局域调控特性的铁电多值存储器及其制备方法。
背景技术
存储器在集成电路领域发挥着重要的作用，通过对高低阻态的调控可以实现数据的写入与擦除。然而，传统的存储器仅存在“0”和“1”两个存储态，存储容量仅能通过在单位面积集成更多的器件单元实现。随着半导体特征尺寸的不断缩减，存储器的尺寸也会逐渐面临物理极限，难以通过集成密度的提高实现存储能力的增加。因此，需要开发具有多值存储能力的新型存储器件，从单个器件单元的存储能力提升出发，实现整体存储容量的增加。
铁电存储器作为一种典型的存储器件，成为近年来的研究热点。传统的铁电存储器多基于PbZrxTi1-xO3(PZT)、BaTiO3(BTO)等材料体系，具有较差的CMOS工艺兼容性以及环境污染问题。掺杂的铪基铁电材料(Hf0.5Zr0.5O2，HfAlOx,HfLaOx,HfSiOx等)作为环境友好与CMOS工艺兼容的铁电材料体系，具有应用于。
基于电畴极化翻转的原理，掺杂的铪基铁电存储器可以实现稳定的阻态转变与信息存储。目前的掺杂铪基铁电存储器在电压的调控下，大多都基于电畴的不完全翻转实现多值存储态的转变。然而，这种操作模式面临着电畴的翻转情况无法确定以及中间态的不稳定和随机性等问题，不适合多值存储器的应用。需要开发具有局域调控特性的铁电多值存储器，对电畴翻转定量化调控，实现稳定的阶梯式多态转变，对于商业化应用具有重要意义。
发明内容
本发明一种具有局域调控特性的铁电多值存储器，包括：衬底；沟道材料，形成在所述衬底上；源电极和漏电极，形成在所述沟道材料两端；铪基铁电材料，覆盖上述器件，作为栅介质层；分离栅电极，四个栅电极相互间隔平行排列在所述栅介质层上且位于所述沟道材料上方，利用电学脉冲作为铁电存储器的激励源，分别在四个栅电极施加电压，获得四个不同的电阻状态“00”、“01”、“10”、“11”，实现基于局域调控特性的多值存储功能。
本发明的一种具有局域调控特性的铁电多值存储器中，优选为，所述沟道材料为InGaZnO4，ZnO或SnO2。
本发明的一种具有局域调控特性的铁电多值存储器中，优选为，所述铪基铁电材料为Hf0.5Zr0.5O2，HfAlOx，HfLaOx或HfSiOx。
本发明的一种具有局域调控特性的铁电多值存储器中，优选为，相邻栅电极的间距为5μm～20μm。
本发明还公开一种具有局域调控特性的铁电多值存储器制备方法，包括以下步骤：在衬底上形成沟道材料；在所述沟道材料两端形成源电极和漏电极；在上述器件上形成铪基铁电材料，作为栅介质层；在所述栅介质层上形成分离栅电极，四个栅电极相互间隔平行排列，且位于所述沟道材料上方，利用电学脉冲作为铁电存储器的激励源，分别在四个栅电极施加电压，获得四个不同的电阻状态“00”、“01”、“10”、“11”，实现基于局域调控特性的多值存储功能。
本发明的具有局域调控特性的铁电多值存储器制备方法中，优选为，形成所述铪基铁电材料的步骤包括：利用原子层沉积技术在250℃～350℃的温度下生长厚度为10nm～20nm的掺杂铪基材料薄膜；利用快速热退火设备在N2氛围下以450℃～550℃的温度退火20s～60s，获得具有铁电性的薄膜。
本发明的具有局域调控特性的铁电多值存储器制备方法中，优选为，所述铪基铁电材料为Hf0.5Zr0.5O2，HfAlOx，HfLaOx或HfSiOx。
本发明的具有局域调控特性的铁电多值存储器制备方法中，优选为，相邻栅电极的间距为5μm～20μm。
有益效果：
(1)通过设计具有多值电阻态的存储器，从单个器件的角度提高存储容量，可解决集成电路存储密度难以提高的问题，开发出具有多比特存储能力的高容量芯片。
(2)掺杂铪基薄膜材料作为新型的无机铁电材料，利用原子层沉积技术即可生长沉积，可解决传统铁电薄膜中含铅的环境污染问题以及CMOS工艺不兼容的问题，适用于下一代铪基铁电存储器。
(3)在工作原理上打破传统的电畴调制方式，通过设计分离区域控制的电畴逐级翻转，代替传统铁电器件中电畴的不完全翻转，避免不完全翻转过程中器件电阻的随机性，获得稳定的多值电阻状态。
附图说明
图1是具有局域调控特性的铁电多值存储器制备方法流程图。
图2～图5是具有局域调控特性的铁电多值存储器制备方法各阶段的结构示意图。
图6和图7是利用电学脉冲作为铁电多值存储器的激励源，实现四种不同电畴翻转状态的控制的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
图1是具有局域调控特性的铁电多值存储器制备方法流程图。如图1所示，具有局域调控特性的铁电多值存储器制备方法包括以下步骤：
在步骤S1中，准备氧化硅衬底用于制备具有局域调控特性的铁电多值存储器。氧化硅衬底包括氧化硅层101和硅片100，其中氧化硅层的厚度可以是100nm，200nm，300nm。
在步骤S2中，利用物理气相沉积法在衬底上制备厚度为40nm～70nm的InGaZnO4薄膜作为沟道102，如图2所示。沟道长度优选为10μm，范围可取5μm～40μm；沟道宽度优选为100μm，范围可取50μm～150μm。沟道材料还可以是ZnO，SnO2等。
在步骤S3中，利用光刻和电子束蒸发在沟道材料两端制备源电极103和漏电极104，如图3所示。其中，Ti的厚度优选为5nm～15nm，Pt的厚度优选为30nm～70nm。源电极和漏电极的材料可以是Ti/Pt，Ti/Au，Ti/Pd等。
在步骤S4中，利用原子层沉积技术在250℃～350℃的温度下生长厚度为10nm～20nm的掺杂铪基材料Hf0.5Zr0.5O2薄膜，并利用快速热退火设备在N2氛围下退火，获得具有铁电性的薄膜作为栅介质层105，如图4所示。退火温度优选为500℃，范围可取450℃～550℃；退火时长优选为20s，范围可取20s～60s。掺杂铪基材料还可以是HfAlOx，HfLaOx，HfSiOx等。
在步骤S5中，利用光刻和电子束蒸发在栅介质层105上制备厚度为30nm～70nm的Al，形成分离栅电极106,107,108,109，获得具有局域调控特性的铁电多值存储器，如图5所示。分离栅电极106,107,108,109，位于沟道102的上方，也即分离栅电极在水平方向的投影与沟道在水平方向的投影有重叠区域。优选地，各个栅电极的延伸方向与沟道材料的延伸方向垂直。每个电极与沟道的重叠区域大小为10μm×10μm，相邻电极的间距为5μm～20μm。分离栅电极的材料还可以是Au，Pt，Pd等。
在步骤S6中，如图6和图7所示，利用电学脉冲作为铁电多值存储器的激励源，分别在4个栅电极施加电压，实现掺杂铪基铁电材料的局域电畴翻转效应。由于施加电压的区域不同，对应区域会发生电畴翻转，而未施加电压的区域不会发生电畴翻转，从而实现四种不同电畴翻转状态的控制，对应着四个不同的稳定的多值电阻状态。具体而言，当仅在栅电极106施加电压时，对应电阻状态1：“00”；当在栅电极106，107施加电压时，对应电阻状态2：“01”；当在栅电极106，107，108施加电压时，对应电阻状态3：“10”；当在栅电极106，107，108，109施加电压时，对应电阻状态4：“11”。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有局域调控特性的铁电多值存储器，其特征在于，
包括：
衬底；
沟道材料，形成在所述衬底上；
源电极和漏电极，形成在所述沟道材料两端；
铪基铁电材料，覆盖上述器件，作为栅介质层；
分离栅电极，四个栅电极相互间隔平行排列在所述栅介质层上且位于所述沟道材料上方，
利用电学脉冲作为激励源，分别在四个栅电极施加电压，获得四个不同的电阻状态“00”、“01”、“10”、“11”，实现基于局域调控特性的多值存储功能。
2.根据权利要求1所述的一种具有局域调控特性的铁电多值存储器，其特征在于，
所述沟道材料为InGaZnO4，ZnO或SnO2。
3.根据权利要求1所述的一种具有局域调控特性的铁电多值存储器，其特征在于，
所述铪基铁电材料为Hf0.5Zr0.5O2，HfAlOx，HfLaOx或HfSiOx。
4.根据权利要求1所述的一种具有局域调控特性的铁电多值存储器，其特征在于，
相邻栅电极的间距为5μm～20μm。
5.一种具有局域调控特性的铁电多值存储器制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
在衬底上形成沟道材料；
在所述沟道材料两端形成源电极和漏电极；
在上述器件上形成铪基铁电材料，作为栅介质层；
在所述栅介质层上形成分离栅电极，四个栅电极相互间隔平行排列，且位于所述沟道材料上方，
利用电学脉冲作为激励源，分别在四个栅电极施加电压，获得四个不同的电阻状态“00”、“01”、“10”、“11”，实现基于局域调控特性的多值存储功能。
6.根据权利要求5所述的具有局域调控特性的铁电多值存储器制备方法，其特征在于，
形成所述铪基铁电材料的步骤包括：
利用原子层沉积技术在250℃～350℃的温度下生长厚度为10nm～20nm的掺杂铪基材料薄膜；
利用快速热退火设备在N2氛围下以450℃～550℃的温度退火20s～60s，获得具有铁电性的薄膜。
7.根据权利要求5所述的具有局域调控特性的铁电多值存储器制备方法，其特征在于，
所述铪基铁电材料为Hf0.5Zr0.5O2，HfAlOx，HfLaOx或HfSiOx。
8.根据权利要求5所述的具有局域调控特性的铁电多值存储器制备方法，其特征在于，
相邻栅电极的间距为5μm～20μm。
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|---|---|---|---|---|
| CN117156863A (zh) * | 2023-10-31 | 2023-12-01 | 浙江大学杭州国际科创中心 | 铁电存储结构及其制造方法、铁电存储器件及调控方法 |
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2022
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| CN117156863B (zh) * | 2023-10-31 | 2024-02-06 | 浙江大学杭州国际科创中心 | 铁电存储结构及其制造方法、铁电存储器件及调控方法 |
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