[发明专利]一种多层膜结构的多源调控的阻变存储器及其制备方法

说明书

本申请得到天津市自然科学基金（项目编号：11JCZDJC21800, 11JCYBJC02700）、国家自然科学基金（项目编号：11004148, 11104202）和教育部留学人员归国科研启动基金的资助。 

技术领域

本发明属于信息存储器件的技术领域，涉及新型非挥发信息存储器件重要组成部分的开发研究工作，更具体的是一种多场多源调控的阻变存储器及其制备方法。 

背景技术

在2007年的国际半导体器件发展路线图（ITRSD）中单独新开辟一章，命名为“新型存储器件与材料”，其中强调指出，设计研发新一代的基于新的信息存储机制的存储器件具有重要的意义。当前市场中的主流存储器件为闪存（Flash memory）和动态随机存取存储器（DRAM）。采用电信号调控电阻改变的电阻随机存取存储器（Resistive Random Access Memory, RRAM） 可以兼具以上两种器件的优点，因而成为一种极具竞争力的未来信息存储器件，受到各国科研人员的广泛关注和深入研究。而铁电极化翻转过程不涉及缺陷的伴随迁徙，因而采用铁电薄膜制备的金属-铁电薄膜-金属（MFM）结构的铁电电致阻变器件有望获得更高存储稳定性的商业化器件。 

电致阻变（Resistive switching）效应已经在铁电隧穿结（Ferroelectric Tunnel Junction,FTJ）中被观察到。在该类隧穿结中由于铁电薄膜的厚度仅为几个纳米，所以量子隧穿电流为主要的电流传导机制。但是FTJ中的电致阻变效应都是通过用原子力显微镜（AFM）的分析测试技术得以表征的，这是AFM测试技术中的电极采用的是探针针尖，其对应的电容器面积及其微小，可以避免由于FTJ中超薄的铁电薄膜容易导致过大的漏电流。对于信息存储器件中存储的信息代码往往容易受到过大漏电流的影响，因此FTJ结构的存储器件很难应用到当今主流的金属-氧化物-半导体集成工艺中。另外，铁电二极管（Ferroelectric Diode）也表现出电致阻变效应，铁电二极管中的铁电薄膜的厚度比FTJ要厚其约为几十到几百纳米，但其电输运的测量结果往往无法表现出在铁电极化翻转处的陡变；而且包括采用Pb(Ti,Zr)O₃, Ba_xSr_1-xTiO₃, BiFeO₃等采用作为铁电层的铁电二极管的电致阻变的系数（Resistive switching coefficient, RSC=Rmax/Rmin）通常小于500。 

解决以上困难的途径之一是构建金属-铁电-半导体（MFM）结构的存储器件。相比于金属电极，由于半导体电极中的载流子密度较低导致其中的电荷屏蔽效应较弱。这将引起界面处能带结构的弯曲，强烈地改变电势的分布，从而有望在MFM结构中获得较大的电致阻变系数。同时，半导体层材料具有的许多优秀特性也有望提高存储器件的阻变系数，如锰氧化物具有的优异的化学稳定性和丰富的相分离特征。后者表明锰氧化物处于多个电子相的平衡之下，很敏感于外界的扰动（如磁场、电场或压强等）。因此采用锰氧化物薄膜作为MFS结构的半导体电极层有望获得明显的电致阻变效应，且可以实现电场和磁场的双源调控。但是半导体电极层中的电荷的积累和耗尽的状态对MFS结构的存储性能的影响一直缺乏直接的实验证据，且国际上不同的研究表组对MFS结构中半导体层的功能作用的结论存在巨大的分歧。因此恰当的描述半导体薄膜的作用是一个巨大的挑战，其困难在于难以原位地通过改变半导体层中载流子的多寡去调控电致阻变的系数。 

发明内容

当前的阻变存储器件都是采用单一的外加电场实现器件的电阻调控，本发明针对现有技术的不足，设计出一种金属/铁电层/锰氧化物薄膜的多层薄膜结构，且将其生长于具有压电特性的单晶基底之上，同时提出了一种新的制备方法。本发明成品具有高的电致阻变系数，本发明成品能原位地通过改变半导体层中载流子的多寡从而实现动态原位地调控电致阻变的系数，实现了电致电阻系数的多场调控。 

为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容： 

一种多层膜结构的多源调控的阻变存储器，包括铁电单晶基板1、导电下电极2、铁电薄膜层或异质结层3、上电极薄膜层4、门电极层5；其特征在于：导电下电极2设于铁电单晶基板1和铁电薄膜层或异质结层3之间，上电极薄膜层4设于顶层，门电极层5至于最下层。