[发明专利]一种多级存储的基于AlScN薄膜的铁电存储器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种多级存储的基于AlScN薄膜的铁电存储器及其制备方法，该铁电存储器包括：下电极(1)、Al_1‑xSc_xN薄膜层(2)、Al_1‑ySc_yN薄膜层(3)和上电极(4)，其中，所述Al_1‑xSc_xN薄膜层(2)位于所述下电极(1)上；所述Al_1‑ySc_yN薄膜层(3)位于所述Al_1‑xSc_xN薄膜层(2)上，x≠y，且所述Al_1‑ySc_yN薄膜层(3)的直径小于所述Al_1‑xSc_xN薄膜层(2)的直径；所述上电极(4)位于所述Al_1‑xSc_xN薄膜层(2)和所述Al_1‑ySc_yN薄膜层(3)上。该铁电存储器采用Al_1‑xSc_xN薄膜层和Al_1‑ySc_yN薄膜层形成双层薄膜，通过控制Sc元素即x和y的含量来保证两层薄膜的组分不同，从而让第二层Al_1‑ySc_yN薄膜起到改变第一层Al_1‑xSc_xN薄膜的剩余极化强度，实现多级存储的中间状态。

技术领域

本发明属于半导体存储技术领域，具体涉及一种多级存储的基于AlScN薄膜的铁电存储器及其制备方法。

背景技术

集成电路和信息技术的快速发展，对信息的存储和传递提出了更高的要求，目前市场上主流的存储器为动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)、静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，SRAM)和Flash存储器。DRAM和SRAM是典型的易失存储器，在断电的情况下，无法保存存储在其中的数据；Flash存储器为非易失存储器，断电后依旧可以保持数据，但是它耐久特性并不理想，所需要的操作电压较高，而且随着半导体特征尺寸的不断减小，Flash存储器面临着漏电、功耗等技术上无法突破的挑战。为了克服以上存储器存在的问题，现阶段提出了诸如铁电存储器、阻变存储器、相变存储器以及磁存储器等新型存储器。

铁电存储器因为驱动电压低、数据读取速度快和存储密度高等优点，已成为下一代非易失存储器的研究热点。在外加电场的作用下，铁电存储器中的铁电畴极化强度会出现翻转，使得铁电存储器实现稳定的阻态转化，从而实现数据的存储。目前研究最多的还是只具有“0”“1”两种状态的铁电存储器，但是随着半导体特征尺寸的不断减小，依靠提高单位面积上集成器件的数量已远远满足不了存储器的存储能力，因此研究发展单个器件的多级存储能力成为了提高存储器存储容量的重要方法。

传统的锆钛酸铅(PZT)薄膜具有沉积温度低、漏电流小和介电常数高等优点被广泛应用于铁电存储器中，但是该材料含有铅元素，在制备过程中对人体和环境很不友好，而且PZT薄膜和钽酸锶铋(SBT)薄膜对于CMOS工艺兼容性较差，无法进行大规模生产。因此需要采用与CMOS工艺兼容、剩余极化强度大以及环境友好型的铁电材料来改进铁电存储器的性能。另外，目前大多数铁电存储器都是采用电畴不完全翻转的方法来实现多级存储，但是因为电畴的不完全翻转具有不稳定性，且中间态具有随机性，并不适合铁电多级存储器的实际应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种多级存储的基于AlScN薄膜的铁电存储器及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种多级存储的基于Al_1-xSc_xN薄膜的铁电存储器，包括：下电极、Al_1-xSc_xN薄膜层、Al_1-ySc_yN薄膜层和上电极，其中，