一种力/电多模式多维铁电非易失性存储器及其制备方法

本发明属于信息存储器件领域，具体涉及一种力/电多模式多维铁电非易失性存储器及其制备方法。

背景技术：

1、随着集成电路信息产业的迅速发展，芯片上单位面积的晶体管数量不断增加，而制程却逐渐逼近了量子极限，依靠晶体管的尺寸微缩来维持满足各行业对计算能力的需求变得越来越困难。因此，现代集成电路信息产业的发展亟需发展新架构、新材料、新微缩手段和先进的封装技术。在众多新型非易失逻辑和存储器件中，基于铁电材料的器件因其超低功耗和超高读/写速度（理论值<200 ps）获得了广泛的研究关注。这些器件包括铁电随机存储器、铁电场效应晶体管和铁电隧道结等。

2、目前基于铁电材料的非易失性信息存储器均采用电场调控材料的极化序参量以实现对器件的操控，但该方法不可避免地会产生漏电流、介电击穿以及电荷注入等副效应，进而导致器件的稳定性大打折扣。因此，能否寻找一种新型的铁电极化调控机制，如力致极化可逆翻转，发展新型信息存储器件，有望为当前非易失性铁电信息存储器件的应用问题提供一种新的解决方案。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种力/电多模式多维铁电非易失性存储器及其制备方法，以解决现有电控铁电非易失性存储器中的漏电、介电击穿及电荷注入等导致器件稳定性差的问题。

2、本发明所提供的力/电多模式多维铁电非易失性存储器，由下至上依次包括：单晶基底层、底电极层和铁电材料层。

3、上述力/电多模式多维铁电非易失性存储器中，构成所述的单晶基底层的材料为钙钛矿型单晶，进一步地，所述钙钛矿型单晶为具有均一氧化物截止面台阶的钙钛矿型单晶，具体可为钛酸锶srtio3。

4、构成所述底电极层的材料为abo3钙钛矿型氧化物，具体可为镧锶锰氧(la,sr)mno3。

5、构成所述铁电材料层的材料为具有自发铁电极化面外方向向上的铁电材料，进一步地，所述铁电材料为abo3钙钛矿型氧化物，具体可为铁酸铋bifeo3（bfo）。

6、进一步地，所述单晶基底层的取向为(001)；

7、进一步地，所述底电极层的厚度为2-20纳米，具体可为2纳米、5纳米、10纳米或20纳米。

8、进一步地，所述铁电材料层的厚度为10-30纳米，具体可为10纳米、25纳米或40纳米等。

9、本发明所提供的所述力/电多模式多维铁电非易失性存储器的制备方法，包括如下步骤：对单晶基底通过化学刻蚀和退火得到单晶基底层，在所述单晶基底层上利用脉冲激光沉积方法依次制备底电极层和铁电材料层。

10、上述方法中，所述对单晶基底化学刻蚀步骤中，刻蚀剂采用王水（hcl:hno3＝3:1，v/v）；退火步骤中，温度为900°c-1100°c，具体可为1000°c；时间为1小时以上，具体可为2小时；该退火处理的目的是为了获得均一的氧化物截止面台阶；

11、上述方法中，利用脉冲激光沉积方法制备步骤中，所用激光为氟化氪脉冲激光；

12、准分子脉冲激光波长为193-355纳米；具体可为248纳米；

13、激光频率为1-10赫兹；具体可为5赫兹；

14、激光能量密度为1-3焦耳/平方厘米，具体可为1焦耳/平方厘米；

15、生长氧压为5-50帕斯卡，具体可为15、20或30帕斯卡；

16、生长温度为600-750摄氏度，具体可为680摄氏度、700摄氏度或720摄氏度；

17、退火氧压为103-105帕斯卡，具体为20000帕斯卡或50000帕斯卡；

18、降温速率为1-20摄氏度/分钟；具体可为5摄氏度/分钟。

19、由于构成所述单晶基底层和底电极层具有特殊的界面原子配位环境，可以提供向上的界面内建电场，因此在上述工艺下，构成铁电层材料的铁电自发极化方向均一向上。

20、根据上述提供的铁电非易失性存储器，本发明通过探针实现对铁电非易失性存储器的力场和电场调控，其中探针直径为20-100纳米，施加的应力大小为0-10 gpa，压力大小为0-5000纳牛，施加的电压大小为-10-10 v。

21、根据本发明的一个实施例，所述探针可为原子力显微镜的探针。

22、根据本申请实施例的技术方案，一方面，探针作用于薄膜表面会产生较大的应变梯度，进而诱导产生挠曲电效应，可等效为面外方向向下的挠曲电场，促使薄膜初始态面外向上的自发铁电极化翻转为面外向下的铁电极化；另一方面，探针作用于薄膜表面的应力会产生压电效应，会降低极化-自由能曲线中的极化翻转势垒，在界面向上内建电场的驱动下，薄膜的铁电极化会由面外向下翻转为面外向上。因此，通过设计探针作用于薄膜表面时产生的应变梯度大小和应力大小，可以实现铁电极化的可逆翻转。此外，探针可以对薄膜表面施加一定大小的电压，可以与力场一同实现多模式多维的铁电极化调控，且力电协同作用可以有效降低极化翻转的临界应力和矫顽电压，从而降低极化翻转的能耗，有望应用于新型非易失性存储器。

23、本发明提供的力/电多模式多维铁电非易失性存储器具有力写力擦、力写电擦、电写力擦和电写电擦的功能，应用于信息存储领域。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

25、1、本发明提供的力/电多模式多维铁电非易失性存储器采用力场调控铁电材料的极化方向，避免了电场调控所造成的漏电流、介电击穿以及电荷注入等问题，有助于提高器件的稳定性。

26、2、本发明提供的力/电多模式多维铁电非易失性存储器可采用力/电协同模式调控铁电材料的极化方向，可以有效降低极化翻转的临界应力和矫顽电压，从而降低极化翻转和器件的能耗。

技术特征：

1.一种力/电多模式多维铁电非易失性存储器，由下至上依次包括：单晶基底层、底电极层和铁电材料层。

2.根据权利要求1所述的力/电多模式多维铁电非易失性存储器，其特征在于：构成所述的单晶基底层的材料为钙钛矿型单晶，具体为钛酸锶srtio3。

3.根据权利要求1或2所述的力/电多模式多维铁电非易失性存储器，其特征在于：构成所述底电极层的材料为钙钛矿型氧化物。

4.据权利要求1-3中任一所述的力/电多模式多维铁电非易失性存储器，其特征在于：构成所述铁电材料层的材料为具有自发铁电极化面外方向向上的铁电材料。

5.根据权利要求4任一所述的力/电多模式多维铁电非易失性存储器，其特征在于：构成所述铁电材料层的材料为abo3钙钛矿型氧化物，具体为铁酸铋bifeo3。

6.根据权利要求1-5中任一所述的力/电多模式多维铁电非易失性存储器，其特征在于：所述单晶基底层的取向为(001)；和/或，所述底电极层的厚度为2-20纳米；

7. 根据权利要求1-6中任一所述的力/电多模式多维铁电非易失性存储器，其特征在于：所述力/电多模式多维铁电非易失性存储器，通过探针实现对铁电非易失性存储器的力场和电场调控，其中探针直径为20-100纳米，施加的应力大小为0-10 gpa，压力大小为0-5000纳牛，施加的电压大小为-10-10 v。

8.一种制备权利要求1-7中任一项所述力/电多模式多维铁电非易失性存储器的方法，包括如下步骤：对单晶基底通过化学刻蚀和退火得到单晶基底层，在所述单晶基底层上利用脉冲激光沉积方法依次制备底电极层和铁电材料层，即得所述力/电多模式多维铁电非易失性存储器。

9.根据权利要求8述的方法，其特征在于：所述对单晶基底化学刻蚀步骤中采用的刻蚀剂为王水；退火步骤中，温度为900℃-1100℃；时间为1小时以上；

10.权利要求1-7中任一项所述的力/电多模式多维铁电非易失性存储器具有力写力擦、力写电擦、电写力擦和电写电擦的功能，应用于信息存储领域。

技术总结本发明公开了一种力/电多模式多维铁电非易失性存储器及其制备方法。该力/电多模式多维铁电非易失性存储器，由下至上依次包括：单晶基底层、底电极层和铁电材料层。制备方法如下：对单晶基底通过化学刻蚀和退火得到单晶基底层，在所述单晶基底层上利用脉冲激光沉积方法依次制备底电极层和铁电材料层。本发明提供的力/电多模式多维铁电非易失性存储器采用力场调控铁电材料的极化方向，避免了电场调控所造成的漏电流、介电击穿以及电荷注入等问题，有助于提高器件的稳定性。同时该力/电多模式多维铁电非易失性存储器可采用力/电协同模式调控铁电材料的极化方向，可以有效降低极化翻转的临界应力和矫顽电压，从而降低极化翻转和器件的能耗。技术研发人员：马静,王玥,韩浩杰,南策文受保护的技术使用者：清华大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1