铁电单元、三维铁电结构和铁电存储器的制作方法

本技术实施例涉及半导体器件，尤其涉及一种铁电单元、三维铁电结构和铁电存储器。

背景技术：

1、随着电子技术的发展，对信息处理能力以及信息存储容量的需求也不断提高。铁电材料因其擦写速度快、超低功耗、循环次数多、极化状态非易失等固有优势而被应用于存储领域，基于铁电材料的铁电随机存储器(feram，ferroelectric random accessmemory)、铁电隧穿结(ftj，ferroelectric tunneling junction)等铁电器件得到了广泛的关注。其中，铁电氧化铪材料，例如氧化铪与氧化锆的固溶质hfo2:zro2，也可以称为锆掺杂氧化铪(hfzrox)，该铁电材料因其结晶温度低、集成度高、兼容cmos工艺等优势，成为研究方向。

2、现有基于铁电氧化铪材料的铁电器件技术中，feram以及ftj的基本单元结构，通常是在两个金属电极中间设置铁电薄膜而形成的，也即“金属-铁电层-金属”的三明治结构。然而，在该结构中，由于铁电层两侧的金属电极受到金属材料、沉积方式、元素比例以及结晶程度等各种因素的影响，该铁电层两侧的金属电极的功函数通常不同，这就导致铁电器件具有电学非对称性，该电学非对称性主要包括：铁电器件的极化曲线发生漂移；相同电场强度、不同极性的外加电场下，铁电器件的漏电流大小不同。通常，铁电器件的电学非对称性大小不受外界控制，对于某些需要对称性的铁电器件(例如feram)而言，这些电学非对称性导致铁电器件正负向擦写的非对称、某一方向非完全翻转、抗干扰性非对称等问题；另外，对于需要利用电学非对称性实现器件的开关比的铁电器件(例如ftj)而言，由于铁电器件的电学非对称性不受控，导致目标开关比的铁电器件难以实现。由此，如何有效调节铁电器件的电学非对称性、以提高铁电器件的性能成为需要解决的问题。

技术实现思路

1、通过采用本技术实施例所示的铁电单元、三维铁电结构和铁电存储器，可以提高铁电铁电器件的性能。

2、为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：

3、第一方面，本技术实施例提供一种铁电单元，该铁电单元包括：第一电极；设置于所述第一电极表面的第一铁电层；设置于所述第一铁电层表面、远离所述第一电极一侧的第二铁电层；设置于所述第二铁电层表面、远离所述第一铁电层一侧的第二电极；其中，所述第一铁电层中第一元素的浓度，高于所述第二铁电层中所述第一元素的浓度，所述第一元素为铪元素、锆元素和氧元素中的一项。

4、本技术实施例提供的铁电单元，通过在两电极之间设置两层铁电层，将第一铁电层中第一元素的浓度，设置成高于第二铁电层中的第一元素的浓度。这样一来，通过在两层铁电层之间设置第一元素浓度差，可以使得第一铁电层和第二铁电层之间氧空位浓度不同，从而可以在两层铁电层的接触界面之间产生第一内建电场；此外，第一电极和第二电极之间通常具有第二内建电场。这样一来，通过调整电极与各层铁电层之间的位置关系，可以使得上述第一内建电场与第二内建电场可以相抵消或者相叠加，以提高铁电器件的电学对称性或者降低铁电器件的电学对称性，也即可以灵活调节铁电器件的电学对称性，从而提高铁电器件的性能。

5、此外，本技术实施例通过改变两层铁电层中第一元素的浓度、以在两层铁电层的接触界面之间产生内建电场，可以不需要在铁电层与电极之间引入元素以在铁电层与电极之间的接触界面处产生内建电场，从而避免由于元素扩散导致电极与铁电层的接触界面处于比较混沌的状态，进而提高铁电器件实际生产使用的可行性。

6、本技术实施例可以通过多种方式实现上述第一铁电层和第二铁电层之间氧空位浓度不同。

7、在第一种可能的实现方式中，所述第一铁电层的材料和所述第二铁电层的材料均为铪锆氧；当所述第一元素为铪元素时，所述第一铁电层中第二元素的浓度低于所述第二铁电层中第二元素的浓度，所述第二元素为锆元素。

8、在该种实现方式中，当第一电极为氮化钛、第二电极为金属钨时，由于第一铁电层中氧空位的浓度低于第二铁电层氧空位的浓度，铁电单元内建电场为两电极之间的内建电场以及两铁电层之间的内建电场的叠加，在该实现方式中，可以提高铁电单元的非电学对称性，以提高诸如ftj等实现开关比的器件的性能。

9、在该种实现方式中，当第一电极为金属钨、第二电极为氮化钛时，由于第一铁电层中氧空位的浓度低于第二铁电层氧空位的浓度，铁电单元内建电场为两电极之间的内建电场减去两铁电层之间的内建电场，在该实现方式中，可以提高铁电单元的电学对称性，以提高诸如ferom等铁电器件的性能。

10、在第二种可能的实现方式中，所述一铁电层的材料和所述第二铁电层的材料均为铪锆氧；当所述第一元素为锆元素时，所述第一铁电层中第二元素的浓度低于所述第二铁电层中第二元素的浓度，所述第二元素为铪元素。

11、该种可能的实现方式中，所述第一电极为氮化钛，所述第二电极为金属钨；或者所述第二电极为氮化钛，所述第一电极为金属钨。

12、在第三种可能的实现方式中，所述一铁电层的材料和所述第二铁电层的材料均为铪锆氧；所述第一铁电层中氧元素的浓度高于第二铁电层中氧元素的浓度。

13、该种可能的实现方式中，所述第一电极为氮化钛，所述第二电极为金属钨；或者所述第二电极为氮化钛，所述第一电极为金属钨。

14、第二方面，本技术实施例提供一种三维铁电结构，该三维铁电结构包括：由多个钝化层和多个第一电极堆叠形成的第一环形区域；所述第一环形区域内侧设置有第一铁电层，所述第一铁电层与所述多个钝化层和所述多个第一电极均相接触；所述第一铁电层远离所述第一环形区域的一侧设置有第二铁电层；所述第二铁电层远离所述第一铁电层的一侧设置有第二电极；其中，所述第一铁电层中第一元素的浓度，高于所述第二铁电层中所述第一元素的浓度，所述第一元素为铪元素、锆元素和氧元素中的一项。

15、本技术实施例通过设置三维铁电结构，多个第一电极可以共用相同的铁电层，从而形成多个铁电单元。例如，其中一个第一电极、第一铁电层、第二铁电层以及第二电极之间形成一个铁电单元。

16、另外，本技术实施例提供的铁电单元，通过在两电极之间设置两层铁电层，将第一铁电层中第一元素的浓度，设置成高于第二铁电层中的第一元素的浓度。这样一来，通过在两层铁电层之间设置第一元素浓度差，可以使得第一铁电层和第二铁电层之间氧空位浓度不同，从而可以在两层铁电层的接触界面之间产生第一内建电场；此外，第一电极和第二电极之间通常具有第二内建电场。这样一来，通过调整电极与各层铁电层之间的位置关系，可以使得上述第一内建电场与第二内建电场可以相抵消或者相叠加，以提高铁电器件的电学对称性或者降低铁电器件的电学对称性，也即可以灵活调节铁电器件的电学对称性，从而提高铁电器件的性能。

17、此外，本技术实施例通过改变两层铁电层中第一元素的浓度、以在两层铁电层的接触界面之间产生内建电场，可以不需要在铁电层与电极之间引入元素以在铁电层与电极之间的接触界面处产生内建电场，从而避免由于元素扩散导致电极与铁电层的接触界面处于比较混沌的状态，进而提高铁电器件实际生产使用的可行性。

18、在一种可能的实现方式中，所述第一铁电层的材料和所述第二铁电层的材料均为铪锆氧；当所述第一元素为铪元素时，所述第一铁电层中第二元素的浓度低于所述第二铁电层中第二元素的浓度，所述第二元素为锆元素。

19、在一种可能的实现方式中，所述一铁电层的材料和所述第二铁电层的材料均为铪锆氧；当所述第一元素为锆元素时，所述第一铁电层中第二元素的浓度低于所述第二铁电层中第二元素的浓度，所述第二元素为铪元素。

20、在一种可能的实现方式中，所述第一电极的材料为钨；所述第二电极由两层金属层形成，所述两层金属层中与所述第二铁电层接触的材料为氮化钛，所述两层金属层中与所述第二铁电层不相接触的材料为钨。

21、第三方面，本技术实施例提供一种铁电存储器，该铁电存储器包括呈阵列排布的多个存储单元；所述多个存储单元中的每一个存储单元包括晶体管以及如第一方面所述的铁电单元。

22、应当理解的是，本技术的第二方面～第三方面与本技术的第一方面的技术方案一致，各方面及对应的可行实施方式所取得的有益效果相似，不再赘述。