CN107924696B - 操作铁电存储器单元的方法及相关的铁电存储器单元 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示操作铁电存储器单元的方法。所述方法包括：将正偏置电压及负偏置电压中的一者施加到包括电容器的铁电存储器单元，所述电容器包含上电极、下电极、所述上电极与所述下电极之间的铁电材料，及所述铁电材料与所述上电极及所述下电极中的一者之间的界面材料。所述方法进一步包括：将所述正偏置电压及所述负偏置电压中的另一者施加到所述铁电存储器单元以切换所述铁电存储器单元的极化，其中所述负偏置电压的绝对值不同于所述正偏置电压的绝对值。本发明还描述铁电存储器单元。

Description

操作铁电存储器单元的方法及相关的铁电存储器单元
优先权主张
本申请案主张2015年9月1日申请的名称为“操作铁电存储器单元的方法及相关的铁电存储器单元(METHODS OF OPERATING FERROELECTRIC MEMORY CELLS,AND RELATEDFERROELECTRIC MEMORY CELLS)”的第14/842,124号美国专利申请案的申请日的权益。
技术领域
本文所揭示的实施例涉及操作包含展现非对称铁电性质的铁电材料的铁电存储器单元的方法及此类铁电存储器单元。
背景技术
已考虑将铁电随机存取存储器(FeRAM)单元用于许多存储器阵列中。FeRAM单元包含铁电材料，其具有可响应于施加电场(例如，偏置电压)而切换的极化。FeRAM单元中的铁电材料的极化状态可用于确定FeRAM单元的逻辑状态(例如，1或0)。在移除偏置电压之后，铁电材料的极化可保持。因此，FeRAM单元是非易失性的，从而无需周期性地刷新存储器单元。
常规FeRAM单元理论上在施加电场下展现如图1中所说明的方形磁滞回线102，这是因为铁电材料的原子在两种同样有利状态之间转变。FeRAM单元通过将FeRAM单元暴露于切换偏置电压而从一种操作状态切换到另一操作状态。例如，铁电材料可暴露于正电压以将铁电材料的极化切换到第一方向。在足够大的正电压(特征化为正切换电压)下，铁电材料的极化从负极化切换到正极化。为将FeRAM单元切换到另一状态，将铁电材料暴露于负切换电压以将铁电材料的极化改变成第二相反方向。常规地，施加到常规FeRAM单元的正切换电压及负切换电压具有相等量值(例如，具有相同绝对值，在本文中又称为对称偏置方案)。
不幸的是，许多FeRAM单元需要利用高偏置电压来切换于不同极化状态之间。由FeRAM单元相对于DRAM单元的非易失性实现的任何电力节省由必须经施加以切换铁电材料的极化状态的高偏置电压抵消。因此，将铁电材料暴露于较高电压增加FeRAM单元的电力消耗，增加操作成本，且还会缩短FeRAM单元的使用寿命。
发明内容
附图说明
图1是常规铁电存储器单元的使用及操作期间的磁滞曲线；
图2是根据本发明的实施例的非对称铁电电容器的横截面图；
图3是根据本发明的实施例的包含图2的非对称铁电电容器的铁电存储器单元的横截面图；
图4是根据本发明的实施例的用于操作铁电存储器单元的非对称偏压方案的图形表示；
图5A是根据本发明的实施例的铁电存储器单元的使用及操作期间的磁滞曲线；
图5B是根据本发明的实施例的使用对称偏压方案来操作的铁电存储器单元与使用非对称偏压方案来操作的所述铁电存储器单元的信号强度对周期数的曲线图；
图5C是在30℃处使用对称偏压方案及非对称偏压方案来操作铁电存储器单元时的所述单元的循环期间的频率相依信号损失的图形表示；
图5D是在100℃处使用对称偏压方案及非对称偏压方案来操作铁电存储器单元时的所述单元的循环期间的频率相依信号损失的图形表示；
图5E及图5F是说明依各种周期数分别使用对称偏压方案及非对称偏压方案来操作的铁电存储器单元的电压及电流的曲线图；
图6A是根据本发明的实施例的非对称铁电存储器单元的使用及操作期间的磁滞曲线；
图6B是根据本发明的实施例的使用对称偏压方案来操作的铁电存储器单元与使用非对称偏压方案来操作的所述铁电存储器单元的信号强度对周期数的曲线图；
图6C是在30℃处使用对称偏压方案及非对称偏压方案来操作铁电存储器单元时的所述单元的循环期间的频率相依信号损失的图形表示；
图6D是在100℃处使用对称偏压方案及非对称偏压方案来操作铁电存储器单元时的所述单元的循环期间的频率相依信号损失的图形表示；
图6E是依恒定负偏置电压及不同正偏置电压操作的铁电存储器单元的依据周期数而变化的信号强度的图形表示；及
图6F是以恒定正偏置电压及不同负偏置电压操作的铁电存储器单元的依据周期数而变化的信号强度的图形表示。
具体实施方式
包含于本发明中的说明不意在为任何特定系统或半导体装置的实际视图，而是仅为用于描述本文的实施例的理想化表示。图式之间的共同元件及特征可保持相同元件符号标示。
以下描述提供例如材料类型、材料厚度及处理条件的特定细节以提供对本文所描述的实施例的详尽描述。然而，所属领域的一般技术人员应了解，可在不采用此类特定细节的情况下实践本文所揭示的实施例。其实，可结合用于半导体工业中的常规制造技术来实践实施例。另外，本文所提供的描述不形成用于制造铁电存储器单元的完整工艺流程，且下文将描述的铁电存储器单元不形成完整铁电存储器单元。下文将仅详细描述理解本文所描述的实施例所需的那些过程动作及结构。用于形成完整铁电存储器单元的额外动作可由常规技术执行。
如本文所使用，术语“切换电压”表示且包含施加于一对电极(例如电容器)之间的偏置电压，其足以切换安置于所述对电极之间的铁电材料的极化状态。偏置电压可为正偏置电压，在此情况中，切换电压称为“正切换电压”；或偏置电压可为负偏置电压，在此情况中，切换电压称为“负切换电压”。
根据一些实施例，揭示一种通过施加非对称偏压方案而操作铁电存储器单元的方法。所述铁电存储器单元可为非对称的且可展现非对称切换特性。如本文所使用，术语“非对称铁电存储器单元”表示且包含存储器单元，其包含安置于两个电极之间的铁电材料。所述非对称铁电存储器单元可包含所述电极中的一者与所述铁电材料之间的界面材料。在一些实施例中，所述电极中的每一者还具有不同厚度或由不同方法形成。
如本文所使用，术语“非对称偏压方案”表示且包含跨铁电存储器单元的电极施加偏置电压(例如电势)以将所述铁电存储器单元的铁电材料的极化从第一状态切换到第二状态，所述偏置电压不同于用于将所述极化从所述第二状态切换到所述第一状态的跨电极所施加的偏置电压。换句话来说，施加非对称偏压方案包含施加其量值不同于负切换电压的正切换电压。例如，可通过跨铁电存储器单元施加正偏置电压而将铁电存储器单元的极化的方向从第一方向切换到第二方向，所述正偏置电压不同于用于将极化的方向从所述第二方向切换到所述第一方向的负偏置电压。因此，可在正偏置电压下将铁电存储器单元从第一极化切换到第二极化，所述正偏置电压具有不同于用于从所述第二极化状态切换到所述第一极化状态的负偏置电压的绝对值。使用非对称偏压方案来操作铁电存储器单元可减小用于操作铁电存储器单元的电力且可增加铁电存储器单元的操作寿命。使用非对称偏压方案来操作铁电存储器单元还可在不同操作条件下(例如，以不同频率脉冲)在铁电存储器单元的寿命内提供更一致切换信号强度。
图2说明包含铁电材料206的电容器200。电容器200可形成根据本发明的实施例的铁电存储器单元的部分且可包含下电极202、覆于下电极202上的界面材料204、覆于界面材料204上的铁电材料206，及覆于铁电材料上的上电极208。例如，电容器200可为金属-绝缘体-金属(MIM)电容器。虽然已将电容器200描述且说明为用于铁电存储器单元中，但电容器200还可用于动态随机存取存储器(DRAM)应用中。
下电极202可包含导电材料。在一些实施例中，下电极202包含钛、氮化钛(TiN)、氮化钛铝(TiAlN)、氮化钽(TaN)、铂、其组合或其它导电材料。在一些实施例中，下电极202可掺杂有碳。下电极202可通过溅镀、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)或其它适合工艺而形成。
界面材料204可直接覆于下电极202上且接触下电极202，且可介入于下电极202与铁电材料206之间。在一些实施例中，界面材料204包含下电极202的材料的氧化物。例如，当下电极202包括氮化钛时，界面材料204可包含例如二氧化钛(TiO2)的钛氧化物(TiOx)。在其它实施例中，界面材料204可包含例如(例如)氮化铝(AlN)的非导电电介质材料。如本文将描述，包含界面材料204的电容器200可形成展现非对称磁滞回线的非对称电容器200。
铁电材料206可直接覆于界面材料204上且接触界面材料204。铁电材料206可包含展现可通过外加电场而切换的极化(例如用于产生偶极矩的带有相反电荷的离子的位移)的电介质材料。因此，铁电材料206可包含能够展现可响应于暴露于切换电压而切换的极化的材料。另外，铁电材料206可包含可在移除外加电场之后保持的剩余极化(Pr)。因此，可将铁电材料206的极化解译为相关联存储器单元的状态(例如，1或0)。铁电材料206可包含以下一或多者：氧化铪(HfOx)、氧化锆(ZrOx)、锆钛酸铅(PZT)、所属领域中已知的另一铁电材料或其组合。在一些实施例中，铁电材料206包含二氧化铪(HfO2)或二氧化锆(ZrO2)。
铁电材料206可包含一或多种掺杂剂。例如，铁电材料206可包含以下一或多者：硅、铝、锆、镁、锶、钆、钇、其它稀土元素及其组合。
上电极208可直接覆于铁电材料206上且接触铁电材料206。上电极208可包含导电材料。在一些实施例中，上电极208包含钛、氮化钛、氮化钛铝、氮化钽、铂、其组合或其它导电材料。上电极208可通过溅镀、原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体增强型化学气相沉积、低压化学气相沉积或其它适合工艺而形成。
在一些实施例中，上电极208包含不同于下电极202的材料。在其它实施例中，上电极208可具有不同于下电极202的厚度。在其它实施例中，上电极208可由不同于下电极202的方法(例如ALD)形成。包含不同于下电极202的材料、具有不同于下电极202的厚度的厚度、由不同于下电极202的方法形成或其组合的上电极208可形成非对称电容器200。
在一些实施例中，电容器200包括：下电极202，其包含氮化钛铝；界面材料204，其包含氮化铝；铁电材料206，其包含氧化铪及氧化锆中的一或多者；及上电极208，其包含氮化钛。在其它实施例中，电容器200包括：下电极202，其包含氮化钛；界面材料204，其包含氧化钛；铁电材料206，其包含氧化铪及氧化锆中的一或多者；及上电极208，其包含氮化钛。
虽然图2将界面材料204说明为直接安置于下电极202与铁电材料206之间，但界面材料204可介于铁电材料206与上电极208之间。在一些此类实施例中，铁电材料206可直接覆于下电极202上且接触下电极202。在一些实施例中，电容器200包含安置于下电极202与铁电材料206之间或安置于铁电材料206与上电极208之间的仅一种界面材料204(即，界面材料204仅可定位于铁电材料206的一侧上)。可预期，在其它实施例中，电容器200可包含介于下电极202与铁电材料206之间的界面材料204及介于上电极208与铁电材料206之间的另一界面材料204。在一些此类实施例中，上电极208与铁电材料206之间的界面材料204可由不同于下电极202与铁电材料206之间的界面材料204的材料形成或可具有不同于下电极202与铁电材料206之间的界面材料204的厚度。
参考图3，图中展示包含电容器200的铁电存储器单元300。铁电存储器单元300包含衬底310及形成于衬底310内的源极区域314及漏极区域312。衬底310可为半导体衬底、支撑衬底上的基底半导体材料、金属电极或具有形成于其上的一或多种材料、结构或区域的半导体衬底。衬底310可为常规硅衬底或包含半导体材料的其它块体衬底。如本文所使用，术语“块体衬底”不仅表示及包含硅晶片，且表示及包含：绝缘体上硅(“SOI”)衬底，例如蓝宝石上硅(“SOS”)衬底或玻璃上硅(“SOG”)衬底；基底半导体基座上的硅外延层；或其它半导体或光电材料，例如硅-锗(Si1-xGex，其中x是(例如)介于0.2到0.8之间的摩尔分数)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)或磷化铟(InP)等等。此外，当在以下描述中参考“衬底”时，先前工艺阶段可用于形成基底半导体结构或基座中的材料、区域或结。
铁电存储器单元300可包含存取晶体管，其包含电介质材料316及栅极电极318。电容器200可经由导电接触件(例如，导电插塞)320而连接到晶体管的漏极区域312。导电接触件320可覆于漏极区域312上且可直接接触电容器200的下电极202。导电接触件320可包含例如(例如)钨、钛、铝、铜、多晶硅或其它适合导电材料的导电材料。
栅极电介质材料316可包含适合电介质材料。在一些实施例中，栅极电介质材料316包含二氧化硅或高k电介质材料，例如氧化锆、氧化铪、氧化铝(Al2O3)、氧化钇(Y2O3)或所属领域中已知的其它高k介电质。源极区域314及漏极区域312可定位于栅极电介质材料316的相对侧上。
栅极电极318可包含例如(例如)钛、钽、钨、钌、其的氮化物、多晶硅或其它适合导电栅极电极材料的导电材料。
因此，在一个实施例中，铁电存储器单元包括覆于与半导体衬底的源极区域及漏极区域中的至少一者接触的导电材料上的电容器，所述电容器包括：第一电极，其包括氮化钛铝；铁电材料，其包括氧化铪、氧化锆或其组合；界面材料，其介于所述第一电极与所述铁电材料之间；及第二电极，其包括氮化钛，所述第二电极覆于所述铁电材料上。
在使用及操作期间，可将偏压(例如正切换电压或负切换电压)施加到包含铁电材料206的铁电存储器单元300以使铁电材料的极化切换于第一状态与第二状态之间。例如，可将电势施加于上电极208与下电极202之间以跨电容器200产生电势。在一些实施例中，上电极208可暴露于正电压或负电压，而下电极202暴露于零电压。在其它实施例中，可将第一电压施加到上电极208且可将第二电压施加到下电极202，使得所述第一电压与所述第二电压之间的差值等于正切换电压或负切换电压中的一者。
参考图4，图中展示用于转变铁电存储器单元300的极化的非对称偏压方案。可将400处所展示的例如(例如)约1.8V的第一偏置电压(例如正切换电压)施加到铁电存储器单元300。响应于第一偏置电压，电容器200的铁电材料206可变为在第一方向上极化。在一段时间之后，可移除第一偏置电压400(例如，可将铁电存储器单元暴露于零偏压)，如402处所展示。响应于移除第一偏置电压400，铁电材料206可恢复到可对应于铁电存储器单元300的逻辑状态的剩余极化。为了切换铁电材料206的极化，可将例如(例如)约-1.0V的第二偏置电压(例如负切换电压)404施加到铁电材料206。因此，负切换电压的绝对值不同于正切换电压的绝对值。响应于暴露于第二偏置电压404，可使铁电材料206在与第一方向相反的第二方向上极化。在将铁电材料206暴露于第二偏置电压404之后，可移除第二偏置电压404，且铁电材料206可恢复到可对应于铁电存储器单元300的另一逻辑状态的剩余极化。
虽然图4说明约1.8V的正偏置电压及约-1.0V的负偏置电压，但可使用其中正偏置电压的绝对值不同于负偏置电压的绝对值的任何非对称偏压方案。在一些实施例中，正偏置电压及负偏置电压中的一者的绝对值可等于正偏置电压及负偏置电压中的另一者的绝对值的约25％到约99％之间，例如约25％到约40％之间、约40％到约50％之间、约50％到约60％之间、约60％到约75％之间、约75％到约90％之间或约90％到约99％之间。在一些实施例中，正偏置电压及负偏置电压中的一者的绝对值可小于正偏置电压及负偏置电压中的另一者的绝对值的约2/3，例如约2/3到约1/2之间。
可通过(例如)跨电容器200施加电势而施加第一偏置电压400及第二偏置电压404。例如，可将第一电势(例如正切换电压)施加于下电极202与上电极208之间以跨电容器200产生电势且在电容器200内诱发铁电材料206的极化。为了诱发铁电材料206的相反极化，可通过(例如)将第二电势(例如负切换电压)施加于下电极202与上电极208之间而将第二偏置电压404施加到铁电材料206。
虽然图4说明使用一种形式的非对称偏压方案来诱发从一个极化到另一极化的转变，但可预期，可使用例如(例如)方形脉冲或三角脉冲的其它波形来切换极化。
形成包含非对称电容器200(图2)的铁电存储器单元，非对称电容器200具有：下电极202，其包含氮化钛；界面材料204，其包含氧化钛；铁电材料206，其包含氧化锆、氧化铪及其组合中的一者；及上电极208，其包含氮化钛。下电极202具有约的厚度，界面材料204具有约的厚度，铁电材料206具有约的厚度，且上电极208具有约的厚度。通过如图5A到图5E中所说明的常规技术而确定此铁电存储器单元的性能。
图5A说明非对称偏压方案施加于其的此铁电存储器单元的磁滞曲线500。非对称偏压方案可包含将约-1.2V的负切换电压施加到铁电存储器单元，如箭头502A处所指示。箭头502指示：铁电材料206的极化可在位于磁滞曲线的拐点处的约-0.7V的负矫顽电压下从正极化切换到负极化。当将铁电材料206暴露于约-0.7V的负矫顽电压时(例如，在施加负切换电压期间)，铁电材料206可开始从正极化切换到负极化。在移除负切换电压之后，铁电材料206的极化可恢复到约7μC/cm2的负剩余极化(例如-Pr)。
非对称偏压方案可包含将约1.8V的正切换电压施加到铁电存储器单元，如箭头504A处所指示。箭头504指示：铁电材料206的极化可在约1.1V的正矫顽电压下从负极化切换到正极化。当将铁电材料206暴露于约1.1V的正矫顽电压时(例如，在施加正切换电压期间)，铁电材料206可开始从负极化切换到正极化。在移除正切换电压之后，铁电材料206的极化可恢复到约5μC/cm2的正剩余极化(例如Pr)。因此，铁电材料206可展现非对称切换性质。换句话来说，用于将铁电材料206的极化从第一极化切换到第二极化的切换电压的绝对值不等于用于将铁电材料206的极化从所述第二极化切换到所述第一极化的切换电压的绝对值。例如，可通过将约1.8V的正切换电压施加到铁电材料206而将铁电材料206从负极化切换到正极化，且可通过施加约-1.2V的负切换电压而将铁电材料206从所述正极化切换到所述负极化。
参考图5B，图中展示说明包含铁电材料206的铁电存储器单元的若干周期内的所述铁电存储器单元的正剩余极化与负极化之间的差值的曲线图。x轴标绘周期数且y轴标绘2Pr的值，其于铁电材料206的正极化状态与负极化状态之间的极化差。2Pr的值可等于正剩余极化与负剩余极化之间的差值，在一些实施例中，其可对应于包含铁电材料的铁电存储器单元的极化强度。在铁电存储器单元的寿命内，可期望2Pr的值保持恒定，使得可感测用于读取铁电存储器单元的逻辑状态的恒定极化信号。
继续参考图5B，上曲线说明施加对称偏压方案(例如约1.8V的正切换电压及约-1.8V的负切换电压)时的铁电存储器单元的操作寿命内的极化强度。下曲线说明施加非对称偏压方案(例如约1.8V的正切换电压及约-1.2V的负切换电压)时的相同铁电存储器单元的操作寿命内的极化强度。在初始操作阶段期间，且直到约104个周期，使用对称偏压方案的极化强度及使用非对称偏压方案的极化强度基本上较平坦(例如，存储器单元展现基本上恒定的极化强度)，如506及510处所分别说明。然而，当使用对称偏压方案来操作时，铁电存储器单元随着铁电存储器单元的周期数增加而展现非期望增大信号峰值，如508处所说明。另一方面，当使用非对称偏压方案来操作时，铁电存储器单元随着铁电存储器单元的周期数增加而展现减小信号峰值，如512处所说明。因此，铁电存储器单元可在使用非对称偏压方案来操作时展现比使用对称偏压方案来操作时小的铁电存储器单元的操作过程中的信号峰值及信号强度变动。即使在非对称偏压方案下最大信号强度减小，但更恒定极化强度可优选地用于感测铁电存储器单元的操作状态。
可预期，可在铁电存储器单元的操作寿命期间更改正偏置电压及负偏置电压中的一者，使得极化强度维持于基本上恒定强度处。在一些实施例中，在预定数目个周期之后，正偏置电压及负偏置电压中的至少一者可经调整以维持基本上平坦极化强度。
参考图5C，图中展示依据周期数而变化的铁电存储器单元的频率相依性。图5C的上曲线图说明使用对称偏压方案来操作的三个不同铁电存储器单元(标记为“A”、“B”及“C”)的不同频率的单元脉冲(例如，脉冲之间延迟约50ns及延迟约10μs)的依据周期数而变化的铁电存储器单元的读取信号，而下曲线图说明使用非对称偏压方案来操作的三个不同铁电存储器单元的不同频率的单元脉冲的依据周期数而变化的铁电存储器单元的读取信号。图5C说明约30℃的温度处的铁电存储器单元的频率相依性。一般来说，随着脉冲之间的延迟时间增加，读取信号非期望地减小。在(例如)约4×107个周期之后，2PrNorm的值可定义为具有长延迟(例如10μs)的2Pr除以具有长延迟(例如50ns)的2Pr的比率。一般来说，期望2PrNorm的值等于约1.0，其表示铁电存储器单元的读取信号不会随周期之间的时间改变(即，周期频率)而改变。
图5C的上曲线图说明对于对称偏压方案，2PrNorm的值等于约0.833。图5C的下曲线图说明对于非对称偏压方案，2PrNorm的值等于约0.905。换句话来说，对于非对称偏压方案，在约4×107个周期之后，铁电存储器单元展现比使用对称偏压方案来操作时小的较长脉冲下的频率相依信号损失。因此，在非对称偏压方案下，铁电存储器单元展现比使用对称偏压方案来操作铁电存储器单元时小约43％的信号损失。
参考图5D，图中展示针对约100℃的温度的依据周期数而变化的铁电存储器单元的频率相依性。一般来说，铁电存储器单元性能在高温处归因于铁电材料的增强热去极化而降级。图5D说明在100℃处，使用非对称偏压方案来操作时的铁电存储器单元的频率相依性比使用对称偏压方案来操作时有所改进。例如，将对称偏压方案的2PrNorm的值展示为约0.539且非对称偏压方案的2PrNorm的值是约0.678。在一些实施例中，可在高温处操作铁电存储器单元，其表示可在高温处有利地改进2PrNorm的值。
参考图5E，图中说明使用对称偏压方案(例如约1.8V的正切换电压及约-1.8V的负切换电压)来操作的铁电存储器单元的依据时间而变化的电压及电流的曲线图。图中标绘多个周期数(例如1×103个周期、1×106个周期、1×108个周期及1×1010个周期)之后的铁电存储器单元的电压及电流。参考左上曲线图，在低周期计数(例如1×103个周期)处，铁电存储器单元的电流可展现双峰值，如514处所指示。参考右上曲线图，双峰值514可在约1×106个单元周期之后保持。双峰值514可非期望地致使铁电存储器单元切换或可在低周期计数处减小铁电存储器单元的感测窗。作为实例，铁电存储器单元可具有在双峰值514的峰值中的每一者处切换的趋势。参考图5E的下曲线图，铁电存储器单元在1×108个周期及1×1010个周期处可不再展现双峰值514。
参考图5F，图中说明使用非对称偏压方案来操作的铁电存储器单元的依据时间而变化而电压及电流的曲线图。在一些实施例中，非对称偏压方案可包含选择约1.8V的正切换电压及约-0.8V的负切换电压。参考不同电压及电流图，铁电存储器单元在低周期计数或高周期计数处不展现双峰值。而是，参考上曲线图(例如，在1×103个周期及1×106个周期处)，全部测量周期计数仅展示单峰值，如516所指示。因此，使用非对称偏压方案来操作铁电存储器单元可改进铁电存储器单元的操作且减少低周期计数处的铁电存储器单元的非期望切换。
形成包含非对称电容器200(图2)的铁电存储器单元，非对称电容器200具有：下电极202，其包含氮化钛铝(TiAlN)；电介质界面材料204，其包含氮化铝(AlN)；铁电材料206，其包含氧化锆、氧化铪及其组合中的一者；及上电极208，其包含氮化钛。下电极202具有约的厚度，界面材料204具有约的厚度，铁电材料206具有约的厚度，且上电极208具有约的厚度。通过如图6A到图6F中所说明的常规技术而确定此铁电存储器单元的性能。
图6A说明非对称偏压方案施加于其的此铁电存储器单元的磁滞曲线600。非对称偏压方案可包含将约-1.2V的负切换电压施加到铁电存储器单元，如箭头602A处所指示。箭头602指示铁电材料206的极化可在位于磁滞曲线的拐点处的约-0.7V的负矫顽电压下从正极化切换到负极化。当将铁电材料206暴露于约-0.7V的负矫顽电压时(例如，在施加负切换电压期间)，铁电材料206可开始从正极化切换到负极化。在移除负切换电压之后，铁电材料206的极化可恢复到约-10μC/cm2的负剩余极化(例如-Pr)。
非对称偏压方案可包含将约1.8V的正切换电压施加到铁电存储器单元，如箭头604A处所指示。箭头604指示铁电材料206的极化可在约1.2V的正矫顽电压下从负极化切换到正极化。当将铁电材料206暴露于约1.2V的正矫顽电压时(例如，在施加正切换电压期间)，铁电材料206可开始从负极化切换到正极化。在移除正切换电压之后，铁电材料206可展现约8μC/cm2的正剩余极化。因此，在一些实施例中，正剩余极化及负剩余极化可具有不同量值(例如，正剩余极化的绝对值可不等于负剩余极化的绝对值)。
因此，铁电材料206可展现非对称切换性质。换句话来说，用于将铁电材料206的极化从第一极化切换到第二极化的切换电压的绝对值不等于用于将铁电材料206的极化从所述第二极化切换到所述第一极化的切换电压的绝对值。例如，可通过将约1.8的正切换电压施加到铁电材料206而将铁电材料206从负极化切换到正极化，且可通过施加约-1.2V的负切换电压而将铁电材料206从所述正极化切换到所述负极化。
参考图6B，图中展示说明铁电存储器单元的若干周期内的图6A的铁电存储器单元的极化强度的曲线图。上曲线说明施加对称偏压方案(例如约1.8的正切换电压及约-1.8V的负切换电压)时的铁电存储器单元的2Pr的值，且下曲线说明施加非对称偏压方案(例如约1.8V的正切换电压及约-1.2V的负切换电压)时的铁电存储器单元的极化强度，如上文参考图5B所描述。如606及610处所说明，使用对称偏压方案的铁电存储器单元的极化强度及使用非对称偏压方案的铁电存储器单元的极化强度在操作的初始阶段期间是基本上平坦的。当使用对称偏压方案来操作时，极化强度在约105个周期处开始增大且在约108个周期处达到信号峰值，如608处所指示。当使用非对称偏压方案来操作时，极化强度在约106个周期处开始增大，且信号峰值出现于约108个周期处，如612处所指示。有利地，612处的峰值信号与铁电存储器单元的整个操作寿命内所展现的极化强度基本上相同。因此，在铁电单元的寿命内，使用非对称偏压方案来操作的铁电存储器单元的极化强度可保持基本上恒定。
当使用对称偏压方案来操作时，铁电存储器单元可在约108个周期之后开始疲劳。例如，读取信号可在约108个周期之后减弱，且可在约1011个周期之后减小到约6μC/cm2。当使用非对称偏压方案来操作时，铁电存储器单元不会像使用对称偏压方案来操作时那样早地展现疲劳。例如，铁电存储器单元直到约109个周期之后才开始展现疲劳。因此，当使用非对称偏压方案来操作时，铁电存储器单元可展现较低信号峰值量且直到更多操作周期之后才展现疲劳。当比较图6B的结果与图5B(其标绘包含不同于图6B中的材料的材料的铁电存储器单元的极化强度)的结果时，观察到类似趋势。
继续参考图6B，包含氮化钛铝下电极及氮化铝界面材料的铁电存储器单元可在铁电存储器单元的操作期间展现比包含具有不同厚度的氮化钛电极的铁电存储器单元小的极化强度变动。
参考图6C，图中展示约30℃的温度处的依据周期数而变化的铁电存储器单元的频率相依性。图6C的上曲线图说明对于对称偏压方案，2PrNorm等于约0.929。下曲线图说明对于非对称偏压方案，2PrNorm等于约0.961。因此，当使用非对称偏压方案来操作时，铁电存储器单元可展现比使用对称偏压方案来操作时小的较长周期脉冲处的频率相依信号损失。
参考图6D，图中展示针对约100℃的温度的依据周期数而变化的铁电存储器单元的频率相依性。对称偏压方案的2PrNorm的值是约0.759且非对称偏压方案的2PrNorm的值是约0.733。因此，当使用对称偏压方案来操作时，铁电存储器单元仅可展现比使用非对称偏压方案来操作时略高的2PrNorm的值。
参考图6E，非对称偏压方案可经调适以在铁电存储器单元的操作寿命内实现期望信号强度。图6E说明非对称铁电存储器单元的多个非对称偏压方案及对称偏压方案。当改变正切换电压时，偏压方案中的每一者包含相同负切换电压(即，-1.8V)。如图6E中所说明，正切换电压可影响铁电存储器单元的初始信号水平。随着正切换电压增大，铁电存储器单元的信号水平还可增大。
参考图6F，非对称偏压方案可经调适以控制信号峰值的量及疲劳的开始。图6F说明在改变负切换电压时具有相同正切换电压(即，1.8V)的数个偏压方案的依据周期数而变化的信号强度。一般来说，当使用具有较大量值的负切换电压(例如-2.8V、-2.5V、-2.2V等等)来操作时，铁电存储器单元展现较大量的非期望信号峰值。然而，当使用具有较低量值的负切换电压(例如-0.8V、-0.9V、-1.0V等等)来操作时，铁电存储器单元展现较低信号强度且还在较低周期数处开始疲劳。在例如-1.2V、-1.4V及-1.6V的负切换电压下，铁电存储器单元展现基本上平坦信号且直到比其它偏压方案高的周期数之后才开始展现疲劳特性。作为一个实例，当使用具有约1.8V的正切换电压及约-1.2V的负切换电压的偏压方案来操作时，铁电存储器单元在存储器单元的操作寿命期间展现基本上平坦信号且甚至直到约1010个周期之后才展现减小疲劳特性。因此，非对称偏压方案可减少电力消耗且维持期望性能。因此，可实现强信号，同时还减少铁电存储器单元的疲劳性质。
因此，在一个实施例中，一种操作铁电存储器单元的方法包括将正偏置电压及负偏置电压中的一者施加到包括电容器的铁电存储器单元，所述电容器包含上电极、下电极、所述上电极与所述下电极之间的铁电材料，及所述铁电材料与所述上电极及所述下电极中的一者之间的界面材料；及将所述正偏置电压及所述负偏置电压中的另一者施加到所述铁电存储器单元以切换所述铁电存储器单元的极化，其中所述负偏置电压的绝对值不同于所述正偏置电压的绝对值。
因此，在另一实施例中，一种操作铁电存储器单元的方法包括将正偏置电压及负偏置电压中的一者施加到铁电电容器，所述铁电电容器包括第一电极、所述第一电极与铁电材料之间的界面材料，及相邻于所述铁电材料的第二电极；及将所述正偏置电压及所述负偏置电压中的另一者施加到所述铁电电容器，所述负偏置电压具有不同于所述正偏置电压的量值。
使用非对称偏压方案来操作非对称铁电存储器单元可减少所述非对称铁电存储器单元的操作期间所使用的电力消耗，减小信号峰值，且减少频率相依信号损失。在此操作方案下，所述铁电存储器单元不会被过驱动且可经配置以在崩溃之前操作较长时间段。所述铁电存储器单元可包含上电极及下电极，其具有不同厚度，由不同材料形成，由不同处理条件形成，或其组合。铁电材料可包含氧化铪、氧化锆或其组合。界面材料可安置于所述铁电材料与所述上电极及所述下电极中的一者之间。
虽然已结合图式来描述某些说明性实施例，但所属领域一般技术人员将认识到且应了解，由本发明涵盖的实施例不限于为本文明确所展示及所描述的实施例。而是，可在不背离由本发明涵盖的实施例(例如下文所主张的实施例，其包含合法等效物)的范围的情况下对本文所描述的实施例作出许多添加、删除及修改。另外，来自一个上揭示实施例的特征可与另一揭示实施例的特征组合，同时仍涵盖于由发明者预期的本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种操作非对称铁电存储器单元的方法，所述方法包括：
将正偏置电压或负偏置电压中的一者施加到包括非对称铁电电容器的所述非对称铁电存储器单元，所述非对称铁电电容器包括：
第一电极，其包括氮化钛铝；
第二电极，其包括氮化钛、氮化钛铝或氮化钽，其中所述第二电极具有不同于所述第一电极的厚度；
铁电材料，其包括氧化铪、氧化锆或其组合，所述铁电材料介于所述第一电极与所述第二电极之间；及
电介质界面材料，其包括介于所述第一电极与所述第二电极之间的氧化钛或氮化铝；及
将所述正偏置电压或所述负偏置电压中的另一者施加到所述铁电存储器单元以切换所述铁电存储器单元的极化，所述负偏置电压具有不同于所述正偏置电压的量值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中施加正偏置电压或负偏置电压中的一者包括施加具有在所述正偏置电压或所述负偏置电压中的另一者的绝对值的约25％与99％之间的绝对值的所述正偏置电压或所述负偏置电压中的一者。
3.根据权利要求1所述的方法，其中施加正偏置电压或负偏置电压中的一者包括施加具有在所述正偏置电压或所述负偏置电压中的另一者的绝对值的约60％与75％之间的绝对值的所述正偏置电压或所述负偏置电压中的一者。
4.根据权利要求1所述的方法，其中将正偏置电压或负偏置电压中的一者施加到所述非对称铁电存储器单元包括将所述正偏置电压或所述负偏置电压中的所述一者施加到所述非对称铁电电容器，所述界面材料直接在所述第一电极或所述第二电极中的一者之上且接触所述第一电极或所述第二电极中的一者。
5.根据权利要求1所述的方法，其中将正偏置电压或负偏置电压中的一者施加到所述非对称铁电存储器单元包括将所述正偏置电压或所述负偏置电压中的一者施加到所述非对称铁电电容器，其中所述界面材料包括氧化钛。
6.根据权利要求1所述的方法，其中将正偏置电压或负偏置电压中的一者施加到所述非对称铁电存储器单元包括将所述正偏置电压或所述负偏置电压中的一者施加到所述非对称铁电电容器，其中所述第二电极包括氮化钛铝。
7.根据权利要求1所述的方法，其中将正偏置电压或负偏置电压中的一者施加到所述非对称铁电存储器单元包括将所述正偏置电压或所述负偏置电压中的一者施加到所述非对称铁电电容器，所述非对称铁电电容器具有不同于负剩余极化的正剩余极化。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在预定数目个周期之后，更改所述正偏置电压或所述负偏置电压中的至少一者。
9.一种非对称铁电存储器单元，其包括：
非对称电容器，所述非对称电容器包括：
第一电极，其包括氮化钛铝；
第二电极，其包括氮化钛、氮化钛铝或氮化钽并且具有不同于所述第一电极的厚度；
铁电材料，其包括氧化铪、氧化锆或其组合，所述铁电材料介于所述第一电极与所述第二电极之间；及
电介质界面材料，其包括介于所述第一电极与所述第二电极之间的氧化钛。
10.根据权利要求9所述的非对称铁电存储器单元，其中所述铁电材料进一步包括掺杂剂，所述掺杂剂包括硅、铝、锆、镁、锶、钆、钇或其组合。
11.根据权利要求9所述的非对称铁电存储器单元，其中所述第二电极包括氮化钛。
12.一种非对称电容器，其包括：
第一电极，其包括氮化钛；
铁电材料，其包括氧化铪、氧化锆或其组合；
第二电极，其具有不同于所述第一电极的厚度，在所述铁电材料上方；以及
电介质界面材料，其包括所述第一电极与所述第二电极之间的氮化铝或氧化钛。
13.根据权利要求12所述的非对称电容器，其中所述第二电极包括氮化钛。
14.根据权利要求12所述的非对称电容器，其中所述第二电极包括氮化钛铝。
15.根据权利要求12所述的非对称电容器，其中所述铁电材料包括氧化铪且直接上覆并接触所述界面材料。
16.根据权利要求12所述的非对称电容器，其中所述界面材料直接上覆并接触所述第一电极。
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