掺杂浓度对Y掺杂HfO2铁电薄膜的畴反转过程的调控作用

袁秀芳

摘 要：鐵电存储器是铁电材料的最重要的应用，而铁电存储器一个非常重要的指标就是其运行速度，影响其运行速度的主要是铁电材料内铁电畴的极化反转速度。HfO2铁电材料作为未来铁电存储器的理想材料，了解其畴反转过程非常重要。掺杂是使HfO2薄膜产生铁电性的一个非常重要的方法，掺杂浓度对HfO2铁电薄膜的铁电性能影响非常大，因此了解掺杂浓度对HfO2铁电薄膜的畴反转过程（即极化反转速度）的影响对我们更好利用HfO2铁电薄膜为基础的铁电存储器非常重要。在本文中，我们利用PLD制备了Y掺杂HfO2铁电薄膜（HYO），发现了Y掺杂浓度对HYO铁电薄膜的铁电性能的影响，我们在经过测试后也发现掺杂浓度可以影响HYO铁电薄膜畴反转过程，发现了随着掺杂浓度的增加HYO铁电薄膜中铁电畴的极化反转速度增加。

关键词：铁电存储器;HfO2铁电薄膜;掺杂;极化反转速度

自上世纪90年代以来，铁电存储器因其非易失性、读写速度快、低功耗等显著优点而备受关注。2011年被发现具有铁电性的氧化铪薄膜材料因其与Si基CMOS集成工艺兼容且其在很低物理厚度仍然具有铁电性，[1]具有优秀的小型化能力等优点被视为未来非易失存储器的理想材料。要使氧化铪薄膜材料产生铁电性有很多方法，其中最常见的方法是掺杂。到现在为止Si、Y、Sr、Gd、Al、Zr等元素被发现可以通过掺杂使HfO2薄膜具有铁电性[1-3]。而掺杂元素的种类、浓度的不同可以影响HfO2铁电薄膜的铁电性能。铁电存储器一个非常重要的指标就是其运行速度，影响其运行速度的主要是铁电材料内铁电畴的极化反转速度。而掺杂作为最常用的产生铁电性的手段，掺杂浓度作为最容易调控的参量，了解掺杂浓度对HfO2铁电薄膜铁电畴极化反转过程的影响，能帮助我们调控HfO2材料的极化反转速度，让我们可以更好调控铁电存储器的运行速度，从而更好地使用铁电存储器。

1 实验

样品的制备：在本文中我们应用的结构为MIM（Au/TiN/HYO/TiN）电容器件结构，我们在TiN基底上利用脉冲激光交替打靶的方式沉积HYO薄膜，通过控制对HfO2和Y2O3靶的打击次数比例来控制掺杂浓度。接下来利用PLD沉积TiN顶电极薄膜。TiN（基底）、HYO、TiN的厚度分别为120nm、20nm、30nm。通过快速热退火使上述HYO薄膜结晶。然后光刻、溅射（Au）、剥离、刻蚀等过程形成我们需要的MIM结构。

样品的测试：在完成样品的测试后，我们对样品进行表征。我们利用脉冲波进行电滞回线表征，确定铁电性。然后通过如图1所示的脉冲需要对其铁电畴反正进行表征。[4]

2 结果与讨论

如图2所示，为三个不同掺杂浓度的HYO薄膜的电滞回线，我们可以看见三个薄膜均具有铁电性。而且我们可以看见随着掺杂浓度的不同，HYO的剩余极化强度及矫顽场均不同。我们可以看见HfO2铁电薄膜、其剩余极化强度随着掺杂浓度的增大而减小，在其掺杂浓度为3.76mol%时，其剩余极化强度（2Pr）最大约为27μC/cm2，但其矫顽场强度的变化却不是随着掺杂浓度发生线性变换，随着掺杂浓度的变化，HfO2铁电薄膜的矫顽场先减小后增大的变化，其中在掺杂浓度为4mol%时矫顽场最大约为1.7MV/cm，掺杂浓度为3.9mol%时矫顽场最小约为1.4MV/cm，为的铁电薄膜。而上述三组薄膜均存在正负矫顽场大小不同的现象，这一现象应该是由由于底电极和顶电极的TiN材料制备工艺不同造成的。

图3为我们用图一中脉冲序列测试对三组HYO的MIM器件的电畴反转过程进行的表征结果。在图中横坐标为脉冲持续时间，纵坐标为归一化极化强度（反映了薄膜中反转畴的比例），同一图中的不同曲线使用的是不同的脉冲幅度。我们可以看到三组样品均满足当脉冲电压较小时，需要较长的脉冲持续时间去反转极化，而当脉冲电压较大时，只需要很短的脉冲持续时间即可反转极化，且随着脉冲幅度和持续时间的增长，反转极化强度增大的基本规律。但是对于不同组分的样品，铁电畴的极化反转速度不同，随着掺杂浓度的增加，样品的极化反转速度增大。但是通过观察，我们可以发现它们对于电压的响应不同即在电压增大时它们的反转速度增大幅度不同。即我们发现不同的Y掺杂浓度可以调控HfO2铁电薄膜的铁电畴极化反转过程，不同Y掺杂浓度可以系统调控HfO2铁电薄膜的极化反转速度，但是无法系统调控HfO2铁电薄膜的极化反转速度对于电压的响应。

3 结论

综上所述，我们制备了不同掺杂浓度的HYO铁电薄膜及Au/TiN/HYO/TiN的MIM电容器件，测试了其晶体结构和电学性质，利用脉冲序列对器件的电畴反转过程进行了表征。我们发现掺杂浓度不仅可以调控HYO铁电薄膜的剩余极化强度和矫顽场，还可以调控HfO2铁电薄膜的铁电畴极化反转过程，不同Y掺杂浓度可以系统调控HfO2铁电薄膜的极化反转速度，但是无法系统调控HfO2铁电薄膜的极化反转速度对于电压的响应。

参考文献：

[1]M Hoffmann，U Schroeder，T Schenk，et al.Stabilizing the ferroelectric phase in doped hafnium oxide[J].Journal of Applied Physics，2015，118（7）：072006.

[2]J E Lowther，J K Dewhurst，J M Leger，et al.Relative stability of ZrO2 and HfO2 structural phases[J].Physical Review B，1999，60（21）：14485.

[3]J Müller，T S Bscke，D Bruhaus，et al.Ferroelectric Zr0.5Hf0.5O2 thin films for nonvolatile memory applications[J].Applied Physics Letters，2011，99（11）：112901.

[4]M Grossmann.M.Grossmann，D.Bolten，O.Lohse，U.Boettger，R.Waser，and S.Tiedke，Appl.Phys.Lett.77，3830（2000）[J].Appl.Phys.Lett.，2000，77：3830.