CN115881702A - 一种利用合金电极调控氧化铪基铁电材料铁电性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用合金电极调控氧化铪基铁电材料铁电性的方法。在采用氧化铪基铁电材料的铁电层的上下两面分别设置顶电极和底电极，其中，顶电极和/或底电极采用两种或更多种金属组成的合金材料，通过调节这两种或更多种金属的比例来调节合金材料的属性，从而对氧化铪基铁电材料的剩余极化和矫顽场的偏置实现调控。本发明首次提出采用合金电极对氧化铪基铁电材料的剩余极化和矫顽场的偏置进行调控，通过逐渐调节合金电极中各金属的比例，可以获得单种金属所不具备的中间特性，从而实现连续调节、精确调节的效果。本发明对铁电器件性能的调控和优化有重要价值，为铁电器件在存储、逻辑和类脑计算领域的应用提供了重要的支撑作用。

Description

一种利用合金电极调控氧化铪基铁电材料铁电性的方法

技术领域

本发明属于铁电存储器领域，具体涉及一种利用合金电极调控氧化铪基铁电材料铁电性的方法。

背景技术

氧化铪基铁电材料在存储、逻辑和类脑计算等领域中有着广阔的应用前景。为了实现上述应用，基于氧化铪基铁电材料的铁电电容、铁电晶体管和铁电隧道结等器件被广泛的研究。可控的调节氧化铪基铁电材料的铁电性，包括剩余极化强度和矫顽电场的偏置，对于调控上述铁电器件的特性起着至关重要的作用，而电极材料对氧化铪基铁电材料铁电性的形成以及矫顽电场的偏置有重要影响。在快速退火的过程中，电极材料能够提供应力的限制作用于铁电层，进而影响铁电层的铁电极化强度。顶、底电极的功函数差异可以调节矫顽电场的偏置。但需要注意的是，之前研究使用的电极材料都局限于金属氧化物、金属氮化物以及单元素的金属材料，没有研究合金材料对氧化铪基铁电材料的性能调控。由于不同金属的材料属性（例如热膨胀系数、功函数）是分立的值，因此采用不同金属电极获得的剩余极化强度、矫顽场的偏置也是分立的值，不能对氧化铪基铁电材料的剩余极化、矫顽场的偏置实现连续调节、精确调节。

发明内容

为了解决现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用合金电极调控氧化铪基铁电材料铁电性的方法，使用合金电极，通过改变两种金属的比例逐渐调节合金材料的属性，进而对氧化铪基铁电材料的剩余极化、矫顽场的偏置实现连续而精确的调控效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种调控氧化铪基铁电材料铁电性的方法，在采用氧化铪基铁电材料的铁电层的上下两面分别设置顶电极和底电极，其中，顶电极和/或底电极采用两种或更多种金属组成的合金材料，通过调节这两种或更多种金属的比例来调节合金材料的属性，从而对氧化铪基铁电材料的剩余极化和矫顽场的偏置实现调控。

上述调控氧化铪基铁电材料铁电性的方法可以通过一种铁电电容器（存储器）结构来实现，所述铁电电容器（存储器）包括衬底、底电极、铁电层、顶电极，其中底电极、铁电层和顶电极依次层叠在衬底上。

所述衬底可以是硅（Si）、蓝宝石（Al₂O₃）、镧锶锰氧（LSMO）、钛酸锶（STO）等硬质衬底。

所述铁电层采用氧化铪基铁电材料，在氧化铪（HfO₂）中掺杂Zr、Al、La、Si、Sr、Mg、Y、Gd等元素。所述氧化铪基铁电材料的组成可以用化学通式Hf_1-xM_xO₂表示，M代表Zr、Al、La、Si、Sr、Mg、Y、Gd等掺杂元素中的一种或多种，0.01≤x≤0.99。铁电层的厚度在1 nm~1 μm之间，可采用原子层沉积、磁控溅射、激光脉冲沉积等半导体加工方法制备。

优选的，所述氧化铪基铁电材料中，Zr元素的掺杂原子百分比在1%到99%之间，Al、La、Si、Sr、Mg、Y、Gd等元素的掺杂原子百分比在1%到20%之间。

所述底电极、顶电极由导电材料通过微纳加工工艺实现。可选择底电极为非合金电极，顶电极为合金电极；或者选择底电极为合金电极，顶电极为非合金电极；或者底电极和顶电极都为合金电极。

所述非合金电极可采用金属材料如Ti、Cr、Sc、Pd、Au、Pt、W、Al、Ir、Ru、Ni、Cu、Mo等，亦可采用金属氧化物如RuO₂、IrO₂等，金属氮化物如TiN、TaN等，柔性导电材料如ITO等。电极的厚度一般为1~300 nm，可采用磁控溅射、原子层沉积、电子束蒸发、热蒸发等半导体加工方法制备。

所述合金电极可采用两种或多种金属材料进行合金，优选的，这些金属材料至少包含热膨胀系数差异较大的两种金属，其中高热膨胀系数的金属优选Au、Ni、Al、Cu等，低热膨胀系数的金属优选W、Mo等，两种金属在合金中的比例可在1%到99%之间进行调控。合金电极的厚度一般为1 nm~300 nm，可采用磁控溅射（共溅射）、原子层沉积、电子束蒸发、热蒸发等半导体加工方法制备。由于热膨胀系数不同，两种金属电极产生剩余极化的能力不同，可以通过增加合金电极中低热膨胀系数金属的比例逐渐增大剩余极化。由于金属功函数不同，两种金属电极导致的矫顽场的偏置也不同，可以通过调节合金电极中金属的比例，实现对偏置的逐渐调节。

本发明提出的利用合金电极调控铁电性的方法，具有以下优点：

本发明首次提出采用合金电极对氧化铪基铁电材料的剩余极化和矫顽场的偏置进行调控，对调控铁电器件的特性有着重要的意义；通过逐渐调节合金电极中各金属的比例，可以获得单种金属所不具备的中间特性，从而实现连续调节、精确调节的效果。本发明对铁电器件性能的调控和优化有重要价值，为铁电器件在存储、逻辑和类脑计算领域的应用提供了重要的支撑作用。

附图说明

图1为本发明利用合金电极调控铁电性的方法的一个实施例的器件结构剖面示意图。

图2为本发明利用合金电极调控铁电性的方法的一个实施例的器件立体示意图。

图3为本发明利用合金电极调控铁电性的方法的一个实施例的铁电极化-电场（P-E）曲线随合金电极组分变化规律的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例进一步阐述本发明。

本实施例制备了如图1和图2所示的铁电电容器（存储器），包括：衬底1、底电极2、铁电层3、顶电极4；其中，底电极2、铁电层3和顶电极4依次层叠在衬底1上。

本实施例中衬底材料为硅（Si）。

本实施例中铁电层采用氧化铪基铁电材料，在氧化铪（HfO₂）中掺杂Zr元素，掺杂元素的原子百分比为50%，材料厚度为20 nm，采用原子层沉积制备。

本实施例中选择底电极作为非合金电极，材料为镍（Ni），电极的厚度为80 nm，采用磁控溅射制备。

本实施例中选择顶电极作为合金电极，材料为镍-钨（Ni-W）合金，两种金属在合金中的比例可在1%到99%（摩尔比）之间进行调控，电极的厚度为80 nm，采用磁控溅射（共溅射）制备。

本实施例提供的铁电电容器（存储器）在工作时的激励信号输入示意图如图1所示，其中顶电极施加电压信号，底电极接地。

参见图2，本实施例提供的铁电电容器（存储器）制备步骤如下：

1）采用紫外光刻在衬底上定义底电极的图形；

2）采用磁控溅射制备底电极镍（Ni），并用丙酮剥离；

3）采用原子层沉积制备出所需的氧化铪基铁电材料；

4）采用紫外光刻在铁电层上定义顶电极的图形；

5）采用磁控溅射（共溅射）制备顶电极镍-钨合金（Ni-W），不同样品的合金电极中钨具有不同的占比（1%，25%，50%，75%，99%），并用丙酮剥离；

6）采用紫外光刻定义底电极的接触孔；

7）采用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）去除接触孔处的氧化铪，并去胶；

8）采用快速退火炉（RTA）对样品进行退火，退火温度500 ℃，保持时间60 s，氮气氛围。

本实施例中的铁电电容器在制备完成后，进行P-E测试。图3展示了电极厚度一定、铁电层组成和厚度一定、退火条件一定、合金电极层金属比例不同的器件的P-E特性示意图。随着W的比例从1%逐渐增加的99%，铁电电容的剩余极化（P _r）逐渐增大。随着W的比例从1%逐渐增加的99%，铁电电容矫顽场的偏置（E _offset）逐渐向正方向偏移。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种调控氧化铪基铁电材料铁电性的方法，在采用氧化铪基铁电材料的铁电层的上下两面分别设置顶电极和底电极，其中，顶电极和/或底电极采用两种或更多种金属组成的合金材料，通过调节这两种或更多种金属的比例来调节合金材料的属性，从而对氧化铪基铁电材料的剩余极化和矫顽场的偏置实现调控。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化铪基铁电材料的化学通式为Hf_{1- x}M_xO₂，其中M代表掺杂元素，0.01≤x≤0.99。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述M选自Zr、Al、La、Si、Sr、Mg、Y、Gd中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述顶电极和/或底电极采用的合金材料中至少包含热膨胀系数差异较大的两种金属。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述合金材料中至少包含一种高热膨胀系数的金属和一种低热膨胀系数的金属，所述高热膨胀系数的金属选自Au、Ni、Al、Cu，所述低热膨胀系数的金属选自W、Mo。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，合金材料中的两种金属在合金中的比例在1%至99%之间进行调节，通过增加热膨胀系数较低的金属的比例来增大剩余极化。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁电层的厚度为1 nm~1 μm之间。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述顶电极和底电极的厚度各自为1 nm~300nm。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底电极为非合金电极，顶电极为合金电极；或者，所述底电极为合金电极，顶电极为非合金电极；或者，底电极和顶电极都为合金电极。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述非合金电极采用一种金属材料，或者采用金属氧化物、金属氮化物或柔性导电材料；所述合金电极采用至少两种金属材料。

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