[发明专利]一种利用合金电极调控氧化铪基铁电材料铁电性的方法

说明书

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。

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。