專利名稱：一種基于ai的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)的鐵電體/半導(dǎo)體存貯器結(jié)構(gòu)，包括鐵電體中的鐵電極化效應(yīng)和AlxGa1-xN層中的壓電極化效應(yīng)對AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)界面二維電子氣密度的調(diào)制機(jī)制，以及這種存貯器結(jié)構(gòu)的制備方法。
二、技術(shù)背景從上世紀(jì)70年代以來，國際上就做出各種努力，想利用鐵電材料極強(qiáng)的極化效應(yīng)和很高的相對介電常數(shù)，把鐵電體引入以半導(dǎo)體材料為主的微電子技術(shù)中，其中最有希望的一種器件結(jié)構(gòu)是金屬-鐵電體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MFS-FET)，這種器件可用于制作不揮發(fā)型的只讀存貯器。
從半導(dǎo)體器件的角度看，MFS-FET依然屬于金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MIS-FET)的范疇，但是在MFS-FET結(jié)構(gòu)中，用鐵電體做絕緣體，代替了一般金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)場效應(yīng)器件中的SiO2。很長一段時間以來，人們一直用Si材料作為MFS-FET中的半導(dǎo)體溝道材料，主要優(yōu)勢是在器件制備上與現(xiàn)有的半導(dǎo)體MOS器件工藝兼容。但這種結(jié)構(gòu)在技術(shù)上遇到的主要問題是Si上淀積鐵電薄膜必須在高溫下進(jìn)行，且淀積后鐵電薄膜又需進(jìn)行熱退火處理，在這些過程中鐵電體/Si界面的原子互擴(kuò)散非常嚴(yán)重，并發(fā)生界面固相反應(yīng)，從而鐵電體/Si界面性質(zhì)難以控制。同時，鐵電體/Si界面存在的高界面態(tài)密度嚴(yán)重破壞了MFS-FET存貯器結(jié)構(gòu)的特性。這些問題多年來嚴(yán)重制約了Si基鐵電存貯器的發(fā)展。
III族氮化物寬帶隙半導(dǎo)體材料(含GaN、AlN、InN及其三元合金)是近年來國際上高度重視的第三代新型半導(dǎo)體材料，具有耐高溫、耐腐蝕，高飽和電子漂移速度，高擊穿場強(qiáng)，直接帶隙等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)。AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是發(fā)展高溫、高功率、高頻半導(dǎo)體器件的首選材料體系，AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(HFET)，又稱高電子遷移率晶體管(HEMT)的研制水準(zhǔn)迅速提高，工藝技術(shù)基本成熟，器件性能已接近實用化。同時，以SiO2為柵材料的AlxGa1-xN/GaN MIS-HFET的研究也受到了高度重視。因此，如果用III族氮化物材料，特別是AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料代替Si材料用于研制MFS-HFET存貯器結(jié)構(gòu)，既可以解決鐵電體/Si界面的高溫不穩(wěn)定問題，也能充分利用AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)界面二維電子氣(2DEG)很好的輸運(yùn)性質(zhì)，提高此類存貯器結(jié)構(gòu)的響應(yīng)速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研制出以AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體溝道的MFS結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)其存貯性能，提高此類存貯器結(jié)構(gòu)的響應(yīng)速度。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的以藍(lán)寶石為襯底，設(shè)有高質(zhì)量的AlxGa1-xN/GaN調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，X取值在0.15-0.30之間；再在AlxGa1-xN層上生長PZT鐵電薄膜，最后分別在AlxGa1-xN層和PZT層上制備底電極和頂電極。
GaN厚度1-2um，AlxGa1-xN層厚度10-100nm，PZT層厚度100-500nm。
由于AlxGa1-xN和GaN之間的晶格失配，以及AlxGa1-xN很高的壓電系數(shù)，GaN上AlxGa1-xN層中存在很強(qiáng)的壓電極化效應(yīng)，導(dǎo)致AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)界面形成濃度達(dá)～1013cm-2的二維電子氣(2DEG)，2DEG遷移率達(dá)1000cm2/V.s以上，以此形成AlxGa1-xN/GaN基MFS結(jié)構(gòu)中較為理想的溝道。
以脈沖激光淀積(PLD)技術(shù)在AlxGa1-xN層上淀積Pb(Zr0.53Ti0.47)O3(鋯鈦酸鉛，簡稱PZT)薄膜。PZT是一種典型的鐵電材料，其零電場下剩余極化電荷可達(dá)10μC/cm2，其相對介電常數(shù)可高達(dá)1000以上。很薄的PZT膜(幾百納米)就可以產(chǎn)生很強(qiáng)的極化電場來調(diào)制AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)界面溝道中的2DEG濃度。
最后采用電子束蒸發(fā)方法在PZT膜上做出Al電極(頂電極)，在AlxGa1-xN/GaN上做出Ti/Al歐姆接觸電極(底電極)，形成可以進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)測量的AlxGa1-xN/GaN基MFS結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明在國際上首次采用AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為MFS存貯器結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體溝道，主要創(chuàng)新點包括(1)由于III族氮化物材料的高溫穩(wěn)定性，可以解決鐵電體/Si界面的高溫不穩(wěn)定和界面固相反應(yīng)等問題；(2)利用了AlxGa1-xN層很強(qiáng)的極化效應(yīng)，一方面使AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)界面產(chǎn)生高濃度、高遷移率的二維電子氣，形成了較理想的器件溝道；另一方面，AlxGa1-xN層形成的極化場與PZT層形成的極化場(在負(fù)偏壓下兩者方向相反)共同作用，使得MFS結(jié)構(gòu)的電容-電壓(C-V)存貯窗口完全在負(fù)偏壓下實現(xiàn)。這意味著在不需要PZT鐵電薄膜進(jìn)行極化反轉(zhuǎn)的情況下就可以產(chǎn)生C-V存貯窗口，從而大大減小了Si基MFS結(jié)構(gòu)中由于鐵電反轉(zhuǎn)疲勞效應(yīng)帶來的各種問題。這種無需鐵電極化反轉(zhuǎn)就可實現(xiàn)C-V存貯窗口的特性是Si基MFS結(jié)構(gòu)不可能實現(xiàn)的。
四

圖1PZT/Al0.22Ga0.78N/GaN MFS結(jié)構(gòu)示意2Al0.22Ga0.78N/GaN調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高分辨X射線衍射ω/2θ搖擺曲線。多個衛(wèi)星峰說明了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量和異質(zhì)界面的陡峭。這是在Al0.22Ga0.78N/GaN異質(zhì)界面形成高濃度、高遷移率2DEG的基礎(chǔ)。
圖3(a)PZT/Al0.22Ga0.78N/GaN MFS結(jié)構(gòu)簡圖，(b)該結(jié)構(gòu)在負(fù)偏壓下的電荷分布示意圖，(c)導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)示意圖，實線表示存在PZT鐵電極化的情形，虛線表示沒有PZT鐵電極化的情形，Pf表示PZT層中的鐵電極化矢量(負(fù)偏壓下)，Pp表示Al0.22Ga0.78N層中的壓電極化矢量，Pf與Pp方向相反。Pf隨外加偏壓變化，它在負(fù)偏壓下抬高GaN層導(dǎo)帶底，使Al0.22Ga0.78N/GaN異質(zhì)界面三角形量子阱變淺，導(dǎo)致2DEG濃度下降。Pp不隨外加偏壓變化，它的作用正好與Pf相反，使Al0.22Ga0.78N/GaN界面量子阱變深，導(dǎo)致2DEG濃度上升。
圖4Al0.22Ga0.78N/GaN基MFS結(jié)構(gòu)1MHz時的高頻C-V曲線，全圖是整個電壓掃描范圍的曲線，內(nèi)圖是負(fù)偏壓下的曲線。當(dāng)偏壓大于0.7V(正偏)時，電容C取決于PZT膜，由于其很大的相對介電常數(shù)，C很大；當(dāng)偏壓變?yōu)樨?fù)偏時，電壓加在Al0.22Ga0.78N層上，C急劇下降。-9V偏壓附近C的變化是由于2DEG的耗盡。
圖5Al0.22Ga0.78N/GaN基MFS結(jié)構(gòu)的C-V掃描遲滯回線，為反時針方向。C-V鐵電存貯窗口在-9V附近，寬度0.2V，它是由于電壓正掃和反掃過程中不同的鐵電極化狀態(tài)導(dǎo)致的，整個C-V存貯窗口在負(fù)偏壓范圍內(nèi)，表明PZT膜的鐵電極化未發(fā)生反轉(zhuǎn)。
五、具體實施方法以表面為(0001)面的藍(lán)寶石為襯底，用MOCVD生長Al0.22Ga0.78N/GaN調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)。生長時，以GaN為緩沖層(厚度30nm)生長溫度488℃；然后，外延生長GaN層(厚度2μm)生長溫度1030℃；然后再生長未摻雜的Al0.22Ga0.78N層，厚度3nm，生長溫度1080℃；最后生長Si摻雜n型Al0.22Ga0.78N層，厚度75nm，生長溫度1080℃。MOCVD生長在常壓下進(jìn)行，生長源分別為三甲基鎵(TMG)，三甲基鋁(TMA)和高純氨氣(NH3)，載氣和稀釋氣體為氫氣(H2)。Al0.22Ga0.78N層組份比由TMG和TMA之流量比決定。
在Al0.22Ga0.78N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上用脈沖激光淀積(PLD)生長PZT薄膜，膜厚400nm，激光器為KrF準(zhǔn)分子激光器(波長248nm)，淀積時在靶表面形成2.5J/cm2的能量密度，生長溫度750℃。
最后采用電子束蒸發(fā)方法在PZT膜上做出Al電極(頂電極)，在AlxGa1-xN/GaN上做出Ti/Al歐姆接觸電極(底電極)，形成Al0.22Ga0.78N/GaN基MFS結(jié)構(gòu)。
高質(zhì)量AlxGa1-xN/GaN調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備是AlxGa1-xN/GaN基MFS存貯結(jié)構(gòu)制備的核心技術(shù)，下列過程為典型的Al0.22Ga0.78N/GaN調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)MOCVD生長工藝GaN緩沖層的生長及退火TMG流量15μmol/min，NH3流量3.5SLM/min，H2流量3.0SLM/min
生長溫度488℃生長時間140秒，厚度30nm生長壓力760 Torr生長后退火H2流量1.0SLM/min，NH3流量0.5SLM/min；1030℃；5min非摻雜GaN(i-GaN)外延層生長TMG流量60μmol/min，NH3流量4.0SLM/min，H2流量0.5SLM/min生長溫度1030℃生長時間60min，厚度2μm生長壓力760 Torr非摻雜Al0.22Ga0.78N(i-AlGaN)外延層生長TMG流量10μmol/min，TMA流量12μmol/min，NH3流量4.0SLM/min，H2流量0.5SLM/min生長溫度1080℃生長時間39秒，厚度3nm生長壓力760 TorrSi摻雜n型Al0.22Ga0.78N(n-AlGaN)外延層生長TMG流量10μmol/min，TMA流量12μmol/min，NH3流量4.0SLM/min，H2流量0.5SLM/min，SiH4流量1.0sccm/min生長溫度1080℃生長時間675秒，厚度75nm生長壓力760 Torr
權(quán)利要求
1.基于AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)的金屬/鐵電體/半導(dǎo)體(MFS)存貯器結(jié)構(gòu)，其特征是在藍(lán)寶石襯底上生長AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，X取值在0.15-0.30之間；再在AlxGa1-xN層上生長PZT鐵電薄膜，最后分別在AlxGa1-xN層和PZT層上制備底電極和頂電極。
2.由權(quán)利要求1所述的基于AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)的MFS存貯器結(jié)構(gòu)，其特征是GaN厚度1-2um，AlxGa1-xN層厚度10-100nm，PZT層厚度100-500nm。
3.由權(quán)利要求1所述的基于AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)的MFS存貯器結(jié)構(gòu)的制備方法是以(0001)面的藍(lán)寶石為襯底，經(jīng)常規(guī)清洗后，采用MOCVD生長技術(shù)，經(jīng)預(yù)處理、GaN緩沖層生長和退火、非摻雜GaN外延層生長、非摻雜AlxGa1-xN外延層生長和Si摻雜n型AlxGa1-xN外延層生長幾個階段完成AlxGa1-xN/GaN調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備，生長源分別為三甲基鎵(TMG)，三甲基鋁(TMA)和高純氨氣(NH3)，載氣和稀釋氣體為氫氣(H2)；PZT鐵電薄膜采用脈沖激光淀積(PLD)技術(shù)制備；采用電子束蒸發(fā)分別在AlxGa1-xN層上淀積Ti/Al歐姆接觸電極(底電極)和在PZT層上淀積Al電極(頂電極)。
全文摘要
基于Al
文檔編號G11C11/22GK1381897SQ0211300
公開日2002年11月27日 申請日期2002年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月15日
發(fā)明者沈波, 鄭有炓, 李衛(wèi)平, 周玉剛, 畢朝霞, 張 榮, 劉治國, 江若璉, 施毅, 顧書林, 胡立群, 朱順明, 韓平 申請人:南京大學(xué)