本發(fā)明屬于半導(dǎo)體，具體涉及一種基于scaln的氮化物自旋場(chǎng)效應(yīng)憶阻器原型器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)高性能、低能耗存儲(chǔ)器件的需求日益增長(zhǎng)。自旋電子學(xué)（spintronics）作為一種新興技術(shù)，利用電子的自旋狀態(tài)而非電荷來(lái)存儲(chǔ)和處理信息，展現(xiàn)出巨大的潛力。半導(dǎo)體自旋電子器件由于其與現(xiàn)有半導(dǎo)體工業(yè)的高兼容性，有望實(shí)現(xiàn)低制造成本和高集成度，而氮化物自旋電子學(xué)器件理論預(yù)言具有居里溫度高于室溫的稀磁半導(dǎo)體，且纖鋅礦氮化鎵（gan）、氮化鋁（aln）等材料具有較強(qiáng)的極化效應(yīng)，能夠帶來(lái)較大的自旋軌道耦合，有利于實(shí)現(xiàn)室溫工作、高集成度的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管（spin-fet）器件。

2、值得注意的是，盡管氮化物體系寬禁帶的特性為其帶來(lái)了高溫、高功率、在極端環(huán)境下穩(wěn)定工作的優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的rashba自旋軌道耦合系數(shù)卻是和帶隙成反比的，這導(dǎo)致在窄溝道氮化物自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中需要外加較大柵壓才能實(shí)現(xiàn)自旋信號(hào)的有效調(diào)控，不利于實(shí)現(xiàn)其低功耗、高集成度的潛在優(yōu)點(diǎn)。

3、鈧鋁氮化物（scaln）作為一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)而成為研究熱點(diǎn)。scaln具有高熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的電學(xué)性能和寬禁帶寬度（通常大于3.4ev），使其非常適合用于高溫和高功率應(yīng)用。更重要的是，gan基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自旋軌道耦合被認(rèn)為具有的形式，其中 α r來(lái)源于異質(zhì)結(jié)界面的sia，即rashba自旋軌道耦合，正比于界面內(nèi)建電場(chǎng)， f為界面電場(chǎng)； α e來(lái)源于gan纖鋅礦結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，被稱作bia?rashba項(xiàng)；源于體gan中的dresselhaus項(xiàng)，在異質(zhì)結(jié)量子限制的情況下，可以將替換為，其中 γ， b為dresselhaus項(xiàng)強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)，代表電子z方向波矢的平方均值， ns為二維電子氣濃度。而scaln材料展示出鐵電性質(zhì)，利用其電極化可反轉(zhuǎn)的特性，可直接大幅度改變半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的rashba自旋軌道耦合，進(jìn)而克服寬禁帶材料自旋軌道耦合柵極調(diào)控效率較低的缺點(diǎn)。

4、利用scaln材料的這一特性還能夠?qū)崿F(xiàn)具有憶阻器功能的自旋器件。憶阻器（memristor）作為一種非易失性存儲(chǔ)元件，因其簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、高集成度和多功能性而備受關(guān)注。憶阻器具有存算一體（in-memory?computing）特性，有望打破“馮諾依曼瓶頸”，能夠模擬神經(jīng)元突觸的功能，適用于構(gòu)建神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)，將自旋電子學(xué)器件高速、低能耗的優(yōu)點(diǎn)與憶阻器高集成度、多功能性的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)兼具高集成度、非易失性、高穩(wěn)定性的高速低功耗新型器件，進(jìn)一步推動(dòng)信息技術(shù)的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是充分利用scaln材料的鐵電性質(zhì)和氮化物自旋電子學(xué)器件低功耗、高集成度的潛質(zhì)，提供一種基于scaln的新型氮化物自旋場(chǎng)效應(yīng)憶阻器的原型器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)scaln自旋場(chǎng)效應(yīng)憶阻器，可以利用mocvd/mbe/pvd?方法在藍(lán)寶石或硅等襯底上生長(zhǎng)scaln/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制scaln層的厚度，保證其鐵電性質(zhì)和二維電子氣的存在。利用光刻技術(shù)在源漏區(qū)域利用電感耦合等離子體（inductively?coupledplasma，icp）刻蝕掉部分scaln，利用遠(yuǎn)程等離子體預(yù)處理技術(shù)（remote?plasmapreprocessing）對(duì)暴露的scaln表面進(jìn)行預(yù)處理，利用等離子體增強(qiáng)原子層沉積技術(shù)（plasmaenhanced?atomic?layer?depostion，peald）生長(zhǎng)薄層al2o3或利用磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)mgo作為電子隧穿層，利用磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)鐵磁金屬co或cofeb提供自旋極化電子；利用光刻技術(shù)寫出柵極圖形，利用等離子體增強(qiáng)原子層沉積和電子束蒸發(fā)（electron?beamevaporation）技術(shù)制備柵極介質(zhì)al2o3或sinx和柵極金屬，最終完成具有鐵電勢(shì)壘層的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自旋場(chǎng)效應(yīng)憶阻器功能。

3、具體的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

4、一種基于scaln的氮化物自旋場(chǎng)效應(yīng)憶阻器，包括襯底和襯底上的scaln/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述scaln/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括溝道區(qū)，柵極位于溝道區(qū)之上，溝道區(qū)的兩端分別為源自旋注入隧穿結(jié)和漏自旋注入隧穿結(jié)；其中，所述柵極包括柵介質(zhì)層和柵極金屬層，所述柵介質(zhì)層位于scaln層和柵極金屬層之間；所述自旋注入隧穿結(jié)由電子隧穿層和其上的自旋注入金屬層組成，位于源漏自旋注入隧穿結(jié)之下的scaln層厚度在2~7?nm，構(gòu)成所述自旋注入金屬層的鐵磁金屬材料的居里溫度高于室溫。

5、為了實(shí)現(xiàn)對(duì)scaln/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維電子氣的自旋注入，需要在隧穿結(jié)生長(zhǎng)前將源漏自旋注入隧穿結(jié)區(qū)域的scaln勢(shì)壘層進(jìn)行部分刻蝕減薄，使得自旋注入隧穿結(jié)與二維電子氣（2deg）之間的結(jié)構(gòu)厚度在2~7?nm。源漏自旋注入隧穿結(jié)可根據(jù)性能需求采用不同的鐵磁金屬和電子隧穿層組合，為保證自旋場(chǎng)效應(yīng)憶阻器的基本功能，鐵磁金屬居里溫度需要高于室溫。

6、優(yōu)選的，所述襯底可以是si(100)襯底、si(111)襯底或藍(lán)寶石襯底。

7、所述scaln/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，scaln層位于gan層之上，溝道區(qū)的scaln層的厚度優(yōu)選為10~50?nm，scaln層中sc組分在0.14到0.32之間。

8、所述柵極的柵介質(zhì)層可以采用氮化硅（sinx）、氧化硅（sio2）或其他低介電常數(shù)材料，厚度優(yōu)選為20~50?nm；柵極金屬層可以采用ti、ag、au、v、nb、ru、w、ta、al、mg、zn、pd、cu、tan、tin、tiw、tialn等中的一種或多種材料，還可以是多層結(jié)構(gòu)，例如ti\au復(fù)合金屬層。

9、所述自旋注入隧穿結(jié)中，電子隧穿層通常采用金屬氧化物例如al2o3、mgo等絕緣材料，厚度優(yōu)選在1~2?nm之間；所述自旋注入金屬層采用鐵磁金屬，例如co、cofeb等，厚度優(yōu)選在10~30?nm之間。

10、本發(fā)明提出的基于scaln的氮化物自旋場(chǎng)效應(yīng)憶阻器是在自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步優(yōu)化。自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本原理是利用柵極電場(chǎng)調(diào)控半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣中的rashba自旋軌道耦合，從而使源極注入二維電子氣中的自旋極化電子在向漏極輸運(yùn)過(guò)程中感受到的自旋軌道耦合等效磁場(chǎng)改變，進(jìn)而使自旋極化電子在漏極被探測(cè)到的自旋極化被調(diào)控。由于氮化物寬禁帶半導(dǎo)體帶隙較大，柵極對(duì)自旋軌道耦合的調(diào)控效率較低，本發(fā)明利用scaln的鐵電性質(zhì)調(diào)控異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的極化電場(chǎng)反轉(zhuǎn)，進(jìn)而大幅度改變r(jià)ashba自旋軌道耦合中極化電場(chǎng)相關(guān)的部分，高效調(diào)控rashba自旋軌道耦合；此外，由于scaln具有鐵電性質(zhì)，柵極調(diào)控的鐵電極化場(chǎng)在撤去柵極電壓后仍然維持，具備存算一體能力。

11、本發(fā)明還提供了上述基于scaln的氮化物自旋場(chǎng)效應(yīng)憶阻器的制備方法，包括以下步驟：

12、步驟1，在襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量scaln/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)；

13、步驟2，利用光刻技術(shù)定義源漏區(qū)圖形，在源漏區(qū)域刻蝕掉部分scaln，使源漏區(qū)域的scaln層厚度為2~7?nm；

14、步驟3，利用遠(yuǎn)程等離子體預(yù)處理技術(shù)對(duì)暴露的scaln表面進(jìn)行預(yù)處理；

15、步驟4，在源漏區(qū)域依次生長(zhǎng)電子隧穿層和自旋注入金屬層；

16、步驟5，利用光刻技術(shù)定義柵極圖形，依次制備柵介質(zhì)層和柵極金屬層。

17、上述步驟1中所用襯底包括但不限于si(100)襯底、si(111)襯底、藍(lán)寶石襯底，襯底的尺寸不限。

18、具體地，在步驟1可以采用mocvd、mbe和/或pvd的方法生長(zhǎng)gan層和scaln層，scaln層中sc組分在0.14到0.32之間。

19、上述步驟2中，光刻方法根據(jù)源漏尺寸的需求可采用i-line、duv、euv或電子束曝光(electron?beam?lithography)。

20、優(yōu)選地，采用電感耦合等離子體（icp）刻蝕scaln，icp刻蝕功率為50-300?w，偏置功率為15-200?w，氣氛為氧氣，也可以同時(shí)通入氮?dú)馀c氬氣等其他氣體作為輔助。

21、優(yōu)選地，上述步驟3中遠(yuǎn)程等離子體預(yù)處理是在peald腔體中或磁控濺射腔室中原位進(jìn)行，氣氛為氨氣和氮?dú)?，或氬氣，射頻功率為50~300?w，時(shí)間為3~10?min。

22、優(yōu)選地，上述步驟4中，利用peald或磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)電子隧穿層，利用磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)自旋注入金屬層。在一些實(shí)施例中，先生長(zhǎng)1~2?nm的al2o3或mgo等材料作為電子隧穿層，再生長(zhǎng)10~30?nm?的co、cofeb等鐵磁金屬作為自旋注入金屬層，最后利用nmp、dmso或其他適配于光刻膠的除膠劑除去光刻膠。

23、具體地，上述步驟4中可以進(jìn)行生長(zhǎng)后退火，退火氣氛為氮?dú)?，退火溫度?00℃~500℃之間。

24、上述步驟5中，優(yōu)選地，利用原子層沉積和電子束蒸發(fā)技術(shù)分別制備柵介質(zhì)層和柵極金屬層。柵極結(jié)構(gòu)的寬度至少小于500?nm，可采用euv光刻或電子束光刻技術(shù)定義柵極圖形，柵介質(zhì)層可以為厚度為20~50nm的sinx或sio2，柵極金屬層可以為ti\au等金屬。

25、本發(fā)明的有益效果：

26、本發(fā)明提供了一種基于scaln的新型氮化物自旋場(chǎng)效應(yīng)憶阻器原型器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備方法，首先使用mocvd/mbe/pvd方法進(jìn)行高質(zhì)量scaln/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)，然后借助icp刻蝕和等離子體增強(qiáng)的原子層沉積、磁控濺射等技術(shù)形成高效率自旋注入隧穿結(jié)，最后制備柵極結(jié)構(gòu)，利用柵極結(jié)構(gòu)電場(chǎng)及scaln鐵電極化場(chǎng)調(diào)控器件自旋軌道耦合，實(shí)現(xiàn)自旋場(chǎng)效應(yīng)憶阻器功能。相比于現(xiàn)有半導(dǎo)體自旋電子學(xué)器件，基于scaln的新型氮化物自旋場(chǎng)效應(yīng)憶阻器不僅具備能夠在室溫下工作、低功耗、高集成度、與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了氮化物自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極調(diào)控效率低的缺點(diǎn)，還具備存算一體特性，有望實(shí)現(xiàn)兼具高集成度、非易失性、高穩(wěn)定性的高速低功耗新型器件，進(jìn)一步推動(dòng)信息技術(shù)的發(fā)展。