專利名稱：一種基于ai的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于AlxGa1-xN/GaN異質結的鐵電體/半導體存貯器結構，包括鐵電體中的鐵電極化效應和AlxGa1-xN層中的壓電極化效應對AlxGa1-xN/GaN異質界面二維電子氣密度的調制機制，以及這種存貯器結構的制備方法。
二、技術背景從上世紀70年代以來，國際上就做出各種努力，想利用鐵電材料極強的極化效應和很高的相對介電常數(shù)，把鐵電體引入以半導體材料為主的微電子技術中，其中最有希望的一種器件結構是金屬-鐵電體-半導體場效應晶體管(MFS-FET)，這種器件可用于制作不揮發(fā)型的只讀存貯器。
從半導體器件的角度看，MFS-FET依然屬于金屬-絕緣體-半導體場效應晶體管(MIS-FET)的范疇，但是在MFS-FET結構中，用鐵電體做絕緣體，代替了一般金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應器件中的SiO2。很長一段時間以來，人們一直用Si材料作為MFS-FET中的半導體溝道材料，主要優(yōu)勢是在器件制備上與現(xiàn)有的半導體MOS器件工藝兼容。但這種結構在技術上遇到的主要問題是Si上淀積鐵電薄膜必須在高溫下進行，且淀積后鐵電薄膜又需進行熱退火處理，在這些過程中鐵電體/Si界面的原子互擴散非常嚴重，并發(fā)生界面固相反應，從而鐵電體/Si界面性質難以控制。同時，鐵電體/Si界面存在的高界面態(tài)密度嚴重破壞了MFS-FET存貯器結構的特性。這些問題多年來嚴重制約了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，直接帶隙等優(yōu)異的物理化學性質。AlxGa1-xN/GaN異質結構被認為是發(fā)展高溫、高功率、高頻半導體器件的首選材料體系，AlxGa1-xN/GaN異質結構場效應晶體管(HFET)，又稱高電子遷移率晶體管(HEMT)的研制水準迅速提高，工藝技術基本成熟，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異質結構材料代替Si材料用于研制MFS-HFET存貯器結構，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異質界面二維電子氣(2DEG)很好的輸運性質，提高此類存貯器結構的響應速度。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是研制出以AlxGa1-xN/GaN異質結構為半導體溝道的MFS結構，實現(xiàn)其存貯性能，提高此類存貯器結構的響應速度。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的以藍寶石為襯底，設有高質量的AlxGa1-xN/GaN調制摻雜異質結構，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層中存在很強的壓電極化效應，導致AlxGa1-xN/GaN異質界面形成濃度達～1013cm-2的二維電子氣(2DEG)，2DEG遷移率達1000cm2/V.s以上，以此形成AlxGa1-xN/GaN基MFS結構中較為理想的溝道。
以脈沖激光淀積(PLD)技術在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10μC/cm2，其相對介電常數(shù)可高達1000以上。很薄的PZT膜(幾百納米)就可以產生很強的極化電場來調制AlxGa1-xN/GaN異質界面溝道中的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)，形成可以進行電學性質測量的AlxGa1-xN/GaN基MFS結構。
本發(fā)明在國際上首次采用AlxGa1-xN/GaN異質結構作為MFS存貯器結構的半導體溝道，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)定和界面固相反應等問題；(2)利用了AlxGa1-xN層很強的極化效應，一方面使AlxGa1-xN/GaN異質界面產生高濃度、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(在負偏壓下兩者方向相反)共同作用，使得MFS結構的電容-電壓(C-V)存貯窗口完全在負偏壓下實現(xiàn)。這意味著在不需要PZT鐵電薄膜進行極化反轉的情況下就可以產生C-V存貯窗口，從而大大減小了Si基MFS結構中由于鐵電反轉疲勞效應帶來的各種問題。這種無需鐵電極化反轉就可實現(xiàn)C-V存貯窗口的特性是Si基MFS結構不可能實現(xiàn)的。
四
圖1PZT/Al0.22Ga0.78N/GaN MFS結構示意2Al0.22Ga0.78N/GaN調制摻雜異質結構的高分辨X射線衍射ω/2θ搖擺曲線。多個衛(wèi)星峰說明了異質結構的高質量和異質界面的陡峭。這是在Al0.22Ga0.78N/GaN異質界面形成高濃度、高遷移率2DEG的基礎。
圖3(a)PZT/Al0.22Ga0.78N/GaN MFS結構簡圖，(b)該結構在負偏壓下的電荷分布示意圖，(c)導帶結構示意圖，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，它在負偏壓下抬高GaN層導帶底，使Al0.22Ga0.78N/GaN異質界面三角形量子阱變淺，導致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，導致2DEG濃度上升。
圖4Al0.22Ga0.78N/GaN基MFS結構1MHz時的高頻C-V曲線，全圖是整個電壓掃描范圍的曲線，內圖是負偏壓下的曲線。當偏壓大于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；當偏壓變?yōu)樨撈珪r，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結構的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)導致的，整個C-V存貯窗口在負偏壓范圍內，表明PZT膜的鐵電極化未發(fā)生反轉。
五、具體實施方法以表面為(0001)面的藍寶石為襯底，用MOCVD生長Al0.22Ga0.78N/GaN調制摻雜異質結構。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異質結構上用脈沖激光淀積(PLD)生長PZT薄膜，膜厚400nm，激光器為KrF準分子激光器(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結構。
高質量AlxGa1-xN/GaN調制摻雜異質結構的制備是AlxGa1-xN/GaN基MFS存貯結構制備的核心技術，下列過程為典型的Al0.22Ga0.78N/GaN調制摻雜異質結構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
權利要求
1.基于AlxGa1-xN/GaN異質結的金屬/鐵電體/半導體(MFS)存貯器結構，其特征是在藍寶石襯底上生長AlxGa1-xN/GaN異質結構，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.由權利要求1所述的基于AlxGa1-xN/GaN異質結的MFS存貯器結構，其特征是GaN厚度1-2um，AlxGa1-xN層厚度10-100nm，PZT層厚度100-500nm。
3.由權利要求1所述的基于AlxGa1-xN/GaN異質結的MFS存貯器結構的制備方法是以(0001)面的藍寶石為襯底，經常規(guī)清洗后，采用MOCVD生長技術，經預處理、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調制摻雜異質結構的制備，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