【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子器件，特别涉及一种无界面纤锌矿铁电氮化物存储器及其制备方法。
技术介绍
1、当前依托于冯·诺依曼架构的计算系统因其分立的存、算模块间的数据传输导致了大量的能量损失和延迟，因此无法满足日益暴增的海量复杂数据的感知、存储及运算需求，对微电子器件及集成电路产业提出了前所未有的挑战：高算力、低延时、低功耗以及高可靠性。铁电存储器具备快速擦写、强保持特性以及cmos工艺兼容性等优势，是现代存储器件中不可或缺的一类。目前主流的铁电存储器通常以si、ge等半导体做衬底、以hzo(掺锆的氧化铪)、hao(掺铝的氧化铪)等氧化物体系的铁电材料做介质层。因此，在氧化物铁电材料生长过程中，si衬底或ge衬底不可避免地会被氧化，导致在铁电介质层与衬底之间形成一层非理想的界面。这种非理想界面会引发一系列问题：
2、(1)非理想界面导致额外功耗。由于非理想界面的存在，外加的工作电压有一部分会落在界面两端，铁电介质层两端分压减小，铁电极化电荷不能充分反转，器件存储窗口减小。为使器件可以工作在最佳状态，即铁电极化电荷充分反转，需施加额外的工作电压以抵消非理想界面的分压，这不仅会导致额外的功耗而且与摩尔定律中器件工作电压的缩减趋势相违背，另外，非理想界面的均匀性和质量一般较差，会产较大的漏电流，进而产生额外的静态功耗，不利于器件在低功耗方面的应用；
3、(2)非理想界面导致器件可靠性退化。擦写寿命是衡量存储器件可靠性的关键参数之一，擦写寿命是指对存储器反复施加擦除电压和写入电压，在保证数据可以正常存储的前提下存储器所能
4、除此之外，铁电材料剩余极化电荷pr的大小极大程度上决定了铁电存储器的开关比和存储窗口，传统的氧化物铁电材料的剩余极化电荷仅为20μc/cm2左右，而纤锌矿结构的氮化物铁电材料，以掺钪的氮化铝为例，其剩余极化电荷可以高达150μc/cm2。因此，尽管氧化物体系的铁电材料在铁电存储器件中得到了广泛的应用，但是基于氧化物体系铁电材料的铁电存储器在低功耗、可靠性、开关比和记忆窗口等方面依然面临着严峻的挑战。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种无界面纤锌矿铁电氮化物存储器及其制备方法，利用纤锌矿铁电材料与氮化物衬底材料之间良好的晶格匹配，通过原位溅射工艺、原子层沉积工艺或外延生长工艺在氮化物半导体衬底上直接生长纤锌矿铁电材料，最终实现铁电材料与氮化物半导体衬底之间无界面的纤锌矿铁电氮化物存储器。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种无界面纤锌矿铁电氮化物存储器，包括衬底与介质层，所述衬底为氮化物半导体衬底，所述介质层为纤锌矿铁电介质层，所述纤锌矿铁电介质层与氮化物半导体衬底晶格匹配使得二者之间不存在非理想界面层。
4、在一个实施例中，所述纤锌矿铁电介质层是掺杂某种元素x的氮化铝，记为alxn，该材料为纤锌矿结构且具备铁电性。
5、在一个实施例中，所述元素x为钪、硼或钇，以物质的量计，掺杂量为alxn总量的5％～40％。
6、在一个实施例中，所述氮化物半导体衬底采用aln、bn、gan和inn中的任意一种。
7、在一个实施例中，所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器为铁电场效应晶体管，器件结构包括自下而上依次设置的氮化物半导体衬底、纤锌矿铁电介质层、栅电极，以及设于氮化物半导体衬底上的源极区和漏极区，所述源极区上设有源电极，所述漏极区上设有漏电极；
8、或者，
9、所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器为铁电电容型存储器，器件结构包括自下而上依次设置的底电极、氮化物半导体衬底、纤锌矿铁电介质层和顶电极。
10、在一个实施例中，所述栅电极、源电极、漏电极、顶电极、底电极的材料采用钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种。
11、本专利技术还提供了所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器的制备方法，真空环境下，在氮化物半导体衬底上生长纤锌矿铁电介质层，所述纤锌矿铁电介质层与氮化物半导体衬底之间晶格匹配使得二者之间不存在非理想界面层；在纤锌矿铁电介质层和氮化物半导体衬底上加工电极，构成存储器结构。
12、在一个实施例中，先分别对氮化物半导体衬底表面进行有机清洗和无机清洗，去除表面有机物和表面自然生长的氧化物；然后在氮化物半导体衬底上生长纤锌矿铁电介质层。
13、在一个实施例中，n2和氩气氛围下，在氮化物半导体衬底上生长纤锌矿铁电介质层，采用如下工艺之一；
14、工艺一，原位溅射工艺，步骤如下：
15、对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达1e-5torr以下，先在氮化物半导体衬底上生长aln薄膜作为种子层，再溅射生长alxn。
16、工艺二，外延生长工艺，步骤如下：
17、在氮化物半导体衬底上异质外延生长alxn，al源和x源提供的al原子、x原子与氮气提供的氮原子进行反应，通过调节al源、x源的温度和以及氮气的流量，控制alxn层的生长速率和x的掺杂浓度从而精确控制alxn的组分，其中外延温度为1000～1300℃；
18、本专利技术具体可采用如下方法之一，在纤锌矿铁电介质层和氮化物半导体衬底上加工电极，构成存储器结构；
19、方法一：
20、利用磁控溅射或淀积工艺，在纤锌矿铁电介质层上沉积金属；
21、利用光刻工艺，在所沉积的金属上选定源极区域、栅极区域和漏极区域；
22、利用刻蚀工艺，将栅极区域两侧的源极区域和漏极区域的金属和纤锌矿铁电介质层刻蚀掉，保留栅极区域上方的纤锌矿铁电介质层，并在纤锌矿铁电介质层上形成栅电极；
23、利用离子注入工艺，对氮化物半导体衬底上的源极区域和漏极区域进行离子注入掺杂，形成掺杂的源极区和漏极区；
24、利用磁控溅射或沉积工艺，在源极区上方沉积金属形成源电极，在漏极区上方沉积金属形成漏电极，得到无界面纤锌矿铁电氮化物场效应晶体管；
25、方法二：
26、利用溅射工艺或淀积工艺，在纤锌矿铁电介质层上方生长一层电极材料；
27、利用光刻工艺和刻蚀工艺，将四周多余的金属和纤锌矿铁电介质层刻蚀掉，保留中间的纤锌矿铁电介质层，并在纤锌矿铁电介质层上形成顶电极；
28、利用溅射工艺或淀积工艺，在氮化物半导体衬底下方生长一层电极材料，形成底电极，得到无界面纤锌矿铁电氮化物电容型存储器。
29、在一个实施例中，所述离子注入工艺，能量范围为20-180kev、剂量范围为1e14～2e15cm-3；所述溅射工艺，先对反应腔体抽真空，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种无界面纤锌矿铁电氮化物存储器，包括衬底与介质层，其特征在于，所述衬底为氮化物半导体衬底(2)，所述介质层为纤锌矿铁电介质层(1)，所述纤锌矿铁电介质层(1)与氮化物半导体衬底(2)晶格匹配使得二者之间不存在非理想界面层，所述纤锌矿铁电介质层(1)是掺杂某种元素X的氮化铝，记为AlXN，该材料为纤锌矿结构且具备铁电性，所述元素X为钪、硼或钇。
2.根据权利要求1所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器，其特征在于，以物质的量计，所述元素X的掺杂量为AlXN总量的5％～40％。
3.根据权利要求1所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器，其特征在于，所述氮化物半导体衬底(2)采用AlN、BN、GaN和InN中的任意一种。
4.根据权利要求1或2或3所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器，其特征在于，所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器为铁电场效应晶体管，器件结构包括自下而上依次设置的氮化物半导体衬底(2)、纤锌矿铁电介质层(1)、栅电极(3)，以及设于氮化物半导体衬底(2)上的源极区(7)和漏极区(8)，所述源极区(7)上设有源电极(5)，所述漏极区(8)上设有漏电
5.根据权利要求4所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器，其特征在于，所述栅电极(3)、源电极(5)、漏电极(6)、顶电极(9)、底电极(4)的材料采用钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种。
6.权利要求1～5中任一项所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器的制备方法，其特征在于，真空环境下，在氮化物半导体衬底(2)上生长纤锌矿铁电介质层(1)，所述纤锌矿铁电介质层(1)与氮化物半导体衬底(2)之间晶格匹配使得二者之间不存在非理想界面层；在纤锌矿铁电介质层(1)和氮化物半导体衬底(2)上加工电极，构成存储器结构。
7.根据权利要求6所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器的制备方法，其特征在于，先分别对氮化物半导体衬底(2)表面进行有机清洗和无机清洗，去除表面有机物和表面自然生长的氧化物；然后在氮化物半导体衬底(2)上生长纤锌矿铁电介质层(1)。
8.根据权利要求6或7所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器的制备方法，其特征在于，N2和氩气氛围下，在氮化物半导体衬底(2)上生长纤锌矿铁电介质层(1)，采用如下工艺之一；
9.根据权利要求7所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器的制备方法，其特征在于，采用如下方法之一，在纤锌矿铁电介质层(1)和氮化物半导体衬底(2)上加工电极，构成存储器结构；
10.根据权利要求9所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器的制备方法，其特征在于，所述离子注入工艺，能量范围为20-180KeV、剂量范围为1e14～2e15cm-3；所述溅射工艺，先对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达0.02托，再在溅射功率为350W、氩气压力为5毫托条件下进行溅射形成栅电极(3)、源电极(5)、漏电极(6)、顶电极(9)或底电极(4)。
...【技术特征摘要】
1.一种无界面纤锌矿铁电氮化物存储器，包括衬底与介质层，其特征在于，所述衬底为氮化物半导体衬底(2)，所述介质层为纤锌矿铁电介质层(1)，所述纤锌矿铁电介质层(1)与氮化物半导体衬底(2)晶格匹配使得二者之间不存在非理想界面层，所述纤锌矿铁电介质层(1)是掺杂某种元素x的氮化铝，记为alxn，该材料为纤锌矿结构且具备铁电性，所述元素x为钪、硼或钇。
2.根据权利要求1所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器，其特征在于，以物质的量计，所述元素x的掺杂量为alxn总量的5％～40％。
3.根据权利要求1所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器，其特征在于，所述氮化物半导体衬底(2)采用aln、bn、gan和inn中的任意一种。
4.根据权利要求1或2或3所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器，其特征在于，所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器为铁电场效应晶体管，器件结构包括自下而上依次设置的氮化物半导体衬底(2)、纤锌矿铁电介质层(1)、栅电极(3)，以及设于氮化物半导体衬底(2)上的源极区(7)和漏极区(8)，所述源极区(7)上设有源电极(5)，所述漏极区(8)上设有漏电极(6)；
5.根据权利要求4所述无界面纤锌矿铁电氮化物存储器，其特征在于，所述栅电极(3)、源电极(5)、漏电极(6)、顶电极(9)、底电极(4)的材料采用钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种。
【专利技术属性】
技术研发人员：周久人，刘宁，王迪，韩根全，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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