本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，具體涉及一種具有κ-ga2o3/al2o3復(fù)合鐵電介質(zhì)層的負(fù)電容晶體管及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，晶體管的尺寸不斷縮小，接近物理極限。然而，隨著器件集成密度的增加，功耗問題也愈加突出。盡管通過采用高介電常數(shù)材料、提高電流驅(qū)動(dòng)能力和優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)等方法能夠一定程度上改善性能，但這些技術(shù)手段依然無法有效解決功耗過高的問題。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的亞閾值擺幅（ss）受到玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)的限制，最低只能達(dá)到60?mv/dec，這極大地限制了器件的開關(guān)速度及能效。因此，如何突破這一瓶頸，研發(fā)具有更低ss的新型低功耗器件，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)更高性能和低功耗集成電路的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，也是未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要研究方向。

2、鐵電材料在極化翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的負(fù)電容效應(yīng)能夠放大溝道材料的表面電勢(shì)，從而有效降低器件的亞閾值擺幅（ss），突破玻爾茲曼極限，因此成為后摩爾時(shí)代構(gòu)建低功耗晶體管的理想選擇。然而在傳統(tǒng)制備方法中，鐵電介質(zhì)層與溝道層之間由于不是外延關(guān)系，因此界面處存在大量界面態(tài)。這是由于非外延生長(zhǎng)導(dǎo)致界面處產(chǎn)生了大量懸掛鍵，這些缺陷在用作晶體管器件時(shí)反而會(huì)增加漏電流、降低電子遷移率，最終影響器件的整體性能。

3、為了克服上述問題，實(shí)現(xiàn)低功耗負(fù)電容晶體管的構(gòu)筑，本發(fā)明采用了在襯底上外延κ-ga2o3材料，大幅減小界面態(tài)密度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種具有κ-ga2o3/al2o3復(fù)合鐵電介質(zhì)層的負(fù)電容晶體管及其制備方法。本發(fā)明通過外延生長(zhǎng)鐵電介質(zhì)材料薄膜，并結(jié)合氧界面補(bǔ)償，形成高界面質(zhì)量的κ-ga2o3/al2o3復(fù)合鐵電介質(zhì)層，從而改善器件性能。在本發(fā)明的負(fù)電容晶體管中，復(fù)合鐵電介質(zhì)層在極化翻轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生負(fù)電容效應(yīng)，從而降低器件功耗，使晶體管能夠突破亞閾值擺幅極限。氧等離子體補(bǔ)償可有效改善鐵電層與溝道材料及鐵電層與氧化鋁之間的界面質(zhì)量，減少缺陷俘獲對(duì)鐵電性能的影響，從而進(jìn)一步提升晶體管的穩(wěn)定性和整體性能。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中利用鐵電介質(zhì)材料制備負(fù)電容晶體管時(shí)，由于鐵電材料的鐵電回滯效應(yīng)和低界面質(zhì)量導(dǎo)致的較大缺陷捕獲，進(jìn)而影響器件性能的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供了一種具有κ-ga2o3/al2o3復(fù)合鐵電介質(zhì)層的負(fù)電容晶體管，所述負(fù)電容晶體管包括從下至上依次設(shè)置的襯底，gan緩沖層，uid-gan溝道層，al0.25ga0.75n勢(shì)壘層，和劃定在al0.25ga0.75n勢(shì)壘層表面的源電極區(qū)域、漏電極區(qū)域以及柵極區(qū)域，以及設(shè)置在源電極區(qū)域的源電極、設(shè)置在漏電極區(qū)域的漏電極和設(shè)置在柵極區(qū)域的柵極；所述uid-gan溝道層與al0.25ga0.75n勢(shì)壘層的接觸面形成二維電子氣溝道2deg；

4、所述負(fù)電容晶體管還包括設(shè)置在柵極和al0.25ga0.75n勢(shì)壘層之間的κ-ga2o3/al2o3復(fù)合鐵電介質(zhì)層；所述κ-ga2o3/al2o3復(fù)合鐵電介質(zhì)層包括從下至上依次設(shè)置在al0.25ga0.75n勢(shì)壘層表面的κ-ga2o3鐵電層和al2o3絕緣層，所述κ-ga2o3鐵電層的材質(zhì)為κ-ga2o3，所述al2o3絕緣層的材質(zhì)為al2o3。

5、進(jìn)一步地，所述負(fù)電容晶體管還包括sinx絕緣層，所述sinx絕緣層設(shè)置在除柵極區(qū)域之外的負(fù)電容晶體管表面。

6、再進(jìn)一步地，所述al0.25ga0.75n勢(shì)壘層和κ-ga2o3鐵電層相接觸的界面為第一氧補(bǔ)償界面，所述κ-ga2o3鐵電層和al2o3絕緣層相接觸的界面為第二氧補(bǔ)償界面，所述第一氧補(bǔ)償界面和第二氧補(bǔ)償界面的缺陷密度為1.9×1013~2.5×1013cm-2。

7、再進(jìn)一步地，所述κ-ga2o3鐵電層的厚度為50~100?nm，al2o3絕緣層的厚度為30~50nm；

8、所述襯底為硅襯底、碳化硅襯底和藍(lán)寶石襯底中的任意一種，gan緩沖層的厚度為4~4.5?μm，uid-gan溝道層的厚度為300~350?nm，al0.25ga0.75n勢(shì)壘層的厚度為200~250?nm，sinx絕緣層的厚度為100~150?nm。

9、再進(jìn)一步地，所述κ-ga2o3鐵電層的厚度為50?nm，al2o3絕緣層的厚度為30?nm；

10、所述襯底為硅襯底，gan緩沖層的厚度為4?μm，uid-gan溝道層的厚度為300?nm，al0.25ga0.75n勢(shì)壘層的厚度為200?nm，sinx絕緣層的厚度為100?nm。

11、再進(jìn)一步地，所述源電極和漏電極均為ti/al/ni/au合金，ti、al、ni和au的厚度分別為20~30、120~150、50~60和80~100?nm；柵極為ni/au合金，ni和au的厚度分別為50~60和80~100?nm；柵極和源電極之間的距離為6~12?μm，柵極和漏電極之間的距離為6~12?μm。

12、本發(fā)明還提供了一種所述負(fù)電容晶體管的制備方法，包括以下步驟：

13、（1）清洗襯底；依次在襯底表面沉積gan緩沖層、uid-gan溝道層和al0.25ga0.75n勢(shì)壘層；

14、（2）采用光刻技術(shù)在al0.25ga0.75n勢(shì)壘層表面定義源電極區(qū)域和漏電極區(qū)域，通過電子束蒸發(fā)沉積ti、al、ni、au金屬層形成源電極和漏電極，源電極和漏電極與al0.25ga0.75n勢(shì)壘層形成歐姆接觸；

15、（3）采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在外延片表面沉積sinx絕緣層；

16、（4）采用光刻技術(shù)在sinx絕緣層表面定義柵極區(qū)域，并在柵極區(qū)域垂直向下刻蝕sinx絕緣層直至漏出al0.25ga0.75n勢(shì)壘層的表面；

17、（5）依次在外延片表面生長(zhǎng)κ-ga2o3鐵電層和al2o3絕緣層；

18、（6）采用等離子體增強(qiáng)刻蝕工藝在柵極區(qū)域之外區(qū)域刻蝕al2o3絕緣層和κ-ga2o3鐵電層直至到達(dá)sinx絕緣層的表面；

19、（7）對(duì)柵極區(qū)域的al2o3絕緣層進(jìn)行光刻并顯影，形成柵極窗口，在柵極窗口沉積ni、au金屬層，形成柵極，即可獲得具有κ-ga2o3/al2o3復(fù)合鐵電介質(zhì)層的負(fù)電容晶體管。

20、進(jìn)一步地，所述步驟（4）中，定義柵極區(qū)域后采用氧等離子體處理去除殘膠；

21、所述步驟（5）中，沉積κ-ga2o3鐵電層后，采用氧等離子體處理κ-ga2o3鐵電層；

22、所述氧等離子體處理的條件為：射頻功率為100~500?w，處理時(shí)間為60?s。

23、再進(jìn)一步地，還包括側(cè)面刻蝕步驟，所述側(cè)面刻蝕步驟設(shè)置于步驟（2）與步驟（3）之間，所述側(cè)面刻蝕步驟具體為，在源電極和漏電極的外邊沿分別定義非有效工作區(qū)域，沿非有效工作區(qū)域向下刻蝕200?nm形成臺(tái)階缺口結(jié)構(gòu)；

24、所述步驟（3）中，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在外延片表面以及臺(tái)階缺口結(jié)構(gòu)中均沉積有sinx絕緣層。

25、再進(jìn)一步地，還包括扎針窗口步驟，所述扎針窗口步驟設(shè)置于步驟（7）之后，所述扎針窗口步驟具體為，分別在源電極表面和漏電極表面光刻并顯影，形成扎針窗口，在源電極表面的扎針窗口刻蝕sinx絕緣層形成源電極扎針區(qū)域，在漏電極表面的扎針窗口刻蝕sinx絕緣層形成漏電極扎針區(qū)域。

26、本發(fā)明的原理：

27、1、本發(fā)明采用了在外延片上外延κ-ga2o3材料的方法，大幅減小界面態(tài)密度，而使用κ-ga2o3作為鐵電層的原因如下：

28、（1）κ-ga2o3具有優(yōu)異的剩余極化強(qiáng)度。κ-ga2o3的理論剩余極化強(qiáng)度為23?μc/cm2，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的剩余極化強(qiáng)度為2?μc/cm2，顯著高于一般的二維滑移鐵電材料（如：cd3cl6在室溫下0.3~0.4?μc/cm2的剩余極化強(qiáng)度）；

29、（2）κ-ga2o3還具有相對(duì)較小的矯頑電場(chǎng)，其理論矯頑電場(chǎng)為2.27?mv/cm，而鈣鈦礦材料如alscn的矯頑電場(chǎng)為5?mv/cm，因此所需電壓功耗遠(yuǎn)低于alscn等材料；因此，相比之下，κ-ga2o3憑借其優(yōu)異的矯頑電場(chǎng)和剩余極化強(qiáng)度，在降低器件功耗、提升開關(guān)性能方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，成為負(fù)電容晶體管領(lǐng)域的理想選擇；

30、（3）κ-ga2o3具備4.85?ev的禁帶寬度和較高的介電常數(shù)，其介電常數(shù)為32，展現(xiàn)出卓越的抗輻射性能、良好的熱穩(wěn)定性以及優(yōu)異的紫外吸收能力，已成為日盲紫外探測(cè)領(lǐng)域的首選材料，廣泛應(yīng)用于天際通信、火災(zāi)監(jiān)控、氣象監(jiān)測(cè)和環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

31、2、選擇氧化鋁作為和氧化鎵形成復(fù)合鐵電介質(zhì)層的材料的理由是：

32、氧化鋁具有較高的介電常數(shù)和低漏電流密度，能夠有效減少介質(zhì)層的電荷泄漏，為器件提供可靠的絕緣環(huán)境，除此之外，氧化鋁的化學(xué)穩(wěn)定性良好，與氧化鎵具有較好的化學(xué)兼容性，可以在界面形成穩(wěn)定的過渡層，減少界面缺陷。進(jìn)一步地，氧化鋁的熱膨脹系數(shù)與氧化鎵接近，有助于在高溫工藝條件下維持界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，降低熱應(yīng)力引起的界面缺陷。最后，氧化鋁具有較大的禁帶寬度，其禁帶寬度為8.8?ev，在復(fù)合鐵電介質(zhì)層中可形成深勢(shì)壘，有效阻擋載流子穿越，提升器件性能。

33、本發(fā)明的有益效果：

34、1、本發(fā)明制備的負(fù)電容晶體管相較于傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以實(shí)現(xiàn)亞閾值擺幅低于理論極限60?mv/dec，且當(dāng)電壓掃描速度降低到0.003?v/s時(shí)，所測(cè)得的亞閾值擺幅最低為11?mv/dec，因此亞閾值擺幅與電壓掃描速率有關(guān)。

35、2、本發(fā)明中氧等離子體補(bǔ)償氧化物表面，可以進(jìn)一步有效地補(bǔ)償界面態(tài)，更充分地體現(xiàn)鐵電層對(duì)溝道電子的調(diào)控，此工藝不會(huì)對(duì)溝道材料表面造成損傷。

36、3、本發(fā)明的減小漏電的方法適用于任何平面結(jié)構(gòu)晶體管，sinx能夠有效地隔絕柵極通過al0.25ga0.75n勢(shì)壘層直接到達(dá)源電極的電流，有效降低柵極漏電，而氧化鋁則對(duì)κ-ga2o3多旋轉(zhuǎn)疇的晶體結(jié)構(gòu)所引發(fā)的易漏電現(xiàn)象具有良好的緩解作用。

37、4、本發(fā)明的負(fù)電容晶體管中的鐵電介質(zhì)材料κ-ga2o3用于在極化翻轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)電容效應(yīng)，從而使晶體管器件突破亞閾值擺幅極限，外延生長(zhǎng)κ-ga2o3相較于其他非外延生長(zhǎng)的鐵電介質(zhì)層而言，有著更少的界面態(tài)密度，從而對(duì)鐵電極化調(diào)控溝道的電子有著促進(jìn)的作用。

38、5、本發(fā)明所制備的κ-ga2o3可在多種襯底上制備，實(shí)現(xiàn)探測(cè)形式多樣化，滿足不同的探測(cè)需求。在藍(lán)寶石襯底上制備的器件在瑞利模式下工作，諧振頻率為1.96?ghz，相速度υp為3138?m/s，機(jī)電耦合系數(shù)keff2為0.58%；在碳化硅襯底上制備的器件在塞西瓦模式下工作，諧振頻率3.31?ghz，υp為6640?m/s。

39、6、本發(fā)明制備的負(fù)電容晶體管兼具電信號(hào)的多種調(diào)制模式，具有雙重塑性（同時(shí)具備長(zhǎng)時(shí)塑性和短時(shí)塑性），并由于κ-ga2o3的寬帶隙特性和鐵電極化效應(yīng)，該晶體管兼具電信號(hào)的多種調(diào)制模式，并對(duì)短波長(zhǎng)光有良好的抗輻照性能，本發(fā)明的晶體管能夠?qū)崿F(xiàn)易失性與非易失性存儲(chǔ)的結(jié)合，從而在保證高速數(shù)據(jù)處理能力的同時(shí)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與斷電后的數(shù)據(jù)保存可靠性，為全儲(chǔ)備池應(yīng)用提供高效的數(shù)據(jù)管理支持，減少遷移延遲與功耗，并增強(qiáng)其在極端環(huán)境下的魯棒性。因此，該器件能為全儲(chǔ)備池的應(yīng)用提供高效的數(shù)據(jù)管理支持，有望在航空航天ai系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。