一种AlBN基铁电隧道结器件及其制备方法

本发明属于半导体，进一步涉及隧道结器件，具体为一种albn基铁电隧道结器件及其制备方法，可用于制作铁电存储器。

背景技术：

1、铁电隧道结ftj器件是一种将铁电性与量子隧穿效应相结合的信息器件，由铁电超薄膜和两种金属电极组成三明治结构，形成可被铁电极化方向调制的势垒，从而实现高低阻态之间的转变。以铁电隧道结制成的铁电存储器具有非易失性、无破坏读出、读写速度快、功耗低和模拟开关能力等优点，并且与传统铁电存储器相比，还具有结构简单、尺寸小、易于集成、使用寿命长等优势，被认为是下一代非易失性存储器和神经形态计算的候选器件。但目前的铁电材料随着薄膜厚度的减薄，不可避免的会出现漏电流和极化强度过低的问题。

2、目前为了提高基于铁电隧道结的存储器件的存储性能，可以通过增加铁电层的厚度，以增加铁电层中的极化值，增加隧穿电阻比ter。但是增加铁电层的厚度会导致基于铁电隧道结的存储器件的隧穿电流变小，导致无法进行非破坏性数据读取，即在数据读取操作完成后需要重新写入数据，最终导致基于铁电隧道结的存储器件易发生疲劳失效等可靠性问题。但是若要增大隧穿电流，则需要降低铁电层的厚度，此时铁电层的厚度较薄，铁电层中的极化值较小，隧穿电阻比较小，存储性能下降。因此，当前的基于铁电隧道结的存储器件存在不能平衡存储性能和进行非破坏性读取这两种性能的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种albn基铁电隧道结器件及其制备方法。由于albn薄膜能提供136～148μc/cm2的极化强度，从而能够进一步压缩器件尺寸，并提升存储性能和可擦写次数。

2、为实现上述目的，本发明提供的一种albn基铁电隧道结器件，自下而上包括si衬底以及依次生长沉积的sio2绝缘层、albn铁电层以及钛/金顶电极；

3、所述albn铁电层，为厚度小于5nm的albn薄膜，且b原子掺杂量不超过20％。

4、进一步，上述si衬底采用001取向的重掺杂p型si衬底。

5、进一步，上述sio2绝缘层厚度为1～5nm。

6、进一步，上述钛/金顶电极，是钛层位于金层下的两层结构，钛层直接接触albn铁电层；且钛层和金层的厚度均在10nm以内。

7、本发明提供的制备albn基铁电隧道结器件的方法，包括如下步骤：

8、(1)选择001取向的重掺杂p型si衬底，清洗该衬底后将其置于反应室中，使用等离子体增强化学气相沉积系统生长1～5nm厚的sio2绝缘层；

9、(2)将样品放置于溅射沉积系统的反应室中，在辅助气体的保护下，通过调节直流脉冲电源和射频电源，采用反应脉冲直流溅射和射频溅射沉积方式在sio2绝缘层上沉积albn薄膜，形成albn铁电层，该铁电层的厚度小于5nm，掺杂b原子不超过20％；

10、(3)将样品放在热台上，通过在n2氛围下加热样品，完成退火操作；

11、(4)利用紫外光刻技术，在光刻胶层上曝光、显影出电极区域，再利用电子束蒸发系统，通过电子束加热和真空蒸发先后沉积厚度均在10nm以内的ti接触垫和au顶电极，将ti和au材料蒸发沉积在albn铁电层上，形成钛/金顶电极；

12、(5)完成器件的制备。

13、本发明与现有技术相比具有以下优点：

14、第一、由于本发明中采用厚度小于5nm的albn薄膜作为铁电层，得到的铁电隧道结比传统铁电隧道结器件表现出更小的尺寸，集成度更高；同时具有良好的阻变行为，开关比大，且能够重复擦写。

15、第二、本发明制备过程中的退火温度仅需要280～300℃，更适合硅基集成、与主流cmos工艺兼容的新型铁电材料，具备广阔的应用前景。

16、第三、本发明通过准备重掺杂p型si(001)衬底，生长sio2绝缘层，沉积albn薄膜，蒸镀钛/金电极等步骤，制备出具有所需结构和参数的albn铁电隧道结器件，制备过程中采用的均为常见的清洗、溅射、沉积和蒸镀等工艺步骤，最终得到高质量的铁电隧道结器件，制备过程简单、易实现。

技术特征：

1.一种albn基铁电隧道结器件，其特征在于：自下而上包括si衬底以及依次生长沉积的sio2绝缘层、albn铁电层以及钛/金顶电极；

2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述si衬底采用001取向的重掺杂p型si衬底。

3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述sio2绝缘层厚度为1～5nm。

4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述钛/金顶电极，是钛层位于金层下的两层结构，钛层直接接触albn铁电层；且钛层和金层的厚度均在10nm以内。

5.一种albn基铁电隧道结器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述辅助气体包括ar和n2。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述退火操作，其退火温度设置为280～300℃。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(4)中所述将ti和au材料蒸发沉积在albn铁电层上，具体是将ti和au金属源分别放入两个电子束加热器中，并在真空环境下进行加热，调节电流使得温度分别达到ti源和au源的蒸发温度，并根据沉积速率计算沉积时间，最终将ti和au材料蒸发沉积在albn铁电层上。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述ti源和au源的蒸发温度分别为1500℃和1000℃。

10.根据权利要求5或8所述的方法，其特征在于：所述将ti和au材料蒸发沉积在albn铁电层上，之后使用酒精在超声波浴中清洗5-15分钟，然后用氮气吹干，最终得到器件。

技术总结
本发明提供了一种AlBN基铁电隧道结器件及其制备方法，主要解决现有器件无法平衡存储性能以及进行非破坏性读取，导致器件性能不佳的问题。主要结构为金属/铁电/绝缘体/半导体叠层结构，从下至上包括重掺杂P型Si衬底以及依次生长沉积的SiO<subgt;2</subgt;绝缘层、AlBN铁电层和钛/金顶电极；其中AlBN铁电层为厚度小于5nm的AlBN薄膜，钛/金顶电极是钛层位于金层下的两层结构，钛层直接接触AlBN铁电层。本发明利用AlBN材料的高极化强度和铁电特性的优势调节肖特基势垒形成高阻态和低阻态，能够进一步压缩器件尺寸，并提升存储性能和可擦写次数，在铁电隧道结存储器方面具备广阔的应用前景。

技术研发人员：苏杰,肖正懋,陈子龙,常晶晶,林珍华,张进成,郝跃
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15