一种控制铁电畴成核的氮化物铁电半导体制备方法

本发明涉及氮化物铁电半导体生长技术，具体涉及一种控制铁电畴成核的氮化物铁电半导体制备方法。

背景技术：

1、近年来，以钪铝氮(scaln)为代表的氮化物铁电材料因兼具铁电性、压电性和半导体特性而受到广泛关注。该类材料通常具有自发极化强、居里温度高、带隙可调以及与氮化物工艺体系兼容性较好等优点，在电子器件、铁电存储、光电器件及声学器件等领域具有良好的应用前景。

2、目前，氮化物铁电半导体薄膜在实际应用中仍面临一些限制。一方面，此类材料通常具有较高的矫顽电场，极化翻转所需外加电场较大，容易导致器件工作电压偏高，并进一步带来击穿风险增大、能耗升高以及器件可靠性下降等问题。另一方面，现有氮化物铁电半导体薄膜在极化翻转过程中，铁电畴成核位置往往受随机缺陷、局部应力分布、电极边缘场增强及材料非均匀性等因素影响，呈现出较强的随机性，导致翻转行为的一致性和可重复性较差。此外，极化翻转一旦发生，其后续扩展范围和终止边界通常也缺乏有效限制，导致翻转路径和翻转区域难以进行设计化控制。

3、因此，开发一种能够实现铁电畴成核位置可控，并进一步限制铁电畴扩展范围的氮化物铁电半导体制备方法，对于降低工作电压、提高翻转一致性、增强极化调控能力以及拓展其在铁电存储等领域中的应用具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有氮化物铁电半导体薄膜在极化翻转过程中存在铁电畴成核位置随机、翻转行为难以精确调控等问题，本发明提出了一种控制铁电畴成核的氮化物铁电半导体制备方法，有效控制铁电畴的成核位置和拓展范围。

2、本发明的控制铁电畴成核的氮化物铁电半导体制备方法，包括以下步骤：

3、1）在衬底上生长底电极；

4、2）在底电极上依次形成矫顽电场不同的两层氮化物铁电材料，位于下层的氮化物铁电材料具有较高矫顽电场作为铁电主体层，位于上层的氮化物铁电材料具有较低矫顽电场作为成核诱导层；

5、3）在成核诱导层的表面形成包括多个图形单元的第一图形化掩膜，用于将铁电主体层划分为多个铁电功能区与边界调控区；成核诱导层的表面部分被第一图形化掩膜覆盖，部分未被第一图形化掩膜覆盖暴露出来；

6、4）在形成有第一图形化掩膜的成核诱导层表面沉积光热转换层，使光热转换层在未被第一图形化掩膜覆盖的暴露表面与成核诱导层直接接触；

7、5）以第一图形化掩膜为保护，对光热转换层进行多次短脉冲光照处理，光热转换层吸收短脉冲光照的光能，产生瞬态升温和热膨胀，光热转换层将热量和热应力向下传递至未被第一图形化掩膜覆盖区域的铁电主体层；多次短脉冲光照处理使未被第一图形化掩膜覆盖的铁电主体层的区域晶体结构失序，铁电性受到抑制或破坏，形成边界调控区，用于分隔相邻铁电功能区并限制铁电畴的横向扩展范围；被第一图形化掩膜的多个图形单元覆盖的铁电主体层的区域则受到第一图形化掩膜保护，保留铁电性形成多个铁电功能区；

8、去除第一图形化掩膜和光热转换层，得到定义有铁电功能区和边界调控区的铁电主体层；

9、6）在成核诱导层表面形成第二图形化掩膜，用于限定成核诱导层形成多个低矫顽场岛状结构；第二图形化掩膜限定的每一个低矫顽场岛状结构位于对应的铁电功能区的中心区域，作为铁电畴优先成核的诱导结构；

10、7）以第二图形化掩膜为保护，对未被第二图形化掩膜保护的成核诱导层进行刻蚀，从而在铁电功能区表面的中心区域保留局部分布的低矫顽场岛状结构，即低矫顽场岛状结构覆盖铁电功能区表面的中心区域；

11、去除第二图形化掩膜，得到在铁电主体层的铁电功能区的中心区域表面具有低矫顽场岛状结构的氮化物铁电半导体结构；

12、8）在具有低矫顽场岛状结构的铁电功能区上生长顶电极，顶电极覆盖低矫顽场岛状结构和暴露出来的铁电功能区表面，顶电极与底电极共同构成电极结构；

13、9）通过电极结构对低矫顽场岛状结构和铁电功能区进行预极化处理，使二者的极化方向与预设极化方向一致，此时铁电功能区内的铁电畴具有与预设极化方向一致的极化方向，呈近似单畴状态；

14、通过电极结构施加方向与预设极化方向相反的外加电场；在电场作用下，低矫顽场岛状结构先于具有高矫顽场的铁电主体层发生极化翻转；极化翻转后，低矫顽场岛状结构通过与其下方铁电主体层之间的近邻耦合作用，在两者界面附近产生局域电场和弹性场，降低铁电主体层对应区域的极化翻转势垒，诱导反向极化的铁电畴优先在低矫顽场岛状结构下方区域成核；随后，极化翻转的铁电畴由界面附近沿薄膜厚度方向向下扩展，并进一步向周围横向扩展；当反向极化铁电畴扩展至边界调控区时，边界调控区对反向极化铁电畴的进一步扩展起到阻挡和限制作用，从而将极化翻转范围限定在对应铁电功能区内部。

15、其中，在步骤1）中，衬底采用适于氮化物铁电半导体薄膜生长或沉积的材料，为氮化镓模板（gan template）、氮化铝模板（aln template）、蓝宝石（、碳化硅（sic）或硅（si）衬底。底电极的材料采用n型氮化镓（n-gan）、氮化钛（tin）、钼（mo）或铂（pt），厚度为50nm~300 nm，底电极的生长方法采用分子束外延（mbe）、金属有机化学气相沉积（mocvd）、反应磁控溅射或原子层沉积（ald）。

16、在步骤2）中，两层氮化物铁电材料采用分子束外延（mbe）、金属有机化学气相沉积（mocvd）、反应磁控溅射或原子层沉积（ald）方法依次形成。两层氮化物铁电材料之间的矫顽电场差异，通过组分差异、掺杂差异、应力差异或缺陷差异实现；矫顽电场的差异为0.5mv/cm~5 mv/cm。铁电主体层的厚度为50 nm~1000 nm；成核诱导层的厚度为铁电主体层的厚度的0.1~0.2倍。

17、生长完成核诱导层后，对成核诱导层表面进行清洗，以去除薄膜表面的颗粒、吸附物及有机残留；清洗可采用有机溶剂清洗、去离子水清洗、超声辅助清洗或其组合，获得洁净的薄膜表面。

18、在步骤3）中，第一图形化掩膜用于定义铁电主体层中铁电功能区与边界调控区的范围。第一图形化掩膜包括按阵列方式分布的多个图形单元，第一图形化掩膜为光刻胶掩膜或硬掩膜；其中，光刻胶掩膜通过旋涂光刻胶、预烘、曝光和显影形成，硬掩膜为、或 中的一种。第一图形化掩膜覆盖的铁电主体层的区域定义为铁电功能区，图形单元的表面形状与铁电功能区的截面形状一致，表面形状可为圆形、椭圆形、方形或多边形，横向尺寸为100 nm~50 μm；多个铁电功能区可按周期阵列或非周期阵列方式分布，相邻的铁电功能区之间未被第一图形化掩膜覆盖的区域形成边界调控区。

19、在步骤4）中，光热转换层用于吸收后续短脉冲光照所提供的光能，产生瞬态升温和热膨胀。光热转换层采用金属材料、金属氮化物材料和碳基材料中的一种或多种材料；通过磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发或原子层沉积形成，厚度为10 nm~200 nm。光热转换层优选在短脉冲光照波长下具有较高光吸收率和光热转换效率的材料，例如镍（ni）、钛（ti）、钨（w）等金属材料以及氮化钛（tin）等金属氮化物材料，以产生所需的瞬态温度提升；同时，所选材料与成核诱导层的材料之间具有不同的热膨胀系数，以在界面约束下产生热应力，并应具有能够承受短脉冲光照处理的热稳定性以及与成核诱导层材料之间的化学稳定性。

20、在步骤5）中，短脉冲采用脉冲激光器或脉冲强光源产生。位于未被第一图形化掩膜覆盖区域上的光热转换层与成核诱导层直接接触，在吸收光能后发生瞬态升温和热膨胀，由于光热转换层与成核诱导层之间存在热膨胀失配，并受到界面约束产生热应力，热量和热应力向下传递至铁电主体层，在其下方的铁电主体层中产生局域瞬态热场和热应力场。短脉冲光照结束后，热量经氮化物铁电半导体薄膜及衬底快速耗散，使局域热场和热应力场快速衰减；相邻脉冲之间的时间间隔大于铁电主体层的特征热弛豫时间，从而形成多次彼此分离的快速升温-冷却热循环。在瞬态温度梯度、热膨胀失配及热应力循环作用下，铁电主体层对应区域的晶体结构发生局部失序，铁电性受到抑制或破坏，形成边界调控区。第一图形化掩膜上的光热转换层与成核诱导层相隔离，第一图形化掩膜能够降低热量和应力向被遮蔽区域的传递，从而使铁电主体层被第一图形化掩膜的多个图形单元遮蔽的区域保持较高的晶体有序性和铁电性，形成铁电功能区；每一个图形单元下对应一个铁电功能区，多个铁电功能区按阵列方式分布，与第一图形化掩膜的分布一致，相邻的铁电功能区之间由边界调控区分隔。短脉冲光照的波长根据光热转换层的光吸收特性进行选择，调整短脉冲的波长使得光热转换层具有最强的光吸收能力；脉冲宽度根据所需的瞬态升温速率调节，脉冲宽度越小瞬态升温速率越大；能量密度和脉冲次数根据所需的晶体结构失序化程度和深度调节，提高能量密度和脉冲次数能够使晶体结构失序化程度增强和深度增加，调整能量密度和脉冲次数以使晶体铁电性受到抑制或破坏，晶体结构失序化的深度接近成核诱导层和铁电主体层的总厚度。

21、第一图形化掩膜及光热转换层采用剥离、有机溶剂清洗、等离子体去胶、湿法刻蚀和干法刻蚀中的一种或多种组合方式去除。当第一图形化掩膜为光刻胶掩膜时，先采用有机溶剂或等离子体去胶方式去除，并通过剥离作用去除位于第一图形化掩膜表面的光热转换层；光热转换层采用与其材料相适配的湿法刻蚀或干法刻蚀方式去除。当第一图形化掩膜为硬掩膜时，根据硬掩膜及光热转换层的材料选择相应的湿法刻蚀、干法刻蚀或组合去除工艺。去除过程中，控制去除条件以避免对成核诱导层和铁电主体层造成明显破坏。

22、在步骤6）中，第二图形化掩膜用于限定成核诱导层中待保留的低矫顽场岛状结构，第二图形化掩膜包括按阵列方式分布的多个图形单元，阵列方式与第一图形化掩膜和铁电功能区的分布一致，第二图形化掩膜的每一个图形单元位于相应的铁电功能区上，且表面形状小于铁电功能区的截面形状。低矫顽场岛状结构将作为铁电主体层中铁电畴优先成核的诱导结构。第二图形化掩膜为光刻胶掩膜或硬掩膜，并可通过光刻、电子束曝光、纳米压印或其他图形化方法形成，第二图形化掩膜的遮挡区域正对铁电功能区的中心区域。第二图形化掩膜限定低矫顽场岛状结构，图形单元在平面方向上的形状可为圆形、椭圆形、方形或多边形，横向尺寸为对应铁电功能区的横向尺寸的0.05~0.2倍。

23、在步骤7）中，以第二图形化掩膜为保护，对未被第二图形化掩膜覆盖的成核诱导层进行刻蚀，去除未被第二图形化掩膜保护部分的成核诱导层氮化物铁电材料，得到第二图形化掩膜所限定的低矫顽场岛状结构。刻蚀采用反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀、离子束刻蚀和湿法刻蚀中的一种或多种组合方式；低矫顽场岛状结构保留成核诱导层氮化物铁电材料较低矫顽电场的特性，并与其下方的铁电主体层形成局域耦合界面。每一个铁电功能区及其对应的低矫顽场岛状结构构成铁电单元。

24、第二图形化掩膜采用有机溶剂去除、等离子体去胶、湿法刻蚀和干法刻蚀中的一种或多种组合方式去除。第二图形化掩膜为光刻胶掩膜时，采用有机溶剂清洗或等离子体去胶方式去除；第二图形化掩膜掩膜为硬掩膜时，采用与硬掩膜材料相适配的湿法刻蚀或干法刻蚀方式去除。

25、在步骤8）中，先在具有低矫顽场岛状结构的铁电主体层上形成顶电极图形，然后生长顶电极；顶电极图形对应于铁电功能区，使后续形成的顶电极覆盖低矫顽场岛状结构及其周围暴露的铁电功能区的表面，在边界调控区的表面不形成顶电极。顶电极的材料采用钛（ti）、铂（pt）、钼（mo）、钨（w）、金（au）或氮化钛（tin），厚度为50 nm~200 nm，顶电极的生长方法采用电子束蒸发、磁控溅射或原子层沉积（ald）。

26、在步骤9）中，通过电极结构对低矫顽场岛状结构和铁电功能区施加外加电场进行预极化处理，预极化的电场强度为3 mv/cm~10 mv/cm。施加方向与预设极化方向相反的外加电场，发生极化翻转的电场强度为1 mv/cm~5 mv/cm。在外加电场作用下，低矫顽场岛状结构优先发生极化翻转，并通过与其下方高矫顽场的铁电主体层之间的近邻耦合作用，在两者界面附近产生局域电场和弹性场，降低邻近较高矫顽场区域的极化翻转势垒，从而诱导铁电主体层中的铁电畴优先在低矫顽场岛状结构下方区域成核并向周围扩展。

27、本发明的优点：

28、本发明通过在具有较低矫顽电场的成核诱导层中构建局部分布的低矫顽场岛状结构和在具有较高矫顽电场的铁电主体层中定义铁电功能区和边界调控区，实现了对铁电畴起始成核位置与后续扩展终点的协同调控，能够有效改善现有氮化物铁电半导体薄膜中铁电畴成核随机性较强、翻转路径及扩展范围难以限定的问题。其中，低矫顽场岛状结构在外加电场作用下更易优先发生极化翻转，并通过与其下方高矫顽场的铁电主体层之间的近邻耦合作用，在界面附近产生局域电场和弹性场，降低其下方及邻近高矫顽场的铁电主体层的极化翻转势垒，从而诱导铁电畴优先在预定区域成核，有利于提高极化翻转行为的一致性、可重复性和可设计性；经光热转换层辅助的短脉冲光照处理形成的边界调控区为晶体结构失序化的区域，该区域铁电性受到抑制或破坏，能够对相邻铁电功能区进行有效分隔，并限制铁电畴的横向扩展范围，从而抑制相邻铁电单元之间的翻转串扰，增强不同铁电单元之间的独立性。此外，本发明通过低矫顽场岛状结构与高矫顽场铁电主体层的协同设计，有利于降低高矫顽场的铁电工作区域的极化翻转势垒，进而降低器件工作电压和能耗，并减轻高电场作用下的介质击穿风险。由此制备得到的控制铁电畴成核的氮化物铁电半导体结构可应用于铁电存储单元、可重构电子器件、压电器件、声学器件及相关集成氮化物铁电器件中，具有良好的应用前景。