[发明专利]在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的方法和应用

说明书

一种在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的方法和应用，属于电子信息技术领域。本发明利用同一Al金属靶，在纤锌矿AlN基薄膜表面原位生长金属Al薄膜，随后将金属Al薄膜原位氧化为超薄致密的Al₂O₃层对其下的AlN基压电、铁电薄膜进行完全覆盖保护。本发明能够解决后续生长图形化上电极时AlN基薄膜的潮解氧化问题，操作简便易行，工程实用性强；同时本发明利用Al₂O₃层优异的介电性质和串联电容器分压原理，降低了器件的漏导电流，提高了抗击穿电压，并保障了AlN基压电铁电薄膜的工作分压，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的方法和应用。

背景技术

晶面织构化(c轴择优生长取向)的纤锌矿AlN薄膜因具有优异的压电特性，以及高击穿场强、高热导率、高温稳定性、高声波传输速率等特点，被广泛应用于高频声表面波(SAW)滤波器、体声波(BAW)滤波器和MEMs传感器等器件中。近年来，Sc掺杂被发现可以显著提高AlN薄膜的压电特性；此外Sc、B、Y等元素掺杂的纤锌矿AlN薄膜也被证实具有优异的铁电特性，可应用于铁电增强型高电子迁移率晶体管和铁电存储器等器件的制备。

面向压电、铁电等器件应用的纤锌矿AlN基薄膜一般首先沉积在硅、蓝宝石、氮化镓等单晶衬底上，或者沉积在衬底表面生长有(111)织构化的铂(Pt)、钼(Mo)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)等底电极薄膜上，利用单晶衬底的异质外延晶面或者底电极薄膜的(111)晶面织构诱导纤锌矿AlN基薄膜具有(0002)织构化组织结构；随后在AlN基薄膜表面利用硬掩模板或者光刻工艺制备图形化的金属上电极。在制备金属上电极之前，AlN基薄膜不得不短时间脱离真空环境、暴露在大气之中。研究表明，AlN的表面极为活泼，极易吸收空气中的水汽发生水解反应AlN+3H₂O＝Al(OH)₃↓+NH₃↑，并且与空气中氧反应形成铝的氮氧化合物(AlN_1-xO_x)。上述反应导致在AlN基薄膜和后续生长的上电极之间出现厚度为几个纳米、富含高浓度氧杂质和氮空位的界面层，氧和氮空位作为施主掺杂使该界面层具有n⁺简并半导体特性，由金属上电极发射的电子可以隧穿通过界面层进入AlN基薄膜内，导致器件的漏电流增大、抗击穿特性变差。如何克服AlN基薄膜的表面潮解及氧化、避免与上电极之间出现高氧施主掺杂浓度的界面层，成为提高器件性能和服役可靠性亟待解决的难题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出采用物理气相沉积(PVD)法在同一真空腔室内原位连续生长(0002)织构纤锌矿氮化铝基压电铁电薄膜和超薄氧化铝保护层。具体方法是首先以Al作为主成分靶，Sc、Y、B等作为掺杂元素靶，在Ar、N₂混合气氛或纯N₂气氛下，采用磁控溅射或激光脉冲等技术在单晶衬底或者生长有(111)织构底电极薄膜的衬底上沉积具有(0002)织构化组织结构的AlN基压电、铁电薄膜。随后以单质Al金属作为靶材，在纯Ar气氛下，采用磁控溅射或激光脉冲等技术在AlN基薄膜表面原位沉积厚度为2-5纳米的金属Al薄膜。最后对该金属Al薄膜在同一真空腔室内进行原位氧化处理，使其转变为非晶态、致密的Al₂O₃薄层完全覆盖在其下的AlN基压电、铁电薄膜上。