CN105261641A - 异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管及制造方法。晶体管包括：6H-SiC漏区、6H-SiC源区、6H-SiC沟道区、肖特基接触栅电极、4H-SiC衬底、漏极、源极、SiN隔离层；6H-SiC漏区、6H-SiC源区、6H-SiC沟道区位于4H-SiC衬底上；源极位于6H-SiC源区上，肖特基接触栅电极位于6H-SiC沟道区上，漏极位于6H-SiC漏区上；SiN隔离层位于源极和肖特基接触栅电极，以及肖特基接触栅电极和漏极之间。本发明异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管及制造方法可通过调节离子注入的剂量和退火时间改变源漏材料中的掺杂浓度和缺陷密度，从而优化室温下漏区和源区的自旋极化率。
Description
技术领域
本发明涉及一种异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管及制造方法，尤其涉及一种利用对具有缺陷的6H-SiC掺杂氮原子制作源漏极注入接收自旋极化电子的异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管及制造方法。
背景技术
随着现代电子技术的迅速更新，传统电子器件的发展，无论是规模集成还是运算速度方面，均严重限制了微电子科学的发展。新兴的自旋电子学以便捷地调控电子自旋为主要目标，开启了以利用电子自旋来实现信息贮存和传输的新领域，引起物理学，材料学以及电子信息学等多科学领域中研究者的共同关注和广泛兴趣。
近年来，基于二维电子气提出的自旋场效应管，其理论与实验研究涉及了电子自旋输运及材料特性等多方面影响的复杂因素，引起了广大研究者的关注与探索。其基本构想为通过电光调制器的电子类比提出所谓的自旋场晶体管。由源极输入的电子自旋沿6H-SiC方向，它可以表示为沿z方向正和负自旋分量的组合，通过电子有效质量哈密顿中的Rashba项引起的自旋向上和自旋向下的电子能量分裂，在输运过程中产生电子通过场效应管的相位差，在漏极接收到的沿6H-SiC方向自旋的可以看成沿正负z方向自旋的电子相位产生变化，从而进行电流调控。而Rashba项中的Rashba系数Rashba系数η与异质结界面的电场成正比，因此可以通过加栅压来控制电流大小。
但是一般的自旋场效应晶体管由铁磁材料将自旋电子注入到半导体中，但由于铁磁材料如Fe与半导体材料如Sm的能带结构不匹配使得自旋注入的效率只有百分之几。因此，采用相同的源漏极以及沟道材料使能带结构匹配从而提高注入效率在自旋场效应晶体管器件的应用和研究尤为重要。
N型掺杂点缺陷6H-SiC材料具有一定的自旋极化效应，可以替代现有的工艺，提高自旋注入和接收的效率，从而提高器件的性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管及制造方法。可以优化材料在室温下的自旋极化率。
为实现上述目的，本发明提供了一种异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管，包括：6H-SiC漏区、6H-SiC源区、6H-SiC沟道区、肖特基接触栅电极、4H-SiC衬底、漏极、源极、SiN隔离层；
所述6H-SiC漏区、6H-SiC源区、6H-SiC沟道区位于所述4H-SiC衬底上；所述源极位于所述6H-SiC源区上，所述肖特基接触栅电极位于所述6H-SiC沟道区上，所述漏极位于所述6H-SiC漏区上；所述SiN隔离层位于源极和肖特基接触栅电极，以及肖特基接触栅电极和漏极之间。
进一步的，所述6H-SiC漏区的材料是N型掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1020cm-3的具有缺陷的6H-SiC材料，厚度为0.5μm。
进一步的，所述6H-SiC源区的材料是N型掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1020cm-3的具有缺陷的6H-SiC材料，厚度为0.5μm。
进一步的，所述6H-SiC沟道区由N型掺杂浓度为1×1015-1×1017cm-3外延层构成。
进一步的，所述肖特基接触栅电极是由淀积形成的厚度为300nm的Ni肖特基接触栅电极。
进一步的，所述4H-SiC衬底为掺杂浓度为1×1014cm-3的4H-SiC材料。
本发明还提供了一种异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管的制造方法，所述方法包括：
步骤1，依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对4H-SiC衬底进行超声清洗；
步骤2，在4H-SiC衬底上化学气相沉积0.5μm轻掺杂的6H-SiC外延层，掺杂浓度为1×1015-1×1017cm-3；反应温度为1570℃，压强为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，杂质源采用气态氮气；
步骤3，将四次氮离子选择性注入形成漏区和源区：
步骤4，对整个碳化硅外延层进行涂胶、显影，在源区和漏区上方形成欧姆接触区域，淀积300nm的Ni金属，之后通过超声波剥离使其形成源极和漏极金属层；在1100℃的氩气气氛中，对整个样品退火3分钟，形成源、漏欧姆接触电极；
步骤5，利用等离子体增强化学气相淀积法在外延层上方淀积200nm厚的SiN层，之后使用光刻及CF4等离子体刻蚀出1μm的栅区；
步骤6，利用磁控溅射的方法在6H-SiC沟道表面溅射金属300nm金属Ni作为肖特基接触栅电极，然后在氩气气氛中快速退火处理。
进一步的，所述步骤3具体包括：
步骤31，在碳化硅外延层上淀积一层厚度为1μm的Al作为漏区和源区离子注入的阻挡层，通过光刻和刻蚀形成漏区和源区注入区；
步骤32，在500℃的温度下对碳化硅外延层进行四次氮离子注入，先后采用200keV、140keV、100keV和65keV的注入能量，注入到碳化硅外延层，形成深度为0.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1020cm-3的漏区和源区；
步骤33，采用磷酸去除碳化硅外延层上的Al；
步骤34，采用RCA清洗标准对碳化硅外延层表面进行清洗，烘干后制作C膜保护；然后再850℃氩气氛围中进行离子激活退火10min。
本发明异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管及制造方法，可通过调节离子注入的剂量和退火时间改变源漏材料中的掺杂浓度和缺陷密度，从而优化室温下材料的自旋极化率。
附图说明
图1为本发明异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管的示意图；
图2为本发明异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管的制造方法的流程图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管的示意图，如图所示，具体包括6H-SiC漏区1、6H-SiC源区2、6H-SiC沟道区3、肖特基接触栅电极4、4H-SiC衬底5、漏极6、源极7和SiN隔离层8。
6H-SiC漏区1、6H-SiC源区2、6H-SiC沟道区3位于4H-SiC衬底5上；源极7位于6H-SiC源区2上，肖特基接触栅电极4位于6H-SiC沟道区3上，漏极6位于6H-SiC漏区1上；SiN隔离层8位于源极7和肖特基接触栅电极4，以及肖特基接触栅电极4和漏极6之间。
其中，6H-SiC漏区1和6H-SiC源区2是厚度为0.5μm，N型掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1020cm-3，优选的为1×1019cm-3，具有点缺陷结构的6H-SiC材料，由三次或四次氮离子选择性离子注入形成；6H-SiC沟道区3由N型掺杂浓度为1×1015-1×1017cm-3外延层构成。6H-SiC沟道区3上方是由淀积形成的厚度为300nm的Ni肖特基接触栅4；漏极6和源极7位于漏区1和源区2上方，通过淀积300nm的Ni形成，SiN作为隔离层位于肖特基接触栅4与源极6和漏极7之间，采用等离子体化学气相淀积生成。
4H-SiC衬底5是掺杂浓度为1×1014cm-3的4H-SiC材料。
本发明的异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管可通过调节离子注入的剂量和退火时间改变源漏材料中的掺杂浓度和缺陷密度，从而优化材料在室温下的自旋极化率。
图2为本发明异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管的制造方法的流程图，如图所示，具体包括如下步骤：
步骤1，依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对4H-SiC衬底进行超声清洗；
步骤2，在4H-SiC衬底上生长厚度为0.5μm轻掺杂的6H-SiC外延层，掺杂浓度为1×1015-1×1017cm-3，其工艺条件是：反应温度为1570℃，压强为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，杂质源采用气态氮气；
步骤3，四次氮离子选择性注入形成漏区和源区：
具体的，包括：步骤3.1，在碳化硅外延层上淀积一层厚度为1μm的Al作为漏区和源区离子注入的阻挡层，通过光刻和刻蚀形成漏区和源区注入区；
步骤3.2，在500℃的温度下对碳化硅外延层进行四次氮离子注入，先后采用200keV、140keV、100keV和65keV的注入能量，注入到碳化硅外延层，形成深度为0.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1020cm-3的漏区和源区；
步骤3.3，采用磷酸去除碳化硅外延层上的Al；
步骤3.4，采用RCA清洗标准对碳化硅外延层表面进行清洗，烘干后制作C膜保护；然后在850℃氩气氛围中进行离子激活退火10min。
步骤4，对整个碳化硅外延层进行涂胶、显影，在源区和漏区上方形成欧姆接触区域，淀积300nm的Ni金属，之后通过超声波剥离使其形成源极和漏极金属层；在1100℃的氩气气氛中，对整个样品退火3分钟，形成源、漏欧姆接触电极；
具体包括：
步骤4.1，对整个碳化硅外延层进行涂胶、显影，在源区和漏区上方形成欧姆接触区域，淀积300nm的Ni金属，之后通过超声波剥离使其形成源极和漏极金属层；
步骤4.2，在1100℃的氩气气氛中，对整个样品退火3分钟，形成源、漏欧姆接触电极；
步骤5，利用等离子体增强化学气相淀积法在外延层上方淀积200nm厚的SiN层，之后使用光刻及CF4等离子体刻蚀出1μm的栅区；
步骤6，利用磁控溅射的方法在6H-SiC沟道表面溅射金属300nm金属Ni作为肖特基接触栅电极，然后在氩气气氛中快速退火处理。
本发明异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管机器制造方法，由于沟道和源漏采用同一种材料，可直接在衬底上进行外延生长，同时源漏采用选择区域离子注入氮原子的方式形成，具有与常规工艺兼容，制造简单，表面效应小的优点，同时可提高自旋注入与接收效率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管，其特征在于，包括：6H-SiC漏区、6H-SiC源区、6H-SiC沟道区、肖特基接触栅电极、4H-SiC衬底、漏极、源极、SiN隔离层；
所述6H-SiC漏区、6H-SiC源区、6H-SiC沟道区位于所述4H-SiC衬底上；所述源极位于所述6H-SiC源区上，所述肖特基接触栅电极位于所述6H-SiC沟道区上，所述漏极位于所述6H-SiC漏区上；所述SiN隔离层位于源极和肖特基接触栅电极，以及肖特基接触栅电极和漏极之间。
2.根据权利要求1所述的异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管，其特征在于，所述6H-SiC漏区的材料是N型掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1020cm-3的具有缺陷的6H-SiC材料，厚度为0.5μm。
3.根据权利要求1所述的异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管，其特征在于，所述6H-SiC源区的材料是N型掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1020cm-3的具有缺陷的6H-SiC材料，厚度为0.5μm。
4.根据权利要求1所述的异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管，其特征在于，所述6H-SiC沟道区由N型掺杂浓度为1×1015-1×1017cm-3外延层构成。
5.根据权利要求1所述的异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管，其特征在于，所述肖特基接触栅电极是由淀积形成的厚度为300nm的Ni肖特基接触栅电极。
6.根据权利要求1所述的异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管，其特征在于，所述4H-SiC衬底为N型掺杂浓度为1×1014cm-3的4H-SiC材料。
7.一种异质结高电子迁移率自旋场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对4H-SiC衬底进行超声清洗；
步骤2，在4H-SiC衬底上化学气相沉积厚度为0.5μm轻掺杂的6H-SiC外延层，掺杂浓度为1×1015-1×1017cm-3；反应温度为1570℃，压强为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，杂质源采用气态氮气；
步骤3，将氮离子四次选择性注入形成漏区和源区：
步骤4，对整个碳化硅外延层进行涂胶、显影，在源区和漏区上方形成欧姆接触区域，淀积300nm的Ni金属，之后通过超声波剥离使其形成源极和漏极金属层；在1100℃的氩气气氛中，对整个样品退火3分钟，形成源、漏欧姆接触电极；
步骤5，利用等离子体增强化学气相淀积法在外延层上方淀积200nm厚的SiN层，之后使用光刻及CF4等离子体刻蚀出1μm的栅区；
步骤6，利用磁控溅射的方法在6H-SiC沟道表面溅射金属300nm金属Ni作为肖特基接触栅电极，然后在氩气气氛中快速退火处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
步骤31，在碳化硅外延层上淀积一层厚度为1μm的Al作为漏区和源区离子注入的阻挡层，通过光刻和刻蚀形成漏区和源区注入区；
步骤32，在500℃的温度下对碳化硅外延层进行四次氮离子注入，先后采用200keV、140keV、100keV和65keV的注入能量，注入到碳化硅外延层，形成深度为0.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1020cm-3的漏区和源区；
步骤33，采用磷酸去除碳化硅外延层上的Al；
步骤34，采用RCA清洗标准对碳化硅外延层表面进行清洗，烘干后制作C膜保护；然后在850℃氩气氛围中进行离子激活退火10min。
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