[发明专利]一种基于氧等离子体工艺的纳米介质层制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于氧等离子体工艺的纳米介质层制备方法，属于微电子与固体电子学、纳米科学技术领域。

背景技术

隧穿二极管(TD)是利用量子效应构成的一种新型高速纳米器件，具有高频整流特性。常用的隧穿二极管有共振隧穿二极管(RTD)、材料-绝缘体-材料隧穿二极管(MIM-TD)，其中，MIM-TD结构简单，受到广泛关注。MIM-TD的中间绝缘层非常薄，在隧穿效应的作用下，电子可以轻松地从一层导电材料运动到另一层导电材料，该隧穿时间短到飞秒量级，这使得MIM-TD成为高频整流的最佳选择。

通常在制作MIM-TD的介质层时，大多采用真空沉积方法，例如磁控溅射方法、原子层沉积方法。如果选用此类方法，在介质层制备时，需要额外准备靶材，这将导致介质层制备操作复杂，并且理论上在金属与介质层间存在界面缺陷，严重情况则影响到整流功能。

综合上述内容，目前MIM-TD的介质层制备工艺复杂，需要配套磁控溅射或原子层沉积等大型仪器，并且需要额外准备靶材，这导致器件制作过程成本高。同时，在上述制作过程中，可能产生的界面缺陷不利于得到性能优异的器件。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于氧等离子体工艺的纳米介质层制备方法，利用氧等离子体氧化的方法，在存在图形掩膜的情况下，对介质层所在的金属区域进行氧化，工艺简单，无需额外增加材料，就可以获得缺陷较少的介质层。

本发明的技术方案是：一种基于氧等离子体工艺的纳米介质层制备方法，步骤如下：

1)对硅晶片衬底进行清洗；

2)制备基底金属层，将基底金属层以电子束蒸发的方式置于硅晶片上；

3)介质层掩膜的制备

31)不涂胶以2000～6000rpm的转速空转晶片，以使硅片上有机溶剂挥发干净；

32)以2000～6000rpm的转速涂覆ZEP520光刻胶1～5min，再在热台上150～200℃前烘2～8min；

33)利用电子束曝光，在基底金属层上曝光出0.3μm×0.3μm～1μm×1μm的正方形，形成正方形掩膜；

34)利用对二甲苯对ZEP520光刻胶进行显影1～5min，利用异丙醇对ZEP520光刻胶进行定影1～3min，利用正己烷对ZEP520光刻胶进行正负离子交换20～60s，自然晾干；

35)利用氧等离子体处理机，对步骤33)产生的正方形掩膜去残胶，获得介质层掩膜；所述氧等离子体处理机背底真空为0.3～0.7Torr，通入氧气流量10～50sccm，功率50～120watt，时间20～60s；

4)介质层薄膜制备

利用氧等离子体处理机对掩膜内的基底金属层表面进行氧化处理，生成纳米金属氧化物介质层；所述氧等离子体处理机背底真空为0.3～0.7Torr，通入氧气流量为10～50sccm，功率60～140watt，时间1～5min；

5)利用超声机对掩膜进行剥离

将带有掩膜的硅晶片浸泡于丁酮溶液中，置于热台上60℃加热15min，再在30～60％的功率下超声2min，清水洗净，吹干。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、在氧化过程中，被光刻胶覆盖的金属层部分不被氧化，经过曝光、显影暴露出来的掩膜窗口部分被氧化，0.3μm*0.3μm～1μm*1μm的掩膜窗口大小的区域内生成氧化层。

2、将晶片放于密闭的空气气氛中(烘箱中)进行恒温加热，使掩膜窗口处(暴露的部分)的金属层被缓慢、均匀的加热，使得介质层成分均一，厚度较小并可控。另外，由于是在金属层的表面进行原位热氧化，缺陷少。

3、令晶片在60～140watt的较高功率氧等离子气氛中被快速氧化1～5min，既实现了M层表面原位生长成膜，缺陷少，又使得介质层的厚度较小、可控，并与M层的结合力较强。

4、热氧化法和氧等离子氧化法两种介质层制备方法，不仅应用于金属钛，还可以扩展到其他金属，如包含、但并不仅限于镍和铝等。

本发明与现有技术相比的优点在于：