[发明专利]一种铌酸锂纳米器件的刻蚀方法

说明书

本发明属于光电器件制备技术领域，具体为一种铌酸锂材料的刻蚀方法。本发明方法包括：在铌酸锂表面制备金属钝化层，用来提高纳米图形的保形性以及侧壁刻蚀倾斜角；沉积硬掩膜，并采用微电子光刻技术进行图形化处理；在待刻蚀的铌酸锂区域沉积活性金属薄膜，以提高刻蚀深度；将覆盖有活性金属层的铌酸锂晶体在还原气氛中进行退火；然后采用相应的酸溶液和碱溶液去掉铌酸锂表面的金属及其与铌酸锂的反应物，得到具有一定刻蚀深度的铌酸锂纳米图形。所制备的大规模铌酸锂纳米器件阵列尺寸可控，保形性和重复性好，侧壁倾斜角大于80°，图形凸块表面光滑。铌酸锂纳米器件制备步骤简单，难度低，可降低大规模生产成本。

技术领域

本发明属于光电器件制备技术领域，具体涉及一种铌酸锂材料的刻蚀方法。

背景技术

铌酸锂材料是目前已知的具有最大自发极化强度和最高居里温度的铁电材料，集优异的铁电性、介电性、热释电性质、压电效应、电光效应、声光效应、非线性光效应、光折变效应于一身的人工合成晶体材料，在红外探测器、光通信调制器和表面声波器件的研究中得到广泛关注。通过在铌酸锂单晶薄膜表面刻蚀存储单元凸块，并与左右电极接触，在外加电场的驱动下凸块内电畴反转，与衬底参考电畴可以形成平行或反平行的畴结构，通过二者间形成的可擦写的导电畴壁产生高低电阻，可用于存储信息，并实现信息的非破坏性电流读出，在此基础上可进一步集成非易失铁电畴壁晶体管。基于以上构架，江安全等人提出了公开号为W02017/177376A1、名称为“大电流读出铁电单晶薄膜存储器极其制备方法和操作方法”的专利，公开号为W02019/047489A1、名称为“铁电存储集成电路极其操作方法和制备方法”的专利，以及公开号为ZL201910706223.2、名称为“一种可擦除全铁电效应晶体管极其操作方法”的专利。上述专利揭示了独特的非破坏读出的铁电畴壁存储器和晶体管，并且能够在单个芯片上制造，通过铁电传感器可同时执行数据捕获、数据存储和数据逻辑运算，具有卓越的节能效率、超快的读写操作和和数据交换速度，且存储密度高。

为了实现铌酸锂畴壁存储器和晶体管的大规模生产，需要发明新型铌酸锂材料的纳米图形刻蚀技术，该刻蚀技术与目前CMOS集成电路工艺兼容。然而，铌酸锂材料耐刻，其纳米图形刻蚀技术属于国际难题。现有的铌酸锂图形刻蚀技术可分为等离子体刻蚀、聚焦离子束或激光微加工技术、Ti扩散电化学刻蚀技术等。聚焦离子束或激光微加工技术非常有利于制备小面积的结构，是制备光子晶体的主要方法，然而制备大面积的微电子器件耗时长甚至还需移动样品。Ti扩散电化学刻蚀为制备大尺寸的铌酸锂基器件结构指明了新的方向，2007年澳大利亚的V.Sivan等人在1050℃下进行Ti扩散10h，并且在扩散过程中以1L/min的速度通入湿氧，观察到叠加在溅射有Ti条的铌酸锂晶片上铌酸锂被刻蚀的现象，被刻蚀的铌酸锂表面光滑，侧壁呈曲线状，底部平坦。该技术中Ti金属扩散温度过高，与目前半导体工艺不兼容，无法实现铌酸锂纳米器件的大规模生产。离子束干刻蚀方法最显著的特点是较高的刻蚀图形线宽分辨率、优良的轮廓控制能力以及刻蚀各向异性，其良好的图形转移特性已广泛进入现代微电子器件制造工艺流程中，用于超精细高保真度的图形转移。但是，离子束刻蚀常引起二次效应和LiF沉积，使得刻蚀的图形侧壁陡直度较差，必须给予补救。降低LiF重沉积的另一个有效办法是通过质子交换降低铌酸锂材料中Li的浓度，85mol.%Li原子可被H原子替换，替换后器件刻蚀倾斜角接近90°；被质子交换后铌酸锂在完成等离子体刻蚀后可通过反质子交换还原成原先Li含量，重获材料的电学和光学特性。即使这样，铌酸锂的刻蚀过程中仍然需要采用Ni等重金属掩膜，掩膜厚度通常为几百纳米甚至微米量级，无法制备100nm以内纳米阵列器件，阻止了铌酸锂在微电子器件中应用。

采用干法刻蚀产生高质量的台阶对于又坚又脆的铌酸锂来说一直是一个艰巨的任务。当刻蚀的台阶不够陡直时，器件中被极化的电畴信息保持能力较差，退极化场增强。针对以上问题，本发明提供了一种刻蚀铌酸锂的办法，避免使用传统的铬、镍等掩膜，使用了与CMOS工艺兼容的氧化硅、氮化硅、氮化钛等掩膜，具有较高的刻蚀纳米图形线宽分辨率、优良的轮廓控制能力以及刻蚀各向异性，良好的图形转移特性，用于超精细高保真度的图形转移，可进入现代微电子器件制造工艺流程中生产铌酸锂存储器及光电器件等，且器件刻蚀台阶陡直，表面光滑。