一种基于氧等离子体工艺的纳米介质层制备方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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 (1頂-10)，其中，11頂-10结构简单，受到广泛关注。11頂-10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MM-TD成为高频整流的最佳选择。
[0003] 通常在制作MM-ID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。
[0004] 综合上述内容，目前MM-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】
[0005] 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。
[0006] 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：
[0007] 1)对娃晶片衬底进行清洗；
[0008] 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；
[0009] 3)介质层掩膜的制备
[0010] 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；
[0011] 32)以2000~6000rpm的转速涂覆ZEP520光刻胶1~5min，再在热台上150~ 200°C前烘 2 ~8min;
[0012] 33)利用电子束曝光，在基底金属层上曝光出0. 3ymX0. 3ym~1ymXlym的正 方形，形成正方形掩膜；
[0013] 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；
[0014] 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. TTorr，通入氧气流量10~50sccm，功率 50 ~120watt，时间 20 ~60s ;
[0015] 4)介质层薄膜制备
[0016] 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〇. 3~0. norr，通入氧气流量为10~ 50sccm，功率 60 ~140watt，时间 1 ~5min ;
[0017] 5)利用超声机对掩膜进行剥离
[0018] 将带有掩膜的硅晶片浸泡于丁酮溶液中，置于热台上60°C加热15min，再在30~ 60%的功率下超声2min，清水洗净，吹干。
[0019] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0020] 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. 3ym*0. 3ym~1 ym的掩膜窗口大小的区域内生成氧 化层。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0025] 现多采用磁控溅射或原子层沉积的方法制备同类介质层，二者所需设备复杂，致 使制备过程较为繁冗。采用磁控溅射方法制备介质层，由于材料颗粒度较大，很难得到厚度 小于10nm、均匀的介质层薄膜；此外，介质层薄膜的生长机理为优先在局部以岛状生长，致 使制备的介质层薄膜和基底金属层的接触部分存在一定缺陷。采用原子层沉积方法制备介 质层，尽管可以精准控制介质层薄膜的厚度，但在制备过程中，引入了较多的非介质层化学 成分的反应物种类，制备出的介质层薄膜存在一定的不纯现象。
[0026] 本发明开发出一种简单可行的制备MIM结构介质层的工艺。利用氧等离子体氧化 的方法，在底层金属的基础上，在60~140watt的较高功率氧等离子气氛中，快速氧化1~ 5min，实现金属基底的原位氧化。介质层薄膜为一次性面成形，与金属基底的结合力较强， 且基本不引入界面缺陷。同时，可通过调节氧等离子功率和时间参数，对介质层薄膜的厚度 进行调控。并且，在制备过程中无需额外提供材料，因此不易引入杂质。此外，本技术结合 光刻胶掩膜的方法，有效地控制了介质层薄膜的面积。最后，氧等离子体方法制备介质层薄 膜，不仅可应用于金属钛，还可以扩展到其他金属，如包含、但并不仅限于镍和铝等。
【附图说明】
[0027] 图1为发明实例的基底金属层的制作示意图；
[0028]图2为发明实例介质层的制作示意图；
[0029]图3为发明实例纳米介质层的制作流程图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和两个实例对本发明作进一步说明。
[0031] 1)衬底清洗
[0032] 11)衬底所用晶片为带有2 ym二氧化硅层的硅晶片。具体清洗步骤如下：利用超 声机，将硅晶片浸泡于丙酮中以40%的功率超声15min，将硅晶片浸泡于异丙醇中以40% 的功率超声15min，去离子水洗净，吹干；
[0033] 12)将硅晶片浸泡于浓硫酸和双氧水（5:1)的混合液中，于70°C加热15min，去离 子水洗净；
[0034] 13)将娃晶片浸泡于水、双氧水