[发明专利]一种基于热氧化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热氧化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，这种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，这将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，提供了一种基于热氧化工艺的纳米介质层制备方法，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：一种基于热氧化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的转速空转硅晶片，以使硅晶片上的有机溶剂挥发干净；

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)介质层薄膜的制备

令烘箱在1～2h升温至150～200℃，然后将硅晶片放入烘箱中，对掩膜内的基底金属层表面进行热氧化处理，加热保持15～60min后，将硅晶片置于空气中自然冷却至室温，生成纳米金属氧化物介质层；

5)利用超声机对晶片进行光刻胶剥离

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：

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。

不同于磁控溅射和原子层沉积等薄膜制备方法，本发明开发出一种基于热氧化工艺的纳米介质层制备方法，将带有基底金属层和介质层掩膜的硅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)的基底金属层被缓慢、均匀的原位加热氧化，不仅使介质层成分均一，热处理的方式更减少了基地金属层和介质层中的缺陷。另外，可通过改变加热时间和温度，得到厚度较小并可控的介质层薄膜。此外，在氧化过程中，被光刻胶覆盖的基底金属层不被氧化，经过曝光、显影暴露出来的掩膜窗口所在的基底金属层被氧化，采用此发明可同时控制介质层薄膜覆盖面积的大小。

附图说明

图1为发明实例的基底金属层的制作示意图；

图2为发明实例介质层的制作示意图；

图3为发明实例纳米介质层的制作流程图。

具体实施方式