CN104878355A - 一种基于磁控溅射工艺的纳米介质层制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于磁控溅射工艺的纳米介质层制备方法，在衬底上旋涂正胶，利用电子束曝光技术，制作一个正方形掩膜窗口。利用磁控溅射镀膜技术在掩膜窗口内，在额定的背底真空条件下，以80～150watt的功率，0～5sccm的氧气流量，30～100sccm的氩气流量，的速度溅射制备金属氧化物薄膜。并利用丁酮试剂经过加热、超声，完成剥离。测试结果表明，采用此发明可获得表面粗糙度为1nm，厚度范围为3～10nm，氧钛比可调控范围为1.40～1.93，含三种价态钛。本发明可实现对纳米介质层面积、表面粗糙度、厚度、氧化程度的调控，为进一步制备性能优异的金属-介质-金属型整流器提供关键材料。

Description

一种基于磁控溅射工艺的纳米介质层制备方法

技术领域

本发明提供一种基于磁控溅射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

在高新技术对传统工业改造的大背景下，微纳电子科学技术应运而生。纳米科技分为纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征三个领域，在纳米科技的改造下，传统微电子科技发展为微纳电子科技，它包括微米/纳米材料与结构、微米/纳米电子器件的加工与测量、微米/纳米机电系统。在上述微纳电子科技领域中，微纳器件的研究和应用承担着承上启下的重要角色，微纳器件的制作是重中之重。在器件制作流水线上，一枚微纳器件需要经历几十甚至上百步处理工艺，其中介质层的制备是非常重要的一步。金属氧化物常作为介质层，广泛应用于隧穿介质层、电容介质层、薄栅极氧化层和钝化层等。在很大程度上，金属氧化物介质层的物理化学性能决定了微纳器件的性能。尤其对于金属-介质-金属型(MIM)整流器，介质层厚度需要不高于10nm。

金属氧化物纳米介质层的物化性能，主要包括尺寸和氧化程度。金属氧化物纳米介质层的尺寸包括介质层形状、面积和厚度。采用光学曝光或电子束曝光，对胶体图案化处理，就可以控制介质层形状和面积。除形状和面积外，介质层的厚度受镀膜厚度控制。金属氧化物纳米介质层的氧化程度受制作工艺的影响。常用的介质层制备方法，包括磁控溅射、原子层沉积等。作为常用的镀膜设备，磁控溅射最有潜力应用于制备氧化程度可控的纳米介质层。

综合上述内容，微纳器件的制作需要开发出一套尺寸和氧化程度可控的纳米介质层的制备方法。在器件制作中，对于不同磁控溅射设备，只需要按照这套方法进行简单的调试，即可完成对介质层形状、面积、厚度和氧化程度的调控。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于磁控溅射工艺的纳米介质层制备方法，对于不同磁控溅射设备，只需要按照这套方法进行简单的调试，即可完成对介质层形状、面积、厚度和氧化程度的调控。

本发明的技术方案是：一种基于磁控溅射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)介质层掩膜的制备

21)利用热台对硅晶片预热，温度100～200℃，时间2～10min；

22)不涂胶以3000～6000rpm的速度空转硅晶片，以使硅晶片上的有机溶剂挥发干净；

23)以3000～6000rpm的转速涂覆ZEP520光刻胶1～5min，再在热台上以100～200℃烘硅晶片2～8min；

24)利用电子束曝光仪器，在ZEP520光刻胶上曝光出0.3μm×0.3μm～2μm×2μm的正方形，形成正方形掩膜；

25)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；

26)利用氧等离子体处理机，对步骤23)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；

3)介质层薄膜的制备

31)将步骤2)获得的带有掩膜的硅晶片放置于磁控溅射镀膜腔室内，利用磁控溅射镀膜设备，以的速度溅射3～10nm介质层薄膜，腔体冷却至室温后将硅晶片取出；所述磁控溅射镀膜腔室背底真空为1.0～7.0E^-7Torr，RF功率为80～150watt，改变载气的流量：氧气0～5sccm，氩气30～100sccm；

4)将步骤3)得到的硅晶片浸泡于丁酮溶液中，置于热台上50～80℃加热10～20min，再置于超声机中30～60％的功率下超声2～4min，去离子水洗净，氮气吹干，完成剥离。

本发明与现有技术相比的优点在于：

现有采用金属氧化物作为靶材溅射制备金属氧化物薄膜的方法，主要存在的问题是金属氧化物颗粒度较大，通常颗粒度不低于8nm，致使很难得到厚度小于10nm，且薄膜表面均匀、粗糙度较低的金属氧化物薄膜。本发明采用金属靶材，反应磁控溅射制备金属氧化物薄膜，制备出的金属氧化物薄膜表面均匀、粗糙度可降至1nm。另外，通过对功率和溅射时间的调控，可在3～10nm的范围内对金属氧化物薄膜的厚度进行精确调控，通过改变氧气组分，可制备出一系列氧化程度不同的金属氧化物薄膜。此外，本发明结合电子束曝光技术，可精确控制金属氧化物薄膜的覆盖面积。依照本发明制备出的金属氧化物薄膜，具有表面粗糙度低，面积、厚度、氧化程度可控等优点，可作为关键部分制备MIM整流器等电子器件，有助于提高其隧穿和整流性能。

附图说明

图1为电子束曝光和磁控溅射制作纳米介质层的工艺示意图；

图2为纳米介质层的原子力显微镜照片；

图3为纳米介质层的XPS检测结果；

图4为纳米介质层的制作流程。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

1)衬底清洗

11)衬底所用晶片为带有2μm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；

12)将硅晶片浸泡于浓硫酸和双氧水(5:1)的混合液中，于70℃加热15min，去离子水洗净；

13)将硅晶片浸泡于水、双氧水和氨水(7：2：1)的混合液中，于70℃加热15min；

14)将硅晶片浸泡于水、双氧水和浓盐酸(7：2：1)的混合液中，于70℃加热15min，去离子水洗净，吹干。

2)介质层掩膜的制备

21)利用热台,对硅晶片于150℃加热6min；

22)利用匀胶机，不涂胶以4000rpm的速度空转3min。将40μL的ZEP520光刻胶均匀覆盖于硅晶片上，以4000rpm的转速匀胶3min。利用热台，对硅基片于150℃加热3min，形成如图1所示的掩膜a。

23)利用电子束曝光仪器，以230C/cm2的曝光剂量对光刻胶薄膜进行曝光，曝光图案为1μm×1μm的正方形。令硅晶片依次浸泡于对二甲苯中3min，异丙醇中2min，正己烷中40s，自然干燥，完成显影、定影和正负离子交换；

24)利用氧等离子刻蚀机对光刻胶薄膜去残胶，背底真空为0.6Torr，通入氧气流量为30sccm，功率80watt，时间40s，形成如图1所示的掩膜b。

3)介质层薄膜的制备

将步骤2)获得的带有掩膜的硅晶片放置于磁控溅射镀膜腔室内，利用磁控溅射镀膜设备溅射氧化钛薄膜，控制生长总时间，以的速度溅射3～10nm氧化钛介质层薄膜，腔体冷却至室温后将硅晶片取出；所述磁控溅射镀膜腔室背底真空为4.0E-7Torr，RF功率为100watt，改变载气的流量：氧气0～5sccm，氩气50sccm，形成如图1所示的介质层a。

4)将步骤3)得到的硅晶片浸泡于丁酮溶液中，置于热台上60℃加热15min，再置于超声机中40％的功率下超声3min，去离子水洗净，氮气吹干，完成剥离，形成如图1所示的介质层b。

综上所述，图2给出了纳米介质层的制作流程图。

性能检测

1)介质层薄膜粗糙度

将带有介质层薄膜的硅晶片陪片放置于原子力显微镜样品台上，选用大气环境下轻敲模式，样品台可移动范围2mm×2mm，图像扫描范围1μm×1μm，如图3。经仪器自带软件计算，介质层薄膜粗糙度为1nm。

2)介质层薄膜厚度

将带有介质层薄膜的硅晶片放置于椭偏光谱测量台上，选用测试光波长范围390nm～960nm，利用SpetraRay软件拟合测试曲线，得到介质层薄膜的厚度，见表1。

表1 介质层薄膜的厚度

3)介质层薄膜氧钛比及价态

将带有介质层薄膜的硅晶片放置于X-射线光电子能谱仪(XPS)腔室内，当分析室真空度达到1×10E^-7Pa时进行测试，采用单色化Al K_αX射线源，电压设置为15kV。编程序自动进行XPS采谱。使用仪器自带的Avantage数据系统对数据进行处理，利用标准C1s C-C峰位284.8eV进行校准，根据手册确认元素种类、价态及其相对含量。

31)氧钛比

改变介质层薄膜制备过程中氧气的流量，得到氧化程度不同的氧化钛介质层薄膜。随着氧气流量的增加，介质层薄膜的氧钛比增大，见表2。

表2 介质层薄膜的氧钛比

氧气流量(sccm)	0	0.3	0.5	0.7	1	2	3	4	5
										氧钛比	1.40	1.50	1.59	1.62	1.70	1.74	1.79	1.88	1.93

32)价态

改变介质层薄膜制备过程中氧气的流量，介质层薄膜中钛的价态发生明显变化。图4为纳米介质层的XPS检测结果，当氧气流量为0sccm时，在介质层薄膜中，钛主要价态为Ti(453.8eV)、Ti²⁺(456.6eV)和Ti⁴⁺(458.7eV)；当氧气流量为0.3、0.5、0.7sccm时，在介质层薄膜中，钛主要价态为Ti²⁺和Ti⁴⁺；当氧气流量不低于1.0sccm时，在介质层薄膜中，钛主要价态为Ti⁴⁺。随着氧气流量的增加，在介质层薄膜中，钛的氧化程度增大，这与表2结果一致。

综上，利用本发明基于磁控溅射工艺的纳米介质层制备方法，制备了表面粗糙度1nm，面积、厚度、氧化程度可控的氧化钛纳米介质层。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于磁控溅射工艺的纳米介质层制备方法，其特征在于步骤如下：

1)对硅晶片衬底进行清洗；

2)介质层掩膜的制备

21)利用热台对硅晶片预热，温度100～200℃，时间2～10min；

22)不涂胶以3000～6000rpm的速度空转硅晶片，以使硅晶片上的有机溶剂挥发干净；

23)以3000～6000rpm的转速涂覆ZEP520光刻胶1～5min，再在热台上以100～200℃烘硅晶片2～8min；

24)利用电子束曝光仪器，在ZEP520光刻胶上曝光出0.3μm×0.3μm～2μm×2μm的正方形，形成正方形掩膜；

25)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；

26)利用氧等离子体处理机，对步骤23)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；

3)介质层薄膜的制备

31)将步骤2)获得的带有掩膜的硅晶片放置于磁控溅射镀膜腔室内，利用磁控溅射镀膜设备，以的速度溅射3～10nm介质层薄膜，腔体冷却至室温后将硅晶片取出；所述磁控溅射镀膜腔室背底真空为1.0～7.0E^-7Torr，RF功率为80～150watt，改变载气的流量：氧气0～5sccm，氩气30～100sccm；

4)将步骤3)得到的硅晶片浸泡于丁酮溶液中，置于热台上50～80℃加热10～20min，再置于超声机中30～60％的功率下超声2～4min，去离子水洗净，氮气吹干，完成剥离。