CN117423657A - 一种氧化钛异质结薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化钛异质结薄膜及其制备方法，将锐钛矿TiO2单晶薄膜置于电感耦合等离子体反应装置中，将反应装置抽至真空后，通入反应气体，将反应装置的气压调升；调节等离子体的功率至不低于100W，将锐钛矿TiO2单晶薄膜浸没在等离子体辉光中处理，获得锐钛矿TiO2/缺陷型Ti2O3异质结薄膜，有效改善电子的传输阻抗和发热问题。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种氧化钛异质结薄膜及其制备方法，属于电子材料技术领域。
背景技术
随着集成电路的工艺尺寸不断突破，其运算速度也不断刷新。但是随着工艺节点下降，集成电路的互连延迟却会不断变长,整体发热量也越来越多。目前技术上主要采用低电阻率的铜作为全局互连材料，并搭配使用低κ介质材料来缓解互连延迟和发热的问题。尽管在常见金属中，铜的电阻率仅次于银，为1.7×10-6Ωcm，但是随着工艺节点下降，延迟和发热的问题会越来越凸显。因此，亟需新型材料和技术的突破来解决上述问题。
费米液体是指粒子间存在相互作用的费米子体系，其相关理论是朗道提出的描述相互作用的费米子体系的准粒子行为以及体系所对应的物理性质的唯象理论。费米液体理论可以用来解释绝大部分金属的物理性质，特别是电输运性质。在较低的温度下(比如几K)，电子与声子的碰撞频率很低，绝大部分金属的电阻率ρ与温度的平方成正比，即ρ∝T2。然而随着温度的升高，电子与声子的碰撞变得愈加频繁，电阻率与温度的依赖关系变成与T5成正比，费米液体的性质消失。相反，室温下的费米液体材料拥有室温下电子—声子低碰撞频率，理论上欧姆发热远低于现有材料。到目前为止，已发现的室温下符合费米液体特征的电子材料极其稀少，制备也相当困难。因此，开发出一种室温下的费米液体材料，且其制备方法与当前的集成电路制造工艺兼容，对解决当前集成电路芯片的延迟和发热的问题具有重要的意义，并对低损耗光电子器件的革新有重要价值。
发明内容
为了克服现有背景技术中的不足，本发明提供一种氧化钛异质结薄膜及其制备方法，用于改善电子的传输阻抗和发热问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种氧化钛异质结薄膜的制备方法，包括：
将锐钛矿TiO2单晶薄膜置于电感耦合等离子体反应装置中，将反应装置抽至真空后，通入反应气体，将反应装置的气压调升；
调节等离子体的功率至不低于100W，将锐钛矿TiO2单晶薄膜浸没在等离子体辉光中处理，获得锐钛矿TiO2/缺陷型Ti2O3异质结薄膜。本发明所用的固体原料TiO2和气体原料为廉价材料，所用原料和制备方法与当前的集成电路制造工艺兼容，方便大规模制备。
结合第一方面，进一步的，所述反应气体为氩气、氢气的混合气体，通入反应气体后将所述反应装置的气压调升至100-1000毫托，制备过程中所采用的真空度非超高真空，有效降低制备条件的技术要求。
进一步的，将所述锐钛矿TiO2单晶薄膜浸没在等离子体辉光中处理的时间范围为5-60秒，处理时间短，具有突出的成本效益优势。
进一步的，所述锐钛矿TiO2/缺陷型Ti2O3异质结薄膜中的锐钛矿TiO2与缺陷型Ti2O3的晶格常数匹配，能够形成共格界面。
进一步的，所述锐钛矿TiO2/缺陷型Ti2O3异质结薄膜由缺陷型Ti2O3与锐钛矿TiO2晶格双层结构组成。
第二方面，本发明提供一种氧化钛异质结薄膜，根据上述任一所述的制备方法制得。
结合第二方面，进一步的，所述锐钛矿TiO2/缺陷型Ti2O3异质结薄膜的电阻率与温度的平方呈正比关系，具有室温的费米液体性质，能大幅度改善互连延迟和发热性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所用的固体原料TiO2和气体原料为廉价材料，所用原料和制备方法与当前的集成电路制造工艺兼容，方便大规模制备；
本发明制备过程中所采用的真空度非超高真空，有效降低制备条件的技术要求；所采用的等离子体功率较低，不需要加热且处理时间短，具有突出的成本效益优势；获得的氧化钛异质结薄膜具有室温的费米液体性质，能大幅度改善互连延迟和发热性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的氧化钛异质结薄膜的实拍图；
图2为本发明实施例提供的氧化钛异质结薄膜的X射线衍射图谱；
图3为本发明实施例提供的氧化钛异质结薄膜高分辨球差校正电子显微图；
图4为本发明实施例提供的氧化钛异质结薄膜进行电阻-温度测试的数据图；其中实心点为电阻-温度测试数据，斜线为利用费米液体理论的拟合曲线。
具体实施方式
为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合附图、具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。
为了清楚了解本发明的技术方案，将在下面的描述中提出其详细的结构。显然，本发明实施例的具体施行并不局限于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的优选实施例详细描述如下，除详细描述的这些实施例外，还可以具有其他实施方式。
本发明提供一种氧化钛异质结薄膜的制备方法，包括：
将锐钛矿TiO2单晶薄膜置于电感耦合等离子体反应装置中，将反应装置抽至50毫托以下真空度后，通入反应气体，将反应装置的气压调升至100-1000毫托；
调节等离子体的功率至不低于100W，将锐钛矿TiO2单晶薄膜浸没在等离子体辉光中处理5-60秒，获得氧化钛异质结薄膜。
获得的氧化钛异质结薄膜为锐钛矿TiO2/缺陷型Ti2O3异质结薄膜，其中的锐钛矿TiO2与缺陷型Ti2O3的晶格常数匹配，能够形成共格界面。
可实施的，本发明的反应气体为H2、Ar混合气体。
实施例一：
本实施例采用H2、Ar等离子体制备TiO2异质结薄膜，具体包括以下步骤：
将预先生长在10×10mm铝酸镧(LAO)单晶衬底上的厚度为50nm的单晶锐钛矿TiO2薄膜放置在射频电源驱动的感应耦合等离子体反应装置中；
将电感耦合等离子体反应装置抽真空至40毫托；
向电感耦合等离子体反应装置通入氩气(20sccm)、氢气(2sccm)，将装置内的压强调至150毫托；调节射频等离子体设备频率设置为13.46MHz，功率设置为400W；
将单晶锐钛矿TiO2薄膜移动至等离子体辉光中心，经过10秒的处理，依次关闭等离子体、气体、真空和等离子体；
反应装置放气后，取出制得的异质结薄膜样品。
如图1所示，为本发明实施例提供的氧化钛异质结薄膜的实拍图照片，图2所示为制得的氧化钛异质结薄膜的X射线衍射图谱，经过XRD测试结果表明本实施例制备的异质结薄膜仅有[00l]方向衍射峰，说明所制备的薄膜高度取向生长，且具有匹配的晶格常数。
如图3所示，为本发明实施例提供的氧化钛异质结薄膜高分辨球差校正电子显微图，在高分辨球差校正电子显微镜的观察下，氧化钛异质结薄膜具有清晰的双层异质结构。
图4所示为本发明实施例提供的氧化钛异质结薄膜进行电阻-温度测试的数据图，在90～300K范围内，TiO2异质结薄膜的电阻-温度表现出了明确正相关。采用费米液体理论，即：电阻与温度的T2依赖关系对电阻率-温度曲线进行拟合，可以看到拟合斜线，即图中实线与实验数据吻合得非常好，表明异质结薄膜是室温的二维费米液体体系。
实施例二：
本实施例采用H2、Ar等离子体制备TiO2异质结薄膜，包括以下步骤：
将预先生长在30×30mm钛酸锶(STO)单晶衬底上的厚度为100nm的单晶锐钛矿TiO2薄膜放置在微波源驱动的感应耦合等离子体设备中；
将电感耦合等离子体反应装置抽真空至10毫托；
向电感耦合等离子体反应装置通入氩气(100sccm)、氢气(10sccm)，将装置内的压强调至500毫托；设置微波功率设置为500W；
将单晶锐钛矿TiO2薄膜移动至等离子体辉光中心，经过60秒的处理，依次关闭等离子体、气体、真空和等离子体；
反应装置放气后，取出制得的异质结薄膜样品。
实施例三：
本实施例采用H2、Ar等离子体制备TiO2异质结薄膜，具体包括以下步骤：
将预先生长在直径120mm铝酸镧(LAO)单晶衬底上的厚度为30nm的单晶锐钛矿TiO2薄膜放置在射频电源驱动的感应耦合等离子体反应装置中；
将电感耦合等离子体反应装置抽真空至40毫托；
向电感耦合等离子体反应装置通入氩气(10sccm)、氢气(1sccm)，将装置内的压强调至1000毫托；调节射频等离子体设备频率设置为13.46MHz，功率设置为300W；
将单晶锐钛矿TiO2薄膜移动至等离子体辉光中心，经过5秒的处理，依次关闭等离子体、气体、真空和等离子体；
反应装置放气后，取出制得的异质结薄膜样品。
本发明提供的一种氧化钛异质结薄膜的制备方法，所用的固体原料TiO2和气体原料均为廉价材料，所用原料和制备方法与当前的集成电路制造工艺兼容，方便大规模制备。
制备过程中所采用的真空度不是超高真空，可以降低制备条件；所采用的等离子体，功率较低，且不需要加热，处理时间短，具有突出的成本效益优势；本发明获得的氧化钛异质结具有室温的费米液体性质，能大幅度改善互连延迟和发热性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护。
Claims (7)
1.一种氧化钛异质结薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
将锐钛矿TiO2单晶薄膜置于电感耦合等离子体反应装置中，将反应装置抽至真空后，通入反应气体，将反应装置的气压调升；
调节等离子体的功率至不低于100W，将锐钛矿TiO2单晶薄膜浸没在等离子体辉光中处理，获得锐钛矿TiO2/缺陷型Ti2O3异质结薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述反应气体为氩气、氢气的混合气体，通入反应气体后将所述反应装置的气压调升至100-1000毫托。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述锐钛矿TiO2单晶薄膜浸没在等离子体辉光中处理的时间范围为5-60秒。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锐钛矿TiO2/缺陷型Ti2O3异质结薄膜中的锐钛矿TiO2与缺陷型Ti2O3的晶格常数匹配，能够形成共格界面。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锐钛矿TiO2/缺陷型Ti2O3异质结薄膜由缺陷型Ti2O3与锐钛矿TiO2晶格双层结构组成。
6.一种氧化钛异质结薄膜，其特征在于，根据权利要求1-5任一所述的制备方法制得。
7.根据权利要求6所述的氧化钛异质结薄膜，其特征在于，所述锐钛矿TiO2/缺陷型Ti2O3异质结薄膜的电阻率与温度的平方呈正比关系。
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