一種制備納米器件的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制備納米器件的方法，包括：在絕緣襯底上沉積一層金屬薄膜，形成粘附層；在金屬薄膜上沉積一層金屬薄膜，形成金屬下電極；在金屬下電極上沉積一層氧化物材料；在氧化物材料上沉積一層金屬薄膜，形成金屬上電極；在金屬上電極與金屬下電極上加電壓進行電壓掃描，在氧化物材料中形成導電細絲，器件處于低阻態(tài)；在金屬上電極與金屬下電極上重新加相同方向或者反方向電壓進行電壓掃描，使氧化物材料中的導電細絲逐漸變細直至斷裂，器件由低阻態(tài)向高阻態(tài)轉化，器件在低阻態(tài)與高阻態(tài)之間存在一個中間態(tài)，選擇合適的停止電壓，使器件的中間態(tài)處于量子電導附近，形成納米器件。利用本發(fā)明，簡化了制備工藝、提高了與傳統(tǒng)CMOS工藝的兼容性。
【專利說明】一種制備納米器件的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于納米器件及納米加工【技術領域】，尤其涉及一種制備納米器件的方法。【背景技術】
[0002]隨著當代集成電路工藝技術的長足發(fā)展，集成化器件的特征尺寸已進入nm級層，器件的特征尺寸的等比例縮小，使得器件物理特性分析也進入量子力學的分析層次。納米器件在電學方面與傳統(tǒng)器件有很大的不同，其性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)電子器件。主要體現(xiàn)在工作速度快、功耗低、信息存儲量大、體積小、重量輕，集成密度高的特點。隨著工藝水平的提高，納米器件將成為電子器件的主流。
[0003]目前，制備納米器件的方法多為化學方法。申請?zhí)枮?01210452073.5的中國發(fā)明專利公開了一種采用物理與化學方式結合制備的三維金屬微納米器件方法；申請?zhí)枮?00610113196.0的中國發(fā)明專利公開了一種采用化學方法制備多級硅納米器件的方法；申請?zhí)?00910073166.5中國發(fā)明專利公開了一種采用化學方法制備聚苯胺納米纖維的乳液聚合物；申請?zhí)枮?01210331608.3的中國發(fā)明專利公開了一種采用倒置工藝制備二維材料納米器件的方法；利用上述方法制備的納米器件存在制備工藝復雜、或反應難以控制、或制備的器件難以應用的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]針對上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的主要目的在于提供一種制備納米器件的方法，以簡化制備工藝、降低制備成本、提高制備效率、并提高與傳統(tǒng)的CMOS工藝的兼容性。
[0006]( 二 )技術方案
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種制備納米器件的方法，包括:A、在絕緣襯底上沉積一層金屬薄膜，形成粘附層、在金屬薄膜上沉積一層金屬薄膜，形成金屬下電極；C、在金屬下電極上沉積一層氧化物材料；D、在氧化物材料上沉積一層金屬薄膜,形成金屬上電極；E、在金屬上電極與金屬下電極上加電壓進行電壓掃描，在氧化物材料中形成導電細絲，器件處于低阻態(tài)；在金屬上電極與金屬下電極上重新加相同方向或者反方向電壓進行電壓掃描，由于焦耳熱或者氧化還原反應使氧化物材料中的導電細絲逐漸變細直至斷裂，器件由低阻態(tài)向高阻態(tài)轉化，器件在低阻態(tài)與高阻態(tài)之問存在一個中間態(tài)，選擇合適的停止電壓，使器件的中間態(tài)處于量子電導附近，形成納米器件。
[0008]上述方案中，步驟A中所述絕緣襯底為平整、潔凈的絕緣襯底Si02、Si3N4或Al2O3 ；步驟A中所述沉積采用磁控濺射、離子束濺射或電子束蒸發(fā)方法；步驟A中所述金屬薄膜厚度為5-10nm ;步驟A中所述金屬薄膜采用單質(zhì)金屬Ti。
[0009]上述方案中，步驟B中所述沉積采用磁控濺射、離子束濺射或電子束蒸發(fā)方法；步驟B中所述金屬薄膜厚度為50-70nm ;步驟B中所述金屬薄膜采用單質(zhì)金屬Pt、T1、Cu或Au。[0010]上述方案中，步驟C中所述沉積采用原子層沉積法(ALD)、磁控濺射或離子束濺射；步驟C中所述氧化物材料的厚度為5-100nm ;步驟C中所述的原子層沉積溫度為100-400°C;步驟C中所述氧化物材料為二元過渡金屬氧化物材料或復雜氧化物材料。所述二元過渡金屬氧化物材料包括Ta0x、Hf02、Ti02、Ni0或ZrO2，所述復雜氧化物材料為SrTi03。
[0011]上述方案中，步驟D中所述沉積采用磁控濺射、離子束濺射或電子束蒸發(fā)；步驟D中所述金屬薄膜厚度為50-70nm ;步驟D中所述的金屬薄膜采用單質(zhì)金屬Pt、T1、Cu或Au。
[0012]上述方案中，步驟E中所述電壓掃描采用恒定電壓掃描(CVS)、斜坡電壓掃描(RVS)或連續(xù)性斜坡電壓掃描(SVS)。所述恒定電壓掃描是電壓恒定的掃描方式；所述斜坡電壓掃描是等變臺階電壓掃描方式，電壓每次增加的大小一定；所述連續(xù)性斜坡電壓掃描是不斷增加電壓的最大值進行掃描，每增加一次都需要對器件進行電壓由小到大的重新掃描。
[0013]上述方案中，步驟E中所述在金屬上電極與金屬下電極上加電壓時，下電極始終接地。步驟E中所述選取合適的停止電壓是在中間態(tài)的范圍內(nèi)選取，根據(jù)測試的器件的電流-電壓關系得到中間態(tài)的電導范圍，對電導范圍進行篩選得到屬于納米器件的電導范圍，即為合適的停止的電壓范圍。
[0014](三)有益效果
[0015]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0016]1、利用本發(fā)明提供的制備納米器件的方法，因其使用的氧化物材料具有工藝簡單，能夠與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容的特點，因此易于集成。
[0017]2、利用本發(fā)明提供的制備納米器件的方法，因器件結構簡單，易于操作，容易實現(xiàn)，因此大大簡化了制備工藝，降低了制備成本，提高了工藝穩(wěn)定性與制備效率，非常有利于本發(fā)明的廣泛推廣和應用。
[0018]3、利用本發(fā)明提供的制備納米器件的方法，操作簡單，工藝步驟較少，大大簡化了制備工藝、降低了制備成本、提高了制備效率、并提高了與傳統(tǒng)的CMOS工藝的兼容性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為依照本發(fā)明實施例的制備納米器件的方法流程圖；
[0020]圖2為依照圖1所示流程制備的納米器件的結構示意圖；
[0021]圖3為加電壓掃描時器件內(nèi)導電細絲的變化示意圖；
[0022]圖4為Pt/Hf02/Pt器件達到量子電導時的示意圖；
[0023]圖5為NiO器件達到量子電導時的示意圖。
【具體實施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0025]如同I所示，圖1為依照本發(fā)明實施例的制備納米器件的方法流程圖，該方法包括以下工藝步驟:
[0026]A、在絕緣襯底上沉積一層金屬薄膜，形成粘附層；
[0027]B、在金屬薄膜上沉積一層金屬薄膜,形成金屬下電極；[0028]C、在金屬下電極上沉積一層氧化物材料；
[0029]D、在氧化物材料上沉積一層金屬薄膜，形成金屬上電極；
[0030]E、在金屬上電極與金屬下電極上加電壓進行電壓掃描，在氧化物材料中形成導電細絲，器件處于低阻態(tài)；在金屬上電極與金屬下電極上重新加相同方向或者反方向電壓進行電壓掃描，由于焦耳熱或者氧化還原反應使氧化物材料中的導電細絲逐漸變細直至斷裂，器件由低阻態(tài)向高阻態(tài)轉化，器件在低阻態(tài)與高阻態(tài)之間存在一個中間態(tài)，選擇合適的停止電壓，使器件的中間態(tài)處于量子電導附近，形成納米器件。
[0031]其中，步驟A中所述絕緣襯底為平整、潔凈的絕緣襯底例如Si02、Si3N4或Al2O3等；步驟A中所述沉積采用磁控濺射、離子束濺射或電子束蒸發(fā)方法；步驟A中所述金屬薄膜厚度為5-1Onm ;步驟A中所述金屬薄膜采用單質(zhì)金屬例如Ti。
[0032]步驟B中所述沉積采用磁控濺射、離子束濺射或電子束蒸發(fā)方法等；步驟B中所述金屬薄膜厚度為50-70nm ;步驟B中所述金屬薄膜采用單質(zhì)金屬例如Pt、T1、Cu或Au等。
[0033]步驟C中所述沉積采用原子層沉積法(ALD)、磁控濺射或離子束濺射；步驟C中所述氧化物材料的厚度為5-100nm ;步驟C中所述的原子層沉積溫度為100-400°C ;步驟C中所述氧化物材料為二元過渡金屬氧化物材料或復雜氧化物材料，其中二元過渡金屬氧化物材料包括TaOx、HfO2, TiO2, NiO或ZrO2等，復雜氧化物材料為SrTi03。
[0034]步驟D中所述沉積采用磁控濺射、離子束濺射或電子束蒸發(fā)等；步驟D中所述金屬薄膜厚度為50-70nm ;步驟D中所述的金屬薄膜采用單質(zhì)金屬例如Pt、T1、Cu或Au等。
[0035]步驟E中所述電壓掃描采用恒定電壓掃描(CVS)、斜坡電壓掃描(RVS)或連續(xù)性斜坡電壓掃描(SVS)等方式，其中恒定電壓掃描是電壓恒定的掃描方式；斜坡電壓掃描是等變臺階電壓掃描方式，電壓每次增加的大小一定；連續(xù)性斜坡電壓掃描是不斷增加電壓的最大值進行掃描，每增加一次都需要對器件進行電壓由小到大的重新掃描。
[0036]步驟E中所述在金屬上電極與金屬下電極上加電壓時，下電極始終接地。所述選取合適的停止電壓是在中間態(tài)的范圍內(nèi)選取，根據(jù)測試的器件的電流-電壓關系得到中間態(tài)的電導范圍，對電導范圍進行篩選得到屬于納米器件的電導范圍，即為合適的停止的電壓范圍。形成導電細絲的偏壓大小是根據(jù)氧化物材料的類型、厚度，器件的限流來決定的；器件由低阻向高阻轉化的電壓主要取決于氧化物材料的類型、厚度與細絲的大小。
[0037]利用圖1所示流程制備的納米器件結構圖如圖2所示，圖2為依照圖1所示流程制備的納米器件的結構示意圖，該納米器件中自下而上分別是襯底、粘附層、下電極、氧化物層和上電極，其中氧化物層形成于上電極和下電極之間。
[0038]實施例一
[0039]利用電子束蒸發(fā)在絕緣襯底SiO2上沉積一層Ti金屬薄膜，厚度為5至10nm，然后同樣利用電子束蒸發(fā)在Ti金屬上沉積一層Pt電極，作為下電極，厚度在50至70nm，再利用原子層沉積法在Pt電極上沉積一層HfO2氧化物材料，再利用電子束蒸發(fā)在HfO2氧化物材料上沉積50至70nm的Pt電極，作為上電極，在形成的器件上加恒定電壓形成導電細絲，電壓大小為0.4V-0.5V左右，圖3示出了加電壓掃描時器件內(nèi)導電細絲的變化示意圖。最后在制備的器件上加同向的連續(xù)斜坡掃描電壓。
[0040]圖4所示為對Pt/Hf02/Pt器件進行5次連續(xù)性斜坡電壓掃描的電學特性示意圖。每次掃描之前都以0.1V的大小增加掃描電壓的最大值直至IV停止，然后對器件進行最大電壓增加后由OV到IV的掃描。由圖可以看出在最大電壓低于0.6V時，電導基本不變，而在最大電壓為0.7V時，電導會發(fā)生突變。依次類推，每掃描一次，HfO2中的導電細絲尺寸減小一次，使得導電細絲逐漸變窄，在最后細絲徹底斷裂之前，導電細絲的尺寸達到量子級另IJ，根據(jù)所得到的電流-電壓關系得到電導大小，選擇合適的停止電壓，使器件的最終狀態(tài)停止在量子電導附近，即獲得量子線器件。圖3中在0.7V左右器件開始處于量子結構。
[0041]實施例二
[0042]利用電子束蒸發(fā)在絕緣襯底SiO2上沉積一層Ti金屬薄膜，厚度為5至10nm，然后同樣利用電子束蒸發(fā)在Ti金屬上沉積一層W電極,作為下電極,厚度在50-70nm,再利用原子層沉積法在W電極上沉積一層NiO氧化物材料，再利用電子束蒸發(fā)在NiO氧化物材料上沉積50至70nm的Pt電極，作為上電極，在形成的器件上加恒定電壓形成導電細絲，電壓大小為0.4V-0.5V左右，最后在制備的器件上加斜坡掃描電壓。圖5所示為斜坡電壓掃描時，NiO氧化物材料中的導電細絲逐漸變化的示意圖。當電壓由OV至IV不斷增加時，NiO氧化物材料中的導電細絲逐漸變窄，在最后細絲電導達到Gtl或者幾倍的Gtl時停止掃描，此時導電細絲的尺寸達到量子級別。根據(jù)所得到的電流-電壓關系得到電導大小，選擇合適的停止電壓，使器件的最終狀態(tài)停止在量子電導附近，即獲得量子線器件。圖5中在0.7V左右器件開始處于量子結構。
[0043]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種制備納米器件的方法，其特征在于，包括: A、在絕緣襯底上沉積一層金屬薄膜，形成粘附層； B、在金屬薄膜上沉積一層金屬薄膜，形成金屬下電極； C、在金屬下電極上沉積一層氧化物材料； D、在氧化物材料上沉積一層金屬薄膜，形成金屬上電極； E、在金屬上電極與金屬下電極上加電壓進行電壓掃描，在氧化物材料中形成導電細絲，器件處于低阻態(tài)；在金屬上電極與金屬下電極上重新加相同方向或者反方向電壓進行電壓掃描，由于焦耳熱或者氧化還原反應使氧化物材料中的導電細絲逐漸變細直至斷裂，器件由低阻態(tài)向高阻態(tài)轉化，器件在低阻態(tài)與高阻態(tài)之問存在一個中間態(tài)，選擇合適的停止電壓，使器件的中間態(tài)處于量子電導附近，形成納米器件。
2.根據(jù)權利要求1所述的制備納米器件的方法，其特征在于，步驟A中所述絕緣襯底為平整、潔凈的絕緣襯底Si02、Si3N4或Al2O3 ;步驟A中所述沉積采用磁控濺射、離子束濺射或電子束蒸發(fā)方法；步驟A中所述金屬薄膜厚度為5-10nm ;步驟A中所述金屬薄膜采用單質(zhì)金屬Ti。
3.根據(jù)權利要求1所述的制備納米器件的方法，其特征在于，步驟B中所述沉積采用磁控濺射、離子束濺射或電子束蒸發(fā)方法；步驟B中所述金屬薄膜厚度為50-70nm ;步驟B中所述金屬薄膜采用單質(zhì)金屬Pt、T1、Cu或Au。
4.根據(jù)權利要求1所述的制備納米器件的方法，其特征在于，步驟C中所述沉積采用原子層沉積法(ALD)、磁控濺射或離子束濺射；步驟C中所述氧化物材料的厚度為5-100nm ；步驟C中所述的原子層沉積溫度為100-400°C ;步驟C中所述氧化物材料為二元過渡金屬氧化物材料或復雜氧化物材料。
5.根據(jù)權利要求4所述的制備納米器件的方法，其特征在于，所述二元過渡金屬氧化物材料包括TaOx、HfO2, TiO2, NiO或ZrO2，所述復雜氧化物材料為SrTi03。
6.根據(jù)權利要求1所述的制備納米器件的方法，其特征在于，步驟D中所述沉積采用磁控濺射、離子束濺射或電子束蒸發(fā)；步驟D中所述金屬薄膜厚度為50-70nm ;步驟D中所述的金屬薄膜采用單質(zhì)金屬Pt、T1、Cu或Au。
7.根據(jù)權利要求1所述的制備納米器件的方法，其特征在于，步驟E中所述電壓掃描采用恒定電壓掃描(CVS)、斜坡電壓掃描(RVS)或連續(xù)性斜坡電壓掃描(SVS)。
8.根據(jù)權利要求7所述的制備納米器件的方法，其特征在于，所述恒定電壓掃描是電壓恒定的掃描方式；所述斜坡電壓掃描是等變臺階電壓掃描方式，電壓每次增加的大小一定；所述連續(xù)性斜坡電壓掃描是不斷增加電壓的最大值進行掃描，每增加一次都需要對器件進行電壓由小到大的重新掃描。
9.根據(jù)權利要求1所述的制備納米器件的方法，其特征在于，步驟E中所述在金屬上電極與金屬下電極上加電壓時，下電極始終接地。
10.根據(jù)權利要求1所述的制備納米器件的方法，其特征在于，步驟E中所述選取合適的停止電壓是在中間態(tài)的范圍內(nèi)選取，根據(jù)測試的器件的電流-電壓關系得到中間態(tài)的電導范圍，對電導范圍進行篩選得到屬于納米器件的電導范圍，即為合適的停止的電壓范圍。
【文檔編號】B82Y40/00GK103500701SQ201310491769
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權日:2013年10月18日
【發(fā)明者】龍世兵, 張美蕓, 王國明, 李陽, 王明, 許曉欣, 劉若愚, 李叢飛, 劉紅濤, 孫鵬霄, 劉琦, 呂杭炳, 劉明 申請人:中國科學院微電子研究所