專利名稱：基于二氧化鉿的電子束套刻標(biāo)記及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件微納制造領(lǐng)域，具體來說，涉及一種基于二氧化鉿的電子束光刻套刻標(biāo)記及其制作方法。
背景技術(shù)：
以互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS,ComplementaryMetal OxideSemiconductor)工藝為主流的半導(dǎo)體技術(shù)繼續(xù)沿著“摩爾定律”迅速發(fā)展，器件的特征尺寸已進(jìn)入到納米量級(jí)，芯片的集成度越來越高，這對半導(dǎo)體工藝的精度提出了越來越嚴(yán)格的要求，只有在工藝過程中盡量減少每一個(gè)環(huán)節(jié)的精度誤差，才能減少因誤差帶來的器件失效。
電子束光刻系統(tǒng)以其精度高、不需要掩膜等優(yōu)點(diǎn)在半導(dǎo)體器件的微納制造過程中扮演著越來越重要的角色。在半導(dǎo)體器件微納制造中，一個(gè)器件的制作往往需要用到幾次甚至十幾次的電子束曝光，而影響曝光工藝誤差的因素除了電子束光刻機(jī)的分辨率和電子抗蝕劑的精度之外，還有套刻對準(zhǔn)的精度。傳統(tǒng)電子束光刻系統(tǒng)的套刻工藝所用的標(biāo)記有兩種凹陷型標(biāo)記和金屬標(biāo)記。(a)凹陷型標(biāo)記因其工藝簡單、制作成本低、精度較高在普通半導(dǎo)體襯底(如Si，InP, GaAs等)電子束套刻工藝中使用普遍。凹陷型對準(zhǔn)標(biāo)記要求標(biāo)記深度大于2 μ m、標(biāo)記側(cè)壁陡直，從而使高能電子束能分辨并獲得精確的對準(zhǔn)信號(hào)。而對于在硅基集成電路和光電子集成領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的SOI (Silicon On Insulator,結(jié)構(gòu)分三層頂層Si、埋層SiO2和襯底Si，尤其是頂層Si厚度低于I μ m的SOI)來說，為了達(dá)到需要的深度，制作凹陷型標(biāo)記時(shí)需要在刻穿頂層Si后繼續(xù)刻蝕埋層Si02。由于普通的電子抗蝕劑(如PMMA、ZEP520)對二氧化硅的刻蝕選擇比很低，不適合做較深的SiO2刻蝕；刻蝕中也很難保證Si與SiO2界面處側(cè)壁的陡直度，所以凹陷型標(biāo)記在工藝上難以與SOI基片兼容。(b)金屬標(biāo)記由金屬蒸鍍加剝離獲得,金屬薄膜的厚度一般大于70nm,最好選用重金屬(如Au、W等)以獲得高的信噪比。傳統(tǒng)的套刻標(biāo)記用金作為材料，但是由于金與硅的粘附性很差，故需要先鍍一薄層鈦，再鍍一定厚度的金。目前“鈦+金”標(biāo)記已經(jīng)成為硅襯底和SOI襯底上電子束光刻套刻標(biāo)記的主流選擇。然而“鈦+金”標(biāo)記也有其缺點(diǎn)金靶材的價(jià)格非常昂貴；金與硅襯底粘附性很差，需要鍍鈦來將金與硅粘附在一起；金的熔點(diǎn)為1063°C，如果樣品需要用于高溫?zé)嵫趸蛘咄庋由L等工藝，就會(huì)出現(xiàn)金屬融化變形、金屬擴(kuò)散，繼而污染氧化或者外延生長的腔體，帶來非常嚴(yán)重的后果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于新材料的電子束光刻套刻標(biāo)記，以降低工藝成本，提聞套刻標(biāo)記對襯底的粘附性和聞溫承受能力。一種基于二氧化鉿的電子束光刻套刻標(biāo)記，包括襯底和鍍在襯底上的二氧化鉿薄膜標(biāo)記。
進(jìn)一步地，所述二氧化鉿薄膜標(biāo)記為正方形、十字形或“L”形等規(guī)則圖形。進(jìn)一步地，所述二氧化鉿薄膜標(biāo)記厚度為l(Tl000nm。一種基于二氧化鉿的電子束光刻套刻標(biāo)記制作方法，具體為(I)清洗襯底；(2)在襯底上旋涂電子抗蝕劑，通過電子束光刻工藝在正性電子抗蝕劑中形成套刻標(biāo)記的圖形陣列；(3)在電子抗蝕劑和襯底上蒸鍍二氧化鉿薄膜；(4)剝離附著在電子抗蝕劑的二氧化鉿薄膜，得到二氧化鉿薄膜標(biāo)記。 進(jìn)一步地，所述步驟(2)采用正性或負(fù)性電子抗蝕劑，優(yōu)選正性電子抗蝕劑，例如PMMA 或 ZEP520。進(jìn)一步地，所述步驟(3)的蒸鍍方法為電子束蒸發(fā)鍍膜法，可獲得邊緣整齊、側(cè)壁陡直的二氧化鉿標(biāo)記。進(jìn)一步地，所述步驟(4)的剝離試劑選用丙酮，交替使用丙酮超聲清洗和去離子水沖洗以加快剝離速度。步驟(I)、(2)、(3)、(4)優(yōu)選在超凈的環(huán)境(千級(jí)間)中進(jìn)行，避免襯底上殘留的灰塵、顆粒影響電子抗蝕劑的旋涂以至于降低電子束光刻的曝光質(zhì)量。和現(xiàn)有技術(shù)相比，上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)(I)采用二氧化鉿材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“鈦+金”材料，降低了套刻標(biāo)記的制作成本；(2) 二氧化鉿標(biāo)記熔點(diǎn)高，適用范圍廣；(3) 二氧化鉿與硅襯底的粘附性強(qiáng)，鍍在硅或SOI襯底表面的二氧化鉿標(biāo)記在超聲清洗中不會(huì)脫落或移位；(4) 二氧化鉿標(biāo)記在電子掃描下的對準(zhǔn)信號(hào)的信噪比高，能保證較高的對準(zhǔn)精度(小于 25nm)。


圖I為本發(fā)明的截面圖；圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例的制作工藝流程圖；圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例中測試套刻精度的版圖；圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例中測試套刻精度的掃描電鏡(SEM)圖，測量區(qū)域?yàn)閳D3中的虛線方框。圖中標(biāo)注說明I硅 2 二氧化鉿 3電子抗蝕劑PMMA 4電子抗蝕劑ZEP520
具體實(shí)施例方式為了更進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖，通過對具體實(shí)施例的描述，進(jìn)一步對本發(fā)明作詳細(xì)說明。二氧化鉿(HfO2)是一種具有寬帶隙和高介電常數(shù)的陶瓷材料，近來在工業(yè)界特別是微電子領(lǐng)域引起了極度的關(guān)注。二氧化鉿薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性高，具有與硅接觸良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性和晶格匹配，與傳統(tǒng)的CMOS工藝完全兼容。本發(fā)明選擇二氧化鉿作為套刻標(biāo)記的材料，具體理由如下(a) 二氧化鉿的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水、鹽酸和硝酸；(b) 二氧化鉿的熔點(diǎn)高，可達(dá)2500°C以上，是金熔點(diǎn)(1063°C)的兩倍多；(c) 二氧化鉿與硅襯底的粘附性強(qiáng)，鍍在硅襯底表面的二氧化鉿標(biāo)記在超聲清洗中不會(huì)脫落或移位；(d) 二氧化鉿的靶材價(jià)格較低，材料成本相當(dāng)于金標(biāo)記的1/40。(e) 二氧化鉿是重金屬元素鉿(Hf)的氧化物，其中鉿(Hf)的原子量為178. 49，與金(原子量196. 97)相近，因此使用二氧化鉿作為標(biāo)記材料也能夠獲得較好的電子掃描對準(zhǔn)
信號(hào)。 (f) 二氧化鉿是目前最有希望替代二氧化硅的高k柵介質(zhì)材料之一，與CMOS工藝
完全兼容。基于上述理由，本發(fā)明提出了基于二氧化鉿的電子束光刻套刻標(biāo)記。圖I為本發(fā)明的基于二氧化鉿的電子束光刻套刻標(biāo)記的截面圖，即在硅襯底I上鍍上二氧化鉿2的小方塊作為電子束光刻套刻時(shí)的對準(zhǔn)標(biāo)記，所鍍二氧化鉿的厚度優(yōu)選在KTlOOOnm之間，二氧化鉿標(biāo)記為正方形、十字形或“L”形等規(guī)則圖形。套刻標(biāo)記一般位于所需曝光的器件版圖的四角。圖2為二氧化鉿套刻標(biāo)記的制作及使用套刻工藝制作“T型槽”的工藝流程圖，分別描述如下；如圖2-1所示，在清洗干凈的襯底(Si襯底或SOI襯底)上旋涂電子抗蝕劑，本實(shí)例選用正性電子抗蝕劑PMMA，勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)為2000rpm，勻膠時(shí)間lmin，并采用熱板在170°C的條件下烘烤3min30s，此時(shí)PMMA膠厚略大于400nm。如圖2-2所示，通過電子束光刻工藝在正性電子抗蝕劑中形成套刻標(biāo)記的正方形陣列。電子束曝光采用VISTEC公司的EBPG 5000+電子束光刻系統(tǒng)，加速電壓100KV，曝光PMMA所需電子劑量為100(^0/0112，選擇電子束斑掃描步長為2011111，選用電子束流101^。曝光完成后將樣品放在入甲基異丁酮(MIBK):異丙醇(IPA) =1:3的溶液中顯影30s，然后浸入IPA中定影30s，取出后用氮?dú)獯蹈?。曝光完成后PMMA膠的截面須呈陡直或倒梯形結(jié)構(gòu)。如圖2-3所示，使用電子束蒸發(fā)鍍膜的方式向襯底及電子抗蝕劑上蒸鍍二氧化鉿。電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)采用聚焦的高速電子轟擊靶材并加熱靶材。當(dāng)二氧化鉿被加熱到其氣化溫度以上，二氧化鉿分子就會(huì)向上蒸發(fā)擴(kuò)散到位于坩堝上方的基片上并積淀成膜。正因?yàn)槿绱?，采用電子束蒸發(fā)形成的薄膜只會(huì)鍍在PMMA膠3和襯底表面，在PMMA膠的側(cè)壁則不會(huì)或者很少會(huì)有二氧化鉿積淀，剝離起來會(huì)更方便，所鍍二氧化鉿薄膜的側(cè)壁更陡直。實(shí)驗(yàn)時(shí)將樣品和二氧化鉿靶材分別裝入電子束蒸發(fā)的基片夾具和耐高溫的鑰坩堝中，蒸發(fā)前將腔體真空抽至8e-6t0rr，設(shè)定襯底溫度100°C，蒸發(fā)速率3 A/s, 二氧化鉿薄膜厚度200nm。所述的電子束蒸發(fā)系統(tǒng)為AlphaPlus公司的EB700s電子束蒸發(fā)系統(tǒng)。如圖2-4所示，采用丙酮超聲剝離PMMA膠表面的二氧化鉿薄膜，在襯底表面留下蒸鍍的二氧化鉿標(biāo)記。對于套刻標(biāo)記的要求是邊緣整齊、側(cè)壁陡直，以便電子束曝光系統(tǒng)準(zhǔn)確的探知標(biāo)記中心的坐標(biāo)，提高套刻的精度。如圖2-5所示，在帶有二氧化鉿標(biāo)記的襯底上旋涂正性電子抗蝕劑ZEP520，旋涂轉(zhuǎn)數(shù)4000rpm，時(shí)間60s，并采用熱板在180°C下烘烤3分鐘，此時(shí)ZEP520膠厚約為360nm。
如圖2-6所示，采用電子束直寫曝光將需要套刻的第一層版圖轉(zhuǎn)移到ZEP520膠4上。這一步需要采用套刻工藝，讓電子束光刻系統(tǒng)發(fā)射電子束掃描套刻標(biāo)記以獲得每一個(gè)標(biāo)記中心的準(zhǔn)確坐標(biāo)，并以四個(gè)標(biāo)記為一個(gè)套刻單元，將設(shè)計(jì)版圖曝光在一個(gè)套刻單元內(nèi)。曝光完成后浸泡在二甲苯中顯影70s，然后轉(zhuǎn)移到異丙醇(IPA)中定影30s。如圖2-7所示，采用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)機(jī)，以ZEP520膠為掩膜，將第一層版圖轉(zhuǎn)移到襯底上，刻蝕深度200nm。如圖2-8所示，重新清洗襯底后旋涂上ZEP520電子抗蝕劑，旋涂轉(zhuǎn)數(shù)4000rpm，時(shí)間60s，并采用熱板在180°C下烘烤3分鐘。如圖2-9所示，采用電子束光刻系統(tǒng)，通過套刻工藝將需要套刻的第二層版圖轉(zhuǎn)移到ZEP520膠上。如圖2-10所示，以ZEP520膠為掩膜，采用ICP刻蝕系統(tǒng)將第二層版圖轉(zhuǎn)移到襯底 上，刻蝕深度800nm。如圖2-11所示，采用去膠液(MICR0P0SIT REMOVER 1165)除掉ZEP520膠，完成了一次兩層圖形“T型槽”的套刻。實(shí)施例二氧化鉿套刻精度的實(shí)驗(yàn)測定。設(shè)計(jì)版圖如圖3，左右兩部分分別代表需要套刻的A、B兩層波導(dǎo)。其中波導(dǎo)(即白色長條之間和陰影長條之間的空白部分)寬500nm，B層波導(dǎo)縱向排列間隔為2. 5 μ m ;A、B層位于中心的那根波導(dǎo)在y方向的位置偏差為0，沿y軸正向和負(fù)向A層波導(dǎo)的排列周期比B層波導(dǎo)排列周期大25nm。采用正性電子抗蝕劑ZEP520做掩膜，電子束套刻曝光后使用ICP在襯底上刻蝕約200nm ;待兩層波導(dǎo)刻蝕完成后將樣品送至掃描電鏡下測量對準(zhǔn)誤差(如圖4-1，4-2)。圖4-1，4-2分別代表了 X軸方向和y軸方向的套刻精度，顯然中心波導(dǎo)的對準(zhǔn)效果要比其旁邊兩條波導(dǎo)好，說明二氧化鉿標(biāo)記在X軸方向和I軸方向的套刻精度均小于25nm。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于二氧化鉿的電子束光刻套刻標(biāo)記，其特征在于，包括襯底和鍍在襯底上的二氧化鉿薄膜標(biāo)記。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電子束光刻套刻標(biāo)記，其特征在于，所述二氧化鉿薄膜標(biāo)記為正方形、十字形或L形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的電子束光刻套刻標(biāo)記，其特征在于，所述二氧化鉿薄膜標(biāo)記厚度 IO^lOOOnmo
4.一種基于二氧化鉿的電子束光刻套刻標(biāo)記制作方法，具體為 (1)清洗襯底； (2)在襯底上旋涂電子抗蝕劑，通過電子束光刻工藝在電子抗蝕劑中形成套刻標(biāo)記的 圖形陣列； (3)在電子抗蝕劑和襯底上蒸鍍二氧化鉿薄膜； (4)剝離附著在電子抗蝕劑的二氧化鉿薄膜，得到二氧化鉿薄膜標(biāo)記。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電子束光刻套刻標(biāo)記制作方法，其特征在于，所述二氧化鉿薄膜厚度10 lOOOnm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的電子束光刻套刻標(biāo)記制作方法，其特征在于，所述套刻標(biāo)記為正方形、十字形或“L”形。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的電子束光刻套刻標(biāo)記制作方法，其特征在于，所述步驟(2)采用正性電子抗蝕劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的電子束光刻套刻標(biāo)記制作方法，其特征在于，所述步驟(3)的蒸鍍方法為電子束蒸發(fā)鍍膜法。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的電子束光刻套刻標(biāo)記制作方法，其特征在于，所述步驟(4)的剝離試劑選用丙酮，交替使用丙酮超聲清洗和去離子水沖洗以加快剝離速度。
10.按照權(quán)利要求3-9任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的制作方法制備得到的電子束光刻套刻T 己 O
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于二氧化鉿的電子束光刻套刻標(biāo)記，屬于半導(dǎo)體器件微納制造領(lǐng)域，其包括襯底和鍍在襯底上的二氧化鉿薄膜標(biāo)記。本發(fā)明還提供了制作方法，具體為(1)清洗襯底；(2)在襯底上旋涂電子抗蝕劑，通過電子束光刻工藝在電子抗蝕劑中形成套刻標(biāo)記的圖形陣列；(3)在電子抗蝕劑和襯底上蒸鍍二氧化鉿薄膜；(4)剝離附著在正性電子抗蝕劑的二氧化鉿薄膜，得到二氧化鉿標(biāo)記。本發(fā)明采用了耐高溫、粘附性好、價(jià)格低廉二氧化鉿來制作電子束光刻的套刻標(biāo)記。與傳統(tǒng)的“鈦+金”標(biāo)記相比，降低了工藝成本，解決了金標(biāo)記與Si襯底粘附性不好問題，提高套刻標(biāo)記對襯底的粘附性和高溫承受能力，保持了較高的套刻精度。
文檔編號(hào)H01L21/02GK102969302SQ20121047568
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者曾成, 夏金松, 張永 申請人:華中科技大學(xué)