CN101246817B - 一种制备绝缘层上硅量子线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备绝缘层上硅量子线的方法，属于微纳电子学技术领域。该方法包括SOI衬底顶层硅减薄、清洗衬底、涂敷电子束抗蚀剂、绘制设计由量子岛构成量子线图形、曝光、显影、蒸铝、剥离、刻蚀、去铝步骤，使衬底材料的顶层形成所需量子线。本发明的方法巧妙利用电子束曝光过程中的邻近效应，用低端的曝光机实现了在SOI之类半导体衬底材料上刻蚀得到硅的纳米尺度的量子线。由于本发明的实施是用价格相对低廉的曝光机完成的，将大大降低器件的制作成本，因此有望应用于纳米电子学和光电子学器件的制作。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备绝缘层上硅量子线的方法，尤其是一种利用电子束曝光中的邻近效应制备绝缘层上的硅量子线的方法，属于微纳电子学技术领域。
背景技术
随着微电子工艺的发展，电子器件的特征尺寸不断减小。基于硅基材料的量子点、量子线及相关的物理问题得到广泛研究，特别是对量子点、量子线中的一些新的物理效应和机制的研究，为设计和制备具有优良性能的量子器件提供了非常有价值的基础。要制备性能优良的器件，且要与传统的CMOS工艺相兼容，最关键的技术就是制备绝缘层上、稳定可靠的硅量子点、量子线。在工艺方面，硅量子点、量子线的制备有很多方法，主要有物理和化学气相沉积[1，M.K.Sunkara，S.Sharma，R.Miranda，et.al，Appl.Phys.Lett.79，1546(2001)]、化学湿法腐蚀[2，J.T.Sheu et.al，J.Vac.Sci.Technol.B 20(6)，2824(2002)；3，G.Pennelli，B.Pellegrini，J.Appl.Phys.101，104502(2007)]和电子束曝光[4，T.Toriyama，D.Funai，S.Sugiyama，J.Appl.Phys.93，561(2003)]。前面两种方法是在衬底上大面积生长硅量子线，这样制备的硅量子线在衬底上随机分布，无论是位置还是均匀性都没有可控性，很难将其搭在电极上制备纳米器件。为了制备可控的硅量子线，并且可以应用于纳电子器件的制备，采用电子束曝光是最有效的方法。
电子束曝光是近三十年发展起来的一种高分辨率微细加工技术，是制备量子微结构的主导技术。由于在高加速电压下，电子的德布罗意波长很小，所以不受衍射效应的限制，具有高分辨率和能产生图形特征尺寸在100nm以下的优点。所以电子束曝光将在微电子学领域中引起巨大的技术开拓。
但是在电子束曝光的过程中，邻近效应一直是影响曝光分辨率的主要因素之一。所谓邻近效应是指电子在抗蚀剂和基片中的散射，对抗蚀剂中任一给定点所储存的总能量产生影响，引起图形的改变。邻近效应可以根据所淀积能量的影响分为外邻近效应和内邻近效应。图形补偿，曝光剂量分配等方法可以一定程度上消除邻近效应的影响。所以要利用电子束曝光来刻蚀50nm的量子线，对电子束曝光机本身要求很高。一是要求电子束的束斑很小，2-6nm；二是加速电压要大，50-100KV。这样的要求只有价格昂贵的高端机才能满足，低端的电子束曝光机就很难稳定的制备出纳米尺度的硅量子线。
检索发现，公开号为CN1431679、公开日为2003.07.23，以及公开号为CN101055910、公开日为2007.10.17的中国发明专利申请分别公开公开了两种制备硅量子线的方法。前者将绝缘衬底上的硅(SOI)材料的制备工艺与其后形成硅量子线的牺牲热氧化工艺结合在一起；后者利用离子束设备在硅片表面进行辐射，生成致密有序的硅量子共阵列，然后在真空蒸镀系统中蒸镀铝电极；在电化学腐蚀系统中在硅片背面蒸镀连接电源的电极，并最终生成硅量子线阵列。此两种方法并未顾及到邻近效应的利用。
发明内容
本发明的目的是：基于以上的背景技术，提出了一种制备绝缘层上硅量子线的方法，该方法利用电子束曝光中的邻近效应原理，实现用低性能电子束曝光机在SOI材料上刻蚀所需的硅量子线，大大降低器件的制作成本。
为了达到以上目的，本发明制备绝缘层上硅量子线的方法包括以下步骤：
第一步、清洗：将SOI衬底材料用清洗液清洗干净；
第二步、涂敷：在清洗干净的衬底材料上均匀涂敷电子抗蚀剂；
第三步、绘图：绘制含所需量子线图形，所述量子线部位由至少一个沿量子线延伸方向间隔分布的量子岛构成；
第四步、曝光：按绘制好的图形对涂敷有电子抗蚀剂的衬底材料曝光，使量子岛在邻近效应作用下，形成所需的隐性连续量子线；
第五步、显影：借助显影液使曝光区域的电子抗蚀剂溶解，形成显性连续量子线；
第六步、镀铝：在显影后的衬底材料上蒸镀铝膜(借助高温或电子束蒸发，或者磁控溅射法均可)；
第七步、剥离：用丙酮浸泡，使衬底材料上未曝光区域的铝膜因对应区域的电子抗蚀剂被丙酮溶解而剥落，余下与绘制图形吻合的铝膜图形；
第八步、刻蚀：借助反应离子刻蚀铝膜之外的其它区域；即用铝膜图形作掩模将绘制的图形转移到衬底材料的顶层硅上；
第九步、去铝：用磷酸腐蚀液去除铝膜，使衬底材料的顶层形成所需含量子线图形。
本发明的方法基于如下研究结果：在电子束曝光的过程中，电子束淀积到抗蚀剂膜上的能量呈高斯分布，当图形靠得较近时，由于外邻近效应，能量的叠加使得所设计的图形之间的部分得到曝光而连接起来。而对于孤立的图形，由于内邻近效应，最后得到的图形某种程度上要比设计值要小(参见图1，其中(a)是设计图形，(b)是能量高斯分布曲线，(c)是能量叠加后的分布曲线)。所以，利用邻近效应，只要设计出科学合理的图形，通过曝光、显影，就可以利用低端的曝光机来实现所需纳米尺度的硅量子线的制备。
上述本发明的方法正是巧妙利用电子束曝光过程中的邻近效应，用低端的曝光机实现了在SOI材料上刻蚀得到硅的纳米尺度的量子线。由于本发明的实施是用价格相对低廉的曝光机完成的，将大大降低器件的制作成本，因此有望应用于纳米电子学和光电子学器件的制作。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是电子束曝光淀积能量分布示意图。
图2是制备量子线流程示意图，其中图2(a)至图2(g)各图中：1.衬底硅，2.埋层二氧化硅(SiO2)，3.顶层硅，4.电子抗蚀剂(PMMA)，5.设计的图形，6.横截面方向，7.曝光的区域，8.显影以后的俯视图，9.显影的区域，10.热蒸发铝膜，11.剥离以后剩下的铝掩膜12.反应离子刻蚀以后的顶层硅，13.顶层硅图形的俯视图，14.去铝以后的硅量子线。
图3是绘制设计曝光图形，其中(a)为中间一个岛的图形；(b)为中间两个岛的图形；(c)位中间留有50nm宽连续线的图形。
图4是对应图3各图形曝光后的量子线扫描电子显微镜照片，其中图4(a)、(b)、(c)分别对应于图3中的(a)、(b)、(c)。
具体实施方式
实施例一
本实施例制备绝缘层上硅量子线的方法利用电子束曝光中的“邻近效应”原理，用低性能的电子束曝光机在SOI衬底上刻蚀特征小于50nm硅量子线。
本实施例通过以下步骤实现(具体工艺流程图见图2)：
第一步：SOI衬底的清洗——首先用缓冲的氢氟酸(HF)溶液作为清洗液，去除由硅衬底1、SiO2埋层2、顶层硅3构成的SOI衬底材料表面氧化层，经过减薄工艺将顶层硅减薄至5-10nm，再一次用硅清洗液清洗，最后用去离子水清洗。由于SOI材料不仅与硅工艺兼容，而且还提供纵向绝缘隔离，因此广泛被业界所接受。
第二步：涂敷、前烘——采用旋涂法在衬底材料表面涂200±20nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA 600K)作为电子抗蚀剂膜，然后在热板上前烘，前烘温度：180±5℃，前烘时间：80±10s，参见图2(a)。
第三步：绘制设计图形——根据要曝光的量子线要求，用AutoCAD软件设计图形，量子线部位由至少一个沿量子线延伸方向间隔分布的量子岛形成，量子岛的形状最好为沿量子线方向延伸的菱形，各相邻图形尖角相对，间隔宜小于量子线的宽度，参见图2(b)以及图3(a)、(b)。
第四步：曝光——按绘制好的设计图形对涂敷有PMMA 600K的衬底材料进行曝光，使量子岛在曝光邻近效应作用下，形成所需的隐性连续量子线；曝光剂量控制在80±10μC/cm2为宜。
第五步：显影——采用甲基二戊酮(MIBK)与异丙醇(IPA)体积比为1∶3的标准显影液，显影时间控制在6±0.5min，使连续量子线显影，形成显性连续量子线，参见图2(c)。
第六步：蒸铝——采用电子束蒸发或热蒸发均可，在显影后的衬底材料上蒸镀铝膜，厚度控制在30±5nm，参见图2(d)。
第七步：剥离——采用丙酮浸泡，借助超声辅助剥离，去掉显影之后剩下的电子抗蚀剂及镀在其上铝膜，即使衬底材料上未曝光区域的铝膜因对应区域的电子抗蚀剂被丙酮浸渗溶解而在超声波辅助作用下剥落，余下与绘制图形吻合的铝膜图形，参见图2(e)。
第八步：刻蚀——借助反应离子刻蚀铝膜之外的其它区域，用铝膜图形作掩模将图形转移到顶层硅上，参见图2(f)；反应离子刻蚀(RIE)的具体条件为：三氟甲烷(CHF3)30±10sccm、氧气(O2)5±5sccm，反应腔压力控制在4.0-10.0Pa。
第九步：去铝——采用磷酸浸蚀，去除铝膜，温度70±5℃、时间35±5s，使衬底材料的顶层硅形成所需量子线，最后去离子水清洗，参见图2(g)。
用扫描电子显微镜(SEM)观察曝光所得的结果如图3(a)、图3(b)所示的中间为一个岛、二个岛的设计图形，经电子束曝光后，所得到的量子线的SEM照片分别如图4(a)、图4(b)所示。
而如果用常规的方法设计如图3(c)所示的图形，在相同工艺条件下，将得到图4(c)所示的结果，其中间量子线的尺寸明显大于设计的尺寸。
归纳起来，除了特别的图形设计之外，本实施例的方法还有如下特点：
1、采用减薄的SOI衬底，不仅使得该工艺可以与传统的硅工艺相兼容，广泛应用于微电子产业，而且还通过埋层SiO2提供纵向绝缘。另外，在减薄的顶层硅上制作纳电子器件为进一步研究新的器件物理效应提供基础。
2、采用单层胶实现图形的剥离。电子抗蚀剂有正负之分，负胶主要用于电子束直写，但是灵敏度低。并且一般用于剥离技术的是双层胶或三层胶。随着技术的发展，现在又出现了专门用于剥离的LOR胶。而本方法采用正胶PMMA 600K的单层胶，可以借助“过曝光，过显影”，得到尺寸很小、剥离效果佳的图形。
3、铝膜的作用是用于转移图形的掩模，所以要根据所转移的图形的高度来确定淀积铝膜的厚度。一般淀积铝膜的方法现在主要有电子束蒸发、热蒸发，以及磁控溅射法。在本方法中采用热蒸发。蒸发的厚度由蒸发的速度和蒸发的时间一起来决定。铝膜的厚度只要小于胶厚，就可以保证较顺利的剥离。
4、超声辅助剥离。首先将样品浸入到丙酮中，通过浸泡，胶溶解在丙酮里面，顺便去掉了多余的铝。超声的作用是辅助去铝，可以保证去得干净，但是超声的时间不可太长，以免破坏铝的图形。
5、反应离子刻蚀。在本方法中采用三氟甲烷+氧气作为刻蚀硅的等离子体源。一般刻蚀硅的主要气源是六氟化硫(SF6)，但是SF6的刻蚀是各向同性的，且刻蚀速度很快，大约1μ/min。这样得到亚100nm级的图形横向尺寸很难控制。而CHF3各向异性，在刻蚀过程中，横向与纵向的刻蚀比很小，且刻蚀速度很慢，容易控制，以保证刻蚀到埋层时，不会对上面的硅的横向尺寸产生很大的影响。
6、曝光剂量及显影时间合理控制。利用电子束曝光过程中的邻近效应，希望“过曝光，过显影”，但并非没有一个限制，否则会使转移后的图形远大于图形的横向尺寸。采用MIBK∶IPA＝1∶3的标准显影液，该显影液对PMMA有强制显影的效果，即对未曝光的区域也会有作用，只不过溶解的速度远远小于曝光区域的溶解速度。强制显影会使曝光区的抗蚀剂完全去掉。强制过头，也就是显影时间过长，会产生抗蚀剂图形的畸变，显影时出现溶胀，关键尺寸不易控制。
7、纳米线的长度可调。在工艺允许的范围内设计图形时，根据需要选择中间岛的个数得到不同长度的量子线。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。例如，衬底材料也可以采用其它常用半导体材料，也可以采用PMMA 300K、950K等其它常规电子抗蚀剂，曝光、显影、蒸铝等工艺步骤也可以参照现有常规工艺。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种制备绝缘层上硅量子线的方法，包括以下步骤：
第一步、清洗：将SOI衬底材料用清洗液清洗干净；
第二步、涂敷：在清洗干净的衬底材料上均匀涂敷电子抗蚀剂；
第三步、绘图：绘制含所需量子线图形，所述量子线部位由至少一个沿量子线延伸方向间隔分布的量子岛构成，所述量子岛的形状为沿量子线方向延伸的菱形；
第四步、曝光：按绘制好的图形对涂敷有电子抗蚀剂的衬底材料曝光，使量子岛在邻近效应作用下，形成所需的隐性连续量子线；
第五步、显影：借助显影液使曝光区域的电子抗蚀剂溶解，形成显性连续量子线；
第六步、镀铝：在显影后的衬底材料上蒸镀铝膜；
第七步、剥离：用丙酮浸泡，使衬底材料上未曝光区域的铝膜因对应区域的电子抗蚀剂被丙酮溶解而剥落，余下与绘制图形吻合的铝膜图形；
第八步、刻蚀：借助反应离子刻蚀铝膜之外的其它区域；即用铝膜图形作掩模将绘制的图形转移到衬底材料的顶层硅上；
第九步、去铝：用磷酸腐蚀液去除铝膜，使衬底材料的顶层形成所需含量子线图形。
2.根据权利要求1所述的制备绝缘层上硅量子线的方法，其特征在于：所述量子岛各相邻图形尖角相对，间隔小于量子线的宽度。
3.根据权利要求1或2的制备绝缘层上硅量子线的方法，其特征在于：所述第一步中的衬底材料采用由硅衬底、二氧化硅埋层、顶层硅构成的SOI衬底材料，首先用缓冲的氢氟酸溶液去除表面氧化层，将顶层硅减薄到5-10nm，再一次用硅清洗液清洗，最后用去离子水清洗。
4.根据权利要求3的制备绝缘层上硅量子线的方法，其特征在于：所述第二步中采用旋涂法在衬底材料表面涂200±20nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯作为电子抗蚀剂膜，涂后在180±5℃下前烘80±10s，所述第六步蒸铝厚度控制在30±5nm。
5.根据权利要求4的制备绝缘层上硅量子线的方法，其特征在于：所述第四步中曝光剂量控制在80±10μC/cm2，所述第五步中显影时间控制在6±0.5min。
6.根据权利要求5的制备绝缘层上硅量子线的方法，其特征在于：所述第七步中采用丙酮浸泡，并采用超声辅助剥离曝光区域之外的铝膜。
7.根据权利要求6的制备绝缘层上硅量子线的方法，其特征在于：所述第八步中刻蚀气源及流量为：三氟甲烷30±10sccm、氧气(O2)5±5sccm，反应腔压力控制在4.0-10.0Pa。
8.根据权利要求7的制备绝缘层上硅量子线的方法，其特征在于：所述第九步中采用磷酸浸蚀，温度70±5℃、时间35±5s，使衬底材料的顶层形成所需量子线，最后去离子水清洗。
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