CN101286005B - 带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜，包括基底，和依次沉积在基底上的第一保护层、氧化物掩模层、第二保护层、第一金属薄膜和第二金属薄膜；所述的第一金属薄膜和第二金属薄膜，是两种金属在相对较低温度≤500℃下，能形成二元合金的材料的组合；所述的第一保护层厚度为100nm—200nm，所述的掩模层厚度为2nm—30nm，所述的第二保护层厚度为10nm—50nm。本发明的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜，采用超分辨近场结构和无机热阻膜结合的多层膜结构。在微纳米加工过程中，采用此多层膜结构制作光刻原片，利用普通曝光系统或直写式曝光系统实现曝光，能够简单获得高分辨率的曝光图形。能够在简单地获得高分辨率曝光图形的同时，有效增加纳米构造的高度。

Description

带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜

技术领域

本发明涉及一种微纳米加工光刻膜层结构，特别是涉及一种带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜层结构及其制备方法。

背景技术

随着微电子工业的快速发展，大规模集成电路加工行业和半导体器件加工行业对加工器件的尺寸提出了更高的要求，即对曝光图形分辨率的要求越来越高。对于普通的光学曝光，其分辨率(R)取决于曝光光源的波长(λ)、物镜的数值孔径(NA)和与曝光工艺条件有关的参数(k₁)，即 $R=k_1\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$ ，受到光学衍射极限的限制。从光学成像的角度考虑，提高曝光图形的分辨率可以通过减小曝光光源的波长λ和提高物镜的数值孔径NA来实现。由于焦深 $\mathrm{DOF}=k_2\frac{\mathrm{\λ}}{{\left(\mathrm{NA}\right)}^2}$ ，所以λ的减小和NA的提高会减小焦深，从而影响到图形的曝光质量。而且，由于有机光刻胶对曝光光源的波长敏感，当波长减小至极紫外、电子束甚至X射线的波长范围时，开发对应的具有复杂结构的有机光刻胶更加困难，增加光刻成本，而且高能射线束会损伤部分有机光刻胶。

1992年，美国贝尔实验室的E.Betzig等人首次成功地将近场光学显微技术引入光存储技术领域，实现了约45Gbits/inch²的超高记录密度。由于利用近场光学技术能实现突破传统远场光学衍射极限分辨率的记录符尺寸的刻写，所以近场光学技术在光存储领域和微纳米加工光刻领域都有着良好的应用前景。1998年，日本产业技术研究所的J.Tominaga博士提出了一种超分辨近场结构光存储技术，此种技术可以用一般光驱的读写头，在记录层上写入或读出一个小于光学衍射极限尺寸的记录点，被认为是光学储存技术的一大突破。此外，该技术也被视为是最有希望实用化的超高密度光存储技术之一。在超分辨近场结构技术中，掩模层材料是关键，根据掩模层材料的不同工作原理，目前常用的氧化物掩模层材料以AgO_x，WO_x，PtO_x和PdO_x为代表。

如果将超分辨近场结构技术用于微纳米加工光刻技术领域，则曝光图形分辨率将大大提高。Tseng等人提出基于超分辨近场结构和现有光刻胶的高分辨光刻方法(Patent No.：US6506543B1)，但是由于近场光传输被局限在几十纳米范围内，所以将超分辨近场结构技术和现有的曝光工艺结合进行曝光时，曝光后的图形将面临高度严重不足的难题(J.Tominaga.Topics in Applied Physics：The Manipulation of Surface and Local Plasmons.Springer.2003.P79-86)。但是，如果曝光过程为热传导过程，则在利用超分辨近场结构技术曝光时，图形的曝光高度将会因热传导距离的增加而增加。而且，由于有机光刻胶的曝光过程具有能量累积效应，即多次低能量曝光的累积效果等同于一次等同高能量曝光的效果，加上光的高斯分布因素，曝光图形的边缘易出现累积曝光现象，从而不利于提高曝光图形的分辨率。但对于无机热阻膜来说，其曝光过程为热诱导过程，当低于其曝光功率阈值时，无机热阻膜不发生变化，曝光图形边缘不存在曝光临近效应，因此，采用无机热阻膜在增加纳米高度的同时，有利于提高曝光图形的分辨率。

在无机热阻膜的研究方面，M_xN_y(M，N均为金属)型双金属薄膜(Patent No.：US6641978B1)被发现经过曝光后会发生合金化，光密度减小，而且曝光部分的抗刻蚀性质大大不同于未曝光部分，可通过湿法和干法蚀刻处理得到所需的纳米构造，而且，其曝光过程不依赖于波长，从红外到极紫外线，只要曝光功率超过一定的阀值，就可以实现曝光，故可以用来作为光刻掩模以及产生半导体、绝缘体和导体的纳米构造，可以在一定程度上可以替代现有的有机光刻胶，其可以干刻蚀的特征将对全干法集成电路制造产生重要影响。

发明内容

本发明的目的在于：解决已有的超分辨近场结构技术导致的纳米构造高度不足的问题；从而提供一种可以通过磁控溅射等方法制备一种带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜层，该局域微缩光刻膜层曝光时不受光波长的限制，从红外到紫外都可以快速地实现曝光，而且曝光前后双金属薄膜均能导电，有效地避免了微纳米器件的静电损伤，有利于通过电镀、化学镀等手段构造特殊的纳米构造。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜，包括基底1，和依次溅射沉积在基底1上的第一保护层9、氧化物掩模层8和第二保护层7；其特征在于：还包括第一金属薄膜6和第二金属薄膜5；该第一金属薄膜A和第二金属薄膜B顺序生长在第二保护层7上，所述的第一金属薄膜A和第二金属薄膜B是能在温度≤500℃下，一起形成二元合金的金属材料；所述的第一金属薄膜A和第二金属薄膜B的厚度分别为5nm-100nm。

在上述的技术方案中，所述的第一保护层9厚度为100nm—200nm。

在上述的技术方案中，所述的氧化物掩模层8厚度为2nm—30nm。

在上述的技术方案中，所述的第二保护层7厚度为10nm—50nm。

在上述的技术方案中，所述的基底1采用SiO₂或PC基片。

在上述的技术方案中，所述的第一保护层9为(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅或SiN。

在上述的技术方案中，所述的掩模层8为氧化物AgO_x，WO_x，PtO_x或PdO。

在上述的技术方案中，所述的第二保护层7为(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅或SiN。

在上述的技术方案中，所述的第一金属薄膜A包括以下金属：Bi、Sn、In、Al、Zn、Sb、Pb、Pd、Pt、Ga、Cd、Mg；

在上述的技术方案中，所述的第二金属薄膜B包括：In、Sn、Zn、Al、Pb、Pd、Pt、Cd、Co、Ga、Mg、Ti；

在上述的技术方案中，所述的金属薄膜B和金属薄膜A能在相对较低温度下(≤500℃)形成二元合金，如BiIn，BiSn，BiZn，BiPb，InSn，InZn，InSb，InPb，InGa，SnZn，AlZn，BiCd，BiCo，BiPb，CdIn，CdPb，CdSb，CdSn，CdTi，CdZn，GaIn，GaMg，GaSn，GaZn，MgPb，MgSn，MgTi，PbPd，PbPt，PbSb，PbSn，SbTi，SnTi；

本发明的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜的制备方法，依次采用双氧水、丙酮、去离子水将基底超声波清洗各10分钟，每次清洗后用N₂吹干基底1，清洗完毕于120℃真空干燥2小时后取出。再采用干法，如磁控溅射、直流溅射、热蒸镀、电子束蒸镀等物理气相沉积方法，在基底上依次生长第一保护层、氧化物掩模层、第二保护层、金属薄膜和金属薄膜。

本发明提供的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜层结构，是采用无机热阻膜替代现有的有机光刻胶，并和超分辨近场结构结合的多层膜结构。当曝光光束照射到所述膜层结构上时，氧化物掩模层材料在透射光的照射下吸收热量温度升高，氧化物分解，生成的金属颗粒形成散射中心，产生增强近场光。第一金属薄膜和第二金属薄膜在增强近场光的作用下曝光后合金化，光密度和抗蚀性均发生变化，而且由于此曝光过程为热诱导过程，所以曝光图形的高度突破了近场光学有效距离的限制。未曝光部分双金属薄膜采用RCA溶液进行湿法刻蚀，曝光部分形成的合金采用湿法或干法刻蚀，经过图形的复制、转移，从而可以简单、快速地得到具有高分辨率和一定高度的纳米图形构造。

本发明为一种带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜层结构，即采用超分辨近场结构和无机热阻膜结合的多层膜结构。在微纳米加工过程中，采用此多层膜结构制作光刻原片，利用普通曝光系统或直写式曝光系统实现曝光，能够简单获得高分辨率的曝光图形。由于无机热阻膜的曝光过程为热诱导的合金化过程，其热传导距离不受近场光传播距离的限制，所以该发明克服了Tseng等人专利(US Patent No.：US6506543B1)的不足，解决了超分辨近场结构技术导致的纳米构造高度不足的问题。同时，该发明多层膜的曝光不受光波长的限制，从红外到紫外都可以快速地实现曝光。而且，曝光前后双金属薄膜均能导电，可以通过电镀、化学镀等方法构造特殊的纳米构造。

附图说明

图1带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜层结构简图

图2带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜层结构示意图

图面说明：

1-基片；       2-超分辨近场结构(Super-RENS)；       3-双金属或多金属膜层；

4-曝光光源；   A-金属薄膜；                         B-金属薄膜；

7-第二保护层；   8-氧化物掩模层；                     9-第一保护层；

具体实施方式

实施例1

参考图2，采用磁控溅射法在SiO₂或PC基底1上，制备一本发明的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜。具体制备过程如下：采用磁控溅射法在0.5mm厚的SiO₂或PC基底1上，依次溅射沉积：100nm厚的SiN第一保护层9、10nm厚的AgO_x氧化物掩模层8、20nm厚的SiN第二保护层7、50nm厚的In金属薄膜A、50nm厚的Bi金属薄膜B；其中，AgO_x溅射条件为室温，功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体流速25sccm，O₂:Ar为1:1；其余各层制备条件：室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体Ar流速25sccm。

将实施例1制作的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜进行曝光，当曝光光束照射到所述膜层结构上时，氧化物掩模层材料在透射光的照射下吸收热量温度升高，氧化物分解，生成的金属颗粒形成散射中心，产生增强近场光。第一金属薄膜和第二金属薄膜在增强近场光的作用下曝光后合金化(如图1所示，图中的2表示超分辨近场结构(Super-RENS)，即表示合在一起的SiN第一保护层9、AgO_x氧化物掩模层8、SiN第二保护层7，3表示Bi金属薄膜A和In金属薄膜B形成的合金化层)，光密度和抗蚀性均发生变化，而且由于此曝光过程为热诱导过程，所以曝光图形的高度突破了近场光学有效距离的限制。未曝光部分双金属薄膜采用RCA溶液进行湿法刻蚀，曝光部分形成的合金采用湿法或干法刻蚀，经过图形的复制、转移，从而可以简单、快速地得到具有高分辨率和一定高度的纳米图形构造。

实施例2

参考图2，采用磁控溅射法在0.5mm厚的SiO₂或PC基底上，依次溅射沉积：100nm厚的SiN第一保护层9、10nm厚的WO_x氧化物掩模层8、20nm厚的SiN第二保护层7、40nm厚的In金属薄膜A、40nm厚的Bi金属薄膜B；

其中，WO_x溅射条件为室温，功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体流速25sccm，O₂:Ar为1:1；其余各层制备条件：室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体Ar流速25sccm；

实施例3

参考图2，采用磁控溅射法在0.5mm厚的SiO₂或PC基底上，依次溅射沉积：100nm厚的SiN第一保护层9、10nm厚的PtO_x氧化物掩模层8、20nm厚的SiN第二保护层7、50nm厚的In金属薄膜A、50nm厚的Bi金属薄膜B。

其中，PtO_x制备条件为室温，功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体流速25sccm，O₂:Ar为1:1；其余各层制备条件：室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体Ar流速25sccm；

实施例4

参考图2，采用磁控溅射法在0.5mm厚的SiO₂或PC基底上，依次溅射沉积：100nm厚的SiN第一保护层9、10nm厚的PdO_x氧化物掩模层8、20nm厚的SiN第二保护层7、40nm厚的In金属薄膜A、40nm厚的Bi金属薄膜B。

其中，PdO_x溅射条件为室温，功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体流速25sccm，O₂:Ar为1:1；其余各层制备条件：室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体Ar流速25sccm。

实施例5

参考图2，采用磁控溅射法在0.5mm厚的SiO₂或PC基底上，依次溅射沉积：150nm厚的(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅第一保护层9、10nm厚的AgO_x氧化物掩模层8、30nm厚的(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅第二保护层7、30nm厚的In金属薄膜A、30nm厚的Bi金属薄膜B。

其中，AgO_x溅射条件为室温，功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体流速25sccm，O₂:Ar为1:1；其余各层制备条件：室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体Ar流速25sccm。

实施例6

参考图2，采用磁控溅射法在0.5mm厚的SiO₂或PC基底上，依次溅射沉积：150nm厚的(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅第一保护层9、10nm厚的WO_x氧化物掩模层8、30nm厚的(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅第二保护层7、30nm厚的(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅第二保护层7、30nm厚的In金属薄膜A、30nm厚的Bi金属薄膜B。

其中，WO_x制备条件为室温，功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体流速25sccm，O₂:Ar为1:1；其余各层制备条件：室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体Ar流速25sccm。

实施例7

参考图2，采用磁控溅射法在0.5mm厚的SiO₂或PC基底上，依次溅射沉积：150nm厚的(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅第一保护层9、10nm厚的PtO_x氧化物掩模层8、30nm厚的(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅第二保护层7、30nm厚的(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅第二保护层7、30nm厚的In金属薄膜A、30nm厚的Bi金属薄膜B。

其中，PtO_x溅射条件为室温，功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体流速25sccm，O₂:Ar为1:1；其余各层制备条件：室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体Ar流速25sccm；

实施例8

参考图2，采用磁控溅射法在0.5mm厚的SiO₂或PC基底上，依次溅射沉积：150nm厚的(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅第一保护层9、10nm厚的PdO_x氧化物掩模层8、30nm厚的(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅第二保护层7、30nm厚的(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅第二保护层7、30nm厚的In金属薄膜A、50nm厚的Bi金属薄膜B。

其中，PdO_x制备条件为室温，功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体流速25sccm，O₂:Ar为1:1；其余各层制备条件：室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10^-5Pa，气体Ar流速25sccm。

以上各实施例中除基底是市场上购买外，其余各层均可采用磁控溅射、直流溅射、热蒸镀、电子束蒸发等干法过程制备。

综上所知，采用超分辨近场结构技术和无机热阻膜技术结合的多层膜结构制作光刻原片，在微纳米加工过程中，可利用普通激光曝光系统或直写式曝光系统实现曝光，不仅能够快速获得高分辨率的曝光图形，获得半导体、绝缘体和导体的纳米构造，而且能解决了近场技术导致的纳米构造高度不足的问题。

Claims (9)

1.一种带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜，包括基底(1)，和依次溅射沉积在基底(1)上的第一保护层(9)、氧化物掩模层(8)和第二保护层(7)；其特征在于：还包括第一金属薄膜(A)和第二金属薄膜(B)；该第一金属薄膜(A)和第二金属薄膜(B)顺序生长在第二保护层(7)上，所述的第一金属薄膜(A)和第二金属薄膜(B)是能在温度≤500℃下，一起形成二元合金的金属材料；所述的第一金属薄膜(A)和第二金属薄膜(B)的厚度分别为5nm-100nm。

2.按权利要求1所述的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜，其特征在于：所述的基底(1)采用SiO₂基片或PC基片。

3.按权利要求1所述的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜，其特征在于：所述的第一保护层(9)和第二保护层(7)为(ZnS)₈₅(SiO₂)₁₅或SiN材料制作。

4.按权利要求1所述的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜，其特征在于：所述的第一保护层(9)的厚度为100nm—200nm。

5.按权利要求1所述的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜，其特征在于：所述的第二保护层(7)的厚度为10nm—50nm。

6.按权利要求1所述的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜，其特征在于：所述的氧化物掩模层(8)为AgO_x，WO_x，PtO_x或PdO材料制作。

7.按权利要求1所述的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜，其特征在于：所述的氧化物掩模层(8)厚度为2nm—30nm。

8.按权利要求1所述的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜，其特征在于：所述的第一金属薄膜(A)包括以下：Bi、Sn、In、Al、Zn、Sb、Pb、Pd、Pt、Ga、Cd或Mg金属制作的。

9.按权利要求1所述的带有氧化物掩模的局域微缩光刻膜，其特征在于：所述的第二金属薄膜(B)包括：In、Sn、Zn、Al、Pb、Pd、Pt、Cd、Co、Ga、Mg或Ti金属制作的。

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