CN102969302A

CN102969302A - 基于二氧化铪的电子束套刻标记及其制作方法

Info

Publication number: CN102969302A
Application number: CN2012104756837A
Authority: CN
Inventors: 曾成; 夏金松; 张永
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-11-21
Also published as: CN102969302B

Abstract

本发明公开了一种基于二氧化铪的电子束光刻套刻标记，属于半导体器件微纳制造领域，其包括衬底和镀在衬底上的二氧化铪薄膜标记。本发明还提供了制作方法，具体为：（1）清洗衬底；（2）在衬底上旋涂电子抗蚀剂，通过电子束光刻工艺在电子抗蚀剂中形成套刻标记的图形阵列；（3）在电子抗蚀剂和衬底上蒸镀二氧化铪薄膜；（4）剥离附着在正性电子抗蚀剂的二氧化铪薄膜，得到二氧化铪标记。本发明采用了耐高温、粘附性好、价格低廉二氧化铪来制作电子束光刻的套刻标记。与传统的“钛+金”标记相比，降低了工艺成本，解决了金标记与Si衬底粘附性不好问题，提高套刻标记对衬底的粘附性和高温承受能力，保持了较高的套刻精度。

Description

基于二氧化铪的电子束套刻标记及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体器件微纳制造领域，具体来说，涉及一种基于二氧化铪的电子束光刻套刻标记及其制作方法。

背景技术

以互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal OxideSemiconductor）工艺为主流的半导体技术继续沿着“摩尔定律”迅速发展，器件的特征尺寸已进入到纳米量级，芯片的集成度越来越高，这对半导体工艺的精度提出了越来越严格的要求，只有在工艺过程中尽量减少每一个环节的精度误差，才能减少因误差带来的器件失效。

电子束光刻系统以其精度高、不需要掩膜等优点在半导体器件的微纳制造过程中扮演着越来越重要的角色。在半导体器件微纳制造中，一个器件的制作往往需要用到几次甚至十几次的电子束曝光，而影响曝光工艺误差的因素除了电子束光刻机的分辨率和电子抗蚀剂的精度之外，还有套刻对准的精度。

传统电子束光刻系统的套刻工艺所用的标记有两种：凹陷型标记和金属标记。

（a）凹陷型标记因其工艺简单、制作成本低、精度较高在普通半导体衬底（如Si，InP，GaAs等）电子束套刻工艺中使用普遍。凹陷型对准标记要求标记深度大于2μm、标记侧壁陡直，从而使高能电子束能分辨并获得精确的对准信号。而对于在硅基集成电路和光电子集成领域应用广泛的SOI（Silicon On Insulator，结构分三层：顶层Si、埋层SiO₂和衬底Si，尤其是顶层Si厚度低于1μm的SOI）来说，为了达到需要的深度，制作凹陷型标记时需要在刻穿顶层Si后继续刻蚀埋层SiO₂。由于普通的电子抗蚀剂（如PMMA、ZEP520）对二氧化硅的刻蚀选择比很低，不适合做较深的SiO₂刻蚀；刻蚀中也很难保证Si与SiO₂界面处侧壁的陡直度，所以凹陷型标记在工艺上难以与SOI基片兼容。

（b）金属标记由金属蒸镀加剥离获得，金属薄膜的厚度一般大于70nm，最好选用重金属（如Au、W等）以获得高的信噪比。传统的套刻标记用金作为材料，但是由于金与硅的粘附性很差，故需要先镀一薄层钛，再镀一定厚度的金。

目前“钛+金”标记已经成为硅衬底和SOI衬底上电子束光刻套刻标记的主流选择。然而“钛+金”标记也有其缺点：金靶材的价格非常昂贵；金与硅衬底粘附性很差，需要镀钛来将金与硅粘附在一起；金的熔点为1063℃，如果样品需要用于高温热氧化或者外延生长等工艺，就会出现金属融化变形、金属扩散，继而污染氧化或者外延生长的腔体，带来非常严重的后果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于新材料的电子束光刻套刻标记，以降低工艺成本，提高套刻标记对衬底的粘附性和高温承受能力。

一种基于二氧化铪的电子束光刻套刻标记，包括衬底和镀在衬底上的二氧化铪薄膜标记。

进一步地，所述二氧化铪薄膜标记为正方形、十字形或“L”形等规则图形。

进一步地，所述二氧化铪薄膜标记厚度为10~1000nm。

一种基于二氧化铪的电子束光刻套刻标记制作方法，具体为：

（1）清洗衬底；

（2）在衬底上旋涂电子抗蚀剂，通过电子束光刻工艺在正性电子抗蚀剂中形成套刻标记的图形阵列；

（3）在电子抗蚀剂和衬底上蒸镀二氧化铪薄膜；

（4）剥离附着在电子抗蚀剂的二氧化铪薄膜，得到二氧化铪薄膜标记。

进一步地，所述步骤（2）采用正性或负性电子抗蚀剂，优选正性电子抗蚀剂，例如PMMA或ZEP520。

进一步地，所述步骤（3）的蒸镀方法为电子束蒸发镀膜法，可获得边缘整齐、侧壁陡直的二氧化铪标记。

进一步地，所述步骤（4）的剥离试剂选用丙酮，交替使用丙酮超声清洗和去离子水冲洗以加快剥离速度。

步骤（1）、（2）、（3）、（4）优选在超净的环境（千级间）中进行，避免衬底上残留的灰尘、颗粒影响电子抗蚀剂的旋涂以至于降低电子束光刻的曝光质量。

和现有技术相比，上述技术方案具有如下优点：

(1)采用二氧化铪材料代替传统的“钛+金”材料，降低了套刻标记的制作成本；

(2)二氧化铪标记熔点高，适用范围广；

(3)二氧化铪与硅衬底的粘附性强，镀在硅或SOI衬底表面的二氧化铪标记在超声清洗中不会脱落或移位；

(4)二氧化铪标记在电子扫描下的对准信号的信噪比高，能保证较高的对准精度（小于25nm）。

附图说明

图1为本发明的截面图；

图2为本发明具体实施例的制作工艺流程图；

图3为本发明具体实施例中测试套刻精度的版图；

图4为本发明具体实施例中测试套刻精度的扫描电镜（SEM）图，测量区域为图3中的虚线方框。

图中标注说明：

1 硅 2 二氧化铪 3 电子抗蚀剂PMMA 4 电子抗蚀剂ZEP520

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的内容，以下结合附图，通过对具体实施例的描述，进一步对本发明作详细说明。

二氧化铪(HfO₂)是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，近来在工业界特别是微电子领域引起了极度的关注。二氧化铪薄膜的化学稳定性高，具有与硅接触良好的热力学稳定性和晶格匹配，与传统的CMOS工艺完全兼容。本发明选择二氧化铪作为套刻标记的材料，具体理由如下：

（a）二氧化铪的化学性质稳定，不溶于水、盐酸和硝酸；

（b）二氧化铪的熔点高，可达2500℃以上，是金熔点（1063℃）的两倍多；

（c）二氧化铪与硅衬底的粘附性强，镀在硅衬底表面的二氧化铪标记在超声清洗中不会脱落或移位；

（d）二氧化铪的靶材价格较低，材料成本相当于金标记的1/40。

（e）二氧化铪是重金属元素铪（Hf）的氧化物，其中铪（Hf）的原子量为178.49，与金（原子量196.97）相近，因此使用二氧化铪作为标记材料也能够获得较好的电子扫描对准信号。

（f）二氧化铪是目前最有希望替代二氧化硅的高k栅介质材料之一，与CMOS工艺完全兼容。

基于上述理由，本发明提出了基于二氧化铪的电子束光刻套刻标记。

图1为本发明的基于二氧化铪的电子束光刻套刻标记的截面图，即在硅衬底1上镀上二氧化铪2的小方块作为电子束光刻套刻时的对准标记，所镀二氧化铪的厚度优选在10~1000nm之间，二氧化铪标记为正方形、十字形或“L”形等规则图形。套刻标记一般位于所需曝光的器件版图的四角。

图2为二氧化铪套刻标记的制作及使用套刻工艺制作“T型槽”的工艺流程图，分别描述如下；

如图2-1所示，在清洗干净的衬底（Si衬底或SOI衬底）上旋涂电子抗蚀剂，本实例选用正性电子抗蚀剂PMMA，匀胶机的转数为2000rpm，匀胶时间1min，并采用热板在170℃的条件下烘烤3min30s，此时PMMA胶厚略大于400nm。

如图2-2所示，通过电子束光刻工艺在正性电子抗蚀剂中形成套刻标记的正方形阵列。电子束曝光采用VISTEC公司的EBPG 5000+电子束光刻系统，加速电压100KV，曝光PMMA所需电子剂量为1000μC/cm²，选择电子束斑扫描步长为20nm，选用电子束流10nA。曝光完成后将样品放在入甲基异丁酮（MIBK）：异丙醇（IPA）=1:3的溶液中显影30s，然后浸入IPA中定影30s，取出后用氮气吹干。曝光完成后PMMA胶的截面须呈陡直或倒梯形结构。

如图2-3所示，使用电子束蒸发镀膜的方式向衬底及电子抗蚀剂上蒸镀二氧化铪。电子束蒸发镀膜机采用聚焦的高速电子轰击靶材并加热靶材。当二氧化铪被加热到其气化温度以上，二氧化铪分子就会向上蒸发扩散到位于坩埚上方的基片上并积淀成膜。正因为如此，采用电子束蒸发形成的薄膜只会镀在PMMA胶3和衬底表面，在PMMA胶的侧壁则不会或者很少会有二氧化铪积淀，剥离起来会更方便，所镀二氧化铪薄膜的侧壁更陡直。实验时将样品和二氧化铪靶材分别装入电子束蒸发的基片夹具和耐高温的钼坩埚中，蒸发前将腔体真空抽至8e-6torr，设定衬底温度100℃，蒸发速率

，二氧化铪薄膜厚度200nm。所述的电子束蒸发系统为AlphaPlus公司的EB700s电子束蒸发系统。

如图2-4所示，采用丙酮超声剥离PMMA胶表面的二氧化铪薄膜，在衬底表面留下蒸镀的二氧化铪标记。对于套刻标记的要求是边缘整齐、侧壁陡直，以便电子束曝光系统准确的探知标记中心的坐标，提高套刻的精度。

如图2-5所示，在带有二氧化铪标记的衬底上旋涂正性电子抗蚀剂ZEP520，旋涂转数4000rpm，时间60s，并采用热板在180℃下烘烤3分钟，此时ZEP520胶厚约为360nm。

如图2-6所示，采用电子束直写曝光将需要套刻的第一层版图转移到ZEP520胶4上。这一步需要采用套刻工艺，让电子束光刻系统发射电子束扫描套刻标记以获得每一个标记中心的准确坐标，并以四个标记为一个套刻单元，将设计版图曝光在一个套刻单元内。曝光完成后浸泡在二甲苯中显影70s，然后转移到异丙醇（IPA）中定影30s。

如图2-7所示，采用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）机，以ZEP520胶为掩膜，将第一层版图转移到衬底上，刻蚀深度200nm。

如图2-8所示，重新清洗衬底后旋涂上ZEP520电子抗蚀剂，旋涂转数4000rpm，时间60s，并采用热板在180℃下烘烤3分钟。

如图2-9所示，采用电子束光刻系统，通过套刻工艺将需要套刻的第二层版图转移到ZEP520胶上。

如图2-10所示，以ZEP520胶为掩膜，采用ICP刻蚀系统将第二层版图转移到衬底上，刻蚀深度800nm。

如图2-11所示，采用去胶液（MICROPOSIT REMOVER 1165）除掉ZEP520胶，完成了一次两层图形“T型槽”的套刻。

实施例：二氧化铪套刻精度的实验测定。

设计版图如图3，左右两部分分别代表需要套刻的A、B两层波导。其中波导（即白色长条之间和阴影长条之间的空白部分）宽500nm，B层波导纵向排列间隔为2.5μm；A、B层位于中心的那根波导在y方向的位置偏差为0，沿y轴正向和负向A层波导的排列周期比B层波导排列周期大25nm。采用正性电子抗蚀剂ZEP520做掩膜，电子束套刻曝光后使用ICP在衬底上刻蚀约200nm；待两层波导刻蚀完成后将样品送至扫描电镜下测量对准误差（如图4-1,4-2）。图4-1，4-2分别代表了x轴方向和y轴方向的套刻精度，显然中心波导的对准效果要比其旁边两条波导好，说明二氧化铪标记在x轴方向和y轴方向的套刻精度均小于25nm。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于二氧化铪的电子束光刻套刻标记，其特征在于，包括衬底和镀在衬底上的二氧化铪薄膜标记。

2.根据权利要求1所述的电子束光刻套刻标记，其特征在于，所述二氧化铪薄膜标记为正方形、十字形或L形。

3.根据权利要求1或2所述的电子束光刻套刻标记，其特征在于，所述二氧化铪薄膜标记厚度10~1000nm。

4.一种基于二氧化铪的电子束光刻套刻标记制作方法，具体为：

（1）清洗衬底；

（2）在衬底上旋涂电子抗蚀剂，通过电子束光刻工艺在电子抗蚀剂中形成套刻标记的图形阵列；

（3）在电子抗蚀剂和衬底上蒸镀二氧化铪薄膜；

5.根据权利要求4所述的电子束光刻套刻标记制作方法，其特征在于，所述二氧化铪薄膜厚度10~1000nm。

6.根据权利要求4或5所述的电子束光刻套刻标记制作方法，其特征在于，所述套刻标记为正方形、十字形或“L”形。

7.根据权利要求4或5所述的电子束光刻套刻标记制作方法，其特征在于，所述步骤（2）采用正性电子抗蚀剂。

8.根据权利要求4或5所述的电子束光刻套刻标记制作方法，其特征在于，所述步骤（3）的蒸镀方法为电子束蒸发镀膜法。

9.根据权利要求4或5所述的电子束光刻套刻标记制作方法，其特征在于，所述步骤（4）的剥离试剂选用丙酮，交替使用丙酮超声清洗和去离子水冲洗以加快剥离速度。

10.按照权利要求3-9任意一项权利要求所述的制作方法制备得到的电子束光刻套刻标记。