CN113253575A - 一种基于Ge2Sb2Te5光刻胶的全干法光刻与刻蚀方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Ge2Sb2Te5光刻胶的全干法光刻与刻蚀方法及应用，该方法包括以下步骤：在基片上沉积一层掺杂的Ge2Sb2Te5光刻胶，对所述掺杂的Ge2Sb2Te5光刻胶进行曝光；对曝光后的所述Ge2Sb2Te5光刻胶进行干法显影，形成图形窗口；对基片上与所述图形窗口对应的区域进行干法刻蚀；除去残留的所述Ge2Sb2Te5光刻胶，最终得到具有所述图形窗口的所述基片。本申请所采用的光刻与刻蚀工艺简单，成本低廉，无污染，同时整个光刻与刻蚀过程不涉及腐蚀溶液，具有全干法的特征，为在全真空环境进行半导体器件制造提供了条件。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种基于Ge2Sb2Te5光刻胶的全干法光刻与刻蚀方法及应用。
背景技术
半导体制造技术的发展推动着电子产品不断更新换代，而半导体制造的核心是图形化制备技术，即光刻与刻蚀技术。目前，光刻与刻蚀工艺复杂，包括光刻胶旋涂、烘干、曝光、显影、坚模、刻蚀、去胶等。其中，涂胶、显影及去胶工艺均涉及酸碱溶液腐蚀，环境污染大，对健康不友好。同时，由于工艺步骤繁多，需要多种设备(如旋涂仪、烘干仪、显影设备等)协同完成整个工艺流程，导致制造成本高昂。另外，随着技术的不断演进，对在全真空环境下进行器件制造的需求愈发强烈，因为全真空环境可有效避免器件被大气污染(或氧化)，能够显著提高器件制造良率。这就导致传统的光刻与刻蚀技术显露出无法避免的缺陷。
发明人在前期研究中，提出一种基于干式显影和金属掺杂Sb2Te光刻胶的光刻方法，但是该方法未解决金属掺杂Sb2Te光刻胶的图形结构干法转移及残余光刻胶的干法去除问题。上述问题是本领域亟需解决的技术难题。因此，本发明旨在提出一种工艺简单、成本低廉、环境友好且能在全真空环境下进行半导体器件制造的全干法光刻与刻蚀方法。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种基于Ge2Sb2Te5光刻胶的全干法光刻与刻蚀方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于Ge2Sb2Te5光刻胶的全干法光刻与刻蚀方法，包括以下步骤：
S1：在基片上沉积一层掺杂的Ge2Sb2Te5光刻胶；
S2：利用激光直写光刻系统对所述Ge2Sb2Te5光刻胶进行曝光；
S3：利用反应离子刻蚀系统对曝光后的所述Ge2Sb2Te5光刻胶进行干法显影，在所述Ge2Sb2Te5光刻胶的曝光区域形成图形窗口；
S4：干法显影后，利用反应离子刻蚀系统对所述基片上与所述图形窗口对应的区域进行干法刻蚀，在所述基片上形成图形结构；
S5：利用反应离子刻蚀系统除去残留的所述Ge2Sb2Te5光刻胶，最终得到表面具有所述图形结构的基片。
进一步地是，所述Ge2Sb2Te5光刻胶中掺杂有Ag、Al、N、Cr、Al、Cu、Fe、Ni、C、Mg、O、Ti中的任意一种或几种。
进一步地是，所述Ge2Sb2Te5光刻胶的方法为磁控溅射法，其中Ge2Sb2Te5的溅射功率为10～1000W，掺杂元素的溅射功率为1～100W，气体流量为1～100sccm，工作气压为0.1～3Pa，样品盘转速为1～50R/min，溅射时间为1～60min。
进一步地是，所述基片的材料为硅、锗、二氧化硅、氧化锌、氮化硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氮化铝、砷化镓、铝砷化镓、磷砷化镓、锑化铟中的任一种。
进一步地是，所述基片的厚度为10nm～10mm；所述Ge2Sb2Te5光刻胶沉积的厚度为50～1000nm。
进一步地是，所述激光直写光刻系统中，激光束输出的激光波长为300～1000nm，透镜的数值孔径为0.05～0.95，激光功率为0.1～100mW，激光脉宽为50fs～1ms。
进一步地是，所述干法显影的刻蚀气体为CHF3、Ar、O2中的两种组合，气体流量均为1～200sccm，刻蚀功率10～500W，刻蚀气压1～150mTorr，刻蚀时间为1～30min。
进一步地是，所述干法刻蚀的刻蚀气体为CF4、CHF3、Ar、O2中的两种组合，气体流量均为1～200sccm刻蚀功率10～1000W，刻蚀气压1～300mTorr，刻蚀时间为1～60min。
进一步地是，所述残留光刻胶去除采用的刻蚀气体为Ar，气体流量为1～200sccm，刻蚀功率为10～500W，刻蚀气压为1～200mTorr，刻蚀时间为1～120min。
本申请还提供了一种上述全干法光刻及刻蚀方法在半导体制造中的应用。
本申请的有益效果是：本发明工艺流程简单，无需烘干、溶液显影等步骤，同时简化工艺设备，无需单独显影机台和烘干仪，能够大大降低工艺成本。本发明不涉及酸碱等强腐蚀性溶液，对环境更友好；同时整个光刻与刻蚀工艺能在全真空环境下进行，可有效避免当前半导体制造存在的器件污染问题。
附图说明
图1为本申请实施例的光刻流程示意图；
图2为本申请实施例中AgGe2Sb2Te5光刻胶曝光后的表面形貌及截面图，其中Ag溅射功率15W；
图3为本申请实施例中AgGe2Sb2Te5光刻胶干法显影后的表面形貌及截面图，其中Ag溅射功率15W；
图4为本申请实施例中AgGe2Sb2Te5光刻胶干法刻蚀后的表面形貌图，其中Ag溅射功率15W；
图5为本申请实施例中AgGe2Sb2Te5光刻胶干法去胶后表面形貌图，其中Ag溅射功率15W；
图6为本申请实施例中Ge2Sb2Te5光刻胶曝光后的及截面图；
图7为本申请实施例中Ge2Sb2Te5光刻胶干法显影后的及截面图；
图8为本申请实施例中AlGe2Sb2Te5光刻胶曝光后表面形貌及截面图，其中Al溅射功率15W。
图9为本申请实施例中AlGe2Sb2Te5光刻胶干法显影后的表面形貌及截面图，其中Al溅射功率15W。
图10为本申请实施例中AgGe2Sb2Te5光刻胶干法显影后的表面形貌及截面图，其中Ag溅射功率10W；
图11为本申请实施例中AgGe2Sb2Te5光刻胶干法显影后的表面形貌及截面图，其中Ag溅射功率20W；
附图标记说明：1、基片；2、基于Ge2Sb2Te5的光刻胶；3、曝光区域；4、图形窗口；5、图形结构。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本申请的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本申请，并非用于限定本申请的范围。
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或实施例。为简化公开内容，下面描述了各特征存在的一个或多个排列的具体实施例，但所举实施例不作为对本说明书的限定,在说明书中随后记载的第一特征与第二特征连接，即可以包括直接联系的实施方式，也可以包括形成附加特征的实施方式，进一步的，也包括采用一个或多个其他介入特征使第一特征和第二特征彼此间接连接或结合，从而第一特征和第二特征可以不直接联系。
为了更加清楚简洁地描述以下实施例，本申请实施例中所涉及的材料均采用其分子式。所涉及的分子式的中文含义分别为：Ge2Sb2Te5为锗锑碲；Ag为银；Al为铝；Ar为氩气；CHF3为三氟甲烷；O2为氧气；Si为硅；CF4为四氟化碳。
实施例1：
一种基于Ge2Sb2Te5光刻胶的全干法光刻与刻蚀方法(如图1所示)的实施例，包括以下步骤：
S1：利用磁控溅射镀膜机在基片1上沉积一层200nm厚的AgGe2Sb2Te5光刻胶，其中基片1材料为Si且厚度为0.5mm。
具体的，沉积AgGe2Sb2Te5光刻胶的工艺参数为：Ge2Sb2Te5靶材采用射频溅射且溅射功率80W，Ag靶材采用直流溅射且溅射功率为15W，Ar气体流量为10sccm，工作气压0.8Pa，样品盘转速为10转/min，溅射时间5min。
S2：利用激光直写光刻系统对AgGe2Sb2Te5光刻胶进行曝光，得到的样品表面形貌如图2所示。
具体的曝光参数如下：激光波长658nm，聚焦透镜的数值孔径0.4，激光功率7mW，激光脉宽1μs。
S3：利用反应离子刻蚀系统对曝光后的AgGe2Sb2Te5光刻胶进行干法显影，在AgGe2Sb2Te5光刻胶的曝光区域3形成图形窗口4，样品形貌如图3所示。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为O2和CHF3，其中O2气体流量2sccm，CHF3气体流量为60sccm，刻蚀功率200W，刻蚀气压50mTorr，刻蚀时间4min。
S4：显影后利用反应离子刻蚀系统，对基片1上与图形窗口4对应的区域进行刻蚀，将光刻胶上的图形转移到下层的硅基片1上，样品形貌如图4所示。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为Ar和CF4，其中Ar流量为35sccm，CF4流量为15sccm，刻蚀功率150W，刻蚀气压30mTorr，刻蚀时间10min。
S5：利用反应离子刻蚀系统对残留的AgGe2Sb2Te5光刻胶进行去胶，最终得到具有图形结构5的硅基片1，样品形貌如图5所示。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为Ar，气体流量均为50sccm，刻蚀功率200W，刻蚀气压30mTorr，刻蚀时间5min。
实施例2：
一种基于Ge2Sb2Te5光刻胶的全干法光刻与刻蚀方法的实施例，包括以下步骤：
S1：利用磁控溅射镀膜机在基片1上沉积一层Ge2Sb2Te5光刻胶，其中基片1材料为硅片且厚度为500μm。Ge2Sb2Te5光刻胶厚度为200nm。
在本实施了中，具体的沉积工艺参数为：Ge2Sb2Te5靶材采用射频溅射且溅射功率80W，Ar气体流量为10sccm，工作气压0.8Pa，样品盘转速为10转/min，溅射时间8min。
S2：利用激光直写光刻系统对Ge2Sb2Te5光刻胶进行曝光，曝光后的表面形貌如图6所示。
在本实施了中曝光参数如下：激光波长658nm，聚焦透镜的数值孔径0.4，激光功率10mW，激光脉宽1μs。
S3：利用反应离子刻蚀系统对曝光后的Ge2Sb2Te5光刻胶进行干法显影，在Ge2Sb2Te5光刻胶的曝光区域3形成图形窗口4，样品形貌如图7所示。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为O2和CHF3，其中O2气体流量1sccm，CHF3气体流量为50sccm，刻蚀功率200W，刻蚀气压60mTorr，刻蚀时间5min。
S4：显影后，利用反应离子刻蚀系统，对基片1上与的图形窗口4对应的区域进行刻蚀，将光刻胶上的图形转移到下层的硅片上。
反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为Ar和CF4，气体流量均为25sccm，刻蚀功率100W，刻蚀气压30mTorr，刻蚀时间3min。
S5：利用反应离子刻蚀系统对残留的光刻胶进行去胶，最终在硅片上得到图形结构5。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为Ar，其流量为50sccm，刻蚀功率200W，刻蚀气压30mTorr，刻蚀时间5min。
实施例3：
一种基于Ge2Sb2Te5光刻胶的全干法光刻与刻蚀方法的实施例，包括以下步骤：
S1：利用磁控溅射镀膜机在基片1上沉积一层200nm厚的AlGe2Sb2Te5光刻胶，其中基片1材料为Si且厚度为0.5mm。
具体的，沉积AlGe2Sb2Te5光刻胶的工艺参数为：Ge2Sb2Te5靶材采用射频溅射且溅射功率80W，Al靶通过直流溅射且溅射功率为15W，Ar气体流量为10sccm，工作气压0.8Pa，样品盘转速为10转/min，溅射时间5min。
S2：利用激光直写光刻系统对AlGe2Sb2Te5光刻胶进行曝光，得到的样品表面形貌如图8所示。
具体的曝光参数如下：激光波长658nm，聚焦透镜的数值孔径0.4，激光功率6mW，激光脉宽1μs。
S3：利用反应离子刻蚀系统对曝光后的AlGe2Sb2Te5光刻胶进行干法显影，在AlGe2Sb2Te5光刻胶的曝光区域3形成图形窗口4，样品形貌如图9所示。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为O2和CHF3，其中O2气体流量2sccm，CHF3气体流量为60sccm，刻蚀功率100W，刻蚀气压50mTorr，刻蚀时间2min。
S4：显影后利用反应离子刻蚀系统，对基片1上与图形窗口4对应的区域进行刻蚀，将光刻胶上的图形转移到下层的硅基片1上。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为Ar和CF4，其中Ar流量为35sccm，CF4流量为15sccm，刻蚀功率220W，刻蚀气压40mTorr，刻蚀时间7min。
S5：利用反应离子刻蚀系统对残留的AlGe2Sb2Te5光刻胶进行去胶，最终得到具有图形结构5的硅基片1。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为Ar，气体流量均为50sccm，刻蚀功率250W，刻蚀气压80mTorr，刻蚀时间2min。
实施例4：
一种基于Ge2Sb2Te5光刻胶的全干法光刻与刻蚀方法的实施例，包括以下步骤：
S1：利用磁控溅射镀膜机在基片1上沉积一层200nm厚的AgGe2Sb2Te5光刻胶，其中基片1材料为Si且厚度为0.5mm。
具体的，沉积AgGe2Sb2Te5光刻胶的工艺参数为：Ge2Sb2Te5靶材采用射频溅射且溅射功率80W，Ag靶通过直流溅射且溅射功率为10W，Ar气体流量为10sccm，工作气压0.8Pa，样品盘转速为10转/min，溅射时间5min。
S2：利用激光直写光刻系统对AgGe2Sb2Te5光刻胶进行曝光。
具体的曝光参数如下：激光波长658nm，聚焦透镜的数值孔径0.4，激光功率3mW，激光脉宽1μs。
S3：利用反应离子刻蚀系统对曝光后的AgGe2Sb2Te5光刻胶进行干法显影，在AgGe2Sb2Te5光刻胶的曝光区域3形成图形窗口4，样品形貌如图10所示。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为O2和CHF3，其中O2气体流量2sccm，CHF3气体流量为60sccm，刻蚀功率200W，刻蚀气压50mTorr，刻蚀时间3min。
S4：显影后利用反应离子刻蚀系统，对基片1上与图形窗口4对应的区域进行刻蚀，将光刻胶上的图形转移到下层的硅基片1上。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为Ar和CF4，其中Ar流量为35sccm，CF4流量为15sccm，刻蚀功率210W，刻蚀气压30mTorr，刻蚀时间5min。
S5：利用反应离子刻蚀系统对残留的AgGe2Sb2Te5光刻胶进行去胶，最终得到具有图形结构5的硅基片1。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为Ar，气体流量均为50sccm，刻蚀功率250W，刻蚀气压80mTorr，刻蚀时间2min。
实施例5：
一种基于Ge2Sb2Te5光刻胶的全干法光刻与刻蚀方法的实施例，包括以下步骤：
S1：利用磁控溅射镀膜机在基片1上沉积一层220nm厚的AgGe2Sb2Te5光刻胶，其中基片1材料为Si且厚度为0.5mm。
具体的，沉积AgGe2Sb2Te5光刻胶的工艺参数为：Ge2Sb2Te5靶材采用射频溅射且溅射功率80W，Ag靶通过直流溅射且溅射功率为20W，Ar气体流量为10sccm，工作气压0.8Pa，样品盘转速为10转/min，溅射时间5min。
S2：利用激光直写光刻系统对AgGe2Sb2Te5光刻胶进行曝光。
具体的曝光参数如下：激光波长658nm，聚焦透镜的数值孔径0.4，激光功率12mW，激光脉宽1μs。
S3：利用反应离子刻蚀系统对曝光后的AgGe2Sb2Te5光刻胶进行干法显影，在AgGe2Sb2Te5光刻胶的曝光区域3形成图形窗口4，样品形貌如图11所示。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为O2和CHF3，其中O2气体流量2sccm，CHF3气体流量为60sccm，刻蚀功率200W，刻蚀气压50mTorr，刻蚀时间3min。
S4：显影后利用反应离子刻蚀系统，对基片1上与图形窗口4对应的区域进行刻蚀，将光刻胶上的图形转移到下层的硅基片1上。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为Ar和CF4，其中Ar流量为35sccm，CF4流量为15sccm，刻蚀功率210W，刻蚀气压30mTorr，刻蚀时间5min。
S5：利用反应离子刻蚀系统对残留的AgGe2Sb2Te5光刻胶进行去胶，最终得到具有图形结构5的硅基片1。
在本实施例中，反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为Ar，气体流量均为50sccm，刻蚀功率200W，刻蚀气压35mTorr，刻蚀时间10min。
所应理解的是，本发明除了上述实施例以外，还可以对实施情况进行适应性变化，例如：采用的基片1材料不仅限于以上实施例，还可使用锗、氮化镓、氧化锌、氮化硅、碳化硅、氧化镓、氮化铝、砷化镓、铝砷化镓、磷砷化镓、锑化铟。采用的薄膜沉积方法不仅限于以上实施例，还可使用电子束蒸发、化学气相沉积、原子层沉积、离子束沉积、激光脉冲沉积。
本申请的工作原理是：通过设置基于Ge2Sb2Te5的光刻胶2，该光刻胶2为非晶态，在激光作用下能发生分相形成多晶态物质3，而后通过曝光后则能够在光刻胶表面形成所需的图形结构5，本发明工艺流程简单，无需烘干、溶液显影等步骤，同时简化工艺设备，无需单独显影机台和烘干仪，能够大大降低工艺成本。本发明不涉及酸碱等强腐蚀性溶液，对环境更友好；同时整个光刻与刻蚀工艺能在全真空环境下进行，可有效避免当前半导体制造存在的器件污染问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本说明书中使用的术语是考虑到关于本公开的功能而在本领域中当前广泛使用的那些通用术语，但是这些术语可以根据本领域普通技术人员的意图、先例或本领域新技术而变化。此外，特定术语可以由申请人选择，并且在这种情况下，其详细含义将在本公开的详细描述中描述。因此，说明书中使用的术语不应理解为简单的名称，而是基于术语的含义和本公开的总体描述。
本说明书中使用了流程图或文字来说明根据本申请的实施例所执行的操作步骤。应当理解的是，本申请实施例中的操作步骤不一定按照记载顺序来精确地执行。相反，根据需要，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于Ge2Sb2Te5光刻胶的全干法光刻与刻蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在基片上沉积一层Ge2Sb2Te5光刻胶；
S2：利用激光直写光刻系统对所述Ge2Sb2Te5光刻胶进行曝光；
S3：利用反应离子刻蚀系统对曝光后的所述Ge2Sb2Te5光刻胶进行干法显影，在所述Ge2Sb2Te5光刻胶的曝光区域形成图形窗口；
S4：干法显影后，利用反应离子刻蚀系统对所述基片上与所述图形窗口对应的区域进行干法刻蚀，在所述基片上形成图形结构；
S5：利用反应离子刻蚀系统除去残留的所述Ge2Sb2Te5光刻胶，最终得到表面具有所述图形结构的基片。
2.根据权利要求1所述全干法光刻及刻蚀方法，其特征在于，所述Ge2Sb2Te5光刻胶中掺杂有Ag、Al、N、Cr、Al、Cu、Fe、Ni、C、Mg、O、Ti中任意一种或几种元素。
3.根据权利要求2所述全干法光刻及刻蚀方法，其特征在于，所述步骤S1中，沉积所述Ge2Sb2Te5光刻胶的方法为磁控溅射法，其中Ge2Sb2Te5的溅射功率为10～1000W，掺杂元素的溅射功率为1～100W，气体流量为1～100sccm，工作气压为0.1～3Pa，样品盘转速为1～50R/min，溅射时间为1～60min。
4.根据权利要求1所述全干法光刻及刻蚀方法，其特征在于，所述基片的材料为硅、锗、二氧化硅、氧化锌、氮化硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氮化铝、砷化镓、铝砷化镓、磷砷化镓、锑化铟中的任一种。
5.根据权利要求1全干法光刻及刻蚀方法，其特征在于，所述基片的厚度为10nm～10mm；所述Ge2Sb2Te5光刻胶沉积的厚度为50～1000nm。
6.根据权利要求1全干法光刻及刻蚀方法，其特征在于，所述激光直写光刻系统中，激光束输出的激光波长为300～1000nm，透镜的数值孔径为0.05～0.95，激光功率为0.1～100mW，激光脉宽为50fs～1ms。
7.根据权利要求1全干法光刻及刻蚀方法，其特征在于，所述干法显影的刻蚀气体为CHF3、Ar、O2中的任意两种组合，所述刻蚀气体流量为1～200sccm，刻蚀功率10～500W，刻蚀气压为1～150mTorr，刻蚀时间为1～30min。
8.根据权利要求1全干法光刻及刻蚀方法，其特征在于，所述干法刻蚀的刻蚀气体为CF4、CHF3、Ar、O2中的任意两种组合，所述刻蚀气体的流量为1～200sccm，刻蚀功率为10～1000W，刻蚀气压为1～300mTorr，刻蚀时间为1～60min。
9.根据权利要求1全干法光刻及刻蚀方法，其特征在于，所述残留光刻胶去除采用的刻蚀气体为Ar，所述刻蚀气体流量为1～200sccm，刻蚀功率为10～500W，刻蚀气压为1～200mTorr，刻蚀时间为1～120min。
10.一种如权利要求1至8中任一项所述的全干法光刻及刻蚀方法在半导体制造中的应用。
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| CN106449897A (zh) * | 2015-08-10 | 2017-02-22 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法 |
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2021
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