專利名稱：一種制備絕緣層上硅量子線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備絕緣層上硅量子線的方法，尤其是一種利用 電子束曝光中的鄰近效應(yīng)制備絕緣層上的硅量子線的方法，屬于微納 電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景隨著微電子工藝的發(fā)展，電子器件的特征尺寸不斷減小?；诠?基材料的量子點、量子線及相關(guān)的物理問題得到廣泛研究，特別是對 量子點、量子線中的一些新的物理效應(yīng)和機(jī)制的研究，為設(shè)計和制備 具有優(yōu)良性能的量子器件提供了非常有價值的基礎(chǔ)。要制備性能優(yōu)良的器件，且要與傳統(tǒng)的CMOS工藝相兼容，最關(guān)鍵的技術(shù)就是制備絕緣 層上、穩(wěn)定可靠的硅量子點、量子線。在工藝方面，硅量子點、量子 線的制備有4艮多方法，主要有物理和化學(xué)氣相沉積[1, M. K. Sunkara, S.Sharma, R. Miranda, ". a人j; p/. Afs. 79， 1546 (2001)]、化 學(xué)濕法腐蝕[2, J. T. Sheu ". a/, /. 5W. 7bc/wo/. " 20 (6) ， 2824 (2002); 3， G. Pennelli， B.Pellegrini, /. ^ / /.戶A^. 101,104502 (2007)]和電子束曝光[4， T. Toriyama， D. F醒i， S. Sugiyama， /. JpW.戶力j^. 93, 561 (2003)]。前面兩種方法是在襯底上大面積生長 硅量子線，這樣制備的硅量子線在村底上隨機(jī)分布，無論是位置還是 均勻性都沒有可控性，很難將其搭在電極上制備納米器件。為了制備 可控的硅量子線，并且可以應(yīng)用于納電子器件的制備，采用電子束曝 光是最有效的方法。電子束曝光是近三十年發(fā)展起來的 一種高分辨率微細(xì)加工技術(shù)， 是制備量子微結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)技術(shù)。由于在高加速電壓下，電子的德布羅意波長很小，所以不受衍射效應(yīng)的限制，具有高分辨率和能產(chǎn)生圖形特征尺寸在IOO nm以下的優(yōu)點。所以電子束曝光將在^:電子學(xué)領(lǐng)域 中引起巨大的技術(shù)開拓。但是在電子束曝光的過程中，鄰近效應(yīng)一直是影響曝光分辨率的 主要因素之一。所謂鄰近效應(yīng)是指電子在抗蝕劑和基片中的散射，對 抗蝕劑中任一給定點所儲存的總能量產(chǎn)生影響，引起圖形的改變。鄰 近效應(yīng)可以#4居所淀積能量的影響分為外鄰近效應(yīng)和內(nèi)鄰近效應(yīng)。圖 形補(bǔ)償，曝光劑量分配等方法可以一定程度上消除鄰近效應(yīng)的影響。 所以要利用電子束曝光來刻蝕50 nm的量子線，對電子束曝光機(jī)本身 要求很高。 一是要求電子束的束斑很小，2-6nm; 二是加速電壓要大， 50-100 KV。這樣的要求只有價格昂貴的高端機(jī)才能滿足，低端的電 子束曝光機(jī)就很難穩(wěn)定的制備出納米尺度的硅量子線。;險索發(fā)現(xiàn)，^A開號為CN1431679、 />開日為2003. 07. 23,以及公 開號為CN101055910、 />開日為2007. 10. 17的中國發(fā)明專利申請分別 公開公開了兩種制備硅量子線的方法。前者將絕緣襯底上的硅(SOI) 材料的制備工藝與其后形成硅量子線的犧牲熱氧化工藝結(jié)合在一起； 后者利用離子束設(shè)備在硅片表面進(jìn)行輻射，生成致密有序的硅量子共 陣列，然后在真空蒸鍍系統(tǒng)中蒸鍍鋁電極；在電化學(xué)腐蝕系統(tǒng)中在硅片背面蒸鍍連接電源的電極，并最終生成硅量子線陣列。此兩種方法并未顧及到鄰近效應(yīng)的利用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是基于以上的背景技術(shù)，提出了一種制備絕緣層 上硅量子線的方法,該方法利用電子束曝光中的鄰近效應(yīng)原理，實現(xiàn) 用低性能電子束曝光機(jī)在SOI材料上刻蝕所需的硅量子線，大大降低 器件的制作成本。為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明制備絕緣層上硅量子線的方法包括以下步驟第一步、清洗將SOI襯底材料用清洗液清洗干凈；第二步、涂敷在清洗干凈的襯底材料上均勻涂敷電子抗蝕劑；第三步、繪圖繪制含所需量子線圖形，所述量子線部位由至少 一個沿量子線延伸方向間隔分布的量子島構(gòu)成；第四步、曝光按繪制好的圖形對涂敷有電子抗蝕劑的襯底材料 曝光，使量子島在鄰近效應(yīng)作用下，形成所需的隱性連續(xù)量子線；第五步、顯影借助顯影液使曝光區(qū)域的電子抗蝕劑溶解，形成 顯性連續(xù)量子線；第六步、鍍鋁在顯影后的襯底材料上蒸鍍鋁膜(借助高溫或電 子束蒸發(fā)，或者磁控濺射法均可)；第七步、剝離用丙酮浸泡，使襯底材料上未曝光區(qū)域的鋁膜因 對應(yīng)區(qū)域的電子抗蝕劑被丙酮溶解而剝落，余下與繪制圖形吻合的鋁 膜圖形；第八步、刻蝕借助反應(yīng)離子刻蝕鋁膜之外的其它區(qū)域；即用鋁 膜圖形作掩模將繪制的圖形轉(zhuǎn)移到襯底材料的頂層硅上；第九步、去鋁用磷酸腐蝕液去除鋁膜，使襯底材料的頂層形成 所需含量子線圖形。本發(fā)明的方法基于如下研究結(jié)果在電子束曝光的過程中，電子 束淀積到抗蝕劑膜上的能量呈高斯分布，當(dāng)圖形靠得較近時，由于外 鄰近效應(yīng)，能量的疊加使得所設(shè)計的圖形之間的部分得到曝光而連接 起來。而對于孤立的圖形，由于內(nèi)鄰近效應(yīng)，最后得到的圖形某種程 度上要比設(shè)計值要小(參見圖l，其中(a)是設(shè)計圖形，(b)是能量高 斯分布曲線，(c)是能量疊加后的分布曲線)。所以，利用鄰近效應(yīng)，只要設(shè)計出科學(xué)合理的圖形，通過曝光、顯影，就可以利用低端的曝 光機(jī)來實現(xiàn)所需納米尺度的硅量子線的制備。上述本發(fā)明的方法正是巧妙利用電子束曝光過程中的鄰近效應(yīng)，用低端的曝光機(jī)實現(xiàn)了在SOI材料上刻蝕得到硅的納米尺度的量子線。由于本發(fā)明的實施是用價格相對低廉的曝光機(jī)完成的，將大大降 低器件的制作成本，因此有望應(yīng)用于納米電子學(xué)和光電子學(xué)器件的制作。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 圖l是電子束曝光淀積能量分布示意圖。圖2是制備量子線流程示意圖，其中圖2 (a)至圖2 (g)各圖中 1.村底硅，2.埋層二氧化硅(Si02), 3.頂層硅，4.電子抗蝕劑 (P固A), 5.設(shè)計的圖形，6.橫截面方向，7.曝光的區(qū)域，8.顯影以 后的俯視圖，9.顯影的區(qū)域，10.熱蒸發(fā)鋁膜，11.剝離以后剩下 的鋁掩膜 12.反應(yīng)離子刻蝕以后的頂層硅，13.頂層硅圖形的俯視 圖，14.去鋁以后的硅量子線。圖3是繪制設(shè)計曝光圖形，其中(a)為中間一個島的圖形；(b)為 中間兩個島的圖形；(c)位中間留有50 nm寬連續(xù)線的圖形。圖4是對應(yīng)圖3各圖形曝光后的量子線掃描電子顯樣H竟照片，其中 圖4 (a)、 (b)、 (c)分別對應(yīng)于圖3中的(a)、 (b) 、 (c)。
具體實施方式
實施例一本實施例制備絕緣層上硅量子線的方法利用電子束曝光中的"鄰 近效應(yīng)"原理，用低性能的電子束曝光機(jī)在SOI襯底上刻蝕特征小.于 50 nm》圭量子線。本實施例通過以下步驟實現(xiàn)(具體工藝流程圖見圖2): 第一步S0I襯底的清洗一一首先用緩沖的氫氟酸(HF)溶液作 為清洗液，去除由硅襯底l、 Si02埋層2、頂層硅3構(gòu)成的S0I襯底材料 表面氧化層，經(jīng)過減薄工藝將頂層硅減薄至5-10 nm,再一次用硅清 洗液清洗，最后用去離子水清洗。由于SOI材料不僅與硅工藝兼容， 而且還提供縱向絕緣隔離，因此廣泛被業(yè)界所接受。第二步涂敷、前烘一一采用旋涂法在襯底材料表面涂200 士20 nm厚的聚曱基丙烯酸曱酯(P畫A 600K)作為電子抗蝕劑膜，然后 在熱板上前烘，前烘溫度180±5°C ，前烘時間80±10s，參見 圖2 (a)。第三步繪制設(shè)計圖形一一根據(jù)要曝光的量子線要求，用Auto CAD軟件設(shè)計圖形，量子線部位由至少一個沿量子線延伸方向間隔分 布的量子島形成，量子島的形狀最好為沿量子線方向延伸的菱形，各 相鄰圖形尖角相對，間隔宜小于量子線的寬度，參見圖2(b)以及圖 3 (a)、 (b)。第四步曝光——按繪制好的設(shè)計圖形對涂敷有P畫A 600K的襯 底材料進(jìn)行曝光，使量子島在曝光鄰近效應(yīng)作用下，形成所需的隱性 連續(xù)量子線；曝光劑量控制在80士10 jLiC/ci^為宜。第五步顯影一一釆用曱基二戊酮(MIBK)與異丙醇(IPA)體 積比為l: 3的標(biāo)準(zhǔn)顯影液，顯影時間控制在6±0. 5min， -使連續(xù)量子 線顯影，形成顯性連續(xù)量子線，參見圖2 (c)。第六步蒸鋁一一采用電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)均可，在顯影后的襯 底材料上蒸鍍鋁膜，厚度控制在30±5 nm，參見圖2 (d )。第七步剝離一一采用丙酮浸泡，借助超聲輔助剝離，去掉顯影 之后剩下的電子抗蝕劑及鍍在其上鋁膜，即使襯底材料上未曝光區(qū)域的鋁膜因?qū)?yīng)區(qū)域的電子抗蝕劑被丙酮浸滲溶解而在超聲波輔助作用下剝落，余下與繪制圖形吻合的鋁膜圖形，參見圖2(e)。第八步刻蝕一一借助反應(yīng)離子刻蝕鋁膜之外的其它區(qū)域，用鋁膜圖形作掩模將圖形轉(zhuǎn)移到頂層硅上，參見圖2(f);反應(yīng)離子刻蝕 (RIE)的具體條件為三氟甲烷(CHF3) 30土10sccm、氧氣(02) 5±5 sccm，反應(yīng)腔壓力控制在4.0-10.0 Pa。第九步去鋁一一采用磷酸浸蝕，去除鋁膜，溫度70士5。C 、時間35 ± 5s,使襯底材料的頂層硅形成所需量子線，最后去離子水清洗，參見圖2 (g)。用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察曝光所得的結(jié)果。如圖3(a)、圖 3(b)所示的中間為一個島、二個島的設(shè)計圖形，經(jīng)電子束曝光后，所 得到的量子線的SEM照片分別如圖4 (a)、圖4 (b)所示。而如果用?！揭姷姆椒ㄔO(shè)計如圖3 (c)所示的圖形，在相同工藝條件 下，將得到圖4(c)所示的結(jié)果，其中間量子線的尺寸明顯大于設(shè)計的 尺寸。歸納起來，除了特別的圖形設(shè)計之外，本實施例的方法還有如下 特點1、 采用減薄的S0I襯底，不僅使得該工藝可以與傳統(tǒng)的硅工藝相兼容， 廣泛應(yīng)用于微電子產(chǎn)業(yè)，而且還通過埋層Si02提供縱向絕緣。另外， 在減薄的頂層硅上制作納電子器件為進(jìn)一步研究新的器件物理效應(yīng) 提供基礎(chǔ)。2、 采用單層膠實現(xiàn)圖形的剝離。電子抗蝕劑有正負(fù)之分，負(fù)膠主要 用于電子束直寫，但是靈敏度低。并且一般用于剝離技術(shù)的是雙層膠 或三層膠。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在又出現(xiàn)了專門用于剝離的LOR膠。 而本方法采用正膠P匿A 600K的單層膠，可以借助"過曝光，過顯影"，得到尺寸很小、剝離效果佳的圖形。3、 鋁膜的作用是用于轉(zhuǎn)移圖形的掩模，所以要根據(jù)所轉(zhuǎn)移的圖形的 高度來確定淀積鋁膜的厚度。 一般淀積鋁膜的方法現(xiàn)在主要有電子束 蒸發(fā)、熱蒸發(fā)，以及磁控濺射法。在本方法中采用熱蒸發(fā)。蒸發(fā)的厚 度由蒸發(fā)的速度和蒸發(fā)的時間一起來決定。鋁膜的厚度只要小于膠 厚，就可以保證較順利的剝離。4、 超聲輔助剝離。首先將樣品浸入到丙酮中，通過浸泡，膠溶解在 丙酮里面，順便去掉了多余的鋁。超聲的作用是輔助去鋁，可以保證 去得干凈，但是超聲的時間不可太長，以免破壞鋁的圖形。5、 反應(yīng)離子刻蝕。在本方法中采用三氟曱烷+氧氣作為刻蝕硅的等離 子體源。 一般刻蝕硅的主要氣源是六氟化硫(SF6)，但是SF6的刻蝕 是各向同性的，且刻蝕速度^f艮快，大約l lVmin。這樣得到亞IOO nm 級的圖形橫向尺寸很難控制。而CHF3各向異性，在刻蝕過程中，橫向 與縱向的刻蝕比很小，且刻蝕速度很慢，容易控制，以保證刻蝕到埋 層時，不會對上面的硅的橫向尺寸產(chǎn)生很大的影響。6、 曝光劑量及顯影時間合理控制。利用電子束曝光過程中的鄰近效 應(yīng)，希望"過曝光，過顯影"，但并非沒有一個限制，否則會使轉(zhuǎn)移 后的圖形遠(yuǎn)大于圖形的橫向尺寸。采用MIBK: IPA=1: 3的標(biāo)準(zhǔn)顯影液， 該顯影液對P醒A有強(qiáng)制顯影的效果，即對未曝光的區(qū)域也會有作用， 只不過溶解的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)d、于曝光區(qū)域的溶解速度。強(qiáng)制顯影會使曝光 區(qū)的抗蝕劑完全去掉。強(qiáng)制過頭，也就是顯影時間過長，會產(chǎn)生抗蝕 劑圖形的畸變，顯影時出現(xiàn)溶脹，關(guān)鍵尺寸不易控制。7、 納米線的長度可調(diào)。在工藝允許的范圍內(nèi)設(shè)計圖形時，根據(jù)需要 選擇中間島的個數(shù)得到不同長度的量子線。除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。例如，襯底材料也可以采用其它常用半導(dǎo)體材料，也可以采用P麗A 300K、 "OK等 其它常規(guī)電子抗蝕劑，曝光、顯影、蒸鋁等工藝步驟也可以參照現(xiàn)有 常規(guī)工藝。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā) 明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種制備絕緣層上硅量子線的方法，包括以下步驟第一步、清洗將SOI襯底材料用清洗液清洗干凈；第二步、涂敷在清洗干凈的襯底材料上均勻涂敷電子抗蝕劑；第三步、繪圖繪制含所需量子線圖形，所述量子線部位由至少一個沿量子線延伸方向間隔分布的量子島構(gòu)成；第四步、曝光按繪制好的圖形對涂敷有電子抗蝕劑的襯底材料曝光，使量子島在鄰近效應(yīng)作用下，形成所需的隱性連續(xù)量子線；第五步、顯影借助顯影液使曝光區(qū)域的電子抗蝕劑溶解，形成顯性連續(xù)量子線；第六步、鍍鋁在顯影后的襯底材料上蒸鍍鋁膜；第七步、剝離用丙酮浸泡，使襯底材料上未曝光區(qū)域的鋁膜因?qū)?yīng)區(qū)域的電子抗蝕劑被丙酮溶解而剝落，余下與繪制圖形吻合的鋁膜圖形；第八步、刻蝕借助反應(yīng)離子刻蝕鋁膜之外的其它區(qū)域；即用鋁膜圖形作掩模將繪制的圖形轉(zhuǎn)移到襯底材料的頂層硅上；第九步、去鋁用磷酸腐蝕液去除鋁膜，使襯底材料的頂層形成所需含量子線圖形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備絕緣層上硅量子線的方法，其特 征在于所述量子島的形狀為沿量子線方向延伸的菱形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備絕緣層上硅量子線的方法，其特 征在于所述量子島各相鄰圖形尖角相對，間隔小于量子線的寬度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3的制備絕緣層上硅量子線的方法，其 特征在于所述第一步中的襯底材料采用由硅村底、二氧化硅埋層、頂層硅構(gòu)成的SOI襯底材料，首先用緩沖的氫氟酸溶液去除表面氧化 層，將頂層硅減薄到5-10 nm,再一次用硅清洗液清洗，最后用去離 子水清洗。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的制備絕緣層上硅量子線的方法，其特征在 于所述第二步中采用旋涂法在襯底材料表面涂200 ±20 nm厚的聚 曱基丙烯酸曱酯作為電子抗蝕劑膜，涂后在180土5。C下前烘80± 10s，所述第六步蒸鋁厚度控制在30±5 ■。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的制備絕緣層上硅量子線的方法，其特征在 于所述第四步中曝光劑量控制在80土10 jnC/cm2,所述第五步中顯 影時間控制在6 ± 0. 5 min。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的制備絕緣層上硅量子線的方法，其特征在于 所述第七步中采用丙酮浸泡，并采用超聲輔助剝離曝光區(qū)域之外的鋁 膜。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的制備絕緣層上硅量子線的方法，其特征在 于所述第八步中刻蝕氣源及流量為三氟曱烷30士10 sccm、氧氣(02) 5±5 sccm,反應(yīng)腔壓力控制在4.0-10.0 Pa。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的制備絕緣層上硅量子線的方法，其特征在 于所述第九步中采用磷酸浸蝕，溫度70 ±5 。C、時間35 ±5 s， 使村底材料的頂層形成所需量子線，最后去離子水清洗。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備絕緣層上硅量子線的方法，屬于微納電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括SOI襯底頂層硅減薄、清洗襯底、涂敷電子束抗蝕劑、繪制設(shè)計由量子島構(gòu)成量子線圖形、曝光、顯影、蒸鋁、剝離、刻蝕、去鋁步驟，使襯底材料的頂層形成所需量子線。本發(fā)明的方法巧妙利用電子束曝光過程中的鄰近效應(yīng)，用低端的曝光機(jī)實現(xiàn)了在SOI之類半導(dǎo)體襯底材料上刻蝕得到硅的納米尺度的量子線。由于本發(fā)明的實施是用價格相對低廉的曝光機(jī)完成的，將大大降低器件的制作成本，因此有望應(yīng)用于納米電子學(xué)和光電子學(xué)器件的制作。
文檔編號H01L21/02GK101246817SQ20081002031
公開日2008年8月20日 申請日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者奎 劉, 琳 康, 張賢高, 嶺 徐, 方忠慧, 曹春海, 陳坤基 申請人:南京大學(xué)