专利名称：一种制备硅纳米结构的方法
技术领域：
本发明涉及纳米电子技术中的半导体微纳加工技术领域，尤其涉及一种采用电子束曝光与干法刻蚀相结合的制作工艺，制备100nm以下形状规则、边缘光滑、排列紧密、最精细处可达30nm的硅纳米结构的方法。
背景技术：
纳米加工技术是纳米技术中最重要的基础技术。纳米加工技术的主要研究内容是制备加工特征尺寸为0. 1 lOOnm范围的纳米结构，以期获得一定的纳米效应。由于传统的加工方法难以满足特征尺寸为0. 1 lOOnm范围的加工要求，必须使用满足新要求的设备方法来进行纳米结构的加工。 其中电子束曝光技术是从扫描电子显微镜技术基础上发展起来的一种高分辨率的光刻技术。现在，电子束曝光的技术水平已经推进到纳米级别，最先进的电子束直写曝光系统可以把电子束斑聚焦到2nm，曝光出的最细图形为8nm。因此它完全满足lOOnm以下的纳米加工工艺要求。 Polymethyl methacrylate (PMMA)是第一个被发现可以作为电子束胶的聚合物。PMMA最主要的特征是高分辨率，高对比度和低灵敏度。自20世纪60年代PMMA被首次用于电子束曝光以来，直到今天仍然是分辨率最高的电子束胶。迄今为止，30nm以下的电子束曝光图形几乎都是通过PMMA实现的。但PMMA有一个很大的缺陷就是其抗刻蚀性能较差，当制作lOOnm以下尺寸的纳米结构的时候，由于图形的精细需匀涂较薄的PMMA胶，这更是减弱了 PMMA的抗刻蚀性能，无法在干法刻蚀中完成掩蔽的效果。
发明内容
( — )要解决的技术问题 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种制备硅纳米结构的方法，以达到制作lOOnm以下形状规则、边缘光滑、排列紧密、最精细处可达30nm的硅纳米结构的目的。 ( 二 )技术方案 为了达到上述目的，本发明提供了一种制备硅纳米结构的方法，该方法包括 制作进行电子束曝光所需的版图； 对需要制作硅纳米结构的基片进行清洗、烘干； 将基片热氧化生成二氧化硅掩蔽层； 在基片上匀涂电子束曝光胶； 按要求剂量用电子束曝光图形； 显影和定影； 电子束二次曝光； 干法刻蚀二氧化硅； 干法刻蚀硅，形成硅纳米结构。
上述方案中，所述制作进行电子束曝光所需的版图的步骤中，将曝光后需保留的硅纳米结构区域的曝光剂量设定为12 20mC/cn^，将用于隔离硅纳米结构的区域的曝光剂量设定为lOOii C/cm2。 上述方案中，所述对需要制作硅纳米结构的基片进行清洗、烘干的步骤，具体包括对需要制作硅纳米结构的基片先用丙酮、乙醇、去离子水反复清洗，再用过氧化氢溶液和浓硫酸以体积比为l : 1的混合溶液加热到15(TC清洗20分钟，放凉后用去离子水反复冲洗，接着烘干。 上述方案中，所述将基片热氧化生成二氧化硅掩蔽层的步骤中，热氧化生成的二氧化硅掩蔽层厚度为30nm。 上述方案中，所述在基片上匀涂电子束曝光胶的步骤中，电子束曝光胶是PMMA，涂敷厚度为65nm，匀涂后在180。C热板上烘10分钟。 上述方案中，所述按要求剂量用电子束曝光图形的步骤中，要求剂量是所述制作进行电子束曝光所需的版图的步骤中设定的曝光剂量，该按要求剂量用电子束曝光图形的步骤具体包括先将基片送入电子束曝光系统，接着调节电子束曝光系统使电子束在基片表面聚焦并根据束电流设定曝光参数，最后按照制作的版图及版图上所设定的曝光剂量进行电子束曝光。 上述方案中，所述显影和定影的步骤中，显影液为MIBK和IPA的混合溶液，MIBK和IPA的体积比为1 : 3，定影液为IPA，显影和定影的时间均为20s。 上述方案中，所述电子束二次曝光的步骤中，二次曝光的区域包括需保留的硅纳米结构部分，且曝光剂量为16 24mC/cm2。 上述方案中，所述干法刻蚀二氧化硅的步骤中，刻蚀深度为30nm。
(三)有益效果 本发明提供的这种制备硅纳米结构的方法，利用PMMA正型电子束胶在入射电子束剂量足够高时变为负型电子束胶和二次电子束辐照增强PMMA抗刻蚀性的特性，使得图形上起掩蔽作用的PMMA胶抗刻蚀性能有较大增强，干法刻蚀后获得100nm以下形状规则、边缘光滑、排列紧密、最精细处可达30nm的硅纳米结构。具体的优点如下
1、利用PMMA正型电子束胶在入射电子束剂量足够高时变为负型电子束胶的特性，第一次曝光时用大剂量使曝光后需保留的硅纳米结构区域的PMMA胶变为负性从而保留。正性电子束曝光胶PMMA转变为负性后增强了其抗刻蚀性能，二次电子束曝光使得保留的转变为负性的电子束曝光胶PMMA抗刻蚀性能进一步增强，从而保证干法刻蚀后硅纳米结构形状规则、边缘光滑，提高了成品率； 2、正性电子束曝光胶PMMA较其他商业负性电子束曝光胶价格便宜，用正性电子束曝光胶PMMA实现负性胶的效果可以节约成本； 3、正性电子束曝光胶PMMA大剂量曝光后转变为负性从而保留，对于需要大部分刻蚀而小部分保留的图形此方法可以明显縮短曝光时间； 4、采用二次电子束曝光增强已转变为负性的电子束曝光胶PMMA抗刻蚀性能，克服了若第一次曝光时使用过大剂量的电子束辐照因临近效应而引起的图形扩展、变形以及密集图形粘连等缺点，实现图形密集——线条间距小于80nm、图形细小——最精细处可达30nm的硅纳米结构，提高了硅纳米结构制作的成品率；
5、该方法整个过程简单可控，重复性好，制作结果成品率高，降低了大规模应用的 成本； 6、使用于法刻蚀具有各向异性刻蚀，较好地控制临界尺寸等优点。
图1是本发明提供的制备硅纳米结构的方法流程图； 图2是制作过程中基片上的结构示意图； 图3是在SOI衬底上的制作的硅纳米结构的实施例照片。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。 本发明利用PMMA正型电子束胶在入射电子束剂量足够高时变为负型电子束胶和 二次电子束辐照增强PMMA抗刻蚀性的特性，使得图形上起掩蔽作用的PMMA胶抗刻蚀性能 有较大增强，干法刻蚀后完成硅纳米结构的制备。 如图1所示，图1是本发明提供的制备硅纳米结构的方法流程图，该方法包括 步骤1 :制作进行电子束曝光所需的版图； 步骤2 :对需要制作硅纳米结构的基片进行清洗、烘干； 步骤3 :将基片热氧化生成二氧化硅掩蔽层； 步骤4 :在基片上匀涂电子束曝光胶； 步骤5 :按要求剂量用电子束曝光图形； 步骤6:显影和定影； 步骤7 :电子束二次曝光； 步骤8 :干法刻蚀二氧化硅； 步骤9 :干法刻蚀硅，形成硅纳米结构。 请再次参照图l，本发明提供的制备硅纳米结构的方法，具体通过以下工艺流程实 现的。 (1)、制作进行电子束曝光所需版图，其中设定曝光后需保留的硅纳米结构区域的 曝光剂量为12 20C/cm2(优选16mC/cm2)，设定用于隔离硅纳米结构的区域的曝光剂量为 100 ii C/cm2 ; (2)、对需要制作硅纳米结构的基片先用丙酮、乙醇、去离子水反复清洗，再用过氧 化氢溶液和浓硫酸以体积比为1 : 1的混合溶液加热到15(TC清洗20分钟，放凉后用去离 子水反复冲洗，接着烘干； (3)、将基片热氧化，氧化后二氧化硅掩蔽层的厚度为30nm ; (4)、在基片上匀涂电子束曝光胶PMMA，要求厚度为65nm，匀涂后立即放在180°C 热板上烘10分钟； (5)、将烘好的基片送入电子束曝光机器，并按要求剂量用电子束曝光图形，高剂 量电子辐射使纳米结构区域的正性电子束曝光胶PMMA转变为负性，显定影后得以保留，并 且转变为负性后电子束曝光胶PMMA的抗刻蚀性能要优于未转变时；
(6)、显影显影液为MIBK和IPA的混合溶液，其体积比为1 : 3，显影时间为20s ;
(7)、定影定影液为IPA，定影时间为20s ;
(8)、完成定影后立即用氮气枪吹干样品； (9)、再次送入电子束曝光机器，进行二次曝光，曝光剂量为16 24C/cm、优选 20mC/cn^)，曝光区域须包括纳米结构区域，二次电子束辐照使已转变负性的电子束曝光胶 PMMA的抗刻蚀性能进一步增强，这时获得如图2所示结构，1区域为未曝光的正性电子束曝 光胶P匪A掩蔽层，2区域为高剂量曝光后变为负性胶的电子束曝光胶PMMA掩蔽层，3区域 为正常曝光的电子束曝光胶PMMA已被显影的隔离区，4区域为热氧化生成的二氧化硅掩蔽 层，5区域为硅基片； (10)、干法刻蚀二氧化硅，刻蚀深度为30nm ;
(11)、干法刻蚀硅，形成硅纳米结构。 如图3所示，在S0I衬底上，采用本发明制作了硅纳米级别的矩形柱，版图设计硅 矩形柱长度为190nm，宽度为50nm，间距为100nm，制作完成后SEM观察测量实际硅矩形柱长 度200nm，宽度65nm，间距85nm，且形状规则、边缘光滑。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种制备硅纳米结构的方法，其特征在于，该方法包括制作进行电子束曝光所需的版图；对需要制作硅纳米结构的基片进行清洗、烘干；将基片热氧化生成二氧化硅掩蔽层；在基片上匀涂电子束曝光胶；按要求剂量用电子束曝光图形；显影和定影；电子束二次曝光；干法刻蚀二氧化硅；干法刻蚀硅，形成硅纳米结构。
2. 根据权利要求1所述的制备硅纳米结构的方法，其特征在于，所述制作进行电子 束曝光所需的版图的步骤中，将曝光后需保留的硅纳米结构区域的曝光剂量设定为12 20mC/cm、将用于隔离硅纳米结构的区域的曝光剂量设定为lOOy C/cm2。
3. 根据权利要求1所述的制备硅纳米结构的方法，其特征在于，所述对需要制作硅纳 米结构的基片进行清洗、烘干的步骤，具体包括对需要制作硅纳米结构的基片先用丙酮、乙醇、去离子水反复清洗，再用过氧化氢溶液 和浓硫酸以体积比为l : 1的混合溶液加热到15(TC清洗20分钟，放凉后用去离子水反复 冲洗，接着烘干。
4. 根据权利要求1所述的制备硅纳米结构的方法，其特征在于，所述将基片热氧化生 成二氧化硅掩蔽层的步骤中，热氧化生成的二氧化硅掩蔽层厚度为30nm。
5. 根据权利要求1所述的制备硅纳米结构的方法，其特征在于，所述在基片上匀涂电 子束曝光胶的步骤中，电子束曝光胶是PMMA，涂敷厚度为65nm，匀涂后在18(TC热板上烘10 分钟。
6. 根据权利要求1所述的制备硅纳米结构的方法，其特征在于，所述按要求剂量用电 子束曝光图形的步骤中，要求剂量是所述制作进行电子束曝光所需的版图的步骤中设定的 曝光剂量，该按要求剂量用电子束曝光图形的步骤具体包括先将基片送入电子束曝光系统，接着调节电子束曝光系统使电子束在基片表面聚焦并 根据束电流设定曝光参数，最后按照制作的版图及版图上所设定的曝光剂量进行电子束曝 光。
7. 根据权利要求1所述的制备硅纳米结构的方法，其特征在于，所述显影和定影的步 骤中，显影液为MIBK和IPA的混合溶液，MIBK和IPA的体积比为1 : 3，定影液为IPA，显 影和定影的时间均为20s。
8. 根据权利要求1所述的制备硅纳米结构的方法，其特征在于，所述电子束二次曝光 的步骤中，二次曝光的区域包括需保留的硅纳米结构部分，且曝光剂量为16 24mC/cm2。
9. 根据权利要求1所述的制备硅纳米结构的方法，其特征在于，所述干法刻蚀二氧化 硅的步骤中，刻蚀深度为30nm。
全文摘要
本发明涉及纳米电子技术中的半导体微纳加工技术领域，公开了一种制备硅纳米结构的方法，包括制作进行电子束曝光所需的版图；对需要制作硅纳米结构的基片进行清洗、烘干；将基片热氧化生成二氧化硅掩蔽层；在基片上匀涂电子束曝光胶；按要求剂量用电子束曝光图形；显影和定影；电子束二次曝光；干法刻蚀二氧化硅；干法刻蚀硅，形成硅纳米结构。利用本发明，采用电子束曝光和干法刻蚀技术能够制作出100nm以下形状规则、边缘光滑、排列紧密、最精细处可达30nm的硅纳米结构。
文档编号B82B3/00GK101759140SQ20081024093
公开日2010年6月30日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者张仁平, 张杨, 杨富华 申请人:中国科学院半导体研究所