凹陷型SOI衬底电子束套刻对准标记结构及其制备方法

凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记结构及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体器件制备技术领域，具体涉及一种凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记结构及其制备方法。


背景技术：

2.soi(silicon on insulator，绝缘衬底上的硅)衬底材料是一种新型的硅基集成电路和光电子集成材料，包括顶硅层、埋层二氧化硅和衬底硅，它在顶硅层和背衬底之间引入了一层氧化埋层，将基体与衬底隔离。基于soi结构上的器件将在本质上减小结电容和漏电流，提高开关速度，降低功耗，实现高速低功耗运行。
3.电子束光刻利用聚焦电子束对某些高分子聚合物(电子束光刻胶)进行曝光并通过显影获得图形具有高分辨率、使用灵活且无需光刻版等优点。电子束曝光是获得纳米级图形的重要工具，因而被广泛应用于结构光器件、光子芯片、高功率芯片加工领域和掩模版制作传统领域等。电子束套刻和光刻套刻工艺一样需要对准标记，对准标记的质量决定了套刻的精度，目前可以采用的对准标记有两种：金属标记和凹陷型标记。
4.金属标记一般选用重金属如au、cr等，由于金熔点低在高温下易扩散变形是硅集成电路忌讳材料，而且与体硅工艺不兼容，对于soi衬底通常采用深硅槽凹陷型标记。为了满足电子束精准获取对准信号，凹陷型对准标记的刻蚀深度必须大于2μm，而对于soi衬底，其顶硅层厚度一般小于2μm，所以在刻蚀完顶硅层后，需要继续刻蚀二氧化硅层以满足深度需求，由于普通光刻胶对二氧化硅的刻蚀选择比很低，因此，需要额外加入金属层做掩膜，导致soi衬底的凹陷型对准标记的制备方法较为复杂。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记结构及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明提供了一种凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的制备方法，包括：
7.s1：清洗soi衬底；
8.s2：在所述soi衬底上涂覆反转光刻胶；
9.s3：利用对准标记掩模版，采用光刻反转工艺在所述反转光刻胶上形成对准标记光刻图形；
10.s4：根据所述对准标记光刻图形，在没有被反转光刻胶覆盖的区域进行干法刻蚀处理，刻蚀完成后去除样品表面残留的反转光刻胶，得到凹陷型电子束套刻对准标记；
11.其中，所述凹陷型电子束套刻对准标记为尺寸≥20μm
×
20μm，深度≥500nm的方形结构；所述凹陷型电子束套刻对准标记的外周凹槽的宽度≥50μm。
12.在本发明的一个实施例中，所述反转光刻胶的型号为az5214、az5200e或ti35e。
13.在本发明的一个实施例中，所述s2包括：
14.采用旋涂工艺，将所述反转光刻胶涂覆在所述soi衬底上，旋涂完成后，将其放置
在烤台上烘烤，其中，所述反转光刻胶的厚度不小于1μm。
15.在本发明的一个实施例中，所述s3包括：
16.s31：将涂覆反转光刻胶的soi衬底放入光刻系统中，调整所述对准标记掩模版与soi衬底的位置后，进行第一次曝光；
17.s32：将第一次曝光处理后的样品移动至烤台上烘烤；
18.s33：待样品冷却后再次放入所述光刻系统中，去除所述对准标记掩模版后，进行第二次曝光；
19.s34：将第二次曝光处理后的样品放在显影液中显影，所述对准标记掩模版覆盖区域的反转光刻胶溶解，对显影处理后的样品进行清洗和吹干，在所述反转光刻胶上形成对准标记光刻图形；
20.在本发明的一个实施例中，在所述s31中，第一次曝光的时间和光强度乘积不小于65。
21.在本发明的一个实施例中，在所述s32中，烘烤温度不低于100℃，烘烤时间不少于120s。
22.在本发明的一个实施例中，在所述s33中，第二次曝光的时间和光强度乘积不小于450。
23.在本发明的一个实施例中，所述s4包括：
24.s41：采用反应离子刻蚀工艺对所述soi衬底的顶硅层进行刻蚀，刻蚀气体为sf6、chf3以及o2的混合气体；
25.s42：采用反应离子刻蚀工艺对所述soi衬底的二氧化硅层进行刻蚀，刻蚀气体为cf4和chf3的混合气体；
26.s43：使用离子体去胶机去除样品表面残留的反转光刻胶，得到凹陷型电子束套刻对准标记。
27.在本发明的一个实施例中，在所述s4中，刻蚀深度≥500nm，刻蚀形成凹槽的宽度≥50μm。
28.本发明还提供了一种凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记结构，根据上述实施例中任一项所述方法制备得到。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
30.1.本发明的凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的制备方法，利用光刻反转工艺在反转光刻胶上形成对准标记光刻图形后，只需通过一次刻蚀即可得到凹陷型对准标记，与传统的凹陷型对准标记的制备方法相比，减少了金属镀膜、剥离等工艺步骤，使得工艺流程更为简单。
31.2.本发明的凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的制备方法，在降低对准标记制备成本的同时也能达到高的电子束套刻精度。
32.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
33.图1是本发明实施例提供的soi衬底的截面示意图；
34.图2是本发明实施例提供的一种凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的制备方法流程图；
35.图3a
‑
图3h是本发明实施例提供的一种凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的制备工艺流程图；
36.图4是本发明实施例提供的一种凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的结构的截面示意图；
37.图5是图4中的凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的俯视图。
具体实施方式
38.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记结构及其制备方法进行详细说明。
39.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
40.实施例一
41.请参见图1，图1是本发明实施例提供的soi衬底的截面示意图。如图所示，soi衬底包括自上而下依次设置的顶硅层101、二氧化硅层102和衬底硅层103，也就是在顶层硅101与衬底硅层103之间引入一层二氧化硅层102，用于将si基体与si衬底隔离。
42.请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的制备方法流程图。如图所示，本实施例的凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的制备方法，包括：
43.s1：清洗soi衬底；
44.s2：在soi衬底上涂覆反转光刻胶；
45.具体地，采用旋涂工艺，将反转光刻胶涂覆在soi衬底上，旋涂完成后，将其放置在烤台上烘烤，其中，反转光刻胶的厚度不小于1μm。
46.需要说明的是，通常根据soi衬底的厚度选择反转光刻胶的厚度。
47.可选地，反转光刻胶的型号为az5214、az5200e或ti35e。反转光刻胶为在特定的工艺条件下可反转为负性光刻胶的正性光刻胶。正性光刻胶为在光刻胶工艺过程中，经曝光、显影后，曝光部分被溶解，未曝光部分留下来的光刻胶。负性光刻胶为在光刻胶工艺过程中，经曝光、显影后，曝光部分被保留下来，未曝光部分被溶解的光刻胶。
48.s3：利用对准标记掩模版，采用光刻反转工艺在反转光刻胶上形成对准标记光刻图形；
49.具体地，包括：
50.s31：将涂覆反转光刻胶的soi衬底放入光刻系统中，调整对准标记掩模版与soi衬底的位置后，进行第一次曝光；
51.可选地，第一次曝光的时间和光强度乘积不小于65，光照强度根据测量得到，曝光时间根据光强度以及两者的乘积确定。
52.在本实施例中，对准标记掩模版为尺寸不小于120μm
×
120μm的方形掩模版结构，该掩模版中间设置有尺寸不小于20μm
×
20μm的方形曝光区域，剩余区域为覆盖区域。
53.s32：将第一次曝光处理后的样品移动至烤台上烘烤；
54.在本实施例中，烘烤温度不低于100℃，烘烤时间不少于120s，并在烘烤结束后，将样品冷却5min。
55.s33：待样品冷却后再次放入光刻系统中，去除对准标记掩模版后，进行第二次曝光；
56.可选地，第二次曝光的时间和光强度乘积不小于450。
57.在本实施例中，光刻系统为mbj4光刻系统。
58.s34：将第二次曝光处理后的样品放在显影液中显影，对准标记掩模版覆盖区域的反转光刻胶溶解，对显影处理后的样品进行清洗和吹干，在反转光刻胶上形成对准标记光刻图形；
59.可选地，显影液为cd
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26显影液，显影时间为30s。
60.可选地，采用去离子水清洗1min后用n2吹干。
61.s4：根据对准标记光刻图形，在没有被反转光刻胶覆盖的区域进行干法刻蚀处理，刻蚀完成后去除样品表面残留的反转光刻胶，得到凹陷型电子束套刻对准标记；
62.在使用反应离子刻蚀(rie)刻蚀没有被反转光刻胶覆盖的soi衬底(包括顶层硅和部分二氧化硅层)。由于硅和二氧化硅的选择比不同，因此，采取两步刻蚀。
63.具体地，s4包括：
64.s41：采用反应离子刻蚀工艺对soi衬底的顶硅层进行刻蚀，刻蚀气体为sf6、chf3以及o2的混合气体；
65.s42：采用反应离子刻蚀工艺对soi衬底的二氧化硅层进行刻蚀，刻蚀气体为cf4和chf3的混合气体；
66.在本实施例中，两步刻蚀后，刻蚀深度≥500nm，刻蚀形成凹槽的宽度≥50μm。
67.s43：使用离子体去胶机去除样品表面残留的反转光刻胶，得到凹陷型电子束套刻对准标记。
68.在本实施例中，凹陷型电子束套刻对准标记为尺寸≥20μm
×
20μm，深度≥500nm的方形结构；凹陷型电子束套刻对准标记的外周凹槽的宽度≥50μm。
69.本实施例的凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的制备方法，利用光刻反转工艺在反转光刻胶上形成对准标记光刻图形后，只需通过一次刻蚀即可得到凹陷型对准标记，与传统的凹陷型对准标记的制备方法相比，减少了金属镀膜、剥离等工艺步骤，使得工艺流程更为简单。
70.实施例二
71.本实施例以az5214作为反转光刻胶为例，对实施例一的凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的制备方法进行具体说明。请结合参见图3a
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图3h，图3a
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图3h是本发明实施例提供的一种凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的制备工艺流程图，该方法包括以下步骤：
72.步骤a：清洗soi衬底30，soi衬底30包括自上而下依次设置的顶硅层301、二氧化硅
层302和衬底硅层303，如图3a所示。
73.在本实施例中，顶硅层301的厚度为220nm，二氧化硅层302的厚度为2μm，衬底硅层303的厚度为725μm。
74.步骤b：采用旋涂工艺，在顶硅层301上旋涂az5214反转光刻胶31，旋涂完成后，将样品放置在100℃的烤台上烘烤120s，烘烤完成后冷却5min。其中，旋涂时间为30s，转速为4000rpm，az5214反转光刻胶31的厚度为1.4μm，如图3b所示。
75.步骤c：将步骤b中的样品放入mjb4光刻系统中，调整对准标记掩模版32与样品的位置后，进行第一次曝光，如图3c所示，第一次曝光完成后将样品移动至120℃的烤台上烘烤120s，然后冷却。其中，第一次曝光的曝光时间根据光照强度和曝光时间乘积为65设置。
76.在本实施例中，对准标记掩模版32为尺寸为220μm
×
220μm的方形掩模版结构，该掩模版中间设置有尺寸为20μm
×
20μm的方形曝光区域，剩余区域为覆盖区域。
77.步骤d：将第一次曝光后的样品再次放入mbj4光刻系统中，同时去除对准标记掩模版32后，进行第二次曝光，如图3d所示，其中，第二次曝光的曝光时间根据光照强度和曝光时间乘积为450设置。
78.步骤e：将第二次曝光后的样品放在cd
‑
26显影液中显影30s，对准标记掩模版32覆盖区域的az5214反转光刻胶31溶解，对显影处理后的样品采用去离子水清洗1min后用n2吹干，形成对准标记光刻图形，如图3e所示。
79.步骤f：采用反应离子刻蚀工艺对没有被az5214反转光刻胶31覆盖区域的顶硅层301进行刻蚀，将顶硅层301完全刻蚀掉，其中，刻蚀气体为sf6、chf3以及o2的混合气体，刻蚀时间为55s，压强为100torr，正向功率为125w，如图3f所示。
80.步骤g：采用反应离子刻蚀工艺对二氧化硅层302进行刻蚀，其中，刻蚀气体为cf4和chf3的混合气体，刻蚀时间为120s，压强为150torr，正向功率为125w，刻蚀深度为580nm，如图3g所示。
81.在本实施例中，两步刻蚀的总刻蚀深度为800nm。
82.步骤h：使用离子体去胶机去除样品表面残留的az5214反转光刻胶31，得到凹陷型电子束套刻对准标记，如图3h所示。
83.在本实施例中，凹陷型电子束套刻对准标记为尺寸为20μm
×
20μm，深度为800nm的方形结构，凹陷型电子束套刻对准标记的外周凹槽的宽度为100μm。
84.由于凹陷型电子束套刻对准标记的外周凹槽材料为二氧化硅是绝缘体，不具备导电性能，凹陷型电子束套刻对准标记的材料为硅是半导体，具备导电性能，因此，凹陷型电子束套刻对准标记与其外周凹槽，形成具有导电性能差异和高度差异的对比区域。在本实施例中，较小的刻蚀深度更容易得到侧壁光滑且垂直的标记，使得凹陷型电子束套刻对准标记的尺寸更为精确。电子束套刻机器利用材料之间不同的导电性，高度差和标记尺寸大小去识别对准标记，从而达到较高的对准精度。
85.通过德国raith ebpg5200电子束曝光系统，对本实施例制备得到的凹陷型电子束套刻对准标记的对准精度进行验证，发现本实施例的方法制备得到的凹陷型电子束套刻对准标记，足以满足该电子束曝光系统的对准要求，而且对准误差可控制在20nm以内。
86.本实施例的凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的制备方法，在降低对准标记制备成本的同时也能达到高的电子束套刻精度。
87.实施例三
88.本实施例提供了一种凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记结构，该凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记结构通过实施例一的方法制备得到，请结合参见图4和图5，图4是本发明实施例提供的一种凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的结构的截面示意图；图5是图4中的凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记的俯视图。如图所示，本实施例的soi衬底包括自上而下依次设置的顶硅层401、二氧化硅层402和衬底硅层403，凹陷型电子束套刻对准标记404的正方形结构的边长a≥20μm，深度h≥500nm，凹陷型电子束套刻对准标记404的外周凹槽的宽度w≥50μm。
89.需要说明的是，通常在soi衬底上制备对准标记阵列，该对准标记阵列包括若干凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记结构，凹陷型soi衬底电子束套刻对准标记结构通常位于所需曝光版图的对应两边，例如上下两边或者左右两边，便于形成直角坐标定位法确保对版精度。
90.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
91.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。