基于硫系相变材料GST的干法显影方法

本发明涉及微纳加工技术领域，尤其涉及一种基于硫系相变材料gst的干法显影方法。

背景技术：

传统的图像转移方法，采用的是有机光刻胶的湿法显影技术。然而，有机光刻胶存在溶剂膨胀效应，易导致图形边缘线条粗糙、形状不规则。同时有机光刻胶在显影后需要一个后烘过程，以提高光刻胶的抗刻蚀能力，但是后烘容易带来图形线条坍塌的问题，同样的会导致图形边缘线条粗糙、形状不规则。

技术实现要素：

硫系相变材料ge2sb2te5(简称gst)是一种三元化合物，具有良好的非挥发性和高稳定性，在下一代非易失性存储器和高密度光学记录中有着广泛的应用。通常，硫族化物材料具有两个或多个离散状态，在该状态下其表现出可区分的材料特性。状态的变化通常通过热、电或光脉冲的热激励来驱动。

利用gst在不同状态的性质差异，在电子束曝光系统下进行曝光，曝光区域和未曝光区域材料性质略有差异，表现出不一样的刻蚀速率。在曝光之后，gst结构改变，由非晶态转变为晶态，两种区域之间由于刻蚀选择性差异形成台阶差，达到干法显影的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于硫系相变材料gst的干法显影方法，可以有效地解决现有技术中后烘容易带来图形线条坍塌的问题，以及图形边缘线条粗糙、形状不规则的问题，具体方案如下。

本发明公开一种基于硫系相变材料gst的干法显影方法，包括：

在衬底上沉积一层ge2sb2te5薄膜；

根据预设图形使用电子束对所述ge2sb2te5薄膜进行直写式曝光，以使得所述ge2sb2te5薄膜的曝光区域的材料特性由非晶态转为晶态，所述ge2sb2te5薄膜的非曝光区域的材料特性保持非晶态不变；

利用电感耦合等离子体对所述ge2sb2te5薄膜进行刻蚀形成所述预设图形；

其中，所述ge2sb2te5薄膜中晶态区域的刻蚀速度高于所述ge2sb2te5薄膜的非晶态区域的刻蚀速度。

根据本发明的一些实施例，所述在衬底上沉积一层ge2sb2te5薄膜包括：通过磁控溅射的方法或电子束蒸发的方法在所述衬底上沉积一层ge2sb2te5薄膜。

根据本发明的一些实施例，所述在衬底上沉积一层ge2sb2te5薄膜之前还包括：对所述衬底进行清洗和吹干。

根据本发明的一些实施例，将所述衬底依次放在丙酮、乙醇和水中进行超声波清洗，然后通过氮气将所述衬底吹干。

根据本发明的一些实施例，所述衬底包括以下之一：硅衬底、蓝宝石衬底或碳化硅衬底。

根据本发明的一些实施例，在电子束曝光系统下，利用电子束对ge2sb2te5薄膜进行直写式曝光，曝光剂量为15000～25000μc/cm²。

根据本发明的一些实施例，所述利用电感耦合等离子体对所述ge2sb2te5薄膜进行刻蚀包括：利用电感耦合等离子体对ge2sb2te5薄膜进行刻蚀，采用cf4作为化学活性气体。

根据本发明的一些实施例，所述cf4的气体流量为20～60毫升/分钟，功率为5～15w，压强为0.5～2pa。

根据本发明的一些实施例，所述ge2sb2te5薄膜的厚度为100～200nm。

根据本发明的一些实施例，在干法显影的过程中，通过扫描电子显微镜对所述衬底进行监测，以便于对显影过程进行调整，其中，所述监测内容包括ge2sb2te5薄膜的厚度、刻蚀后的形貌以及台阶深度。

本发明通过上述技术方案，在衬底上沉积一层所述ge2sb2te5薄膜，通过电子束改变ge2sb2te5薄膜的材料特性，经过电子束曝光处理的ge2sb2te5薄膜区域的刻蚀速度比未经电子束曝光处理的区域的刻蚀速度高，从而在icp(inductioncouplingplasma，电感耦合等离子体)刻蚀阶段在ge2sb2te5薄膜上形成台阶状的图形，实现了干法显影，避免了线条坍塌的问题，同时解决了图形边缘线条粗糙、形状不规则的问题。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法的流程图；

图2示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法的衬底示意图；

图3示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法的磁控溅射后的示意图；

图4示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法；

图5示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法的电子束曝光之后结构变化示意图；

图6示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法的icp干法刻蚀过程示意图；

图7示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法的icp干法刻蚀后显影示意图；

其中，1为衬底；2为ge2sb2te5薄膜；3为电子束；4为曝光之后gst的结构变化区域；5为cf4气体流。

具体实施方式

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，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释，例如，电感耦合等离子体(inductivelycoupledplasma，icp)是一种通过随时间变化的磁场电磁感应产生电流作为能量来源的等离子体源，常用于反应离子刻蚀，通过icp源产生低温等离子体，刻蚀材料表面，改变材料的物理与化学性质(icp-rie)；又例如，扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope，sem)是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种观察手段，是一种用于高分辨率微区形貌分析的大型精密仪器，具有景深大、分辨率高，成像直观、立体感强、放大倍数范围宽以及待测样品可在三维空间内进行旋转和倾斜等特点；又例如，激光直写，是制作衍射光学元件的主要技术之一，它利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料实施变剂量曝光，显影后便在抗蚀层表面形成要求的浮雕轮廓；又例如，电子束曝光(electronbeamlithography)，是指使用电子束在表面上制造图样的工艺，是光刻技术的延伸应用，电子束曝光是利用电子束在涂有感光胶的晶片上直接描画或投影复印图形的技术，它的特点是分辨率高(极限分辨率可达到3～8μm)、图形产生与修改容易、制作周期短。

硫系相变材料ge2sb2te5(简称gst)是一种三元化合物，具有良好的非挥发性和高稳定性，在下一代非易失性存储器和高密度光学记录中有着广泛的应用。通常，硫族化物材料具有两个或多个离散状态，在该状态下其表现出可区分的材料特性。状态的变化通常通过热、电或光脉冲的热激励来驱动。

利用gst在不同状态的性质差异，在电子束曝光系统下进行曝光，曝光区域和未曝光区域材料性质略有差异，表现出不一样的刻蚀速率。在曝光之后，gst结构改变，由非晶态转变为晶态，通过两种区域之间的刻蚀选择性差异形成台阶差，以达到干法显影的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于硫系相变材料gst的干法显影方法，可以有效地解决现有技术中后烘容易带来图形线条坍塌的问题，以及图形边缘线条粗糙、形状不规则的问题，具体方案如下。

图1示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法的流程图。

本发明公开一种基于硫系相变材料gst的干法显影方法，如图1所示，包括步骤s1至s3。

图2示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法的衬底示意图。

根据本发明的一些实施例，如图2所示，衬底1包括以下之一：硅衬底、蓝宝石衬底或碳化硅衬底。

根据本发明的一些实施例，衬底1的厚度为300μm～800μm。

根据本发明的一些实施例，衬底1的厚度为500μm。

图3示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法的磁控溅射后的示意图。

根据本发明的一些实施例，结合图3所示，步骤s1：在衬底1上沉积一层ge2sb2te5薄膜2。

根据本发明的一些实施例，在衬底1上沉积一层ge2sb2te5薄膜2包括：通过磁控溅射的方法或电子束蒸发的方法在衬底上沉积一层ge2sb2te5薄膜2。

根据本发明的一些实施例，采用磁控溅射的方法在衬底1上沉积一层ge2sb2te5薄膜2，溅射功率为30w。

根据本发明的一些实施例，ge2sb2te5薄膜2的厚度为100～200nm。

根据本发明的一些实施例，可选的，ge2sb2te5薄膜2的厚度为150nm。

根据本发明的一些实施例，在衬底1上沉积一层ge2sb2te5薄膜2之前还包括：对衬底1进行清洗和吹干。

根据本发明的一些实施例，将衬底1依次放在丙酮、乙醇和水中进行超声波清洗，然后通过氮气将衬底吹干。

根据本发明的一些实施例，对衬底1进行清洗和吹干之前还包括对衬底进行抛光。可选的，如果衬底1为已抛光好的衬底，则该步骤可省略。

图4示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法。

根据本发明的一些实施例，结合图4所示，步骤s2：根据预设图形使用电子束3对ge2sb2te5薄膜2进行直写式曝光。

根据本发明的一些实施例，将所需光刻图形导入电子束曝光系统，将沉积的ge2sb2te5薄膜2的硅片在电子束曝光系统下，进行高剂量的曝光，以改变ge2sb2te5薄膜2局部的材料特性。

根据本发明的一些实施例，在电子束曝光系统下，利用电子束3对ge2sb2te5薄膜2进行直写式曝光，曝光剂量为15000～25000μc/cm²。

根据本发明的一些实施例，可选的，电子束3的曝光剂量为20000μc/cm²。

图5示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法的电子束曝光之后结构变化示意图。

根据本发明的一些实施例，如图5所示，ge2sb2te5薄膜2的曝光区域的材料特性由非晶态转为晶态，ge2sb2te5薄膜2的非曝光区域的材料特性保持非晶态不变，其中，图5中深色网格状填充区域为曝光之后gst的结构变化区域4。

根据本发明的一些实施例，在icp刻蚀过程中，ge2sb2te5薄膜2中晶态区域的刻蚀速度高于ge2sb2te5薄膜2的非晶态区域的刻蚀速度，也即，经过电子束3曝光过的区域更快的被刻蚀掉，从而形成台阶状结构，即预设图形。

图6示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法的icp干法刻蚀过程示意图。

图7示意性示出了本发明实施例的基于硫系相变材料gst的干法显影方法的icp干法刻蚀后显影示意图。

根据本发明的一些实施例，结合图6和图7所示，步骤s3：利用电感耦合等离子体对ge2sb2te5薄膜2进行刻蚀形成预设图形。

根据本发明的一些实施例，利用电感耦合等离子体对ge2sb2te5薄膜2进行刻蚀包括：利用电感耦合等离子体对ge2sb2te5薄膜2进行刻蚀，采用cf4作为化学活性气体。

根据本发明的一些实施例，如图6和图7所示，在cf4气体流5的作用下，曝光之后gst的结构变化区域4的刻蚀速度明显高度未经过曝光区域的gst的区域，因此，基于两种区域之间的刻蚀选择性差异形成台阶状结构，形成导入电子束曝光系统的预设图形，达到干法显影的目的。

根据本发明的一些实施例，cf4气体流5的流量为20～60毫升/分钟，功率为5～15w，压强为0.5～2pa。

根据本发明的一些实施例，可选的，cf4气体流5的流量为40毫升/分钟。

根据本发明的一些实施例，可选的，cf4气体流5的功率为10w。

根据本发明的一些实施例，可选的，cf4气体流5的压强为1pa。

根据本发明的一些实施例，在干法显影的过程中，通过扫描电子显微镜对衬底进行监测，以便于对显影过程进行调整，其中，监测内容包括ge2sb2te5薄膜2的厚度、刻蚀后的形貌以及台阶深度。

本发明通过上述技术方案，在衬底上沉积一层ge2sb2te5薄膜2，基于硫系相变材料ge2sb2te5的材料特性可变，通过电子束3改变ge2sb2te5薄膜2的材料特性，经过电子束曝光处理的ge2sb2te5薄膜2区域的刻蚀速度比未经电子束曝光处理的区域的刻蚀速度高，从而在icp(inductioncouplingplasma，电感耦合等离子体)刻蚀阶段在ge2sb2te5薄膜2上形成台阶状的图形，实现了干法显影，避免了线条坍塌的问题，同时解决了图形边缘线条粗糙、形状不规则的问题。

本发明通过上述技术方案，相对于现有的湿法显影技术，不需要进行匀胶作业，简化了生产工艺，操作简单，同时，避免了使用显影液，更加干燥、环保无污染。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，在本公开的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

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，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。