(57)【要約】  基板上に非晶質炭素層を堆積させる方法は、チャンバ内に基板を位置決めするステップと、処理チャンバ内に炭化水素源を導入するステップと、処理チャンバ内に重希ガスを導入するステップと、処理チャンバ内でプラズマを生成するステップとを含む。重希ガスは、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびこれらの組合せからなる群から選択され、希ガスのモル流量は炭化水素源のモル流量より大きい。堆積後の終了ステップを含むことができ、炭化水素源および希ガスの流れを止め、ある期間にわたってチャンバ内でプラズマを維持してチャンバから粒子を除去する。
2011517848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に非晶質炭素層を形成する方法において、
基板処理チャンバ内に基板を位置決めするステップと、
前記処理チャンバ内に炭化水素源を導入するステップと、
前記処理チャンバ内にアルゴン、クリプトン、キセノン、ヘリウム、およびこれらの組合せからなる群からの希ガスを導入するステップであって、前記希ガスのモル流量が前記炭化水素源のモル流量より大きい、導入するステップと、
前記処理チャンバ内でプラズマを生成するステップと、
前記基板上に非晶質炭素層を形成するステップであって、前記非晶質炭素層が約１．８ｇ／ｃｃ〜約２．５ｇ／ｃｃの密度を有する、形成するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記希ガスの前記モル流量が、前記炭化水素源の前記モル流量より約２から４０倍大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記処理チャンバ内への前記炭化水素源の流れを止めるステップと、
前記処理チャンバ内にプラズマ維持ガスを流して前記処理チャンバ内でプラズマを維持するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記プラズマ維持ガスがヘリウムであり、また前記処理チャンバ内への前記炭化水素源の前記流れを止めるステップ後、前記処理チャンバ内にヘリウムを流すステップが約５から２０秒継続する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記処理チャンバ内にプラズマ維持ガスを流すステップが、前記処理チャンバ内に水素ガスを流すステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記炭化水素源が、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記基板上に非晶質炭素層を形成するプロセス中、前記基板を約８００℃以下の温度まで加熱するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
基板上に非晶質炭素層を形成する方法において、
基板処理チャンバ内に基板を位置決めするステップと、
前記処理チャンバ内に炭化水素源を導入するステップと、
前記処理チャンバ内に前記炭化水素源に対する希釈ガスを導入するステップであって、前記希釈ガスのモル流量が前記炭化水素源のモル流量の約２から４０倍である、導入するステップと、
前記処理チャンバ内でプラズマを生成するステップと、
前記基板上に非晶質炭素層を形成するステップであって、前記非晶質炭素層の密度が約１．８ｇ／ｃｃ〜約２．５ｇ／ｃｃである、形成するステップとを含む、方法。
【請求項９】
前記希釈ガスが、ヘリウム、アルゴン、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記処理チャンバ内への前記炭化水素源の流れを止めるステップと、
前記処理チャンバ内にプラズマ維持ガスを流して前記処理チャンバ内でプラズマを維持するステップと
をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
基板上に非晶質炭素層を形成する方法において、
基板処理チャンバ内に基板を位置決めするステップと、
前記処理チャンバ内に炭化水素源を導入するステップと、
前記処理チャンバ内に前記炭化水素源の希釈剤としてアルゴンを導入するステップと、
前記処理チャンバ内でプラズマを生成するステップと、
前記処理チャンバ内でプラズマを開始した後、前記処理チャンバ内で約１トルから１０トルの圧力を維持するステップと、
前記基板上に非晶質炭素層を形成するステップであって、前記非晶質炭素層が約１．８ｇ／ｃｃ〜約２．５ｇ／ｃｃの密度を有する、形成するステップとを含む、方法。
【請求項１２】
アルゴンのモル流量が、前記炭化水素源のモル流量の約２から４０倍であり、また前記非晶質炭素層が、可視スペクトルにおける消光係数が約０．８以下になるように形成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記処理チャンバ内に水素ガスを導入するステップであって、前記アルゴンの前記モル流量と前記水素のモル流量の比が約２：１から４：１である、導入するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記炭化水素源が、エチレン、プロピレン、アセチレン、およびトルエンからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記水素ガスの前記モル流量と前記炭化水素源の前記モル流量の比が約０〜約２０である、請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に集積回路の製作に関し、詳細には、半導体基板上の非晶質炭素層の堆積に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路は、数百万のトランジスタ、コンデンサ、および抵抗を単一のチップ上に含みうる複雑なデバイスに発展してきた。チップ設計の発展は、より速い回路およびより大きい回路密度を絶えず必要とする。より大きい回路密度をもつより速い回路に対する要求は、それに対応して、そのような集積回路を製作するために使用される材料を要求する。具体的には、集積回路構成要素の寸法が１ミクロンに満たない寸法にまで低減されるので、デバイスの電気的性能を改善するために銅などの抵抗率の低い導電材料を使用するだけでなく、比誘電率の低い絶縁材料を使用することも必要とされてきた。これらの比誘電率の低い絶縁材料は、低誘電率材料と呼ばれることが多い。低誘電率材料は一般に、４．０未満の比誘電率を有する。
【０００３】
表面の欠陥またはフィーチャの変形がほとんどまたはまったくない低誘電率材料を有するデバイスを作製することには、問題がある。低誘電率の誘電体材料は多孔質であり、その後のプロセスステップ中に引っ掻きまたは損傷を受けやすいことが多く、したがって、基板表面に欠陥が形成される可能性を増大させる。低誘電率材料はもろいことが多く、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）などの従来の研磨プロセス下では変形する可能性がある。低誘電率材料の表面の欠陥および変形を制限または低減させる１つの解決策は、パターン形成およびエッチングの前に、露出した低誘電率材料を覆ってハードマスクを堆積させることである。ハードマスクは、取り扱いに注意を要する低誘電率材料の損傷および変形を防止する。さらに、ハードマスク層は、従来のリソグラフィ技法と組み合わせて、エッチング中の低誘電率材料の分離を防止するためのエッチマスクとして働くことができる。
【０００４】
通常、ハードマスクは、中間酸化物層、たとえば二酸化シリコンまたは窒化シリコンである。しかし、いくつかのデバイス構造、たとえばダマシン構造は、すでに二酸化シリコンおよび／または窒化シリコン層を含む。したがって、そのようなデバイス構造は、二酸化シリコンまたは窒化シリコンハードマスクをエッチマスクとして使用してパターン形成することはできない。ハードマスクとその下の材料の間にエッチ選択性がほとんどまたはまったく存在せず、すなわち、ハードマスクを除去する結果、下層に許容できない損傷が生じるためである。二酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの酸化物層に対するエッチマスクとして働くには、材料は、これらの酸化物層に比べて良好なエッチ選択性をもたなければならない。非晶質水素化炭素が、二酸化シリコンまたは窒化シリコン材料に対するハードマスクとして使用される材料である。
【０００５】
非晶質水素化炭素は本質的に、相当な水素含有量、たとえば約１０から４５原子％程度を含有しうる長距離結晶秩序をもたない炭素材料である。非晶質水素化炭素は非晶質炭素とも呼ばれ、ａ−Ｃ：Ｈと表される。ａ−Ｃ：Ｈは、その化学的不活性、光透過性、および良好な機械的特性のため、半導体適用分野でハードマスク材料として使用される。ａ−Ｃ：Ｈ膜は、様々な技法を介して堆積させることができるが、コスト効率および膜特性の調整可能性のため、プラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）が広く使用されている。典型的なＰＥＣＶＤプロセスでは、気相炭化水素、またはキャリアガス内に同伴された液相炭化水素の蒸気などの炭化水素源が、ＰＥＣＶＤチャンバ内に導入される。チャンバ内にはまた、プラズマ開始ガス、通常ヘリウムが導入される。次いで、チャンバ内でプラズマが開始され、励起ＣＨ−ラジカルを生じる。励起ＣＨ−ラジカルは、チャンバ内に位置決めされた基板の表面に化学結合し、その上に所望のａ−Ｃ：Ｈ膜を形成する。
【０００６】
図１Ａ〜１Ｅは、ａ−Ｃ：Ｈ層をハードマスクとして組み込む集積回路製作シーケンスの異なる段階の基板１００の概略横断面図を示す。基板構造１５０は、基板１００を、基板１００上に形成された他の材料層とともに表す。図１Ａは、基板構造１５０の横断面図を示す。基板構造１５０は、基板構造１５０上に従来形成されてきた材料層１０２を有する。材料層１０２は、低誘電率材料および／または酸化物、たとえばＳｉＯ２とすることができる。
【０００７】
図１Ｂは、図１Ａの基板構造１５０上に堆積された非晶質炭素層１０４を図示する。非晶質炭素層１０４は、ＰＥＣＶＤなど、従来の手段によって基板構造１５０上に形成される。非晶質炭素層１０４の厚さは、処理の特定の段階に応じて変動する。通常、非晶質炭素層１０４は、約５００Åから約１００００Åの範囲内の厚さを有する。製作シーケンスで使用されるエネルギー感応性レジスト材料１０８のエッチングの化学的性質に応じて、エネルギー感応性レジスト材料１０８を形成する前に、非晶質炭素層１０４上に任意選択のキャッピング層（図示せず）を形成することができる。任意選択のキャッピング層は、パターンが非晶質炭素層１０４内に転写されるときに非晶質炭素層１０４に対するマスクとして機能し、エネルギー感応性レジスト材料１０８から非晶質炭素層１０４を保護する。
【０００８】
図１Ｂに図示するように、エネルギー感応性レジスト材料１０８は非晶質炭素層１０４上に形成される。エネルギー感応性レジスト材料層１０８は、約２０００Åから約６０００Åの範囲内の厚さまで基板上にスピン被覆することができる。大部分のエネルギー感応性レジスト材料は、約４５０ｎｍ未満の波長を有する紫外（ＵＶ）放射、またいくつかの適用分野では２４５ｎｍまたは１９３ｎｍの波長を有するＵＶ放射に感応する。
【０００９】
マスク１１０などのパターン形成デバイスを介してエネルギー感応性レジスト材料１０８をＵＶ放射１３０に露出させ、その後エネルギー感応性レジスト材料１０８を適切な現像剤内で現像することによって、エネルギー感応性レジスト材料層１０８内にパターンが導入される。エネルギー感応性レジスト材料１０８が現像された後、図１Ｃに示すように、開口１４０からなる所望のパターンが、エネルギー感応性レジスト材料１０８内に現れる。
【００１０】
その後、図１Ｄを参照すると、エネルギー感応性レジスト材料１０８内に画定されたパターンは、エネルギー感応性レジスト材料１０８をマスクとして使用して、非晶質炭素層１０４を貫通して転写される。エネルギー感応性レジスト材料１０８および材料層１０２ではなく非晶質炭素層１０４を選択的にエッチングする適切な化学エッチング剤が使用され、開口１４０を材料層１０２の表面まで延ばす。適切な化学エッチング剤には、オゾン、酸素、またはアンモニアのプラズマが含まれる。
【００１１】
図１Ｅを参照すると、次いでパターンは、非晶質炭素層１０４をハードマスクとして使用して、材料層１０２を貫通して転写される。このプロセスステップでは、ドライエッチ、すなわち非反応性プラズマエッチなど、非晶質炭素層１０４ではなく材料層１０２を選択的に除去するエッチング剤が使用される。材料層１０２がパターン形成された後、任意選択で非晶質炭素層１０４を基板１００から剥がすことができる。製作シーケンスの特定の例では、ａ−Ｃ：Ｈハードマスク内に画定されたパターンは、ダマシン構造などの集積回路の構造内に組み込まれる。ダマシン構造は通常、集積回路上に金属相互接続を形成するために使用される。
【００１２】
ａ−Ｃ：Ｈハードマスク層を使用するデバイス製造者は、（１）下にある材料のドライエッチング中のハードマスクの非常に高い選択性、および（２）リソグラフィ位置合わせ精度に対する可視スペクトル内の高い光透過性という２つの重大な要件を満たすことを要求する。「ドライエッチング」という用語は一般に、化学溶液内に浸漬することでは材料が溶解されないエッチングプロセスを指し、反応性イオンエッチング、スパッタエッチング、および気相エッチングなどの方法を含む。さらに、トポグラフィフィーチャを有する基板上にハードマスク層が堆積される適用分野の場合、ａ−Ｃ：Ｈハードマスクに対する追加の要件は、ハードマスク層が前記トポグラフィフィーチャのすべての表面を共形に覆うことである。
【００１３】
図１Ａ〜Ｅを再び参照すると、ドライエッチング中に非晶質炭素層１０４が材料層１０２を十分に保護するためには、非晶質炭素層１０４が、材料層１０２に対して比較的高いエッチ選択性または除去速度比を保有することが重要である。一般に、非晶質炭素層１０４と材料層１０２の間では、ドライエッチプロセス中、少なくとも約１０：１以上のエッチ選択性が望ましく、すなわち材料層１０２は、非晶質炭素層１０４より１０倍速くエッチングされる。このようにして、ドライエッチプロセスを介して材料層１０２内に開口１４０が形成される間、非晶質炭素層１０４によって形成されたハードマスク層は、エッチングまたは損傷すべきでない材料層１０２の領域を保護する。
【００１４】
さらに、いくつかの適用分野では、図１Ｂに示すリソグラフィ処理ステップなど、光放射、すなわち約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの光波長に対して高透過性のハードマスクが望ましい。特定の光波長に対する透過性により、より精密なリソグラフィ位置合わせを可能にし、マスク１１０と基板１００上の特有の位置とを非常に高精度で整合することが可能になる。材料の透過性は一般に、吸収係数として定量化される。材料層によって透過される光の部分は、材料の吸収係数が増大するにつれて指数的に低下する。消光係数は、光の波長および吸収係数に比例し、入射する電磁放射が材料内で吸収および散乱、すなわち「消光」される程度を表す。可視波長で０．１の消光係数をもつ材料層は、８０００オングストロームの厚さを通して下層のトポグラフィが見えるのに十分なほど透明であり、一方０．４の消光係数をもつ材料層は、約１０００オングストロームの厚さを通してのみ同じ可視性を可能にする。
【００１５】
いくつかの適用分野では、高い透過性が望ましいこともあるが、他の適用分野では、より低い透過性を許容することもある。たとえば、デバイス寸法がムーアの法則の進行とともに縮小するにつれて、層の厚さは一般に下落し、そのため、密度などの他の特性が重要になる場合、より低い透過性、したがってより高い消光係数を許容することがある。所望の消光係数をもつ層の作製は、基板温度またはプラズマイオンエネルギーなどの堆積パラメータを調節することによって実現することができる。通常、高い透過性を保有するａ−Ｃ：Ｈ膜を生じることと、高いエッチ選択性をもつａ−Ｃ：Ｈ膜を生じることとの間には、トレードオフが存在する。より良好なエッチ選択性をもつ非晶質炭素層は一般に、より悪い透過性を有する。たとえば、調節要因として堆積温度が使用されるとき、比較的高い温度、すなわち５００℃を超える温度で堆積されたａ−Ｃ：Ｈ膜は通常、良好なエッチ選択性を保有するが透過性は低い。堆積温度を、特に６５０℃より下まで下げると、ａ−Ｃ：Ｈ膜の透過性を改善するが、その結果、この膜に対するエッチング速度がより速くなり、したがってエッチ選択性がより低くなる。
【００１６】
上述のように、いくつかの適用分野では、下にあるトポグラフィ、たとえばパターン形成プロセスを揃えるために使用されるアラインメント鍵をもつ基板上に、ハードマスク層を堆積させることができる。これらの適用分野ではまた、下にあるトポグラフィに対して共形性の高いａ−Ｃ：Ｈ層が望ましい。図２は、フィーチャ２０１とその上に形成された非共形の非晶質炭素層２０２とをもつ基板２００の概略横断面図である。非共形の非晶質炭素層２０２は、フィーチャ２０１の側壁２０４を完全に覆うわけではないので、その後のエッチングプロセスの結果、側壁２０４の望ましくない浸食が生じることがある。非共形の非晶質炭素層２０２によって側壁２０４が完全に覆われない結果、非共形の炭素層２０２下の材料の作用がフォトレジストにより損なわれることもある。これは、電子装置を損傷することで知られている。層の共形性は通常、フィーチャの側壁上に堆積された層の平均厚さと基板の区域または上部表面上の同じ堆積された層の平均厚さとの比によって定量化される。
【００１７】
さらに、ハードマスク層の形成は、他の形で半導体基板に悪影響を及ぼさないことが重要である。たとえば、ハードマスクの形成中、基板を汚染する可能性のある多数の粒子が生成された場合、または基板上に形成されたデバイスが過度に加熱された場合、その結果生じる問題は、あらゆる利益を容易に上回る可能性がある。
【００１８】
したがって、酸化物に対して良好なエッチ選択性を有し、可視スペクトル内で高い光透過性を有し、トポグラフィフィーチャを有する基板上に共形に堆積でき、また多数の粒子を生成することなく比較的低温で作製できる、集積回路の製作に有用な材料層を堆積させる方法が必要とされている。
【発明の概要】
【００１９】
本発明の実施形態は、基板上に非晶質炭素層を堆積させる方法を提供する。第１の実施形態によれば、この方法は、チャンバ内に基板を位置決めするステップと、処理チャンバ内に炭化水素源を導入するステップと、処理チャンバ内に重希ガスを導入するステップと、処理チャンバ内でプラズマを生成するステップとを含む。重希ガスは、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびこれらの組合せからなる群から選択され、希ガスのモル流量は炭化水素源のモル流量より大きい。堆積後の終了ステップを含むことができ、炭化水素源および希ガスの流れを止め、ある期間にわたってチャンバ内でプラズマを維持してチャンバから粒子を除去する。堆積後の終了ステップ中、水素をチャンバ内に導入することもできる。
【００２０】
第２の実施形態によれば、この方法は、チャンバ内に基板を位置決めするステップと、処理チャンバ内に炭化水素源を導入するステップと、処理チャンバ内に炭化水素源の希釈ガスを導入するステップと、処理チャンバ内でプラズマを生成するステップとを含む。処理チャンバ内への希釈ガスのモル流量は、炭化水素源のモル流量の約２倍〜約４０倍である。第１の実施形態のものに類似している堆積後の終了ステップを、この方法にも含むことができる。
【００２１】
第３の実施形態によれば、この方法は、チャンバ内に基板を位置決めするステップと、処理チャンバ内に炭化水素源を導入するステップと、処理チャンバ内に炭化水素源の希釈ガスを導入するステップと、処理チャンバ内でプラズマを生成するステップと、チャンバ内でプラズマを開始した後、処理チャンバ内で約１トルから１０トルの圧力を維持するステップとを含む。非晶質炭素層は、約１．２ｇ／ｃｃ〜約２．５ｇ／ｃｃの密度を有することができ、非晶質炭素層の消光係数は、可視スペクトル内で約１．０以下とすることができる。
【００２２】
本発明の上述の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約した本発明についてのより具体的な説明を、実施形態を参照すれば得ることができる。実施形態のいくつかを添付の図面に示す。しかし、本発明は他の等しく効果的な実施形態も許容しうるため、添付の図面は本発明の典型的な実施形態のみを示し、したがって本発明の範囲を限定するものと見なすべきではないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（従来技術）Ａ〜Ｅは、非晶質炭素層をハードマスクとして組み込む集積回路製作シーケンスの異なる段階の基板の概略横断面図である。
【図２】（従来技術）フィーチャおよび非共形の非晶質炭素層がその上に形成された基板の概略横断面図である。
【図３】非晶質炭素膜の膜密度とエッチ選択性の関係を実証するグラフである。
【図４】本発明の実施形態による非晶質炭素層の堆積を実行するために使用できる基板処理システムの概略図である。
【図５】アルゴン希釈ガスが非晶質炭素膜の密度に与える影響を実証するグラフである。
【図６】希釈ガスのタイプがその結果生じる膜密度に与える影響を実証するグラフである。
【図７】堆積温度がその結果生じる膜密度に与える影響を実証するグラフである。
【図８】堆積温度がその結果生じる膜の消光係数に与える影響を実証するグラフである。
【図９】より低い炭化水素流量が膜密度に与える影響を示すデータプロットである。
【図１０】チャンバ圧力が膜密度に与える影響を示すデータプロットである。
【図１１】非晶質炭素膜を堆積させながら高流量の希釈剤として重希ガスを導入することによる堆積速度の改善を示す棒グラフである。
【図１２】フィーチャおよび非晶質炭素層がその上に形成された基板の概略横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
見やすいように、複数の図で共通している同一の要素を指すために、該当する場合、同一の参照番号を使用した。
【００２５】
発明者らは、ａ−Ｃ：Ｈ膜を堆積させるために使用される炭化水素源にかかわらず、ａ−Ｃ：Ｈ膜の密度とエッチ選択性の間に強い相関関係が存在することを知った。図３は、異なる基板上に堆積された４つの異なるａ−Ｃ：Ｈ膜３０１Ａ〜Ｄからなる複数のサンプルの膜密度とエッチ選択性の関係を描くグラフである。エッチ選択性は、所与のａ−Ｃ：Ｈ膜と比較して下にある材料がエッチングされる率であり、すなわち１０のエッチ選択性とは、下にある材料がａ−Ｃ：Ｈ膜より１０倍速く除去されることを示す。膜３０１Ａ〜Ｄはそれぞれ、異なる前駆体および処理条件から形成された。このデータは、前駆体にかかわらず、各膜の密度とエッチ選択性の相関関係が実質上直線的であることを明らかにする。これらの結果は、処理温度および前駆体が実質上異なる場合でも、膜密度を増大させることによって、ａ−Ｃ：Ｈ膜に対して所望のエッチ選択性を実現することが可能であることを実証する。したがって、ａ−Ｃ：Ｈ膜の高密度化は、エッチ選択性を改善する１つの方法となりうる。
【００２６】
本発明の態様では、ａ−Ｃ：Ｈ膜の堆積中に、比較的大流量のアルゴンまたはクリプトンもしくはキセノンなどの他の重希ガスを希釈ガスとして使用して、その結果生じる膜密度（したがってエッチ選択性）、膜の堆積速度、および膜と基板の表面上のフィーチャとの共形性を増大させることを企図する。また、大流量の希釈ガスとして重希ガスを適用すると、堆積プロセス中の炭化水素前駆体の利用効率を改善し、堆積チャンバの内部表面上の望ましくない堆積を最小にする。ヘリウムは、容易にイオン化され、したがってアーク発生リスクを低くしてチャンバ内でプラズマを開始するのに有利であるため、ａ−Ｃ：Ｈ膜の堆積のためにＰＥＣＶＤチャンバ内で作動ガスの１次非反応性成分として使用されてきた。ＰＥＣＶＤ処理チャンバ内に液相前駆体を導入するためのキャリアガスとしてアルゴンが使用されることがあるが、アルゴンは、本発明の態様によって企図されるほど非常に大量には使用されておらず、したがってキャリアガスとして使用されるとき、本発明の利益を提供しない。
【００２７】
例示的な装置
図４は、本発明の実施形態による非晶質炭素層の堆積を実行するために使用できる基板処理システム、システム４００の概略図である。適したシステムの例には、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販のＤｘＺ（商標）処理チャンバを使用できるＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）システム、ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ５０００（登録商標）システム、ＰＲＯＤＵＣＥＲ（商標）システム、およびＰＲＯＤＵＣＥＲ  ＳＥ（商標）処理チャンバが含まれる。
【００２８】
システム４００は、プロセスチャンバ４２５、ガスパネル４３０、制御ユニット４１０、ならびに電源および真空ポンプなどの他のハードウェア構成要素を含む。本発明で使用されるシステムの一実施形態の詳細は、本発明の譲受人に譲渡された２００２年４月２日出願の米国特許、「Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ」、第６，３６４，９５４号に記載されている。同特許を、参照により本明細書に組み込む。
【００２９】
プロセスチャンバ４２５は一般に、半導体基板４９０などの基板を支持するために使用される基板支持台座４５０を含む。この基板支持台座４５０は、シャフト４６０に結合された変位機構（図示せず）を使用して、プロセスチャンバ４２５内部で垂直方向に動く。プロセスに応じて、半導体基板４９０を処理前に所望の温度まで加熱することができる。基板支持台座４５０は、埋め込まれた加熱器素子４７０によって加熱される。たとえば、電源４０６から加熱器素子４７０へ電流を印加することによって、基板支持台座４５０を抵抗加熱することができる。半導体基板４９０は、基板支持台座４５０によって加熱される。また、基板支持台座４５０の温度を監視するために、基板支持台座４５０内には熱電対などの温度センサ４７２が埋め込まれる。測定された温度は、加熱器素子４７０に対する電源４０６を制御するために、フィードバックループ内で使用される。基板温度は、特定のプロセス適用分野に対して選択された温度で維持または制御することができる。
【００３０】
プロセスチャンバ４２５を排気するため、そしてプロセスチャンバ４２５内部で適当なガス流および圧力を維持するために、真空ポンプ４０２が使用される。プロセスガスが中を通ってプロセスチャンバ４２５内に導入されるシャワーヘッド４２０が、基板支持台座４５０より上に配置され、プロセスガスをプロセスチャンバ４２５内へ均一に分配するように適合される。シャワーヘッド４２０はガスパネル４３０に接続され、ガスパネル４３０は、プロセスシーケンスの異なるステップで使用される様々なプロセスガスを制御および供給する。プロセスガスは、炭化水素源およびプラズマ開始ガスを含むことができ、例示的なアルゴン希釈堆積プロセスに関連して以下により詳細に説明する。
【００３１】
また、ガスパネル４３０を使用して、様々な気化させた液状前駆体を制御および供給することもできる。図示しないが、液状前駆体供給部からの液状前駆体は、たとえば液体注入気化器によって気化させて、キャリアガスの存在下でプロセスチャンバ４２５へ送達することができる。キャリアガスは通常、窒素などの不活性ガス、またはアルゴンもしくはヘリウムなどの希ガスである。別法として、液状前駆体は、熱および／または真空強化気化プロセスによってアンプルから気化させることができる。
【００３２】
シャワーヘッド４２０および基板支持台座４５０はまた、１対の離隔された電極を形成することができる。これらの電極間に電界が生成されるとき、チャンバ４２５内に導入されたプロセスガスはプラズマ４９２に着火される。通常、電界は、整合ネットワーク（図示せず）を通って基板支持台座４５０と単一周波数または２重周波数の無線周波数（ＲＦ）電力源（図示せず）とを接続することによって生成される。別法として、ＲＦ電力源および整合ネットワークをシャワーヘッド４２０に結合させ、またはシャワーヘッド４２０と基板支持台座４５０の両方に結合させることができる。
【００３３】
ＰＥＣＶＤ技法では、基板表面付近の反応区間に電界を印加することによって反応ガスの励起および／または電離を促進し、反応性種のプラズマを生じる。プラズマ内の種の反応性は、化学反応を発生させるのに必要なエネルギーを低減させ、実際には、そのようなＰＥＣＶＤプロセスに必要な温度を下げる。
【００３４】
ガスパネル４３０によるガスおよび液体流の適当な制御および加減は、流体質量制御装置（図示せず）およびコンピュータなどの制御ユニット４１０によって実行される。シャワーヘッド４２０により、ガスパネル４３０からのプロセスガスをプロセスチャンバ４２５内に均一に分配および導入することができる。例示的には、制御ユニット４１０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）４１２と、支持回路４１４と、関連する制御ソフトウェアを含むメモリ４１６とを含む。この制御ユニット４１０は、基板輸送、ガス流制御、液体流制御、温度制御、チャンバ排気など、基板処理に必要な数々のステップの自動制御を行う。プロセスガス混合物がシャワーヘッド４２０から出るとき、半導体基板４９０の表面４９１で炭化水素化合物のプラズマ強化熱分解が発生し、その結果、半導体基板４９０上に非晶質炭素層が堆積される。
【００３５】
堆積プロセス
本発明の態様では、図４に関連して上述のプロセスチャンバ４２５などの処理チャンバ内に炭化水素源、プラズマ開始ガス、および希釈ガスを導入するステップを含むプロセスによって、ａ−Ｃ：Ｈ層を堆積させることを企図する。炭化水素源は、１つまたは複数の炭化水素化合物の混合物である。炭化水素源は、気相炭化水素化合物、好ましくはＣ３Ｈ６、および／または液相炭化水素化合物の蒸気とキャリアガスを含むガス混合物を含むことができる。プラズマ開始ガスは、容易にイオン化されるため、ヘリウムであることが好ましいが、アルゴンなどの他のガスを使用することもできる。希釈ガスは、容易にイオン化され、比較的大きくて重く、かつ化学的に不活性のガスである。好ましい希釈ガスには、アルゴン、クリプトン、およびキセノンが含まれる。アルゴンほど大きくて重くないガスは、図５〜１２に関連して以下に記載の膜密度、処理能力、および共形性の有益な改善を実現できないため好ましくない。
【００３６】
さらに、炭化水素化合物の部分的または完全にドープされた誘導体を使用して形成された非晶質炭素層も、本発明の方法からの利益を得ることができる。誘導体には、炭化水素化合物の窒素、フッ素、酸素、ヒドロキシル基、およびホウ素含有誘導体、ならびにそのフッ素化誘導体が含まれる。炭化水素化合物は、窒素を包含することができ、もしくはアンモニアなどの窒素含有ガスとともに堆積させることができ、または炭化水素化合物は、フッ素および酸素などの置換基を有することができる。これらのプロセスはいずれも、本発明の方法によって堆積されたドープされていないａ−Ｃ：Ｈ膜で実証された密度、堆積速度、および共形性の改善からの利益を得ることができる。本発明の態様からの利益を得るプロセスで使用できる炭化水素化合物のドープされた誘導体およびその組合せについてのより詳細な説明は、本発明の譲受人に譲渡された２００５年２月２４日出願の「Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ＣＶＤ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｌｍｓ」という名称の米国特許出願公開第２００５／０２８７７７１号に見ることができる。同願全体を、請求される本発明に矛盾しない限り、参照により本明細書に組み込む。
【００３７】
一般に、炭化水素源内に含むことができる炭化水素化合物またはその誘導体は、式ＣＡＨＢＯＣＦＤによって記述することができる。上式で、Ａは１〜２４の範囲を有し、Ｂは０〜５０の範囲を有し、Ｃは０から１０の範囲を有し、Ｄは０から５０の範囲を有し、ＢとＤの合計は少なくとも２である。適した炭化水素化合物の特定の例には、飽和または不飽和脂肪族、飽和または不飽和脂環式炭化水素、および芳香族炭化水素が含まれる。
【００３８】
脂肪族炭化水素には、たとえば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカンなどのアルカン類、エチレン、プロピレン、ブチレン、ペンテンなどのアルケン類、ブタジエン、イソプレン、ペンタジエン、ヘキサジエンなどのジエン類、アセチレン、ビニルアセチレンなどのアルキン類が含まれる。脂環式炭化水素には、たとえば、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロペンタジエン、トルエンなどが含まれる。芳香族炭化水素には、たとえば、ベンゼン、スチレン、トルエン、キシレン、ピリジン、エチルベンゼン、アセトフェノン、安息香酸メチル、酢酸フェニル、フェノール、クレゾール、フランなどが含まれる。さらに、α−テルピネン、シメン、１，１，３，３，−テトラメチルブチルベンゼン、ｔ−ブチルエーテル、ｔ−ブチルエチレン、メチル−メタクリレート、およびｔ−ブチルフルフリルエーテルを選択することもできる。
【００３９】
炭化水素化合物の適した誘導体の例は、フッ素化アルカン類、ハロゲン化アルカン類、およびハロゲン化芳香族化合物である。フッ素化アルカン類には、たとえば、モノフルオロメタン、ジフルオロメタン、トリフルオロメタン、テトラフルオロメタン、モノフルオロエタン、テトラフルオロエタン類、ペンタフルオロエタン、ヘキサフルオロエタン、モノフルオロプロパン類、トリフルオロプロパン類、ペンタフルオロプロパン類、パーフルオロプロパン、モノフルオロブタン類、トリフルオロブタン類、テトラフルオロブタン類、オクタフルオロブタン類、ジフルオロブタン類、モノフルオロペンタン類、ペンタフルオロペンタン類、テトラフルオロヘキサン類、テトラフルオロヘプタン類、ヘキサフルオロヘプタン類、ジフルオロオクタン類、ペンタフルオロオクタン類、ジフルオロテトラフルオロオクタン類、モノフルオロノナン類、ヘキサフルオロノナン類、ジフルオロデカン類、ペンタフルオロデカン類などが含まれる。ハロゲン化アルケン類には、モノフルオロエチレン、ジフルオロエチレン類、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、モノクロロエチレン、ジクロロエチレン類、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレンなどが含まれる。ハロゲン化芳香族化合物には、モノフルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン類、テトラフルオロベンゼン類、ヘキサフルオロベンゼンなどが含まれる。
【００４０】
アルゴン希釈によるａ−Ｃ：Ｈ堆積プロセスは、ＰＥＣＶＤプロセスである。ａ−Ｃ：Ｈ層は、約１００℃〜約８００℃の基板温度を維持することによって、処理ガスから堆積させることができる。約３００℃〜約４５０℃の温度では、その結果生じる膜の吸収係数を最小にするが、約６００℃〜約８００℃の温度では、堆積された膜の密度を改善する。このプロセスは、約１トル〜約１０トルのチャンバ圧力を維持するステップをさらに含む。チャンバ内に炭化水素源、プラズマ開始ガス、および希釈ガスを導入し、プラズマを開始して堆積を始める。好ましくは、プラズマ開始ガスは、ヘリウムまたは別の容易にイオン化されるガスであり、炭化水素源および希釈ガスの前にチャンバ内に導入され、それによって安定したプラズマを形成することができ、アーク発生の機会を低減させる。好ましい炭化水素源はＣ３Ｈ６であるが、上述のように、所望の膜に応じて、キャリアガス内に同伴される１つまたは複数の気化させた液相炭化水素化合物を含む他の炭化水素化合物を使用することもできる。希釈ガスは、少なくともアルゴンと同程度に大きくて重い任意の希ガスとすることができるが、経済上の理由から、アルゴンが好ましい。プラズマは、ある電力密度のＲＦ電力を約０．７Ｗ／ｃｍ２〜約３Ｗ／ｃｍ２、好ましくは約１．１から２．３Ｗ／ｃｍ２の基板表面領域に印加することによって生成される。電極間隔、すなわち基板とシャワーヘッドの間の距離は、約２００ミリ〜約１０００ミリである。
【００４１】
２重周波数ＲＦシステムを使用して、プラズマを生成することができる。２重周波数は、膜表面に当たるイオンのエネルギーが膜密度に影響を及ぼすため、流束およびイオンエネルギーの独立した制御を提供すると考えられる。高周波のプラズマは、プラズマ密度を制御し、低周波のプラズマは、ウェーハ表面に当たるイオンの運動エネルギーを制御する。混合されたＲＦ電力の２重周波数源は、約１０ＭＨｚ〜約３０ＭＨｚの範囲内、たとえば約１３．５６ＭＨｚの高周波電力、ならびに約１０ＫＨｚ〜約１ＭＨｚの範囲内、たとえば約３５０ＫＨｚの低周波電力を提供する。２重周波数ＲＦシステムを使用してａ−Ｃ：Ｈ膜を堆積させるとき、第２のＲＦ電力と混合された総周波数電力の比は、約０．６対１．０（０．６：１）未満であることが好ましい。印加されたＲＦ電力および１つまたは複数の周波数の使用は、基板寸法および使用される機器に基づいて変動することがある。
【００４２】
アルゴン希釈堆積方法の利益を最大にするためには、炭化水素化合物の量に比べて大量の希釈剤をＰＥＣＶＤチャンバ内に導入することが重要である。しかし、高すぎる流量でチャンバ内に希釈剤を導入しないことも等しく重要である。希釈剤の流量を増大させると、より高密度のａ−Ｃ：Ｈ層を形成することができ、ａ−Ｃ：Ｈ膜に対してさらに高いエッチ選択性をもたらすが、より高い密度では、膜応力もより高くなる。ａ−Ｃ：Ｈ膜の膜応力が非常に高いと、ａ−Ｃ：Ｈ膜と基板表面の乏しい粘着性および／またはａ−Ｃ：Ｈ膜の亀裂などの深刻な問題を引き起こす。したがって、炭化水素化合物に比べて特定のモル比を超えてアルゴンまたは他の希釈剤を添加すると、膜の特性に悪影響を及ぼす。したがって、プロセス窓が存在し、このプロセス窓内で、堆積された膜の所望の特性に応じて、ＰＥＣＶＤチャンバ内へのアルゴン希釈剤のモル流量と炭化水素化合物のモル流量との比が約２：１〜約４０：１で維持されることが好ましい。いくつかのａ−Ｃ：Ｈ膜の堆積では、この比の最も望ましい範囲は約１０：１〜約１４：１である。
【００４３】
３００ｍｍの円形基板を処理する例示的な堆積プロセスでは、プラズマ開始ガスとしてヘリウムを用い、炭化水素源としてＣ３Ｈ６を用い、希釈ガスとしてアルゴンを用いる。ヘリウムの流量は約２００ｓｃｃｍ〜約５０００ｓｃｃｍであり、Ｃ３Ｈ６の流量は約３００ｓｃｃｍ〜３０００ｓｃｃｍであり、アルゴンの流量は約４０００ｓｃｃｍ〜約１００００ｓｃｃｍである。単一周波数ＲＦ電力は、約８００Ｗ〜約１６００Ｗである。このプロセスに対する示強パラメータ、すなわちチャンバ圧力、基板温度などは、上述のとおりである。これらのプロセスパラメータは、ａ−Ｃ：Ｈ層に対して、約２０００Å／分〜約１μｍ／分の範囲内の堆積速度を提供し、密度を約１．２ｇ／ｃｃ〜約２．５ｇ／ｃｃの範囲内にし、消光係数を６３３ｎｍの放射に対して約０．１０から約０．８０にする。当業者であれば、本明細書の開示を読めば、異なる密度、消光係数、または堆積速度のａ−Ｃ：Ｈ膜を作製するための適切なプロセスパラメータを計算することができる。
【００４４】
表１は、３００ｍｍの円形基板上に堆積された２つのａ−Ｃ：Ｈ膜を比較する。
【００４５】
【表１】
2011517848.tif 000003
表１  ２つの堆積法およびその結果生じる膜の比較
【００４６】
膜１は、現在半導体業界の標準的なプロセスと見なされている従来のヘリウムベースの堆積プロセスを使用して堆積された。膜２は、本発明の一態様を使用して堆積された。
【００４７】
表１を参照すると、膜２は、膜１より実質上低い温度で堆積され、炭化水素化合物の流量は膜１の３分の１であった。炭化水素流量がより低いにもかかわらず、膜２はそれでもなお、膜１の速度の２倍を超える速度で堆積された。さらに、膜２の特性は膜１の特性より優れており、すなわち、共形性が大いに改善され、吸収係数が非常に低い。したがって、本明細書に記載の本発明の方法を使用すると、従来のａ−Ｃ：Ｈ層より優れた膜特性を有する非晶質炭素層を、より速い堆積速度で基板表面上に形成することができる。
【００４８】
膜密度の強化
本発明の一実施形態によれば、この方法の１つの重要な利益は、ａ−Ｃ：Ｈ膜の密度、したがってドライエッチ選択性を増大できることである。図５は、アルゴン希釈ガスがａ−Ｃ：Ｈ膜密度に与える影響を実証するグラフである。３つの３００ｍｍの半導体基板５０１〜５０３に対する膜密度を示す。堆積プロセス中の処理チャンバ内へのアルゴンの流量を除いて、チャンバ圧力、無線周波数（ＲＦ）プラズマ電力、炭化水素前駆体、および炭化水素流量を含む３つすべての基板に対する処理条件は同一であった。基板５０１上に堆積中のアルゴン流量は７２００標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）であり、基板５０２および５０３ではそれぞれ８０００ｓｃｃｍおよび８５００ｓｃｃｍに増大された。基板５０１に比べて、基板５０２、５０３に対する膜密度は、その処理中に加えられるより高いアルゴン流量に比例して増大された。これは、炭化水素前駆体の流量またはＲＦプラズマ電力などの他のプロセス変数を変えることなく、比較的大流量のアルゴン希釈剤を添加することによって、非晶質炭素膜の密度を増大できることを示す。
【００４９】
本発明の方法の態様では、ＰＥＣＶＤチャンバ内でプラズマを開始するために、または液相前駆体の化学物質に対するキャリアガスとして働くために必要なものより実質上高流量のアルゴンの使用を企図することに留意することが重要である。たとえば、液相前駆体に対するキャリアガスとして使用されるとき、３００ｍｍのＰＥＣＶＤチャンバ内へのアルゴンの典型的な流量は、約２０００ｓｃｃｍ程度またはそれ以下である。そのようなチャンバ内へのヘリウムの流量は一般に、さらに小さい。対照的に、非晶質炭素膜の密度を増大させるための希釈ガスとしてのアルゴンの所望の流量ははるかに高く、すなわち約７０００ｓｃｃｍより大きい。
【００５０】
ヘリウムイオンの約１０倍大きくて重いアルゴンイオンは、膜成長中に基板の表面にボンバードを行うのにはるかに効果的である。堆積中のアルゴンイオンのボンバードをより強烈にすると、さらに多くのダングリングボンドおよび化学的に活性の部位を生じる可能性が高く、そこにプラズマ内のＣＨ−ラジカルが付着し、それによってより濃度の高い膜を形成することができる。ヘリウムイオンなどのより軽いイオンは、より低い質量に関連して運動量が不足しているため、類似の結果をもたらすことはできない。図６は、希釈ガスのタイプがその結果生じる膜密度に与える影響を示す。２つの基板６０１、６０２上の膜密度を示す。基板６０１の堆積には、希釈ガスとしてアルゴンが使用された。基板６０２の堆積には、ヘリウムが使用された。希釈ガスのタイプを除いて、すべての他のプロセス条件は一定のまま保持された。図６に示すように、ａ−Ｃ：Ｈ密度は、基板６０２より基板６０１の方が実質上高い。
【００５１】
また、他の要因もａ−Ｃ：Ｈ膜に対する堆積された膜密度を有益に増大し、それによってドライエッチ選択性を増大できることが確認された。これらの要因には、高い処理温度、比較的高い比の希釈ガス（アルゴンだけでない）による炭化水素源の希釈、炭化水素源の流量の低下、および処理圧力の低減が含まれる。
【００５２】
膜密度は一般に、堆積温度がより高いと増大される。図７は、堆積温度がその結果生じる膜密度に与える影響を示す。データ点７０１Ａは、単一の組のプロセス条件に対する温度の全体的な影響を示す。データ点７０１Ｂは、上述のように、より高い希釈ガス流量の追加の影響を示す。このデータからの妥当な補外法では、他のプロセス条件に応じて７００℃〜８００℃の温度で約２．５ｇ／ｃｃの密度を有する非晶質炭素膜を実現できることを示唆する。
【００５３】
温度をより高くすると、堆積された膜の吸収係数を増大させるという追加の影響がある。図８はこの強い影響を示す。約４００℃を下回る堆積温度は、可視スペクトル内で約０．１０より小さい吸収係数を有する膜を作製するのに効果的であるが、この係数は、堆積温度が約６００℃を上回ると、急速に上昇して約０．５を上回る。このデータからの妥当な補外法では、７００℃〜８００℃の温度で堆積された非晶質炭素膜は０．６〜０．９の吸収係数を有することを示唆する。
【００５４】
希釈ガスの使用の増大および／または炭化水素源流量の低減により、ａ−Ｃ：Ｈ膜の堆積速度を低下させ、それによってＣＶＤプラズマからのイオンボンバードは、ますます成長する膜を小型化するのにより効果的になることができる。これは、ヘリウムおよび水素を含む複数の希釈ガスに当てはまることが見出されたが、図５に関連して上述したように、これらの２つのガスには、アルゴンおよびより重い希ガスの追加の高密度化能力がない。より低い炭化水素流量が膜密度に与える影響を図９に示す。図９では、３つの異なる基板９０１〜９０３上のａ−Ｃ：Ｈ膜の堆積に対して、それぞれ異なる流量のＣ３Ｈ６が使用される。堆積中、Ｃ３Ｈ６流量を増大させるにつれて、堆積速度がより速くなるが、それに対応して膜が圧縮されないので、膜密度が低下することを示す。したがって、基板９０３上の膜では、堆積中、密度が最も低く、Ｃ３Ｈ６流量が最も高い。
【００５５】
希釈ガスと炭化水素源の比に加えて、チャンバ圧力も膜密度に相当な影響を及ぼす。プラズマ内のイオンエネルギーはシース電圧に直接比例し、基板の両端間のシース電圧は、圧力を低下させるにつれて増大するので、圧力を低下させるにつれて膜密度は増大すると予期することができる。これを図１０に示す。図１０では、３つの異なる基板１００１〜１００３上のａ−Ｃ：Ｈ膜の堆積に対して、それぞれ異なるプロセス圧力が使用される。より低い圧力プラズマ内でより活発なイオンが見られるので、プロセス圧力を増大させるにつれて、膜密度が低下することを示す。
【００５６】
堆積速度の改善
本発明の方法の別の利点は、ａ−Ｃ：Ｈ膜の堆積速度の著しい改善である。通例では、膜密度と堆積速度の間にトレードオフが存在し、標準的な、すなわちヘリウムベースの堆積プロセスでは、より高密度のａ−Ｃ：Ｈ膜を作製するように堆積パラメータを調整することができるが、これは処理能力を著しく低減させることによってのみ行われる。たとえば、図９に関連して上述のように、炭化水素前駆体の流量が低減されると、より高密度のａ−Ｃ：Ｈ膜が堆積されるが、それに対応して堆積速度も低減される。したがって、その結果生じる膜は所望の密度を有することができるが、そのような膜を基板上に堆積させるには制限的に長いプロセス時間が必要とされるため、そのような堆積プロセスは商業的に実行可能でない可能性がある。
【００５７】
本発明の方法は、高密度の膜とそのような膜の比較的速い堆積速度の両方を可能にする。標準的なヘリウムベースのＰＥＣＶＤプロセスと比較すると、希釈ガスとしてアルゴンが大量に使用されるとき、ａ−Ｃ：Ｈ膜の堆積速度は大いに増大される。図９に関連して上述のように、炭化水素源を希釈する結果、膜がより高密度になり、堆積速度がより遅くなる。膜密度を増大させることに加えて、アルゴンを追加すると堆積速度も著しく上昇させる。
【００５８】
図１１は、ａ−Ｃ：Ｈ膜を堆積させるプロセス中に高流量の希釈剤として重希ガス、たとえばアルゴンを導入することによって得られる堆積速度の改善を示す。３つの異なる基板１１０１〜１１０３上で、それぞれ３つの希釈ガスの堆積速度が比較される。希釈ガス流量は、３つすべての基板に対して８０００ｓｃｃｍで一定のまま保持された。基板１１０１の堆積にはアルゴン希釈剤が使用され、基板１１０２にはヘリウムが使用され、基板１１０３には水素が使用された。すべての他のプロセス条件は、３つすべての基板に対して同一であった。ＨｅまたはＨ２希釈剤と比較すると、アルゴン希釈剤では、堆積速度が３倍を超えて増大した。図５および６に関連して上述のように、容易にイオン化されるがはるかに大きくて重いアルゴン原子は、その上のＣ−Ｈ結合を切断することによって、ａ−Ｃ：Ｈ膜の表面上により多くの反応性部位を生じることができ、入ってくるラジカルが膜表面に付着する確率を増大させる。さらに、大流量の容易にイオン化されるガス、たとえばアルゴンにより、プラズマ密度がより高くなり、したがって気相内でより多くの−ＣＨｘラジカルを生じることができる。同時に、アルゴン希釈剤に関連して反応性プラズマがより多くなり、また反応性膜表面がより多くなると、速い堆積速度と高い膜密度の有益な組合せにつながる。
【００５９】
さらに、アルゴン希釈剤のために、プラズマ内により多くの−ＣＨｘラジカルが存在することと膜の表面上により多くの反応性部位が存在することとを組み合わせると、アルゴン希釈プロセスで観察される化学的性質の利用の相当な改善についても説明される。望ましくない炭化水素残留物としてＰＥＣＶＤチャンバのすべての内部表面上に堆積させるのではなく、炭化水素材料の大部分は、アルゴン希釈プロセスで、基板表面上に効率的に堆積される。基板上へのこの優先的な堆積は、主な生産性の向上につながる。アルゴン希釈プロセスに対するチャンバ清浄時間は、ＰＥＣＶＤチャンバ内の残留物蓄積が低減されるため、ヘリウムまたは水素希釈プロセスと比較するとはるかに短い。清浄時間がより短いと、より少ない時間が基板の処理間のチャンバの清浄化に費やされるため、ＰＥＣＶＤチャンバの処理能力を増大させる。さらに、ＰＥＣＶＤチャンバの内部表面から剥離する炭化水素残留物に起因する基板の粒子汚染もまた、アルゴン希釈プロセスの化学的性質の利用を改善することによって大いに低減される。ＰＥＣＶＤチャンバ内部の残留物蓄積がより少ないということは、チャンバ内で処理される基板の粒子汚染がより少ないということに等しい。
【００６０】
共形性の改善
本発明の方法の別の主な利点は、図１２に示すように、他のａ−Ｃ：Ｈ堆積プロセスと比べて共形性が強化されることである。図１２は、フィーチャ１２０１とその上に形成された非晶質炭素層１２０２とをもつ基板１２００の概略横断面図を示す。非晶質炭素層１２０２は、本発明の方法を使用して堆積された膜の典型的な外観を示す。定性的には、非晶質炭素層１２０２は、共形性が高く、フィーチャ１２０１の側壁１２０４および床１２０３を完全に覆う。定量的には、非晶質炭素層１２０２は、約２０〜３０％程度の共形性を有することができる。共形性は、側壁１２０４上に堆積された非晶質炭素層１２０２の平均厚さＳと基板１２００の上部表面１２０５上の非晶質炭素層１２０２の平均厚さＴとの比として定義される。図２を再び参照すると、水素またはヘリウム希釈プロセスで堆積された膜の全体的な外観を示す非共形の非晶質炭素層２０２は通常、約５％の共形性を有する。図２の非共形の非晶質炭素層２０２と図１２の非晶質炭素層１２０２の堆積プロファイルを比較すると、アルゴン原子の軌道には、水素またはヘリウムイオンほど指向性がないことを示唆する。プラズマ内に存在する気相種は、他の希釈剤と比較するとアルゴン希釈剤では異なることも可能である。アルゴン希釈プロセスによる基板表面上の−ＣＨｘラジカルの付着確率がより高いことと組み合わせて、これらの要因の結果、図１２に図示のように共形性が改善される。
【００６１】
より低温のプロセス
アルゴン希釈プロセスの別の利点は、より低温のプロセスを使用して、所望の密度および透過性をもつａ−Ｃ：Ｈ層を作製できることである。通例では、堆積中のより高い基板温度は、より高密度の膜の形成を促すために使用されるプロセスパラメータである。アルゴン希釈プロセスは、上述の理由で密度をすでに増大させているので、堆積中に基板温度を、たとえば約３００℃まで低減させて、それでもなお、所望の密度、すなわち約１．２ｇ／ｃｃから約１．８ｇ／ｃｃの膜を作製することができる。したがって、アルゴン希釈プロセスは、約０．０９まで低い吸収係数をもつ比較的高密度の膜を作製することができる。さらに、一般には、プロセスの熱量を下げて、その上に形成されたデバイスをドーパント移動から保護するため、すべての基板に対してより低い処理温度が望ましい。
【００６２】
別法として、アルゴン希釈プロセスは、必要な透過性内でさらに高密度の膜を作る特性を提供する。たとえば、６００℃から８００℃などのより高温で、最高約２．５ｇ／ｃｃの密度を有する非晶質炭素膜を作製することができる。堆積温度をより高くすると透過性が下落するが、これらの条件下で、可視スペクトル内で約１．０以下の吸収係数を有する膜を作製することができる。
【００６３】
粒子低減のための堆積後の終了プロセス
ａ−Ｃ：Ｈ膜のＰＥＣＶＤ堆積中、−ＣＨｘ種の気相重合のため、バルクプラズマ内にナノ粒子が生成される。これらの粒子は、プラズマ内で自然に負電荷を取得し、したがって堆積中もプラズマ内に浮遊したままである。しかし、ＲＦ電力が切られてチャンバ内でプラズマが消滅すると、これらの粒子は、ポンプダウン中の重力および粘性抵抗力のため、基板表面上に落下する傾向がある。ポンプダウンステップ前に、これらの粒子をチャンバから確実に流し出すことが非常に重要である。これは、膜堆積が終了した後、すなわち炭化水素源の流れが止められた後、ある期間にわたってチャンバ内でプラズマを維持することによって実現することができる。堆積時間で、堆積プロセス中に生成される粒子の寸法および数が決まるため、この終了ステップに対する時間は、堆積プロセスの持続時間に応じて変動する。一般に、堆積プロセスをより長くすると、バルクプラズマ内により多くかつより大きな粒子をもたらす。堆積後の終了ステップの最適の持続時間は、約５秒〜約２０秒である。また、プラズマ維持ガスは、シャワーヘッドをスパッタリングすることによって粒子の生成を最小にするために、ヘリウムまたは水素などの軽いガスであることが好ましい。ＲＦ電力は、堆積後の終了ステップ中、安定したプラズマを安全に維持してアーク発生を回避するのに必要な最小レベルまで低減されることが好ましい。基板表面のエッチングまたはシャワーヘッドのスパッタリングなど、基板に及ぼす可能性のある悪影響のため、より活発なプラズマは望ましくない。
【００６４】
さらに、バルク堆積ステップおよび／または堆積後の終了ステップ中にプラズマをＨ２でドープすると、粒子性能がさらに改善されることを見出した。水素原子は、停止結合剤として働くことができるため、プラズマ内に存在する気相種を不活性化し、これらが互いに結合して望ましくないナノ粒子に成長することを防止することができる。さらに、Ｈ＋イオンは、ナノ粒子と化学反応してその後の断片化を発生させることによって、現存のナノ粒子の寸法を低減させることができる。その際、ａ−Ｃ：Ｈ膜の堆積後に基板上で検出された粒子は、より薄いａ−Ｃ：Ｈ膜、たとえば７０００Åの場合、２分の１を上回って低減された。より厚いａ−Ｃ：Ｈ膜、たとえば約１μｍの場合、検出された粒子の数は、水素のドープにより１桁低減された。堆積後の終了ステップの好ましい態様では、プラズマ開始ガスのモル流量と水素ガスのモル流量の比は、約１：１〜約３：１である。チャンバ内の水素がより高濃度になると堆積される膜に悪影響を及ぼす可能性があるため、このプロセスステップ中に水素の流量をより高くすることは望ましくない。バルク堆積プロセスでは、希釈ガスのモル流量と水素ガスのモル流量の好ましい比は、約２：１〜４：１である。水素の濃度をより高くする結果、粒子はより侵略的に低減されるが、ａ：Ｃ−Ｈ膜の共形性を劣化させることもある。水素は、炭化水素源のモル流量の最高約２０倍のモル流量で提供することができる。また、いくつかの実施形態では、水素がまったく提供されないことがあり、したがって、水素のモル流量と炭化水素源のモル流量の比は０になる。
【００６５】
一例では、厚さ７０００Åのａ−Ｃ：Ｈ膜が基板上に堆積されるとき、堆積後の終了ステップを使用して、３００ｍｍの基板の表面を汚染する粒子の数を低減させる。堆積プロセス後、炭化水素源、この例では６００ｓｃｃｍのＣ３Ｈ６の流れが止められる。しかし、ＲＦ電力は停止されず、代わりに、チャンバ内で安定したプラズマを維持するのに必要なレベルまで低減される。この例では、ＲＦ電力は、約１２００Ｗから約２００〜５００Ｗに低減される。この例ではヘリウムであるプラズマ開始ガスの連続する流れに加えて、Ｈ２がチャンバ内に導入される。水素ガスの流量は約１０００〜２０００ｓｃｃｍであり、ヘリウムの流量は約４０００〜６０００ｓｃｃｍである。平均して、上記の堆積後の終了プロセスを使用して３００ｍｍの基板の表面上で検出された０．１２μｍを超える粒子の数は、１５未満である。対照的に、堆積後の終了ステップが使用されないときに基板上で検出された０．１２μｍを超える粒子の数は一般に、約３０より大きい。
【００６６】
上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他のさらなる実施形態を考案することができ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
2011517848.tif 000004
【図２】
2011517848.tif 000005
【図３】
2011517848.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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