(57)【要約】  本開示の実施態様は、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスを使用して、基板上に以前に形成された層の上を含めた基板上にアモルファスカーボン層を堆積させるための方法に関する。特に、ここに記載される方法は、ｓｐ３（ダイヤモンド状）炭素対ｓｐ２（グラファイト状）炭素の比率が高いアモルファスカーボン層を堆積させるプラズマを生成するために、ＲＦ  ＡＣ電力とパルスＤＣ電力の組み合わせを利用する。これらの方法はまた、より低い処理圧力、より低い処理温度、及びより高い処理能力を提供し、これらの各々は、単独で又は組み合わせて、堆積されたアモルファスカーボン層中のｓｐ３カーボンの相対的分画をさらに増加させうる。より高いｓｐ３炭素分画の結果として、ここに記載される方法は、従来の方法によって堆積されるアモルファスカーボン層と比較して、改善された密度、剛性、エッチング選択性、及び膜応力を有するアモルファスカーボン層を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する方法であって、
処理チャンバの処理容積内に配置された基板支持体上に基板を位置決めすること、
炭化水素ガス及び希釈ガスを含むプロセスガスを処理容積中へ流すこと、
処理容積を約１００ｍＴｏｒｒ未満の圧力に維持すること、
プロセスチャンバの第１の電極に第１の電力を印加し、プロセスチャンバの第２の電極に、パルスＤＣ電力である第２の電力を印加することによって、プロセスガスのプラズマを形成すること、
基板支持体を約３５０℃未満の温度に維持すること、
基板の表面をプラズマに曝すこと、及び
基板の表面上にアモルファスカーボン層を堆積させること
を含む方法。
【請求項２】
アモルファスカーボン層が、約１．８ｇ／ｃｍ３を上回る密度を有し、且つ約１５０ＧＰａを上回るヤング率を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アモルファスカーボン層が、約５００ＭＰａ未満の膜応力を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
炭化水素ガスが、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ６、Ｃ４Ｈ８、５Ｈ１０、又はこれらの組み合わせのうちの一つを含み、炭化水素ガスと希釈ガスの流量比が約１：１０から約１０：１の間である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
温度が約１００℃未満であり、圧力が約２０ｍＴｏｒｒ未満である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
希釈ガスがＨ２を含み、Ｈ２と炭化水素ガスの流量比が約０．５：１と約１：１０の間である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
第１の電力が、約５００Ｗと５ｋＷの間のＲＦ  ＡＣ電力であり、周波数が、約３５０ｋＨｚと約１００ＭＨｚの間であり、第２の電力が、約２００Ｗと約１５ｋＷの間であり且つ約１ｋＨｚの周波数でパルス化される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１の電極が基板支持体内に配置され、第２の電極が基板支持体の反対側に配置され、第２の電極がシャワーヘッドである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
第２の電極が基板支持体内に配置され、第１の電極が基板支持体の反対側に配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
基板を処理する方法であって、
処理チャンバの処理容積内に配置された基板支持体上に基板を位置決めすること、
炭化水素ガス及び希釈ガスを含むプロセスガスを処理容積中へ流すこと、
処理容積を約２０ｍＴｏｒｒ未満の圧力に維持すること、
プロセスチャンバの第１の電極にＲＦ  ＡＣ電力を印加することであって、ＲＦ  ＡＣ電力が約５００Ｗと５ｋＷの間であり、周波数が約３５０ｋＨｚと約１００ＭＨｚの間である、第１の電極にＲＦ  ＡＣ電力を印加することと、プロセスチャンバの第２の電極にパルス化ＤＣ電力を印加することであって、パルス化ＤＣ電力が約２００Ｗと約１５ｋＷの間である、第２の電極にパルス化ＤＣ電力を印加することとにより、プロセスガスのプラズマを形成すること、
基板支持体を約１００℃未満の温度に維持すること、
基板の表面をプラズマに曝すこと、及び
基板の表面上にアモルファスカーボン層を堆積させること
を含む方法。
【請求項１１】
炭化水素ガスが、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ６、Ｃ４Ｈ８、Ｃ５Ｈ１０、又はこれらの組み合わせのうちの一つを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
希釈ガスがＨ２を含み、Ｈ２と炭化水素ガスの流量比が約０．５：１と約１：１０の間である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第２の電極が基板支持体内に配置され、第１の電極が基板支持体の反対側に配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
約１．８ｇ／ｃｍ３を上回る密度、約１５０ＧＰａを上回るヤング率、及び約５００ＭＰａ未満の膜応力を有する、基板の表面上に配置されたアモルファスカーボン層
を備えたカーボンハードマスク。
【請求項１５】
アモルファスカーボン層が、それを貫通して形成された複数の開口を有し、複数の開口の各々が、約２：１を上回る高さ対幅の比を有する、請求項１４に記載のカーボンハードマスク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施態様は、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスを使用して、基板上に以前に形成された層の上を含め、基板上にアモルファスカーボン層を堆積させるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アモルファスカーボンから形成されるカーボンハードマスクは、基板表面又はその材料表面層に高アスペクト比の開口（例えば、高さと幅の比が２：１以上）を形成する際のエッチングマスクとして半導体装置の製造に使用される。一般に、目詰まり、孔形状の歪み、パターン変形、上部限界寸法ブローアップ、ライン曲げ、及びプロファイルバウイングを含む、高アスペクト比開口の形成に関連する加工の問題は、従来の堆積されたカーボンハードマスクの望ましくない材料特性の結果である。例えば、より低い材料密度及びより低い材料剛性（すなわち、ヤング率）の一方又は両方を有するカーボンハードマスクは、より高い密度又はより高い剛性を有するハードマスク材料と比較したとき、高アスペクト比開口の変形を増大させることが知られている。
【０００３】
同様に、ハードマスク材料と基板材料との間のエッチング選択性の低下は、より高いエッチング選択性を示すハードマスクと比較して、スリットパターンの変形及びライン曲げの増大を引き起こしうる。同様の問題が、高い膜応力（圧縮又は張力）によって引き起こされうる。さらに、限界寸法（ＣＤ）が縮小し、高アスペクト比開口の大きさが増大するにつれて、高アスペクト比開口を形成するために使用される従来の堆積カーボンハードマスクの厚さも増大する。残念ながら、低い光学Ｋ及び増加した厚さのうちの一方又は両方に起因して、より低い透明度を有するハードマスクは、後続のフォトリソグラフィプロセスにおいて不整合を引き起こしうる。さらに、ハードマスク材料とその下に位置する基板材料との間のエッチング選択性がより低いプロセスは、多くの場合、処理時間及びコストを増加させる相対的により厚いハードマスクに依存する。
【０００４】
したがって、当技術分野で必要とされているのは、改善されたハードマスク及び改善されたハードマスクを形成する方法である。
【発明の概要】
【０００５】
一実施態様において、基板を処理する方法が提供される。この方法は、処理チャンバの処理容積内に配置された基板支持体上に基板を位置決めすることを含む。この方法は、炭化水素ガス及び希釈ガスを含むプロセスガスを処理容積中へ流すことをさらに含む。この方法は、処理容積を約１００ｍＴｏｒｒ未満の圧力に維持することをさらに含む。この方法は、プロセスチャンバの第１の電極に第１の電力を印加し、プロセスチャンバの第２の電極に、パルスＤＣ電力である第２の電力を印加することによって、プロセスガスのプラズマを形成することをさらに含む。この方法は、基板支持体を約３５０℃未満の温度に維持することをさらに含む。この方法は、基板の表面をプラズマに曝すことをさらに含む。この方法は、基板の表面上にアモルファスカーボン層を堆積させることをさらに含む。
【０００６】
別の実施態様では、基板を処理する方法が提供される。この方法は、処理チャンバの処理容積内に配置された基板支持体上に基板を位置決めすることを含む。この方法は、炭化水素ガス及び希釈ガスを含むプロセスガスを処理容積中へと流すことをさらに含む。この方法は、処理容積を約２０ｍＴｏｒｒ未満の圧力に維持することをさらに含む。この方法は、プロセスチャンバの第１の電極にＲＦ  ＡＣ電力を印加することによって、プロセスガスのプラズマを形成することであって、ＲＦ  ＡＣ電力が約５００Ｗと５ｋＷの間であり、周波数が約３５０ｋＨｚと約１００ＭＨｚの間である、第１の電極にＲＦ  ＡＣ電力を印加することと、プロセスチャンバの第２の電極にパルス化ＤＣ電力を印加することであって、パルス化ＤＣ電力が約１ｋＨｚの周波数でパルス化された約２００Ｗと約１５ｋＷの間である、第２の電極にパルス化ＤＣ電力を印加することとをさらに含む。この方法は、基板支持体を約１００℃未満の温度に維持することをさらに含む。この方法は、基板の表面をプラズマに曝すことをさらに含む。この方法は、基板の表面上にアモルファスカーボン層を堆積させることをさらに含む。
【０００７】
別の実施態様では、カーボンハードマスクが提供される。カーボンハードマスクは、基板の表面上に配置されたアモルファスカーボン層を含む。アモルファスカーボン層は、約１．８ｇ／ｃｍ３を上回る密度、約１５０ＧＰａを上回るヤング率、及び約５００ＭＰａ未満の膜応力を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本開示の上述の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約されている本開示のより詳細な説明が、実施態様を参照することによって得られ、それらの実施態様の一部は添付図面に示されている。しかしながら、添付図面は本開示の典型的な実施態様のみを示すものであり、したがって、本開示の範囲を限定するものと見なすべきではなく、本開示は他の等しく有効な実施態様も許容しうることに留意されたい。
【０００９】
【図１】一実施態様による、ここに記載される方法を実施するために使用される例示的な処理チャンバの概略断面図である。
【図２】一実施態様による、アモルファスカーボン層を堆積させる方法のフロー図である。
【図３】一実施態様による、図２に示される方法に従って堆積されたアモルファスカーボン層から形成されたカーボンハードマスクを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の実施態様は、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスを使用して、基板上に以前に形成された層の上を含め、基板上にアモルファスカーボン層を堆積させるための方法に関する。特に、ここに記載される方法は、ｓｐ３（ダイヤモンド状）炭素対ｓｐ２（グラファイト状）炭素の比率が高いアモルファスカーボン層を堆積させるプラズマを生成するために、ＲＦ  ＡＣ電力とパルスＤＣ電力との組み合わせを利用する。これらの方法はまた、より低い処理圧力、より低い処理温度、及びより高い処理能力を提供し、これらの各々は、単独で又は組み合わせて、堆積されたアモルファスカーボン層中のｓｐ３カーボンの相対的分画をさらに増加させうる。より高いｓｐ３炭素分画の結果として、ここに記載される方法は、従来の方法によって堆積されるアモルファスカーボン層と比較して、改善された密度、剛性、エッチング選択性、及び膜応力を有するアモルファスカーボン層を提供する。
【００１１】
図１は、一実施態様による、ここに規定される方法を実施するために使用される例示的な処理チャンバ１００の概略断面図である。ここに記載される方法を実施するために使用されうる他の例示的な処理チャンバには、カリフォルニア州サンタクララに居所を有する本出願人から入手可能なＲＡＤＩＯＮＴＭ、ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）、及びＳＹＭ３ＴＭ処理装置、並びに他の製造者による適切な堆積チャンバが含まれる。
【００１２】
処理チャンバ１００は、リッドアセンブリ１０１、側壁１０２、及びチャンバベース１０４を含む。リッドアセンブリ１０１は、チャンバリッド１０６、チャンバリッド１０６に結合されて電気通信するシャワーヘッド１０７、及びチャンバリッド１０６と側壁１０２との間に配置される電気絶縁リング１０８を含む。シャワーヘッド１０７、側壁１０２、及びチャンバベース１０４は、一緒になって処理容積１０５を画定する。一実施態様において、チャンバリッド１０６及びシャワーヘッド１０７は、アルミニウムなどの導電性材料から形成される。ガス入口１０９は、チャンバリッド１０６を貫通して配置され、ガス源１１０に流体的に結合されている。シャワーヘッド１０７は、それを貫通して配置された複数の開口１１１を有し、ガス源１１０から処理容積１０５中へ処理ガスを均一に分配するために使用される。他の実施態様では、処理チャンバ１００はシャワーヘッド１０７を含まず、処理ガスは、チャンバリッド１０６又は側壁１０２を貫通して配置された一又は複数のガス入口を通って処理容積１０５に送達される。
【００１３】
処理容積１０５は、処理容積１０５を大気圧未満の状態に維持し、処理中に処理ガス及び他のガスをそこから排出する真空出口１１４を通して、一又は複数の専用真空ポンプとすることができる真空源１１２に流体的に結合される。処理容積１０５内に配置された基板支持体１１５は、チャンバベース１０４を通って延びる可動支持軸１１６上に配置される。ここでは、処理チャンバ１００は、基板処理中にドア又はバルブ（図示しない）でシールされる一又は複数の側壁１０２のうちの一つの開口１１８を通して基板支持体１１５への及び基板支持体１１５からの基板１１７の移送を容易にするように構成される。
【００１４】
基板１１７は、ヒータ１１９及び一又は複数の冷却チャネル１２０の一方又は両方を使用して、所望の処理温度に維持される。ヒータ１１９は、抵抗加熱器であってよく、一又は複数の冷却チャネルは、基板支持体１１５内に配置される。一又は複数の冷却チャネル１２０は、比較的高い電気抵抗を有する冷媒源又は修正水源などの冷却剤源（図示しない）に流体的に結合される。ヒータ１１９は、ヒータ１１９に電力を供給し且つ基板支持体１１５の温度を上昇させるように構成された電源（図示しない）と電気通信している。
【００１５】
いくつかの実施態様では、一又は複数の電極１２４が、基板支持体１１５の誘電体材料に埋め込まれる。一又は複数の電極は、電源１２１に電気的に結合される。電源１２２は、シャワーヘッド１０７に電気的に結合される。シャワーヘッドを含まない実施態様の場合、電源１２２はリッドアセンブリ１０６に電気的に結合される。電源１２１及び１２２の各々は、連続波（ＣＷ）ＲＦ電源、パルスＲＦ電源、ＤＣ電源、及び／又はパルスＤＣ電源とすることができる。一実施態様では、電源１２１はＣＷ  ＲＦ電源であり、電源１２２はパルスＤＣ電源である。別の実施態様では、電源１２１はパルスＤＣ電源であり、電源１２２はパルスＲＦ電源である。二つの電源１２１及び１２２のみが示されているが、必要に応じて、それよりも多くの電源が基板支持体１１５又はリッドアセンブリ１０１の電極に結合されてもよいと考えられる。例えば、パルスＤＣ電源は、リッドアセンブリ１０１内の電極に結合されたＲＦ電源と共に、基板支持体１１５及びリッドアセンブリ１０１の両方の電極に結合されてよい。
【００１６】
一実施態様において、プラズマ１２３は、電源１２２からリッドアセンブリ１０１内の一又は複数の電極にＲＦ電力を供給することによって処理容積１０５内に形成及び維持され、それによって容量結合プラズマ１２３が生成される。次に、プラズマ１２３は、電源１２１から、基板支持体１１５内に配置された一又は複数の電極にＤＣ電力を供給することによって修正される。別の実施態様では、プラズマ１２３は、電源１２１からのＲＦ電力によって形成及び維持され、電源１２２からのＤＣ電力によって修正される。
【００１７】
図２は、一実施態様による、基板の表面上にアモルファスカーボン層を堆積させる方法２００のフロー図である。工程２０１において、方法２００は、基板を基板支持体上に位置決めすることを含む。基板支持体は、図１に記載される処理チャンバ１００などの処理チャンバの処理容積内に配置される。工程２０２において、方法２００は、処理ガスを処理容積中へと流すことを含む。処理ガスは、炭化水素ガスなどの炭素源ガス、例えばＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ６、Ｃ４Ｈ８、Ｃ５Ｈ１０、又はこれらの組み合わせを含み、処理ガスは、希釈ガス、例えばＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、又はこれらの組み合わせといった不活性ガスも含む。いくつかの実施態様では、希釈ガスは、貴ガス、Ｎ２、Ｈ２、又はこれらの組み合わせなどの不活性ガスを含む。
【００１８】
いくつかの実施態様では、炭化水素ガスの流量と希釈ガスの流量との比は、約１：１０と約１０：１の間、例えば約１：５と約５：１の間である。例えば、一実施態様では、Ｃ２Ｈ２の流量とＨｅの流量の比は、約１：３と約３：１の間である。いくつかの実施態様では、希釈ガスはＨ２を含み、Ｈ２の流量と炭化水素ガスの流量の比は、約０．５：１と約１：１０の間、例えば約１：１と約１：５の間である。
【００１９】
工程２０３において、方法２００は、約０．１ｍＴｏｒｒと約１００ｍＴｏｒｒの間、例えば約０．１ｍＴｏｒｒと約５０ｍＴｏｒｒの間、又は約０．１ｍＴｏｒｒと約３０ｍＴｏｒｒの間、又は約０．１ｍＴｏｒｒと約２０ｍＴｏｒｒの間、又は約０．１ｍＴｏｒｒと約１５ｍＴｏｒｒの間、又は約０．１ｍＴｏｒｒと約１０ｍＴｏｒｒの間、又は約１００ｍＴｏｒｒ未満、又は約５０ｍＴｏｒｒ未満、又は約２０ｍＴｏｒｒ未満、又は約１５ｍＴｏｒｒ未満、又は約１０ｍＴｏｒｒ未満の処理圧力に処理容積を維持することを含む。
【００２０】
工程２０４において、方法２００は、処理チャンバの第１の電極に第１の電力を印加し、処理チャンバの第２の電極に、パルスＤＣ電力である第２の電力を印加することによって処理ガスのプラズマを形成し、維持することを含む。一実施態様では、第１の電極は、基板支持体内に配置される。別の実施態様では、第１の電極は、処理チャンバのシャワーヘッド又はチャンバリッド内など、基板支持体の反対側に配置される。一実施態様では、第１の電力は、約５００Ｗと約５ｋＷの間、例えば約２５００ＷのＲＦ  ＡＣ電力である。第１の電力は、約３５０ｋＨｚと約１００ＭＨｚの間、例えば２ＭＨｚ又は１３．５６ＭＨｚの周波数を有する。
【００２１】
一実施態様において、第２の電極は、基板支持体内に配置される。別の実施態様では、第２の電極は、基板支持体の反対側に配置される。一実施態様において、第２の電極はシャワーヘッドである。一実施態様において、第２の電力は、約２００Ｗと約１５ｋＷの間である。別の実施態様では、第２の電力は、約１ｋＨｚの周波数でパルス化される。別の実施態様では、第２の電力は、約５０％のデューティサイクルを有する。
【００２２】
上述のように、基板支持体からパルスＤＣ電力を供給すると、プラズマ内のイオンエネルギーの均一性が高まり、次に堆積されたアモルファスカーボン層中のｓｐ３カーボンの濃度が上昇すると考えられる。図３を参照して以下に記載するように、より高いｓｐ３濃度を有するアモルファスカーボン層は、従来の堆積アモルファスカーボン層と比較して、より高い密度、より高いヤング率、及びより低い膜応力などの望ましい特性を示す。さらに、上述したように、基板支持体の反対側、例えばシャワーヘッドのような第２の電極にパルスＤＣ電力を供給すると、第２の電極からの二次電子放出が増加し、堆積されたアモルファスカーボン層の膜応力をさらに低減することができると考えられる。
【００２３】
工程２０５において、方法２００は、基板支持体、したがってその上に配置された基板を、約−５０℃と約３５０℃の間、例えば約−５０℃と約１５０℃の間、約−５０℃と約１００℃の間、約−５０℃と約５０℃の間、約−２５℃と約２５℃の間の温度、又は約３５０℃未満、例えば約２００℃未満、約１５０℃未満、１００℃未満、又は約５０℃未満の温度に維持することを含む。
【００２４】
工程２０６において、方法２００は、基板の表面をプラズマに曝すことを含む。工程２０７において、方法２００は、基板の表面上にアモルファスカーボン層を堆積させることを含む。
【００２５】
図２は、フロー図の一例を示すが、方法２００の変形が企図されることに留意されたい。例えば、工程２０５は、工程２０２、２０３、又は２０４の前に行われてよい。さらに、工程２０２〜２０７のうちの一又は複数が同時に行われてもよい。
【００２６】
図３は、一実施態様による、図２に示される方法に従って堆積されたカーボンハードマスク３０３を示す。パターン化されたカーボンハードマスクとして示されているカーボンハードマスク３０３は、基板３０１のパターン化対象表面上に配置された、その中に複数の開口３０４が形成されているアモルファスカーボン層３０２を含む。基板３０１又はその一又は複数の材料層は、結晶シリコン、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、ストレインドシリコン、シリコンゲルマニウム、タングステン、窒化チタン、ドープ又は非ドープポリシリコン、炭素ドープ酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープシリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ガラス、サファイア、及び低誘電率誘電体材料のうちの一又はそれらの組み合わせから形成される。
【００２７】
アモルファスカーボン層３０２は約１ｋAと約４０ｋAの間、例えば約１０ｋAと約４０ｋAの間、又は約１０ｋAと約３０ｋAの間の厚さ、約１．８ｇ／ｃｍ３を上回る密度、及び約１５０ＧＰａを上回るヤング率を有する。一実施態様において、アモルファスカーボン層３０２は、約５００ＭＰａ未満の張力又は圧縮膜応力を有する。いくつかの実施態様では、開口３０４の各々は、約２：１を上回る、例えば、約３：１を上回る、約４：１を上回る、約５：１を上回る、約６：１を上回る、約７：１を上回る、約８：１を上回る、約９：１を上回る、又は約１０：１を上回るアスペクト比（すなわち、高さ３０６対幅３０５の比）を有する。
【００２８】
ここに記載される方法及びそのような方法に従って堆積されたアモルファスカーボン層は、カーボンハードマスクの用途に望ましい特性を示す。堆積されたアモルファスカーボン層は、ｓｐ３（ダイヤモンド状）炭素対ｓｐ２（グラファイト状）炭素の高い比率を示す。これらの方法はまた、より低い処理圧力、より低い処理温度、及びより高い処理能力を提供し、これらの各々は、単独で又は組み合わせて、堆積されたアモルファスカーボン層中のｓｐ３カーボンの相対的分画をさらに増加させうる。より高いｓｐ３炭素分画の結果として、ここに記載される方法は、従来の方法によって堆積されるアモルファスカーボン層と比較して、改善された密度、剛性、エッチング選択性、及び膜応力を有するアモルファスカーボン層を提供する。
【００２９】
以上の説明は本開示の実施態様を対象としているが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく本開示の他の実施態様及びさらなる実施態様が考案されてもよく、本開示の範囲は、特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
2021523558.tif 000003
【図２】
2021523558.tif 000004
【図３】
2021523558.tif 000005
【国際調査報告】
2021523558.tif 000006
2021523558.tif 000007