CN103035513A

CN103035513A - 无定形碳膜的形成方法

Info

Publication number: CN103035513A
Application number: CN2011102960971A
Authority: CN
Inventors: 邓浩; 张彬
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: CN103035513B

Abstract

一种无定形碳膜的形成方法。所述方法包括在基材上形成无定形碳膜之后，进行碳离子注入和退火处理。所述离子注入的原材料包括C₁₆H₁₀或者C₇H₇；离子束的剂量范围包括5E15～8E15/cm²；注入的能量范围包括5Kev～6Kev。所述退火处理的保护气体为氮气或者氦气；退火处理的时间范围包括30分钟～60分钟；退火处理的温度范围包括400～550℃。本发明无定形碳膜的形成方法，有效地提高了无定形碳膜的性能，避免了对后续半导体制程的不良影响，进而提高了半导体器件的性能。

Description

无定形碳膜的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种无定形碳膜的形成方法。

背景技术

含氢无定形碳膜(Hydrogenated amorphous carbon，a-C:H)又称为类金刚石碳膜(Diamond-Like Carbon)，因其具有高硬度、高强度、高导热、高电阻率、高抗辐射、高化学稳定性、低摩擦系数以及红外光学波段良好的透过率等优良性能而备受关注。在半导体衬底上形成精细图案时，为了获得较高分辨率以及精确的图案化，通常使用无定形碳膜作为硬掩模。

无定形碳膜可以通过已知的CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)法和PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)法，例如等离子体CVD、离子镀和溅射而形成。但是，在以溅射为代表的PVD法中，无定形碳膜的形成具有方向性。因此，为形成均匀的无定形碳膜，必须采取措施将基材进行旋转或者将多个靶放入装置中。这种形成无定形碳膜的装置结构复杂、价格本昂贵，并且有时难以根据基材的形状形成无定形碳膜。等离子体CVD法能够在基材上形成均匀的无定形碳膜，而与基材的形状无关，并且等离子体CVD法由反应气体形成无定形碳膜，其装置结构简单且价格低廉。因此，现有技术通常采用等离子体CVD法形成无定形碳膜，即通常使用碳氢化合物，例如具有苯环或者多个双键的苯(C₆H₆)、甲苯(C₇H₈)等作为反应气体来形成无定形碳膜。

更多关于形成无定形碳膜的技术，可参考公开号为CN101448740A和CN101312126A的中国专利申请。

下面以等离子体CVD法为例，说明现有技术中无定形碳膜的形成方法。

参考图1所示，现有技术的无定形碳膜的形成方法包括：

步骤S1，将基材加载至CVD反应腔室中；

步骤S2，将包括一种或者多种气体的反应气体引入所述CVD反应腔室，在所述基材上形成无定形碳膜。

但是利用上述现有技术形成的无定形碳膜，被作为硬掩模进行曝光显影以及刻蚀时，对后续半导体制程产生了不利的影响，例如会影响LWR(LineWidth Roughness，线宽粗糙度)和LER(Line Edge Roughness，线边缘粗糙度)。所述LWR是对直线特征的边缘平滑程度的度量，理想的特征的边缘应当是一条直线，但是现有技术中该直线特征会表现出锯齿状，这是非常不希望出现的，因为沿该直线特征测得的关键尺寸(Critical Dimension，CD)在不同的位置会发生变化，导致后续形成的半导体器件的性能不稳定。

因此，如何有效地提高无定形碳膜的性能以避免对后续半导体制程的不良影响成为本领域的技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种无定形碳膜的形成方法，以有效地提高无定形碳膜的性能并避免对后续半导体制程的不良影响，进而提高半导体器件的性能。

为解决上述问题，本发明提供了一种无定形碳膜的形成方法，在基材上形成无定形碳膜之后，进行离子注入。

可选地，在所述碳离子注入之后进行退火处理。

可选地，所述注入的原材料包括C₁₆H₁₀或者C₇H₇；离子束的剂量范围包括5E15～8E15/cm²；碳离子注入的能量范围包括5Kev～6Kev。

可选地，所述退火处理的保护气体为氮气或者氦气。

可选地，所述退火处理的时间在30分钟～60分钟范围内。

可选地，所述退火处理的温度在400～550℃范围内。

可选地，通过等离子体CVD法在基材上形成所述无定形碳膜。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)在形成无定形碳膜后对其进行碳离子注入，从而有效地增加了无定形碳膜中碳原子的含量，提高了无定形碳膜的硬度和刻蚀选择比，有效地避免了对后续半导体制程的不利影响。

2)可选方案中，在离子注入之后进行退火处理，通过退火可以去除无定形碳膜中多余的或者不稳定的氢键，从而减少了氢原子的含量，进一步增加了无定形碳膜中碳原子的含量，提高了无定形碳膜的硬度和刻蚀选择比。

附图说明

图1是现有技术中无定形碳膜的形成方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例的无定形碳膜的形成方法的流程示意图；

图3～图5是图2所示方法过程的简易示意图；

图6是本发明另一实施例的无定形碳膜的形成方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，现有技术形成的无定形碳膜，被作为硬掩模进行曝光显影以及刻蚀时，对后续半导体制程产生了不利的影响，例如会影响LWR和LER，并进而影响了半导体器件的性能。

发明人经过研究后发现，无定形碳膜组成成分会对后续的半导体制程产生影响，当无定形碳膜中氢原子的含量过高时，所述无定形碳膜的硬度和刻蚀选择比会随之降低，从而导致在后续的曝光显影以及刻蚀过程中，影响LWR和LER，进而影响了半导体器件的性能。

发明人利用图1所示的现有技术，在不同的工艺条件形成了四种无定形碳膜样本，对所述四种无定形碳膜进行分析后发现，其组成成分如表1所示：

表1

表1中所述样本大小指的是无定形碳膜的厚度。发明人对表1进行研究后发现，利用现有技术形成的无定形碳膜中，氢原子的含量较高。由表1可以看出，所述氢原子的含量在25％以上，而碳原子含量在75％以下，这样降低了无定形碳膜的硬度和刻蚀选择比，从而对LWR和LER产生了不利影响，进而影响了半导体器件的性能。

为了克服上述问题，本发明提供了一种无定形碳膜的形成方法，在形成无定形碳膜之后，对其进行碳离子注入，以提高无定形碳膜中碳的含量，从而提高了无定形碳膜的硬度和刻蚀选择比，避免了对后续半导体制程的影响，最终提高了半导体器件的性能。

参考图2所示，本实施例提供的无定形碳膜的形成方法包括：

步骤S11，将基材加载至CVD反应腔室中；

步骤S12，将包括一种或者多种气体的反应气体引入所述CVD反应腔室，在所述基材上形成无定形碳膜；

步骤S13，对在所述基材上形成的无定形碳膜进行碳离子注入。

本实施例中，采用等离子体CVD法形成无定形碳膜，但其不应限制本发明的保护范围，本领域技术人员还可以通过其他已知的技术形成无定形碳膜。

以下结合附图对上述无定形碳膜的形成过程进行举例说明。

首先，参考图3，提供基材100，将所述基材100加载至CVD反应腔室中。

在本实施例中，所述基材100包括半导体衬底，例如硅等。需要说明的是，在其他实施例中，在所述基材100上还可形成有材料层，所述材料层可以为低介电常数材料(Low-K)及/或氧化物，例如二氧化硅(SiO₂)，此为本领域技术人员所熟知的，故在此不再赘述。

其次，参考图4，将包括一种或者多种气体的反应气体引入所述CVD反应腔室，在所述基材100上形成无定形碳膜110。

所述反应气体包括一种或者多种碳氢化合物气体，例如：乙炔(C₂H₂)、丙烯(C₃H₆)或者其组合等。在其他实施例中，也可以根据实际应用采用其他反应气体，其为本领域技术人员熟知的，在此不再赘述。

在将所述反应气体引入CVD反应腔室时，可以使用氢气、氦气或者氩气等作为载气，并通过所述载气和所述反应气体形成无定形碳膜的形成气氛。其中，所述氢气可以用来控制形成的无定形碳膜110中的氢的含量，氩气、氦气等惰性气体用来改进等离子体的均匀性、无定形碳膜110的厚度以及质量的均匀性。

需要说明的是，在形成无定形碳膜时，可以根据实际需求，具体调整CVD反应腔室的温度、气氛压力以及反应气体的流量速率等以控制形成的无定形碳膜的性能。其与现有技术的无定形碳膜的形成方法相同，在此不再赘述。

接着，参考图5，对在所述基材100上形成的无定形碳膜110进行碳离子注入。

所述碳离子注入在离子注入设备中完成，所述离子注入设备包括：离子源，用于将原材料进行电离以产生和引出离子束；加速器，用于对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量；离子过滤系统，用于从所述离子束中选择出所需的离子；处理腔，用于容纳所需离子注入的衬底；以及真空系统，为所述离子注入提供所需的真空条件。

具体地，在本实施例中，对在所述基材100上形成的无定形碳膜110进行碳离子注入包括：

在真空条件下，将离子注入的原材料加载至离子源，以产生和引出团簇离子束；

所述团簇离子束经过加速器进行加速、以及经过离子过滤系统的选择之后，被注入到所述无定形碳膜110。

其中，所述离子注入的原材料包括C₁₆H₁₀或者C₇H₇，其经过电离后产生团簇离子束，所述团簇离子束具有特定剂量与能量。具体地，所述团簇离子束的剂量范围包括5E15～8E15/cm²；注入的能量范围包括5Kev～6Kev。所述碳离子注入方式与现有技术的离子注入方式相类似，此为本领域技术人员所熟知的，故在此不再赘述。

通过对无定形碳膜110进行碳离子注入后，可以有效地提高其碳原子的含量。例如，在本实施例中，发明人经过分析和实验验证，通过该步骤的碳离子注入后，所述无定形碳膜110中碳原子的含量可以达到75％～85％，从而提高了无定形碳膜110的硬度和刻蚀选择比，在后续曝光显影、刻蚀等制程中，能够地减少对LWR和LER的影响，进而提高了形成的半导体器件的性能。

需要说明的是，在其他实施例中，也可以根据实际应用改变上述的各工艺参数以形成所需的无定形碳膜。例如，改变离子束的剂量范围、注入能量的范围以及注入角度等等，这对于本领域技术人员来说是熟知的，故在此不再赘述。

为了进一步提高无定形碳膜的性能，可选地，还可以在所述离子注入之后进行退火处理。

参考图6，本实施例的无定形碳膜的形成方法包括：

步骤S11，将基材加载至CVD反应腔室中；

步骤S13，对在所述基材上形成的无定形碳膜进行碳离子注入；

步骤S14，在所述碳离子注入之后进行退火处理。

本实施例中在基材上形成无定形碳膜的步骤(步骤S11和步骤S12)，以及对所述无定形碳膜进行碳离子注入的步骤(步骤S13)与前述实施方式中相应的步骤相类似，故在此不再赘述。

本实施例与前述实施例的区别在于，所述方法还包括：执行步骤S14，在所述碳离子注入之后进行退火处理。

具体地，在本实施例中，退火处理的保护气体为氮气或者氦气；所述退火的时间范围包括30分钟～60分钟，如30分钟、40分钟、50分钟和60分钟；退火处理的温度范围包括400～550℃，如400℃、450℃、500℃和550℃。

通过该步骤的退火处理，可以将无定形碳膜中多余的或者是不稳定的氢键断开，从而进一步地提高了无定形碳膜中碳的含量，进而提高了无定形碳膜的硬度和刻蚀选择比，避免了对后续半导体制程的影响。

需要说明的是，在其他实施例中，可以通过改变该步骤中退火的各工艺参数以精确地控制无定形碳膜中碳原子的含量。

通过退火处理可以去除无定形碳膜中多余的或者不稳定的氢键，从而进一步地增加了无定形碳膜中碳的含量，提高了无定形碳膜的硬度和刻蚀选择比。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种无定形碳膜的形成方法，其特征在于，在基材上形成无定形碳膜之后，进行碳离子注入。

2.如权利要求1所述的无定形碳膜的形成方法，其特征在于，所述碳离子注入包括：

在真空条件下，将离子注入的原材料电离以产生团簇离子束；

对所述团簇离子进行加速，并将所述团簇离子束注入到所述无定形碳膜。

3.如权利要求2所述的无定形碳膜的形成方法，其特征在于，所述离子注入的原材料包括C₁₆H₁₀或者C₇H₇。

4.如权利要求2所述的无定形碳膜的形成方法，其特征在于，所述团簇离子束的剂量范围包括5E15～8E15/cm²；注入的能量范围包括5Kev～6Kev。

5.如权利要求1所述的无定形碳膜的形成方法，其特征在于，还包括在所述碳离子注入之后进行退火处理。

6.如权利要求5所述的无定形碳膜的形成方法，其特征在于，所述退火处理的保护气体为氮气或者氦气。

7.如权利要求5所述的无定形碳膜的形成方法，其特征在于，所述退火处理的时间在30分钟～60分钟范围内。

8.如权利要求5所述的无定形碳膜的形成方法，其特征在于，所述退火处理的温度在400～550℃范围内。

9.如权利要求1所述的无定形碳膜的形成方法，其特征在于，通过等离子体CVD法在基材上形成所述无定形碳膜。