CN106663609A - 用以实现高密度高sp3含量层的高功率脉冲磁控溅镀工艺 - Google Patents

用以实现高密度高sp3含量层的高功率脉冲磁控溅镀工艺 Download PDF

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Abstract

本文公开了用于沉积纳米晶金刚石层的方法。该方法可以包括以下步骤：输送溅镀气体到基板，该基板被定位在第一处理腔室的处理区域中，该第一处理腔室具有含碳溅镀靶材；输送能量脉冲到该溅镀气体，以产生溅镀等离子体，该溅镀等离子体具有溅镀持续时间，该能量脉冲具有介于1W/cm2和10W/cm2之间的平均功率及小于100μs并且大于30μs的脉冲宽度，该溅镀等离子体被磁场控制，该磁场小于300高斯；以及输送该溅镀等离子体到该溅镀靶材以形成离子化物种，该离子化物种在该基板上形成结晶含碳层。

Description

用以实现高密度高SP3含量层的高功率脉冲磁控溅镀工艺
背景
技术领域
本文公开的实施例大体而言涉及用于膜的沉积的方法。更具体而言，实施例涉及沉积用于半导体器件中的纳米晶金刚石膜的设备和方法。
背景技术
由于半导体产业引入了具有更高性能和更大功能性的新世代集成电路(IC)，形成那些集成电路的元件的密度提高了，而个体的部件或元件之间的尺寸、大小及间距减小了。虽然在过去这种减小仅被使用光刻限定结构的能力限制，但尺寸以微米(μm)或纳米(nm)测量的器件几何形状已产生了新的限制因素，诸如导电互连件的导电率、互连件之间使用的绝缘材料的介电常数、在3D NAND或DRAM形成工艺中蚀刻小的结构或其他的挑战。这些限制可以通过更耐用、更高热导率及更高硬度的硬掩模来获益。
厚的碳硬掩模是众所周知的，而且常被用作POR膜。然而，预期目前的石墨、Sp2型或其他碳硬掩模组成物是不足的，因为DRAM和NAND持续将自身的尺度缩小到小于～10nm的体系。这种尺度的缩小将需要甚至更高深宽比的深接触孔或沟槽蚀刻。高深宽比的蚀刻问题包括堵塞、孔形扭曲、及图案变形，通常在这些应用中观察到顶部临界尺寸放大、线弯曲、轮廓弯曲。许多的蚀刻挑战取决于硬掩模材料的性质。深接触孔变形会与较小的硬掩模密度和差的导热性有关。狭缝图案变形或线弯曲是由于硬掩模材料的较低选择率和应力。因此，理想的是具有一种密度更高、蚀刻选择率更高、应力更低、及热传导性优异的蚀刻硬掩模。
金刚石和类金刚石材料被称为高硬度材料。由于它们的高硬度、表面惰性、及低摩擦系数，合成的金刚石材料已被应用作为保护涂层，并被应用于微机电系统(MEMS)以及其他的用途。已经通过热细丝CVD和微波CVD合成了金刚石膜，例如纳米晶金刚石(NCD)。然而，使用热细丝CVD和微波CVD工艺来形成纳米晶金刚石膜有各种的困难。
在热细丝CVD中，使用金属细丝来活化前体气体以进行沉积。如所预期的，在膜形成工艺期间使金属细丝暴露于前体气体。结果，前体气体会与金属细丝反应，导致最终产物中有金属污染的问题。与热细丝CVD相比，微波CVD具有较少的污染问题。然而，微波CVD要求高的处理压力，此举会影响膜的均匀性。此外，虽然通过微波CVD硬件所形成的微波生成等离子体具有相对较低的离子能量，但这些生成的离子仍会攻击NCD晶界并导致晶粒结构紊乱。
因此，需要有用于形成高质量金刚石膜的改进的设备和方法。
发明内容
本文公开的实施例大体而言涉及应用于半导体器件的纳米晶金刚石层。通过控制位于溅镀靶材附近的磁控管所提供的磁场强度、施加于溅镀靶材的脉冲能量的量和/或脉冲宽度，可以在低温下在基板上形成具有期望性质的纳米晶金刚石膜。这些纳米晶金刚石膜可被用于各种操作，例如在光刻和蚀刻工艺期间充当硬掩模的纳米晶金刚石层。在一个实施例中，一种形成含碳层的方法可以包括以下步骤：输送溅镀气体到基板，该基板被定位在第一处理腔室的处理区域中，该第一处理腔室具有含碳溅镀靶材；输送能量脉冲到该溅镀气体，以产生溅镀等离子体，该溅镀等离子体通过能量脉冲形成，该能量脉冲具有介于约1W/cm2和约10W/cm2之间的平均功率及小于100μs且大于30μs的脉冲宽度。该溅镀等离子体被磁场控制，该磁场小于300高斯；以及形成该溅镀等离子体以在该基板上形成结晶含碳层。
在另一个实施例中，一种用于形成含碳层的方法可以包括以下步骤：输送溅镀气体到靶材和基板之间形成的区域，该基板被定位在第一处理腔室的处理区域中，该第一处理腔室具有石墨靶材；输送能量脉冲到该溅镀气体，以产生溅镀等离子体，该溅镀等离子体通过能量脉冲形成，该能量脉冲具有介于约1W/cm2和约10W/cm2之间的平均功率及小于100μs的脉冲宽度。该溅镀等离子体被磁场控制，平均磁场强度小于300高斯；以及形成该溅镀等离子体，使得中间碳化物层被形成在该基板上。然后将具有该中间碳化物层的基板移送到第二处理腔室；输送沉积气体到该第二处理腔室；活化该沉积气体以形成活化的沉积气体，该沉积气体包含CH4、H2、Ar、CO2、或上述各项的组合；输送该活化的沉积气体到基板；及在该基板的表面上生长纳米晶金刚石层。
在另一个实施例中，一种用于形成含碳层的方法可以包括以下步骤：输送惰性气体到基板，该基板被定位在PVD处理腔室的处理区域中，该PVD处理腔室具有石墨溅镀靶材；将该基板保持在低于100摄氏度的温度下；输送能量脉冲到该溅镀气体，以产生溅镀等离子体，该溅镀等离子体通过能量脉冲形成，该能量脉冲具有介于约1W/cm2和约10W/cm2之间的平均功率、及小于100μs的脉冲宽度。该溅镀等离子体被磁场控制，该磁场小于或等于200高斯；以及输送该溅镀等离子体到该溅镀靶材，以在该基板上形成纳米晶金刚石层。
附图说明
为了能详细了解本发明的上述特征的方式，可以参照实施例(其中一些实施例被图示于附图中)而对以上简要概述的发明作更特定的描述。然而，应注意的是，附图仅图示本发明的典型实施例，且因此不应将附图视为限制本发明的范围，因本发明可认可其他等同有效的实施例。
图1为可与本文中描述的实施例一起使用的PVD处理腔室的示意性剖视图。
图2为可与本文中描述的实施例一起使用的CVD处理腔室的示意性剖视图。
图3图示适用于在基板上形成纳米晶金刚石层的示例性群集工具。
图4A图示依据实施例的被提供到处理腔室以在腔室中产生高功率脉冲磁控溅镀(HIPIMS)处理的能量输送处理程序。
图4B为依据实施例的用于沉积纳米晶金刚石层的方法的流程图。
图5为依据实施例的用于沉积中间碳化物层的方法的流程图。
图6为图示三种不同磁场强度的有关于距靶材的距离的浮动电势的曲线图。
图7A和图7B为描绘脉冲电压对浮动电压和密度的影响的曲线图。
为了便于理解，已在可能处使用相同的附图标记来指称图中共用的相同元素。构思的是，可以将一个实施例中公开的元素有益地用于其他实施例而无需特定详述。
具体实施方式
本文公开的实施例大体而言涉及被形成在基板上的纳米晶金刚石层。通过本文描述的工艺形成的纳米晶金刚石层通常具有形成具有小特征尺寸的集成电路(IC)器件所需的较高质量密度、较高蚀刻选择率、较低应力、及优异导热性。参照以下的附图更清楚地描述实施例。
图1图示适用于使用高功率脉冲磁控溅镀(HIPIMS)工艺溅镀沉积材料的示例性物理气相沉积(PVD)处理腔室100(例如溅镀处理腔室)。可适于形成纳米晶金刚石层的处理腔室的一个示例为PVD处理腔室，其可获取自位于美国加利福尼亚州圣克拉拉的应用材料公司。构思的是，其他的溅镀处理腔室，包括来自其他制造商的那些处理腔室，也可适于实施本发明。
处理腔室100包括其中限定有处理容积118的腔室主体108。腔室主体108具有侧壁110和底部146。腔室主体108及处理腔室100的相关部件的尺寸不受限制，而且通常是依比例大于待处理的基板190的尺寸。可以处理任何适当的基板大小。适当基板大小的示例包括具有200mm直径、300mm直径、450mm直径或更大直径的基板。
腔室盖组件104被安装在腔室主体108的顶部上。腔室主体108可以由铝或其他适当材料制成。基板出入口130穿过腔室主体108的侧壁110形成，从而便于移送基板190进出处理腔室100。出入口130可被耦接至基板处理系统的移送腔室和/或其他腔室。
将气体源128耦接到腔室主体108，以供应处理气体进入处理容积118。在一个实施例中，处理气体可以包括惰性气体、不反应的气体、及反应气体(若需要的话)。可以由气体源128提供的处理气体的示例包括、但不限于氩气(Ar)、氦(He)、氖气(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)、氮气(N2)、氧气(O2)、氢气(H2)、合成气体(N2+H2)、氨(NH3)、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)、和/或二氧化碳(CO2)等等。
泵送口150被形成穿过腔室主体108的底部146。将泵送装置152耦接到处理容积118，以排空并控制其中的压力。泵送系统和腔室冷却的设计在适合热预算需求的温度(例如-25摄氏度至+650摄氏度)下实现高基础真空(1E-8(即1x10-8)托或更低)和低升压速率(1,000毫托/分)。泵送系统被设计来提供对处理压力的精准控制，处理压力为晶体结构(例如Sp3含量)、应力控制及调整的关键参数。可以将处理压力保持在约1毫托和约500毫托之间的范围中，例如介于约2毫托和约20毫托之间。
盖组件104通常包括靶材120及与靶材120耦接的接地屏蔽组件126。靶材120提供可以在PVD工艺期间被溅镀和沉积到基板190的表面上的材料源。靶材120在DC溅镀期间充当等离子体电路的阴极。
靶材120或靶板材可以由用于沉积层的材料或在腔室中形成的沉积层的元素制成。将高电压电源(诸如电源132)连接到靶材120，以促进从靶材120溅镀材料。在一个实施例中，靶材120可以由含碳材料制成，诸如包括石墨、非晶碳、上述的组合等的材料。靶材也可以是石墨和/或含有Sp2型碳材料结构。沉积工艺可以从使用含Sp2材料的沉积靶材来沉积Sp3层中受益，因为Sp2碳材料在结构上比其他较少结构化碳的靶材更接近Sp3。在一个实施例中，靶材是石墨靶材。电源132或电力供应可以以脉冲化(相对于恒定)方式将功率供应到靶材。也就是说，电源可以通过提供数个脉冲到靶材来将功率提供到靶材。
靶材120通常包括周边部分124和中心部分116。周边部分124被配置在腔室的侧壁110上方。靶材120的中心部分116可以具有稍微朝向基板190的表面延伸的弯曲表面，基板190位于基板支座138上。在一些实施例中，将靶材120与基板支座138之间的间距保持在约50mm和约250mm之间。应注意的是，靶材120的尺寸、形状、材料、结构及直径可以为特定工艺或基板要求而改变。在一个实施例中，靶材120可以进一步包括具有中心部分的背板，该背板由需要被溅镀到基板表面上的材料黏合和/或制造。
盖组件104可以进一步包含被安装在靶材120上方的全面侵蚀磁控阴极102，全面侵蚀磁控阴极102在处理过程中增强来自靶材120的有效溅镀材料。全面侵蚀磁控阴极121允许轻易且快速的工艺控制及订制的膜性质，同时确保一致的靶材侵蚀及跨晶片的均匀沉积。磁控组件的示例包括线性磁控管、蛇形磁控管、螺旋磁控管、双掌形磁控管、矩形化螺旋磁控管、及其他形状，以在靶材面上形成所需的侵蚀图案，并能够在工艺的脉冲化或DC等离子体阶段期间形成理想的鞘。在一些配置中，磁控管可以包括被定位在靶材表面上方的理想图案中的永磁体，诸如上述图案(例如线性、蛇形、螺旋、双掌形等)中的一个。在其他配置中，可以替代地、或甚至外加于永磁体使用具有理想图案的可变磁场型磁控管来在HIPMS工艺的一个或更多个部分期间全程调整等离子体的形状和/或密度。
盖组件104的接地屏蔽组件126包括接地框架106和接地屏蔽112。接地屏蔽组件126还可以包括其他腔室屏蔽构件、靶材屏蔽构件、暗空间屏蔽、及暗空间屏蔽框架。接地屏蔽112通过接地框架106耦接到周边部分124，从而在处理容积118中限定出在靶材120的中心部分下方的上处理区域154。接地框架106将接地屏蔽112与靶材120电绝缘，同时提供经由侧壁110到处理腔室100的腔室主体108的接地路径。接地屏蔽112将处理过程中产生的等离子体约束在上处理区域154内，并从界定的靶材120中心部分116逐出靶源材料，从而允许被逐出的靶源材料主要被沉积在基板表面上而不是腔室侧壁110上。
延伸通过腔室主体108的底部146的轴140耦接到升降机构144。升降机构144被配置以在下移送位置和上处理位置之间移动基板支座138。波纹管142环绕轴140并耦接到基板支座138，以在其间提供柔性密封，从而保持腔室处理容积118的真空完整性。
基板支座138可以是静电夹盘，并具有电极180。当使用静电夹盘(ESC)实施例时，基板支座138利用相反电荷的吸引力来固持绝缘和导电型基板190两者，并通过直流电源181供电。基板支座138可以包括嵌入电介质主体内的电极。直流电源181可以提供约200至约2000伏的DC夹持电压到电极。直流电源181还可以包括通过引导直流电流到电极180用于夹持和去夹持基板190而控制该电极的操作的系统控制器。
可以将PVD工艺的温度保持在低于沉积膜的性质可能变成不理想的温度。例如，温度可以低于约250摄氏度，并具有约50摄氏度的余裕，以有助于沉积纳米晶金刚石层或中间碳化物层。基板支座138在器件集成要求的热预算所需的温度范围中执行。例如，基板支座138可以是用于零下25摄氏度至100摄氏度的温度范围的可拆卸ESC(DTESC)、用于100摄氏度至200摄氏度的温度范围的中温ESC(MTESC)、用于200摄氏度至500摄氏度的温度范围且确保晶片快速且均匀升温的高温或高温可偏压或高温高均匀性ESC(HTESC或HTBESC或HTHUESC)。
在将处理气体引入处理腔室100之后，气体被激发而形成等离子体，使得HIPIMS型PVD工艺可被执行。以下进一步描述HIPIMS型PVD工艺的示例。
遮蔽框架122被设置在基板支座138的周边区域，并被配置以将从靶材120溅镀的源材料沉积局限于所需的基板表面部分。腔室屏蔽136可以被配置在腔室主体108的内壁上，并具有向内延伸到处理容积118、被配置以支撑被配置在基板支座138周围的遮蔽框架122的唇部156。当基板支座138被升到进行处理的上位置时，被配置在基板支座138上的基板190的外缘被遮蔽框架122接合，而且遮蔽框架122被升起并与腔室屏蔽136间隔开。当基板支座138被降到邻近基板移送出入口130的移送位置时，遮蔽框架122被设定回到腔室屏蔽136上。将升举销(未示出)选择性移动穿过基板支座138，而将基板190举到基板支座138上方，以便移送机器人或其他适当的移送机构接取基板190。
将控制器148耦接到处理腔室100。控制器148包括中央处理单元(CPU)160、存储器158、及支持电路162。使用控制器148来控制工艺程序、调节从气体源128进入处理腔室100的气流、及控制靶材120的离子轰击。CPU 160可以是任何形式的、可在工业环境中使用的通用计算机处理器。可以将软件例程存储在存储器158中，存储器158例如随机存取存储器、只读存储器、软盘或硬盘驱动装置、或其他形式的数字存储器。支持电路162被以传统方式耦接到CPU 160，并且可以包含高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源等。当被CPU 160执行时，软件例程将CPU转换成特定用途的计算机(控制器)148，控制器148控制处理腔室100，使得工艺被依据本发明执行。软件例程也可以由位于处理腔室100远程的第二控制器(未示出)存储和/或执行。
在处理过程中，材料被从靶材120溅射出并沉积在基板190的表面上。在一些配置中，通过电源132将靶材120相对于地面或基板支座加偏压，以从气体源128供应的处理气体产生等离子体并维持形成的等离子体。等离子体中生成的离子被朝向靶材120加速并撞击靶材120，导致靶材料被从靶材120逐出。被逐出的靶材料在基板190上形成具有所需晶体结构和/或成分的层。射频、直流、或快速切换脉冲化直流电源、或上述的组合提供可调的靶材偏压，用于为纳米晶金刚石材料精准地控制溅镀成分和沉积速率。
电源132为HIPIMS电源。本文中使用的典型HIPIMS电源132被配置以在约10μs和约200μs之间的短持续时间期间输送具有例如约1兆伏(MV)和约8MV之间的高电压的功率脉冲。以下结合图4A-4B和图7A-7B进一步描述HIPIMS工艺的讨论。
在一些实施例中，在纳米晶金刚石层沉积工艺的不同阶段期间单独施加偏压到基板也是理想的。因此，可以从源185(例如DC和/或RF源)提供偏压到基板支座138中的偏压电极186(或夹持电极180)，使得在沉积工艺的一个或更多个阶段期间基板190将被等离子体中形成的离子轰击。在一些工艺示例中，在进行了纳米晶金刚石膜沉积工艺后将偏压施加于基板。或者，在一些工艺示例中，在纳米晶金刚石膜沉积工艺期间施加偏压。较大的负基板偏压将倾向于驱动等离子体中产生的正离子朝向基板或反之亦然，使得当离子撞击基板表面时具有较大量的能量。
图2为依据本文描述的实施例可被用于沉积碳基层的处理腔室200的示意性剖视图。可适于执行本文所述的碳层沉积方法的处理腔室为可获取自位于美国加利福尼亚州圣克拉拉的应用材料公司(Applied Materials,Inc.located in Santa Clara,California)的化学气相沉积室。应理解的是，以下描述的腔室为示例性的实施例，而且可以使用其他的腔室，包括来自其他制造商的腔室，或在不偏离本文描述的发明特征的下修改腔室来符合本发明的实施例。
处理腔室200可以是处理系统的一部分，该处理系统包括多个处理腔室，这些处理腔室被连接到中央移送腔室并由机器人服务。在一个实施例中，该处理系统为图3描绘的群集工具300。处理腔室200包括限定处理容积212的壁206、底部208、及盖210。壁206和底部208可以由整块的铝制成。处理腔室200还可以包括将处理容积212流体耦接到排气口216的泵送环214以及其他的泵送组件(未示出)。
基板支撑组件238(可以被加热)可以被居中配置在处理腔室200内。在沉积工艺期间，基板支撑组件238支撑基板203。基板支撑组件238通常由铝、陶瓷、或铝和陶瓷的组合制成，并包括至少一个偏压电极232。偏压电极232可以是静电夹盘电极、RF基板偏压电极、或上述的组合。
可以在基板203和基板支撑组件238之间使用真空口来施加真空，以在沉积工艺期间将基板203紧固于基板支撑组件238。偏压电极232可以是例如被配置在基板支撑组件238中并耦接到偏压电源230A和230B的电极232，以在处理时将基板支撑组件238和位于基板支撑组件238上的基板203偏压到预定偏压功率水平。
偏压电源230A和230B可以被独立设置，以输送各种频率的功率到基板203和基板支撑组件238，例如介于约2和约60MHz之间的频率。在不背离本文所述的发明的下可以采用此处描述的各种频率变换。
一般来说，基板支撑组件238被耦接到杆242。杆242在基板支撑组件238和处理腔室200的其他组件之间提供用于电引线、真空及气体供应线路的管道。此外，杆242将基板支撑组件238耦接到升举系统244，升举系统244在升高位置(如图2所示)和降低位置(未示出)之间移动基板支撑组件238，以便利机器人的移送。波纹管246在处理容积212和腔室200外部的大气之间提供真空密封，同时便利基板支撑组件238移动。
通常可以将喷头218耦接到盖210的内侧220。进入处理腔室200的气体(即处理气体和/或其他气体)穿过喷头218并进入处理腔室200中。喷头218可被配置以提供均匀的气流到处理腔室200中。均匀的气流是理想的，以促进均匀的层形成在基板203上。可以将远程等离子体源205与处理容积212和气体源204耦接。这里图示的是，使用远程活化源(例如远程等离子体产生器)来产生活性物种的等离子体，然后将该等离子体输送到处理容积212中。示例性的远程等离子体产生器可获取自诸如MKS仪器公司和先进能源工业公司(Advanced Energy Industries,Inc.)等供货商。
此外，可以将等离子体电源262耦接到喷头218，以激发气体通过喷头218前往位于基板支撑组件238上的基板203。等离子体电源262可以提供用于形成等离子体的功率，例如RF功率或微波功率。
处理腔室200的功能可以由计算装置254控制。计算装置254可以是任何形式的、可在工业环境中使用于控制各种腔室和子处理器的通用计算机中的一者。计算装置254包括计算机处理器256。计算装置254包括存储器258。存储器258可以包括任何适当的存储器，例如随机存取存储器、只读存储器、闪存、硬盘、或任何其他形式的、位于本地或远程的数字存储器。计算装置254可以包括各种支持电路260，支持电路260可以被耦接到计算机处理器256，用于以传统方式支持计算机处理器256。依据需要，软件例程可以被存储在存储器258中或由位于远程的第二计算装置(未示出)执行。
计算装置254可以进一步包括一个或更多个计算机可读介质(未示出)。计算机可读介质通常包括任何位于本地或远程的、能够存储计算装置可检索信息的装置。本发明的实施例可使用的计算机可读介质的示例包括固态存储器、软盘、内部或外部硬盘驱动装置、及光存储器(CD、DVD、BR-D等)。在一个实施例中，存储器258可以是计算机可读介质。软件例程可以被存储在计算机可读介质上，以由计算装置执行。
当被执行时，软件例程将通用计算机转换成控制腔室操作的特定处理计算机，使得腔室处理被执行。或者，软件例程可以作为专用集成电路或其他类型的硬件实施、或软件和硬件的组合被以硬件执行。
示例性处理腔室100或示例性处理腔室200可以是群集工具的一部分。图3图示适用于在基板上形成纳米晶金刚石层的示例性群集工具300。群集工具300的特征为至少一个如上所述的处理腔室100。群集工具300的示例为可获取自美国加利福尼亚州圣克拉拉的应用材料公司的系统。也可以使用其他公司制造的群集工具。
群集工具300可以包括一个或更多个负载锁定腔室306A、306B，用于移送基板进出群集工具300。典型地，由于群集工具300处于真空下，所以负载锁定腔室306A、306B可以将被引入群集工具300的基板“抽真空”。第一机器人310可以在负载锁定腔室306A、306B及第一组的一个或更多个基板处理腔室312、314、316、318(4个被示出)之间移送基板。可以装备每个处理腔室312、314、316、318，以执行数个基板处理操作，除了循环层沉积(CLD)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、预清洗、除气、定向及其他基板处理之外还包括本文所述的蚀刻工艺。
第一机器人310还可以将基板移送进/出一个或更多个中间移送腔室322、324。中间移送腔室322、324可被用来保持超高真空的状态，同时允许在群集工具300内移送基板。第二机器人330可以在中间移送腔室322、324及第二组的一个或更多个处理腔室332、334、336、338之间移送基板。与处理腔室312、314、316、318类似，可以装备处理腔室332、334、336、338，以执行各种基板处理操作，除了例如循环层沉积(CLD)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、预清洗、热处理/除气、及定向之外还包括本文所述的蚀刻工艺。任何的基板处理腔室312、314、316、318、332、334、336、338若非群集工具300进行的特定工艺必需时，则可以被从群集工具300移出。
说明性的多处理群集工具300可以包括多达四个类似于上述处理腔室200设置的处理腔室332、334、336、338(在334和336之间具有可选的第五腔室)。PVD或ALD腔室312或314可被配置以沉积薄的ARC/灰化层(例如AlN或SiN或TiN)。
群集工具300可被用于执行以下图4和图5描述的方法。在一些工艺流程中，在群集工具300中进一步处理基板可能是理想的，或更典型是在设置与图3图示的群集工具类似的不同群集工具中处理基板。
图4A描绘用于完成高功率脉冲磁控溅镀(HIPIMS)工艺的至少一部分的功率输送处理程序的曲线图450。曲线图450说明一种类型的HIPIMS工艺，而且因为曲线图450是说明性的，所以通常未依比例绘制。如上所述，典型的HIPIMS电源可以在高电压下、在短持续时间输送功率脉冲，以在HIPIMS工艺期间产生高密度和能量的等离子体。高电压可以在例如约1,000,000V和约8,000,000V之间的范围中。功率脉冲452(或能量脉冲)可以通过电源132以持续时间454(或脉冲宽度)和脉冲循环时间456产生。在一个示例中，每个功率脉冲452的持续时间454介于约10μs和约40μs之间，并且脉冲循环时间456为200μs，这对应于5000Hz的脉冲重复频率，即介于160-190μs的连续脉冲之间的间隔。在脉冲循环时间456内输送的功率或能量可以在持续时间454期间具有非方形波形(未示出)，并且因此在持续时间454内的平均功率可以是在介于约10千瓦(kW)和100kW之间、例如介于10kW和40kW之间的值。在一些实施例中，提供给靶材的每个功率脉冲可以具有等量的功率和/或相同的持续时间。然而，本公开的实施例并不限于此。例如，提供给靶材的每个脉冲可以具有不同量的功率和/或不同的持续时间。引述的值将被纯粹理解为举例，而且可以在宽的限值内改变。例如，可以使用范围在10μs和100μs之间的脉冲持续时间并使用介于200μs和1毫秒(ms)之间的脉冲重复时间直接操作。施加高功率到靶材(阴极)的时间往往会被电源的额定值和电源在介入时段458期间花费的充电时间限制。已发现的是，通过施加高功率脉冲到一个阴极或多个阴极，溅射出的材料将具有高量的反应能(即化学电位)及高的离子化程度。在一些示例中，从一个阴极或多个阴极射出的溅射材料的离子化程度可以在40％至高达100％之间的范围中。在一些实施例中，理想的是使用这种高离子化程度来使更多的溅射离子被吸引到浮动或偏压基板，并以较高的动能抵达，从而导致更致密的涂层和更迅速的涂布工艺。
为了在HIPIMS工艺期间实现溅射材料的高量反应能和高度离子化，需要控制各种处理参数，以确保所产生的溅射材料具有这些理想的性质。在一些实施例中，工艺参数包括控制位置邻近靶材面的磁控管的磁场强度及功率脉冲452在持续时间454内输送的功率量用以产生具有理想能量(例如电子温度Te)和等离子体密度(Ne)的等离子体。已发现的是，通过控制脉冲宽度、每个脉冲中输送的能量、及输送脉冲的占空比，可以在基板表面上的层中形成含Sp3的溅镀碳材料。
图7A和图7B为描绘靶材偏压(脉冲电压)对等离子体能量(例如电子温度Te)和等离子体密度的影响的示例的曲线图。图7A图示靶材偏压电压(例如功率脉冲452)对等离子体能量(例如电子温度Te)的影响为脉冲宽度的函数。如图7A所图示，在固定的电源功率设定点下，随着脉冲宽度增加，等离子体能量将而从初始峰值减小到较小的值。峰值等离子体能量与能够在处理腔室的处理容积中产生并维持等离子体的最小脉冲宽度位置重叠，在本示例中为约6.5至7电子伏特(eV)。随着脉冲宽度增加，同时保持固定的功率输送设定点(例如20kWs)，电子温度或等离子体能量从峰值降到某个较低的值。将注意到的是，对于较大的靶材偏压电压来说，由于靶材偏压增大时产生的等离子体密度增加，所以等离子体能量下降地更快。相信的是，在不同的靶材偏压电压下，等离子体能量的下降与等离子体中离子和电子之间的碰撞次数增加、从而降低平均等离子体能量(例如电子温度Te)有关。将进一步注意到的是，等离子体能量也与溅射原子落在基板表面上时所含的能量有关，并且因此提高靶材偏压也将倾向于降低等离子体中及落在基板表面上的溅射原子的能量。
在图7B中，将等离子体密度示出为脉冲宽度与靶材偏压电压的函数。一般来说，在图7B中可以看到，在每个靶材偏压电压下，小于某下限值的脉冲宽度对于形成致密等离子体是无效的，而且在相同的靶材偏压电压下，大于上限值的脉冲宽度对于形成致密等离子体也是同样无效的。因此，如图7B所示，在固定的靶材偏压下通过供应脉冲宽度大于下限值并小于上限值的功率脉冲452，可以将等离子体密度(Ne)维持在峰值或接近峰值。将注意到的是，较高的等离子体密度将会提高通过等离子体的溅射原子的HIPIMS沉积速率与离子化速率。还将注意到的是，当偏压电压增大时，等离子体密度的峰值往较短的脉冲宽度偏移，因此峰值等离子体密度有关于靶材偏压电压与脉冲宽度。在一个示例中，在功率脉冲452期间施加的1000V靶材偏压在介于约125μs和约225μs之间的脉冲宽度下具有峰值等离子体密度(Ne)，与600V的靶材偏压的峰值等离子体密度(Ne)不同，600V的靶材偏压在介于约175μs和约350μs之间具有峰值等离子体密度(Ne)。
因此，为了确保生长的溅镀沉积膜具有理想的物理、化学及结构性质，例如Sp3金刚石结构，需要平衡并调整竞争的处理体系，例如等离子体能量(图7A)和等离子体密度(图7B)。因此，需要有一种包括选择形成等离子体的靶材偏压电压和脉冲宽度的HIPIMS工艺，该等离子体将赋予溅射原子理想量的能量、高的离子化速率及离子化程度，以实现理想的HIPIMS溅镀沉积速率、膜晶体结构及膜应力。
此外，由于在HIPIMS工艺中使用的短脉冲宽度或持续时间454，已经发现的是，在形成溅射等离子体的初始阶段期间产生的“预鞘(pre-sheath)”对于形成高能量和高度离子化溅射材料的过程具有显着的影响。一般来说，“预鞘”是在形成平衡等离子体鞘区域的同时，在靶材和基板之间的处理区域内(例如图1的处理容积118)随着时间变化而具有不同尺寸的等离子体的非平衡区域。因此，在形成等离子体的过程的早期阶段期间，被输送到靶材以被耦合到位于处理腔室的处理区域中的溅镀气体(例如氩(Ar))的功率的能力对于用以从靶材表面溅射材料的离子能量具有大的影响。据信，当功率脉冲452被施加于靶材时，预鞘形成过程持续约第一个10至40μs。
图6图示对于各具有不同磁场强度的不同磁控管来说，等离子体中形成的浮动电势有关于距靶材的距离的曲线图。如图6所示，200高斯的磁控管由菱形表示，具有第一对应曲线；500高斯的磁控管由方形表示，具有第二对应曲线；以及800高斯的磁控管由三角形表示，具有第三对应曲线。这些示例包括使用50μs脉冲宽度的HIPIMS工艺，对于每一种磁控管配置，该HIPIMS工艺使用相同的靶材偏压电压和功率。值得注意的是，对于200高斯的磁控管组件来说，在靶材和基板之间的浮动电势没有明显的变化。对于500高斯的示例来说，在靶材和基板之间的浮动电势在腔室的基板端附近也是大致上恒定的，但当移动到更靠近靶材的表面时趋于降低(例如等离子体具有越来越负的浮动电势)。对于800高斯的示例来说，在靶材和基板之间的电势明显不同，因为当从基板的表面往靶材的表面移动时，浮动电势急剧降低。本领域技术人员将理解的是，由于磁场强度(例如通过靶材表面的磁力线数量)增加，更高的磁控管磁场强度将会提高磁控管捕获从偏压靶材的表面发射的电子的能力。本领域技术人员还将理解的是，低磁场强度(例如<<200高斯)的磁控管也是不理想的，因为这些低磁场通常将无法在溅镀工艺期间有效捕获从靶材发射的电子。由磁场捕获的电子通常被用来改良溅射气体和溅镀材料的离子化，并且因此使用低磁场强度磁控管会妨碍均匀且可靠的等离子体形成。
相信的是，使用不提供大致平坦浮动电势(Vf)分布(例如由200高斯磁控管产生的分布，图6中示出的第一对应曲线)的磁控管组件将具有降低的、从等离子体提取离子的能力。换言之，当由磁控管产生的磁场增大时，磁控管在靠近靶材面的等离子体中捕获离子的能力提高，并且因此这防止了气体离子和离子化溅射材料在处理过程中被吸引到浮动、接地或偏压基板。无法从等离子体提取离子将会影响用以在基板表面上形成沉积层的溅射材料的沉积速率和能量。因此，在一些实施例中，理想的是选择具有大致上平坦的浮动电势分布的磁控管。
在一些实施例中，为了确保生长的溅镀沉积膜具有理想的物理、化学及结构性质，例如Sp3金刚石结构，需要平衡、调整和/或控制等离子体能量、等离子体密度、而且还选择由磁控管组件供应的理想磁场强度。因此，需要有一种包括选择磁控管组件及形成等离子体的靶材偏压电压和脉冲宽度的HIPIMS工艺，该磁控管组件具有理想的磁场强度，以提供理想的浮动电势分布(例如大致平坦的分布)，该等离子体将赋予溅射原子理想量的能量、高的离子化速率及离子化程度，以实现理想的HIPIMS溅镀沉积速率、膜晶体结构及膜应力。
图4B为用于在PVD处理腔室(例如处理腔室200)中沉积纳米晶金刚石层的方法的流程图。如以上注意到的，当磁场强度增大时，在等离子体形成过程的预鞘产生阶段期间从等离子体提取离子的能力变得更加困难。较低的高斯水平允许等离子体形成得更靠近靶材，所以不会影响预鞘形成。因此，通过将磁场强度降至小于300高斯，例如约200高斯，可以使用更短的脉冲时间来形成理想的预鞘。因此，磁场和脉冲时间之间的相互作用允许在保持沉积质量的同时且在低温(例如室温)下的有高的沉积速率的纳米晶金刚石沉积。
方法400通常包括输送溅镀气体到处理腔室的处理区域，该处理腔室具有大体含碳的溅镀靶材。然后输送能量脉冲到溅镀气体，以形成溅镀等离子体。在一个示例中，溅镀等离子体具有溅镀持续时间，能量脉冲具有介于1W/cm2和10W/cm2之间的平均功率，而且脉冲宽度小于100μs并大于30μs，溅镀等离子体被磁场控制，磁场小于300高斯。从而在邻近大体含碳的溅镀靶材的处理容积中形成溅镀等离子体，以形成溅射和离子化的含碳物种，该溅射和离子化的含碳物种在基板上形成结晶的含碳层。
方法400通过输送溅镀气体到处理腔室的处理容积而开始于402，该处理腔室具有含碳溅镀靶材。在一个示例中，该处理腔室为以上参照图2描述的处理腔室200。在另一个示例中，该处理腔室为被修改来执行本文所述操作的处理腔室。该处理腔室具有含碳靶材，例如石墨靶材。溅镀气体通常是对基板或溅镀靶材惰性的气体。在一个示例中，溅镀气体为氩气。
在404，在基板被定位在处理容积中的情况下，将一系列的能量脉冲输送到溅镀气体以形成溅镀等离子体。溅镀等离子体可以使用结合图4A描述的能量输送过程形成。一般来说，在此处理阶段期间提供能量脉冲包括选择形成等离子体的靶材偏压电压和脉冲宽度，该等离子体将赋予理想量的能量来实现理想的等离子体能量(例如电子温度Te)和等离子体密度(Ne)，以实现高离子化速率及离子化程度的溅射原子，以实现理想的HIPIMS溅镀沉积速率、膜晶体结构及膜应力。在一个示例中，用以形成溅镀等离子体的能量脉冲可以分别具有介于1W/cm2和10W/cm2之间的平均功率。应当指出的是，由于此HIPIMS PVD工艺中使用的短脉冲宽度，还选择了在此工艺步骤期间的磁控管磁场强度，以确保理想的预鞘形成，并在基板表面产生理想量的、从等离子体提取的离子。磁控管的磁场可以小于300高斯，诸如约200高斯。
不希望受到理论的束缚，相信的是，形成稳定的预鞘对于低温沉积纳米晶金刚石是有益的。在等离子体形成工艺期间，最初电场是相当高的。在等离子体形成的开始时，等离子体本身最终占据相当大的空间。然后鞘收缩并致密化到可容纳所有流进处理腔室的处理容积的电流的点。预鞘恰在围绕靶材的正电荷粒子收缩和致密化之前形成。预鞘影响溅射靶材的能量动力、离子化分率及溅射分率。现有的HIPIMS技术提供的沉积速率可测量地小于标准PVD沉积。已经发现的是，通过控制到处理容积的能量输送过程(图4A)，可将理想的等离子体能量(Te)和等离子体密度(Ne)赋予等离子体，使得在早期阶段形成并在本文描述的HIPIMS PVD工艺的功率输送部分的大部分期间保持的形成预鞘将含有理想的性质，该理想的性质使HIPIMS PVD工艺具有高沉积速率并提供足够的能量给溅射原子，以允许Sp3碳层形成在基板上。
一旦等离子体形成，则在406将溅镀等离子体输送到溅镀靶材以形成离子化物种，该离子化物种在基板上形成结晶含碳层。上述的溅镀功率、占空比及磁场允许基板上有提高的Sp3对Sp2沉积分率。
图5为依据本文描述的实施例用于形成中间碳化物层的方法的流程图。相信的是，碳化物层对于与类金刚石碳层不同的纳米晶金刚石层的生长是有益的。在另一个实施例中，上述的HIPIMS PVD法可被用来形成一个或更多个中间层。一旦中间层形成了，则可以使用二次生长法(例如CVD方法)来生长纳米晶金刚石层。方法500包括在502处在第一HIPIMSPVD处理腔室(例如处理腔室100)中定位基板，该第一处理腔室具有含碳溅镀靶材和溅镀气体；输送一系列的能量脉冲到溅镀气体，以使用能量输送过程(例如图4A图示的)形成第一等离子体。在504处，第一等离子体由磁场控制。在506处，由此输送第一等离子体到溅镀靶材，以形成离子化物种，使得离子化物种在基板上形成中间碳化物层。然后在508处将基板移送到第二处理腔室。在第二处理腔室中时，在成核气体存在下形成等离子体，以形成活化的成核气体，其中该成核气体包含含碳源。然后在510活化该成核气体，以在基板上形成成核层。然后在510活化沉积气体以形成活化的沉积气体。然后在512输送活化的沉积气体到基板，活化的沉积气体在基板上形成纳米晶金刚石层。
方法500通过将基板定位在第一处理腔室中而开始于502，该第一处理腔室具有含碳溅镀靶材和溅镀气体。基板可以具有任意成分，例如结晶硅基板。基板还可以包括一个或更多个特征，例如形成在基板表面中的通孔或互连件。基板可以被支撑在基板支座上。在一个实施例中，本实施例中使用的溅镀靶材和溅镀气体与以上结合图4A-4B描述的相同。
本文中使用的“基板表面”是指任何基板或形成在基板上的材料表面，该表面上可进行膜处理。例如，上面可以进行处理的基板表面包括诸如硅、氧化硅、氮化硅、掺杂硅、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石等材料、及任何其他诸如金属、金属氮化物、金属合金等材料、以及其他导电材料，视应用而定。基板表面还可以包括诸如二氧化硅和掺杂碳的硅氧化物等电介质材料。基板可以具有各种尺寸，例如200mm、300mm、450mm、或其他直径的晶片、以及矩形或方形窗玻璃。
然后在步骤504处可以将能量脉冲输送到溅镀气体以形成第一等离子体。在一个实施例中，能量脉冲是以上讨论的高功率脉冲磁控溅镀(HIPIMS)脉冲。脉冲功率、脉冲时间、平均功率、磁场强度及HIPIMS工艺的其他参数可以与结合图4A-4B描述的相同。
如以上指出的，HIPIMS PVD工艺在<10％的低占空比(开/关时间比)下以几十微秒的短脉冲(冲击)利用kW·cm-2量级的高功率密度。HIPIMS的区别特征是溅镀材料的高度离子化及高分子气体离解速率，从而导致高密度的沉积膜。离子化和离解度依据峰值阴极功率增加。选择磁场强度，使得短脉冲可以被使用，同时在靶材和基板之间保持低的电势差，例如小于300高斯(例如约200高斯)。
在一个或更多个实施例中，提供到靶材的每个脉冲可以具有至少1千瓦的平均功率。在一些实施例中，提供到靶材的每个脉冲可以具有至少1兆瓦的功率。例如，每个脉冲可以具有约1-3兆瓦的功率。另外，在一个或更多个实施例中，提供到靶材的每个脉冲可以具有约1微秒至300微秒、例如介于10和100微秒之间的持续时间。在一些实施例中，提供到靶材的每个脉冲可以具有约1微秒至200微秒的持续时间、或约100微秒至200微秒的持续时间。例如，每个脉冲可以具有约50微秒的持续时间。此外，在一个或更多个实施例中，提供到靶材的每个脉冲可以被间隔约100毫秒的持续时间。也就是说，在提供到靶材的每个脉冲之间可以有100毫秒。然而，本公开的实施例并不限于特定的持续时间。
然后在步骤506处可以将溅镀等离子体输送到溅镀靶材以形成离子化物种，该离子化物种在基板上形成中间碳化物层。溅镀靶材可以是含碳靶材，例如石墨靶材。靶材蒸汽的离子化程度有关于放电的峰值电流密度、以及脉冲宽度和磁场强度。在一个实施例中，能量脉冲可以具有介于1W/cm2和10W/cm2之间的功率、小于10％的占空比、及介于约10微秒和100微秒之间的脉冲长度。
离子化物种到达基板、在基板上形成中间碳化物层。中间碳化物层充当种晶层用于进一步沉积。
在508处，可以将基板移送到第二处理腔室。用于一个或更多个实施例的处理腔室可以是任何具有远程等离子体源的CVD处理腔室，例如上述的处理腔室100或来自其他制造商的腔室。以下描述的流动速率及其他处理参数是用于300mm的基板。应当了解的是，在不偏离本文公开的发明的下，可以基于处理基板的尺寸和使用的腔室类型来调整这些参数。
可选地，然后可以对基板加偏压。偏压可以是偏压增强成核工艺的一部分。在偏压增强成核的情况下，基板可以是负偏压。在一个示例中，基板使用偏压预处理来加偏压。偏压可以具有介于约100毫安和约200毫安之间的电流。偏压可以具有介于约150伏和约250伏之间的电压。
然后，在步骤510处，可以在沉积气体存在下形成等离子体，以形成活化的沉积气体。等离子体可以从沉积气体或第二气体(例如惰性气体)形成。等离子体可以在本地或远程形成。可以通过使用电源形成等离子体来活化沉积气体。可以使用任何能够将气体活化成反应物种并保持反应物种的等离子体的电源。例如，可以使用基于射频(RF)、直流(DC)、或微波(MW)的功率放电技术。沉积气体可以包含含碳源、含氢源、惰性气体、或上述的组合。
含碳前体可以是烷烃、烯烃、或炔烃前体。烷烃前体可以是饱和未分支的烃，例如甲烷、乙烷、丙烷、及上述的组合。其他的烷烃前体包括正丁烷、正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、及上述的组合。含氢气体可以包括H2、H2O、NH3或其他含氢分子。沉积气体可以进一步包括惰性气体。惰性气体可以是稀有气体，例如氩气。
然后在步骤512处可以将活化的沉积气体输送到基板，活化的沉积气体在成核层上生长出纳米晶金刚石层。来自先前形成的活化的沉积气体的自由基撞击基板表面以形成纳米晶金刚石层。本文中使用的基板表面可以包括被形成在基板表面上的任何层，例如中间碳化物层。
上述方法教示形成至少一个中间碳化物层用于生长纳米晶金刚石层。通过沉积均匀的中间碳化物层，纳米晶金刚石可以被共形地沉积并具有降低的粗糙度。
虽然前述针对本发明的实施例，但在不偏离本发明的基本范围下仍可设计出本发明的其他和进一步实施例，而且本发明的范围由随后的权利要求确定。

Claims (15)

1.一种形成含碳层的方法，包括以下步骤：
输送溅镀气体到基板，所述基板被定位在第一处理腔室的处理区域中，所述第一处理腔室具有含碳溅镀靶材；
输送能量脉冲到所述溅镀气体，以产生溅镀等离子体，所述溅镀等离子体通过能量脉冲形成，所述能量脉冲具有介于约1W/cm2和约10W/cm2之间的平均功率及小于100μs并且大于30μs的脉冲宽度，所述溅镀等离子体被暴露于小于300高斯的磁场；以及
形成离子化物种，所述离子化物种包含从所述含碳溅镀靶材溅射的含碳材料，其中所述离子化物种在所述基板上形成结晶含碳层。
2.如权利要求1所述的方法，其中生长所述结晶含碳层进一步包括：
提供偏压到所述基板；
在沉积气体存在的情况下形成等离子体，以形成活化的沉积气体，所述沉积气体包含含碳源；以及
输送所述活化的沉积气体到所述基板，以在所述结晶含碳层上形成纳米晶金刚石层。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述沉积气体进一步包含氢源。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述溅镀靶材为石墨靶材。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述基板被保持在低于100摄氏度的温度处。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述结晶含碳层为纳米晶金刚石层。
7.如权利要求2所述的方法，其中所述沉积气体使用微波源来活化。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述能量脉冲介于约10微秒和100微秒之间。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述磁场小于约200高斯。
10.一种用于形成含碳层的方法，包括以下步骤：
输送溅镀气体到基板，所述基板被定位在第一处理腔室的处理区域中，所述第一处理腔室具有石墨靶材；
输送能量脉冲到所述溅镀气体，以产生溅镀等离子体，所述溅镀等离子体通过能量脉冲形成，所述能量脉冲具有介于约1W/cm2和约10W/cm2之间的平均功率及小于100μs的脉冲宽度，所述溅镀等离子体被磁场控制，所述磁场小于300高斯；
形成所述溅镀等离子体，使得中间碳化物层被形成在所述基板上；
将具有所述中间碳化物层的基板移送到第二处理腔室；
输送沉积气体到所述第二处理腔室；
活化所述沉积气体以形成活化的沉积气体，所述沉积气体包含CH4、H2、Ar、CO2、或上述各项的组合；
输送所述活化的沉积气体到基板；以及
在所述基板的表面上生长纳米晶金刚石层。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述基板被保持在介于约2毫托和约20毫托之间的压力处。
12.如权利要求10所述的方法，其中占空比小于溅镀持续时间的约10％。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述沉积气体使用微波源来活化。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述磁场小于约200高斯。
15.一种用于形成含碳层的方法，包括以下步骤：
输送惰性气体到基板，所述基板被定位在PVD处理腔室的处理区域中，所述PVD处理腔室具有石墨溅镀靶材；
将所述PVD处理腔室保持在低于100摄氏度的温度处；
输送能量脉冲到所述溅镀气体，以产生溅镀等离子体，所述溅镀等离子体具有溅镀持续时间，所述能量脉冲具有介于1W/cm2和10W/cm2之间的平均功率、大于所述平均功率的脉冲电压、及小于100μs的脉冲宽度，所述溅镀等离子体被磁场控制，所述磁场小于或等于200高斯；以及
输送所述溅镀等离子体到所述石墨溅镀靶材，以在所述基板上形成纳米晶金刚石层。
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