CN113517189A - 碳膜的制备方法、碳膜、以及刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳膜的制备方法、碳膜、以及刻蚀方法。包括如下步骤：将一晶圆置于反应室中；采用等离子体混合气体轰击石墨烯靶材，在晶圆表面形成包含未成键的C、N原子的碳膜；退火，以激活未成键的C、N原子，形成共价键，得到碳膜。本发明制备出的碳膜硬度高、选择比高，可以大大提高刻蚀的效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，尤其涉及一种碳膜的制备方法、碳膜、以及刻蚀方法。
背景技术
碳材料作为一种硬掩模被广泛应用在半导体集成工艺中。随着临界尺寸越来越小，存储空间越做越大，碳膜所需厚度也会越来越大。这样不仅增加成本，还极易造成倒塌现象，可以通过提高碳膜的选择比来解决相关问题。因此提高碳膜的选择比对半导体的集成工艺提升有重要意义。
通常碳膜是利用C2H2/C3H6在等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)工艺下制备完成，制程过程中会形成氢键，氢的存在会严重影响碳膜的选择比。因此一种能制备无氢的高选择比碳膜的方法，可以大大提高刻蚀的效率，提高市场竞争力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种碳膜的制备方法、碳膜、以及刻蚀方法，提高碳膜的选择比。
本发明提供一种碳膜的制备方法，包括如下步骤：将一晶圆置于反应室中；采用等离子体混合气体轰击石墨烯靶材，在晶圆表面形成包含未成键的C、N原子的碳膜；退火，以激活未成键的C、N原子，形成共价键，得到碳膜。
本发明提供一种碳膜，所述碳膜中C、N原子以共价键相连，所述共价键中包括SP3杂化键。
本发明提供一种刻蚀方法，包括如下步骤：提供一晶圆，所述晶圆表面具有待刻蚀结构；形成碳膜，所述形成碳膜的步骤采用上述的方法；图形化所述碳膜形成硬掩模层；以所述硬掩膜层作为掩膜版刻蚀所述待刻蚀结构。
本发明制备出的碳膜不含氢，碳膜中SP3/SP2的比例高，硬度高，应用于半导体集成工艺中，作为掩膜版使用时所需碳膜的厚度更低、具有更高的选择比，可以大大提高刻蚀的效率，降低工艺成本。
附图说明
附图1所示是本发明一具体实施方式所述步骤示意图。
附图2所示是本发明一具体实施方式形成所述工艺示意图。
附图3所示是本发明一具体实施方式所述刻蚀方法步骤示意图。
附图4A-4D所示是附图3中步骤S31-S34工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的一种碳膜的制备方法、碳膜、以及刻蚀方法的具体实施方式做详细说明。
附图1所示是本发明一具体实施方式所述步骤示意图，包括：步骤S11，将一晶圆置于反应室中；步骤S12，采用等离子体混合气体轰击石墨烯靶材，在晶圆表面形成包含未成键的C、N原子的碳膜；步骤S13，退火，以激活未成键的C、N原子，形成共价键，得到碳膜。
附图2所示是本发明一具体实施方式形成所述工艺示意图。
参考步骤S11，将一晶圆置于反应室中。在本具体实施方式中，所述晶圆的材料选自硅、锗、氧化硅、氮化硅、碳化硅、砷化镓、以及磷化铟等材料中的一种或几种。
参考步骤S12，采用等离子体混合气体轰击石墨烯靶材22，在晶圆23表面形成包含未成键的C、N原子的碳膜。在本发明的一个具体实施方式中，所述等离子体混合气体包括Ar、N2、以及等离子体。所述石墨烯靶材22纯度大于99％，所述石墨烯靶材22在制备过程中以5rad/min-20rad/min的速度旋转，以保证C原子在晶圆表面均匀分布。所述包含未成键的C、N原子的碳膜具体为掺N的SP3杂化碳膜，所述包含未成键的C、N原子的碳膜的制备过程采用物理气相沉积方法，温度10℃-300℃。
参考步骤S13，退火，以激活未成键的C、N原子，形成共价键，得到碳膜。所述退火在流量为5000sccm-15000sccm的氮气保护下进行,温度400℃-800℃，时间30min-200min。
在本发明的一个具体实施方式中，所述等离子体混合气体的激发条件是采用13.56MHz的高频电极21，腔体压力为0.01mtorr～5mtorr，Ar流量为5000sccm-15000sccm，N2流量为500sccm-5000sccm,且Ar、N2的气体分子比例在1:1-1:10。在本发明的其他具体实施方式中，所述等离子体混合气体能够采用Ar以外的其他惰性气体与N2、以及等离子体进行混合。
通过实施上述步骤得到的所述碳膜中C、N原子以共价键相连，所述共价键中包括SP3杂化键。即所述碳膜为无氢碳膜。并且，采用上述方法形成的共价键中，由于N原子的引入替代了H原子，使共价键中SP3/SP2的比例较含氢碳膜有很大提高。
由于上述实验步骤中将一晶圆置于反应室，即在所述碳膜制备过程中不引入外界杂质；采用等离子体混合气体轰击石墨烯靶材，所述等离子体混合气体包括Ar、N2、以及等离子体，其中不含H2，即不引入H原子。经过退火，以激活未成键的C、N原子，形成共价键，得到碳膜。形成的所述碳膜即为无氢碳膜。现有技术中含氢碳膜中存在C、H原子以共价键相连，所以共价键中SP3/SP2的比例较低；上述技术方案制备的所述碳膜中C、N原子以共价键相连，所以共价键中SP3/SP2的比例较含氢碳膜有很大提高。由于SP2杂化轨道为平面三角形；SP3杂化轨道为空间四面体，更加稳定。SP3/SP2的比例更高，获得的碳膜就具有更高的硬度，因此上述方法制备的无氢碳膜比现有技术中含氢碳膜的硬度更高。高硬度的碳膜在应用于半导体集成工艺中，作为光刻掩膜版具有更高的选择性。可以大大提高刻蚀的效率，降低工艺成本。
附图3所示是本发明一具体实施方式所述刻蚀方法步骤示意图，包括：步骤S31，提供一晶圆，所述晶圆表面具有待刻蚀结构；步骤S32，形成碳膜，所述形成碳膜的步骤采用上述的方法；步骤S33，图形化所述碳膜形成硬掩模层；步骤S34，以所述硬掩膜层作为掩膜层刻蚀所述待刻蚀结构。
附图4A-4D所示是附图3中步骤S31-S34工艺示意图。
附图4A所示，参考步骤S31，提供一晶圆40，所述晶圆表面具有待刻蚀结构41。在本具体实施方式中，以氧化硅/氮化硅的叠层结构为例进行叙述。
附图4B所示，参考步骤S32，形成碳膜42，所述形成碳膜42的步骤采用上述具体实施方式中所述方法。在本发明的一个具体实施方式中，所述碳膜中C、N原子以共价键相连，所述共价键中包括SP3杂化键。
附图4C所示，参考步骤S33，图形化所述碳膜42形成硬掩模层43。
附图4D所示，参考步骤S34，以所述硬掩膜层43作为掩膜版刻蚀所述待刻蚀结构41。由于N原子的引入替代了H原子，使碳膜中SP3/SP2的比例更高，硬度更高，选择性更高，作为掩膜版使用的碳膜比含氢碳膜的厚度更低，不易造成倒塌，降低了成本和工艺难度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将一晶圆置于反应室中；
采用等离子体混合气体轰击石墨烯靶材，在晶圆表面形成包含未成键的C、N原子的碳膜；
退火，以激活未成键的C、N原子，形成共价键，得到碳膜。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述石墨烯靶材纯度大于99％，所述石墨烯靶材在制备过程中以5rad/min-20rad/min的速度旋转。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述包含未成键的C、N原子的碳膜具体为掺N的SP3杂化碳膜。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述包含未成键的C、N原子的碳膜的制备过程采用物理气相沉积方法，温度10℃-300℃。
5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述退火在流量为5000sccm-15000sccm的氮气保护下进行,温度400℃-800℃，时间30min-200min。
6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述等离子体混合气体包括Ar、N2、以及等离子体。
7.一种碳膜，其特征在于，所述碳膜中C、N原子以共价键相连，所述共价键中包括SP3杂化键。
8.根据权利要求7中所述的碳膜，其特征在于，所述碳膜的厚度为20nm-500nm。
9.一种刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一晶圆，所述晶圆表面具有待刻蚀结构；
形成碳膜，所述形成碳膜的步骤采用权利要求1-6中任意一项所述的方法；
图形化所述碳膜形成硬掩模层；
以所述硬掩膜层作为掩膜版刻蚀所述待刻蚀结构。
10.根据权利要求9中所述的方法，其特征在于，所述碳膜的厚度为20nm-500nm。
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