JP2012506151A - プラズマ強化化学気相成長（ｐｅｃｖｄ）によって共形の非晶質炭素膜を堆積させる方法 - Google Patents

プラズマ強化化学気相成長（ｐｅｃｖｄ）によって共形の非晶質炭素膜を堆積させる方法 Download PDF

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Abstract

基板上に非晶質炭素層を堆積させる方法および装置が提供される。一実施形態では、堆積プロセスは、基板処理チャンバ内に基板を位置決めするステップと、炭素と水素の原子比が１：２より大きい炭化水素源を処理チャンバ内へ導入するステップと、水素、ヘリウム、アルゴン、窒素、およびこれらの組合せからなる群から選択されるプラズマ開始ガスを処理チャンバ内へ導入するステップであり、炭化水素源の体積流量とプラズマ開始ガスの体積流量の比が１：２以上であるステップと、処理チャンバ内にプラズマを生成するステップと、基板上に共形の非晶質炭素層を形成するステップとを含む。

Description

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。
集積回路は、数百万のトランジスタ、コンデンサ、および抵抗器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、低誘電率の誘電体材料と呼ばれることが多い。低誘電率の誘電体材料は一般に、３．８未満の比誘電率を有する。
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の誘電体材料を有するデバイスを作製することには、問題がある。比誘電率が約３．０未満で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。そのような低誘電率の誘電体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。そのような低誘電率の誘電体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、露出した低誘電率の誘電体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の誘電体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の誘電体材料の剥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。
さらに、ハードマスクは、フロントエンドとバックエンドの両方のプロセスに対する集積回路製造プロセスにおけるほとんどすべてのステップに使用されている。デバイス寸法が収縮し、パターン構造の製造がより複雑かつ困難になるにつれて、エッチハードマスクがより重要になっている。それは、利用可能なフォトレジストがエッチングの抵抗要件を満たすことができず、またフォトレジストが、リソグラフィおよびエッチングプロセスにおいてエッチマスクとしてではなく、単に画像の転写に使用されているためである。その代わりに、画像パターンを受け取るハードマスクが、下層にパターンを効果的にエッチングするための主要な材料になっている。
非晶質水素化炭素は、とりわけ二酸化シリコンまたは窒化シリコン材料など、金属、非晶質シリコン、および誘電体材料に対するハードマスクとして使用できる材料である。非晶質水素化炭素は、相当な水素含有量、たとえば約１０〜４５原子％程度の水素を含有しうる長距離結晶秩序をもたない炭素材料と見なされる。非晶質水素化炭素は非晶質炭素とも呼ばれ、ａ−Ｃ：Ｈまたはα−Ｃ：Ｈと表される。非晶質炭素は、化学的不活性、光透過性、および良好な機械的特性を有することが観察されている。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などの炭化水素源が、ＰＥＣＶＤチャンバ内に導入される。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、表面上に所望のａ−Ｃ：Ｈ膜を形成する。
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、ハードマスク層は、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必要がある。さらに、フィーチャ寸法が低減されるにつれて、光波長およびパターン寸法の制限のため、フォトレジスト材料にパターンを正確に転写するのが困難になる。したがって、次の生成デバイスに対してクリティカルディメンションを効果的に転写するにはハードマスクが重要になっているというこれらの難題に対処するために、新しいプロセスおよび材料が必要になっている。
ハードマスク層の堆積の共形性は、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実現するのが困難である。図１は、フィーチャ１１１および非共形の非晶質炭素層１１２が形成された基板１００の概略横断面図を示す。非共形の非晶質炭素層１１２は、フィーチャ１１１の側壁１１４を完全に覆うわけではないため、その後のエッチングプロセスの結果、側壁１１４の望ましくない浸食が生じる可能性がある。非共形の非晶質炭素層１１２によって側壁１１４が完全に覆われない結果、非共形の炭素層１１２下の材料がフォトレジストにより損なわれることもある。これは、電子デバイスを損傷することで知られている。
したがって、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。
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ことなどによって、基板を処理する方法を提供する。第１の実施形態によれば、この方法は、基板処理チャンバ内に基板を位置決めするステップと、炭素と水素の原子比が１：２より大きい炭化水素源を処理チャンバ内へ導入するステップと、水素、ヘリウム、アルゴン、窒素、およびこれらの組合せからなる群から選択されるプラズマ開始ガスを処理チャンバ内へ導入するステップであり、炭化水素源の体積流量とプラズマ開始ガスの体積流量の比が１：２以上であるステップと、１Ｗ／ｃｍ２以下のＲＦ電力、２トル以上の圧力、および約３００℃〜約４８０℃の温度で処理チャンバ内にプラズマを生成するステップと、基板上に共形の非晶質炭素層を形成するステップとを含む。
別の実施形態では、基板を処理する方法であって、堆積サイクルを実行するステップであって、堆積サイクルが基板の表面上に共形の非晶質炭素材料を形成するステップと、処理チャンバ内にパージプロセスを流すステップとを含むステップと、サイクルを２〜５０回繰り返すステップとを含む方法が提供される。
別の実施形態では、基板を処理する方法であって、基板処理チャンバ内に基板を位置決めするステップと、炭素と水素の原子比が１：２より大きい炭化水素源を処理チャンバ内へ導入するステップと、水素、ヘリウム、アルゴン、窒素、およびこれらの組合せからなる群から選択されるプラズマ開始ガスを処理チャンバ内へ導入するステップであり、炭化水素源の体積流量とプラズマ開始ガスの体積流量の比が１：２以上であり、炭化水素源およびプラズマ開始ガスが、基板表面から４００ミル〜６００ミルに位置決めされたガス分配器によって処理チャンバ内へ導入されるステップと、１Ｗ／ｃｍ２以下のＲＦ電力および約０℃〜約１００℃の温度で処理チャンバ内にプラズマを生成するステップと、基板上に共形の非晶質炭素層を形成するステップとを含む方法が提供される。
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。
（従来技術）フィーチャおよび非共形の非晶質炭素層が形成された基板の概略横断面図である。 フィーチャおよび非晶質炭素層が形成された基板の概略横断面図である。 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。 Ａ〜Ｌは、本明細書に記載の非晶質炭素層を使用して材料層をエッチングするプロセスの一実施形態の概略側面図である。 Ａ〜ＨおよびＥ’は、空間マスク２重パターン形成プロセスにおいて本明細書に記載の非晶質炭素層を使用するプロセスの一実施形態の概略側面図である。 Ａ〜Ｊは、本明細書に記載の非晶質炭素層を使用して材料層をエッチングするプロセスの別の実施形態の概略側面図である。 半導体構造における内部に配置された非晶質炭素層の使用の概略側面図である。
理解を容易にするために、可能な場合、複数の図に共通の同一の要素を指すために、同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素および／またはプロセスステップを、追加の記述なしで他の実施形態に組み込むことができると有益であることが企図される。
本明細書に記載の実施形態は一般に、化学気相成長システムにおいて改善された共形性で非晶質炭素材料（ａ−Ｃ：Ｈ）を堆積させる方法を提供する。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、基板のフィールド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（百分率で表すことができる）によって定量化される。本明細書に記載の方法によって堆積された層の共形性は、７０％以上、約７：１０以上、約８０％以上、約４：５以上など、約３０％より大きく、約１００％、約１：１までであることが観察される。たとえば、図１に示す従来技術の非共形の非晶質炭素層１１２の一致性は、側壁１１４上に層の堆積がないため、０％であると見なされる。
具体的には、ａ−Ｃ：Ｈ層の改善された共形の堆積の方法が提供される。共形の堆積は、炭素と水素の比が２：３以上など、炭素と水素の比が１：２以上である前駆体を利用することによって、ヘリウム、水素、窒素、アルゴン、またはこれらの組合せの群から選択されるプラズマ開始ガスで、前駆体からプラズマ開始ガスへの流量を増大させ、堆積圧力を増大させ、堆積温度を増大させ、より低いＲＦ電力を印加し、堆積速度が低減されたプラズマ環境で、複数の層内に非晶質炭素を堆積させることによって、およびこれらの組合せで改善することができる。本明細書の堆積プロセスは、適切な処理システムで実行することができる。
図３は、本発明の実施形態による非晶質炭素層の堆積に使用できる基板処理システム、システム３００の概略図である。適切なシステムの例には、Ｄ×Ｚ（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 ＳＥ（商標）処理チャンバおよびＰＲＯＤＵＣＥＲ ＧＴ（商標）処理チャンバなどのＰＲＯＤＵＣＥＲ（商標）システムが含まれる。これらはすべて、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されている。
システム３００は、プロセスチャンバ３２５、ガスパネル３３０、制御ユニット３１０、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日出願の米国特許第６，３６４，９５４号、「Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｃｈａｍｂｅｒ」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。
プロセスチャンバ３２５は通常、半導体基板３９０などの基板を支持するために使用される基板支持台座３５０を含む。この基板支持台座３５０は、シャフト３６０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３２５内部で垂直方向に動く。プロセスに応じて、半導体基板３９０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３５０は、埋め込まれた加熱器素子３７０によって加熱される。たとえば、基板支持台座３５０は、電源３０６から加熱器素子３７０へ電流を印加することによって、抵抗加熱することができる。半導体基板３９０は、基板支持台座３５０によって加熱される。また、基板支持台座３５０の温度を監視するために、基板支持台座３５０内には熱電対などの温度センサ３７２が埋め込まれる。測定された温度は、加熱器素子３７０に対する電源３０６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る温度で維持または制御することができる。
プロセスチャンバ３２５を排気するため、そしてプロセスチャンバ３２５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３０２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３２５内へ導入されるシャワーヘッド３２０が、基板支持台座３５０より上に配置され、プロセスガスをプロセスチャンバ３２５内へ均一に分配するように適合される。シャワーヘッド３２０はガスパネル３３０に接続され、ガスパネル３３０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の説明とともに以下により詳細に説明する。
また、ガスパネル３３０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３２５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。
シャワーヘッド３２０および基板支持台座３５０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３２５内へ導入されたプロセスガスはプラズマ３９２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３５０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電源および整合ネットワークをシャワーヘッド３２０に結合させることができ、またはシャワーヘッド３２０と基板支持台座３５０の両方に結合させることができる。
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、反応種のプラズマを生じさせる。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。
ガスパネル３３０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３１０によって実行される。シャワーヘッド３２０により、ガスパネル３３０からのプロセスガスをプロセスチャンバ３２５内へ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３１０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）３１２と、支持回路３１４と、メモリを包含する関連する制御ソフトウェア３１６とを含む。この制御ユニット３１０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、基板処理に必要な多数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３２０から出るとき、半導体基板３９０の表面３９５上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３９０上に非晶質炭素層が堆積される。
堆積プロセス
本発明の態様は、ａ−Ｃ：Ｈ層の改善された共形の堆積を実現する。改善された共形の堆積は、炭素と水素の比が２：３以上など、炭素と水素の比が１：２以上である前駆体を利用するプロセスによって実現することができ、ヘリウム、水素、窒素、アルゴン、またはこれらの組合せの群から選択されるプラズマ開始ガスで実現することができ、前駆体からプラズマ開始ガスへの流量を増大させて実現することができ、堆積圧力を増大させて実現することができ、堆積温度を増大させて実現することができ、より低いＲＦ電力を印加して実現することができ、堆積速度が低減されたプラズマ環境で実現することができ、ガス分配器と基板表面の間の間隔を増大させて実現することができ、複数の層内に非晶質炭素を堆積させることによって実現することができ、およびこれらの組合せによって実現することができる。本明細書に記載のプロセスは、低減された堆積速度および／またはより等方性の堆積プロセスを実現し、それによってより共形の堆積プロセスを提供すると考えられる。
堆積プロセスの一態様では、図３に関連して上述のプロセスチャンバ３２５などの処理チャンバ内へ炭化水素源およびプラズマ開始ガスを導入することを含むプロセスによって、ａ−Ｃ：Ｈ層が形成される。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、および任意選択でアルゴンなどのキャリアガスである。
１つまたは複数の炭化水素化合物は、炭素原子と水素原子の比が１：２以上、たとえば１：２より大きい化合物を含むことができる。たとえば、炭素と水素（または水素に対するフッ素などの置換基）の比が２：３〜２：１、たとえば約２：３〜約３：２など、２：３以上であれば、改善された一致性で非晶質炭素膜を作製することが観察される。記載の炭素と水素の原子比をもつそのような炭化水素化合物は、堆積プロセスをより等方性にすると考えられる。
炭化水素化合物は、本発明の方法からの利益を得られる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とすることができる。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が含まれる。
通常、炭化水素源内に含まれうる炭化水素化合物または炭化水素化合物の誘導体は、式ＣＡＨＢＦＣ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０〜５０の範囲を有し、ＡとＢ＋Ｃの比は１：２以上であり、たとえば１：２より大きい。たとえば、ＡとＢ＋Ｃの比は、２：３〜２：１など、２：３以上とすることができ、さらなる例では２：３〜３：２とすることができる。一実施形態では、Ｃ＝０である場合、炭化水素源は、式ＣｘＨｙを有することができる。上式で、２／３≦ｘ／ｙ≦３／２であり、ｘ／ｙはそれぞれの原子の数である。別法として、酸素および／または窒素置換化合物の場合、炭化水素源は、式ＣＡＨＢＯＣＦＤＮＥ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０〜１０の範囲を有し、Ｄは０〜５０の範囲を有し、Ｅは０〜１０の範囲を有し、ＡとＢ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅの比は１：２以上であり、たとえば１：２より大きい。たとえば、ＡとＢ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅは、２：３〜２：１など、２：３以上とすることができ、さらなる例では２：３〜３：２とすることができる。
適切な炭化水素化合物には、たとえば、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、ビニルアセチレン、およびこれらの誘導体などのアルキン類、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、フランなどの芳香族炭化水素類、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、式Ｃ３Ｈ２およびＣ５Ｈ４を有する化合物、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を含むハロゲン化芳香族化合物という化合物の１つまたは複数が含まれる。追加の適切な炭化水素には、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、および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を含むハロゲン化アルケン類が含まれる。炭素原子と水素原子の比が１：２より大きい前駆体の一例はＣ４Ｈ２であり、ジアセチレンとすることができる。
さらに、本発明は、炭素原子と水素原子の比が５：１など、３：１以上、たとえば１０：１以上である前駆体の使用を企図する。
炭素と水素の比が増大するにつれて、堆積中に炭素原子が隣接する炭素原子と結合し、その結果、網状の複雑な３次元の短距離秩序構造を形成することによって、堆積された膜の共形性がより良好になると考えられる。
ａ−Ｃ：Ｈ堆積プロセスは、炭化水素化合物の前および／または炭化水素化合物と同時にチャンバ内へ導入されるプラズマ開始ガスを使用することを含み、プラズマを開始して堆積を始める。プラズマ開始ガスは、それだけに限定されるものではないが、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス、およびこれらの組合せを含むイオン化電位の高いガスとすることができる。中でも、ヘリウムガスが好ましい。プラズマ開始ガスはまた、ヘリウムガス、窒素ガス、またはアルゴンガスなどの化学的に不活性のガスとすることができ、アルゴンガスが好ましい。ガスに対して適切なイオン化電位は、約５ｅＶ（電子電位）〜２５ｅＶである。プラズマ開始ガスは、炭化水素源の前にチャンバ内へ導入することができ、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。高いイオン化電位でプラズマ開始ガスを使用すると、堆積中に異方性のより低い膜のエッチングを実現し、それによって非晶質炭素膜の堆積における共形性を改善することが観察されている。プラズマ開始ガス、炭化水素源、またはこれらの組合せとともに、希釈（ｄｉｌｕｔａｎｔ）ガスなどの不活性ガスまたはアルゴンなどのキャリアガスを導入することができる。
炭化水素化合物およびプラズマ開始ガスは、非晶質炭素の堆積の場合、約１：１００以上、たとえば約１：１０〜約１０：１など、約１：１００〜１００：１の炭化水素化合物とプラズマ開始ガスの流れ比で導入することができる。一実施形態では、炭化水素化合物とプラズマ開始ガスの流れ比は、約１：５〜約２：１など、約１：５以上、たとえば約１：２〜約１：１とすることができ、非晶質炭素の堆積に使用することができる。炭化水素化合物とプラズマ開始ガスの流れ比を増大させると、比がより低い場合と比べて、改善された共形性を提供することが観察されている。
ａ−Ｃ：Ｈ層は、約２トル〜約２０トルなど、約２トル以上、一実施形態では約７トル以上、たとえば約７トル〜約９トルのチャンバ圧力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。共形性は、圧力の増大とともに増大することが観察されており、イオンは、基板に到達する前にさらなる散乱を受け、それによってエッチ能力を一部失い、ラジカルは、さらなる散乱を受け、より等方性かつ共形の膜成長のためによりランダムかつ等方性の角度で基板表面に達すると考えられる。
ａ−Ｃ：Ｈ層は、基板温度を約０℃〜約１００℃の温度または約３００℃〜約４８０℃の温度、たとえば約４００℃〜約４５０℃など、約０℃〜約８００℃で維持するチャンバ内で、炭化水素源から堆積させることができる。温度を増大させて非晶質炭素膜を堆積させると、堆積速度を低減させ、したがって共形性を改善することが観察されている。また、温度を増大させると、吸着された炭素前駆体の拡散率または移動度が増大し、より等方性の堆積および改善された共形性が得られる。
さらに、ａ−Ｃ：Ｈ層はまた、基板温度を約１００℃未満で維持するチャンバ内で炭化水素源から堆積されるとき、より共形に堆積させることができる。たとえば、基板表面から３１０ミル離隔されたシャワーヘッドを通って、９トルの圧力および７５℃で維持されたプロセスチャンバへ３８００ｓｃｃｍのＣ２Ｈ２および６０００ｓｃｃｍのヘリウムを提供し、３０ワットの高周波電力を印加することによりプラズマを生成することによって、ａ−Ｃ：Ｈ層が堆積された。解析された堆積層は、７７．８％の共形性（共形性の測定単位は、フィーチャの側壁上に堆積された非晶質炭素層の平均厚さＳと基板の上部表面上の非晶質炭素層の平均厚さＴとの比として定義される）を示した。同様に、基板の上部表面上の非晶質炭素層の厚さＴと比較したフィーチャの底部上の非晶質炭素層の厚さの比が７２．２％であることも観察された。
高密度のフィーチャ画定部、すなわち１６００ｎｍ２当たり約９個のフィーチャで、基板の上部表面上の非晶質炭素層の厚さＴと比較したフィーチャの底部上の非晶質炭素層の厚さの比が７２．２％であったことと比較すると、１００℃未満の温度で、ヘリウム流量を低減させて、たとえば約３０００ｓｃｃｍのヘリウムで堆積させると、フィーチャ画定部の底部上の堆積厚さに実質的な改善をもたらすことも驚くべきことであり、意外にも発見された。
層を堆積させるときのシャワーヘッドと基板表面の間の間隔を、４００ミル〜６００ミルの間隔などに、たとえば約５００ミルの間隔に増大させると、堆積された非晶質炭素層の共形性が改善したことも観察されている。たとえば、シャワーヘッド間隔が３１０ミルと比較すると５００ミルであることを除いて、低温の堆積に関する前段落と同じ条件下で、第２の非晶質炭素層が堆積された。解析された第２の堆積層は、９０．９％〜９１．７％の共形性（共形性の測定単位は、フィーチャの側壁上に堆積された非晶質炭素層の平均厚さＳと基板の上部表面上の非晶質炭素層の平均厚さＴとの比として定義される）を示した。同様に、より低密度のフィーチャ画定部、１６００ｎｍ２当たり１つのフィーチャ画定部など、４つ未満のフィーチャ画定部と比較すると、高密度のフィーチャ画定部、すなわち１６００ｎｍ２当たり約４〜２０個のフィーチャ、たとえば９個のフィーチャ画定部など、異なる密度を有するフィーチャパターンにおいて、基板の上部表面上の非晶質炭素層の厚さＴと比較したフィーチャの底部上の非晶質炭素層の厚さの比が９０．９％〜９１．７％であることも観察された。
５００ミル間隔の非晶質炭素層はまた、３１０ミル間隔の堆積プロセスの堆積速度が３００Å／分であることと比較すると、約１３８Å／分の堆積速度を有することが観察された。
炭化水素源およびプラズマ開始ガスがチャンバ内へ導入され、プラズマを開始して堆積を始める。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ＲＦ電力を印加すると、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と考えられるため、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、基板表面に当たるイオンの運動エネルギーを制御すると考えられる。混合されたＲＦ電力の２重周波源は、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。単一周波数ＲＦ電力の印加を使用することができ、通常、本明細書に記載の高周波電力が印加される。
約０．０１〜約１Ｗ／ｃｍ２など、約０．０１Ｗ／ｃｍ２〜約５Ｗ／ｃｍ２、たとえば約０．１Ｗ／ｃｍ２の基板表面積に対する電力密度でＲＦ電力を印加することによって、プラズマを生成することができる。電力の印加は、３００ｍｍの基板の場合、約１０Ｗ〜約２００Ｗなど、約１ワット〜約２０００ワット、たとえば約２０Ｗで行うことができる。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ミル〜約１０００ミルとすることができる。
いかなる特定の理論にも固執しないが、プラズマプロセスでは、炭化水素化合物を作るエネルギーイオン、すなわちよりランダムな堆積パターンで基板表面に達するラジカルの数を低減させることによって、非晶質炭素の堆積速度を低減させて共形性を改善し、それによってその結果生じる膜成長により等方性の堆積パターンを提供すると考えられる。また、プラズマ堆積を低減させると、堆積速度がより遅くなることが観察され、それにより吸着された炭素前駆体を基板の表面上に拡散させてより共形の層を提供することができる。
３００ｍｍの円形の基板を処理する例示的な堆積プロセスは、ヘリウムなどのプラズマ開始ガスおよびアセチレン（Ｃ２Ｈ２）などの炭化水素源を用いる。このプロセスは、約４００ｓｃｃｍ〜約８０００ｓｃｃｍの流量でヘリウムなどのプラズマ開始ガスを供給するステップと、約４００ｓｃｃｍ〜８０００ｓｃｃｍの流量でアセチレン（Ｃ２Ｈ２）などの炭化水素源を供給するステップと、約１０Ｗ〜約２０００Ｗの２重周波数ＲＦ電力を印加するステップと、チャンバ圧力を約２トル〜約２０トルで維持するステップと、チャンバ温度を約２５℃〜約４７５℃で維持するステップとを含むことができる。このプロセス範囲は、約３０％〜約１００％の一致性（フィーチャの側壁上に堆積された層の平均厚さと、基板のフィールド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）で、ａ−Ｃ：Ｈ層に対して、約１０Å／分〜約３００００Å／分の範囲内の堆積速度を提供する。本明細書の開示を読めば、異なる堆積速度の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、当業者には計算することができる。
堆積プロセスの一実施形態では、複数の個々の非晶質炭素の堆積を実行して、非晶質炭素層を形成する。複数の堆積プロセスの一態様では、本明細書に記載のものなどの堆積ステップに、停止ステップが続く。停止ステップでは、低減させた堆積速度または無堆積速度で、プラズマ開始ガス、希釈ガス、および／または前駆体を流すことができる。適切なプラズマ開始ガス、希釈ガス、および／または前駆体を、約１００ｓｃｃｍ〜約４００００ｓｃｃｍの流量でチャンバ内へ流すことができる。プラズマ開始ガスおよび／または希釈ガスが使用される場合、停止ステップに対してプラズマを開始することができる。次いで、所望の厚さが得られるまで、堆積および停止ステップを繰り返すことができ、１０〜５０サイクルなど、１〜１００サイクル、たとえば３０サイクル行うことができ、または別法として、非晶質炭素材料の厚さの約２％〜約１０％など、約１％〜約１００％、たとえば約３．３％だけ堆積させることができる。個々のサイクルでは、各サイクルに対して約１Å〜約１０００Åの厚さで非晶質炭素材料を堆積させて、約１０Å〜約１５０００Åの厚さを有する非晶質炭素層を形成することができる。周期的な堆積プロセスは、上述のプロセスパラメータ調整の１つまたは複数を使用することができる。
別法として、堆積ステップ前または停止ステップ中に、ガスを汲み出して再び流すこともできる。
多層堆積方式は、有効な膜堆積速度を下げ、共形性を改善すると考えられる。また、新しく堆積された炭素原子は、停止ステップ中に拡散し、共形性をさらに改善することができる。一般に、共形性は、所与の非晶質炭素膜の厚さに対して層の数が増大する（個々の層厚さがより小さく、繰返しがより多い）とき、および停止ステップ時間と堆積ステップ時間の比がより高い（有効な堆積速度が遅い）ときに改善される。たとえば、停止ステップ時間と堆積ステップ時間の比は、約１００：１〜約１：１００とすることができる。個々の層厚さおよび停止と堆積の時間比を調整することによって、デバイスの必要を満たすように、非晶質炭素膜の共形性を適応させることができ、したがって所与のＰＥＣＶＤ堆積条件（前駆体、ガス、流量、圧力、温度、ＲＦ電力など）に対して共形性を改善する別の解決策を提供することができる。
本発明の方法の１つの主な利点は、図２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２は、フィーチャ２０１および非晶質炭素層２０２が形成された基板２００の概略横断面図を示す。非晶質炭素層２０２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２０２は、共形性が高く、フィーチャ２０１の側壁２０４および床２０３を完全に覆う。定量的には、非晶質炭素層２０２は、約３０％〜約１００％程度の共形性を有することができる。たとえば約７０％〜約９０％であり、共形性（共形性の測定単位）は、側壁２０４上に堆積された非晶質炭素層２０２の平均厚さＳと基板２００の上部表面２０５上の非晶質炭素層２０２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、非共形の非晶質炭素層２０２は、約５％の共形性を有することを示す。
本明細書に記載のプロセスによって堆積された非晶質炭素材料の実施例は、以下のとおりである。
比較例：非晶質炭素堆積プロセスの比較例は、約３８０ミルの間隔を空けて、処理チャンバへ約４００ｓｃｃｍの流量のヘリウムを提供し、処理チャンバへ約８０００ｓｃｃｍの流量のアルゴンを提供するステップと、処理チャンバへ約６００ｓｃｃｍの流量のＣ３Ｈ６を提供するステップと、約１２５０Ｗで高周波ＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加するステップと、約３００℃の堆積温度を維持するステップと、約４．５トルのチャンバ圧力を維持するステップとを含み、高密度領域と開放領域の段差被覆で約２０％の共形性（共形性の測定単位）を有する非晶質炭素層を作製する。
第１の実施例では、約３００ミルの間隔を空けて、処理チャンバへ約４０００ｓｃｃｍの流量のヘリウムを提供するステップと、処理チャンバへ約２０００ｓｃｃｍの流量のＣ２Ｈ２を提供するステップと、約５０Ｗで高周波ＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加するステップと、約４００℃の堆積温度を維持するステップと、約９トルのチャンバ圧力を維持するステップとによって、非晶質炭素層を堆積して１８７Å／分の堆積速度をもたらし、約８３％の高密度領域と約９６％の開放領域の段差被覆の共形性（共形性の測定単位）を実現することが観察された。すべての実施例は、高さと幅のアスペクト比が約２．１：１であるフィーチャ上で実行された。
第２の実施例では、約３００ミルの間隔を空けて、処理チャンバへ約２０００ｓｃｃｍの流量のヘリウムを提供するステップと、処理チャンバへ約２０００ｓｃｃｍの流量のＣ２Ｈ２を提供するステップと、約１００Ｗで高周波ＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加するステップと、約４００℃の堆積温度を維持するステップと、約９トルのチャンバ圧力を維持するステップとによって、非晶質炭素層を堆積して５１６Å／分の堆積速度をもたらし、約８２％の高密度領域と約８６％の開放領域の段差被覆の共形性（共形性の測定単位）を実現することが観察された。第１の実施例および第２の実施例は、高さと幅のアスペクト比が約２．１：１であるフィーチャ上で実行された。
第３の実施例では、約３００ミルの間隔を空けて、処理チャンバへ約４０００ｓｃｃｍの流量のヘリウムを提供するステップと、処理チャンバへ約２０００ｓｃｃｍの流量のＣ２Ｈ２を提供するステップと、約２０Ｗで高周波ＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加するステップと、約４００℃の堆積温度を維持するステップと、約９トルのチャンバ圧力を維持するステップとによって、非晶質炭素層を堆積して６４Å／分の堆積速度をもたらし、約９３％の高密度領域と約９７％の開放領域の段差被覆（共形性の測定単位）を実現することが観察された。
第４の実施例では、約３１０ミルの間隔を空けて、処理チャンバへ約４０００ｓｃｃｍの流量のヘリウムを提供するステップと、処理チャンバへ約２０００ｓｃｃｍの流量のＣ２Ｈ２を提供するステップと、約１０００Ｗで高周波ＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加するステップと、約４００℃の堆積温度を維持するステップと、約７トルのチャンバ圧力を維持するステップとによって、非晶質炭素層が堆積された。
第５の実施例では、堆積ステップと、それに続くヘリウムパージステップの１４回の堆積サイクルによって、非晶質炭素層が堆積された。堆積ステップは、約３００ミルの間隔を空けて、処理チャンバへ約４０００ｓｃｃｍの流量のヘリウムを提供するステップと、処理チャンバへ約２０００ｓｃｃｍの流量のＣ２Ｈ２を提供するステップと、約１００Ｗで高周波ＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加するステップと、約３００℃の堆積温度を維持するステップと、約９トルのチャンバ圧力を維持するステップとを含み、９０９Å／分の堆積速度をもたらし、約８４％の高密度領域の被覆（共形性の測定単位）を実現することが観察された。ヘリウムパージステップは、Ｃ２Ｈ２の流れがなく、ＲＦ電力が印加されないことを除いて、同じプロセスパラメータ下で実行された。
第６の実施例では、堆積ステップと、それに続くヘリウムパージステップの１４回の堆積サイクルによって、非晶質炭素層が堆積された。堆積ステップは、約３００ミルの間隔を空けて、処理チャンバへ約４００ｓｃｃｍの（低）流量のヘリウムを提供するステップと、処理チャンバへ約４００ｓｃｃｍの流量のＣ２Ｈ２を提供するステップと、約１００Ｗで高周波ＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加するステップと、約３００℃の堆積温度を維持するステップと、約７トルのチャンバ圧力を維持するステップとを含み、９０９Å／分の堆積速度をもたらし、６７％の側壁と上部の一致性、９４％の側壁と底部の一致性、および７２％の底部と上部の一致性を実現することが観察された。ヘリウムパージステップは、Ｃ２Ｈ２の流れがなく、ＲＦ電力が印加されないことを除いて、同じプロセスパラメータ下で実行された。
第７の実施例では、異なる電力範囲で堆積された非晶質炭素層の比較を行った。どちらのプロセスでも、非晶質炭素は、約３００ミルの間隔を空けて、処理チャンバへ約４０００ｓｃｃｍの流量のヘリウムを提供するステップと、処理チャンバへ約２０００ｓｃｃｍの流量のＣ２Ｈ２を提供するステップと、約５０Ｗまたは２０Ｗで高周波ＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加するステップと、約４００℃の堆積温度を維持するステップと、約９トルのチャンバ圧力を維持するステップとによって堆積された。５０Ｗの堆積プロセスでは、２００Å／分の堆積速度で８２％の側壁と上部の一致性をもたらし、２０Ｗの堆積プロセスでは、６４Å／分の堆積速度で９３〜９７％の側壁と上部の一致性をもたらした。
第８の実施例では、複数のサイクルと単一ステップの堆積で堆積された非晶質炭素層の比較を行った。どちらのプロセスでも、非晶質炭素は、約３００ミルの間隔を空けて、処理チャンバへ約４０００ｓｃｃｍの流量のヘリウムを提供するステップと、処理チャンバへ約２０００ｓｃｃｍの流量のＣ２Ｈ２を提供するステップと、約１００Ｗで高周波ＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加するステップと、約４００℃の堆積温度を維持するステップと、約９トルのチャンバ圧力を維持するステップとによって堆積された。単一ステップの堆積プロセスでは、５１％の側壁と上部の一致性、８７％の側壁と底部の一致性、および５９％の底部と上部の一致性をもたらした。周期的な堆積ステップは、堆積と、それに続くヘリウムパージステップの１４サイクルを含み、７１％の側壁と上部の一致性、９２％の側壁と底部の一致性、および７７％の底部と上部の一致性をもたらした。ヘリウムパージステップは、ＲＦ電力が印加されず、Ｃ２Ｈ２が提供されないが、同じ条件下で実行された。
第９の実施例では、２つの周期的プロセスと単一ステップの堆積で堆積された非晶質炭素層の比較を行った。どちらのプロセスでも、非晶質炭素は、約３００ミルの間隔を空けて、処理チャンバへ約４０００ｓｃｃｍの流量のヘリウムを提供するステップと、処理チャンバへ約２０００ｓｃｃｍの流量のＣ２Ｈ２を提供するステップと、約５０Ｗで高周波ＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加するステップと、約４００℃の堆積温度を維持するステップと、約９トルのチャンバ圧力を維持するステップとによって堆積された。単一ステップの堆積プロセスでは、２５ＷのＲＦ電力の印加を使用し、高密度構造に対して５６％の側壁と上部の一致性をもたらし、開放構造に対して８７％の側壁と上部の一致性をもたらした。第１の周期的プロセスの第１の一連の周期的プロセスでは、上述の２５回の堆積およびヘリウム冷却サイクルをそれぞれ２０Åで７秒にわたって使用し、高密度構造に対して５５％の側壁と上部の一致性をもたらし、開放構造に対して８２％の側壁と上部の一致性をもたらした。第２の一連のプロセスでは、１０回の堆積およびヘリウムサイクルをそれぞれ５０Åで１５秒にわたって使用し、高密度構造に対して５４％の側壁と上部の一致性をもたらし、開放構造に対して７５％の側壁と上部の一致性をもたらした。第２のプロセスの第１の一連の周期的プロセスでは、７秒間の堆積サイクルを２５回、それぞれ２０Åで使用し、高密度構造に対して７８％の側壁と上部の一致性をもたらし、開放構造に対して８９％の側壁と上部の一致性をもたらした。第２の一連のプロセスでは、１５秒間の堆積サイクルを１０回、それぞれ５０Åで使用し、高密度構造に対して６９％の側壁と上部の一致性をもたらし、開放構造に対して８９％の側壁と上部の一致性をもたらした。第３の一連のプロセスでは、７秒間の堆積ステップおよび１３秒間の安定化ステップのサイクルを２５回、それぞれ２０Åで使用し、高密度構造に対して５５％の側壁と上部の一致性をもたらし、開放構造に対して９２％の側壁と上部の一致性をもたらした。
図４Ａ〜４Ｌは、本明細書に記載の非晶質炭素層を使用して材料層をエッチングするプロセスの概略側面図である。基板表面（図示せず）上に基材４１０を堆積させて、材料スタック４００の形成を始める。この基材は、シリコン基板材料、酸化物材料、ポリシリコン材料などを含めて、半導体デバイスを形成するのに使用される１つまたは複数の材料とすることができる。図４Ｂに示すように、基材４１０上に第１の非晶質炭素層４２０が堆積され、第１の非晶質炭素層４２０上に第１の反射防止被覆材料４３０が堆積される。非晶質炭素層は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されているＡｄｖａｎｃｅｄ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ Ｆｉｌｍ（商標）（ＡＰＦ）材料とすることができ、または別法として本明細書に記載の非晶質炭素材料とすることができる。第１の反射防止被覆材料４３０は、リソグラフィパターン形成プロセス中に光の反射を制御するために使用される。第１の反射防止被覆材料４３０は、二酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン、またはこれらの組合せを含むことができる。反射防止被覆材料は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されているＤＡＲＣ（商標）材料層とすることができる。
図４Ｃに示すように、第１の反射防止被覆材料上に、第２の非晶質炭素層４４０および第２の反射防止被覆材料４５０を順次堆積させることができる。第２の非晶質炭素層４４０および第２の反射防止被覆材料４５０は、層４２０および第１の反射防止被覆材料４３０のために堆積された材料と同じ材料とすることができる。次いで、図４Ｄに示すように、第２の反射防止被覆材料４５０上に、フォトレジスト材料などのレジスト層４６０が堆積される。次いで、図４Ｅに示すように、リソグラフィプロセスによってレジスト層にパターン形成し、パターン付きのレジスト層４６１を作製する。１つまたは複数のエッチングプロセスにより、まず第２の反射防止被覆材料４５０をエッチングし、次いで第２の非晶質炭素層４４０をエッチングすることによって、レジスト層４６１内に形成された第１のパターン４６２を第２の非晶質炭素層４４０へ転写して、図４Ｆに示すように、パターン付きの第２の非晶質炭素層４４１を形成する。パターン付きの第２の非晶質炭素層４４１は、下にある材料に対するハードマスクとして機能することができる。第２の反射防止被覆材料４５０は、１つもしくは複数のエッチングプロセスによって、または別個のプロセスによって除去することができる。
図４Ｇに示すように、第１の反射防止被覆材料４３０およびパターン付きの第２の非晶質炭素層４４１上に、共形の非晶質炭素層４７０が堆積される。共形の非晶質炭素層は、本明細書に記載のプロセスのいずれかによって堆積させることができる。異方性エッチプロセスによって共形の非晶質炭素層４７０にパターン形成して、図４Ｈに示すように、側壁非晶質炭素材料４７１を実現することができる。側壁非晶質炭素材料４７１の存在により、現在のフォトリソグラフィプロセスによって通常実現できるものよりクリティカルディメンションおよびフィーチャ寸法を低減させて、すなわちパターン密度を増大させて、第２のパターン４７２の形成が可能になる。パターン付きの第２の非晶質炭素層４４１は、側壁非晶質炭素材料４７１とともに、下にある第１の反射防止被覆材料４３０および第１の非晶質炭素層４２０に対するハードマスク層として機能することができる。
次いで、第１の反射防止被覆材料４３０をエッチングして、図４Ｉに示すように、第２のパターン４７２をもつパターン付きの反射防止被覆層４３１を形成する。パターン付きの第２の非晶質炭素層４４１および側壁非晶質炭素材料４７１は、エッチングプロセス中に、またはその後のプロセスによって、除去される。次いで、第１の非晶質炭素層４２０をエッチングして、第２のパターン４７２を有するパターン付きの第１の非晶質炭素層４２１を形成し、下にある基材４１０へ転写する。次いで、図４Ｋに示すように、パターン付きの第１の非晶質炭素層４２１をハードマスク層として使用して基材４１０をエッチングし、図４Ｌに示すように、パターン付きの第１の非晶質炭素層４２１を除去して、第２のパターン４７２を有するパターン付きの基材４１１を基板表面に提供する。
代替実施形態では、図４Ｆ〜４Ｌに対するパターン付きの第２の非晶質炭素層４４１の代わりにパターン付きのレジスト材料が使用され、それによって、図４Ｃ〜４Ｅのパターン付きの第２の非晶質炭素層４４０および第２の反射防止被覆材料４５０ならびに対応する堆積ステップおよびエッチングステップの必要をなくす。
図５Ａ〜５Ｈは、空間マスク２重パターン形成プロセスで本明細書に記載の非晶質炭素層を使用するプロセスの概略側面図である。基板表面上に基材５１０を堆積させて、材料スタック５００の形成を始める。この基材は、シリコン基板材料、酸化物材料、ポリシリコン材料などを含めて、半導体デバイスを形成するのに使用される１つまたは複数の材料とすることができる。図５Ａに示すように、基材５１０上に第１の非晶質炭素層５２０が堆積され、第１の非晶質炭素層５２０上に、第１のパターン５３２を有するパターン付きのレジスト層５３０が形成される。非晶質炭素層は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されているＡｄｖａｎｃｅｄ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ Ｆｉｌｍ（商標）（ＡＰＦ）材料とすることができ、または別法として本明細書に記載の非晶質炭素材料とすることができる。レジスト層５３０には、リソグラフィプロセスによってパターン形成される。次いで、パターン付きのレジスト層５３０をトリミングプロセスにかけ、それによってパターン付きのレジスト材料の幅を狭くし、図５Ｂに示すように、トリミングされたレジスト材料５３１によって画定される第２のパターン５３３を形成する。次いで、第１の非晶質炭素層５２０をエッチングして、第２のパターン５３３を転写し、図５Ｃに示すように、パターン付きの非晶質炭素層５２１を形成する。
次いで、パターン付きの非晶質炭素層５２１構造に隣接して、側壁スペーサ５４０が形成される。スペーサは、第１の非晶質炭素層または共形の非晶質炭素材料とは異なるエッチング速度を有するエッチング可能な材料を含むことができる。適切な材料には、たとえば、二酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン、またはこれらの組合せが含まれる。次いで、図５Ｅに示すように、側壁スペーサ５４０およびパターン付きの非晶質炭素層５２１構造上に、共形の非晶質炭素材料の間隙充填層５５０が堆積される。共形の非晶質炭素材料は、本明細書に記載のプロセスのいずれかによって堆積させることができる。好ましい共形の非晶質炭素材料は、パターン付きの非晶質炭素層５２１と類似のエッチ特性を有する材料である。次いで、図５Ｆに示すように、間隙充填層５５０をエッチングして、側壁スペーサ５４０を再び露出させる。次いで、側壁スペーサ５４０をエッチングし、図５Ｇに示すように、基材５１０を露出させてハードマスク層５５１を画定する。次いで、基材５１０をエッチングしてパターン形成し、図５Ｈに示すように、パターン付きの基材５１１を形成する。
代替のプロセスでは、図５Ｄに示すようにパターン付きの非晶質炭素層５２１構造に隣接して側壁スペーサ５４０が形成された後、パターン付きの非晶質炭素層５２１が基板表面から剥がされる。次いで、側壁スペーサ５４０は、図５Ｅ’に示すようなパターンを形成する。このパターンは、基材５１０に対するハードマスクとして使用することができる。次いで、基材５１０をエッチングしてパターン形成し、パターン付きの基材５１１を形成することができる。
図６Ａ〜６Ｊは、たとえば１００℃未満の非晶質炭素の堆積プロセスによって、本明細書に記載の非晶質炭素層を使用して材料層をエッチングするプロセスの概略側面図である。基板表面（図示せず）上に基材６１０を堆積させて、材料スタック６００の形成を始める。この基材は、シリコン基板材料、酸化物材料、ポリシリコン材料などを含めて、半導体デバイスを形成するのに使用される１つまたは複数の材料とすることができる。図６Ｂに示すように、基材６１０上に第１の非晶質炭素層６２０が堆積され、第１の非晶質炭素層６２０上に反射防止被覆材料６３０が堆積される。非晶質炭素層は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されているＡｄｖａｎｃｅｄ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ Ｆｉｌｍ（商標）（ＡＰＦ）材料とすることができ、または別法として本明細書に記載の非晶質炭素材料とすることができる。反射防止被覆材料６３０は、リソグラフィパターン形成プロセス中に光の反射を制御するために使用される。反射防止被覆材料６３０は、二酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン、またはこれらの組合せを含むことができる。反射防止被覆材料は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されているＤＡＲＣ（商標）材料層とすることができる。
次いで、図６Ｃに示すように、反射防止被覆材料６３０上に、フォトレジスト材料などのレジスト層６４０が堆積される。次いで、図６Ｄに示すように、リソグラフィプロセスによってレジスト層にパターン形成し、パターン付きのレジスト層６４１を作製する。パターン付きのレジスト層６４１は、第１のエッチパターン６４２を形成する。
図６Ｅに示すように、本明細書に記載のプロセスおよび共形性によって、パターン付きのレジスト層６４１上に、第２の非晶質炭素層６５０が共形または実質上共形に堆積される。共形の非晶質炭素層は、本明細書に記載のプロセスのいずれかによって堆積させることができる。一実施例では、第２の非晶質炭素材料は、１００℃未満の堆積プロセスによって堆積される。第２の非晶質炭素層６５０をエッチングしてパターン形成し、図６Ｆに示すように、第１のエッチパターンより低減された、たとえば狭いフィーチャ寸法を有する第２のエッチパターン６５２を形成する。異方性エッチプロセスによって共形の第２の非晶質炭素層６５０にパターン形成して、側壁非晶質炭素材料６５１を実現する。
側壁非晶質炭素材料６５１の存在により、現在のフォトリソグラフィプロセスによって通常実現できるものよりクリティカルディメンションおよびフィーチャ寸法を低減させて、すなわちパターン密度を増大させて、第２のエッチパターン６５２の形成が可能になる。そのようなプロセスによって、レジスト層内に形成されるフィーチャ画定部のクリティカルディメンションなどの寸法を低減（「収縮」）させて、下にある層内でより微細なフィーチャパターンを実現することができる。パターン付きのレジスト層６４１は、側壁非晶質炭素材料６５１とともに、下にある反射防止被覆材料６３０および第１の非晶質炭素層６２０に対するハードマスク層として機能することができる。
１つまたは複数のエッチングプロセスにより、図６Ｇに示すように反射防止被覆材料６３０をまずエッチングし、次いで図６Ｈに示すように第１の非晶質炭素層６２０をエッチングすることによって、側壁非晶質炭素材料６５１およびレジスト層６４１で形成された第２のエッチパターン６５２を第１の非晶質炭素層６２０へ転写して、パターン付きの第１の非晶質炭素層６２１を形成する。パターン付きの第１の非晶質炭素層６２１は、下にある基材６１０に対するハードマスクとして機能することができる。反射防止被覆材料６３１は、１つもしくは複数のエッチングプロセスによって、または下にある材料をエッチングする前の別個のプロセスによって、除去することができる。
次いで、第１の非晶質炭素層６２０をエッチングして、図６Ｈに示すように、第２のエッチパターン６５２を有するパターン付きの第１の非晶質炭素層６２１を形成し、下にある基材６１０へ転写する。次いで、図６Ｉに示すように、パターン付きの第１の非晶質炭素層６２１をハードマスク層として使用して基材６１０をエッチングし、図６Ｊに示すように、パターン付きの第１の非晶質炭素層６２１を除去して、第２のエッチパターン６５２を有するパターン付きの基材６１１を基板表面に提供する。
図７は、半導体構造における内部に配置された非晶質炭素層の使用の概略側面図である。図７は、本明細書に記載のプロセスの１つによって堆積された非晶質炭素層を、逆Ｔ字ゲート７００に対する犠牲側壁マスクとして使用することを開示する。基板７１０上に、トンネル酸化物層７２０が堆積される。トンネル酸化物層上にドープされたポリシリコン層７３０が堆積され、ドープされたポリシリコン層７３０上に高熱酸化物（ＨＴＯ）層７４０が堆積される。高熱酸化物（ＨＴＯ）７４０上に、マスク層７５０が堆積される。マスク層７５０にパターン形成し、酸化物層７４０およびドープされたポリシリコン層７３０をエッチングして、フィーチャ７５５を形成する。本明細書に記載の方法の１つによって、エッチ基板表面を覆って非晶質炭素層７６０を堆積させて、形成されたフィーチャ７５５の側壁被覆を形成する。
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。

Claims (15)

  1. 基板上に非晶質炭素層を形成する方法であって、
    基板処理チャンバ内に基板を位置決めするステップと、
    炭素と水素の原子比が１：２より大きい炭化水素源を前記処理チャンバ内へ導入するステップと、
    水素、ヘリウム、アルゴン、窒素、およびこれらの組合せからなる群から選択されるプラズマ開始ガスを前記処理チャンバ内へ導入するステップであり、前記炭化水素源の体積流量とプラズマ開始ガスの体積流量の比が１：２以上であるステップと、
    １Ｗ／ｃｍ２以下のＲＦ電力、２トル以上の圧力、および約３００℃〜約４８０℃の温度で前記処理チャンバ内にプラズマを生成するステップと、
    前記基板上に共形の非晶質炭素層を形成するステップと
    を含む方法。
  2. 前記非晶質炭素層を形成した後、パージ処理ステップを実行するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記非晶質炭素形成プロセスステップおよび前記パージ処理ステップを約２〜約５０サイクル繰り返すステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記水素の前駆体、前記プラズマ開始ガス、またはこれらの両方とともに、前記処理チャンバ内へ希釈ガスを導入するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記炭化水素源の炭素と水素の原子比が２：３以上であり、前記炭化水素源が、アセチレン、ビニルアセチレン、ベンゼン、スチレン、トルエン、キシレン、ピリジン、アセトフェノン、フェノール、フラン、Ｃ３Ｈ２、Ｃ５Ｈ４、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、およびヘキサフルオロベンゼンの群から選択される１つまたは複数の化合物を含み、前記炭化水素ガスの体積流量とプラズマ開始ガスの体積流量の比が約１：１〜約１：２である、請求項１に記載の方法。
  6. 前記ＲＦ電力が約０．０１〜約１Ｗ／ｃｍ２で印加され、前記圧力が約２トル〜約２０トルである、請求項１に記載の方法。
  7. 前記ＲＦ電力が、２重周波数システムによって提供される、請求項１に記載の方法。
  8. 前記非晶質炭素層の共形性が、約３０％〜約１００％である、請求項１に記載の方法。
  9. 処理チャンバ内で基板を処理する方法であって、
    堆積サイクルを実行するステップであって、
    前記基板の表面上に共形の非晶質炭素材料を形成するステップ、及び
    前記処理チャンバにパージプロセスを流すステップ
    を含むステップと、
    前記サイクルを２〜５０回繰り返すステップと
    を含む方法。
  10. 前記パージガスが不活性ガスまたは炭化水素源ガスを含み、前記パージガスをプラズマに励起することができる、請求項９に記載の方法。
  11. 停止ステップ時間と堆積ステップ時間の比が約１００：１〜約１：１００であり、各堆積サイクルで、前記非晶質炭素層の厚さの２％〜５０％を堆積させることができる、請求項９に記載の方法。
  12. 前記基板の表面上に共形の非晶質炭素材料を形成する前記ステップが、
    炭素と水素の原子比が１：２以上である炭化水素源を前記処理チャンバ内へ導入するステップと、
    水素、ヘリウム、アルゴン、窒素、およびこれらの組合せからなる群から選択されるプラズマ開始ガスを前記処理チャンバ内へ導入するステップであり、前記炭化水素源の体積流量とプラズマ開始ガスの体積流量の比が１：２以上であるステップと、
    ５Ｗ／ｃｍ２以下のＲＦ電力、２トル以上の圧力、および約３００℃〜約４８０℃の温度で前記処理チャンバ内にプラズマを生成するステップと
    を含む、請求項９に記載の方法。
  13. 前記炭化水素源の炭素と水素の原子比が２：３以上であり、前記炭化水素源が、アセチレン、ビニルアセチレン、ベンゼン、スチレン、トルエン、キシレン、ピリジン、アセトフェノン、フェノール、フラン、Ｃ３Ｈ２、Ｃ５Ｈ４、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、およびヘキサフルオロベンゼンからなる群から選択される１つまたは複数の化合物を含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記プロセスが、炭化水素ガスの体積流量とプラズマ開始ガスの体積流量の比が約１：１〜約１：２であること、前記ＲＦ電力が約０．０１〜約５Ｗ／ｃｍ２で印加されること、前記圧力が約２トル〜約２０トルであること、及び前記圧力が約３００℃〜約４８０℃であることからなる群から選択される１つまたは複数の処理パラメータを含む、請求項１２に記載の方法。
  15. 基板上に非晶質炭素層を形成する方法であって、
    基板処理チャンバ内に基板を位置決めするステップと、
    炭素と水素の原子比が１：２より大きい炭化水素源を前記処理チャンバ内へ導入するステップと、
    水素、ヘリウム、アルゴン、窒素、およびこれらの組合せからなる群から選択されるプラズマ開始ガスを前記処理チャンバ内へ導入するステップであり、前記炭化水素源の体積流量とプラズマ開始ガスの体積流量の比が１：２以上であり、前記炭化水素源および前記プラズマ開始ガスが、前記基板表面から４００ミル〜６００ミルに位置決めされたガス分配器によって前記処理チャンバ内へ導入されるステップと、
    １Ｗ／ｃｍ２以下のＲＦ電力および約０℃〜約１００℃の温度で前記処理チャンバ内にプラズマを生成するステップと、
    前記基板上に共形の非晶質炭素層を形成するステップと
    を含む方法。
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