JP2015070270A5

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Publication number: JP2015070270A5
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Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2015-05-21
Anticipated expiration: 2034-09-24

Description

硫黄ドープ炭素ハードマスク

メモリおよび論理デバイス製造を含めた半導体処理でのハードマスクおよびエッチングストップ層として、アモルファス炭素被膜が使用されることがある。これらの被膜は、アッシング技法によって除去することができるので、アッシャブルハードマスク（ＡＨＭ）としても知られている。リソグラフィでのアスペクト比が増加するにつれて、ＡＨＭは、より高いエッチング選択性を必要とする。プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）プロセスを使用して高い選択性のＡＨＭを形成する現在の方法は、高い応力を有するＡＨＭを生じ、ハードマスクとしてのＡＨＭの有用性を制限する。したがって、高いエッチング選択性を有するが、低い応力を有するＡＨＭを形成することが望ましい。

メモリおよび論理デバイス製造を含む半導体処理で使用するためにエッチング選択性を高めるアッシャブルハードマスク（ＡＨＭ）を堆積する新規の方法が提供される。様々な実施形態において、これらの方法は、半導体基板上のエッチング対象の第１の層に、炭素源および硫黄源からの前駆体ガスを提供するステップと、前駆体ガスからプラズマを発生して、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）によって第１の層上に硫黄ドープＡＨＭを堆積するステップとを含む。ＡＨＭを上に堆積することができる層の例としては、酸化物や窒化物などの誘電体層、およびポリシリコン層が挙げられる。炭素源の例は、メタン（ＣＨ_４）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、およびプロピレン（Ｃ_３Ｈ_６）を含む。硫黄源の例としては、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）および二硫化炭素（ＣＳ_２）が挙げられる。様々な実施形態において、炭素源と硫黄源を堆積チャンバの上流で混合することも、別々に堆積チャンバに提供することもできる。特定の実施形態では、硫黄ドープＡＨＭは、約０．５％〜約５％の間の原子硫黄含有量を有することがある。特定の実施形態では、硫黄ドープＡＨＭは、約６０％〜約９０％の間の原子炭素含有量を有することがある。特定の実施形態では、硫黄ドープＡＨＭは、約１３％〜約２６％の間の原子水素含有量を有することがある。幾つかの実施形態では、硫黄ドープＡＨＭは、パターン形成することができる。次いで、パターン形成されたＡＨＭに従って第１の層をエッチングすることができる。幾つかの実施形態では、硫黄ドープＡＨＭは、約１０００Å〜約９００００Åの間の厚さでよい。様々な実施形態において、硫黄ドープＡＨＭは、約−４０ＭＰａ〜約−４００ＭＰａの間の応力を有する。

別の態様は、半導体基板上に硫黄ドープ炭素ベース被膜を形成する方法に関する。半導体基板が堆積チャンバ内に提供されることがある。様々な実施形態において、半導体基板は、堆積チャンバ内で、炭素源および硫黄源を含む前駆体ガスに曝露され、ＰＥＣＶＤによって基板上に硫黄ドープ炭素ベース被膜が堆積される。特定の実施形態では、硫黄ドープ炭素ベース被膜は、約０．５％〜約５％の間の原子硫黄含有量を有することがある。特定の実施形態では、硫黄ドープ炭素ベース被膜は、約０．５％〜約３．５％の間の原子硫黄含有量を有することがある。様々な実施形態において、硫黄源は、硫化水素または二硫化炭素でよい。

別の態様は、半導体基板を処理するように構成された装置に関する。様々な実施形態によれば、装置は、堆積チャンバを含み、堆積チャンバが、シャワーヘッドと、堆積チャンバにパワーを印加するように構成されたプラズマ発生器と、基板支持体と、１つまたは複数のガス入口と、制御装置とを備え、制御装置が、装置における動作を制御するように構成され、機械可読命令を含み、機械可読命令が、半導体基板を収容する堆積チャンバに、炭素源および硫黄源を含む前駆体ガスを流し、プラズマ発生器にパワーを印加して、前駆体ガスからプラズマを発生し、ＰＥＣＶＤによって基板上に硫黄ドープアッシャブルハードマスクを堆積するためのものである。
本発明は、以下の適用例としても実現可能である。
［適用例１］
半導体基板上のエッチング対象の第１の層の上にアッシャブルハードマスクを形成する方法であって、
前記半導体基板を収容する堆積チャンバに、炭素源および硫黄源を含む前駆体ガスを提供し、
前記前駆体ガスからプラズマを発生し、それにより、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）プロセスによって前記第１の層上に硫黄ドープアッシャブルハードマスクを堆積する
方法。
［適用例２］
前記堆積された硫黄ドープアッシャブルハードマスクが、約０．５％〜約５％の間の原子硫黄含有量を有する適用例１に記載の方法。
［適用例３］
前記堆積された硫黄ドープアッシャブルハードマスクが、約６０％〜約９０％の間の原子炭素含有量を有する適用例２に記載の方法。
［適用例４］
前記堆積された硫黄ドープアッシャブルハードマスクが、約１３％〜約２６％の間の原子水素含有量を有する適用例２に記載の方法。
［適用例５］
前記硫黄ドープアッシャブルハードマスクが、約１０００Å〜約９００００Åの間の厚さである適用例１から４のいずれか一項に記載の方法。
［適用例６］
前記硫黄ドープアッシャブルハードマスクが、約−４０ＭＰａ〜約−４０００ＭＰａの間の応力を有する適用例１から５のいずれか一項に記載の方法。
［適用例７］
前記第１の層が、酸化物層、窒化物層、またはポリシリコン層からなる群から選択される適用例１から６のいずれか一項に記載の方法。
［適用例８］
前記炭素源が、メタン、アセチレン、またはプロピレンである適用例１から７のいずれか一項に記載の方法。
［適用例９］
前記硫黄源が、硫化水素（Ｈ _２Ｓ）または二硫化炭素（ＣＳ _２）である適用例１から８のいずれか一項に記載の方法。
［適用例１０］
前記硫黄源が、二硫化炭素（ＣＳ _２）であり、前記炭素源が、アセチレン（Ｃ _２Ｈ _２）である適用例１から９のいずれか一項に記載の方法。
［適用例１１］
前記炭素源と前記硫黄源が、前記堆積チャンバの上流で混合される適用例１から１０のいずれか一項に記載の方法。
［適用例１２］
前記炭素源と前記硫黄源が、前記堆積チャンバに別々に提供される適用例１から１０のいずれか一項に記載の方法。
［適用例１３］
更に、前記アッシャブルハードマスク層をパターン形成する、適用例１から１２のいずれか一項に記載の方法。
［適用例１４］
更に、前記アッシャブルハードマスクのパターンに従って前記第１の層をエッチングする適用例１３に記載の方法。
［適用例１５］
半導体基板上に硫黄ドープアモルファス炭素ベース被膜を形成する方法であって、
堆積チャンバ内に前記半導体基板を提供し、
炭素源および硫黄源を含む前駆体ガスに前記基板を曝露し、
プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）プロセスによって前記基板上に硫黄ドープアモルファス炭素ベース被膜を堆積する
方法。
［適用例１６］
前記硫黄ドープアモルファス炭素ベース被膜が、約０．５％〜約５％の間の原子硫黄含有量を有する適用例１５に記載の方法。
［適用例１７］
前記硫黄源が、硫化水素（Ｈ _２Ｓ）または二硫化炭素（ＣＳ _２）である適用例１５または１６に記載の方法。
［適用例１８］
半導体基板を処理するように構成された装置であって、
（ａ）堆積チャンバと、（ｂ）装置における動作を制御するための制御装置とを備え、
（ａ）前記堆積チャンバが、
シャワーヘッドと、
プラズマ発生器と、
基板支持体と、
１つまたは複数のガス入口と
を備え、
（ｂ）制御装置が、
前記半導体基板を収容する前記堆積チャンバに、炭素源および硫黄源を含む前駆体ガスを流す命令と、
前記プラズマ発生器にパワーを印加し、前記前駆体ガスからプラズマを発生し、それにより、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）プロセスによって前記基板上に硫黄ドープアッシャブルハードマスクを堆積する命令とを
機械による読み取り可能に備える
装置。

これらおよび他の態様を、図面を参照してさらに以下に述べる。

様々な実施形態による、エッチング操作でアッシャブルハードマスクを使用する方法に関連する操作を示すプロセス流れ図である。

様々な実施形態による、硫黄ドープアッシャブルハードマスクを形成する方法に関連する操作を示すプロセス流れ図である。

様々な実施形態を実施するのに適したプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）チャンバの一例の概略図である。

以下の説明では、本明細書で提示する実施形態を完全に理解できるように、幾つかの特定の詳細を述べる。本明細書で開示する実施形態は、これらの特定の詳細の幾つかまたは全てを伴わなくても実施することができる。なお、本明細書で開示する実施形態を不要に曖昧にしないように、周知のプロセス操作については詳細には述べていない。本明細書で開示する実施形態を特定の実施形態に関連付けて述べるが、本明細書で開示する実施形態を限定することは意図されていないことを理解されたい。

半導体処理において、基板をパターン形成してエッチングするために、マスキング法が使用されることがある。基板のアスペクト比が増加するにつれて、高い選択性のハードマスクが求められる。高いエッチング選択性を有し、それでも基板を損傷することなく容易に除去することができるマスクが、基板の処理に重要である。

アッシャブルハードマスク（ＡＨＭ）は、エッチングストップ層でのマスクとして、または選択性エッチング中に、またはフォトレジストが下層をマスクするのに十分には厚くないことがある場合に使用することができる。また、ＡＨＭは、ディスプレイおよび他の技術のためのガラス基板上で使用することもできる。

ＡＨＭは、それらが役割を果たした後にアッシング（またはプラズマアッシングもしくはドライストリッピング）と呼ばれる技法によって除去できるようにする化学組成を有する。アッシング対象のハードマスクを有する基板が真空下でチャンバ内に配置され、プラズマからの一原子酸素がハードマスクと反応し、ハードマスクを酸化して、水、一酸化炭素、および二酸化炭素にする。プラズマは、チャンバ内で生成することができ、または酸素を無線周波源に曝すことによって遠隔で生成することができる。幾つかの例では、例えば、アッシャブルハードマスクが、アッシングだけでは除去することができない残渣を残すとき、アッシング後にさらにウェットまたはドライエッチングプロセスを行うことによって、ハードマスクの完全な除去を達成することができる。

ＡＨＭは、一般に、炭素と水素、および任意選択で微量の１種または複数種のドーパント（例えば、窒素、フッ素、ホウ素、およびケイ素）から構成されることがある。ＡＨＭの結合構造は、堆積条件に応じて、ｓｐ^２（グラファイト構造）、ｓｐ^３（ダイヤモンド構造）、またはそれらの組合せとなり得る。

図１は、エッチング操作においてハードマスクとしてＡＨＭを使用する方法に関連する操作を示すプロセス流れ図である。ＡＨＭを堆積する前に、堆積チャンバ内に、エッチング対象の層を有する基板を準備することができる。以下の説明では半導体基板に言及するが、ガラス基板など他のタイプの基板上の層にもこれらの方法を適用することができる。ＡＨＭでマスクすることができる材料の例としては、酸化物（例えばＳｉＯ_２）や窒化物（例えばＳｉＮおよびＴｉＮ）などの誘電体材料、ポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、ならびにアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）などの金属が挙げられる。特定の実施形態では、本明細書で述べるＡＨＭを使用して、酸化物、窒化物、またはポリシリコン層をパターン形成することができる。

操作１０２で、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）によって、エッチング対象の層上にＡＨＭが堆積される。ＰＥＣＶＤは、堆積チャンバ内でプラズマを発生させることを含むこともある。単一無線周波（ＲＦ）プラズマ源、または高周波（ＨＦ）成分と低周波（ＬＦ）成分を含むデュアルＲＦプラズマ源を使用することができる。幾つかのプロセスでは、１つまたは複数のＡＨＭ層を堆積することができる。

操作１０４で、所望のエッチングパターンに従って、フォトレジスト層が堆積され、露光され、現像される。幾つかの実装形態では、フォトレジストを堆積する前に、ＡＨＭ上に反射防止層（ＡＲＬ）が堆積されることがある。

操作１０６で、ＡＨＭの露出部分をエッチングすることによってＡＨＭが開かれる。ＡＨＭの開放は、操作１１０を参照して以下に述べるように、酸素ベースのドライエッチングによって行うことができる。

次に、操作１０８で、パターンを基板層に転写するために、基板層が選択的にエッチングされる。選択性エッチングは、ＡＨＭ壁を実質的に減ずることなく基板層がエッチングされるように行うことができる。エッチングの例としては、ラジカルベースおよび／またはイオンベースのエッチングを挙げることができる。エッチング化学物質の例としては、ハロゲンベースのエッチング化学物質、例えばフッ素含有および塩素含有エッチング化学物質を挙げることができる。例えば、酸化物層を選択的にエッチングするために、フルオロカーボン含有プロセスガスから発生される容量結合型プラズマが使用されることがある。プロセスガスの特定の例としては、任意選択で酸素（Ｏ_２）および不活性ガスを含むＣ_ｘＦ_ｙ含有プロセスガス、例えばＣ_４Ｈ_８／ＣＨ_２Ｆ_２／Ｏ_２／Ａｒが挙げられる。様々な実施形態によれば、エッチングプロセスは、直接（インサイチュ）プラズマを使用することも、遠隔プラズマを使用することもある。

最後に、操作１１０で、アッシング、プラズマアッシング、またはドライストリッピングによってＡＨＭを除去することができる。真空下でチャンバ内に酸素（Ｏ_２）が導入されることがあり、それにより、プラズマがＡＨＭと反応し、ＡＨＭを酸化して、水（Ｈ_２Ｏ）、一酸化炭素（ＣＯ）、および二酸化炭素（ＣＯ_２）にする。ドーパントが使用される場合、プラズマは、ドープＡＨＭと反応し、酸化させることがある。任意選択で、アッシング後のウェットまたはドライエッチングプロセスによって、残ったＡＨＭ残渣を除去することもできる。結果として、望ましいパターン形成基板層が得られる。

高いアスペクト比のパターン形成は、高いエッチング選択性を有するＡＨＭを使用することがある。エッチング選択性は、ＡＨＭ層と下層とのエッチングレートを比較することによって決定することができる。ＡＨＭがより低い水素含有量を有する場合、その耐久性が高められることがあり、エッチング選択性が高まることがある。ＡＨＭエッチングレートが低下する場合、エッチング選択性が高まることがある。低い水素含有量およびより低いエッチングレートを有するＡＨＭが、高いエッチング選択性を生じることがある。

現在、既知の高い選択性のＡＨＭは高い水素含有量を有し、それにより、効果的なＡＨＭの使用を制限している。現在の方法は、ＰＥＣＶＤによって、炭化水素など炭素ベースの前駆体ガスを導入することによって炭素ベースのＡＨＭを形成する。しかし、連続的なイオン衝突は、ＡＨＭ内に余剰の非結合水素原子も導入し、原子量の大きなイオンの強いイオン衝突を生じる。これは、堆積されるＡＨＭの応力を高める。高応力のＡＨＭは崩壊しやすいまたは押し潰れやすいので、これはＡＨＭの適用を制限する。また、より高い応力レベルが、アライメントをより難しくする。ケイ素、ホウ素、ゲルマニウム、窒素などのドーパントを使用して、ＡＨＭの水素含有量を減少させて、エッチング選択性を高めることができる。しかし、より高いアスペクト比のリソグラフィは、しばしば、現在のドープＡＨＭが提供するよりも高いエッチング選択性を有するＡＨＭを必要とする。

様々な実施形態によれば、本明細書では、より高い選択性を有するＡＨＭを形成する方法が提供される。これらの方法は、低い水素含有量を有する硫黄ドープＡＨＭを形成し、このＡＨＭは、エッチングレートを低下させ、かつ除去が容易であり、したがって、効果的な半導体処理のための高い選択性のハードマスクが得られる。

図２は、様々な実施形態による硫黄ドープＡＨＭを形成する方法に関連する操作を示すプロセス流れ図を示す。まず、操作２０２では、チャンバ内で基板上のエッチング対象の第１の層が準備される。基板および基板層の例は、図１の操作１０２を参照して上述した。図１には、ハードマスクとしてＡＨＭを使用する組込み方法が示されている。幾つかの他の実施形態では、本明細書で述べるＡＨＭは、ハードマスクとしての使用に加えて、またはハードマスクとしての使用の代わりに、エッチングストップ層として使用することもできる。

次いで、操作２０４で、第１の層が、炭素源および硫黄源を含む前駆体ガスに曝露される。様々な実施形態において、炭素源は、組成式Ｃ_ｘＨ_ｙによって定義される炭化水素前駆体でよく、ここで、Ｘは２〜１０の整数であり、Ｙは２〜２４の整数である。例として、メタン（ＣＨ_４）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、プロピレン（Ｃ_３Ｈ_６）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）、シクロヘキサン（Ｃ_６Ｈ_１２）、ベンゼン（Ｃ_６Ｈ_６）、およびトルエン（Ｃ_７Ｈ_８）が挙げられる。幾つかの実施形態では、２種以上の炭化水素前駆体が導入されることがある。

様々な実施形態において、硫黄源は、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、二硫化炭素（ＣＳ_２）、二酸化硫黄（ＳＯ_２）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）、または硫化カルボニル（ＣＯＳ）でよい。他の硫黄源としては、メタンチオール、エタンチオール、およびエタンジチオールが挙げられる。硫黄源と炭素源を予混合することもできる。幾つかの実施形態では、硫黄源と炭素源を別々にチャンバに提供することができる。

炭化水素および硫黄ベースの前駆体に加えて、キャリアガスを使用して、前駆体ガスの流れを希釈することができる。キャリアガスは、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ_２）、水素（Ｈ_２）、またはこれらの任意のガスの組合せを含む任意の適切なキャリアガスでよい。

堆積チャンバ内の全圧は、約１Ｔｏｒｒ〜約２０Ｔｏｒｒの間の範囲内、または約１．８Ｔｏｒｒでよい。幾つかの実施形態では、圧力は、約１Ｔｏｒｒ〜約１０Ｔｏｒｒの間でよい。幾つかの実施形態では、参照により本明細書に援用する米国特許第７，９８１，７７７号および第７，９８１，８１０号で論じられているように、炭化水素前駆体は、例えば約０．０１Ｔｏｒｒ〜約４Ｔｏｒｒの間の低い分圧で導入することができる。特定の実施形態では、この分圧は、約０．２Ｔｏｒｒ以下でよい。

前駆体ガス流量は、特定の堆積チャンバおよび基板による。３００ｍｍの基板に関して使用される流量の例は、約２００ｓｃｃｍ〜約４０００ｓｃｃｍの間のアセチレン、約１０００ｓｃｃｍ〜約２００００ｓｃｃｍの間の水素、および約０ｓｃｃｍ〜約２００００ｓｃｃｍの間のヘリウムである。幾つかの実施形態では、窒素の流量は、約０ｓｃｃｍ〜約３０００ｓｃｃｍの間でよい。硫黄源の流量の例は、約５０ｓｃｃｍ〜約４００ｓｃｃｍの間の二硫化炭素でよい。任意選択で、前駆体ガスは、連続またはパルスで流すこともできる。炭素源と硫黄源は、同期してパルスしても、非同期でパルスしてもよい。硫黄源のパルス周波数は、約０．０５Ｈｚ〜約１Ｈｚの間でよい。炭素源のパルス周波数は、約０．０５Ｈｚ〜約１Ｈｚの間でよい。

本明細書で述べる方法は、所望のＡＨＭ特性を得るために任意の適切なプロセス温度で使用することができ、例としては、約５０℃〜約５５０℃の範囲である。プロセス温度は、少なくとも一部はｓｐ^２結合とｓｐ^３結合の形成により、選択性および透過性に影響を及ぼすことがある。より高い温度は、Ｃ−Ｈ結合の容易な破壊およびその後の水素の拡散を可能にするので、ｓｐ^２が多いアモルファス炭素ネットワークを形成しやすい。例えば、約５００℃を超える温度で堆積された被膜は、ｓｐ^３結合に比べてかなり多くのＣＨおよびＣＨ_２のｓｐ^２結合を有し、より高い炭素含有量およびより高い密度を有し、これは、エッチング選択性の向上と相関する。しかし、ｓｐ^２炭素の光学的バンドギャップがより低いので、これらの被膜は、厚いハードマスクの塗布には適していないことがある。例えば、２ｋÅ以上では、これらの被膜は、マスクアライメントのために十分に透明でないことがある。上で参照した米国特許第７，９８１，８１０号は、より低い温度および／または希釈炭化水素前駆体の流れで、選択性および透明性のあるＡＨＭを堆積するためのプロセス条件を提供する。例えば約４００℃未満のより低い温度で堆積されるＡＨＭは、より高い温度で堆積されるＡＨＭとは異なる量のｓｐ^２結合を有することがある。

次に、図２に戻ると、操作２０６で、プラズマ源を使用してプラズマが点火される。幾つかの実施形態では、単一周波ＲＦプラズマ源を使用して、容量結合型プラズマを発生させることができる。ＲＦ源の周波数は、例えば、約１３．５６ＭＨｚでよい。様々な実施形態において、プラズマ源は、ＨＦＲＦ成分とＬＦＲＦ成分を含むデュアルＲＦプラズマ源でよい。特定の実施形態では、それらの実施形態の方法は、高エネルギーイオン衝突を生成するためにＬＦＲＦパワーを使用する。低周波ＲＦパワーは、１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの間の周波数、例えば４３０ｋＨｚを有するＲＦパワーを意味する。堆積中、幾つかの実施形態では、ＬＦパワーは、約０．００１Ｗ／ｃｍ^２〜約０．５Ｗ／ｃｍ^２、または約０．１４Ｗ／ｃｍ^２〜約０．３５Ｗ／ｃｍ^２の範囲内であり、ここで、Ｗ／ｃｍ^２は、１平方センチメートルの基板表面積当たりのワット数を表す。高周波ＲＦパワーは、２ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの間の周波数、例えば約１３．５６ＭＨｚの周波数を有するＲＦパワーを意味する。堆積中、幾つかの実施形態では、ＨＦパワーは、約０．００１Ｗ／ｃｍ^２〜約０．２Ｗ／ｃｍ^２の範囲内、または約０．１４Ｗ／ｃｍ^２である。

任意選択で、ＲＦパワーは、約２Ｈｚ〜約２００Ｈｚの間の周波数でパルスさせることができる。パルスまたは連続のＲＦパワーまたは硫黄流は、少なくとも４通りで使用することができる。第１に、ＲＦパワーを連続的にし、硫黄流も連続的にすることができる。第２に、ＲＦパワーをパルスさせ、硫黄流は連続的にすることができる。第３に、ＲＦパワーを連続的にし、硫黄流をパルスさせることができる。第４に、ＲＦパワーと硫黄流をどちらもパルスさせることができる。

以下に述べる図３には、ＰＥＣＶＤ堆積用の容量結合型プラズマを発生させるためのＲＦプラズマ源を示し、本説明でも主にＲＦプラズマ源に言及するが、直流（ＤＣ）およびマイクロ波源を含めた他のタイプの源を使用することもできる。

次に、図２を参照すると、操作２０８で、ＰＥＣＶＤによって、第１の層上に硫黄ドープＡＨＭが堆積される。特定の実施形態では、硫黄ドープＡＨＭ中の原子水素含有量は、約１３％〜約２６％の間でよく、原子硫黄含有量は、約０．５％〜約５％の間、約０．５％〜約３．５％の間、または約２％でよい。硫黄ドープＡＨＭの炭素含有量は、約６０％〜約９０％の間でよい。幾つかの実施形態では、第１の層は、酸化物／ポリシリコン積層である。幾つかの実施形態では、第１の層は、酸化物／窒化物積層である。幾つかの実施形態では、硫黄ドープＡＨＭは、約１未満、または約０．１〜約０．７の間の弾性率対応力比を有することがある。幾つかの実施形態では、硫黄ドープＡＨＭの弾性率は、約３０ＧＰａ〜約５０ＧＰａの間でよく、応力は、約−４００ＭＰａ〜約−５０ＭＰａの間でよい。ある一定の応力に関して、ドーピングの増加と共にエッチングレートが低下する（エッチング選択性が高まる）。

本明細書で開示する実施形態はいかなる特定の理論にも拘束されないが、硫黄ベースの前駆体ガスの使用は、（ｓｐ^３結合に比べて）配位数がより小さいのでエッチングレートがより高くなりやすいｓｐ^２共有結合を生成することがあるものの、ｓｐ^２結合の構造は、ネットワーク内の硫黄原子と炭素原子の体積を増加することがあり、それによりＡＨＭの強度を高め、選択性を高めると考えられる。

また、硫黄源が、硫黄原子と炭素および水素原子との間のポテンシャルイオン力を生成することがあり、これは、より安定な、またはより低い応力の、またはその両方の固体を形成すると考えられる。しかし、Ｈ_２Ｓなど水素を含む硫黄源は、堆積中の水素イオンまたはラジカル衝突の量を増加させ、ＡＨＭの応力を増加させる恐れがある。

本明細書で開示する実施形態はいかなる特定の理論にも拘束されないが、硫黄ドープＡＨＭが、エッチングプロセスの遅延因子として働き、エッチング中にガス流に対するＡＨＭの耐性を高め、その際、エッチング化学物質が、炭素ではなくＡＨＭ中の硫黄と相互作用すると考えられる。したがって、硫黄ドープＡＨＭは、ＡＨＭのマスキング強度を高め、エッチング選択性を高める。

したがって、硫黄ドープＡＨＭのエッチング選択性の向上は、結合の形成および構造、原子間の共有結合およびイオン力の強さ、ならびにエッチング遅延特性に起因することがあると考えられる。

上の図１に関連してＡＨＭを使用する別の実施形態では、方法１００は、操作１０４でフォトレジスト層が堆積されて現像される前に、操作１０２で、第１の層上への硫黄ドープ炭素ベースＡＨＭまたは硫黄ドープアモルファス炭素被膜の堆積を行うことができる。操作１０６で硫黄ドープ炭素ベース被膜をエッチングした後、操作１０８で第１の層が選択的にエッチングされる。最後に、プラズマアッシングを使用して、硫黄ドープ炭素ベース被膜を除去し、望ましいパターン形成された第１の層を形成することができる。

様々な実施形態において、硫黄ドープ炭素ベース層を形成するために使用されるドーパントは、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）または二硫化炭素（ＣＳ_２）でよい。本明細書で開示する実施形態はいかなる特定の理論にも拘束されないが、プラズマアッシングは、除去のために硫黄が酸素ベースプラズマとよく反応することができるので、硫黄ドープＡＨＭを効果的に除去すると考えられる。

装置
実施形態は、マルチステーション、またはマルチチャンバ、または単一ステーションツールで実施することができる。様々な実施形態が、ＰＥＣＶＤリアクタ（例えば、ＬａｍＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているＳｅｑｕｅｌ（商標）またはＶｅｃｔｏｒ（商標）リアクタチャンバ）など既存の半導体処理機器に適合し得る。一般に、装置は、１つまたは複数のチャンバまたはリアクタを収容し、各チャンバまたはリアクタが、１つまたは複数のステーションを含む。基板処理に適したチャンバは、１つまたは複数の基板を収容することがある。１つまたは複数のチャンバは、回転、振動、または他の擾乱を防止することによって、所定の位置で基板を維持する。幾つかの実施形態では、硫黄ドープＡＨＭの堆積を施される基板は、堆積中にチャンバ内部で１つのステーションから別のステーションに移送されることがある。例えば、様々な実施形態によれば、１つのステーションで２０００Åの硫黄ドープＡＨＭが完全に堆積されることがあり、または４つのステーションでそれぞれ５００Åの被膜が堆積されることがある。代替として、任意の数のステーションで、被膜全厚の任意の他の割合が堆積されることがある。複数のＡＨＭが堆積される様々な実施形態では、各ＡＨＭ層を堆積するために複数のステーションが使用されることもある。処理中、各基板は、ペデスタル、ウェハチャック、および／または他の基板保持装置によって所定位置に保持される。基板が加熱される特定の操作のために、装置は、加熱プレートなどの加熱器を有することがある。

図３は、様々な実施形態を実施するのに適したＰＥＣＶＤリアクタの一例の概略図を示す。図示されるように、リアクタ３００は、チャンバ３２４を収容し、チャンバ３２４は、マルチステーションツールのステーション、またはマルチチャンバ・マルチステーションツールのチャンバでよい。チャンバ３２４は、他のリアクタ構成要素を閉じ込め、プラズマは、接地された加熱器ブロック３２０と協働するコンデンサタイプのシステムおよびシャワーヘッド３１４によって発生される。ＬＦＲＦ発生器３０２とＨＦＲＦ発生器３０４をマッチングネットワーク３０６に接続することができ、マッチングネットワーク３０６は、さらにシャワーヘッド３１４に接続される。幾つかの実施形態では、単一のＲＦ発生器（図示せず）が使用されることもある。プロセスガスからプラズマを発生させるのに十分なパワーおよび周波数を、マッチングネットワーク３０６によって供給することができる。

リアクタ内部で、基板支持体３１８が基板３１６を保持する。ペデスタルは、典型的には、チャック、フォーク、またはリフトピンを有し、堆積および／またはプラズマ反応中に基板を保持し、堆積やプラズマ反応の合間に基板を移送する。チャックは、静電チャック、機械的チャック、または様々な他のタイプのチャックでよい。

プロセスガスは、入口３１２を通して導入される。複数のソースガスライン３１０が、マニホルド３０８に接続される。ガスは、任意選択で予混合することができる。適切な弁機構および質量流量制御メカニズムを採用して、プロセス中に適正なガスが送達されることを保証することができる。化学前駆体が液状で送達される場合には、液体流量制御メカニズムを採用することができる。次いで、液体は、堆積チャンバに達する前に、その蒸発点よりも高い温度に加熱されたマニホルド内での輸送中に気化されて、他のプロセスガスと混合される。

プロセスガスは、出口３２２を通ってチャンバ３２４から出る。真空ポンプ３２６（例えば、１段階または２段階式の機械的ドライポンプ、またはターボ分子ポンプ）が、プロセスガスを引き出し、絞り弁や振り子弁など閉ループの制御式流れ制限デバイスによって、リアクタ内部で適切に低い圧力を維持する。様々な実施形態において、チャンバ内のプラズマの密度は、約１０^１４〜約１０^１６イオン／ｍ^３でよい。

また、リアクタ３００は、リアクタ３００のプロセス条件およびハードウェア状態を制御するために採用されるシステム制御装置３２８の一実施形態を含む。例えば、幾つかの実施形態では、システム制御装置３２８は、炭素源および硫黄源からの前駆体ガス流やＬＦＲＦパワーおよびＨＦＲＦパワーレベルなど、ＰＥＣＶＤ被膜堆積段階中の１つまたは複数のプロセスパラメータを制御して、所望の硫黄ドープＡＨＭ被膜を実現することができる。

幾つかの実施形態では、（１つまたは複数の物理的または論理的制御装置を含むことがある）システム制御装置３２８が、プロセスツールの動作の幾つかまたは全てを制御する。適切な制御操作を実施するための命令が処理装置で実行される。これらの命令は、システム制御装置３２８に関連付けられるメモリデバイスに記憶されていることも、ネットワークを介して提供されることもある。特定の実施形態では、システム制御装置３２８は、システム制御ソフトウェアを実行する。

例えば、システム制御装置３２８は、適切なガス（例えば炭素源または硫黄源）の送達、装置外からの基板の受け入れ、および／またはマルチステーションチャンバの１つのステーションから次のステーションへの基板の移送を制御することができる。また、システム制御装置３２８は、堆積中に、温度、圧力、ＬＦＲＦパワー、ＨＦＲＦパワーなどを制御することもできる。

システム制御装置３２８は、１つまたは複数のメモリデバイス、１つまたは複数の大容量記憶デバイス、および１つまたは複数の処理装置を含むことがある。処理装置は、ＣＰＵまたはコンピュータ、アナログおよび／またはデジタル入出力接続端子、ステッパモータ制御装置ボードなどを含むことがある。

幾つかの実施形態では、システム制御装置３２８は、リアクタ３００の活動全てを制御する。幾つかの実施形態では、システム制御装置３２８は、大容量記憶デバイスに記憶されており、メモリデバイスにロードされ、処理装置で実行される機械可読システム制御ソフトウェアを実行し、それにより、装置が本発明の実施形態による方法を実施する。代替として、制御論理は、システム制御装置３２８内にハードコード化されることもある。特定用途向け集積回路やプログラマブル論理デバイス（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ））などを、これらの目的で使用することができる。以下の論述では、「ソフトウェア」が使用されているときであれ、「コード」が使用されているときであれ、機能的に同等のハードコード化された論理をその代わりに使用することができる。

システム制御ソフトウェアは、タイミング、ガスの混合、プロセスガス（例えば硫黄源や炭素源など）の流量、チャンバおよび／またはステーションおよび／またはリアクタ圧力、チャンバおよび／またはステーションおよび／またはリアクタ温度、基板温度、ターゲットパワーレベル、ＲＦパワーレベル、基板ペデスタル、チャックおよび／またはサセプタ位置、ならびにリアクタ３００によって行われる特定のプロセスの他のパラメータを制御するための命令を含むことがある。システム制御ソフトウェアは、任意の適切な様式で構成することができる。例えば、様々なプロセスツールプロセスを実施するためのプロセスツール構成要素の動作を制御するために、様々なプロセスツール構成要素サブルーチンまたは制御オブジェクトが書かれることがある。システム制御ソフトウェアは、任意の適切なコンピュータ可読プログラミング言語で符号化することができる。

幾つかの実施形態では、システム制御ソフトウェアは、上述した様々なパラメータを制御するための入出力制御（ＩＯＣ）シーケンス命令を含むことがある。例えば、製造プロセスの各段階は、システム制御装置３２８によって実行される１つまたは複数の命令を含むことがある。低応力の硫黄ドープＡＨＭを堆積するための様々なプロセス条件を設定するための命令が含まれることがある。関連のプロセス条件の幾つかの例を本明細書で述べる。

幾つかの実施形態では、システム制御装置３２８に関連付けられる大容量記憶デバイスおよび／またはメモリデバイスに記憶されている他のコンピュータソフトウェアおよび／またはプログラムが採用されることがある。この目的でのプログラムまたはプログラムの一部の例としては、基板位置決めプログラム、プロセスガス制御プログラム、圧力制御プログラム、加熱器制御プログラム、およびプラズマ制御プログラムが挙げられる。

基板位置決めプログラムは、プロセスステーション基板支持体３１８上に基板を装填するため、および基板とリアクタ３００の他の部分との間の間隔を制御するために使用されるプロセスツール構成要素のためのプログラムコードを含むことがある。

プロセスガス制御プログラムは、ガス組成および流量を制御するためのコード、および任意選択で、プロセスステーション内の圧力を安定させるために堆積前に１つまたは複数のプロセスステーション内にガスを流すためのコードを含むことがある。また、本明細書における実施形態によれば、プロセスガス制御プログラムは、硫黄源および／または炭素源からのガスをパルスするためのコードを含むこともある。圧力制御プログラムは、例えばプロセスステーションの排気システム内の絞り弁やプロセスステーション内へのガス流などを調整することによって、プロセスステーション内の圧力を制御するためのコードを含むことがある。

加熱器制御プログラムは、基板および／または処理チャンバを加熱するために使用される１つまたは複数の加熱ユニットへの電流を制御するためのコードを含むことがある。代替として、加熱器制御プログラムは、基板への伝熱ガス（ヘリウムなど）の送達を制御することもある。

プラズマ制御プログラムは、１つまたは複数のプロセスステーション内のプロセス電極に印加されるＲＦパワーレベルを設定するためのコードを含むことがある。

幾つかの実施形態では、システム制御装置３２８に関連付けられるユーザインターフェースが存在することもある。ユーザインターフェースは、表示画面、装置および／またはプロセス条件のグラフィカルソフトウェアディスプレイ、ならびにユーザ入力デバイス、例えばポインティングデバイス、キーボード、タッチスクリーン、マイクロフォンなどを含むことがある。

幾つかの実施形態では、システム制御装置３２８によって調節されるパラメータは、プロセス条件に関係することがある。非限定的な例として、例えば炭素源や硫黄源のプロセスガス組成および流量、温度、圧力、プラズマ条件（ＲＦバイアスパワーレベルなど）などが挙げられる。これらのパラメータは、ユーザインターフェースを利用して入力することができるレシピの形態でユーザに提供されることがある。

プロセスを監視するための信号は、様々なプロセスツールセンサから、システム制御装置３２８のアナログおよび／またはデジタル入力接続端子で提供されることがある。プロセスを制御するための信号は、リアクタ３００のアナログおよびデジタル出力接続端子で出力することができる。監視することができるプロセスツールセンサの非限定的な例としては、質量流量制御装置、圧力センサ（例えば圧力計）、熱電対などが挙げられる。これらのセンサからのデータと共に、適切にプログラムされたフィードバックおよび制御アルゴリズムを使用して、プロセス条件を維持することができる。

システム制御装置３２８は、上述した堆積プロセスを実施するためのプログラム命令を提供することができる。プログラム命令は、ＤＣパワーレベル、ＲＦバイアスパワーレベル、圧力、温度、処理ガスおよび／または熱および／または他のエネルギー源への曝露時間など、様々なプロセスパラメータを制御することができる。これらの命令は、本明細書で述べる様々な実施形態によれば、被膜積層のインサイチュ堆積およびさらなる処理（例えば、パターン形成、エッチング、および活性化）を操作するためにパラメータを制御することができる。

幾つかの実施形態では、高密度プラズマ（ＨＤＰ）法および装置を使用して、硫黄ドープアモルファス炭素被膜が形成されることがある。ＨＤＰ法は、一般に、反応空間の上流に位置された誘導結合型プラズマ発生器を使用する。幾つかの実施形態では、ＨＤＰプロセス中のプラズマの密度は、約１０^１７〜約１０^１９イオン／ｍ^３でよい。幾つかの実施形態では、ＨＤＰによる堆積中の圧力は、約１ｍＴｏｒｒ〜約２００ｍＴｏｒｒの間でよい。

［実験例］
ある一定の応力レベルで硫黄ドープおよび非ドープ炭素ハードマスクのエッチングレートを測定するために、実験を行った。実験は、１．８Ｔｏｒｒのプロセス圧力で行った。３００ｍｍの基板に対して、４ステーションツールに関して以下のプラズマパワーを与える。

４００Ｗの高周波（ＨＦ）パワーと１０００Ｗの低周波（ＬＦ）パワーでのデュアル無線周波（ＲＦ）プラズマを用いて２５００ｓｃｃｍのアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）を流すことによって、非ドープ炭素ハードマスクを製造した。

６つの硫黄ドープ炭素ハードマスクを製造した。まず、４００ＷのＨＦパワーと１０００ＷのＬＦパワーでのデュアルＲＦプラズマを用いて２５００ｓｃｃｍのアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）と５０ｓｃｃｍの二硫化炭素（ＣＳ_２）を流すことによって、２％硫黄ドープ炭素ハードマスクを製造した。

４００ＷのＨＦパワーと１０００ＷのＬＦパワーでのデュアルＲＦプラズマを用いて６２５ｓｃｃｍのアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）と、６８ｓｃｃｍの二硫化炭素（ＣＳ_２）と、２７５０ｓｃｃｍの窒素（Ｎ_２）とを流すことによって、第２の２％硫黄ドープ炭素ハードマスクを製造した。

４００ＷのＨＦパワーと１０００ＷのＬＦパワーでのデュアルＲＦプラズマを用いて２５００ｓｃｃｍのアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）と、２６２ｓｃｃｍの二硫化炭素（ＣＳ_２）と、１２５０ｓｃｃｍのヘリウムと、１５００ｓｃｃｍの窒素（Ｎ_２）とを流すことによって、第１の５％硫黄ドープ炭素ハードマスクを製造した。

４００ＷのＨＦパワーと１０００ＷのＬＦパワーでのデュアルＲＦプラズマを用いて６２５ｓｃｃｍのアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）と、１６８ｓｃｃｍの二硫化炭素（ＣＳ_２）と、１２５０ｓｃｃｍのヘリウムと、１５００ｓｃｃｍの窒素（Ｎ_２）とを流すことによって、第２の５％硫黄ドープ炭素ハードマスクを製造した。

４００ＷのＨＦパワーと４００ＷのＬＦパワーでのデュアルＲＦプラズマを用いて６２５ｓｃｃｍのアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）と、１６８ｓｃｃｍの二硫化炭素（ＣＳ_２）と、１２５０ｓｃｃｍのヘリウムと、１５００ｓｃｃｍの窒素（Ｎ_２）とを流すことによって、第３の５％硫黄ドープ炭素ハードマスクを製造した。

４００ＷのＨＦパワーと４００ＷのＬＦパワーでのデュアルＲＦプラズマを用いて６２５ｓｃｃｍのアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）と、１６８ｓｃｃｍの二硫化炭素（ＣＳ_２）と、１２５０ｓｃｃｍのヘリウムと、１５００ｓｃｃｍの窒素（Ｎ_２）とを流すことによって、第４の５％硫黄ドープ炭素ハードマスクを製造した。

７つの積層全てに関して、応力および弾性率を測定した。各ハードマスクに関して、酸化物／窒化物／酸化物／窒化物（ＯＮＯＮ）積層および酸化物／ポリシリコン／酸化物／ポリシリコン（ＯＰＯＰ）積層に対する相対エッチングレートを測定した。非ドープハードマスクに対するドープハードマスクのエッチングレートの改良を比較して示すために、相対エッチングレートを正規化した。以下の表１に結果をまとめる。

全体として、２％および５％硫黄ドープＡＨＭはいずれも、ＯＮＯＮ積層とＯＰＯＰ積層の両方に関して非ドープＡＨＭよりも低いエッチングレートを示し、したがってより高いエッチング選択性を示した。ある一定の応力で、ＡＨＭに関して比較を行った。

ＯＮＯＮエッチングレートの比較は、−１００Ｍｐａ〜０ＭＰａの間の範囲内の応力レベルを有するハードマスクの間で行った。５％ＳドープＡＨＭ＃１は、ＯＮＯＮ積層に対して、２％ＳドープＡＨＭ＃１よりも低いエッチングレートを有していた。これは、５％でのより高いドーピングを有するＡＨＭがより高いエッチング選択性を有していたことを示唆する。同様に、−２００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの間の応力レベルを有するハードマスクに関して、＃３および＃４での５％ＳドープＡＨＭは、ＯＮＯＮ積層に対して、２％ＳドープＡＨＭ＃１および非ドープＡＨＭよりも低いエッチングレートを示した。また、５％ＳドープＡＨＭ＃２は、ＯＮＯＮ積層に対して、２％ＳドープＡＨＭおよび非ドープＡＨＭよりも低い相対エッチングレートを示した。

非ドープハードマスクとドープハードマスクの間でＯＰＯＰエッチングレートの比較を行った。表１の結果は、ＯＰＯＰのエッチングに関して、ＳドープＡＨＭ（２％と５％のどちらも）が非ドープＡＨＭよりも低い相対エッチングレートを有していたことを示す。

［結論］
理解しやすくするために上記の実施形態を幾分詳細に述べてきたが、添付の特許請求の範囲の範囲内で幾つかの変更および修正を行うことができることは明らかであろう。本発明の実施形態のプロセス、システム、および装置を実装する多くの代替法が存在することに留意すべきである。したがって、本発明の実施形態は例示であり、限定ではないものとみなされるべきであり、それらの実施形態は、本明細書で与えた詳細に限定されるべきではない。

Claims

半導体基板上のエッチング対象の第１の層の上にアッシャブルハードマスクを形成する方法であって、
前記半導体基板を収容する堆積チャンバに、炭素源および硫黄源を含む前駆体ガスを提供し、
前記前駆体ガスからプラズマを発生し、それにより、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）プロセスによって前記第１の層上に硫黄ドープアッシャブルハードマスクを堆積する
方法。
前記堆積された硫黄ドープアッシャブルハードマスクが、約０．５％〜約５％の間の原子硫黄含有量を有する請求項１に記載の方法。
前記堆積された硫黄ドープアッシャブルハードマスクが、約６０％〜約９０％の間の原子炭素含有量を有する請求項２に記載の方法。
前記堆積された硫黄ドープアッシャブルハードマスクが、約１３％〜約２６％の間の原子水素含有量を有する請求項２に記載の方法。
前記硫黄ドープアッシャブルハードマスクが、約１０００Å〜約９００００Åの間の厚さである請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
前記硫黄ドープアッシャブルハードマスクが、約−４０ＭＰａ〜約−４０００ＭＰａの間の応力を有する請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の層が、酸化物層、窒化物層、およびポリシリコン層からなる群から選択される請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
前記炭素源が、メタン、アセチレン、またはプロピレンである請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
前記硫黄源が、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）または二硫化炭素（ＣＳ_２）である請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
前記硫黄源が、二硫化炭素（ＣＳ_２）であり、前記炭素源が、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）である請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
前記炭素源と前記硫黄源が、前記堆積チャンバの上流で混合される請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
前記炭素源と前記硫黄源が、前記堆積チャンバに別々に提供される請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
更に、前記硫黄ドープアッシャブルハードマスク層をパターン形成する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
更に、前記硫黄ドープアッシャブルハードマスクのパターンに従って前記第１の層をエッチングする請求項１３に記載の方法。
半導体基板上に硫黄ドープアモルファス炭素ベース被膜を形成する方法であって、
堆積チャンバ内に前記半導体基板を提供し、
炭素源および硫黄源を含む前駆体ガスに前記半導体基板を曝露し、
プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）プロセスによって前記半導体基板上に前記硫黄ドープアモルファス炭素ベース被膜を堆積する
方法。
前記硫黄ドープアモルファス炭素ベース被膜が、約０．５％〜約５％の間の原子硫黄含有量を有する請求項１５に記載の方法。
前記硫黄源が、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）または二硫化炭素（ＣＳ_２）である請求項１５または１６に記載の方法。
半導体基板を処理するように構成された装置であって、
（ａ）堆積チャンバと、（ｂ）装置における動作を制御するための制御装置とを備え、
（ａ）前記堆積チャンバが、
シャワーヘッドと、
プラズマ発生器と、
基板支持体と、
１つまたは複数のガス入口と
を備え、
（ｂ）制御装置が、
前記半導体基板を収容する前記堆積チャンバに、炭素源および硫黄源を含む前駆体ガスを流す命令と、
前記プラズマ発生器にパワーを印加し、前記前駆体ガスからプラズマを発生し、それにより、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）プロセスによって前記半導体基板上に硫黄ドープアッシャブルハードマスクを堆積する命令とを
機械による読み取り可能に備える
装置。