JP2019096888A - パルス化された低周波数ｒｆ電力による高選択性かつ低応力のカーボンハードマスク - Google Patents

パルス化された低周波数ｒｆ電力による高選択性かつ低応力のカーボンハードマスク Download PDF

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Abstract

【課題】プラズマ化学気相成長を用いて、高エッチング選択性かつ低応力のアッシャブル・ハードマスクを形成する方法を提供する。【解決手段】アッシャブル・ハードマスクの堆積中に、デュアル高周波プラズマ源を用いて高周波数高周波電力を一定に維持しつつ低周波数高周波電力をパルス化する。低周波数高周波電力は、非ゼロレベル間または該電力をオンとオフで切り替えることにより、パルス化することができる。【効果】堆積される高選択性アッシャブル・ハードマスクは、アッシャブル・ハードマスクへのイオンおよび原子の衝突の緩和およびアッシャブル・ハードマスクに捕捉される水素レベルの低減などの１つ以上の要因によって、応力が低減される。【選択図】図２

Description

メモリおよび論理デバイスの製造を含む半導体処理において、アモルファスカーボン膜をハードマスクおよびエッチング停止層として用いることができる。このような膜は、アッシング技術により除去できることから、アッシャブル（灰化可能）・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高くなるほど、ＡＨＭは、より高いエッチング選択性が要求される。プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）プロセスを用いて高選択性ＡＨＭを形成する従来の方法は、結果として得られるＡＨＭが高応力となって、ハードマスクとしてのＡＨＭの有用性が制限される。よって、高エッチング選択性を有しつつも、低応力であるＡＨＭを生成することが望ましい。
メモリおよび論理デバイスの製造を含む半導体処理において用いるため、応力レベルが低減するとともにエッチング選択性が向上したアッシャブル・ハードマスク（ＡＨＭ）を、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）により堆積させる新規の方法を提供する。いくつかの実施形態において、本方法は、炭化水素前駆体を含む処理ガスに半導体基板上の層を暴露することと、ＰＥＣＶＤによる堆積中にデュアル高周波（ＲＦ）源を用いて一定の高周波数（ＨＦ）ＲＦ電力を維持しつつ低周波数（ＬＦ）ＲＦ電力をパルス化することによりプラズマを生成することと、を含み得る。ＡＨＭをその上に堆積させることができる層の例として、酸化物および窒化物などの誘電体層と、ポリシリコン層とが含まれる。いくつかの実施形態により、ＬＦ電力をパルス化することは、非ゼロレベル間で変調すること、またはＬＦ電力をオンとオフで切り替えること、を含み得る。一部の実施形態では、ＬＦ電力は、約２Ｈｚ〜約２００Ｈｚの間の周波数でパルス化される。堆積は、高温または低温の処理温度で実施することができる。
一態様において、高選択性かつ低応力のＡＨＭを堆積させる方法を提供する。いくつかの実施形態により、前駆体ガスの導入による堆積中に、ＨＦ ＲＦ電力は一定である一方で、ＬＦ ＲＦ電力はパルス化される。一部の実施形態では、堆積されるＡＨＭは、約１０％〜約２５％の間の水素含有量であり、例えば約１８％である。一部の実施形態では、堆積されるＡＨＭは、約３．６〜約４．４の間のエッチング選択性を有する。
別の態様は、半導体基板上にアモルファスカーボン層を形成する方法に関する。いくつかの実施形態において、デュアルＲＦプラズマ源を用いて、ＬＦ ＲＦ電力をパルス化するとともに、ＨＦ電力を一定としながら、アモルファスカーボン層を堆積させる。一部の実施形態では、ＬＦ電力は、非ゼロレベル間でパルス化される。一部の実施形態では、ＬＦは、ＬＦ電力をオンとオフで切り替えることによりパルス化される。一部の実施形態では、ＬＦ電力は、約２Ｈｚ〜約１０Ｈｚの間の周波数でパルス化される。堆積は、高温または低温の処理温度で実施することができる。
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。いくつかの実施形態により、装置は、シャワーヘッド、基板サポート、および１つ以上のガス導入口を含む成長チャンバと、成長チャンバにＲＦ電力を印加するように構成されたＨＦ成分とＬＦ成分とを有するデュアルＲＦプラズマ発生器と、コントローラと、を備える。コントローラは、装置の動作を制御するように構成されており、炭化水素前駆体ガスを含む処理ガスを成長チャンバに流入させることと、プラズマを点火するためにデュアル周波数ＲＦ電力を成長チャンバに印加することと、ＨＦ電力を一定に保ちつつＬＦ電力をパルス化すること、のための機械可読命令を含む。
これらおよび他の態様について、以下で図面を参照してさらに説明する。
いくつかの実施形態により、エッチング工程においてアッシャブル・ハードマスクを用いる方法の関連オペレーションを示すプロセスフロー図である。
いくつかの実施形態により、デュアル高周波プラズマ発生器の変調によってアッシャブル・ハードマスクを形成する方法の関連オペレーションを示すプロセスフロー図である。
いくつかの実施形態によるタイミングシーケンス図を示している。
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）チャンバの概略図を示している。
低温でアッシャブル・ハードマスクを堆積させた場合の応力および弾性率の結果を示すグラフである。
高温でアッシャブル・ハードマスクを堆積させた場合の応力および弾性率の結果を示すグラフである。
昇温脱離ガス分析法により測定された水素（Ｈ2）ガス放出を示すグラフである。
以下の説明では、提示する実施形態についての完全な理解を与えるため、様々な具体的詳細について記載する。開示する実施形態は、それら特定の詳細の一部または全てを省いても実施することができる。また、開示する実施形態を不必要に不明瞭にすることがないよう、周知の工程処理については詳細に記載していない。開示する実施形態は、具体的な実施形態に関連させて説明されるが、当然のことながら、開示する実施形態を限定するものではない。
半導体処理では、基板のパターニングおよびエッチングのために、マスキング法が用いられる。基板のアスペクト比が高くなるにつれて、高選択性ハードマスクに対する需要が高まる。高エッチング選択性を有しながらも、基板を損傷することなく容易に除去されるマスクは、基板の処理において重要である。アッシャブル・ハードマスク（ＡＨＭ）は、エッチング停止層で、もしくは選択的エッチングの際に、またはフォトレジストが下層をマスクするのに十分な厚さではない可能性がある場合に、マスクとして用いることができる。また、ＡＨＭは、ディスプレイおよび他の技術用のガラス基板上で用いることもできる。
ＡＨＭは、それらが目的を果たした後に、「アッシング」、「プラズマアッシング」、または「乾式剥離」と呼ばれる手法によって、それらを除去することができる化学組成を有する。ＡＨＭの一例は、アモルファスカーボン層または膜である。ＡＨＭは、一般に、炭素と水素で構成され、さらにオプションとして、微量の１種以上のドーパント（例えば、窒素、フッ素、ホウ素、およびケイ素）が添加される。ＡＨＭの結合構造は、成膜条件に応じて、ｓｐ2（グラファイト状）もしくはｓｐ3（ダイヤモンド状）、またはその両方の組み合わせなど、様々とすることができる。
図１は、エッチング工程においてＡＨＭをハードマスクとして用いる方法の関連オペレーションを示すプロセスフロー図である。ＡＨＭ成膜に先立って、被エッチング層を有する基板を、成長チャンバ内に準備することができる。以下の説明では、主に半導体基板について触れているが、本方法は、ガラス基板など、他のタイプの基板上の層に適用することもできる。ＡＨＭでマスクすることができる材料の例として、酸化物（例えば、ＳｉＯ2）および窒化物（例えば、ＳｉＮおよびＴｉＮ）などの誘電体材料、ポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、さらに、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）などの金属、が含まれる。一部の実施形態では、本明細書に記載のＡＨＭは、酸化物層、窒化物層、またはポリシリコン層のパターニングに用いられる。
オペレーション１０２では、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）によりアッシャブル・ハードマスクを被エッチング層に堆積させる。ＰＥＣＶＤプロセスは、成長チャンバ内でプラズマを発生させることを伴う。図２を参照してさらに詳しく後述するように、高周波数（ＨＦ）電力と低周波数（ＬＦ）電力とを含むデュアル高周波（ＲＦ）プラズマ源を用いることができる。プロセスによっては、１つ以上のＡＨＭ層が堆積される。
オペレーション１０４では、フォトレジスト層を、堆積させ、露光し、所望のエッチングパターンに従って現像する。一部の実現形態では、フォトレジストの堆積に先立って、反射防止層（ＡＲＬ：Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｙｅｒ）をＡＨＭの上に堆積させることができる。
オペレーション１０６では、ＡＨＭの露出部分をエッチングすることにより、ＡＨＭに孔を開ける。ＡＨＭへの孔開けは、フッ素リッチなドライエッチングによって実施することができる。
次に、オペレーション１０８では、基板層にパターンを転写するように、基板層を選択的にエッチングする。選択的エッチングは、ＡＨＭ壁を略損なうことなく、基板層がエッチングされるように実施することができる。エッチングの例として、ラジカル性および／またはイオン性のエッチングを含むことができる。エッチング化学物質の例として、フッ素含有および塩素含有のエッチング化学物質など、ハロゲン系のエッチング化学物質を含むことができる。例えば、フッ化炭素含有の処理ガスから生成した容量結合プラズマを用いて、酸化物層を選択的にエッチングすることができる。処理ガスの具体例として、Ｃ4Ｈ8／ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2／Ａｒなど、オプションとして酸素（Ｏ2）および不活性ガスを添加した、ＣxＦy含有の処理ガスが含まれる。
最後に、オペレーション１１０では、アッシング、プラズマアッシング、または乾式剥離と呼ばれる手法を用いて、ＡＨＭを除去する。アッシングは、酸素リッチなドライエッチングによって実施することができる。多くの場合、真空下のチャンバ内に酸素を導入して、ＲＦ電力によりプラズマ中に酸素ラジカルを生成し、これらがＡＨＭと反応してそれを酸化させ、水（Ｈ2Ｏ）と一酸化炭素（ＣＯ）と二酸化炭素（ＣＯ2）にする。オプションとして、アッシングの後に、残ったＡＨＭ残渣をウェットまたはドライエッチングプロセスによって除去してもよい。結果として、所望のパターンが形成された基板層が得られる。
高アスペクト比のパターン形成では、高エッチング選択性を有するＡＨＭを用いる。エッチング選択性は、ＡＨＭ層のエッチング速度を下層と比較することにより求めることができる。また、エッチング選択性は、ＡＨＭ層の弾性率または剛性を求めることにより、近似することもできる。ＡＨＭは、剛性がより大きいか、または弾性率がより高いほど、より多くのイオン衝撃を伴うエッチングプロセスにおいて、より高いエッチング速度に耐えることが可能である。従って、弾性率がより高いＡＨＭほど、選択性はより高く、エッチング速度はより低く、高アスペクト比の半導体プロセスの処理において、より効率的かつ効果的に用いることができる。要求されるＡＨＭのエッチング選択性および弾性率は、下層のエッチングプロセスおよび組成に依存し得るが、エッチング選択性と弾性率との相関関係（例えば、エッチング選択性がより高い場合は、弾性率がより高い）は、下層のエッチングプロセスまたは組成に関係なく同じである。本明細書で記載するような弾性率−選択性の相関関係は、ポリシリコン層、酸化物層、窒化物層を含むあらゆるタイプの下層の場合に当てはまる。
これまで知られている高選択性ＡＨＭは、応力レベルが非常に高い。ＡＨＭを形成する従来の方法は、ＰＥＣＶＤプロセスにおいて、連続波ＲＦ電力プラズマを用いる。連続波ＲＦ電力を用いると、その結果、連続イオン衝撃が生じることで、膜密度が高くなり、これにより、原子間にｓｐ3結合がより多く形成されることによって、エッチング選択性が高くなる。一方、連続イオン衝撃によって、過剰な非結合水素原子が膜に取り込まれることもあり得るとともに、高原子量イオンの高イオン衝撃が生じ得る。これによって、堆積されるＡＨＭの応力が高くなることがあり、高応力のＡＨＭは、破壊または圧縮する可能性がより高いので、ＡＨＭの適用は制限される。また、応力レベルが高くなることで、レーザアライメントがより難しくなる。
いくつかの実施形態により、本明細書において、高選択性かつ低応力のＡＨＭを形成する方法を提供する。これらの方法により、特定の応力レベルで選択性が向上したＡＨＭ、または特定の選択性で応力レベルが低減したＡＨＭを生成し、こうして、半導体処理におけるＡＨＭ性能を向上させる。
図２は、いくつかの実施形態により、デュアルＲＦプラズマ電力の変調によってＡＨＭを形成する方法の関連オペレーションを示すプロセスフロー図を示している。方法２００は、オペレーション２０２において、チャンバ内に基板を準備することにより開始する。基板および基板層の例については、図１を参照して上述した。図１では、ＡＨＭをハードマスクとして用いる集積方法について説明した。他のいくつかの実施形態では、本明細書で記載するＡＨＭを、ハードマスクとしての使用に加えて、またはその代わりに、エッチング停止層として用いることもできる。次に、オペレーション２０４において、炭化水素前駆体を含む処理ガスに基板を暴露する。一部の実施形態では、炭化水素前駆体は、式ＣxＨyで定義されるものとすることができ、このとき、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（ＣＨ4）、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）、エチレン（Ｃ2Ｈ4）、プロピレン（Ｃ3Ｈ6）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）、シクロヘキサン（Ｃ6Ｈ12）、ベンゼン（Ｃ6Ｈ6）、トルエン（Ｃ7Ｈ8）が含まれる。
一部の実施形態では、２つ以上の炭化水素前駆体を導入することができる。炭化水素前駆体に加えて、前駆体ガス流を希釈するためにキャリアガスを用いることができる。キャリアガスは、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ2）、水素（Ｈ2）、またはこれらの任意の組み合わせなど、いずれかの適切なキャリアガスとすることができる。
成長チャンバ内の全圧は、約１〜約２０トルの範囲とすることができる。一部の実施形態では、圧力は、約５トル〜約１０トルの間である。一部の実施形態では、炭化水素前駆体は、米国特許第７９８１７７７号および第７９８１８１０号に記載されているように、例えば、約０．０１トル〜約４トルの間の低分圧で導入され、これらの文献は、参照により本明細書に組み込まれる。一部の実施形態では、その分圧は、約０．２トル以下である。
前駆体ガス流量は、個々の成長チャンバおよび基板に依存する。４つの３００ｍｍ基板に用いられる流量の例は、約２００ｓｃｃｍ〜約４０００ｓｃｃｍの間のアセチレン、約１０００ｓｃｃｍ〜約２００００ｓｃｃｍの間の水素、約１０００ｓｃｃｍ〜約２００００ｓｃｃｍの間のヘリウムである。
本明細書で開示される流量およびＲＦ電力は、３００ｍｍウェハ用に構成された４ステーションのツールの場合のものである。電力レベルおよび流量は、一般に、ステーション数および基板面積に対して直線的にスケーリングされる。また、流量および電力は、単位面積当たりで表すことができ、例えば、２５００Ｗは、０．８８４Ｗ／ｃｍ2と表すこともできる。
本明細書で記載する方法は、所望のＡＨＭ特性を得るのに適した処理温度で用いることができ、その例は、約５０℃〜約５５０℃の範囲に及ぶ。処理温度は、ｓｐ2結合とｓｐ3結合の構成比が少なくとも一因となって、応力、選択性、および透過性に影響を及ぼし得る。高温では、Ｃ−Ｈ結合の容易な切断と、それに続く水素の拡散が可能であるため、より高温であるほど、ｓｐ2リッチなアモルファスカーボンネットワーク構成となる傾向がある。例えば、約５００℃よりも高い温度で堆積された膜は、ｓｐ3結合に比べて、著しく多くのｓｐ2ＣＨおよびＣＨ2結合を有して、炭素含有量がより多く、より高密度となることがあり、これは、より高いエッチング選択性に相関する。ところが、このような膜は、ｓｐ2カーボンのより低い光学バンドギャップに起因して、厚いハードマスクでの適用には適さない場合がある。例えば、そのような膜は、２ｋÅ以上では、マスクアライメントのために十分な透過性ではない場合がある。例えば、透過性の膜および透過性の劣る膜に対して、一般に、６３３ｎｍレーザを用いることができる。上記で参照した米国特許第７９８１８１０号では、より低温で、さらに／または炭化水素前駆体流を希釈して、高選択性かつ透過性のＡＨＭを堆積させるためのプロセス条件を提示している。より低温の例えば約４００℃未満で堆積させたＡＨＭは、より高温で堆積させた膜と比べて、ｓｐ2結合がより少ない。
次に、オペレーション２０６で、低周波数（ＬＦ）成分と高周波数（ＨＦ）成分とを含むデュアルＲＦプラズマ源を用いてプラズマを点火することにより、ＰＥＣＶＤプロセスによって、基板上にアッシャブル・ハードマスクを堆積させる。いくつかの実施形態において、それらの実施形態の方法は、ＬＦ ＲＦ電力を用いて、高エネルギーイオン衝撃を発生させる。低周波数ＲＦ電力とは、約１００ｋＨｚ〜約２ＭＨｚの間の周波数を有するＲＦ電力を指す。一部の実施形態では、パルス化周波数は、ＬＦ発生器の動作能力によって制限され得る。一部の実施形態では、ＬＦ ＲＦ電力は、例えば４３０ｋＨｚである約４００ｋＨｚの周波数を有するＲＦ電力である。一部の実施形態では、成膜中のＬＦ電力は、基板の表面積の１ｃｍ2当たり、単位Ｗで表した場合、約０．００１Ｗ／ｃｍ2〜約０．０５Ｗ／ｃｍ2の範囲である。一部の実施形態では、ＬＦ電力は、約０〜約１．２５Ｗ／ｃｍ2の範囲である。高周波数ＲＦ電力とは、約２ＭＨｚ〜約６０ＭＨｚの間の周波数を有するＲＦ電力を指す。一部の実施形態では、ＨＦ ＲＦ電力は、約１３．５６ＭＨｚの周波数を有するＲＦ電力である。一部の実施形態では、成膜中の、基板面積当たりのＨＦ電力は、約０．００１Ｗ／ｃｍ2〜約０．０５Ｗ／ｃｍ2の範囲である。一部の実施形態では、基板面積当たりのＨＦ電力は、約０．０５Ｗ／ｃｍ2〜１．２５Ｗ／ｃｍ2の範囲である。
次に、オペレーション２０８で、ＨＦ電力を一定としつつＬＦ電力をパルス化する。いくつかの実施形態において、ＬＦ電力は、ＬＦ電力をオンとオフで切り替えることによりパルス化される。一部の実施形態では、ＬＦ電力は、約０Ｗ／ｃｍ2と約０．０５Ｗ／ｃｍ2の間でパルス化される。いくつかの実施形態において、ＬＦ電力は、ＬＦを非ゼロ電力レベル間で切り替えることによりパルス化される。一部の実施形態では、ＬＦ電力は、約０Ｗ／ｃｍ2と約０．０２Ｗ／ｃｍ2の間でパルス化される。多くの実施形態では、ＨＦ ＲＦとＬＦ ＲＦの電力は、プラズマを維持するのに十分なものである。
ＬＦパルス化のデューティサイクル（ＬＦがオンまたは高電力である時間の割合）は、約１０％〜約７０％の範囲である。いくつかの実施形態において、ＬＦ電力は、約２Ｈｚ〜約１０Ｈｚの間の周波数でパルス化される。いくつかの実施形態において、ＬＦ電力は、少なくとも約１０Ｈｚ、または少なくとも約２０Ｈｚ、または少なくとも約１００Ｈｚ、または少なくとも約２００Ｈｚの周波数で、パルス化される。
また、前駆体ガス流を、ＬＦ電力パルス化に同期させるか、または非同期で、パルス化することも可能である。ガスのパルス化を、ＲＦパルス化と併用することができ、これにより、エッチング選択性を向上させるように膜特性をさらに改変することができる。例えば、処理ガスは、５０％のデューティサイクルで、または０．５秒のパルス幅で、パルス化することができる。いくつかの実施形態によれば、処理ガスのパルス周波数は、約０．０５Ｈｚ〜約１Ｈｚの間である。
一部の実施形態では、ＨＦとＬＦのＲＦ成分を、同期させてパルス化することができる。ＨＦ成分がパルス化される場合には、高電力から低電力にパルス化され、プラズマシースの崩壊を回避するため、オフにされることはない。あるいは、ＬＦ ＲＦ電力のみをパルス化することが、より安定したプラズマを生成するためには効果的であり得る。
図３は、ＬＦ電力を約０．２秒間オンにし、約０．３秒間オフにする約０．５秒のパルス幅で、ＬＦ電力が２Ｈｚでパルス化されるデュアルＲＦプラズマ源を用いて、ＰＥＣＶＤによりＡＨＭを堆積させる場合の、いくつかの実施形態についてタイミングシーケンス図を示している。３つのパルスを図３に示している。他の実施形態では、パルス周波数は、約２Ｈｚ〜約２００Ｈｚの間とすることができる。前駆体ガス流、圧力、キャリアガス流、およびＨＦ電力のプロセスパラメータは、一定である。
ＬＦ電力をパルス化することによって、層へのイオンおよび原子の衝突が緩和され、その結果、層における応力が低減する。このように層へのイオンおよび原子の衝突を緩和することによって、膜の高密度化を最適化し、層内の水素含有量を低減する。こうして、層における応力が低減される。
いくつかの実施形態によれば、堆積されるＡＨＭは、下層に対するエッチング選択性が、約３．６：１から約４．４：１の間である。一部の実施形態では、堆積されるＡＨＭは、約１８％の水素含有量を有する。一部の実施形態では、堆積されるＡＨＭは、約１５％未満、約１０％未満、または約５％未満の水素含有量を有する。
一部の実施形態では、堆積されるＡＨＭは、弾性率と応力の比が１：１である。一部の実施形態では、堆積されるＡＨＭの弾性率は、約７０ＧＰａであり、応力は、約−８０ＭＰａである。
図２を参照して、オペレーション２０６および２０８は、所望の厚さの膜が堆積されるまで継続される。いくつかの実施形態によれば、約１０００Å〜約９００００Åの間の厚さを有する膜が堆積される。一部の実施形態では、約５０Å〜約９００Åの間の厚さを有するＡＨＭ薄層を堆積させることができる。
装置
実施形態は、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）反応器において実施することができる。このような反応器は、多くの異なる形態をとり得る。様々な実施形態が、既存の半導体処理装置に適合し、具体的には、ラムリサーチ社（Ｌａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手可能なＳｅｑｕｅｌ（登録商標）またはＶｅｃｔｏｒ（登録商標）反応チャンバなどのＰＥＣＶＤ反応器である。様々な実施形態を、マルチステーションまたはシングルステーション・ツールで実施することができる。具体的な実施形態では、４ステーション成膜方式の３００ｍｍ Ｌａｍ Ｖｅｃｔｏｒ（登録商標）ツール、または６ステーション成膜方式の２００ｍｍ Ｓｅｑｕｅｌ（登録商標）ツールが使用される。
一般に、装置は、１つ以上のステーションをそれぞれが有する１つ以上のチャンバまたは反応器を備える。チャンバは、１枚以上のウェハを収容し、ウェハ処理に適しチャンバである。１つ以上のチャンバでは、ウェハを、その回転、振動、または他の揺動を防ぐことにより、規定の位置またはいくつかの位置に維持する。一部の実施形態では、ＡＨＭの堆積を受けるウェハは、プロセス中に、チャンバ内の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。例えば、２０００ÅのＡＨＭの堆積を、１つのステーションで全て実施してもよく、または、様々な実施形態により４つのステーションのそれぞれにおいて膜の５００Åを堆積させてもよい。あるいは、膜厚全体の他の割合を、任意の数のステーションで堆積させてもよい。複数のＡＨＭが堆積される場合の様々な実施形態において、複数のステーションを使用して、それぞれのＡＨＭ層を堆積させることができる。処理中の各ウェハは、ペデスタル、ウェハチャック、および／または他のウェハ保持装置によって、所定位置に保持される。ウェハが加熱されるべきいくつかのオペレーション用として、装置は、加熱プレートなどのヒータを備えることができる。
図４は、様々な実施形態を実施するのに適したＰＥＣＶＤの概略図を示している。図示のように、反応器４００は、処理チャンバ４２４を備え、これは、他の反応器コンポーネントを取り囲むとともに、接地ヒータブロック４２０と協働するシャワーヘッド４１４を含む容量型システムにより生成されるプラズマを収容する。高周波数ＲＦ発生器４０２および低周波数ＲＦ発生器４０４が、整合ネットワーク４０６に接続されており、これがさらにシャワーヘッド４１４に接続されている。整合ネットワーク４０６により供給される電力および周波数は、処理ガスからプラズマを発生させるのに十分なものである。コントローラは、前駆体ガスを導入し、ＨＦ ＲＦ発生器４０４においてＨＦ電力をオンに切り替え、ＬＦ ＲＦ発生器４０２においてＬＦ電力をオンとオフまたはハイとローの間で切り替えるための機械可読命令を供給する。コントローラ４２８は、機械可読システム制御ソフトウェアを実行し、機械可読命令は、大容量記憶装置に保存され、メモリデバイスにロードされ、プロセッサで実行されることで、本発明の実施形態による方法を本装置で実行させる。あるいは、制御ロジックは、コントローラ４２８にハードコーディングされてもよい。このような目的で、特定用途向け集積回路、プログラマブルロジックデバイス（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ、すなわちＦＰＧＡ）などを用いることができる。「ソフトウェア」または「コード」が用いられる場合には、いずれも、機能的に同等のハードコーディングされたロジックが代わりに用いられてもよい。
反応器内において、ウェハサポート４１８により、基板４１６を保持する。ペデスタルは、一般に、成膜および／またはプラズマ処理反応の最中および合間に基板を保持および移送するための、チャック、フォーク、またはリフトピンを備える。チャックは、静電チャック、メカニカルチャック、または産業界および／もしくは研究において利用可能であるような他の種々のタイプのチャックとすることができる。
処理ガスは、導入口４１２を介して導入される。複数の原料ガスライン４１０がマニホールド４０８に接続されている。これらのガスは、オプションとして、予混合されてもよい。処理中に的確なガスが供給されることを保証するため、適切な弁操作および質量流量制御機構が採用される。化学的前駆体（複数の場合もある）が液状で供給される場合には、液流制御機構を採用する。その場合、液体は、成長チャンバに達する前に、その搬送中に気化されて、その蒸発点よりも高く加熱されたマニホールド内で他の処理ガスと混合される。
処理ガスは、排出口４２２を介してチャンバ４００から排出される。真空ポンプ４２６（例えば、単段または２段の機械的乾式ポンプ、および／またはターボ分子ポンプ）により、処理ガスを取り出し、スロットル弁または振り子式弁などの閉ループ制御による流量制限装置によって、反応器内を適切な低圧に維持する。
実験
以下の例は、いくつかの実施形態の様々な側面について、さらに説明するために提示する。これらの例は、様々な側面について例示し、より明確に説明するために提示するものであって、限定するものではない。以下で記載する高周波（ＲＦ）電力レベルは、３００ｍｍウェハ用に構成された４ステーションのツールの場合のものである。
図２のプロセスの一実施形態について、実験データを収集した。図５は、低温でＡＨＭを堆積させた場合の、ＧＰａを単位とするＡＨＭの弾性率を、ＭＰａを単位とする応力の関数として示している。
ＡＨＭは、前駆体としてＣ2Ｈ2を、キャリアガスとしてＮ2およびＨｅを用いて、基板上の誘電体膜に堆積された。ＬＦ変調を用いることなく堆積されたＡＨＭの弾性率および応力について測定を行った。そのようなデータを、図５において菱形点および実線で示している。キャリアガス流、チャンバ圧力、処理温度、および前駆体処理ガス流は、一定に維持された。表１のパラメータが使用された。
Figure 2019096888
連続波プラズマ生成を用いて、ＰＥＣＶＤ法によりＡＨＭを堆積させた。プラズマ源により、１３．５６ＭＨｚの周波数でＨＦ電力を、さらに４３０ｋＨｚの周波数でＬＦ電力を、生成した。ＨＦ電力は０．３５Ｗ／ｃｍ2であり、ＬＦ電力は０．４２Ｗ／ｃｍ2であった。ＬＦ電力はパルス化されず、すなわち、ＡＨＭ堆積中には、ＨＦ電力とＬＦ電力の両方がオンで、かつ一定であった。
ＬＦ変調を用いて堆積されたＡＨＭの弾性率および応力について測定を行った。そのデータを、図５において丸点および点線で示している。キャリアガス流、チャンバ圧力、処理温度、および前駆体処理ガス流は、一定に維持された。表２のパラメータが使用された。
Figure 2019096888
デュアルＲＦプラズマ源により、１３．５６ＭＨｚの周波数でＨＦ電力を、さらに４３０ｋＨｚの周波数でＬＦ電力を、生成した。ＨＦ電力は０．３５Ｗ／ｃｍ2であり、ＬＦ電力は、０Ｗ／ｃｍ2と０．４２Ｗ／ｃｍ2の間でパルス化された。ＬＦ電力は、２Ｈｚの周波数でパルス化された。
非パルスＡＨＭとパルスＡＨＭの両方について、応力および弾性率のデータを取得した。その結果を、図５にグラフ化している。全体として、−４５０ＭＰａなどの特定の応力について、ＬＦパルス化によるＡＨＭの弾性率は、より高くなっていた。これは、膜の剛性が大きくなったことを、ひいてはエッチング選択性が高くなったことを示唆している。特定の弾性率について、全体の応力は低減していた。例えば、６０ＧＰａのＡＨＭ弾性率について、全体の応力は−４５０ＭＰａから−１５０ＭＰａまで減少しており、応力が０ＭＰａに近づくほど、ＡＨＭ全体の圧縮が少ないことを示唆している。
図６のプロセスの別の実施形態について、実験データを収集した。図６は、ＯＰＯＰ（酸化物／ポリシリコン・スタック）エッチングにおいて高温で堆積されるＡＨＭの、ポリシリコンに対するエッチング選択性を、ＭＰａを単位とする応力の関数として示している。
連続波プラズマ生成を用いて堆積されたＡＨＭについて、応力および選択性のデータを収集した。そのデータを、図６において菱形点および実線で示している。ポリシリコン基板層を、５５０℃で、キャリアガスＨｅおよびＮ2を伴う前駆体処理ガスＣ2Ｈ2に暴露した。キャリアガス流、チャンバ圧力、処理温度、および前駆体処理ガス流は、一定に維持された。ＬＦパルス化によって、ＡＨＭのエッチング選択性は、２００％高くなった。以下のパラメータを使用した。
Figure 2019096888
デュアルＲＦプラズマ源により、１３．５６ＭＨｚの周波数でＨＦ電力を、さらに４３０ｋＨｚの周波数でＬＦ電力を、生成した。ＨＦ電力は０．２２Ｗ／ｃｍ2であり、ＬＦ電力は、０．２２Ｗ／ｃｍ2であった。ＬＦ電力はパルス化されず、すなわち、ＡＨＭ堆積中には、ＨＦ電力とＬＦ電力の両方がオンにされ、かつ一定であった。
次に、パルス化されたＬＦによるＰＥＣＶＤを用いて堆積させたＡＨＭの応力およびエッチング選択性について、データを収集した。そのデータを、図６において丸点で示している。ポリシリコン基板層を、５５０℃で前駆体処理ガスＣ2Ｈ2に暴露した。キャリアガス流、チャンバ圧力、処理温度、および前駆体処理ガス流は、一定であった。以下のパラメータを使用した。
Figure 2019096888
デュアルＲＦプラズマ源により、１３．５６ＭＨｚの周波数でＨＦ電力を、さらに４３０ｋＨｚの周波数でＬＦ電力を、生成した。ＨＦ電力は０．２２Ｗ／ｃｍ2であり、ＬＦ電力は、０Ｗ／ｃｍ2と０．２２Ｗ／ｃｍ2の間でパルス化された。ＬＦ電力は、２Ｈｚの周波数でパルス化された。
連続波によるＡＨＭと、ＬＦパルス化によるＡＨＭの両方について、エッチング選択性を測定した。その結果を、図６にグラフ化している。全体として、ＬＦパルス化によるＡＨＭ膜のポリシリコンに対する全体の選択性は、特定の応力レベルについて、連続波プラズマによるＡＨＭ膜よりも高い選択性であった。これは、成膜プロセスにおけるＬＦパルス化によって、エッチング選択性が高まり、ＡＨＭ技術が大きく向上することを示唆している。
従来の連続波プラズマによるＡＨＭ、およびＬＦパルス化によるＡＨＭから、ＡＨＭの分子組成を測定するために、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いた。図７は、連続波プラズマおよびＬＦパルス化プラズマを用いて堆積させた両方のＡＨＭからのＴＤＳの結果を示している。より高温では、堆積されたＡＨＭ膜のＨ2ガス放出は、連続波プラズマを用いて堆積されたＡＨＭよりも少なく、これは、ＡＨＭに残されたＨ含有量がより少なかったことを示唆している。ＡＨＭのＨ含有量がより少なかったことにより、ＡＨＭは、より安定した分子構造を有したものであって、ひいては、より高い選択性を有して、ＡＨＭ性能が向上したものであった。
むすび
上記の実施形態は、明確な理解を目的として、ある程度詳細に記載したが、添付の請求項の範囲内でいくらかの変更および変形を実施することができることは明らかであろう。なお、本発明の実施形態のプロセス、システム、および装置を実現する数多くの代替的方法があることに留意すべきである。よって、本発明の実施形態は例示とみなされるべきであって、限定するものではなく、また、実施形態は、本明細書で提示した詳細に限定されるものではない。
図４は、様々な実施形態を実施するのに適したＰＥＣＶＤチャンバの概略図を示している。図示のように、反応器４００は、処理チャンバ４２４を備え、これは、他の反応器コンポーネントを取り囲むとともに、接地ヒータブロック４２０と協働するシャワーヘッド４１４を含む容量型システムにより生成されるプラズマを収容する。高周波数ＲＦ発生器４０２および高周波数ＲＦ発生器４０４が、整合ネットワーク４０６に接続されており、これがさらにシャワーヘッド４１４に接続されている。整合ネットワーク４０６により供給される電力および周波数は、処理ガスからプラズマを発生させるのに十分なものである。コントローラは、前駆体ガスを導入し、ＨＦ ＲＦ発生器４０４においてＨＦ電力をオンに切り替え、ＬＦ ＲＦ発生器４０２においてＬＦ電力をオンとオフまたはハイとローの間で切り替えるための機械可読命令を供給する。コントローラ４２８は、機械可読システム制御ソフトウェアを実行し、機械可読命令は、大容量記憶装置に保存され、メモリデバイスにロードされ、プロセッサで実行されることで、本発明の実施形態による方法を本装置で実行させる。あるいは、制御ロジックは、コントローラ４２８にハードコーディングされてもよい。このような目的で、特定用途向け集積回路、プログラマブルロジックデバイス（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ、すなわちＦＰＧＡ）などを用いることができる。「ソフトウェア」または「コード」が用いられる場合には、いずれも、機能的に同等のハードコーディングされたロジックが代わりに用いられてもよい。
図２のプロセスの別の実施形態について、実験データを収集した。図６は、ＯＰＯＰ（酸化物／ポリシリコン・スタック）エッチングにおいて高温で堆積されるＡＨＭの、ポリシリコンに対するエッチング選択性を、ＭＰａを単位とする応力の関数として示している。
むすび
上記の実施形態は、明確な理解を目的として、ある程度詳細に記載したが、添付の請求項の範囲内でいくらかの変更および変形を実施することができることは明らかであろう。なお、本発明の実施形態のプロセス、システム、および装置を実現する数多くの代替的方法があることに留意すべきである。よって、本発明の実施形態は例示とみなされるべきであって、限定するものではなく、また、実施形態は、本明細書で提示した詳細に限定されるものではない。
適用例１：アッシャブル・ハードマスクを形成する方法であって、
炭化水素前駆体ガスを含む処理ガスに半導体基板を暴露し、
高周波数（ＨＦ）成分と低周波数（ＬＦ）成分とを含むデュアル高周波（ＲＦ）プラズマ源により生成されるプラズマを用いて、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アッシャブル・ハードマスクを堆積させることを備え、
堆積中は、ＨＦ電力は一定である一方で、ＬＦ電力はパルス化される、方法。
適用例２：前記ＬＦ電力は、非ゼロ電力レベル間でパルス化される、請求項１に記載の方法。
適用例３：前記ＬＦ電力は、前記ＬＦ電力をオンとオフで切り替えることによりパルス化される、適用例１に記載の方法。
適用例４：ＬＦ ＲＦ電力の周波数は、約４００ｋＨｚである、適用例１から３のいずれか一項に記載の方法。
適用例５：前記ＬＦ電力は、約２Ｈｚ〜約２００Ｈｚの間の周波数でパルス化される、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ＬＦ電力は、約２Ｈｚ〜約１０Ｈｚの間の周波数でパルス化される、適用例１から５のいずれか一項に記載の方法。
適用例７：前記堆積されるハードマスクは、応力に対する弾性率の比が１である、適用例１から６のいずれか一項に記載の方法。
適用例８：前記堆積されるハードマスクは、酸化物層、窒化物層、またはポリシリコン層に対するエッチング選択性が約３．６〜４．４の間である、適用例１から７のいずれか一項に記載の方法。
適用例９：前記堆積されるハードマスクは、水素含有量が約１５％未満である、適用例１から８のいずれか一項に記載の方法。
適用例１０：前記アッシャブル・ハードマスクは、約２７５℃〜５５０℃の間の処理温度で堆積される、適用例１から９のいずれか一項に記載の方法。
適用例１１：アモルファスカーボン層を形成する方法であって、
炭化水素前駆体ガスを含む処理ガスに半導体基板を暴露し、
高周波数（ＨＦ）成分と低周波数（ＬＦ）成分とを含むデュアル高周波（ＲＦ）プラズマ源により生成されるプラズマを用いて、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アモルファスカーボン層を堆積させることを備え、
堆積中は、ＨＦ電力は一定である一方で、ＬＦ電力はパルス化される、方法。
適用例１２：前記ＬＦ電力は、非ゼロ電力レベル間でパルス化される、適用例１１に記載の方法。
適用例１３：前記ＬＦ電力は、前記ＬＦ電力をオンとオフで切り替えることによりパルス化される、適用例１１に記載の方法。
適用例１４：前記ＬＦ電力は、約２Ｈｚ〜約１０Ｈｚの間の周波数でパルス化される、適用例１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
適用例１５：半導体基板を処理するように構成されている装置であって、
（ａ）成長チャンバであって、
シャワーヘッドと、
高周波数（ＨＦ）成分と低周波数（ＬＦ）成分とを含むデュアル高周波（ＲＦ）プラズマ発生器と、
整合ネットワークと、
基板サポートと、
１つまたは複数のガス導入口と、を有する成長チャンバと、
（ｂ）当該装置の動作を制御するためのコントローラであって、
炭化水素前駆体ガスを含む処理ガスに半導体基板を暴露し、
ＨＦ電力をオンに切り替え、
ＬＦ電力をパルス化し、
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アッシャブル・ハードマスクを堆積させるための機械可読命令を含む、コントローラと、を備え、
前記ＨＦ電力は一定である一方で、前記ＬＦ電力はパルス化される、装置。

Claims (15)

  1. アッシャブル・ハードマスクを形成する方法であって、
    炭化水素前駆体ガスを含む処理ガスに半導体基板を暴露し、
    高周波数（ＨＦ）成分と低周波数（ＬＦ）成分とを含むデュアル高周波（ＲＦ）プラズマ源により生成されるプラズマを用いて、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アッシャブル・ハードマスクを堆積させることを備え、
    堆積中は、ＨＦ電力は一定である一方で、ＬＦ電力はパルス化される、方法。
  2. 前記ＬＦ電力は、非ゼロ電力レベル間でパルス化される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ＬＦ電力は、前記ＬＦ電力をオンとオフで切り替えることによりパルス化される、請求項１に記載の方法。
  4. ＬＦ ＲＦ電力の周波数は、約４００ｋＨｚである、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記ＬＦ電力は、約２Ｈｚ〜約２００Ｈｚの間の周波数でパルス化される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記ＬＦ電力は、約２Ｈｚ〜約１０Ｈｚの間の周波数でパルス化される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記堆積されるハードマスクは、応力に対する弾性率の比が１である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記堆積されるハードマスクは、酸化物層、窒化物層、またはポリシリコン層に対するエッチング選択性が約３．６〜４．４の間である、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記堆積されるハードマスクは、水素含有量が約１５％未満である、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記アッシャブル・ハードマスクは、約２７５℃〜５５０℃の間の処理温度で堆積される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
  11. アモルファスカーボン層を形成する方法であって、
    炭化水素前駆体ガスを含む処理ガスに半導体基板を暴露し、
    高周波数（ＨＦ）成分と低周波数（ＬＦ）成分とを含むデュアル高周波（ＲＦ）プラズマ源により生成されるプラズマを用いて、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アモルファスカーボン層を堆積させることを備え、
    堆積中は、ＨＦ電力は一定である一方で、ＬＦ電力はパルス化される、方法。
  12. 前記ＬＦ電力は、非ゼロ電力レベル間でパルス化される、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記ＬＦ電力は、前記ＬＦ電力をオンとオフで切り替えることによりパルス化される、請求項１１に記載の方法。
  14. 前記ＬＦ電力は、約２Ｈｚ〜約１０Ｈｚの間の周波数でパルス化される、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 半導体基板を処理するように構成されている装置であって、
    （ａ）成長チャンバであって、
    シャワーヘッドと、
    高周波数（ＨＦ）成分と低周波数（ＬＦ）成分とを含むデュアル高周波（ＲＦ）プラズマ発生器と、
    整合ネットワークと、
    基板サポートと、
    １つまたは複数のガス導入口と、を有する成長チャンバと、
    （ｂ）当該装置の動作を制御するためのコントローラであって、
    炭化水素前駆体ガスを含む処理ガスに半導体基板を暴露し、
    ＨＦ電力をオンに切り替え、
    ＬＦ電力をパルス化し、
    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アッシャブル・ハードマスクを堆積させるための機械可読命令を含む、コントローラと、を備え、
    前記ＨＦ電力は一定である一方で、前記ＬＦ電力はパルス化される、装置。
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