JP2019521253A - 電子ビームプラズマプロセスにより形成されるダイヤモンドライクカーボン層 - Google Patents

電子ビームプラズマプロセスにより形成されるダイヤモンドライクカーボン層 Download PDF

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Abstract

所望の膜密度、機械的強度、及び光学膜特性を有するダイヤモンドライクカーボン層を形成するための方法が提供される。一実施形態では、ダイヤモンドライクカーボン層を形成するための方法は、処理チャンバ内に配置された基板の表面の上方に電子ビームプラズマを生成することと、基板の表面上にダイヤモンドライクカーボン層を形成することとを含む。ダイヤモンドライクカーボン層は電子ビームプラズマプロセスによって形成され、ダイヤモンドライクカーボン層は、半導体用途でのエッチングプロセスにおいてハードマスク層として作用する。ダイヤモンドライクカーボン層は、処理チャンバ内に配置された炭素含有電極をボンバードして、炭素を含有するガス混合物中に処理チャンバ内に配置された基板の表面への二次電子ビームを生成することと、ガス混合物の成分から、基板の表面上にダイヤモンドライクカーボン層を形成することとによって形成されうる。【選択図】図２

Description

本開示は、集積回路の作製に関し、また高いエッチング選択性、高い膜密度、及び優れた機械的強度を有するダイヤモンドライクカーボン層を基板上に形成するプロセスに関する。より具体的には、本開示は、半導体用途向けに高いエッチング選択性、優れた機械的強度、低応力、及び所望の膜透過性を有するダイヤモンドライクカーボン層を基板上に形成するために、電子ビームプラズマプロセスを用いてダイヤモンドライクカーボン層を製造するプロセスに関する。
集積回路は、数百万個ものトランジスタ、コンデンサ、及び抵抗器が単一チップ上に搭載され得る複雑なデバイスへと進化を遂げてきた。チップ設計の進化には、より高速で、より密度の高い回路が継続的に必要とされる。より密度の高い、より高速な回路に対する需要は、そのような集積回路を作製するために使用される材料について、対応する需要を課すものである。特に、集積回路のコンポーネントの寸法はサブミクロン規模まで減少しており、今日では、こうしたコンポーネントから適切な電気的性能を得るために低抵抗率導電性材料（例えば、銅）及び低誘電率絶縁性材料（約４未満の誘電率）を用いることが必要となっている。
より密度の高い集積回路に対する需要はまた、集積回路コンポーネントの製造に使用されるプロセスシーケンスに対する需要も課すものである。例えば、従来のフォトリソグラフィー技術を用いたプロセスシーケンスでは、基板上に配置される材料層の積層体の上にエネルギー感受性レジストの層が形成される。エネルギー感受性レジスト層はパターンの像に露光され、フォトレジストマスクが形成される。その後、マスクパターンは、エッチングプロセスを用いて積層体の材料層の一又は複数に転写される。エッチングプロセスに使用される化学エッチング剤は、エッチング選択性がエネルギー感受性レジストのマスクよりも積層体の材料層について高くなるように選択される。すなわち、化学エッチング剤は、材料積層体の一又は複数の層をエネルギー感受性レジストよりもはるかに高い速度でエッチングする。レジスト上の積層体の一又は複数の材料層へのエッチング選択性により、エネルギー感受性レジストがパターン転写の完了前に消耗することが防止される。したがって、高い選択性のエッチング剤により、正確なパターン転写が強化される。
半導体デバイスを形成するために使用される構造体の幾何学的限界が技術的限界に追いやられるにつれて、小さい限界寸法及び高いアスペクト比を有する構造体を製造するための正確なパターン転写の必要性はますます困難になってきている。例えば、エネルギー感受性レジストの厚さは、パターン解像度を制御するために減じられてきた。このような薄いレジスト層（例えば、約２０００A未満）は、化学エッチング剤による攻撃があるために、パターン転写ステップ中に下方の材料層をマスク処理するのに不十分である場合がある。ハードマスク層と呼ばれる中間層（例えば、酸窒化ケイ素、炭化ケイ素、又は炭素膜）は、その化学エッチング剤に対する耐性が高いことから、パターン転写を促進するためにエネルギー感受性レジスト層と下方の材料層との間で使用されることが多い。材料をエッチングして約５：１よりも大きいアスペクト比及び／又は約５０ｎｍ未満の限界寸法を有する構造体を形成する場合、パターンを当該材料に転写するために利用されるハードマスク層はかなりの長時間にわたってアグレッシブなエッチング剤に曝される。アグレッシブなエッチング剤に長時間曝された後、十分なエッチング耐性を有していないハードマスク層のフィルム特性は変化し、不正確なパターン転写、及び寸法制御の損失をもたらす場合がある。
更に、ハードマスク層と膜積層体に配置される隣接層とに選択される材料が類似していることによっても、これらの間でのエッチング特性が類似する場合があり、結果としてエッチング中の選択性が低くなる。ハードマスク層と隣接層との間の不十分な選択性により、ハードマスク層は不均一で先細っており歪んだ輪郭となる場合があり、これによってパターン転写が不十分となり正確な構造寸法制御ができないという結果につながりうる。
加えて、堆積膜及び／又はハードマスク層中の比較的緩い膜構造（例えば、非晶質膜構造）によって、膜の機械的強度及び硬度は低くなる場合もあり、その結果、ハードマスク層は、エッチングプロセス中のアグレッシブなエッチング剤の攻撃があるために全体的なエッチングプロセスに耐えることができなくなる。不十分な膜のハードマスク又は膜の機械的強度は、後続のプロセスにおけるパターン転写の正確性に悪影響を及ぼしうる。
したがって、当技術分野では、後続のリソグラフィー及びエッチングプロセスのために所望の膜特性を有する改善されたハードマスク層が必要である。
所望のフィルム密度、機械的強度、及び光学膜特性を有するダイヤモンドライクカーボン層を形成するための方法が提供される。一実施形態では、ダイヤモンドライクカーボン層を形成する方法は、処理チャンバ内に配置された基板の表面の上方に電子ビームプラズマを生成することと、処理チャンバ内に配置された基板の表面上にダイヤモンドライクカーボン層を形成することとを含む。
別の実施形態では、ダイヤモンドライクカーボン層を含むハードマスク層が電子ビームプラズマプロセスによって形成される。ダイヤモンドライクカーボン層は、半導体用途でのエッチングプロセスにおけるハードマスク層として機能する。
更に別の実施形態では、ダイヤモンドライクカーボン層を形成する方法は、処理チャンバ内に配置された炭素含有電極をボンバードして、炭素を含有するガス混合物中に、処理チャンバ内に配置された基板の表面への二次電子ビームを生成することと、処理チャンバ内の基板の表面上にダイヤモンドライクカーボン層を形成することとを含む。
本開示の上述の特徴を実現し、細部にわたって理解することができるように、上で簡潔に要約した本開示のより具体的な説明は、添付の図面に示す本開示の実施形態を参照することによって得られうる。
電子ビームプラズマ技術を用いて本開示の実施形態を実施することができる堆積装置の一実施例の概略図を示す。 電子ビームプラズマ技術を用いて本開示の実施形態を実施することができる堆積装置の別の実施例の概略図を示す。 膜形成プロセスの一実施形態のプロセスフロー図を示す。 図３の方法に従って基板上に形成されるダイヤモンドライクカーボン層を組み込む基板構造の一連の概略断面図を示す。
理解を容易にするため、可能な場合には、複数の図に共通する同一の要素を指し示すために同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素及び特徴は、更なる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれ得ることが企図されている。
しかしながら、本開示は他の等しく有効な実施形態も許容しうるため、添付の図面は本開示の例示的な実施形態のみを示すものであり、したがって本開示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。
本開示の実施形態により、膜透過性、機械的強度、膜硬度、及び低応力などの所望の膜特性を有するダイヤモンドライクカーボン層を形成するための方法が提供される。一実施形態では、ダイヤモンドライクカーボン層は、ハードマスク層としての使用に適切である。所望の膜特性を有するダイヤモンドライクカーボン層は、電子ビームプラズマ堆積プロセスによって得られうる。電子ビームプラズマは、比較的強い結合構造及び機械的強度を有するカーボンライク膜構造を形成するための炭素層の堆積に必要な二次電子ビームを提供する。 電子ビームプラズマにより形成されたダイヤモンドライクカーボン層は、低応力レベルを維持しつつ所望の範囲内の膜密度を有する。ダイヤモンドライクカーボン層は、所望の範囲の屈折率（ｎ）及び吸収係数（ｋ）などの、フォトリソグラフィーパターニングプロセスに有利な光学膜特性を有する。
図１は、円筒形の側壁１０２を含むチャンバ１００を画定する真空チャンバ本体を有する電子ビームプラズマチャンバを示す。チャンバ１００は、格子状フィルタ１０４により、上側チャンバ１００ａと下側チャンバ１００ｂとに分割される。下側チャンバ１００ｂは、印加されたバイアス電圧がない状態では内部に実質的な電場が欠如しているため、ドリフト空間である。天井部１０６が上側チャンバ１００ａの上に位置し、電極１０８を支持している。一実施形態では、電極１０８は、ケイ素、炭素、ケイ素炭素化合物、又は酸化ケイ素化合物などのプロセス適合材料で形成される。代替的な実施形態では、電極１０８は、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、又は酸化ジルコニウムなどの金属酸化物で形成される。天井部１０６及び電極１０８は、ディスク形状であってよい。電極１０８の底面は、格子状フィルタ１０４に面し、上側チャンバ１００ａの内部に露出している。一実施形態では、絶縁体又は誘電体リング１０９が電極１０８を取り囲んでいる。
ここで図示する特定の一実施形態では、電極１０８は、ダイヤモンドライクカーボン層堆積プロセス中に炭素源を提供することを補助しうる炭素含有材料で形成される。したがって、電極１０８は、ダイヤモンドライクカーボン層堆積プロセスが任意の回数実施された後に消耗しうる。電極１０８から弾き出された材料は、電極１０８からボンバードされた材料の消耗によって、高い膜密度を有するダイヤモンドライクカーボン層の形成を補助しうる。したがって、プロセスの信頼性及び反復性を確実なものとするために、電極１０８は定期的に交換されうる。
下側チャンバ１００ｂ内の基板１１１、例えばワークピースを支持するためのワークピース支持ペデスタル１１０は、格子状フィルタ１０４に面するワークピース支持面１１０ａを有し、且つリフトサーボ１１２によって軸方向に移動可能でありうる。一実施形態では、ワークピース支持ペデスタル１１０は、ワークピース支持面１１０ａを形成する絶縁パック１９５、絶縁パック１９５の内側のワークピース電極１９６、及びワークピース電極１９６に接続されるチャック電圧源１９９を含む。加えて、絶縁パック１９５の下に位置するベース層１９４は、循環源１９８からの熱媒体（例えば、液体）を循環させるための内部通路１０７を有する。循環源１９８は、ヒートシンク又は熱源として機能しうる。
ＶＨＦ周波数（例えば、１６０ＭＨｚ）を有するＲＦ源発電機１２０、及びＶＨＦ範囲未満又はＨＦ範囲（例えば、ＭＦ又はＬＦ範囲、例えば２ＭＨｚ）未満の周波数を有する低周波ＲＦ源発電機１２２は、インピーダンス整合器１２４を通じ、ＲＦ給電導体１２３を介して電極１０８に結合される。一実施形態では、インピーダンス整合器１２４は、ＲＦ源発電機１２０及び１２２の異なる周波数におけるインピーダンス整合、並びに発電機を互いに離隔するためのフィルタリングをもたらすように適合される。ＲＦ源発電機１２０、１２２の出力電力レベルは、コントローラ１２６により独立して制御される。以下で詳細に記載するように、ＲＦ源発電機１２０、１２２からの電力は、電極１０８に結合される。一実施形態では、天井部１０６は導電性であり、電極１０８と電気的に接触している。インピーダンス整合器１２４からの電力は、天井部１０６を通じて電極１０８に伝導される。
一実施形態では、側壁１０２は金属で形成され、接地されている。一実施形態では、上側チャンバ１００ａの内側の接地内部表面の表面積は、電極１０８の表面積の少なくとも２倍である。一実施形態では、チャンバ１００の内側の接地内部表面は、ケイ素、炭素、ケイ素炭素化合物又は酸化ケイ素化合物などのプロセス適合材料で被覆されうる。代替的な実施形態では、チャンバ１００の内側の接地内部表面は、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、又は酸化ジルコニウムなどの材料で被覆されていてよい。
一実施形態では、ＲＦ源発電機１２０は、別個に制御される２つのＶＨＦ発電機１２０ａ及び１２０ｂに置き換えても良い。ＶＨＦ発電機１２０ａは、ＶＨＦ帯域の下部（例えば、３０ＭＨｚから１５０ＭＨｚ）の出力周波数を有し、一方でＶＨＦ発電機１２０ｂは、ＶＨＦ帯域の上部（例えば、１５０ＭＨｚから３００ＭＨｚ）の出力周波数を有する。コントローラ１２６は、ＶＨＦ発電機１２０ａ及び１２０ｂの出力電力レベル間の比を選択することにより、プラズマイオン密度を統制しうる。２つのＶＨＦ発電機１２０ａ及び１２０ｂがあることで、それ自体（ＶＨＦ発電機１２０ａ）により、上側チャンバ１００ａ内においてプラズマイオン密度が端部で高くなる径方向分布が下部ＶＨＦ周波数によって生成され、且つそれ自体（ＶＨＦ発電機１２０ｂ）により、プラズマイオン密度が中央で高くなる径方向分布が上部ＶＨＦ周波数によって生成されるように上側チャンバ１００ａの間隙（電極１０８と格子状フィルタ１０４との距離）を選択することにより、上側チャンバ１００ａ内の径方向のプラズマ均一性を制御することができる。このように選択した状態で、２つのＶＨＦ発電機１２０ａ、１２０ｂの電力レベルは、次いでプラズマイオン密度の径方向分布の均一性が最適となる比に設定される。
一実施形態では、天井部１０６は電極１０８のための支持部であり、電極１０８に面するチャック電極１５２を含む絶縁層１５０を含む。ＤＣチャック電圧源１５４は、電極１０８を天井部１０６に静電クランプするために給電導体１５５を介してチャック電極１５２に結合される。ＤＣブロックコンデンサ１５６は、インピーダンス整合器１２４の出力に直列に接続されうる。コントローラ１２６は、ＤＣチャック電圧源１５４を制御しうる。一実施形態では、インピーダンス整合器１２４からのＲＦ給電導体１２３は、電極１０８に直接接続されるのではなく、電極支持部又は天井部１０６に接続されうる。このような実施形態では、ＲＦ給電導体１２３からのＲＦ電力は、電極支持部から電極１０８まで容量結合されうる。一実施形態では、上側ガス注入器１３０が、第１のバルブ１３２を通って上側チャンバ１００ａ内にプロセスガスを提供する。一実施形態では、下側ガス注入器１３４が、第２のバルブ１３６を通って下側チャンバ１００ｂ内にプロセスガスを提供する。ガスは、例えばプロセスガス供給装置のアレイ１３８から、第１及び第２のバルブ１３２及び１３６を含みうるバルブのアレイ１４０を通って供給される。一実施形態では、上側及び下側チャンバ１００ａ、１００ｂへのガス種及びガス流量は、独立して制御可能である。コントローラ１２６によってバルブのアレイ１４０が統制されうる。一実施形態では、不活性ガスが上側チャンバ１００ａに供給され、プロセスガスが下側チャンバ１００ｂに供給される。不活性ガスの流量は、下側チャンバ１００ｂから上側チャンバ１００ａへのガスの対流又は拡散を実質的に防止して、上側チャンバ１００ａの実質的な化学的隔離をもたらすように選択されうる。
一実施形態では、頂部の電子放出電極１０８の内側表面のエネルギーイオンボンバードメントを含む様々なバルク及び表面プロセスによって、プラズマは上側チャンバ１００ａ内に生成されうる。電極１０８のイオンボンバードメントエネルギー及びプラズマ密度は、ＲＦ発電機１２０及び１２２双方の関数である。電極１０８のイオンボンバードメントエネルギーは、ＲＦ電力発電機１２２からの低周波電力によって実質的に制御され、上側チャンバ１００ａ内のプラズマ密度は、ＲＦ発電機１２０からのＶＨＦ電力によって実質的に制御（強化）されうる。エネルギー二次電子は、電極１０８の内側表面から放出されうる。放出面からのエネルギー電子流束は、電子ビームを含んでいてよく、電極１０８の内側表面に対して実質的に垂直な方向を有し且つ電極１０８のほぼイオンボンバードメントエネルギーであるビームエネルギーを有していてよく、当該エネルギーは、典型的には約１０ｅＶから５０００ｅＶの範囲にわたり、例えば少なくとも１００ｅＶよりも大きい。異なるプロセスについての衝突断面積は、電子エネルギーに依存する。低エネルギーでは、励起（及び分子ガス中の分離）のための断面積がイオン化のための断面積よりも大きく、高エネルギーではその逆となる。ＲＦ電力レベル（複数可）は、有利には様々な非弾性電子衝突プロセスをターゲットとするように選択されうる。
一実施形態では、側壁１０２の側部ウィンドウ１７０は上側チャンバ１００ａに面し、例えば石英又は酸化アルミニウムなどの材料で形成され、これを通じてＲＦ電力が誘導結合されうる。誘導コイルアンテナ１７２は、側部ウィンドウ１７０を取り囲み、インピーダンス整合器１７６を通じて任意のＲＦ発電機１７４によって駆動される。遠隔プラズマプラズマ源１９７は、プラズマ種を下側チャンバ１００ｂ内に導入しうる。任意のＲＦ源発電機１７４及びコイルアンテナ１７２を有する実施形態では、上側チャンバ１００ａ内のプラズマ密度はＲＦ発電機１７４からのＲＦ電力によって実質的に制御（強化）されうる。一実施例では、任意のＲＦ源発電機１７４及びコイルアンテナ１７２は、材料を電極１０８からスパッタリングするためのボンバードメント電力を提供することを補助し、したがってワークピース支持ペデスタル１１０上に配置された基板１１１の表面上に材料を定着させることを補助しうる。
一実施形態では、格子状フィルタ１０４は平坦なディスク形状を有し、側壁１０２と同軸であってよい。格子状フィルタ１０４は、複数の開口１０４−１のアレイを有するように形成される。一実施形態では、格子状フィルタ１０４の軸方向厚さＴ、及び複数の開口１０４−１の直径ｄは、エネルギー指向性ビーム電子の格子状フィルタ１０４を通る流れを促進する一方で格子状フィルタ１０４を通る非ビーム（低エネルギー）電子及びプラズマイオンの流れを妨げるように選択され、格子状フィルタ全面積に対する格子状フィルタの孔部面積の比が最大化されうる。エネルギー電子流束（電子ビーム）は、格子状フィルタ１０４を通過して下側チャンバ１００ｂに至り、下側チャンバ１００ｂ内において様々な電子衝撃プロセスによってプラズマを生成しうる。
下側チャンバ１００ｂにおいて電子ビームにより生成されたプラズマは、上側チャンバ１００ａにおけるプラズマとは異なる性質を有しうる。格子状フィルタ１０４は、上部及び下部チャンバ１００ａ、１００ｂを互いに実質的に電気的に絶縁させるフィルタとして機能しうる。一実施形態では、格子状フィルタ１０４は、導電性材料又は半導電性材料で形成され、グラウンドに接続されうるか又は電気的にフロートしうる。別の実施形態では、格子状フィルタ１０４は非導電性材料で形成される。一実施形態では、格子状フィルタ１０４は、ケイ素、炭素、ケイ素炭素化合物又は酸化ケイ素化合物などのプロセス適合材料で被覆されうる。代替的な実施形態では、格子状フィルタ１０４は、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、又は酸化ジルコニウムなどの材料で被覆されうる。一実施形態では、上側チャンバ１００ａで生成されるプラズマは、高電子密度及び／又は高電子温度を有していてよく、電極１０８にぶつかる高エネルギーイオンを有しうる。
電極表面のエネルギーイオンボンバードメントに起因して電極１０８から放出された二次電子流束で構成される電子ビームの少なくとも一部は、格子状フィルタ１０４を通り下側チャンバ１００ｂ内へ伝播し、ビームエネルギー及び流束、並びに圧力及びガス組成などの他の要因にも依存するプラズマ密度を伴う低電子温度プラズマを下側チャンバ１００ｂ内に生成する。エネルギービーム電子は、下側チャンバ１００ｂのプラズマ領域を出ると、基板１１１又はワークピース支持ペデスタル１１０にぶつかりうる。残存するプラズマは、電子ビーム流束により引き起こされる、結果として生じた任意の表面電荷を即座に放電しうる。
高電子ビーム流束又は高電子ビーム密度が要求されるいくつかの実施形態では、電極１０８から放出される二次電子ビーム流速がより速い速度で基板１１１又はワークピース支持ペデスタル１１０上に到達することを補助するために、図２に示すように格子状フィルタ１０４を除去又は除外してもよい。代替的には、格子状フィルタ１０４は、任意のプロセス懸念事項及び要件のために図２に示すように処理チャンバ１００において除去又は除外可能である。
一実施形態では、塩素などの電気陰性ガス又は電子付着ガスがチャンバ内に供給され、ＲＦ及び／又はＶＨＦ電力が電極１０８に印加され、ＲＦ電力がコイルアンテナ１７２に任意に印加され、遠隔プラズマ源（ＲＰＳ）電力が任意に遠隔プラズマ源（ＲＰＳ）１９７に印加され、プラズマが上側チャンバ１００ａ内で生成され、グラウンドに対する且つプラズマに対する加速電圧が電極１０８上に発生する。結果として生じる電極１０８のエネルギーイオンボンバードメントにより、電極の表面から二次電子が放出され、これにより電極表面からの電子ビーム流束が構成される。格子状フィルタ１０４により、電子ビームの少なくとも一部が格子状フィルタ１０４を通って下側チャンバ１００ｂ内へと伝播することが可能となり、一方で非ビーム電子及びプラズマイオンの少なくとも一部が格子状フィルタ１０４を通過することが防止され、下側チャンバ１００ｂ内に低電子温度プラズマが生成される。塩素などの電気陰性ガス中で下部チャンバ１００ｂ内に結果として生じる低電子温度プラズマは、陽イオンの電子密度及び接近密度（ａｐｐｒｏａｃｈｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｙ）よりもはるかに高い陰イオン密度を伴う、電気陰性度の高いプラズマを生成しうる。このようなプラズマは、一般にイオン−イオンプラズマ（ｉｏｎ−ｉｏｎ ｐｌａｓｍａ）と呼ばれる。
電子ビームの誘導を助け、上側チャンバ１００ａ、格子状フィルタ１０４、及び／又は下側チャンバ１００ｂを通るビーム輸送を改善するために、電子ビームに実質的に平行な、実質的に軸方向に指向された磁場を任意で使用してもよい。低周波バイアス電圧又は低繰り返し周波の恣意の波形をワークピース支持ペデスタル１１０（例えばワークピース電極１９６）に印加して、前記プラズマから陽イオン及び／又は陰イオンを選択的に又は交互に抽出し、それらイオンを所望のエネルギーレベルで加速させてエッチング、洗浄、堆積、又は他の材料改質のために基板１１１の表面に影響を与えてもよい。（ａ）上側チャンバ１００ａ内に、（ｂ）電子ビームによって下側チャンバ１００ｂ内に、（ｃ）ワークピース支持ペデスタル１１０へのバイアス電圧の印加によって、又は（ｄ）遠隔プラズマ源（ＲＰＳ）１９７によって生成されるラジカルは、基板１１１まで対流又は拡散し、ワークピースの表面での反応に関与しうる。
別の実施形態では、ヘリウム又はアルゴンなどの比較的不活性なガスが上側チャンバ１００ａ内に供給され、六フッ化硫黄、フッ化炭素などの電気陰性ガス又は電子付着ガスが下側チャンバ１００ｂ内に流れ込み、ＲＦ及び／又はＶＨＦ電力が電極１０８に印加され、ＲＦ電力が任意でコイルアンテナ１７２に印加され、ＲＰＳ電力が任意でＲＰＳ１９７に印加され、プラズマが上側チャンバ１００ａ内で生成され、電極１０８上でグラウンドに対する且つプラズマに対する加速電圧が生じる。結果として生じる電極１０８のエネルギーイオンボンバードメントにより、電極表面から二次電子が放出され、これにより電極表面からの電子ビーム流束が構成される。格子状フィルタ１０４により、電子ビームの少なくとも一部が格子状フィルタ１０４を通って下側チャンバ１００ｂ内へと伝播することが可能となり、一方で非ビーム電子及びプラズマイオンの少なくとも一部が格子状フィルタ１０４を通過することが防止され、下側チャンバ１００ｂ内に低電子温度プラズマが生成される。
電気陰性ガス中で下部プラズマチャンバ内に結果として生じる低電子温度プラズマは、陽イオンの電子密度及び接近密度よりもはるかに高い陰イオン密度を伴う、一般的にイオン−イオンプラズマと呼ばれる電気陰性度の高いプラズマを生成しうる。
一実施形態では、格子状フィルタ１０４は気体分配プレートであり、内部ガス通路１０５ａ及びガス噴射出口１０５ｂを有する。内部ガス通路１０５ａは、バルブのアレイ１４０に結合されうる。
一実施形態では、ＲＦバイアス発電機１４２は、インピーダンス整合器１４４を通じてワークピース支持ペデスタル１１０のワークピース電極１９６に結合される。更なる実施形態では、波形テーラリングプロセッサ１４７がインピーダンス整合器１４４の出力とワークピース電極１９６との間に接続されうる。波形テーラリングプロセッサ１４７は、ＲＦバイアス発電機１４２によって生成された波形を所望の波形に変更する。基板１１１付近のプラズマのイオンエネルギーは波形テーラリングプロセッサ１４７によって制御される。一実施形態では、波形テーラリングプロセッサ１４７は、各ＲＦサイクルの特定の部分の間、振幅が所望のイオンエネルギーレベルに対応するレベルに維持される波形を生成する。コントローラ１２６は、波形テーラリング（テーラリング）プロセッサ１４７を制御しうる。
一実施形態では、磁石１６０がチャンバ１００を取り囲んでいる。一実施形態では、磁石は、上側及び下側チャンバ１００ａ、１００ｂにそれぞれ隣接する一対の磁石１６０−１、１６０−２を含む。一実施形態では、一対の磁石１６０−１、１６０−２により、上側チャンバ１００ａから下側チャンバ１００ｂに伝播する電子ビームを制限するのに適切な軸方向の磁場が提供される。
一実施形態では、基板１１１へのエネルギー電子の流れは、格子状フィルタ１０４と基板１１１との間の領域で主として動径成分（すなわち、電子ビームの流れを横切る方向）を有する磁場によってブロックされる。この磁場は、磁石１６０−１若しくは１６０−２のうちの一つによって、又は別の磁石若しくは磁石の別の組によって生成されうる。
一実施形態では、天井部１０６の内側で熱伝導性の液体又は媒体を伝えるための内部通路１７８が熱媒体循源１８０に接続される。熱媒体循環源１８０は、ヒートシンク又は熱源として作用する。電極１０８と天井部１０６との間の機械的接触は、電極１０８と天井部１０６との間の高い熱伝導性を維持するのに十分なものである。図１の実施形態では、機械的接触の力は、ＤＣチャック電圧源１５４によりもたらされる静電クランプ力によって調整される。
図３は、本開示の一実施形態に係る、ダイヤモンドライクカーボン層を形成するための方法３００のプロセスフロー図を示す。図４Ａ〜図４Ｂは、方法３００に従って、ハードマスク層として使用するためのダイヤモンドライクカーボン層を形成するためのシーケンスを示す概略断面図である。
方法３００は、図１又は図２に示す電子ビームプラズマ処理チャンバ１００などの処理チャンバ内に、図４Ａに示すような材料層４０２が上に配置された基板１１１を提供することにより工程３０２で開始される。基板１１１は、実質的に平らな表面、凹凸のある表面、又はその上に形成された構造体を有していてよい。一実施形態では、材料層４０２は、ＮＡＮＤ構造体などのロジック又はメモリのためのフロントエンド又はバックエンドプロセスにおいてゲート構造、コンタクト構造、相互接続構造又はシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造を形成するために利用される膜構造体の一部でありうる。材料層４０２が存在しない実施形態では、ダイヤモンドライクカーボン層は基板１１１に直接形成されうる。
一実施形態では、材料層４０２は、ＮＡＮＤ構造のためのゲート構造を形成するために利用される酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素層の繰り返し層を含む膜積層体でありうる。代替的に、材料層４０２は、ゲート電極を形成するために利用されるケイ素材料でありうる。更に別の実施形態では、材料層４０２は、酸化ケイ素層、ケイ素層の上に堆積された酸化ケイ素層を含みうる。更に別の実施形態では、材料層４０２は、半導体デバイスを作製するために利用される他の誘電材料の一又は複数の層を含みうる。誘電層の適切な例は、必要に応じて、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、炭化ケイ素、又は任意の適切な低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）誘電材料若しくは多孔質誘電材料を含む。更に別の実施形態では、材料層４０２は金属層を含まない。
工程３０４において、図４Ｂに示すように基板１１１上にダイヤモンドライクカーボン層４０４を形成するための準備として、ガス混合物が電子ビームプラズマ処理チャンバ１００に供給される。ガス混合物は、プロセスガス供給装置１３８からバルブのアレイ１４０を通り、電子ビームプラズマ処理チャンバ１００にそれぞれ流れ込むガス注入器１３０、１３４に供給されうる。
ガス混合物は、少なくとも炭化水素化合物及び不活性ガスを含む。一実施形態では、炭化水素化合物は式ＣｘＨｙを有し、式中ｘは１から１２までの範囲を有し、ｙは４から２６までの範囲を有する。より具体的には、脂肪族炭化水素は、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカンなどのアルカン類、プロペン、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、ヘキサジエンブタジエン、イソプレン、ペンタジエンなどのジエン類、アセチレン、ビニルアセチレンなどのアルキン類を含む。脂環式炭化水素は、例えば、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロペンタジエン、トルエンなどを含む。芳香族炭化水素は、例えば、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、フランなどを含む。更に、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、及びｔ−ブチルフルフリルエーテルを利用してもよい。更に、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、及びｔ−ブチルフルフリルエーテルを選択してもよい。例示的な実施形態では、炭化水素化合物はプロペン、アセチレン、エチレン、プロピレン、ブチレン、トルエン、α−テルピネンである。
代替的に、一又は複数種の追加の炭化水素化合物を、プロセスチャンバに供給されるガス混合物中に存在する炭化水素化合物と混合してもよい。２種以上の炭化水素化合物の混合物は、非晶質炭素材料を堆積するために使用されうる。
特定の実施形態では、炭化水素化合物はメタン（ＣＨ４）を含む。別の実施形態では、炭化水素化合物は、メタン（ＣＨ４）、及びプロペン（Ｃ３Ｈ６）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、又はエチレン（Ｃ２Ｈ４）のうち少なくとも１種を含む。
アルゴン（Ａｒ）又はヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスが、ガス混合物と共に処理チャンバ１００内に供給される。必要に応じて、ダイヤモンドライクカーボン層の密度及び堆積速度を制御するため、窒素（Ｎ２）、酸素ガス（Ｏ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、一酸化窒素（ＮＯ）、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）、水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）との混合物、又はこれらの組み合わせなどの他のキャリアガスも使用してよい。水素又は窒素の添加は、堆積されたダイヤモンドライクカーボン層の水素比（例えば、炭素対水素比）を制御するために使用されうる。ダイヤモンドライクカーボン層中に存在する水素比により、反射率、透過性、及び密度などの層特性が制御される。
一実施形態では、アルゴン（Ａｒ）又はヘリウム（Ｈｅ）ガスなどの不活性ガスがメタン（ＣＨ４）などの炭化水素化合物と共にプロセスチャンバ内に供給されて、ダイヤモンドライクカーボン層が堆積される。ガス混合物中に提供された不活性ガスは、堆積された層の光学的及び機械的特性、例えばダイヤモンドライクカーボン層４０４の屈折率（ｎ）及び吸収係数（ｋ）、硬度、密度、並びに弾性率の制御を補助しうる。
一実施形態では、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素化合物は、約５０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの間の流量でガス混合物中に供給されうる。Ａｒ又はＨｅガスなどの不活性ガスは、約１０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの間の流量でガス混合物中に供給されうる。水素ガス（Ｈ２）は、約１００ｓｃｃｍから約５００ｓｃｃｍの間の流量でガス混合物中に供給されうる。酸素ガス（Ｏ２）は、約０ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍの間の流量でガス混合物中に供給されうる。窒素ガス（Ｎ２）は、約０ｓｃｃｍから約４００ｓｃｃｍの間の流量でガス混合物中に供給されうる。また、プロペン（Ｃ３Ｈ６）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、又はエチレン（Ｃ２Ｈ４）のうち少なくとも１種を約１００ｓｃｃｍ から約２０００ｓｃｃｍの間の流量でガス混合物中に供給してもよい。
一実施例では、調節可能な流量比及び種は、格子状フィルタ１０４の下方又は上方のラジカル分離及びプラズマ密度が最大となるように制御され、上側又は下側注入器１３０、１３４などの様々な場所から処理チャンバ１００に供給されうる。例えば、 ビーム電子流束を増加させるために上側チャンバ１００ａでのプラズマ密度をより高くすることが望ましい場合、上側注入器１３０を通じてＡｒ又はＨｅなどの不活性ガスを供給してもよく、これにより、局所的なプラズマ密度及びビーム電子流束を増加させるように電極ボンバードメントが促進され、電極１０８付近の分子ガス密度が低下しうる。これに対し、水素分子の分離（例えば、結果として得られる膜純度を上昇させること）が望ましいときには、局所的なプラズマ密度を低下させるが、水素ラジカル形成を促進することで処理チャンバ内及び結果として得られるダイヤモンドライクカーボン層４０４内の不純物を排出させるために、水素含有ガスが注入器１３０を通じて供給されうる。
工程３０６では、ガス混合物が処理チャンバ内に供給された後、ＲＦ源発電機１２０、１２２から第１のＲＦ源電力が生成され、電極１０８に印加されて、プラズマ及び二次電子ビームが生成されうる。電極１０８からの二次電子ビームは、材料層４０２の表面４０１を照射して表面４０１の上にダイヤモンドライクカーボン層４０４を形成する、例えば上記のような摂氏１００度未満の温度のコールドプラズマを生成しうる。加えて、誘導結合電力を付加するために、ＲＦ源発電機１７４を通じて第２の任意のＲＦ電力も高密度のビーム電子をもたらすように、生成された誘導結合電力は基板へのラジカル流束を増加させ、上側チャンバ１００ａ内の電子に入射するイオン流束（又はビーム流束）を増加させうる。更に、誘導結合電力はまた、電極１０８上のシース電圧を低下させ、したがってビームエネルギーを低下させる。
一実施例では、電極１０８に印加される、ＲＦ源発電機１２０、１２２から生成される第１のＲＦ源電力は１キロワットから約１０キロワットの範囲で制御される。ＲＦ源発電機１２０、１２２の周波数は、２ＭＨｚから約６０ＭＨｚの間でありうることに留意されたい。コイルアンテナ１７２に印加される、ＲＦ源発電機１７４から生成される第２のＲＦ源電力（例えば、誘導結合電力）は、約１キロワットから約１０キロワットの間で制御される。コイルアンテナ１７２に印加される誘導結合電力の周波数は、２ＭＨｚから約１３ＭＨｚの間であってよい。いくつかの実施形態では、誘導結合電力を除外し、必要に応じて任意に印加してもよい。ダイヤモンドライクカーボン層４０４を形成するために、例えば２０ｍＴｏｒｒから約２０Ｔｏｒｒの間のプロセス圧力も利用されうる。強固な膜構造を有するダイヤモンドライクカーボン層４０４を形成するために、電子ビームプラズマは堆積プロセス中に利用される二次電子ビームと共に、ガス混合物からの電子ビームのイオン及びエネルギーの分離を強化しうる、より高いイオンボンバードメントを提供しうると考えられる。
堆積中、基板の温度は室温（例えば、摂氏２０度）から摂氏約１０００度の間で制御されうる。基板とシャワーヘッドとの間の間隔は、約２００ミルから約１０００ミルまでで制御されうる。
上述のように、電極１０８から提供される電子ビームプラズマ及び二次電子ビームは、電極シースによって加速され、したがってバルクプラズマに入るときに更にエネルギーを得る。これら加速された電子により、分子から水素を効率的に分離するための十分な高エネルギーがもたらされ、十分な水素ラジカルが生成されることで、基板１１１上に形成される炭素層４０４など炭素膜から水素不純物が抽出され、高純度のダイヤモンドライクカーボン層４０４が形成される。加速された二次ビーム電子により、基板１１１の上方に（格子状フィルタ１０４の下の下側チャンバ領域１００ｂで）コールドプラズマと呼ばれる低温プラズマが作り出される。このようにして、基板表面上への水素ラジカル流束を増加させるため、振動状態において効率的に水素分子を分離し、水素ラジカルを生成するのに十分な低エネルギー電子がコールドプラズマから生成される。
更に、電極１０８から放出された加速二次電子ビームが基板表面に到達すると、加速二次電子ビームから伝搬される、例えば数百電子ボルト（ｅＶ）から数千電子ボルト（ｅＶ）ほどの高エネルギーが、炭素ｓｐ３表面状態を励起するなど表面反応を誘導して、基板１１１上にダイヤモンドライクカーボン層４０４を形成し、弱い（又は望ましくない）炭素ｓｐ若しくはｓｐ２結合、又はＣＨ結合さえも破壊することで、炭素構造の非晶質状態又は他の構造ではなくダイヤモンドライクカーボン層の形成を促進するｓｐ３結合を増加させる。ダイヤモンドライクカーボン層４０４において結合した炭素元素はたいてい、他の炭素元素との四面体結合の角の方を向いている４つの単結合を有するｓｐ３炭素を形成することができる。２つの単結合および１つの二重結合、例えば三角形の角を向く３つの結合を有する望ましくないｓｐ２混成炭素は、膜構造が所望のダイヤモンドライク構造ではなく非晶質状態になるという結果をもたらす。水素末端結合の量、及びｓｐ３混成炭素又はｓｐ２混成炭素に含まれる、欠如しているか又はダングリング状の任意の炭素結合の程度は、これら炭素原子が密にネットワーク化され配置（ｐａｃｋｅｄ）される程度に影響を及ぼし、したがって膜密度および応力を決定する。ダイヤモンドライクカーボン層４０４は、全ての炭素原子が完全に相互接続されたときに、完全なｓｐ３混成及びゼロの水素含有率を伴って形成されるように構成される。一実施例では、加速二次電子ビームは、ビーム１００ｅＶを上回るビームエネルギーを有しうる。
したがって、本明細書において形成されるダイヤモンドライクカーボン層４０４は、２．５ｇ／ｃｃより大きい密度を有するように構成される。膜透過性などの他の膜特性は、ダイヤモンドライクカーボン構造の下で所望のレベルに維持される。一実施形態では、ダイヤモンドライクカーボン層４０４の吸収係数（ｋ）は、約６３３ｎｍの波長で約０．２から約１．８の間、約２４３ｎｍの波長で約０．４から約１．３の間、約１９３ｎｍの波長で約０．３から約０．６の間に制御されうる。ダイヤモンドライクカーボン層４０４は、約１０ｎｍから約３００ｎｍの厚さ４０８を有しうる。
更に、電極１０８から基板の表面への、加速された、例えば高速の電子ボンバードメントによってもまた、結果として生じるダイヤモンドライクカーボン層４０４の放出応力が補助され、したがって、約８００メガパスカル（ＭＰａ）の圧縮応力から約１００メガパスカル（ＭＰａ）の圧縮応力の間などの、８００メガパスカル（ＭＰａ）圧縮応力未満の間の所望の低応力レベルを有するダイヤモンドライクカーボン層４０４が形成されうる。
上述のように、加速された二次電子により、ＣＨ４から水素を抽出して水素ラジカルを形成することが補助され、これにより、結果として生じる膜構造から不純物を取り除くことが補助されうる。更に、格子状フィルタ１０４を通って下側チャンバまで通過する二次電子の一部は、例えばコールドプラズマと呼ばれる低電子温度プラズマになりうる。低電子温度は、０．５ｅＶ未満などの１ｅＶ未満の低電子エネルギーを有することが多い。このような低エネルギー電子を有する低電子温度プラズマにより、水素分子が分離されて基板表面上への水素ラジカル流束が増加する。堆積プロセス中に利用されるコールドプラズマによって、従来必要とされているような高価で複雑な温度制御を使用する必要なく、基板支持ペデスタルは低温範囲、例えば摂氏１００度未満に維持されうる。従来における実施では、水素分子を破壊し、水素ラジカルを抽出して提供するのに十分な熱エネルギーを電子に供給するために、加熱された基板支持ペデスタルにより生じる高い基板温度が必要となることが多い。しかしながら、このような高温プロセスでは高い膜応力が生じることが多く、これによって後続のリソグラフィープロセス中に基板の反り、基板の湾曲、又は焦点深度の問題が誘発される場合がある。したがって、低基板温度プロセスを利用することにより、後続のプロセス中に優れたエッチング及びリソグラフィープロセス制御を容易にしうる、低応力レベル及び高い膜密度を有するダイヤモンドライクカーボン層４０４が結果として形成される。
工程３０８では、工程３０４及び３０６で調整されたプロセスパラメータによって堆積プロセスが実施された後、次いでダイヤモンドライクカーボン層４０４が基板１１１上に形成される。高純度の（ｓｐ２又はｓｐ結合構造が少ない）ダイヤモンドライクカーボン層４０４が望ましい状況では、結果として得られるダイヤモンドライクカーボン層４０４から望ましくない不純物を取り除くことを補助するための任意の後処理プロセスを実施してもよい。堆積中、望ましくない水素結合、炭素ｓｐ、炭素ｓｐ２不純物の形成が不可避に生じる場合がある。したがって、当該不純物を取り除くことを補助するための後処理プロセスを任意で実施してもよい。一実施形態では、後処理プロセスは、Ａｒプラズマを用いた電子ビームプラズマ処理プロセスであってよい。プラズマ処理は、電子ビーム処理チャンバ内で実施される電子ビーム（例えば、ｅ−ビーム）プラズマ処理であってよい。工程３０４、３０６及び３０８での堆積プロセス、及び後処理の電子ビーム処理プロセスは、真空を破壊することなく、図１に示す処理チャンバ１００内でインシトゥで実施される。
後処理プロセス中、使用されうる処理ガスは、Ａｒ又はＨｅなどの不活性ガス処理を含みうる。例示的な実施形態では、使用される処理ガスはＡｒガスである。
方法３００は、半導体デバイス製造プロセスにおけるメタライゼーションプロセス前のフロントエンドプロセス（ＦＥＯＬ）で使用されるプロセスに有用である。ダイヤモンドライクカーボン層は、その高いエッチング選択性によりエッチングプロセス中のハードマスク層として機能することが望ましい。適切なフロントエンドプロセス（ＦＥＯＬ）は、ゲート製造用途、接触構造用途、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）プロセスなどを含む。ダイヤモンドライクカーボン層がエッチング停止層としても使用されうるか又は異なるプロセスの目的で異なる膜としても使用されうる実施形態においては、特定のプロセス要件を満たすように、膜の機械的特性又は光学的特性も調整されうる。
したがって、電子ビームプラズマ堆積プロセスにより、低応力であるとともに所望の密度及び光学膜特性の双方を有するダイヤモンドライクカーボン層を形成するための方法が提供される。当該方法により、有利なことに、低応力及び高密度、並びに高いエッチング選択性及び膜透過性などの所望の機械的特性を有するダイヤモンドライクカーボン層が提供される。また、ダイヤモンドライクカーボン層は、酸素ストリップ又はアッシングプロセスによって基板から容易に除去されうる。ダイヤモンドライクカーボン層の改善された機械的特性により、後続のリソグラフィープロセスのための所望の範囲の膜平坦性、応力レベル、並びに屈折率（ｎ）及び吸収係数（ｋ）などの膜光学特性が維持される一方で、後続のエッチングプロセスのための高い膜選択性及び品質がもたらされる。
上記内容は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の他の更なる実施形態は、その基本的な範囲を逸脱することなく考案されてもよく、その範囲は以下の請求項により決定される。

Claims (15)

  1. ダイヤモンドライクカーボン層を形成する方法であって、
    処理チャンバ内に配置された基板の表面の上方に電子ビームプラズマを生成することと、
    前記処理チャンバ内に配置された前記基板の前記表面上にダイヤモンドライクカーボン層を形成することと
    を含む方法。
  2. 前記電子ビームプラズマを生成することは、
    前記処理チャンバ内に配置された電極に第１のＲＦ源電力を印加することと、
    前記電極をボンバードして、前記基板の前記表面に二次電子及び二次電子ビーム流束をもたらすことと
    を更に含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記電子ビームプラズマをもたらすことは、
    前記電子ビームプラズマを生成している間に炭化水素化合物を含むガス混合物を前記処理チャンバに供給することを更に含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記炭化水素化合物は、ＣＨ４、Ｃ３Ｈ６、Ｃ２Ｈ２及びＣ２Ｈ４からなる群より選択される、請求項３に記載の方法。
  5. 前記電極をボンバードして二次電子及び二次電子ビーム流束をもたらすことは、
    １ｅＶ未満の低電子エネルギーを有する二次電子を前記基板の前記表面にもたらすことを更に含む、請求項２に記載の方法。
  6. 低電子エネルギーをもたらすことは、
    摂氏１００度未満の基板温度を維持することを更に含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記二次電子ビーム流束は、１００ｅＶよりも大きい電子ビームエネルギーを伝搬する、請求項２に記載の方法。
  8. 前記ダイヤモンドライクカーボン層は、２．５ｇ／ｃｃよりも大きい膜密度を有し、且つ圧縮力８００メガパスカル（ＭＰａ）未満の膜応力を有する、請求項１に記載の方法。
  9. 前記第１のＲＦ源電力を印加することは、
    前記処理チャンバに隣接して配置されたアンテナコイルに第２のＲＦ電力を印加することを更に含む、請求項２に記載の方法。
  10. 前記第１のＲＦ源電力を印加することは、
    遠隔プラズマ源を前記処理チャンバに印加することを更に含む、請求項２に記載の方法。
  11. 前記電極は炭素材料から作製される、請求項２に記載の方法。
  12. 前記ダイヤモンドライクカーボン層に対して電子ビーム後処理プロセスを実施することを更に含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記電子ビーム後処理プロセスは、不活性ガス処理プロセスを含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記ダイヤモンドライクカーボン層は、エッチングプロセスにおけるハードマスク層として作用する、請求項１に記載の方法。
  15. 電子ビームプラズマプロセスにより形成されるダイヤモンドライクカーボン層を含むハードマスク層であって、前記ダイヤモンドライクカーボン層は、半導体用途で使用するためのエッチングプロセスにおけるハードマスク層として作用する、ハードマスク層。
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