JP2019529695A - 高密度、低応力のアモルファスカーボン膜、ならびにその堆積のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

堆積したアモルファスカーボン膜は、少なくとも９５％の炭素を含む。アモルファスカーボン膜中に存在するｓｐ３炭素−炭素結合のパーセンテージは、３０％を超え、アモルファスカーボン膜の水素含有量は、５％未満である。ワークピース上にアモルファスカーボンを堆積させる方法は、プロセスチャンバ内にワークピースを配置することと、プロセスチャンバに隣接してマグネトロンアセンブリを配置することとを含む。マグネトロンアセンブリは、プロセスチャンバ内に磁場を伝える。この方法は、磁場が炭素ターゲットを貫通してワークピースに向かって延びるように炭素ターゲットを提供することを、さらに含む。この方法は、プロセスチャンバにソースガスを供給することと、プロセスチャンバ内のソースガスから形成されたプラズマにＤＣ電力のパルスを供給することとを、さらに含む。ＤＣ電力のパルスは、４０マイクロ秒以下のパルスで供給され、パルスは、少なくとも４ｋＨｚの周波数で繰り返される。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
［０００１］本出願は、２０１６年８月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／３７７，３２５号および２０１７年５月１９日に出願された米国特許出願第１５／６００，２４７号の利益を主張し、その全開示が、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。

［０００２］本開示は、膜を堆積させるための方法および装置、ならびに膜自体の分野に、広く適用される。より具体的には、ワークピース上に高密度、低応力のアモルファスカーボン膜を堆積させるためのスパッタリングシステムおよび方法が、開示されている。

［０００３］集積回路および他の半導体製品は、「ウェハ」と呼ばれる基板の表面上に、多くの場合、製造される。長年にわたって、半導体ウェハのサイズは増大し、一方フィーチャサイズは著しく縮小したので、処理されるウェハ当たり、より優れた機能を有するより多くの集積回路を取得することができる。典型的なウェハ直径は、１９７０年代の約２または３インチから２０１０年代の１２インチ以上に増加した。同じ期間にわたって、量産用の集積回路の典型的な最小フィーチャサイズは、約５ミクロンから約０．０１５ミクロンに縮小した。ウェハが大きくなる一方で、より小さいフィーチャを処理するには、多くのタイプの処理能力を大幅に向上させる必要がある。例えば、リソグラフィシステムが、より小さいフィーチャをプリントすることができるようになるためには、ウェハが大きくなるにつれて、ウェハをより平坦にしなければならず、膜の堆積およびエッチングプロセスは、均一性を改善しなければならなかった。

［０００４］いくつかのウェハ処理は、ステンシルまたはマスクを通して光を投影することによってパターニングすることができるフォトレジストによってマスクされた層のエッチングを含む。しかしながら、厚い層および／または複数の層をエッチングすることは、フォトレジストを侵食する可能性があり、それは、エッチングされた層の正確な幾何学的制御を低下させる可能性がある。エッチングされた層に対する幾何学的制御を維持するために使用される１つの技術は、エッチングされるべき層の上に「ハードマスク」層をパターニングすることである。パターニングされたハードマスク層は、フォトレジストと比較して、エッチングによりよく耐えることができ、その結果、エッチングされた層の幾何学的制御を維持することができる。

［０００５］アモルファスカーボンは、ハードマスク層としての使用が検討されているが、アモルファスカーボン堆積のための現在の技術は、多くの場合、低密度、アモルファス層内のｓｐ３結合の低パーセンテージ、高い水素含有量および／または高応力のうちの１つ以上を有する膜をもたらす。これらの特徴のそれぞれに、問題があり得る。ｓｐ３結合は、ダイヤモンド形態の炭素に存在する炭素−炭素結合の種類であり、一方、ｓｐ２結合は、グラファイトに存在する炭素−炭素結合の種類である。低い膜密度および／または低いｓｐ３炭素−炭素結合パーセンテージは、下にある層に対するエッチング選択性の悪さをもたらす可能性があり、それは、ハードマスクを使用する目的を無にする可能性がある。また、アモルファスカーボンを堆積させるためのいくつかの現在のシステムは、炭化水素前駆体を分解する化学気相堆積（ＣＶＤ）システムであり、これは、堆積したカーボン膜中に高い水素含有量をもたらす。ＣＶＤ膜の水素含有量は、２０％から７０％にもなり得る。これはさらに、下にある層に対するエッチング選択性の悪さを助長し、また、隣接する構造に水素が移動する傾向があることによる他のプロセスインテグレーションの問題を引き起こす可能性がある。応力が大きいと、膜の剥離（粒子汚染の原因となり、エッチングされたフィーチャのミスプリントを引き起こす可能性がある）および／またはウェハの反り（ウェハの平坦性が低下し、リソグラフィの焦点に関連する問題やプリントにおける幾何学的制御の喪失につながる）などの問題が発生する。ＣＶＤ処理中に、望ましくない高温も発生する可能性がある。アモルファスカーボンを堆積させる多くのプロセスにおいて、密度、ｓｐ３炭素−炭素パーセンテージの改善および／または水素含有量の改善（すなわち減少）などのプロセス改善を目的とした特定のプロセス変更は、膜応力を増大させる傾向がある。

［０００６］一実施形態では、堆積されたアモルファスカーボン膜は、少なくとも９５％の炭素を含み、アモルファスカーボン膜中に存在するｓｐ３炭素−炭素結合のパーセンテージは３０％を超え、アモルファスカーボン膜の水素含有量は５％未満である。

［０００７］一実施形態では、高出力インパルスマグネトロンスパッタリングシステムは、プロセスチャンバと、プロセスチャンバ内にワークピースを配置するように構成されたペデスタルと、マグネトロンアセンブリと、ガス供給システムと、プロセスチャンバ内のプラズマにＤＣ電力のパルスを供給する電源とを含む。マグネトロンアセンブリは、バッキングプレートと、バッキングプレートと結合するＮ極を有する第１の磁石と、第１の磁石の各々のＳ極と結合するＳ磁極片と、バッキングプレートと結合するＳ極を有する第２の磁石と、第２の磁石の各々のＮ極と結合するＮ磁極片であって、Ｎ磁極片とＳ磁極片との間の１つ以上の間隙を渡って磁場を伝えるように、Ｎ磁極片とＳ磁極片とが空間的に分離されている、Ｎ磁極片と、マグネトロンアセンブリを囲み、マグネトロンアセンブリの周りに熱交換流体を循環させるように構成されたマグネトロンアセンブリサラウンドと、磁場が炭素ターゲットを貫通して延びるように、マグネトロンアセンブリサラウンドの表面に配置された炭素ターゲットと、を含む。ガス供給システムは、プロセスチャンバにソースガスを供給する。電源は、プロセスチャンバ内のソースガスから形成されたプラズマにＤＣ電力のパルスを供給する。ＤＣ電力のパルスは、４０マイクロ秒以下のパルスで供給され、パルスは、少なくとも４ｋＨｚの周波数で繰り返される。

［０００８］一実施形態では、ワークピース上にアモルファスカーボン膜を堆積させる方法は、ワークピースをプロセスチャンバ内のペデスタル上に配置することと、マグネトロンアセンブリをプロセスチャンバに隣接してマグネトロンアセンブリサラウンド内に配置することとを含む。マグネトロンアセンブリは、Ｎ磁極片およびＳ磁極片がＮ磁極片とＳ磁極片との間の１つ以上の間隙を渡って磁場を伝えるように配置されたＳ磁極片およびＮ磁極片を含む。この方法はさらに、磁場が炭素ターゲットを貫通してワークピースに向かって延び、炭素ターゲットがマグネトロンアセンブリサラウンドと電気的に結合されるように、炭素ターゲットをマグネトロンアセンブリサラウンドと結合させることを含む。この方法はさらに、プロセスチャンバにソースガスを供給することと、プロセスチャンバ内のソースガスから形成されたプラズマにＤＣ電力のパルスを供給することとを含む。ＤＣ電力のパルスは、４０マイクロ秒以下のパルスで供給され、パルスは、少なくとも４ｋＨｚの周波数で繰り返される。

一実施形態による、処理システムの主要要素を概略的に示す。 一実施形態による、図１の処理システムの一部としてのプロセスチャンバおよびスパッタリング装置のより詳細な概略断面図である。 一実施形態による、図２に示すマグネトロンアセンブリ２６５を、さらに詳細に示す。 一実施形態による、連続ＨｉＰＩＭＳ堆積を用いて堆積された、または化学気相堆積（ＣＶＤ）によって堆積されたアモルファスカーボン膜と比べた、周期モードを用いたＨｉＰＩＭＳ堆積を用いて堆積された膜中のｓｐ３炭素−炭素結合パーセンテージの増加を示す棒グラフである。 図５と図６は、一実施形態による、ＣＶＤアモルファスカーボン膜の性能と比較した、本明細書の技法に従って堆積したアモルファスカーボン膜の優れた性能を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面図を示す。 図５と図６は、一実施形態による、ＣＶＤアモルファスカーボン膜の性能と比較した、本明細書の技法に従って堆積したアモルファスカーボン膜の優れた性能を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面図を示す。 図７〜図１０は、一実施形態による、膜粒度および屈折率が堆積温度とともにどのように変化するかを示すＳＥＭ顕微鏡写真である。 図７〜図１０は、一実施形態による、膜粒度および屈折率が堆積温度とともにどのように変化するかを示すＳＥＭ顕微鏡写真である。 図７〜図１０は、一実施形態による、膜粒度および屈折率が堆積温度とともにどのように変化するかを示すＳＥＭ顕微鏡写真である。 図７〜図１０は、一実施形態による、膜粒度および屈折率が堆積温度とともにどのように変化するかを示すＳＥＭ顕微鏡写真である。 一実施形態による、ワークピース上にアモルファスカーボン膜を堆積させる方法のフローチャートである。

［００１６］本開示は、以下に記載される図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解され得る。ここで、同様の構成要素を指すために、同様の参照番号が、いくつかの図面を通して使用される。説明を明瞭にするために、図面中の特定の要素は一定の縮尺で描かれていないことがあることに、留意されたい。アイテムの特定のインスタンスは、括弧内の数字の使用によって参照され（例えば、Ｎ磁極片２５８（１）およびＳ磁極片２５８（２））、括弧なしの数字は、任意のそのようなアイテムを参照する（例えば、磁極片２５８）。アイテムの複数のインスタンスが示される場合には、説明を明瞭にするために、インスタンスのうちのいくつかのみにしかラベルが付けられていないことがある。

［００１７］本明細書の実施形態は、ウェハおよび他のワークピースを処理するための新規かつ有用な機能を提供する。ここに記載されている方法および装置は、高密度、高いｓｐ３炭素−炭素結合パーセンテージ、低応力、および極めて低い水素含有量を同時に有するアモルファスカーボンの膜を堆積させることができる。図１は、処理システム１００の主要要素を概略的に示す。システム１００は、アモルファスカーボンを堆積させるためのＨｉＰＩＭＳ（高出力インパルスマグネトロンスパッタリング）システムであり、記載されている膜特性を生成するための、以下に説明するスパッタリング装置１８０などの専用のハードウェアを含む。システム１００は、単一ウェハの、半導体ウェハ処理システムとして描かれているが、本明細書の技術および原理が、必ずしもウェハまたは半導体ではない他の種類のワークピースを処理する同様の処理システムに適用可能であることは、当業者にとって明らかである。図１は、システム１００の選択された主要要素を概略的に示すことを意図した図であり、したがって、実際の処理システムは、図１に示されるようなシステム１００と比較して、異なって見え、異なって配置され、追加の要素を含む可能性が高い、ということもまた理解されるべきである。

［００１８］処理システム１００は、プロセス流体１０（例えば、ガス源）、外部電源２０、真空３０、および熱交換流体３５などの１つ以上のユーティリティによってサービス提供される。処理システム１００は、ハウジング１１０と、外部源からワークピース５０を受け取り、それらをプロセスチャンバ１６０内に配置するインターフェース１１５とを含む。（以下の説明全体を通して、ワークピース５０は、ウェハであると仮定されているが、任意の他の種類のワークピースを処理することができる。）処理システム１００はまた、ユーザインターフェース１４５、ならびに典型的にはマイクロプロセッサ、メモリなどを含み、ユーザインターフェース１４５および／または他の入力源から入力を受け取ることができ、処理システム１００のハードウェア要素に対するコンピュータベースの制御を提供するシステムコントローラ１３５を含み得る。コントローラ１３５は、物理的接続（電線もしくは光コネクタ）または無線接続であり得る１つ以上のデータリンク４０を介して外部ネットワークおよび／またはコンピュータとインターフェースすることができる。処理システム１００はまた、システムのハードウェア要素による使用のために、外部電源２０によって供給された電力を変換または調整する１つ以上の内部電源１５０を含み得る。

［００１９］プロセスチャンバ１６０は、ウェハ５０を支持するパック１７５を少なくとも含むペデスタルまたはウェハチャック１７０上に各ウェハ５０を受け取る。ウェハ５０は、パック１７５上に物理的に配置され、実施形態において、パック１７５によって加熱、冷却および／または固定される。ウェハチャック１７０はまた、実施形態において、ウェハハンドリングツールへのアクセスのためにウェハ５０を操作するように構成される。例えば、実施形態において、ウェハチャック１７０は、その上にウェハ５０を受け取るためにパック１７５を上昇もしくは下降させ、その後、処理のためにパック１７５を別の高さまで下降もしくは上昇させることができ、またはその逆にすることができる。これらまたは他の実施形態では、ウェハチャック１７０は、パック１７５から伸長またはパック１７５内に後退することができるリフトピンなどの、パック１７５の上面に対してウェハ５０を上昇または下降させるアクチュエータを含むことができ、ウェハツールが、ウェハ５０と上面との間に挿入されてもよい。ウェハチャック１７０は、ウェハ５０を静電的に固定するためのパック１７５との電気的接続部を、さらに含むことができる。ウェハチャック１７０は、パック１７５の温度制御のための（例えば、循環する熱交換流体への）流体接続部を、さらに含むことができる。

［００２０］高密度、高いｓｐ３炭素−炭素結合パーセンテージ、低応力、および極めて低い水素含有量を同時に有するアモルファスカーボンの膜を、ウェハ以外のワークピース上に堆積させることもまた、本開示の範囲内と見なされる。したがって、本明細書においてチャックを、「ウェハ」を保持するための「ウェハチャック」として特徴付けることは、任意の種類のワークピースを配置するためのチャックまたはペデスタルと同等であり、「ウェハ処理システム」は、任意の「処理システム」と同様に同等であると、理解されるべきである。

［００２１］図１は、単一のハウジング１１０を示す輪郭の「内側」に特定の要素を含むものとして処理システム１００を示しているが、これらの要素のいくつかは、遠隔に配置されてもよいし、複数のハウジング内に配置されてもよいし、システム１１０内に複数存在してもよいし、かつ／または他の処理システムと共有されてもよい。例えば、ハウジング１１０は、プロセスチャンバ１６０およびスパッタリング装置１８０を含み、システムコントローラ１３５、ユーザインターフェース１４５および電源１５０などの他の要素が、遠隔位置に配置され、電子的、光学的、高周波および／または自由空間光通信の方法によって接続されていてもよい。同様に、ガス源１０、電源２０、真空３０、および熱交換流体３５は、遠隔に配置されているものとして図示されているが、これらの要素は、ハウジング１１０内に設けることもできる。複数のプロセスチャンバ１６０が、単一のシステム１００内に存在して、コントローラ１３５、ユーザインターフェース１４５、および／またはウェハインターフェース１１５の単一または複数のインスタンスによってサービス提供されてもよい。ハウジング１１０は、クリーンルーム壁を有する「隔壁」取り付け用に構成されてもよく、システム１００の特定の部分が、壁の第１の側でアクセス可能であり、他の部分が、壁の第２の側でアクセス可能である。

［００２２］スパッタリング装置１８０は、プロセスチャンバ１６０と一体化することができる。スパッタリング装置１８０は、プラズマによって衝撃を与えられる炭素ターゲットを含み、衝撃の作用は、ターゲットから炭素原子を引き離す。炭素原子の一部は、ウェハ５０上に堆積し、一方、他の炭素原子は、プロセスチャンバ１６０の他の表面上に堆積する。以下でさらに説明されるように、スパッタリング装置１８０はまた、プラズマを炭素ターゲットに対して所定のパターンに集束させるマグネトロンを含み、ターゲット上のスパッタリング作用およびウェハ５０上の膜カバレッジが均一になるように、装置１８０内でマグネトロンを移動および／または回転させる機構を、任意選択で含む。

［００２３］図２は、処理システム１００の一部としてのプロセスチャンバ１６０およびスパッタリング装置１８０のより詳細な概略断面図であり、それらの例示的な構成部品を示している。図２は、一定の縮尺で描かれていない。説明を明瞭にするために、その中の特定の構成要素は、サイズが誇張または縮小されており、各構成要素のすべてのインスタンスが示されおよび／またはラベル付けされているわけではなく、構成要素間のすべての内部接続が示されているわけではない。同様に、プロセスチャンバ１６０とスパッタリング装置１８０との間に示された境界は、任意である。プロセスチャンバ１６０およびスパッタリング装置１８０は、それらの部品間の明確な物理的区別なしに物理的に実施することができる。

［００２４］処理システム１００内で、プロセスチャンバ１６０は、側壁２０２と底壁２０４を含む。側壁２０２および底壁２０４は、通常、ステンレス鋼またはアルミニウム（またはその合金）から製造される。例えば、側壁２０２がアルミニウムを含み、底壁２０４がステンレス鋼を含んでもよい。処理システム１００がウェハ処理システムである場合、パック１７５上に配置されたウェハの幾何学的形状と合うように、側壁２０２はほぼ円筒形であり、底壁２０４はほぼ円形であってもよいが、他のワークピースが処理される場合には、他の形状の側壁２０２および底壁２０４が好ましいこともある。側壁２０２は、（図２に示す断面平面からの）開口部を形成し、それを通ってウェハ５０などのワークピースをプロセスチャンバ１６０内に入れたり、プロセスチャンバ１６０から出したりすることができる。側壁２０２および底壁２０４は、通常、接地電位に維持される。スパッタリング装置１８０の動作中に形成されたプラズマを閉じ込めるのに役立つ接地シールド２１０が、側壁２０２と結合している。ウェハ５０の図示された高さより上の処理領域２００は、ウェハ５０を処理するように構成されている。シャフト１７２は、ウェハ５０を、図示の位置から領域２００内の処理位置まで上昇させることができる。シャフト１７２が、ウェハ５０を処理位置に上昇させると、堆積リング１７７が、カバーリング２１２を持ち上げて、プラズマを領域２００内にさらに閉じ込める。パック１７５は、実質的に平坦で、スパッタリング装置１８０のターゲット２４０と平行であり、ウェハ５０とパック１７５との間の熱的連通を提供し、それによって、ターゲット２４０からのスパッタリング生成物は、ウェハ５０で均一に受け取られ得る。パック１７５は、誘電体上面を含むことができ、ＤＣ電圧を印加して、ウェハ５０をパック１７５に静電的に固定して、熱的連通およびウェハ２４０とターゲット２４０との平行を維持するように動作可能な、電極１７８Ａ、１７８Ｂなどの電極を含むことができる。チャック１７０は、パック１７５の温度制御のための熱交換流体を循環させる流体接続部１７６Ａ、１７６Ｂを、さらに含むことができる。チャック１７０は、チャンバ１６０の他の構成要素に対するパック１７５の電気的バイアスを確立および／または監視するための回路１７９を、さらに含むことができる。プロセスチャンバ１６０は、真空ポンプ３０によって排気されることができるように密閉可能である。ガス源１０も設けられている。

［００２５］図２に示すように、スパッタリング装置１８０は、プロセスチャンバ１６０の上方に配置することができるが、これは必須ではない。スパッタリング装置１８０が、プロセスチャンバ１６０の上方に配置される場合、スパッタリング装置１８０は、洗浄または他のメンテナンス目的のためにプロセスチャンバ１６０から取り外し可能に持ち上げることができるようにするヒンジまたは他の機構を有するリッドアセンブリとして、構成されてもよい。スパッタリング装置１８０の全体形状は、一般的に、プロセスチャンバ１６０の形状に対応する（例えば、ウェハ５０が、意図されたワークピースである場合は、円形）。スパッタリング装置は、ターゲット２４０と、マグネトロンアセンブリ２６５と、マグネトロンサラウンド２７０と、任意選択のモータ２７５とを含む。ターゲット２４０は、典型的には、グラファイト形態の炭素で形成され（例えば、炭素が、ｓｐ２結合で結合されている）、マグネトロンサラウンド２７０の周囲壁と結合する金属プレートに接合されている。

［００２６］マグネトロンサラウンド２７０およびターゲット２４０は、ＨｉＰＩＭＳパルス直流（ＤＣ）電源１５０（１）と動作可能に結合している。実施形態において、電源１５０（１）は、プロセスチャンバ１６０に対してターゲット２４０に極めて高いＤＣ電力のパルスを供給する。例えば、電源１５０（１）が動作している間、ＤＣ電圧１５１が生成され、スイッチ１５２が一時的に閉じて、ＤＣ電力を、持続時間が４０マイクロ秒未満のパルスになるように供給する。高いパルス周波数が使用される場合、パルス長は、３５マイクロ秒、３３マイクロ秒、３０マイクロ秒、２５マイクロ秒、２０マイクロ秒、これらの値の中間の持続時間、またはより短い持続時間であり得る。スイッチ１５２を閉じることが、間隔を置いて繰り返され、その結果、電源１５０（１）は、一般的に２０Ｈｚから４０ｋＨｚを超える周波数までの間で送達される電力のパルスを供給する。すなわち、実際のパルス繰り返し周波数は、２０Ｈｚ、４０Ｈｚ、７５Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚ、４００Ｈｚ、５００Ｈｚ、８００Ｈｚ、１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、４ｋＨｚ、５ｋＨｚ、８ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、１５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、２５ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、３５ｋＨｚ、４０ｋＨｚ以上、または記載されている周波数の中間の周波数に設定することができる。電力パルスの持続時間および／またはパルスの繰り返しの周波数は、電源１５０（１）のハードウェアまたはファームウェアを通して確立されてもよく、またはシステムコントローラ１３５（図１）を通して制御されてもよい。ＤＣ電圧１５１は、通常、−５００Ｖから−２０００Ｖの範囲内であり、多くの場合、−１２００Ｖから−１６００Ｖの範囲内である。ＨｉＰＩＭＳ電源は、多くの場合、与えられたパルス持続時間の高出力ＤＣパルスを供給し、パルスが供給される周波数が増加すると、正味のデューティサイクルが増加し、つまり、高ＤＣ電力がオフになっている時間に対する高ＤＣ電力がオンになっている時間の比率が高くなる。以下で論じるように、より高い正味のデューティサイクルは、堆積時間と膜質の両方を改善する。

［００２７］非常に短いパルスで供給される電力量を最大にするために、可能な限り電気的にクリーンな電源１５０（１）とマグネトロンサラウンド２７０との間の接続部を提供することが、有利であり得る。電源１５０（１）によって駆動される電流は、パルスの間１００Ａのオーダーであり得るので、電源１５０（１）からターゲット２４０に電力をもたらすケーブル１５４は、０．０２ｎＨ／ｆｔ〜７５ｎＨ／ｆｔの範囲のインダクタンスを有する専用ケーブルであってもよい。図２に示すケーブル１５４の長さは、縮尺通りではない。ケーブル１５４は、非常に短くても、はるかに長くてもよい（例えば、単一の電源１５０（１）をスパッタリング装置１８０および／またはプロセスチャンバ１６０から任意の距離に配置することができるように）。例えば、電源１５０（１）は、処理システム１００から遠隔に配置されてもよい（場合によっては、単一の電源１５０（１）が、いくつかの処理システム１００の間の共有リソースであってもよい）。スパッタリング装置１８０において、電力パルスを搬送する導体は、フィードスルー２７２を通ってマグネトロンサラウンド２７０に入り、バッキングプレート２４２およびターゲット２４０と接続する。

［００２８］図２に示すように、電源１５０（１）が、マグネトロンサラウンド２７０およびターゲット２４０をプロセスチャンバ１６０に対してバイアスすることができるように、アイソレータ２６０が、マグネトロンサラウンド２７０およびターゲット２４０をプロセスチャンバ１６０の側壁２０２から絶縁する。マグネトロンサラウンド２７０および少なくともターゲット２４０のバッキングプレート２４２が、エンクロージャを形成し、後述するように、熱交換流体３５がそこを通って、動作中にターゲット２４０および／またはマグネトロンアセンブリ２６５の構成要素によって発生した熱を除去する。熱交換流体３５は、水またはグリコール／水混合物であり得、１０℃〜２５℃、またはより具体的には１５℃〜２２℃の範囲内の温度で供給され得る。

［００２９］図３は、図２に示す側面図と比較して、下方から斜めに見た図で、より詳細にマグネトロンアセンブリ２６５を示す。ベースプレート２５２が、ロッド２５４（図３では隠れているが、図２には示されている）と接続している。任意選択のモータ２７５が、存在する場合、ロッド２５４およびマグネトロンアセンブリ２６５を、図２にＲで示す方向に回転させることができる。複数の非常に強力な磁石（例えば、ネオジム鉄ホウ化物磁石）２５６（１）、２５６（２）が、磁極片２５８（１）、２５８（２）とベースプレート２５２との間に延びている。磁石２５６（１）、２５６（２）は類似しているが、互いに反対の極性を有する組で配置されている。すなわち、例えば、磁石２５６（１）の大部分または全部が、ベースプレート２５２に面するＳ極と、Ｎ磁極片２５８（１）に面するＮ極とを有し、磁石２５６（２）の大部分または全部が、ベースプレート２５２に面するＮ極と、Ｓ磁極片２５８（２）に面するＳ極とを有し、またはその逆である。（特定の実施形態では、磁場を局所的に変える目的で、いくつかの磁石は、同じ磁極片に取り付けられた他の磁石と比較して、反対方向を向いている。）こうして、マグネトロンアセンブリ２６５は、Ｎ磁極片２５８（１）とＳ磁極片２５８（２）との間に磁力線のパターンを確立する。磁極片２５８間の間隙によって形成されるらせんパターンは、レーストラック２５９と呼ばれることがある。

［００３０］ターゲット２４０に近接して取り付けられると、磁力線は、ターゲット２４０を貫通して処理領域２００内に延び、そこで発生したプラズマは、ターゲット２４０の近傍に引き寄せられる。マグネトロンアセンブリ２６５が静止している（すなわち、ロッド２５４が、マグネトロンアセンブリ２６５を回転させない）場合、プラズマは、処理領域２００内の、レーストラック２５９からターゲット２４０の表面を横切った真向かいの領域に閉じ込められ、ターゲット材料は、レーストラック２５９と一致するパターンで侵食される。しかしながら、ほとんどの場合、モータ２７５がロッド２５４を駆動して、マグネトロンアセンブリ２６５が回転し、ターゲット２４０を横切ってマグネトロンアセンブリ２６５の磁場を掃引し、堆積の均一性およびターゲット２４０の一様な磨耗を促進する。実施形態では、マグネトロンアセンブリ２６５は、毎分４０〜１５０回転、より具体的には毎分４０、５０、６５、８０、１００、１１５、１３０または１５０回転の速度など、各堆積サイクル中に少なくとも数回転を提供するのに十分な速度で回転する。

［００３１］使用時に、ウェハ５０などのワークピースが、チャック１７０上にロードされ、プロセスチャンバ１６０内の処理位置に運ばれる。ウェハ５０の処理位置は、典型的には、ターゲット２４０から２０〜１００ｍｍの範囲内、例えばターゲット２４０から２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０または１００ｍｍの範囲内であり、範囲内で調整可能であってもよい（例えば、４０から６０ｍｍまでの１ｍｍ刻みで設定されてもよい）。プロセスチャンバ１６０が、真空ポンプ３０によって少なくとも部分的に排気され、ガス源１０が、その中にプロセスガスを入れる。少なくとも電源１５０（１）が、マグネトロンサラウンド２７０およびターゲット２４０に電力を供給し、プラズマが、プロセスチャンバ１６０内のプロセスガスから形成される。上述のように、マグネトロンアセンブリ２６５からの磁場が、プラズマをターゲット２４０の近くに集中させる。プラズマからの高エネルギー原子が、ターゲット２４０から炭素原子を叩き出す。炭素原子の一部は、ワークピース上に降下し、その上に膜を形成する。

［００３２］本発明者らは、高密度、高いｓｐ３炭素−炭素結合パーセンテージ、低い水素含有量および低応力を有する堆積したアモルファスカーボン膜を意外にも提供するプロセス条件の組み合わせを見出した。例えば、堆積したアモルファスカーボン膜の密度は、２．０〜２．４グラム／ｃｍ^３であり得る。ｓｐ３炭素−炭素結合パーセンテージは、３０％よりも高く、場合によっては、４０％よりも高くなり得る。（ｓｐ３含有量は、堆積した膜のラマンシフトスペクトルから、膜のＧピークおよびＤピークをデコンボリューションし、ｃｍ^−１でのＧピークの波数ω_Ｇを決定し、式：ｓｐ３含有量＝０．２４−４８．９（ω_Ｇ／１００００−０．１５８０）を用いて、計算できる。）膜のヤング率や硬度などの関連する膜パラメータも、密度およびｓｐ３炭素−炭素結合パーセンテージと相関するため、高くなる。堆積したアモルファスカーボン膜は、１９０ＧＰａを超える（時には２００ＧＰａを超える）ヤング率、および１７ＧＰａを超える（時には１８ＧＰａを超える）硬度を有し得る。アモルファスカーボン膜は、炭素ターゲットをスパッタリングすることによって（例えば、炭化水素の分解によってではなく）生成されるので、アモルファスカーボン膜は、少なくとも９５％の炭素、多くの場合９８％または９９％の炭素であり、水素含有量は、非常に低く、例えば、５％未満、２％未満、または１％未満であり得る。アモルファスカーボン膜内の応力もまた、他の手段によって堆積された等価密度を有するアモルファスカーボン膜と比較して低い。膜内の応力は、膜の厚さに関連したままであり、より薄い膜は、より厚い膜よりも比較的高い応力を示す。例えば、８００Å〜１２００Åの厚さ範囲内にある、本技術を使用して堆積した膜は、３５０ＭＰａ未満または時には３００ＭＰａ未満の圧縮応力を有し得る一方で、０．８μｍ〜１．２μｍの厚さ範囲内の膜は、３００ＭＰａ未満、時には２４０ＭＰａ未満または２００ＭＰａ未満の圧縮応力を有し得る。

［００３３］ＨｉＰＩＭＳ堆積は、ターゲット２４０とウェハ５０の両方を加熱する傾向がある。しかしながら、堆積中ターゲット２４０および／またはウェハ５０を低温に保つことは、おそらくは堆積が完了した後にウェハおよび膜が室温に戻るために大きな温度変化を受けることがないため、膜質にとって有利であると考えられる。「オン期間」（ＨｉＰＩＭＳ堆積が生じるとき）を「オフ期間」と交互に繰り返す周期モードで電源１５０（１）を動作させることによって、ターゲット２４０および／またはウェハ５０の両方とも、より低い温度に維持することができる。ここで、オン期間は、ＨｉＰＩＭＳ電力供給が上述のパルス長および周波数で周期的に起こっている、秒のオーダーの期間であり、ＨｉＰＩＭＳ電力パルス間の短い瞬間ではない。オフ期間は、堆積が起こらない期間である。周期モードを使用して、オン期間に、マグネトロンサラウンド２７０内の熱交換流体３５が、ターゲット２４０の温度を下げ、パック１７５内の冷却装置が、ウェハ５０の温度を下げる。本発明者らは、パック１７５とターゲット２４０の両方を冷却することが重要であることを、見出した。パック１７５のみを冷却して、ターゲット２４０の温度を上昇させることは、ターゲット２４０からパック１７５上のワークピース５０への熱の放出を生じさせ得る。また、高温は、ターゲット２４０を損傷する可能性がある。典型的な周期モードパラメータは、３０秒から２分のオン期間を、５秒から１分のオフ期間と交互に繰り返す。マグネトロンサラウンド２７０とパック１７５の両方の冷却能力は、冷却に必要なオフ期間の長さに影響を及ぼし得る。すなわち、それぞれの冷却システムが、急速に冷却することができる場合、オフ期間を短縮することができる。例えば、決まった持続時間のＤＣパルスが供給される周波数を増加させることによって、ＨｉＰＩＭＳのＤＣ電力がオンである正味のデューティサイクルを増加させることもまた、冷却の必要性を高めるように思われる。パック１７５の温度の典型的な設定値は、−２０℃〜２００℃の範囲内、特に−２０℃〜５０℃の範囲内であり得る。電源１５０（１）の周期的動作ならびにマグネトロンサラウンド２７０およびパック１７５の温度制御のための設定値を実行するためのプロセス制御は、システムコントローラ１３５（図１）を通して実行されてもよい。膜中の低い応力を維持しながら、高密度および高いｓｐ３炭素−炭素結合パーセンテージを有する膜を、周期モードを使用して生成することができる。

［００３４］堆積膜中の高いｓｐ３結合パーセンテージに寄与する別の重要な要因は、プラズマを形成するソースガスの少なくとも一部としてクリプトンを使用することである。アルゴンが、通常スパッタリングプロセスのソースガスとして使用されるが、クリプトンは、はるかに高価である。しかし、クリプトンは、高価だが、アルゴンの約２倍の原子量を有する。クリプトンのより高い原子量は、ターゲット２４０から炭素原子を効率的に叩き出すために、ターゲット２４０へのソースガス原子の各衝突で、より高い運動エネルギーを提供する。同様に、衝突当たりの運動エネルギーがより高いため、クリプトンは、結合した複数の原子ではなく単一の原子として叩き出される炭素原子のパーセンテージを増加させると、考えられている。ｓｐ２結合の複数の原子としてターゲット２４０から出て来る炭素原子の数を減らすことは、結果として生じる膜中の炭素ｓｐ３結合のパーセンテージを上げるのに役立つ。

［００３５］図４は、連続ＨｉＰＩＭＳ堆積を用いて堆積された、または化学気相堆積（ＣＶＤ）によって堆積されたアモルファスカーボン膜と比べた、周期モードを用いたＨｉＰＩＭＳ堆積を用いて堆積された膜中のｓｐ３炭素−炭素結合パーセンテージの増加を示す棒グラフである。ｓｐ３炭素−炭素結合パーセンテージは、上記のように、各膜のラマンスペクトルから得られる。

［００３６］図５および図６は、ＣＶＤアモルファスカーボン膜の性能と比較して、本明細書の技法に従って堆積されたアモルファスカーボン膜の優れた性能を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面図を示す。本明細書の技法に従って堆積されたＨｉＰＩＭＳ膜、およびＣＶＤ膜が、コンタクトホールを形成するための酸化物−ポリシリコン（ＯＰ）層の深いエッチングのためのハードマスク層として使用された。ＨｉＰＩＭＳおよびＣＶＤハードマスク層ならびにＯＰ層の厚さは、同等であり、ＯＰ層の組成および使用したエッチレシピは、ＨｉＰＩＭＳおよびＣＶＤサンプルについて同一であった。図５および図６に示す各シリーズにおいて、ＳＥＭ顕微鏡写真（Ａ）は、フォトレジストを使用して（同一のサイズおよび形状のパターンで）マスクされ、ハードマスク層のみを通ってエッチングされたアモルファスカーボンハードマスク層を示す。各シリーズにおいて、顕微鏡写真（Ｂ）は、フォトレジストが除去された後かつ１０秒間の酸化物−ポリシリコンエッチング後の構造を示す。顕微鏡写真（Ｃ）は、６０秒間の酸化物−ポリシリコンエッチング後の構造を示す。顕微鏡写真（Ｄ）は、２４０秒間の酸化物−ポリシリコンエッチング後の構造を示す。顕微鏡写真（Ｅ）は、２４０秒間の酸化物−ポリシリコンエッチング後の構造を示す。各シリーズの（Ａ）から（Ｅ）までの顕微鏡写真全部にわたって延びる基準線は、ハードマスク層の元の表面および底部を表す。測定可能であれば、顕微鏡写真（Ｂ）から（Ｅ）までは、ＯＰ層とハードマスク層の除去の深さ、およびその２つの比、すなわちＯＰ層に対するハードマスク層のエッチング選択性を示す。

［００３７］ハードマスク層およびＯＰ層の除去深さ、ならびに対応するエッチング選択性が、以下の表１に要約されている。当業者は、ＣＶＤハードマスク層における選択性のほぼ２倍である選択性によって測定されるＨｉＰＩＭＳハードマスク層の優位性だけでなく、ＣＶＤ層よりもＨｉＰＩＭＳ層によって寸法安定性がはるかに良好に維持されるという事実もまた、認識するであろう（すなわち、図６のエッチングされたＯＰフィーチャは、図５に示される対応するＯＰフィーチャと比較して、ハードマスク層内の元のパターンとほぼ同じ幅のままである）。

［００３８］図７、図８、図９および図１０は、膜粒度および屈折率が堆積温度と共にどのように変化するかを示すＳＥＭ顕微鏡写真である。図７、図８、図９および図１０のそれぞれが、下にある構造（各顕微鏡写真の下部にある、特徴のない灰色の領域）の上に堆積されたアモルファスカーボン層を示す。図７、図８、図９、および図１０において堆積したカーボン層は、それぞれ、順に低くなる温度Ｔ４、Ｔ３、Ｔ２、およびＴ１で堆積した。各顕微鏡写真上の白い線は、堆積層の測定された厚さを示す。各サンプルの屈折率（ＲＩ）が、各顕微鏡写真の左下隅に示されている。最も低い温度Ｔ１で堆積された図１０のサンプルは、最も滑らかであり、最も高いＲＩを有する。最も高い温度Ｔ４で堆積された図７のサンプルは、最も粗く、最も低いＲＩを有する。一般に、図１０のサンプルが、その最も高い密度（その最も高いＲＩから推測される）ならびにその滑らかな形態に基づいて、半導体ハードマスク用途に最も適していると判断されるであろう。

［００３９］図１１は、ワークピース上にアモルファスカーボン膜を堆積させる方法３００のフローチャートである。３１０において、ワークピースが、プロセスチャンバ内に配置される。３１０の一例は、図２に示すように、ペデスタルまたはウェハチャック１７０上にウェハ５０を配置することである。任意選択で、ペデスタルの温度は、−２０℃〜５０℃の範囲内に制御される。３２０において、マグネトロンアセンブリが、マグネトロンアセンブリのＮ磁極片およびＳ磁極片が磁場を伝えるように、プロセスチャンバに隣接してマグネトロンアセンブリサラウンド内に配置される。３２０の一例は、図２に示すように、マグネトロンアセンブリサラウンド２７０内にマグネトロンアセンブリ２６５を配置することである。任意選択で、マグネトロンアセンブリの温度を調整するために、熱交換流体が、マグネトロンアセンブリサラウンド内に、−１０℃〜２５℃の範囲内の温度で供給される。これの一例は、図２に示すように、マグネトロンアセンブリサラウンド２７０内に熱交換流体３５を供給することである。３３０において、炭素ターゲットが、マグネトロンアセンブリからの磁場が炭素ターゲットを貫通して延びるように、プロセスチャンバに隣接してマグネトロンアセンブリサラウンドと結合する。３３０の一例は、図２に示すように、炭素ターゲット２４０をバッキングプレート２４２と結合させることであり、炭素ターゲット２４０はプロセスチャンバ１６０に隣接し、バッキングプレート２４２の反対側は、マグネトロンアセンブリサラウンド２７０内のマグネトロンアセンブリ２６５に隣接している。３４０において、ソースガスが、プロセスチャンバに供給される。任意選択で、クリプトンが、ソースガスの少なくとも一部である。３４０の一例は、図２に示すように、プロセスチャンバ１６０にソースガスを供給することである。

［００４０］３５０において、ＤＣ電力のパルスが、少なくとも４ｋＨｚの周波数で繰り返される４０マイクロ秒以下のパルスで、プロセスチャンバ内のプラズマに供給される。３５０の一例は、図２に示すように、ＨｉＰＩＭＳ電源１５０（１）がプロセスチャンバ１６０内のプラズマにＤＣ電力のパルスを供給することである。任意選択で、ＤＣ電力のパルスは、限定されないが、少なくとも３０ｋＨｚなどの、より高い周波数で供給される。また、任意選択で、ＤＣ電力パルスは、３０秒〜２分のオン期間の間に供給され、ＤＣ電力パルスがオフになる、５秒〜１分のオフ期間と交互に繰り返され、ワークピースと炭素ターゲットの冷却を促進する。

［００４１］いくつかの実施形態を説明してきたが、本発明の精神から逸脱することなく、様々な修正形態、代替構造、および等価物を使用できることが、当業者には理解されよう。さらに、本発明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、いくつかの周知のプロセスおよび要素は、記載されていない。したがって、上記の説明は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

［００４２］ある範囲の値が提供される場合、その範囲の上限と下限の間にある各値もまた、文脈上明らかに別段の指示がない限り、下限の最小の位の１０分の１まで、具体的に開示されることが、理解される。記載範囲内の任意の記載値または間にある値と、その記載範囲内の任意の他の記載値または間にある値との間の、より狭い範囲の各々が、包含される。これらのより狭い範囲の上限および下限は、独立して、その範囲に含まれてもよいし、または除外されてもよく、上限および下限のうちのいずれかが、そのより狭い範囲に含まれる、または両方とも含まれない、または両方とも含まれるような各範囲もまた、本発明に包含される。ただし、その記載範囲内で具体的に除外されている上限または下限は除く。記載範囲が、上限および下限のうちの一方または両方を含む場合、これらの含まれている上限／下限のうちのいずれかまたは両方を除外した範囲もまた、含まれる。

［００４３］本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上明らかに別段の指示がない限り、複数の指示物を含む。したがって、例えば、「プロセス」への言及は、複数のそのようなプロセスおよび当業者に知られているその均等物を含む、などである。また、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」という単語は、本明細書および以下の特許請求の範囲で使用されるとき、記載された特徴、整数、構成要素、またはステップの存在を明示することを意図するが、１つ以上の他の特徴、整数、構成要素、ステップ、行為、またはグループの存在または追加を排除するものではない。

Claims (9)

1. プロセスチャンバと、
   ワークピースを前記プロセスチャンバ内に配置するように構成されたペデスタルと、
   マグネトロンアセンブリであって、
   バッキングプレートと、
   複数の第１の磁石であって、前記第１の磁石の各々のＮ極が前記バッキングプレートと結合している、複数の第１の磁石と、
   前記第１の磁石の各々のＳ極と結合されたＳ磁極片と、
   複数の第２の磁石であって、前記第２の磁石の各々のＳ極が前記バッキングプレートと結合している、複数の第２の磁石と、
   前記第２の磁石の各々のＮ極と結合されたＮ磁極片であって、前記Ｎ磁極片と前記Ｓ磁極片との間の１つ以上の間隙を渡って磁場を伝えるように、前記Ｎ磁極片と前記Ｓ磁極片とが空間的に分離されている、Ｎ磁極片と、
   前記マグネトロンアセンブリを囲み、前記マグネトロンアセンブリの周りに熱交換流体を循環させるように構成されたマグネトロンアセンブリサラウンドと、
   前記マグネトロンアセンブリサラウンドの表面に配置された炭素ターゲットであって、前記磁場が前記炭素ターゲットを貫通して延びる、炭素ターゲットと
   を含むマグネトロンアセンブリと、
   前記プロセスチャンバにソースガスを供給するためのガス供給システムと、
   前記プロセスチャンバ内の前記ソースガスから形成されたプラズマにＤＣ電力のパルスを供給する電源であって、
   ＤＣ電力の前記パルスが、４０マイクロ秒以下のパルスで供給され、
   前記パルスが、少なくとも４ｋＨｚの周波数で繰り返される、
   電源と
   を備える、高出力インパルスマグネトロンスパッタリングシステム。
2. 前記ソースガスが、クリプトンを含む、請求項１に記載の高出力インパルスマグネトロンスパッタリングシステム。
3. 前記ペデスタルが、前記ワークピースの温度を−２０℃から２００℃の範囲内に制御するように構成されており、特に、前記ペデスタルが、前記ワークピースの温度を−２０℃から５０℃の範囲内で制御するように構成されている、請求項１に記載の高出力インパルスマグネトロンスパッタリングシステム。
4. 前記周波数が、少なくとも３０ｋＨｚである、請求項１に記載の高出力インパルスマグネトロンスパッタリングシステム。
5. 前記電源が、周期的に動作するように構成されており、各周期が、
   前記パルスが前記周波数で繰り返されるオン期間であって、３０秒から２分の継続期間であるオン期間と、
   前記パルスが停止しているオフ期間であって、５秒から１分の継続期間であるオフ期間と
   を含む、請求項１に記載の高出力インパルスマグネトロンスパッタリングシステム。
6. ワークピース上にアモルファスカーボン膜を堆積させる方法であって、
   前記ワークピースをプロセスチャンバ内に配置することと、
   Ｓ磁極片およびＮ磁極片を備えるマグネトロンアセンブリであって、前記Ｓ磁極片および前記Ｎ磁極片が、前記Ｎ磁極片と前記Ｓ磁極片との間の１つ以上の間隙を渡って磁場を伝えるように配置されている、マグネトロンアセンブリを、前記プロセスチャンバに隣接してマグネトロンアセンブリサラウンド内に配置することと、
   炭素ターゲットを、前記磁場が前記炭素ターゲットを貫通して前記ワークピースに向かって延び、前記炭素ターゲットが前記マグネトロンアセンブリサラウンドと電気的に結合されるように、前記マグネトロンアセンブリサラウンドと結合させることと、
   ソースガスを前記プロセスチャンバに供給することと、
   前記プロセスチャンバ内の前記ソースガスから形成されたプラズマにＤＣ電力のパルスを供給することと
   を含み、ＤＣ電力のパルスを供給することが、
   ＤＣ電力の前記パルスを、４０マイクロ秒以下のパルスで供給することと、
   少なくとも４ｋＨｚの周波数で前記パルスを繰り返すことと
   を含む、方法。
7. ＤＣ電力のパルスを供給することが、３０秒から２分のオン期間中に前記パルスを供給することを含み、
   前記オン期間が、５秒から１分のオフ期間中に前記パルスを停止することと交互に繰り返す、請求項６に記載のアモルファスカーボン膜を堆積させる方法。
8. ＤＣ電力のパルスを供給することが、少なくとも３０ｋＨｚの周波数で前記パルスを繰り返すことを含む、請求項６に記載のアモルファスカーボン膜を堆積させる方法。
9. ソースガスを供給することが、前記ソースガスの少なくとも一部としてクリプトンを供給することを含む、請求項６に記載のアモルファスカーボン膜を堆積させる方法。