JP2021504967A - エッチング選択性の高いアモルファスカーボン膜 - Google Patents

エッチング選択性の高いアモルファスカーボン膜 Download PDF

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Abstract

本明細書に記載される実施態様は、概して、集積回路の製造に関する。より具体的には、本明細書に記載の実施態様は、基板上にアモルファスカーボン膜を堆積するための技術を提供する。一実施態様では、アモルファスカーボン膜を形成する方法が提供される。この方法は、第１の処理領域内のサセプタ上に配置された下層の上にアモルファスカーボン膜を堆積することを含む。この方法は、第２の処理領域において、ドーパント又は不活性種をアモルファスカーボン膜に注入することを更に含む。ドーパント又は不活性種は、炭素、ホウ素、窒素、ケイ素、リン、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン又はこれらの組み合わせから選択される。この方法は、ドープされたアモルファスカーボン膜をパターニングすることを更に含む。本方法は、下層をエッチングすることを更に含む。【選択図】図４

Description

［０００１］本明細書に記載される実施態様は、概して、集積回路の製造に関する。より具体的には、本明細書に記載の実施態様は、基板上にアモルファスカーボン膜を堆積するための技術を提供する。
［０００２］集積回路は、単一チップ上に数百万個ものトランジスタ、コンデンサ及び抵抗器を搭載することができる複雑なデバイスへと進化を遂げている。チップ設計の進化には、より高速な回路及びより高い回路密度が継続的に必要とされる。より高い回路密度を有するより高速な回路に対する要求は、このような集積回路の製造に使用される材料に対応する要求を課す。特に、集積回路構成要素の寸法がサブミクロン規模に縮小されると、低い抵抗の導電性材料、及び低誘電率絶縁材料が、そのような構成要素から適切な電気的性能を得るために使用される。
［０００３］より大きな集積回路密度に対する要求はまた、集積回路構成要素の製造に使用されるプロセスシーケンスにも要求を課す。例えば、従来のフォトリソグラフィ技術を使用するプロセスシーケンスでは、エネルギー感受性レジストの層が、基板上に堆積された材料層のスタックの上に形成される。エネルギー感受性レジスト層をパターンの像に露光して、フォトレジストマスクを形成する。その後、マスクパターンは、エッチングプロセスを使用して、スタックの材料層のうちの１つ又は複数に転写される。エッチングプロセスで使用される化学エッチング液は、エネルギー感受性レジストのマスクよりもスタックの材料層のエッチング選択性が高くなるように選択される。すなわち、化学エッチング液は、エネルギー感受性レジストよりもはるかに速い速度で材料スタックの１つ又は複数の層をエッチングする。レジスト上のスタックの１つ又は複数の材料層に対するエッチング選択性は、パターン転写の完了前にエネルギー感受性レジストが消費されることを防止する。
［０００４］パターン寸法が小さくなるにつれて、パターン分解能を制御するために、エネルギー感受性レジストの厚さがそれに対応して小さくなる。このような薄いレジスト層は、化学エッチング液による攻撃のために、パターン転写プロセス中に下にある材料層をマスクするには不十分な可能性がある。ハードマスクと呼ばれる中間層（例えば、酸窒化ケイ素、炭化ケイ素又はカーボン膜）は、化学エッチング液に対するより大きな抵抗のため、パターン転写を容易にするために、エネルギー感受性レジスト層と下にある材料層との間で使用されることが多い。高いエッチング選択性と高い堆積速度の両方を有するハードマスク材料が望ましい。限界寸法（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ：ＣＤ）が減少するにつれて、現在のハードマスク材料は、下にある材料（例えば、酸化物及び窒化物）に対してターゲットとされるエッチングの選択性を欠き、堆積するのが困難になることが多い。
［０００５］したがって、当技術分野では、改善されたハードマスク層及び改善されたハードマスク層を堆積するための方法が必要とされる。
［０００６］本明細書に記載される実施態様は、概して、集積回路の製造に関する。より具体的には、本明細書に記載の実施態様は、基板上にアモルファスカーボン膜を堆積するための技術を提供する。一実施態様では、アモルファスカーボン膜を形成する方法が提供される。この方法は、第１の処理領域内のサセプタ上に配置された下層の上にアモルファスカーボン膜を堆積することを含む。この方法は、第２の処理領域においてアモルファスカーボン膜にドーパント又は不活性種を注入することによって、ドープされたアモルファスカーボン膜を形成することを更に含む。ドーパント又は不活性種は、炭素、ホウ素、窒素、窒素二量体、ケイ素、リン、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン又はこれらの組み合わせから選択される。この方法は、ドープされたアモルファスカーボン膜をパターニングすることと、下層をエッチングすることとを更に含む。
［０００７］別の実施態様では、アモルファスカーボン膜を形成する方法が提供される。この方法は、第１の処理領域内のサセプタ上に配置された下層の上にアモルファスカーボン膜を堆積することを含む。この方法は、第２の処理領域においてアモルファスカーボン膜にドーパントを注入することによってドープされたアモルファスカーボン膜を形成することを更に含む。ドーパント又は不活性種は、炭素、ホウ素、窒素、窒素二量体ケイ素、リン、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン又はこれらの組み合わせから選択される。この方法は、ドープされたアモルファスカーボン膜をパターニングすることを更に含む。この方法は、下層をエッチングすることを更に含み、ドープされたアモルファスカーボン膜は、６３３ｎｍで約２．１から約２．２の屈折率を有する。
［０００８］更に別の実施態様では、アモルファスカーボン膜を含むハードマスク層が提供される。アモルファスカーボン膜は、プラズマ増強化学気相堆積プロセスとそれに続く炭素注入プロセスによって形成される。ドーパント又は不活性種は、炭素、ホウ素、窒素、窒素二量体、ケイ素、リン、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン又はこれらの組み合わせから選択される。アモルファスカーボン膜は、半導体用途に使用されるエッチングプロセスにおいてハードマスク層として機能する。
［０００９］上述の本開示の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約された実施態様のより具体的な説明が、実施態様を参照することによって得られ、それらの一部の実施態様は、添付の図面に例示されている。しかしながら、本開示は他の等しく有効な実施態様も許容しうるため、添付の図面は、本開示の典型的な実施態様のみを示しており、したがって、本発明の範囲を限定すると見なすべきではないことに留意されたい。
［００１０］本明細書に記載の実施態様を実施するために使用することができる装置の概略図を示す。 ［００１１］本開示の１つ又は複数の実施態様による、基板上に配置された膜スタック上にアモルファスカーボンハードマスク層を形成するための方法のプロセスフロー図を示す。 ［００１２］Ａ−Ｈは、本開示の１つ又は複数の実施態様によるハードマスク形成シーケンスを示す基板構造の概略断面図を示す。 ［００１３］本開示の１つ又は複数の実施態様による、基板上に配置された膜スタック上にアモルファスカーボンハードマスク層を形成するための方法のプロセスフロー図を示す。 ［００１４］従来技術を用いて形成されたアモルファスカーボン膜と比較して、本開示の実施態様に従って形成されたアモルファスカーボン膜に対する面内歪み対膜応力（ＭＰａ）のプロットを示す。 ［００１５］図５Ａのアモルファスカーボン膜に対するヤング率（ＧＰａ）対膜応力（ＭＰａ）のプロットを示す。
［００１６］理解を容易にするために、可能な場合には、図に共通する同一要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。一実施態様の要素及び特徴は、更なる列挙がなくとも、他の実施態様に有益に組み込まれうることが企図される。
［００１７］以下の開示は、基板上へのダイヤモンド状カーボン膜堆積のための技術を記載する。本開示の様々な実施態様の完全な理解を提供するために、以下の説明及び図１−５Ｂに特定の詳細を記載する。プラズマ処理及びイオン注入に関連することが多い周知の構造及びシステムを説明する他の詳細は、様々な実施態様の説明を不必要に曖昧にすることを避けるために、以下の開示では記載されない。
［００１８］図面に示される詳細、寸法、角度、及び他の特徴の多くは、特定の実施態様の単なる例示である。したがって、他の実施態様は、本開示の本質又は範囲から逸脱することなく、他の詳細、構成要素、寸法、角度、及び特徴を有することができる。加えて、本開示の更なる実施態様は、以下に記載の詳細のうちのいくつかがなくても、実施することができる。
［００１９］本明細書に記載の実施態様は、ＰＥＣＶＤ堆積プロセス、ならびに任意の適切な薄膜堆積及び注入システムを使用して実行することができるイオン注入プロセスを参照して、以下で説明されることになる。適切なシステムの例は、ＤＸＺ（登録商標）処理チャンバ、ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ５０００（登録商標）システム、ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）システム、ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ＧＴＴＭシステム、ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ＸＰ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ（登録商標）システム、ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ＳＥＴＭシステム、Ｓｙｍ３（登録商標）処理チャンバ、及びＭｅｓａ（登録商標）処理チャンバを使用しうるＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）システムを含み、これらのすべては、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から市販されている。イオン注入プロセスは、ビームライン又はプラズマ注入ツールによって実行されてもよい。注入プロセスを実行するために利用される例示的なシステムは、例えば、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手可能な、ＶＡＲＩＡＮ ＶＩＩＳｔａ（登録商標）ＴＲＩＤＥＮＴシステム、ＶＩＩＳｔａ（登録商標）３０００ＸＰシステム、ＶＩＩＳｔａ（登録商標）９００ＸＰシステム、ＶＩＩＳｔａ（登録商標）ＨＣＰシステム、ＶＩＩＳｔａ（登録商標）Ｔｒｉｄｅｎｔ Ｃｒｉｏｎ（登録商標）システム、及びＶＩＩＳｔａ（登録商標）ＰＬＡＤシステムを含む。ＰＥＣＶＤ及び／又はイオン注入プロセスを実行することができる他のツールもまた、本明細書に記載の実施態様から利益を得るように適合されてよい。更に、本明細書に記載のＰＥＣＶＤ及び／又はイオン注入プロセスを可能にする任意のシステムが、利益を得るために使用できる。本明細書に記載の装置の説明は、例示的なものであり、本明細書に記載の実施態様の範囲を限定するものとして制約又は解釈されるべきではない。
［００２０］集積回路の縮小における物理的制約は、平面のウエハ表面に直交する集積回路の拡張、すなわち、高アスペクト比（ＨＡＲ）、デバイス空間の３次元利用をもたらした。動的エッチング選択性及びますます厳しくなる製造公差に適応するためのナノ製造戦略は、ケイ素、チタン、タングステン又はホウ素でドープされたカーボン膜、並びに誘電体酸化窒化ケイ素（ＯＮ／ＯＰ）膜といった、ハードマスク（ＨＭ）材料のライブラリをもたらした。組み合わせて使用されると、これらの材料は、エッチング選択性及び１Ｘノードまでのパターニングにおいて利点を提供する。アモルファスカーボンハードマスク材料の革新は、次世代デバイス構造において高アスペクト比（ＨＡＲ）ベンチマークを達成するために望ましい。金属及び誘電体溶液とは対照的に、アモルファスカーボンは灰化可能であり、下にあるＯＮ／ＯＰハードマスク膜に対して高い選択性を提供する。アモルファスカーボンハードマスクの別の利点は、アモルファスカーボンハードマスクの対応する光学特性であり、これは、位置合わせされた、パターニングされた特徴に透明性を提供するように調整可能であり、したがって、部分的なハードマスク開放プロセスの必要性が排除される。しかしながら、アモルファスカーボンハードマスクのための現在の集積ハードウェア及びプロセスは、金属ドープされた対応物及び誘電体ハードマスク対応物に対して、比較的乏しい機械的特性を示している。現世代の純粋なカーボン膜（例えば、ナノ結晶ダイヤモンド、超ナノ結晶ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、及び、物理的気相堆積炭素）に対する最も高いエッチング選択性は、高いｓｐ３含有量の膜に対して見られ、ダイヤモンドのハイブリッド化に類似している。ダイヤモンド状の炭素ハードマスクにおける長年の高い価値の問題は、ｓｐ３混成炭素による１ＧＰａを超える圧縮膜応力であり、これはリソグラフィオーバーレイと静電チャッキングの制約によりパターニング性能を制限する。
［００２１］６４ｘの層積層用途と１００：１のアスペクト比を有する次世代３Ｄ ＮＡＮＤ製品は、変形に抵抗しながらパターニングを可能にし、同時に改良されたリソグラフィオーバーレイを実証する薄膜を要求する。ダイヤモンド状カーボン膜は、炭素種特異的エッチング選択性を優れた構造的完全性と結びつける。これらのダイヤモンド状カーボン膜は、その機械的特性（その前触れがヤング率である）が、低減された応力及び面内歪み（「ＩＰＤ」）の値で更に改善できる場合にのみ、競争力を維持することになる。
［００２２］本開示のいくつかの実施態様は、スループット又は実装コストにほとんど影響を与えずに、既存のハードウェアを使用するプロセスを提供する。本開示のいくつかの実施態様は、リソグラフィオーバーレイの高い価値問題、及び低いヤング率（Ｅ）に関連する高い応力を解決する。本開示のいくつかの実施態様は、プラズマ堆積メカニズムを調整することによって、アモルファスカーボンのヤング率を約２倍（例えば、約６４ＧＰａから約１３８ＧＰａに）増加させる特有のプロセスを提供する。重要な膜特性の更なる改善は、イオン注入によって達成され、それにより、アモルファスカーボン膜のヤング率を更に３０％（〜１８０ＧＰａ）増加させ、その一方で、圧縮応力を７５％（約−１２００ＭＰａから約−３００ＭＰａまで）減少させる。更に、ＰＥＣＶＤとイオン注入との組み合わせにより、現世代の純粋なカーボンハードマスク膜と比較して、かなり低い面内歪み（３ナノメートル未満のオーバーレイ誤差）を達成したアモルファスカーボン膜がもたらされた。
［００２３］アモルファスカーボンハードマスク膜の性能を改善する際に、本開示の第１の態様は、新しいプロセスウィンドウを定義する。この新しいプロセスウィンドウは、高い応力（例えば、約−１２００ＧＰａ）にもかかわらず、低い面内歪みをターゲットとし、しかもヤング率が改善されている。理論に束縛されるものではないが、これらの改善は、圧力を減少させることによってプラズマのシースサイズを増加させ、プロセス間隔を増大させ、結果的にプラズマ温度を低下させることによって、達成されると考えられる。合成温度の低下にもかかわらず、堆積速度の著しい減少により、より高いシース電位とＢｏｈｍ速度が確認された。これは、膜中の水素含有量を減少させながら、炭素と炭素の結合のより多くの形成に有利である。１つの実施態様では、６３３ｎｍの後の堆積において測定された吸光係数の値は、０．７２であり、より高いＣ＝Ｃ、グラファイト特性を示した。更に、プラズマの密度を減少させると、平均自由行程、衝撃エネルギーが増加し、ウエハ表面にわたるイオンエネルギー分布関数の均一性が改善した。衝撃によるアモルファス化を最小化した、より弱いプラズマのための膜内特性は、ヤング率（Ｅ）、硬度、及び密度の増加を示す。理論によって束縛されるものではないが、増加した平均自由行程が、より低い面内歪み（ＩＰＤ）をもたらし、これは、リソグラフィオーバーレイのターゲットとされると考えられる。
［００２４］本開示の第２の態様である、インラインイオン注入は、アモルファスカーボン膜の応力成分を約７５％まで（例えば、約−１２００ＭＰａから約−３００ＭＰａまで）減少させ、ヤング率を更に改善し（例えば、約１３８ＧＰａから約１７７ＧＰａまで）、面内歪みプロファイルをより中心対称にするのに役立つ。イオン注入は、ある範囲の温度（例えば、摂氏約−１００度から摂氏約５００度）で行うことができる。ここで、アモルファスカーボン膜のイオン注入温度を下げると、注入されたドーパントの再配列が最小限に抑えられ、高密度化、ｓｐ３強化及び水素還元などの注入の有益な効果が確認されることが立証される。理論によって束縛されるものではないが、イオン注入は、局所的な応力を再配分し、全体的なウエハ応力を、例えば、後の膜堆積の値の約２５％まで低下させるのに役立つと考えられる。応力を低下させつつ、ヤング率を最適に高めるための注入の正しいプロセス形態が、膜改良の飽和のＨＶＰをバイパスするために進入するウエハのヤング率に基づいて開発されている。
［００２５］得られたアモルファスカーボン膜は、現在入手可能な純粋なカーボンハードマスク膜と比較して、３０−５０％のエッチング選択性の改善を示す一方で、以前のオーバーレイ要件にも適合する。
［００２６］本開示のいくつかの実施態様では、アモルファスカーボン膜は、むき出しのケイ素ブランケットウエハ上に、プラズマ増強化学気相堆積を介して堆積された。いくつかの実施態様では、炭素前駆体は、Ｃ３Ｈ６であり、プラズマプロファイル及び均一性はアルゴンガス及びヘリウムガスによって維持される。本作業の範囲は、とりわけ、Ｃ４Ｈ８、Ｃ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、ＣＯ２及びＣＦ４の使用も包含する。この用途の高周波ＲＦは、１３．５６ＭＨｚである。単一ウエハハードウェアは、摂氏６５０度の温度までの堆積を可能にし、ガスボックス、平面のヒータエッジリング構成とのシャワーヘッドの組み合わせを用いて、中心からエッジまでプラズマ安定性を維持する。プラズマプロファイル及びウエハ表面への結合は、ウエハ表面に対して横方向及び直交方向に分布するようにＲＦの層化によって更に調整されてもよい。
［００２７］いくつかの実施態様では、イオン注入は、単一ウエハ処理ツールで実行される。熱交換器は、温度制御及び摂氏−１００度までの冷注入技術の開発を可能にする。本開示に示される高性能をもたらす種は、灰化可能なイオンであり、膜の純粋な炭素特性を維持する。
［００２８］図１は、本開示の様々な実施態様にしたがって構成されたプラズマ処理チャンバ１００の概略断面図である。例として、図１のプラズマ処理チャンバ１００の実施態様は、ＰＥＣＶＤシステムに関して説明されるが、他のプラズマ堆積チャンバ又はプラズマエッチングチャンバを含む、任意の他のプラズマ処理チャンバが、実施態様の範囲内に入ってもよい。プラズマ処理チャンバ１００は、サセプタ１０５及び処理領域１４６を共に囲む壁１０２、底部１０４、及びチャンバリッド１２４を含む。プラズマ処理チャンバ１００は、真空ポンプ１１４と、第１のＲＦ発生器１５１と、第２のＲＦ発生器１５２と、ＲＦ整合器１５３と、ガス源１５４と、頂部ＲＦ電流チューナ１５５と、底部ＲＦ電流チューナ１５７と、システムコントローラ１５８とを更に含み、図示されるように、各々がプラズマ処理チャンバ１００に外部的に結合される。
［００２９］壁１０２及び底部１０４は、アルミニウム又はステンレス鋼などの導電性材料を含んでもよい。壁１０２のうちの１つ又は複数を通して、基板１１０のプラズマ処理チャンバ１００への挿入、及び基板１１０のプラズマ処理チャンバ１００からの除去を容易にするように構成されるスリットバルブ開口部が存在してもよい。スリットバルブ開口部を密閉するように構成されたスリットバルブが、プラズマ処理チャンバ１００の内側又は外側のいずれかに配置されてもよい。分かりやすくするために、スリットバルブ又はスリットバルブ開口は、図１に示されていない。
［００３０］真空ポンプ１１４は、プラズマ処理チャンバ１００に結合され、その中の真空レベルを調節するように構成される。示されるように、バルブ１１６は、プラズマ処理チャンバ１００と真空ポンプ１１４との間で結合されてもよい。真空ポンプ１１４は、基板処理の前に、プラズマ処理チャンバ１００を排気し、バルブ１１６を通る処理の間、そこからプロセスガスを除去する。バルブ１１６は、プラズマ処理チャンバ１００の排気速度の調整を容易にするために調節可能でありうる。バルブ１１６を通る排気速度及びガス源１５４からの流入ガス流量は、プラズマ処理チャンバ１００内のチャンバ圧力及びプロセスガス滞留時間を決定する。
［００３１］ガス源１５４は、チャンバリッド１２４を貫通するチューブ１２３を介して、プラズマ処理チャンバ１００に結合される。チューブ１２３は、バッキング板１０６とチャンバリッド１２４に含まれるガス分配シャワーヘッド１２８との間のプレナム１４８に流体連結される。動作中、ガス源１５４からプラズマ処理チャンバ１００内に導入されたプロセスガスは、プレナム１４８を充填し、次いで、ガス分配シャワーヘッド１２８内に形成されたガス通路１２９を通過して、処理領域１４６に均一に進入する。代替的実施態様では、プロセスガスは、ガス分配シャワーヘッド１２８に加えて又はその代わりに、壁１０２に取り付けられた入口及び／又はノズル（図示せず）を介して、処理領域１４６に導入されてもよい。
［００３２］サセプタ１０５は、図１の基板１１０など、プラズマ処理チャンバ１００による処理中に基板を支持するための任意の技術的に実現可能な装置を含みうる。いくつかの実施態様では、サセプタ１０５は、サセプタ１０５を昇降させるように構成されるシャフト１１２上に配置される。一実施態様では、シャフト１１２及びサセプタ１０５は、タングステン、銅、モリブデン、アルミニウム、又はステンレス鋼のような導電性材料から少なくとも部分的に形成されてもよく、又は導電性材料を含んでもよい。代替的に又は追加的には、サセプタ１０５は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などのセラミック材料から少なくとも部分的に形成されてもよく、又はセラミック材料を含んでもよい。プラズマ処理チャンバ１００が容量結合プラズマチャンバである実施態様において、サセプタ１０５は、電極１１３を含むように構成されてもよい。このような実施態様では、金属ロッド１１５又は他の導体が電極１１３に電気的に結合され、プラズマ処理チャンバ１００に供給されるＲＦ電力のための接地経路の一部を提供するように構成される。すなわち、金属ロッド１１５により、プラズマ処理チャンバ１００に供給されたＲＦ電力が、電極１１３を通過し、プラズマ処理チャンバ１００から接地に送出できるようになる。
［００３３］いくつかの実施態様では、電極１１３はまた、プラズマ処理中にサセプタ１０５上への基板１１０の静電クランプを可能にするために、ＤＣ電源（図示せず）からの電気バイアスを提供するように構成される。そのような実施態様では、サセプタ１０５は、概して、上述のセラミック材料などの１つ又は複数のセラミック材料、又は静電チャックに使用するのに適した他の任意のセラミック材料を含む本体を備える。このような実施態様では、電極１１３は、ＲＦメッシュなどのメッシュ、又はモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、若しくはサセプタ１０５の本体に含まれる１つ又は複数のセラミック材料の熱膨張係数と実質的に類似する熱膨張係数を有する他の材料から作られる穿孔シートでありうる。電極１１３とガス分配シャワーヘッド１２８は、共に、プラズマが形成される処理領域１４６の境界を画定する。例えば、処理中に、サセプタ１０５及び基板１１０を上昇させて、ガス分配シャワーヘッド１２８の下面の近く（例えば、１０−３０ｍｍの範囲内）に配置して、処理領域１４６を少なくとも部分的に包囲するように形成することができる。
［００３４］第１のＲＦ発生器１５１は、ＲＦ整合器１５３を介して第１のＲＦ周波数で高周波電力を放電電極１２６に供給するように構成された高周波（ＲＦ）電源である。同様に、第２のＲＦ発生器１５２は、ＲＦ整合器１５３を介して第２のＲＦ周波数で高周波電力を放電電極１２６に供給するように構成されたＲＦ電源である。いくつかの実施態様では、第１のＲＦ発生器１５１は、例えば約１３．５６ＭＨｚの高周波（ＨＦ）でＲＦ電流を発生することができるＲＦ電源を含む。代替的に又は追加的には、第１のＲＦ発生器１５１は、約２０ＭＨｚから２００ＭＨｚ以上の間の周波数でＶＨＦ電力などのＶＨＦ電力を生成することができるＶＨＦ発生器を含む。対照的に、第２のＲＦ発生器１５２は、いわゆる低周波（ＬＦ）ＲＦ、例えば約３５０ｋＨｚでＲＦ電流を発生することができるＲＦ電源を含む。代替的又は追加的には、第２のＲＦ発生器１５２は、約１ｋＨｚと約１ＭＨｚとの間の周波数でＲＦ電力を発生することができるＲＦ発生器を含む。第１のＲＦ発生器１５１及び第２のＲＦ発生器１５２は、放電電極１２６とサセプタ１０５との間のプラズマの発生を容易にするように構成される。
［００３５］放電電極１２６は、ガス分配シャワーヘッド１２８（図１に示すような）のようなプロセスガス分配要素、及び／又はプロセスガスが処理領域１４６に導入されるガス噴射ノズルのアレイを含むことができる。放電電極１２６、すなわちガス分配シャワーヘッド１２８は、基板１１０の表面に実質的に平行に配向されてもよく、基板１１０とガス分配シャワーヘッド１２８との間に配置される処理領域１４６内にプラズマ源電力を容量結合する。
［００３６］ＲＦ整合器１５３は、第１のＲＦ発生器１５１とプラズマ処理チャンバ１００の給電電極、すなわちガス分配シャワーヘッド１２８との間に結合される任意の技術的に実現可能なインピーダンス整合装置であってもよい。また、ＲＦ整合器１５３は、第２のＲＦ発生器１５２とプラズマ処理チャンバ１００の給電電極との間に結合される。ＲＦ整合器１５３は、負荷インピーダンス（プラズマ処理チャンバ１００）を駆動源（第１のＲＦ発生器１５１、第２のＲＦ発生器１５２）の源又は内部インピーダンスに整合させて、第１のＲＦ発生器１５１及び第２のＲＦ発生器１５２からプラズマ処理チャンバ１００へのＲＦ電力の最大伝達を可能にするように構成される。
［００３７］壁１０２の一部を形成するのは、上部アイソレータ１０７、調整リング１０８、及び下部アイソレータ１０９である。上部アイソレータ１０７は、導電性材料から形成される調整リング１０８を、いくつかの実施態様において、動作中にＲＦ電力でエネルギー供給されるバッキング板１０６から電気的に絶縁するように構成される。したがって、上部アイソレータ１０７は、バッキング板１０６と調整リング１０８との間に配置され、調整リング１０８がバッキング板１０６を介してＲＦ電力で付勢されるのを防止する。いくつかの実施態様では、上部アイソレータ１０７は、処理領域１４６の周りに同心円状に配置されるセラミックリング又は環帯として構成される。同様に、下部アイソレータ１０９は、調整リング１０８を壁１０２から電気的に絶縁するように構成される。壁１０２は、典型的には、導電性材料から形成され、したがって、処理中にプラズマ処理チャンバ１００に供給されるＲＦ電力の一部の接地経路として作用することができる。したがって、下部アイソレータ１０９により、調整リング１０８は、プラズマ処理チャンバ１００に供給されるＲＦ電力のための、壁１０２のものとは異なる接地経路の一部になりうる。いくつかの実施態様では、上部アイソレータ１０７は、セラミックリングとして構成されるか、又は処理領域１４６の周りに同心円状に配置されるセラミックリングを含むように構成される。
［００３８］調整リング１０８は、上部アイソレータ１０７と下部アイソレータ１０９との間に配置され、導電性材料から形成され、処理領域１４６に隣接して配置される。例えば、いくつかの実施態様では、調整リング１０８は、アルミニウム、銅、チタン、又はステンレス鋼などの適切な金属から形成される。いくつかの実施態様では、調整リング１０８は、基板１１０の処理中にサセプタ１０５及び基板１１０の周りに同心円状に配置される金属リング又は環帯である。加えて、調整リング１０８は、図示のように、導体１５６を介して頂部ＲＦ電流チューナ１５５を介して接地に電気的に結合される。したがって、調整リング１０８は、給電電極ではなく、概して、処理領域１４６の外側及び周囲に配置される。一例では、調整リング１０８は、基板１１０と実質的に平行な平面内に位置決めされ、処理領域１４６内にプラズマを形成するために使用されるＲＦエネルギーのための接地経路の一部である。その結果、追加のＲＦ接地経路１４１が、頂部ＲＦ電流チューナ１５５を介して、ガス分配シャワーヘッド１２８と接地との間に確立される。したがって、特定の周波数における頂部ＲＦ電流チューナ１５５のインピーダンスを変化させることによって、その特定の周波数におけるＲＦ接地経路１４１に対するインピーダンスが変化し、その周波数における調整リング１０８に結合されるＲＦ場に変化を生じさせる。したがって、処理領域１４６内のプラズマの形状は、第１のＲＦ発生器１５１又は第２のＲＦ発生器１５２のいずれかに関連するＲＦ周波数に対して、＋／−Ｘ方向及びＹ方向に沿って独立して変調されてもよい。すなわち、処理領域１４６内に形成されるプラズマの形状、体積又は均一性は、例えば、調整リング１０８の使用によって、又は電極１１３を使用して基板１１０とガス分配シャワーヘッド１２８との間を垂直に、基板１１０の表面にわたる複数のＲＦ周波数について独立して変調されてもよい。
［００３９］システムコントローラ１５８は、真空ポンプ１１４、第１のＲＦ発生器１５１、第２のＲＦ発生器１５２、ＲＦ整合器１５３、ガス源１５４、頂部ＲＦ電流チューナ１５５、及び底部ＲＦ電流チューナ１５７といった、プラズマ処理チャンバ１００の構成要素及び機能を制御するように構成される。よって、システムコントローラ１５８は、頂部ＲＦ電流チューナ１５５及び底部ＲＦ電流チューナ１５７からセンサ入力、例えば電圧−電流入力を受け取り、プラズマ処理チャンバ１００の動作のための制御出力を送信する。システムコントローラ１５８の機能は、ソフトウェア、ハードウェア、及び／又はファームウェアを介することを含む、任意の技術的に実現可能な実施態様を含むことができ、プラズマ処理チャンバ１００に関連する複数の別個のコントローラの間で分割することができる。
［００４０］理論によって束縛されるものではないが、プラズマ増強堆積プロセス中に、プラズマ処理チャンバの処理領域に異なる周波数のＲＦ電力を供給することによって、堆積膜の特性を調節することができると考えられる。例えば、処理領域１４６に供給される低周波ＲＦプラズマ出力及び／又は周波数を調節すること、すなわち、１ｋＨｚから１ＭＨｚの形態でＲＦプラズマを形成することは、膜応力のようないくつかの堆積膜特性を調節するのに有益なことがあり、その一方で、処理領域１４６に供給される高周波ＲＦプラズマ出力及び／又は周波数を調節すること、すなわち、１ＭＨｚから２００ＭＨｚの形態でＲＦプラズマを形成することは、厚さの均一性のような他の堆積膜特性を調節するのに有益なことがある。本開示の様々な実施態様によれば、調整装置は、複数のＲＦ周波数におけるプラズマ処理チャンバ１００内のＲＦ電流の流れの独立した制御を可能にする。いくつかの実施態様では、そのような調整装置は、プラズマ処理チャンバ１００内の複数の位置、すなわち、頂部ＲＦ電流チューナ１５５及び底部ＲＦ電流チューナ１５７で用いられる。
［００４１］上述のように、頂部ＲＦ電流チューナ１５５は、調整リング１０８に電気的に結合され、接地に終端され、したがって、プラズマ処理チャンバ１００のための制御可能なＲＦ接地経路１４１を提供する。同様に、底部ＲＦ電流チューナ１５７は、金属ロッド１１５に電気的に結合され、接地に終端され、したがって、プラズマ処理チャンバ１００のための異なる制御可能なＲＦ接地経路１４２を提供する。本明細書に記載されるように、頂部ＲＦ電流チューナ１５５及び底部ＲＦ電流チューナ１５７は、それぞれ、複数のＲＦ周波数で接地へのＲＦ電流の流れを制御するように構成される。したがって、調整リング１０８と金属ロッド１１５との間の第１のＲＦ周波数におけるＲＦ電流の分配は、調整リング１０８と金属ロッド１１５との間の第２のＲＦ周波数におけるＲＦ電流の分配から独立して制御することができる。
［００４２］プラズマ１８０は、電極１１３と放電電極１２６との間の処理領域１４６内に形成される。電極１１３の底面とサセプタ１０５の頂面との間の距離又は「間隔」は、「ｘ」で表される。
［００４３］他の堆積チャンバもまた、本開示から利益を得ることができ、上記に列挙したパラメータは、アモルファスカーボン層を形成するために使用される特定の堆積チャンバに従って変化することがある。例えば、他の堆積チャンバは、より大きな又はより小さな容積を有してもよく、アプライドマテリアルズ社から入手可能な堆積チャンバについて記載されたものよりも大きい又は小さいガス流速を必要とする。一実施態様では、ホウ素−カーボン膜は、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から市販されている、ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ＸＰ ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＴＭ処理システムを使用して堆積することができる。
［００４４］アモルファスカーボン膜中のドーパント又は不活性種の取り込みの原子パーセントは、以下のように計算される（１ｃｍ−３のドーパント濃度を、特定の密度のＣ膜に対して予想される１ｃｍ−３あたりのＣ原子数で除算する）。アモルファスカーボン膜は、少なくとも０．１、１、又は１０原子パーセントのドーパント又は不活性種を含有することがある。アモルファスカーボン膜は、１、１０、又は３０原子パーセントまでのドーパント又は不活性種を含有することがある。アモルファスカーボン膜は、約１〜約３０原子パーセントのドーパント又は不活性種を含有することがある。アモルファスカーボン膜は、約１０〜約３０原子パーセントのドーパント又は不活性種を含有することがある。アモルファスカーボン膜は、少なくとも３、５、又は１０原子パーセントの水素を含有することがある。アモルファスカーボン膜は、５、１０、又は１５原子パーセントまでの水素を含有することがある。アモルファスカーボン膜は、約３〜約１５原子パーセントの水素を含有することがある。
［００４５］ドーパントが炭素である一実施態様では、アモルファスカーボン膜中の炭素取り込みの原子パーセントは、以下のように計算される。
（（Ｃ／（Ｈ＋Ｃ））％）
アモルファスカーボン膜は、少なくとも８５、９０、又は９５原子パーセントの炭素を含有することがある。アモルファスカーボン膜は、９０、９５、又は９７原子パーセントまでの炭素を含有することがある。アモルファスカーボン膜は、約８５〜約９７原子パーセントの炭素を含有することがある。アモルファスカーボン膜は、約９０〜約９７原子パーセントの炭素を含有することがある。アモルファスカーボン膜は、少なくとも３、５、又は１０原子パーセントの水素を含有することがある。アモルファスカーボン膜は、５、１０、又は１５原子パーセントまでの水素を含有することがある。アモルファスカーボン膜は、約３〜約１５原子パーセントの水素を含有することがある。
［００４６］概して、以下の例示的な堆積プロセスパラメータは、本明細書に記載のアモルファスカーボン膜堆積プロセスのＰＥＣＶＤ部分に使用されることがある。プロセスパラメータは、摂氏約１００度から摂氏約７００度（例えば、摂氏約３００度から摂氏約７００度）のウエハ温度の範囲にありうる。チャンバ圧力は、約１Ｔｏｒｒから約２０Ｔｏｒｒ（例えば、約２Ｔｏｒｒと約８Ｔｏｒｒとの間、又は約５Ｔｏｒｒと約８Ｔｏｒｒとの間）のチャンバ圧力の範囲にありうる。炭化水素含有ガスの流量は、約１００ｓｃｃｍから約５，０００ｓｃｃｍ（例えば、約１００ｓｃｃｍと約２，０００ｓｃｃｍとの間、又は約１６０ｓｃｃｍと約５００ｓｃｃｍとの間）でありうる。希釈ガスの流量は、個々に約０ｓｃｃｍから約５，０００ｓｃｃｍ（例えば、約２，０００ｓｃｃｍから約４，０８０ｓｃｃｍ）の範囲にありうる。不活性ガスの流量は、個々に、約０ｓｃｃｍから約１０，０００ｓｃｃｍ（例えば、約０ｓｃｃｍから約２，０００ｓｃｃｍ、約２００ｓｃｃｍから約２，０００ｓｃｃｍ）の範囲にありうる。ＲＦ電力は、１，０００ワットと３，０００ワットとの間でありうる。基板１１０の頂面とガス分配シャワーヘッド１２８との間のプレート間隔は、約２００ミルから約１，０００ミル（例えば、約２００ミルから約６００ミル、約３００ミルから約１，０００ミル、又は約４００ミルから約６００ミル）の間に設定されることがある。アモルファスカーボン膜は、約１０Åと約５０，０００Åとの間（例えば、約３００Åと約３，０００Åとの間、又は約５００Åから約１，０００Åとの間）の厚さを有するように堆積されてもよい。上記のプロセスパラメータは、約１００Å／分から約５，０００Å／分（例えば、約１，４００Å／分から約３，２００Å／分）の範囲のアモルファスカーボン膜の典型的な堆積速度を提供し、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手可能な堆積チャンバ内の３００ｍｍ基板上で実施することができる。
［００４７］注入前の堆積されたままのアモルファスカーボン膜は、１．９より大きい、例えば約２．２（例えば、約２．１から約２．５）の屈折率（ｎ）（６３３ｎｍ）を有することがある。堆積されたままのアモルファスカーボン膜は、例えば、１．０未満（例えば、約０．６から約０．８）のｋ値（ｋ（６３３ｎｍで））を有することがある。堆積されたままのアモルファスカーボン膜は、約５０〜約２００ＧＰａ（例えば、約６０〜約１４０ＧＰａ、又は約１００〜約１４０ＧＰａ）のヤング率（ＧＰａ）を有することがある。堆積されたままのアモルファスカーボン膜は、約１０ＧＰａから約２２ＧＰａ（例えば、約１０ＧＰａから約１５ＧＰａ、又は約１２ＧＰａ〜約１４ＧＰａ）の硬度（ＧＰａ）を有することがある。堆積されたままのアモルファスカーボン膜は、約−１３００ＭＰａから約０ＭＰａ（例えば、約−１３００ＭＰａから約−２５０ＭＰａ、約−１２５０ＭＰａから約−１０００ＭＰａ）の応力（ＭＰａ）を有することがある。堆積されたままのアモルファスカーボン膜は、約１．７ｇ／ｃｃから約１．８７ｇ／ｃｃ（例えば、約１．７４ｇ／ｃｃから約１．８５ｇ／ｃｃ）の密度（ｇ／ｃｃ）を有することがある。
［００４８］炭素注入後の堆積されたままのアモルファスカーボン膜は、２．０４より大きい、例えば約２．２（例えば、約２．１から約２．２）の屈折率（ｎ）（６３３ｎｍ）を有することがある。堆積されたままのアモルファスカーボン膜は、例えば１．０未満（例えば、約０．５から約０．８、約０．６から約０．７）のｋ値（ｋ（６３３ｎｍにおいて））を有することがある。注入後の堆積されたままのアモルファスカーボン膜は、約７０〜約２００ＧＰａ（例えば、約１２０〜約１８０ＧＰａ、又は約１３０〜約１７０ＧＰａ）のヤング率（ＧＰａ）を有することがある。注入後の堆積されたままのアモルファスカーボン膜は、約１４ＧＰａ〜約２２ＧＰａ（例えば、約１５ＧＰａ〜約２０ＧＰａ、又は約１６ＧＰａ〜約１９ＧＰａ）の硬度（ＧＰａ）を有することがある。注入後の堆積されたままのアモルファスカーボン膜は、約−６００ＭＰａから約０ＭＰａ（例えば、約−４００ＭＰａから約０Ｐａ、約−３５０ＭＰａから約０ＭＰａ）の応力（ＭＰａ）を有することがある。堆積されたままのアモルファスカーボン膜は、１．９ｇ／ｃｃより大きい、例えば約２．１ｇ／ｃｃ（例えば、約１．９５ｇ／ｃｃから約２．１ｇ／ｃｃ）の密度（ｇ／ｃｃ）を有することがある。
［００４９］図２は、本開示の１つ又は複数の実施態様による、基板上に配置された膜スタック上にアモルファスカーボンハードマスク層を形成するための方法２００のプロセスフロー図を示す。図３Ａ〜３Ｈは、方法２００によるハードマスク形成シーケンスを示す基板構造の概略断面図を示す。方法２００は、３次元半導体デバイスのための膜スタック内に階段状の構造体を製造するために利用される膜スタック上に形成されうるハードマスク層を参照して以下に説明されるが、方法２００は、他のデバイス製造用途において利点を得るためにも使用されることがある。更に、また、図２に示される工程は、同時に実行されてもよく、及び／又は図２に示される順序と異なる順序で実行されてもよいと理解すべきである。
［００５０］方法２００は、図１に示すプラズマ処理チャンバ１００のような処理チャンバ内に基板３０２を配置することによって、工程２１０で開始する。基板３０２は、図１に示す基板１１０であってもよい。基板３０２は、その上に形成された膜スタック３００の一部であってもよい。
［００５１］一実施態様では、基板１１０の表面は、図１に示すように、実質的に平面である。代替的には、基板１１０は、パターニングされた構造、例えば、その中に形成されたトレンチ、孔、又はビアを有する表面を有してもよい。基板１１０はまた、その上又はその中にターゲットとされる高さで形成された構造を有する実質的に平面の表面を有してもよい。基板１１０は単一の本体として示されているが、基板１１０は、金属コンタクト、トレンチアイソレーション、ゲート、ビット線、又は任意の他の相互接続特徴などの半導体デバイスを形成する際に使用される１つ又は複数の材料を含みうると理解される。基板１１０は、半導体デバイスを製造するために利用される、１つ又は複数の金属層、１つ又は複数の誘電体材料、半導体材料、及びこれらの組み合わせを含んでもよい。例えば、基板１１０は、用途に応じて、酸化物材料、窒化物材料、ポリシリコン材料等を含んでもよい。メモリ用途がターゲットとされる一実施態様では、基板１１０は、ケイ素基板材料、酸化物材料、及び窒化物材料を含んでもよく、ポリシリコンが間に挟まれていてもよく、挟まれていなくてもよい。
［００５２］別の実施態様において、基板１１０は、基板１１０の表面上に堆積された複数の交互の酸化物及び窒化物材料（すなわち、酸化物−窒化物−酸化物（ＯＮＯ））（図示せず）を含んでもよい。様々な実施態様では、基板１１０は、複数の交互の酸化物及び窒化物材料、１つ又は複数の酸化物又は窒化物材料、ポリシリコン又はアモルファスケイ素材料、アモルファスケイ素と交互の酸化物、ポリシリコンと交互の酸化物、ドープされたケイ素と交互のドープされていないケイ素、ドープされたポリシリコンと交互のドープされていないポリシリコン、又はドープされたアモルファスケイ素と交互のドープされていないアモルファスケイ素を含んでもよい。基板１１０は、膜処理が行われる任意の基板又は材料表面であってもよい。例えば、基板１１０は、結晶性ケイ素、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、歪みシリコン、シリコンゲルマニウム、タングステン、窒化チタン、ドープされた又はドープされていないポリシリコン、ドープされた又はドープされていないケイ素ウエハ、及びパターニングされた又はパターニングされていないウエハ、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、炭素がドープされた酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープされたケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ガラス、サファイア、低誘電率（ｌｏｗ ｋ）誘電体、及びそれらの組合せなどの材料でありうる。
［００５３］膜スタック３００は、基板３０２及び下層３０４を含む。下層３０４は、本明細書で利用されるように、アモルファスカーボンハードマスクの下に配置される任意の層を含む。例えば、アモルファスカーボンハードマスク３０６は、アモルファスカーボンハードマスク３０６と下層３０４とが互いに物理的に接触するように、下層３０４の真上に配置されてもよい。一実施態様では、下層３０４は、単一層を含む。別の実施態様では、下層３０４は、誘電体スタックを含む。
［００５４］工程２２０では、図３Ｂに示すように、基板３０２上に配置された下層３０４の上にアモルファスカーボンハードマスク３０６が形成される。アモルファスカーボンハードマスク３０６は、下層３０４の上にブランケット堆積プロセスによって堆積される。いくつかの実施態様では、アモルファスカーボンハードマスク３０６は、図４のプロセスフロー図に記載される方法４００に従って堆積される。アモルファスカーボンハードマスク３０６は、下層３０４の後続のエッチング要件に対応する厚さまで堆積されてもよい。一例では、アモルファスカーボンハードマスクは、約０．５μｍと約１．５μｍとの間、例えば約１．０μｍなど、の厚さを有する。
［００５５］工程２３０では、イオン注入プロセスが、アモルファスカーボンハードマスク３０６にドーパントをドープし、図３Ｃに示すように、ドーパントでドープされた、ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３１２を形成する。任意の適切なドーピング技術が使用されてもよい。一実施態様では、ドーパント又は不活性種を注入するために、プラズマ浸漬イオン注入技術が用いられる。一実施態様では、ドーパント又は不活性種を注入するために、ビームライン注入技術が用いられる。一実施態様では、ドーパント又は不活性種を注入するために、プラズマドーピング（ＰＬＡＤ）技術などの共形ドーピング技術が用いられてもよい。
［００５６］適切なイオン種は、炭素、ホウ素、窒素、ケイ素、リン、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、及びキセノン含有材料などの様々な前駆体材料から生成されうる。一実施態様では、ドーパント又は不活性種は、炭素、ホウ素、窒素、ケイ素、リン、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン、又はこれらの組合せから選択される。炭素含有前駆体ガスの例は、ＣＨ４を含む。一実施態様では、様々な前駆体材料は、例えば、ＣＨ４／Ｎ２、ＣＨ４／Ｈｅ、Ｎ２／Ｈｅ、ＣＨ４／Ｎｅ、ＣＨ４／Ａｒ、ＣＨ４／Ｎｅ、ＣＨ４／Ｋｒ、ＣＨ４／Ｘｅを含む前駆体材料の組み合わせから生成される。
［００５７］概略図において、イオン３１０は、アモルファスカーボンハードマスク３０６に衝突し、概して、アモルファスカーボンハードマスク３０６を貫通して、ドーパント又は不活性種が注入された、ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３１２を形成する。イオン３１０は、イオンのタイプ及びサイズ、ならびにイオン３１０を励起するために利用される電力及びバイアスに応じて、様々な深さまでアモルファスカーボンハードマスク３０６を貫通する。イオン３１０の種は、下層３０４のエッチング選択性を高めるように調整されうる。したがって、注入される種は、アモルファスカーボンハードマスク３０６のエッチング選択性を高めるように適合される任意のモノマー又は分子イオンでありうる。
［００５８］イオン注入プロセスは、ビームライン又はプラズマ注入ツールによって実行されてもよい。注入プロセスを実行するために利用される例示的なシステムは、例えば、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手可能な、ＶＡＲＩＡＮ ＶＩＩＳｔａ（登録商標）Ｔｒｉｄｅｎｔシステム、ＶＩＩＳｔａ（登録商標）３０００ＸＰシステム、ＶＩＩＳｔａ（登録商標）９００ＸＰシステム、ＶＩＩＳｔａ（登録商標）ＨＣＰシステム、及びＶＩＩＳｔａ（登録商標）ＰＬＡＤシステムを含む。上述のシステムに関して説明したが、イオン注入プロセスを実行するために、他の製造業者からのシステムもまた利用できることが企図される。
［００５９］一実施態様では、イオン注入プロセスは、ドーパント又は不活性種をアモルファスカーボンハードマスク３０６に注入する。ドーパント又は不活性種は、炭素、ホウ素、窒素、ケイ素、リン、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン、又はこれらの組み合わせから選択される。一実施態様では、ドーパントを励起するために利用される注入エネルギーは、利用されるドーパントのタイプ、アモルファスカーボンハードマスク３０６として利用される材料のタイプ、及びターゲットとされる注入の深さに応じて、約１ｋｅＶと約６０ｋｅＶとの間（例えば、約５ｋｅＶと約６０ｋｅＶとの間、約１ｋｅＶと約１５ｋｅＶとの間、約１０ｋｅＶと約３５ｋｅＶとの間、約２０ｋｅＶと約３０ｋｅＶとの間、又は約２０ｋｅＶと約２５ｋｅＶとの間）である。一実施態様では、イオン線量（イオン／ｃｍ２）は、利用されるドーパントのタイプ、アモルファスカーボンハードマスク３０６として利用される材料のタイプ及びターゲットとされる注入の深さに応じて、約５×１０１３イオン／ｃｍ２と約５×１０１７イオン／ｃｍ２との間（例えば、約１×１０１５イオン／ｃｍ２と約３×１０１７イオン／ｃｍ２との間、約１×１０１４イオン／ｃｍ２と約５×１０１６イオン／ｃｍ２との間、約１×１０１４イオン／ｃｍ２と約２×１０１６イオン／ｃｍ２との間、約１×１０１５イオン／ｃｍ２と約１×１０１６イオン／ｃｍ２との間、約５×１０１５イオン／ｃｍ２と約１×１０１６イオン／ｃｍ２との間）である。一実施態様では、ＰＬＡＤ注入技術が使用される場合、ドーパント又は不活性種を励起するために利用される注入エネルギーは、約５×１０１３イオン／ｃｍ２と約５×１０１７イオン／ｃｍ２との間（例えば、約１×１０１５イオン／ｃｍ２と約３×１０１７イオン／ｃｍ２との間、約１×１０１４イオン／ｃｍ２と約５×１０１６イオン／ｃｍ２との間、約１×１０１４イオン／ｃｍ２と約２×１０１６イオン／ｃｍ２との間、約１×１０１５イオン／ｃｍ２と約１×１０１６イオン／ｃｍ２との間、約５×１０１５イオン／ｃｍ２と約１×１０１６イオン／ｃｍ２との間）のイオン線量範囲で、約１ｋＶと約６０ｋＶとの間（例えば、約５ｋＶと約６０ｋＶとの間、約１ｋＶと約１５ｋＶとの間、約１０ｋＶと約３５ｋＶとの間、約２０ｋＶと約３０ｋＶとの間、又は約２０ｋＶと約２５ｋＶとの間）である。ドーパントがヘリウムである一実施態様では、ドーパントを励起するために利用される注入エネルギーは、約１×１０１５イオン／ｃｍ２と約３×１０１７イオン／ｃｍ２との間のイオン線量範囲で、約１ｋＶと約１５ｋＶとの間である。一実施態様では、ターゲット温度は、摂氏約−１００度と摂氏約５００度との間（例えば、摂氏約−１００度と摂氏約２００度との間、摂氏約−１００度と摂氏約０度との間、摂氏約−１００度と摂氏約５０度との間、摂氏約０度と摂氏約５０度との間、又は摂氏約５０度と摂氏約４００度との間）である。
［００６０］概して、アモルファスカーボンハードマスク３０６の硬度を高めることにより、アモルファスカーボンハードマスク３０６を開いた後の下層３０４における高アスペクト比構造の線曲げを低減することができる。注入されたイオン３１０は、アモルファスカーボンハードマスク３０６のダングリング炭素−水素ボンドから残留水素原子を抽出し、アモルファスカーボンハードマスク３０６内に炭化物構造を形成すると考えられる。炭化物構造は、ドープされていないハードマスクと比較した時に、硬度が増加していることを示す。更に、注入されたイオン３１０は、アモルファスカーボンハードマスク３０６内に存在する格子間ボイドを占拠し、その結果、アモルファスカーボンハードマスク３０６の密度が増加すると考えられる。密度が増加すると、アモルファスカーボンハードマスク３０６の機械的完全性が更に増大する。
［００６１］一実施態様では、イオン注入プロセスに続いて、膜スタック３００が熱処理される。適切なイオン注入後熱処理技術は、ＵＶ処理、熱アニーリング、及びレーザアニーリングを含む。ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３１２の熱処理は、更に、注入されたイオン３１０を、ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３１２のフレームワーク内に組み込む。例えば、注入されたイオン３１０は、より均一なドーピングプロファイルを形成するために、ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３１２内に再分配されてもよい。熱処理は、ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３１２のアモルファスカーボンと注入されたイオン３１０との間の相互作用及び結合を増大させることがあると考えられる。注入されたイオン３１０の再分配及び結合は、ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３１２の硬度、密度、及びエッチング選択性を更に増加させるように機能することがある。一実施態様では、アニールプロセスは、プラズマ処理チャンバ１００などのプラズマ処理チャンバ内で実行される。別の実施態様では、アニールプロセスは、別個のアニールチャンバ内で実行される。
［００６２］工程２４０では、図３Ｄに示されるように、ドーパント又は不活性種がドープされた、ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３１２の上に、パターニングされたフォトレジスト層３２０が形成される。特徴又はパターンは、光エネルギーなどのエネルギー源を利用するフォトマスクからフォトレジスト層３２０に転写されてもよい。一実施態様では、フォトレジスト層３２０は、ポリマー材料であり、パターニングプロセスは、１９３ナノメートルの浸漬フォトリソグラフィプロセス、又は他の類似したフォトリソグラフィプロセスによって実行される。同様に、パターニングプロセスを実行するために、また、レーザを利用してもよい。
［００６３］工程２５０において、ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３１２は、例えば、プラズマエッチングプロセスによって開かれ、図３Ｅに示されるように、パターニングされドープされたアモルファスカーボンハードマスク３２２を形成する。プラズマエッチングプロセスは、図３Ｃに関して説明したチャンバに類似したチャンバ内で実行されてもよい。
［００６４］工程２６０では、図３Ｆに示すように、フォトレジスト層３２０が除去される。フォトレジスト層３２０は、様々な有利なフォトレジスト除去プロセスによって除去されうる。
［００６５］工程２７０では、図３Ｇに示すように、下層３０４がエッチングされる。下層３０４のエッチングは、図１Ｂに関して記載されたチャンバ及びシステムなどのプラズマ処理チャンバ内で行われてもよい。フッ化炭素のようなエッチング液は、下層３０４の露出部分を除去する。エッチング液の活性種は、パターニングされ、ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３２２の材料、注入イオン３１０と実質的に反応しない。したがって、エッチング液は、下層３０４の材料に対して選択的である。エッチング液の適切な例は、とりわけ、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＨＢｒ、ＢＣｌ３、及びＣｌ２を含む。エッチング液は、不活性キャリアガスと共に供給されてもよい。
［００６６］工程２８０では、パターニングされ、ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３２２が除去される。パターニングされ、ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３２２は、任意の有利なハードマスク除去プロセスによって除去されうる。一例では、酸素プラズマは、パターニングされ、ドープされたアモルファスカーボンハードマスク３２２を除去するために利用される。結果として得られる膜スタック３００は、その中に形成された、高アスペクト比特徴などの特徴３２４を有する下層３０４を含む。次に、膜スタック３００に更なる処理を施して、機能性半導体デバイスを形成することができる。
［００６７］図４は、本明細書に記載の実施態様による、アモルファスカーボン膜を堆積するための方法４００の一実施態様を示すプロセスフロー図である。一実施態様では、工程２２０のアモルファスカーボン膜を堆積するために、方法４００が使用されうる。方法４００は、処理チャンバの処理領域に基板を提供することによって、工程４１０で始まる。処理チャンバは、図１に示すプラズマ処理チャンバ１００でありうる。基板は、また、図１に示される基板１１０、又は図３Ａ−３Ｈに示される基板３０２であってもよい。
［００６８］工程４２０では、炭化水素含有混合ガスが処理領域１４６に流入する。炭化水素含有混合ガスは、ガス源１５４から、ガス分配シャワーヘッド１２８を通って、処理領域１４６に流入することがある。混合ガスは、少なくとも１つの炭化水素源及び／又は炭素含有源を含みうる。混合ガスは、不活性ガス、希釈ガス、窒素含有ガス、又はこれらの組み合わせを更に含んでもよい。炭化水素及び／又は炭素含有源は、任意の液体又は気体とすることができるが、好ましい前駆体は、材料の計量、制御、及びチャンバへの供給に必要とされるハードウェアを単純化するために、室温では蒸気であろう。
［００６９］一実施態様では、炭化水素源は、線形炭化水素などの気体炭化水素である。一実施態様では、炭化水素化合物は、一般式ＣｘＨｙを有し、ここで、ｘは１と２０との間の範囲を有し、ｙは１と２０との間の範囲を有する。一実施態様では、炭化水素化合物はアルカンである。適切な炭化水素化合物は、例えば、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）、及びブチレン（Ｃ４Ｈ８）、シクロブタン（Ｃ４Ｈ８）、及びメチルシクロプロパン（Ｃ４Ｈ８）を含む。適切なブチレンは、１−ブテン、２−ブテン、及びイソブチレンを含む。他の適切な炭素含有ガスは、二酸化炭素（ＣＯ２）及び四フッ化炭素（ＣＦ４）を含む。１つの例では、Ｃ３Ｈ６は、より安定した中間種形成のために好ましく、これは、より多くの表面移動度を可能にする。
［００７０］とりわけ、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）、又はこれらの組み合わせなどの適切な希釈ガスが、混合ガスに加えられてもよい。Ａｒ、Ｈｅ、及びＮ２は、アモルファスカーボン層の密度及び堆積速度を制御するために使用される。いくつかの場合において、Ｎ２及び／又はＮＨ３の追加は、以下に議論されるように、アモルファスカーボン層の水素比を制御するために使用することができる。代替的には、堆積中に、希釈ガスを使用しなくてもよい。
［００７１］窒素含有ガスが、炭化水素含有混合ガスと共に、プラズマ処理チャンバ１００内に供給されてもよい。適切な窒素含有化合物は、例えば、ピリジン、脂肪族アミン、アミン、ニトリル、アンモニア及び類似の化合物を含む。
［００７２］アルゴン（Ａｒ）及び／又はヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスが、炭化水素含有混合ガスと共に、プラズマ処理チャンバ１００内に供給されてもよい。窒素（Ｎ２）及び一酸化窒素（ＮＯ）などの他の不活性ガスもまた、アモルファスカーボン層の密度及び堆積速度を制御するために使用されてもよい。更に、アモルファスカーボン材料の特性を改変するために、様々な他の処理ガスが、混合ガスに加えられてもよい。一実施態様では、処理ガスは、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）、水素（Ｈ２）及び窒素（Ｎ２）の混合物、又はこれらの組み合わせなどの反応性ガスであってもよい。Ｈ２及び／又はＮＨ３の追加は、堆積したアモルファスカーボン層の水素比（例えば、炭素対水素の比）を制御するために使用されてもよい。アモルファスカーボン膜中に存在する水素比は、反射率などの層特性の制御を提供する。
［００７３］オプションで、工程４３０において、処理領域内の圧力は、所定のＲＦオン遅延期間中に安定化される。所定のＲＦオン遅延期間は、工程４３０における、処理領域への炭化水素含有混合ガスの導入と、プラズマの衝突又は生成との間の期間として定義される固定された時間遅延である。任意の適切な固定時間遅延が、ターゲットとされた条件を達成するために、使用されてもよい。ＲＦオン遅延期間の長さは、典型的には、炭化水素含有又は炭素含有混合ガスが、処理領域において熱分解し始めないか、又は実質的に熱分解し始めないように、選択される。
［００７４］工程４４０では、ＲＦプラズマを処理領域内で生成して、アモルファスカーボンハードマスク３０６などのアモルファスカーボン膜を堆積する。プラズマは、容量性又は誘導性手段によって形成されてもよく、ＲＦ電力を前駆体混合ガスに結合することによって励起されてもよい。ＲＦ電力は、高周波成分及び低周波成分を有するデュアル周波数ＲＦ電力であってもよい。ＲＦ電力は、典型的には、約５０Ｗと約２，５００Ｗとの間（例えば、約２，０００Ｗと約２，５００Ｗとの間）の電力レベルで印加され、これは、例えば、約１３．５６ＭＨｚの周波数における全ての高周波ＲＦ電力であり、又は例えば、約３００ｋＨｚの周波数における高周波電力と低周波電力の混合物でありうる。大部分の用途のために、プラズマは、約１００Åと約５，０００Åとの間の厚さを有するアモルファスカーボン層を堆積するために、ある期間維持される。炭化水素含有混合ガスの流れは、アモルファスカーボン膜のターゲットとされる厚さに達する。工程４４０のプロセスは、工程４２０及び工程４３０のプロセスと同時に、連続して、又は部分的に重複して実行されてもよい。
［００７５］本明細書に記載されるＰＥＣＶＤ実施態様のいずれにおいても、アモルファスカーボン膜の堆積中に、チャンバ、ウエハ、又はその両方が、摂氏約２００度と摂氏約７００度との間（例えば、摂氏約４００度と摂氏約７００度との間、又は摂氏約５００度と摂氏約７００度との間）の温度に維持されうる。チャンバ圧力は、約１Ｔｏｒｒから約１０Ｔｏｒｒ（例えば、約２Ｔｏｒｒと約８Ｔｏｒとの間、又は約４Ｔｏｒｒと約８Ｔｏｒｒとの間）のチャンバ圧力の範囲にありうる。サセプタとガス分配シャワーヘッドとの間の距離（すなわち、「間隔」）は、約２００ミルと約１，０００ミルとの間（例えば、約２００ミルと約６００ミルとの間、約３００ミルと約１，０００ミルとの間、又は約４００ミルと約６００ミルとの間）に設定されうる。
［００７６］アモルファスカーボン膜は、約１０Åと約５０，０００Åとの間（例えば、約３００Åと約３０，０００Åとの間、約５００Åと約１，０００Åとの間）の厚さを有するように堆積されてもよい。
［００７７］次いで、シーズン層の堆積からの過剰なプロセスガス及び副産物が、オプションのパージ／排気プロセスを実行することによって、処理領域から除去されてもよい。
［００７８］図５Ａは、従来技術を用いて形成されたアモルファスカーボン膜（５１０、５１２及び５１４）と比較した、本開示の実施態様に従って形成されたアモルファスカーボン膜（５２０、５２２及び５３０、５３２）についての面内歪み対膜応力（ＭＰａ）のプロット５００を示す。本開示の実施態様に従って形成されたアモルファスカーボン膜（５２０、５２２及び５３０、５３２）は、炭素ドーパント注入の前に示されていることに留意されたい。図５Ｂは、図５Ａのアモルファスカーボン膜に対するヤング率（ＧＰａ）対膜応力（ＭＰａ）のプロット５５０を示す。図５Ａ−５Ｂに示すように、本明細書に記載の実施態様に従って形成されたアモルファスカーボン膜（５２０、５２２及び５３０、５３２）は、高い応力（例えば、−１２００ＭＰａ）にもかかわらず、低い面内歪み及び改善されたヤング率を達成した。本明細書に記載される後続の炭素ドーパント注入プロセスは、約１．４倍だけヤング率を増加させながら、約４倍だけ圧縮膜応力を減少させた。
［００７９］方法２００及び方法４００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の前に、フロントエンドオブラインプロセス（ＦＥＯＬ）で使用されるプロセスに有用である。方法２００によって形成されたアモルファスカーボン膜は、それらの高いエッチング選択性のために、エッチングプロセス中にハードマスク層としての機能を果たしうる。適切なプロセスは、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。いくつかの実施態様では、アモルファスカーボン膜がエッチング停止層として使用されるか、又は異なるプロセス目的のための異なる膜として使用される場合、アモルファスカーボン膜の機械的又は光学的特性は、特定のプロセスの必要性を満たすように同様に調整されてもよい。
［００８０］したがって、ターゲットとされる面内歪み及び低応力のヤング率の両方を有する高エッチング選択性アモルファスカーボン膜を形成するための方法は、本明細書に記載の実施態様による、プラズマ堆積プロセスと、それに続く炭素注入プロセスによって提供される。本方法は、有利には、低応力及び高ヤング率、炭素と炭素の結合及び水素取り込みの変化、並びに高いエッチング選択性などの、ターゲットとされる機械的特性を有するアモルファスカーボン膜を提供する。本開示の実施態様は、スループット又は実装コストにほとんど影響を与えずに、既存のハードウェアを使用するプロセス設計を更に提供する。本開示のいくつかの実施態様は、プラズマ堆積メカニズムを調整することによって、アモルファスカーボン膜のヤング率を約２倍（例えば、約６４ＧＰａから約１３８ＧＰａに）増加させる特有のプロセスを提供する。重要な膜特性の更なる改善は、イオン注入によって達成され、これは、アモルファスカーボン膜のヤング率を更に３０％（例えば、１８０ＧＰａまで）増加させ、一方、圧縮応力を約７５％（例えば、約−１２００ＭＰａから約−３００ＭＰａまで）減少させる。更に、ＰＥＣＶＤとイオン注入との組み合わせにより、現世代の純粋なカーボンハードマスク膜と比較して、かなり低い面内歪み（３ナノメートル未満のオーバーレイ誤差）を達成したアモルファスカーボン膜がもたらされた。本明細書に記載の得られた膜は、現世代の元素的に純粋なアモルファスカーボンハードマスク膜と比較して、約３０−５０％のエッチング選択性の改善を実証し、一方、以前のオーバーレイ要件にも適合する。
［００８１］本開示の要素、又はその例示的な態様又は実施態様を紹介するとき、冠詞「１つの（ａ、ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、及び「前記（ｓａｉｄ）」は、要素のうちの１つ又は複数が存在することを意味すると意図される。
［００８２］「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であることが意図され、列挙された要素以外の追加の要素が存在しうることを意味する。
［００８３］以上の記述は本開示の実施態様を対象としているが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく、本開示の他の実施態様及び更なる実施態様が考案されてもよく、本開示の範囲は、下記の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

  1. アモルファスカーボン膜を形成する方法であって、
    第１の処理領域のサセプタ上に配置された下層の上にアモルファスカーボン膜を堆積することと、
    炭素、ホウ素、窒素、ケイ素、リン、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン又はこれらの組み合わせから選択されるドーパント又は不活性種を、第２の処理領域内の前記アモルファスカーボン膜に注入することによって、ドープされたアモルファスカーボン膜を形成することと、
    前記ドープされたアモルファスカーボン膜をパターニングすることと、
    前記下層をエッチングすることと
    を含む方法。
  2. 前記下層が、単一の層又は誘電体スタックを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記下層の上に前記アモルファスカーボン膜を堆積することが、
    炭化水素含有混合ガスを前記第１の処理領域に流入させることと、
    前記第１の処理領域でＲＦプラズマを発生させて、前記下層の上に前記アモルファスカーボン膜を形成することと
    を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記第１の処理領域に配置されたガス分配シャワーヘッドと前記サセプタとの間の距離が、約２００ミルと約１０００ミルとの間である、請求項３に記載の方法。
  5. 前記第１の処理領域内の圧力が、約４Ｔｏｒｒと約８Ｔｏｒｒとの間である、請求項４に記載の方法。
  6. 前記ドーパント又は不活性種を励起するために利用される注入エネルギーが、約５ｋｅＶと約６０ｋｅＶとの間である、請求項１に記載の方法。
  7. イオン線量が、約５×１０１３イオン／ｃｍ２と約５×１０１６イオン／ｃｍ２との間である、請求項６に記載の方法。
  8. 前記ドーパント又は不活性種を注入する間のターゲット温度が、摂氏約−１００度と摂氏約５００度との間である、請求項６に記載の方法。
  9. アモルファスカーボン膜を形成する方法であって、
    第１の処理領域のサセプタ上に配置された下層の上にアモルファスカーボン膜を堆積することと、
    炭素、ホウ素、窒素、ケイ素、リン、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン又はこれらの組み合わせから選択されるドーパント又は不活性種を、第２の処理領域内の前記アモルファスカーボン膜に注入することによって、ドープされたアモルファスカーボン膜を形成することと、
    前記ドープされたアモルファスカーボン膜をパターニングすることと、
    前記下層をエッチングすることと
    を含み、前記ドープされたアモルファスカーボン膜は、６３３ｎｍでの屈折率が約２．１から約２．２である、方法。
  10. 前記ドープされたアモルファスカーボン膜は、６３３ｎｍでのｋ値が１．０未満である、請求項９に記載の方法。
  11. 前記ドープされたアモルファスカーボン膜が、約７０ＧＰａから約２００ＧＰａのヤング率（ＧＰａ）を有する、請求項９に記載の方法。
  12. 前記ドープされたアモルファスカーボン膜が、約１４ＧＰａから約２２ＧＰａの硬度（ＧＰａ）を有する、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記ドープされたアモルファスカーボン膜が、約−６００ＭＰａから約０ＭＰａの応力（ＭＰａ）を有する、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記ドープされたアモルファスカーボン膜が、約１．９５ｇ／ｃｃから約２．１ｇ／ｃｃの密度（ｇ／ｃｃ）を有する、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記ドープされたアモルファスカーボン膜が、約１０Åと約５０，０００Åとの間の厚さを有する、請求項１４に記載の方法。
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