JP2023553008A - 応力誘起欠陥を緩和するための炭素ｃｖｄ堆積法 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023553008000001
方法は、基板が中に位置決めされた処理空間内に炭素含有前駆体及びキャリアガスを流すことと、基板支持体に第１のＲＦバイアスを印加することによって前記処理空間内にプラズマを生成して基板上に炭素膜の第１の部分を堆積させることと、処理空間内にプラズマを維持するためにキャリアガスの流れを維持しながら炭素含有前駆体の流れを終了させることとを含む。この方法はまた、処理空間内に窒素含有ガスを流し、プラズマの存在下で窒素含有ガスをイオン化することと、イオン化した窒素含有ガスに炭素膜を上に有する基板を３秒未満の時間曝露することと、プラズマを維持しながら窒素含有ガスの流れを終了し、プラズマの存在下で処理空間内に炭素含有前駆体を再導入して炭素膜の第２の部分を堆積させることとを含む。
【選択図】図２Ａ

Description

［０００１］本開示の実施態様は概して、半導体デバイスの製造に利用される装置及び方法に関する。より具体的には、本開示の実施態様は、炭素ハードマスクなどの炭素含有膜を堆積させる方法に関する。
［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、キャパシタ、及び抵抗器が搭載され得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、より迅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需要により、このような集積回路の製造に使用される材料についても、相応の要求が課されている。特に、集積回路構成要素の寸法がサブミクロン単位まで小さくなるにつれ、このような構成要素から好適な電気的性能を得るためには、低抵抗の導電性材料だけでなく、低誘電率の絶縁材料を使用する傾向がある。
［０００３］より大きな集積回路密度に対する要求は、集積回路構成要素の製造に使用される処理シーケンスにも要求を課す。例えば、高弾性、高密度のアモルファスカーボン膜を基板上に堆積させるプロセスにおいて、基板支持体上に高出力の高周波バイアスが印加される。これらの膜の厚さが増加すると、内在する応力の蓄積による欠陥も指数関数的に増加する。したがって、当該技術分野で必要とされているのは、半導体デバイスを製造するための改良された方法である。
［０００４］本開示は、概して、基板を処理する方法に関する。一実施態様では、方法は、基板が中に位置決めされた処理空間内に炭素含有前駆体及びキャリアガスを流すことと、基板支持体に第１のＲＦバイアスを印加することによって処理空間内にプラズマを生成して基板上に炭素膜の第１の部分を堆積させることと、処理空間内にプラズマを維持するためにキャリアガスの流れを維持しながら炭素含有前駆体の流れを終了させることとを含む。この方法はまた、処理空間内に窒素含有ガスを流し、プラズマの存在下で窒素含有ガスをイオン化することと、イオン化した窒素含有ガスに炭素膜を上に有する基板を３秒未満の時間曝露することと、プラズマを維持しながら窒素含有ガスの流れを終了し、プラズマの存在下で処理空間内に炭素含有前駆体を再導入して炭素膜の第２の部分を堆積させることとを含む。
［０００５］別の実施態様では、方法は、基板が中に位置決めされた処理空間内に炭素含有前駆体及びキャリアガスを流し、基板支持体に第１のＲＦバイアスを印加することによって処理空間内にプラズマを生成して基板上に炭素膜の第１の部分を堆積させることを含む。この方法はまた、炭素含有前駆体の流れ及びキャリアガスの流れを終了させることと、処理空間内にアンモニアを流し、炭素膜をアンモニアと接触させ、アンモニアの流れを終了させることと、処理空間内に炭素含有前駆体及びキャリアガスを再導入して炭素膜の第２の部分を堆積させることとを含む。
［０００６］別の実施態様では、方法は、中に基板が位置決めされた処理空間内に炭素含有前駆体ガス及び第１のキャリアガスを流すことであって、炭素含有前駆体ガス対第１のキャリアガスの比が約２：１から約１：２である、炭素含有前駆体ガス及び第１のキャリアガスを流すことと、基板支持体に第１のＲＦバイアスを印加することによって処理空間内にプラズマを生成して基板上に炭素膜の第１の部分を堆積させることであって、炭素膜の第１の部分が約１００Åから約５００Åの範囲の厚さを有する、炭素膜の第１の部分を堆積させることとを含む。方法は、さらに、処理空間内に炭素含有前駆体ガス及び第２のキャリアガスを流して基板上に炭素膜の第２の部分を堆積させることであって、炭素含有前駆体ガス対第２のキャリアガスの比が約１：５から約１：１０であり、炭素膜の第２の部分が約５Åから約３０Åの範囲の厚さを有する、炭素膜の第２の部分を堆積させることを含む。
［０００７］上述した本開示の特徴を詳細に理解し得るように、上記で簡単に要約された本開示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、一部の実施態様は添付の図面に示されている。しかしながら、添付の図面は例示的な実施態様を示しているのにすぎず、したがって、その範囲を限定するものと見做すべきではなく、本開示が他の同等に有効な実施態様を許容し得ることに注意されたい。
［０００８］本開示の一実施態様による、処理チャンバの概略側面断面図である。 ［０００９］本開示の一実施態様による堆積方法を示すフロー図である。 ［００１０］本開示の別の実施態様による堆積方法を示すフロー図である。 ［００１１］本開示の別の実施態様による堆積方法を示すフロー図である。
［００１２］理解を容易にするために、可能な場合には、図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。さらなる記述がなくても、一実施態様の要素及び特徴を他の実施態様に有益に組み込むことができると考えられる。
［００１３］本開示の実施態様は、基板処理に利用される基板処理チャンバ、及び炭素ハードマスクなどの炭素含有膜を堆積させる方法に関する。本開示の例示的な態様から受益するよう適合し得る処理チャンバ及び／又はシステムの例は、カリフォルニア州Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａに所在するＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．から市販されている、ＰＩＯＮＥＥＲＴＭ ＰＥＣＶＤシステムを含む。その他の処理チャンバ及び／又は処理プラットフォーム（その他の製造業者によるものを含む）も本開示の態様から受益するよう適合し得ると想定される。
［００１４］図１は、堆積プロセスの実施に適した、例示的な処理チャンバ１００の概略側面断面図である。一実施態様では、処理チャンバ１００は、ハードマスク膜、例えばアモルファスカーボンハードマスク膜などの基板上に高度なパターニング膜を堆積させるように構成される。処理チャンバ１００は、リッド１９５、チャンバ本体１９２上に配置されたスペーサ１１０、基板支持体１１５、及び可変圧力システム１２０を含む。リッド１９５と基板支持体１１５との間のスペーサ１１０の内部には、処理空間１６０が存在する。
［００１５］リッド１９５は、第１の処理ガス源１４０に連結されている。第１の処理ガス源１４０には、基板支持体１１５上に支持された基板１１８上に膜を形成するための前駆体ガスなどの処理ガスが含まれる。一例として、前駆体ガスは、とりわけ、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）などの炭素含有ガス、キャリアガス、窒素含有ガス、水素ガス、及び／又はヘリウムなどのガスのうちの１つ又は複数を含む。
［００１６］第２の処理ガス源１４２が、スペーサ１１０を通って配置された入口１４４を介して処理空間１６０に流体的に連結されている。第２の処理ガス源１４２には、第１の処理ガス源１４０に関して上記で規定したような、前駆体ガスなどの処理ガスが含まれる。一例では、第１の処理ガス源１４０及び第２のプロセスガス源１４２は、それぞれ複数の異なるガスの流れを処理空間１６０に貯蔵及び制御するガスボックスであってもよい。
［００１７］他の実施態様と組み合わせられ得るいくつかの実施態様では、処理空間１６０への前駆体ガスの総流量は、約１００ｓｃｃｍから約２ｓｌｍである。第２の処理ガス源１４２から処理空間１６０内への前駆体ガスの流量は、組み合わされた前駆体ガスが処理空間１６０内に均一に分布するように、第１の処理ガス源１４０から処理空間１６０内への前駆体ガスの流量を調節する。一例では、複数の入口１４４がスペーサ１１０の周囲に円周方向に分布している。そのような例では、入口１４４のそれぞれへのガス流は、処理空間１６０内の前駆体ガスの均一な分配をさらに容易にするために、別々に制御される。
［００１８］リッド１９５は、ドーム、ノズル又はシャワーヘッドなどの、ガス分配器１９６を含む。ガス分配器１９６は、ライザ１０５を介してスペーサ１１０に連結されているが、ライザ１０５が省略されてもよく、ガス分配器１９６がスペーサ１１０に直接連結されてもよいことが想定される。他の実施態様と組み合わされ得るいくつかの実施態様では、ライザ１０５はガス分配器１９６と一体化されている。リッド１９５は熱交換器１２４を含む。熱交換器１２４は、ガス分配器１９６に取り付けられているか、又はガス分配器１９６と一体化されている。熱交換器１２４は、入口１２６と出口１２８とを含む。熱交換器１２４がガス分配器１９６と一体化されている実施態様では、熱交換流体は、入口１２６から流れ、ガス分配器内１９６に形成されたチャネル１３０を通り、出口１２８から出る。
［００１９］ガス分配器１９６は、マニホールド１４６に連結されているか又はマニホールド１４６と一体化されている。ガス分配器１９６は、導管１５０を通るプラズマの流れを容易にするための軸方向貫通孔１５２を有する混合アンプルなどの導管１５０によって、遠隔プラズマ源１６２に連結されている。導管１５０はマニホールド１４６に連結されているように図示されているが、導管１５０がガス分配器１９６に直接連結されるようにマニホールド１４６が導管１５０と一体化されていてもよいことが想定される。マニホールド１４６は、第１の処理ガス源１４０及びパージガス源１５６に連結されている。第１の処理ガス源１４０及びパージガス源１５６はどちらも、バルブ（図示せず）によってマニホールド１４６に連結され得る。
［００２０］リッド１９５は遠隔プラズマ源１６２に連結され得るが、いくつかの実施態様では、遠隔プラズマ源１６２は省略される。遠隔プラズマ源１６２は、存在する場合、処理空間１６０に洗浄ガスを提供するための供給ラインを介して洗浄ガス源１６６に連結されている。遠隔プラズマ源１６２が存在しない場合、洗浄ガス源１６６は、導管１５０に直接連結されている。遠隔プラズマ源１６２が存在しない場合、洗浄ガス源１６６は、導管１５０に間接的に連結されている。洗浄ガスは、導管１５０を通じて提供される。追加的に又は代替的に、いくつかの実施態様では、洗浄ガスは、前駆体ガスも処理空間１６０内に搬送するチャネルを通じて提供される。一例として、ガスは、分子状酸素（Ｏ２）及び／又はオゾン（Ｏ３）などの酸素含有ガスを含み得る。一例として、洗浄ガスは、ＮＦ３などのフッ素含有ガスを含み得る。一例として、洗浄ガスは、１つ又は複数の他のガスを含み得る。一例として、洗浄ガスは、ガスの組み合わせを含み得る。
［００２１］遠隔プラズマ源１６２に加えて、又はその代わりとして、リッド１９５は、第１の、又は上部の高周波（ＲＦ）電源１６８に連結されている。第１のＲＦ電源１６８は、洗浄ガスから生成されたプラズマなどのプラズマの維持又は生成を容易にする。遠隔プラズマ源１６２が省略される実施態様では、洗浄ガスは、第１のＲＦ電源１６８を介してその場でプラズマにイオン化され得る。基板支持体１１５は、第２の、又は下部のＲＦ電源１７０に連結されている。第１のＲＦ電源１６８は、高周波ＲＦ電源（例えば、約１３．５６ＭＨｚから約１２０ＭＨｚ）であってもよく、第２のＲＦ電源１７０は、低周波ＲＦ電源（例えば、約２ＭＨｚから約１３．５６ＭＨｚ）であってもよい。その他の周波数も想定されることに、留意されたい。いくつかの実装形態では、第２のＲＦ電源１７０は、混合周波数ＲＦ電源であり、高周波と低周波の両方の電力を提供する。２周波ＲＦ電源の利用、特に第の２ＲＦ電源１７０の利用は、膜の堆積を向上させる。一例では、約２ＭＨｚから約１３．５６ＭＨｚの第１の周波数は堆積された膜への種の注入を改善し、約１３．５６ＭＨｚから約１２０ＭＨｚの第２の周波数はイオン化と堆積された膜の堆積速度を向上させる。
［００２２］第１のＲＦ電源１６８及び第２のＲＦ電源１７０の一方又は両方は、処理空間１６０内にプラズマを作成又は維持する際に利用され得る。例えば、第２のＲＦ電源１７０は、堆積プロセス中に利用されてもよく、第１のＲＦ電源１６８は、洗浄プロセス中に利用されてもよい（単独で又は遠隔プラズマ源１６２と組み合わせて）。いくつかの堆積プロセスでは、第１のＲＦ電源１６８は、第２のＲＦ電源１７０と併せて使用される。堆積プロセス中、第１のＲＦ電源１６８及び第２のＲＦ電源１７０の一方又は両方は、前駆体ガスのイオン化を容易にするために、処理空間１６０に約１００ワット（Ｗ）から約２０，０００Ｗの電力を提供する。本明細書に記載される他の実施態様と組み合わせることができる一実施態様では、第１のＲＦ電源１６８及び第２のＲＦ電源１７０の少なくとも１つはパルス状である。本明細書に記載される他の実施態様と組み合わせることができる別の実施態様では、前駆体ガスはヘリウム及びＣ２Ｈ２を含む。本明細書に記載される他の実施態様と組み合わせることができる一実施態様では、Ｃ２Ｈ２は約１０ｓｃｃｍから約１，０００ｓｃｃｍの流量で提供され、ヘリウムは約５０ｓｃｃｍから約１０，０００ｓｃｃｍの流量で提供される。
［００２３］基板支持体１１５は、Ｚ方向へのその移動を提供するアクチュエータ１７２（例えば、リフトアクチュエータ）に連結されている。基板支持体１１５はまた、第２のＲＦ電源１７０だけでなく、他の電力及び／又は流体接続との連通を維持しながら、基板支持体１１５の垂直移動を可能にするフレキシブルな設備ケーブル１７８に連結されている。スペーサ１１０は、チャンバ本体１９２上に配置される。スペーサ１１０の高さは、処理空間１６０内で基板支持体１１５を垂直に移動させることを可能にする。スペーサ１１０の高さは、約０．５インチから約２０インチであり得る。一例では、基板支持体１１５は、リッド１９５に対して（例えば、ガス分配器１９６のデータム１８０に対して）第１の距離１７４から第２の距離１７６まで移動可能である。一実施態様では、第２の距離１７６は、第１の距離１７４の約３分の２である。例えば、第１の距離１７４と第２の距離との間の差は、約５インチから約６インチであり得る。したがって、図１に示す位置から、基板支持体１１５は、ガス分配器１９６のデータム１８０に対して約５インチから約６インチ移動可能である。別の例では、基板支持体１１５は、第１の距離１７４及び第２の距離１７６のうちの一方で固定される。
［００２４］従来のプラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスとは対照的に、スペーサ１１０は、基板支持体１１５とリッド１９５との間の距離を大幅に増加させる（したがって、間の空間を増加させる）。基板支持体１１５とリッド１９５との間の距離が長くなることで、処理空間１６０内でのイオン化種の衝突が減少し、３００メガパスカル（ＭＰａ）未満、例えば２５０ＭＰａの応力といった固有応力の少ない膜の堆積をもたらす。応力の少ない堆積された膜は、膜が上に形成される基板の平坦性を向上させる（例えば、反りを少なくする）ことを容易にする。基板の反りが少なくなることで、下流のパターニング動作の精度が向上する。
［００２５］可変圧力システム１２０は、第１のポンプ１８２及び第２のポンプ１８４を含む。第１のポンプ１８２は、洗浄プロセス及び／又は基板搬送プロセス中に利用され得る粗引きポンプである。粗引きポンプは、概して、より高い体積流量の移動、及び／又は比較的高い（それでも大気圧以下であるが）圧力の操作のために構成されている。一例では、第１ポンプ１８２は、洗浄プロセス中に処理チャンバ１００内の圧力を５０ｍＴｏｒｒ未満に維持する。別の例では、第１のポンプ１８２は、処理チャンバ１００内の圧力を約０．５ｍＴｏｒｒから約１０Ｔｏｒｒに維持する。洗浄動作中の粗引きポンプの利用は、洗浄ガスの圧力及び／又は体積流量が比較的高くなることを容易にする（堆積動作と比較して）。洗浄動作中の圧力及び／又は体積流量が比較的高いため、チャンバ表面の洗浄が向上する。
［００２６］第２のポンプ１８４は、ターボポンプ又は極低温ポンプである。第２のポンプ１８４は、堆積プロセス中に利用される。第２のポンプ１８４は、概して、比較的低い体積流量及び／又は圧力を動作させるように構成されている。例えば、第２のポンプ１８４は、処理チャンバの処理空間１６０を約５０ｍＴｏｒｒ未満の圧力に維持するように構成されている。別の例では、第２のポンプ１８４は、処理チャンバ内の圧力を約０．５ｍＴｏｒｒから約１０Ｔｏｒｒに維持する。堆積中に維持される処理空間１６０の圧力が低下することにより、炭素系ハードマスクを堆積させる際に、応力が低下した膜及び／又はｓｐ２－ｓｐ３変換が増加した膜の堆積が容易になる。このように、処理チャンバ１００は、堆積を改善するための比較的低い圧力と、洗浄を改善するための比較的高い圧力との両方を利用するように構成されている。
［００２７］本明細書に記載される他の実施態様と組み合わせることができるいくつかの実施態様では、第１のポンプ１８２及び第２のポンプ１８４の両方が、処理チャンバの処理空間１６０を約５０ｍＴｏｒｒ未満の圧力に維持するために堆積プロセス中に利用される。他の実施態様では、第１のポンプ１８２及び第２のポンプ１８４は、処理空間１６０の圧力を約０．５ｍＴｏｒｒから約１０Ｔｏｒｒに維持する。第１ポンプ１８２及び第２ポンプ１８４の一方又は両方への導電経路を制御するために、バルブ１８６が利用される。バルブ１８６はまた、処理空間１６０からの対称的なポンピングを提供する。
［００２８］処理チャンバ１００は、基板搬送ポート１８５も含む。基板搬送ポート１８５は、内部ドア１９０及び外部ドア１９１の一方又は両方によって選択的に封止されている。ドア１９０及び１９１のそれぞれは、アクチュエータ１８８（すなわち、ドアアクチュエータ）に連結されている。ドア１９０及び１９１は、処理空間１６０の真空封止を容易にする。ドア１９０及び１９１はまた、処理空間１６０内で対称的なＲＦ印加及び／又はプラズマの対称性を提供する。一例では、少なくとも内部ドア１９０は、ステンレス鋼、アルミニウム、又はそれらの合金など、ＲＦ電力の伝導を容易にする材料で形成されている。スペーサ１１０とチャンバ本体１９２の界面に配置されたＯリングなどのシール１９３は、処理空間１６０をさらに封止することができる。コントローラ１９４は、処理中にチャンバ１００の態様を制御するよう構成されている。制御は、本明細書に記載された１つ又は複数の方法を実行するためのハードウェア及びソフトウェアを含む。
［００２９］動作において、処理チャンバ１００は、基板上にアモルファスカーボン膜を堆積させるために利用される。従来のプロセスでは、欠陥が発生し、低品質の膜が生成される。これらの膜の厚さが増加すると、欠陥の発生は指数関数的に増加する。しかし、プラズマベースの間欠処理による応力緩和又は新規の処理化学など、本明細書に記載された方法を使用することにより、欠陥が低減される。
［００３０］図２Ａは、炭素膜などの膜における固有応力の蓄積を緩和するためのプラズマベースの処理のための方法２００を図示する。動作２０２において、基板支持体１１５（図１に示す）によって支持される基板１１８上に、ＰＥＣＶＤを介して炭素のバルク層が堆積される。動作２０２では、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）などの炭素含有前駆体ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）などのキャリアガスが、処理チャンバの処理空間に導入されてイオン化され、容量結合プラズマが形成される。Ｃ２Ｈ２とＨｅは、基板上の炭素膜の堆積を容易にする。動作２０２は、約３０秒から約１２０秒、例えば約４５秒から約７５秒の時間にわたって生じ得る。炭素膜は、約１Åから約１０００Å、例えば約１００Åから約５００Åの範囲の第１の厚さに基板上に堆積される。処理チャンバの内部空間は、炭素膜堆積中に約３ｍＴｏｒｒから約２０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力に維持される。炭素含有ガスの流量は、約３０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの範囲である。炭素膜堆積中の基板の温度は、約１０℃から約２０℃の範囲である。基板上への堆積の結果、基板を収容する処理チャンバ内の内部表面上にも炭素が堆積する。基板支持体とガス分配器との間の間隔の増加（例えば、約４インチから約１８インチ、例えば約６インチから約１６インチ、例えば約７インチから約１４インチ、例えば約１１インチから約１４インチ）に応じて作成される処理チャンバの比較的大きな処理空間により、基板上に堆積された膜は、チャンバの表面上に堆積した膜よりも低い固有応力で、多量のｓｐ３炭素を含む。動作２０２では、炭素含有前駆体としてＣ２Ｈ２ガスが記載されているが、他の炭素含有前駆体ガスも想定される。
［００３１］動作２０４において、炭素含有前駆体（例えば、アセチレン）の流れは、プラズマを消滅させることなく停止される（例えば、キャリアガスの流れは続く）。その他の処理条件はすべて、変更されないままであってもよい。キャリアガスを流し続け、ＲＦ電力を印加し続けることにより、処理チャンバ内に（キャリアガスの）プラズマが維持される。
［００３２］動作２０６において、窒素含有ガスが処理空間に導入され、窒素含有プラズマが生成される。窒素含有プラズマが生成されている間、基板は処理空間内に留まるため、処理スループットが向上することに留意されたい。窒素含有ガスには、アンモニア（ＮＨ３）、二原子窒素（Ｎ２）、又は三フッ化窒素（ＮＦ３）のうちの１つ又は複数が含まれる。ＮＦ３を利用する場合、ＮＦ３の基板への曝露時間が比較的短いこと（約５秒以下など）、及び後述の他のプロセス条件により、フッ素による炭素膜のエッチングが最小限に抑えられる。窒素含有プラズマは、炭素含有前駆体の非存在下で、約５秒未満又は約３秒未満、例えば約０．５秒から約３秒、例えば１秒の期間、維持される。窒素含有プラズマは、全堆積時間の約１％から約２％維持される（例えば、動作２０６中の処理時間は、動作２０２及び２０６の上部の処理時間の約１％から約２％である）。窒素含有プラズマが維持されている間、処理チャンバの内部空間は約３ｍＴｏｒｒから約２０ｍＴｏｒｒの圧力に維持される。窒素含有ガスの流量は、約３０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍである。基板の温度は、約１０℃から約２０℃の範囲である。窒素含有プラズマは、約１Åから約１０００Å、例えば約１００Åから約５００Åの範囲の厚さを有する炭素膜の堆積の後に導入される。
［００３３］窒素含有プラズマへの基板の曝露時間が比較的小さいため、基板上の得られる炭素膜に、最小限の窒素が取り込まれるか又は窒素は全く取り込まれない。しかし、炭素膜を窒素に曝露すると、堆積された炭素膜の固有応力が低減される。例えば、基板上の炭素膜を窒素に曝露することにより、基板上の炭素膜の固有応力が低減され、反りの発生が抑えられ、下流の処理精度が向上する。同様に、処理チャンバの内部表面上の炭素膜を窒素に曝露することにより、処理チャンバ内表面の炭素膜の固有応力が低減される。処理チャンバの内部表面上に堆積した炭素膜は、基板上に堆積した炭素膜よりも品質が低い（例えば、ｓｐ３炭素が少ない）。動作２０６の窒素への曝露は、基板上に堆積された高品質の炭素膜よりも、チャンバ部品上の低品質の炭素膜の固有応力を低減する効果が大きい。この応力の低減により、内部チャンバ表面上の炭素膜の亀裂／剥離の発生を低減させ（これは窒素含有プラズマ曝露を行わない場合、膜厚が増加するにつれて指数関数的に増加する）、それにより基板上の汚染を低減する。さらに、基板上の炭素膜への窒素の取り込みが最小限であるため、本明細書に記載される窒素曝露プロセスを含まない同様のプロセスと比べて、炭素膜の特性を変化させることはない。
［００３４］動作２０８において、窒素含有ガスの流れは、プラズマを消滅させることなく停止される。プロセスを通じてプラズマ点火を維持することにより、窒素含有プラズマへの最小限の曝露、及び窒素含有ガスと炭素含有前駆体との間の迅速な移行が容易になる。動作２１０において、所望の膜厚に達するまで動作２０２から２０８が繰り返される。基板１１８などの基板上に形成される結果として生じる膜厚は、約５０００Åから約３．５ミクロンの間、例えば１ミクロンと約３ミクロンの間であり得る。動作２０６のような断続的な処理を含めることにより、１ミクロン以上の炭素ハードマスク膜を堆積する場合、洗浄間の時間（又は堆積プロセス）を延長してスループットを向上させながら、汚染の発生を低減することができる。
［００３５］図２Ｂは、本開示の別の実施態様による堆積方法２５０を示すフロー図である。方法２５０は、工程２１２で開始する。動作２１２において、基板支持体１１５（図１を参照）によって支持される基板１１８上に、ＰＥＣＶＤを介して炭素のバルク層が堆積され、炭素膜を形成する。堆積プロセスの結果、処理チャンバの内面にも炭素膜が堆積される。動作２１２では、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）などの炭素含有前駆体ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）などのキャリアガスが、処理チャンバの処理空間に導入されてイオン化され、容量結合プラズマが形成される。Ｃ２Ｈ２とＨｅは、基板上の炭素膜の堆積を容易にする。炭素膜は、約１Åから約１０００Å、例えば約１００Åから約５００Åの範囲の第１の厚さに基板上に堆積される。動作２０２は、約３０秒から約１２０秒、例えば約４５秒から約７５秒の時間にわたって生じ得る。動作２１２では、炭素含有前駆体としてＣ２Ｈ２ガスが記載されているが、他の炭素含有前駆体ガスも想定される。
［００３６］動作２１４において、炭素含有前駆体の流れは停止され、ＲＦ電力の印加が中断し、プラズマが消滅する。キャリアガスの流れは継続される。その他の処理条件はすべて変更されないままで、プロセス間の迅速な移行を容易にし、スループットが向上する。
［００３７］動作２１６において、ＮＨ３ガスが、任意選択的にヘリウムなどのキャリアガスと併せて、処理空間１６０に導入される。ＮＨ３ガスが処理空間内へ導入されている間、基板は処理空間内に留まるため、処理スループットが向上することに留意されたい。ＮＨ３の孤立電子対を利用して、膜上に炭酸水素表面が作成される。得られた炭素膜内には窒素はほとんど取り込まれない。ＮＨ３は触媒として作用し、その後の炭素堆積のための結合を促進する。ＮＨ３ガスは、炭素含有前駆体プラズマの非存在下で、約５秒未満又は約３秒未満、例えば約０．５秒から約３秒、例えば約１秒の期間、導入される。ＮＨ３ガスは、全堆積時間の約１％から約２％維持される（例えば、動作２１６は、動作２１２及び２１６の組み合わせた合計時間の約１％から約２％で生じる）。ＮＨ３ガスは、約１Åから約１０００Å、例えば約１００Åから約５００Åの範囲の炭素膜の堆積後に導入される。ＮＨ３ガスの短い曝露時間は、アンモニア終端表面を作成するのに十分であり、これが炭素結合を改善する触媒として作用し、それによって処理チャンバの内面からの炭素膜の剥離を低減する。処理チャンバの内部表面上に堆積した炭素膜は、基板上に堆積した炭素膜よりも品質が低い（例えば、ｓｐ３含有量が低減している）。動作２１６のＮＨ３への曝露は、基板上に堆積された高品質の炭素膜よりも、チャンバ部品上の低品質の炭素膜の固有応力を低減する効果が大きい。この応力の低減により、チャンバ表面上の炭素膜の亀裂／剥離の発生を低減させ（これは窒素含有プラズマ曝露を行わない場合、膜厚が増加するにつれて指数関数的に増加する）、それにより基板上の汚染を低減する。処理チャンバの内部空間は、動作２１６中に約３ｍＴｏｒｒから約２０ｍＴｏｒｒの圧力で導入される。ＮＨ３ガスの流量は、約３０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの範囲である。動作２１６中の基板の温度は、約１０℃から約２０℃の範囲である。一例では、ＮＨ３は、動作２１６中、気体状態のままである。
［００３８］動作２１８において、ＮＨ３ガスの流れは停止され、その間、すべての他の処理条件は変更されないままである。動作２２０において、所望の膜厚に達するまで動作２１２から２１８が繰り返される。基板１１８などの基板上に形成される結果として生じる膜は、約５０００Åから約３．５ミクロンの間、例えば約１ミクロンと約３ミクロンの間の厚さであり得る。
［００３９］図３は、本開示の別の実施態様による、炭素ハードマスクなどの、炭素膜の堆積方法３００を示すフロー図である。方法３００は、固有応力欠陥を緩和するために、基板上及び処理チャンバの内面への超薄膜の堆積を含み、上述の方法２００又は方法２５０のいずれかと組み合わせて使用することができる。
［００４０］方法３００は、動作２０２で開始する。動作３０２において、基板支持体１１５（図１を参照）によって支持される基板１１８上に、ＰＥＣＶＤを介して炭素のバルク層が堆積され、炭素膜を形成する。堆積プロセスの結果、処理チャンバの内面にも炭素膜が堆積される。動作３０２では、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）などの炭素含有材料と、ヘリウム又はアルゴンなどのキャリアガスとは、処理チャンバの処理空間へ導入され、イオン化されて容量結合プラズマを形成する。炭素含有前駆体及びキャリアガスは、基板上への炭素膜の堆積を容易にする。炭素膜は、約１Åから約１０００Å、例えば約１００Åから約５００Åの範囲の第１の厚さに基板上に堆積される。動作３０２は、約３０秒から約１２０秒、例えば約４５秒から約７５秒の時間にわたって生じ得る。動作３０２では、炭素含有前駆体としてＣ２Ｈ２ガスが記載されているが、他の炭素含有前駆体ガスも想定される。炭素含有前駆体（例えば、Ｃ２Ｈ２）対キャリアガス（例えば、Ｈｅ）流量の比は、動作３０２中、約１：１から約１：１０、例えば、約１：２である。炭素含有前駆体ガスは、約３０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの範囲の流量で処理チャンバに提供される。基板の温度は、約１０℃から約２０℃の範囲内で堆積中に維持される。処理空間１６０の圧力は、約３ｍＴｏｒｒから約２０ｍＴｏｒｒに維持される。
［００４１］動作３０４において、炭素含有前駆体ガス及びキャリアガスのプロセス化学は、例えば、キャリアガスの切り替え、追加のキャリアガスの導入、又は窒素含有ドーパントの導入によって、変更される。その他のプロセス化学の変化には、キャリアガス対炭素含有ガスの比を調整すること、又はチャンバ内の圧力、流量、ＲＦ電力、若しくはバイアス電力のうちの１つ又は複数を調整することが含まれてもよく、これらは処理空間内のラジカルの組成（例えば、ラジカル種及び／又はその間の相対比率）に直接又は間接的に影響を与える場合がある。一例では、動作３０２で炭素含有前駆体対キャリアガスの比が１：１であるのに対し、動作３０４で炭素含有前駆体対キャリアガスの比を１：５から１：１０の範囲内に調整することができる。炭素含有前駆体対キャリアガスの比を変えることにより（又は上記の他のやり方でプロセス化学を変えることにより）、膜の応力及び微細構造を変化させることができる。前駆体ガス対不活性ガスの比、プラズマ電力、及び圧力を調整することにより、プラズマ中の種が結果的に変化し、炭素膜の応力及び微細構造を制御することができる。動作３０４で堆積された膜の厚さは、約１Åから約５０Åの間、例えば約５Åから約３０Åの間であり得る。
［００４２］別の実施態様では、動作３０４で窒素がドープされた膜が堆積される。この実施態様では、窒素又はＮＨ３などの窒素系化合物は、膜の形状を制御するなどして、チャンバ本体への膜応力を制御する。ＮＨ３の孤立電子対は、炭素含有前駆体を分解する触媒として機能し、その結果、より優れた凝集力を備えた膜が成長する。この実施態様では、炭素含有前駆体及びキャリアガスに加えて、窒素含有ガスが約２０ｓｃｃｍから約１００ｓｃｃｍの流量で導入される。堆積された膜の窒素の濃度は約５原子％未満である。この実施態様では、炭素含有ガス対キャリアガスの流量比は１：１である。動作３０４で堆積された膜の厚さは、約１Åから約５０Åの間、例えば約５Åから約３０Åの間であり得る。動作３０４で堆積される窒素がドープされた膜は、動作３０２で堆積された炭素の約１００Åから約５００Åの堆積の後など、繰り返し発生し、層状の結果的な膜をもたらす。
［００４３］さらに別の実施態様では、アルゴンプラズマを利用して、動作３０４で炭素膜を堆積させる。ヘリウムの代わりにアルゴンプラズマが使用されてもよい。アルゴンとヘリウムとの間の変化した電子温度により、Ｃ２Ｈ２は異なって分解し（例えば、異なるラジカルに、及び／又はラジカルの異なる比に）、プラズマ密度を制御し、動作３０４で堆積された膜の微細構造を調節する。したがって、単一の炭素含有前駆体を使用するが、キャリアガスを交互に使用しながら、炭素膜は、基板上（及びそれに応じて処理チャンバの内面上）に堆積され得る。アルゴン及びヘリウムが例として使用されているが、他のキャリアガス（処理不活性ガス及び／又は希ガスなど）が動作３０２及び３０４において使用され得ることが想定される。したがって、堆積中に異なるタイミングで異なるキャリアガス組成を使用するだけで、堆積された膜の特性を調整することができる。
［００４４］動作３０６において、所望の膜厚に達するまで動作３０２から３０４が繰り返される。基板１１８などの基板上に形成される結果として生じる膜厚は、約１ミクロンと約３ミクロンの間の厚さである。
［００４５］本明細書で提供される実施例は、炭素膜の固有応力を調整し、基板の想定外の反りを緩和し、チャンバ部品からの炭素膜の剥離を緩和する。本明細書に記載される処理プロセスは、基板をチャンバの処理環境に残したまま行うことができ、スループットは向上するが、基板上の炭素ハードマスクなどの炭素膜をプロセス仕様内に維持したまま行うことができる。
［００４６］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しない限り、本開示の他の実施態様及びさらなる実施態様を考案してもよい。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 (20)

  1. 基板を処理する方法であって、
    基板が中に位置決めされた処理空間内に炭素含有前駆体及びキャリアガスを流すことと、
    基板支持体に第１のＲＦバイアスを印加することによって前記処理空間内にプラズマを生成して、前記基板上に炭素膜の第１の部分を堆積させることと、
    前記処理空間内に前記プラズマを維持するために前記キャリアガスの流れを維持しながら、前記炭素含有前駆体の流れを終了させることと、
    前記処理空間内に窒素含有ガスを流し、前記プラズマの存在下で前記窒素含有ガスをイオン化することと、
    イオン化した前記窒素含有ガスに、前記炭素膜を上に有する前記基板を３秒未満の期間、曝露することと、
    前記プラズマを維持しながら前記窒素含有ガスの流れを終了することと、
    前記プラズマの存在下で前記処理空間内に前記炭素含有前駆体を再導入して、前記炭素膜の第２の部分を堆積させることと
    を含む、方法。
  2. 前記基板が、約１０℃から約２０℃の範囲内の温度で維持される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記処理空間が、約３ｍＴｏｒｒから約２０ｍＴｏｒｒの範囲内の圧力で維持される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記炭素含有前駆体の流量が、約３０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの範囲内である、請求項１に記載の方法。
  5. 前記炭素含有前駆体が、約３０秒間から約１２０秒間導入される、請求項１に記載の方法。
  6. 前記炭素膜が、約１ミクロンと約３ミクロンの最終的な総厚まで堆積される、請求項１に記載の方法。
  7. 前記炭素含有前駆体がアセチレンである、請求項１に記載の方法。
  8. 基板を処理する方法であって、
    基板が中に位置決めされた処理空間内に炭素含有前駆体及びキャリアガスを流すことと、
    基板支持体に第１のＲＦバイアスを印加することによって前記処理空間内にプラズマを生成して、前記基板上に炭素膜の第１の部分を堆積させることと、
    前記炭素含有前駆体の流れ及び前記キャリアガスの流れを終了させることと、
    前記処理空間内にアンモニアを流し、前記炭素膜を前記アンモニアと接触させることと、
    前記アンモニアの流れを終了させることと、
    前記処理空間内に前記炭素含有前駆体及び前記キャリアガスを再導入して前記炭素膜の第２の部分を堆積させることと
    を含む、方法。
  9. 前記アンモニアが、３秒未満の時間、前記処理空間内に流される、請求項８に記載の方法。
  10. 前記アンモニアが気体状態のままである、請求項８に記載の方法。
  11. 前記炭素含有前駆体の流量が、約３０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの範囲内である、請求項８に記載の方法。
  12. 前記炭素含有前駆体が、約３０秒間から約１２０秒間導入される、請求項８に記載の方法。
  13. 前記アンモニアが、約０．５秒間から約３秒間導入される、請求項８に記載の方法。
  14. 前記炭素膜が、約１ミクロンと約３ミクロンの最終的な総厚まで堆積される、請求項８に記載の方法。
  15. 前記炭素含有前駆体がアセチレンである、請求項８に記載の方法。
  16. 基板を処理する方法であって、
    中に基板が位置決めされた処理空間内に炭素含有前駆体ガス及び第１のキャリアガスを流すことであって、前記炭素含有前駆体ガス対前記第１のキャリアガスの比が約２：１から約１：２である、炭素含有前駆体ガス及び第１のキャリアガスを流すことと、
    基板支持体に第１のＲＦバイアスを印加することによって前記処理空間内にプラズマを生成して、前記基板上に炭素膜の第１の部分を堆積させることであって、前記炭素膜の前記第１の部分が約１００Åから約５００Åの範囲の厚さを有する、炭素膜の第１の部分を堆積させることと、
    前記処理空間内に前記炭素含有前駆体ガス及び第２のキャリアガスを流して前記基板上に炭素膜の第２の部分を堆積させることであって、前記炭素含有前駆体ガス対前記第２のキャリアガスの比が約１：５から約１：１０であり、前記炭素膜の前記第２の部分が約５Åから約３０Åの範囲の厚さを有する、炭素膜の第２の部分を堆積させることと
    を含む、方法。
  17. 前記第１のキャリアガスがヘリウムであり、前記第２のキャリアガスがアルゴンである、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記炭素含有前駆体ガスがアセチレンである、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記第１のキャリアガスが前記第２のキャリアガスと同じである、請求項１６に記載の方法。
  20. 前記炭素膜が、ハードマスクであり、約１ミクロンと約３ミクロンの最終的な総厚まで堆積される、請求項１６に記載の方法。
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