TW201438062A - 使用雙射頻偏壓頻率施加方式的非晶碳沉積方法 - Google Patents

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Kwangduk Douglas Lee
Won-Seok Lee
Martin Jay Seamons
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Abstract

本文提供一種用於形成具有所要的薄膜機械強度、低薄膜應力以及光學薄膜性質之非晶碳層之方法。在一實施例中，一種形成非晶碳層之方法包括以下步驟：藉由施加射頻電源形成供應於處理腔室中包括烴氣之沉積氣體混合物之電漿；對設置於處理腔室中之第一電極施加低頻率射頻偏壓功率及高頻率射頻偏壓功率；控制該高頻率射頻偏壓功率與低頻率射頻偏壓功率之功率比；及在設置於處理腔室中之基板上形成非晶碳層。

Description

使用雙射頻偏壓頻率施加方式的非晶碳沉積方法
本發明係關於積體電路之製造，且係關於用於在基板上形成具有高蝕刻選擇性及良好的機械強度之硬遮罩層之製程。更特定而言，本發明係關於用於在半導體應用之基板上製造具有高蝕刻選擇性、良好的機械強度及低應力之非晶碳層之製程。
積體電路已逐步發展為在單一晶片上可包括數百萬之電晶體、電容器及電阻器之複雜裝置。晶片設計之發展不斷地要求更快的電路及更大的電路密度。對具有更大電路密度之更快的電路的需求，對用於製造該等積體電路之材料提出了相應的需求。詳言之，由於積體電路組件之尺寸經縮減為亞微米尺度(sub-micron scale)，現需要使用低電阻率導電材料(例如銅)以及低介電常數(介電常數約小於4)絕緣材料，以獲取該等組件之適當電氣性能。
對更大的積體電路密度之需求亦對用於製造積體電路組件之製程次序提出需求。舉例而言，在使用習知的微影 技術之製程次序中，在設置於基板上之材料層之堆疊上形成能量敏感抗蝕層。該能量敏感抗蝕層曝露於圖案之圖像，以形成光阻遮罩。其後，使用蝕刻製程將遮罩圖案轉印(transferred)至堆疊之一或更多材料層。用於蝕刻製程之化學蝕刻劑經選擇對於該堆疊之材料層之蝕刻選擇性比對於能量敏感抗蝕遮罩之蝕刻選擇性更大。亦即，化學蝕刻劑蝕刻該材料堆疊之一或更多層之速度比蝕刻該能量敏感抗蝕劑之速度要快得多。對該堆疊之一或更多材料層之蝕刻選擇性大於對該抗蝕遮罩之蝕刻選擇性，防止在圖案轉印完成之前消耗該能量敏感抗蝕遮罩。因此，高選擇性之蝕刻劑增強精確的圖案轉印(pattern transfer)。
由於技術的限制導致了對用於形成半導體裝置之結構的幾何形狀的限制，對用於製造具有小臨界尺寸及高深寬比之結構之精確的圖案轉印之需要已變得日益困難。舉例而言，為控制圖案解析度，已減少了能量敏感抗蝕層之厚度。由於化學蝕刻劑之侵蝕，該等薄抗蝕層(例如小於約2000Å)在圖案轉印步驟期間可能不足以遮罩下方材料層。因為中間層(稱為硬遮罩層，例如氮氧化矽、碳化矽或碳薄膜)具有更強的化學蝕刻劑抗性，該中間層常用於能量敏感抗蝕層與下方材料層之間，以促進圖案轉印。當蝕刻材料以形成具有深寬比大於約5：1及/或臨界尺寸小於約50nm之結構時，在很長一段時間內，用於將圖案轉印至材料之硬遮罩層曝露於主動蝕刻劑。長期曝露於主動蝕刻劑之後，不具有足夠的抗蝕刻性之硬遮罩層可能改變，導致不精確的圖案轉印及尺寸 控制之損失。
此外，經選定用於硬遮罩層及設置於薄膜堆疊中之相鄰層之材料的相似性亦可導致硬遮罩層與相鄰層之間具有相似的蝕刻性能，進而導致蝕刻期間之較低的選擇性。硬遮罩層與相鄰層之間之較低的選擇性可能導致該硬遮罩層的輪廓(profile)不均勻、呈楔形及變形，進而導致不良的圖案轉印及精確結構尺寸控制之失敗。
此外，沉積薄膜及/或硬遮罩層中的應力亦可導致由應力引發的接線邊緣彎曲及/或接線破裂。硬遮罩層之過高的應力可能導致基板彎曲，基板彎曲導致夾緊/鬆開基板的問題。此外，硬遮罩層之高應力亦導致該硬遮罩層具有壓縮薄膜結構，此可能導致微影術曝露製程期間的焦深問題，進而反過來影響隨後製程中之圖案轉印精確度。
因此，在本領域中需要用於隨後的微影術及蝕刻製程之改良的硬遮罩層，該硬遮罩層具有所要的薄膜性質。
本文提供一種用於形成具有所要的薄膜機械強度、低薄膜應力以及光學薄膜性質之非晶碳層之方法。在一實施例中，一種形成非晶碳層之方法包括以下步驟：藉由施加射頻電源形成供應於處理腔室中包括烴氣之沉積氣體混合物之電漿；對設置於處理腔室中之第一電極施加低頻率射頻偏壓功率及高頻率射頻偏壓功率；控制該高頻率射頻偏壓功率與低頻率射頻偏壓功率之功率比；及在設置於處理腔室中之基板上形成非晶碳層。
在另一實施例中，一種形成非晶碳層之方法包括以下步驟：形成供應於處理腔室中包括烴氣之沉積氣體混合物之電漿，該處理腔室中設置有基板；對設置於處理腔室中之第一電極施加比率在約1：10與約為10：1之間的低頻率射頻偏壓功率及高頻率射頻偏壓功率；及在設置於處理腔室中之基板上形成非晶碳層，該非晶碳層具有大於1.6g/cc之密度及小於800兆帕(MPa)壓縮力之應力。
在又另一實施例中，一種非晶碳層之方法包括以下步驟：將具有材料層之基板提供於處理腔室中；在該處理腔室中形成沉積氣體混合物之電漿；對設置於處理腔室中之電極施加比率在約1：10與約10：1之間的低頻率射頻偏壓功率及高頻率射頻偏壓功率；在設置於處理腔室中位置上的材料層上形成非晶碳層；及將該非晶碳層用作硬遮罩層蝕刻該材料層。
100‧‧‧處理腔室
101‧‧‧基板
102‧‧‧腔室主體
103‧‧‧表面
104‧‧‧蓋/內襯板
106‧‧‧內部體積
108‧‧‧側壁
110‧‧‧底部
114‧‧‧內表面
118‧‧‧內襯
126‧‧‧排氣口
128‧‧‧泵系統
130‧‧‧噴淋頭組件132'進氣埠
132"‧‧‧進氣埠
132‧‧‧進氣埠/處理腔室
134‧‧‧內部區域
136‧‧‧外部區域
138‧‧‧光學傳送區域或通道
140‧‧‧光監控系統/光學測量系統
141‧‧‧匹配網路
142‧‧‧窗
143‧‧‧射頻電源
148‧‧‧基板支撐組件
150‧‧‧控制器
158‧‧‧氣體分配盤
162‧‧‧安裝板
164‧‧‧基座
166‧‧‧靜電夾盤
168‧‧‧導管
170‧‧‧導管
172‧‧‧流體源
174‧‧‧嵌入式絕緣體
176‧‧‧加熱器/嵌入式加熱器
177‧‧‧遠端電漿源
178‧‧‧電源
180‧‧‧電極
182‧‧‧夾盤電源
184‧‧‧射頻偏壓電源/雙射頻偏壓電源
186‧‧‧射頻偏壓電源/雙射頻偏壓電源
188‧‧‧匹配電路
189‧‧‧偏壓電源
190‧‧‧溫度感測器
192‧‧‧溫度感測器
200‧‧‧處理腔室
201‧‧‧側壁
202‧‧‧真空泵
204‧‧‧夾盤電源
206‧‧‧電源
210‧‧‧控制器
212‧‧‧中央處理器
214‧‧‧支援電路
216‧‧‧記憶體
218‧‧‧訊號匯流排
220‧‧‧噴淋頭組件
222‧‧‧底壁
224‧‧‧頂部
226‧‧‧內部體積
228‧‧‧孔
230‧‧‧氣體分配盤
231‧‧‧匹配電路/匹配網路
232‧‧‧基板處理系統/處理腔室
235‧‧‧射頻偏壓電源/射頻源
237‧‧‧射頻偏壓電源/射頻源
238‧‧‧匹配網路
239‧‧‧電極
240‧‧‧射頻源/射頻電源
250‧‧‧基板支撐組件
270‧‧‧加熱元件
271‧‧‧遠端電漿源
272‧‧‧溫度感測器
300‧‧‧方法
302‧‧‧步驟
304‧‧‧步驟
306‧‧‧步驟
308‧‧‧步驟
310‧‧‧步驟
402‧‧‧材料層
404‧‧‧非晶碳層
因此，參照繪示於附圖中的本發明之實施例來提供於上文簡要概述的本發明的更詳細敘述，以達到且更詳細瞭解本發明的上述的特徵結構。
第1圖圖示適用於實施本發明之一實施例之沉積設備之示意圖；第2圖圖示適用於實施本發明之一實施例之沉積設備之示意圖的另一實施例；第3圖圖示根據本發明之一實施例之薄膜形成製程之流程圖；以及 第4A圖及第4B圖圖示根據第3圖之方法併入在基板上形成之非晶碳層的基板結構之橫截面示意圖的次序。
為便於瞭解，相同元件符號儘可能用於指定諸圖共有之相同元件可設想，本發明之一實施例之元件及特徵結構可有利地併入其他實施例而無需進一步的敘述。
然而應注意，附加圖式僅圖示本發明之示例性實施例，且因此該等圖式並不欲視為本發明之範疇的限制，因為本發明可承認其他同等有效之實施例。
本發明提供一種用於形成具有所要薄膜性質(諸如薄膜透明度、機械強度及低應力)之非晶碳層之方法。在一實施例中，非晶碳層適合用作蝕刻製程期間的硬遮罩層。藉由在非晶碳層沉積製程期間施加雙頻率射頻偏壓功率可獲取具有所要的薄膜性質之非晶碳層。在非晶碳沉積製程期間使用的雙頻率射頻偏壓功率可改變碳鍵之接合結構及接合能量，進而有效地將該非晶碳層之應力保持在較低的水平。藉由雙頻率射頻偏壓功率製程形成之非晶碳層之光學薄膜性質(諸如有利於光微影圖案化製程之所要範圍內之折射率(n)及吸收係數(k))及其他薄膜性質實質仍可保持在類似所要範圍內。
第1圖為適合使用雙頻率射頻偏壓功率沉積非晶碳層之處理腔室100之一實施例的剖視圖。可經調適成以本文所揭示之教示使用之適當的處理腔室包括(例如)可購自加利福尼亞州聖克拉拉市應用材料公司的經改進的ENABLER® 處理腔室。儘管圖示之處理腔室100包括複數個特徵結構(features)，該等特徵結構賦能使用雙頻率射頻偏壓功率之非晶碳層沉積製程，設想其他處理腔室可經調適以受益於本文所揭示之一或更多本發明之特徵結構。
處理腔室100包括腔室主體102及蓋104，蓋104封閉內部體積106。腔室主體102通常由鋁、不鏽鋼或其他適當材料製成。腔室主體102通常包括側壁108及底部110。基板存取出入口(未圖示)通常界定於側壁108中，且藉由流量閥有選擇地密封，以促進將基板101載入處理腔室100或從處理腔室100中載出。排氣口126界定於腔室主體102之內，且將內部體積106耦接至泵系統128。泵系統128通常包括用於排空處理腔室100之內部體積106且調節內部體積106之壓力之一或更多泵及節流閥。在一實施例中，泵系統128將內部體積106內之壓力保持在操作壓力，該操作壓力通常在約10mTorr與約20托之間。
蓋104密封地支撐於腔室主體102之側壁108上。可打開蓋104，以允許進入處理腔室100之內部體積106。蓋104包括有助於光學製程監控的窗142。在一實施例中，窗142由石英或其他適當材料組成，該適當材料可傳送光監控系統140使用之訊號。
光監控系統140經定位以經由窗142檢視腔室主體102之內部體積106及/或定位於基板支撐組件148上之基板101中之至少一者。在一實施例中，光監控系統140耦接至蓋104，且促進使用光學計量之整合沉積製程，以提供賦能製程 調整之資訊，以補償載入基板圖案化特徵結構不一致(諸如厚度及類似不一致)，按需要提供製程狀態監控(諸如電漿監控、溫度監控及類似監控)。可經調適受益於本發明的一個光監控系統為可購自於加利福尼亞州聖克拉拉市之應用材料公司的EyeD®全光譜干涉計量模組。
氣體分配盤158耦接於處理腔室100，以將處理氣體及/或清洗氣體提供至內部體積106。在第1圖所圖示之實施例中，在蓋104中提供進氣埠132'、132"，以允許將氣體從氣體分配盤158輸送至處理腔室100之內部體積106。
噴淋頭組件130耦接至蓋104之內表面114。噴淋頭組件130包括複數個孔口，該等孔口允許氣體按在腔室100中進行處理之基板101的表面上之預定分佈從進氣埠132流動穿過噴淋頭組件130進入處理腔室100之內部體積106。
遠端電漿源177可耦接至氣體分配盤158，以在氣體混合物進入內部體積106用於處理之前，促進氣體混合物與遠端電漿分離。射頻電源143經由匹配網路141耦接至噴淋頭組件130。射頻電源143通常能夠產生高達約3000W之功率，該功率之可調頻率在約50kHz至約13.56MHz之範圍內。
噴淋頭組件130另外包括可傳送光學計量訊號之區域。光學傳送區域或通道138適合允許光監控系統140檢視內部體積106及/或定位於基板支撐組件148上的基板101。通道138可為形成於或設置於噴淋頭組件130中的一種材料、一或多個孔，通道138實質上可傳送由光學測量系統140 生成及反射回光學測量系統140之能量的波長。在一實施例中，通道138包括窗142，以防止氣體從通道138洩漏。窗142可為藍寶石板、石英板或其他適當之材料。或者，可將窗142設置於蓋104中。
在一實施例中，噴淋頭組件130經配置具有複數個區域，該等區域允許獨立控制氣體流入處理腔室100之內部體積。在第1圖之實施例中，噴淋頭組件130以內部區域134及外部區域136經由獨立入口132分別耦接至氣體分配盤158。
基板支撐組件148設置於處理腔室100的內部體積106中在氣體分配組件130下方。在處理期間，基板支撐組件148固持基板101。基板支撐組件148通常包括設置為穿過該基板支撐組件148之複數個升舉銷(未圖示)，該等升舉銷配置成將基板101從基板支撐組件148舉起，且促進以習知方式用機器人(未圖示)交換基板101。內襯118可緊緊地外接基板支撐組件148之外圍。
在一實施例中，基板支撐組件148包括安裝板162、基座164及靜電夾盤166。安裝板162耦接至腔室主體102之底部110，安裝板162包括通道，以用於規定設施(諸如流體、電源線、感測器導線以及其他)通往基座164及靜電夾盤166之路徑。靜電夾盤166包含至少一個夾持電極180，以用於將基板101固持在噴淋頭組件130下方。如所習知，靜電夾盤180由夾盤電源182驅動，以產生將基板101固持在夾盤表面之靜電力。或者，可藉由夾持、真空或重力將基板 101固持於基板支撐組件148。
基座164或靜電夾盤166中之至少一者可包括至少一個任選嵌入式加熱器176、至少一個任選嵌入式絕緣體174及複數個導管168、170，以控制基板支撐組件148之側向溫度分佈。導管168、170流動地耦接至流體源172，該流體源在該等導管中循環溫度調節流體。加熱器176由電源178調節。導管168、170及加熱器176用於控制基座164之溫度，進而加熱及/或冷卻靜電夾盤166。可使用複數個溫度感測器190、192監控靜電夾盤166及基座164之溫度。靜電夾盤166可進一步包括諸如凹槽之複數個氣體通道(未圖示)，該等通道在夾盤166之基板支撐表面中形成，且流動地耦接至傳熱(或背部)氣體(諸如氦氣)源。在操作中，將背部氣體在可控壓力下提供至氣體通道中，以增強靜電夾盤166與基板101之間的熱傳遞。
在一實施例中，基板支撐組件148經配置為陰極，且包括耦接至複數個射頻偏壓電源184、186之電極180。射頻偏壓電源184、186耦接在設置於基板支撐組件148之電極180與另一電極(諸如噴淋頭組件130或腔室主體102之內襯板104)之間。射頻偏壓功率激發且維持電漿放電，該電漿放電由設置於腔室主體102之處理區域的氣體形成。
在第1圖所示之實施例中，雙射頻偏壓電源184、186耦接至電極180，電極180經由匹配電路188設置於基板支撐組件148中。由射頻偏壓電源184、186生成之訊號經由匹配電路188傳遞至基板支撐組件148，經由單一饋入以離子 化提供於電漿處理腔室100中之氣體混合物，進而提供用於執行沉積或其他電漿增強製程所必需的離子能量。射頻偏壓電源184、186通常能夠產生射頻訊號，該射頻訊號之頻率從約50kHz至約200MHz，且該射頻訊號之功率在約0瓦特與約5000瓦特之間。額外偏壓電源189可耦接至電極180以控制電漿之該等特徵。
在一操作模式中，基板101設置於電漿處理腔室100中的基板支撐組件148上。經由噴淋頭組件130將處理氣體及/或氣體混合物從氣體分配盤158引入至腔室主體102。此外，經由噴淋頭組件130可將額外氣體從遠端電漿源177供應至處理腔室100。真空泵送系統128在移除沉積副產物之同時維持腔室主體102內部之壓力。真空泵送系統128通常將操作壓力維持在約10mTorr至約20托之間。
射頻電源143及射頻偏壓電源184、186分別經由匹配電路141及188將獨立頻率下之射頻源及偏壓功率提供至陽極及/或陰極，進而提供能量以形成電漿且將腔室主體102中之氣體混合物激發成為離子，以執行電漿製程(在此實例中為如以下參閱第3圖進一步描述之沉積製程)。
第2圖為根據本發明之實施例之可用於執行非晶碳層沉積之另一基板處理系統232之示意圖。可用於實踐本發明之其他系統實例包括均可購自於加利福尼亞州聖克拉拉市之應用材料公司的CENTURA®、PRECISION 5000®及PRODUCER®沉積系統。考慮其他處理系統(包括彼等可購自於其他製造商的處理系統)亦可經調適以實踐本發明。
處理系統232包括耦接至氣體分配盤230及控制器210之處理腔室200。處理腔室200通常包括界定內部體積226之頂部224、側壁201及底壁222。基板支撐組件250提供在腔室200之內部體積226中。基板支撐組件250可由鋁、陶瓷及其他適當之材料製成。在一實施例中，基板支撐組件250由諸如氮化鋁之陶瓷材料製成，該材料適合在高溫環境(諸如電漿處理環境)中使用，且不對基板支撐組件250造成熱損害。使用升舉機構(未圖示)可使基板支撐組件250在腔室200內以垂直方向移動。
基板支撐組件250可包括的嵌入式加熱元件270，該嵌入式加熱元件270適合於控制基板支撐組件250上所支撐之基板101之溫度。在一實施例中，藉由將來自電源206之電流施加至加熱元件270，可電阻式加熱基板支撐組件250。在一實施例中，加熱元件270可由封裝在鎳鐵鉻合金(例如INCOLOY®)外鞘管中之鎳鉻絲製成。從電源206供給之電流由控制器210調節，以控制由加熱元件270生成之熱量，進而在薄膜沉積期間將基板101及基板支撐組件250維持在實質上恆定溫度下。供應之電流可經調節以有選擇地將基板支撐組件250之溫度控制在約100攝氏度與約780攝氏度之間，諸如大於500攝氏度。
可將溫度感測器272(諸如熱電偶)嵌入基板支撐組件250，以用習知方式監控基板支撐組件250之溫度。控制器210使用量測之溫度，以控制供應至加熱元件270之功率，以將基板101之溫度維持在所要之溫度下。
基板支撐組件250包含用於將基板101固持在噴淋頭組件130之下方的至少一個夾持電極239。如所習知，夾持電極239由夾盤電源204驅動，以產生將基板101固持在基板表面之靜電力。或者，可藉由夾持、真空或重力將基板101固持於基板支撐組件250。
在一實施例中，基板支撐組件250經配置為陰極，且耦接至複數個射頻功率偏壓電源235、237。射頻偏壓電源235、237耦接在設置於基板支撐組件250中之電極239與另一電極(諸如噴淋頭組件220)之間。射頻偏壓功率激發且維持電漿放電，該電漿放電由設置於處理腔室100中之氣體形成。在第2圖所示之實施例中，雙射頻偏壓電源235、237經由匹配電路231耦接至電極239。由射頻偏壓電源235、237生成之訊號經由匹配電路231傳遞至設置於基板支撐組件250中之電極239，經由單一饋入以離子化提供於電漿處理腔室200中之氣體混合物，進而提供用於執行沉積或其他電漿增強製程所必需的離子能量。射頻偏壓電源235、237通常能夠產生射頻訊號，該射頻訊號之頻率從約50kHz至約200MHz，且該射頻訊號之功率在約0瓦特與約5000瓦特之間。應注意，可使用其他任選射頻偏壓或電源以控制電漿之特徵。
真空泵202耦接至埠，該埠在腔室200中之壁內形成。真空泵202用於維持處理腔室200中之所要氣壓。真空泵202亦將處理後氣體及製程之副產物從腔室200排出。
具有複數個孔228之噴淋頭組件220耦接至基板支撐組件250上方的處理腔室200之頂部224。噴淋頭組件220 之孔228用以將處理氣體引入腔室200。孔228可具有不同的尺寸、數目、分佈、形狀、設計及直徑，以針對不同製程要求促進多種處理氣體流動。噴淋頭組件220連接至氣體分配盤230，該氣體分配盤230允許在製程期間將多種氣體供應至內部體積226。遠端電漿源271可耦接至氣體分配盤230，以在氣體混合物進入內部體積226用於處理之前，促進該氣體混合物與遠端電漿分離。電漿由流出噴淋頭組件220之處理氣體混合物形成，以增強該等處理氣體之熱分解，從而導致在基板101之表面103上材料之沉積。
噴淋頭組件220及基板支撐組件250可在內部體積226中形成一對間隔分離式電極。一或更多射頻源240、235、237分別經由匹配網路238、231將源或偏壓電位提供至噴淋頭組件220或提供至基板支撐組件250，以促進在噴淋頭組件220與基板支撐組件250之間生成電漿。或者，射頻電源240、偏壓電源235、237及匹配網路238可耦接至噴淋頭組件220、基板支撐組件250，或耦接至噴淋頭組件220及基板支撐、組件250兩者，或耦接至天線(未圖示)，該天線以替代性佈置設置於腔室200之外部。在一實施例中，射頻電源240可以約50kHz至約13.56MHz之頻率提供在約500瓦特與約3000瓦特之間之功率。
控制器210包括中央處理器(CPU)212、記憶體216及支援電路214，該控制器210用於控制製程次序且調節來自氣體分配盤230之氣體流。CPU 212可為任何形式之通用電腦處理器，該通用電腦處理器可用於工業設置。軟體常式可 儲存在記憶體216中，記憶體216諸如隨機存取記憶體、唯讀記憶體、軟碟或硬碟機或其他形式之數位儲存裝置。支援電路214習知地耦接至CPU 212，且支援電路214可包括快取記憶體、時脈電路、輸入/輸出系統、電源及類似物。控制單元210與處理系統232之多種組件之間的雙向通訊經由許多訊號電纜處理，該等訊號電纜被統稱作訊號匯流排218，訊號匯流排218中之一些匯流排在第2圖中圖示。
如上所述之以上沉積腔室主要用於說明之目的，且亦可採用其他電漿處理腔室以實踐本發明之實施例。
第3圖圖示方法300之製程流程圖，方法300根據本發明之一實施例使用雙頻率射頻偏壓功率形成非晶碳層。第4A圖到第4B圖為橫截面示意圖，圖示根據方法300使用雙頻率射頻偏壓功率形成非晶碳層之次序。
方法300在步驟302處藉由將基板(諸如第1圖至第2圖中圖示之基板101，基板101具有設置於其上之材料層402(如第4A圖所示))提供至適當的處理腔室(諸如第1圖所示之處理腔室100或替代地為第2圖所示之處理腔室200)開始。基板101可具有實質平坦表面、不平坦表面或具有形成在其上之結構的實質平坦表面。在一實施例中，材料層402可為用於在前端製程或後端製程中形成閘極結構、接觸結構、互聯結構或淺溝槽隔離(STI)結構之薄膜堆疊之部分。在其中不存在材料層402之實施例中，製程300直接在基板101中形成。
在一實施例中，材料層402可為用於形成閘極電 極之矽層。在另一實施例中，材料層402可包括氧化矽層、沉積於矽層上的氧化矽層。在又另一實施例中，材料層402可包括用於製造半導體裝置之一或更多個其他介電材料層。介電層之適當的實例包括氧化矽、氮化矽、氧氮化矽、碳化矽或按需要之任何適當的低介電常數材料或多孔介電材料。在另一實施例中，材料層302不包括任何金屬層。
在步驟304處，可將沉積氣體混合物供應至處理腔室100、132中用於沉積製程。沉積氣體混合物包括至少一種烴氣及一種惰性氣體。在一實施例中，烴氣具有化學式CxHy，其中x之範圍在1與12之間，且y之範圍在4與26之間。更特定言之，脂肪族烴包括例如烷烴(諸如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷及類似烷烴)；烯烴(諸如丙烯(propene)、乙烯、丙烯(propylene)、丁烯、戊烯及類似烯烴)；二烯烴(諸如己二烯、丁二烯、異戊二烯、戊二烯及類似二烯烴)；炔烴(諸如乙炔、乙烯基乙炔及類似炔烴)。脂肪族烴包括例如環丙烷、環丁烷、環戊烷、環戊二烯、甲苯及類似脂肪族烴。芳香族烴包括例如苯、苯乙烯、甲苯、二甲苯、吡啶、乙苯、苯乙酮、苯甲酸甲酯、乙酸苯酯、苯酚、甲酚、呋喃及類似芳香族烴。此外，可使用松油烯、異丙基甲苯、1,1,3,3-四甲基丁基苯、第三丁基醚、第三丁基乙烯、甲基丙烯酸甲酯及第三丁基糖基醚。此外，可選擇松油烯、異丙基甲苯、1,1,3,3-四甲基丁基苯、第三丁基醚、第三丁基乙烯、甲基丙烯酸甲酯及第三丁基糖基醚。在一示例性實施例中，碳氫化合物為丙烯 (propene)、乙炔、乙烯、丙烯(propylene)、丁烯、甲苯、松油烯。在一特定實施例中，該碳氫化合物為丙烯(C3H6)或乙炔。
或者，一或更多烴氣可與供應至處理腔室中之沉積氣體混合物中的烴氣混合。兩種或更多種烴氣之混合物可用於沉積該非晶碳層。
惰性氣體(諸如氬氣(Ar)或氦氣(He))與氣體混合物一起供應至處理腔室100、232中。其他載氣(諸如氮氣(N2)及一氧化氮(NO)、氫氣(H2)、氨氣(NH3)、氫氣(H2)與氮氣(N2)之混合物或以上各者之組合)亦可用於控制該非晶碳層之密度及沉積速度。添加H2及/或NH3可用以控制沉積之非晶碳層之氫比率(例如碳與氫之比率)。存在於非晶碳層之氫比率提供對層性質之控制，該等層性質諸如反射率、應力、透明度及密度。
在一實施例中，將惰性氣體(諸如氬氣(Ar)或氦氣(He))與烴氣(諸如丙烯(C3H6)或乙炔)供應至處理腔室中，以沉積該非晶碳層。沉積氣體混合物中提供之惰性氣體可輔助控制如已沉積層之光學性能及機械性能，諸如待沉積於材料層402上之非晶碳層的折射率(n)及吸收係數(k)、硬度、密度及彈性模數。
在沉積期間，基板溫度可控制在約300攝氏度與約800攝氏度之間。可將諸如丙烯(C3H6)之碳氫化合物以約200sccm與約3000sccm之間之速度(諸如約400sccm與約2000sccm之間之速度)供應至氣體混合物中。可將諸如氬氣 之惰性氣體以約200sccm與約10000sccm之間之速度(諸如約1200sccm與約8000sccm之間之速度)供應至氣體混合物中。可施加約400瓦特至約2000瓦特之間之射頻電源，諸如450瓦特至約1000瓦特之射頻電源，以維持由氣體混合物形成之電漿。製程壓力可維持在約1托至約20托，諸如約2托及約12托，例如約4托至約9托。基板與噴淋頭之間的間隔可控制在約200密耳至約1000密耳。應注意，可從遠端電漿源(諸如第1圖及第2圖所圖示之遠端電漿源177、271)供應烴氣，以幫助分解待供應之烴氣以用於處理。遠端電漿射頻功率在約50瓦特至約5000瓦特之間。
在一實施例中，可在約633nm之波長下將沉積之非晶碳層之吸收係數(k)控制在約0.2與約1.8之間，及在約243nm之波長下將該吸收係數(k)控制在約0.4與約1.3之間，及在約193nm之波長下將該吸收係數(k)控制在約0.3與約0.6之間。非晶碳層404之厚度408可在約10nm與約300nm之間。
在步驟306處，可對處理腔室施加射頻電源，以自沉積氣體混合物形成電漿。用於沉積非晶碳層之射頻電源可控制在一範圍，在該範圍內可提供充分的離子轟擊以充分分離待形成於非晶碳層中之碳元素，以便形成於基板101上之非晶碳層可具有所要的高薄膜密度。據信，在沉積製程期間使用充分的射頻電源可提供較高的離子轟擊，該較高之離子轟擊可增強自沉積氣體混合物之離子分離，進而增加在非晶碳層中形成之碳元素的量，據信此舉可直接改良生成之薄膜 密度。
在步驟308處，儘管對處理腔室施加射頻電源，可供應雙射頻頻率偏壓功率至處理腔室，以幫助在沉積氣體混合物中形成電漿。雙射頻頻率偏壓功率可施加至一電極，諸如噴淋頭組件或基板，或設置於處理腔室中之噴淋頭組件及基板兩者。在控制比率的情況下，雙射頻頻率偏壓功率可施加至處理腔室中。在本文所描述之實施例中，將雙射頻頻率偏壓功率施加至陰極，諸如分別於第1圖至第2圖圖示之基板支撐組件148或250。
在一實施例中，第一射頻偏壓功率經選擇以產生在約為2MHz之第一頻率下之偏壓功率，且第二射頻偏壓功率經選擇以產生在約為60MHz之第二頻率下之功率。射頻偏壓功率提供高達約3000瓦特之總射頻功率，其中第一偏壓功率與第二偏壓功率之預定功率比在1：10和10：1之間。據信，第一及第二偏壓功率提供偏壓功率至基板101，此舉影響基板表面上形成之離子分佈及密度。在將第一偏壓功率及第二偏壓功率供應至處理腔室的同時調整第一偏壓功率與第二偏壓功率之間之比率，此舉控制電漿之特徵及分佈。具有由偏壓功率之功率比界定的特徵之電漿促進沉積具有可調整之薄膜性質的非晶碳層，該非晶碳層在基板101上形成。
咸信第一射頻偏壓功率之第一頻率提供廣泛的離子能量分佈(例如較低頻率)。第二射頻偏壓功率之第二頻率提供到達峰值的、界定明確之離子能量分佈(例如較高頻率)。第一頻率經選擇使得該第一頻率之循環時間比外鞘中 之離子的通過時間要長的多，而第二頻率經選擇使得該第二頻率之週期達到或超過外鞘中之離子的通過時間。此等頻率亦經選擇，以使得當此等頻率與由獨立驅動電極(例如噴淋頭組件)提供之第三電源連用時，此等頻率不為用於電漿離子化及分離之主要功率貢獻者。該等兩種頻率射頻偏壓之組合施加電壓用於控制峰間外鞘電壓以及用於沉積之自偏壓直流電位。兩種偏壓頻率之混合用於調諧關於由此直流電位生成之平均加速度的能量分佈。因此，使用具有雙頻率射頻偏壓功率之電漿增強處理腔室，可控制電漿內部之離子能量分佈。
在一實施例中，藉由使用不同的混合比在較寬總功率範圍內混合高頻率(例如13.56MHz、60MHz、162MHz或更高之頻率)及低頻率(例如2MHz或更低之頻率)偏壓射頻訊號，可有利地加寬沉積製程窗。兩種偏壓頻率之偏壓功率比可有利地用於控制離子能量分佈及電漿外鞘，進而促進靈活控制在處理腔室中生成之碳元素的量及同時形成的鍵結能量。據信，較高頻率組件具有越來越集中之離子/電漿密度，而低頻率組件可有利地提供更多具有垂直離子分佈之離子能量。藉由此舉，可有利地獲取具有所要的薄膜密度連同薄膜應力及薄膜透明度之薄膜性質。此外，由於製程窗已加寬，可藉由以不同比率選擇具有不同射頻頻率之射頻偏壓功率來調整碳元素之間形成的鍵結能量，以便可獲取非晶碳層之相對理想的應力水平。在一實例中，當選擇百分之五十之2MHz第一射頻偏壓功率及百分之五十之60MHz第二偏壓功 率時，可獲取約31MHz射頻偏壓功率之有效的偏壓功率。藉由控制電漿離子分佈及如在不同射頻偏壓頻率下生成之外鞘，可獲取且平衡如在具有所需低應力水平之非晶碳層中形成之所要的薄膜高密度。
在一實施例中，可施加於處理腔室之具有第一頻率之第一偏壓功率與具有第二頻率之第二偏壓功率之比率在約1：10與10：1之間，諸如在約8：1與約1：5之間，例如約7：1及約1：1。該第一頻率為大於10MHz(諸如在約10.5MHz與約200MHz之間)之相對較高的頻率。第二頻率為小於8MHz(諸如在約0.1MHz與約7MHz之間)之相對較低的頻率。可將約100瓦特至約2000瓦特之間(諸如150瓦特至約900瓦特)之第一射頻偏壓功率施加至該處理腔室。可將約100瓦特至約3000瓦特之間(諸如500瓦特至約2000瓦特)之第二射頻偏壓功率施加至該處理腔室。
在步驟310處，如第4B圖所示，在雙射頻偏壓頻率功率沉積製程下，具有所要的薄膜性質之非晶碳層404可在基板101上形成。如以上所討論，在雙射頻偏壓頻率及高射頻偏壓頻率與低射頻偏壓頻率之間所要的功率比的情況下，可有利地獲取具有所要的薄膜密度連同薄膜應力及薄膜透明度之薄膜性質。在一實施例中，可獲取密度大於1.6g/cc(諸如在約1.7g/cc與約2.3g/cc之間)的薄膜。此外，亦據信，自供應於沉積氣體混合物中之烴分解之氫幫助降低薄膜應力。打斷碳鍵結之氫離子可改變非晶碳層404中碳鍵之鍵結結構及/或鍵結能量。氫末端鍵之數目及包括在sp3雜化碳及 sp2雜化碳中之任何碳鍵缺失及懸空的程度影響此等碳原子網路連接及排列之緊密程度，因此決定薄膜密度及應力。據信，雙射頻頻率偏壓調變可將氫原子置放至減少碳原子之sp3互聯之位置，以便減少薄膜應力。因此，併入碳鍵中之氫原子可有效地將非晶碳層404之應力水平保持在小於800兆帕(MPa)壓縮力之較低的應力水平，諸如在約800兆帕(MPa)壓縮力與約100兆帕(MPa)壓縮力之間。
其他薄膜性質(諸如薄膜透明度)實質上保持不變。在一實施例中，可在約633nm之波長下將植入氫之非晶碳層406之吸收係數(k)控制在約0.2與約1.8之間，及在約243nm之波長下將該吸收係數(k)控制在約0.4與約1.3之間，及在約193nm之波長下將該吸收係數(k)控制在約0.3與約0.6之間。
因此，本發明提供一種用於使用雙射頻偏壓頻率形成非晶碳層之方法，該非晶碳層具有所要的密度及具有低應力之光學薄膜性質兩者。該方法有利地改良非晶碳層之機械性質，諸如低應力及高密度。該非晶碳層之改良的機械性質為隨後的蝕刻製程提供高薄膜選擇性及高品質，同時為隨後的微影術製程將薄膜平坦度及薄膜光學性質(諸如折射率(n)及吸收係數(k))維持在所要的範圍。
儘管上述內容針對本發明之實施例，但在不脫離本發明之基本範疇的情況下，可設計本發明之其他及另外之實施例，且本發明之範疇由以下申請專利範圍之範疇決定。
100‧‧‧處理腔室
101‧‧‧基板
102‧‧‧腔室主體
103‧‧‧表面
104‧‧‧蓋
106‧‧‧內部體積
108‧‧‧側壁
110‧‧‧底部
114‧‧‧內表面
118‧‧‧內襯
126‧‧‧排氣口
128‧‧‧泵系統
130‧‧‧噴淋頭組件
132'‧‧‧進氣埠
132"‧‧‧進氣埠
132‧‧‧進氣埠/處理腔室
134‧‧‧內部區域
136‧‧‧外部區域
138‧‧‧光學傳送區域或通道
140‧‧‧光監控系統/光學測量系統
141‧‧‧匹配網路142窗
143‧‧‧射頻電源
148‧‧‧基板支撐組件
150‧‧‧控制器
158‧‧‧氣體分配盤
162‧‧‧安裝板
164‧‧‧基座
166‧‧‧靜電夾盤
168‧‧‧導管
170‧‧‧導管
172‧‧‧流體源
174‧‧‧嵌入式絕緣體
176‧‧‧加熱器/嵌入式加熱器
177‧‧‧遠端電漿源
178‧‧‧電源
180‧‧‧電極
182‧‧‧夾盤電源
184‧‧‧射頻偏壓電源/雙射頻偏壓電源
186‧‧‧射頻偏壓電源/雙射頻偏壓電源
188‧‧‧匹配電路
189‧‧‧偏壓電源

Claims (21)

  1. 一種形成一非晶碳層之方法，該方法包含以下步驟：藉由施加一射頻電源形成供應於一處理腔室中包括一烴氣之一沉積氣體混合物之一電漿；對設置於該處理腔室中之一第一電極施加一低頻率射頻偏壓功率及一高頻率射頻偏壓功率；控制該高頻率射頻偏壓功率與該低頻率射頻偏壓功率之一功率比；以及在設置於該處理腔室中之一基板上形成一非晶碳層。
  2. 如請求項1所述之方法，其中形成一沉積氣體混合物之一電漿之步驟進一步包含以下步驟：將該射頻電源施加至一第二電極，該第二電極位於該基板上與該第一電極相對之一相對側。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該第一電極設置於一基板中。
  4. 如請求項2所述之方法，其中該第二電極為一噴淋頭組件。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該高頻率射頻偏壓功率與該低頻率射頻偏壓功率之一功率比經控制在約1：10與約10：1之間。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該高頻率射頻偏壓功率具有大於10MHz之一頻率。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該低頻率射頻偏壓功率具有小於8MHz之一頻率。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該高頻率射頻偏壓功率在約100瓦特至約2000瓦特之間。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該低頻率射頻偏壓功率在約100瓦特至約3000瓦特之間，諸如可對該處理腔室施加500瓦特至約2000瓦特之功率。
  10. 如請求項1所述之方法，其中包括該烴氣之該沉積氣體混合物自一遠端電漿源供應至該處理腔室中。
  11. 如請求項1所述之方法，其中該高頻率射頻偏壓功率與該低頻率射頻偏壓功率之一功率比經控制在約7：1與約1：1之間。
  12. 如請求項1所述之方法，其中該非晶碳層具有大於1.6g/cc之一薄膜密度。
  13. 如請求項1所述之方法，其中該非晶碳層具有小於800兆帕(MPa)壓縮力之一薄膜應力。
  14. 如請求項1所述之方法，其中該非晶碳層經沉積作為一硬遮罩層，該硬遮罩層對一層具有具有選擇性，該非晶碳層沉積於該層之上。
  15. 一種形成一非晶碳層之方法，該方法包含以下步驟：形成供應於一處理腔室中包括一烴氣之一沉積氣體混合物之一電漿，該處理腔室中設置有一基板；對設置於該處理腔室中之一第一電極施加一比率在約1：10與約10：1之間的一低頻率射頻偏壓功率及一高頻率射頻偏壓功率；以及在設置於該處理腔室中之該基板上形成一非晶碳層，該非晶碳層具有大於1.6g/cc之一密度及小於800兆帕(MPa)壓縮力之一應力。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該高頻率射頻偏壓功率具有大於10MHz之一頻率。
  17. 如請求項15所述之方法，其中該低頻率射頻偏壓功率具有小於8MHz之一頻率。
  18. 如請求項15所述之方法，其中形成該沉積氣體混合物之 該電漿之步驟進一步包含以下步驟：對設置於該處理腔室之一第二電極施加一射頻電源。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該第一電極為一基板且該第二電極為一噴淋頭組件。
  20. 如請求項18所述之方法，其中在形成該非晶碳層之前，該基板上已設置一材料層，其中該材料層係選自由氧化矽、氮化矽、氧氮化矽、碳化矽、低介電常數(low-k)材料及多孔介電材料所組成之群組。
  21. 一種形成一非晶碳層之方法，該方法包含以下步驟：將具有一材料層之一基板提供於一處理腔室中；在該處理腔室中形成一沉積氣體混合物之一電漿；對設置於該處理腔室中之一電極施加一比率在約1：10與約10：1之間的一低頻率射頻偏壓功率及一高頻率射頻偏壓功率；在設置於該處理腔室中之一位置上之一材料層上形成一非晶碳層；以及將該非晶碳層用作一硬遮罩層而蝕刻該材料層。
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