TW201809339A - 以電子束電漿製程形成的類鑽石碳層 - Google Patents

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Abstract

茲提供用於形成具有期望的膜密度、機械強度及光學膜性質之類鑽石碳層的方法。在一個實施例中，形成類鑽石碳層的方法包括下列步驟：在設置於處理腔室中之基板的表面上方產生電子束電漿，以及在該基板的該表面上形成類鑽石碳層。所述類鑽石碳層由電子束電漿製程形成，其中類鑽石碳層作為半導體應用中之蝕刻製程中之硬遮罩層。所述類鑽石碳層可藉由以下步驟形成：轟擊設置在處理腔室中之含碳電極，以在設置於處理腔室中之基板的表面上方之含碳氣體混合物中產生次級電子束，以及在基板的表面上從該氣體混合物之元素形成類鑽石碳層。

Description

以電子束電漿製程形成的類鑽石碳層
本揭示內容與積體電路的製造有關，且與用於在基板上形成具高蝕刻選擇性、高膜密度和良好機械強度之類鑽石碳層的製程有關。詳言之，本揭示內容與製造類鑽石碳層的製程有關，所述製程使用電子束電漿製程在基板上形成用於半導體應用之具高蝕刻選擇性、良好機械強度、低應力和期望的膜透光度之類鑽石碳層。
積體電路已發展成為複雜的物件，可以於一單晶片上包含數百萬個電晶體、電容器以及電阻器。在晶片設計的發展中，持續地需要更快的電路以及更高的電路密度。對更快速的電路及更高的電路密度的需求增強了對用於製造此種積體電路之材料的相應需求。特別是，當積體電路部件之尺寸縮小至次微米等級時，其需要使用低阻值之導電材料(如， 銅)還有低介電常數之絕緣材料(介電常數約低於4)，以從此種部件獲得適當的電性表現。
對於更高積體電路密度的需求亦產生了對於用在積體電路部件的製造的製程程序的需求。舉例而言，在使用傳統光微影技術的製程程序中，可在設置在基板上之多個材料層的堆疊上方形成能量敏感阻劑層。將能量敏感阻劑層暴露於圖案的影像，以形成光阻劑遮罩。其後，使用蝕刻製程將遮罩圖案轉移至堆疊的一或多個材料層。可選擇蝕刻製程中使用的化學蝕刻劑，使得對堆疊的材料層之蝕刻選擇性大於對能量敏感阻劑的遮罩之蝕刻選擇性。亦即，化學蝕刻劑會以比蝕刻能量敏感阻劑快得多的速率來蝕刻材料堆疊的一或更多個層。堆疊的一或多個材料層相對於阻劑的蝕刻選擇性可避免能量敏感阻劑在完成圖案轉移之前被耗盡。因此，高選擇性蝕刻劑能提升精確的圖案轉移。
由於用來形成半導體元件之結構的幾何形狀限制與技術上的極限相抵觸，因此越來越難以滿足對於用來製造具有小臨界尺寸及高深寬比之結構的精確圖案轉移之需求。舉例而言，為了控制圖案解析度，已將能量敏感阻劑的厚度減小。由於受到化學蝕刻劑侵蝕之故，這樣薄的阻劑層(如， 小於約2000 Å)可能不足以在圖案轉移步驟期間遮蔽下方材料層。通常將稱作硬遮罩層的中間層(如， 氧氮化矽、碳化矽或碳膜)用於能量敏感阻劑層與下方材料層之間，因為中間層對化學蝕刻劑具有更大的抗性，而有助於圖案轉移。當蝕刻材料來形成具有大於約5:1的深寬比及/或小於約50 nm的臨界尺寸之結構時，利用來將圖案轉移至材料之硬遮罩層會暴露於侵蝕性蝕刻劑達一段頗長的時間。在長時間暴露於侵蝕性蝕刻劑之後，沒有足夠蝕刻抗性的硬遮罩層可能會發生膜性質上的改變，導致圖案轉移不精確並失去維度控制。
進一步，被選用作為硬遮罩層的材料與設置在膜堆疊中之相鄰層的材料之相似度，也可能造成該等層之間的相似蝕刻性質，因而造成蝕刻期間的不良選擇性。硬遮罩層與相鄰層之間的不良選擇性可造成硬遮罩層具有不均勻、錐狀且變形的輪廓，從而導致不良的圖案轉移和無法進行精確結構維度控制。
此外，所沉積之膜及/或硬遮罩層中之相對鬆散的膜結構(如， 非晶膜結構)也可能造成低的膜機械強度和低的硬度，導致因侵蝕性蝕刻劑在蝕刻製程期間的攻擊之故，硬遮罩層不能在整個蝕刻製程中存活。膜硬遮罩或膜機械強度不足可能會不利地影響後續製程中的圖案轉移精確度。
因此，本案所屬技術領域有需要一種具有期望的膜性質之改良的硬遮罩層，以供後續光微影製程和蝕刻製程所用。
茲提供形成類鑽石碳層的方法，所形成的類鑽石碳層具有期望的膜密度、機械強度還有光學膜性質。在一個實施例中，形成類鑽石碳層的方法可包括下列步驟：在設置於處理腔室中之基板的表面上方產生電子束電漿；以及在設置於處理腔室中之基板的表面上形成類鑽石碳層。
在另一實施例中，硬遮罩層包含類鑽石碳層，該類鑽石碳層由電子束電漿製程所形成。類鑽石碳層可在用於半導體應用中之蝕刻製程中作為硬遮罩層。
在又一實施例中，形成類鑽石碳層的方法可包括下列步驟：轟擊設置在處理腔室中之含碳電極，以在設置於處理腔室中之基板的表面上方之氣體混合物中產生次級電子束，該氣體混合物含有碳；以及在處理腔室中之基板的表面上形成類鑽石碳層。
本揭示內容的實施例提供用於形成類鑽石碳層的方法，所形成的類鑽石碳層具有期望的膜性質，如膜透光度、機械強度、膜硬度及低應力。在一個實施例中，類鑽石碳層適合用作硬遮罩層。可藉由電子束電漿沉積製程獲得具有期望膜性質的類鑽石碳層。電子束電漿可就沉積碳層提供所需的次級電子束，以形成具有相對強的鍵結結構和機械強度之類碳膜結構。由電子束電漿形成的類鑽石碳層可維持低應力水平，同時具有期望範圍內的膜密度。類鑽石碳層具有光學膜性質，如期望範圍的折射率(n)及吸收係數(k)，因而有利於光微影圖案化製程。
第1圖描繪了具有真空腔室主體的電子束電漿腔室，真空腔室主體界定了腔室100，腔室100包括圓柱形的側壁102。腔室100可由電網濾波器(grid filter) 104分隔為上腔室100a與下腔室100b。因為在缺少施加偏置電壓的情況下而於其中缺乏實質電場，所以下腔室100b為漂移空間(drift space)。天花板106覆蓋上腔室100a，並支撐電極108。在一個實施例中，電極108可由製程相容性材料所形成，例如矽、碳、碳化矽化合物或是氧化矽化合物。在替代的實施例中，電極108可由金屬氧化物形成，例如氧化鋁、氧化釔或氧化鋯。天花板106和電極108可為碟型。電極108的底部表面面對電網濾波器104，並暴露於上腔室100a的內部。在一個實施例中，絕緣體或介電質環109圍繞電極108。
在本文所描繪的一個特定實施例中，電極108可由含碳材料製成，含碳材料可在類鑽石碳層沉積製程期間協助提供碳源。因此，在進行數次類鑽石碳層沉積製程之後，電極108可能被消耗掉。藉由受轟擊而從電極108離開之材料的消耗，被迫使離開電極108的材料可能有助於形成高膜密度的類鑽石碳層。因此，可進行週期性替換電極108，以確保製程可靠度和再現性。
在下腔室100b中用於支撐基板111(如， 工件)的工件支撐基座110具有工件支撐表面110a，工件支撐表面110a面對電網濾波器104且可藉由舉升伺服馬達112在軸方向上移動。在一個實施例中，工件支撐基座110可包括絕緣盤(insulating puck) 195、工件電極196和夾持電壓供應器(chucking voltage supply) 199，絕緣盤195形成工件支撐表面110a，工件電極196位在絕緣盤195內部，而夾持電壓供應器199連接至工件電極196。此外，位在絕緣盤195下方的基底層194具有內部通道107，用以循環來自循環供應器198的熱介質(如， 液體)。循環供應器198可作為散熱器或作為熱源。
可透過阻抗匹配124經由RF饋送導體123，將RF源功率產生器120和較低頻率RF源功率產生器122耦接至電極108，RF源功率產生器120具有VHF頻率(如， 160 MHz)，而較低頻率RF源功率產生器122具有低於VHF範圍或低於HF範圍的頻率(如， 在MF或LF範圍中，如， 2 MHz)。在一個實施例中，阻抗匹配124適於在RF源功率產生器120及122的不同頻率下提供阻抗匹配，也適於進行濾波以將功率產生器彼此隔離。可藉由控制器126獨立地控制RF源功率產生器120、122的輸出功率位準。如將於下文中詳述，來自RF源功率產生器120、122的功率耦接至電極108。在一個實施例中，天花板106具導電性，且與電極108電氣接觸，而來自阻抗匹配124的功率透過天花板106傳導至電極108。
在一個實施例中，側壁102可由金屬形成並接地。在一個實施例中，在上腔室100a內部之接地的內表面之表面積為電極108的表面積之至少兩倍。在一個實施例中，腔室100內部之接地的內表面可塗佈有製程相容性材料，如，矽、碳、碳化矽化合物或氧化矽化合物。在替代的實施例中，腔室100內部之接地的內表面可塗佈有諸如氧化鋁、氧化釔或氧化鋯等材料。
在一個實施例中，可由兩個分別受到控制的VHF功率產生器120a及120b取代RF源功率產生器120。VHF功率產生器120a具有在VHF頻帶的較低部分(如， 30MHz至150MHz)中之輸出頻率，而VHF功率產生器120b具有在VHF頻帶的較高部分(如， 150MHz至300MHz)中之輸出頻率。控制器126可藉由選擇VHF功率產生器120a及120b的輸出功率位準之間的比例，來操控電漿離子密度。在有這兩個VHF功率產生器120a及120b的情況下，可藉由選擇上腔室100a的間隙(介於電極108與電網濾波器104之間的距離)來控制上腔室100a中的徑向電漿均勻性，使得由較低VHF頻率本身在上方腔室100a中產生電漿離子密度之邊緣高的徑向分佈(edge-high radial distribution)，且由較高VHF頻率本身產生電漿離子密度之中心高的徑向分佈(center-high radial distribution)。藉由這樣的選擇，可接著將兩個VHF功率產生器120a、120b的功率位準設定在使電漿離子密度的徑向分佈均勻性最佳化的比例。
在一個實施例中，天花板106為電極108的支架，並包括絕緣層150，絕緣層150含有夾持電極152面對電極108。DC夾持電壓供應器154可透過饋送導體155耦接至夾持電極152，以靜電方式將電極108夾持至天花板106。DC阻隔電容器(DC blocking capacitor) 156可與阻抗匹配124的輸出串聯連接。控制器126可控制DC夾持電壓供應器154。在一個實施例中，來自阻抗匹配124的RF饋送導體123可連接至電極支架或天花板106，而不是被直接連接至電極108。在這樣的實施例中，來自RF饋送導體123的RF功率可從電極支架電容式耦接至電極108。在一個實施例中，上方氣體注入器130經由第一閥132將製程氣體提供至上腔室100a內。在一個實施例中，下方氣體注入器134經由第二閥136將製程氣體提供至下腔室100b內。可從製程氣體供應器陣列138透過閥陣列140供應氣體，舉例而言，閥陣列140可以包含第一閥132及第二閥136。在一個實施例中，進入上腔室和下腔室100a、100b的氣體物種與氣體流率可獨立地被控制。控制器126可以主控閥陣列140。在一個實施例中，可將惰性氣體供應至上腔室100a內，並將製程氣體供應至下腔室100b內。可選擇惰性氣體流速，以實質上避免氣體從下腔室100b對流或擴散進入上腔室100a，以提供上腔室100a的實質化學隔離效果。
在一個實施例中，可藉由各種主體製程(bulk process)及表面製程在上腔室100a中生成電漿，所述製程包括對頂部電子發射(electron-emitting)電極108的內部表面之高能離子轟擊。電極108的離子轟擊能量與電漿密度為RF功率產生器120和122二者的函數。電極108的離子轟擊能量可由來自RF功率產生器122的較低頻率功率所實質控制，而上腔室100a中的電漿密度可由來自RF功率產生器120的VHF功率所實質控制(強化)。可從電極108的內部表面發射高能次級電子。來自發射表面的高能電子流可能包括電子束，且可能具有實質垂直於該電極108的內部表面的方向，及接近電極108的離子轟擊能量之射束能量，所述能量一般可在自約10 eV至5000 eV的範圍內，如至少大於100 eV。不同製程的碰撞斷面(collision cross section)取決於電子能量。在低能量下，用於激發(以及在分子氣體中分解)的橫斷面大於用於離子化的橫斷面，而在高能量下情況正好相反。可針對各種不同的非彈性電子碰撞製程有利地選擇(多個)RF功率位準。
在一個實施例中，側壁102中的側窗170面對上腔室100a，且由諸如石英或氧化鋁等材料形成，可透過側窗170以電感方式耦接RF功率。電感線圈天線172圍繞側窗170，並由可選的RF功率產生器174透過阻抗匹配176所驅動。遠端電漿源197可將電漿物種導入下腔室100b。在具有可選的RF源功率產生器174和線圈天線172的實施例中，上腔室100a中的電漿密度可由來自RF功率產生器174的RF功率所實質控制(強化)。在一個實例中，可選的RF源功率產生器174和線圈天線172可協助提供轟擊能量，以濺射材料離開電極108，因而有助於將材料安頓(lodging)在設置於工件支撐基座110上之基板111的表面上。
在一個實施例中，電網濾波器104為平坦碟型且可與側壁102同軸。電網濾波器104由多個開口104-1的陣列形成。在一個實施例中，電網濾波器104的軸向厚度T與所述多個開口104-1的直徑，d，可經選擇以促進高能引導射束電子通過電網濾波器104的流動，同時阻擋非射束（低能量）電子及電漿離子通過電網濾波器104的流動，且電網濾波器孔洞面積對整體電網濾波器面積的比例可被最大化。高能電子流(電子束)可通過電網濾波器104至下腔室100b，且可藉由在下腔室100b中的各種電子衝擊製程來生成電漿。
藉由電子束在下腔室100b中生成的電漿可以具有與上腔室100a中的電漿不同的性質。電網濾波器104可做為將上腔室100a與下腔室100b彼此實質電氣隔離的濾波器。在一個實施例中，電網濾波器104可由導電性或半導性材料形成，且可連接至接地或可為電氣浮接(electrically floating)。在另一實施例中，電網濾波器104可由非導電性材料所形成。在一個實施例中，電網濾波器104可塗佈有製程相容性材料，如，矽、碳、碳化矽化合物或氧化矽化合物。在替代的實施例中，電網濾波器104可塗佈有諸如氧化鋁、氧化釔或氧化鋯等材料。在一個實施例中，在上腔室100a中生成的電漿可具有高電子密度及/或高電子溫度，並具有衝擊在電極108上的高能量離子。
電子束的至少一部分(其包括因為電極表面的高能離子轟擊而從電極108發射的次級電子流)，可透過電網濾波器104傳播並進入下腔室100b，於下腔室100b中生成低電子溫度電漿，所述電漿的電漿密度取決於射束能量及射束流還有其它因子(如，壓力及氣體成分)。一旦離開下腔室100b的電漿區域，高能束電子可撞擊在基板111或工件支撐基座110上。留下來的電漿可立即將由電子束流所產生的表面電荷放電。
在需要較高電子束流或較高電子束密度的某些實施例中，如第2圖所示，可移除或去掉電網濾波器104，以協助從電極108發射的次級電子束流以較快的速率抵達基板111或工件支撐基座110上。或者，可就任何製程考量或需求，而如第2圖所示移除或去掉處理腔室100中的電網濾波器104。
在一個實施例中，可將負電子或電子附著氣體(如，氯)供給至腔室內，將RF及/或VHF功率施加至電極108，視情況將RF功率施加至線圈天線172，視情況將遠端電漿源(RPS)功率施加至遠端電漿源(RPS) 197，在上腔室100a中產生電漿，並在電極108上相對於接地且相對於電漿發展加速電壓。所形成之電極108的高能離子轟擊可產生從電極表面放射的次級電子，所述次級電子構成來自電極表面的電子束流。電網濾波器104容許電子束的至少一部分傳播通過電網濾波器104並進入下腔室100b，同時避免非射束電子與電漿離子的至少一部分通過電網濾波器104，並於下腔室100b中生成低電子溫度電漿。在下腔室100b中，於諸如氯等負電子氣體中所產生的低電子溫度電漿可能產生高度的負電子電漿，其負離子密度遠高於正離子的電子密度及接近密度(approaching density)。這樣的電漿通常被稱為離子對離子電漿(ion-ion plasma)。
可視情況使用實質軸向引導的磁場來協助引導電子束，所述磁場實質上平行於電子束，以改善波束傳輸通過上腔室100a、電網濾波器104及/或下腔室100b。可將低頻率偏置電壓或低重複頻率的任意波形施加至工件支撐基座110 (如， 至工件電極196)，以選擇性地或替代地從所述電漿擷取正及/或負離子，並將彼等離子加速至期望的能量位準，以衝擊基板111的表面來進行蝕刻、清洗、沉積或其它的材料修飾。可將(a)在上腔室100a中生成、(b)在下腔室100b中藉由電子束生成、(c)藉由將偏置電壓施加至工件支撐基座110而生成或(d)藉由遠端電漿源(RPS) 197生成的自由基對流或擴散至基板111並參與工件表面上的反應。
在另一實施例中，可將諸如氦或氬等相對惰性的氣體供給至上腔室100a內，並將諸如六氟化硫或氟化碳或類似的負電子或電子附著氣體流入下腔室100b，將RF及/或VHF功率施加至電極108，視情況將RF功率施加至線圈天線172，視情況將RPS功率施加至RPS 197，在上腔室100a中產生電漿，並在電極108上相對於接地且相對於電漿發展加速電壓。所形成之電極108的高能離子轟擊可產生從電極表面放射的次級電子，所述次級電子構成來自電極表面的電子束流。電網濾波器104容許電子束的至少一部分傳播通過電網濾波器104並進入下腔室100b，同時避免非射束電子與電漿離子的至少一部分通過電網濾波器104，並於下腔室100b中生成低電子溫度電漿。
在下方電漿腔室中，於負電子氣體中所產生的低電子溫度電漿可能產生高度的負電子電漿，其負離子密度遠高於正離子的電子密度及接近密度，通常將這樣的電漿稱為離子對離子電漿(ion-ion plasma)。
在一個實施例中，電網濾波器104可為氣體分配板，具有內部氣體通道105a及氣體注入出口105b。內部氣體通道105a可耦接至閥陣列140。
在一個實施例中，可透過阻抗匹配144將RF偏壓功率產生器142耦接至工件支撐基座110的工件電極196。在進一步的實施例中，波形剪裁處理器(waveform tailoring processor) 147可連接於阻抗匹配144的輸出與工件電極196之間。波形剪裁處理器147可將RF偏壓功率產生器142所產生的波形改變為期望波形。靠近基板111之電漿的離子能量受到波形剪裁處理器147的控制。在一個實施例中，在各個RF循環的某部分期間，可將波形剪裁處理器147產生之波形中的振幅保持在與期望的離子能量位準相應的水平。控制器126可控制波形剪裁處理器147。
在一個實施例中，磁鐵160可圍繞腔室100。在一個實施例中，磁鐵可包含分別與上腔室100a和下腔室100b相鄰的一對磁鐵160-1、160-2。在一個實施例中，該對磁鐵160-1、160-2可提供軸向磁場，其適於侷限從上腔室100a傳播至下腔室100b的電子束。
在一個實施例中，高能電子至基板111的流動可受磁場阻擋，所述磁場在介於電網濾波器104與基板111之間的區域中具有主要徑向分量(即， 橫切電子束流方向)。所述磁場可由磁鐵160-1或160-2中之一者產生，或由另一磁鐵或另一組磁鐵產生。
在一個實施例中，用於在天花板106內部導引熱傳導液體或介質之內部通道178可連接至熱介質循環供應器180。熱介質循環供應器180可作為散熱器或熱源。電極108與天花板106之間的機械接觸足以維持電極108與天花板106之間的高度熱傳導。在第1圖的實施例中，由DC夾持電壓供應器154所提供的靜電夾持力可調節所述機械接觸的力量。
第3圖繪示根據此揭示內容的一個實施例之用以形成類鑽石碳層之方法300的流程圖。第4A至4B圖為剖面示意圖，其繪示根據方法300形成類鑽石碳層的程序，類鑽石碳層可用做硬遮罩層。
方法300藉由將基板111提供進入處理腔室而始於操作302，如第4A圖所示，基板111具有材料層402設置於其上，處理腔室可以是如第1或2圖中所描繪之電子束電漿處理腔室100。基板111可具有實質平坦的表面、非平整表面或具有形成於基板上的結構。在一個實施例中，材料層402可為膜堆疊的一部分，在針對邏輯或記憶體元件(如NAND結構)的前端或後端製程中，膜堆疊可用來形成閘結構(gate structure)、接點結構(contact structure)、內連線結構(interconnection structure)或淺溝槽隔離(shallow trench isolation；STI)結構。於材料層402不存在的實施例中，方法300可直接形成於基板111中。
在一個實施例中，材料層402可為包括氧化矽及/或氮化矽層的重複層之膜堆疊，膜堆疊可用來形成閘結構，閘結構可用於NAND結構。或者，材料層402可為用來形成閘電極的矽材料。在又一實施例中，材料層402可包括氧化矽層、沉積在矽層上的氧化矽。在又一實施例中，材料層402可包括用於製造半導體元件之其它介電材料的一或多個層。合適的介電層範例可包括：氧化矽、氮化矽、氧氮化矽、碳化矽或符合需求之任何合適的低-k或多孔介電材料。在另外的實施例中，材料層402不包括任何金屬層。
在操作304，將氣體混合物供應至電子束電漿處理腔室100內，準備用來在基板111上形成類鑽石碳層404，如第4B圖所示。氣體混合物可從製程氣體供應器138供應，透過閥陣列140至氣體注入器130、134，分別流入電子束電漿處理腔室100。
氣體混合物包括至少一種碳氫化合物及惰性氣體。在一個實施例中，碳氫化合物具有化學式Cx Hy ，其中x具有介於1與12之間的範圍，且y具有介於4與26之間的範圍。更具體而言，舉例而言，脂肪族碳氫化物可包括：諸如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷等烷類；諸如丙烯、乙烯、丙烯、丁烯、戊烯等烯類；諸如己二烯、丁二烯、異戊二烯(isoprene)、戊二烯(pentadiene)等二烯類；諸如乙炔、乙烯乙炔等炔類。舉例而言，脂環烴碳氫化物可包括：環丙烷、環丁烷、環戊烷、環戊二烯、甲苯等。舉例而言，芳香族碳氫化物可包括：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、呋喃等。此外，可利用α-萜品烯(alpha-terpinene)、異丙基甲苯(cymene)、1,1,3,3,-四甲基丁苯(1,1,3,3,-tetramethylbutylbenzene)、叔丁基醚(t-butylether)、叔丁基乙烯(t-butylethylene)、甲基-丙烯酸甲酯及叔丁基糠基醚(t-butylfurfurylether)。此外，也可選用α-萜品烯、異丙基甲苯、1,1,3,3,-四甲基丁苯、叔丁基醚、叔丁基乙烯、甲基-丙烯酸甲酯及叔丁基糠基醚。在示範性實施例中，碳氫化合物為丙烯、乙炔、乙烯、丙烯、丁烯、甲苯、α-萜品烯。
或者，一或多種額外的碳氫化合物可與存在於供應至製程腔室的氣體混合物中之碳氫化合物混合。可使用兩種或更多種碳氫化合物的混合物來沉積非晶碳材料。
在特定的實施例中，碳氫化合物包括甲烷(CH4)。在另一實施例中，碳氫化合物包括甲烷(CH4)，以及丙烯(C3 H6 )、乙炔(C2 H2 )或乙烯(C2 H4 )中之至少一者。
可將諸如氬(Ar)或氦(He)等惰性氣體與氣體混合物一起供應至處理腔室100內。也可依需求使用其它載氣(諸如氮(N2 )、氧氣(O2 )、一氧化碳(CO)、氧化氮(NO)、氫(H2 )、氨(NH3 )、氫(H2 )與氮(N2 )的混合物或前述氣體之組合等)來控制類鑽石碳層的密度和沉積速率。氫或氮的添加可被用來控制所沉積之類鑽石碳層的氫比例(如， 碳對氫比例)。存在於類鑽石碳層中的氫比例可提供對層性質(如，反射率、透光度及密度)的控制。
在一個實施例中，可將諸如氬(Ar)或氦(He)氣體等惰性氣體伴隨著諸如甲烷(CH4 )等碳氫化合物供應至製程腔室內，以沉積類鑽石碳層。在氣體混合物中提供的惰性氣體可協助控制所沉積之層的光學性質和機械性質，如類鑽石碳層404的折射率(n)及吸收係數(k)、硬度、密度及彈性模數。
在一個實施例中，可在氣體混合物中，以介於約50 sccm與約1000 sccm之間的速率供應諸如甲烷(CH4 )等碳氫化合物。可在氣體混合物中，以介於約10 sccm與約1000 sccm之間的速率供應諸如Ar或He等惰性氣體。可在氣體混合物中，以介於約100 sccm與約500 sccm之間的速率供應氫氣(H2 )。可在氣體混合物中，以介於約0 sccm與約200 sccm之間的速率供應氧氣(O2 )。可在氣體混合物中，以介於約0 sccm與約400 sccm之間的速率供應氮氣(N2 )。並且，可在氣體混合物中，以介於約100 sccm與約2000 sccm之間的速率供應丙烯(C3 H6 )、乙炔(C2 H2 )或乙烯(C2 H4 )中之至少一者。
在一個實例中，可調整的流比例及物種可受到控制，並從不同的位置(如上方或下方注入器130、134)供應至處理腔室100，以最大化電網濾波器104下方或上方的自由基解離和電漿密度。舉例而言，若期望在上腔室100a中有較高電漿密度以增加射束電子流(beam electron flux)的話，可透過上方注入器130供應惰性氣體(如Ar或He)，惰性氣體可強化電極轟擊並降低電極108附近的分子氣體密度，以增加局部電漿密度及射束電子流。反之，當期望氫分子的解離(如， 提升所得之膜的純度)時，可透過注入器130供應含氫氣體，以降低局部電漿密度，但促進氫自由基形成，以排除處理腔室還有所得之類鑽石碳層404中的雜質。
於操作306，在將氣體混合物供應至處理腔室內之後，可從RF源功率產生器120、122產生第一RF源功率，並將第一RF源功率施加至電極108，以產生電漿和次級電子束。來自電極108的次級電子束可產生如上文所述低於攝氏100度之溫度下的冷電漿，冷電漿可輻照材料層402的表面401，以於其上形成類鑽石404。此外，也可透過RF源功率產生器174將第二可選RF功率施加至線圈天線172，以加入電感耦合功率。所產生的電感耦合功率可增加對基板的自由基流，並增加對上腔室100a中之電子的離子流入射(或射束流)，以產生高密度的射束電子。進一步，電感耦合功率也可降低電極108上的鞘電壓(sheath voltage)，因此降低射束能量。
在一個實例中，可將RF源功率產生器120、122產生而施加至電極108之第一RF源功率控制在介於1千瓦與約10千瓦之間的範圍內。請注意，RF源功率產生器120、122的頻率可介於2 MHz與約60 MHz之間。可將從RF源功率產生器174產生而施加至線圈天線172之第二源功率(如， 電感耦合功率)控制在介於約1千瓦與約10千瓦之間。施加至線圈天線172之電感耦合功率的頻率可介於2 MHz與約13 MHz之間。在某些實施例中，可依需求去除或視情況施加電感耦合功率。也可利用，例如，介於20毫托耳與約20托耳之間的製程壓力，來形成類鑽石碳層404。咸信，在沉積製程期間，伴隨著次級電子束利用電子束電漿可提供較高的離子轟擊，較高的離子轟擊可增進來自氣體混合物之離子的解離和電子束的能量，以形成具有強健膜結構的類鑽石碳層404。
在沉積期間，可將基板溫度控制在介於室溫(如， 攝氏20度)與攝氏約1000度之間。可將基板與噴淋頭之間的間隔控制在約200密耳至約1000密耳。
如上文所討論，從電極108提供的電子束電漿和次級電子束可由電極鞘(electrode sheath)加速，因此當進入主體電漿時需要額外的能量。這些經加速的電子提供了足夠高的能量，以有效率地從分子解離氫，生成足夠的氫自由基，以從碳膜(如形成於基板111上的碳膜404)中擷取出氫雜質，從而形成具高純度的類鑽石碳層404。經加速的次級射束電子可在基板111(位在電網濾波器104下方的下腔室區域100b處)的上方產生低溫電漿(又稱冷電漿)。因此，產生足夠的來自冷電漿之低能量電子，以有效率地解離處於振動態的氫原子，並生成氫自由基，以增加氫自由基流至基板表面上。
進一步，隨著從電極108放射之經加速的次級電子束抵達基板表面，由經加速的次級電子束所攜帶的高能量，如， 在數百電子伏特(eV)至數千電子伏特(eV)的數量級，可引起表面反應，如，激發碳sp3表面態(surface state)，以在基板111上形成類鑽石碳層404，還可打斷弱的(或不期望的)碳sp或sp2鍵結或甚至C-H鍵結，因而增加sp3鍵結，sp3鍵結可促進類鑽石碳層的形成，而不是碳結構的非晶態或其它結構。在類鑽石碳層404中鍵結的碳元素可能大部分形成為sp3碳，sp3碳具有四個單鍵指向與其它碳元素鍵結之四面體的角。非期望的sp2混成碳(hybridized carbon)具有兩個單鍵和一個雙鍵(如， 這三個鍵指向三角形的角)，通常導致膜結構變成非晶態，而不是期望的類鑽石結構。包括在sp3混成碳或sp2混成碳中之氫終端鍵結的數量以及任何缺失或懸空碳鍵結的程度，影響了這些碳原子被連結成網絡(network)以及被封包(pack)的緊密程度，因而決定了膜密度和應力。當所有碳原子完全互連時，類鑽石碳層404被配置來形成完全sp3混成和零氫含量。在一個實例中，經加速的次級電子束可具有大於100 eV的射束能量。
因此，這裡所形成的類鑽石碳層404經配置而具有大於2.5 g/cc的密度。其它膜性質，如膜透光度，可在類鑽石碳結構下維持期望的水平。在一個實施例中，類鑽石碳層404的吸收係數(k)在約633 nm的波長下可被控制在介於約0.2與約1.8之間，且在約243 nm的波長下可被控制在介於約0.4與約1.3之間，且在約193 nm的波長下可被控制在介於約0.3與約0.6之間。類鑽石碳層404可具有介於約10 nm與約300 nm之間的厚度408。
進一步，從電極108至基板表面之經加速的(如， 快速的)電子轟擊也可有助於釋放所得之類鑽石碳層404的應力，因而形成具有期望低應力水平的類碳碳層404，例如介在小於800百萬-帕斯卡(MPa)壓應力(compressive)之間，如介在約800百萬-帕斯卡(MPa)壓應力與約100百萬-帕斯卡(MPa)壓應力之間。
如上文所討論，經加速的次級電子可有助於從CH4 擷取氫，以形成氫自由基，氫自由基可有助於從所得之膜結構排除雜質。進一步，經由電網濾波器104通往下腔室之次級電子的一部分可成為低電子溫度電漿，如， 所謂的冷電漿。低電子溫度通常具有小於1 eV (如小於0.5 eV)之低電子能量。這樣具有低能量電子之低電子溫度電漿可解離氫分子，以增加氫自由基流至基板表面上。在沉積製程期間應用的冷電漿可將基板支撐基座維持在低溫範圍下，例如，低於攝氏100度，而不需要如常規需求般使用昂貴且複雜的溫度控制。在常規實作中，通常需要由加熱的基板支撐基座而引起的高基板溫度，以將提供足夠的熱能提供給電子，以破壞氫分子來擷取並提供氫自由基。然而，這樣的高溫製程通常會產生高的膜應力，高的膜應力則可能在後續光微影製程期間引起基板翹曲、基板弓起或聚焦深度問題。因此，藉由利用低基板溫度製程所形成之產物類鑽石碳層404具有低應力水平，也具有高膜密度，而可促進後續製程期間之良好蝕刻及光微影製程控制。
於操作308，在以操作304及306所調控之製程參數進行沉積製程之後，接著在基板111上形成類鑽石碳層404。在期望高純度類鑽石碳層404 (具有低sp2或sp鍵結結構)的情況下，可進行可選的後處理製程，以有助於從所得的類鑽石碳層404排除非期望的雜質。在沉積期間，可能無法避免形成非期望的氫鍵結、碳sp、碳sp2雜質。因此，可視情況進行後處理製程，以協助排除雜質。在一個實施例中，後處理製程可為使用Ar電漿的電子束電漿處理製程。電漿處理可為在電子束處理腔室中進行的電子束(如， e-射束(e-beam))電漿處理。可在第1圖所描繪之處理腔室100中原位(in-situ )進行操作304、306及308的沉積製程和電子束處理製程的後處理，而不破壞真空。
在後處理製程期間，可用的處理氣體包括惰性氣體處理，如Ar或He。在示範性實施例中，所用的處理氣體為Ar氣體。
在半導體元件製造製程中的金屬化製程之前，方法300有益於前端製程(front end process；FEOL)中所用的製程。由於類鑽石碳層的蝕刻選擇性，以類鑽石碳層作為蝕刻製程期間的硬遮罩層是理想的。合適的前端製程(FEOL)可包括閘製造應用、接點結構應用、淺溝槽隔離(STI)製程等。在也可使用類鑽石碳層作為蝕刻終止層(etch stop layer)或作為針對不同製程目的之不同膜的實施例中，可調整膜的機械或光學性質以符合特定製程需求。
因此，藉由電子束電漿沉積製程提供了用於形成類鑽石碳層的方法，所形成的類鑽石碳層具有期望密度和光學膜性質二者，也具有低應力。所述方法可有利地提供具有期望機械性質(如低應力及高密度)還有高蝕刻選擇性及膜透光度的類鑽石碳層。並且，可藉由氧剝除(oxygen strip)或灰化(ashing)製程輕易地自基板移去類鑽石碳層。經改良的類鑽石碳層的機械性質可為後續蝕刻製程提供高的膜選擇性和品質，同時為後續光微影製程維持期望範圍的膜平坦度、應力水平及膜光學性質，如折射率(n)及吸收係數(k)。
雖然前文導向本揭示內容之實施例，但在不背離其基本範圍下可以設計出其它實施例和進一步的實施例，而本揭示內容之範圍係由以下的申請專利範圍所決定。
100‧‧‧腔室
100a‧‧‧上腔室
100b‧‧‧下腔室
102‧‧‧側壁
104‧‧‧電網濾波器
104-1‧‧‧開口
105a‧‧‧內部氣體通道
105b‧‧‧氣體注入出口
106‧‧‧天花板
107‧‧‧內部通道
108‧‧‧電極
109‧‧‧介電質環
110‧‧‧工件支撐基座
110a‧‧‧工件支撐表面
111‧‧‧基板
112‧‧‧伺服馬達
120‧‧‧RF源功率產生器
120a、120b‧‧‧VHF功率產生器
122‧‧‧RF源功率產生器
123‧‧‧RF饋送導體
124‧‧‧阻抗匹配
126‧‧‧控制器
130、134‧‧‧氣體注入器
132、136‧‧‧閥
138‧‧‧製程氣體供應器陣列
140‧‧‧閥陣列
142‧‧‧RF偏壓功率產生器
144‧‧‧阻抗匹配
147‧‧‧波形(剪裁)處理器
150‧‧‧絕緣層
152‧‧‧夾持電極
154‧‧‧DC夾持電壓供應器
155‧‧‧饋送導體
156‧‧‧DC阻隔電容器
160、160-1、160-2‧‧‧磁鐵
170‧‧‧側窗
172‧‧‧線圈天線
174‧‧‧RF源功率產生器
176‧‧‧阻抗匹配
178‧‧‧通道
180‧‧‧循環供應器
194‧‧‧基底層
195‧‧‧絕緣盤
196‧‧‧工件電極
197‧‧‧遠端電漿源
198‧‧‧循環供應器
199‧‧‧夾持電壓供應器
300‧‧‧方法
302~308‧‧‧操作
401‧‧‧表面
402‧‧‧材料層
404‧‧‧類鑽石碳層
為能詳細瞭解本揭示內容以上記載的特徵，可參閱多個實施例閱讀以上扼要整理之本揭示內容的更具體說明內容，且部分實施例圖示於附圖中。
第1圖描繪沉積裝置的一個實例之示意圖，可在該沉積裝置中使用電子束電漿技術來施行本揭示內容的實施例；
第2圖描繪沉積裝置的另一個實例之示意圖，可在該沉積裝置中使用電子束電漿技術來施行本揭示內容的實施例；
第3圖描繪膜形成製程的一個實施例之流程圖；以及
第4A至4B圖描繪基板結構之一系列剖面示意圖，該基板結構合併有根據第3圖之方法形成在基板上的類鑽石碳層。
為了促進瞭解，已經盡可能使用相同的元件符號指明在該等圖式中共通的相同元件。可以預期一個具體實施例的元件和特徵可有利地整合至其它實施例中，而無需進一步描述。
然而，請注意，隨附圖式僅描繪此揭示內容的示範性實施例，且因此並不應被視為此揭示內容之範圍的限制，就此揭示內容而言，可以允許其它等校的實施例。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100‧‧‧腔室
100a‧‧‧上腔室
100b‧‧‧下腔室
102‧‧‧側壁
106‧‧‧天花板
107‧‧‧內部通道
108‧‧‧電極
109‧‧‧介電質環
110‧‧‧工件支撐基座
110a‧‧‧工件支撐表面
111‧‧‧基板
112‧‧‧伺服馬達
120‧‧‧RF源功率產生器
120a、120b‧‧‧VHF功率產生器
122‧‧‧RF源功率產生器
123‧‧‧RF饋送導體
124‧‧‧阻抗匹配
126‧‧‧控制器
130、134‧‧‧氣體注入器
132、136‧‧‧閥
138‧‧‧製程氣體供應器陣列
140‧‧‧閥陣列
142‧‧‧RF偏壓功率產生器
144‧‧‧阻抗匹配
147‧‧‧波形(剪裁)處理器
150‧‧‧絕緣層
152‧‧‧夾持電極
154‧‧‧DC夾持電壓供應器
155‧‧‧饋送導體
156‧‧‧DC阻隔電容器
160、160-1、160-2‧‧‧磁鐵
170‧‧‧側窗
172‧‧‧線圈天線
174‧‧‧RF源功率產生器
176‧‧‧阻抗匹配
178‧‧‧通道
180‧‧‧循環供應器
194‧‧‧基底層
195‧‧‧絕緣盤
196‧‧‧工件電極
197‧‧‧遠端電漿源
198‧‧‧循環供應器
199‧‧‧夾持電壓供應器

Claims (20)

  1. 一種形成一類鑽石碳層的方法，包含下列步驟： 在設置於一處理腔室中之一基板的一表面上方產生一電子束電漿；以及在設置於該處理腔室中之該基板的該表面上形成一類鑽石碳層。
  2. 如請求項1所述之方法，其中產生該電子束電漿之步驟進一步包含下列步驟： 施加一第一RF源功率至一電極，該電極設置於該處理腔室中；以及轟擊該電極，以將次級電子(secondary electron)及次級電子束流提供至該基板的該表面。
  3. 如請求項1所述之方法，其中提供該電子束電漿之步驟進一步包含下列步驟： 在產生該電子束電漿的同時供應一氣體混合物至該處理腔室，其中該氣體混合物包括一碳氫化合物。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該碳氫化合物係選自由CH4 、C3 H6 、C2 H2 及C2 H4 所組成之群組。
  5. 如請求項2所述之方法，轟擊該電極以提供次級電子及次級電子束流之步驟進一步包含下列步驟： 將具有小於1 eV之低電子能量的次級電子提供至該基板的該表面。
  6. 如請求項5所述之方法，其中提供低電子能量之步驟進一步包含下列步驟： 將一基板溫度維持在低於攝氏100度。
  7. 如請求項2所述之方法，其中該次級電子束流承載大於100 eV之一電子束能量。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該類鑽石碳層具有大於2.5 g/cc之一膜密度。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該類鑽石碳層具有小於800百萬-帕斯卡(MPa)壓應力(compressive)之一膜應力。
  10. 如請求項2所述之方法，其中施加該第一RF源功率之步驟進一步包含下列步驟： 施加一第二RF功率至一天線線圈，該天線線圈經設置而鄰近該處理腔室。
  11. 如請求項2所述之方法，其中施加該第一RF源功率之步驟進一步包含下列步驟： 施加一遠端電漿源至該處理腔室。
  12. 如請求項2所述之方法，其中該電極係由一碳材料製造。
  13. 如請求項1所述之方法，進一步包含下列步驟： 於該類鑽石碳層上進行一後電子束處理製程。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該後電子束處理製程包括一惰性氣體處理製程。
  15. 如請求項1所述之方法，其中該類鑽石碳層作為一蝕刻製程中之一硬遮罩層。
  16. 如請求項1所述之方法，其中在該基板上形成該類鑽石碳層之前，該基板包含一材料層設置於該基板上，其中該材料層係選自由氧化矽、氮化矽、氧氮化矽、碳化矽、低k且多孔之介電材料所組成之群組。
  17. 一種硬遮罩層，包含一類鑽石碳層，該類鑽石碳層由一電子束電漿製程所形成，其中該類鑽石碳層在用於半導體應用中之一蝕刻製程中作為一硬遮罩層。
  18. 如請求項17所述之硬遮罩層，其中該類鑽石層具有進一步包含大於2.5 g/cc之一膜密度。
  19. 如請求項17所述之硬遮罩層，其中該類鑽石層具有小於800百萬-帕斯卡(MPa)之一壓縮膜應力。
  20. 一種形成一類鑽石碳層的方法，該方法包含下列步驟： 轟擊設置在一處理腔室中之一含碳電極，以在設置於該處理腔室中之一基板的一表面上方之一氣體混合物中產生一次級電子束，該氣體混合物含有碳；以及 在該基板的該表面上從該氣體混合物之元素形成一類鑽石碳層。
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