JP2021520639A - パターニング用途のためのカーボンハードマスク及び関連方法 - Google Patents

パターニング用途のためのカーボンハードマスク及び関連方法 Download PDF

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Abstract

本明細書の実施形態は、プラズマ化学気相堆積（PECVD）プロセスを使用してアモルファスカーボン層を堆積させる方法、及び該方法から形成されるハードマスクを提供する。一実施形態では、基板を処理する方法が、基板を基板支持体上に配置することであって、基板支持体が処理チャンバの処理空間内に配置されている、基板を基板支持体上に配置すること、炭化水素ガス及び希釈ガスを含む処理ガスを処理空間の中に流入させること、処理空間を約１００mTorr未満の処理圧力に維持すること、第１の電力を前記処理チャンバの１以上の電源電極のうちの１つに印加することによって、処理ガスの堆積プラズマを点火及び維持すること、基板支持体を摂氏約３５０度未満の処理温度に維持すること、基板の表面を前記堆積プラズマに曝露すること、並びにアモルファスカーボン層を基板の表面上に堆積させることを含む。【選択図】図２

Description

[0001] 本明細書で説明される実施形態は、広くは、半導体デバイス製造の分野に関し、特に、電子デバイス製造プロセスで使用されるアモルファスカーボン層、及びアモルファスカーボン層を堆積させる方法に関する。
[0002] アモルファスカーボンから形成されるカーボンハードマスクは、基板表面やその材料表面層内に高アスペクト比の開口部（例えば、高さ対幅の比が、２：１以上）を形成する際のエッチングマスクとして半導体デバイス製造に用いられる。概して、目詰まり、孔形状の歪み、パターンの変形、最大限界寸法の膨張、ラインの屈曲、及び輪郭の反りを含む、高アスペクト比の開口部を形成することに関連する処理上の課題は、従来通りに堆積したカーボンハードマスクの望ましくない材料特性の結果である。例えば、より低い材料密度及びより低い材料剛性（すなわち、ヤング率）のうちの１つ又は組み合わせを有するカーボンハードマスクは、より高い密度又はより高い剛性を有するハードマスク材料と比較したときに、高アスペクト比の開口部の増大した変形を引き起こすことが知られている。同様に、ハードマスク材料とその下に配置されたエッチングされる基板材料との間のより低いエッチング選択性と、より高い膜応力（圧縮又は引張）を有するハードマスク材料と、の両方は、下にある基板材料に対するより高いエッチング選択性及びより低い膜応力を有するハードマスク材料を使用するプロセスと比較したときに、増大したスリットパターンの変形及びラインの屈曲を引き起こすことが知られている。更に、限界寸法（CD）が収縮し、高アスペクト比の開口部の高さが増大するにつれて、高アスペクト比の開口部を形成するために使用される、従来通りに堆積したカーボンハードマスクの厚さも増大する。残念ながら、より低い透明度を有するハードマスクは、低い光学Ｋと増大した厚さのうちの一方又は両方により、後続のフォトリソグラフィ・プロセスにおいて、位置合わせの問題を引き起こす可能性がある。下にある基板材料に対してより高いエッチング選択性を有するハードマスク材料は、より低いエッチング選択性を有するハードマスクと比較して、厚さの低減を可能にし、したがって望ましい。更に、ハードマスク材料と下にある基板材料との間のより低いエッチング選択性を有するプロセスは、しばしば、相対的により厚いハードマスクに依存し、これは、望ましくないことに、処理時間及び堆積させる費用を増大させ、基板処理能力の低下及びデバイス費用の増大につながる。
[0003] したがって、改善されたアモルファスカーボンハードマスク及び改善されたアモルファスカーボンハードマスクを形成する方法が、当該技術分野で必要とされている。
[0004] 本開示の実施形態は、概して、プラズマ化学気相堆積（PECVD）プロセス及びそれから形成されるハードマスクを用いて、基板上に以前に形成された層の上を含め、基板上にアモルファスカーボン層を堆積させる方法を説明する。
[0005] 一実施形態では、基板を処理する方法が、基板を基板支持体上に配置することであって、基板支持体が処理チャンバの処理空間内に配置されている、基板を基板支持体上に配置すること、炭化水素ガス及び希釈ガスを含む処理ガスを処理空間の中に流入させること、処理空間を約１００mTorr未満の処理圧力に維持すること、第１の電力を処理チャンバの１以上の電源電極のうちの１つに印加することによって、処理ガスの堆積プラズマを点火及び維持すること、基板支持体を摂氏約３５０度未満の処理温度に維持すること、基板の表面を堆積プラズマに曝露すること、並びにアモルファスカーボン層を基板の表面上に堆積させることを含む。
[0006] 別の一実施形態では、基板を処理する方法が、基板を基板支持体上に配置することであって、基板支持体が処理チャンバの処理空間内に配置されている、基板を基板支持体上に配置すること、炭化水素ガス及び希釈ガスを含む処理ガスを処理空間の中に流入させること、処理空間を約２０mTorr未満の処理圧力に維持すること、第１の交流電力を基板支持体の１以上の電源電極のうちの１つに印加することによって、処理ガスの堆積プラズマを点火及び維持することであって、第１の交流電力が、基板支持体の基板受け入れ表面の平方センチメートル当たり約０．７ワットと約１５ワットの間である、処理ガスの堆積プラズマを点火及び維持すること、基板支持体を摂氏約１００度未満の処理温度に維持すること、基板の表面を堆積プラズマに曝露すること、並びにアモルファスカーボン層を基板の表面上に堆積させることを含む。
[0007] 別の一実施形態では、カーボンハードマスクが、基板の表面上に配置されたアモルファスカーボン層を含み、アモルファスカーボン層が、約１．８g／cm3を超える密度、約５０GPaを超えるヤング率、約５００MPa未満の膜応力、及び約６３３nmの波長で約０．１５未満の吸収係数（光学Ｋ）を有する。
[0008] 上述した本開示の特徴を詳細に理解できるように、上記に要約した本開示を、一部が添付の図面に例示されている実施形態を参照しながら、より具体的に説明する。しかし、本開示は他の等しく有効な実施形態も許容し得ることから、添付の図面はこの開示の典型的な実施形態のみを例示しており、したがって、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。
[0009] 一実施形態による、本明細書で説明される方法を実施するために使用される例示的な処理チャンバの概略断面図である。 [0010] 一実施形態による、アモルファスカーボン層を堆積させる方法のフロー図である。 [0011] 一実施形態による、図２で説明された方法に従って堆積したアモルファスカーボン層から形成されたカーボンハードマスクを示す。
[0012] 本開示の実施形態は、概して、プラズマ化学気相堆積（PECVD）プロセスを用いて、基板上に以前に形成された層の上を含め、基板上にアモルファスカーボン層を堆積させるための方法を説明する。特に、本明細書で説明される方法は、アモルファスカーボン層を堆積させる従来の方法で典型的に使用されるよりも低い処理圧力、例えば約１００mTorr未満、より低い処理温度、例えば摂氏約３５０度未満、及びより高い電力、例えば約１０００Wを超えるものを提供する。本明細書の幾つかの実施形態では、堆積プラズマを点火及び維持するために使用される電力が、その上に基板が配置された基板支持体内に配置された又はそれに接続された１以上の電源電極に供給される。より低い処理圧力、より低い処理温度、より高い電力、及び基板準位プラズマ（substrate level plasma：基板支持体の電源電極との容量結合を介して生成されるプラズマ）のそれぞれ又は組み合わせは、堆積中の基板表面でのイオンエネルギーを増大させ、従来の堆積方法と比較したときに、sp3含有量（ダイヤモンド状炭素）のsp2含有量（グラファイト状炭素）に対する望ましくはより高い比率を有するアモルファスカーボン層をもたらす。結果として得られるより高いsp3含有量のために、本明細書で説明される方法は、従来通りに堆積したアモルファスカーボン層と比較したときに、改善された密度、剛性、透明性、エッチング選択性、及び膜応力を有するアモルファスカーボン層を提供する。
[0013] 図１は、一実施形態による、本明細書で説明される方法を実施するために使用される例示的な処理チャンバの概略断面図である。本明細書で説明される方法を実施するために使用され得る、他の例示的な堆積チャンバには、カリフォルニア州サンタクララのApplied Materials, Inc.から入手可能である、Radion（登録商標）、Producer（登録商標）、及びSYM3（登録商標）処理チャンバ、並びに他の製造業者からの適切な堆積チャンバが含まれる。
[0014] 処理チャンバ１００は、チャンバ蓋アセンブリ１０１、１以上の側壁１０２、及びチャンバベース１０４を含む。チャンバ蓋アセンブリ１０１は、チャンバ蓋１０６、チャンバ蓋１０６内に配置されたシャワーヘッド１０７、及びチャンバ蓋１０６と１以上の側壁１０２との間に配置された電気絶縁リング１０８を含む。シャワーヘッド１０７、１以上の側壁１０２、及びチャンバベース１０４は、共に、処理空間１０５を画定する。チャンバ蓋１０６を貫通して配置されたガス入口１０９は、ガス源１１０に流体結合されている。シャワーヘッド１０７は、それを貫通して配置された複数の開口部１１１を有し、ガス源１１０から処理空間１０５の中に処理ガスを均一に分配するために使用される。ここで、チャンバ蓋アセンブリ１０１、及びしたがってシャワーヘッド１０７は、アースグラウンド（earthen ground）に電気的に接続されている。他の実施形態では、チャンバ蓋アセンブリ１０１、及びしたがってその中に配置されたシャワーヘッド１０７が、１以上のバイアス電圧をそれらに供給する、連続波（CW）RF電源、パルスRF電源、DC電源、パルスDC電源、又はそれらの組み合わせなどの、電源（図示せず）に電気的に接続されている。他の実施形態では、処理チャンバ１００が、シャワーヘッド１０７を含まず、処理ガスは、チャンバ蓋１０６又は１以上の側壁１０２を貫通して配置された１以上のガス入口を通して処理空間１０５に供給される。
[0015] ここで、処理空間１０５は、減圧（絶対真空の意味ではないとき）出口１１４を介して、１以上の専用減圧（絶対真空の意味ではないとき）ポンプなどの真空源に流体結合され、これは、処理空間１０５を大気圧未満の状態に維持し、処理ガス及び他のガスをそこから排気する。処理空間１０５内に配置された基板支持体１１５は、チャンバベース１０４の下方の領域内でベローズ（図示せず）によって囲まれるような、チャンバベース１０４を貫通して密封的に延在する可動支持体シャフト１１６上に配置される。ここで、処理チャンバ１００は、基板処理中にドア又はバルブ（図示せず）で密封されている、１以上の側壁１０２のうちの１つの開口部１１８を介して、基板支持体１１５との間で基板１１７の移送を容易にするように構成されている。
[0016] 典型的には、基板支持体１１５上に配置された基板１１７が、抵抗加熱要素１１９のようなヒータと、基板支持体１１５内に配置された１以上の冷却チャネル１２０と、の一方又は両方を用いて、所望の処理温度に維持される。１以上の冷却チャネル１２０は、比較的高い電気抵抗を有するように改質された水源又は冷却剤源などの冷媒源（図示せず）に流体結合される。
[0017] 幾つかの実施形態では、基板支持体１１５の誘電材料内に埋め込まれた、又はそれに接続された１以上の電源電極（図示せず）が、整合回路１２２を介して、第１の電源１２１Ａ及び第２の電源１２１Ｂなどの１以上のRF（高周波）又は他の交流周波数電源に接続される。ここで、堆積プラズマ１２３は、処理空間１０５内の処理ガスを、第１の電源１２１Ａからそれに供給される交流電力で、１以上の電源電極のうちの１つと容量結合することによって、処理空間内で点火及び維持される。幾つかの実施形態では、堆積プラズマ１２３が、第２の電源１２１Ｂからそれに供給される交流電力で、１以上の電源電極のうちの１つと容量結合することによって更に維持される。ここで、第１の電源１２１Ａ及び第２の電源１２１Ｂは、それぞれ、約３５０kHzと約１００MHzの間の周波数を有する交流電力を供給し、その場合、第１の電源１２１Ａからの電力の周波数は、第２の電源１２１Ｂからの周波数とは異なっている。
[0018] 図２は、一実施形態による、アモルファスカーボン層を基板の表面上に堆積させる方法のフロー図である。工程２０１では、方法２００が、基板を基板支持体上に配置することを含む。ここで、基板支持体は、図１で説明された処理チャンバ１００などの処理チャンバの処理空間内に配置されている。工程２０２では、方法２００が、処理ガスを処理空間の中に流入させることを含む。典型的には、処理ガスが、炭化水素ガスなどの炭素源ガス、例えば、CH4、C2H2、C3H8、C4H10、C2H4、C3H6、C4H8、及びC5H10、又はそれらの組み合わせ、並びに希釈ガス、例えば、Ar、He、Ne、Kr、若しくはXe、又はそれらの組み合わせなどの不活性ガスを含む。幾つかの実施形態では、希釈ガスが、N2、H2、又はそれらの組み合わせを含む。幾つかの実施形態では、炭化水素ガスの希釈ガスに対する流量の比（以下、比）は、約１：１０と約１０：１の間、例えば約１：５と約５：１の間である。例えば、一実施形態では、C2H2対Heの比が、約１：３と約３：１の間である。幾つかの実施形態では、希釈ガスが、H2を含み、H2と炭素源ガスの間の比が、約０．５：１と約１：１０の間、例えば約１：１と約１：５の間である。工程２０３では、方法２００が、約０．１mTorrと約１００mTorrの間、例えば約０．１mTorrと約５０mTorrの間、約０．１mTorrと約３０mTorrの間、約０．１mTorrと約２０mTorrの間、約０．１mTorrと約１５mTorrの間、例えば約０．１mTorrと約１０mTorrの間、又は約１００mTorr未満、約５０mTorr未満、約２０mTorr未満、約１５mTorr未満、例えば約１０mTorr未満の処理圧力に処理空間を維持することを含む。
[0019] 工程２０３では、方法２００が、第１の電力を処理チャンバの１以上の電源電極のうちの１つに印加することによって、処理ガスの堆積プラズマを点火及び維持することを含む。本明細書では、１以上の電源電極が、１以上の上部電極（例えば、処理チャンバのチャンバ蓋又はチャンバ蓋内に配置されたシャワーヘッド）、１以上の側部電極（例えば、処理チャンバの１以上の側壁）のうちの１つ、又は基板支持体の部分（例えば、基板支持体の誘電材料内に埋め込まれた若しくはそれに接続された１以上の電極）である。典型的には、第１の電力が、３００mmの直径の基板を処理するようにサイズ決定された処理チャンバ用に、約５００Wと約８kWの間、例えば約１０００Wと約５kWの間である。異なるサイズの基板を処理するようにサイズ決定された処理チャンバに対して、適切なスケーリングが使用されてよい。
[0020] 幾つかの実施形態では、１以上の電源電極が、基板支持体の誘電材料内に埋め込まれるか又はそれに接続されたうちの１つ又は組み合わせである。幾つかの実施形態では、第１の電力が、３００mmの直径の基板を支持するようにサイズ決定された基板受け入れ表面を有する基板支持体に対して、基板支持体の基板受け入れ表面の平方センチメートル当たり約０．７Wと約１１．３Wの間（ここでは、W／cm2）、例えば約１．４W／cm2と約７．１W／cm2の間、又は約５００Wと約５kWの間、例えば約１０００Wと約５kWの間のRF又は他の交流周波数電力である。
[0021] 幾つかの実施形態では、方法２００が、第２の電力を１以上の電源電極のうちの１つに印加することを更に含む。その場合、第２の電力は、３００mmの直径の基板を支持するようにサイズ決定された基板受け入れ表面を有する基板支持体に対して、約０．１４W／cm2と約７．１W／cm2の間、例えば約０．１４W／cm2と約３．５W／cm2の間、又は約１００Wと約５kWの間、例えば約１００Wと約２．５kWの間のRF又は他の交流周波数電力である。ここで、第２の電力の周波数は、第１の電力の周波数とは異なっている。典型的には、第１の電力と第２の電力のうちの一方又は両方の周波数が、約３５０kHzと約１００MHzの間、例えば、約３５０kHz、約２MHz、約１３．５６MHz、約２７MHz、約４０MHz、約６０MHz、及び約１００MHzである。幾つかの実施形態では、第１の電力及び第2の電力が、互いに電気的に絶縁された異なる電源電極に印加される。それは、例えば、基板支持体の誘電材料内に埋め込まれ、誘電材料によって互いに絶縁された二重電源電極である。幾つかの実施形態では、第１の電力及び第２の電力が、従来のインピーダンス整合回路を使用して同じ電源電極に印加される。
[0022] 工程２０４では、方法２００が、基板支持体、及びしたがってその上に配置された基板を、摂氏約−５０度と摂氏約３５０度の間、例えば、摂氏約−５０と摂氏約１５０度の間、摂氏約−５０度と摂氏約１００度の間、若しくは摂氏約−５０度と摂氏約５０度の間、例えば摂氏約−２５度と摂氏約２５度の間の温度、又は摂氏約３５０度未満、例えば、摂氏約２００度未満、摂氏約１５０度未満、若しくは摂氏約１００度未満、例えば摂氏約５０度未満の温度に維持することを含む。
[0023] 工程２０５及び２０６では、方法２００が、それぞれ、基板の表面を堆積プラズマに曝露すること、及びアモルファスカーボン層を基板の表面上に堆積させることを含む。
[0024] 図３は、一実施形態による、図２で説明された方法に従って堆積したカーボンハードマスクを示している。図３では、カーボンハードマスク３０３（ここでは、パターニングされたカーボンハードマスク）が、基板３００のパターニングされるべき表面上に配置され、その中に形成された複数の開口部３０４を有するアモルファスカーボン層３０２を含む。典型的には、基板３００又はその１以上の材料層が、結晶シリコン、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、炭素がドープされた酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープされたシリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ガラス、サファイア、及び低誘電率（low k）誘電材料、のうちの１つ又は組み合わせから形成される。
[0025] ここで、アモルファスカーボン層は、約１kÅと約４０kÅの間、例えば約１０kÅと約４０kÅの間、例えば約１０kÅと約３０kÅの間の厚さ、約１．８g／cm3を超える密度、約５０GPaを超えるヤング率、及び約６３３nmの波長で約０．１５未満の吸収係数（光学Ｋ）を有する。幾つかの実施形態では、アモルファスカーボン層が、約５００MPa未満の引張又は圧縮膜応力を有する。幾つかの実施形態では、アモルファスカーボン層が、約５００MPa未満の引張膜応力を有する。幾つかの実施形態では、複数の開口部３０４のそれぞれが、約２：１を超える、例えば、約３：１を超える、約４：１を超える、約５：１を超える、約６：１を超える、約７：１を超える、約８：１を超える、約９：１を超える、例えば約１０：１を超えるアスペクト比（高さ対幅）を有する。
[0026] 本明細書で説明される方法は、従来通りに堆積したアモルファスカーボン層と比較したときに、改善された密度、剛性、透明性、エッチング選択性、及び応力を有する、アモルファスカーボン層、及びそれから形成されるカーボンハードマスクを提供する。更に、本明細書で説明される方法は、現行のカーボンハードマスク・プロセス統合スキームと一貫したものであることが望ましい。それは、既存のデバイス製造ラインへの方法の導入が、上流又は下流の処理方法又はそれに関連する装備における実質的な変更を必要としないことを意味する。
[0027] 上記は、本開示の実施形態に向けられているが、本開示の他の及び更なる実施形態が、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく考案されてよく、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって規定される。

Claims (15)

  1. 基板を処理する方法であって、
    基板を、処理チャンバの処理空間内に配置された基板支持体上に配置すること、
    炭化水素ガス及び希釈ガスを含む処理ガスを前記処理空間の中に流入させること、
    前記処理空間を約１００mTorr未満の処理圧力に維持すること、
    第１の電力を前記処理チャンバの１以上の電源電極のうちの１つに印加することによって、前記処理ガスの堆積プラズマを点火及び維持すること、
    前記基板支持体を摂氏約３５０度未満の処理温度に維持すること、
    前記基板の表面を前記堆積プラズマに曝露すること、並びに
    アモルファスカーボン層を前記基板の前記表面上に堆積させることを含む、方法。
  2. 堆積した前記アモルファスカーボン層が、約１．８g／cm3を超える密度を有する、請求項１に記載の方法。
  3. 堆積した前記アモルファスカーボン層が、約５０GPaを超えるヤング率を有する、請求項１に記載の方法。
  4. 堆積した前記アモルファスカーボン層が、約５００MPa未満の膜応力を有する、請求項１に記載の方法。
  5. 堆積した前記アモルファスカーボン層が、約６３３nmの波長で約０．１５未満の吸収係数（光学Ｋ）を有する、請求項１に記載の方法。
  6. 堆積した前記アモルファスカーボン層が、約１．８g／cm3を超える密度、約５０GPaを超えるヤング率、約５００MPa未満の膜応力、及び約６３３nmの波長で約０．１５未満の吸収係数（光学Ｋ）を有する、請求項１に記載の方法。
  7. 前記炭化水素ガスが、CH4、C2H2、C3H8、C4H10、C2H4、C3H6、C4H8、C5H10、又はそれらの組み合わせのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記処理温度が、摂氏約１００度未満である、請求項７に記載の方法。
  9. 前記第１の電力が、前記基板支持体の基板受け入れ表面の平方センチメートル当たり約０．７Wと約１１．３Wの間の交流電力であり、約３５０kHzと約１００MHzの間の周波数を有する、請求項８に記載の方法。
  10. 第２の電力を前記１以上の電源電極のうちの１つに印加することを更に含み、前記第２の電力が、前記基板支持体の前記基板受け入れ表面の平方センチメートル当たり約０．１４Wと約１１．３Wの間の交流電力であり、約３５０kHzと約１００MHzの間の周波数を有し、前記第１の電力の前記周波数が、前記第２の電力の前記周波数とは異なっている、請求項９に記載の方法。
  11. 基板を処理する方法であって、
    基板を、処理チャンバの処理空間内に配置された基板支持体上に配置すること、
    炭化水素ガス及び希釈ガスを含む処理ガスを前記処理空間の中に流入させることであって、前記炭化水素ガスが、CH4、C2H2、C3H8、C4H10、C2H4、C3H6、C4H8、C5H10、又はそれらの組み合わせのうちの１つを含む、処理ガスを前記処理空間の中に流入させること、
    前記処理空間を約２０mTorr未満の処理圧力に維持すること、
    第１の交流電力を前記基板支持体の１以上の電源電極のうちの１つに印加することによって、前記処理ガスの堆積プラズマを点火及び維持することであって、前記第１の交流電力が、前記基板支持体の基板受け入れ表面の平方センチメートル当たり約０．７ワットと約１５ワットの間である、前記処理ガスの堆積プラズマを点火及び維持すること、
    前記基板支持体を摂氏約１００度未満の処理温度に維持すること、
    前記基板の表面を前記堆積プラズマに曝露すること、並びに
    アモルファスカーボン層を前記基板の前記表面上に堆積させることを含む、方法。
  12. 前記希釈ガスが、H2を含み、前記処理ガス内の前記H2対前記炭化水素ガスの比が、約０．５：１と約１：１０の間である、請求項１１に記載の方法。
  13. 第２の交流電力を前記基板支持体の前記１以上の電源電極のうちの１つに印加することを更に含み、前記第２の交流電力が、前記基板支持体の前記基板受け入れ表面の平方センチメートル当たり約０．１４Wと約７．１Wの間であり、前記第１の交流電力と前記第２の交流電力が、それぞれ、約３５０kHzと約１００MHzの間の周波数を有し、前記第１の交流電力の前記周波数が、前記第２の交流電力の前記周波数とは異なっている、請求項１１に記載の方法。
  14. 基板の表面上に配置されたアモルファスカーボン層を備え、前記アモルファスカーボン層が、約１．８g／cm3を超える密度、約５０GPaを超えるヤング率、約５００MPa未満の膜応力、及び約６３３nmの波長で約０．１５未満の吸収係数（光学Ｋ）を有する、カーボンハードマスク。
  15. 前記アモルファスカーボン層が、貫通するように形成された複数の開口部を有し、前記複数の開口部のそれぞれが、約２：１を超える高さ対幅の比を有する、請求項１４に記載のカーボンハードマスク。
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