改良堆迭缺陷率的非晶碳沉積方法

2023-04-26 01:43:31

專利名稱：改良堆迭缺陷率的非晶碳沉積方法
改良堆迭缺陷率的非晶碳沉積方法
發明背景技術領域
本發明的實施例關於集成電路的製造。更特別地，本發明的實施例關於用以在半導體襯底中圖案化並蝕刻特徵結構的材料及工藝。
相關技術描述
自從數十年前首次引進了集成電路，集成電路幾何形態的尺寸已經顯著地減小。 從那時候起，集成電路一般遵循著兩年/尺寸減半規則(通常稱為摩爾定律)，所述規則意味著晶片上的器件數量每兩年就會倍增。現今的製造設施可常規地生產具有亞_65nm甚至是亞_45nm的特徵尺寸的器件，而未來的設施很快將生產具有甚至更小的特徵尺寸的器件。
器件幾何形態的持續減小已對在半導體襯底上形成相距納米級距離的納米級特徵的方法產生需求。隨著最小特徵尺寸的減小，由於已達到現今光刻工藝中的光學解析度極限的緣故，半導體工業正面臨圖案化亞_32nm的限制。已發展來減少襯底上的特徵結構或器件之間的距離的一個方法包括硬掩模層的雙重圖案化(double patterning),用來將圖案轉移至襯底內。
雙重圖案化的一個類型包括使用常規的光刻技術來印刷核心圖案，隨後將共形間隔物(conformal spacer)沉積在核心特徵結構周圍。在間隔物沉積之後，可應用多種方法使核心的圖案密度達到雙倍。
在雙重圖案化的一個型式中，選擇多晶矽作為核心圖案化材料。然而，多晶矽具有高表面粗糙度，所述高表面粗糙度在後續膜層的沉積之後會被裝飾成更大尺寸的缺陷。若在32nm節點忽略的話，這些缺陷可潛在地造成光刻及圖案化缺陷，所述缺陷典型地導致殺手級缺陷，如破損圖案及橋接線路。此現象被稱為「堆迭缺陷率(Stack Defectivity)」，且不限於多晶矽襯底。
因此，需要可在半導體襯底中圖案化並蝕刻特徵結構的材料及工藝，所述材料及工藝可最小化裝飾效應(decoration effect),從而顯著減少堆迭缺陷率。發明內容
本發明的實施例關於集成電路的製造。更特別地，本發明的實施例關於用以在半導體襯底中圖案化並蝕刻特徵結構的材料及工藝。在一個實施例中，提供一種形成複合非晶碳層以改良襯底上的堆迭缺陷率的方法。所述方法包含下列步驟將烴源氣體導入含有襯底的處理腔室；將稀釋劑源氣體導入處理腔室；將等離子體引發氣體導入處理腔室；在處理腔室中產生等離子體；在襯底上形成非晶碳初始層，其中烴源氣體的體積流速對稀釋劑源氣體的體積流速的比例為I :12或更低；以及在非晶碳初始層上形成主體非晶碳層，其中用來形成主體非晶碳層的烴源氣體的體積流速對稀釋劑源氣體的體積流速的比例為I : 6或更高，以形成複合非晶碳層。
在另一實施例中，提供一種形成器件的方法。所述方法包含下列步驟藉由下列步驟在襯底上形成非晶碳初始層提供氣體混合物至含有襯底的處理腔室，其中氣體混合物包含烴源氣體、稀釋劑源氣體以及等離子體引發氣體，其中烴源氣體的體積流速對稀釋劑源氣體的體積流速的比例為I :12或更低；以及在處理腔室中產生等離子體，以分解氣體混合物中的所述烴源氣體，以在襯底上形成非晶碳初始層。主體非晶碳層形成在非晶碳初始層上，其中烴源氣體以及稀釋劑源氣體被用來形成主體非晶碳層，其中，烴源氣體的體積流速對稀釋劑源氣體的體積流速的比例為I :6或更高，以形成複合非晶碳層。在主體非晶碳層及非晶碳初始層的至少一區域中界定圖案，並使用主體非晶碳層及非晶碳初始層作為掩模，將主體非晶碳層及非晶碳初始層的至少一區域中所界定的圖案轉移至襯底內。
在一個實施例中，所沉積的複合非晶碳層具有可調整的氫含量，氫含量範圍從約 10%的氫至約25%的氫，以及可調整的碳含量，碳含量範圍從約75%至約90%的碳。在另一實施例中，所沉積的複合非晶碳層具有約17. 5%的氫的可調整的氫含量，以及約82. 5%的可調整的碳含量。在另一實施例中，所沉積的複合非晶碳層具有可調整的氫含量，氫含量範圍從約10%的氫至約50%的氫，以及可調整的碳含量，碳含量範圍從約50%至約90%的碳。在又一實施例中，所沉積的複合非晶碳層具有可調整的氫含量，氫含量範圍從約25%的氫至約50%的氫，以及可調整的碳含量，碳含量範圍從約50%的碳至約75%的碳。
附圖
簡述
為使本發明的上述特徵得以更詳細被了解，已參照實施例而更具體說明以上所簡述的發明，其中部分實施例繪示於附圖中。然而，應注意的是，所述附圖僅為說明本發明的典型實施例，而非用於限制本發明的範疇，本發明亦允許其它等效實施例。
圖I為襯底處理系統的示意圖，所述襯底處理系統可用來進行根據本文所述的實施例的非晶碳層沉積；
圖2A至2C描繪在根據本文所述的實施例所進行的處理的不同階段的襯底結構的剖面示意圖3A至3L為使用如本文所述的非晶碳初始層來蝕刻材料層的工藝的側視示意圖4A至4H為在間隔掩模雙重圖案化工藝中使用如本文所述的非晶碳初始層的工藝的側視示意圖5A至5J為使用如本文所述的非晶碳初始層來蝕刻材料層的工藝的側視示意圖6描繪顯示非晶碳主體膜對根據本文所述的實施例所沉積的複合非晶碳膜的堆迭缺陷率比較的圖表；
圖7A至7D圖示掃描式電子顯微鏡影像，所述影像說明對根據本文所述的實施例所沉積的結構而言的側向擴張生長減少；以及
圖8圖示掃描式電子顯微鏡影像，所述影像說明非晶碳生長的類「間隙填充」本質。
為方便了解，在可能情況下已使用相同參考標號以指出諸圖所共有的相同器件。 可考慮將一個實施例所揭露的器件有利地應用於其它實施例中，而無需特別敘述。
詳細描述
本發明的實施例關於集成電路的製造。更特別地，本發明的實施例關於用以在半導體襯底中圖案化並蝕刻特徵結構的材料及工藝。階梯覆蓋率(step coverage)可定義為臺階、缺陷或特徵結構(表面形貌)上方的沉積膜的厚度相對於平坦區域中的膜的厚度的比例。階梯覆蓋率比較所提供的證據指出，堆迭缺陷可在後續層的沉積期間，通過下方層缺陷的側向擴張而形成。因此，相信抑制下方層缺陷的側向擴張將可減少堆迭缺陷。本文所述的若干實施例涉及通過化學氣相沉積(CVD)工藝沉積具有O至「負值」的階梯覆蓋率的非晶碳初始層。
非晶碳初始層確保下方表面形貌和/或種晶顆粒被埋藏，以在上方的非晶碳主體膜沉積之前提供平坦表面。相比於單獨沉積非晶碳主體膜，包含非晶碳初始層以及非晶碳主體膜層的此複合層減少堆迭缺陷率達至少一個數量級。典型地選擇非晶碳初始層的厚度以基本上匹配所存在的最大缺陷的高度。在一個實施例中，非晶碳初始層具有介於約100 A 至約1,000 A之間的厚度，較佳介於約200 A至約500 A之間的厚度。
非晶碳初始層的沉積期間的工藝參數以及化學物質對達到期望結果而言是重要的。在某些實施例中，工藝參數以及前驅物流動速率經過選擇，致使非晶碳初始層從缺陷的側面沉積，而不是如典型共形沉積工藝中可能發生的那樣沉積在缺陷的頂部(典型共形沉積工藝模仿下方層的表面形貌)。在一個實施例中，烴前驅物(CxHy)與H2稀釋劑混合，並伴隨著可選擇的惰性氣體，如He或Ar。烴前驅物對H2稀釋劑的比例是重要的。烴前驅物對H2稀釋劑的較低比例可減少非晶碳初始層的階梯覆蓋率，且因此，非晶碳初始層可更有效地「埋藏(bury)」缺陷而不會側向生長。然而，烴前驅物對H2稀釋劑的比例過低可能會導致缺陷位置外緣附近的增強的「蝕刻」，所述增強的「蝕刻」可造成底切(undercut)並接著在圖案化期間產生抗蝕劑浮洛(resist scumming)。因此,為了滿足上述兩種相矛盾的需求，提供改良的化學物質。在某些實施例中，可進一步微調非晶碳初始層的沉積條件，以獲得與主體膜密切匹配的膜特性，以不在圖案中引起蝕刻差異。
圖I為襯底處理系統100的示意圖，所述襯底處理系統可用來進行根據本文所述的實施例的非晶碳初始層沉積。合適的系統的實例包括CENTURA 系統，所述系統可使用 DxZ 處理腔室、PRECISION 5000 系統、PRODUCER 系統，如PRODUCER SE 處理腔室以及 PRODUCER GT 處理腔室，上述腔室全部可從加州聖克拉拉市的應用材料公司買到。本文所述的工藝也可考慮在其它襯底處理系統上執行，包括那些來自其他製造商的系統。
系統100包括處理腔室125、氣體面板130、控制單元110以及其它硬體部件，如電源供應器以及真空泵。本文所述的實施例中所用的系統的一個實施例的進一步細節描述於 2002年4月2日所授予的共同轉讓的美國專利第6，364，954號中，所述專利的標題為「High Temperature Chemical Vapor Deposition Chamber (高溫化學氣相沉積腔室)」。
處理腔室125通常包含襯底支撐座150，所述襯底支撐座150用來支撐襯底，如半導體襯底190。此襯底支撐座150在處理腔室125內使用耦接至軸杆160的位移機構(未繪示)在垂直方向上移動。依據工藝，可在處理之前將半導體襯底190加熱至期望溫度。可藉由埋設的加熱器元件170加熱襯底支撐座150。舉例而言，可藉由將電流從電源供應器 106施加至加熱器元件170，而以電阻方式加熱襯底支撐座150。半導體襯底190相應地藉由襯底支撐座150加熱。溫度感測器172 (如熱電偶)也埋設於襯底支撐座150中，以監視襯底支撐座150的溫度。經測量的溫度可用於反饋迴路中，以控制供加熱器元件170所用的電源供應器106。可將襯底溫度維持或控制在針對特定工藝應用而選擇的溫度。
使用真空泵102排空處理腔室125，並維持處理腔室125內部的適當氣體流及壓力。工藝氣體通過噴頭120導入處理腔室125，噴頭120位在襯底支撐座150上方且適於提供均勻分布的工藝氣體進入處理腔室125。噴頭120連接至氣體面板130，氣體面板130控制並供應在工藝序列的不同步驟所使用的多種工藝氣體。工藝氣體可包括烴源、稀釋劑源氣體(如，氫)，並可選地包括等離子體引發氣體，並將結合示例性非晶碳初始層沉積工藝的描述而更詳細地描述於下文中。
氣體面板130也可用來控制並供應多種蒸氣化的液體前驅物。儘管未繪示，可蒸氣化來自液體前驅物供應器的液體前驅物(舉例而言，藉由液體注射氣化器)，並在載氣存在的情況下將所述液體前驅物遞送至處理腔室125。載氣典型為惰性氣體，如氮，或稀有氣體，如氬或氦。或者，可藉由熱和/或真空增強蒸氣化工藝，從安瓿蒸氣化液體前驅物。
噴頭120以及襯底支撐座150也可形成一對分隔的電極。當在這些電極之間產生電場時，可點燃導入腔室125的工藝氣體成為等離子體192。典型地，可藉由將襯底支撐座 150通過匹配網絡(未繪示)連接至單頻或雙頻的射頻(RF)功率源(未繪示)來產生電場。或者，RF功率源以及匹配網絡可耦接至噴頭120，或耦接至噴頭120及襯底支撐座150 二者。
PECVD技術可藉由將電場施加至接近襯底表面的反應區，創造反應性物種的等離子體，以促進反應物氣體的激發和/或解離。等離子體中的物種的反應性可減少發生化學反應所需的能量，有效降低此類PECVD工藝所需的溫度。
可藉由質量流量控制器(未繪示)以及諸如電腦的控制單元110來進行通過氣體面板130的氣體及液體流的適當控制與調節。噴頭120使來自氣體面板130的工藝氣體可均勻分布並導入處理腔室125。作為說明地，控制單元110包含中央處理單元(CPU)112、支持電路114以及含有相關控制軟體116的存儲器。此控制單元110負責襯底處理所需的眾多步驟的自動化控制，如襯底輸送、氣體流控制、液體流控制、溫度控制、腔室排空，等等。當工藝氣體混合物離開噴頭120，烴化合物的等離子體增強熱分解發生在半導體襯底190的表面195，造成氮摻雜的非晶碳層沉積在半導體襯底190上。
圖2A至2C描繪在根據本文所述的實施例所進行的處理的不同階段的材料堆迭 200的剖面示意圖。基底材料210上形成有缺陷220，所述基底材料210沉積在襯底表面 (未繪示)上，以開始形成材料堆迭200。基底材料210可為形成半導體器件所用的一種或多種材料，包括矽襯底材料、氧化物材料、多晶矽材料，等等。非晶碳初始層230沉積在基底材料210上。非晶碳初始層230可為如本文所述的非晶碳材料。如圖2B所示，非晶碳初始層230具有基本上為零的階梯覆蓋率，並可抑制缺陷220的側向生長。可選用非晶碳初始層的厚度以基本上匹配存在的最大缺陷的高度。在一個實施例中，非晶碳初始層具有介於約loo A與約i，ooo A之間的厚度。在一個實施例中，非晶碳初始層具有介於約200 A與約 500 A之間的厚度。如圖2C所示，主體非晶碳層240沉積在非晶碳初始層230上，以形成複合層250。主體非晶碳層240可為，例如，可從加州聖克拉拉市的應用材料公司買到的先進圖案化膜"^ 的材料，或者，主體非晶碳層240可為如本文所述的非晶碳材料。
非晶碳初始層形成
在本文所述的一個實施例中，可藉由包括下列步驟的工藝形成非晶碳初始層(如，非晶碳初始層230):將烴源、稀釋劑氣體以及等離子體引發氣體導入處理腔室，如上文中結合圖I所描述的處理腔室125。在一個實施例中，烴源氣體為一種或多種烴化合物以及可選的載氣(如，氬)的混合物。
在一個實施例中，烴化合物可為部分或完全摻雜的烴化合物的衍生物，包括烴化合物的含氟、含氧、含羥基團以及含硼衍生物。
可包括在烴源氣體中的烴化合物或所述烴化合物的衍生物可由化學式CxHy所描述，其中X的範圍介於I與10之間，且y的範圍介於2與30之間。
合適的烴化合物包括下列化合物中的一個或多個，例如，炔烴類，如乙炔(C2H2)、丙烯(C3H6)、丙炔(C3H4)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4Hltl)、丁烯(C4H8)、丁二烯(C4H6)、乙烯乙炔及其衍生物；芳香烴類，如苯、苯乙烯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙酮、苯甲酸甲酯、乙酸苯酯、酚、甲酹、呋喃，等等;α -職品烯(alpha-terpinene)、異丙基甲苯(cymene)、1，I, 3，3，_四甲基丁基苯、叔丁基醚、叔丁基乙烯、甲基-丙烯酸甲酯(methyl-methacrylate)以及叔丁基糠醚(t-butylfurfurylether);具有化學式C3H2以及C5H4的化合物；滷化芳香化合物，包括單氟化苯、二氟化苯、四氟化苯、六氟化苯，等等。其它合適的烴包括烯類，如乙烯、丙烯、丁烯、戊烯，等等；二烯類，如丁二烯、異戊二烯、戊二烯、己二烯，等等；以及齒化烯烴類，包括單氟化乙烯、二氟化乙烯、三氟化乙烯、四氟化乙烯、單氯化乙烯、二氯化乙烯、三氯化乙烯、 四氯化乙烯，等等。
合適的稀釋劑氣體包括氫(H2)、氨(NH3)、CO、CO2，及其組合物。
類似地，若有需要，可將諸如氮(N2)、氨(NH3)或氮(N2)和氨(NH3)的組合物還有其它多種氣體加入氣體混合物。可使用Ar、He以及N2來控制非晶碳初始層的密度及沉積速率。可添加N2和/或NH3來控制非晶碳初始層的氫比例。
在某些實施例中，非晶碳初始層沉積工藝包括等離子體引發氣體的使用，所述等離子體引發氣體可在烴化合物之前、之後和/或與烴化合物同時導入腔室，並點燃等離子體以開始沉積。等離子體引發氣體可以是具有高電離勢的氣體，包括但不限於，氦氣、氫氣、 氮氣、氬氣，及上述氣體的組合物，其中較佳為氦氣。等離子體引發氣體也可為化學上惰性氣體，如氦氣、氮氣、氬氣，及上述氣體的組合物，其中較佳為氬氣。氣體的合適電離勢為從約5eV(電子勢)至25eV。可在含氮烴源氣體和/或烴源氣體之前將等離子體引發氣體導入腔室，這樣容許形成穩定的等離子體並降低電弧產生的機會。用作稀釋劑氣體或載氣的惰性氣體(如，氬)可與等離子體引發氣體、含氮烴源、烴源或上述氣體的組合物一同導入。
在一個實施例中，可在從約I :3或更低(例如，從約I :32至I :3，如從約I :15至約I :8)的烴化合物對稀釋劑氣體流的比例下，導入烴化合物及稀釋劑氣體，以供非晶碳初始層沉積所用。在一個實施例中，可在從約I :12或更低(例如，自約I :18至約I :14)的烴化合物對稀釋劑氣體流的比例下，導入烴化合物及稀釋劑氣體。在一個實施例中，可在從約I :15或更低的烴化合物對稀釋劑氣體流的比例下，導入烴化合物及稀釋劑氣體。在一個實施例中，可在從約I :32至約I :18的烴化合物對稀釋劑氣體流的比例下，導入烴化合物及稀釋劑氣體。
可藉由維持約O. 5Torr或更高(如從約O. 5Torr至約20Torr),且在一個實施例中，約6Torr或更高(例如，從約6Torr至約8Torr)的腔室壓力，以從工藝氣體沉積非晶碳初始層。在一個實施例中，可將腔室壓力維持在自約ITorr至9Torr的範圍內，例如,約3Torr。
可在維持從約O V至約800 V (如從約200 V至約700 V的溫度下，或從約300 V至約650°C的溫度下，例如從約500°C至約650°C )的襯底溫度的腔室中，從烴源氣體以及稀釋劑氣體源沉積非晶碳初始層。在某些實施例中，可使用從約200°C至約300°C的低襯底溫度。已觀察到，由於增強了表面原子的擴散，在升高的溫度下沉積非晶碳初始層可產生較佳的缺陷「埋藏(buring) 」能力，且較密的膜可對應地改良膜的蝕刻選擇性。
當沉積非晶碳初始層時，噴頭與襯底表面之間的電極間距可介於約100密耳與 5，000密耳間距之間，例如，約400密耳間距。
在某些實施例中，當使用等離子體時，可將烴源、稀釋劑氣體源以及等離子體引發氣體導入腔室，並點燃等離子體以開始沉積。可使用雙頻RF系統來產生等離子體。由於相信撞擊膜表面的離子的能量會影響膜密度，相信雙頻RF功率可提供對通量以及離子能量的獨立控制。相信高頻等離子體可控制等離子體密度，而低頻等離子體可控制撞擊襯底表面的離子的動能。混合RF功率的雙頻源可提供範圍從約IOMHz至約30MHz之間(例如，約13.56MHz)的高頻功率，也可提供範圍從約IOKHz至約IMHz之間(例如，約350KHz)的低頻功率。當使用雙頻RF系統來沉積非晶碳初始層時，第二 RF功率對整體混合頻率功率的比例較佳低於約O. 6至I. 0(0. 6 1)。可根據襯底尺寸以及所使用的設備來改變所施加的RF 功率以及一個或多個頻率的使用。在某些實施例中，也可使用單頻RF功率應用，且單頻RF 功率應典型地為本文所述的高頻功率應用。
可藉由將處在約O. 01瓦/cm2至約5瓦/cm2(如從約O. 01至約2瓦/cm2,例如，約I.55瓦/cm2)的功率密度下的RF功率施加至襯底表面區域，以產生等離子體。就300mm的襯底而言，功率施加可從約I瓦至約2，000瓦，如從約1，000瓦至約1，700瓦，例如約1，400 瓦。在某些實施例中，功率施加可從約500瓦至約600瓦。
在300mm的圓形襯底上沉積非晶碳初始層的示例性沉積工藝發生於高溫下，並利用諸如氬的等離子體引發氣體、諸如丙烯(C3H6)的烴源，以及諸如氫(H2)的稀釋劑氣體。所述工藝包括下列步驟在從約Osccm至約50，OOOsccm(例如，介於約1，OOOsccm 至約2，OOOsccm)的流動速率下供應諸如IS的等離子體引發氣體、在從約IOOsccm至約 50，OOOsccm(例如，自約200sccm至約700sccm)的流動速率下供應諸如丙烯(C3H6)的烴源，並且在從約IOsccm至約20，OOOsccm (例如，自約7，OOOsccm至約9，OOOsccm)的流動速率下供應諸如氫(H2)的稀釋劑氣體源；施加從約10瓦至約2，000瓦(例如，自約1，200瓦至I, 600瓦)的雙頻RF功率(約13. 56MHz);維持從約O. 5Torr至約20Torr (例如，自約 5Torr至8Torr)的腔室壓力；以及維持從約500°C至約600°C的襯底溫度。此工藝範圍提供約100 A/min至約丨,000 A /min的範圍內的非晶碳層沉積速率。本領域普通技術人員在閱讀本文的揭露內容後，當可計算出為了產生不同沉積速率的非晶碳初始層的合適工藝參數。
在300mm的圓形襯底上沉積非晶碳初始層的另一示例性沉積工藝發生於低溫下， 並利用諸如氬的等離子體引發氣體、諸如丙烯(C3H6)的烴源，以及諸如氫(H2)的稀釋劑氣體。所述工藝包括下列步驟在從約Osccm至約50，OOOsccm的流動速率下供應諸如IS的等離子體引發氣體、在從約IOOsccm至約50，OOOsccm的流動速率下供應諸如丙烯(C3H6)的烴源，並且在從約IOsccm至約20，OOOsccm的流動速率下供應諸如氫(H2)的稀釋劑氣體源；施加從約10瓦至約2，000瓦(例如，從約500瓦至600瓦)的雙頻RF功率(約13. 56MHz)； 維持從約O. 5Torr至約20Torr (例如，從約O. 5Torr至4Torr)的腔室壓力；以及維持從約 200°C至約300°C的襯底溫度。可調整烴源氣體以及稀釋劑源氣體的流動速率，以達成從約 I :32至I :18的烴化合物對稀釋劑氣體流的比例。本領域普通技術人員在閱讀本文的揭露內容後，當可計算出為了產生不同沉積速率的非晶碳初始層的合適工藝參數。
非晶碳主體層形成
在本文所述的一個實施例中，非晶碳主體層，如主體非晶碳層240可藉由包括下列步驟的工藝所形成將烴源、稀釋劑氣體以及可選的等離子體引發氣體導入處理腔室，如上文中結合圖I所描述的處理腔室125。在一個實施例中，主體非晶碳層240可為先進圖案化膜 (Advanced Patterning Film, APF)材料,所述材料可從加州聖克拉拉市的應用材料公司買到。在一個實施例中，烴源氣體為一種或多種烴化合物以及可選的載氣(如，氬)的混合物。在一個實施例中，用以沉積非晶碳主體層的前驅物以及工藝氣體與用以沉積非晶碳初始層的前驅物一致，然而，前驅物以及工藝氣體的流動速率則相異。用以沉積非晶碳主體層的工藝條件也可類似於上述結合非晶碳初始層沉積所描述的工藝條件。
在一個實施例中，可使用下列沉積工藝參數來形成非晶碳主體層。工藝參數包括範圍從約200°C至約700°C的襯底溫度、約ITorr至約20Torr的腔室壓力、介於約3W/ in2與約20W/in2之間的RF功率，以及介於約300密耳與約600密耳之間的板間距(plate spacing)。上述工藝參數提供約500人/131^1至約3,000 A/_min範圍內的典型非晶碳層沉積速率，並可在可從加州聖克拉拉市的應用材料公司買到的沉積腔室中實施在300_的襯底上。
就非晶碳主體層沉積而言，可在從約I :100或更高(例如，從約I :100至100 :1， 如從約1:10至約10 1)的烴化合物對稀釋劑氣體流的比例下，導入烴化合物及稀釋劑氣體。在一個實施例中，就非晶碳主體層沉積而言，可使用的烴化合物對稀釋劑氣體流的比例可從約I :4或更高，如從約I :4至約2 :1，例如，從約I :2至約I :1。在一個實施例中，就非晶碳主體層沉積而言，可使用的烴化合物對稀釋劑氣體流的比例可從約I :6或更高，如從約I :6至約2 :1，例如，從約I :2至約I :1。
在300mm的圓形襯底上的非晶碳初始層上沉積非晶碳主體層的示例性沉積工藝利用諸如氬的等離子體引發氣體、諸如丙烯(C3H6)的烴源，以及諸如氫(H2)的稀釋劑氣體。所述工藝包括下列步驟在從約Osccm至約50，OOOsccm(例如，介於約1，OOOsccm 至約2，OOOsccm)的流動速率下供應諸如IS的等離子體引發氣體、在從約Osccm至約 50，OOOsccm (例如,從約800sccm至約1，500sccm)的流動速率下供應諸如丙烯(C3H6)的烴源，並且在從約IOsccm至約10，OOOsccm(例如，從約3，OOOsccm至約6，OOOsccm)的流動速率下供應諸如氫(H2)的稀釋劑氣體源；施加從約10瓦至約2，000瓦(例如，從約1，200 瓦至1，700瓦)的單一 HF RF或雙頻RF功率；維持從約O. 5Torr至約20Torr (例如，從約 6Torr至8Torr)的腔室壓力；以及維持從約500°C至約600°C的襯底溫度。此工藝範圍提供約500人/11^至約3,000入/min的範圍內的非晶碳層沉積速率。本領域普通技術人員在閱讀本文的揭露內容後，當可計算出為了產生不同沉積速率的非晶碳主體層的合適工藝參數。
實例:10
提供下列非限制性實例來進一步闡述本文所述的實施例。然而，所述實例不是為了全部包含本文所述的實施例的範疇，也不是為了限制本文所述的實施例的範疇。
在Producer⑩系統中將300 A的非晶碳初始層沉積在多晶矽襯底上。可藉由如下步驟沉積非晶碳初始層提供約1，600sccm的流動速率的IS至處理腔室、提供約8，OOOsccm 的流動速率的氫(H2)至處理腔室、提供約500SCCm的流動速率的丙烯(C3H6)至處理腔室、 施加約1，400瓦的高頻RF功率(13. 56MHz)、維持約550°C的沉積溫度、維持約7Torr的腔室壓力，伴隨著約400密耳的間距，進行約56秒的時間段。
在Producer. 系統中將1，700 A的非晶碳主體層沉積在非晶碳初始層上。可藉由如下步驟沉積非晶碳主體層提供約1，eOOsccm的流動速率的氬至處理腔室、提供約 4，000sCCm的流動速率的氫(H2)至處理腔室、提供約l，000sCCm的流動速率的丙烯(C3H6) 至處理腔室、施加約1，400瓦的高頻RF功率(13. 56MHz)、維持約550°C的沉積溫度、維持約 7Torr的腔室壓力，伴隨著約400密耳的間距，進行約106秒的時間段。
圖3A至3L為使用如本文所述的非晶碳初始層來蝕刻材料層的工藝的側視示意圖。基底材料310沉積在襯底表面(未繪示)上，以開始形成材料堆迭300。基底材料310 可為形成半導體器件所用的一種或多種材料，包括矽襯底材料、氧化物材料、多晶矽材料， 等等。根據 本文所述的實施例所形成的非晶碳初始層315沉積在基底材料310上，以掩蓋任何存在於基底材料310的表面上的缺陷，並對後續層的沉積提供平坦化的表面。如圖3B 所示，第一非晶碳層320沉積在非晶碳初始層315上，且第一抗反射塗布材料330沉積在第一非晶碳層320上。非晶碳層可為可從加州聖克拉拉市的應用材料公司買到的先進圖案化膜 …^材料，或者，非晶碳層可為本文所述的非晶碳材料。在光刻圖案化工藝期間，可使用第一抗反射塗布材料330來控制光的反射。第一抗反射塗布材料330可包含二氧化矽、 氧氮化矽、氮化矽，或上述材料的組合物。抗反射塗布材料可為DARC 材料層，所述材料層可從加州聖克拉拉市的應用材料公司買到。
如圖3C所示，可依序將第二非晶碳層340以及第二抗反射塗布材料350沉積在第一抗反射塗布材料上。第二非晶碳層340以及第二抗反射塗布材料350可為用於沉積層 320以及第一抗反射塗布材料330的相同材料。如圖3D所示，接著將抗蝕劑層360 (如光阻材料)沉積在第二抗反射塗布材料350上。如圖3E所示，接著藉由光刻工藝來圖案化抗蝕劑層，以產生經圖案化的抗蝕劑層361。如圖3F所示，將形成在抗蝕劑層361中的第一圖案362轉移至第二非晶碳層340，以藉由一個或多個蝕刻工藝首先蝕刻第二抗反射塗布材料350並接著蝕刻第二非晶碳層340，以形成經圖案化的第二非晶碳層341。經圖案化的第二非晶碳層341可作為供下方材料所用的硬掩模。可藉由所述一個或多個蝕刻工藝或藉由分離的工藝移除第二抗反射塗布材料350。
如圖3G所示，將共形的非晶碳層370沉積在第一抗反射塗布材料330以及經圖案化的第二非晶碳層341上。如圖3H所示,藉由各向異性蝕刻工藝(anisotropic etch process)圖案化共形的非晶碳層370，以提供側壁非晶碳材料371。側壁非晶碳材料371的存在容許第二圖案372的形成，相比於通過現今的光刻工藝可實現的情況，第二圖案372具有減小的臨界尺寸以及特徵尺寸，亦即增大的圖案密度。經圖案化的第二非晶碳層341結合側壁非晶碳材料371可作為下方第一抗反射塗布材料330以及第一非晶碳層320的硬掩模層。
如圖31所示，接著蝕刻第一抗反射塗布材料330，以形成具第二圖案372的經圖案化的抗反射塗布層331。在蝕刻工藝期間，或藉由後續工藝，移除經圖案化的第二非晶碳層 341以及側壁非晶碳材料371。接著蝕刻非晶碳初始層315以及第一非晶碳層320，以形成具有第二圖案372的經圖案化的第一非晶碳層321以及經圖案化的非晶碳初始層316，所述第二圖案372將被轉移至下方的基底材料310。在一個實施例中，在單個步驟中蝕刻非晶碳初始層315以及第一非晶碳層320。在另一實施例中，在分離的多個步驟中蝕刻非晶碳初始層315以及第一非晶碳層320。接著如圖3K所示，使用經圖案化的第一非晶碳層321以及經圖案化的非晶碳初始層316作為硬掩模層，以蝕刻基底材料310。如圖3L所示，移除經圖案化的第一非晶碳層321以及經圖案化的非晶碳初始層316，以提供具有經圖案化的基底材料311的襯底表面，經圖案化的基底材料311具有第二圖案372。
在可供替換的實施例中，就圖3F至3L而言，可使用經圖案化的抗蝕劑材料來替代經圖案化的第二非晶碳層341，由此消除對經圖案化的第二非晶碳層341與第二抗反射塗布材料350以及圖3C至3E的對應沉積步驟及蝕刻步驟的需求。
圖4A至4H為在間隔掩模雙重圖案化工藝中使用本文所述的非晶碳初始層的工藝的側視示意圖。將基底材料410沉積在襯底表面上，以開始形成材料堆迭400。基底材料 410可為形成半導體器件所用的一種或多種材料，包括矽襯底材料、氧化物材料、多晶矽材料，等等。根據本文所述的實施例所形成的非晶碳初始層415沉積於基底材料410上，以掩蓋任何存在於基底材料410的表面上的缺陷。如圖4A所示，第一非晶碳層420沉積在非晶碳初始層415上，且具有第一圖案432的經圖案化的抗蝕劑層430形成在第一非晶碳層420 上。非晶碳層420可為可從加州聖克拉拉市的應用材料公司買到的先進圖案化膜TM(APF)M 料，或者，非晶碳層420可為本文所述的非晶碳材料。可藉由光刻工藝圖案化抗蝕劑層430。 如圖4B所示,接著使經圖案化的抗蝕劑層430經歷修整工藝(trimming process),從而縮減經圖案化的阻擋材料的寬度，以形成由經修整的阻擋材料431所界定的第二圖案433。如圖4C所示，接著蝕刻第一非晶碳層420以及非晶碳初始層415，以轉移第二圖案433而形成經圖案化的非晶碳層421以及經圖案化的非晶碳初始層416。
接著形成側壁間隔物440，所述側壁間隔物440與經圖案化的非晶碳層421結構以及經圖案化的非晶碳初始層結構相鄰。間隔物可包含可蝕刻材料，所述可蝕刻材料所具有的蝕刻率與第一非晶碳層420及非晶碳初始層415相異。合適的材料包括，例如，二氧化矽、 氧氮化矽、氮化矽或上述材料的組合物。如第4E圖所示，接著將共形非晶碳材料的間隙填充層450沉積在側壁間隔物440上。可藉由任何本文所述的工藝來沉積共形非晶碳材料。 較佳的共形非晶碳材料是那些具有與經圖案化的非晶碳層421相似的蝕刻特性的材料。如圖4F所示，接著回頭蝕刻間隙填充層450，以暴露側壁間隔物440。如圖4G所示，接著蝕刻側壁間隔物440，以暴露基底材料410，基底材料410界定了硬掩模層451。如圖4H所示，可接著圖案化蝕刻基底材料410，以形成經圖案化的基底材料411。
在可供替代的工藝中，在如圖4D所示般形成與經圖案化的非晶碳層421結構以及經圖案化的非晶碳初始層416結構相鄰的側壁間隔物440之後，接著從襯底表面除去經圖案化的非晶碳層421以及經圖案化的非晶碳初始層416。側壁間隔物440接著形成如第4E』 圖所示的圖案，所述圖案可用來作為基底材料410的硬掩模。可接著圖案化蝕刻基底材料 410，以形成經圖案化的基底材料411。
圖5A至5J為使用如本文所述的非晶碳初始層來蝕刻材料層的工藝的側視示意圖。將基底材料510沉積在襯底表面(未繪示)上，以開始形成材料堆迭500。基底材料可為形成半導體器件所用的一種或多種材料，包括矽襯底材料、氧化物材料、多晶矽材料， 等等。根據本文所述的實施例所形成的非晶碳初始層515沉積於基底材料510上，以掩蓋任何存在於基底材料510的表面上的缺陷。如圖5B所示，第一非晶碳層520沉積在基底材料510上，且抗反射塗布材料530沉積在第一非晶碳層520上。非晶碳層可為可從加州聖克拉拉市的應用材料公司買到的先進圖案化膜 (APF)材料，或者，非晶碳層可為本文所述的非晶碳材料。在光刻圖案化工藝期間，可使用抗反射塗布材料530來控制光的反射。抗反射塗布材料530可包含二氧化矽、氧氮化矽、氮化矽，或上述材料的組合物。抗反射塗布材料可為DARC 材料層，所述材料層可從加州聖克拉拉市的應用材料公司買到。
如圖5C所示，可接著將抗蝕劑層540 (如光阻材料)沉積在抗反射塗布材料530 上。如圖所示，接著藉由光刻工藝圖案化抗蝕劑層而產生經圖案化的抗蝕劑層541。經圖案化的抗蝕劑層541形成第一蝕刻圖案542。
如圖5E所示，將第二非晶碳層550共形地或基本上共形地沉積在經圖案化的抗蝕劑層541上。如圖5F所示，蝕刻並圖案化第二非晶碳層550，以形成第二蝕刻圖案552，所述第二蝕刻圖案552比第一蝕刻圖案542具有減少的(例如，窄縮的)特徵尺寸。藉由各向異性蝕刻工藝圖案化共形的第二非晶碳層550，以提供側壁非晶碳材料551。
側壁非晶碳材料551的存在容許第二蝕刻圖案552的形成，相比於通過現今的光刻工藝可實現的情況，第二蝕刻圖案552具有減小的臨界尺寸以及特徵尺寸，亦即增大的圖案密度。藉由所述工藝可減小(「縮減(shrink)」)形成在抗蝕劑層中的特徵定義的尺寸(如，臨界尺寸)，以在下方層中提供更精細的特徵圖案。經圖案化的抗蝕劑層541結合側壁非晶碳材料551可作為下方抗反射塗布材料530以及第一非晶碳層520的硬掩模層。
伴隨著側壁非晶碳材料551以及抗蝕劑層541所形成的第二蝕刻圖案552被轉移至第一非晶碳層520，以藉由首先蝕刻抗反射塗布材料530 (如圖5G所示)並接著藉由一個或多個蝕刻工藝蝕刻第一非晶碳層520以及非晶碳初始層515 (如圖5H所示)，而形成經圖案化的第一非晶碳層521以及經圖案化的非晶碳初始層516。經圖案化的第一非晶碳層 521以及經圖案化的非晶碳初始層516可作為下方基底材料510的硬掩模。在蝕刻下方材料之前，可藉由所述一個或多個蝕刻工藝或藉由分離的工藝移除抗反射塗布材料531。
如圖51所示，接著使用經圖案化的第一非晶碳層521以及經圖案化的非晶碳初始層516作為硬掩模層，來蝕刻基底材料510，並且如圖5J所示，移除經圖案化的第一非晶碳層521以及經圖案化的非晶碳初始層516，以提供具有經圖案化的基底材料511 (具有第二蝕刻圖案552)的襯底表面。
結果
表I提供了沉積在多晶矽襯底上的本文所述的非晶碳複合膜(非晶碳初始層與沉積在其上的非晶碳主體膜)與直接沉積在多晶矽襯底上的非晶碳主體膜(例如，可從加州聖克拉拉市的應用材料公司買到的APF 550)的平坦化特性的比較。列示在表I中的結果說明了儘管複合a: C膜提供許多與單獨的APF550膜相同的特性，但複合a: C膜可相對於單獨沉積的APF550膜最小化堆迭缺陷。
權利要求
1.一種在襯底上形成複合非晶碳層以改良堆迭缺陷率的方法，包括下列步驟將烴源氣體導入含有襯底的處理腔室；將稀釋劑源氣體導入所述處理腔室；將等離子體引發氣體導入所述處理腔室；在所述處理腔室中產生等離子體；在所述襯底上形成非晶碳初始層，其中所述烴源氣體的體積流速對所述稀釋劑源氣體的體積流速的比例為I :12或更低；以及在所述非晶碳初始層上形成主體非晶碳層，其中用來形成所述主體非晶碳層的烴源氣體的體積流速對稀釋劑源氣體的體積流速的比例為I :6或更高，以形成所述複合非晶碳層。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，就所述非晶碳初始層而言，所述烴源氣體的所述體積流速與所述稀釋劑源氣體的所述體積流速的所述比例介於約I :18與I :14之間。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，就所述主體非晶碳層而言，所述烴源氣體的所述體積流速對所述稀釋劑源氣體的所述體積流速的所述比例介於約I :4與2 :1之間。
4.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，進一步包括下列步驟在所述襯底上形成所述非晶碳初始層期間，加熱所述襯底至介於約500°C與約650°C之間的溫度。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所沉積的所述複合非晶碳層具有可調整的氫含量以及可調整的碳含量，所述可調整的氫含量的範圍從約10%的氫至約25%的氫，所述可調整的碳含量的範圍從約75%至約90%的碳。
6.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，進一步包括下列步驟在所述襯底上形成所述非晶碳初始層期間，加熱所述襯底至介於約200°C與約300°C之間的溫度。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，就所述非晶碳初始層而言，所述烴源氣體的所述體積流速與所述稀釋劑源氣體的所述體積流速的所述比例介於約I :32與I :18之間。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所沉積的所述複合非晶碳層具有可調整的氫含量以及可調整的碳含量，所述可調整的氫含量的範圍從約25%的氫至約50%的氫，所述可調整的碳含量的範圍從約50%至約75%的碳。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述稀釋劑源氣體是氫，且所述烴源氣體是丙烯。
10.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述烴源氣體從由乙炔(C2H2)、丙烯 (C3H6)、丙炔(C3H4)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)'丁烯(C4H8)、丁二烯(C4H6)、乙烯乙炔、及上述氣體的組合物所組成的群組中選擇。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述稀釋劑源氣體從由氫(H2)、氨(NH3)、 CO、CO2及上述氣體的組合物所組成的群組中選擇。
12.—種形成器件的方法，包括下列步驟藉由下列步驟在襯底上形成非晶碳初始層提供氣體混合物至含有襯底的處理腔室，其中所述氣體混合物包括烴源氣體、稀釋劑源氣體以及等離子體引發氣體，其中所述烴源氣體的體積流速對所述稀釋劑源氣體的體積流速的比例為I : 12或更低；以及在所述處理腔室中產生等離子體，以分解所述氣體混合物中的所述烴源氣體，以在所述襯底上形成所述非晶碳初始層；在所述非晶碳初始層上形成主體非晶碳層，其中烴源氣體以及稀釋劑源氣體被用來形成所述主體非晶碳層，其中所述烴源氣體的體積流速對稀釋劑源氣體的體積流速的比例為 I 6或更高，以形成所述複合非晶碳層；在所述主體非晶碳層及所述非晶碳初始層的至少一個區域中界定圖案；以及使用所述主體非晶碳層及所述非晶碳初始層作為掩模，將所述主體非晶碳層及所述非晶碳初始層的所述至少一個區域中所界定的所述圖案轉移至所述襯底內。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，就所述非晶碳初始層而言，所述烴源氣體的所述體積流速與所述稀釋劑源氣體的所述體積流速的所述比例介於約I :32與I :18之間。
14.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，進一步包括下列步驟在襯底上形成非晶碳初始層期間，加熱所述襯底至介於約200°C與約700°C之間的溫度。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述烴源氣體從由乙炔(C2H2)、丙烯 (C3H6)、丙炔(C3H4)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4Hltl)、丁烯(C4H8)、丁二烯(C4H6)、乙烯乙炔及上述氣體的組合物所組成的群組中選擇；以及其中所述稀釋劑源氣體從由氫(H2)、氨(NH3)、C0、C02及前述氣體的組合物所組成的群組中選擇。
全文摘要
本文所述的實施例關於用以圖案化並蝕刻半導體襯底中的特徵結構的材料及工藝。在一個實施例中，提供一種在襯底上形成複合非晶碳層以改良堆迭缺陷率的方法。所述方法包含下列步驟將襯底安置於處理腔室中；將烴源氣體導入處理腔室；將稀釋劑源氣體導入處理腔室；將等離子體引發氣體導入處理腔室；在處理腔室中產生等離子體；在襯底上形成非晶碳初始層，其中烴源氣體所具有的體積流速對稀釋劑源氣體流速的比例為112或更低；以及在非晶碳初始層上形成主體非晶碳層，其中被用來形成主體非晶碳層的烴源氣體所具有的體積流速對稀釋劑源氣體流速的比例為16或更高，以形成複合非晶碳層。
文檔編號H01L21/027GK102939641SQ201180019344
公開日2013年2月20日 申請日期2011年4月25日 優先權日2010年4月30日
發明者於航, D·帕德希, 蔡曼平, N·尤施達, 繆麗妍, 鄭兆輝, S·沙克, 樸賢秀, H·L·樸, B·H·金 申請人:應用材料公司