專利名稱：具有改進的密度和階梯覆蓋率的無定形碳膜的沉積方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例一般涉及集成電路的制造，特別涉及無定形碳層在半導體基板上的沉積。
背景技術：
集成電路已發(fā)展成復雜的器件，其在單一芯片上可包括數(shù)百萬計的晶體管、電容器以及電阻器。芯片設計的發(fā)展不停地要求更高速的電路系統(tǒng)以及更高的電路密度。對具有更高電路密度的更高速電路的需求對用以制造這種集成電路的材料提出了相應的要求。尤其是，當集成電路組件的尺寸被縮小至亞微米尺寸時，其需要使用不僅是低電阻導電材料(例如銅)以增加器件的電學性能表現(xiàn)，且亦需要使用低介電常數(shù)的絕緣材料(一般稱為低k材料)。低k材料一般的介電常數(shù)低于4. O。制造包括僅具有少量或是無表面缺陷或特征結構變形的低k材料的器件是有困難的。低k介電材料通常為多孔的，且在接下來的處理步驟中容易被刮傷或受損，因此增加在基板表面形成缺陷的可能性。低k材料一般是易碎的，并可能在常規(guī)的研磨處理(如化學機械研磨；CMP)下變形。限制或減少低k材料的表面缺陷及變形的一個解決辦法是在圖案化及蝕刻之前，先在暴露的低k材料上沉積一硬質掩模(hardmask)。硬質掩模避免易碎的低k材料的受損及變形。此外，硬質掩模層用作一蝕刻掩模，并與常規(guī)平版印刷(lithographic)技術結合,用以避免低k材料在蝕刻的過程中被移除。一般地，硬質掩模是一中間氧化層，例如二氧化硅或氮化硅。然而，某些器件結構已經(jīng)包括有二氧化硅及/或氮化硅層，例如鑲嵌結構。所以，這種器件結構無法利用二氧化硅或氮化硅硬質掩模來作為蝕刻掩模以形成圖案，因為在硬質掩模及其下方材料之間存在有很小的蝕刻選擇性或無蝕刻選擇性，也就是說，硬質掩模的移除將對下方的層造成無法接受的損害。為了用作氧化層的蝕刻掩模(例如二氧化硅或氮化硅)，材料必須對那些氧化層具有良好的蝕刻選擇性。含氫的無定形碳(amorphous hydrogenated carbon)是針對二氧化硅或氮化硅材料而用作硬質掩模的材料。含氫的無定形碳，也稱的為無定形碳，并且以a_C:H來代表，其實質上是缺乏長程晶序(long-range crystalline order)的碳材料,其可包含相當大的氫含量,例如在大約10至45原子百分比的等級。因為其所具有的化學惰性、光學透明度、以及良好機械特性，a_C:H在半導體應用上被用作硬質掩模材料。雖然可利用各種技術沉積a_C:H膜，但由于成本效率及膜特性的可調(diào)性，所以廣泛地使用等離子體輔助化學氣相沉積法(PlasmaEnhanced Chemical VaporDeposition, PECVD)。在典型的 PECVD 處理中，經(jīng)來源(例如夾帶于載氣中的氣相烴或液相烴的蒸氣)被導入PECVD處理室中。等離子體引發(fā)氣體(一般為氦)亦被導入處理室中。等離子體接著在處理室中被引發(fā)，用以產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的CH-自由基。激發(fā)態(tài)的CH-自由基與放置在處理室中基板的表面化學地結合，用以在其上形成所需的a-C:H膜。圖1A-1E說明了在并入作為硬質掩模的a_C:H層的集成電路制造順序中的不同階段時的基板100的剖視示意圖?；褰Y構150代表基板100和形成在基板100上的其它材料層。圖IA說明具有已按常規(guī)形成于其上的材料層102的基板結構150的剖視示意圖。材料層102可以是低k材料及/或氧化物，例如二氧化硅(SiO2)。圖IB描述沉積在圖IA的基板結構150上的無定形碳層104。無定形碳層104是通過常規(guī)的方法(例如通過PECVD)而形成在基板結構150上的。無定形碳層104的厚度根據(jù)處理的特定階段而可變動。一般來說，無定形碳層104的厚度介于約500埃(A)至約10000埃范圍間。根據(jù)在制造順序中使用的對能量變化靈敏(energy sensitive)的光刻材料108的蝕刻化學性，在形成對能量變化靈敏的光刻材料108之前，在無定形碳層104上可先形成一任選的覆蓋層(未顯示)。當其中的圖案被轉移時，任選的覆蓋層用作無定形碳層104的掩模，并且保護無定形碳層104遠離對能量變化靈敏的光刻材料108。 如描述于圖1B，對能量變化靈敏的光刻材料108形成在無定形碳層104上。對能量變化靈敏的光刻材料108層可以旋轉涂布在基板上，且厚度為介于約2000埃至約6000埃之間。大部分的對能量變化靈敏的材料對于波長小于約450納米的紫外光(UV)很靈敏，且在某些應用中對于波長為245納米或193納米的紫外光很靈敏。通過使對能量變化靈敏的光刻材料108透過圖案化裝置(例如掩模110)而暴露在紫外光130下，并且接著在一適當?shù)娘@影劑中使對能量變化靈敏的光刻材料108顯影，就將圖案引入對能量變化靈敏的光刻材料108的層內(nèi)。在對能量變化靈敏的光刻材料108顯影之后，由孔洞140構成的所需圖案出現(xiàn)在對能量變化靈敏的光刻材料108上，如圖IC所
/Jn ο接著，如圖ID所示，利用對能量變化靈敏的光刻材料108來作為掩模，則可將定義在對能量變化靈敏的光刻材料108上的圖案轉移穿過無定形碳層104。使用適當?shù)幕瘜W蝕亥丨J劑，以在對能量變化靈敏的光刻材料108及材料層102上蝕刻無定形碳層104，以使孔洞140延伸至材料層102的表面。適當?shù)幕瘜W蝕刻劑包括臭氧、氧氣或氨等離子體。如圖IE所示，接著利用無定形碳層104作為一硬質掩模而將圖案轉移穿過材料層102。在這個處理步驟中，使用蝕刻劑，以在無定形碳層104上選擇性地移除材料層102，例如干蝕刻，即非反應性等離子體蝕刻。在材料層102經(jīng)圖案化之后，無定形碳層104可選擇性地從基板100上剝除。在一制造順序的特殊例子中，定義在a-C:H硬質掩模中的圖案被合并至集成電路的結構中，例如一鑲嵌結構。鑲嵌結構一般用以在集成電路上形成金屬互連。使用a_C:H硬質掩模層的器件制造商需要滿足二個關鍵的需求(1)在下方材料干蝕刻的期間，硬質掩模的高選擇性，以及(2)為了平版印刷重合(lithographicregistration)的準確性,在可見光光譜中的高光學透明度?！父晌g刻」一詞通常指蝕刻處理中材料并非通過浸沒于化學溶劑中而溶解，且包括例如反應性離子蝕刻、濺射蝕刻、以及氣相蝕刻的方法。進一步，針對硬質掩模層沉積在具有形態(tài)特征結構(topographicfeature)的基板上的應用，對于a_C:H硬質掩模的額外的需求是硬質掩模層要保形地(conformally)覆蓋該形態(tài)特征結構的全部表面。往回參照圖1A-E，為了確保無定形碳層104在干蝕刻的期間可適當?shù)乇Ｗo材料層102，因此重要的是無定形碳層104相對于材料層102而具有相對高的蝕刻選擇性或移除率比率。一般來說，在干蝕刻處理期間，在無定形碳層104及材料層102之間的蝕刻選擇性期望是至少約10 1或更高，換言之，材料層102以快于無定形碳層104十倍的速度被蝕刻。這樣一來，當通過干蝕刻處理形成孔洞140時，由無定形碳層104形成的硬質掩模層可保護材料層102的區(qū)域不會被蝕刻或是受損。另外，在某些應用中，例如圖IB中所示的平版印刷處理步驟，期望硬質掩模對于光學照射(即光波長介于約400納米及約700納米之間)具有高度透明度。對于特定光波長的透明度允許更準確的平版印刷重合，其接著允許掩模110與基板100上特定位置的非常精確的對準。材料對于給定光頻率的透明度一般被量化成材料的吸收系數(shù)，亦稱為消光系數(shù)。舉例來說，對于大約6000埃至7000埃厚的a-C:H層，在用于平版印刷重合的光頻率下(例如630納米)，a-C:H層應具有O. 12或更小的吸收系數(shù)，否則，掩模110可能無法準確地對準?？梢酝ㄟ^調(diào)整沉積參數(shù)來達到制造具有O. 12或更小吸收率的層，該些參數(shù)例如基板 溫度或等離子體離子能量。然而，一般在產(chǎn)生擁有高透明度的a_C:H膜及在產(chǎn)生擁有高蝕刻選擇性的a_C:H膜這兩方面之間總有權衡。具有較好蝕刻選擇性的無定形碳層一般具有較差的透明度。舉例來說，當把沉積溫度作為調(diào)整的因子時，在相對高的溫度(即，大于500°C)下沉積的a-C:H膜一般具有良好的蝕刻選擇性但卻具有低透明度。降低沉積溫度(特別是低于400°C)可增加a-C:H膜的透明度，但卻導致對膜較高的蝕刻率且因此具有較小的蝕刻選擇性。如上所提到的，在某些應用中，可以在具有一種下方形態(tài)特征的基板上沉積硬質掩模層，例如，該形態(tài)特征可以是用以對準圖案化處理的對準點(alignment key)。在這些應用中，亦期望a-C:H層與下方形態(tài)特征是高度保形的。圖2說明了具有特征結構201及形成于其上的非保形無定形碳層202的基板200的剖視示意圖。因為非保形的無定形碳層202并未完整地覆蓋特征結構201的側壁204，因此接下來的蝕刻處理可能會造成不期望的側壁204腐蝕現(xiàn)象。缺乏由非保形的無定形碳層202完整覆蓋的側壁204也可能導致在非保形碳層202下方的材料的光刻膠侵蝕(photoresist poisoning),已知這會損壞電子器件。層的保形性(conformality) —般由沉積在特征結構的側壁上層的平均厚度與在基板的區(qū)域上、或上表面上相同的沉積層的平均厚度之間的比率來量化。再者，重要的是，硬質掩模層的形成不會在其它方面有害地影響半導體基板。例如，如果在硬質掩模的形成期間產(chǎn)生可能損害基板的大量粒子，或是形成在基板上的器件會被過度地加熱，其導致的問題可能遠超過任何的益處。因此，需要一種有益于集成電路制造的沉積材料層的方法，其對于氧化物具有良好的蝕刻選擇性、在可見光光譜中具有高光學透明度、可以保形地沉積在具有形態(tài)特征結構的基板上、以及可以在相對低溫下制造而且不會產(chǎn)生大量的粒子。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供一種用以在基板上沉積無定形碳層的方法。根據(jù)第一實施例，該方法包括將基板放置在處理室中；將烴源(hydrocarbon source)導入處理室中；將重稀有氣體導入處理室中；以及在處理室中產(chǎn)生等離子體。重稀有氣體選自由氬氣、氪氣、氙氣、及其混合物所組成的群組，并且稀有氣體的摩爾流速大于烴源的摩爾流速?？砂ㄒ粋€后沉積終止步驟，其中烴源及稀有氣體的流動被終止，并且將等離子體維持在處理室中一段時間，用以自處理室移除粒子。亦可以在后沉積終止步驟期間將氫氣導入處理室中。根據(jù)第二實施例，該方法包括將基板放置在處理室中；將烴源導入處理室中；將烴源的稀釋氣體導入處理室中；以及在處理室中產(chǎn)生等離子體。進入處理室的稀釋氣體的摩爾流速為烴源的摩爾流速的約2倍至約40倍之間。在此方法中也可包括類似于第一實施例的后沉積終止步驟。根據(jù)第三實施例，該方法包括將基板放置在處理室中；將烴源導入處理室中；將烴源的稀釋氣體導入處理室中；在處理室中產(chǎn)生等離子體；以及在處理室中引發(fā)等離子體之后，將處理室中的壓力維持在約2托(Torr)至8托。無定形碳層的密度介于約1.2g/cc至I. 8g/cc之間，且無定形碳層在可見光光譜中的吸收系數(shù)可小于約O. 10。


為了讓本發(fā)明的上述特征更明顯易懂，可配合參考實施例說明，其中一部分如附圖所示。須注意的是，雖然附圖揭露本發(fā)明特定實施例，但其并非用以限定本發(fā)明的精神與范圍，任何本領域技術人員，當可作各種更動與潤飾而得等效實施例。圖1A-1E(現(xiàn)有技術)說明了在并入無定形碳層作為硬質掩模的集成電路制造順序中基板在不同階段的剖視示意圖。圖2(現(xiàn)有技術)說明了具有形成于其上的特征結構及非保形無定形碳層的基板的剖視示意圖。圖3為標繪無定形碳膜的膜密度及蝕刻選擇性之間的關系圖。圖3A為表示基板處理系統(tǒng)的示意圖，其可根據(jù)本發(fā)明的實施例而用于實行無定形碳層沉積。圖4為說明氬稀釋氣體對于無定形碳膜密度的影響的圖。圖5說明了稀釋氣體種類對生成的膜密度的影響。圖6說明了較低的烴流速對膜密度的影響。圖7說明了處理室壓力對膜密度的影響。圖8說明了沉積速率的改善，這是通過在沉積無定形碳膜的同時引入重稀有氣體作為高流速稀釋劑而實現(xiàn)的。圖9說明了具有形成于其上的特征結構及無定形碳層的基板的截面示意圖。為了更清楚地表示，在合適的地方使用相同的符號來標出在各個圖之間共同的元素。
具體實施例方式發(fā)明人已得知，不論沉積a-C: H膜所使用的烴源如何，a_C: H膜密度及蝕刻選擇性之間都存在有強大的關聯(lián)性。圖3為標繪四種沉積在不同基板上的不同a-C:H膜301A-D的多個樣本的膜密度及蝕刻選擇性之間的關系圖。蝕刻選擇性是這樣一種因素，通過此因素，相比于選定的a-C:H膜而對下方材料進行蝕刻，也就是說，蝕刻選擇性為10則意指下方材料按照比a-C:H膜快十倍的速度被移除。每一個膜301A-D由不同前驅物及處理條件而形成。數(shù)據(jù)顯示不論前驅物為何，每一個膜的密度與蝕刻選擇性之間基本上為線性相關。這些結果證明即使處理溫度及前驅物相當不同，但可通過增加膜密度而達到a-C:H膜所需的蝕刻選擇性。因此，a-C:H膜的稠化(densification)可以是增進蝕刻選擇性的一種方法。本發(fā)明的實施方面包括使用流速相對大的氬或其它重稀有氣體(例如氪或氙)來作為在a_C:H膜沉積期間的稀釋氣體，用以增加生成的膜密度(以及因此增加蝕刻選擇性)、膜的沉積速率、以及膜對于基板表面上的特征結構的保形性。將重稀有氣體用作大流速稀釋氣體這一做法也在沉積處理中增加了烴前驅物的利用效率，從而減少在處理室內(nèi)表面上不需要的沉積。針對a-C:H膜的沉積，在PECVD處理室中，氦被用作工作氣體中的主要的非反應性成分，這是因為氦容易被離子化，并且因此有益于在處理室中引發(fā)等離子體而具有低電弧放電的風險。雖然氬有時被用作載氣，以將液相前驅物導入PE CVD處理室中，然而按照本發(fā)明實施方面的預期并沒有使用非常大量的氬來作為載氣，因此當被用作載氣時沒有因此提供好處。實驗裝置圖3A是基板處理系統(tǒng)(系統(tǒng)1000)的代表示意圖，其可根據(jù)本發(fā)明的實施例而應用于進行無定形碳層沉積。適當系統(tǒng)的例子包括可使用DxZ 處理室的CENTURA 系統(tǒng)、PRECISION5000'系統(tǒng)、PRODUCER 系統(tǒng)以及PRODUCER SE 處理室，其皆可由加州圣克拉拉的應用材料有限公司購得。系統(tǒng)1000包括處理室1025、氣體盤1030、控制單元1010、以及其它硬件構件，例
如電源及真空泵。使用在本發(fā)明中的系統(tǒng)的實施例的細節(jié)描述在共同受讓的美國專利第6，364,954號中，專利名稱為「高溫化學氣相沉積處理室」，公告日為2002年4月2日，在此將其并入以作為參考。處理室1025 —般包括基板支持架1050，其用以支撐基板，例如一半導體基板1090。此基板支持架1050利用耦合至軸桿1060的位移機械裝置(未顯示)而在處理室1025中以垂直方向移動。根據(jù)該處理，在處理之前可加熱半導體基板1090至所需的溫度。基板支持架1050可通過嵌入式加熱元件1070而加熱。例如，通過將來自電源1006的電流施加至加熱元件1070，以電阻方式對基板支持架1050進行加熱。接著，通過基板支持架1050來加熱半導體基板1090。溫度感應器1072，例如熱電耦，亦嵌設于基板支持架1050中，用以監(jiān)控基板支持架1050的溫度。測量的溫度被用在反饋回路中，以針對加熱元件1070而控制電源1006?？梢詫⒒鍦囟染S持或控制在針對特定處理應用所選擇的溫度。真空泵1002用以對處理室1025進行抽真空，并且用以維持處理室1025中的適當氣體流速及壓力。處理氣體透過噴氣頭1020而被導入處理室1025中，且噴氣頭1020位于基板支持架1050上方，并且適以提供均勻分布的處理氣體并使其進入處理室1025。噴氣頭1020連接至氣體盤1030，其控制及提供在不同處理順序步驟中使用的各種處理氣體。處理氣體可包括烴源以及等離子體引發(fā)氣體，下方將會結合示范性的稀釋氬沉積處理的描述而更詳細地進行敘述。氣體盤1030也被用于控制及提供各種汽化的液體前驅物。雖然并未顯示，可例如利用液體注入蒸餾器以汽化來自液體前驅物供應器的液體前驅物，并且在存在有載氣的情況下將其傳送至處理室1025中。載氣一般是惰性氣體，例如氮氣、或稀有氣體，例如氬或氦?？蛇x擇地，液體前驅物可以通過熱及/或真空輔助汽化處理而從一安瓿中汽化。噴氣頭1020及基板 支持架1050也可形成一對間隔設置的電極。當在這些電極之間產(chǎn)生電場時，導入處理室1025的處理氣體被點燃成等離子體1092。一般來說，通過一匹配網(wǎng)絡(未顯示)而將基板支持架1050連接至單頻或雙頻射頻(Radio Frequency ；RF)功率源(未顯示)，就產(chǎn)生了電場。可選擇地，射頻功率源及匹配網(wǎng)絡可耦合至噴氣頭1020，或是同時耦合至噴氣頭1020及基板支持架1050。PECVD技術通過施加至接近基板表面的反應區(qū)的電場而促進反應物氣體的激發(fā)及/或解離，以產(chǎn)生反應物質的等離子體。在等離子體中的物質的反應性降低了發(fā)生化學反應所需的能量，而實際上則降低了這種PECVD處理所需的溫度。通過質流控制器(未顯示)及控制單元1010 (例如計算機)，可適當控制及調(diào)整流經(jīng)氣體盤1030的氣體及液體。噴氣頭1020允許來自氣體盤1030的處理氣體被均勻地分布且被引入處理室1025中。舉例來說，控制單元1010包括中央處理單元(CPU) 1012、支持電路1014、以及包含相關控制軟件的存儲器1016?？刂茊卧?010負責基板處理所需的數(shù)個步驟的自動控制，例如基板傳輸、氣體流控制、液體流控制、溫度控制、處理室真空化等等。當處理氣體混合物噴出噴氣頭1020時，在半導體基板1090的表面1091上會發(fā)生烴化合物的等離子體輔助熱解離，而導致在半導體基板1090上沉積無定形碳層。沉積處理本發(fā)明的實施方面包括a_C:H層的沉積，其通過一處理來進行，該處理包括將烴源、等離子體引發(fā)氣體、及稀釋氣體引入一處理室，例如上文結合圖3A所描述的處理室1025。烴源為一個或多個烴化合物的混合物。烴源可包括氣相烴化合物(較佳為丙烯；C3H6),及/或包括液相烴化合物的蒸汽及載氣的氣體混合物。等離子體引發(fā)氣體最好是氦，因為其容易被離子化，然而也可使用其它氣體，例如氬。稀釋氣體是一種易離子化、相對重及化學性質不活潑的氣體。較佳的稀釋氣體包括氬、氪、及氙。為了實現(xiàn)膜密度、產(chǎn)量和保形性的方面的有益改進，較不偏愛比氬輕的氣體，這是因為它們不穩(wěn)定，下面結合圖4-9進行描述。此外，利用部份地或完全地摻有烴化合物的衍生物而形成的無定形碳層也可能從本發(fā)明的方法中獲益。衍生物包括烴化合物的含氮、含氟、含氧、含羥基基團、及含硼的衍生物及其氟化衍生物。烴化合物可包含氮或可和含氮氣體(例如氨)一起沉積，或是烴化合物可具有如氟及氧的取代基。由本發(fā)明的方法沉積未摻雜的a_C:H膜所證實的密度、沉積速率及保形性的改善有可能有益于這些處理中的任一種。得益于本發(fā)明的實施方面的處理中所使用的烴化合物及其組成物的摻雜衍生物的更詳細描述可參照在共同受讓的申請于2005年2月24日的美國公開案號第2005/0287771號，專利名稱為「應用于無定形碳膜的化學氣相沉積的液態(tài)前驅物」中，在此將其整體并入以做為參考，且并不與本發(fā)明產(chǎn)生不一致。一般來說，可被包括在烴源中的烴化合物或其衍生物可通過化學式CaHbOcFd來表示，其中A介于I 24之間、B介于O 50之間、C介于O 10之間、D介于O 50之間、以及B及D的總和至少為2。適合的烴化合物的特定例子包括飽和或非飽和脂肪族、飽和或非飽和脂環(huán)烴、以及芳香烴。
舉例來說，脂肪族烴包括燒類，例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己燒、庚燒、辛烷、壬烷、癸烷、及其類似物；烯類，例如乙烯、丙烯、丁烯、戊烯、及其類似物；二烯類，例如丁二烯、異戊二烯、戊二烯、己二烯及其類似物；炔類，例如乙炔、乙烯基乙炔及其類似物。舉例來說，脂環(huán)烴包括環(huán)丙烷、環(huán)丁烷、環(huán)戊烷、環(huán)戊二烯、甲苯、及其類似物。舉例來說，芳香烴包括苯、苯乙烯、甲苯、二甲苯、吡啶、乙苯、乙酰苯、苯甲酸甲酯、乙酸苯酯、苯酚、甲酚、呋喃、及其類似物。另外也可選擇0-松油烯、甲基異丙基苯((^1^1^)、1，1，3，3，-四甲基丁基苯、叔丁醚、叔丁基乙烯、甲基丙烯酸甲酯、及叔丁基糠基醚。烴化合物的適當衍生物的例子為氟化烷、鹵化烯、及鹵化芳香族化合物。氟化烷例如包括一氟甲烷、二氟甲烷、三氟甲烷、四氟甲烷、一氟乙烷、四氟乙烷、五氟乙烷、六氟乙烷、一氟丙烷、三氟丙烷、五氟丙烷、全氟丙烷、一氟丁烷、三氟丁烷、四氟丁烷、八氟丁烷、二氟丁烷、一氟戊烷、五氟戊烷、四氟己烷、四氟庚烷、六氟庚烷、二氟辛烷、五氟辛烷、二氟四氟辛烷、一氟壬烷、六氟壬烷、二氟癸烷、五氟癸烷、及其類似物。鹵化烯例如包括一氟乙烯、二氟乙烯、三氟乙烯、四氟乙烯、一氯乙烯、二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、及其類似物。鹵化芳香族化合物包括一氟苯、二氟苯、四氟苯、六氟苯及其類似物。 使用氬稀釋的a-C:H沉積處理是PECVD處理。通過將基板溫度維持在約100°C 約450°C之間，并且較佳為約300°C 約450°C之間，以減少生成的膜的吸收系數(shù)，就可以從處理氣體中沉積a-C:H層。該處理進一步包括將處理室壓力維持在約2托(Torr) 8托之間。將烴源、等離子體引發(fā)氣體、及稀釋氣體導入處理室，并且引發(fā)等離子體以開始沉積。更佳地，等離子體引發(fā)氣體是氦或其它容易離子化的氣體，并且在烴源及稀釋氣體之前被導入處理室中，這使得形成穩(wěn)定的等離子體，并且減少電弧放電的機會。較佳的烴源是丙烯，然而如上所述，亦可根據(jù)所需的膜而使用其它烴化合物，包括夾帶于載氣中的一個或多個汽化液相烴化合物。稀釋氣體可以是任何至少與氬一樣重的稀有氣體，然而基于經(jīng)濟上的考慮，最好是氬。通過向基板表面區(qū)域施加介于約O. 7ff/cm2至約3W/cm2之間的功率密度的射頻功率而產(chǎn)生等離子體，且較佳為約I. I至2. 3W/cm2。電極間隔，即基板與噴氣頭之間的距離，介于大約200密耳(mils)及1000密耳之間?？衫秒p頻射頻系統(tǒng)來產(chǎn)生等離子體。相信雙頻可提供通量及離子能量的獨立控制，因為擊中膜表面的離子能量會影響膜密度。高頻等離子體控制了等離子體密度，且低頻等離子體控制了離子擊中晶片表面的動能。混合的雙頻射頻功率源提供介于約IOMHz 約30MHz范圍之間的高頻功率，例如約13. 56MHz,以及介于約IOKHz至約IMHz范圍之間的低頻功率，例如約350KHz。當使用雙頻射頻系統(tǒng)來沉積a-C:H膜時，第二射頻功率與總混合頻率功率的比率最好小于約O. 6比I. 0(0. 6:1)?？筛鶕?jù)基板尺寸及使用的設備來修改施加的射頻功率以及所使用的一個或多個頻率。為了使氬稀釋沉積方法的益處最大化，重要的是在PECVD處理室中導入相對于烴化合物的量而言量很大的稀釋劑。然而，同樣重要的是，導入處理室的稀釋劑的流速不能太高。通過增加稀釋劑流速，可形成更高密度的a_C:H層，對于a_C:H膜產(chǎn)生了甚至更高的蝕刻選擇性，但更高的密度亦會導致更高的膜應力。在a_C:H膜中非常高的膜應力會造成多種嚴重的問題，例如a-C:H膜與基板表面的黏著力較差及/或a_C:H膜的破裂。然而，加入相對于烴化合物超出特定摩爾比的氬或其它稀釋劑這一做法將會有害地影響膜的特性。因此，有一個處理范圍(process window),其中根據(jù)沉積膜的期望特性,使進入PECVD處理室的氬稀釋劑的摩爾流速與烴化合物的摩爾流速的比率最好維持在約2 1 約40 1之間。針對部分a-C:H膜的沉積，此比率的最期望范圍介于約10 1 約14 1之間。處理300毫米圓形基板的示范沉積處理使用氦作為等離子體引發(fā)氣體、丙烯作為烴源、以及IS作為稀釋氣體。氦的流速介于約200sccm 約5000sccm之間、丙烯的流速介于約300sccm 約600sccm之間、以及気流速介于約4000sccm 約lOOOOsccm之間。單頻射頻功率介于約800瓦 約1600瓦之間。用于此處理的精細的參數(shù)，例如處理室壓力、基板溫度等等，皆如上所描述。這些處理參數(shù)提供a_C:H層介于約2000 A/'m.in 約6000 AZmin范圍之間的沉積速率、介于約I. 2g/cc 約I. 8g/cc范圍之間的密度、及對633納米輻射約
0.10的吸收系數(shù)。本領域技術人員在閱讀此處所揭露的技術，則可計算用于產(chǎn)生不同(相較于此處所討論者)密度、吸收系數(shù)、或沉積速率的a-C:H膜的適當處理參數(shù)。表I概述了分別沉積在300毫米圓形基板上的兩種a_C:H膜的比較結果。膜I使用常規(guī)、以氦為主的沉積處理，也就是現(xiàn)在被視為半導體工業(yè)的標準處理。膜2使用本發(fā)明的一實施方面進行沉積。
參數(shù)__Bi__膜2
基板溫度(cC)__550__300
腔室壓力(托)__7__5_
丙帰流速(sccm)1800600
氦流速(seem)__700__400_
氬流速(sccm)__O__8000
沉積速率(A/min)22004550
在633nm的吸收系數(shù)__^40__0.09
膜密度(g/cc)__L40__1.42
保形性(％)__5__20-30如表I所示，膜2是在比膜I低很多的溫度處進行沉積的，且其烴化合物的流速是膜I的1/3。盡管烴的流速較低，但是膜2仍是以膜I的兩倍沉積速度來進行沉積的。再者，膜2的特性優(yōu)于膜1，也就是說，其具有大幅改善的保形性及非常低的吸收系數(shù)。因此，通過使用此處所述的本發(fā)明的方法，相比于常規(guī)的a-C:H層，本發(fā)明的無定形碳層以較高的沉積速率形成，并且具有較優(yōu)異的膜特性。膜密度的提高根據(jù)本發(fā)明的一實施例，本方法重要的益處是能夠增加a_C:H膜的密度，且因此增加a_C:H膜的干蝕刻選擇性。圖4為說明氬稀釋氣體對a_C:H膜密度的影響的圖表。該圖描述三個300毫米半導體基板401-403的膜密度。除了在沉積處理期間氬進入處理室的流速以外，包括處理室壓力、射頻等離子體功率、烴前驅物、及烴流速在內(nèi)的用于所有這三個基板的處理條件全部相同。在基板401上進行沉積的期間，氬流速為每分鐘7200標準立方厘米(Standard CubicCentimeters per Minute ;sccm),且分別對基板 402 及 403 則增加到8000SCCm及8500SCCm。相對于基板401，基板402、403的膜密度按照在其處理期間提供的更高的氬流速成比例地增加。這表示了無定形碳層的密度可以通過加入一相對大流速的氬稀釋劑而增加，而不用改變其它處理變量，例如烴前驅物流速或射頻等離子體功率。重要的是，注意本發(fā)明方法的實施方面包括使用比引發(fā)在PECVD處理室中的等離子體或是作為液 前驅物化學藥品的載氣所需還要高很多的流速的氬。例如，當作為液相前驅物的載氣時，氬進入300mm PECVD處理室的典型流速為約2000sccm的等級或更少。進入這樣的處理室的氦流速一般甚至是更少。相反的，用于增加無定形碳膜的密度而作為稀釋氣體的IS的流速遠遠高了許多，例如大于約7000sccm。在膜生長的期間，大概是氦離子十倍重的氬離子在轟擊基板的表面時更為有效。在沉積期間，更加劇烈的IS離子轟擊有可能產(chǎn)生許多懸空鍵(danglingbonds)以及化學活性區(qū)，其中在等離子體中的CH-自由基可黏附在該處，以形成一較稠密的膜。更輕的離子，例如氦離子，由于與其較低質量有關的動能缺乏，所以無法產(chǎn)生類似的結果。圖5說明了稀釋氣體種類對生成膜密度的影響。圖中顯示出在二個基板501、502上的膜密度。對于基板501的沉積，使用氬作為稀釋氣體。針對基板502的沉積，則使用氦。除了稀釋氣體的種類以外，其它所有的處理條件皆保持不變。如圖5中所示，基板501的a-C:H密度比基板502高很多。亦判定出可能有益于增加a_C:H膜的沉積膜密度的其它因素，而可藉此增加干蝕刻選擇性。這些因素包括以相對較高的稀釋氣體(不僅為氬)比率對烴源進行稀釋；降低烴源的流速；及降低處理壓力。增加使用稀釋氣體及/或降低烴源流速這些做法減少了 a_C:H膜的沉積速率，并且藉此允許來自CVD等離子體的離子轟擊可更為有效地用于使正生長的膜更致密。上述現(xiàn)象對于數(shù)種稀釋氣體皆為事實，包括氦氣及氫氣，雖然這兩種氣體不具備如參照圖4所述的氬氣及較重的稀有氣體的額外稠化能力。較低的烴流速對于膜密度的影響說明于圖6中，其中不同的丙烯流速分別用在三個不同基板601-603上沉積a-C:H膜的過程中。在沉積期間，由于沉積速率更高且相應缺乏膜壓縮，因此隨著丙烯流速增加，膜密度卻顯示減少。因此，在沉積期間，基板603上的膜具有最低的密度及最高的丙烯流速。除了稀釋氣體與烴源的比率以外，處理室壓力也對膜密度具有實質的影響。因為在等離子體中的離子能量直接與鞘電壓(sheath voltage)成正比，并且跨越基板的鞘電壓隨著壓力的減少而增加，所以膜密度隨著壓力的減少而增加的現(xiàn)象是可預期的。此說明于圖7中，其中不同的處理壓力分別用于三個不同基板701-703上a-C:H膜的沉積。由于在更低壓力的等離子體中可找到更高能的離子，所以圖中顯示的膜密度隨著處理壓力的增加而減少。沉積速率的改善本發(fā)明方法的其它優(yōu)點是顯著地改善a_C:H膜的沉積速率。通常，膜密度及沉積速率之間存在有妥協(xié)；標準沉積處理(例如以氦為主)中，可以調(diào)整沉積參數(shù)以產(chǎn)生較高密度的a_C:H膜，但值得注意的是卻通過降低產(chǎn)量而達到的。例如，如上文與圖6關聯(lián)的描述，當烴前驅物的流速降低時，可沉積較高密度的a_C:H膜，但沉積速率也相對地降低。所以，雖然生成的膜可具有所需的密度，但是由于在基板上沉積這種膜所需的處理時間較長，所以使得這樣的沉積處理無法商業(yè)化。本發(fā)明的方法允許同時實現(xiàn)高密度的膜及這種膜的相對較高的沉積速率。與標準的基于氦的PECVD處理相比較，當以大量的氬作為稀釋氣體時，a-C:H膜的沉積速率大幅地增加。如上文與圖6關聯(lián)的描述，烴源的稀釋導致更高密度的膜以及較低的沉積速率。氬的加入除了可增加膜密度外，亦有效地提升沉積速率。圖8說明了在沉積a_C:H膜的處理期間，通過導入重稀有氣體(例如氬)來作為高流速稀釋劑以改善沉積速率。比較分別在三個不同基板801-803上的三種稀釋氣體的沉積速率，其中三個基板的稀釋氣體流速皆保持在8000SCCm。氬氣稀釋用在基板801的沉積，氦氣用于基板802，及氫氣用在基板803。三個基板的其它處理參數(shù)皆相同。相比于氦氣或氫氣稀釋，氬氣稀釋對于沉積速率產(chǎn)生高于三倍的增加現(xiàn)象。如上文與第4及5圖關聯(lián)的描述，容易離子化但較重的氬原子能夠在a-C:H膜的表面上產(chǎn)生更多反應位置，這是通過破壞其上的C-H鍵而實現(xiàn)的，因而增加進入的自由基黏附于膜表面的可能性。此外，易離子化的氣體(例如氬)的高流速可導致更高的等離子體密度，并且因此產(chǎn)生更多氣相-CHx自由 基。同時，與氬氣稀釋相關的更具反應性的等離子體及更具反應性的膜表面會導致高沉積速率及高膜密度的有益結合。再者，由于氬氣稀釋而在等離子體中存在有更多-CHx基及在膜表面上包括更具反應性的位置的組合亦可解釋在氬氣稀釋處理中觀察到的化學利用方面的實質性改善。在氬氣稀釋處理中，大部分的烴材料有效地沉積在基板表面上，而不是沉積在PECVD處理室的所有內(nèi)側表面而成為不需要的烴殘余物。優(yōu)先沉積在基板上這一特點會轉變?yōu)橹饕漠a(chǎn)量增益。由于降低了在PECVD處理室中產(chǎn)生的殘余物，所以相比于氦氣稀釋或氫氣稀釋處理，氬氣稀釋處理的處理室的清潔時間較短。且因為在多個基板的處理之間清理處理室所用的時間較少，所以較短的清理時間增加了 PECVD處理室的產(chǎn)量。再者，來自于PECVD處理室的內(nèi)表面剝落的烴殘余物所產(chǎn)生對基板的粒子污染亦可通過在氬氣稀釋處理的化學利用方面的改善而大幅地減少；在PECVD處理室中產(chǎn)生較少的殘余物同等于在其中進行處理的基板受較少的粒子污染。保形性改善如圖9所示，本發(fā)明方法的另一個主要的優(yōu)點是與其它a_C:H沉積處理相比，保形性增加了。圖9為說明具有特征結構901及無定形碳層902形成于其上的基板900的截面示意圖。無定形碳層902說明了一種使用本發(fā)明方法沉積的代表性膜外觀。從質量上來說，無定形碳層902高度保形，并且完全地覆蓋住特征結構901的側壁904及底部903。從量化上來說，無定形碳層902可具有約20-30%這一量級的保形性，其中保形性定義為沉積在側壁904上的無定形碳層902的平均厚度S與沉積在基板900的上表面905的無定形碳層902的平均厚度T之間的比率。往回參照圖2，非保形無定形碳層202 (其說明了以氫氣或氦氣稀釋的氣體而沉積的膜的一般外觀)一般具有約5%的保形性。將圖2中的非保形無定形碳層202的沉積輪廓與圖9中的無定形碳層902相比，這表明氬原子的軌跡不像氫或氦離子那樣有方向性。相較于其它稀釋劑，等離子體中所存在的氣相物質亦可能與氬氣稀釋不同。這些因素與利用氬氣稀釋處理而在基板表面上-CHx自由基的較高黏附機率結合，會造成如圖9中所述的保形性改善。
低溫處理
氬氣稀釋處理的另一優(yōu)點是可使用較低溫處理以產(chǎn)生具有所需密度及透明度的a_C:H層。通常地，在沉積期間，較高的基板溫度是用以促進更高密度膜的形成的處理參數(shù)?；谏鲜鲈颍瑲鍤庀♂屘幚硪言黾恿嗣芏?，所以在沉積期間可降低基板溫度，例如約300°C的低溫，并且仍產(chǎn)生所需密度的膜(B卩，約I. 2g/cc 約I. 8g/cc)。因此，氬氣稀釋處理可產(chǎn)生相對高密度的膜，且其具有低至約O. 09的吸收系數(shù)。另外，較低的處理溫度通常對于所有基板而言都是很期望的，因為其降低了處理的熱預算，用以保護形成于其上的器件不受摻雜劑遷移(dopant migration)的影響。用于減少粒子的后沉積終止處理在a-C:H膜的PECVD沉積期間中，由于_ CHx物質的氣相聚合作用，因而在塊材等離子體中產(chǎn)生了納米粒子。這些粒子自然地在等離子體中獲得負電荷，并且，因此在沉積期間繼續(xù)懸浮在等離子體中。然而，當射頻功率關閉并且等離子體在處理室中消失時，這些粒子在抽氣期間會因為重力及黏滯拖曳力(viscous drag force)而傾向于掉落在基板表面上。因此，非常重要的是在抽氣步驟之前，確保這些粒子從處理室中被趕出。這可以通過在膜沉積結束后(即，在烴源的流入被停止后)，使等離子體維持在處理室中一段時間而達成。終止步驟的時間根據(jù)沉積處理的持續(xù)期間而變動，因為沉積時間決定了在沉積處理中產(chǎn)生的粒子的尺寸及數(shù)量。較長的沉積處理一般在塊材等離子體中產(chǎn)生較多及較大的粒子。后沉積終止步驟的最佳持續(xù)時間介于約5秒及約20秒之間。較佳地，等離子體維持氣體也是較輕的氣體，例如氦或氫，用以減少通過濺射到噴氣頭而產(chǎn)生的粒子。在后沉積終止步驟期間，射頻功率較佳地被降低至最小的程度，而此程度是安全地維持穩(wěn)定的等離子體并且避免電弧放電所需的。由于高能等離子體可能對基板造成有害的影響，例如蝕刻基板表面或濺射到噴氣頭，所以不期望具有更高能的等離子體。此外，在塊材沉積步驟及/或后沉積終止步驟期間，已發(fā)現(xiàn)等離子體的氫摻雜可進一步改善粒子的表現(xiàn)。因為氫原子可作為一終止鍵，而可鈍化存在于等離子體中的氣相物質，并且防止該些物質互相鍵結并且成長為不期望產(chǎn)生的納米粒子。此外，通過與納米粒子發(fā)生化學反應且造成后續(xù)的碎斷作用(fragmentation), H+離子就可以降低尚存的納米粒子的尺寸。藉此，針對較薄的a-C:H膜(例如7000A)，在a-C:H膜沉積之后，在基板上偵測到的粒子已減少一半以上。針對較厚的a-C:H膜(例如約I微米)，所偵測到的粒子數(shù)量已隨著氫摻雜強度的等級而降低。在后沉積終止步驟的較佳實施方面中，等離子體引發(fā)氣體的摩爾流速與氫氣的摩爾流速的比率介于約I :1及約3 1之間。在此處理步驟期間，不期望具有較高的氫氣流速，因為在處理室中較高的氫氣濃度可能會對沉積膜產(chǎn)生不利影響。在塊材沉積處理中，稀釋氣體的摩爾流速與氫氣的摩爾流速的較佳比率介于約2 1及
41之間。更高濃度的氫會導致更加劇烈的粒子減少情形，但亦會降低a:C-H膜的保形性。在一例子中，當7000,4厚的a_C:H膜沉積于300mm基板上時，后沉積終止步驟被用以降低污染該基板表面的粒子數(shù)量。在沉積處理之后，烴源的流動(在此例中為eOOsccm的丙烯)停止。然而，射頻功率未終止，并且反而降低至在處理室中維持一穩(wěn)定等離子體所需的程度。在此例子中，射頻功率由約1200瓦降低至約200-500瓦。除了等離子體引發(fā)氣體(在此例中為氦)的持續(xù)流動外,還將氫引入處理室中。氫氣的流速約是1000-2000sccm，并且氦氣的流速約是4000-6000sCCm。平均了看，利用上述后沉積終止處理的300毫米基板表面上所偵測到的大于O. 12微米粒子的數(shù)量小于15。相反的，當沒有使用后沉積終止步驟時，基板上所偵測到的大于O. 12微米粒子的數(shù)量一般大于約30。
惟本發(fā)明雖以較佳實施例說明如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)所作的更動與潤飾，仍應屬本發(fā)明的技術范疇。
權利要求
1.一種在基板上形成無定形碳層的方法，包括 將基板放置在基板處理室中； 將烴源導入該處理室； 將稀有氣體導入該處理室，而該稀有氣體選自由IS氣、氪氣、氣氣及其組合所組成的群組，其中該稀有氣體的摩爾流速大于該烴源的摩爾流速； 在該處理室中產(chǎn)生等離子體；以及 在該基板上形成無定形碳層。
2.如權利要求I所述的方法，其中該稀有氣體的摩爾流速是該烴源的摩爾流速的約2至40倍大。
3.如權利要求2所述的方法，其中該稀有氣體是氬氣。
4.如權利要求I所述的方法，更包括 使該烴源停止流入該處理室；以及 使等離子體維持氣體流入該處理室中，以維持在該處理室中的等離子體。
5.如權利要求4所述的方法，其中該等離子體維持氣體是氦氣，且其中在使該烴源停止流入該處理室之后，氦氣持續(xù)流入該處理室約5至20秒。
6.如權利要求4所述的方法，其中使等離子體維持氣體流入該處理室中的步驟更包括使氫氣流入該處理室中。
7.如權利要求6所述的方法，其中該等離子體維持氣體的摩爾流速與該氫氣的摩爾流速的比率介于約1:1至3:1之間。
8.如權利要求I所述的方法，其中該烴源選自由脂肪族烴、脂環(huán)烴、芳香烴及其組合所組成的群組。
9.如權利要求I所述的方法，其中該基板處理室是電容耦合等離子體輔助化學氣相沉積室。
10.如權利要求9所述的方法，其中在該基板上形成無定形碳層的過程中，該基板處理室中的壓力是約2托至8托。
全文摘要
一種在基板上沉積無定形碳層的方法包括下列步驟將基板放置在處理室中；將烴源導入處理室；將重稀有氣體導入處理室；以及在處理室中產(chǎn)生等離子體。重稀有氣體選自由氬、氪、氙、及其混合物所組成的群組，并且稀有氣體的摩爾流速大于烴源的摩爾流速。該方法可包括后沉積終止步驟，其中烴源及稀有氣體的流動并終止，并且將等離子體維持在處理室中一段時間以自處理室中移除粒子。
文檔編號H01L21/311GK102915925SQ20121039614
公開日2013年2月6日 申請日期2007年6月22日 優(yōu)先權日2006年6月28日
發(fā)明者D·帕德希, H-C·哈, S·拉蒂, D·R·威蒂, C·陳, S·帕克, G·巴拉蘇布拉馬尼恩, K·杰納基拉曼, M·J·西蒙斯, V·斯瓦拉馬克瑞希楠, B·H·金, H·姆塞德 申請人:應用材料公司