無定型碳層的低溫沉積方法

專利名稱：無定型碳層的低溫沉積方法
技術領域：
. 本發明涉及集成電路的制造以及在襯底上沉積材料的工藝。更具體 地，本發明涉及在襯底上沉積碳材料的低溫工藝。
背景技術：
10 集成電路已發展成可在單個芯片上包含數百萬個晶體管、電容器和電
阻器的復雜器件。芯片設計的發展一直需要更快的電路和更大的電路密 度。對更快電路以及更大電路密度的需求給用于制造這樣的集成電路的材 料提出了相應的要求。具體地，隨著集成電路元件的尺寸降至亞微米級， 現在必須使用低電阻率的導電材料(例如銅)以及低介電常數的絕緣材料
15 (介電常數小于約4)，以使這樣的元件獲得合適的電氣性能。
對更大的集成電路密度的要求同樣給集成電路元件制備中所用的工藝 序列提出了要求。例如，在使用常規光刻技術的工藝序列中，在襯底上的 材料層疊層上形成能量敏感阻擋層。將此能量敏感阻擋層暴露于圖案，以 形成光阻掩膜。然后，用蝕刻工藝將掩膜圖案轉移到疊層的一個或更多個
20材料層上。選擇蝕刻工藝中所用的化學蝕刻劑，使其對疊層的材料層的蝕 刻選擇性大于對能量敏感阻擋掩膜的選擇性。即，化學蝕刻劑蝕刻材料疊 層的一個或更多個層的速率遠大于蝕刻能量敏感阻擋層的速率。對疊層的 一個或多個材料層的蝕刻選擇性優于阻擋層的特性可以防止能量敏感阻擋 層在圖案轉移完成之前被耗盡。因此，高選擇性蝕刻劑保證了精確的圖案
25 轉移。
隨著圖案尺寸減小，能量敏感阻擋層的厚度必須相應地減小以控制圖 案分辨率。在圖案轉移步驟中，由于受到化學蝕刻劑的侵蝕，這種薄阻擋 層(例如，厚度小于約6000 A)并不足以掩蔽下方的材料層。在能量敏感 阻擋層與下方的材料層之間，通常使用被稱為硬掩膜的中間層(例如，氧
氮化硅、碳化硅或碳膜)來促進圖案轉移，原因在于該中間層對化學蝕刻 劑的阻擋能力更強。然而，目前的硬掩膜沉積工藝導致表面高度不均的結 構中的階梯覆蓋不足和/或惻壁保護較差。襯底的不均勻表面上的硬掩膜的 不良階梯覆蓋和/或非均勻側壁保護，使得隨著圖案密度不斷減小，成功轉 5 移圖案越來越難。
如果圖案的預蝕刻臨界尺寸(CD)在光刻后不符合要求，則可以進行 重制工藝，從襯底移除阻擋層并用新的阻擋層對襯底重新進行圖案化。在 重制工藝過程中，下方的層(例如硬掩膜層)的表面可能會被用于去除阻 擋掩膜的蝕刻劑侵蝕，從而減小硬掩膜厚度或待底切(undercut)的硬掩 10膜分布。重制工藝引起的硬掩膜厚度損失或底切分布改變了在硬掩膜層上 形成的新的阻擋層的均勻性和/或階梯覆蓋，因而導致期望圖案到膜疊層的 轉移不精確，這會對用于形成互連的后續工藝產生負面影響，并且不利地 影響器件的綜合電氣性能。
因此，本領域中霈要一種沉積硬掩膜層的改進方法。
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發明內容
本發明提供了低溫沉積無定型碳膜的方法。在一種實施方式中，所述 方法包括在處理室中提供襯底；使包含至少烴化合物和惰性氣體的氣體 混合物流入所述處理室，其中所述烴化合物具有大于5個碳原子；保持所 20述襯底溫度低于450'C;在所述襯底上沉積無定型碳膜。
在另一種實施方式中，所述方法包括在處理室中提供襯底；使包含 至少烴化合物和惰性氣體的氣體混合物流入所述處理室，其中所述烴化合 物具有大于5個碳原子；保持所述襯底溫度為約250-450'C;在所述襯底 上沉積無定型碳膜。
25 在另一種實施方式中，所述方法包括在處理室中提供具有圖案化結
構的襯底;使包含至少烴化合物和惰性氣體的氣體混合物流入所述處理 室，其中所述烴化合物具有大于5個碳原子；保持所述襯底溫度為約250-450t:.,在所述襯底上沉積無定型碳膜，其中所述無定型碳膜的階梯覆蓋 大于20%。


為了實現上述本發明的各個方面以及詳細理解本發明，以下通過參考 附圖所示的實施方式對本發明進行更具體的描述。 5 圖1為可用于實施本發明的裝置的示意圖2為根據本發明的一種實施方式的沉積工藝的流程圖3為包括作為硬掩膜層的無定型碳層的襯底結構的剖面示意圖4為用常規沉積工藝在其上沉積電介質層的襯底結構的剖面示意圖。
10 為了便于理解，盡可能地用相同的附圖標記表示相同的元件。應當理
解，可將一種實施方式的元件和特征有利地結合到另一種實施方式中，而 無需重述。
然而應當注意到，附圖僅說明了本發明的典型實施方式，因而不應看 作是對其范圍的限制，本發明可容許其它等同有效的實施方式。
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賊雄就
本發明提供了形成無定型碳膜的方法。所述無定型碳膜適合用作硬掩 膜層。在一種實施方式中，通過在低工藝溫度(例如低于約45(TC)下分 解包含烴化合物和惰性氣體的氣體混合物，來沉積無定型碳膜。氣體混合 20物中的烴化合物具有大于5個碳原子，以促進襯底的側壁和表面上的保形 沉積反應，從而提髙被沉積無定型碳膜的保形性和階梯覆蓋。
圖1為可用于根據本發明的實施方式沉積無定型碳層的襯底處理系統 132的示意圖。共同轉讓的美國專利No. 6364954 (2002年4月2日授權給 Salvador等)中描述了可用于實施本發明的襯底處理系統132的一個實 25例，通過引用將該文獻結合于此。可用于實施本發明的其它實例包括 GENTUIM^系統、PRECISION 5000⑧系統和PRODUCER⑧系統，均可從美 國加州Santa Clara的應用材料公司獲得。應當理解，也可以采用其它處理 系統(包括可從其它制造商獲得的那些)來實施本發明。
處理系統132包括耦合至氣體板130和控制器110的處理室100。處
理室100通常包括頂面124、側面101和底面122，它們限定了內部體積 126。室100的內部體積126中提供有支座150。支座150通常由鋁、陶瓷 和其它合適的材料制成。可通過位移機構(未示出)在室100內在垂直方 向上移動支座150。
5 支座150可包括嵌入式加熱器元件170，用于控制支座150上支撥的
襯底190的溫度。在一種實施方式中，通過將來自功率源106的電流施加 至加熱器元件170，可以對支座150進行電阻加熱。在一種實施方式中， 加熱器元件170可由封裝在鎳-鐵-鉻合金(例如INCOLOY )套管內的鎳 鉻絲制成。通過控制器110調節由功率源116供給的電流，以控制加熱器 10 元件170所生成的熱量，從而在膜沉積過程中將襯底190和支座150保持 在基本恒定的溫度下。可以調節供給的電流，以將支座150的溫度選擇性 地控制在約100-700'C。
溫度傳感器172 (例如熱電偶)可被嵌入支座150，以常規方式監測 支座150的溫度。控制器110用測量的溫度來控制供給至加熱元件170的 15功率，從而將襯底保持在期望溫度。
真空泵102耦合至室IOO底部形成的端口。使用真空泵102，在處理 室100中保持所需的氣體壓力。真空泵102還將處理后氣體和工藝副產物 從處理室排空。
具有多個開孔128的噴淋頭120被設置在處理室100的頂部，位于襯 20 底支座150之上。噴淋頭120的開口 128用于將處理氣體引入室100。開 孔128可具有不同的尺寸、數量、分布、形狀、式樣和直徑，以便于針對 不同工藝要求的各種工藝氣體流動。噴淋頭120與氣體板130相連接，氣 體板130可在工藝期間將各種氣體供給至內部體積126。由離開噴淋頭 120的處理氣體混合物形成等離子體，以強化處理氣體的熱分解，導致材 25 料沉積在襯底190的表面191上。
噴淋頭120和襯底支座150可以形成內部體積120中的一對分開的電 極。 一個或更多個RF源140通過匹配網絡138向噴淋頭120提供偏置電 壓，以促進等離子體在噴淋頭120與支座150之間生成。或者，RF功率源 140和匹配網絡139可耦合至噴淋頭120、襯底支座150，或同時耦合至噴
淋頭120和襯底支座150，或耦合至位于室IOO外部的天線(未示出)。 在一種實施方式中，RF源140可以以約50kHz-約13.6 MHz的頻率提供約 500-3000 W。
控制器110包括中央處理單元(CPU) 112、存儲器116和輔助電路 5 114，用于控制工藝序列和調節來自氣體板130的氣體流。CPU 112可以是 可用于工業裝置的任何形式的通用計算機處理器。軟件程序可以存儲在存 儲器116中，存儲器116例如是隨機存儲器、只讀存儲器、軟盤或硬盤驅 動器，或其它形式的數字存儲器。輔助電路114通常耦合至CPU 112，并 可以包括緩存、時鐘電路、輸入/輸出系統、電源等。通過大量信號纜線來 10 處理控制單元110與裝置132的各個部件之間的雙向通信，這些信號纜線 統稱為信號總線118，其中一部分示于圖l。
圖2示出了根據本發明的一種實施方式沉積無定型碳膜的方法200的 工藝流程圖。圖3為根據方法200沉積的作為硬掩膜層的無定型碳膜的剖 面示意圖。
15 方法200開始于步驟202:在處理室中提供襯底。處理室可以是如圖
1所述的處理室100。應當認識到，也可以采用其它處理室，包括可從其 它制造商獲得的那些處理室。如圖3所示，襯底190具有位于襯底190的 表面191上的圖案化結構310。或者，襯底190可以具有其上形成有溝 槽、孔或過孔的表面。襯底190也可以是基本平坦的表面或在所需高度形
20成結構的基本平坦的表面。在一種實施方式中，襯底可以包括用于形成柵 電極的硅層。在另一種實施方式中，襯底可以包括沉積在硅層上的氧化硅 層。在另一種實施方式中，襯底可以包括用于制造半導體器件的一個或更 多個其它材料的層。
在步驟204，氣體混合物從氣體板130通過噴淋頭120流入處理室
25 100。氣體混合物包括至少烴化合物和惰性氣體。在一種實施方式中，烴 化合物具有大于5個碳原子。在另一種實施方式中，烴化合物具有通式 QeHy，其中x的范圍為5-10， y的范圍為6-22。合適的烴化合物的例子是 飽和或不飽和的脂族或脂環族烴和芳族烴。更具體地，脂族烴例如包括 垸烴，例如戊烷、己垸、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷等；烯烴，例如戊烯
等；二烯烴，例如異戊二烯、戊二烯、己二烯等；炔烴，例如乙炔、Z^烯 基乙炔等。脂環族烴例如包括環丙烷、環丁烷、環戊垸、環戊二烯、甲苯 等。芳族烴例如包括苯、苯乙烯、甲苯、二甲苯吡啶、乙苯、苯乙酮、苯 甲酸甲酯、苯乙酸酯、苯酚、甲酚、呋喃等。此外，可以使用C^萜品烯、 5甲基異丙苯、1,1，3，3-四甲基丁苯、叔丁醚、叔丁基乙烯、甲基丙烯酸甲酯 和叔丁基糠基醚。或者，可將一種或更多種烴化合物與供給至處理室的氣體混合物中的 烴化合物混合。為了調節膜的含氧量，可以選擇包含氧的化合物，例如具 有取代苯環中的碳的氧原子的化合物。用于調節氧的化合物可以包含輕10基。可以使用兩種或更多種烴化合物的化合物來沉積無定型碳材料。或者，可以使用烴化合物的部分或完全摻雜的衍生物。所述衍生物包 括烴化合物的含氮、含氟、含氧、含羥基和含硼衍生物及其氟化衍生物。 烴化合物的氟化衍生物的例子是氟化烷烴、鹵化垸烴和鹵化芳族化合物。 氟化烷烴例如包括一氟甲烷、二氟甲垸、三氟甲烷、四氟甲烷、氟乙15垸、四氟乙烷、五氟乙烷、六氟乙烷、 一氟丙垸、三氟丙烷、五氟丙烷、 全氟丙烷、 一氟丁垸、三氟丁垸、四氟丁烷、八氟丁垸、二氟丁烷、 一鲺 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 垸、二氟四氟辛烷、 一氟壬烷、六氟壬垸、二氟癸垸、五氟癸垸等。鹵化 烯烴包括一氟乙烯、二氟乙烯、三氟乙烯、四氟乙烯、 一氯乙烯、二氣乙20烯、三氯乙烯、四氯乙烯等。鹵化芳族化合物包括一氟苯、二氟苯、四氟苯、八虱本等。在一種實施方式中，烴化合物具有大于5個碳原子。與用常規沉積工 藝沉積的無定型碳相比，具有大于5個碳原子的烴化合物可提高膜覆蓋率 (例如階梯覆蓋)和改善保形性。具有大于5個碳原子的烴化合物具有較 25大的分子以及可形成亞穩定中間體粒子的物質，所述中間粒子被均勻地吸 附在襯底表面191上，從而在襯底表面191上形成保形的無定型碳層。在 此實施方式中，氣體混合物中的烴化合物為甲苯(C7H8)、苯或己烷。惰性氣體(例如氬(Ar)和/或氦(He))與氣體混合物一起被供給 至處理室100。其它惰性氣體(例如氮(N2)和氧化氮(NO))也可被用 于控制無定型碳層密度和沉積速率。此外，各種其它處理氣體可被添加至 氣體混合物，以調整無定型碳材料的性質。在一種實施方式中，處理氣體可以是反應性氣體，例如氫(H2)、氨(NH3)、氫(H2)和氮(N2)的 混合物，或其組合。可以通過添加H2和/或NH3來控制被沉積的無定型碳 5 層的氫比率(例如，碳與氫之比)。無定型碳膜中存在的氫比率提供了對 層性質(例如反射率)的控制。在步驟206,沉積工藝的襯底溫度被保持在預定的范圍內。襯底溫度 被保持在低于常規沉積工藝的范圍，以控制氣體混合物分解反應的行為。 常規沉積工藝通常在高于約550'C的溫度下進行。在一種實施方式中，處10 理室中的襯底溫度被保持在約100-500'C。在另一種實施方式中，襯底溫 度被保持在約250-450'C。在步驟208，在RF等離子體的存在下以及被控制在低于450'C的襯底 溫度下，將無定型碳層304沉積在襯底1卯上。氣體混合物中的烴化合物 以可使烴化合物以較小活性被蒸發的方式在低溫下分解，從而降低活性粒15 子的動能。通常，具有大于5個碳原子的烴化合物在室溫(約20'C)下為 液體。與通常用于常規工藝的氣態烴化合物相比，液態烴化合物具有較大 的分子。當液態烴化合物被供給至處理室中時，液態烴化合物在處理室中 蒸發并分解為氣態反應物。分解的氣態反應物被吸附在襯底表面，從而在 襯底表面形成層。由于氣態烴化合物(GHC)的較小分子與液態烴化合物20的較大分子相比所需的蒸發溫度相對較低，因此在采用高襯底溫度的常規 工藝中，GHC更易于分解并且更具揮發性。當存在RF等離子體時，揮發 性GHC被迅速激發成反應性小粒子，并且被容易地加速。被加速的反應 性小粒子隨機碰撞并濺射到被沉積的無定型碳膜的側壁和表面上，從而平 衡沉積膜的保形性和均勻性。由于液態烴化合物并非如此高能，因此極大25 地提髙了沉積無定型碳膜的質量。圖4示出了以常規方法沉積的無定型碳膜的示例性實施方式。如箭頭 412所示，被加速的反應性小粒子在沉積膜404上隨機碰撞，造成無定型 碳膜的非均勻性和非保形沉積。為了使在襯底l卯上的圖案化結構410的 頂部408和側壁406上的沉積層404具有均勻的厚度，通常需要較高的階
梯覆蓋比(例如，在側壁406上沉積的膜厚與在頂部上沉積的膜厚之 比)。高階梯覆蓋比使圖案化結構的側壁和頂部上的沉積膜厚度基本上相 同。然而，被經加速的反應性小粒子轟擊的具有紋孔的被濺射無定型碳膜 404導致頂面408與側壁沉積層406之間的厚度差異較大。厚度差異大導 5致被沉積的無定型碳膜404的階梯覆蓋較差，從而導致當在常規工藝中使 用GHC時，所沉積的無定型碳膜404的階梯覆蓋比較低。相反地，由于工藝200中所用的烴化合物具有較大的分子，而當被分 解成反應性粒子時，低工藝溫度下的液態烴化合物的較大分子具有較低的 加速度和動能，因此可使被分解的反應性粒子均勻地吸附在襯底的表面和10側壁上，而不發生常規工藝中的濺射和侵蝕。襯底302的表面308與襯底 側壁306的膜厚度的差異減小，并且沉積膜的階梯覆蓋得以改善。在一種 實施方式中，階梯覆蓋比(沉積在側壁306與頂部308上的膜厚之比)相 對于常規工藝提高了超過20%。在一種實施方式中，階梯覆蓋比大于 20%,例如約25-50%。15 在沉積過程中，可以根據需要調節工藝參數。在適用于處理300 mm襯底的一種實施方式中，可以應用約50-200 W (例如約1000-1600 W)的 RF功率或約1.35-2.35 W/cm2的功率密度，以保持由氣體混合物形成的等 離子體。可以以約200-1000 sccm的流率供給烴化合物。可以以約200-10000 sccm的流率供給惰性氣體。工藝壓力可被保持在約1-20 Torr，例如20 約4-10 Torr。襯底與噴淋頭之間的間距可被控制在約200-1000密耳。在一種實施方式中，使用雙頻系統來沉積無定型碳材料。雙頻被認為 可對通量和離子能量進行獨立控制。高頻等離子體控制等離子體密度。低 頻等離子體控制轟擊襯底表面的離子的動能。混合RF功率的雙頻源提供 約10-30 MHz (例如約13.56 MHz)的高頻功率以及約10KHz-l MHz (例25 如約350 KHz)的低頻。混頻RF功率應用的例子可以包括第一RF功 率，頻率為約10-30 MHz,功率為約50-2000 W (例如約200-1600 W)， 功率密度為約0.27-1.7 W/cm2;至少第二 RF功率，頻率為約10 KHz-1 MHz，功率為約10-2000 W (例如約15-1000 W),功率密度為約0.27-1.4 W/cm2。第二 RF功率與總的混頻功率之比優選小于約0.6:1.0。根據襯底
尺寸和所用設備，可以改變所應用的RF功率以及一種或更多種頻率的使 用。因此，通過使用低溫沉積工藝，提供了具有改善的階梯覆蓋的無定型 碳膜的沉積方法。所述方法有利地改善了沉積在襯底側壁和表面上的無定 5型碳膜的均勻性和保形性，從而可用無定型碳膜用作硬掩膜，并使對后續 蝕刻工藝的控制更為容易。盡管前述針對本發明的實施方式，但是可以在不脫離本發明的基本范 圍的條件下設計其它實施方式，并且本發明的范圍由所附權利要求確定。
權利要求
1. 一種沉積無定型碳膜的方法，包括在處理室中提供襯底；使包含至少烴化合物和惰性氣體的氣體混合物流入所述處理室，其中所述烴化合物具有大于5個碳原子；將所述襯底保持在低于45(TC的溫度下；以及 將無定型碳膜沉積在所述襯底上。
2. 如權利要求1的方法，其中所述烴化合物包括甲苯、苯和己烷中的 10至少一種。
3. 如權利要求1的方法，其中所述烴化合物包括下列中的至少一種 戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、乙烯、丙烯、丁烯、戊烯、丁二 烯、異戊二烯、戊二烯、己二烯、乙炔、乙烯基乙炔、環丙烷、環丁烷、 環戊烷、環戊二烯、甲苯、苯、苯乙烯、二甲苯、吡啶、乙苯、苯乙酮、15苯甲酸甲酯、乙酸苯酯、苯酚、甲酚、呋喃、Q^萜品烯和甲基異丙苯，及 其組合。
4. 如權利要求1的方法，其中保持所述襯底溫度的步驟還包括將所述襯底溫度保持在約250450°C。
5. 如權利要求1的方法，其中被沉積的無定型碳膜具有大于20%的階 20 梯覆蓋比。
6. 如權利要求1的方法，其中流入所述氣體混合物的步驟還包括 以約200-1000 sccm的流率流入所述烴化合物；以及以約200-10000 sccm的流率流入所述惰性氣體。
7. 如權利要求1的方法，其中所述惰性氣體包括Ar和He中的至少--25 種。
8. 如權利要求1的方法，其中沉積所述無定型碳膜的步驟還包括-通過應用約50-2000 W的RF功率來保持由所述氣體混合物形成的等離子體。
9. 如權利要求8的方法，其中沉積所述無定型碳膜的步驟還包括 應用10-2000 W的第二 RF功率。
10. 如權利要求1的方法，其中流入氣體混合物的步驟還包括使附加氣體與所述氣體混合物一起流入所述處理室。
11. 如權利要求10的方法，其中所述附加氣體選自N2、 NO、 112和 5 NH3(>
12. —種沉積無定型碳膜的方法，包括 在處理室中提供襯底；使包含至少烴化合物和惰性氣體的氣體混合物流入所述處理室，其中 所述烴化合物具有大于5個碳原子； 10 將所述襯底保持在約250-450'C的溫度下；以及將無定型碳膜沉積在所述襯底上。
13. 如權利要求12的方法，其中所述烴化合物包括甲苯、苯和己烷中 的至少一種。
14. 如權利要求12的方法，其中所述烴化合物選自戊烷、己烷、庚 15 烷、辛烷、壬烷、癸烷、乙烯、丙烯、丁烯、戊烯、丁二烯、異戊二烯、戊二烯、己二烯、乙炔、乙烯基乙炔、環丙烷、環丁垸、環戊烷、環戊二 烯、甲苯、苯、苯乙烯、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、仏萜品烯和甲基異丙苯，及其組合。
15. 如權利要求12的方法，其中所述惰性氣體包括Ar和He中的至少 20—種。
16. 如權利要求12的方法，其中流入所述氣體混合物的步驟還包括-以約200-1000 sccm的流率流入所述烴化合物；以約200-10000 sccm的流率流入所述惰性氣體。
17. 如權利要求12的方法，其中沉積所述無定型碳膜的步驟還包括 25 應用50-2000 W的RF功率。
18. 如權利要求17的方法，其中沉積所述無定型碳膜的步驟還包括-應用10-2000 W的第二 RF功率。
19. 如權利要求12的方法，其中被沉積的無定型碳膜具有大于20%的 階梯覆蓋比。
20.—種沉積無定型碳膜的方法，包括 在處理室中提供具有圖案化結構的襯底；使包含至少烴化合物和惰性氣體的氣體混合物流入所述處理室，其中 所述烴化合物具有大于5個碳原子；將所述襯底保持在約250-450'C的溫度下；以及將無定型碳膜沉積在所述襯底上，其中所述無定型碳膜具有大于20% 的階梯覆蓋比。
全文摘要
本發明提供了低溫沉積具有改善的階梯覆蓋的無定型碳膜的方法。在一種實施方式中，該方法包括在處理室中提供襯底；使包含至少烴化合物和惰性氣體的氣體混合物流入所述處理室，其中所述烴化合物具有大于5個碳原子；將所述襯底保持在低于450℃的溫度下；將無定型碳膜沉積在所述襯底上。
文檔編號C23C16/52GK101122011SQ20071011077
公開日2008年2月13日 申請日期2007年6月13日 優先權日2006年6月13日
發明者克旺達克·道格拉斯·李, 唐桑葉, 欒辛喬, 金博宏 申請人:應用材料公司