用以實現高密度高SP3含量層的高功率脈沖磁控濺鍍工藝的制作方法

技術領域

本文公開的實施例大體而言涉及用于膜的沉積的方法。更具體而言，實施例涉及沉積用于半導體器件中的納米晶金剛石膜的設備和方法。

背景技術：

由于半導體產業引入了具有更高性能和更大功能性的新世代集成電路(IC)，形成那些集成電路的元件的密度提高了，而個體的部件或元件之間的尺寸、大小及間距減小了。雖然在過去這種減小僅被使用光刻限定結構的能力限制，但尺寸以微米(μm)或納米(nm)測量的器件幾何形狀已產生了新的限制因素，諸如導電互連件的導電率、互連件之間使用的絕緣材料的介電常數、在3D NAND或DRAM形成工藝中蝕刻小的結構或其他的挑戰。這些限制可以通過更耐用、更高熱導率及更高硬度的硬掩模來獲益。

厚的碳硬掩模是眾所周知的，而且常被用作POR膜。然而，預期目前的石墨、Sp2型或其他碳硬掩模組成物是不足的，因為DRAM和NAND持續將自身的尺度縮小到小于～10nm的體系。這種尺度的縮小將需要甚至更高深寬比的深接觸孔或溝槽蝕刻。高深寬比的蝕刻問題包括堵塞、孔形扭曲、及圖案變形，通常在這些應用中觀察到頂部臨界尺寸放大、線彎曲、輪廓彎曲。許多的蝕刻挑戰取決于硬掩模材料的性質。深接觸孔變形會與較小的硬掩模密度和差的導熱性有關。狹縫圖案變形或線彎曲是由于硬掩模材料的較低選擇率和應力。因此，理想的是具有一種密度更高、蝕刻選擇率更高、應力更低、及熱傳導性優異的蝕刻硬掩模。

金剛石和類金剛石材料被稱為高硬度材料。由于它們的高硬度、表面惰性、及低摩擦系數，合成的金剛石材料已被應用作為保護涂層，并被應用于微機電系統(MEMS)以及其他的用途。已經通過熱細絲CVD和微波CVD合成了金剛石膜，例如納米晶金剛石(NCD)。然而，使用熱細絲CVD和微波CVD工藝來形成納米晶金剛石膜有各種的困難。

在熱細絲CVD中，使用金屬細絲來活化前體氣體以進行沉積。如所預期的，在膜形成工藝期間使金屬細絲暴露于前體氣體。結果，前體氣體會與金屬細絲反應，導致最終產物中有金屬污染的問題。與熱細絲CVD相比，微波CVD具有較少的污染問題。然而，微波CVD要求高的處理壓力，此舉會影響膜的均勻性。此外，雖然通過微波CVD硬件所形成的微波生成等離子體具有相對較低的離子能量，但這些生成的離子仍會攻擊NCD晶界并導致晶粒結構紊亂。

因此，需要有用于形成高質量金剛石膜的改進的設備和方法。

技術實現要素：

本文公開的實施例大體而言涉及應用于半導體器件的納米晶金剛石層。通過控制位于濺鍍靶材附近的磁控管所提供的磁場強度、施加于濺鍍靶材的脈沖能量的量和/或脈沖寬度，可以在低溫下在基板上形成具有期望性質的納米晶金剛石膜。這些納米晶金剛石膜可被用于各種操作，例如在光刻和蝕刻工藝期間充當硬掩模的納米晶金剛石層。在一個實施例中，一種形成含碳層的方法可以包括以下步驟：輸送濺鍍氣體到基板，該基板被定位在第一處理腔室的處理區域中，該第一處理腔室具有含碳濺鍍靶材；輸送能量脈沖到該濺鍍氣體，以產生濺鍍等離子體，該濺鍍等離子體通過能量脈沖形成，該能量脈沖具有介于約1W/cm²和約10W/cm²之間的平均功率及小于100μs且大于30μs的脈沖寬度。該濺鍍等離子體被磁場控制，該磁場小于300高斯；以及形成該濺鍍等離子體以在該基板上形成結晶含碳層。

在另一個實施例中，一種用于形成含碳層的方法可以包括以下步驟：輸送濺鍍氣體到靶材和基板之間形成的區域，該基板被定位在第一處理腔室的處理區域中，該第一處理腔室具有石墨靶材；輸送能量脈沖到該濺鍍氣體，以產生濺鍍等離子體，該濺鍍等離子體通過能量脈沖形成，該能量脈沖具有介于約1W/cm²和約10W/cm²之間的平均功率及小于100μs的脈沖寬度。該濺鍍等離子體被磁場控制，平均磁場強度小于300高斯；以及形成該濺鍍等離子體，使得中間碳化物層被形成在該基板上。然后將具有該中間碳化物層的基板移送到第二處理腔室；輸送沉積氣體到該第二處理腔室；活化該沉積氣體以形成活化的沉積氣體，該沉積氣體包含CH₄、H₂、Ar、CO₂、或上述各項的組合；輸送該活化的沉積氣體到基板；及在該基板的表面上生長納米晶金剛石層。

在另一個實施例中，一種用于形成含碳層的方法可以包括以下步驟：輸送惰性氣體到基板，該基板被定位在PVD處理腔室的處理區域中，該PVD處理腔室具有石墨濺鍍靶材；將該基板保持在低于100攝氏度的溫度下；輸送能量脈沖到該濺鍍氣體，以產生濺鍍等離子體，該濺鍍等離子體通過能量脈沖形成，該能量脈沖具有介于約1W/cm²和約10W/cm²之間的平均功率、及小于100μs的脈沖寬度。該濺鍍等離子體被磁場控制，該磁場小于或等于200高斯；以及輸送該濺鍍等離子體到該濺鍍靶材，以在該基板上形成納米晶金剛石層。

附圖說明

為了能詳細了解本發明的上述特征的方式，可以參照實施例(其中一些實施例被圖示于附圖中)而對以上簡要概述的發明作更特定的描述。然而，應注意的是，附圖僅圖示本發明的典型實施例，且因此不應將附圖視為限制本發明的范圍，因本發明可認可其他等同有效的實施例。

圖1為可與本文中描述的實施例一起使用的PVD處理腔室的示意性剖視圖。

圖2為可與本文中描述的實施例一起使用的CVD處理腔室的示意性剖視圖。

圖3圖示適用于在基板上形成納米晶金剛石層的示例性群集工具。

圖4A圖示依據實施例的被提供到處理腔室以在腔室中產生高功率脈沖磁控濺鍍(HIPIMS)處理的能量輸送處理程序。

圖4B為依據實施例的用于沉積納米晶金剛石層的方法的流程圖。

圖5為依據實施例的用于沉積中間碳化物層的方法的流程圖。

圖6為圖示三種不同磁場強度的有關于距靶材的距離的浮動電勢的曲線圖。

圖7A和圖7B為描繪脈沖電壓對浮動電壓和密度的影響的曲線圖。

為了便于理解，已在可能處使用相同的附圖標記來指稱圖中共用的相同元素。構思的是，可以將一個實施例中公開的元素有益地用于其他實施例而無需特定詳述。

具體實施方式

本文公開的實施例大體而言涉及被形成在基板上的納米晶金剛石層。通過本文描述的工藝形成的納米晶金剛石層通常具有形成具有小特征尺寸的集成電路(IC)器件所需的較高質量密度、較高蝕刻選擇率、較低應力、及優異導熱性。參照以下的附圖更清楚地描述實施例。

圖1圖示適用于使用高功率脈沖磁控濺鍍(HIPIMS)工藝濺鍍沉積材料的示例性物理氣相沉積(PVD)處理腔室100(例如濺鍍處理腔室)。可適于形成納米晶金剛石層的處理腔室的一個示例為PVD處理腔室，其可獲取自位于美國加利福尼亞州圣克拉拉的應用材料公司。構思的是，其他的濺鍍處理腔室，包括來自其他制造商的那些處理腔室，也可適于實施本發明。

處理腔室100包括其中限定有處理容積118的腔室主體108。腔室主體108具有側壁110和底部146。腔室主體108及處理腔室100的相關部件的尺寸不受限制，而且通常是依比例大于待處理的基板190的尺寸。可以處理任何適當的基板大小。適當基板大小的示例包括具有200mm直徑、300mm直徑、450mm直徑或更大直徑的基板。

腔室蓋組件104被安裝在腔室主體108的頂部上。腔室主體108可以由鋁或其他適當材料制成。基板出入口130穿過腔室主體108的側壁110形成，從而便于移送基板190進出處理腔室100。出入口130可被耦接至基板處理系統的移送腔室和/或其他腔室。

將氣體源128耦接到腔室主體108，以供應處理氣體進入處理容積118。在一個實施例中，處理氣體可以包括惰性氣體、不反應的氣體、及反應氣體(若需要的話)。可以由氣體源128提供的處理氣體的示例包括、但不限于氬氣(Ar)、氦(He)、氖氣(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)、氮氣(N₂)、氧氣(O₂)、氫氣(H₂)、合成氣體(N₂+H₂)、氨(NH₃)、甲烷(CH₄)、一氧化碳(CO)、和/或二氧化碳(CO₂)等等。

泵送口150被形成穿過腔室主體108的底部146。將泵送裝置152耦接到處理容積118，以排空并控制其中的壓力。泵送系統和腔室冷卻的設計在適合熱預算需求的溫度(例如-25攝氏度至+650攝氏度)下實現高基礎真空(1E-8(即1x10^-8)托或更低)和低升壓速率(1,000毫托/分)。泵送系統被設計來提供對處理壓力的精準控制，處理壓力為晶體結構(例如Sp3含量)、應力控制及調整的關鍵參數。可以將處理壓力保持在約1毫托和約500毫托之間的范圍中，例如介于約2毫托和約20毫托之間。

蓋組件104通常包括靶材120及與靶材120耦接的接地屏蔽組件126。靶材120提供可以在PVD工藝期間被濺鍍和沉積到基板190的表面上的材料源。靶材120在DC濺鍍期間充當等離子體電路的陰極。

靶材120或靶板材可以由用于沉積層的材料或在腔室中形成的沉積層的元素制成。將高電壓電源(諸如電源132)連接到靶材120，以促進從靶材120濺鍍材料。在一個實施例中，靶材120可以由含碳材料制成，諸如包括石墨、非晶碳、上述的組合等的材料。靶材也可以是石墨和/或含有Sp2型碳材料結構。沉積工藝可以從使用含Sp2材料的沉積靶材來沉積Sp3層中受益，因為Sp2碳材料在結構上比其他較少結構化碳的靶材更接近Sp3。在一個實施例中，靶材是石墨靶材。電源132或電力供應可以以脈沖化(相對于恒定)方式將功率供應到靶材。也就是說，電源可以通過提供數個脈沖到靶材來將功率提供到靶材。

靶材120通常包括周邊部分124和中心部分116。周邊部分124被配置在腔室的側壁110上方。靶材120的中心部分116可以具有稍微朝向基板190的表面延伸的彎曲表面，基板190位于基板支座138上。在一些實施例中，將靶材120與基板支座138之間的間距保持在約50mm和約250mm之間。應注意的是，靶材120的尺寸、形狀、材料、結構及直徑可以為特定工藝或基板要求而改變。在一個實施例中，靶材120可以進一步包括具有中心部分的背板，該背板由需要被濺鍍到基板表面上的材料黏合和/或制造。

蓋組件104可以進一步包含被安裝在靶材120上方的全面侵蝕磁控陰極102，全面侵蝕磁控陰極102在處理過程中增強來自靶材120的有效濺鍍材料。全面侵蝕磁控陰極121允許輕易且快速的工藝控制及訂制的膜性質，同時確保一致的靶材侵蝕及跨晶片的均勻沉積。磁控組件的示例包括線性磁控管、蛇形磁控管、螺旋磁控管、雙掌形磁控管、矩形化螺旋磁控管、及其他形狀，以在靶材面上形成所需的侵蝕圖案，并能夠在工藝的脈沖化或DC等離子體階段期間形成理想的鞘。在一些配置中，磁控管可以包括被定位在靶材表面上方的理想圖案中的永磁體，諸如上述圖案(例如線性、蛇形、螺旋、雙掌形等)中的一個。在其他配置中，可以替代地、或甚至外加于永磁體使用具有理想圖案的可變磁場型磁控管來在HIPMS工藝的一個或更多個部分期間全程調整等離子體的形狀和/或密度。

蓋組件104的接地屏蔽組件126包括接地框架106和接地屏蔽112。接地屏蔽組件126還可以包括其他腔室屏蔽構件、靶材屏蔽構件、暗空間屏蔽、及暗空間屏蔽框架。接地屏蔽112通過接地框架106耦接到周邊部分124，從而在處理容積118中限定出在靶材120的中心部分下方的上處理區域154。接地框架106將接地屏蔽112與靶材120電絕緣，同時提供經由側壁110到處理腔室100的腔室主體108的接地路徑。接地屏蔽112將處理過程中產生的等離子體約束在上處理區域154內，并從界定的靶材120中心部分116逐出靶源材料，從而允許被逐出的靶源材料主要被沉積在基板表面上而不是腔室側壁110上。

延伸通過腔室主體108的底部146的軸140耦接到升降機構144。升降機構144被配置以在下移送位置和上處理位置之間移動基板支座138。波紋管142環繞軸140并耦接到基板支座138，以在其間提供柔性密封，從而保持腔室處理容積118的真空完整性。

基板支座138可以是靜電夾盤，并具有電極180。當使用靜電夾盤(ESC)實施例時，基板支座138利用相反電荷的吸引力來固持絕緣和導電型基板190兩者，并通過直流電源181供電。基板支座138可以包括嵌入電介質主體內的電極。直流電源181可以提供約200至約2000伏的DC夾持電壓到電極。直流電源181還可以包括通過引導直流電流到電極180用于夾持和去夾持基板190而控制該電極的操作的系統控制器。

可以將PVD工藝的溫度保持在低于沉積膜的性質可能變成不理想的溫度。例如，溫度可以低于約250攝氏度，并具有約50攝氏度的余裕，以有助于沉積納米晶金剛石層或中間碳化物層。基板支座138在器件集成要求的熱預算所需的溫度范圍中執行。例如，基板支座138可以是用于零下25攝氏度至100攝氏度的溫度范圍的可拆卸ESC(DTESC)、用于100攝氏度至200攝氏度的溫度范圍的中溫ESC(MTESC)、用于200攝氏度至500攝氏度的溫度范圍且確保晶片快速且均勻升溫的高溫或高溫可偏壓或高溫高均勻性ESC(HTESC或HTBESC或HTHUESC)。

在將處理氣體引入處理腔室100之后，氣體被激發而形成等離子體，使得HIPIMS型PVD工藝可被執行。以下進一步描述HIPIMS型PVD工藝的示例。

遮蔽框架122被設置在基板支座138的周邊區域，并被配置以將從靶材120濺鍍的源材料沉積局限于所需的基板表面部分。腔室屏蔽136可以被配置在腔室主體108的內壁上，并具有向內延伸到處理容積118、被配置以支撐被配置在基板支座138周圍的遮蔽框架122的唇部156。當基板支座138被升到進行處理的上位置時，被配置在基板支座138上的基板190的外緣被遮蔽框架122接合，而且遮蔽框架122被升起并與腔室屏蔽136間隔開。當基板支座138被降到鄰近基板移送出入口130的移送位置時，遮蔽框架122被設定回到腔室屏蔽136上。將升舉銷(未示出)選擇性移動穿過基板支座138，而將基板190舉到基板支座138上方，以便移送機器人或其他適當的移送機構接取基板190。

將控制器148耦接到處理腔室100。控制器148包括中央處理單元(CPU)160、存儲器158、及支持電路162。使用控制器148來控制工藝程序、調節從氣體源128進入處理腔室100的氣流、及控制靶材120的離子轟擊。CPU 160可以是任何形式的、可在工業環境中使用的通用計算機處理器。可以將軟件例程存儲在存儲器158中，存儲器158例如隨機存取存儲器、只讀存儲器、軟盤或硬盤驅動裝置、或其他形式的數字存儲器。支持電路162被以傳統方式耦接到CPU 160，并且可以包含高速緩存、時鐘電路、輸入/輸出子系統、電源等。當被CPU 160執行時，軟件例程將CPU轉換成特定用途的計算機(控制器)148，控制器148控制處理腔室100，使得工藝被依據本發明執行。軟件例程也可以由位于處理腔室100遠程的第二控制器(未示出)存儲和/或執行。

在處理過程中，材料被從靶材120濺射出并沉積在基板190的表面上。在一些配置中，通過電源132將靶材120相對于地面或基板支座加偏壓，以從氣體源128供應的處理氣體產生等離子體并維持形成的等離子體。等離子體中生成的離子被朝向靶材120加速并撞擊靶材120，導致靶材料被從靶材120逐出。被逐出的靶材料在基板190上形成具有所需晶體結構和/或成分的層。射頻、直流、或快速切換脈沖化直流電源、或上述的組合提供可調的靶材偏壓，用于為納米晶金剛石材料精準地控制濺鍍成分和沉積速率。

電源132為HIPIMS電源。本文中使用的典型HIPIMS電源132被配置以在約10μs和約200μs之間的短持續時間期間輸送具有例如約1兆伏(MV)和約8MV之間的高電壓的功率脈沖。以下結合圖4A-4B和圖7A-7B進一步描述HIPIMS工藝的討論。

在一些實施例中，在納米晶金剛石層沉積工藝的不同階段期間單獨施加偏壓到基板也是理想的。因此，可以從源185(例如DC和/或RF源)提供偏壓到基板支座138中的偏壓電極186(或夾持電極180)，使得在沉積工藝的一個或更多個階段期間基板190將被等離子體中形成的離子轟擊。在一些工藝示例中，在進行了納米晶金剛石膜沉積工藝后將偏壓施加于基板。或者，在一些工藝示例中，在納米晶金剛石膜沉積工藝期間施加偏壓。較大的負基板偏壓將傾向于驅動等離子體中產生的正離子朝向基板或反之亦然，使得當離子撞擊基板表面時具有較大量的能量。

圖2為依據本文描述的實施例可被用于沉積碳基層的處理腔室200的示意性剖視圖。可適于執行本文所述的碳層沉積方法的處理腔室為可獲取自位于美國加利福尼亞州圣克拉拉的應用材料公司(Applied Materials,Inc.located in Santa Clara,California)的化學氣相沉積室。應理解的是，以下描述的腔室為示例性的實施例，而且可以使用其他的腔室，包括來自其他制造商的腔室，或在不偏離本文描述的發明特征的下修改腔室來符合本發明的實施例。

處理腔室200可以是處理系統的一部分，該處理系統包括多個處理腔室，這些處理腔室被連接到中央移送腔室并由機器人服務。在一個實施例中，該處理系統為圖3描繪的群集工具300。處理腔室200包括限定處理容積212的壁206、底部208、及蓋210。壁206和底部208可以由整塊的鋁制成。處理腔室200還可以包括將處理容積212流體耦接到排氣口216的泵送環214以及其他的泵送組件(未示出)。

基板支撐組件238(可以被加熱)可以被居中配置在處理腔室200內。在沉積工藝期間，基板支撐組件238支撐基板203。基板支撐組件238通常由鋁、陶瓷、或鋁和陶瓷的組合制成，并包括至少一個偏壓電極232。偏壓電極232可以是靜電夾盤電極、RF基板偏壓電極、或上述的組合。

可以在基板203和基板支撐組件238之間使用真空口來施加真空，以在沉積工藝期間將基板203緊固于基板支撐組件238。偏壓電極232可以是例如被配置在基板支撐組件238中并耦接到偏壓電源230A和230B的電極232，以在處理時將基板支撐組件238和位于基板支撐組件238上的基板203偏壓到預定偏壓功率水平。

偏壓電源230A和230B可以被獨立設置，以輸送各種頻率的功率到基板203和基板支撐組件238，例如介于約2和約60MHz之間的頻率。在不背離本文所述的發明的下可以采用此處描述的各種頻率變換。

一般來說，基板支撐組件238被耦接到桿242。桿242在基板支撐組件238和處理腔室200的其他組件之間提供用于電引線、真空及氣體供應線路的管道。此外，桿242將基板支撐組件238耦接到升舉系統244，升舉系統244在升高位置(如圖2所示)和降低位置(未示出)之間移動基板支撐組件238，以便利機器人的移送。波紋管246在處理容積212和腔室200外部的大氣之間提供真空密封，同時便利基板支撐組件238移動。

通常可以將噴頭218耦接到蓋210的內側220。進入處理腔室200的氣體(即處理氣體和/或其他氣體)穿過噴頭218并進入處理腔室200中。噴頭218可被配置以提供均勻的氣流到處理腔室200中。均勻的氣流是理想的，以促進均勻的層形成在基板203上。可以將遠程等離子體源205與處理容積212和氣體源204耦接。這里圖示的是，使用遠程活化源(例如遠程等離子體產生器)來產生活性物種的等離子體，然后將該等離子體輸送到處理容積212中。示例性的遠程等離子體產生器可獲取自諸如MKS儀器公司和先進能源工業公司(Advanced Energy Industries,Inc.)等供貨商。

此外，可以將等離子體電源262耦接到噴頭218，以激發氣體通過噴頭218前往位于基板支撐組件238上的基板203。等離子體電源262可以提供用于形成等離子體的功率，例如RF功率或微波功率。

處理腔室200的功能可以由計算裝置254控制。計算裝置254可以是任何形式的、可在工業環境中使用于控制各種腔室和子處理器的通用計算機中的一者。計算裝置254包括計算機處理器256。計算裝置254包括存儲器258。存儲器258可以包括任何適當的存儲器，例如隨機存取存儲器、只讀存儲器、閃存、硬盤、或任何其他形式的、位于本地或遠程的數字存儲器。計算裝置254可以包括各種支持電路260，支持電路260可以被耦接到計算機處理器256，用于以傳統方式支持計算機處理器256。依據需要，軟件例程可以被存儲在存儲器258中或由位于遠程的第二計算裝置(未示出)執行。

計算裝置254可以進一步包括一個或更多個計算機可讀介質(未示出)。計算機可讀介質通常包括任何位于本地或遠程的、能夠存儲計算裝置可檢索信息的裝置。本發明的實施例可使用的計算機可讀介質的示例包括固態存儲器、軟盤、內部或外部硬盤驅動裝置、及光存儲器(CD、DVD、BR-D等)。在一個實施例中，存儲器258可以是計算機可讀介質。軟件例程可以被存儲在計算機可讀介質上，以由計算裝置執行。

當被執行時，軟件例程將通用計算機轉換成控制腔室操作的特定處理計算機，使得腔室處理被執行。或者，軟件例程可以作為專用集成電路或其他類型的硬件實施、或軟件和硬件的組合被以硬件執行。

示例性處理腔室100或示例性處理腔室200可以是群集工具的一部分。圖3圖示適用于在基板上形成納米晶金剛石層的示例性群集工具300。群集工具300的特征為至少一個如上所述的處理腔室100。群集工具300的示例為可獲取自美國加利福尼亞州圣克拉拉的應用材料公司的系統。也可以使用其他公司制造的群集工具。

群集工具300可以包括一個或更多個負載鎖定腔室306A、306B，用于移送基板進出群集工具300。典型地，由于群集工具300處于真空下，所以負載鎖定腔室306A、306B可以將被引入群集工具300的基板“抽真空”。第一機器人310可以在負載鎖定腔室306A、306B及第一組的一個或更多個基板處理腔室312、314、316、318(4個被示出)之間移送基板。可以裝備每個處理腔室312、314、316、318，以執行數個基板處理操作，除了循環層沉積(CLD)、原子層沉積(ALD)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、預清洗、除氣、定向及其他基板處理之外還包括本文所述的蝕刻工藝。

第一機器人310還可以將基板移送進/出一個或更多個中間移送腔室322、324。中間移送腔室322、324可被用來保持超高真空的狀態，同時允許在群集工具300內移送基板。第二機器人330可以在中間移送腔室322、324及第二組的一個或更多個處理腔室332、334、336、338之間移送基板。與處理腔室312、314、316、318類似，可以裝備處理腔室332、334、336、338，以執行各種基板處理操作，除了例如循環層沉積(CLD)、原子層沉積(ALD)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、預清洗、熱處理/除氣、及定向之外還包括本文所述的蝕刻工藝。任何的基板處理腔室312、314、316、318、332、334、336、338若非群集工具300進行的特定工藝必需時，則可以被從群集工具300移出。

說明性的多處理群集工具300可以包括多達四個類似于上述處理腔室200設置的處理腔室332、334、336、338(在334和336之間具有可選的第五腔室)。PVD或ALD腔室312或314可被配置以沉積薄的ARC/灰化層(例如AlN或SiN或TiN)。

群集工具300可被用于執行以下圖4和圖5描述的方法。在一些工藝流程中，在群集工具300中進一步處理基板可能是理想的，或更典型是在設置與圖3圖示的群集工具類似的不同群集工具中處理基板。

圖4A描繪用于完成高功率脈沖磁控濺鍍(HIPIMS)工藝的至少一部分的功率輸送處理程序的曲線圖450。曲線圖450說明一種類型的HIPIMS工藝，而且因為曲線圖450是說明性的，所以通常未依比例繪制。如上所述，典型的HIPIMS電源可以在高電壓下、在短持續時間輸送功率脈沖，以在HIPIMS工藝期間產生高密度和能量的等離子體。高電壓可以在例如約1,000,000V和約8,000,000V之間的范圍中。功率脈沖452(或能量脈沖)可以通過電源132以持續時間454(或脈沖寬度)和脈沖循環時間456產生。在一個示例中，每個功率脈沖452的持續時間454介于約10μs和約40μs之間，并且脈沖循環時間456為200μs，這對應于5000Hz的脈沖重復頻率，即介于160-190μs的連續脈沖之間的間隔。在脈沖循環時間456內輸送的功率或能量可以在持續時間454期間具有非方形波形(未示出)，并且因此在持續時間454內的平均功率可以是在介于約10千瓦(kW)和100kW之間、例如介于10kW和40kW之間的值。在一些實施例中，提供給靶材的每個功率脈沖可以具有等量的功率和/或相同的持續時間。然而，本公開的實施例并不限于此。例如，提供給靶材的每個脈沖可以具有不同量的功率和/或不同的持續時間。引述的值將被純粹理解為舉例，而且可以在寬的限值內改變。例如，可以使用范圍在10μs和100μs之間的脈沖持續時間并使用介于200μs和1毫秒(ms)之間的脈沖重復時間直接操作。施加高功率到靶材(陰極)的時間往往會被電源的額定值和電源在介入時段458期間花費的充電時間限制。已發現的是，通過施加高功率脈沖到一個陰極或多個陰極，濺射出的材料將具有高量的反應能(即化學電位)及高的離子化程度。在一些示例中，從一個陰極或多個陰極射出的濺射材料的離子化程度可以在40％至高達100％之間的范圍中。在一些實施例中，理想的是使用這種高離子化程度來使更多的濺射離子被吸引到浮動或偏壓基板，并以較高的動能抵達，從而導致更致密的涂層和更迅速的涂布工藝。

為了在HIPIMS工藝期間實現濺射材料的高量反應能和高度離子化，需要控制各種處理參數，以確保所產生的濺射材料具有這些理想的性質。在一些實施例中，工藝參數包括控制位置鄰近靶材面的磁控管的磁場強度及功率脈沖452在持續時間454內輸送的功率量用以產生具有理想能量(例如電子溫度T_e)和等離子體密度(N_e)的等離子體。已發現的是，通過控制脈沖寬度、每個脈沖中輸送的能量、及輸送脈沖的占空比，可以在基板表面上的層中形成含Sp3的濺鍍碳材料。

圖7A和圖7B為描繪靶材偏壓(脈沖電壓)對等離子體能量(例如電子溫度T_e)和等離子體密度的影響的示例的曲線圖。圖7A圖示靶材偏壓電壓(例如功率脈沖452)對等離子體能量(例如電子溫度T_e)的影響為脈沖寬度的函數。如圖7A所圖示，在固定的電源功率設定點下，隨著脈沖寬度增加，等離子體能量將而從初始峰值減小到較小的值。峰值等離子體能量與能夠在處理腔室的處理容積中產生并維持等離子體的最小脈沖寬度位置重疊，在本示例中為約6.5至7電子伏特(eV)。隨著脈沖寬度增加，同時保持固定的功率輸送設定點(例如20kWs)，電子溫度或等離子體能量從峰值降到某個較低的值。將注意到的是，對于較大的靶材偏壓電壓來說，由于靶材偏壓增大時產生的等離子體密度增加，所以等離子體能量下降地更快。相信的是，在不同的靶材偏壓電壓下，等離子體能量的下降與等離子體中離子和電子之間的碰撞次數增加、從而降低平均等離子體能量(例如電子溫度T_e)有關。將進一步注意到的是，等離子體能量也與濺射原子落在基板表面上時所含的能量有關，并且因此提高靶材偏壓也將傾向于降低等離子體中及落在基板表面上的濺射原子的能量。

在圖7B中，將等離子體密度示出為脈沖寬度與靶材偏壓電壓的函數。一般來說，在圖7B中可以看到，在每個靶材偏壓電壓下，小于某下限值的脈沖寬度對于形成致密等離子體是無效的，而且在相同的靶材偏壓電壓下，大于上限值的脈沖寬度對于形成致密等離子體也是同樣無效的。因此，如圖7B所示，在固定的靶材偏壓下通過供應脈沖寬度大于下限值并小于上限值的功率脈沖452，可以將等離子體密度(N_e)維持在峰值或接近峰值。將注意到的是，較高的等離子體密度將會提高通過等離子體的濺射原子的HIPIMS沉積速率與離子化速率。還將注意到的是，當偏壓電壓增大時，等離子體密度的峰值往較短的脈沖寬度偏移，因此峰值等離子體密度有關于靶材偏壓電壓與脈沖寬度。在一個示例中，在功率脈沖452期間施加的1000V靶材偏壓在介于約125μs和約225μs之間的脈沖寬度下具有峰值等離子體密度(N_e)，與600V的靶材偏壓的峰值等離子體密度(N_e)不同，600V的靶材偏壓在介于約175μs和約350μs之間具有峰值等離子體密度(N_e)。

因此，為了確保生長的濺鍍沉積膜具有理想的物理、化學及結構性質，例如Sp3金剛石結構，需要平衡并調整競爭的處理體系，例如等離子體能量(圖7A)和等離子體密度(圖7B)。因此，需要有一種包括選擇形成等離子體的靶材偏壓電壓和脈沖寬度的HIPIMS工藝，該等離子體將賦予濺射原子理想量的能量、高的離子化速率及離子化程度，以實現理想的HIPIMS濺鍍沉積速率、膜晶體結構及膜應力。

此外，由于在HIPIMS工藝中使用的短脈沖寬度或持續時間454，已經發現的是，在形成濺射等離子體的初始階段期間產生的“預鞘(pre-sheath)”對于形成高能量和高度離子化濺射材料的過程具有顯著的影響。一般來說，“預鞘”是在形成平衡等離子體鞘區域的同時，在靶材和基板之間的處理區域內(例如圖1的處理容積118)隨著時間變化而具有不同尺寸的等離子體的非平衡區域。因此，在形成等離子體的過程的早期階段期間，被輸送到靶材以被耦合到位于處理腔室的處理區域中的濺鍍氣體(例如氬(Ar))的功率的能力對于用以從靶材表面濺射材料的離子能量具有大的影響。據信，當功率脈沖452被施加于靶材時，預鞘形成過程持續約第一個10至40μs。

圖6圖示對于各具有不同磁場強度的不同磁控管來說，等離子體中形成的浮動電勢有關于距靶材的距離的曲線圖。如圖6所示，200高斯的磁控管由菱形表示，具有第一對應曲線；500高斯的磁控管由方形表示，具有第二對應曲線；以及800高斯的磁控管由三角形表示，具有第三對應曲線。這些示例包括使用50μs脈沖寬度的HIPIMS工藝，對于每一種磁控管配置，該HIPIMS工藝使用相同的靶材偏壓電壓和功率。值得注意的是，對于200高斯的磁控管組件來說，在靶材和基板之間的浮動電勢沒有明顯的變化。對于500高斯的示例來說，在靶材和基板之間的浮動電勢在腔室的基板端附近也是大致上恒定的，但當移動到更靠近靶材的表面時趨于降低(例如等離子體具有越來越負的浮動電勢)。對于800高斯的示例來說，在靶材和基板之間的電勢明顯不同，因為當從基板的表面往靶材的表面移動時，浮動電勢急劇降低。本領域技術人員將理解的是，由于磁場強度(例如通過靶材表面的磁力線數量)增加，更高的磁控管磁場強度將會提高磁控管捕獲從偏壓靶材的表面發射的電子的能力。本領域技術人員還將理解的是，低磁場強度(例如<<200高斯)的磁控管也是不理想的，因為這些低磁場通常將無法在濺鍍工藝期間有效捕獲從靶材發射的電子。由磁場捕獲的電子通常被用來改良濺射氣體和濺鍍材料的離子化，并且因此使用低磁場強度磁控管會妨礙均勻且可靠的等離子體形成。

相信的是，使用不提供大致平坦浮動電勢(V_f)分布(例如由200高斯磁控管產生的分布，圖6中示出的第一對應曲線)的磁控管組件將具有降低的、從等離子體提取離子的能力。換言之，當由磁控管產生的磁場增大時，磁控管在靠近靶材面的等離子體中捕獲離子的能力提高，并且因此這防止了氣體離子和離子化濺射材料在處理過程中被吸引到浮動、接地或偏壓基板。無法從等離子體提取離子將會影響用以在基板表面上形成沉積層的濺射材料的沉積速率和能量。因此，在一些實施例中，理想的是選擇具有大致上平坦的浮動電勢分布的磁控管。

在一些實施例中，為了確保生長的濺鍍沉積膜具有理想的物理、化學及結構性質，例如Sp3金剛石結構，需要平衡、調整和/或控制等離子體能量、等離子體密度、而且還選擇由磁控管組件供應的理想磁場強度。因此，需要有一種包括選擇磁控管組件及形成等離子體的靶材偏壓電壓和脈沖寬度的HIPIMS工藝，該磁控管組件具有理想的磁場強度，以提供理想的浮動電勢分布(例如大致平坦的分布)，該等離子體將賦予濺射原子理想量的能量、高的離子化速率及離子化程度，以實現理想的HIPIMS濺鍍沉積速率、膜晶體結構及膜應力。

圖4B為用于在PVD處理腔室(例如處理腔室200)中沉積納米晶金剛石層的方法的流程圖。如以上注意到的，當磁場強度增大時，在等離子體形成過程的預鞘產生階段期間從等離子體提取離子的能力變得更加困難。較低的高斯水平允許等離子體形成得更靠近靶材，所以不會影響預鞘形成。因此，通過將磁場強度降至小于300高斯，例如約200高斯，可以使用更短的脈沖時間來形成理想的預鞘。因此，磁場和脈沖時間之間的相互作用允許在保持沉積質量的同時且在低溫(例如室溫)下的有高的沉積速率的納米晶金剛石沉積。

方法400通常包括輸送濺鍍氣體到處理腔室的處理區域，該處理腔室具有大體含碳的濺鍍靶材。然后輸送能量脈沖到濺鍍氣體，以形成濺鍍等離子體。在一個示例中，濺鍍等離子體具有濺鍍持續時間，能量脈沖具有介于1W/cm²和10W/cm²之間的平均功率，而且脈沖寬度小于100μs并大于30μs，濺鍍等離子體被磁場控制，磁場小于300高斯。從而在鄰近大體含碳的濺鍍靶材的處理容積中形成濺鍍等離子體，以形成濺射和離子化的含碳物種，該濺射和離子化的含碳物種在基板上形成結晶的含碳層。

方法400通過輸送濺鍍氣體到處理腔室的處理容積而開始于402，該處理腔室具有含碳濺鍍靶材。在一個示例中，該處理腔室為以上參照圖2描述的處理腔室200。在另一個示例中，該處理腔室為被修改來執行本文所述操作的處理腔室。該處理腔室具有含碳靶材，例如石墨靶材。濺鍍氣體通常是對基板或濺鍍靶材惰性的氣體。在一個示例中，濺鍍氣體為氬氣。

在404，在基板被定位在處理容積中的情況下，將一系列的能量脈沖輸送到濺鍍氣體以形成濺鍍等離子體。濺鍍等離子體可以使用結合圖4A描述的能量輸送過程形成。一般來說，在此處理階段期間提供能量脈沖包括選擇形成等離子體的靶材偏壓電壓和脈沖寬度，該等離子體將賦予理想量的能量來實現理想的等離子體能量(例如電子溫度T_e)和等離子體密度(N_e)，以實現高離子化速率及離子化程度的濺射原子，以實現理想的HIPIMS濺鍍沉積速率、膜晶體結構及膜應力。在一個示例中，用以形成濺鍍等離子體的能量脈沖可以分別具有介于1W/cm²和10W/cm²之間的平均功率。應當指出的是，由于此HIPIMS PVD工藝中使用的短脈沖寬度，還選擇了在此工藝步驟期間的磁控管磁場強度，以確保理想的預鞘形成，并在基板表面產生理想量的、從等離子體提取的離子。磁控管的磁場可以小于300高斯，諸如約200高斯。

不希望受到理論的束縛，相信的是，形成穩定的預鞘對于低溫沉積納米晶金剛石是有益的。在等離子體形成工藝期間，最初電場是相當高的。在等離子體形成的開始時，等離子體本身最終占據相當大的空間。然后鞘收縮并致密化到可容納所有流進處理腔室的處理容積的電流的點。預鞘恰在圍繞靶材的正電荷粒子收縮和致密化之前形成。預鞘影響濺射靶材的能量動力、離子化分率及濺射分率。現有的HIPIMS技術提供的沉積速率可測量地小于標準PVD沉積。已經發現的是，通過控制到處理容積的能量輸送過程(圖4A)，可將理想的等離子體能量(T_e)和等離子體密度(N_e)賦予等離子體，使得在早期階段形成并在本文描述的HIPIMS PVD工藝的功率輸送部分的大部分期間保持的形成預鞘將含有理想的性質，該理想的性質使HIPIMS PVD工藝具有高沉積速率并提供足夠的能量給濺射原子，以允許Sp3碳層形成在基板上。

一旦等離子體形成，則在406將濺鍍等離子體輸送到濺鍍靶材以形成離子化物種，該離子化物種在基板上形成結晶含碳層。上述的濺鍍功率、占空比及磁場允許基板上有提高的Sp3對Sp2沉積分率。

圖5為依據本文描述的實施例用于形成中間碳化物層的方法的流程圖。相信的是，碳化物層對于與類金剛石碳層不同的納米晶金剛石層的生長是有益的。在另一個實施例中，上述的HIPIMS PVD法可被用來形成一個或更多個中間層。一旦中間層形成了，則可以使用二次生長法(例如CVD方法)來生長納米晶金剛石層。方法500包括在502處在第一HIPIMS PVD處理腔室(例如處理腔室100)中定位基板，該第一處理腔室具有含碳濺鍍靶材和濺鍍氣體；輸送一系列的能量脈沖到濺鍍氣體，以使用能量輸送過程(例如圖4A圖示的)形成第一等離子體。在504處，第一等離子體由磁場控制。在506處，由此輸送第一等離子體到濺鍍靶材，以形成離子化物種，使得離子化物種在基板上形成中間碳化物層。然后在508處將基板移送到第二處理腔室。在第二處理腔室中時，在成核氣體存在下形成等離子體，以形成活化的成核氣體，其中該成核氣體包含含碳源。然后在510活化該成核氣體，以在基板上形成成核層。然后在510活化沉積氣體以形成活化的沉積氣體。然后在512輸送活化的沉積氣體到基板，活化的沉積氣體在基板上形成納米晶金剛石層。

方法500通過將基板定位在第一處理腔室中而開始于502，該第一處理腔室具有含碳濺鍍靶材和濺鍍氣體。基板可以具有任意成分，例如結晶硅基板。基板還可以包括一個或更多個特征，例如形成在基板表面中的通孔或互連件。基板可以被支撐在基板支座上。在一個實施例中，本實施例中使用的濺鍍靶材和濺鍍氣體與以上結合圖4A-4B描述的相同。

本文中使用的“基板表面”是指任何基板或形成在基板上的材料表面，該表面上可進行膜處理。例如，上面可以進行處理的基板表面包括諸如硅、氧化硅、氮化硅、摻雜硅、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石等材料、及任何其他諸如金屬、金屬氮化物、金屬合金等材料、以及其他導電材料，視應用而定。基板表面還可以包括諸如二氧化硅和摻雜碳的硅氧化物等電介質材料。基板可以具有各種尺寸，例如200mm、300mm、450mm、或其他直徑的晶片、以及矩形或方形窗玻璃。

然后在步驟504處可以將能量脈沖輸送到濺鍍氣體以形成第一等離子體。在一個實施例中，能量脈沖是以上討論的高功率脈沖磁控濺鍍(HIPIMS)脈沖。脈沖功率、脈沖時間、平均功率、磁場強度及HIPIMS工藝的其他參數可以與結合圖4A-4B描述的相同。

如以上指出的，HIPIMS PVD工藝在<10％的低占空比(開/關時間比)下以幾十微秒的短脈沖(沖擊)利用kW·cm^-2量級的高功率密度。HIPIMS的區別特征是濺鍍材料的高度離子化及高分子氣體離解速率，從而導致高密度的沉積膜。離子化和離解度依據峰值陰極功率增加。選擇磁場強度，使得短脈沖可以被使用，同時在靶材和基板之間保持低的電勢差，例如小于300高斯(例如約200高斯)。

在一個或更多個實施例中，提供到靶材的每個脈沖可以具有至少1千瓦的平均功率。在一些實施例中，提供到靶材的每個脈沖可以具有至少1兆瓦的功率。例如，每個脈沖可以具有約1-3兆瓦的功率。另外，在一個或更多個實施例中，提供到靶材的每個脈沖可以具有約1微秒至300微秒、例如介于10和100微秒之間的持續時間。在一些實施例中，提供到靶材的每個脈沖可以具有約1微秒至200微秒的持續時間、或約100微秒至200微秒的持續時間。例如，每個脈沖可以具有約50微秒的持續時間。此外，在一個或更多個實施例中，提供到靶材的每個脈沖可以被間隔約100毫秒的持續時間。也就是說，在提供到靶材的每個脈沖之間可以有100毫秒。然而，本公開的實施例并不限于特定的持續時間。

然后在步驟506處可以將濺鍍等離子體輸送到濺鍍靶材以形成離子化物種，該離子化物種在基板上形成中間碳化物層。濺鍍靶材可以是含碳靶材，例如石墨靶材。靶材蒸汽的離子化程度有關于放電的峰值電流密度、以及脈沖寬度和磁場強度。在一個實施例中，能量脈沖可以具有介于1W/cm²和10W/cm²之間的功率、小于10％的占空比、及介于約10微秒和100微秒之間的脈沖長度。

離子化物種到達基板、在基板上形成中間碳化物層。中間碳化物層充當種晶層用于進一步沉積。

在508處，可以將基板移送到第二處理腔室。用于一個或更多個實施例的處理腔室可以是任何具有遠程等離子體源的CVD處理腔室，例如上述的處理腔室100或來自其他制造商的腔室。以下描述的流動速率及其他處理參數是用于300mm的基板。應當了解的是，在不偏離本文公開的發明的下，可以基于處理基板的尺寸和使用的腔室類型來調整這些參數。

可選地，然后可以對基板加偏壓。偏壓可以是偏壓增強成核工藝的一部分。在偏壓增強成核的情況下，基板可以是負偏壓。在一個示例中，基板使用偏壓預處理來加偏壓。偏壓可以具有介于約100毫安和約200毫安之間的電流。偏壓可以具有介于約150伏和約250伏之間的電壓。

然后，在步驟510處，可以在沉積氣體存在下形成等離子體，以形成活化的沉積氣體。等離子體可以從沉積氣體或第二氣體(例如惰性氣體)形成。等離子體可以在本地或遠程形成。可以通過使用電源形成等離子體來活化沉積氣體。可以使用任何能夠將氣體活化成反應物種并保持反應物種的等離子體的電源。例如，可以使用基于射頻(RF)、直流(DC)、或微波(MW)的功率放電技術。沉積氣體可以包含含碳源、含氫源、惰性氣體、或上述的組合。

含碳前體可以是烷烴、烯烴、或炔烴前體。烷烴前體可以是飽和未分支的烴，例如甲烷、乙烷、丙烷、及上述的組合。其他的烷烴前體包括正丁烷、正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、及上述的組合。含氫氣體可以包括H₂、H₂O、NH₃或其他含氫分子。沉積氣體可以進一步包括惰性氣體。惰性氣體可以是稀有氣體，例如氬氣。

然后在步驟512處可以將活化的沉積氣體輸送到基板，活化的沉積氣體在成核層上生長出納米晶金剛石層。來自先前形成的活化的沉積氣體的自由基撞擊基板表面以形成納米晶金剛石層。本文中使用的基板表面可以包括被形成在基板表面上的任何層，例如中間碳化物層。

上述方法教示形成至少一個中間碳化物層用于生長納米晶金剛石層。通過沉積均勻的中間碳化物層，納米晶金剛石可以被共形地沉積并具有降低的粗糙度。

雖然前述針對本發明的實施例，但在不偏離本發明的基本范圍下仍可設計出本發明的其他和進一步實施例，而且本發明的范圍由隨后的權利要求確定。