專利名稱：用于無定型碳膜的化學(xué)氣相沉積的液體前驅(qū)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路的制造，并涉及用于在襯底上沉積材料的方法和由該材料形成的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的制造要求通過氣體的化學(xué)反應(yīng)在襯底上形成金屬和電介質(zhì)層，這樣的工藝被稱為化學(xué)氣相沉積，CVD。熱CVD工藝將反應(yīng)氣體供應(yīng)到襯底表面，在襯底表面進(jìn)行能量引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生所期望的層。
CVD工藝可用于通過包括一層或者多層材料層的沉積和圖案化在內(nèi)的鑲嵌或者雙鑲嵌法形成垂直和水平互連。在鑲嵌法中，諸如低k電介質(zhì)材料(即，其介電常數(shù)＜4.0)的一種或者多種電介質(zhì)材料被沉積并且圖案刻蝕以形成也稱為過孔的垂直互連和也稱為線的水平互連。然后，諸如包含銅的材料的導(dǎo)體材料和包括阻擋層材料在內(nèi)的其它材料被鑲嵌在刻蝕出的圖案中，其中所述阻擋層材料用于防止含銅材料向周圍的低k電介質(zhì)中擴散。然后去除任何處于刻蝕圖案外部的(諸如處于襯底區(qū)域)多余的含銅材料和多余的阻擋層材料。
但是，當(dāng)?shù)蚹材料被用于鑲嵌形成工藝時，難以制備具有很少或者沒有表面缺陷或者特征變形的特征。低k電介質(zhì)材料通常是多孔的并且在去除導(dǎo)體材料的過程中容易被劃傷和損壞，因此增大了在襯底表面上形成缺陷的可能性。此外，低k材料通常是脆性的，并且在常規(guī)的拋光工藝下可能變形。一種用于限制或者減小表面缺陷和變形的方案是，在圖案化和刻蝕低k材料中的特征定義之前，在暴露的低k材料上沉積硬掩模。硬掩模耐損傷和變形。在隨后的材料沉積和平坦化或者材料去除工藝(諸如化學(xué)機械拋光技術(shù)或者刻蝕技術(shù))過程中，硬掩模還可以保護(hù)下方的低k材料，由此減小缺陷的形成的特征的變形。然后，在隨后的襯底處理之前，在平坦化之后去除硬掩模。
此外，在上述的鑲嵌工藝中，使用常規(guī)的光刻技術(shù)形成圖案，其中，能量敏感的抗蝕劑層被形成在襯底上的材料層疊層上方，圖案的圖像被引入到能量敏感抗蝕劑材料中，并且利用能量敏感抗蝕劑層作為掩模，被引入到能量敏感抗蝕劑材料中的圖案被轉(zhuǎn)移到形成在襯底上的材料疊層中的一層或者多層中。
可以利用化學(xué)刻蝕劑將被引入到能量敏感抗蝕劑中的圖案轉(zhuǎn)移到材料疊層中的一層或者多層中。化學(xué)刻蝕劑被設(shè)計成對于疊層中的材料層比對于能量敏感抗蝕劑具有更大的刻蝕選擇性。就是說，化學(xué)刻蝕劑以比刻蝕能量敏感抗蝕劑快得多的速率刻蝕材料疊層中的一層或者多層。對于疊層中的一層或者多層材料層的更快的刻蝕速率通常防止了能量敏感抗蝕劑材料在完成圖案轉(zhuǎn)移之前被消耗掉。
隨著圖案尺寸的減小，能量敏感抗蝕劑的厚度必須相應(yīng)地減小，以控制圖案的分辨率。在使用化學(xué)刻蝕劑的圖案轉(zhuǎn)移步驟中，這樣的更薄的抗蝕劑材料(小于約6000埃)對于掩蔽下方的材料層可能是不足的。上述的硬掩?？梢杂糜谀芰棵舾锌刮g劑材料和下方的材料層之間，以便于將圖案轉(zhuǎn)移到下方的材料層中。但是，在某些用于形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，難以將硬掩模材料從襯底表面去除，并且殘留的硬掩模材料可能不利地影響半導(dǎo)體處理。此外，常規(guī)的硬掩模材料不能在被刻蝕材料和硬掩模之間提供足夠的刻蝕選擇性來保持所形成的特征的期望尺寸。
當(dāng)具有深紫外(DUV)成像波長(例如，小于約250納米(nm))的光刻成像工具被用于產(chǎn)生抗蝕劑圖案時，還進(jìn)一步帶來了抗蝕劑圖案化的問題。DUV成像波長提高了抗蝕劑圖案分辨率，因為在此更短的波長下衍射效應(yīng)被減小了。但是，許多下方的材料(諸如多晶硅、金屬和金屬硅化物)在這樣的DUV波長下增大的反射性質(zhì)可能劣化所得的抗蝕劑圖案。
一種提出來使從下方的材料層的反射最小化的技術(shù)使用抗反射涂層(ARC)。ARC在抗蝕劑圖案化之前形成在反射材料層上方。在抗蝕劑圖案化過程中，ARC抑制了下方的材料層的反射，在能量敏感抗蝕劑層中提供了精確的圖案復(fù)制性。許多ARC材料已經(jīng)被建議來與能量敏感抗蝕劑組合使用，但是還沒有獲得令人滿意的結(jié)果。此外，一些當(dāng)前的用于硬掩模和抗反射涂層的沉積工藝使用具有還不令人滿意的階梯覆蓋性的工藝和前驅(qū)體。此外，像硬掩模材料一樣，ARC材料難以去除，并且可能留下可以干擾后續(xù)的集成電路制造步驟的殘余物。
因此，在本領(lǐng)域中存在對于可用于集成電路制造的這樣的材料層的需要，該材料層具有良好的刻蝕選擇性和/或抗反射性能，可以被進(jìn)一步去除而具有很少或者最少的殘余物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多個方面一般地提供一種用于沉積無定型碳材料的方法。在一個方面中，本發(fā)明提供一種處理襯底的方法，該方法包括在處理室中放置所述襯底；將處理氣體引入所述處理室，其中，所述處理氣體包括氫氣和一種或多種烴化合物或其衍生物；通過從雙頻RF源施加功率產(chǎn)生所述處理氣體的等離子體；以及在所述襯底上沉積無定型碳層。
在本發(fā)明的另一個方面中，提供了一種用于處理襯底的方法，該方法包括在所述襯底的表面上形成電介質(zhì)材料層；通過如下工藝在所述電介質(zhì)材料層上沉積一層或多層無定型碳層，所述工藝包括將包括氫氣和一種或多種烴化合物或其衍生物的處理氣體引入所述處理室，通過從雙頻RF源施加功率產(chǎn)生所述處理氣體的等離子體；刻蝕所述一層或多層無定型碳層，以形成圖案化的無定型碳層；對應(yīng)于所述圖案化的一層或多層無定型碳層，在所述電介質(zhì)材料層中刻蝕特征定義。
在本發(fā)明的另一個方面中，提供了一種用于處理襯底的方法，該方法包括在所述襯底的表面上沉積一層或多層電介質(zhì)層，其中所述一層或多層電介質(zhì)層中的至少之一包括硅、氧和碳并且具有約3或更小的介電常數(shù)；通過如下工藝在所述一層或多層電介質(zhì)材料層上沉積一層或多層無定型碳層，所述工藝包括將包括氫氣和一種或多種烴化合物或其衍生物的處理氣體引入所述處理室，通過從雙頻RF源施加功率產(chǎn)生所述處理氣體的等離子體；在所述一層或多層無定型碳層的至少一個區(qū)域中定義圖案；通過形成在所述一層或多層無定型碳層的所述至少一個區(qū)域中的圖案，在所述一層或多層電介質(zhì)層中形成特征定義；以及在所述特征定義中沉積一種或多種導(dǎo)體材料。


作為可以詳細(xì)理解本發(fā)明的上述特征的方式，可以參考實施例對在上面簡要說明的本發(fā)明進(jìn)行更具體描述，其中的一些實施例圖示于附圖中。但是，應(yīng)該注意，附圖僅僅圖示了本發(fā)明的典型實施例，因此不應(yīng)認(rèn)為是限制其范圍，因為本發(fā)明可以允許其他等效實施例。
圖1A-1E是示出了無定型碳沉積工藝的一個實施例的剖視圖；圖2A-2E是示出了本發(fā)明的沉積工序的一個實施例的剖視圖；圖3A-3G是示出了雙鑲嵌沉積工序的一個實施例的剖視圖；圖4是無定型碳沉積工藝的一個實施例的剖視圖；圖5是無定型碳沉積工藝的一個可替換實施例的剖視圖；和圖6是可以用于實施本發(fā)明的設(shè)備的示意圖。
為了進(jìn)一步理解本發(fā)明的各個方面，應(yīng)該參考隨后的詳細(xì)說明。
具體實施例方式
除非另有進(jìn)一步的定義，在本文中所使用的術(shù)語和短語應(yīng)該具有本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的普通的和慣用的含義。本發(fā)明的多個方面一般地提供用于沉積、處理和去除無定型碳材料的方法。與通過常規(guī)的無定型碳沉積工藝通過使用雙頻RF功率源和在無定型碳處理氣體中包括氫氣作為稀釋氣體以及氬作為載氣所沉積的無定型碳相比，無定型碳沉積速率和相對于諸如氧化物的電介質(zhì)材料的刻蝕選擇性可以增大。無定型碳沉積在2003年6月3日授權(quán)的標(biāo)題為“Method For Depositing an Amorphous CarbonLayer”的美國專利No.6573030中有描述，該美國專利通過引用被包含在本文中，只要其不與本申請的權(quán)利要求和說明書相沖突。
合適的系統(tǒng)的實例包括可以使用DxZTM處理室的CENTURA系統(tǒng)、PRECISION 5000系統(tǒng)、PRODUCERTM系統(tǒng)、以及PRODUCERSETM處理室，這些可從加利福尼亞Santa Clara的應(yīng)用材料公司商購。所述工藝可以在諸如可從加利福尼亞Santa Clara的應(yīng)用材料公司商購的ProducerTM處理室的沉積室中在200mm襯底上實施。在使用可從加利福尼亞SantaClara的應(yīng)用材料公司商購的300mm的ProducerTM雙沉積站處理室的情況下描述下面的沉積工藝，并且相應(yīng)地應(yīng)該解釋的是，例如，流率是總流率并且應(yīng)該一分為二以描述在室中的各個沉積站處的工藝流率。此外，對于單沉積室(例如可從加利福尼亞的Santa Clara的應(yīng)用材料公司商購的DxZ處理室)，可以以合適的工藝轉(zhuǎn)換來進(jìn)行下面的工藝，即將流率從總的雙沉積站ProducerTM處理室流率調(diào)節(jié)為單沉積站流率。
實例設(shè)備圖6是可用于執(zhí)行無定型碳層的沉積的襯底處理系統(tǒng)的一個實施例的示意性表示。此設(shè)備包括處理室625、氣體板630、控制單元610、以及具它的諸如功率源和真空泵之類的硬件部件。用于本發(fā)明的系統(tǒng)的一個實施例的細(xì)節(jié)在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No.6364954“High Temperature ChemicalVapor Deposition Chamber”中有描述，該美國專利于2002年4月2日被授權(quán)并且通過引用被包含在本文中。
處理室625一般包括支撐支座650，其用于支撐諸如半導(dǎo)體襯底690之類的襯底。該支座650利用位移機構(gòu)(沒有示出)在室625內(nèi)部在垂直方向上移動。依據(jù)工藝，襯底690可以在處理之前被加熱到所期望的溫度。襯底支撐支座650由嵌入式加熱器元件670加熱。例如，可以通過從AC源606向加熱器元件670施加電流，電阻性加熱支座650。回過頭來，襯底690由支座650加熱。諸如熱電偶之類的溫度傳感器672也被嵌入在襯底支撐支座650中，以監(jiān)控支座650的溫度。所測量的溫度被用于反饋環(huán)，以控制用于加熱元件670的功率源606。襯底溫度可以被維持或者控制在被選擇用于特定工藝應(yīng)用的溫度下。支座650可選地使用等離子體或者通過輻射加熱來加熱。
真空泵602用于排空處理室625，并且用于在室625內(nèi)維持適當(dāng)?shù)臍怏w流和壓強。處理氣體通過噴淋頭620引入到室625中，噴淋頭620位于襯底支撐支座650上方。噴淋頭620連接到氣體板630，氣體板630控制和供應(yīng)用于工藝工序的不同步驟中的各種氣體。
氣體板630還可以用于控制和供應(yīng)各種汽化的液體前驅(qū)體。雖然沒有示出，但是來自液體前驅(qū)體源的液體前驅(qū)體可以例如通過液體噴射汽化器汽化，并且在載氣的存在下被輸送到處理室。載氣一般是諸如氮氣的惰性氣體和諸如氬或者氦的稀有氣體?；蛘?，液體前驅(qū)體可以通過熱和/或真空增強汽化工藝從安瓿汽化。
噴淋頭620和襯底支撐支座650還可以形成一對間隔開的電極。當(dāng)在這些電極之間產(chǎn)生電場時，被引入到室625中的處理氣體被激發(fā)成等離子體。典型地，通過將襯底支撐支座650經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)(沒有示出)連接到單頻或者雙頻射頻(RF)功率源(沒有示出)，產(chǎn)生所述電場?；蛘撸琑F功率源和匹配網(wǎng)絡(luò)可以被耦合到噴淋頭620，或者耦合到噴淋頭620和襯底支撐支座650兩者。
等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)通過向襯底表面附近的反應(yīng)區(qū)域施加電場、產(chǎn)生反應(yīng)性物質(zhì)的等離子體，促進(jìn)了反應(yīng)氣體的激發(fā)和/或分解。等離子體中的物質(zhì)的反應(yīng)性減小了發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所需的能量，有效降低了用于這樣的PECVD工藝所需的溫度。
在本實施例中，無定型碳層的沉積通過烴化合物的等離子體增強熱沉積來完成。烴化合物在氣體板630的控制下被引入到處理室625中。烴化合物作為氣體以經(jīng)調(diào)節(jié)的流量被引入到處理室。
通過氣體板630的氣體和液體流的適當(dāng)控制和調(diào)節(jié)由質(zhì)量流量控制器(沒有示出)和諸如計算機的控制器單元610來執(zhí)行。噴淋頭620允許來自氣體板630的處理氣體被均勻地分配和引入到處理室625中。作為示例，控制器單元610包括中央處理單元(CPU)612、輔助電路614和包含相關(guān)控制軟件的存儲器616。該控制器單元610可用于自動控制襯底處理所需的多個步驟，諸如襯底傳輸、氣體流量控制、液體流量控制、溫度控制、室排空等?？刂破鲉卧?10和設(shè)備的各種部件之間的雙向通信通過集體地稱為信號總線618的許多信號線來處理，其中的一些被示于圖6中。
用于本發(fā)明的經(jīng)加熱的支座650由鋁制成，并且包括被嵌入支座650的襯底支撐表面下方一定距離處的加熱元件670。加熱元件670可以由包裹在IncoloyTM套管中的鎳鉻線制成。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)供應(yīng)到加熱元件670的電流，在膜沉積過程中，襯底690和支座650可以被保持在相對恒定的溫度下。這通過反饋控制環(huán)來實現(xiàn)，其中，支座650的溫度由嵌入支座650的熱電偶672持續(xù)地監(jiān)控。此信息經(jīng)由信號總線618傳送到控制器單元610，控制器單元610通過向加熱器功率源發(fā)送必要的信號來作出響應(yīng)。隨后在電流源606中作出調(diào)節(jié)，以將支座650保持和控制在所期望的溫度下，例如適于特定的工藝應(yīng)用的溫度。當(dāng)處理氣體混合物離開噴淋頭620時，在經(jīng)加熱的襯底690的表面691上發(fā)生烴化合物的等離子體增強熱分解，導(dǎo)致無定型碳層沉積在襯底690上。
沉積工藝無定型碳層可以通過包括將一種或者多種烴化合物或其衍生物的氣體混合物引入到處理室在內(nèi)的工藝來沉積。此外，可以使用含氧化合物。烴化合物可以可選地包含氮，或者與諸如氨氣的含氮氣體一起沉積。并且，烴化合物可以具有諸如氟或者氧的取代基。烴化合物或其衍生物具有通式CAHBOCFD，其中A的范圍為1～24，B的范圍為0～50，C的范圍為0～10，D的范圍為0～50，并且B和D的和至少為2。
合適的烴化合物的實例為飽和的或者不飽和的脂肪族或脂環(huán)族烴以及芳族烴。更具體地，脂肪族烴例如包括烷烴，諸如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷等；烯烴，諸如乙烯、丙烯、丁烯、戊烯等；二烯烴，諸如丁二烯、異戊二烯、戊二烯、己二烯等；炔烴，諸如乙炔、乙烯基乙炔等。脂環(huán)烴例如包括環(huán)丙烷、環(huán)丁烷、環(huán)戊烷、環(huán)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、乙酸苯酯、苯酚、甲酚、呋喃等。此外，可以選擇α-萜品烯、異丙基苯、1，1，3，3-四甲基丁基苯、叔丁基醚、叔丁基乙烯、甲基丙烯酸甲酯和叔丁基糠基醚。
烴化合物的合適的衍生物的實例是氟代烷烴、鹵代烷烴、和鹵代芳族化合物。氟代烷烴例如包括一氟甲烷、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、五氟癸烷等。鹵代烯烴包括一氟乙烯、二氟乙烯、三氟乙烯、四氟乙烯、一氯乙烯、二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯等。鹵代芳族化合物包括一氟苯、二氟苯、四氟苯、六氟苯等。
發(fā)明人相信，具有至少5個碳原子的烴化合物在室溫(大約20℃)下是液體，并且與現(xiàn)有的無定型碳沉積工藝相比，提供改善的膜覆蓋性(諸如階梯覆蓋性)和改善的保形性。發(fā)明人還相信，液體前驅(qū)體具有更大的分子和物種，所述分子和物種形成亞穩(wěn)定的中間物種，該中間物種吸附在晶片表面上并且具有一定的在拓?fù)涞匦紊系囊苿有裕纱司哂懈纳频碾A梯覆蓋性。
或者，可以使用烴化合物的部分或者完全摻雜的衍生物。該衍生物包括烴化合物的含氮、氟、氧、羥基、和溴衍生物，以及氟代衍生物。合適的基于氟的化合物包括氟氣(F2)、諸如三氟化氮(NF3)的無機化合物的氟衍生物、烴化合物的部分或者完全氟代衍生物、及其組合。氟代烴化合物具有通式CXHYFZ，其中，X大于5，諸如為5～20，Y的范圍為0～18，Z的范圍為0～42，并且Y+Z大于或者等于2并且小于或者等于62。實例包括全氟烴，諸如C3F8、或者C4F8以及C6F6，其可以用于沉積氟化無定型碳層，所述氟化無定型碳層可以描述為無定型氟碳層。烴化合物和烴化合物的摻雜衍生物的組合可以用于沉積無定型碳層或者無定型氟碳層。
一種或者多種含氟化合物在無定型碳沉積工藝過程中被引入，或者作為中間步驟被引入，以增大所沉積的無定型碳材料的碳濃度。氟氣可以在無定型碳的沉積工藝之前、期間或者在其中間被添加。也可以使用其它的鹵化物化合物，諸如基于氯的化合物和基于溴的化合物。基于氟的化合物可以在沉積工藝期間或者作為中間步驟被引入。基于氟的化合物可以在整個沉積工藝期間、沉積工藝的一部分期間、或者在沉積工藝期間周期地或者循環(huán)地與烴化合物一起引入。
基于氟的化合物可以在100％的烴引入操作中被引入?；蛘?，雖然基于氟的化合物在沉積周期中被持續(xù)地添加到烴化合物，但是基于氟的化合物的濃度可以周期地或者循環(huán)地增大或者減小，諸如無定型碳層的沉積期間的2個或者3個循環(huán)。
基于氟的化合物可以在沉積的工藝的一部分期間(諸如沉積循環(huán)的約40％～60％)，或者例如在沉積循環(huán)的中間部分(諸如沉積循環(huán)的持續(xù)時間的約40％～60％)被引入。此外，當(dāng)對于工藝的一部分施加基于氟的化合物時，基于氟的化合物可以被周期地或者循環(huán)地引入，諸如無定型碳層的沉積期間的兩個或三個循環(huán)。
在另一個實施例中，可以停止烴流，并且可以將基于氟的化合物的流引入到處理室中作為所沉積的無定型碳材料的中間處理步驟(在重新引入烴化合物和進(jìn)一步沉積無定型碳材料之前)。此外，通過改變基于氟的化合物和烴化合物的濃度(例如，具有高烴濃度和低基于氟的化合物濃度的初始處理步驟，具有低烴濃度和高基于氟的化合物濃度的步驟，然后是具有高烴濃度和低基于氟的化合物濃度的最終步驟或進(jìn)一步循環(huán)步驟)，可以獲得類似的效果。
此外，可以在引入用于無定型碳沉積的處理氣體之前添加氟氣。在這樣的實施例中，氟氣可以用于清潔處理室以及為無定型碳處理氣體的引入提供富氟環(huán)境。氟氣前處理可以與無定型碳處理氣體中的氟一同使用，或者用作無定型碳處理氣體中的氟的替代物。
發(fā)明人相信，基于氟的化合物的引入可以增大所沉積的無定型碳層中的碳的原子濃度，因為基于氟的化合物中的氟與氫反應(yīng)并將氫從沉積工藝和所沉積的材料中去除，即清除。已經(jīng)觀察到，在所沉積的無定型碳層中的增大的碳濃度導(dǎo)致用于常規(guī)的半導(dǎo)體制造光刻工藝的157nm～900nm波長的吸收率(k，消光系數(shù))增大。增大的吸收率導(dǎo)致增大的ARC效果。此外，氟的存在允許在約550℃或更低溫度下的有效的無定型碳沉積，該溫度低于某些常規(guī)的無定型碳沉積工藝，并且處于大多數(shù)的用于半導(dǎo)體制造的材料的熱預(yù)算中。
或者，所述一種或多種烴化合物可以與具有小于5個碳原子的烴化合物(諸如具有通式CXHY的烴化合物，其中X的范圍為2～4，Y的范圍為2～10)混合或者與其一同引入。例如，丙烯(C3H6)、丙炔(C3H4)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、丁烯(C4H8)、丁二烯(C4H6)或者乙炔(C2H2)以及它們的組合可以與本文所述的烴化合物一起使用。
優(yōu)選地，甲烷、乙烷、乙烯、丙烯(C3H6)、丙炔(C3H4)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、丁烯(C4H8)、丁二烯(C4H6)、乙炔(C2H2)、戊烷、戊烯、戊二烯、環(huán)戊烷、環(huán)戊二烯、苯、甲苯、α-萜品烯、苯酚、異丙基苯、及其組合可以用于沉積無定型碳層。
反應(yīng)性氣體和惰性氣體的混合物可以被添加到處理氣體中，以沉積無定型碳層。惰性氣體可以包括氬(Ar)和氦(He)。惰性氣體可以用于控制無定型碳層的密度和沉積速率。
或者，各種處理氣體可以被添加到氣體混合物中，以改進(jìn)無定型碳材料的性質(zhì)。氫氣(H2)被添加到處理氣體中，以改進(jìn)無定型碳材料的性質(zhì)。并且，烴化合物可以含有氮或者與諸如氨氣的含氮氣體一起沉積。氣體可以是反應(yīng)性氣體，諸如氫氣(H2)、氨氣(NH3)、氫氣(H2)和氮氣(N2)的混合物、基于氟的化合物、或者它們的組合。H2和/或NH3的添加可以用于控制無定型碳層的氫比率，從而控制諸如反射率之類的層性質(zhì)。
為了沉積無定型氟碳層，優(yōu)選以對烴化合物約1∶20(基于氟的化合物∶烴化合物)～約2∶1(例如約1∶20～約1∶5)的流率比引入基于氟的化合物?；诜幕衔锟梢砸约s50sccm～約3000sccm(例如約100sccm～約2000sccm)的流率與烴化合物一起或者不與烴化合物一起引入處理室。處理氣體可以還包括流率為約50sccm～約10000sccm(例如約500sccm～約5000sccm)的載氣或者惰性氣體，諸如氮氣、氦、或氬。
無定型碳層包含碳和氫原子，所述碳和氫原子具有可調(diào)節(jié)的碳∶氫比率，該碳∶氫比率的范圍為從約10％的氫到約60％的氫?？刂茻o定型碳層的氫比率對于調(diào)節(jié)其光學(xué)性能、刻蝕選擇性以及耐化學(xué)機械拋光性是理想的。在反應(yīng)氣體混合物中更高的氫氣濃度被認(rèn)為是理想的，因為氫與氦或氬相比具有低的電離閾值，并且氫可以更快地擴散到沉積膜的表面中，因為其具有較小的分子量。氫離子(H+)的滲透深度是甲基離子(CHX+)的10倍。并且，因為氫防止了可以導(dǎo)致襯底上的電弧放電的等離子體局域化并且其有助于橫向分散等離子體并提高了所得到的膜的均勻性，所以氫是理想的。
在硬掩模應(yīng)用中，隨著氫含量的減小，無定型碳層的耐刻蝕性以及因此選擇性提高。硬掩模提供大于約1∶10(諸如大于1∶10并且小于或者等于1∶20)的無定型碳對電介質(zhì)材料的選擇性或者去除速率比。減小的無定型碳層的去除速率限定了被刻蝕到導(dǎo)體材料中的特征，允許有效刻蝕電介質(zhì)材料而不會損耗無定型碳層。與氦沉積無定型碳材料相比，通過本申請的工藝所沉積的無定型碳層被觀察到具有約5％～約20％的刻蝕選擇性的提高。
在抗反射涂層應(yīng)用中，對于無定型碳層的含量和用于沉積無定型碳層的工藝的控制可以獲得對于抗反射涂層性質(zhì)的控制。例如，隨著氫含量減小，所沉積的層的光學(xué)性能，諸如折射率(n)和吸收系數(shù)(k)增大。
無定型碳層的光吸收系數(shù)(k)可以在低于約250nm的波長(例如約193nm～約250nm)下在約0.1到約1.0之間變化，使該無定型碳層適于用作DUV波長下的抗反射涂層(ARC)。此外，對于用于抗反射涂層應(yīng)用的無定型碳層的含量和用于沉積無定型碳層的工藝的控制可以獲得對于所得抗反射涂層性質(zhì)的控制。例如，隨著氫含量減小，所沉積的層的光學(xué)性能，諸如折射率(n)和吸收系數(shù)(k)增大。
無定型碳層的吸收系數(shù)可以作為沉積溫度的函數(shù)而變化。具體來說，隨著溫度增高，所沉積的層的吸收系數(shù)同樣也增大。例如，當(dāng)丙烯作為用于沉積無定型碳層的烴化合物時，通過將沉積溫度從約150℃增高到約480℃，所沉積的無定型碳層的k值可以從約0.2增大到約0.7。典型地，無定型碳層的厚度為約200埃～約1100埃。降低沉積溫度減小了形成碳碳雙鍵的可能性。減小形成碳碳雙鍵的可能性可以增大所得膜的透明性并且減小介電常數(shù)。
無定型碳層的吸收系數(shù)還可以作為在氣體混合物中所使用的添加劑的函數(shù)變化。具體來說，在氣體混合物中H2、NH3、N2或其組合物的存在可以將k值增大約10％到約100％。無定型碳層在標(biāo)題為“Method ForDepositing An Amorphous Carbon Layer”的美國專利申請No.09/590322中有進(jìn)一步描述，該美國專利申請于2000年6月8日遞交并且通過引用被包含在本文中，只要其不與本申請的權(quán)利要求和說明書相沖突。
此外，吸收系數(shù)可以作為沉積室的壓強的函數(shù)而變化。沉積室中較低的壓強增大了室中的離子的平均自由程。隨著離子行進(jìn)靠近襯底的表面，其具有增大的活性，因為其與沿著襯底表面的原子相互作用。室中壓強可以從約1Torr～約10Torr變化。在膜沉積期間增大的室中的壓強被認(rèn)為將減小所得到的膜的密度。
在替換實施例中，無定型碳層可以具有在層的厚度上變化的吸收系數(shù)(k)。就是說，無定型碳層中可以形成吸收系數(shù)梯度。所形成的梯度是層形成期間氣體混合物組成和溫度變化的函數(shù)。
在兩個材料層的任何界面上，因為其折射率(n)和吸收系數(shù)(k)的差異可以發(fā)生反射。當(dāng)無定型碳ARC具有梯度時，可以匹配兩個材料層的折射率(n)和吸收系數(shù)(k)，于是無定型碳ARC的反射最小并且進(jìn)入無定型碳ARC內(nèi)的透射最大。于是，無定型碳ARC的折射率(n)和吸收系數(shù)(k)可以被梯度調(diào)節(jié)，以吸收所有透射到其中的光。
無定型碳層可以以兩層或者更多層具有不同光學(xué)性質(zhì)的層來沉積。例如，無定型碳雙層可以包括根據(jù)上述的工藝參數(shù)的第一無定型碳層，并且被主要設(shè)計來進(jìn)行光吸收。因此，第一無定型碳層具有在小于約250nm下約1.5～約1.9的折射率和約0.5～約1.0的吸收系數(shù)(k)。例如為抗反射涂層的第二無定型碳層可以根據(jù)上述的工藝參數(shù)形成在第一無定型碳層上，具有約1.5～約1.9的折射率和約0.1～約0.5的吸收系數(shù)。第二無定型碳層被主要設(shè)計來通過產(chǎn)生反射來進(jìn)行相移消除，這些反射可抵消在與上覆材料層(例如能量敏感的抗蝕劑)的界面處產(chǎn)生的反射。第一和第二無定型碳層的折射率(n)和吸收系數(shù)(k)是可調(diào)節(jié)的，因為其可以作為在層形成期間的溫度以及氣體混合物的組分的函數(shù)而變化。
通過使無定型碳層受到含氫氣體、含氮等離子體和/或含氧氣體的等離子體的作用，可以實現(xiàn)從電介質(zhì)材料可選地去除無定型碳材料。含氫氣體和/或含氧氣體的等離子體可以去除無定型碳材料，而對位于其下方的電介質(zhì)材料的影響最小或者對位于其下方的中心材料的表面粗糙度影響最小。
無定型碳沉積工藝可以是熱化學(xué)氣相沉積工藝或者等離子體增強化學(xué)氣相沉積工藝。無定型碳層可以由處理氣體通過下面的工藝來沉積襯底溫度保持在約100℃～約700℃，諸如低于450℃；室壓強保持在約1Torr～約20Torr；對于200mm襯底以約50sccm～約2000sccm的流率分別引入烴氣體和任何惰性或者反應(yīng)性氣體；可選地，通過施加約0.03W/cm2～約20W/cm2或者對于200mm襯底施加約10瓦特(W)～約6000W，例如約0.3W/cm2～約3W/cm2或約100W～約1000W的RF功率產(chǎn)生等離子體；氣體分配器距離襯底表面約200密耳～約1000密耳。上述的工藝參數(shù)提供了范圍約100埃/分～約5000埃/分的無定型碳層沉積速率。
優(yōu)選地，雙頻系統(tǒng)可以被用來沉積無定型碳材料。雙頻被認(rèn)為提供了對于流量和離子能量的獨立控制。離子撞擊膜表面的能量被認(rèn)為影響膜密度。氫離子的較高的表面轟擊速率產(chǎn)生了較高的從膜表面去除氫的速率。高頻等離子體控制等離子體密度。低頻等離子體控制撞擊晶片表面的離子的動力學(xué)能量。雙頻混合RF功率源提供范圍為約10MHz～約30MHz，例如約13.56MHz的高頻功率，以及范圍為約10KHz～約1MHz，例如約350KHz的低頻功率?；旌项l率RF功率施加的實例包括頻率范圍為10MHz～約30MHz并且功率范圍為約200W～約1600W、功率密度為約0.27W/cm2～約1.7W/cm2的第一RF功率和頻率范圍為約10KHz～約1MHz并且功率范圍為約1W～約1000W、功率密度為約0.27W/cm2～約1.4W/cm2的至少一第二RF功率。第二RF功率對總的混合頻率功率的比率優(yōu)選為小于約0.6∶1.0(0.6∶1)。所施加的RF功率和一種或者多種頻率的使用可以依據(jù)襯底的尺寸和所用的設(shè)備而變化。
高頻RF功率和低頻RF功率可以被耦合到氣體分配器(噴淋頭)或者襯底支撐，或者一個RF功率可以耦合到噴淋頭，而另一個耦合到支撐支座。混合RF功率源119的細(xì)節(jié)在共同轉(zhuǎn)讓的標(biāo)題為“Use Of AsymmetricWaveform To Control Ion Bombardment During Substrate Processing”的美國專利6041734中有描述，該美國專利在2000年3月28日授權(quán)并且通過引用被包含在本文中。
后續(xù)的等離子體處理一般包括以約100sccm～約8000sccm、優(yōu)選約500sccm～約2500sccm的流率向處理室提供含氫氣體(包括氫氣、氨氣、水蒸氣(H2O)、或其組合)，并且在處理室中產(chǎn)生等離子體。可以使用約0.15W/cm2～5W/cm2的功率密度產(chǎn)生等離子體，該功率密度對于200mm襯底為約50W～約1500W的RF功率水平。該RF功率可以以諸如13MHz～14MHz的高頻提供。該RF功率可以連續(xù)提供，或者以短的持續(xù)周期提供，其中，功率以所述水平接通小于約200Hz的周期，并且接通周期為總的工作周期的約10％～約30％。
可以通過將室壓強保持在約1Torr～約10Torr(優(yōu)選約3Torr～約8Torr)、在等離子體處理期間將襯底保持在約100℃～約300℃(優(yōu)選約200℃～約300℃)下約15秒～約120秒(或者去除無定型碳材料所必要的時間)來執(zhí)行等離子體處理，其中在等離子體處理過程中，氣體分配器距離襯底表面約100密耳～約2000密耳、優(yōu)選約200密耳～約1000密耳布置。但是，應(yīng)該注意到，各個參數(shù)可以被修改以在各種室和對于不同的襯底尺寸(諸如200mm～300mm的襯底)執(zhí)行等離子體工藝?；蛘撸入x子體處理工藝參數(shù)可以與材料沉積工藝參數(shù)相同或者基本相同。
上述的工藝參數(shù)提供了約100埃/分～約1000埃/分的典型的無定型碳層沉積速率，并且可以在諸如可從應(yīng)用材料公司商購的ProducerTM處理室的沉積室中對于300mm的襯底實施。
適用于執(zhí)行在此所描述的無定型碳材料沉積和無定型碳材料的含氫氣體等離子體去除的反應(yīng)器可以是可從加利福尼亞Santa Clara的應(yīng)用材料公司商購的ProducerTM處理室或者DxZTM化學(xué)氣相沉積室。
硬掩模/抗反射涂層(ARC)的應(yīng)用圖1A-1E圖示了在包含無定型碳作為硬掩模的集成電路制造工序的不同階段的襯底100的一個實施例的示意性剖視圖。一般來說，襯底100是指任何在其上進(jìn)行處理的工件，并且襯底結(jié)構(gòu)150被用來統(tǒng)指襯底100連同形成在襯底100上的其它材料層。依據(jù)處理的具體階段，襯底100可以對應(yīng)于硅襯底或者已經(jīng)形成在襯底上的其它材料層。例如，圖1A圖示了具有已經(jīng)常規(guī)地形成在其上的材料層102的襯底結(jié)構(gòu)150的剖視圖。材料層102可以是氧化物(例如，SiO2)。一般來說，襯底100可以包括一層硅、硅化物、金屬或者其它材料。
圖1B描繪了沉積在圖1A的襯底結(jié)構(gòu)150上的無定型碳層104。無定型碳層104根據(jù)上述的工藝參數(shù)形成在襯底結(jié)構(gòu)150上。無定型碳層的厚度依據(jù)處理的具體階段而變化。典型地，無定型碳層的厚度范圍為約50?！s1000埃。
取決于在制造工序中所使用的能量敏感抗蝕劑材料的刻蝕化學(xué)劑，可選的覆蓋層106可以形成在無定型碳層104上。當(dāng)在其中轉(zhuǎn)移圖案時，可選的覆蓋層106充當(dāng)無定型碳層104的硬掩模。可選的覆蓋層106可以包括包含諸如氧化硅的氧化物、諸如氮化硅或者氮化鈦的氮化物、氧氮化硅、碳化硅、無定型硅、未摻雜硅石玻璃(USG)、摻雜氧化硅、或者其它材料在內(nèi)的材料?？蛇x的覆蓋層106可以被沉積到約100?！s1000埃的厚度，但是層的厚度可能根據(jù)工藝需要而變化。覆蓋層被認(rèn)為保護(hù)了無定型碳層免受光抗蝕劑材料的影響，以及覆蓋了任何的層缺陷，諸如在無定型碳材料中形成的針孔。
能量敏感抗蝕劑材料層108被形成在可選的覆蓋層106上。能量敏感抗蝕劑材料層108可以被旋涂在襯底上，到約2000?！?000埃的厚度。大多數(shù)能量敏感抗蝕劑材料對于具有小于約450nm波長的紫外(UV)輻射敏感。DUV抗蝕劑材料對于具有245nm或者193nm波長的UV輻射敏感。
通過將這樣的能量敏感抗蝕劑材料108經(jīng)由掩模110曝光到UV輻射，圖案的圖像被引入到能量敏感抗蝕劑材料108中。引入到能量敏感抗蝕劑材料108中的圖案圖像在合適的顯影劑中顯影，以穿過這樣的層定義圖案，如圖1C所示。
此后，參考圖1D，定義在能量敏感抗蝕劑材料108中的圖案被轉(zhuǎn)移穿過可選的覆蓋層106和無定型碳層104兩者。利用能量敏感抗蝕劑材料108作為掩模，將圖案轉(zhuǎn)移穿過可選的覆蓋層106。通過使用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)刻蝕劑刻蝕可選的覆蓋層106，將圖案轉(zhuǎn)移穿過可選的覆蓋層106。然后，利用可選的覆蓋層106作為掩模，使用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)刻蝕劑(例如，臭氧、氧或者氨氣等離子體)將圖案轉(zhuǎn)移穿過無定型碳層104，然后利用無定型碳層104作為硬掩模，將圖案轉(zhuǎn)移穿過材料層102，如圖1E所示。在材料層102，即二氧化硅被圖案化之后，如在本文中所述的，無定型碳層104可以被可選地從襯底100剝離。
在制造工序的特定實例中，在無定型碳硬掩模中定義的圖案可以被包含在集成電路的結(jié)構(gòu)(諸如鑲嵌結(jié)構(gòu))中。鑲嵌結(jié)構(gòu)通常用于形成集成電路上的金屬互連。
導(dǎo)電特征形成在圖2A-2E是本發(fā)明的各個步驟所形成的襯底的剖視圖，示出了利用在此所描述的無定型碳作為刻蝕停止層和/或抗反射涂層(ARC)和無定型碳材料的去除工藝所形成的導(dǎo)體或者電介質(zhì)特征的實例。
如圖2A所示，可選的阻擋層210被沉積在襯底表面上，以消除襯底200和隨后沉積的材料之間的層間擴散。襯底表面205可以包括電介質(zhì)或者導(dǎo)體材料，并且雖然沒有示出，襯底表面205可以包括形成在電介質(zhì)材料中的金屬特征。阻擋層210可以被沉積到約100?！s1000埃的厚度。
阻擋層210可以包括任何常規(guī)的阻擋層材料，包括例如氮化硅、氧氮化硅、或者其組合。阻擋層也可包括低介電常數(shù)材料，諸如其介電常數(shù)為約5或者更小的碳化硅或者含氮碳化硅。低k材料的實例是可從加利福尼亞Santa Clara的應(yīng)用材料公司商購的BLOkTM電介質(zhì)材料。
電介質(zhì)材料層220被沉積在阻擋層210上。電介質(zhì)材料層可以包括例如用于淺溝槽隔離(STI)沉積工藝中的基于氧化硅的材料。電介質(zhì)材料的實例包括氧化硅、摻雜氧化硅(諸如PSG、PBSG)、以及摻碳氧化硅。低k材料的實例為可從加利福尼亞Santa Clara的應(yīng)用材料公司商購的Black DiamondTM電介質(zhì)材料。
然后，無定型碳層230被沉積在電介質(zhì)材料層220上。典型地，無定型碳層具有約50埃～約1000埃的厚度。無定型碳層230是硬掩模，該硬掩?？梢猿洚?dāng)化學(xué)機械拋光技術(shù)的停止層，以允許材料的選擇性去除同時防止下面的材料(諸如電介質(zhì)材料層220)在刻蝕過程中被損傷或者受到拋光方法的影響。
無定型碳層230還可以充當(dāng)刻蝕停止層并且允許下方的電介質(zhì)材料的選擇性去除，和/或充當(dāng)抗反射涂層。無定型碳層的光吸收系數(shù)，k，可以在低于約250nm的波長(例如約193nm～約250nm)下在約0.1到約1.0之間變化，使該無定型碳層適于用作DUV波長下的抗反射涂層(ARC)。典型地，無定型碳層230具有約200?！s10000埃的厚度。
可選地，抗反射涂層240可以被沉積在無定型碳層230上?？狗瓷渫繉涌梢园ㄟx自由氧化物、氮化物、氧氮化硅、碳化硅、無定型硅、及其組合組成的組中的材料。當(dāng)在其中轉(zhuǎn)移圖案時，抗反射涂層240可以充當(dāng)無定型碳層230的硬掩模。
或者，抗反射涂層240可以包括另一無定型碳層。如果抗反射涂層240是無定型碳層，則無定型碳雙層可以包括根據(jù)上述的工藝參數(shù)的第一無定型碳層230，并且被主要設(shè)計來進(jìn)行光吸收。因此，第一無定型碳層230具有在小于約250nm的波長下約1.2～約1.9的折射率和約0.3～約1.0的吸收系數(shù)(k)。第一無定型碳層230的厚度可以根據(jù)處理的具體階段而變化。典型地，第一無定型碳層230的厚度為約300?！s10000埃。
第二無定型碳層，即抗反射涂層240根據(jù)上述的工藝參數(shù)形成在第一無定型碳層230上，具有約1.2～約1.9的折射率和約0.01～約0.5的吸收系數(shù)。第二無定型碳層240被主要設(shè)計來通過產(chǎn)生消除在與上覆材料層(諸如能量敏感抗蝕劑材料，例如抗蝕劑)的界面處產(chǎn)生的反射的反射來進(jìn)行相移消除。第二無定型碳層的厚度也可以根據(jù)處理的具體階段而變化，例如為約200?！s700埃。第一和第二無定型碳層的折射率(n)和吸收系數(shù)(k)是可調(diào)節(jié)的，因為其可以作為在層形成期間的溫度以及氣體混合物的組分的函數(shù)而變化。
能量敏感抗蝕劑，諸如抗蝕劑材料250被沉積在無定型碳材料的表面上并被圖案化。抗蝕劑材料250可以被旋涂在襯底上，到約200?！?000埃的厚度。光阻材料對于具有小于約450nm波長的紫外(UV)輻射敏感。DUV抗蝕劑材料對于具有245nm或者193nm波長的UV輻射敏感。通過經(jīng)由光刻光罩(reticle)進(jìn)行UV輻射曝光，圖案的圖像被引入到抗蝕劑材料層250。引入到抗蝕劑材料層250中的圖案圖像在合適的顯影劑中顯影，以定義圖案，如圖2A所示。
定義在抗蝕劑材料250中的圖案被轉(zhuǎn)移穿過無定型碳層230和任何中間層諸如抗反射涂層240，如圖2B所示。通過使用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)刻蝕劑進(jìn)行刻蝕，將圖案轉(zhuǎn)移穿過無定型碳層230和任何中間層。例如，臭氧、氧或者氨氣等離子體可以被用于刻蝕無定型碳材料。包含可變的刻蝕氣體組成的多個刻蝕步驟可以被用于刻蝕穿過無定型碳層230和任何中間層?？蛇x地，在進(jìn)行進(jìn)一步處理之前，可以去除在刻蝕工藝之后的任何殘留抗蝕劑材料。
然后，通過使用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)刻蝕劑進(jìn)行刻蝕，可以將形成在無定型碳層230中的圖案轉(zhuǎn)移到電介質(zhì)材料層220和任何中間層，以形成特征260，如圖2D所示。任何已知的導(dǎo)體材料刻蝕劑可以被用于刻蝕導(dǎo)體材料220。
然后，可以將無定型碳層230暴露于含氫氣體等離子體，以將無定型碳材料從襯底表面去除。含氫氣體等離子體去除工藝的實例通過下面的工藝來執(zhí)行以約1000sccm的流率引入氫氣；室壓強保持在約5Torr；襯底溫度保持在約250℃；通過提供對于200mm襯底約100W～約300W的RF功率水平產(chǎn)生等離子體；并且將等離子體維持約60秒，或者去除無定型碳材料所需的時間。在等離子體處理期間，氣體分配器被布置為距離襯底表面約500密耳，如圖2D所示。通過刻蝕劑或者通過無定型碳去除工藝，任何殘留的中間材料，諸如ARC材料被去除。本發(fā)明考慮了單獨的對于ARC層的去除工藝可能對于在無定型碳去除之前去除這樣的層殘余物是必要的。
然后，通過大塊沉積在特征260之間的特征定義270中形成導(dǎo)體特征。導(dǎo)體材料可以包括諸如鋁、鎢、或銅的金屬，或者諸如多晶硅的其它導(dǎo)體材料，并且可以包括諸如硅化鎢的金屬硅化物。導(dǎo)體材料可以通過例如化學(xué)氣相沉積(包括原子層沉積技術(shù))、物理氣相沉積(包括高密度物理氣相沉積技術(shù))、電化學(xué)沉積(包括電鍍和無電沉積技術(shù))、或者多種沉積技術(shù)的組合來沉積。導(dǎo)體材料也可以沉積到約2000?！s4000埃的厚度，并且該厚度可以依據(jù)所要制造的結(jié)構(gòu)的尺寸而變化。
包括低k電介質(zhì)材料在內(nèi)的電介質(zhì)材料可以被沉積在特征定義270中，如圖2E所示。用低k電介質(zhì)材料進(jìn)行的空隙填充工藝的實例在2000年4月25日授權(quán)的美國專利No.6054379中有描述，該美國專利通過引用被包含在本文中，只要不與本申請的記載內(nèi)容和權(quán)利要求相沖突。諸如氧化硅和基于氧化硅的材料的電介質(zhì)材料的空隙填充可以用于淺溝槽隔離(STI)沉積工藝。電介質(zhì)材料也可以沉積到約2000?！s4000埃的厚度，并且該厚度可以依據(jù)所要制造的結(jié)構(gòu)的尺寸而變化。
第一和第二無定型碳層的折射率(n)和吸收系數(shù)(k)(也稱為消光系數(shù))是可調(diào)節(jié)的，因為其可以作為在層形成期間的溫度以及氣體混合物的組分的函數(shù)而變化。當(dāng)使用兩層基于無定型碳的抗反射涂層的組合時，可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)氫含量，以制備具有不同氫濃度的膜。例如，較高氫含量ARC層可以由具有最小或者沒有氟濃度的無定型碳處理氣體沉積，而另一層具有較高吸收系數(shù)的層可以在無定型碳處理氣體中具有較高的氟濃度。此外，ARC層可以以在沉積的多層中具有氫含量梯度的方式來沉積，使得兩個ARC層可以通過隨時間改變無定型碳處理氣體中的氟濃度而被原位地連續(xù)沉積。在這樣的梯度方案中，一層厚的具有漸變氫濃度的無定型碳層可以用于代替多層ARC疊層。
雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的沉積在作為剖視圖的圖3A-3G中示出了鑲嵌結(jié)構(gòu)的實例，該鑲嵌結(jié)構(gòu)利用低k電介質(zhì)硅、氧和碳材料、無定型碳材料和在本文中所描述的無定型碳材料去除工藝來形成。
如圖3A所示，碳化硅阻擋層310被沉積在襯底表面上，以消除襯底和隨后所沉積的材料之間的層間擴散。襯底表面可以包括形成在電介質(zhì)材料305中的金屬特征307。碳化硅阻擋層310可以摻雜有氧、硼、磷、或其組合。
在此所描述的包括硅、氧和碳的第一電介質(zhì)層312被沉積在襯底表面上的碳化硅阻擋層310上，所述襯底表面包括形成在電介質(zhì)材料305中的金屬特征307。通過氧化有機硅烷或者有機硅氧烷(諸如四甲基硅烷)，層間電介質(zhì)材料的第一電介質(zhì)層312被沉積在第一碳化硅阻擋層310上，到約5000?！?5000埃的厚度(取決于要制造的結(jié)構(gòu)的尺寸)。
可以用作層間電介質(zhì)材料的低介電常數(shù)材料的實例的可從加利福尼亞Santa Clara的應(yīng)用材料公司商購的Black DiamondTM電介質(zhì)材料?；蛘撸谝浑娊橘|(zhì)層還可以包括其它低k電介質(zhì)材料(諸如包括paralyne在內(nèi)的低k聚合物材料或者諸如未摻雜硅玻璃(USG)或者摻氟硅玻璃(FSG)的低k旋涂玻璃)。然后，緊隨在此所描述的氧碳化硅層的沉積之后的等離子體工藝可以處理第一電介質(zhì)層312。低k介電常數(shù)層和無定型碳層疊層的實例在2004年4月1日授權(quán)的美國專利No.6541397中有進(jìn)一步的描述，該美國專利通過引用被包含在本文中，只要其不與本申請的權(quán)利要求和說明書相沖突。
然后，碳化硅材料或者氧化有機硅烷層的低k刻蝕停止層(或者第二阻擋層)314被沉積在第一電介質(zhì)層312上，到約200?！s1000埃的厚度?；蛘?，刻蝕停止層314可以是含氮碳化硅材料。然后，低k刻蝕停止層314被圖案刻蝕，以定義接觸/過孔開口316并且在要形成接觸/過孔的區(qū)域暴露第一電介質(zhì)層312，如圖3A所示。優(yōu)選地，使用常規(guī)的光刻術(shù)和利用氟、碳和氧離子的刻蝕工藝圖案刻蝕低k刻蝕停止層314。雖然沒有示出，但是在沉積其它材料之前，可以在刻蝕停止層314上沉積約100埃～約500埃厚的無氮碳化硅或者氧化硅覆蓋層。
在低k刻蝕停止層314已經(jīng)被刻蝕以形成接觸/過孔圖案并且去除光抗蝕劑材料之后，在此所描述的氧碳化硅的第二電介質(zhì)層318被沉積到約5000?！s15000埃的厚度，如圖3A所示。如本文對于氧碳化硅層所述的那樣，也可以對于第二電介質(zhì)層318進(jìn)行等離子體處理。
在替換實施例中，在沉積其它材料(諸如光抗蝕劑材料)之前，可以在第二電介質(zhì)層318上沉積約100?！s500埃厚的無氮碳化硅或者氧化硅覆蓋層。在另一個替換實施例中，在沉積其它材料(諸如光抗蝕劑材料)之前，可以在第二電介質(zhì)層318上沉積碳化硅覆蓋層(沒有示出)。
然后，無定型碳層322被沉積在第二電介質(zhì)層318(或者覆蓋層)上，并且優(yōu)選使用常規(guī)的光刻工藝圖案化，以定義互連線320，如圖3B所示。無定型碳層322如本文所述地沉積。典型地，無定型碳層的厚度范圍為約50?！s1000埃。
無定型碳層322是硬掩模，該硬掩模充當(dāng)化學(xué)機械拋光技術(shù)的停止層，以允許在去除導(dǎo)體材料的同時防止低k電介質(zhì)材料(諸如第二電介質(zhì)層318)在刻蝕過程中被損傷或者受到拋光方法的影響。除了充當(dāng)硬掩模之外，無定型碳層322還可以充當(dāng)抗反射涂層。另外的多層無定型碳層可以被用于無定型碳層322。例如，在本文中所述的無定型碳雙層ARC層可以用作無定型碳層322。
然后，特征被刻蝕穿過第二電介質(zhì)層318、低k刻蝕停止層314、第一電介質(zhì)層312和碳化硅阻擋層310，如圖3C所示。無定型碳層具有大于約1∶10(諸如約大于1∶10～約1∶20)的對于沉積在下方的電介質(zhì)材料的選擇性或者去除速率比，并且可以具有大于1∶30的去除速率比。
用諸如鋁、銅、鎢或者其組合的導(dǎo)體材料填充互連線320，以形成金屬化結(jié)構(gòu)。當(dāng)前的趨勢是使用銅來形成更小的特征，因為銅具有低的電阻率(1.7mW-cm，相比之下鋁為3.1mW-cm)。優(yōu)選地，如圖3D所示，諸如鉭或者氮化鉭的適當(dāng)?shù)淖钃鯇?24首先被保形地沉積在金屬化圖案中，以防止銅遷移到周圍的硅和/或電介質(zhì)材料中。此后，使用化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、電鍍或者其組合沉積銅326，以填充結(jié)構(gòu)，如圖3E所示。
一旦結(jié)構(gòu)被填充銅或者其它金屬，就使用化學(xué)機械拋光平坦化表面，以去除任何多余的銅326和阻擋層324材料。但是，無定型碳層322是耐拋光的，并且在拋光工藝之后被殘留下，如圖3F所示。無定型碳層具有大于1∶1(諸如約5∶1～約30∶1)的導(dǎo)體材料(銅或者阻擋層材料)對于無定型碳的選擇性或者去除速率比，并且可以具有大于30∶1的去除速率比。
然后，將無定型碳層322暴露于含氫氣體等離子體，以從襯底表面去除無定型碳材料。含氫等離子體去除工藝的實例可以通過下面的工藝來執(zhí)行以約1000sccm的流率引入氫氣；室壓強保持在約5Torr；襯底溫度保持在約250℃；通過提供對于200mm襯底約100W～約300W的RF功率水平產(chǎn)生等離子體；并且將等離子體維持約60秒，或者去除無定型碳材料所需的時間。在等離子體處理期間，氣體分配器被布置為距離襯底表面約500密耳。
硬掩?；蚩狗瓷渫繉?ARC)應(yīng)用圖4是在包含無定型碳層的集成電路制造工序的不同階段的無定型碳沉積工藝的一個實施例的剖視圖。襯底結(jié)構(gòu)401是指襯底連同形成在襯底上的其它材料層。依據(jù)處理的具體階段，襯底可以對應(yīng)于硅襯底或者已經(jīng)形成在襯底上的其它材料層。圖4圖示了具有已經(jīng)常規(guī)地形成在其上的材料層402的襯底結(jié)構(gòu)401。材料層402可以是氧化物(例如，SiO2)。一般來說，材料層402可以包括一層硅、硅化物、金屬或者其它材料。無定型碳層403根據(jù)上述的工藝參數(shù)形成在材料層402上。無定型碳層的厚度依據(jù)處理的具體階段而變化。典型地，無定型碳層的厚度范圍為約50?！s1000埃。
圖4還圖示了可選的覆蓋層404。取決于在制造工序中所使用的能量敏感抗蝕劑材料的刻蝕化學(xué)劑，可選的覆蓋層404可以形成在無定型碳層403上。通過在其中轉(zhuǎn)移圖案，可選的覆蓋層404可以充當(dāng)無定型碳層403的掩模?？蛇x的覆蓋層404可以包括諸如氧化硅的氧化物、諸如氮化硅或者氮化鈦的氮化物、氧氮化硅、碳化硅、無定型硅、未摻雜硅石玻璃(USG)、摻雜氧化硅、或者其它材料?？蛇x的覆蓋層404可以被沉積到約100埃～約1000埃的厚度。但是，層的厚度可能根據(jù)工藝需要而變化。覆蓋層404被認(rèn)為保護(hù)了無定型碳層免受光抗蝕劑材料的影響，以及覆蓋了任何的層缺陷，諸如在無定型碳材料中形成的針孔。
圖4還圖示了旋涂材料層405和圖案化的光抗蝕劑材料406。旋涂材料層405可以是任何的含硅電介質(zhì)材料，諸如硅、氟化硅、摻碳硅、摻氟氧化硅、摻氮硅、或者摻碳氧化硅。旋涂材料層405可以利用涂覆到旋轉(zhuǎn)襯底表面上的液體基前驅(qū)體來沉積?？蓮募永Ｄ酳anta Clara的應(yīng)用材料公司商購的BARCTM也可以被用作用于旋涂材料層405的沉積工藝。
能量敏感抗蝕劑材料層406被形成在旋涂材料層405上。能量敏感抗蝕劑材料層406可以被旋涂在襯底上，到約2000埃～約6000埃的厚度范圍內(nèi)。大多數(shù)能量敏感抗蝕劑材料對于具有小于約450nm波長的紫外(UV)輻射敏感。DUV抗蝕劑材料對于具有245nm或者193nm的UV輻射敏感。
通過將這樣的能量敏感抗蝕劑108經(jīng)由掩模(沒有示出)曝光到UV輻射，圖案的圖像被引入到能量敏感抗蝕劑材料層406中。在適當(dāng)?shù)娘@影劑中顯影引入到能量敏感抗蝕劑材料層406中的圖案圖像，以穿過該層定義圖案。
另外的硬掩?；蚩狗瓷渫繉?ARC)應(yīng)用圖5是在包含無定型碳層作為硬掩模的集成電路制造工序的不同階段的無定型碳沉積工藝的替換實施例的剖視圖。一般來說，襯底結(jié)構(gòu)501是指任何在其上進(jìn)行處理的工件。依據(jù)處理的具體階段，襯底結(jié)構(gòu)501可以是硅襯底或者已經(jīng)形成在襯底上的其它材料層。例如，圖5圖示了具有已經(jīng)常規(guī)地形成在其上的材料層的襯底結(jié)構(gòu)501的剖視圖。襯底結(jié)構(gòu)材料層可以包括氧化物(例如，SiO2)。一般來說，襯底結(jié)構(gòu)501可以包括一層硅、硅化物、金屬或者其它材料。
圖5還描繪了沉積在襯底結(jié)構(gòu)501上的無定型碳層502。無定型碳層502根據(jù)上述的工藝參數(shù)形成在襯底結(jié)構(gòu)501上。無定型碳層的厚度依據(jù)處理的具體階段而變化。典型地，無定型碳層的厚度范圍為約50埃～約1000埃。
實驗結(jié)果為了說明氫氣流率如何影響所得膜的密度，無定型碳膜由烴化合物和氫氣沉積。除了膜分別以1000sccm氫氣、2000sccm氫氣、或者3000sccm氫氣進(jìn)行沉積，所有其它處理條件是恒定的。1000sccm氫氣的膜密度為1.44g/cc，2000sccm氫氣的膜密度為1.47g/cc，3000sccm氫氣的膜密度為1.54g/cc。這些結(jié)果表明氫氣流率越高，所沉積的膜的密度越大。膜密度是對于碳碳雙鍵形成的一種評估。因此，具有較高氫氣流率的膜沉積工藝更可能形成具有更大的碳碳雙鍵可能性的膜。
進(jìn)行了在不同溫度下的三種個體前驅(qū)體的所得膜的比較，其中A-TRP是α-萜品烯。
表1膜分析總結(jié)

與在較低的溫度下使用丙烯所形成的膜相比，在550℃下使用丙烯所形成的膜具有約2倍的刻蝕選擇性并且高出約20％的密度。在較高的溫度下，碳-碳鍵濃度也較高。
通過分別使用各個前驅(qū)體在從350℃到550℃的5個不同溫度下形成膜，比較了丙烯、A-TRP和甲苯前驅(qū)體。膜的折射率結(jié)果隨著溫度的升高而增大。折射率作為溫度的函數(shù)的響應(yīng)曲線對于每一種前驅(qū)體是不同的。還測量了A-TRP和甲苯膜的介電常數(shù)。隨著膜在更高的溫度下沉積，介電常數(shù)增大。對于所得的膜還進(jìn)行了傅立葉變換紅外(FTIR)分析。由丙烯在高于400℃的溫度下形成的膜具有碳-碳雙鍵。
在單獨的一組實驗中，對于使用甲苯在350℃、400℃、425℃、450℃和500℃下沉積的膜，將吸收系數(shù)作為波數(shù)的函數(shù)進(jìn)行作圖。曲線上的峰表明形成了碳碳雙鍵并且表明對于由甲苯作為前驅(qū)體形成的膜，雙鍵的形成僅僅發(fā)生在大于400℃的溫度下。
低頻RF功率被檢驗作為設(shè)計無定型碳膜的密度的方法。觀察了0、50、100和200W的RF功率。當(dāng)對于使用甲苯作為膜前驅(qū)體在350℃和450℃下檢測時，膜密度從約1.17增大到1.28g/cc。低頻RF功率可以增大無定型的圖案化膜的密度。在450℃下，隨著低頻RF從0增大到200W，消光系數(shù)顯著增大。在350℃下，隨著低頻RF從0增大到800W，消光系數(shù)沒有增大超過0.05。
對使用甲苯作為前驅(qū)體所沉積的膜進(jìn)行了測量，并且對于0、200、400、600和800W的低頻RF，將吸收率作為波數(shù)的函數(shù)進(jìn)行了作圖。0W的低頻RF膜在-CH3鍵、-CH2鍵、和-CH鍵的峰處具有最大的波數(shù)。800W的低頻RF膜在-CH2鍵的峰處具有最小的波數(shù)。當(dāng)比較低頻RF實驗時，CH2/CH3比和CH/CH3比是一致的。波數(shù)圖還表明隨著低頻RF的功率增大，苯對CH3的比增大。這表明隨著低頻RF功率的增大，將存在更多的苯環(huán)結(jié)構(gòu)。
為了觀察在將低頻RF保持在800W的同時溫度的變化如何影響甲苯膜的形成，使用FTIR光譜測量了在350、375、400和425℃下形成的膜。作為波數(shù)的函數(shù)的吸光率的圖表明，增大膜形成的溫度降低了碳碳雙鍵的可能性，并且產(chǎn)生了具有增大的吸光系數(shù)的膜。
還觀察了作為低頻RF的函數(shù)的沉積速率。隨著低頻RF功率增大，沉積速率線性增大。添加氫氣來稀釋前驅(qū)體減小了沉積速率。
還比較了不同的前驅(qū)體。甲苯和α-萜品烯提供了在相當(dāng)?shù)臏囟确秶械淖詈玫哪ば再|(zhì)(包括光學(xué)性質(zhì)和介電常數(shù))。使用丙烯和乙炔作為前驅(qū)體也可以提供具有可接受的光學(xué)性質(zhì)和介電常數(shù)結(jié)果的膜。如SEM所測量的，基于甲苯的膜還提供了最好的階梯覆蓋性。在與基于甲苯的膜相似的溫度下所沉積的基于α-萜品烯的膜具有更低的消光系數(shù)測量值。
還檢測了低壓膜沉積。在檢測多個襯底時，較低的壓強對于提供均一的膜是理想的。但是，沒有觀察到對于膜性質(zhì)的可檢測的改進(jìn)。
雖然上面所述的涉及本發(fā)明的實施例，但是可以設(shè)計本發(fā)明的其它和更多的實施例，而不偏離本發(fā)明的基本范圍，本發(fā)明的基本范圍有所附權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1.一種在處理室中處理襯底的方法，包括在處理室中放置所述襯底；將處理氣體引入所述處理室，其中，所述處理氣體包括氫氣和一種或多種具有通式CAHBOCFD的前驅(qū)體化合物，其中A的范圍為1～24，B的范圍為0～50，C的范圍為0～10，D的范圍為0～50，并且B和D的和至少為2；通過從雙頻RF源施加功率產(chǎn)生所述處理氣體的等離子體；以及在所述襯底上沉積無定型碳層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括刻蝕所述無定型碳層，以形成圖案化的無定型碳層。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一種或多種前驅(qū)體化合物選自由甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丙炔、丙烷、丁烷、丁烯、丁二烯、乙炔、戊烷、戊烯、戊二烯、環(huán)戊烷、環(huán)戊二烯、苯、甲苯、α-萜品烯、苯酚、異丙基苯、或者其組合組成的組。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括使用含氫等離子體、含氮等離子體、含氧等離子體、或者其組合將所述無定型碳層從所述襯底去除。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述產(chǎn)生所述等離子體的步驟包括施加第一頻率的第一RF功率和施加小于所述第一頻率的第二頻率的第二RF功率。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述產(chǎn)生所述等離子體的步驟包括施加約10MHz～約30MHz的第一頻率的第一RF功率和施加約10kHz～約1MHz之間的第二頻率的第二RF功率。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，第二RF功率對第一RF功率的比小于約0.6∶1。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述第一RF功率為從約200W～約1600W，所述第二RF功率為從約200W～約1000W。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一種或多種烴化合物在約20℃的溫度下為液體。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括在引入到所述處理室之前汽化所述一種或多種烴化合物。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一種或多種烴前驅(qū)體中的每一種還包括氮、溴、氟、氧、羥基、或者其組合。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一種或多種基于氟的化合物選自由氟氣(F2)、三氟化氮(NF3)、CHF3、CH2F2、及其組合組成的組。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述抗反射涂層為選自由氮化硅、碳化硅、摻碳氧化硅、無定型碳、及其組合組成的組的材料。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，無定型碳對所述電介質(zhì)材料的刻蝕選擇性大于約1∶7。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述處理氣體還包括載氣。
16.一種在處理室中處理襯底的方法，包括在處理室中放置所述襯底；將處理氣體引入所述處理室，其中，所述處理氣體包括載氣、氫氣和一種或多種具有通式CAHBOCFD的前驅(qū)體化合物，其中A的范圍為1～24，B的范圍為0～50，C的范圍為0～10，D的范圍為0～50，并且B和D的和至少為2；通過從雙頻RF源施加功率產(chǎn)生所述處理氣體的等離子體；在所述襯底上沉積無定型碳層；刻蝕所述無定型碳層，以形成圖案化的無定型碳層；去除所述一層或者多層無定型碳層；和在所述襯底的表面上沉積導(dǎo)體材料。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括在所述一層或者多層無定型碳層上沉積一層或者多層抗反射涂層；圖案化所述抗反射涂層上的抗蝕劑材料；以及在刻蝕所述一層或多層無定型碳層之前或同時刻蝕所述抗反射涂層。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括在沉積所述導(dǎo)體材料之前沉積電介質(zhì)層。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括在沉積所述導(dǎo)體材料之前沉積阻擋層。
20.一種在處理室中處理襯底的方法，包括在處理室中放置所述襯底；將處理氣體引入所述處理室，其中，所述處理氣體包括載氣、氫氣和一種或多種具有通式CAHBOCFD的前驅(qū)體化合物，其中A的范圍為1～24，B的范圍為0～50，C的范圍為0～10，D的范圍為0～50，并且B和D的和至少為2；通過從雙頻RF源施加功率產(chǎn)生所述處理氣體的等離子體；在所述襯底上沉積無定型碳層；在所述一層或多層無定型碳層的至少一個區(qū)域中定義圖案；和通過形成在所述一層或多層無定型碳層的所述至少一個區(qū)域中的圖案，在一層或多層電介質(zhì)層中形成特征定義。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括在所述特征定義中沉積一種或多種導(dǎo)體材料之前，通過將所述一種或多種無定型碳層暴露于等離子體去除所述一層或多層無定型碳層，其中所述等離子體是選自由含氫氣體、含氮氣體、含氧氣體、及其組合組成的組的氣體。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括拋光所述一層或多層導(dǎo)體材料并且停止在所述一層或多層無定型碳層；以及通過將所述一種或多種無定型碳層暴露于含氫氣體的等離子體去除所述一層或多層無定型碳層。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括在所述一層或多層無定型碳層上沉積抗反射涂層；圖案化所述抗反射涂層上的抗蝕劑材料；以及在刻蝕所述一層或多層無定型碳層之前或同時，刻蝕所述抗反射涂層。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括通過如下方法在所述第二無定型碳層上沉積第三無定型碳層，所述方法包括將處理氣體引入所述處理室，其中所述處理氣體包括一種或多種脂肪族烴化合物；和產(chǎn)生所述處理氣體的等離子體。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于沉積無定型碳材料的方法。在一個方面中，本發(fā)明提供一種處理襯底的方法，該方法包括在處理室中放置所述襯底；將處理氣體引入所述處理室，其中，所述處理氣體包括載氣、氫氣和一種或多種烴化合物或其衍生物；通過從雙頻RF源施加功率產(chǎn)生所述處理氣體的等離子體；以及在所述襯底上沉積無定型碳層。
文檔編號C23C16/50GK1930320SQ200580006997
公開日2007年3月14日 申請日期2005年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月5日
發(fā)明者馬丁·杰伊·瑟默恩斯, 溫迪·H·葉, 蘇達(dá)哈·S·R·拉蒂, 迪奈什·帕德海, 安迪(信朝)·路安, 薩姆－葉·貝蒂·唐, 普里亞·庫爾卡尼, 維斯瓦思瓦倫·西瓦諾馬克斯南, 金博宏, 海澈姆·穆薩德, 玉香·梅·王, 邁克爾·丘·寬 申請人:應(yīng)用材料公司