无定形碳膜的成膜方法和使用其的半导体装置的制造方法

专利名称：无定形碳膜的成膜方法和使用其的半导体装置的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种制造半导体装置时适合作为掩模等的无定 形碳膜的成膜方法和使用其的半导体装置的制造方法。
背景技术：
在半导体器件的制造过程中，为了形成电路图案，将使用
光刻技术形成图案的抗蚀剂用作掩模，进行等离子刻蚀。在CD 为45nm的年代，应对细孩t化而将ArF抗蚀剂用于掩才莫，不过 问题是等离子耐性差。作为克服该问题的技术，采用了干式显 影方法，该方法使用在ArF抗蚀剂下面将Si02膜和具有等离子 耐性的抗蚀剂叠层的掩模(多层抗蚀剂)。
在此，在45nm以后的微细化年代，ArF抗蚀剂的膜厚变 薄到200nm,该厚度成为干式显影的基准。如果考察可以以该 抗蚀剂膜厚进行等离子蚀刻的Si02膜厚、以及可以以该膜厚的 Si02等离子蚀刻的下层抗蚀剂的膜厚，则后者的膜厚界限为 300nm。在该膜厚的下层抗蚀剂中，对于被蚀刻膜的膜厚，不 能确保充分的等离子耐性，不能完成高精度的蚀刻。为此，代 替这样的下层抗蚀剂膜，需要耐蚀刻性更高的膜。
不过在日本特开2002 - 12972号公报中，公开了下述技术 代替被用于多层抗蚀剂的Si02膜、或者作为防反射层，适合使 用用烃气体和惰性气体通过CVD堆积的无定形碳膜的技术。 因此，研究了将这样的无定形碳膜适用于上述用途中。
在日本特开2002-12972号公报中，记载了作为无定形碳膜 的成膜温度为100~ 500°C。不过，以那样的温度成膜的无定形 碳膜适用于上述用途时，明确知道了蚀刻耐性不充分。而且根
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据曰本特开2002-12972号公报的技术可知，要想获得在上述用 途上具有充分耐蚀刻性的无定形碳膜，则需要接近600。C的高 温。不过，这样的高温不适用于具有铜配线的末端处理器。

发明内容
本发明是着眼于以上的问题点，尽力有效解决该问题的发 明。本发明的目的在于提供一种耐等离子性高、且可低温成膜 的无定形碳膜的成膜方法，以及适合使用那样的无定形碳膜的 成膜方法的半导体装置的制造方法。
本发明提供一种无定形碳膜的成膜方法，其特征在于，包 括在处理容器内配置基板的工序；向所述处理容器内供给含 有碳、氢和氧的处理气体的工序；通过加热所述处理容器内的 基板来分解所述处理气体，并在该基板上堆积无定形碳膜的工 序。
根据本发明，使用除了碳和氢以外也含有氧的处理气体， 所以成膜时反应性高，即使是比较低的温度，也可以形成牢固 的碳网，可以使耐蚀刻性高的无定形碳膜成膜。另外，通过将 根据此方法成膜的无定形碳膜用于蚀刻掩模而对蚀刻对象膜进 行蚀刻，可以相对于基底，以高选择比获得良好的蚀刻形状。 特别是代替目前的多层抗蚀剂的下层抗蚀剂膜，使用以本发明 的方法形成的无定形碳膜，可以更好地对蚀刻对象膜进行蚀刻， 可以为半导体装置的制造提供更大的优点。
处理气体中的C与O的原子数比C:O优选为3:1 ~ 5:1。另 外，处理气体中的C与H的原子数比C:H优选为1:1 ~ 1:2。
另外，包含碳、氢和氧的前述处理气体优选包含烃气体和 含氧气体的混合气体。此时，例如，前述烃气体为C2H2、 C4H6 以及C6H6中的至少一种。
或者，含有碳、氢和氧的前述处理气体优选分子内含有碳、 氢和氧的气体。此时，例如分子内具有碳、氢和氧的前述气体
为C4H40以及C4H80中的至少 一种。
另外，在基板上堆积无定形碳膜的工序中，基板的温度优 选400。C以下。
另外，在基板上堆积无定形碳膜的工序中，优选前述处理 气体被等离子化。
另外，本发明提供一种半导体装置的制造方法，其特征在 于，包括在基板上形成蚀刻对象膜的工序；在前述蚀刻对象 膜上，按照具备前述任 一 特征的方法使无定形碳膜成膜的工序； 在前述无定形碳膜上形成蚀刻图案的工序；将前述无定形碳膜 用作蚀刻掩模，对前述蚀刻对象膜进行蚀刻而形成规定的结构 的工序。
另外，本发明提供一种半导体装置的制造方法，其特征在 于，包括在基板上形成蚀刻对象膜的工序；在前述蚀刻对象 膜上，按照具备前述任一特征的方法使无定形碳膜成膜的工序； 在前述无定形碳膜上形成Si系薄膜的工序；在前述Si系薄膜 上形成光致抗蚀剂膜的工序；使前述光致抗蚀剂膜形成图案的 工序；将前述光致抗蚀剂膜用作蚀刻掩模，蚀刻前述Si系薄膜 的工序；将前述Si系薄膜用作掩模，蚀刻前述无定形碳膜而转 印前述光致抗蚀剂膜的图案的工序；将前述无定形碳膜用作掩 模，蚀刻前述蚀刻对象膜的工序。
另外，本发明提供一种计算机可读存储介质，其特征在于， 在所述计算机可读存储介质中存储有使计算机执行控制程序的 软件，前述控制程序在执行时，控制成膜装置进行具有前述任 一特;f正的方法。


图1是表示在本发明的一个实施方式的无定形碳膜的成膜 方法中可适用的成膜装置的一个例子的示意剖视图。
图2是表示用于制造使用通过本发明的一实施方式的无定 形碳膜的制造方法所得到的无定形碳膜的半导体装置的结构体 的剖视图。
图3是表示在图2的结构体中，将形成图案的ArF抗蚀剂 用作掩模而对其下面的Si02膜进行蚀刻的状态的剖视图。
图4是表示在图3的结构体中，将形成图案的Si02膜用作
掩模而对其下面的无定形碳膜进行蚀刻的状态的剖视图。
图5是表示在图4的结构体中，将形成图案的无定形碳膜
用作掩模而对基底的蚀刻对象膜进行蚀刻的状态的剖视图。 图6是表示实施例得到的无定形碳膜的电子衍射图像的图。
具体实施例方式
参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示在本发明的一实施方式的无定形碳膜的成膜方 法中可适用的成膜装置的一例的示意剖视图。该成膜装置100 具有大致圆筒状的腔室1。
在腔室1的内部配置有用于水平支承作为被处理体的晶圆 W的承载盘(susceptor) 2。承载盘2通过设在其中央下部的圆 筒形的支持构件3来支承。在承载盘2的外缘部设有用于引导 晶圆W的引导环4。另外，在承载盘2上埋设有加热器5。该 加热器5通过加热器电源6供电，将作为被处理基板的晶圆W 加热到规定的温度。在承载盘2上还埋设有热电偶7,根据热 电偶7的检测信号来控制加热器5的输出功率。承载盘2的表
面附近埋设有电极8，该电极8接地。此外，在承载盘2上设 有支承晶圆W使其升降的3根晶圆支承销(图中未示出)，该 晶圆支承销可相对于承载盘2的表面突出或没入。
在腔室1的顶壁la上隔着绝缘材料9设有喷头(shower head) 10。该喷头IO为圆筒形，内部具有气体扩散空间20,
该喷头10的下表面具有多个气体排出口 12。在喷头10的气体 导入口 11上通过气体配管13与气体供给机构14相连接，所述 的气体供给机构14供给用于形成无定形碳膜的处理气体。
喷头IO通过匹配器15与高频电源16相连接。由此，自高 频电源16向喷头10供给高频电力，通过自高频电源16供给高 频电力，可将通过喷头IO供给到腔室1内的气体等离子化。
在腔室1的底壁lb上连接有排气管17。该排气管17与含 有真空泵的排气装置18相连接。而且，通过使排气装置18动 作，可使腔室1内减压到规定的真空度。在腔室1的侧壁设有 进行搬入拥《出晶圓W的l般入寺般出口 21和开关该寺般入寺般出口 21 的闸阀22。
成膜装置100的组成部，例如加热器电源6、气体供给机 构14、高频电源16、排气装置18等，与含有CPU及其周边电 路的程序控制器30相连接。而且，成膜装置100的组成部被程 序控制器30所控制。
另外，在程序控制器30上，为了工程管理者管理成膜装置 100而接入了用户界面31，所述的用户界面31是由进行命令输 入操作等的键盘和将成膜装置100运行状况可视化地显示的显 示器等构成。此外，程序控制器30与存储部32相连接，所述 的存储部32存储着通过程序控制器30的控制来实现用成膜装 置100所执行的各种处理的控制程序、根据处理条件对成膜装
置100上的各组成部进行处理的程序，即方法(recipe)。
方法(recipe)可以被存储在硬盘或半导体存储器中，也可 以以存储在CDROM 、 DVD等可移动存储介质中的状态设置 于存储部32的规定位置。此外，也可以从其他的装置，例如通 过专用线路适当地传输方法。而且，根据需要，按照来自用户 界面31的指示等从存储部32中调出任意的方法，并由程序控 制器30执行该任意的方法，从而在程序控制器30的控制下进 行成膜装置100中的期望的处理。
接着，对使用以上那样构成的成膜装置100实施无定形碳 膜成膜方法的一实施方式进行说明。
首先，将晶圆W搬入到腔室1内，放置在承载盘2上。然 后，一边通过气体配管13和喷头10自气体供给机构14供给例 如氩气作为等离子生成气体， 一边通过排气装置18对腔室1 内进行排气，将腔室1内维持在规定的减压状态。另外，通过 加热器5将承载盘2加热到400。C以下的规定温度。然后，自 高频电源16向喷头10施加高频电力，在喷头10和电才及8之间 生成高频电场，将等离子生成气体等离子化。
在该状态下，通过气体配管13和喷头10自气体供给机构 14将用于成膜无定形碳膜的含有碳、氢和氧的处理气体导入到 腔室1内。
由此，该处理气体被形成于腔室1内的等离子激发，并通 过在晶圆W上加热而分解。于是，在晶圓W的表面堆积出牢 固的具有网状结构的无定形碳膜。
在上述专利文献(日本特开2002-12972号公报)所记载的 技术中，作为形成无定形碳膜用的处理气体，使用烃气体和惰 性气体。不过，据本发明人所知道的情况，在那样的条件下， 碳的网状化进度慢，在400。C以下的低温下，会残留很多结构
脆弱的部分，结果是形成抗蚀性低的膜。在此，如果使成膜温 度上升，可以在某种程度上强化结构，可以提高抗蚀性，不过， 这样的话难以适用于后处理。
对此，在本实施方式中，除了构成烃气体的碳和氢以外还
导入了氧。由此，反应性显著提高，即使在400。C以下的低温， 膜的脆弱结构部分也不残留，可以得到具有牢固的碳网的无定 形碳膜。
作为含有碳、氢和氧的处理气体，处理气体中的C与0的 原子数比C:O优选3:1 ~ 5:1。若在该范围，可适当控制反应性， 可以得到更优选的膜。
进而，处理气体中的C与H的原子数比C:H优选1:1 ~ 1:2。 C比其更少的气体，作为实用的化合物不存在。另一方面，如 果H比该范围多的话，则难以得到牢固的碳网。
作为含有碳、氢和氧的处理气体，典型地可以列举出烃气 体和含氧的气体的混合气体。在该种情况下，作为烃气体，可 以适当列举出C2H2 (乙炔)、C4H6 ( 丁烯(包括1 - 丁烯、2 -丁烯两者))、C6H6(苯)，可以单独使用它们或混合使用 它们。另外，作为含氧的气体，可以适合使用氧气。作为其他 含氧的气体，可以使用CH3-0-CH3 (二曱醚)等醚化合物。
作为含有碳、氢和氧的处理气体的其他的例子，可以列举
出包含分子内具有碳、氢和氧的气体的气体，作为这样的气体， 可以适合列举出C4HUO(呋喃)、C4HsO(四氢呋喃)，可以 单独使用它们，或混合使用它们。
作为处理气体，除了含有碳、氢和氧的气体以外，也可以 含有氩气等惰性气体。使用300mm晶片时，氩气的流量相对于 含有碳、氢和氧的气体，优选20~100%左右。另外，含有碳、 氢和氧的气体和惰性气体的流量根据气体的种类而定，优选250 ~ 350mL/mim ( sccm)左右。进而，成月莫时腔室内的压力4尤 选6.65Pa ( 50mTorr )以下。
成膜无定形碳膜时的晶片温度(成膜温度)优选400。C以 下，更优选100~ 300°C,最优选200。C附近。如上所述，400°C 以下，则适合使用含有铜配线的末端处理器。根据本实施方式， 即使是这样比较低的温度，也可以得到多层抗蚀剂的最下层具 有所要求的高蚀刻耐性的无定形碳膜。
施加在喷头10上的高频电力的频率数和功率可以根据需 要的反应性来适当设定。通过施加这样的高频电力，在腔室1 内形成高频电场，可以使处理气体等离子化，利用等离子CVD 可以实现无定形碳膜的成膜。等离子化的气体由于反应性高， 可使成膜温度进一步降低。另外，作为等离子体源，不限于利
用这样的高频电力得到的电容耦合型物质，也可以是电感耦合 型等离子体源，也可以是将微波等通过波导管和天线导入到腔
室1内形成等离子体的物质。另外，等离子体生成并不是必须 的。在反应性充分的情况下，也可以利用热CVD成膜。
如上所述地成膜的无定形碳膜，具有如上所述的牢固的碳 网，耐蚀刻性高。因此，适合作为多层抗蚀剂的最下层。进而， 以上所述地成膜的无定形碳膜，因为在250nm左右以下的波长 下具有0.1 ~ l.O左右的光吸收系数，所以也适合用作防反射膜。
接着，对使用以上所制造的无定形碳膜的半导体装置的制 造方法进行说明。
如图2所示，半导体晶片(Si基板)W上，作为蚀刻对象 膜，形成由SiC膜lOl、 SiOC膜(low-k膜)102、 SiC膜103、 Si02膜104、 SiN膜105构成的叠层膜，在其上，用上述方法 使无定形碳(a-C)膜106成膜。而且，在其上，依次形成Si02 膜107、 BARC (防反射膜)108、 ArF抗蚀剂膜109，进而在其
上，通过光刻形成图案状的ArF抗蚀剂膜109。由此形成多层 的蚀刻掩模。
此时，ArF抗蚀剂膜109的厚度为200nm以下，例如为 180nm; BARC108的厚度为30~100nm,例如为70nm; Si02 膜107的厚度为10~100nm，例如为50nm;无定形碳膜106 的厚度为100~ 800nm，例如为280nm。另夕卜，作为蚀刻对象膜 的膜厚，例如例示出SiC膜101: 30nm、 SiOC膜(Low - k膜) 102: 150nm、 SiC膜103: 30nm、 SiO2膜104: 150nm、 SiN膜 105: 70nm。另外，代替Si02膜107,可以使用SiOC、 SiOH、 SiCN、 SiCNH等其他的Si系薄膜。
在该状态下，首先如图3所示，使用ArF抗蚀剂膜109作 为掩模，等离子蚀刻BARC108和Si02膜107,在Si02膜107 上转印ArF抗蚀剂膜109的图案。此时，ArF抗蚀剂膜109的 耐蚀刻性低，所以通过蚀刻而消失，BARC108的一部分也被蚀 刻。
接着，如图4所示，将Si02膜107用作蚀刻掩模，蚀刻无 定形碳膜106，由此，ArF抗蚀剂膜109的图案被转印到无定 形碳膜106上。在此，根据上述方法成膜的无定形碳膜106， 其耐蚀刻性高，因此，无定形碳膜106具有良好的形状性而被 蚀刻，即，在无定形^碳膜106可以正确地转印ArF抗蚀剂膜109 的图案。
然后，如图5所示，将无定形碳膜106用作蚀刻掩模，SiN 膜105、 Si02膜104、 SiC膜103、 SiOC膜102以及SiC膜101 通过等离子蚀刻依次被蚀刻。此时，用上述方法成膜的无定形 碳膜106的耐蚀刻性高，因此可以以高选择比对作为基底的蚀 刻对象膜进行蚀刻。即，蚀刻对象膜被蚀刻期间，无定形碳膜 106作为蚀刻掩才莫而分地残留。由此，在蚀刻对象膜中，可
以得到没有图案变形的良好的蚀刻形状。
在蚀刻结束时，Si02膜107已经消失。另外，残留的无定 形碳膜106也通过利用H2气体/N2气体的抛光可以较容易地除 去。
接着，对按照本发明的方法成膜的无定形碳膜，实际评价 其物性和蚀刻耐性。
在此，作为含有碳、氬和氧的气体，可以使用C4H40 (呋 喃)、基板温度为200°C，利用等离子CVD,在晶片上堆积膜。 所得膜的中央部的电子衍射图像如图6所示。在图6中，由于 看不到显示结晶性的衍射斑点，因此可以确认所得的膜是无定 形碳。
然后，将这样得到的无定形碳膜的耐蚀刻性与热氧化膜 (Si02)的蚀刻耐性以及被用作下层抗蚀剂的g射线用光致抗 蚀剂膜的蚀刻耐性进行比较。蚀刻处理利用平行平板型等离子 蚀刻装置，作为蚀刻气体，使用CsF8气体、氩气、氧气来进行。 其结果，各膜的蚀刻速率为 Si02月莫336.9nm/min 光致抗蚀剂膜53.3nm 无定形石灰膜46.4nm/min。 即，可以说Si02膜相对于光致抗蚀剂膜和无定形石友膜的选择比 分别为6.3和7.3。由该结果可确认，用本发明的方法得到的光 致抗蚀剂膜相对于以往的光致抗蚀剂膜是优先的。
并且，本发明并不限于上述的实施方式，可以有各种变形。 例如，在上述的实施方式中，作为无定形碳膜的处理气体，可 以列举出烃气体和含氧的气体的混合气体、或者在分子中含有 碳、氢和氧的气体，不过不限于这些。另外，在上述的实施方 式中，对将根据本发明成膜的无定形碳膜适用于在干式显影技
术中的多层抗蚀剂的下层的情况进行说明，不过不限于此。无 定形碳膜也可以作为在通常的光致抗蚀剂膜的正下方形成而具 有防反射膜功能的抗蚀剂掩模使用。进而，无定形碳膜可以用 于其他的各种用途。
进而，在上述的实施方式中，作为被处理基板示例有半导
体晶片，不过不限于此。也可以适用于以液晶显示装置(LCD) 为代表的平面器(FPD)用的玻璃基板等其他的基板。
权利要求
1. 一种无定形碳膜的成膜方法，其特征在于，包括在处理容器内配置基板的工序；向所述处理容器内供给含有碳、氢和氧的处理气体的工序；通过加热所述处理容器内的基板来分解所述处理气体，并在该基板上堆积无定形碳膜的工序。
2. 根据权利要求1所述的无定形碳膜的成膜方法，其特征 在于，处理气体中的C与O的原子数比C:O为3:1 ~ 5:1。
3. 根据权利要求1或2所述的无定形碳膜的成膜方法，其 特征在于，处理气体中的C与H的原子数比C:H为1:1 ~ 1:2。
4. 根据权利要求1 ~ 3中任一项所述的无定形碳膜的成膜 方法，其特征在于，含有碳、氢和氧的所述处理气体包含烃气 体和含氧气体的混合气体。
5. 根据权利要求4所述的无定形碳膜的成膜方法，其特征 在于，所述烃气体是C2H2、 C4H6以及C6H6中的至少一种。
6. 根据权利要求1所述的无定形碳膜的成膜方法，其特征 在于，含有碳、氢和氧的所述处理气体包含在分子内具有碳、氢和氧的气体。
7. 根据权利要求6所述的无定形碳膜的成膜方法，其特征 在于，在分子内具有碳、氢和氧的所述气体是C4H40和C4H80 中的至少一种。
8. 根据权利要求1 ~ 7中任一项所述的无定形碳膜的成膜 方法，其特征在于，在基板上堆积无定形碳膜的工序中，基板 的温度为40(TC以下。
9. 根据权利要求1 ~ 8中任一项所述的无定形碳膜的成膜 方法，其特征在于，在基板上堆积无定形碳膜的工序中，所述 处理气体被等离子化。
10. —种半导体装置的制造方法，其特征在于，包括 在基板上形成蚀刻对象膜的工序；在所述蚀刻对象膜上，按照权利要求1 ~ 9中任一项所述的方法使无定形碳成膜的工序；在所述无定形碳膜上形成蚀刻图案的工序；将所述无定形碳膜用作蚀刻掩模，蚀刻所述蚀刻对象膜而形成规定的结构的工序。
11. 一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包括 在基板上形成蚀刻对象膜的工序；在所述蚀刻对象膜上，按照权利要求1 ~ 9中任一项所述的 方法使无定形碳膜成膜的工序；在所述无定形碳膜上形成Si系薄膜的工序；在所述Si系薄膜上形成光致抗蚀剂膜的工序；使所述光致抗蚀剂膜形成图案的工序；将所述光致抗蚀剂膜用作蚀刻掩模，蚀刻所述Si系薄膜的 工序；将所述Si系薄膜用作掩模，蚀刻所述无定形碳膜而转印所 述光致抗蚀剂膜的图案的工序；将所述无定形碳膜用作掩模，蚀刻所述蚀刻对象膜的工序。
12. —种计算机可读存储介质，其特征在于，在所述计算 机可读存储介质中存储有使计算机执行控制程序的软件，所述控制程序在执行时，控制成膜装置进行权利要求1~9 中任一项所述的方法。
全文摘要
本发明提供一种无定形碳膜的成膜方法，其特征在于，包括在处理容器内配置基板的工序；向所述处理容器内供给含有碳、氢和氧的处理气体的工序；通过加热所述处理容器内的基板来分解所述处理气体，并在该基板上堆积无定形碳膜的工序。
文档编号H01L21/3065GK101390199SQ20078000627
公开日2009年3月18日 申请日期2007年2月23日 优先权日2006年2月24日
发明者石川拓, 野泽俊久 申请人:东京毅力科创株式会社