JP5656010B2 - Method for forming hard mask film and apparatus for forming hard mask film - Google Patents
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Description
本発明は、半導体プロセスで利用するハードマスク膜に関する。本発明はまた、当該ハードマスク膜を形成する方法および装置に関する。 The present invention relates to a hard mask film used in a semiconductor process. The present invention also relates to a method and apparatus for forming the hard mask film.
ハードマスク膜は通常、ダマシン処理のトレンチ形成および/またはビア形成等のリソグラフィーパターニング処理において、犠牲層として利用される。ダマシン処理では通常、パターニングを行う必要がある誘電体層上にハードマスク膜を成膜する。ハードマスク膜の上方にフォトレジスト層を成膜し(任意で、ハードマスクとフォトレジストとの間には反射防止層を設けるとしてもよい)、フォトレジストを所望に応じてパターニングする。パターンの位置を下方の構造の位置に合わせる際にはレーザを通常利用するので、ハードマスクは、位置合わせ用の波長において略透明でなければならない。フォトレジストを現像した後、パターンの下方に露出しているハードマスク膜を除去し、露出している誘電体をエッチングして、必要な寸法を持つ凹状のフィーチャーを形成する。ハードマスクの残った部分は、エッチング処理中において残しておく必要がある誘電体の一部分を保護する。このため、ハードマスクの材料は、誘電体に対して相対的に、エッチングの選択性が良好な材料でなければならない。反応性イオンエッチング(RIE)は、ハロゲンをベースとするプラズマ化学反応を利用するエッチングであり、誘電体エッチングに通常用いられる技術である。 The hard mask film is usually used as a sacrificial layer in a lithography patterning process such as a damascene trench formation and / or via formation. In the damascene process, a hard mask film is usually formed on a dielectric layer that needs to be patterned. A photoresist layer is formed over the hard mask film (optionally, an antireflection layer may be provided between the hard mask and the photoresist), and the photoresist is patterned as desired. Since a laser is typically used to align the pattern with the underlying structure, the hard mask must be substantially transparent at the alignment wavelength. After developing the photoresist, the hard mask film exposed under the pattern is removed, and the exposed dielectric is etched to form concave features having the required dimensions. The remaining portion of the hard mask protects the portion of the dielectric that needs to remain during the etching process. For this reason, the material of the hard mask must be a material with good etching selectivity relative to the dielectric. Reactive ion etching (RIE) is an etching that uses a halogen-based plasma chemical reaction and is a technique that is typically used for dielectric etching.
そして、エッチングで形成された凹状のフィーチャーを銅を始めとする導電材料で充填して、集積回路の導電経路を形成する。通常は、凹状のフィーチャーを充填した後、製造途中の半導体基板からハードマスク材料を完全に除去する。 Then, the concave feature formed by etching is filled with a conductive material such as copper to form a conductive path of the integrated circuit. Usually, after filling the concave features, the hard mask material is completely removed from the semiconductor substrate being manufactured.
この分野で現在ハードマスク材料として一般的に用いられているのは、物理化学気相成長法(PVD)によって成膜される窒化チタンである。また、シリコンカーバイドもハードマスク材料として利用されることが、米国特許第6,455,409号および米国特許第6,506,692号に記載されている。 In this field, titanium nitride formed by physical chemical vapor deposition (PVD) is generally used as a hard mask material at present. It is also described in US Pat. No. 6,455,409 and US Pat. No. 6,506,692 that silicon carbide can also be used as a hard mask material.
ハードマスク膜の特性および製造方法を改善する。リソグラフィー技術では、圧縮応力または引張応力が高い材料では基板上に形成されるハードマスク膜がバックリングまたは層間剥離してしまい、リソグラフィーにおけるパターンの位置合わせの精度が低くなるので、応力が低いハードマスク材料が必要である。応力が低いことに加えて、下方に位置する材料を適切に保護するべく、硬度が高いこと、および/または、ヤング率が高いこともハードマスク材料には求められる。これは、硬度およびヤング率とエッチングの選択性との間には通常、高い相関関係が見られるためである。 Improve hard mask film characteristics and manufacturing method. In lithography technology, if the material has high compressive stress or tensile stress, the hard mask film formed on the substrate will be buckled or delaminated, and the accuracy of pattern alignment in lithography will be low. Material is needed. In addition to low stress, the hard mask material is also required to have high hardness and / or high Young's modulus in order to properly protect the underlying material. This is because there is usually a high correlation between hardness and Young's modulus and etch selectivity.
低応力および高硬度(または高ヤング率)を同時に実現することは、材料の硬度が高くなると通常は圧縮応力が大きくなるので、特に困難である。例えば、従来利用されている窒化チタンは、比較的高硬度の材料であり、圧縮応力は約1,000MPaを超える。このように圧縮応力が高いハードマスクを、特に軟性の超低誘電率(low−k)(k=2.8以下)の誘電体と共に、特にアスペクト比が高いフィーチャー(例えば、アスペクト比が2:1以上のフィーチャー)を画定する際に用いると、位置合わせが上手くいかず、形成された構造にはねじれが発生するという問題が生じる。シリコンカーバイドは一般的に、物理特性が広範囲にわたり、本発明に係る特別な成膜処理を利用して用意しなければ、応力を低く抑えつつ硬度を高く上げることはできない。 Realizing both low stress and high hardness (or high Young's modulus) at the same time is particularly difficult as the hardness of the material usually increases the compressive stress. For example, conventionally used titanium nitride is a relatively hard material, and the compressive stress exceeds about 1,000 MPa. Such a hard mask having a high compressive stress, together with a soft dielectric having a very low dielectric constant (low-k) (k = 2.8 or less) and a feature having a particularly high aspect ratio (for example, an aspect ratio of 2: When used in defining one or more features), alignment may not be successful and the resulting structure may be twisted. Silicon carbide generally has a wide range of physical properties, and unless prepared using a special film forming process according to the present invention, the hardness cannot be increased while the stress is kept low.
本発明の一部の側面によると、低応力且つ高硬度のハードマスク材料が提供される。一部の実施形態によると、本発明に係る膜は、硬度が少なくとも約12GPaで、好ましくは少なくとも約16GPaで、例えば、少なくとも約20GPaであり、応力が約−600MPaから600MPaの範囲内であり、例えば、約−300MPaから300MPaの範囲内であり、最も好ましいのは約0MPaから300MPaの範囲内である。本発明に係る膜は通常、金属をほとんど含んでおらず、ドーピングはされていてもいなくてもいが、高硬度且つ低応力のシリコンカーバイドであるSixByCz、SixByNz、SixByCzNw、BxNy、およびBxCyから成る群から選択される材料を含む。これらの材料は、プラズマ化学気相成長(PECVD)およびその他のCVDをベースとする処理によって形成され得る。本発明によって得られるハードマスクは、フロントエンドおよびバックエンドの半導体プロセスのさまざまなリソグラフィー工程で利用することができる。低応力且つ高硬度という特性を得るための成膜条件を説明している。このような特性に対応する膜の構造特性も記載している。 According to some aspects of the present invention, a low stress and high hardness hard mask material is provided. According to some embodiments, the membrane according to the invention has a hardness of at least about 12 GPa, preferably at least about 16 GPa, for example at least about 20 GPa, and a stress in the range of about −600 MPa to 600 MPa, For example, it is in the range of about -300 MPa to 300 MPa, and most preferably in the range of about 0 MPa to 300 MPa. The film according to the present invention usually contains almost no metal and may or may not be doped, but Si x B y C z and Si x B y N z which are silicon carbide having high hardness and low stress. And a material selected from the group consisting of: Si x B y C z N w , B x N y , and B x C y . These materials can be formed by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) and other CVD based processes. The hard mask obtained by the present invention can be used in various lithography steps of front-end and back-end semiconductor processes. The film forming conditions for obtaining the characteristics of low stress and high hardness are described. The structural characteristics of the film corresponding to such characteristics are also described.
一側面によると、高硬度且つ低応力のハードマスク膜を半導体基板に形成する方法は、プラズマ化学気相成長(PECVD)処理チャンバに半導体基板を導入する段階と、
プラズマ高密度化処理を複数回実行することによって、ドープされている多層シリコンカーバイド膜またはドープされていない多層シリコンカーバイド膜を成膜する段階とを備える。プラズマ高密度化処理は、シリコンカーバイドの副層がそれぞれ成膜された後に実行することが好ましい。一部の実施形態によると、シリコン含有前駆体(テトラメチルシラン)を含む処理ガスを処理チャンバに導入し、プラズマを形成してシリコンカーバイドハードマスク膜の第1の副層を成膜する段階を備える。続いて、例えば、パージガスで処理チャンバをパージすることによって、処理チャンバからシリコン含有前駆体を除去する。この後、処理チャンバにプラズマ処理ガスを導入して、プラズマを形成して、シリコンカーバイドの副層をプラズマ処理して高密度化する。プラズマ処理ガスおよびパージガスは、同じガスであってもよいし、異なるガスであってもよい。パージおよび/またはプラズマ処理に適したガスとしては、不活性ガス(例えば、He、Ar)、CO2、N2、NH3、およびH2がある。一部の実施形態によると、He、Ar、H2、または、これらのさまざまな混合ガスは、パージおよびプラズマ処理の双方について利用が好ましい。シリコンカーバイドの第1の副層をプラズマ処理した後、成膜、パージ、および、プラズマ処理を繰り返して、シリコンカーバイドの副層を複数層形成して高密度化する。それぞれの副層は通常、高密度化を容易にするべく、厚みが約100Å未満であり、例えば、約50Å未満である。一部の実施形態に係る方法によれば、10層以上、例えば、20層以上の副層を成膜および高密度化してハードマスク膜を形成し、一部の実施形態に係る当該ハードマスク膜は、厚みが約1,000Åから約6,000Åの範囲内である。
According to one aspect, a method of forming a hard mask film with high hardness and low stress on a semiconductor substrate includes introducing the semiconductor substrate into a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) processing chamber;
Forming a doped multilayer silicon carbide film or an undoped multilayer silicon carbide film by performing the plasma densification process a plurality of times. The plasma densification process is preferably performed after the silicon carbide sub-layers are formed. According to some embodiments, introducing a process gas including a silicon-containing precursor (tetramethylsilane) into a process chamber and forming a plasma to form a first sublayer of a silicon carbide hardmask film. Prepare. Subsequently, the silicon-containing precursor is removed from the processing chamber, for example, by purging the processing chamber with a purge gas. Thereafter, plasma processing gas is introduced into the processing chamber to form plasma, and the silicon carbide sub-layer is plasma processed to increase the density. The plasma processing gas and the purge gas may be the same gas or different gases. Suitable gases for purging and / or plasma processing include inert gases (eg, He, Ar), CO 2 , N 2 , NH 3 , and H 2 . According to some embodiments, He, Ar, H 2 , or various mixed gases thereof are preferably utilized for both purging and plasma processing. After the silicon carbide first sublayer is subjected to plasma treatment, film formation, purging, and plasma treatment are repeated to form a plurality of silicon carbide sublayers to increase the density. Each sublayer is typically less than about 100 mm thick, for example, less than about 50 mm, to facilitate densification. According to the method according to some embodiments, a hard mask film is formed by forming and densifying 10 or more sublayers, for example, 20 or more sublayers, and the hard mask film according to some embodiments. Has a thickness in the range of about 1,000 to about 6,000 inches.
プラズマ処理を複数回実施することによって、一層のシリコンカーバイド膜に比べて、硬度が改善される。一部の実施形態によると、このように形成された高硬度且つ低応力の膜は、Si−C結合の含有率が高い非ドープのシリコンカーバイド膜を含む。一部の実施形態によると、Si−Hに対する赤外スペクトルにおけるSi−Cのピーク面積の割合は、少なくとも約20である。一部の実施形態によると、C−Hに対する赤外スペクトルにおけるSi−Cのピーク面積の割合は、少なくとも約50である。形成されるシリコンカーバイド膜は通常、密度が少なくとも約2g/cm3である。一部の実施形態によると、高周波無線周波(HFRF)および低周波無線周波(LFRF)によるプラズマ生成に基づきプラズマ後処理を実行するのが好ましい。この場合、LF/HFの電力比は少なくとも約1.5であり、例えば、少なくとも約2である。 By performing the plasma treatment a plurality of times, the hardness is improved as compared with a single silicon carbide film. According to some embodiments, the high hardness and low stress film thus formed comprises an undoped silicon carbide film with a high Si-C bond content. According to some embodiments, the ratio of the peak area of Si—C in the infrared spectrum to Si—H is at least about 20. According to some embodiments, the ratio of the peak area of Si—C in the infrared spectrum to C—H is at least about 50. The formed silicon carbide film typically has a density of at least about 2 g / cm 3 . According to some embodiments, it is preferable to perform plasma post-processing based on plasma generation with high frequency radio frequency (HFRF) and low frequency radio frequency (LFRF). In this case, the LF / HF power ratio is at least about 1.5, for example at least about 2.
本発明の別の側面によると、高硬度且つ低応力の膜を形成する方法は、SixByCz、SixByNz、SixByCzNw、BxNy、およびBxCyから成る群から選択されるホウ素含有膜を成膜する段階を備える。当該膜は、適切なシリコン含有前駆体、炭素含有前駆体、または、ホウ素含有前駆体を用いてPECVDによって成膜することができる。例えば、一実施形態によると、SixByCzを成膜する場合、ホウ素含有前駆体(例えば、B2H6)ならびに炭素およびシリコンを含む前駆体(例えば、テトラメチルシラン)をPECVD処理チャンバに供給して、プラズマ内でSixByCz膜を形成する。高硬度且つ低応力の膜を形成する際には、LF/HF電力比が少なくとも約1.5、例えば、少なくとも約2である二重周波数プラズマを利用することが好ましい。一部の実施形態によると、当該膜はホウ素の含有率が高く、赤外スペクトルにおける対応するピーク面積によって決まるBC/[BC+SiC]の割合が少なくとも約0.35である。一部の実施形態によると、高硬度でホウ素含有率が高いSixByCz膜は、B2H6を流量をテトラメチルシランの流量の少なくとも約2倍にして流入させることによって得られる。ホウ素含有膜は、一般的に親水性でCMPの化学反応に可溶であるので、パターニング完了後に化学機械研磨(CMP)で容易に除去できるという利点がある。 According to another aspect of the present invention, a method of forming a film having high hardness and low stress, Si x B y C z, Si x B y N z, Si x B y C z N w, B x N y, And depositing a boron-containing film selected from the group consisting of B x C y . The film can be deposited by PECVD using a suitable silicon-containing precursor, carbon-containing precursor, or boron-containing precursor. For example, according to one embodiment, when depositing Si x B y C z , a boron-containing precursor (eg, B 2 H 6 ) and a precursor containing carbon and silicon (eg, tetramethylsilane) are processed by PECVD. A chamber is supplied to form a Si x B y C z film in plasma. In forming a high hardness and low stress film, it is preferable to utilize a dual frequency plasma having an LF / HF power ratio of at least about 1.5, such as at least about 2. According to some embodiments, the film has a high boron content and a BC / [BC + SiC] ratio determined by the corresponding peak area in the infrared spectrum is at least about 0.35. According to some embodiments, a high hardness and high boron content Si x B y C z film is obtained by flowing B 2 H 6 at a flow rate of at least about twice that of tetramethylsilane. . Since the boron-containing film is generally hydrophilic and soluble in the chemical reaction of CMP, there is an advantage that it can be easily removed by chemical mechanical polishing (CMP) after the patterning is completed.
本発明の別の側面によると、GeNxハードマスク膜を形成する方法が提供される。一部の実施形態によると、当該方法は、PECVD処理チャンバに半導体基板を導入する段階と、GeNxハードマスク膜を形成する段階とを備える。当該膜は、ゲルマニウム含有前駆体および窒素含有前駆体をPECVD処理チャンバに流入させ、プラズマを形成することによって形成することができる。一部の実施形態によると、形成されたGeNx膜は、ヤング率が少なくとも約100GPaであり、ゲルマニウム含有率が高い。一部の実施形態によると、このようにゲルマニウム含有率が高い膜は、少なくとも約60原子パーセント、好ましくは、70原子パーセントのゲルマニウムを含む(水素を除く)。膜の密度は、4g/cm3を超えるとしてよい。GeNxは、リソグラフィーパターニングで利用される位置合わせ波長において略透明であるという利点を持つ(例えば、スペクトルの可視波長領域および近赤外領域の波長)。一部の実施形態によると、GeNx膜は、ゲルマン、アンモニア、および窒素を含む処理ガスにおいてプラズマを形成することによって成膜される。尚、ゲルマン/アンモニアの流量比は少なくとも約0.05である。一部の実施形態によると、二重周波数プラズマ源を用いてGeNx膜を成膜することが好ましい。一部の実施形態によると、成膜時のLF/HFの電力比は、少なくとも約1である。GeNx膜は、上記の他の膜と同様に、バックエンドおよびフロントエンドの半導体プロセスの数多くの処理工程において利用することができる。 According to another aspect of the present invention, a method of forming a GeN x hard mask film is provided. According to some embodiments, the method includes introducing a semiconductor substrate into a PECVD processing chamber and forming a GeN x hard mask film. The film can be formed by flowing a germanium-containing precursor and a nitrogen-containing precursor into a PECVD processing chamber and forming a plasma. According to some embodiments, the formed GeN x film has a Young's modulus of at least about 100 GPa and a high germanium content. According to some embodiments, such a high germanium content film comprises at least about 60 atomic percent, preferably 70 atomic percent germanium (excluding hydrogen). The density of the film may exceed 4 g / cm 3 . GeN x has the advantage of being substantially transparent at the alignment wavelength utilized in lithographic patterning (eg, wavelengths in the visible and near infrared regions of the spectrum). According to some embodiments, the GeN x film is deposited by forming a plasma in a process gas comprising germane, ammonia, and nitrogen. Note that the germane / ammonia flow ratio is at least about 0.05. According to some embodiments, it is preferred to deposit the GeN x film using a dual frequency plasma source. According to some embodiments, the LF / HF power ratio during deposition is at least about 1. The GeN x film, like the other films described above, can be used in many processing steps of back-end and front-end semiconductor processes.
一部の実施形態によると、ハードマスク膜(例えば、上述した膜のうち任意のもの)は誘電体、例えば、誘電率が約3未満、例えば、約2.8未満である誘電体の層に成膜される。ハードマスク膜の上には通常、フォトレジスト層が成膜される(しかし、必ずしもハードマスクと直接接触させて成膜されるものではなく、間に反射防止層を設けるとしてもよい)。この後リソグラフィーパターニングを実行して、誘電体層内に凹状のフィーチャー(ビアおよび/またはトレンチ)を形成する。パターニングが完了してフィーチャーを金属で充填した後、ハードマスクを(例えば、CMPによって)除去する。一部の実施形態によると、誘電体に対するハードマスク膜のエッチング選択性は、通常はRIEプロセスであるが、ビアおよび/またはトレンチをエッチングする際に利用される化学反応を参照すれば、少なくとも約8:1である。 According to some embodiments, the hard mask film (eg, any of the films described above) is a dielectric, eg, a layer of dielectric that has a dielectric constant less than about 3, eg, less than about 2.8. A film is formed. A photoresist layer is usually formed on the hard mask film (however, it is not necessarily formed in direct contact with the hard mask, and an antireflection layer may be provided between them). This is followed by lithographic patterning to form concave features (vias and / or trenches) in the dielectric layer. After patterning is complete and the feature is filled with metal, the hard mask is removed (eg, by CMP). According to some embodiments, the etch selectivity of the hard mask film to the dielectric is typically an RIE process, but at least about a reference to the chemical reaction utilized in etching vias and / or trenches. 8: 1.
他の実施形態によると、ハードマスク膜(例えば、上記の膜のうち任意のもの)は、フロントエンドプロセスにおいてポリシリコン層上に成膜され、さまざまな処理工程においてポリシリコンを保護する膜として利用される。一部の実施形態によると、ハードマスク材料は、除去されることはなく、製造後の完成品であるデバイスにも残る。 According to other embodiments, a hard mask film (eg, any of the above films) is deposited on the polysilicon layer in a front end process and used as a film to protect the polysilicon in various processing steps. Is done. According to some embodiments, the hard mask material is not removed and remains in the device that is the finished product.
本発明の上記およびその他の特徴および利点は、対応する図面を参照しつつ、以下でより詳細に説明する。 These and other features and advantages of the present invention will be described in more detail below with reference to the corresponding drawings.
<序論および概論>
バックエンドおよびフロントエンドの半導体プロセスで利用されるハードマスク膜を説明する。ハードマスク膜は、SiCx(ドープされているとしてもよいし、ドープされていないとしてもよい)、SixByCz、SixByNz、SixByCzNw、BxNy、BxCy、GeNxから成る群から選択される材料を含む。
<Introduction and introduction>
A hard mask film used in back-end and front-end semiconductor processes will be described. Hard mask film, SiC x (may be is doped, may be undoped), Si x B y C z , Si x B y N z, Si x B y C z N w, B including x N y, B x C y , a material selected from the group consisting of GeN x.
当該材料は、基本的にそれぞれの化学式に記載されている元素を含み、任意で水素を含が、水素は明示されていない。下付き文字のx、y、zおよびwは、当該材料が必ずしも化学量論的でないことを意味している。当該材料は、ドーパントが含まれていることが明記されている場合に限って、ドーパントを含む。例えば、本明細書に記載するドープされていないSiCx(シリコンカーバイド)は、基本的にシリコンおよび炭素から形成されており(割合は必ずしも化学量論的ではない)、任意で水素を含む。ドープされているSiCxはさらに、ホウ素、酸素、リン、または窒素といったドーパント元素を含む。 The material basically contains the elements described in the respective chemical formulas, optionally containing hydrogen, but no explicit hydrogen. The subscripts x, y, z and w mean that the material is not necessarily stoichiometric. The material includes the dopant only if it is specified that the dopant is included. For example, the undoped SiC x (silicon carbide) described herein is essentially formed from silicon and carbon (the proportion is not necessarily stoichiometric) and optionally includes hydrogen. The doped SiC x further includes a dopant element such as boron, oxygen, phosphorus, or nitrogen.
一部の実施形態によると、本明細書に記載する材料には、高硬度、高ヤング率、および、低応力といった有利な特性のうち1以上がある。好ましい実施形態によると、当該材料は、高硬度および低応力を同時に実現するので、機械的強度が低い超低誘電率(low−k)(ULK)の誘電体のパターニング、および、アスペクト比が2:1以上(例えば、4:1以上)の凹部の形成を実行する高機能技術ノード(例えば、45nm以下、例えば、22nmの技術ノード)におけるハードマスクとしての用途に特に適している。 According to some embodiments, the materials described herein have one or more of the advantageous properties of high hardness, high Young's modulus, and low stress. According to a preferred embodiment, the material simultaneously achieves high hardness and low stress, so that it has a low mechanical strength ultra-low dielectric constant (low-k) (ULK) dielectric patterning and an aspect ratio of 2 Is particularly suitable for use as a hard mask in high-function technology nodes (e.g. 45 nm or less, e.g. 22 nm technology nodes) that perform the formation of recesses of 1 or more (e.g. 4: 1 or more)
一部の実施形態によると、ハードマスク材料は、硬度が少なくとも約12GPaであり、例えば少なくとも約16GPa、例えば少なくとも約18GPa、または、少なくとも約20GPaである。硬度は、材料工学の分野では明確に定義されている特性であり、例えば、ナノ圧痕デバイスを有する任意の適切な装置によって信頼性の高い測定結果が得られる。一部の実施形態によると、本明細書に記載するハードマスク材料は、高硬度に加えて、応力が低く、約−600から600MPaの範囲内、例えば、約−300MPaから300MPaの範囲内、約0から600MPaの範囲内、および、最も好ましいのは約0MPaから300Mpaの範囲内である。 According to some embodiments, the hard mask material has a hardness of at least about 12 GPa, such as at least about 16 GPa, such as at least about 18 GPa, or at least about 20 GPa. Hardness is a well-defined property in the field of materials engineering, for example, a reliable measurement result can be obtained by any suitable apparatus having a nano-indentation device. According to some embodiments, the hard mask material described herein has low hardness, in addition to high hardness, in the range of about -600 to 600 MPa, such as in the range of about -300 MPa to 300 MPa, about Within the range of 0 to 600 MPa, and most preferably within the range of about 0 MPa to 300 MPa.
圧縮応力および引張応力は1つの尺度で測定し、正の値が引張応力に対応し、負の値が圧縮応力に対応する。この尺度では、大きい圧縮応力ほどより小さい負の値で表され、大きい引張応力ほどより大きい正の値で表される。残留応力がゼロの膜は、この尺度においてゼロに対応する。応力は、明確な定義を持つパラメータであり、例えば、KLA−Tencor Corporation社製の「Flexus」というツールを用いて測定が可能である。 Compressive and tensile stresses are measured on a single scale, with positive values corresponding to tensile stress and negative values corresponding to compressive stress. On this scale, a larger compressive stress is represented by a smaller negative value, and a larger tensile stress is represented by a larger positive value. A film with zero residual stress corresponds to zero on this scale. The stress is a parameter having a clear definition, and can be measured using, for example, a tool called “Flexus” manufactured by KLA-Tencor Corporation.
圧縮応力が高い材料は基板の座屈を生じさせる可能性があるが、(材料同士の間の接着力が弱い場合は特に)引張応力の高い材料は層間剥離を生じさせる可能性がある。応力は、どちらの種類であっても、高い値を持つことはハードマスク材料では望ましくない。しかし、本明細書に記載するホウ素含有材料の一部の持つ程度の低い引張応力および中程度の引張応力(例えば、200から600MPa)であれば、同じ大きさの圧縮応力よりは、許容され得る。 Materials with high compressive stress can cause substrate buckling, but materials with high tensile stress can cause delamination (especially if the adhesion between the materials is weak). It is not desirable for a hard mask material to have a high value for either type of stress. However, some low and moderate tensile stresses (eg, 200 to 600 MPa) that some of the boron-containing materials described herein have can be tolerated over the same amount of compressive stress. .
一部の実施形態によると、本明細書に記載するハードマスク膜は、ヤング率が少なくとも約100Mpaで、例えば、少なくとも約125MPaであり、例えば、150Mpa以上である。ヤング率は、ナノ圧痕デバイスを利用する標準的な方法を用いて測定することができる。 According to some embodiments, the hard mask film described herein has a Young's modulus of at least about 100 Mpa, such as at least about 125 MPa, such as 150 Mpa or more. Young's modulus can be measured using standard methods utilizing nanoindentation devices.
本明細書に記載するハードマスク材料は通常、誘電体拡散バリア層およびエッチストップ層として利用される材料とは明確に異なることを理解されたい。誘電体拡散バリア層およびエッチストップ層の材料は通常、硬度が約10GPa未満と比較的軟性の材料で、誘電率が約5未満である。拡散バリア層は完成品である集積回路構造に残り、誘電率は低くなければならない。これに対して、本明細書に記載するハードマスク材料は、誘電率を低くする必要は必ずしもなく、通常は誘電率が約4を超え、約5を超えたり、または、約6を超えたりすることもある。これは、多くの実施形態に係るハードマスクは犠牲層であり、パターニング終了後には構造から完全に除去されるので、最終的な完成品である集積回路の電気特性に影響を及ぼさないためである。完成品にハードマスクが残る実施形態では、誘電率を低くする必要がない箇所、または、誘電率が比較的高い材料も許容する箇所にハードマスクを配置する。また、PECVDで成膜されるハードマスク材料は通常、より軟性且つ低誘電率(low−k)の拡散バリア層の材料よりもはるかに高いプラズマ生成電力で成膜される。構造については、ハードマスク材料は通常、より密に詰め込まれて、より軟性且つ低誘電率(low−k)の拡散バリア層の材料よりも密度が高くなる。 It should be understood that the hard mask materials described herein are typically distinct from the materials utilized as dielectric diffusion barrier layers and etch stop layers. The materials for the dielectric diffusion barrier layer and the etch stop layer are typically relatively soft materials with a hardness of less than about 10 GPa and a dielectric constant of less than about 5. The diffusion barrier layer remains in the finished integrated circuit structure and the dielectric constant must be low. In contrast, the hard mask materials described herein do not necessarily have a low dielectric constant, and typically have a dielectric constant greater than about 4, greater than about 5, or greater than about 6. Sometimes. This is because the hard mask according to many embodiments is a sacrificial layer and is completely removed from the structure after the patterning is completed, so that it does not affect the electrical characteristics of the final integrated circuit. . In the embodiment in which the hard mask remains in the finished product, the hard mask is disposed at a place where it is not necessary to lower the dielectric constant or a material having a relatively high dielectric constant is allowed. Also, the hard mask material deposited by PECVD is typically deposited with a much higher plasma generation power than the softer, lower dielectric constant (low-k) diffusion barrier layer material. In terms of structure, hard mask materials are usually packed more densely and more densely than softer, low dielectric constant (low-k) diffusion barrier layer materials.
多くの実施形態に係るハードマスク材料は、パターニング位置合わせに用いられるレーザの波長(スペクトルの可視領域および近赤外領域の波長、例えば633nm)において略透明である。 The hard mask material according to many embodiments is substantially transparent at the wavelength of the laser used for patterning alignment (wavelength in the visible and near infrared regions of the spectrum, eg, 633 nm).
成膜するハードマスク膜の厚みは多くのパラメータに応じて変動し、例えば、特定のハードマスク材料とその下方にある材料との間のエッチング選択性、エッチングを必要とする下方の材料の厚み、および、エッチングに利用される化学反応等に応じて変動する。一般的には、ハードマスク材料の硬度が高くなり、且つ、エッチング選択性が高くなるにつれて、硬度がより低くエッチング選択性がより低い材料に比べて、成膜される膜は薄くなるとしてよい。また、硬度およびエッチング選択性が共に高い材料によって薄いハードマスク層が形成されると、ハードマスク膜が薄くなると透明度が比較的高くなるので、光学的位置合わせがより良好に行われるようになるという利点がある。一部の実施形態によると、ハードマスク膜は、約100から10,000Åの範囲内、例えば、約500から6,000Åの範囲内の厚みまで成膜される。 The thickness of the hard mask film to be formed varies depending on many parameters, for example, the etching selectivity between a specific hard mask material and the material below it, the thickness of the lower material that requires etching, And it fluctuates according to the chemical reaction etc. used for etching. In general, as the hardness of the hard mask material increases and the etching selectivity increases, the deposited film may be thinner as compared with a material having a lower hardness and lower etching selectivity. In addition, when a thin hard mask layer is formed of a material having both high hardness and etching selectivity, the transparency becomes relatively high when the hard mask film is thinned, so that optical alignment is performed better. There are advantages. According to some embodiments, the hard mask film is deposited to a thickness in the range of about 100 to 10,000 inches, for example, in the range of about 500 to 6,000 inches.
本発明に係る膜は、ビアおよび/またはトレンチのエッチングで利用される化学反応において、誘電体(例えば、誘電率が3.0以下、例えば、2.8以下、または、2.4以下の誘電体)に対するエッチング選択性が高い。エッチングの化学反応の例を挙げると、CxFy(例えば、CF4)、不活性ガス(例えば、Ar)、および、酸化剤(例えば、O2)を含む処理ガスで形成されるプラズマを用いるRIEがある。他のドライエッチング、例えば、Cl2およびN2を含む処理ガスを用いるプラズマエッチングを利用するとしてもよい。一部の実施形態によると、上述のCxFyを含むプラズマエッチング化学反応について、エッチング選択率は、少なくとも約5:1、例えば、少なくとも約8:1(つまり、誘電体のエッチング速度は、ハードマスク材料のエッチング速度に比べて、少なくとも8倍である)になるとしてよい。一部の実施形態に係る膜は、ウェットエッチングでハードマスクとして用いられるとしてもよく、例えば、酸化シリコンベースの材料に対してフッ化物のウェットエッチング化学反応で選択的なウェットエッチングを実行する際のハードマスクとして用いられるとしてもよい。 The film according to the present invention is a dielectric (for example, a dielectric having a dielectric constant of 3.0 or less, such as 2.8 or less, or 2.4 or less) in a chemical reaction used in etching of vias and / or trenches. Etching selectivity to the body). As an example of an etching chemical reaction, a plasma formed by a processing gas containing C x F y (eg, CF 4 ), an inert gas (eg, Ar), and an oxidizing agent (eg, O 2 ) is used. There is RIE to use. Other dry etching, for example, plasma etching using a processing gas containing Cl 2 and N 2 may be used. According to some embodiments, for a plasma etch chemistry comprising C x F y as described above, the etch selectivity is at least about 5: 1, such as at least about 8: 1 (ie, the dielectric etch rate is It may be at least 8 times the etching rate of the hard mask material. The film according to some embodiments may be used as a hard mask in wet etching, for example when performing selective wet etching with a wet etching chemical reaction of fluoride on a silicon oxide based material. It may be used as a hard mask.
本明細書に記載するハードマスク材料が露出した状態でエッチングを実施することができる誘電体としては、酸化シリコン、炭素がドープされた酸化シリコン(SiCOH)、TEOS(テトラエチルオルソシリケート)を用いて成膜された酸化物、さまざまなケイ酸塩ガラス、HSQ(水素シルセスキオキサン、hydrogen silsesquioxane)、MSQ(メチルシルセスキオキサン、methylsilsesquioxane)、ならびに、ポリイミド、ポリノルボルネン、ベンゾシクロブテン等の多孔質および/または有機の誘電体がある。本明細書に記載するハードマスクは、誘電率が2.8以下、例えば、2.4以下であり、機械的強度が低い有機および/または多孔質の誘電体をパターニングする際に用いられることで最も大きな有用性を発揮する。 As a dielectric that can be etched with the hard mask material described in this specification exposed, silicon oxide, silicon-doped silicon oxide (SiCOH), and TEOS (tetraethyl orthosilicate) are used. Filmed oxides, various silicate glasses, HSQ (hydrogen silsesquioxane), MSQ (methyl silsesquioxane), and porous such as polyimide, polynorbornene, benzocyclobutene And / or organic dielectrics. The hard mask described in the present specification is used when patterning organic and / or porous dielectrics having a dielectric constant of 2.8 or less, for example, 2.4 or less and low mechanical strength. Demonstrate the greatest utility.
本明細書に記載されているハードマスク材料は通常、CVDおよびPVDをベースとする様々な方法を用いて成膜されるとしてよい。特に好ましい成膜方法としてPECVD法があり、二重周波数プラズマ生成を行うPECVD法はさらに好ましい。高周波電源および低周波電源を備える装置としては、ノベルス・システムズ(Novellus Systems、米国カリフォルニア州サンノゼ)社製のSEQUEL(登録商標)およびVECTOR(登録商標)がある。低周波無線周波数(RF)電力とは、周波数が100kHzから2MHzの範囲内であるRF電力を意味する。LFプラズマ源の周波数範囲は通常、約100kHzから500kHzの範囲内であり、例えば、400kHzの周波数が利用されるとしてよい。ハードマスク層を成膜している間、LF電力密度は通常、約0.001から1.3W/cm2の範囲内にあり、特定の実施形態では、約0.1から0.7W/cm2である。HF電力の場合は通常、約0.001から1.3W/cm2の範囲内であり、特定の実施形態では、約0.02から0.28W/cm2の範囲内である。高周波電力とは、周波数が2MHzを超えるRF電力を意味する。HFRF電力の周波数は通常、約2MHzから30MHzの範囲内にある。よく用いられるHFRFの周波数値には、13.56MHzおよび27MHzがある。特定の実施形態によると、ハードマスクを成膜する際には、LF/HF電力比を少なくとも約1、例えば、少なくとも約1.5、例えば、少なくとも約2に設定する。 The hard mask materials described herein may typically be deposited using various methods based on CVD and PVD. There is a PECVD method as a particularly preferable film forming method, and a PECVD method that generates dual frequency plasma is more preferable. SEQUEL (registered trademark) and VECTOR (registered trademark) manufactured by Novellus Systems (San Jose, Calif., USA) are examples of devices equipped with a high frequency power source and a low frequency power source. Low frequency radio frequency (RF) power means RF power whose frequency is in the range of 100 kHz to 2 MHz. The frequency range of the LF plasma source is typically in the range of about 100 kHz to 500 kHz, for example, a frequency of 400 kHz may be utilized. During deposition of the hard mask layer, the LF power density is typically in the range of about 0.001 to 1.3 W / cm 2 , and in certain embodiments, about 0.1 to 0.7 W / cm 2. 2 . For HF power, it is typically in the range of about 0.001 to 1.3 W / cm 2 , and in certain embodiments in the range of about 0.02 to 0.28 W / cm 2 . The high frequency power means RF power having a frequency exceeding 2 MHz. The frequency of HFRF power is typically in the range of about 2 MHz to 30 MHz. Commonly used HFRF frequency values include 13.56 MHz and 27 MHz. According to certain embodiments, when depositing the hard mask, the LF / HF power ratio is set to at least about 1, such as at least about 1.5, such as at least about 2.
PECVD法によって成膜する際、反応ガスまたは蒸気は通常、流量を0.001sccmから約10,000sccmの範囲内、好ましくは、約1sccmから約1000sccmの範囲内に設定して、処理チャンバに供給され、基板の台の温度は、約摂氏20度から約摂氏500度、好ましくは、約摂氏200度から約摂氏450度の範囲内とされる。一部の実施形態によると、ハードマスクを成膜する場合は、温度を約摂氏400度未満(例えば、約摂氏200度から約摂氏400度)にすることが好ましい。圧力は、約10mTorrから約100Torrの範囲内とするとしてよく、約0.5Torrから5Torrの範囲内とすることが好ましい。前駆体の流量は、基板およびチャンバのサイズに応じて変動するものと理解されたい。 When forming a film by PECVD, the reaction gas or vapor is usually supplied to the processing chamber with a flow rate set in the range of 0.001 sccm to about 10,000 sccm, preferably in the range of about 1 sccm to about 1000 sccm. The temperature of the substrate stage is in the range of about 20 degrees Celsius to about 500 degrees Celsius, preferably about 200 degrees Celsius to about 450 degrees Celsius. According to some embodiments, when depositing a hard mask, the temperature is preferably less than about 400 degrees Celsius (eg, about 200 degrees Celsius to about 400 degrees Celsius). The pressure may be in the range of about 10 mTorr to about 100 Torr, and is preferably in the range of about 0.5 Torr to 5 Torr. It should be understood that the flow rate of the precursor will vary depending on the size of the substrate and chamber.
<バックエンドプロセスにおける利用>
本明細書に記載する膜は、さまざまなハードマスクとして利用され得る。バックエンドプロセスにおけるハードマスク膜の利用の一例を、図1Aから図1Kに示す構造および図3に示す処理フローチャートを参照しつつ説明する。図3に示す処理フローの一例を参照しつつ説明すると、処理301において誘電体層が露出している基板を用意することから開始される。基板は通常、1以上の材料層(例えば、導電体層または誘電体層)が設けられている半導体(例えば、シリコン)ウェハである。基板の露出部には、ビアおよびトレンチをパターニングする必要がある誘電体層が含まれている。本明細書に記載されているハードマスクは通常、上記で列挙したさまざまな誘電材料をパターニングする際に利用することができる。本明細書に記載するハードマスク材料は、誘電率が2.8以下、例えば、2.4以下のULK誘電体、例えば、機械的強度がより低い多孔質および有機の誘電体をパターニングする際に用いると特に有用性が高い。上述したように、多くの実施形態に係るハードマスクは、応力が非常に低く、機械的強度が低いULK誘電体をパターニングする際に高応力のハードマスク材料を利用した場合には発生することが多い座屈およびパターン位置合わせのミスを大幅に低減することができる。尚、一部の実施形態によると、脆弱なULK誘電体とハードマスクとの間に機械的強度がより高い材料からなるバッファ層を形成することに留意されたい。このように、一部の実施形態によると、供給される基板では、ULK材料の層の上にバッファ層(例えば、機械的強度がより高い誘電体から成る層)が形成されており、露出している。例えば、kが2.8よりも高い誘電体を含むバッファ層を、誘電率がより低く機械的強度がより低い誘電体の上に形成するとしてよい。例えば、炭素がドープされた酸化シリコン(SiCOH)、TEOS(テトラエチルオルソシリケート)を用いて成膜された酸化物、さまざまなケイ酸塩ガラス、HSQ(水素シルセスキオキサン、hydrogen silsesquioxane)、MSQ(メチルシルセスキオキサン、methylsilsesquioxane)から成る群から選択される材料を含むバッファ層を、ポリイミド、ポリノルボルネン、ベンゾシクロブテン等の多孔質および/または有機の誘電体の上に形成するとしてよい。ULK誘電体およびバッファ層用の誘電体は、例えば、スピンオン法またはPECVD法によって成膜されるとしてよい。一部の実施形態によると、ULK誘電体および/またはバッファ層は、その上に成膜されるハードマスク層と同じPECVDモジュールで成膜される。この点は、成膜にPVDモジュールが必要な窒化チタンのハードマスクに比べて、さらなる利点となる。処理303では、PECVD処理チャンバにおいて誘電体層(または、同じく誘電体で通常形成されるバッファ層)の上にハードマスク材料を成膜する。続いて、1以上の反射防止層、例えば、裏面反射防止コーティング(BARC)を任意で成膜して、その後に処理305においてハードマスクの上方にフォトレジストを成膜する。尚、ハードマスクとフォトレジストとの間に通常1以上の反射防止層が形成されるので、フォトレジストは必ずしもハードマスク材料と直接接触している必要はない。次の処理307では、成膜したハードマスクおよびリソグラフィーパターニング技術を用いて、誘電体層内にビアおよび/またはトレンチをエッチングする。適切なエッチング方法としては、上述したRIEがある。RIEによると、エッチングの選択性が高いハードマスクが露出した状態で、誘電体材料をエッチングする。
<Use in back-end process>
The films described herein can be utilized as various hard masks. An example of the use of the hard mask film in the back-end process will be described with reference to the structure shown in FIGS. 1A to 1K and the process flowchart shown in FIG. The process will be described with reference to an example of the process flow shown in FIG. 3. The
さまざまなリソグラフィー工程には、複数のフォトレジスト層の成膜および除去、充填層の成膜等が含まれ、これらに基づき所望のパターンの凹状のフィーチャーを形成する。このようなリソグラフィー工程は、公知であり、詳細な説明を省略する。トレンチをまず画定した後に部分ビアを形成する工程を、一例として、図1Aから図1Kで示す。しかし、バックエンドプロセスではこれら以外にもさまざまな工程が実施されるものと理解されたい。ビアおよび/またはトレンチが形成された後、処理309において、ビアおよび/またはトレンチに金属を充填(例えば、銅または銅合金を電着)し、処理311において、例えばCMPまたは適切なウェットエッチングあるいはドライエッチングによって、ハードマスク膜を除去する。一部の実施形態によると、過酸化物を含むウェットエッチング用合成物またはCMP用合成物(例えば、過酸化水素を含む酸性スラリー)を用いてハードマスクを除去することが好ましい。
Various lithography processes include the formation and removal of a plurality of photoresist layers, the formation of a fill layer, and the like, and based on these, concave features having a desired pattern are formed. Such a lithography process is known and will not be described in detail. The process of forming the partial via after first defining the trench is shown in FIGS. 1A to 1K as an example. However, it should be understood that various other steps are performed in the back-end process. After the vias and / or trenches are formed, in
図1Aから図1Kは、処理工程の一例に係る、バックエンド処理時の製造途中の半導体基板を示す概略断面図である。図1Aは、第1の誘電体層103(例えば、ULK誘電体層)に銅層101が埋設されている半導体基板(下層を成すシリコン層および能動素子は不図示)の一部分を示す図である。尚、拡散バリア層105(例えば、Ta、Ti、W、TaNx、TiNx、WNx、または、これらの混合物を含む)が、誘電体層と銅層との間の界面に設けられている。窒化シリコンまたは窒素でドープされたシリコンカーバイドから成る誘電体拡散バリア層(エッチストップ層とも呼ばれる)107が、銅101および誘電体103の上に設けられている。第2の誘電体層109(例えば、スピンオン法またはPECVD方で成膜されるULK誘電体)が、誘電体拡散バリア層107の上に設けられている。誘電体層109は機械的強度が低く、ハードマスク成膜時に損傷を受ける可能性があるので、機械的強度がより高い誘電体バッファ層111、例えば、TEOS誘電体または炭素でドープされている酸化シリコン(SiCOH)を層109上に成膜する。ハードマスク層113は、本明細書で記載される高硬度材料を含み、PECVD法によってバッファ層111上に成膜される。誘電体拡散バリア層107とは違い、ハードマスク層113は、金属が露出していない面に成膜される。ハードマスク層113上には、スピンオン法でフォトレジスト層115を成膜する。ハードマスクとフォトレジストとの間には通常、1以上の反射防止層を即座に成膜する。反射防止層は、分かりやすさを優先して、図示していない。
1A to 1K are schematic cross-sectional views showing a semiconductor substrate in the middle of manufacturing during back-end processing according to an example of processing steps. FIG. 1A is a diagram illustrating a portion of a semiconductor substrate (the underlying silicon layer and active elements are not shown) in which a
フォトレジスト115は、成膜した後に標準的なリソグラフィー技術を用いてパターニングされ、後にトレンチを形成する際に利用される幅tの開口が形成される。フォトレジスト層115にパターニングを実施した結果を図1Bに示す。続いて、除去されたフォトレジストの下方にあるハードマスク層113を開口(エッチング)して、図1Cに示すように、誘電体111を露出させたパターンを形成する。ハードマスクの残りの部分は、フォトレジストを除去する際および後に誘電体をエッチングする際に誘電体を保護する役目を持つ。続いて、フォトレジスト層115を、例えば、アッシングによって除去し、パターニングされたハードマスク113が露出している構造を形成する。この段階において、ビアを形成するためのパターニングを開始する。ビアのパターニングでは、HSQまたはMSQ等の除去が容易な誘電体を含む充填層117を構造表面に成膜して、図1Eに示すようにハードマスクの開口を充填する。続いて、充填層117の上に第2のフォトレジスト層119を成膜して(任意で間に反射防止層を設けるとしてもよい)、図1Fに示す構造を形成する。この後、フォトレジスト119をパターニングして、図1Gに示すように、ビアの形成に利用される幅Vの開口を形成する。続いて、例えばRIEを用いて、フォトレジストパターンの下方のハードマスクを除去して、誘電体109をエッチングしてビアの一部を形成する。フォトレジスト119および充填層117を除去して、図1Hに示すように、一部分がエッチングで形成されたビアおよび画定されたトレンチを含む構造を形成する。続いて、図1Iに示すように、ビアがエッチストップ層107に到達するまで誘電体層111および109のエッチングを実施して、その後もビアの底部に金属層101が露出するまでエッチングを続ける。この後、PVDを用いて形状に沿って拡散バリア材料層105を成膜して、基板のうち凹状のフィーチャーの内部およびフィールド領域を被覆させる。この後、凹状のフィーチャーを金属121で充填(例えば、銅または銅合金を電着)すると、ある程度は過剰部分がフィールドに形成されることが多く、図1Jに示す構造が得られる。続いて、当該構造のフィールド領域から、過剰に形成された金属部分、拡散バリア材料層105、ハードマスク層113、および、誘電バッファ層111を除去して、図1Kに示すように、low−k誘電体層109内に金属インターコネクトが形成されている製造途中デバイスを形成する。別の処理方法によると、バッファ層111は除去されず、基板上に残る。
The
図1Aから図1Kに示すような部分ビアを形成する工程を含む処理工程は、low−k誘電体の場合に利用可能なパターニング方法の一例を説明するために挙げている。本明細書に記載するハードマスク材料は、ビアを先に形成する場合、および、トレンチを先に形成する場合のどちらをも含む、上記以外にもさまざまな処理方法で利用することが可能である。 The processing steps including the step of forming a partial via as shown in FIGS. 1A to 1K are given to describe an example of a patterning method that can be used in the case of a low-k dielectric. The hard mask materials described herein can be used in a variety of processing methods other than those described above, including both the formation of vias first and the formation of trenches first. .
<フロントエンドプロセスでの利用>
本明細書に記載するハードマスクの利用の別の一例として、フロントエンドプロセスにおいてポリシリコンを保護するために用いる場合がある。ポリシリコンは、半導体ウェハ上に能動素子(例えば、トランジスタ)を形成する際に広く利用されている。一部の実施形態によると、本明細書に記載するハードマスク材料は、ポリシリコン上に成膜され、能動素子を製造する際に利用されるさまざまな処理工程を実施する際にポリシリコンを保護する役割を果たす。多くの実施形態によると、本明細書に記載されるハードマスク層は、フロントエンドプロセスにおいて利用される場合、犠牲層として利用されるのではなく、ポリシリコンと接触した状態で最終デバイスにも残ることに留意されたい。
<Use in front-end process>
Another example of the use of the hard mask described herein may be used to protect polysilicon in a front-end process. Polysilicon is widely used in forming active devices (eg, transistors) on a semiconductor wafer. According to some embodiments, the hardmask material described herein is deposited on polysilicon to protect the polysilicon during various processing steps utilized in manufacturing active devices. To play a role. According to many embodiments, the hard mask layer described herein is not utilized as a sacrificial layer when used in a front-end process, but remains in the final device in contact with the polysilicon. Please note that.
フロントエンドプロセスの一例は、図4の処理フローチャートに示すと共に、図2Aから図2Eに示す製造途中の構造の概略断面図でもさらに図示する。図4を参照しつつ説明すると、処理401から開始され、酸化物(例えば、酸化シリコン、酸化ハフニウム等)の層の上にポリシリコン層が設けられて露出している基板を供給する。他の実施形態によると、ポリシリコンは他の能動層の上に設けられているとしてもよい。酸化物は通常、単結晶シリコン層の上に設けられている。酸化物層およびポリシリコン層をパターニングする際には、ポリシリコン層の上にハードマスク層を2層成膜する。第1のハードマスクは、処理403に示すように、ポリシリコン層の上に直接成膜され、SiCx(ドープされているとしてもよいし、ドープされていないとしてもよい)、SixByCz、SixByNz、SixByCzNw、BxNy、BxCy、および、GeNx等の本明細書に記載する材料を含む。ハードマスクの成膜は、CVD法、より好ましくはPECVD法を用いて実施する。続いて、処理405に示すように、第1のハードマスク層の上にアッシング可能ハードマスク(例えば、基本的に炭素から成り、任意で水素が含まれているハードマスク)を成膜する。アッシング可能ハードマスクの成膜もまた、CVD法、例えば、炭化水素前駆体を用いたPECVD成膜法によって実施されるとしてよい。続いて、処理407に示すように、アッシング可能ハードマスクの上方にフォトレジスト層を成膜して、当該フォトレジストを所望のパターンに応じてパターニングする。アッシング可能ハードマスクとフォトレジストとの間には1以上の反射防止層を任意で成膜するとしてもよいが、このような反射防止層は分かりやすいように図示を省略している。パターニング前のフォトレジストを含む構造の一例を図2Aに示す。尚、層201は単結晶シリコン層である。シリコン層201の上に設けられている層203は、酸化物層である。酸化物層203の上に設けられている層205は、ポリシリコン層である。本明細書に記載されているハードマスク材料207は、ポリシリコン205の上に直接設けられており、アッシング可能ハードマスク(例えば、炭素ハードマスク)209は、第1のハードマスク層207の上に設けられている。アッシング可能ハードマスク209の上にはフォトレジスト層211が設けられている(間に任意で設けられる反射防止層は図示していない)。フォトレジストをパターニングした後の構造を図2Bに示すが、フォトレジストから2つの部分が除去されており、その間の部分が残っている。
An example of the front-end process is shown in the process flowchart of FIG. 4 and is further illustrated in the schematic cross-sectional views of the structure in the middle of manufacture shown in FIGS. 2A to 2E. Referring to FIG. 4, starting with
図4を参照した説明に戻ると、続く処理409では、アッシング可能ハードマスクを用いてパターニングを行って、ポリシリコン層および酸化物層にエッチングを実施して所望のパターンを形成する。この様子は図2Cから2Eに示す。図2Cに示す構造では、アッシング可能ハードマスク層209は、フォトレジストパターニングで露出した部分が開口(エッチング)されている。続いて、フォトレジスト211を全て除去して、第1のハードマスク層207、ポリシリコン層205、および酸化物層203のうち、アッシング可能ハードマスク層209で保護されていない部分をエッチングすると、図2Dに示す構造が得られる。
Returning to the description with reference to FIG. 4, in a
図4を参照した説明に戻ると、処理411において、SiCx(ドープされているとしてもよいし、ドープされていないとしてもよい)、SixByCz、SixByNz、SixByCzNw、BxNy、BxCy、および、GeNxから成る群から選択される材料を含む第1のハードマスク層をポリシリコン層の上に残しつつ、例えば、酸素プラズマ処理によってアッシング可能ハードマスクを除去する。この結果得られる構造は図2Eに示す。ハードマスク層207は、この後のフロントエンドプロセスでも除去されることなく残り、結晶シリコンへドーパントを注入する際など、さまざまな後続の処理においてポリシリコンを保護する役割を果たす。尚、上述した処理手順において、本明細書に記載するハードマスク材料は実際のマスキング処理を行うものではなく(実際のマスキング処理はアッシング可能ハードマスク209が担う)、主にポリシリコンを保護するために用いられることに留意されたい。集積化方法によっては、ハードマスク207は、後続のフロントエンドの処理、例えば、洗浄のためのドライエッチングあるいはウェットエッチング、または、ゲートを画定するための酸化物エッチングでマスキング処理を行うべく利用されるとしてもよい。本明細書に記載するハードマスク材料は、利用される集積化方法に応じて、完成品であるデバイスからは最終的に除去されるとしてもよいし、残されるとしてもよい。
Returning to the description with reference to FIG. 4, in
上述したバックエンドプロセスおよびフロントエンドプロセスは一例として記載したものであり、本明細書に記載する材料は、上記以外にも、下方の層を保護するために高硬度の材料が求められるさまざまな処理で利用可能であると理解されたい。 The back-end process and front-end process described above are described by way of example, and the materials described in this specification are not limited to the above, but various processes that require a high-hardness material to protect the lower layer. It should be understood that it is available in
適切なハードマスク材料の準備について以下で詳細に説明する。 The preparation of a suitable hard mask material is described in detail below.
<多層シリコンカーバイド膜>
一実施形態によると、高硬度且つ低応力の多層シリコンカーバイド膜が提供される。具体的には、一部の実施形態によると、多層シリコンカーバイド膜は、硬度が約12GPaよりも高く、例えば、約18GPaよりも高く、応力は、約−600MPaから600MPaの範囲内であり、例えば、約−300MPaから300MPaの範囲内である。多層シリコンカーバイド膜は、ドープされているシリコンカーバイド材料、または、ドープされていないシリコンカーバイド材料の副層を複数成膜して、副層を成膜する度に高密度化プラズマ後処理を実行することによって形成される。
<Multilayer silicon carbide film>
According to one embodiment, a high hardness and low stress multilayer silicon carbide film is provided. Specifically, according to some embodiments, the multilayer silicon carbide film has a hardness greater than about 12 GPa, such as greater than about 18 GPa, and the stress is in the range of about −600 MPa to 600 MPa, such as In the range of about -300 MPa to 300 MPa. A multilayer silicon carbide film forms a plurality of sublayers of doped silicon carbide material or undoped silicon carbide material, and performs a densified plasma post-treatment each time a sublayer is formed. Formed by.
シリコンカーバイドの成膜はさまざまな方法を用いて実行することができるが、一部の実施形態によると、副層の成膜およびプラズマ後処理を1つのPECVD装置で実行することが好ましい。それぞれの副層の厚みは通常、材料をより完全に高密度化するべく約100Å未満、例えば、約50Å未満である。成膜処理では、適切な厚みのハードマスクを形成する任意の数の副層を形成して、プラズマ処理を実行する。一部の実施形態によると、少なくとも2層の副層、例えば、少なくとも10層の副層、または、少なくとも約20層の副層を成膜する。 Silicon carbide deposition can be performed using a variety of methods, but according to some embodiments, it is preferable to perform sublayer deposition and post-plasma treatment in a single PECVD apparatus. The thickness of each sublayer is typically less than about 100 mm, such as less than about 50 mm, to more fully densify the material. In the film forming process, an arbitrary number of sublayers for forming a hard mask with an appropriate thickness are formed, and plasma processing is performed. According to some embodiments, at least two sublayers are deposited, for example, at least 10 sublayers, or at least about 20 sublayers.
多層シリコンカーバイド膜を形成するための処理フローチャートの一例を図5Aに示す。処理501では、半導体基板(例えば、誘電体層またはポリシリコン層が露出している基板)をPECVD処理チャンバに供給する。PECVD処理チャンバは、前駆体導入口と、プラズマ生成器とを備える。一部の実施形態によると、HF生成部およびLF生成部を有する二重周波数RFプラズマ生成器が好ましい。
An example of a process flowchart for forming a multilayer silicon carbide film is shown in FIG. 5A. In
処理503では、ドープされているシリコンカーバイドまたはドープされていないシリコンカーバイドから成る第1の副層を形成する。当該成膜処理では、シリコン含有前駆体を処理チャンバ内に注入してプラズマを形成する。一例を挙げると、HFRF周波数が約13.56MHzで、LFRF周波数が400kHzである二重周波数プラズマが利用される。本例によると、HF電力密度は約0.04から0.2W/cm2の範囲内であり、LF電力密度は約0.17から0.6W/cm2の範囲内である。 Process 503 forms a first sub-layer of doped silicon carbide or undoped silicon carbide. In the film forming process, a silicon-containing precursor is injected into a processing chamber to form plasma. As an example, a dual frequency plasma having an HFRF frequency of about 13.56 MHz and an LFRF frequency of 400 kHz is used. According to this example, HF power density in the range of about 0.04 to 0.2W / cm 2, LF power density is in the range of about 0.17 to 0.6 W / cm 2.
さまざまなシリコン含有前駆体を利用するとしてよいが、例えば、アルキルシラン、アルケニルシラン、および、アルキニルシラン等の有機シリコン前駆体を利用するとしてよい。一部の実施形態によると、テトラメチルシラン、トリイソプロピルシラン、および、1,1,3,3−テトラメチル1,3−ジシラシクロブタン等の飽和した前駆体が好ましい。
Various silicon-containing precursors may be utilized, for example, organosilicon precursors such as alkyl silanes, alkenyl silanes, and alkynyl silanes may be utilized. According to some embodiments, saturated precursors such as tetramethylsilane, triisopropylsilane, and 1,1,3,3-
一部の実施形態に係るシリコン含有前駆体は、上述の例のように炭素を含む。他の実施形態によると、炭素を含まないシリコン含有前駆体(例えば、シラン)と、これとは別に用意した炭素含有前駆体(例えば、炭化水素)とを処理ガスに含めて利用するとしてよい。また、一部の実施形態によると、処理ガスは、炭化水素および有機シリコン前駆体を含むとしてもよい。 The silicon-containing precursor according to some embodiments includes carbon as in the above example. According to another embodiment, a silicon-containing precursor (for example, silane) that does not contain carbon and a carbon-containing precursor (for example, hydrocarbon) prepared separately may be included in the processing gas. Also, according to some embodiments, the process gas may include hydrocarbons and organosilicon precursors.
シリコン含有前駆体は通常、キャリアガスと共に、例えば、He、Ne、Ar、KrまたはXe等の不活性ガスと共に処理チャンバに導入される。一部の実施形態によると、H2を成膜用の処理ガスに含めるとしてもよい。一例によると、成膜用の処理ガスは基本的に、テトラメチルシラン(流量は約500から2,000sccmの範囲内)およびヘリウム(流量は約3から5slm)から成る。 The silicon-containing precursor is typically introduced into the processing chamber with a carrier gas, for example, with an inert gas such as He, Ne, Ar, Kr or Xe. According to some embodiments, H 2 may be included in the deposition process gas. According to one example, the deposition process gas basically consists of tetramethylsilane (flow rate in the range of about 500 to 2,000 sccm) and helium (flow rate of about 3 to 5 slm).
ドープされたシリコンカーバイドの層を形成する必要がある場合、適切なドーパントを処理ガスに追加する。例えば、N2、NH3、N2H4、アミン、または、別の窒素含有前駆体を処理ガスに追加して、窒素ドープされているシリコンカーバイドを形成する。ジボラン等のホウ素含有前駆体を追加して、ホウ素含有シリコンカーバイドを形成するとしてもよい。リン含有前駆体(例えば、PH3)を追加して、リンドープされたシリコンカーバイドを形成するとしてもよい。 If it is necessary to form a layer of doped silicon carbide, an appropriate dopant is added to the process gas. For example, N 2 , NH 3 , N 2 H 4 , an amine, or another nitrogen-containing precursor is added to the process gas to form nitrogen-doped silicon carbide. A boron-containing precursor such as diborane may be added to form a boron-containing silicon carbide. A phosphorus-containing precursor (eg, PH 3 ) may be added to form phosphorus-doped silicon carbide.
プラズマを生成してシリコンカーバイドの副層を所望の厚みまで形成すると、処理505において、シリコン含有前駆体を処理チャンバから除去する。シリコン含有前駆体の除去は、一部の実施形態によると、不活性ガス(例えば、He、Ar)、CO2、N2、NH3、H2および、これらの混合ガスから成る群から選択されるガスを含むパージガスで処理チャンバをパージすることによって行われる。一部の実施形態によると、He、Ar、H2、または、これらのさまざまな混合ガスがパージガスとして好ましい。処理507において、シリコン含有前駆体を全て除去した後、プラズマ処理用のガス(パージガスと同じガスであってもよいし異なるガスであってもよい)を処理チャンバに導入して、第1の副層をプラズマで処理する。この場合、LF/HF電力比が少なくとも約1.5、例えば、少なくとも約2となる条件でプラズマ処理を行うことが好ましい。処理509では、成膜およびプラズマ後処理を繰り返し実施して、少なくとも副層を2層、例えば、少なくとも10層含む多層膜を形成する。副層それぞれに対するプラズマ後処理は、膜の高密度化に必要な時間にわたって実行され、副層の厚みに応じて決まるとしてよい。一部の実施形態によると、それぞれの副層に対するプラズマ後処理は、約5から25秒間、例えば、約8から15秒間にわたって実行される。
Once the plasma is generated to form the silicon carbide sublayer to the desired thickness, the
この結果得られる多層シリコンカーバイド膜は、構造および特性が従来のシリコンカーバイド膜とは明らかに異なることが分かっている。高密度化プラズマ後処理を複数回実行して得られる多層膜は、従来の成膜方法では無理であったが、高硬度且つ低応力を同時に実現することができるという予想外の事実が判明している。 The resulting multilayer silicon carbide film has been found to be clearly different in structure and properties from conventional silicon carbide films. A multilayer film obtained by performing multiple densification plasma post-treatments was not possible with the conventional film formation method, but the unexpected fact that high hardness and low stress can be realized at the same time was found. ing.
このような多層膜の構造特性評価によると、赤外(IR)スペクトルの特徴として、Si−C/Si−Hピーク比およびSi−C/C−Hピーク比が高い。これらのピーク比は、対応するIRピーク面積の比であり、中心は約760−800cm−1(Si−C)、2070−2130cm−1(Si−H)、および、2950−3000cm−1(C−H)にある。 According to the structural characteristic evaluation of such a multilayer film, the Si—C / Si—H peak ratio and the Si—C / C—H peak ratio are high as a feature of the infrared (IR) spectrum. These peak ratios are the ratios of the corresponding IR peak areas, with the centers at about 760-800 cm −1 (Si—C), 2070-2130 cm −1 (Si—H), and 2950-3000 cm −1 (C -H).
一部の実施形態によると、IRスペクトルにおけるC−Hピークの面積に対するSi−Cピークの面積の比は、少なくとも約50であり、Si−C/Si−H比は少なくとも約20である。また、本明細書に記載する膜の密度は通常、少なくとも約2g/cm3である。 According to some embodiments, the ratio of the Si—C peak area to the C—H peak area in the IR spectrum is at least about 50 and the Si—C / Si—H ratio is at least about 20. Also, the density of the films described herein is typically at least about 2 g / cm 3 .
図5Bは、プラズマ後処理を実施せずに得られた単層型のドープされていないシリコンカーバイド膜のIRスペクトル(曲線a)および高密度化プラズマ処理を複数回行って得られた多層型のドーピングされていないシリコンカーバイド膜のIRスペクトル(曲線b)を示す図である。単層膜は、テトラメチルシラン(流量は1,000sccm)およびヘリウム(流量は3,000sccm)を含む処理ガスを2.1Torrの圧力で注入することによって300mmのウェハに成膜された。成膜時には、LF電力密度を約0.25W/cm2でHF電力密度を約0.13W/cm2に設定した二重周波数プラズマを用いた。多層膜の場合は、副層を成膜する際には同じ条件で成膜したが、副層を成膜する度にプラズマ後処理を追加で実行した。プラズマ後処理では、流量は3slm、チャンバ圧力は2.1Torrにして後処理ガスとしてアルゴンを処理チャンバに導入して、LF電力密度を約0.25W/cm2、HF電力密度を約0.13W/cm2とした二重周波数プラズマを形成した。この結果得られた単層膜は、SiC/SiH面積比が約15となった。高密度化プラズマ処理を複数回行って形成した多層膜は、SiC/SiHのIRピーク面積比が約24となった。多層膜は、ヤング率が約170GPaで、硬度は約20.4GPaであるが、単層膜は、ヤング率が約95Gpaで、硬度は約12GPaに過ぎなかった。応力値については、単層膜は−20MPa、多層膜は179MPaとなった。 FIG. 5B shows an IR spectrum (curve a) of a single layer type undoped silicon carbide film obtained without performing plasma post-treatment and a multilayer type obtained by performing multiple densification plasma treatments. It is a figure which shows IR spectrum (curve b) of the silicon carbide film | membrane which is not doped. The monolayer film was formed on a 300 mm wafer by injecting a processing gas containing tetramethylsilane (flow rate: 1,000 sccm) and helium (flow rate: 3,000 sccm) at a pressure of 2.1 Torr. At the time of film formation, a dual frequency plasma having an LF power density of about 0.25 W / cm 2 and an HF power density of about 0.13 W / cm 2 was used. In the case of a multilayer film, the sublayer was formed under the same conditions, but an additional plasma post-treatment was performed each time the sublayer was formed. In the plasma post-treatment, the flow rate is 3 slm, the chamber pressure is 2.1 Torr, argon is introduced into the treatment chamber as a post-treatment gas, the LF power density is about 0.25 W / cm 2 , and the HF power density is about 0.13 W. A dual frequency plasma of / cm 2 was formed. The resulting single layer film had an SiC / SiH area ratio of about 15. The multilayer film formed by performing the densified plasma treatment a plurality of times has an IR peak area ratio of SiC / SiH of about 24. The multilayer film had a Young's modulus of about 170 GPa and a hardness of about 20.4 GPa, while the single-layer film had a Young's modulus of about 95 GPa and a hardness of only about 12 GPa. Regarding the stress values, the single layer film was −20 MPa, and the multilayer film was 179 MPa.
図5Cは、高密度化プラズマ後処理を複数回行って得られる多層型のドープされていない2種類のシリコンカーバイド膜の応力値および硬度値、ならびに、後処理を実行することなく形成された単層型のドープされていない2種類のシリコンカーバイド膜についての応力値および硬度値を示す図である。図5Dは、上記と同じシリコンカーバイド膜の応力およびヤング率を示す図である。表1は、それぞれのシリコンカーバイド膜の成膜条件および後処理条件をまとめたものである。
いずれのシリコンカーバイド膜も、成膜処理ガスとしてテトラメチルシランおよびヘリウムの混合ガスを利用して、圧力は約2Torrに設定して得られた。いずれのシリコンカーバイド膜を成膜する場合にも、二重周波数プラズマ生成を利用した。HFプラズマ電力密度およびLFプラズマ電力密度を表に記載しているが、電力密度は、電力を基板面積で除算して算出している。膜Aおよび膜Dは、プラズマ後処理を実行することなく形成された単層膜である。膜Aおよび膜Dは高硬度および低応力を同時には実現できていないことが分かる。例えば、膜Aは、硬度は比較的高い(22.4GPa)が、圧縮応力が−830MPaと非常に高い。膜Dは、応力は低い(−20MPa)が、12GPaという硬度は中程度に過ぎない。 All the silicon carbide films were obtained by using a mixed gas of tetramethylsilane and helium as a film forming process gas and setting the pressure to about 2 Torr. In forming any silicon carbide film, double frequency plasma generation was used. The HF plasma power density and LF plasma power density are listed in the table, and the power density is calculated by dividing the power by the substrate area. Film A and film D are single layer films formed without performing plasma post-treatment. It can be seen that the films A and D cannot simultaneously achieve high hardness and low stress. For example, the film A has a relatively high hardness (22.4 GPa), but has a very high compressive stress of -830 MPa. The film D has a low stress (−20 MPa), but the hardness of 12 GPa is only moderate.
膜Bおよび膜Cは、多層膜であり、シリコンカーバイドの副層が成膜される度にプラズマ後処理が実行されて形成された。プラズマ処理ガスとしてはアルゴンが利用され、圧力は約2Torrとされた。プラズマ後処理では、二重周波数プラズマ生成が利用された。HFプラズマおよびLFプラズマの電力密度はそれぞれ表に記載している。予想外であるが、多層膜は、高硬度(および/または高ヤング率)ならびに低応力を同時に実現することが分かった。例えば、膜Bは、硬度が20.86GPaで応力は−412MPa(膜Aの応力の2分の1未満)である。また、多層膜である膜Cは、硬度が20.4GPaと高く、引張応力は179MPaである。膜Cの硬度は、膜Dの硬度の1.5倍以上である。尚、プラズマ後処理の有無を除いては、膜Cおよび膜Dは同じ条件下で成膜されていることに留意されたい。プラズマ後処理を実行することによって、膜の圧縮応力を増加させてしまうことなく膜の硬度を高くできることが分かる。 Films B and C were multilayer films, and were formed by performing plasma post-treatment each time a silicon carbide sublayer was formed. Argon was used as the plasma processing gas, and the pressure was about 2 Torr. In plasma post-treatment, dual frequency plasma generation was utilized. The power density of HF plasma and LF plasma is listed in the table. Unexpectedly, it has been found that the multilayer film simultaneously achieves high hardness (and / or high Young's modulus) and low stress. For example, the film B has a hardness of 20.86 GPa and a stress of −412 MPa (less than a half of the stress of the film A). The film C which is a multilayer film has a high hardness of 20.4 GPa and a tensile stress of 179 MPa. The hardness of the film C is 1.5 times or more of the hardness of the film D. Note that the films C and D are formed under the same conditions except for the presence or absence of plasma post-treatment. It can be seen that by performing the plasma post-treatment, the hardness of the film can be increased without increasing the compressive stress of the film.
一部の実施形態によると、LF電力をHF電力よりも大きく設定して、LF/HF電力比が少なくとも約1.5、または、少なくとも約2になるように設定する二重周波数プラズマを利用した後処理を、シリコンカーバイドの副層に対して実行することが好ましい。予想外の結果であったが、後処理を実行する際に利用するLF電力/HF電力の比を大きくすると、形成されるシリコンカーバイド膜の特性が改善される。LF電力/HF電力の比を大きくすると、形成されるシリコンカーバイド膜の硬度と正の相関関係があるパラメータである屈折率が大きくなる。一部の実施形態によると、屈折率が少なくとも約2.25、例えば、少なくとも約2.30である多層シリコンカーバイド膜が得られる。LF/HF電力比の増加に伴いシリコンカーバイド膜の屈折率が増加する様子を表2に示す。
<ホウ素含有ハードマスク膜>
別の側面によると、ホウ素含有ハードマスク膜が提供される。ボロン含有膜は、SixByCz、SixByNz、SixByCzNw、BxNy、およびBxCyから成る群から選択される材料を含む。一部の実施形態によると、上記の材料は、硬度が高くなり(例えば、少なくとも約12GPa、好ましくは少なくとも約16GPa)、且つ、応力が低く(例えば、約−600から600MPaの範囲内、好ましくは、約−300から300MPaの範囲内)なるように調整されている。一部の実施形態には、圧縮応力がゼロであるホウ素含有膜、例えば、引張応力が非常に低い(例えば、約0−300Mpaの範囲内の)膜が得られるという利点がある。また、ホウ素含有膜は通常、ドープされていないシリコンカーバイド膜よりも親水性が高く、(例えば、過酸化水素を含む酸性スラリーを利用した)CMPによる除去がより容易に行うことができる。一般的には、ホウ素含有ハードマスクは、CVDおよびPVDをベースとする方法を含むさまざまな方法によって用意することができる。一部の実施形態によると、ホウ素含有ハードマスクを用意する際にはPECVDを利用することが好ましい。
<Boron-containing hard mask film>
According to another aspect, a boron-containing hard mask film is provided. The boron-containing film includes a material selected from the group consisting of Si x B y C z , Si x B y N z , Si x B y C z N w , B x N y , and B x C y . According to some embodiments, the material has a high hardness (eg, at least about 12 GPa, preferably at least about 16 GPa) and a low stress (eg, in the range of about −600 to 600 MPa, preferably , Approximately in the range of −300 to 300 MPa). Some embodiments have the advantage that a boron-containing film with zero compressive stress, eg, a film with very low tensile stress (eg, in the range of about 0-300 Mpa), is obtained. Also, boron-containing films are usually more hydrophilic than undoped silicon carbide films and can be more easily removed by CMP (eg, using an acidic slurry containing hydrogen peroxide). In general, boron-containing hard masks can be prepared by a variety of methods including CVD and PVD based methods. According to some embodiments, it is preferred to utilize PECVD when preparing the boron-containing hard mask.
図6Aは、バックエンドプロセスにおいてホウ素含有ハードマスクを利用する処理フローの一例である。処理601において、PECVD処理チャンバに誘電体層が露出している半導体基板を供給することから開始される。当該誘電体層は、例えば、超低誘電率(low−k)誘電体層(例えば、kは約2.8未満、例えば、約2.4未満)、または、これより誘電率が高いバッファ誘電体層であってよい。
FIG. 6A is an example of a process flow that utilizes a boron-containing hard mask in a back-end process.
処理601において、SixByCz、SixByNz、SixByCzNw、BxNy、およびBxCyから成る群から選択される、高硬度且つ低応力のホウ素含有ハードマスク膜を成膜する。成膜は、適切な前駆体を含む処理ガスを処理チャンバに導入してプラズマを形成することによって実行される。一部の実施形態によると、二重周波数プラズマが好ましい。一部の実施形態によると、LFプラズマの電力密度をHFプラズマの電力密度よりも大きくして、例えば、LF/HF電力比を少なくとも約1.5、例えば、少なくとも約2にすると、ハードマスク膜のパラメータが特に良好になる。 High hardness and low stress selected from the group consisting of Si x B y C z , Si x B y N z , Si x B y C z N w , B x N y , and B x C y in process 601. A boron-containing hard mask film is formed. Film formation is performed by introducing a processing gas containing a suitable precursor into a processing chamber to form a plasma. According to some embodiments, dual frequency plasma is preferred. According to some embodiments, when the power density of the LF plasma is greater than the power density of the HF plasma, eg, the LF / HF power ratio is at least about 1.5, such as at least about 2, the hard mask film The parameters are particularly good.
ホウ素含有ハードマスク膜を成膜した後、処理605において、例えば、図1Aから図1Kを参照しつつ説明したように、誘電体をパターニングして、トレンチおよび/またはビアを形成する。ホウ素含有膜は、RIEで誘電体をドライエッチングする場合に、ハードマスクの役割を果たす。続いて、処理607において、ビアおよび/またはトレンチは、誘電体に形成された後、金属で充填される。この後、処理609において、通常は金属の過剰部分を除去した後に、CMPによってホウ素含有ハードマスクを除去する。
After depositing the boron-containing hard mask film, in
PECVDを利用したSixByCzの成膜は、シリコン含有前駆体、ホウ素含有前駆体、および、炭素含有前駆体を含む処理ガスを用いて実行することができる。これらの前駆体のうち1以上の前駆体は、同じ分子であってよい。例えば、テトラアルキルシランは、炭素含有前駆体およびシリコン含有前駆体の両方の機能を持つ。ホウ素含有前駆体として通常利用されるのはジボランであり、シリコン含有前駆体および炭素含有前駆体として利用され得るのは、アルキルシラン(例えば、テトラメチルシラン)、アルケニルシラン、および、アルキニルシランがある。また、炭素含有前駆体としては飽和炭化水素および不飽和炭化水素(CxHy)を利用でき、シリコン含有前駆体としてはSiH4を利用することができる。 The film formation of Si x B y C z using PECVD can be performed using a processing gas including a silicon-containing precursor, a boron-containing precursor, and a carbon-containing precursor. One or more of these precursors may be the same molecule. For example, tetraalkylsilanes function as both carbon-containing precursors and silicon-containing precursors. Diborane is commonly used as a boron-containing precursor, and alkylsilanes (eg, tetramethylsilane), alkenylsilanes, and alkynylsilanes can be used as silicon-containing and carbon-containing precursors. . In addition, saturated hydrocarbons and unsaturated hydrocarbons (C x H y ) can be used as the carbon-containing precursor, and SiH 4 can be used as the silicon-containing precursor.
SixByCzNwの成膜は、シリコン含有前駆体、ホウ素含有前駆体、炭素含有前駆体(上記と同様)、および窒素含有前駆体を含む処理ガスにおいてプラズマを形成することによって、実行される。窒素含有前駆体には、アンモニア、ヒドラジン、N2、および、これらの混合物がある。また、窒素含有前駆体は、炭素含有前駆体と同じであってよく、モノアルキルアミン、ジアルキルアミン、および、トリアルキルアミン等のアミンを含むとしてよい。窒素含有前駆体は、ホウ素含有前駆体と同じであってよく、トリメチルボラジンを含むとしてよい。窒素含有前駆体はさらに、シリコン含有前駆体と同じであってよく、例えば、シラザンであってよい。 The deposition of Si x B y C z N w is accomplished by forming a plasma in a process gas that includes a silicon-containing precursor, a boron-containing precursor, a carbon-containing precursor (as described above), and a nitrogen-containing precursor. Executed. Nitrogen-containing precursors include ammonia, hydrazine, N 2 , and mixtures thereof. Also, the nitrogen-containing precursor may be the same as the carbon-containing precursor and may include amines such as monoalkylamines, dialkylamines, and trialkylamines. The nitrogen-containing precursor may be the same as the boron-containing precursor and may include trimethylborazine. The nitrogen-containing precursor may further be the same as the silicon-containing precursor, for example silazane.
SixByNwの成膜は、シリコン含有前駆体(例えば、SiH4)、ホウ素含有前駆体(例えば、ジボラン)、および、窒素含有前駆体(例えば、アンモニア、イドラジン、N2、および、これらのさまざまな混合ガス)を含む処理ガスにおいてプラズマを形成することによって実行することができる。 The deposition of Si x B y N w includes silicon-containing precursors (eg, SiH 4 ), boron-containing precursors (eg, diborane), and nitrogen-containing precursors (eg, ammonia, idrazine, N 2 , and It can be performed by forming a plasma in a process gas containing these various gas mixtures).
BxNyの成膜は、ホウ素含有前駆体(例えば、ジボラン)および窒素含有前駆体(例えば、アンモニア、イドラジン、N2、および、これらのさまざまな混合ガス)を含む処理ガスを用いて実行することができる。 B x N y deposition is performed using a process gas that includes a boron-containing precursor (eg, diborane) and a nitrogen-containing precursor (eg, ammonia, idrazine, N 2 , and various mixed gases thereof). can do.
BxCyの成膜は、ホウ素含有前駆体(例えば、ジボラン)および炭素含有前駆体(例えば、飽和炭化水素または不飽和炭化水素)を含む処理ガスを利用して実行することができる。ホウ素含有膜の成膜時の処理ガスの一部として、ヘリウムまたはアルゴン等の不活性キャリアガスを通常利用する。一部の実施形態によると、H2もまた処理ガスに含まれる。 B x C y deposition can be performed utilizing a process gas that includes a boron-containing precursor (eg, diborane) and a carbon-containing precursor (eg, saturated or unsaturated hydrocarbon). An inert carrier gas such as helium or argon is usually used as a part of the processing gas when forming the boron-containing film. According to some embodiments, H 2 is also included in the process gas.
図6Bは、PECVD法を用いて成膜されたさまざまなSixByCz膜、SixByNz膜、SixByCzNw膜に関する硬度および応力のパラメータを示す。図6Cは、これらの膜に関するヤング率および応力のパラメータを示す。これらの膜の成膜条件および特性を表3に示す。
いずれの膜も、HFRF電力密度が約0.08から約0.30W/cm2の範囲内で、LFRF電力密度が約0.10から約0.24W/cm2の範囲内で二重周波数プラズマを利用して、圧力を約2から約4torrの範囲内に設定して、300mmのウェハに成膜した。 Both films have a dual frequency plasma with an HFRF power density in the range of about 0.08 to about 0.30 W / cm 2 and an LFRF power density in the range of about 0.10 to about 0.24 W / cm 2. The film was formed on a 300 mm wafer by setting the pressure within the range of about 2 to about 4 torr.
一実施形態によると、SixByCz膜は、基本的にB2H6、テトラメチルシラン(4MS)、およびHeから成る処理ガスを用いて成膜される。B2H6の流量は、約2,000から4,000sccmの範囲内、好ましくは約3,500から4,000sccmの範囲内であり、テトラメチルシランの流量は、約1,000から1,500sccmの範囲内であるとしてよい。キャリアガス(例えば、He)の流量は、約3から8slmの範囲内で設定するのが好ましい。一部の実施形態では、HFRF電力密度を約0.04から0.26W/cm2の範囲内、LFRFの電力密度を約0.14から0.53W/cm2の範囲内とする二重周波数プラズマを利用する。 According to one embodiment, the Si x B y C z film is deposited using a process gas consisting essentially of B 2 H 6 , tetramethylsilane (4MS), and He. The flow rate of B 2 H 6 is in the range of about 2,000 to 4,000 sccm, preferably in the range of about 3,500 to 4,000 sccm, and the flow rate of tetramethylsilane is about 1,000 to 1, It may be in the range of 500 sccm. The flow rate of the carrier gas (eg, He) is preferably set within the range of about 3 to 8 slm. In some embodiments, a dual frequency with an HFRF power density in the range of about 0.04 to 0.26 W / cm 2 and an LFRF power density in the range of about 0.14 to 0.53 W / cm 2. Use plasma.
このようにして得られるホウ素含有膜の硬度は、B2H6とテトラメチルシラン(4MS)との比に大きく左右されるという予想外の結果が出た。硬度が高く、ホウ素含有率が高い膜を得るためには、B2H6/4MSの流量比を少なくとも約2、例えば、少なくとも約3とすることが好ましい。 An unexpected result was obtained that the hardness of the boron-containing film thus obtained was greatly influenced by the ratio of B 2 H 6 to tetramethylsilane (4MS). In order to obtain a film with high hardness and high boron content, it is preferred that the flow rate ratio of B 2 H 6 / 4MS be at least about 2, for example at least about 3.
図6Dは、B2H6/4MSの流量比の関数としてSixByCz膜の硬度を示す図である。流量比が約0.5から約3.5に上昇すると、硬度が約2倍に増加していることが分かる。流量比を変化させた場合の硬度および応力の値を表3に示している。 FIG. 6D shows the hardness of the Si x B y C z film as a function of the flow rate ratio of B 2 H 6 / 4MS. It can be seen that as the flow rate ratio increases from about 0.5 to about 3.5, the hardness increases by a factor of about two. Table 3 shows the values of hardness and stress when the flow rate ratio is changed.
構造について説明すると、硬度が高くヤング率が高い膜の場合は、B−C結合の含有率が高いことを特徴とする。一部の実施形態では、BC/[BC+SiC]の赤外ピーク面積の比が少なくとも約0.35である高硬度の膜が好ましい。この比は、それぞれ約1120から1160cm−1(B−C)および760から800cm−1(Si−C)を中心とするIRピーク面積の比である。 The structure will be described. A film having a high hardness and a high Young's modulus is characterized by a high content of B—C bonds. In some embodiments, high hardness films with a BC / [BC + SiC] infrared peak area ratio of at least about 0.35 are preferred. This ratio is the ratio of the IR peak area centered around about 1120 to 1160 cm −1 (B—C) and 760 to 800 cm −1 (Si—C), respectively.
図6Eは、さまざまなSixByCz膜のヤング率および応力パラメータがBC/[BC+SiC]の面積比にどの程度左右されるかを示す図である。BC/[BC+SiC]が約0.3未満である膜は、B−C結合含有率が高い膜よりもはるかに硬度が低いことが分かる。表4は、3種類のSixByCz膜に関して得られたデータをまとめたものである。これら3種類の膜は全て、B2H6(流量は500から3,500sccmの範囲内)、4MS(流量は1,000sccm)、およびHe(流量は3,000sccm)から成る処理ガスを用いて、HFRF電力密度を約0.12W/cm2に設定してLFRF電力密度を約0.22W/cm2に設定した二重周波数プラズマを利用し、圧力を2.1Torrとして成膜された。表4では、硬度、応力、および、ヤング率のパラメータを、B−C結合含有率の関数として示している。
一部の実施形態によると、SixByCz膜の成膜は、LF電力をHF電力よりも高く設定して、LF/HF電力比を少なくとも約1.5、少なくとも約2、例えば、少なくとも約3とした二重周波数プラズマを用いて行うことが好ましい。成膜時のLF/HFの電力比が高くなると、形成される膜の特性が改善されることが分かった。LF/HF電力比が高くなると、形成される膜の硬度と正の相関関係を持つ屈折率が上昇する。一部の実施形態によると、屈折率が少なくとも約2.3、例えば、少なくとも約2.5、例えば、少なくとも約2.6であるSixByCz膜が得られる。LF/HF電力比の増加に伴い膜の屈折率が増加する様子を表5に示す。
SixByNz膜の重要な構造上の特徴は、B―N結合の含有率である。当該含有率は、IRスペクトルにおけるピーク面積の比であるBN/[BN+SiN]に基づき算出される。尚、この比は、それぞれ約1400cm−1(B−N)および820から850cm−1(Si−N)を中心とするIRピーク面積の比である。 An important structural feature of the Si x B y N z film is the content of BN bonds. The content is calculated based on BN / [BN + SiN], which is the ratio of peak areas in the IR spectrum. This ratio is a ratio of IR peak areas centered at about 1400 cm −1 (B—N) and 820 to 850 cm −1 (Si—N), respectively.
図6Fは、当該パラメータに応力およびヤング率が共に大きく左右されることを示す図である。具体的に説明すると、圧縮応力は、B−N結合の含有率が高くなると、急激に増加する。一部の実施形態によると、SixByNz膜の場合は、BN/[BN+SiN]を約0.7未満、例えば、約0.6未満とするのが好ましい。B−N結合含有率は、シリコン含有前駆体およびホウ素含有前駆体の流量を適切に変更することによって、必要に応じて調整することができる。表6は、BN/[BN+SiN]比を変化させた場合の膜の特性を示す。
上述したように、ホウ素含有膜は、ハードマスクとして使用されるのに非常に適している。ホウ素含有膜の顕著な利点の1つとして、親水性およびCMPによる除去の容易さが挙げられる。図6Gは、膜に水滴を載置して行われる接触角試験の結果に基づき、さまざまなSixByCz膜の親水性を、ドープされていないシリコンカーバイド膜と比較して示す。膜に対する水滴の接触角を測定し、接触角が小さいほど、親水性が高くなる。表3に挙げたSixByCz膜の4から6に対して試験を行うと、接触角は38度から42度となった。これとは対照的に、ドープされないシリコンカーバイド膜は、非常に疎水性が高く、その証拠に接触角は66度と非常に高くなっている。 As mentioned above, boron-containing films are very suitable for use as a hard mask. One of the significant advantages of boron-containing films is hydrophilicity and ease of removal by CMP. FIG. 6G shows the hydrophilicity of various Si x B y C z films compared to undoped silicon carbide films based on the results of contact angle tests performed with water drops placed on the films. The contact angle of the water droplet with respect to the membrane is measured, and the smaller the contact angle, the higher the hydrophilicity. When the test was performed on 4 to 6 of the Si x B y C z films listed in Table 3, the contact angle was 38 degrees to 42 degrees. In contrast, undoped silicon carbide films are very hydrophobic, with evidence that the contact angle is as high as 66 degrees.
<窒化ゲルマニウムのハードマスク膜>
別の側面によると、GeNxハードマスク膜が提供される。一部の実施形態によると、GeNxハードマスク膜は、ヤング率が少なくとも約100GPa、例えば、少なくとも約130GPaと高く、密度も高い(例えば、約4g/cm3より高密度)ことを特徴とする。GeNx膜は、さまざまなバックエンド処理方法およびフロントエンド処理方法においてハードマスクとして利用することができ、レーザによるパターニング位置合わせで利用される波長において十分に透明であり、利用後はCMPまたはウェットエッチングによって基板から容易に除去することができる。
<Hard mask film of germanium nitride>
According to another aspect, a GeN x hard mask film is provided. According to some embodiments, the GeN x hardmask film is characterized by a high Young's modulus, such as at least about 100 GPa, such as at least about 130 GPa, and a high density (eg, greater than about 4 g / cm 3 ). . The GeN x film can be used as a hard mask in a variety of back-end and front-end processing methods, and is sufficiently transparent at the wavelengths used for laser patterning alignment, after which CMP or wet etching is used. Can be easily removed from the substrate.
一部の実施形態によると、ゲルマニウム含有率が高いGeNxハードマスク膜を利用することが好ましい。このようにゲルマニウム含有率が高い膜では、水素を除いて、ゲルマニウム濃度が少なくとも約60原子パーセント、例えば、少なくとも約70原子パーセント、例えば、少なくとも約75原子パーセントである。窒化ゲルマニウム膜は、ゲルマニウム含有率が高いと、パターニングにおいて利用された後、CMPおよびウェットエッチングによる除去を行い易い。一部の実施形態によると、窒化ゲルマニウム膜の除去は、CMP処理またはウェットエッチング処理において、過酸化水素を含む合成物に当該ハードマスクを接触させることによって実行される。例えば、過酸化水素を含むCMP用酸性スラリーを利用するとしてよい。 According to some embodiments, it is preferred to utilize a GeN x hard mask film with a high germanium content. In such a high germanium content film, excluding hydrogen, the germanium concentration is at least about 60 atomic percent, such as at least about 70 atomic percent, such as at least about 75 atomic percent. If the germanium nitride film has a high germanium content, it is easily removed by CMP and wet etching after being used in patterning. According to some embodiments, the removal of the germanium nitride film is performed by contacting the hard mask with a composition comprising hydrogen peroxide in a CMP process or a wet etching process. For example, an acidic slurry for CMP containing hydrogen peroxide may be used.
一例によると、ゲルマニウム濃度が約79原子パーセント、ヤング率が約144GPa、密度が約4.4g/cm3であるGeNxハードマスク膜が用意された。 According to one example, a GeN x hardmask film having a germanium concentration of about 79 atomic percent, a Young's modulus of about 144 GPa, and a density of about 4.4 g / cm 3 was prepared.
窒化ゲルマニウムハードマスクは通常、さまざまなCVD法およびPVD法を用いて用意することができる。そのうち、PECVD法を一例として説明する。図7に示すバックエンド処理フローチャートを参照しつつ説明すると、誘電体層が露出している半導体基板をPECVD処理チャンバに供給する処理701から開始される。処理703において、ゲルマニウム含有率が少なくとも約60原子パーセントであるGeNxハードマスク膜を成膜する。成膜は、ゲルマニウム含有前駆体(例えば、ゲルマン)および窒素含有前駆体(例えば、NH3、N2、N2H4、および、これらのさまざまな混合ガス)を含む処理ガスを処理チャンバに導入して、プラズマを形成して、窒化ゲルマニウム層を成膜することによって実行される。成膜用の処理ガスは任意で、ヘリウムまたはアルゴン等の不活性ガスを含むとしてもよい。窒素含有前駆体およびゲルマニウム含有前駆体の流量比は、ゲルマニウム含有率の高い窒化ゲルマニウム膜が形成されるように選択される。前駆体がゲルマンおよびアンモニアである場合を一例に挙げると、ゲルマンとアンモニアとの比は少なくとも約0.05とする。
Germanium nitride hard masks can usually be prepared using various CVD and PVD methods. Of these, the PECVD method will be described as an example. Referring to the back-end process flowchart shown in FIG. 7, the process starts from a
一例として説明すると、GeNxハードマスクは、基本的にゲルマン(流量は、約50から100sccmの範囲内)、NH3(流量は約600から1,200sccmの範囲内)、およびN2(流量は約12slm)から成る処理ガスを処理チャンバに導入して、二重周波数プラズマを形成して、台の温度を約摂氏350度から450度の範囲内に設定して、窒化ゲルマニウム膜を基板に成膜することによって、300mmのウェハに形成される。この例では、成膜時の圧力は、約2.5から4Torrの範囲内である。この成膜処理の例では、HFRF成分の周波数は約13.56MHz(電力密度は約0.18W/cm2)で、LFRF成分の周波数は約400kHz(電力密度は約0.23W/cm2)とする。一部の実施形態では、HF成分よりもLF成分の電力密度を高くすることが好ましい。 As an example, a GeN x hardmask is basically composed of germane (flow rate in the range of about 50 to 100 sccm), NH 3 (flow rate in the range of about 600 to 1,200 sccm), and N 2 (flow rate in the range of A processing gas comprising about 12 slm) is introduced into the processing chamber to form a dual frequency plasma, and the temperature of the stage is set within a range of about 350 to 450 degrees Celsius to form a germanium nitride film on the substrate. By forming a film, a 300 mm wafer is formed. In this example, the pressure during film formation is in the range of about 2.5 to 4 Torr. In this film forming process, the frequency of the HFRF component is about 13.56 MHz (power density is about 0.18 W / cm 2 ), and the frequency of the LFRF component is about 400 kHz (power density is about 0.23 W / cm 2 ). And In some embodiments, it is preferable to increase the power density of the LF component over the HF component.
図7に示す処理フローチャートに戻ると、窒化ゲルマニウム膜が成膜された後、処理707では、例えば図1Aから図1Kを参照しつつ説明したように、誘電体をパターニングして、トレンチおよび/またはビアを形成する。窒化ゲルマニウムハードマスクは、誘電体に対する反応性イオンエッチング(RIE)等のドライエッチングによるパターニングで利用することができる。例えば、GeNxハードマスクを露出させた状態で、CxFy(例えば、CF4)、不活性ガス(例えば、Ar)、および酸化剤(例えば、O2)を含む処理ガスを利用して、露出したハードマスク層および誘電体層を備える基板とプラズマとを接触させることによって、ビアおよび/またはトレンチを誘電体にエッチングによって形成することができる。これ以外のドライエッチング、例えば、Cl2およびN2を含む処理ガスを利用するプラズマエッチング等を利用するとしてもよい。
Returning to the process flow chart shown in FIG. 7, after the germanium nitride film is deposited,
誘電体をパターニングした後、処理707において、ビアおよび/またはトレンチを金属で充填する。例えば、銅を凹状のフィーチャーに電着によって成膜するとしてよい。続いて、処理709において、CMPによってハードマスクを除去する。例えば、銅の過剰部分および拡散バリア材料をCMPによって除去することによって、ハードマスクの除去も行うとしてよい。一部の実施形態によると、pHが酸性であり、過酸化物(例えば、過酸化水素)を含むCMPスラリーを用いてGeNxハードマスクを除去する。他の実施形態によると、GeNxハードマスク膜の除去は、(例えば、H2SO4およびH2O2を3:1の割合で含む溶液を用いる)ウェットエッチングで行うとしてもよい。
After patterning the dielectric, in
図7の処理フローチャートは、バックエンドプロセスを説明するためのものである。GeNx膜は、フロントエンドプロセスでもハードマスクとして利用することができる。また、窒化ゲルマニウム膜は、ウェットエッチング時のハードマスクとしても利用が可能で、例えば、酸化シリコンをベースとする材料をフッ化物含有ウェットエッチング化学反応でパターニングする際にも利用することができる。 The process flowchart of FIG. 7 is for explaining the back-end process. The GeN x film can also be used as a hard mask in the front end process. The germanium nitride film can also be used as a hard mask during wet etching. For example, it can also be used when patterning a silicon oxide-based material by a fluoride-containing wet etching chemical reaction.
<装置>
本明細書に記載するハードマスク材料の成膜は一般的に、さまざまな種類の装置、例えば、CVD装置およびPVD装置で実施することができる。好ましい実施形態によると、HFRF電源およびLFRF電源を備えるPECVD装置を利用する。適切な装置の例を挙げると、ノベルス・システムズ(Novellus Systems,Inc.、米国カリフォルニア州サンノゼ)社製のSEQUEL(登録商標)およびVECTOR(登録商標)がある。
<Device>
The deposition of the hard mask material described herein can generally be performed in various types of equipment, such as CVD equipment and PVD equipment. According to a preferred embodiment, a PECVD apparatus with HFRF and LFRF power supplies is utilized. Examples of suitable devices are SEQUEL® and VECTOR® manufactured by Novellus Systems, Inc., San Jose, Calif., USA.
一般的に、1以上のウェハを収納し、ウェハ処理に適したチャンバまたは「反応器」(複数のステーションを含む場合もある)を1以上備える装置を利用する。各チャンバには、処理対象のウェハを1以上収納するとしてよい。1以上のチャンバは、ウェハを1以上の所定の位置に保持する(それぞれの位置では、例えば、回転、振動等の動きを見せるとしてもよいし、動きがなく静止しているとしてもよい)。一部の実施形態によると、ハードマスク層の成膜が行われるウェハは、処理中に反応器内でステーション間を移動させられる。処理中、各ウェハは、台、ウェハチャック、および/または、その他のウェハ保持装置によって定位置に保持される。装置は、ウェハを加熱する処理のために、加熱板等のヒータを備えるとしてもよい。 Generally, an apparatus is used that houses one or more wafers and that includes one or more chambers or “reactors” (which may include multiple stations) suitable for wafer processing. Each chamber may store one or more wafers to be processed. One or more chambers hold the wafer in one or more predetermined positions (in each position, for example, it may show movement such as rotation, vibration, etc., or it may be stationary without movement). According to some embodiments, the wafer on which the hard mask layer is deposited is moved between stations in the reactor during processing. During processing, each wafer is held in place by a platform, wafer chuck, and / or other wafer holding device. The apparatus may include a heater such as a heating plate for the process of heating the wafer.
図8は、本発明を実施するべく適切に構成されたPECVD反応器のさまざまな構成要素を示す簡略ブロック図である。同図に示すように、反応器800は処理チャンバ824を備える。処理チャンバ824は、反応器のその他の構成要素を内部に収納し、接地されたヒータブロック820と協働するシャワーヘッド814を有するキャパシタ型のシステムが生成したプラズマを内部に留める。高周波RF生成器804および低周波RF生成器802は、整合ネットワーク806に接続されており、整合ネットワーク806は、シャワーヘッド814に接続されている。
FIG. 8 is a simplified block diagram illustrating various components of a PECVD reactor suitably configured to practice the present invention. As shown in the figure, the
反応器内で、ウェハ台818は基板816を支持する。台は通常、成膜反応期間中および成膜反応期間同士の間に基板を保持および移動させるためのチャック、フォーク、または、リフトピンを有する。チャックは、静電チャック、機械チャック、または、産業界および/または学究界で利用可能なその他のさまざまな種類のチャックであってよい。
Within the reactor,
処理ガスは、流入口812を介して導入される。複数のソースガスライン810は、マニホルド808に接続されている。複数種類のガスを予め混合させておくとしてもよいし、そうしないとしてもよい。成膜時およびプラズマ処理時に正しくガスが分配されるように、適切な弁機構および質量流量制御機構を用いる。化学前駆体を液相で分配する場合、液体流量制御機構を利用する。そして、液体状態の前駆体を気化して、成膜チャンバに到達するまでに、沸点より高い温度まで加熱したマニホルドで輸送する間に他の処理ガスと混合させる。
Process gas is introduced through an
処理ガスは、流出口822を介してチャンバ824から排出される。真空ポンプ826(例えば、一段階式または二段階式の機械ドライポンプおよび/またはターボ分子ポンプ)は通常、絞り弁または振子弁等の閉ループ制御流量制限デバイスによって、処理ガスを引き出して、反応器内の圧力を適切な低圧に維持する。
Process gas is exhausted from
一実施形態によると、マルチステーション装置を用いてハードマスク層を成膜するとしてよい。マルチステーション反応器によれば、複数チャンバで同一または異なる処理を同時に実行できることから、ウェハ処理効率が改善される。マルチステーション装置の一例を図9に示す。概略上面図を示す。装置チャンバ901は、4つのステーション903−909を有する。一般的なマルチステーション装置の1つのチャンバ内に設けるステーションの数は任意に決めることができる。ステーション903は、基板ウェハの出し入れに利用される。ステーション903−909は、機能が同じであってもよいし異なるとしてもよく、一部の実施形態によると、異なる処理条件下で(例えば、異なる温度条件で)動作させることができる。
According to one embodiment, the hard mask layer may be deposited using a multi-station apparatus. The multi-station reactor improves wafer processing efficiency because the same or different processes can be performed simultaneously in multiple chambers. An example of the multi-station device is shown in FIG. A schematic top view is shown. The
一部の実施形態によると、ハードマスク層は、全層を装置のステーションのうちの1つで成膜する。他の実施形態によると、ハードマスク層のうち第1の部分を第1のステーションで成膜し、その後ウェハを第2のステーションに移動させ、第2のステーションで同じハードマスク層の第2の部分を成膜させる、という処理を、ウェハが第1のステーションに戻ってきて装置から取り出されるまで繰り返す。 According to some embodiments, the hard mask layer is deposited entirely at one of the apparatus stations. According to another embodiment, a first portion of the hard mask layer is deposited at a first station, and then the wafer is moved to a second station, where a second of the same hard mask layer is transferred at the second station. The process of depositing the part is repeated until the wafer returns to the first station and is removed from the apparatus.
一実施形態によると、シリコンカーバイドの副層の成膜およびプラズマ後処理は、装置のステーションのうち1つで実行される。別の実施形態によると、副層の成膜は1以上の専用ステーションで実施され、プラズマ後処理は1以上の別のステーションで実施される。 According to one embodiment, the deposition and plasma post-treatment of the silicon carbide sublayer is performed at one of the apparatus stations. According to another embodiment, the sub-layer deposition is performed at one or more dedicated stations and the plasma post-treatment is performed at one or more other stations.
一実施形態によると、ステーション903、905、907、および、909は全て、ハードマスク層の成膜に利用される。割出しプレート911は、基板を台から持ち上げて、次の処理ステーションに正確に位置決めする。ウェハ基板は、ステーション903に装填された後、ステーション905、907、および909に連続して割り当てられ、各ステーションでハードマスク層の一部分が成膜される。処理が完了すると当該ウェハをステーション903から出して、新しいウェハを装填する。通常処理時には、各ステーションに別個の基板が割り当てられ、処理を繰り返す度に、これらの基板を新しいステーションへ移動させる。このように、4つのステーション903、905、907、および909を備える装置は、同時に4枚のウェハを処理することができる。
According to one embodiment,
処理条件および処理フロー自体は、制御部913によって制御することができる。制御部913は、HF電力およびLF電力、前駆体の流量、温度、圧力等の処理変数を観察、維持、および/または調整するためのプログラム命令を有する。制御部は、本明細書に記載するハードマスク成膜プロセスのうち任意のものを実行させるプログラム命令を有する。例えば、一部の実施形態によると、制御部は、シリコンカーバイドの副層を成膜させ(つまり、適切な処理ガスを導入して、必要な電力パラメータに基づいてプラズマを生成させ)、チャンバをパージガスでパージさせ、副層をプラズマ処理ガスでプラズマ処理させ、成膜およびプラズマ処理を所望回数だけ(例えば、少なくとも10層の副層が成膜および処理される回数だけ)繰り返させるプログラム命令を有する。一部の実施形態によると、制御部は、ホウ素含有ハードマスクを成膜させるプログラム命令を有しており、そのようなプログラム命令には、上述したような適切な組成の処理ガスを導入して、(例えば、LF/HF電力比を少なくとも約1.5とした)適切な電力レベルのプラズマを生成させるための命令が含まれる。他の実施形態によると、制御部は、GeNxハードマスクを成膜させるためのプログラム命令を有しており、このようなプログラム命令には、ゲルマニウム含有率が少なくとも約60原子パーセントとなる膜が好ましくは形成されるような流量でゲルマニウム含有前駆体および窒素含有前駆体を含む処理ガスを導入させるための命令が含まれる。制御部が装置の各ステーションと対応付けて有している命令は、異なる命令であってもよいし、同じ命令であってもよく、ステーションはそれぞれ独立して動作することも、または、同期して動作することも可能である。
The processing conditions and the processing flow itself can be controlled by the
本明細書に記載した例および実施形態は本発明を説明するための例に過ぎず、当業者であればさまざまな変形または変更を認めるものと理解されたい。説明の便宜上、詳細な事項の記載を省略したが、さまざまな代替例が可能であるとしてよい。このため、上述した例は本発明を例示するためのものであり限定するものではないと解釈すべきであり、本発明は本明細書に記述した詳細な事項に限定されるものではなく、請求項の範囲内で変形され得る。特定の実施形態では、必ずしもリソグラフィーにおけるマスキングのためにハードマスク膜を積極的に利用する必要はなく、単に下方の材料に対する硬性の保護層の役割を果たすこともあると理解されたい。
[項目1]
半導体基板にハードマスク膜を形成する方法であって、
プラズマ化学気相成長(PECVD)処理チャンバに半導体基板を挿入する段階と、
硬度が約12GPaよりも高く且つ応力が約−600MPaから600MPaの範囲内であるハードマスク膜をPECVDによって形成する段階と
備え、
上記ハードマスク膜をPECVDによって形成する段階は、
高密度化プラズマ処理を複数回実行することによって、ドープされている多層シリコンカーバイド膜またはドープされていない多層シリコンカーバイド膜を成膜する段階(i)と、
Si x B y C z 、Si x B y N z 、Si x B y C z N w 、B x N y 、およびB x C y から成る群から選択される高硬度のホウ素含有膜を成膜する段階(ii)と
から成る群から選択される処理を有する
方法。
[項目2]
上記膜は、応力が約−300MPaから300MPaの範囲内である項目1に記載の方法。
[項目3]
上記膜は、応力が約0MPaから600MPaの範囲内である項目1に記載の方法。
[項目4]
上記膜は、硬度が少なくとも約16Gpaである項目1に記載の方法。
[項目5]
上記膜は、弾性率が少なくとも約100GPaである項目1に記載の方法。
[項目6]
上記段階(i)は、
シリコン含有前駆体を含む処理ガスを上記処理チャンバに導入し、プラズマを形成して、上記シリコンカーバイドハードマスク膜の第1の副層を成膜する段階(a)と、
上記処理チャンバから上記シリコン含有前駆体を除去する段階(b)と、
上記処理チャンバにプラズマ処理ガスを導入して、上記基板をプラズマで処理して、成膜した上記副層を高密度化する段階(c)と、
上記段階(a)、上記段階(b)、および、上記段階(c)を繰り返して、シリコンカーバイドの副層を複数さらに形成して、高密度化する段階(d)と
を含む項目1に記載の方法。
[項目7]
上記シリコンカーバイドは、ドープされておらず、上記シリコン含有前駆体は、飽和している前駆体である項目6に記載の方法。
[項目8]
上記シリコン含有前駆体は、テトラメチルシラン(Me 4 Si)を含む項目6に記載の方法。
[項目9]
成膜時に利用される上記処理ガスはさらに、He、Ne、Ar、Kr、および、Xeから成る群から選択されるキャリアガスを含む項目6に記載の方法。
[項目10]
上記プラズマ処理ガスは、He、Ar、CO 2 、N 2 、NH 3 、および、H 2 から成る群から選択される項目6に記載の方法。
[項目11]
上記副層のそれぞれの厚みは、約100Å未満である項目6に記載の方法。
[項目12]
少なくとも副層を10層成膜する段階を備える項目11に記載の方法。
[項目13]
上記シリコンカーバイド副層を成膜する段階は、Me 4 Siおよび不活性ガスを含む処理ガスを導入して、二重周波数プラズマを形成する段階を有し、高周波プラズマの電力レベルは約0.04から0.2W/cm 2 の範囲内であって、低周波プラズマの電力レベルは、約0.17から0.6W/cm 2 の範囲内であり、
上記シリコンカーバイド前駆体を除去する段階は、Ar、He、H 2 、および、これらの混合ガスから成る群から選択されるガスで上記処理チャンバをパージする段階を有し、
上記副層を高密度化する段階は、Ar、He、H 2 、および、これらの混合ガスから成る群から選択される処理ガスを導入して、LF/HF電力比が少なくとも約1.5である二重周波数プラズマを形成する段階を有する項目6に記載の方法。
[項目14]
形成された上記シリコンカーバイド膜において、SiHに対する赤外スペクトルにおけるSiCのピーク面積の割合は、少なくとも約20であって、CHに対する赤外スペクトルにおけるSiCのピーク面積の割合は少なくとも約50である項目6に記載の方法。
[項目15]
形成された上記シリコンカーバイド膜は、密度が少なくとも約2g/cm 3 である項目6に記載の方法。
[項目16]
上記段階(ii)は、高硬度のSi x B y C z 膜を成膜する段階を有し、
上記成膜する段階は、ホウ素含有前駆体、シリコン含有前駆体、および、キャリアガスを含む処理ガスを上記処理チャンバに導入する段階と、
LF/HF電力比が少なくとも約1.5である二重周波数プラズマを形成して、上記基板上に高硬度のSi x B y C z 膜を成膜する段階と
を含む項目1に記載の方法。
[項目17]
形成された上記高硬度のSi x B y C z 膜は、BC/[BC+SiC]の赤外ピーク面積の比が少なくとも約0.35である項目16に記載の方法。
[項目18]
形成された上記ハードマスク層は、誘電率が約2.8未満の誘電体の層の上方に成膜されており、形成された上記ハードマスク膜は、ドライプラズマエッチングの場合の上記誘電体に対するエッチングの選択性が少なくとも約8:1である項目1に記載の方法。
[項目19]
形成された上記ハードマスク層は、ポリシリコンの層の上方に成膜されている項目1に記載の方法。
[項目20]
上記ハードマスクは、約摂氏400度未満の温度で形成される項目1に記載の方法。
[項目21]
上記段階(ii)は、高硬度のSi x B y C z N w 膜を形成する段階を含む項目1に記載の方法。
[項目22]
硬度が少なくとも約12GPaで応力が約−600MPaから600MPaの範囲内である、ドープされているシリコンカーバイドまたはドープされていないシリコンカーバイドを備える膜。
[項目23]
ハードマスク膜を成膜する装置であって、
(a)プラズマを形成する処理チャンバと、
(b)ハードマスク成膜時に定位置にウェハ基板を保持する上記ウェハ基板用の支持部と、
(c)高密度化プラズマ処理を複数回実行することによって、ドープされている多層シリコンカーバイド膜またはドープされていない多層シリコンカーバイド膜を成膜する段階(i)、およびSi x B y C z 、Si x B y N z 、Si x B y C z N w 、B x N y 、およびB x C y から成る群から選択される高硬度のホウ素含有膜を成膜する段階(ii)から成る群から選択される処理を実行させるためのプログラム命令を有するコントローラと
を備える装置。
[項目24]
半導体基板にハードマスク膜を形成する方法であって、
プラズマ化学気相成長(PECVD)処理チャンバに半導体基板を挿入する段階と、
弾性率が少なくとも約100GPaであるGeN x ハードマスク膜を形成する段階と
を備える方法。
[項目25]
(a)PECVD処理チャンバと、
(b)成膜時に定位置に上記半導体基板を保持する支持部と、
(c)ゲルマニウム含有前駆体および窒素含有前駆体を含む処理ガスを導入し、プラズマを形成して、上記基板にGeN x ハードマスク膜を成膜するためのプログラム命令を有するコントローラと
を備える半導体プロセス装置。
The examples and embodiments described herein are merely examples for explaining the present invention, and it should be understood by those skilled in the art that various modifications or changes are allowed. For the sake of convenience of explanation, detailed descriptions are omitted, but various alternative examples may be possible. Thus, the foregoing examples are to be construed as illustrative and not limiting of the invention, and the invention is not limited to the details described herein, but is claimed. Variations can be made within the scope of the term. It should be understood that in certain embodiments, it is not necessary to actively utilize a hard mask film for lithographic masking, but may simply serve as a hard protective layer for the underlying material.
[Item 1]
A method of forming a hard mask film on a semiconductor substrate,
Inserting a semiconductor substrate into a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) processing chamber;
Forming a hard mask film having a hardness higher than about 12 GPa and a stress within a range of about −600 MPa to 600 MPa by PECVD;
Prepared,
The step of forming the hard mask film by PECVD includes:
Forming a doped multilayer silicon carbide film or an undoped multilayer silicon carbide film by performing the densified plasma treatment a plurality of times (i);
Si x B y C z, forming the Si x B y N z, Si x B y C z N w, B x N y, and high hardness boron-containing film is selected from the group consisting of B x C y Stage (ii) and
Having a process selected from the group consisting of
Method.
[Item 2]
[Item 3]
[Item 4]
The method of
[Item 5]
The method of
[Item 6]
Step (i) above is
Introducing a processing gas containing a silicon-containing precursor into the processing chamber, forming a plasma, and forming a first sublayer of the silicon carbide hardmask film;
Removing the silicon-containing precursor from the processing chamber (b);
Introducing a plasma processing gas into the processing chamber, processing the substrate with plasma, and densifying the formed sublayer (c);
Repeating the step (a), the step (b), and the step (c) to further form a plurality of silicon carbide sub-layers to increase the density (d);
The method according to
[Item 7]
Item 7. The method according to Item 6, wherein the silicon carbide is not doped and the silicon-containing precursor is a saturated precursor.
[Item 8]
Item 7. The method according to Item 6, wherein the silicon-containing precursor contains tetramethylsilane (Me 4 Si).
[Item 9]
Item 7. The method according to Item 6, wherein the processing gas used at the time of film formation further includes a carrier gas selected from the group consisting of He, Ne, Ar, Kr, and Xe.
[Item 10]
The plasma processing gas, He, Ar, CO 2, N 2,
[Item 11]
The method of item 6, wherein the thickness of each of the sublayers is less than about 100 mm.
[Item 12]
Item 12. The method according to Item 11, comprising the step of forming at least 10 sublayers.
[Item 13]
The step of forming the silicon carbide sub-layer includes the step of forming a dual frequency plasma by introducing a processing gas containing Me 4 Si and an inert gas, and the power level of the high frequency plasma is about 0.04. from a range of 0.2 W / cm 2, the power level of the low frequency plasma is in the range of about 0.17 to 0.6 W / cm 2,
Removing the silicon carbide precursor comprises purging the processing chamber with a gas selected from the group consisting of Ar, He, H 2 and mixtures thereof;
The step of densifying the sub-layer includes introducing a processing gas selected from the group consisting of Ar, He, H 2 , and a mixed gas thereof so that the LF / HF power ratio is at least about 1.5. 7. A method according to item 6, comprising the step of forming a dual frequency plasma.
[Item 14]
In the formed silicon carbide film, the ratio of the peak area of SiC in the infrared spectrum to SiH is at least about 20, and the ratio of the peak area of SiC in the infrared spectrum to CH is at least about 50. The method described in 1.
[Item 15]
7. The method of item 6, wherein the formed silicon carbide film has a density of at least about 2 g / cm 3 .
[Item 16]
The step (ii) includes the step of forming a high hardness Si x B y C z film,
The film forming step includes introducing a processing gas including a boron-containing precursor, a silicon-containing precursor, and a carrier gas into the processing chamber;
Forming a dual frequency plasma having an LF / HF power ratio of at least about 1.5 to form a high hardness Si x B y C z film on the substrate;
The method according to
[Item 17]
Item 17. The method according to Item 16, wherein the formed high-hardness Si x B y C z film has a BC / [BC + SiC] infrared peak area ratio of at least about 0.35.
[Item 18]
The formed hard mask layer is formed above a dielectric layer having a dielectric constant of less than about 2.8, and the formed hard mask film is formed on the dielectric in the case of dry plasma etching. The method of
[Item 19]
The method according to
[Item 20]
The method of
[Item 21]
The method according to
[Item 22]
A membrane comprising doped silicon carbide or undoped silicon carbide having a hardness of at least about 12 GPa and a stress in the range of about -600 MPa to 600 MPa.
[Item 23]
An apparatus for forming a hard mask film,
(A) a processing chamber for forming plasma;
(B) a support for the wafer substrate that holds the wafer substrate in place during hard mask deposition;
(C) forming a doped multilayer silicon carbide film or an undoped multilayer silicon carbide film by performing the densified plasma treatment a plurality of times (i), and Si x B y C z ; Si x B y N z, Si x B y C z N w, B x N y, and the group consisting of step (ii) of forming a boron-containing film having high hardness selected from the group consisting of B x C y A controller having program instructions for executing a process selected from
A device comprising:
[Item 24]
A method of forming a hard mask film on a semiconductor substrate,
Inserting a semiconductor substrate into a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) processing chamber;
Forming a GeN x hard mask film having an elastic modulus of at least about 100 GPa ;
A method comprising:
[Item 25]
(A) a PECVD processing chamber;
(B) a support portion for holding the semiconductor substrate in place during film formation;
(C) a controller having a program command for introducing a processing gas containing a germanium-containing precursor and a nitrogen-containing precursor, forming plasma, and forming a GeN x hardmask film on the substrate ;
A semiconductor process apparatus comprising:
Claims (18)
プラズマ化学気相成長(PECVD)処理チャンバに半導体基板を挿入する段階と、
硬度が12GPaよりも高く且つ応力が−600MPaから600MPaの範囲内であるハードマスク膜をPECVDによって前記半導体基板に形成する段階と
備え、
前記ハードマスク膜をPECVDによって形成する段階は、
高密度化プラズマ処理を複数回実行することによって、ドープされていない多層シリコンカーバイド膜を成膜する段階と
を有し、
前記多層シリコンカーバイド膜を成膜する段階は、
飽和シリコン含有前駆体を含む処理ガスを前記処理チャンバに導入し、プラズマを形成して、前記多層シリコンカーバイド膜の副層を成膜する段階(a)と、
前記処理チャンバから前記飽和シリコン含有前駆体を除去する段階(b)と、
前記処理チャンバにプラズマ処理ガスを導入して、前記基板をプラズマで処理して、成膜した前記副層を高密度化する段階(c)と、
前記段階(a)、前記段階(b)、および、前記段階(c)を繰り返して、シリコンカーバイドの副層を複数さらに形成して、高密度化する段階(d)と
を含み、
前記ハードマスク膜は少なくとも前記副層を10層有し、
前記副層のそれぞれの厚みは、100Å未満である、方法。 A method of forming a hard mask film on a semiconductor substrate,
Inserting a semiconductor substrate into a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) processing chamber;
Forming a hard mask film having a hardness higher than 12 GPa and a stress in a range of −600 MPa to 600 MPa on the semiconductor substrate by PECVD, and
The step of forming the hard mask film by PECVD comprises:
Forming a non-doped multilayer silicon carbide film by performing the densified plasma treatment a plurality of times, and
The step of forming the multilayer silicon carbide film comprises
Introducing a processing gas containing a saturated silicon-containing precursor into the processing chamber, forming a plasma, and forming a sublayer of the multilayer silicon carbide film;
Removing the saturated silicon-containing precursor from the processing chamber (b);
Introducing a plasma processing gas into the processing chamber, processing the substrate with plasma, and densifying the formed sublayer (c);
It said step (a), said step (b), and, by repeating said step (c), a sublayer of silicon carbide plurality further formed, viewed contains a step (d) to densify,
The hard mask film has at least 10 sublayers,
The method wherein the thickness of each of the sublayers is less than 100 mm .
プラズマを形成する処理チャンバと、
ハードマスク成膜時に定位置にウェハ基板を保持する前記ウェハ基板用の支持部と、
高密度化プラズマ処理を複数回実行することによって、ドープされていない多層シリコンカーバイド膜を成膜する段階を実行させるためのプログラム命令を有するコントローラと
を備え、
前記多層シリコンカーバイド膜を成膜する段階は、
飽和シリコン含有前駆体を含む処理ガスを前記処理チャンバに導入し、プラズマを形成して、前記多層シリコンカーバイド膜の副層を成膜する段階(a)と、
前記処理チャンバから前記飽和シリコン含有前駆体を除去する段階(b)と、
前記処理チャンバにプラズマ処理ガスを導入して、前記基板をプラズマで処理して、成膜した前記副層を高密度化する段階(c)と、
前記段階(a)、前記段階(b)、および、前記段階(c)を繰り返して、シリコンカーバイドの副層を複数さらに形成して、高密度化する段階(d)と
を含み、
前記多層シリコンカーバイド膜は少なくとも前記副層を10層有し、
前記副層のそれぞれの厚みは、100Å未満である、装置。 An apparatus for forming a hard mask film,
A processing chamber for forming a plasma;
A support for the wafer substrate that holds the wafer substrate in place during hard mask deposition;
A controller having program instructions for executing a step of forming an undoped multilayer silicon carbide film by performing the densified plasma treatment a plurality of times, and
The step of forming the multilayer silicon carbide film comprises
Introducing a processing gas containing a saturated silicon-containing precursor into the processing chamber, forming a plasma, and forming a sublayer of the multilayer silicon carbide film;
Removing the saturated silicon-containing precursor from the processing chamber (b);
Introducing a plasma processing gas into the processing chamber, processing the substrate with plasma, and densifying the formed sublayer (c);
It said step (a), said step (b), and, by repeating said step (c), a sublayer of silicon carbide plurality further formed, viewed contains a step (d) to densify,
The multilayer silicon carbide film has at least 10 sublayers,
The apparatus, wherein the thickness of each of the sublayers is less than 100 mm .
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