能用于在衬底上形成碳层的处理工具制造技术

一种衬底处理工具，其能够通过以下方式在衬底上形成碳层：在处理室中产生包含碳和非碳离子的等离子体，在处理室中悬浮碳和非碳离子，从处理室去除大部分悬浮的非碳离子，并用大部分碳离子轰击衬底表面。可以重复上述顺序的一个或多个步骤，直到碳层具有期望的厚度。直到碳层具有期望的厚度。直到碳层具有期望的厚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】能用于在衬底上形成碳层的处理工具
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求于2019年6月27日申请的美国申请No.62/867,770的优先权利益，出于所有目的将其通过引用并入本文。


[0002]本专利技术涉及一种衬底处理工具，更具体地，涉及一种能够通过依次以下操作在衬底上形成碳层的衬底处理工具：(1)在处理室中产生包含碳离子和非碳离子的等离子体，(2)将碳离子和非碳离子悬浮在处理室中，(3)从处理室中去除大部分非碳离子，以及(4)用大部分碳离子轰击衬底表面。在替代的实施方案中，序列(1)到(4)可以重复多次，直到碳层具有期望的厚度。

技术介绍

[0003]类金刚石碳或“DLC”是一类具有类金刚石特性的碳材料，所述特性包括极高的硬度、耐磨性和“光滑度”。最常见的DLC是四面体碳或“ta
‑
C”，其是同类产品中最硬、最耐磨、最光滑的。
[0004]各种基于等离子体的沉积技术已被用于将ta
‑
C沉积到诸如半导体晶片之类的衬底上。此类技术包括质量选择离子束(MSIB)、过滤阴极真空电弧(FCVA)、脉冲激光烧蚀(PLA)和电子回旋波共振(ECWR)。虽然这些基于等离子体的技术中的每一种都可用于在实验室环境中的衬底上形成ta
‑
C，但它们对于半导体晶片的全尺寸制造并不实用。例如，MSIB、FCVA和PLA的沉积速率非常低，因为各自都依赖于必须扫描整个晶片的基于束流的等离子体源。结果，对于大规模工业规模的半导体晶片制造而言，沉积速率太慢。ECWR在某种程度上克服了上述其他技术的低沉积率。然而，ECWR工具极其昂贵，且成本太高而无法实际用于大规模工业规模的半导体晶片制造。
[0005]还已知使用包括石墨靶的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工具将碳层沉积到衬底上。使用这些工具，碳会从石墨靶上释放出来，并施加射频(RF)，从而产生仅含碳的等离子体。这些工具的问题在于碳离子在沉积在衬底表面时具有相对较低的能量。结果，形成具有较大晶体结构(1至许多微米)和强键的多晶类金刚石碳膜。这种碳层通常不适用于某些类型的衬底，例如半导体晶片，因为它们会施加大量应力，从而导致晶片弯曲、翘曲甚至破裂。因此，对于某些应用，例如图案化掩模，具有随机和/或亚纳米键合的无定形、“灰尘状”碳是优选的，因为这样的层在下伏的晶片上施加的应力小得多。
[0006]因此需要一种用于大工业规模形成碳层的PECVD工具和方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术涉及用于在衬底上产生碳层的等离子体工具和方法。为了形成碳层，该工具执行一系列步骤，其包括：在处理室中产生包含碳离子和非碳离子的等离子体；通过去除施加到等离子体的RF能量使碳离子和非碳离子悬浮在处理室中；从处理室中去除大部分悬
浮的非碳离子；然后用处理室中的大部分悬浮碳离子轰击衬底表面。通过在轰击期间控制碳离子相对于衬底的相对电压电势，碳离子可以具有足够的能量来沉积在衬底表面上并注入到衬底的主体中。结果，形成碳层。
[0008]可以任选地重复去除大部分非碳离子和轰击衬底的步骤，直到碳层具有期望的厚度。这是通过以一系列负和正电压脉冲的形式向处理室中定位在衬底远端的电极提供变化的DC电压来实现的。在负脉冲期间，大部分非碳离子被吸引到电极上，然后从室中移除。结果，非常高比例的碳离子保留在处理室中。在随后的正脉冲期间，留在处理室中的碳离子轰击衬底。通常优选地在去除RF能量之后悬浮碳离子和氢离子时施加变化的DC电压。
[0009]在多种实施方案中，等离子体是使用包含碳和非碳的前体产生的。代表性前体包括但不限于乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)或一些其他含有碳和氢的前体。在具有位于处理室中的前体情况下，RF能量被施加到电极，从而在处理室中产生非碳离子和碳离子的等离子体。
[0010]在多种替代实施方案中，用于产生等离子体的RF的应用可以穿插有一系列的负脉冲和正脉冲。替代地，可以仅在需要补充处理室中的碳时才产生等离子体。在替代的实施方案中，RF可以与负和正DC电压脉冲施加到相同的电极，或可以施加处理室中的第二电极。
[0011]在又一个非排他性实施方案中，电极还通过表面复合中和来中和它接触的离子的电荷。位于电极附近的真空泵从处理室中去除中和的离子。
[0012]在具体但非排他性的实施方案中，碳层可以是多种不同类型的碳层，包括各种类型的类金刚石碳(DLC)层，例如氢化无定形碳(a
‑
C:H)和氢化四面体无定形碳(ta
‑
C:H)和四面体无定形碳或“ta
‑
C”和/或其他类型的主要具有sp3键的碳层，例如金刚石层，具有相对大晶体结构(1到许多微米)或相对较小的晶体结构(亚纳米尺寸)的碳层，主要包括sp2键(例如石墨以及通常被表征为“灰尘状”的所谓的无定形碳)的碳层，以及几乎没有SP3和/或SP2键的碳层。
附图说明
[0013]本申请及其优点可通过参考以下结合附图的描述而得到最好的理解，其中：
[0014]图1是根据本专利技术的非排他性实施方案的能够在衬底上形成碳层的处理工具的图。
[0015]图2是根据本专利技术的非排他性实施方案的处理工具的操作流程图，其示出了用于在衬底上形成碳层的一系列步骤。
[0016]图3是示出根据本专利技术的非排他性实施方案的散布有施加到处理工具的处理室中的电极的一系列正和负DC电压脉冲的射频(RF)的时序图。
[0017]图4A和图4B是处理工具的处理室中的电极的非排他性实施方案的图。
[0018]图5是说明根据本专利技术的非排他性实施方案的上面形成有碳层的衬底的图。
[0019]图6是说明根据本专利技术使用碳掩模制造半导体晶片的流程图的图。
[0020]图7是根据本专利技术的非排他性实施方案的处理工具的操作流程图，其示出了用于在衬底上形成层的一系列步骤。
[0021]在附图中，有时使用相同的附图标记来表示相同的结构元件。还应当理解，图中的描绘是示意性的并且不一定按比例绘制。
具体实施方式
[0022]现在将参考如附图所示的本申请的几个非排他性实施方案来详细描述本申请。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开内容的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践本公开内容。在其他情况下，为了避免不必要地使本公开内容难以理解，没有详细描述众所周知的处理步骤和/或结构。
[0023]参考图1，示出了根据本专利技术的处理工具10的图。在多种实施方案中，处理工具10可包括一个或多个处理室。为简单起见，以下讨论仅涉及单个处理室。
[0024]处理工具10包括由绝缘壁14A和耦合到地的基板14B限定的处理室12、用于支撑处理室12内的衬底18的衬底基座16、围绕处理室12的绝缘壁14A和基板14B形成但通过大气间隙22分开的接地笼20和控制器24。
[0025]处理室的绝缘壁14A可以由多种不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种沉积工具，其包括：处理室；用于在所述处理室内保持工件的工件保持器；电极，当所述工件由所述工件保持器保持时，所述电极设置在工件的远端；等离子体源，其用于在所述处理室中产生等离子体鞘，所述等离子体鞘在所述工件和所述电极之间产生；和DC电压源，其用于向所述电极施加时变DC电压。2.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述等离子体鞘的任何部分都没有与所述工件物理接触。3.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述等离子体鞘包含碳离子和非碳离子。4.根据权利要求3所述的沉积工具，其中所述碳离子具有比所述非碳离子重的原子质量。5.根据权利要求3所述的沉积工具，其中所述非碳离子是氢。6.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述时变DC电压是一系列脉冲。7.根据权利要求6所述的沉积工具，其中所述系列脉冲按以下一者或多者变化：(i)脉冲宽度；(ii)幅值；或者(iii)极性。8.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述时变DC电压包括施加到所述电极的一个或多个负DC电压脉冲，所述一个或多个负DC脉冲引起比碳离子更多的非碳离子从所述等离子体鞘中去除。9.根据权利要求8所述的沉积工具，其中施加到所述电极的所述一个或多个负DC电压脉冲导致所述非碳离子被吸引到所述电极。10.根据权利要求9所述的沉积工具，其中，所述电极还被配置为中和被吸引到所述电极的所述非碳离子的电荷。11.根据权利要求10所述的沉积工具，其还包括用于从所述处理室抽真空和去除中和的所述非碳原子的泵。12.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述时变DC电压包括一个或多个正DC电压脉冲，其中施加到所述电极的所述一个或多个正DC电压脉冲导致所述等离子体鞘中的碳离子加速朝向并轰击所述工件的表面。13.根据权利要求12所述的沉积工具，其中所述轰击碳离子：(a)沉积在所述工件的所述表面上；以及(b)在所述工件的所述表面下方注入。14.根据权利要求12所述的沉积工具，其中所述轰击碳离子在所述工件的所述表面上形成碳层。15.根据权利要求14所述的沉积工具，其中，所述工件是半导体晶片并且所述碳层用作图案化掩模。16.根据权利要求12所述的沉积工具，其中，所述工件保持器将所述工件保持在低于所述正DC电压脉冲的电压下。
17.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述等离子体源还包括选择性地耦合到所述电极的RF发生器。18.根据权利要求17所述的沉积工具，其还包括第一开关，所述第一开关被配置为选择性地将所述电极耦合到：(a)所述RF源；或者(b)正DC电压脉冲或负DC电压脉冲。19.根据权利要求18所述的沉积工具，其还包括耦合在所述第一开关与以下任一项之间的第二开关：(c)所述DC电压电源的正端子；或者(d)所述DC电压电源的负端子。其中，所述第二开关通过在所述DC电压源的所述正端子或所述负端子之间切换来定义所述正DC电压脉冲或所述负DC电压脉冲。20.一种沉积工具，其包括：用于将衬底保持在处理室内的衬底保持器；和控制器，其被配置为对以下各项进行时序排序：(a)在所述处理室内提供碳离子和非碳离子的混合物；(b)从所述处理室中去除大部分所述非碳离子；和(c)用大部分碳离子轰击所述衬底，所述碳离子的轰击在所述衬底上形成碳层。21.根据权利要求20所述的沉积工具，其中，所述控制器还被布置为至少重复(b)和(c)直到达到所述碳层的预定厚度。22.根据权利要求20所述的沉积工具，其中，当需要补充所述处理室中的碳离子时，所述控制器还被设置为重复(a)。23.根据权利要求20所述的沉积工具，其中(a)还包括：(i)将含有碳和非碳的反应物引入所述处理室；(ii)通过在所述处理室内提供射频(RF)能量从所述反应物产生等离子体，所述等离子体包括所述碳离子和所述非碳离子；以及(iii)通过去除所述处理室内的所述RF能量来使所述等离子体悬浮。24.根据权利要求20所述的沉积工具，其中通过以下方式去除所述非碳离子：将负DC电压脉冲施加到所述处理室中远离所述衬底定位的电极，所述负DC电压脉冲导致相对于所述碳离子，更多的所述非碳离子被吸引到所述电极；当被吸引的所述非碳离子接触所述电极的表面时，通过表面复合中和来中和所述非碳离子的电荷；以及在所述电极的附近施加真空以从所述处理室中去除中和的所述非碳离子。25.根据权利要求24所述的沉积工具，其中，因为所述非碳离子相对于所述碳离子具有较小的原子质量，因而相对于所述碳离子，相对较多的所述非碳离子被所述电极吸引、接触并且被所述电极中和。26.根据权利要求24所述的沉积工具，其中，所述电极包括催化材料以帮助中和所述非碳离子的所述电荷。27.根据权利要求20所述的沉积工具，其中在所述处理室中用碳离子轰击所述衬底还
包括：向所述处理室中远离所述衬底定位的电极施加正DC电压脉冲，所述正DC电压脉冲导致所述碳离子加速朝向并且轰击所述衬底。28.根据权利要求27所述的沉积工具，其中，所述衬底保持器还被配置为将所述衬底保持在比施加到所述电极的所述正DC电压脉冲较低的电压，所述较低的电压在轰击期间促进所述碳离子朝向所述衬底的加速。29.根据权利要求20所述的沉积工具，其中通过将负和正DC电压脉冲序列施加到所述处理室中远离所述衬底定位的电极来重复(b)和(c)。30.根据权利要求29所述的沉积工具，其还包括元件，所述元件用于选择性地将所述电极耦合到RF源以在所述处理室内提供RF能量以用于产生包含所述碳离子和所述非碳离子的等离子体。31.根据权利要求29所述的沉积工具，其还包括用于选择性地将所述电极耦合到提供负和正DC电压脉冲序列的电压源的元件。32.根据权利要求20所述的沉积工具，其中所述处理室内的碳离子和非碳离子的所述混合物通过以下方式产生：将反应物引入所述处理室，从而由所述处理室中的所述反应物产生等离子体，所述反应物包括以下一者：(a)乙炔(C2H2)；(b)甲烷(CH4)；或者(c)任何其他含碳反应物。33.根据权利要求20所述的沉积工具，其中所述衬底是半导体晶片，并且所述碳层是用作图案化掩模的碳层。34.一种在处理室中的衬底上形成碳层的方法，所述方法包括：(a)至少部分地从处理室中的碳离子中去除非碳离子；(b)在(a)之后，用所述处理室中的大部分所述碳离子轰击所述衬底；以及(c)由轰击所述衬底的所述碳离子形成碳层，其中所述碳离子比轰击所述衬底的所述非碳离子的比率高于所述非碳离子未被至少部分地从所述处理室去除的情形。35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述碳层是碳层。36.根据权利要求34所述的方法，其中所述衬底是半导体晶片，并且所述碳层用作图案化掩模。37.根据权利要求34所述的方法，其还包括重复(a)和(b)直到所述碳层在所述衬底上具有期望的厚度。38.根据权利要求34所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡尔，
申请(专利权)人：朗姆研究公司，
类型：发明
国别省市：