能用于在衬底上形成碳层的处理工具的制作方法

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
1.本技术要求于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。
技术领域
2.本发明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。


背景技术：

3.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。
4.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。
5.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。
6.因此需要一种用于大工业规模形成碳层的pecvd工具和方法。


技术实现要素：

7.本发明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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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
13.本技术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：
14.图1是根据本发明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。
15.图2是根据本发明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。
16.图3是示出根据本发明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。
17.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。
18.图5是说明根据本发明的非排他性实施方案的上面形成有碳层的衬底的图。
19.图6是说明根据本发明使用碳掩模制造半导体晶片的流程图的图。
20.图7是根据本发明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。
21.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
22.现在将参考如附图所示的本技术的几个非排他性实施方案来详细描述本技术。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。
23.参考图1，示出了根据本发明的处理工具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。
24.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。
25.处理室的绝缘壁14a可以由多种不同绝缘材料中的任一种制成，例如由氧化铝(al2o3)、石英、蓝宝石或其他介电材料形成。
26.基座16包括阳极环25，该阳极环25至少部分地定位在伸出基座16的衬底18的一部分下方。在一特定实施方案中，阳极环25经由基板14b耦合到dc接地。衬底基座16和阳极环25用于使用任何数量的已知夹持方法(包括静电(esc)、真空、机械夹持或它们的任何组合)将衬底18夹持在合适位置。
27.在非排他性的实施方案中，阳极环25也保持在dc接地和rf接地。实现dc和rf接地的一种方式是将阳极环25牢固地栓接或以其他方式机械地夹在基板14b上。如果使用其他接地技术，例如连接在阳极环25和基板14b之间的细线，则可能会出现其他问题。例如，这种细线在rf/vhf频率下可能具有可能只是太高的电感阻抗，从而导致阳极环25相对于rf/vhf“浮动”。
28.优选地由诸如铝、各向同性石墨或其他合适材料之类的高导电材料制成的接地笼20耦合到地。在接地笼20和限定处理室12的壁14之间的间隙22中提供空气。
29.等离子体沉积工具10还包括促进在衬底18上形成碳层的许多其他特征和/或元件。这些特征和/或元件包括在处理室12中的远离衬底18定位的电极26、可变dc电压源28、射频(rf)源30和成对的开关s1和s2以及流体耦合到电极26正上方或附近的空间的真空泵34。开关s1和s2一起操作以选择性地将电极26连接到：(a)rf源30；(b)可变dc电压电源28的负(-)端子；或者(c)可变dc电压电源28的正( )端子。
30.应当理解，如本技术通篇所描述的，开关s1和s2可以使用两个物理开关或其他电路来实现，这些电路可以实现与本文所述的切换逻辑或功能类似的切换逻辑或功能。例如在后者的情况下，开关s1和s2的功能可以通过改变电压放大器的信号电平以产生正和负dc脉冲来实现。
31.电极26执行多种功能。这些功能包括：
32.当通过开关s1连接到rf源30时，电极证明rf能量进入处理室12。当一种或多种反应物与rf能量一起被引入处理室12时，等离子体36生成。在非排他性实施方案中，反应物是乙炔(c2h2)、甲烷(ch4)或任何其他含有碳和氢的反应物。使用这样的反应物，产生具有整体
正电荷的等离子体，其包括氢离子和碳离子的混合物，两者都具有正净电荷。例如等离子体有时被称为“德拜(debye)鞘”或“德拜等离子体”，因为它的正离子密度更大，以发现这种现象的荷兰科学家peter debye的名字命名。
33.在一个非排他性实施方案中，rf源30是100mhz。在其他实施方案中，rf源30可以是13mhz、27mhz或适合于在处理室12内产生等离子体36的任何其他rf频率。这种合适的频率可以落入通常被认为是低、中或高的射频频率范围内，并且范围可以从400khz到5ghz。在其他替代实施方案中，电极26可以电容性地或电感性地耦合到rf源30。
34.由于阳极环25与衬底18接触并且两者都dc接地和rf接地，因此关于电极26实现了若干好处。在施加rf期间，衬底18用作rf参考地，而不是dc接地，因为衬底是“浮动的”并且它对dc接地的阻抗接近无穷大。结果，在非排他性实施方案中，衬底18和电极26之间的面积比等于或接近1:1。然而，应当理解，不要求比率为1:1。在其他实施方案中，衬底18与电极26的表面积比可大于或小于1:1。
35.电极26还在处理室12内提供负和正dc脉冲。随着s1连接到s2(与rf源30相反)，s2可以被控制以产生一系列施加到电极26的负或正脉冲。例如，通过切换到负端子1到2微秒，产生具有负幅值和持续时间为1到2微秒的脉冲。替代地，通过切换到正端子10到15微秒，产生具有正幅值和持续时间为10到15微秒的脉冲。脉冲的幅值(正的或负的)由dc电压源30确定。由于dc电压源是可变的，因此给定脉冲的幅值可以广泛地变化。因此，通过控制开关s1和s2以及dc电压源30，可以产生脉冲宽度、幅值和极性变化的脉冲并将其施加到电极26。
36.施加到电极26的负脉冲和正脉冲dc脉冲在衬底上形成碳层中提供有用的功能。对于负脉冲，等离子体鞘中的正离子被吸引到电极26。由于氢离子与碳离子相比具有较低的原子质量，因此氢离子朝向电极加速并移动比碳离子快得多。相比之下，质量较高的碳离子具有更大的惯性，因此响应于施加到电极26的负电压移动得更慢。因此，通过有意限制负脉冲的持续时间或宽度，相比碳离子，可以从处理室12中去除远远更多的氢离子。举例来说，申请人已经发现，通过将负脉冲的宽度限制为1到2微秒，可以从等离子体鞘中去除大百分比(例如，超过90％)的氢离子，而去除相对较小百分比(例如，小于10％或15％)的碳离子。结果，留在等离子体鞘中的绝大多数离子是碳。
37.当随后的正dc脉冲施加到电极26时，正电压将排斥大部分碳离子并使其朝向衬底18加速。此外，由于衬底18通过阳极环25偏置在接地或接近接地，因此碳原子具有足够的能量来轰击衬底18的表面。结果，碳原子不仅沉积在衬底18的表面上，而且还亚注入(sub-implant)到衬底18的主体中。结果，形成碳层。
38.在非排他性的实施方案中，电极26还可以充当用于从等离子体鞘去除的离子的电荷中和“陷阱”。通过称为表面复合中和的过程，带电离子在与元件26的表面接触时交换它们的电荷，从而变成电荷中性。在这种情况下，等离子体鞘的氢离子和碳离子带有正电荷。施加到电极26的负电荷吸引带正电荷的离子。当离子接触电极26的表面时，发生电荷交换，从而中和离子。电极26因此可以被称为sub-debye中和器。在某些非排他性的实施方案中，电极26可以包括有助于电荷中和的催化材料。此类催化材料可以包括但不限于铝、氮化铝、氧化铝、石墨或可有助于电荷中和的任何其他材料。
39.在图1所示的实施方案中，电极26位于处理室12的顶部附近，使得等离子体36位于衬底18和电极26之间。通过这种布置，来自可变dc电压源28的负脉冲在与衬底18相反的方
向上将氢离子吸引到电极26上。在替代的实施方案(未示出)中，电极可以定位在衬底18下方靠近处理室12的底部。在这种布置中，来自可变dc电压源28的施加到电极的正脉冲沿远离衬底18和电极26的方向排斥氢离子。当用碳离子轰击晶片时，这种布置还有助于亚注入控制。
40.泵34紧邻电极26或在其正上方提供。泵34的功能是将被电极26中和的俘获离子从处理室12中通过抽真空去除。在非排他性的实施方案中，泵34具有每秒约500升从处理室12抽排的能力。在其他实施方案中，抽排能力可以在适当的范围内广泛变化。通过保持电极26和泵34之间的间隙或空间相对较小，以及真空压力较高，可以防止在rf源30连接到电极26期间出现等离子体。
41.控制器24用于控制等离子体沉积工具10的整体操作和处理顺序。特别地，提供控制器24以通过操作各种部件来管理和控制沉积工具10的整体操作，所述部件包括但不限于开关s1和s2、可变dc电压源28、rf源30、泵34、等离子体36的产生、将一种或多种反应物气体供应到处理室12中、以及几乎所有其他此处描述的处理工具10的操作。
42.控制器24通常包括一个或多个用于存储系统控制软件或代码的非瞬态计算机可读介质设备和一个或多个用于执行代码的处理器。术语“非瞬时计算机可读介质”通常用于指代诸如主存储器、辅助存储器、可移动存储装置等介质，以及存储设备，例如硬盘、闪存、磁盘驱动器存储器、cd-rom和其他形式的永久性存储器，但不是瞬时主题，例如载波或信号。处理器可能包括cpu或计算机、多个cpu或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、电机控制器板等。
43.在某些实施方案中，运行或执行系统软件或代码的控制器24控制工具10的全部或至少大部分活动，包括诸如控制处理操作的时序、rf源30的操作频率和功率、处理室12内的压力、进入处理室12的任何气体的流速、浓度和温度以及它们的相对混合、由衬底保持器16支撑的衬底18的温度等。
44.控制器24还可以包括用户界面(未示出)。用户界面可以包括显示屏、指示处理工具10的操作参数和/或处理条件的图形软件显示器、以及用户输入设备，例如指点设备、键盘、触摸屏、麦克风等，其允许人类操作员与处理工具10对接。
45.在控制器24和处理工具10的各种上面列出的部件之间传输的信息可以是诸如电子、电磁、光或其他能够通过任何携带信号的通信链路发送和/或接收的信号之类的信号形式，并且可以使用电线或电缆、光纤、电话线、蜂窝电话链路、射频链路和/或其他通信信道来实现。前体
46.在衬底18上形成碳层需要碳。在各种非排他性的实施方案中，碳以一种或多种前体气体(例如乙炔(c2h2)、甲烷(ch4)或一些其他至少包含碳的气体)的形式引入处理室12。虽然此类前体含有必需的碳，但它们通常也含有氢，这对于形成如本文所定义的各种碳层可能有些不利。如本文所述，申请人已发现一种使用加工工具10通过调制施加到电极26的脉冲和/或rf来以几乎任何期望厚度沉积碳的方法。处理流程
47.参考图2，示出了处理工具10的操作流程图50，其示出了用于在衬底18上形成几乎任何期望厚度的碳层的顺序。如上所述，该顺序主要由控制器24控制和实施。
48.在步骤52中，将含碳前体引入处理室12中。前体可以是乙炔(c2h2)、甲烷(ch4)或任何其他含碳前体。取决于所使用的前体，氢或一些其他元素也可能存在于处理室中。如下文所述，氢或其他元素在后续步骤中至少被部分去除，大部分碳留在处理室12中。
49.在步骤54中，rf源30被激活并经由开关s1连接到电极26。结果，在处理室12中，在衬底18和电极26之间产生等离子体鞘36。使用上述前体，所得等离子体包括碳离子和氢离子的混合物，两者都带正电荷。
50.在步骤56中，rf源30经由开关s1与电极26断开。结果，等离子体鞘进入“余辉”状态，其中碳离子和氢离子的混合物“悬浮”在处理室12内。
51.在步骤58中，开关s1和s2切换以向电极26提供持续时间相对较短的负脉冲。如前所述，较轻的氢离子比碳离子移动得更快。结果，在短脉冲的持续时间期间，相对于碳离子，不成比例地更大百分比的氢离子被吸引到电极26。结果，在负脉冲完成之后，大部分碳离子保留在处理室12中。
52.在步骤60中，开关s1和s2切换以向电极26提供持续时间相对较长的正脉冲。当电极处于正dc电压且衬底基座16偏置接地时，带正电的碳离子加速朝向并轰击衬底18。通过控制正脉冲的幅值以及衬底的偏置，碳离子可以有足够的能量以不仅沉积在衬底18的表面上，而且注入到衬底18的主体中。结果，在正dc电压脉冲的持续时间期间，在衬底18的表面上形成碳。
53.在决定62中，确定在基底18上形成的碳是否具有期望的厚度。如果是，则停止上述过程。
54.在决定64中，确定处理室12中是否有足够的碳。如果存在足够的碳，则执行步骤56到62的另一个循环。另一方面，如果需要更多的碳，则重复步骤52-62。
55.通过步骤58和60的多个循环，施加到电极36的电压基本上是一系列交错的负dc电压脉冲和正dc电压脉冲。对于每个负脉冲，氢离子从等离子体鞘中移除、中和并被泵出处理室12。在负脉冲之间，在正脉冲期间大部分碳离子轰击衬底18。通过多次重复该循环，可以在衬底18上形成碳层至几乎任何期望厚度。示例性实施方案
56.参照图3，示出了示例性时序图，其示出了射频(rf)的重复序列，其中散布着施加到电极26的一系列负和正dc电压脉冲。在该示例中，rf最初被施加约50微秒的持续时间，如参考数字72所示。此后，约-1k伏的负dc电压脉冲被施加一段短时间(例如，1到2微秒)，如附图标记74所示。接下来，如附图标记76所示，施加具有约 100伏特( /-20％)的幅值和5微秒的持续时间的正dc电压脉冲。通过重复上述顺序，等离子体鞘中的碳和氢离子在每个循环之前定期补充以(a)去除大部分氢离子和(b)用大部分碳离子轰击衬底。通过重复该循环72、74和76，可以将所得碳层沉积到几乎任何期望的厚度。
57.应当理解，图3图表中提供的各种时间和电压值是说明性的并且不应被解释为在任何方面的限制。例如：
58.在其间施加rf的时间段72的持续时间可以广泛地变化。当施加rf时，处理室12中的反应物气体分子破裂并被电离。因此，时间段72的持续时间至少部分取决于所期望的离子转化程度或百分比。如果想要或希望电离的百分比较小，则时间段72相对较短。另一方面，如果希望高百分比或基本上所有的分子被电离，则时间段72的持续时间可以较长。因
此，时间段72的持续时间可以在从一微秒或更短到超过1秒的很大范围内变化，具体取决于环境。
59.负脉冲74的持续时间和幅值也可以广泛地变化。在负脉冲期间，主要目标是平衡从等离子体鞘中去除尽可能多的低质量离子(例如，氢)，同时不去除过多的较高质量碳离子。(从等离子体鞘移动正离子的主要因素是bohn场，即，当正离子进入等离子体鞘时，它们将通过鞘的e场加速)。通过调节负幅值，可以间接控制等离子体鞘中的离子的电子的电子温度te。脉冲74的幅值因此可以广泛地变化，例如从-100伏到-5k伏，以控制氢离子被扫出等离子体鞘到达电极26的速率。此外，脉冲74的持续时间越长，较大质量的碳离子被加速扫出等离子体鞘并接触电极26的机会就越多。因此优选地选择负脉冲74的持续时间，使得显著百分比(例如，90％-99％)的氢离子被去除。一旦达到所需的阈值百分比，则终止脉冲。同样，应当理解，该百分比范围是示例性的并且可以更高或更低。因此，脉冲的持续时间可以在0.1微秒或更短到2毫秒或更长的广泛范围内。
60.正脉冲76的持续时间和幅值也可以广泛地变化，同样具体取决于环境。幅值很大程度上取决于所需的亚注入的数量和深度。一般来说，幅值越高，碳离子相对于衬底的能量就越大，亚注入将越深。关于持续时间，限制因素通常是轰击期间衬底18上的电荷积累。随着轰击的继续，正的表面电荷积聚，增加了衬底的电势。最终，等离子体鞘和基底之间的电压差变得足够小，以至于碳离子不再具有亚注入所需的能量。此时，优选终止脉冲76。因此，脉冲的持续时间可以从1微秒或更短到30微秒或更长时间广泛地变化。脉冲76的幅值也可以广泛地变化，例如从 50伏或更低到 500伏或更高变化。
61.如前所述，控制器24负责控制开关s1和s2，以在时段72中产生所期望的rf应用的持续时间以及负脉冲74和正脉冲76的持续时间。开关s1被控制以将电极26耦合到(a)rf源30或开关s2，而开关s2用于选择可变dc电压源28的正端子或负端子。开关s2因此控制脉冲74和76的极性和持续时间，而可变dc电压电源定义了幅值。电极26
62.如前所述，电极26还可以用于通过表面复合中和将从等离子体鞘去除的离子中和。为了实现该功能，电极26的表面积越大越好。
63.参照图4a和图4b，示出了电极26的非排他性实施方案的图。在该特定实施方案中，电极的形状为圆形并且在x和y方向上基本上跨过处理室12。电极26还限定了竖直凹槽80的网格，这些凹槽在z方向贯穿电极的厚度钻出或以其他方式形成。例如，各个凹槽80的直径范围可以为1至5毫米，间距范围为1.2至1.5毫米，高度约为4毫米。通过这种布置，电极26可以具有数千个凹槽80，每个凹槽都增加了总表面积。具有更大的表面积，更多的离子可能接触电极26并被中和。应当理解，电极26可以是任何形状或具有可以增加总表面积的任何特征。考虑到这一点，在此示出和描述的实施方案仅是示例性的并且不应被解释为在任何方面都是限制性的。
64.凹槽80的高宽比(高度对直径)可以广泛地变化。作为一般规则，优选选择高宽比以提供足够的表面积，使得被吸引到电极26的绝大多数离子通过表面复合被中和。如果太多离子在没有中和的情况下穿过凹槽80，则等离子体实际上“环绕”电极26并在电极26上方形成，这是不期望的。因此，凹槽的高宽比优选地是“亚德拜”，这意味着选择高宽比以防止等离子体鞘环绕在电极26周围。在非排他性实施方案中，申请人已经发现4:1的高宽比足以
中和绝大多数离子，从而防止环绕效应。未被中和的离子太少而不能产生环绕效应并且通常被泵34扫除。然而，再次应当理解，具有4:1的高宽比和1毫米直径的凹部80是许多可以完成亚德拜中和并防止环绕的示例中的一个。因此，可以使用具有更大或更小的高宽比、直径和节距的凹槽80，只要它们满足亚德拜目标即可。
65.然而，电极越高或越厚，制造起来就越困难和越昂贵。例如，在高宽比为4:1的情况下，电极26的凹槽80是“亚德拜”的，因为它们阻止等离子体鞘环绕在电极26周围。
66.到目前为止，电极26已被表征为用于提供进入处理室12中的rf能量以及负脉冲和正脉冲的电极。然而，应当理解，这绝不是一项要求。相反，第二电极可用于rf，而电极26用于在处理室12内施加负和正dc电压脉冲。碳层
67.上述处理可以用于沉积多种不同类型的碳层，此类碳层可以包括但不限于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。在具有灰尘状的特性和纳米级的最小sp3键合的情况下，无定形碳层在下伏的衬底上施加的表面应力显著降低，从而显著防止了衬底弯曲、翘曲和/或开裂。
[0068]“硬掩模”在半导体工业中经常用作图案化掩模而不是其他“软”有机材料，例如聚合物抗蚀剂。使用用于晶片图案化的常见蚀刻剂气体(例如氟、氯等)，“软”聚合物掩模易于降解。结果，半导体晶片上的图案化特征通常不太精确。另一方面，各种碳层明显更加稳定，具有非常低且可预测的蚀刻速率，这使得此类层非常适合用作半导体制造行业中的硬掩模。与聚合物树脂相比，碳硬掩模在暴露于氟和/或氯蚀刻化学品时表现出的降解明显更少，从而导致更精确的蚀刻、更精细的几何形状和更少的加工缺陷。
[0069]
参照图5，示出了示例性半导体衬底90的横截面。衬底90包括一层(或多层)92，例如但不限于绝缘层、多晶硅层、金属化层、氧化硅层等(为简单起见，仅示出一层92)。半导体90还包括形成在一个或多个层92上方的碳层94。在非排他性实施方案中，使用如本文所述的工具10形成碳层94。在各种替代实施方案中，碳层94是任何上述类型的碳层。在另外的实施方案中，碳层94是用于图案化或和/或掺杂下伏的一层或多层92的图案化掩模。大规模半导体晶片制造
[0070]
在常规pecvd工具中形成碳层94的能力使得能够在半导体晶片的大规模工业生产中使用任何上述类型的碳层作为硬掩模，或用于其他类型的层。
[0071]
参照图6，示出了在半导体晶片的大规模工业制造期间使用碳层94作为图案化掩模的流程图100。
[0072]
在初始步骤102中，形成要在半导体晶片90上图案化和/或掺杂的任何层92。此类层可包括但不限于硅层、多晶硅层、金属层(例如铝、铜、钨等)、绝缘层、氧化物层等。
[0073]
在步骤104中，如本文所述，在半导体晶片上形成无定形碳层94。无定形碳层94可以是任何上述类型的碳。
[0074]
在步骤106中，碳层94被图案化以暴露某些区域同时覆盖其他区域。
[0075]
在步骤108中，半导体晶片上的暴露区域被蚀刻、掺杂或两者。保持被碳层94覆盖
的半导体晶片90的区域保持受到保护并且不被蚀刻和/或掺杂。
[0076]
在决定110中，确定是否要蚀刻和/或掺杂半导体晶片90上的附加层。如果是，则重复操作102-108。如果不是，则晶片通常将经历其他处理步骤直到制造完成，如半导体领域中众所周知的。
[0077]
同样，由于一个或多个碳层94可在如本文所述的工具10中形成和/或图案化，因此上述处理可在大的工业规模上实施。pecvd工具的类型
[0078]
各种类型的pecvd工具是已知的。此类pecvd工具包括但不限于低压(lpcvd)、超高真空(uhvcvd)、原子层沉积(ald)、等离子体增强原子层沉积(peald)等。此外，上述列出的pecvd工具还可以具有能够处理一个或多个衬底的单个处理室或多个处理室，每个处理室能够处理一个或多个衬底。不管pecvd工具的类型或室的数量如何，每个都可以用于在一个或多个衬底上形成如本文所述的碳层。替代实施方案
[0079]
迄今为止，本发明已经在以下背景下进行了描述：(1)产生碳和氢离子的混合物，(2)从混合物中去除显著百分比的氢离子，以及(3)沉积剩余的大部分碳离子到衬底表面。然而，应当理解，本发明决不应限于氢和碳。相反，本发明可以用于任何物质，该任何物质(1)可以通过原子质量分离并且(2)剩余的物质将被沉积到工件上。
[0080]
图7是根据本发明的非排他性实施方案的处理工具的操作流程图150，其示出了用于在衬底上形成其他物质的层的一系列步骤。
[0081]
在步骤152中，将化学物质引入处理室12中。化学物质包括一种或多种需要通过质量分离去除的物质和一种或多种将沉积到衬底上的物质。
[0082]
在步骤154中，通过从源30向电极26施加rf，在室12中产生等离子体。等离子体包含分别包括在化学物质中的一种或多种物质的离子的混合物。
[0083]
在步骤156中，rf源从电极26移除。结果，包括将被移除的那些离子和将被沉积在工件上的那些离子在内的离子的混合物悬浮在室内。
[0084]
在步骤158中，通过向电极26施加变化的dc电压从混合物中去除要去除的离子。在第一极性的脉冲期间，离子从混合物中去除，或者通过被吸引到电极26或被排斥远离电极26，具体取决于离子的电荷、第一极性和电极26的位置。
[0085]
在步骤160中，混合物中剩余的离子被沉积到工件上。在该步骤期间，可变dc电源可能会或可能不会提供第二极性的第二脉冲。在不使用脉冲或第二个极性的情况下，只打开和关闭一种极性。
[0086]
在步骤162中，确定工件上的沉积层是否具有足够的厚度。如果是，则该处理完成。如果不是，则在步骤164中确定混合物中的离子是否需要补充。如果不需要，则重复步骤158和160。如果是，则重复步骤152-162。
[0087]
在另一非排他性的实施方案中，上述处理可用于将氮化硅层沉积到工件上。使用上述处理，将氢、硅和氮化物的化学物质(例如，氮和sih4)引入室，施加rf，产生氢、硅和氮离子的混合物。当施加变化的dc电压时，在一种极性的脉冲期间，氢离子大部分从混合物中去除。结果，硅和氮离子在一种极性的脉冲之间沉积到工件上，而不管是否使用第二极性的第二脉冲。无论哪种方式，都会形成氮化硅层。
[0088]
应当理解，在此提供的实施方案仅是示例性的，不应被解释为在任何方面都是限制性的。虽然仅详细描述了几个实施方案，但是应当理解，在不脱离本文提供的公开内容的精神或范围的情况下，可以以许多其他形式实施本技术。因此，所提供的实施方案应该被认为是说明性的而非限制性的，并且不限于这里给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同方案内进行修改。