特開 2024-131462 炭素膜形成方法及び炭素膜形成装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024131462

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】炭素膜形成方法及び炭素膜形成装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20240920BHJP

   H01L 21/314 20060101ALI20240920BHJP

   H01L 21/027 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 105A

H01L21/314 A

H01L21/30 573

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023041734

(22)【出願日】2023-03-16

(71)【出願人】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100125254

【弁理士】

【氏名又は名称】別役 重尚

(74)【代理人】

【識別番号】100118278

【弁理士】

【氏名又は名称】村松 聡

(72)【発明者】

【氏名】吉田 圭佑

(72)【発明者】

【氏名】濱田 康弘

(72)【発明者】

【氏名】片桐 勇志

【テーマコード（参考）】

5F004

5F058

5F146

【Ｆターム（参考）】

5F004AA04

5F004BA09

5F004BB13

5F004BB22

5F004BB23

5F004BB25

5F004BB26

5F004CA06

5F004CA08

5F004DA22

5F004EA03

5F058BF46

5F058BH01

5F146NA12

5F146NA17

(57)【要約】

【課題】エッチング耐性の高い炭素膜を形成する。
【解決手段】スピン塗布法によって炭素膜原料を基板に塗布して基板に炭素含有膜を形成し、該炭素含有膜を加熱焼成して炭素膜を形成し、該炭素膜にヘリウムイオンを照射する。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スピン塗布法によって炭素膜原料を基板に塗布して前記基板に炭素含有膜を形成し、
該炭素含有膜を加熱焼成して炭素膜を形成し、
該炭素膜にヘリウムイオンを照射する炭素膜形成方法。

【請求項2】

前記加熱焼成における前記基板の温度が５００℃未満に維持される、請求項１に記載の炭素膜形成方法。

【請求項3】

前記ヘリウムイオンの照射時の前記基板の温度が６０℃以下に維持される、請求項１に記載の炭素膜形成方法。

【請求項4】

前記ヘリウムイオンの照射時の前記基板の温度が２０℃以上に維持される、請求項３に記載の炭素膜形成方法。

【請求項5】

前記加熱焼成時の前記基板の温度が３００℃以下に維持される、請求項２に記載の炭素膜形成方法。

【請求項6】

前記加熱焼成時の前記基板の温度が１１０℃以上に維持される、請求項５に記載の炭素膜形成方法。

【請求項7】

前記ヘリウムイオンの照射時に前記基板が載置される電極へ供給されるイオン引き込み用の高周波電力の大きさが５００Ｗ以上に設定される、請求項１に記載の炭素膜形成方法。

【請求項8】

前記ヘリウムイオンの照射時に前記電極へ供給される前記イオン引き込み用の高周波電力の大きさが３０００Ｗ以上に設定される、請求項７に記載の炭素膜形成方法。

【請求項9】

前記基板への前記ヘリウムイオンの照射時間は１０秒以上である、請求項１に記載の炭素膜形成方法。

【請求項10】

前記基板への前記ヘリウムイオンの照射時間は１２０秒以下である、請求項９に記載の炭素膜形成方法。

【請求項11】

前記ヘリウムイオンの照射時に前記基板が収容される処理容器の内部の圧力が１００ｍＴｏｒｒ以上に維持される、請求項１に記載の炭素膜形成方法。

【請求項12】

スピン塗布法によって炭素膜原料を基板に塗布して前記基板に炭素含有膜を形成するスピン塗布部と、
該炭素含有膜を加熱焼成して炭素膜を形成する加熱焼成部と、
該炭素膜にヘリウムイオンを照射するイオン照射部と、を備える炭素膜形成装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、炭素膜形成方法及び炭素膜形成装置に関する。

【背景技術】

【0002】

通常、半導体装置では、極端紫外線を用いて露光されるフォトレジスト膜の下地層として、ＳＯＣ（Spin on Carbon）膜が用いられる。例えば、特許文献１の技術では、まず、シリコン酸化膜上にＳＯＣを塗布した後にベーク処理を行ってＳＯＣからなる有機膜（以下、「ＳＯＣ膜」という）を形成し、さらに、ＳＯＣ膜上にＳＯＧ（Spin on Glass）を塗布した後にベーク処理を行ってＳＯＧ膜を形成する。次に、ＳＯＧ膜上にレジストを塗布し、リソグラフィ処理によってホールパターンを形成し、その後、レジストをマスクとしてＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を行い、ホールパターンをＳＯＧ膜に転写する。さらに、ホールパターンが転写されたＳＯＧ膜をマスクにＲＩＥを行い、ホールパターンをＳＯＣ膜に転写する。そして、ホールパターンが転写されたＳＯＣ膜をハードマスクとしてＲＩＥを行い、ホールパターンをシリコン酸化膜に転写する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－１３５４３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示に係る技術は、エッチング耐性の高い炭素膜を形成する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示に係る技術の一態様は、炭素膜形成方法であって、スピン塗布法によって炭素膜原料を基板に塗布して前記基板に炭素含有膜を形成し、該炭素含有膜を加熱焼成して炭素膜を形成し、該炭素膜にヘリウムイオンを照射する。

【発明の効果】

【0006】

本開示に係る技術によれば、エッチング耐性の高い炭素膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本開示に係る技術の一実施の形態としての炭素膜形成方法を実行する炭素膜形成装置の構成を示す図である。

【図2】図１におけるプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。

【図3】ＳＯＣ膜へのイオン照射時のバイアス電力を変更したときのＳＯＣ膜の各特性を示すグラフである。

【図4】ＳＯＣ膜へのイオン照射時の処理容器の内部の圧力を変更したときのＳＯＣ膜のＲＩＥによるエッチレートを示すグラフである。

【図5】ＳＯＣ膜へのイオン照射時のウエハの温度を変更したときのＳＯＣ膜のＲＩＥによるエッチレートを示すグラフである。

【図6】ＳＯＣ膜へのイオン照射時間を変更したときのＳＯＣ膜のＲＩＥによるエッチレートを示すグラフである。

【図7】炭素含有膜の焼成温度を変更したときのＳＯＣ膜のＲＩＥによるエッチレートを示すグラフである。

【図8】本開示に係る技術の一実施の形態としての炭素膜形成方法を示すフローチャートである。

【図9】本開示に係る技術の一実施の形態としての炭素膜形成方法によって形成されたＳＯＣ膜とアモルファスカーボン膜のエッチレートを比較した結果を示す図である。

【図10】本開示に係る技術の一実施の形態としての炭素膜形成方法で形成したＳＯＣ膜と従来のＳＯＣ膜の各特性の相対比を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

ＲＩＥにおいてハードマスクとして用いられるＳＯＣ膜は、エッチング耐性がさほど高くなく、シリコン酸化膜のエッチング中にハードマスクが削られてホールパターンが大きくなることがある。この場合、シリコン酸化膜に転写されたホールパターンの開口部が広がってしまう。

【0009】

そこで、スピンコーティングによって形成されたＳＯＣを比較的高温（例えば、５００℃以上）で加熱焼成することにより、ＳＯＣ膜を緻密化させてエッチング耐性を向上させている。

【0010】

ところで、半導体装置の構造の複雑化に伴い、昨今の半導体装置の製造工程では、従来よりも低温での処理が求められ、例えば、ＳＯＣ膜の加熱焼成は５００℃未満で実施する必要が生じている。しかしながら、ＳＯＣ膜の加熱焼成を５００℃未満で実施した場合、ＳＯＣ膜を十分に緻密化することが困難であり、エッチング耐性が高いＳＯＣ膜を形成するのが困難である。

【0011】

これに対して、本開示に係る技術は、加熱焼成を施したＳＯＣ膜へヘリウムイオンを照射して、ＳＯＣ膜を十分に緻密化し、エッチング耐性が高いＳＯＣ膜を形成する。

【0012】

以下、図面を参照して本開示に係る技術の一実施の形態を説明する。図１は、本実施の形態としての炭素膜形成方法を実行する炭素膜形成装置の構成を示す図である。

【0013】

図１において、炭素膜形成装置１０は、塗布現像装置１１と、プラズマ処理装置１２とを備える。塗布現像装置１１はスピン塗布部と加熱焼成部（いずれも不図示）を有する。スピン塗布部は、ウエハ（基板）にスピンコート（スピン塗布法）によってＳＯＣ膜原料を塗布してウエハの表面、具体的には、ウエハのシリコン酸化膜上に炭素含有膜を形成する。加熱焼成部は、炭素含有膜が形成されたウエハを枚葉、又は複数枚同時に加熱して炭素含有膜に焼成処理を施し、炭素含有膜からＳＯＣ膜（炭素膜）を形成する。加熱焼成部におけるウエハの加熱方法としては、例えば、ウエハを載置するステージに内蔵されたヒータによって加熱する方法、ウエハに赤外線を照射して加熱する方やウエハに熱風を吹き付けて加熱する方法が挙げられる。また、プラズマ処理装置１２（イオン照射部）は、加熱焼成によってＳＯＣ膜が形成されたウエハへヘリウムイオンを照射する。

【0014】

図２は、図１におけるプラズマ処理装置１２の構成を概略的に示す断面図である。図２において、プラズマ処理装置１２は、ウエハＷを収容する処理容器１３を備える。処理容器１３の内部にはウエハＷを載置する載置台１４が配置され、載置台１４は処理容器１３の底部から柱部１５によって支持される。載置台１４と処理容器１３の側壁の間には、多数の通気口１６ａが形成されたバッフル板１６が配置される。また、処理容器１３では、載置台１４と処理容器１３の天井部の間に処理空間Ｕが形成される。処理空間Ｕでは、後述するように、ヘリウムガスからプラズマが生成される。

【0015】

載置台１４の上部には静電チャック１７が設けられ、載置台１４に載置されたウエハＷは、静電チャック１７の静電力によって載置台１４に吸着保持される。また、載置台１４の内部には、載置されたウエハＷの温度を制御するために、ヒータ１８やチラー（不図示）等の温調機構が設けられる。載置台１４の上面には、載置されたウエハＷを囲むように環状のフォーカスリング１９が配置される。また、処理容器１３の側壁には、ウエハＷを処理空間Ｕへ搬入出するための搬入出口２０及び搬入出口２０を開閉するゲートバルブ２１が設けられる。

【0016】

処理容器１３の天井部にはガス供給管２２を介して処理ガス供給装置２３が接続される。処理ガス供給装置２３は処理ガスとして処理空間Ｕにヘリウムガスの単ガスを供給する。また、載置台１４には、第１の高周波電源２４と第２の高周波電源２５が接続される。これにより、載置台１４は下部電極として機能する。第１の高周波電源２４は、例えば、１００ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波電力を載置台１４に供給し、第２の高周波電源２５は、例えば、４００ｋＨｚ～１３ＭＨｚのイオン引き込み用の高周波電力（以下、「バイアス電力」という）を載置台１４に供給する。

【0017】

プラズマ生成用の高周波電力は処理空間Ｕに電界を生じさせ、該電界は処理空間Ｕに供給されたヘリウムガスを励起してプラズマを生じさせる。また、プラズマ中のヘリウムイオンは、バイアス電力によって載置台１４に生じたバイアス電位によって載置台１４へ向けて引き込まれるが、このとき、載置台１４に載置されたウエハＷに衝突する。これにより、ウエハＷに形成されたＳＯＣ膜へヘリウムイオンが照射される。

【0018】

さらに、処理容器１３の底部には排気管２６を介してターボ分子ポンプやドライポンプ等の排気装置２７が接続される。ＳＯＣ膜へのヘリウムイオンの照射を実行する際、排気装置２７は、処理空間Ｕを大気圧よりも低い予め定められた圧力に維持する。

【0019】

また、プラズマ処理装置１２には制御部２８が設けられる。制御部２８は、少なくともＣＰＵとメモリを有するコンピュータからなり、メモリには所定の成膜処理や後述する堆積物の堆積判定を実行するためのレシピ（プログラム）が記録される。

【0020】

ところで、上述したように、炭素含有膜の加熱焼成を５００℃未満で実施してＳＯＣ膜を形成する場合、ＳＯＣ膜を十分に緻密化することが困難であるため、何らかの方法でＳＯＣ膜をさらに緻密化する必要がある。

【0021】

ＳＯＣ膜の緻密化方法には、幾つかの手法が考えられるが、本願の出願人（以下、「本出願人」という）は、昨今の半導体装置の製造工程において低温の処理が求められていることを考慮し、イオン照射によってＳＯＣ膜を緻密化することを検討した。そして、イオン照射に用いるイオンの生成源として、種々の処理ガスを試した結果、軽くて小さい元素のガスがＳＯＣ膜における改質深さ（緻密化深さ）確保や膜収縮量減少の観点から有利であることを見出した。そこで、本開示に係る技術で用いる処理ガスとしてヘリウムガスを用いることとした。

【0022】

また、本出願人は、ヘリウムガスを用いたイオン照射により、ＳＯＣ膜をさらに緻密化してエッチング耐性の高いＳＯＣ膜を形成するための条件を見出すべく、イオン照射時の諸条件について実験を通じて検討した。

【0023】

まず、本出願人は、イオン照射時のバイアス電力の好適な大きさを見出す検討を行った。具体的には、まず、比較的低温の加熱焼成（ウエハの温度が、例えば、５００℃未満となる加熱焼成）によって形成されたＳＯＣ膜を有する複数のテストピースとしてのウエハを準備した。そして、プラズマ処理装置１２において、各ウエハのＳＯＣ膜へ異なる大きさのバイアス電力によってヘリウムイオンの照射を行った。その後、ヘリウムイオンが照射された各ウエハへシリコン酸化膜をエッチングする条件でＲＩＥを施し、ＳＯＣ膜のエッチレートを計測した。この場合、ＳＯＣ膜のエッチレートが低いほど、ＳＯＣ膜のエッチング耐性が向上したと考えられる。

【0024】

図３は、ＳＯＣ膜へのイオン照射時のバイアス電力を変更したときのＳＯＣ膜の各特性を示すグラフであり、図３（Ａ）はイオン照射時による改質深さと膜収縮量を示し、図３（Ｂ）はＲＩＥによるエッチレートを示す。なお、イオン照射時のバイアス電力以外の諸条件は、処理容器１３の内部の圧力が３０ｍＴｏｒｒであり、プラズマ生成用の高周波電力の大きさが５００Ｗであり、処理空間Ｕへ供給されるヘリウムガスの流量が１８０ｓｃｃｍであった。また、ウエハの温度が２０℃であり、イオン照射時間が１０秒であった。

【0025】

まず、図３（Ａ）に示すように、バイアス電力を大きくすると、ＳＯＣ膜の改質深さが大きくなった（図中の「●」参照）。これにより、バイアス電力を大きくするとヘリウムイオンの引き込み力が高まってヘリウムイオンがＳＯＣ膜の奥まで進入し、改質層を厚くすることが分かった。一方、バイアス電力を大きくしても、膜収縮量はほぼ変わらなかった（図中の「○」参照）。これにより、ＳＯＣ膜のヘリウムイオンによるエッチング量はある程度進行したら、飽和することが分かった。

【0026】

さらに、図３（Ｂ）に示すように、バイアス電力を大きくすると、ＳＯＣ膜のエッチレートが低下した。これにより、バイアス電力を大きくするほど、ＳＯＣ膜の緻密化が進み、エッチング耐性が向上することが分かった。また、バイアス電力の大きさが５００ＷのＳＯＣ膜のエッチレートでも、５００℃以上で加熱焼成を行い、且つイオン照射を行っていない従来のＳＯＣ膜のエッチレートよりも低い。したがって、イオン照射時のバイアス電力を５００Ｗ以上とすれば、従来のＳＯＣ膜よりもエッチング耐性が向上することが分かった。

【0027】

特に、イオン照射時のバイアス電力を３０００Ｗ以上とすれば、より一段とエッチレートが低下することが確認された一方、バイアス電力を上げてヘリウムイオンをＳＯＣ膜へ強く引き込んでも、ヘリウムイオンの質量は非常に小さいため、ＳＯＣ膜が削られにくい。したがって、イオン照射時のバイアス電力を３０００Ｗ以上とするのがより好ましいことが分かった。

【0028】

次に、本出願人は、イオン照射時の処理容器１３の内部の好適な圧力を見出す検討を行った。具体的には、まず、比較的低温の加熱焼成によって形成されたＳＯＣ膜を有する複数のテストピースとしてのウエハを準備し、プラズマ処理装置１２において、処理容器１３の内部の圧力を変更してヘリウムイオンの照射を行った。その後、ヘリウムイオンが照射された各ウエハへシリコン酸化膜をエッチングする条件でＲＩＥを施し、ＳＯＣ膜のエッチレートを計測した。

【0029】

図４は、ＳＯＣ膜へのイオン照射時の処理容器１３の内部の圧力を変更したときのＳＯＣ膜のＲＩＥによるエッチレートを示すグラフである。なお、イオン照射時の処理容器１３の内部の圧力以外の諸条件は、プラズマ生成用の高周波電力の大きさが５００Ｗであり、バイアス電力の大きさが３０００Ｗであり、ウエハの温度が２０℃であり、イオン照射時間が１０秒であった。また、処理容器１３の内部の圧力として、３０ｍＴｏｒｒ、１００ｍＴｏｒｒ、３００ｍＴｏｒｒが設定されたが、それぞれの圧力における処理空間Ｕへのヘリウムガスの供給流量は、１８０ｓｃｃｍ、３６０ｓｃｃｍ、９００ｓｃｃｍであった。

【0030】

図４に示すように、処理容器１３の内部の圧力を高くすると、ＳＯＣ膜のエッチレートが低下した。これにより、処理容器１３の内部の圧力を高くするほど、ＳＯＣ膜の緻密化が進み、エッチング耐性が向上することが分かった。また、処理容器１３の内部の圧力が３０ｍＴｏｒｒのＳＯＣ膜のエッチレートでも、上述した従来のＳＯＣ膜のエッチレートよりも低い。したがって、イオン照射時の処理容器１３の内部の圧力を３０ｍＴｏｒｒ以上とすれば、従来のＳＯＣ膜よりもエッチング耐性が向上することが分かった。但し、処理容器１３の内部の圧力が１００ｍＴｏｒｒ以上となれば、より一層ＳＯＣ膜のエッチレートが低下することから、イオン照射時の処理容器１３の内部の圧力を１００ｍＴｏｒｒ以上とするのがより好ましいことが分かった。

【0031】

次に、本出願人は、イオン照射時の好適なウエハの温度を見出す検討を行った。具体的には、まず、比較的低温の加熱焼成によって形成されたＳＯＣ膜を有する複数のテストピースとしてのウエハを準備し、プラズマ処理装置１２において、ウエハの温度を変更してヘリウムイオンの照射を行った。その後、ヘリウムイオンが照射された各ウエハへシリコン酸化膜をエッチングする条件でＲＩＥを施し、ＳＯＣ膜のエッチレートを計測した。

【0032】

図５は、ＳＯＣ膜へのイオン照射時のウエハの温度を変更したときのＳＯＣ膜のＲＩＥによるエッチレートを示すグラフである。なお、イオン照射時のウエハの温度以外の諸条件は、処理容器１３の内部の圧力が３００ｍＴｏｒｒであり、プラズマ生成用の高周波電力の大きさが０Ｗであり、バイアス電力の大きさが３０００Ｗであった。また、処理空間Ｕへ供給されるヘリウムガスの流量が９００ｓｃｃｍであり、イオン照射時間が１０秒であった。

【0033】

図５に示すように、ウエハの温度が６０℃以下であれば、ヘリウムイオンを照射したＳＯＣ膜のエッチレートが上述した従来のＳＯＣ膜のエッチレートよりも大きく低下する。したがって、イオン照射時のウエハの温度を６０℃以下とすれば、ＳＯＣ膜の緻密化が進み、従来のＳＯＣ膜よりもエッチング耐性が向上することが分かった。特に、昨今の半導体装置の製造工程における低温処理の要求を考慮すると、ウエハの温度を２０℃とするのがより好ましいと考えられた。

【0034】

次に、本出願人は、好適なイオン照射時間を見出す検討を行った。具体的には、まず、比較的低温の加熱焼成によって形成されたＳＯＣ膜を有する複数のテストピースとしてのウエハを準備し、プラズマ処理装置１２において、イオン照射時間を変更してヘリウムイオンの照射を行った。その後、ヘリウムイオンが照射された各ウエハへシリコン酸化膜をエッチングする条件でＲＩＥを施し、ＳＯＣ膜のエッチレートを計測した。

【0035】

図６は、ＳＯＣ膜へのイオン照射時間を変更したときのＳＯＣ膜のＲＩＥによるエッチレートを示すグラフである。なお、イオン照射時間以外の諸条件は、処理容器１３の内部の圧力が３００ｍＴｏｒｒであり、プラズマ生成用の高周波電力の大きさが０Ｗであり、バイアス電力の大きさが３０００Ｗであり、ウエハの温度が２０℃であった。また、処理空間Ｕへ供給されるヘリウムガスの流量が９００ｓｃｃｍであった。

【0036】

図６に示すように、イオン照射時間が１２０秒以下であれば、ヘリウムイオンを照射したＳＯＣ膜のエッチレートが上述した従来のＳＯＣ膜のエッチレートよりも大きく低下する。したがって、イオン照射時間を１２０秒以下とすれば、ＳＯＣ膜の緻密化が進み、従来のＳＯＣ膜よりもエッチング耐性が向上することが分かった。一方、イオン照射時間が短すぎるとＳＯＣ膜の緻密化が十分に進まず、エッチング耐性もさほど向上しないと考えられたことから、イオン照射時間は、エッチング耐性の向上が確認された１０秒以上とするのが好ましいと考えられた。

【0037】

次に、本出願人は、好適な炭素含有膜の加熱焼成におけるウエハの温度（以下、「焼成温度」という）を見出す検討を行った。具体的には、まず、焼成温度を変更した加熱焼成によって形成されたＳＯＣ膜を有する複数のテストピースとしてのウエハを準備し、プラズマ処理装置１２において、ヘリウムイオンの照射を行った。その後、ヘリウムイオンが照射された各ウエハへシリコン酸化膜をエッチングする条件でＲＩＥを施し、ＳＯＣ膜のエッチレートを計測した。

【0038】

図７は、炭素含有膜の焼成温度を変更したときのＳＯＣ膜のＲＩＥによるエッチレートを示すグラフである。なお、各テストピースにおけるＲＩＥのエッチング条件は同じであった。

【0039】

図７に示すように、焼成温度が１１０℃以上であって、３００℃以下であれば、ヘリウムイオンを照射したＳＯＣ膜のエッチレートが従来のＳＯＣ膜のエッチレートよりも大きく低下する。したがって、焼成温度を１１０℃から３００℃の間のいずれかの温度とすれば、イオン照射前にもＳＯＣ膜の緻密化がある程度進み、その後のイオン照射の結果、さらにＳＯＣ膜の緻密化が進んで従来のＳＯＣ膜よりもエッチング耐性が向上することが分かった。

【0040】

なお、図７中の焼成温度が１１０℃の従来のＳＯＣ膜のエッチレートは、１１０℃の加熱焼成が施されたものの、ヘリウムイオンが照射されていないＳＯＣ膜のエッチレートを示す。図７中の焼成温度が３００℃の従来のＳＯＣ膜のエッチレートは、３００℃の加熱焼成が施されたものの、ヘリウムイオンが照射されていないＳＯＣ膜のエッチレートを示す。

【0041】

また、焼成温度の検討においては、焼成温度が１１０℃のＳＯＣ膜と焼成温度が３００℃のＳＯＣ膜のエッチレートのみが確認されたが、焼成温度を高くすれば、よりＳＯＣ膜の緻密化が進み、エッチング耐性がより向上すると考えられる。そこで、焼成温度は、昨今の半導体装置の製造工程における低温処理の要求を考慮して従来よりも低い５００℃未満とするものの、５００℃に近い値に設定するのが好ましいと考えられた。

【0042】

以上の検討の結果から、本開示に係る技術としての炭素膜形成方法は、加熱焼成やヘリウムイオンの照射において、下記条件を満たすものとする。

【0043】

・イオン照射時の処理ガスはヘリウムガスの単ガス
・イオン照射時のバイアス電力は５００Ｗ以上
・イオン照射時の処理容器１３の内部の圧力は１００ｍＴｏｒｒ以上
・イオン照射時のウエハの温度は６０℃以下且つ２０℃以上
・イオン照射時間は１０秒以上且つ１２０秒以下
・加熱焼成時の焼成温度は１１０℃以上且つ３００℃以下
図８は、本実施の形態に係る炭素膜形成方法を示すフローチャートである。

【0044】

まず、塗布現像装置１１において、ウエハＷへスピンコートによってＳＯＣ膜原料を塗布してウエハＷのシリコン酸化膜上に炭素含有膜を形成する（ステップＳ８１）。その後、同じ塗布現像装置１１において、炭素含有膜が形成されたウエハＷを加熱し、炭素含有膜を加熱焼成してＳＯＣ膜を形成する（ステップＳ８２）。加熱焼成時の焼成温度は１１０℃以上且つ３００℃以下のいずれかに設定される。

【0045】

次いで、ウエハＷを塗布現像装置１１から搬出し、さらに、プラズマ処理装置１２の処理容器１３の内部へ搬入して載置台１４に載置する。その後、排気装置２７によって処理容器１３の内部を１００ｍＴｏｒｒ以上且つ３００ｍＴｏｒｒのいずれかの圧力まで減圧し、処理ガス供給装置２３から処理容器１３の処理空間Ｕにヘリウムガスの単ガスを供給する。さらに、プラズマ生成用の高周波電力によってヘリウムガスを励起して処理空間Ｕにおいてプラズマを生じさせる。また、第２の高周波電源２５から５００Ｗ以上のバイアス電力を載置台１４に供給し、プラズマ中のイオンを載置台１４へ引き込むことにより、ウエハＷに形成されたＳＯＣ膜へヘリウムイオンを照射する（ステップＳ８３）。このとき、イオン照射時間は１０秒以上且つ１２０秒以下のいずれかに設定する。その後、処理容器１３からウエハＷを搬出し、本処理を終了する。

【0046】

図９は、本実施の形態に係る炭素膜形成方法によって形成されたＳＯＣ膜とアモルファスカーボン膜（以下、「ＡＣＬ膜」という）のエッチレートを比較した結果を示す図である。なお、ＡＣＬ膜は、特定の樹脂の硬化成形体を焼成炭素化して形成されるため、非常に緻密な構造を有し、スピンコート及び加熱焼成によって形成される従来のＳＯＣ膜よりもエッチング耐性が高いことが知られている。特に、ＡＣＬ膜は、ロジック半導体装置の製造工程において、極端紫外線を用いて露光されるフォトレジスト膜の下地層として用いられることが検討されている。

【0047】

図９において、従来例は、５００℃以上で炭素含有膜の加熱焼成を行い、且つＳＯＣ膜にイオン照射を行っていないＳＯＣ膜のエッチレートを示す。実施例１は、イオン照射時のバイアス電力を２０００Ｗとし、それ以外のイオン照射時の諸条件や加熱焼成時の焼成温度は上述した本開示に係る技術としての炭素膜形成方法の条件の範囲内で形成されたＳＯＣ膜のエッチレートを示す。実施例２は、イオン照射時のバイアス電力を３０００Ｗとし、それ以外のイオン照射時の諸条件や加熱焼成時の焼成温度は上述した本開示に係る技術としての炭素膜形成方法の条件の範囲内で形成されたＳＯＣ膜のエッチレートを示す。比較例１は、焼成温度が４８０℃のＡＣＬ膜のエッチレートを示す。比較例２は、焼成温度が６３０℃のＡＣＬ膜のエッチレートを示す。比較例３は、焼成温度が１５０℃のＡＣＬ膜のエッチレートを示す。

【0048】

図９に示すように、実施例１や実施例２のエッチレートは、従来例のエッチレートよりも低く、特に、実施例２のエッチレートは従来例のエッチレートから６５％も低下しているため、著しくエッチング耐性が向上していることが確認された。また、実施例１や実施例２のエッチレートは、比較例１～３のエッチレートとほぼ同等か、寧ろ、低いことが確認された。すなわち、本開示に係る技術としての炭素膜形成方法で形成したＳＯＣ膜は、ＡＣＬ膜と同等以上のエッチング耐性を有することが確認された。

【0049】

また、本出願人は、本開示に係る技術としての炭素膜形成方法で形成したＳＯＣ膜の特性や組成を確認した。図１０は、本実施の形態に係る炭素膜形成方法で形成したＳＯＣ膜と従来のＳＯＣ膜の各特性の相対比を示す図である。図１０では、従来のＳＯＣ膜の各特性の値に対する本実施の形態に係る炭素膜形成方法で形成したＳＯＣ膜の各特性の値の相対比が示される。

【0050】

図１０に示すように、本開示に係る技術としての炭素膜形成方法で形成したイオン照射済みのＳＯＣ膜は、波長 ６６３ｎｍにおける複素屈折率であるｎ（６３３）値、密度、並びに硬さの何れも従来のＳＯＣ膜よりかなり高い値を示した。これにより、本開示に係る技術としての炭素膜形成方法で形成したイオン照射済みのＳＯＣ膜（以下、単に「イオン照射済ＳＯＣ膜」という）は、従来のＳＯＣ膜よりも大幅に緻密化が進んでいることが確認された。

【0051】

また、従来のＳＯＣ膜とイオン照射済ＳＯＣ膜の分光分析を行ったところ、従来のＳＯＣ膜の強度分布とイオン照射済ＳＯＣ膜の強度分布は形態が大きく異なっていることが確認された。すなわち、本開示に係る技術としての炭素膜形成方法により、ＳＯＣ膜の緻密化が進むだけでなく、膜そのものが変質していることが確認された。特に、イオン照射済ＳＯＣ膜の強度分布の形態は、高強度且つ高密度で知られているダイヤモンドライクカーボン膜の強度分布の形態と似通っていることが確認された。

【0052】

本実施の形態によれば、炭素含有膜に５００℃未満の比較的低温で加熱焼成を施してＳＯＣ膜を形成した後、該ＳＯＣ膜へヘリウムイオンを照射することにより、当該ＳＯＣ膜の緻密化を進める。これにより、エッチング耐性の高いＳＯＣ膜を形成することができる。

【0053】

以上、本開示の好ましい実施の形態について説明したが、本開示は上述した実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

【0054】

例えば、本開示に係る技術としての炭素膜形成方法を実行する炭素膜形成装置１０は、塗布現像装置１１とプラズマ処理装置１２の２つの装置によって構成されているが、塗布現像装置１１がプラズマ処理装置１２の各構成要素を備えていてもよい。この場合、スピンコートによる炭素含有膜の形成、炭素含有膜の加熱焼成、並びに、ＳＯＣ膜へのヘリウムイオン照射を同一の装置で行うことができ、ウエハＷの搬送距離を短縮できるため、スループットを向上することができる。

【符号の説明】

【0055】

１０ 炭素膜形成装置
１１ 塗布現像装置
１２ プラズマ処理装置
Ｗ ウエハ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【手続補正書】

【提出日】2024-02-08

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0050】

図１０に示すように、本開示に係る技術としての炭素膜形成方法で形成したイオン照射済みのＳＯＣ膜は、波長６３３ｎｍにおける複素屈折率であるｎ（６３３）値、密度、並びに硬さの何れも従来のＳＯＣ膜よりかなり高い値を示した。これにより、本開示に係る技術としての炭素膜形成方法で形成したイオン照射済みのＳＯＣ膜（以下、単に「イオン照射済ＳＯＣ膜」という）は、従来のＳＯＣ膜よりも大幅に緻密化が進んでいることが確認された。