专利名称：无定形碳膜的处理方法，开口的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种无定形碳膜的处理方法，以及一种开口的形成方法。
背景技术：
随着半导体制造技术的飞速发展，半导体器件为了达到更高的运算速度、更大的数据存储量、以及更多的功能，不断朝向更高的元件密度的方向发展。为了得到集成度高的半导体器件，现有的半导体器件的布线层之间的层间介质层的材料多采用低介电常数材料。无定形碳(a-C :H, hydrogenated amorphous carbon)作为一种低介电常数材料吸引了很多注意力，在美国专利US 6573030中提供了一种无定形碳膜的形成方法。此外， 无定形碳膜由于具有硬度大、与硅、氧化物等刻蚀选择比大的优点，因此作为硬掩膜层材料也得到了广泛的应用。并且在采用无定形碳膜为硬掩膜层的情况下，刻蚀所述硬掩膜层所形成的开口具有更好的线边缘粗糙度(LER, line edge roughness)和线宽粗糙度(LWR,line widthroughness),并且可以实现更小的刻蚀尺寸。但是，实际刻蚀工艺中，对现有的无定形碳膜的刻蚀速度的均一性不够好，并造成刻蚀所形成的开口的LER/LWR的值不够好，使得半导体器件的性能不够好。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种无定型碳膜的处理方法及开口形成方法，以提高半导体器件的性能。为解决上述问题，本发明的实施例提供一种无定形碳膜的处理方法，包括提供衬底；在所述衬底表面形成无定形碳膜；对所述无定形碳膜进行退火处理；对经过退火处理后的无定形碳膜进行紫外光处理。可选地，所述退火处理的退火气体是氢气、氮气、氦气中的任意一种。可选地，所述退火处理的工艺条件为退火温度是400-550摄氏度，退火时长为30-60分钟。可选地，所述紫外光处理的环境气体是氦气或氮气。可选地，所述紫外光处理的工艺条件为处理温度是300-550摄氏度，处理时长为1-10分钟。可选地，所述无定形碳膜和衬底之间还形成有多晶硅层。可选地，所述无定形碳膜和衬底之间还形成有层间介质层。可选地，所述无定形碳膜的形成方法是等离子体增强化学气相沉积。本发明还提供一种开口的形成方法，包括提供衬底；
在所述衬底表面形成无定形碳膜；对所述无定形碳膜进行退火处理；对经过退火处理后的无定形碳膜进行紫外光处理；在紫外光处理后，形成贯穿所述无定形碳膜的开口。可选地，所述退火处理的工艺条件为退火温度是400-550摄氏度，退火时长为30-60分钟。可选地，所述退火处理的退火气体是氢气、氮气、氦气中的任意一种。可选地，所述紫外光处理的工艺条件为处理温度是300-550摄氏度，处理时长为1-10分钟。
可选地，所述紫外光处理的环境气体是氦气或氮气。与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点在形成无定形碳膜之后，先对所述无定形碳膜进行退火处理，所述退火处理可以软化所述无定形碳膜，并建立碳氢饱和键；再对退火处理后的所述无定形碳膜进行紫外光处理，所述紫外光处理去除无定形碳膜中的不稳定的氢原子，并且硬化所述无定形碳膜。经过上述处理的无定形碳膜的中的氢原子分布均匀，所以刻蚀时对处理后的无定形碳膜刻蚀速度均匀，在衬底不同区域刻蚀所形成的开口的LER/LWR的值更小，有利于提高器件的性能；进一步，所述退火处理的温度和紫外光处理的温度均不超过550摄氏度，这个温度相对比较低，所以不会对形成在同一衬底上的其他半导体结构产生热损伤，从而有利于保证器件的整体性能。
图I是未经过退火处理和紫外光处理的无定形碳膜的中央区域的氢原子百分比与测量厚度的关系图；图2是未经过退火处理和紫外光处理的无定形碳膜的边缘区域的氢原子百分比与测量厚度的关系图；图3是未经过退火处理和紫外光处理的无定形碳膜的不同区域在同一刻蚀步骤后剩余的厚度不意图；图4是经过退火处理和紫外光处理的无定形碳膜的中央区域的氢原子百分比与测量厚度的关系图；图5是经过退火处理和紫外光处理的无定形碳膜的边缘区域的氢原子百分比与测量厚度的关系图；图6是经过退火处理和紫外光处理的无定形碳膜的不同区域在同一刻蚀步骤后剩余的厚度不意图；图7是本发明的第一实施例所提供的无定形碳膜作为硬掩膜层，形成开口的方法的流程示意图；图8至图10是本发明的第一实施例所提供的无定形碳膜作为硬掩膜层，形成开口的过程的剖面结构示意图；图11是本发明的第二实施例所提供的无定形碳膜作为层间介质层，形成通孔(开口)的方法的流程示意图12至图14是本发明的第二实施例所提供的无定形碳膜作为层间介质层，形成通孔(开口)过程的剖面结构示意图。
具体实施例方式发明人在形成无定形碳膜时发现，无定形碳膜中不同区域的氢原子分布不均匀，后续刻蚀无定形碳膜时，对不同区域的无定形碳膜的刻蚀速度不一致，导致现有的半导体器件的性能不够好。研究证明氢原子百分比会影响无定形碳膜的硬度、稳定性以及刻蚀速度。为此，发明人研究了氢原子在同一无定形碳膜不同区域的分布情况。请参考图I和图2，发明人在一个直径为200mm的衬底上形成无定形碳膜，图I为在所形成的无定形碳膜的中央区域选择一点测量得到的氢原子百分比和测量厚度的关系；图2为在同一无定形碳膜边缘区域选择一点测量得到的氢原子百分比和测量厚度的关系。比较图I和图2可以看出，氢原子在无定形碳膜的中央区域的原子百分比含量近似为21%，而在边缘区域的原 子百分比含量近似为37%。可见，在刚形成的无定形碳膜中氢原子的含量分布不均匀。进一步，发明人比较了经过同一刻蚀工艺后，衬底表面未被刻蚀的无定形碳膜的厚度。请参考图3，所述硅衬底的直径是200mm。发明人选取了 A、B、C、D、E、F、G、H、I，九个点测量未被刻蚀的无定形碳膜的厚度，其中点A靠近圆心，F、G、H、I点靠近圆周，B、C、D、E位于圆心和圆周之间，点A、B、C、D、E、F、G、H、I处的无定形碳膜的厚度分别是3504. 12埃，3480. 33 埃、3527. 55 埃、3461. 58 埃、3483. 00 埃、3378. 00 埃、3332. 25 埃、3347. 58 埃、3298. 02埃，上述9个点的无定形碳膜的平均厚度为3423. 69埃，靠近圆周的点与靠近圆心的点(点A)的最大厚度差为206埃，所述最大厚度差为点A处厚度的5.9%。由上述数据可以看出，在同一刻蚀工艺中，位于衬底不同区域的无定形碳膜被刻蚀的厚度不一样，越靠近中心区域，被刻蚀的厚度越小。结合图I和图2，可以认为对无定形碳膜的刻蚀速度与无定形碳膜中氢原子的含量相关。发明人针对上述研究结果进行进一步研究，在本发明的实施例中提供一种无定形碳膜的处理方法，包括提供半导体衬底；在所述半导体衬底表面形成无定形碳膜；先对所述无定形碳膜进行退火处理；再对经过退火处理的无定形碳膜进行紫外光处理。在本发明的实施例中，所述退火处理的工艺是退火温度400-550摄氏度，退火时长30-60分钟,退火气体是氢气、氮气、氦气中的任意一种,优选的退火气体是氢气。在本发明的实施例中，所述紫外光处理的工艺是温度300-550摄氏度，时长为1-10分钟,所述紫外光处理在氦气或氮气中进行。参考图4和图5，发明人在一个直径为200mm的衬底上形成无定形碳膜，并对所形成的无定形碳膜进行如上文所描述的退火处理和紫外光处理。图4为在经过退火处理和紫外光处理的无定形碳膜的中央区域选择一点测量得到的氢原子百分比和测量厚度的关系；图5为在同一无定形碳膜边缘区域选择一点测量得到的氢原子百分比和测量厚度的关系。比较图4和图5可以看出，在经过退火处理和紫外光处理后，无定形碳膜的中央区域的原子百分比含量(近似为25. 5% )与边缘区域的原子百分比含量(近似为26% )近似相等。进一步，发明人在一个直径为200mm的衬底上形成无定形碳膜，并对所形成的无定形碳膜进行如上文所描述的退火处理和紫外光处理。然后对经过退火处理和紫外光处理的无定形碳膜进行刻蚀，并测量了刻蚀后衬底表面不同区域剩余的无定形碳膜的厚度。请参考图6，发明人选取了 1、1(、1^、1、队0、？、0、1 ，九个点测量未被刻蚀的无定形碳膜的厚度，其中点J靠近圆心，O、P、Q、R点靠近圆周，K、L、M、N位于圆心和圆周之间，点A、B、C、D、E、F、G、H、I处的无定形碳膜的厚度分别是:2537. 61埃、2536. 14埃、2520. 33埃、2523. 09埃、2543. 58埃、2518. 59埃、2515. 29埃、2507. 76埃、2490. 42埃。其中，靠近圆周的点与靠近圆心的点(点J)的最大厚度差为47. 19埃，为点J处厚度的1.8%。由图6可以得出，经过退火处理和紫外光处理，位于衬底表面不同区域的无定形碳膜的刻蚀速度之差显著减小。由上面的分析可以看出，经过退火处理和紫外光处理，无定形碳膜中的氢原子在各个区域的分布的均匀性显著提高，所以无定形碳膜各个区域的刻蚀速度之差显著降低，刻蚀后形成的开口的LER/LWR值更小、均一性更好。相应地，本发明还提供对经过上述退火处理和紫外光处理的无定形碳膜进行刻蚀，形成开口的方法。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例·对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。第一实施例图7是本发明的第一实施例所提供的无定形碳膜作为硬掩膜层，形成开口的方法的流程示意图，包括步骤S101,提供衬底,所述衬底表面形成有多晶娃层；步骤S102,在所述多晶娃层表面形成无定形碳膜；步骤S103，对所述无定形碳膜进行退火处理；步骤S104，对经过退火处理的所述无定形碳膜进行紫外光处理；步骤S105，紫外光处理后，刻蚀所述无定形碳膜，直至暴露所述多晶硅层，形成分别位于无定形碳膜中央区域的第一开口，和位于无定形碳膜边缘区域的第二开口。图8至图10是本发明的第一实施例所提供的无定形碳膜作为硬掩膜层形成开口的过程的剖面结构示意图。首先参考图8，提供衬底100，所述衬底100表面形成有多晶硅层110。本实施例中，所述衬底100是硅衬底，或者SOI衬底，或者硅锗衬底。参考图9，在所述多晶硅层110表面形成无定形碳膜120。本实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积的方法分解碳氢化合物形成所述无定形碳膜120，受工艺的影响，所形成的无定形碳膜120中含有氢原子，并且所述氢原子与碳原子的结合键的结构不完全相同，比如有SP2、SP3结构，部分氢原子与碳原子建立碳氢饱和键，部分氢原子与碳原子建立碳氢不饱和键，且氢原子的分布不均匀。接着，对所形成的无定形碳膜进行退火处理。所述退火处理可以键合无定形碳膜中的碳原子和氢原子建立碳氢饱和键，经过所述退火处理，无定形碳膜中的部分离散的氢原子与碳原子建立碳氢饱和键，部分不稳定的碳氢键被修复，形成饱和的碳氢键。退火前，不同区域碳氢不饱和键的分布不相同；退火后，因为碳氢不饱和键转化为碳氢饱和键，且氢原子的分布较为均匀；并且退火处理可以软化所述无定形碳膜，软化所述无定形碳膜有利于氢原子与碳原子键合，并且有助于后续工艺中去除不饱和碳氢键中的氢原子。本实施例中，所述退火处理的温度是400-550摄氏度，退火处理的退火气体是氢气、氮气、氦气中的任意一种，退火时长为30-60分钟。所述退火处理的温度过低，可能无法使氢原子与碳原子建立碳氢饱和键，并不利于修复不稳定的碳氢键；所述退火处理的温度过高，可能会对位于衬底表面或内部的其他器件造成高温损伤，所以本实施例中，退火处理的温度是400-550摄氏度。所述退火处理的退火气体是氢气、氮气、氦气中的任意一种,优选的是氢气,退火气体是氢气的好处是，退火气体可以提供氢源，有助于氢原子与无定形碳膜中的碳原子充分键合，形成稳定的碳氢键。退火处理后，对经过退火处理的无定形碳膜进行紫外光处理。所述紫外光处理一 方面可以破坏经过上述退火处理后剩余的不稳定的碳氢键，并使不稳定的碳氢键中的氢原子离开所述无定形碳膜，进一步提高无定形碳膜结构的单一性；另一方面可以硬化所述无定形碳膜，以提高无定形碳膜的质量。本实施例中，所述紫外光处理的温度是300-550摄氏度，优选为300-450摄氏度，所述紫外光处理温度过低可能无法破坏不稳定的碳氢键，并去除不稳定的碳氢键中的氢原子；所述紫外光处理的温度过高，可能会对位于衬底表面或内部的其他器件造成高温损伤；所述紫外光处理在氦气或氮气中进行，紫外光处理时长为1-10分钟。参考图10，紫外光处理后，刻蚀所述无定形碳膜120，直至暴露所述多晶硅层110，形成分别位于无定形碳膜120中央区域的第一开口 10，和位于无定形碳膜120边缘区域的第二开口 20。具体地，在本实施例中，可以先在所述无定形碳膜120表面形成含有开口的光刻胶层(未示出)，然后沿所述光刻胶的开口刻蚀所述无定形碳膜120，形成第一开口 10和第二开口 20。在本实施例中，因为已经对所述无定形碳膜120进行了退火处理和紫外光处理，所以所述无定形碳膜120各个区域的氢原子的分布比较均匀，刻蚀时不同区域的无定形碳膜120的刻蚀速度均一，所形成的开口的LWR/LER值更小，其中，LWR/LER是表征刻蚀均一性的参数，LWR/LER值越小刻蚀的均一性越好。本步刻蚀工艺中，不会在某一区域的多晶硅层110表面造成的额外的刻蚀量，也不会在某一区域残留无定形碳膜，即刻蚀后所暴露的多晶硅层的表面平坦度好。后续过程中，还包括以所述无定形碳膜120为硬掩膜层，沿所述第一开口 10和第一开口 20刻蚀所述多晶硅层110，直至暴露衬底100。因为在刻蚀无定形碳膜120的过程中，所形成的多晶硅层110的表面平坦，所述在本步刻蚀多晶硅层暴露衬底100的步骤中，在衬底100各区域表面形成的刻蚀表面平坦度高，有利于提高器件的性能。请参考表1，表I中的优化后的LWR、LER分别指的是经过退火处理和紫外光处理后无定形碳膜的LWR、LER，现有LWR、LER分别指的是未经退火处理和紫外光处理后无定形碳膜的LWR和LER。由表I可以得出，经过退火处理和紫外光处理，在无定形碳膜不同点的刻蚀的LER/LWR值下降，因为表I中三个测量点是任意选取的，所以通过表I可以得出经过退火处理和紫外光处理，无定形碳膜的刻蚀的LER/LWR值下降，刻蚀均一性提高。
权利要求
1.一种无定形碳膜的处理方法，其特征在于，包括 提供衬底； 在所述衬底表面形成无定形碳膜； 对所述无定形碳膜进行退火处理； 对经过退火处理后的无定形碳膜进行紫外光处理。
2.依据权利要求I所述的无定形碳膜的处理方法，其特征在于，所述退火处理的退火气体是氢气、氮气、氦气中的任意一种。
3.依据权利要求I所述的无定形碳膜的处理方法，其特征在于，所述退火处理的工艺条件为退火温度是400-550摄氏度，退火时长为30-60分钟。
4.依据权利要求I所述的无定形碳膜的处理方法，其特征在于，所述紫外光处理的环境气体是氦气或氮气。
5.依据权利要求I所述的无定形碳膜的处理方法，其特征在于，所述紫外光处理的工艺条件为处理温度是300-550摄氏度，处理时长为1-10分钟。
6.依据权利要求I所述的无定形碳膜的处理方法，其特征在于，所述无定形碳膜和衬底之间还形成有多晶硅层。
7.依据权利要求I所述的无定形碳膜的处理方法，其特征在于，所述无定形碳膜和衬底之间还形成有层间介质层。
8.依据权利要求I所述的无定形碳膜的处理方法，其特征在于，所述无定形碳膜的形成方法是等离子体增强化学气相沉积。
9.一种开口的形成方法，其特征在于，包括 提供衬底； 在所述衬底表面形成无定形碳膜； 对所述无定形碳膜进行退火处理； 对经过退火处理后的无定形碳膜进行紫外光处理； 在紫外光处理后，形成贯穿所述无定形碳膜的开口。
10.依据权利要求9所述的开口的形成方法，其特征在于，所述退火处理的退火气体是氢气、氮气、氦气中的任意一种。
11.依据权利要求9所述的开口的形成方法，其特征在于，所述退火处理的工艺条件为退火温度是400-550摄氏度，退火时长为30-60分钟。
12.依据权利要求9所述的开口的形成方法，其特征在于，所述紫外光处理的环境气体是氦气或氮气。
13.依据权利要求9所述的开口的形成方法，其特征在于，所述紫外光处理的工艺条件为处理温度是300-550摄氏度，处理时长为1-10分钟。
全文摘要
一种无定形碳膜的处理方法，包括提供衬底；在所述衬底表面形成无定形碳膜；对所述无定形碳膜进行退火处理；对经过退火处理的无定形碳膜进行紫外光处理。通过本发明所提供的无定形碳膜的处理方法，无定形碳膜中氢原子分布均一，使得无定形碳膜的刻蚀速度均一，有利于在不同区域刻蚀时形成平坦、均匀的刻蚀表面，从而提高半导体器件的性能。相应地，本发明还提供对经过上述处理的无定形碳膜进行刻蚀形成开口的方法。
文档编号H01L21/768GK102915953SQ20111022490
公开日2013年2月6日 申请日期2011年8月5日 优先权日2011年8月5日
发明者张彬, 鲍宇 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司