DE69933598T2 - Dielektrikum aus fluoriertem amorphen Kohlenstoff mit einem niedrigen k-Wert, und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Dielektrikum aus fluoriertem amorphen Kohlenstoff mit einem niedrigen k-Wert, und Verfahren zu dessen Herstellung Download PDF

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Description

  • Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden eines Interlevel- bzw. Zwischeniveau-Dielektrikums des Typs, der in Verbindungsstrukturen integrierter Schaltungen verwendet wird, und noch spezieller auf ein Plasma-verstärktes bzw. verbessertes (plasma enhanced) chemisches Dampfabscheidungsverfahren zur Bildung eines Isolierungsmaterials mit niedriger Dielektrizitätskonstante.
  • Die Gestalter und Hersteller von integrierten Schaltungen mit großem Integrationsgrad beginnen noch kleinere Vorrichtungen herzustellen, die größere Geschwindigkeit und erhöhte Vorrichtungspackungsdichten ermöglichen. Die Größen einzelner Merkmale (z.B. der Transistor-Gate-Länge) von Schaltungen mit ultragroßem Integrationsgrad (ULSI) (ultra-large-scale-integration) schrumpft auf weniger als 0,25 Mikrometer (μm). Der resultierende Anstieg bei den Packungsdichten auf Halbleiter-Chips, und der damit verbundene Anstieg der Funktionalität, hat in großem Maße die Anzahl und Dichte von Verbindungen auf jedem Chip vergrößert.
  • Kleinere Vorrichtungen auf Chips, die enger zusammen gepackt sind, mit erhöhter Funktionalität und Komplexität erfordern Verbindungen (Leitungen, Durchkontaktierungen, etc.), die kleiner werden, komplexer (z.B. mehr Verdrahtungsniveaus) und enger beabstandet sind. Die kleineren Größen der Verbindungen, die den Widerstand erhöhen, und engere Verbindungsabstände führen zu RC(Widerstandskapazitäts)-Kopplungsproblemen, einschließlich Ausbreitungsverzögerungen und Nebengeräuschen zwischen Interlevel- und als auch Intealevel-Leitern.
  • Da Zwischenverbindungsleitungen, sowohl Interlevel als auch Intralevel, kleiner und enger beabstandet sind, werden RC-Verzögerungen zu einem großen Teil der Gesamtsignalverzögerungen, welche jeden Geschwindigkeitsvorteil, herrührend aus kleinerer Vorrichtungsgröße, ausgleichen. RC-Verzögerungen begrenzen somit die Verbesserung der Vorrichtungsleistungsfähigkeit. Kleine Leitergröße vergrößert den spezifischen Widerstand (R) von metallischen Leitungen und kleineren Zwischenleitungen und Zwischenniveauabstand vergrößert die Kapazität (C) zwischen den Leitungen. Die Verwendung und Entwicklung von Metallen mit geringerem spezifischen Widerstand, wie Kupfer, wird fortschreiten, um den spezifischen Widerstand von Verbindungsleitungen zu verringern. Die Kapazität kann durch Einsatz von dielektrischen Materialien niedriger Dielektrizitätskonstante (d.h. mit niedrigerem k) verringert werden.
  • Da die Kapazität (C) direkt proportional zur dielektrischen Konstante (k) des Verbindungsdielektrikums ist, können RC-Probleme, die in ULSI-Schaltungen vorliegen, verringert werden, wenn ein Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (niedrigem k) als Isolationsmaterial, angeordnet zwischen und um die Interlevel- und Intralevel-Leiter, verwendet wird (das Dielektrikum wird hier bezeichnet als das "Verbindungsdielektrikum" oder "Verbindungsdielektrikumsmaterial"). Was die Industrie sucht, ist ein geeigneter Ersatz für Siliciumdioxid (SiO2), welches lange als Dielektrikum in integrierten Schaltungen verwendet wurde. Siliciumdioxid hat ausgezeichnete thermische Stabilität und relativ gute dielektrische Eigenschaften mit einer Dielektrizitätskonstante um 4,0. Aber es gibt nun einen Bedarf nach einem Verbindungsdielektrikumsmaterial, das zur Verwendung in IC-Schaltungsverbindungen geeignet ist, und das eine niedrigere Dielektrizitätskonstante aufweist als SiO2.
  • Nach einer langen Suche nach möglichen Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante, die als Verbindungsdielektrikum in ULSI-Schaltungen verwendet werden sollen, wurden die Kandidaten nunmehr auf wenige verringert, abhängig von der Anwendung. Eines der vielversprechenden Materialien, das jüngst aktiv studiert und beträchtliche Aufmerksamkeit gewonnen hat, ist amorpher fluorierter Kohlenstoff (a-F:C).
  • Fluorkohlenstoffpolymere wurden für mehr als zwei Dekaden studiert, und die meisten ihrer Anwendungen sind für die Verwendung als Beschichtungsmaterialien, um Kunststoffe, Fasern und Metalle zu schützen: Es ist bekannt, dass a-F:C-Filme unter Verwendung von Plasma-verstärkter bzw. verbesserter CVD ("PECVD") hergestellt werden können. Frühe Erfahrungen mit a-F:C zeigten, dass die bei Raumtemperatur abgeschiedenen Filme mit einer Dielektrizitätskonstante von niedrigen 2,1 und einer thermischen Stabilität < 300°C abgeschieden werden konnten. Weitere Versuche zeigten, dass, wenn die a-F:C-Filme bei höheren Substrattemperaturen abgeschieden wurden, die thermische Stabilität bis auf 400°C verbessert werden konnte, aber sich die Dielektrizitätskonstante auf oberhalb ~2,5 vergrößerte.
  • Tabelle I veranschaulicht, wie die Dielektrizitätskonstanten und thermischen Stabilitäten einiger Mitglieder der Kohlenstofffamilie verglichen werden mit a-F:C. Diese zeigt, dass die Dielektrizitätskonstante herabgesetzt werden kann, wenn Kohlenstofffilme höhere Fluorkonzentrationen enthalten. Im PECVD-Verfahren hängt die Fluorkonzentration des a-F:C-Films vom Fluor-zu-Kohlenstoff-Verhältnis bei der Entladung ab, welche durch die Zufuhrgas-Zusammensetzung, RF-Leistungseingabe, Substrattemperatur und Gesamtdruck eingestellt wird. Die thermische Stabilität steht in engem Zusammenhang mit dem Grad der Vernetzung der Polymerketten. Je größer der Grad der Vernetzung, desto fester gebunden sind die Strukturen und je höher ist die thermische Stabilität. In einem PECVD-Verfahren kann entweder ein Anstieg der Substrattemperatur, eine Erhöhung des Ionenbombardements oder die Anwendung von Plasma-Energie mit niedriger Frequenz die Vernetzung in den a-F:C-Filmen erhöhen. Höhere Temperaturabscheidung hat den Nachteil der unvermeidlichen Verringerung der Fluorkonzentration, wodurch die Dielektrizitätskonstante ansteigt.
  • Tabelle I: Relevante Eigenschaften für mehrere Mitglieder der Kohlenstofffamilie
    Figure 00030001
  • Verglichen mit den Verfahren bei niedrigen Abscheidungstemperaturen sind die Nachteile höherer Temperaturabscheidungsverfahren nicht nur, dass diese die Dielektrizitätskonstante vergrößern, sondern ebenfalls zu geringer Adhäsion an SiO2 und Si3N4 aufgrund der ansteigenden thermischen Belastung führen und ebenfalls höheren Leckstrom in den Filmen verursachen. Es erscheint, dass eine niedere Abscheidungstemperatur wünschenswert ist.
  • Fluorierter amorpher Kohlenstoff hat eine Dielektrizitätskonstante k unter 3,0 und abhängig von der Menge an Fluor (F) im Film kann dieser ein k im Bereich von 2,0 bis 2,5 aufweisen. Ein Hauptproblem mit a-F:C ist dessen geringe thermische Stabilität. Es war bisher nicht möglich, a-F:C-Filme mit geeignet niedriger Dielektrizitätskonstante (k weniger als 2,5) und einer thermischen Stabilität über 400°C herzustellen. Temperaturen im Sinterbereich (450°C), typischerweise für die Herstellung von ULSI-Chips, verursachen übermäßiges Schrumpfen des a-F:C-Films, möglicherweise aufgrund von Fluorverflüchtigung. Mechanische Festigkeit und Adhäsionsprobleme sind Hindernisse, a-F:C als Verbindungsdielektrikum in Schaltungen mit hohen Integrationsdichten zu verwenden.
  • Es wäre vorteilhaft, ein dielektrisches Material zur Verwendung in Verbindungsstrukturen von integrierten Schaltungen zu haben, das hier alternativ als "Verbindungsdielektri kum" bezeichnet wird, das eine niedrige Dielektrizitätskonstante (k = 3,0 oder weniger) und verbesserte thermische Stabilität bis zu 450°C aufweist, wodurch ein geeigneter Ersatz mit niedrigem k für ein Siliciumdioxid-Dielektrikum bereitgestellt wird.
  • Es wäre ebenfalls vorteilhaft, einen a-F:C-Film zu haben, der eine Dielektrizitätskonstante von 2,5 oder weniger aufweist, der bis 450°C thermisch stabil ist.
  • Es wäre ebenfalls vorteilhaft, ein Verfahren zum Bilden eines a-F:C-Films auf einem Siliciumsubstrat unter Verwendung von Plasma-verstärkter bzw. verbesserter chemischer Dampfabscheidungs-(PECVD)-Techniken zur Abscheidung eines a-F:C-dielektrischen Materials mit niedrigem k auf einem Halbleitersubstrat zu haben, worin das resultierende a-F:C im wesentlichen bis zu 450°C stabil ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Plasma-verstärktes bzw. verbessertes chemisches Dampfabscheidungsverfahren (PECVD) zur Abscheidung eines dielektrischen Materials auf einem Substrat zur Verwendung in Verbindungsstrukturen von integrierten Schaltkreisen bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    • a) Positionieren des Substrats in einer PECVD-Kammer und Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur über 200°C;
    • b) Einführen eines Stroms von Fluor-enthaltendem Gas (FCG) und Kohlenstoff enthaltendem Gas (CCG) in die Kammer unter Einsatz ausreichender Energie, um ein Fluor- und Kohlenstoff-enthaltendes Gasplasma zu bilden, wobei das Verhältnis von FCG zu CCG ausgewählt wird, um fluorierten amorphen Kohlenstoff auf dem Substrat abzuscheiden; und
    • c) Einführen eines Stroms von SiH4 (Silan) in die Kammer, zusammen mit dem FCG und CCG in Schritt b), wobei das Silan die thermische Stabilität des auf dem Substrat abgeschiedenen fluorierten amorphen Kohlenstoffs erhöht, wobei die eingesetzte Energie in der Kammer die gleichzeitige Anwendung einer Hochfrequenz-Plasmaenergie und einer Niederfrequenz-Plasmaenergie umfasst.
  • Das bevorzugte Fluor-enthaltende Gas (FCG), das im Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist Octafluorcyclobutan (C4F8). Das bevorzugte Kohlenstoffenthaltende Gas (CCG), das im Verfahren verwendet wird, ist Methan (CH4). Ein geeignetes Verhältnis von FCG zu CCG für die Abscheidung von fluoriertem amorphen Kohlenstoff auf dem Substrat liegt im Allgemeinen im Bereich zwischen 1/1 und 30/1 (FCG/CCG) und bevorzugter im Allgemeinen im Bereich von 5/1 bis 15/1. Der Prozentwert des Silangases in der in die PECVD-Kammer eingeführten Mischung von FCG, CCG und Silangasen liegt bevorzugt im Allgemeinen im Bereich von 1 bis 15%. Der Umgebungsdruck, der in der PECVD-Kammer während der Einführung von FCG, CCG und Silan in die Kammer aufrechterhalten wird, liegt bevorzugt im Allgemeinen im Bereich von 0,3 bis 2,0 Ton (40 bis 267 Pa).
  • Während der Einführung von FCG, CCG und Silan in die PECVD-Kammer wird Plasmaenergie in Form von Hochfrequenz(HF)-Plasmaenergie zugeführt, um die in die Kammer eingeführten Gase zu ionisieren. Gleichzeitig wird Niederfrequenz(LF)-Energie in die Kammer eingeführt, um die Vernetzung des abgeschiedenen a-F:C-Films zu verbessern. Die HF-Energie hat eine Frequenz von 13,56 MHz und wird bevorzugt mit einem Energieniveau zwischen 0,5 und 3,0 Watt pro Quadratzentimeter Substratfläche eingesetzt. Gleichzeitig wird LF in einem Frequenzbereich im Allgemeinen in einem Bereich von 100 bis 900 kHz zugeführt, wobei das Niederfrequenz-Energieniveau bevorzugt im Allgemeinen im Bereich von 0,5 bis 3,0 Watt pro Quadratzentimeter Substratfläche liegt.
  • Das oben beschriebene Verfahren wird für eine Dauer durchgeführt, die ausreicht, um eine ausgewählte Dicke fluorierten amorphen Kohlenstoffs auf dem Substrat abzuscheiden. Eine geeignete ausgewählte Dicke für den a-F:C-Film, die unter Verwendung des vorliegenden Verfahrens abgeschieden wird, liegt im Allgemeinen im Bereich von 1.000 bis 10.000 Å (100 bis 1.000 nm), obwohl die Erfindung nicht auf irgendeinen spezifischen Dickenbereich begrenzt ist. Bei Beendigung der Abscheidung einer ausgewählten Dicke fluorierten amorphen Kohlenstoffs auf das Substrat werden das Substrat und der abgeschiedene fluorierte amorphe Kohlenstoff gehärtet. Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Härten bei einer Temperatur gleich oder größer als 440°C, obwohl das Verfahren bei einem Härten zwischen 300 und 550°C verwendet werden kann. Die Dauer des Härtens wird entsprechend der Ausgestaltung ausgewählt, übersteigt aber im Allgemeinen 20 Minuten und kann 2 Stunden oder mehr sein, abhängig von der Ausgestaltung und den Leistungsfähigkeitsspezifikationen der herzustellenden integrierten Schaltungen.
  • Um die vorliegende Erfindung noch besser zu verstehen, werden nun spezifische Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer PECVD-Kammer zur Durchführung ausgewählter Schritte im Verfahren der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Blockdiagramm, das die Schritte im Verfahren für die Abscheidung fluorierten amorphen Kohlenstoffs auf einem Substrat in einer PECVD-Kammer, wie in 1 gezeigt, gemäß der Erfindung veranschaulicht.
  • 3 ist ein Blockdiagramm, das eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens für die Abscheidung fluorierten amorphen Kohlenstoffs auf einem Substrat in einer PECVD-Kammer unter Ausführung des Verfahrens mit einem abschließenden Härten veranschaulicht.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Abscheidung fluorierten amorphen Kohlenstoffs (a-F:C) auf einem Siliciumwafer oder anderen Substrat. Das Wafersubstrat wurde durch wohlbekannte Techniken (nicht gezeigt) verarbeitet, um zum Zeitpunkt, wo die Schritte im Verfahren durchgeführt werden, integrierte Schaltungs(IC)merkmale (z.B. Transistoren und andere aktive und passive Vorrichtungen) auf dem Wafer herzustellen. Der Typ und die Anzahl integrierter Schaltungsmerkmale auf dem Substrat sind unwesentlich für das Verfahren der vorliegenden Erfindung, außer dass das fluorierte amorphe Kohlenstoff Dielektrikumsmaterial mit niedrigem k am vorteilhaftesten auf hochdichten ICs mit ultragroßem Integrationsgrad (ULSI) eingesetzt wird. Das dielektrische Material wird in Verbindungsstrukturen, wie leitfähigen Leitungen und Kontaktlöchern (nicht gezeigt), verwendet, die wohlbekannte leitende Verbindungsmerkmale darstellen, die typischerweise im dielektrischen Verbindungsfilm gebildet werden oder sich durch diesen erstrecken, der auf dem Wafer abgeschieden wird, einschließlich des a-F:C-Dielektrikums, das im Verfahren der vorliegenden Erfindung abgeschieden wird. Form, Aufbau und leitende Materialien, die in den Verbindungsstrukturen verwendet werden, genauso wie die Verfahren zur Bildung derartiger Strukturen, werden hier nicht beschrieben und sind Gegenstand der Designauswahl, was dem Fachmann im Stand der Technik gut bekannt ist. Diese Erfindung bezieht sich auf das Verfahren zum Bilden eines geeigneten dielektrischen Films mit niedriger Dielektrizitätskonstante (niedrigem k), der auf dem Wafer abgeschieden wird und zur Verwendung zwischen und um die leitfähigen Leitungen, Kontaktlöcher und anderen Leiter in ULSIs und ähnlichen ICs geeignet ist.
  • 1 ist eine schematische Veranschaulichung einer geeigneten Vorrichtung 10 zur Durchführung einer Plasma-verstärkten chemischen Dampfabscheidung (PECVD) auf einem Substrat, wie einem Waver 12. Die Vorrichtung 10 umfasst eine PECVD-Kammer 16 einer Größe, die zum Halten von einem oder mehreren Wafern 12 geeignet ist, die in der Kammer auf einem Chuck 20 getragen werden. Wie für derartige Kammern typisch, kann das Innere 22, wie gewünscht, durch eine geeignete Pumpe und Ventilvorrichtung, die schematisch in 1 durch die Pumpe 26 veranschaulicht ist, evakuiert oder unter Druck gesetzt werden. Einzelne Wafer 12 werden in und aus der Kammer 16 durch einen geeigneten Waferantrieb bzw. -handhaber 30 durch ein Gate-Ventil 32 in der Kammerwand herein und heraus bewegt, was es ermöglicht, die Wafer zur Verarbeitung auf dem Chuck 20 zu bewegen und dann aus der Kammer zu entfernen.
  • In der PECVD-Verarbeitung verwendete ausgewählte Gase werden durch ein geeignetes Verzweigungsystem 36 von verschiedenen Gasversorgungsreservoirs, die gesammelt bei 40 angegeben sind, in die Kammer eingeführt, kontrolliert durch die Ventile 42. Die Gase werden in die Kammer durch einen sogenannten Duschkopf 46 eingeführt, der die Gase wie erforderlich verteilt. Der Chuck 20 kann auf jede gewünschte Temperatur erhitzt werden, wobei die Heizelemente für diesen Zweck als Heizgeräte 50 schematisch dargestellt sind.
  • Das Heizgerät und der Chuck werden verwendet, um die Temperatur des Wafers 12 während der PECVD-Verarbeitung auszuwählen.
  • Plasmaenergie wird durch einen RF-Generator 52 zur Kammer zugeführt, welcher Hochfrequenz(HF)-RF-Energie, abgestrahlt durch den Duschkopf 46, bereitstellt. Der Industriestandard für HF-Plasmaenergie, die in den PECVD-Kammern verwendet wird, beträgt 13,56 Megahertz (MHz), obwohl die Erfindung nicht auf irgendeinen exakten Hochfrequenzwert begrenzt ist. Die Vorrichtung 10 umfasst bevorzugt einen Niederfrequenz(LF)-Generator 56 zur Zuführung von LF-Energie zum Inneren der Kammer. Die LF-Energie wird zwischen dem Chuck 20 und dem Duschkopf 46 in einer dem Fachmann im Stand der Technik gut bekannten Art und Weise eingesetzt. Die LF-Energie wird verwendet, um die Vernetzung im amorphen fluorierten Kohlenstoff-(a-F:C)-Film, der auf dem Wafer 12 abgeschieden wird, während der PECVD-Verarbeitung, zu erhöhen.
  • 2 veranschaulicht die Schritte im Verfahren der vorliegenden Erfindung, die anhand von 1 und 2 beschrieben werden. Ein Wafersubstrat 12 wird zunächst auf dem Chuck 20 in der PECVD-Kammer 16 durch einen Wafer-Handhaber 30 positioniert. Das Substrat 12 ist typischerweise ein Siliciumwafer, vorbereitet zur Aufnahme eines a-F:C, wobei der a-F:C auf der oberen Fläche 58 des Wafers abgeschieden wird. Der erste in 2 gezeigte Schritt ist Schritt 70, welcher das Erhitzen von Substrat 12 auf eine Temperatur über 200°C darstellt. Bevorzugt wird der Wafer 12 auf eine Temperatur im Allgemeinen im Bereich von 200 bis 300°C erhitzt.
  • Der nächste Schritt 76 ist die Einführung eines Flusses von fluorhaltigem Gas (FCG) und Kohlenstoff-enthaltendem Gas (CCG) in die Kammer 16 über eine Verzweigung 36 aus geeigneten Zuführungen 40. Im Verfahren der vorliegenden Erfindung ist das bevorzugte FCG Octafluorcyclobutan (C4F8) und das bevorzugte CCG ist Methan (CH4). Das in die Kammer 16 eingeführte Verhältnis von FCG/CCG wird so ausgewählt, um a-F:C auf dem Substrat 12 durch Plasma-verstärkte chemische Dampfabscheidung abzuscheiden. Das empfohlene Verhältnis liegt zwischen 1/1 und 30/1 (FCG/CCG) und bevorzugt zwischen 5/1 und 15/1. Während Schritt 76 wird geeignete Plasmaenergie in die Kammer 16 (Schritt 78) eingeführt. In der vorliegenden Erfindung umfasst geeignete Plasmaenergie HF-Energie (13,56 MHz) mit einem Energieniveau zwischen 0,5 und 3,0 Watt pro Quadratzentimeter Substratoberfläche (d.h. die Oberfläche von Substrat 12) und LF-Energie bei einer Frequenz im Allgemeinen im Bereich von 100 bis 900 kHz; bei einem Energieniveau von 0,5 und 3,0 Watt pro Quadratzentimeter Substratoberfläche.
  • Wie dem Fachmann der PECVD-Verarbeitung bekannt ist, ionisiert die Plasmaenergie in Kammer 16 die eingeführten Gase, und erzeugt Polymerradikale, die auf der Oberfläche 58 des Wafers 12 abgeschieden werden. C4F8 liefert die Entladung von zwei Arten langlebiger Radikale. Eines ist das Fluorkohlenstoff-Radikal (CFx) (worin 1 ≤ x ≤ 2), welches den Bil dungsblock für eine a-F:C-Abscheidung darstellt. Das andere ist F und F2-Atome, die zerstörende Ätzmittel darstellen, die flüchtige Fluoride bilden, welche den a-F:C-Film, der auf dem Substrat 12 abgeschieden wird, schwächen. Das Methan dient zur Entladung von Wasserstoff(H)-Radikalen, die sich durch Bildung flüchtigem HF an die F-Atome binden können, was das Ätzen der F- und F2-Atome reduziert, und damit die Stabilität des resultierenden a-F:C-Films, der auf dem Wafer abgeschieden wird, verbessert. Die Abscheidungsrate und die Fluorkonzentration des a-F:C-Films werden selektiv durch die Flussraten der FCG- und CCG-Gase gesteuert, genauso wie der Kammerdruck in der Kammer 16. Wie oben bemerkt, liegt das Verhältnis von FCG zu CCG im Allgemeinen zwischen 1 zu 1 und 30 zu 1 und beträgt bevorzugt zwischen 5 zu 1 und 15 zu 1 (FCG zu CCG). Der in der Kammer 16 während den Schritten 76 und 78 aufrechterhaltene Umgebungsdruck liegt bevorzugt im Allgemeinen im Bereich von 0,3 bis 2,0 Torr (40 bis 267 Pa).
  • Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin den zusätzlichen Schritt 80 des Einführens von Silan(SiH4)-Gas in die Kammer 16, zusammen mit den FCG- und CCG-Gasen, während der Schritte 76 und 78. Der Prozentsatz an Silan, das in die Kammer 16 während des Schritts 80 eingeführt wird, liegt bevorzugt im Allgemeinen im Bereich von 1 bis 15% der ingesamt eingeführten Gase (d.h. FCG und CCG und Silan). Vom Silan wurde festgestellt, dass es die thermische Stabilität des abgeschiedenen a-F:C-Films verbessert.
  • Die Reaktionen in der PECVD-Kammer werden wie folgt zusammengefasst:
  • PLASMAPOLYMERISATIONSCHEMIE
    • • Vorläufer: C4F8 + CH4
    • • Freie Radikale, hergestellt durch Plasmaentladung:
      Figure 00080001
    • • Zugabe von CH4 → Unterdrücken des Fluorätzens für die (CFx)n-Abscheidungen:
      Figure 00080002
    • • Zugabe von SiH4 → Unterdrücken des Fluorätzens für die (CFx)n-Abscheidungen:
      Figure 00080003
  • Der auf dem Wafer 12 abgeschiedene amorphe fluorierte Kohlenstoff, der das Produkt 86 der vorliegenden Erfindung darstellt, weist eine niedrigere Dielektrizitätskonstante und größere thermische Stabilität auf als a-F:C-Filme, die ohne die Verwendung von Silangas abgeschieden wurden. Die thermische Stabilität wird im Allgemeinen als Minimal- bis Null-Schrumpfung (z.B. weniger als 1% Schrumpfung) des abgeschiedenen a-F:C-Films während des Hochtemperaturhärtens, das bei Beendigung der Zwischenniveauverbindungen auf einem IC-Wafer durchgeführt wird, definiert. Es ist bei der IC-Wafer-Herstellung vorteilhaft, wenn man den hergestellten Wafer bei einer Temperatur oberhalb 440°C für ein Minimum von etwa 20 Minuten, bevorzugt zwischen 30 Minuten und bis zu mehreren Stunden, härten kann. Das Härten ist im Allgemeinen ein Teil des Vervollständigungsverfahrens der Vorrichtungen auf dem Wafer. Ein signifikantes Problem bei der Verwendung von a-F:C-Dielektrika auf IC-Wafern war deren geringe thermische Stabilität während des Härtens über 350 bis 400°C. Fluorierte amorphe Kohlenstofffilme, die unter Verwendung von Verfahren aus dem Stand der Technik abgeschieden werden, zeigen, wenn sie einem Härten bei höherer Temperatur (440°C) unterzogen wurden, unerwünschtes Schrumpfen, beispielsweise 5 bis 20% oder mehr. PECVD-Abscheidungsverfahren für amorphen fluorierten Kohlenstoff aus dem Stand der Technik, die kein Silan verwenden, waren in der Lage, die thermische Stabilität des abgeschiedenen Films geringfügig zu verbessern (was eine endgültige Härtungstemperatur bis zu 405 bis 425°C ermöglichte) mit akzeptablem Schrumpfen durch Reduzieren des Fluorgehalts des Films. Aber niedrigere Fluorniveaus im Film neigen dazu, die Dielektrizitätskonstante (k) auf möglicherweise k = 2,6+ zu erhöhen.
  • Die vorliegende Erfindung ist in der Lage, a-F:C-Filme mit guter thermischer Stabilität (minimale oder Null-Schrumpfung beim Endhärten bis zu 440 bis 465°C) mit niedrigem k (k = 2,25 bis 2,5) bereitzustellen. In großem Maße verbessern thermische Stabilität wird über einen weiten Bereich von Härtungstemperaturen, beispielsweise zwischen 300 bis 550°C, bereitgestellt. Der Vorteil von eingeführtem Silangas in die PECVD-Kammer während einer a-F:C-Abscheidung soll die Reduktion von Fluor-Radikalen unterstützen, indem zusätzliche H-Radikale zum Kombinieren mit dem F- und Fa-Ätzmitteln in der Kammer bereitgestellt werden, wie durch den oben gezeigten endgültigen Satz von Reaktionen unter der Unterschrift "PLASMAPOLYMERISATIONSCHEMIE" gezeigt. Durch welches Verfahren auch immer, Versuche mit der Einführung von Silan im oben angegebenem Prozentsatz verbessern die thermische Stabilität und reduzieren die Dielektrizitätskonstante des resultierenden a-F:C-Films.
  • 3 zeigt eine veranschaulichende Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, die das Verfahren in näheren Einzelheiten erläutert. Mit Bezug auf die 1 und 3 wird in Schritt 100 der Wafer 12 auf dem Chuck 20 in der Kammer 16 positioniert und auf eine Temperatur im Allgemeinen in einem Bereich von 200 bis 300°C erhitzt.
  • In Schritt 102 werden die Gase C4F8, CH4 und SiH4 über Zuführungen 40 und Ventile 42 und Verzweigung 36 in die Kammer 16 eingeführt. Die Gase werden durch den Duschkopf 46 in der Kammer 16 verteilt. Die Flussraten der Gase während des Schritts 102 sind die Raten, die erforderlich sind, um den Umgebungsdruck in der Kammer 16 im Allgemeinen in einem Bereich von 0,3 bis 2,0 Torr aufrechtzuerhalten. Das Verhältnis von C4F8 zu CH4 (C4F8/CH4) während des Schritts 102 liegt im Allgemeinen in einem Bereich von 1/1 bis 30/1 und bevorzugt zwischen 5/1 und 15/1. Der Prozentsatz an Silangas, das im Schritt 102 eingeführt wird, als Prozentsatz der drei eingeführten Gase C4F8, CH4 und SiH4, liegt im Allgemeinen in einem Bereich von 1 bis 15% SiH4.
  • Der Fluss von C4F8, CH4 und SiH4 während des Schritts 102 kann alternativ als Flussraten charakterisiert werden, die in Standardkubikzentimeter pro Minute (scm3) pro Kubikmeter Innenvolumen 22 in der PECVD-Kammer 16 gemessen werden. Nachfolgend werden geeignete Flussraten (pro m3 Kammervolumen) zum Durchführen des Schritts 102 genannt:
    3.000 bis 10.000 scm3 für C4F8 pro Kubikmeter,
    300 bis 1.100 scm3 für CH4 pro Kubikmeter, und
    100 bis 550 scm3 für SiH4 pro Kubikmeter.
  • Während der Einführung der Gase C4F8, CH4 und SiH4 wird der Schritt 104 durch Einsetzen von HF- und LF-Plasmaenergie in Kammer 16 durchgeführt. Die HF-Energie liegt bei einer empfohlenen Standardfrequenz von 13,56 MHz und bei einem Energieniveau zwischen 0,5 und 3,0 Watt pro Quadratzentimeter Oberfläche 58 des Substratwafers 12. Gleichzeitig wird LF-Energie mit einer Frequenz im Allgemeinen in einem Bereich von 100 bis 900 kHz bei einem Energieniveau zwischen 0,5 und 3,0 Watt pro Quadratzentimeter Substratoberfläche eingesetzt.
  • Die Schritte 102 und 104 scheiden a-F:C auf dem Wafer 12 (Schritt 108) ab. Eine geeignete Dicke des a-F:C-Films, der in Schritt 108 abgeschieden wird, liegt im Allgemeinen in einem Bereich von 1.000 bis 10.000 Angström (100 bis 1.000 nm).
  • Schließlich wird der Wafer 12 aus der Kammer 16 durch irgendein geeignetes Mittel, wie einen Handhaber 30, entfernt und in einem geeigneten Härtungsofen bei einer Temperatur im Allgemeinen in einem Bereich von 300 bis 550°C gehärtet (Schritt 110). Das Verfahren zeigt gute thermische Stabilität (d.h. eine Schrumpfung von weniger als etwa 1%) bei Härtungstemperaturen oberhalb 440°C, im Allgemeinen im Bereich von 440 bis 465°C.
  • Das Nachfolgende ist ein spezifisches Versuchsbeispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung:
  • Beispiel
  • In einer OXFORD-Plasma-lab-100-PECVD-Systemkammer wurde ein 6 Zoll (15,2 cm) Wafer 12 auf dem Chuck 20 platziert und auf eine Temperatur von 250°C erhitzt. Ein Fluss von C4F8-, CH4- und SiH4-Gasen wurde bei den folgenden Flussraten in die Kammer eingeführt:
    C4F8: 137 scm3,
    CH4: 15 scm3 und
    SiH4: 6,1 scm3.
  • Die HF-Energie (13,56 MHz) wurde bei einem Energieniveau von 200 Watt eingesetzt und LF-Energie (500 kHz) wurde mit 200 Watt eingesetzt. Der Umgebungsdruck in der Kammer wurde bei etwa 0,4 Torr (53 Pa) aufrechterhalten.
  • Die obigen Bedingungen erzeugten eine Abscheidungsrate von a-F:C von 1.200 Angström/Minute (120 nm/Minute). Die Abscheidung wurde für 4 Minuten durchgeführt. Dann wurde der Wafer aus der Kammer entfernt und ein endgültiges Härten wurde für 30 Minuten bei 450°C durchgeführt.
  • Die resultierende Dielektrizitätskonstante k des a-F:C betrug etwa 2,3.
  • Von der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass sie die thermische Stabilität verbessert und die Delektrizitätskonstante von abgeschiedenen a-F:C-Filmen, die durch PECVD-Verfahren gebildet werden, absenkt. Variationen im Verfahren sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. Beispielsweise sind die Abscheidungstemperaturen und das Verhältnis der Gase, die im Versuchsbeispiel spezifiziert sind, nur Vorschläge. In den hier offenbarten spezifizierten Bereichen wird es notwendig sein, die Flussraten und Temperaturen, die in den IC-Herstellungsverfahren verwendet werden, die für kommerzielle Herstellung eingesetzt werden, zu optimieren.

Claims (20)

  1. Plasma-verbessertes bzw. verstärktes chemisches Dampfabscheidungsverfahren (PECVD) zur Abscheidung eines dielektrischen Materials auf einem Substrat zur Verwendung in Verbindungsstrukturen von integrierten Schaltkreisen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Positionieren des Substrats in einer PECVD-Kammer und Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur über 200°C; b) Einführen eines Stroms von Fluor enthaltendem Gas (FCG) und Kohlenstoff enthaltendem Gas (CCG) in die Kammer unter Einsatz ausreichender Energie, um ein Fluor und Kohlenstoff enthaltendes Gasplasma zu bilden, wobei das Verhältnis von FCG zu CCG ausgewählt wird, um fluorierten amorphen Kohlenstoff auf dem Substrat abzuscheiden; und c) Einführen eines Stroms von SiH4 (Silan) in die Kammer, zusammen mit dem FCG und dem CCG in Schritt b), wobei das Silan die thermische Stabilität des auf dem Substrat abgeschiedenen fluorierten amorphen Kohlenstoffs erhöht, wobei die eingesetzte Energie in der Kammer die gleichzeitige Anwendung einer Hochfrequenz-Plasmaenergie und einer Niederfrequenz-Plasmaenergie umfasst.
  2. PECVD-Verfahren nach Anspruch 1, worin das Substrat auf eine Temperatur im Allgemeinen im Bereich von 200°C bis 300°C in Schritt a) erhitzt wird.
  3. PECVD-Verfahren nach Anspruch 1, worin das in Schritt b) eingeführte FCG C4F8 darstellt.
  4. PECVD-Verfahren nach Anspruch 3, worin das in Schritt b) eingeführte CCG CH4 darstellt.
  5. PECVD-Verfahren nach Anspruch 4, worin der in der PECVD-Kammer während der Einführung von C4F8, CH4 und Silan aufrechterhaltene Umgebungsdruck im Allgemeinen im Bereich von 0,3 Torr bis 2,0 Torr (40-267 Pa) liegt.
  6. PECVD-Verfahren nach Anspruch 5, worin das Verhältnis von während der Schritte b) und c) in die PECVD-Kammer eingeführtem C4F8 zu CH4 (C4F8/CH4) im Allgemeinen zwischen 1/1 und 30/1 liegt.
  7. PECVD-Verfahren nach Anspruch 5, worin das Verhältnis von während der Schritte b) und c) in die PECVD-Kammer eingeführtem C4F8 zu CH4 (C4F8/CH4) im Allgemeinen zwischen 5/1 und 15/1 liegt.
  8. PECVD-Verfahren nach Anspruch 6, worin der Prozentsatz von Silan in den in die PECVD-Kammer in den Schritten b) und c) eingeführten C4F8-, CH4- und Silan-Gasen im Allgemeinen im Bereich von 1% bis 15% liegt.
  9. PECVD-Verfahren nach Anspruch 5, worin die Flussraten der in die PECVD-Kammer in den Schritten b) und c) eingeführten C4F8-, CH4- und Silan-Gasen, pro cm3 des Kammerinnenvolumens, im Allgemeinen in den folgenden Bereichen liegen: 3.000 bis 10.000 sccm C4F8 pro m3; 300 bis 1.100 sccm CH4 pro m3; und 100 bis 550 sccm Silan pro m3.
  10. PECVD-Verfahren nach Anspruch 1, worin die in der Kammer zur Bildung des Gasplasmas eingesetzte Hochfrequenzplasmaenergie Hochfrequenzenergie bei einer Frequenz von 13,56 MHz und einem Energieniveau zwischen 0,5 Watt und 3,0 Watt pro Quadratzentimeter Substratoberfläche umfasst.
  11. PECVD-Verfahren nach Anspruch 10, worin die in der Kammer eingesetzte Niederfrequenzplasmaenergie ferner Niederfrequenzenergie bei einer Frequenz im Allgemeinen im Bereich von 100 kHz bis 900 kHz und einem Energieniveau zwischen 0,5 Watt und 3,0 Watt pro Quadratzentimeter Substratoberfläche umfasst.
  12. PECVD-Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Fortsetzen des Verfahrens bis eine ausgewählte Dicke des fluorierten amorphen Kohlenstoffs auf dem Substrat abgeschieden wurde, und ferner umfassend den Schritt des Härtens des Substrats bei einer Temperatur im Allgemeinen im Bereich von 300°C bis 550°C.
  13. PECVD-Verfahren nach Anspruch 1, worin das Substrat auf eine Temperatur zwischen 200°C und 300°C erhitzt wird; der Prozentsatz von Silan in den eingeführten Gases im Allgemeinen im Bereich von 1% bis 15% liegt; und die eingesetzte Plasmaenergie in der Kammer ein Gasplasma bildet, das CFx-Polymerradikale enthält, worin x größer oder gleich 1 ist und kleiner oder gleich 2, zur Abscheidung fluorierten amorphen Kohlenstoffs auf dem Substrat; wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst: d) Aufrechterhalten eines ausreichenden Flusses von Octafluorcyclobutan, Methan und Silan in die Kammer während Schritt b), um einen internen Kammerdruck im Allgemeinen im Bereich von 0,3 Torr bis 2,0 Torr (40-267 Pa) zur Verfügung zu stellen, bis eine ausgewählte Dicke fluorierten amorphen Kohlenstoffs auf dem Substrat abgeschieden wurde.
  14. PECVD-Verfahren nach Anspruch 13, worin die in der Kammer eingesetzte Hochfrequenzplasmaenergie ferner Hochfrequenzenergie bei einer Frequenz von 13,56 MHz und einem Energieniveau zwischen 0,5 Watt und 3,0 Watt pro Quadratzentimeter Substratoberfläche umfasst.
  15. PECVD-Verfahren nach Anspruch 14, worin die in der Kammer eingesetzte Niederfrequenzplasmaenergie ferner Niederfrequenzenergie bei einer Frequenz im Allgemeinen im Bereich von 100 kHz bis 900 kHz und einem Energieniveau zwischen 0,5 Watt und 3,0 Watt pro Quadratzentimeter Substratoberfläche umfasst.
  16. PECVD-Verfahren nach Anspruch 13, worin das Verhältnis von während des Verfahrens in die PECVD-Kammer eingeführtem Octafluorcyclobutan zu Methan (C4F8/CH4) im Allgemeinen zwischen 1/1 und 30/1 liegt.
  17. PECVD-Verfahren nach Anspruch 16, worin der Prozentsatz von Silan in die in die PECVD-Kammer in den Schritten b) und c) eingeführten C4F8-, CH4- und Silan-Gasen im Allgemeinen im Bereich von 1% bis 15% liegt.
  18. PECVD-Verfahren nach Anspruch 13, worin das Verhältnis von während des Verfahrens in die PECVD-Kammer eingeführtem Octafluorcyclobutan zu Methan (C4F8/CH4) im Allgemeinen zwischen 5/1 und 15/1 liegt.
  19. PECVD-Verfahren nach Anspruch 18, worin der Prozentsatz von Silan in die in die PECVD-Kammer in den Schritten b) und c) eingeführten C4F8-, CH4- und Silan-Gasen im Allgemeinen im Bereich von 1% bis 15% liegt.
  20. PECVD-Verfahren nach Anspruch 13, umfassend das Fortsetzen des Verfahrens bis eine ausgewählte Dicke fluorierten amorphen Kohlenstoffs auf dem Substrat abgeschieden ist, und ferner enthaltend den Schritt des Härtens des Substrats bei einer Temperatur größer oder gleich 440°C.
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