DE10236430A1 - Verfahren zur Niedertemperatur-Gasphasenabscheidung von Niedrig-K-Filmen unter Verwendung ausgewählter Cyclosiloxane und Ozongase für Halbleiteranwendungen - Google Patents

Verfahren zur Niedertemperatur-Gasphasenabscheidung von Niedrig-K-Filmen unter Verwendung ausgewählter Cyclosiloxane und Ozongase für Halbleiteranwendungen

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DE10236430A1
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Richard A Conti
Daniel C Edelstein
Gill Young Lee
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Ein Verfahren zur Ausbildung eines Niedrig-K-Dielektrikumfilms, insbesondere eines Vor-Metall-Dielektrikums (PMD), auf einem Halbleiter-Wafer, der gute Lückenfülleingeschaften aufweist. Das Verfahren verwendet einen thermischen Subatmosphären-CVD-Prozeß, der einen kohlenstoffhaltigen organometallischen Vorläufer wie z. B. TMCTS oder OMCTS, ein ozonhaltiges Gas und eine Quelle von Dotierstoffen zum Gettern von Alkalielementen und zum Senken der Aufschmelztemperatur des Dielektrikums enthält, während die gewünschte Niedrig-K- und Lückenfülleigenschaften des dielektrischen Films erzielt werden. Phosphor ist ein bevorzugter Dotierstoff zum Gettern von Alkalielementen wie z. B. Natrium. Zusätzliche Dotierstoffe zum Senken der Aufschmelztemperatur umfassen Bor, Germanium, Arsen, Fluor und Kombinationen hiervon, sind jedoch nicht hierauf beschränkt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Halbleiterverarbeitung und insbesondere auf einen Prozeß zum Ausbilden einer dielektrischen Deckschicht, um Lücken zwischen Vorrichtungselementen zu füllen.
  • Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen wurde es mit den schrumpfenden Abmessungen immer schwieriger, dielektrische Filmschichten zu schaffen, die eine angemessene elektrische Isolation zwischen Verbindungsmerkmalen und Vorrichtungskomponenten zur Verfügung stellen, um die RC-Verzögerung und das Übersprechen zu minimieren. Ein Verfahren, um dies zu bewerkstelligen, besteht darin, dielektrische Schichten unter Verwendung von Materialien zu schaffen, die niedrigere dielektrische Konstanten (Niedrig-K-Dielektrika) aufweisen als herkömmliche dielektrische Materialien, wie z. B. Siliciumdioxid (SiO2) oder Siliciumnitrid. Niedrig-K-Dielektrika weisen typischerweise Dielektrizitätskonstanten unterhalb von etwa 4 auf, wobei Luft eine Dielektrizitätskonstante von 1 aufweist.
  • Dabei wird zu Beginn der Herstellung eines Moduls am hinteren Ende einer Produktionslinie (BEOL-Modul = Back- End-Of-Line-Modul), das die Zwischenverbindungs-Metallebenen enthält, typischerweise eine dielektrische Schicht zwischen den Vorrichtungen oder Merkmalen, wie z. B. den Gate-Leiterstapeln auf dem Substrat oder dem Modul am vorderen Ende der Produktionslinie (FEOL-Modul = Front- End-Of-Line-Modul), und der ersten Schicht aus Metall in der Zwischenverbindungsebene oder dem BEOL-Modul vorgesehen. Diese dielektrische Schicht zwischen der Vorrichtungsebene und der Zwischenverbindungsebene ist bekannt als Vor-Metall-Dielektrikum (PMD = pre-metal dielectric). Der Prozeß der Ausbildung dieses PMD wird im folgenden als ein Mittellinienprozeß oder MOL-Prozeß bezeichnet, im Gegensatz zu den BEOL-Prozessen, die verwendet werden, um die Zwischenmetalldielektrika (IMD = inter-metal dielectrics) auszubilden, die die Metallschichten trennen.
  • Verfahren zum Abscheiden von Niedrig-K-Dielektrikum- Deckschichten umfassen das Aufschleudern, die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), wobei in letzter Zeit die PECVD bevorzugt wird. PECVD-Prozesse schließen die Verwendung von Organosilicium-Vorläufern wie z. B. Methylsilan (1MS), Trimethylsilan (3MS) und Tetramethylsilan (4MS) mit verschiedenen Oxidatoren ein. Die CVD- Prozesse, insbesondere PECVD, können jedoch nicht die Zwischenräume oder Lücken zwischen bestehenden Metallmerkmalen angemessen füllen und können Hohlräume in der dielektrischen Deckschicht zurücklassen, welche Probleme hervorrufen können, z. B. Mikrorisse, ein Durchhängen der strukturellen Unterstützung, einen Einschluß von Gasen oder Feuchtigkeit, oder nachfolgenden Metallauffüllprozessen erlauben, naheliegende Hohlräume zu verbinden, was zu kurzgeschlossenen Vorrichtungselementen führen kann. Obwohl Filme, die durch Aufschleuderungsabscheidung geschaffen werden, Zwischenräume oder Lücken angemessen füllen können, sind diese Filme üblicherweise porös und wären inkompatibel mit anderen MOL-Verarbeitungsschritten, da sie anfällig sind für Probleme, wie z. B. die obenerwähnten Probleme. Das Problem der angemessenen Lückenfüllung kann besonders schwierig sein, wenn das Seitenverhältnis (AR), das das Verhältnis von der Höhe zur Breite der Lücken ist, über etwa 1,0 liegt. Wie z. B. in Fig. 1 gezeigt, werden Vorrichtungsstrukturen 130 über einem dotierten Bereich 120 auf einem Substrat 110 ausgebildet. Die Vorrichtungsstrukturen 130, wie z. B. Gate- Leiterstapel, sind durch die Breite W getrennt und weisen jeweils eine Höhe H auf. Somit hat die Lücke 160, die die Vorrichtungsstrukturen 130 trennt, ein Seitenverhältnis (AR) von H/W. Wenn H größer als W ist, ist AR größer als 1 und eine dielektrische Deckschicht 140, die mittels eines herkömmlichen PECVD-Prozesses ausgebildet wird, füllt die Lücke 160 nicht vollständig aus, wodurch ein Hohlraum 150 zurück bleibt, der Probleme verursachen kann, wie z. B. strukturelle und elektrische Defekte, wie oben erwähnt worden ist.
  • Es wurde PECVD-Verfahren für die Abscheidung von Niedrig- K-Dielektrikumschichten für BEOL-Ebenen vorgeschlagen, die einen kohlenstoffhaltigen Vorläufer, wie z. B. ein Cyclosiloxan, wie Tetramethylcyclo-Tetrasiloxan (TMCTS), oder Methylsilane, mit Sauerstoff verwenden. Niedrig-K- Dielektrika werden auch auf der MOL-Ebene benötigt. PECVD kann Abscheidungsraten bewirken, die schnell genug sind (im Bereich von hunderten bis tausenden von Å/min) für BEOL-Anwendungen, die bei Temperaturen unterhalb von etwa 400°C, und so tief wie 300°C, arbeiten müssen aufgrund der Anwesenheit der Metallmerkmale. PECVD-Lösungen auf der MOL-Ebene sind jedoch nicht einfach zu verwenden, da PECVD-Prozesse in Lücken mit hohem Seitenverhältnis Hohlräume zurücklassen können, wenn das Lücken-Seitenverhältnis etwa 1,0 überschreitet. Außerdem ist die Plasmaverarbeitung kein bevorzugtes Füllverfahren für MOL, da es eine Ladungsbeschädigung an den Gate-Oxiden hervorrufen kann.
  • Thermische CVD-Prozesse erfordern nicht die Verwendung von Plasmen, um dielektrische Schichten abzuscheiden. Die thermische Subatmosphären-CVD (SACVD) und die thermische Niederdruck-CVD wurden verwendet, um für eine konforme Abscheidung von Dielektrika zu sorgen, in welchen O3 und O2 jeweils als Oxidationsmittel verwendet wurden. Der Druck in der SACVD liegt im Bereich von etwa 50 bis 800 Torr, und üblicherweise zwischen etwa 200 bis 760 Torr. Die Niederdruck-CVD verwendet typischerweise Drücke unterhalb von etwa 10 Torr. Die Niederdruck-CVD liefert keine guten Lückenfüllergebnisse für eine Chemie, die z. B. Sauerstoff und einen organometallischen Vorläufer oder Organosilicium-Vorläufer wie z. B. TMCTS nutzt. Eine gute Lückenfüllung ergibt sich typischerweise bei der Verwendung der SACVD bei Drücken über etwa 200 Torr und vorzugsweise über etwa 600 Torr. Unter Verwendung von Niedrig-K-Materialien für ein Seitenverhältnis größer als 1 kann die SACVD jedoch auch Hohlräume zurücklassen, in Abhängigkeit von der Form der zu füllenden Lücke.
  • Es wäre wünschenswert, einen Nachabscheidungs-Glasaufschmelzschritt bei einer niedrigen Aufschmelztemperatur mit minimaler Wärmebehandlung zu verwenden, um Hohlräume zu füllen, die nach der Abscheidung eines Niedrig- K-Films zurückbleiben, um eine thermische Beschädigung zu vermeiden. Zum Beispiel ist im Fall von herkömmlichen (Hoch-K)-Dielektrikumsfilmen, bei denen die Kontrolle der Dielektrizitätskonstanten keine Entwicklungsanforderung war, bekannt, daß das Hinzufügen von Dotierstoffen die Temperatur senken kann, die zum Aufschmelzen des Films erforderlich ist. Da jedoch die Prozeßbedingungen für die Abscheidung von Niedrig-K-Filmen, die auch gute Lückenfüllergebnisse liefern würden, sehr empfindlich gegenüber der Zusammensetzung der Reaktionsmittelgase und der Struktur der zu füllenden Lücken sind, würde das Zugeben von Dotierstoffen, die die Aufschmelztemperatur herabsetzen, nicht unbedingt die gewünschten Niedrig-K- und Lückenfüll-Eigenschaften des Films bewahren, und können eine beträchtliche Versuchsreihe erfordern, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
  • Es besteht daher Bedarf an einem plasmafreien Niedrig-K- Oxid-CVD-Prozeß, der gute Lückenfüllergebnisse für Seitenverhältnisse größer als 1 liefern kann, eine Ladungsbeschädigung vermeidet, Alkalielemente gettern kann, mit minimaler Wärmebehandlung aufgeschmolzen werden kann, um eine thermische Beschädigung der darunterliegenden Vorrichtungselemente zu vermeiden, und einen Film mit einer gewünschten Niedrig-K-Eigenschaft bereitstellt.
  • Sukharev (US-Patent 5.710.079, im folgenden bezeichnet als das "Sukharev"-Patent) beschreibt ein Verfahren zur Abscheidung von Siliciumdioxidfilmen, um die Ausbildung von Hohlräumen in Lücken durch die CVD mit einer organometallischen Verbindung, wie z. B. Tetraethylorthosilikat (TEOS), BPTEOS, TEB, TMOP, OMCTS, HMDS, TMCTS oder TRIES, zu verhindern, welches Ozon und die Verwendung von ultravioletter Strahlung (UV) umfaßt, um die Abscheidungsrate zu erhöhen durch Erhöhen der Konzentration der Hydroxyl- Radikale, um die Ausbildung von Hohlräumen zu vermeiden und die Lückenfüllung zu verbessern. Die erhöhte Konzentration der Hydroxyl-Radikale kann jedoch zu einem porösen Film führen, der inkompatibel ist mit der MOL-Verarbeitung, wobei eine erhöhte Konzentration der Hydroxyl- Radikale zu einer reduzierten Kohlenstoffeinlagerung in den Film führt. Da eine Kohlenstoffeinlagerung erforderlich ist, um ein Niedrig-K-Oxid zu erhalten, bietet das Sukharev-Patent keine Lösung für die Abscheidung von Niedrig-K-Dielektrikumsfilmen, die gute Lückenfüllergebnisse liefern. Außerdem kann die Verwendung von UV-Strahlung zum Erhöhen der Abscheidungsrate eine Modifikation von Standard-Reaktionskammern erfordern und kann die Kosten der Verarbeitung erhöhen.
  • Yuan (US-Patent 5.855.957, im folgenden bezeichnet als das Yuan-Patent) offenbart ein Verfahren zum Abscheiden eines Oxiddünnfilms unter Verwendung eines thermischen Atmosphärendruck-CVD-(APCVD)-Prozesses, der Ozon (O3) enthält, das eine gleichmäßige Stufenabdeckung bewirken kann. Das Yuan-Patent offenbart die Verwendung von Vorläufern, wie z. B. Tetraethoxysilan (TEOS), Hexamethyldisilazan (HMDSO), Oktanmethylcyclotetrasiloxan (ONCTS), 2,4,6,8-Tetramethylcyclotetrasiloxan (TNCTS), Substanzen mit der allgemeinen Formel SiHx(OR)4-x, wobei "R" eine Alkylgruppe oder deren Oligomere darstellt und x = 0,1, 2 oder 3 ist, sowie anderer Chemikalien, wie z. B. Bor, Phosphor, Fluor enthaltende Quellen und Kombinationen hiervon. Das Verfahren des Yuan-Patents offenbart, daß eine gleichmäßige Stufenabdeckung oder eine Lückenfüllung für Seitenverhältnisse bis zu etwa 3 geschaffen werden können. Außerdem erfordert die bevorzugte Ausführungsform des Yuan-Patents die Bewegung des Wafers durch den Reaktor, was die Komplexität des Reaktorentwurfes erhöht. Eine Bewegung des Wafers führt über das Substrat ferner zu einer Variation der Elementzusammensetzung mit der Tiefe, weshalb sich die Ätzgeschwindigkeit mit der Tiefe ändert, was inkompatibel ist mit MOL-Verarbeitungsschritten, wie z. B. dem Naß-HF-Ätzen. Außerdem ist das Yuan- Patent nicht auf die Abscheidung von Niedrig-K-Dielektrikumsfilmen gerichtet, die eine strenge Zusammensetzungs- und Dichtekontrolle erfordern würden, was außerhalb der Fähigkeiten des Yuan-Patents liegt.
  • Saito (US-Patent 5.545.436, im folgenden bezeichnet als das Saito-Patent) offenbart ein Atmosphären-CVD-Verfahren, das O3 enthält, für die Abscheidung eines undotierten Siliciumoxidfilms unter Verwendung eines Vorläufers wie z. B. TEOS, OMCTS, Tetrapropoxysilan (TPOS) oder TMCTS. Das Salto-Patent erfordert ferner die Bewegung des Wafers relativ zur Gaseinleitungsvorrichtung, was die Komplexität des Reaktorentwurfs erhöht und unter ähnlichen Zusammensetzungsproblemen leidet wie das Yuan-Patent. Das Saito-Patent ist daher nicht geeignet für die Abscheidung von Niedrig-K-Dielektrika, die eine gute Lückenfüllung für Seitenverhältnisse größer als etwa 3 bieten.
  • Rose u. a. (US-Patent 6.068.884, im folgenden bezeichnet als das Rose-Patent) offenbart ein Verfahren zur Abscheidung eines Niedrig-K-Dielektrikumfilms unter Verwendung eines PECVD-Prozesses. Das Rose-Patent offenbart die Verwendung von Vorläufern von Organosilicium, wie z. B. Siloxanen, um ein anorganisches/organisches Hybrid-Dielektrikummaterial zu bilden, das ein niedriges K (weniger als 4,0 und vorzugsweise im Bereich von 3,0 bis 1,5) und eine gute thermische Stabilität bei Temperaturen im Bereich von 425-450°C aufweist. Die im Rose-Patent offenbarten Vorläufer umfassen organische Siloxane, Fluorsiloxane, Cyclosiloxane, Fluor enthaltende Cyclosiloxane, Organosilazane, Fluorsilazane, Cyclosilazane, Silikate, TEOS und TMS sowie Mischungen hiervon. Obwohl das Rose-Patent vorschlägt, das atmosphärische, subatmosphärische oder Niederdruck-Thermal-CVD-Prozesse verwendet werden können, erfordern die bevorzugten Ausführungsformen des Rose-Patents die Verwendung eines Plasma-CVD- Prozesses mit Organosilicium-Vorläufern, wie z. B. Hexamethyl-Disiloxan (HMDSO), 1,1,3,3-Tetramethyldisiloxan (TMDSO), TEOS und OMCTS. Das Verfahren des Rose-Patents erkennt somit nicht den Nachteil der möglichen Ladungsbeschädigung aufgrund der Verwendung von Plasma-CVD-Prozessen. Das Rose-Patent löst ferner nicht das Problem der Lückenfüllung für Seitenverhältnisse größer als 1.
  • Ravi u. a. (US-Patent 5.976.993, im folgenden bezeichnet als das Ravi-Patent) offenbart ein Verfahren zur Abscheidung von Siliciumoxidfilmen mit reduzierter innerer Beanspruchung, die ebenfalls gute Lückenfüllungsergebnisse liefern können, unter Verwendung eines Hochdichtplasma-Gasphasenabscheidungs-(HDP-CVD)-Prozesses. Da das Ravi-Patent die Verwendung eines PECVD-Prozesses lehrt und nicht die Verwendung eines kohlenstoffhaltigen Cyclosiloxan-Vorläufers, wie z. B. TNCTS oder ONCTS, vorschlägt, ist das Ravi-Patent nicht geeignet für die Abscheidung von Niedrig-K-Dielektrikumfilmen, die gute Lückenfülleigenschaften für ein Seitenverhältnis größer als etwa 1 aufweisen. Ferner leidet das Verfahren des Ravi-Patents unter einer möglichen Ladungsbeschädigung aufgrund des Plasmaprozesses.
  • Laboda u. a. (EP 0 960 958 A2, im folgenden bezeichnet als Laboda-Referenz) offenbart ein Verfahren zur Abscheidung von Niedrig-K-Dielektrikumsfilmen unter Verwendung eines plasmaunterstützten CVD-(PECVD)-Prozesses oder eines ozonunterstützten CVD-Prozesses unter Verwendung eines Methyl enthaltenden Silans, wie z. B. Methylsilan, Dimethylsilan, Trimethylsilan und Tetramethylsilan, und eines Sauerstoff liefernden Gases. Die Laboda-Referenz schlägt ferner vor, das Dotiermittel wie z. B. Phosphor oder Borwasserstoffe und Halogene wie z. B. Fluor verwendet werden können, schlägt jedoch nicht vor, welche Vorteile solche Dotiermittel bieten können. Die Laboda-Referenz erkennt ferner nicht das Problem der möglichen Ladungsbeschädigung aufgrund der Plasmaprozesse. Außerdem bietet das Verfahren der Laboda-Referenz keine guten Lückenfülleigenschaften für Seitenverhältnisse größer als etwa 1.
  • Hinsichtlich der vorangehenden Diskussion besteht ein Bedarf an der Schaffung eines Verfahrens zum Abscheiden einer Niedrig-K-Dielektrikum-PMD-Schicht, die Lücken mit hohem Seitenverhältnis (Seitenverhältnis größer als etwa 3) füllen kann ohne Hohlräume, ohne Ladungsbeschädigung oder thermische Beschädigung der Halbleitervorrichtungen, und ein Gettern von Alkalielementen bietet.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abscheidung eines Vor-Metall-Niedrig-K- Dielektrikums zu schaffen, das eine gute Lückenfüllung bietet, die Bildung von Hohlräumen minimiert und Alkalielemente wie z. B. Natrium und Kalium gettert.
  • Es ist weiter die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei dem ein Vor-Metall-Niedrig-K-Dielektrikum mittels eines Prozesses ausgebildet wird, der keine thermische Beschädigung der Halbleitervorrichtungen hervorruft, indem die Prozeßtemperatur innerhalb des Wärmeplans der Vorrichtungen gehalten wird.
  • Es ist weiter die Aufgabe der Erfindung, ein Vor-Metall- Niedrig-K-Dielektrikum mit einem Prozeß zu schaffen, der keine Ladungsbeschädigung der Halbleitervorrichtungen hervorruft.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 27 bzw. durch eine Vor-Metall-Dielektrikum-(PMD)-Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 33 und 40 bzw. durch einen Niedrig-K- Film nach Anspruch 41. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen gerichtet.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Vor-Metall-(PMD)-Niedrig-K- Dielektrikumschicht mittels eines thermischen Subatmosphären-Gasphasenabscheidungsprozeß geschaffen, der einen kohlenstoffhaltigen Vorläufer, Ozon und eine Quelle von Dotierstoffen enthält.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:
  • Fig. 1 die bereits erwähnte dielektrische Deckschicht des Standes der Technik, die einen Hohlraum aufweist;
  • Fig. 2 einen Einzel-Wafer-CVD-Reaktor, der verwendet werden kann, um den Prozeß der Abscheidung einer Vor-Metall-Dielektrikumschicht gemäß der Erfindung zu implementieren;
  • Fig. 3 ein Flußdiagramm, das die Schritte einer bevorzugten Ausführungsform zum Abscheiden einer Vor-Metall-Dielektrikumschicht gemäß der Erfindung zeigt; und
  • Fig. 4 eine Vor-Metall-Dielektrikumschicht, die gemäß der Erfindung ausgebildet worden ist und gute Lückenfülleigenschaften aufweist.
  • In der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Verfahren zur Abscheidung einer Vor-Metall-Dielektrikumschicht in der Linienmitte genauer beschrieben. Es wird angenommen, daß dies lediglich als ein Beispiel dient, und daß die Erfindung unter einer Vielzahl von Bedingungen und unter Verwendung einer Vielzahl von Vorläufern ausgeführt werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet das Verfahren zur Ausbildung einer Vor-Metall- (PMD)-Niedrig-K-Dielektrikumschicht einen thermischen Subatmosphären-Gasphasenabscheidungsprozeß, der einen kohlenstoffhaltigen organometallischen Vorläufer oder Organosilicium-Vorläufer, Ozon und eine Quelle von Dotierstoffen enthält. Die kohlenstoffhaltigen organometallischen Vorläufer oder Organosilicium-Vorläufer können ein Cyclosiloxan wie z. B. Tetramethylcyclo-Tetrasiloxan (TMCTS) oder Orthomethylcyclo-Tetrasiloxan (OMCTS) oder andere zyklische Siloxane enthalten. Eine Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 3,0 wird erwartet aufgrund des Kohlenstoffgehaltes, der durch den Vorläufer geschaffen wird, und aufgrund der Mikrostruktur des hierdurch geschaffenen Films. Ein Phosphordotierstoff wird hinzugefügt, um Alkalimetalle wie z. B. Natrium und Kalium zu gettern. Zusätzlich zum Phosphor wird ein Dotierstoff hinzugefügt, der dem Film erlaubt, relativ leicht bei einer Temperatur und einer Prozeßzeit aufzuschmelzen, die zu keiner thermischen Beschädigung führen. Wenn das Seitenverhältnis zunimmt, wird die Ausbildung von Hohlräumen wahrscheinlicher, wobei eine gewisse Aufschmelzung erforderlich sein kann. Für Vorrichtungen der 0,1 µ-Generation findet der thermische Aufschmelzzyklus vorzugsweise im Bereich einer Temperatur von weniger als etwa 725°C für etwa 20 Minuten statt, was keine thermische Beschädigung auf der PMD-Ebene hervorruft. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Dotierstoffe wie z. B. Phosphor und Bor hinzugefügt, die die erforderliche Aufschmelztemperatur senken, um eine Lücke mit gegebenem Seitenverhältnis ohne thermische Beschädigung zu füllen. Phosphor wird benötigt, um Alkalielemente zu gettern, und dient ferner zum Senken der Aufschmelztemperatur bis zu einem gewissen Maß, reicht jedoch typischerweise nicht aus, um eine thermische Beschädigung zu vermeiden. Zusätzliche Dotierstoffe, die zur weiteren Senkung der Aufschmelztemperatur dienen, umfassen Bor, Germanium, Arsen, Fluor oder Kombinationen hiervon, sind jedoch nicht hierauf beschränkt.
  • Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, kann das Verfahren gemäß der Erfindung in einem herkömmlichen Einzel-Wafer-CVD- Reaktor 200 durchgeführt werden, der in Fig. 2 gezeigt ist und im Prozeßschritt 320 in Fig. 3 vorgesehen ist. Im Prozeßschritt 330 ist ein Wafer 210 vorgesehen, der darauf befindliche Halbleitervorrichtungsmerkmale aufweisen kann, und ist innerhalb des Reaktors 200 auf einer Plattform 220 plaziert, die ein darin befindliches (nicht gezeigtes) Heizelement enthält, das von einem Heizvorrichtungssuszeptor 230 gesteuert wird, der verwendet wird, um die Temperatur innerhalb des Reaktors 200 zu steuern. Alle Reaktorkomponenten werden auf vorgegebenen Temperaturen gehalten, wie durch den Prozeßschritt 340 der Fig. 3 gezeigt ist. Gemäß der Erfindung wird im Prozeßschritt 350 eine Strömung von Reaktionsgasen zugeführt, die wenigstens einen kohlenstoffhaltigen organometallischen Vorläufer 260 (Prozeßschritt 352), ein Gemisch aus Sauerstoff und Ozon 270 (Prozeßschritt 356) und eine Quelle von Dotierstoffen 280 (Prozeßschritt 354) enthält, und wird in eine Vormischkammer 250 geleitet, wobei das Gemisch auf den Wafer 210 aufgebracht wird. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurden verbesserte Lückenfüllergebnisse erhalten durch Vormischung der Gase innerhalb einer Vormischkammer 250, die dazu dient, die Reaktion einzuleiten und die gewünschten Filmeigenschaften zu erhalten. Alternativ können die Gase ohne Vormischung separat in das Reaktorvolumen geleitet werden, jedoch mit einem vorgegebenen Abstand von der Wafer- Oberfläche von z. B. etwa 50-500 mil (etwa 0,05-0,5 Zoll). Diese Nachmischalternative führt jedoch zu einem Film, der weniger optimale Eigenschaften aufweist. Eine Pumpe 240 wird verwendet, um den Druck innerhalb des Reaktors 200 auf einen vorgegebenen Druck zu steuern und zu halten (Prozeßschritt 360). Das Gasgemisch wird auf den Wafer für eine vorgegebene Zeitspanne aufgebracht (Prozeßschritt 370), um die dielektrische Niedrig- K-Deckschicht 170 auszubilden, die gute Lückenfülleigenschaften aufweist, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Schließlich werden im Prozeßschritt 380 irgendwelche überschüssigen Gase aus der Kammer entfernt.
  • Der kohlenstoffhaltige Vorläufer ist vorzugsweise TMCTS, kann jedoch irgendein kohlenstoffhaltiger Vorläufer sein, wie z. B. OMCTS oder dergleichen. Die Quelle der Dotierstoffe kann Triethylphosphat (TEPO) enthalten, das eine Quelle für Phosphor ist, sowie Triethylborat (TEB), das eine Quelle für Bor ist. Die Anwesenheit von Phosophor als Dotierstoff hat den Vorteil des Getterns von Alkalielementen wie z. B. Natrium. Ein Phosphordotierstoff tendiert ferner dazu, die Aufschmelztemperatur zu senken, reicht jedoch typischerweise allein nicht aus, um die Aufschmelztemperatur so herabzusetzen, daß eine thermische Beschädigung vermieden wird. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der zusätzliche Dotierstoff Bor hinzugefügt, um die Temperatur zu senken, bei der ein Aufschmelzen auftreten kann, um eine thermische Beschädigung zu vermeiden. Dotierstoffe, die zum Zweck der Senkung der Aufschmelztemperatur gemäß der vorliegenden Erfindung hinzugefügt werden, können Bor, Germanium, Arsen, Fluor oder Kombinationen hiervon enthalten, sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Germanium kann mittels eines Vorläufers wie z. B. Tetramethylgermanium oder dergleichen zugegeben werden. Arsen kann mittels eines Vorläufers wie z. B. Tetramethylarsin oder dergleichen zugegeben werden. Fluor kann mittels fluorierter Entsprechungen von TMCTS oder dergleichen zugegeben werden.
  • Die Prozeßbedingungen für diese Ausführungsform umfassen eine Temperatur im Bereich von etwa 100-700°C, vorzugsweise von etwa 500-600°C. Der Druck gemäß der Erfindung liegt im Bereich von 50-800 Torr, vorzugsweise von etwa 200-700 Torr. Die besten Ergebnisse werden erwartet unter Verwendung von Drücken von etwa 600-700 Torr. Es können jedoch auch Drücke von nur 200 Torr verwendet werden. Der Prozeß umfaßt eine Strömung eines Gases, das ein Gemisch aus Sauerstoff (O2) und Ozon (O3) im Bereich von 1.000-10.000 sccm, vorzugsweise etwa 5.000 sccm, umfaßt, wobei die Konzentration von Ozon (O3) in der O2-Strömung zwischen etwa 5-20 Gew.-%, vorzugsweise bei etwa 15 Gew.-% beträgt. Die TMCTS-Strömung liegt im Bereich von etwa 100-10.000 mgm, vorzugsweise bei etwa 100-500 mgm. Die Triethylborat-(TEB)-Strömung liegt im Bereich von etwa 100-500 sccm, während die Triethylphosphat-(TEPO)-Strömung im Bereich von etwa 10-100 sccm liegt. Die bevorzugte resultierende PMD-Niedrig-K-Dielektrikumschicht sollte eine Borkonzentration von etwa 0-6% und vorzugsweise etwa 4% aufweisen, sowie eine Phosphorkonzentration von etwa 2-5% und vorzugsweise etwa 4%.
  • Obwohl die Erfindung anhand spezifischer Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist bei Betrachten der vorangehenden Beschreibung klar, daß zahlreiche Alternativen, Abwandlungen und Variationen für Fachleute offensichtlich sind. Die Erfindung soll dementsprechend alle solchen Alternativen, Abwandlungen und Variationen umfassen, die in den Umfang und den Erfindungsgedanken der Erfindung und der folgenden Ansprüche fallen.

Claims (41)

1. Verfahren zur Abscheidung eines dielektrischen Films, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer Gasphasenabscheidungs- Reaktionskammer (CVD-Reaktionskammer) (200);
Bereitstellen eines Halbleiter-Wafers (210) innerhalb der Reaktionskammer (200), der auf einer seiner Oberflächen Merkmale aufweist, die beabstandet sind, um wenigstens eine Lücke zwischen den Merkmalen zu bilden;
Bereitstellen eines kohlenstoffhaltigen organometallischen Vorläufers (260);
Bereitstellen eines ozonhaltigen Gases (270);
Bereitstellen eines Dotierstoffe enthaltenden Gases (280); und
Reagierenlassen des Vorläufers (260), des ozonhaltigen Gases (270) und des Dotierstoffe enthaltenden Gases (280), um einen Niedrig-K-Film auf der Oberfläche abzuscheiden, so daß der Niedrig-K-Film die wenigstens eine Lücke im wesentlichen ausfüllt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lücke ein Seitenverhältnis von mehr als etwa 3 aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niedrig-K-Film eine Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 3 aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die CVD-Reaktionskammer ein Einzel-Wafer-Reaktor ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es vor dem Schritt des Reagierenlassens den Schritt des Vormischens des kohlenstoffhaltigen organometallischen Vorläufers (260), des ozonhaltigen Gases (270) und des Dotierstoffe enthaltenden Gases (280) umfaßt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Reagierenlassens die thermische Subatmosphärendruck-Gasphasenabscheidung umfaßt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es den Schritt des Aufschmelzens des Niedrig-K- Films umfaßt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufschmelzens bei einer Temperatur von weniger als etwa 725°C für etwa 20 Minuten durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kohlenstoffhaltige Vorläufer (260) aus der Gruppe ausgewählt wird, die TMCTS und OMCTS umfaßt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens eines kohlenstoffhaltigen Vorläufers (260) eine TMCTS-Strömung zwischen etwa 100 und etwa 10000 mgm umfaßt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens eines kohlenstoffhaltigen Vorläufers (260) eine TMCTS-Strömung zwischen etwa 100 und etwa 500 mgm umfaßt.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens eines ozonhaltigen Gases (270) eine Strömung eines Gemisches aus Sauerstoff und Ozon von etwa 1000 bis etwa 10000 sccm umfaßt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ozon etwa 5 bis 20 Gew.-% des Gemisches aus Sauerstoff und Ozon ausmacht.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ozon etwa 15 Gew.-% des Gemisches aus Sauerstoff und Ozon ausmacht.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens eines ozonhaltigen Gases (270) eine Strömung eines Gemisches aus Sauerstoff und Ozon von etwa 5000 sccm umfaßt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ozon etwa 5 bis 20 Gew.-% des Gemisches aus Sauerstoff und Ozon ausmacht.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ozon etwa 15 Gew.-% des Gemisches aus Sauerstoff und Ozon ausmacht.
18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens eines Dotierstoffe enthaltenden Gases (280) eine TEB-Strömung und eine TEPO-Strömung umfaßt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die TEB-Strömung zwischen etwa 100 und etwa 500 sccm beträgt und die TEPO-Strömung zwischen etwa 10 und etwa 100 sccm beträgt.
20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierstoffe enthaltende Gas (280) einen Dotierstoff enthält, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die Phosphor, Bor, Germanium, Arsen, Fluor und eine Kombination hieraus umfaßt.
21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierstoffe enthaltende Gas (280) Phosphor enthält und einen zweiten Dotierstoff enthält, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die Bor, Germanium, Arsen, Fluor und eine Kombination hieraus umfaßt.
22. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es nach dem Schritt des Bereitstellens eines Wafers (210) den Schritt des Vorheizens des Reaktors (200) auf eine vorgegebene Temperatur umfaßt.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Temperatur im Bereich von etwa 100°C bis etwa 700°C liegt.
24. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Reagierenlassens des Vorläufers (260) das Erreichen und Halten eines vorgegebenen Drucks umfaßt.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Druck im Bereich von etwa 50 bis etwa 800 Torr liegt.
26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Druck im Bereich von etwa 200 bis etwa 700 Torr liegt.
27. Verfahren zur Abscheidung eines dielektrischen Films, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer (CVD-Reaktionskammer) (200);
Bereitstellen eines Halbleiter-Wafers (210) innerhalb der Reaktionskammer (200), der auf einer seiner Oberflächen Merkmale aufweist, die beabstandet sind, um wenigstens eine Lücke zwischen den Merkmalen zu bilden;
Vorheizen der Reaktionskammer auf eine vorgegebene Temperatur von etwa 500-600°C;
Bereitstellen eines kohlenstoffhaltigen organometallischen Vorläufers (260), der aus der Gruppe ausgewählt ist, die TMCTS und OMCTS umfaßt;
Bereitstellen einer ozonhaltigen Gasströmung (270) mit etwa 5000 sccm, wobei das ozonhaltige Gas (270) Sauerstoff und Ozon umfaßt und das Ozon eine Konzentration von etwa 15 Gew.-% aufweist;
Bereitstellen eines Dotierstoffe enthaltenden Gases (280), das eine TEB-Strömung im Bereich von etwa 100 bis etwa 500 sccm und eine TEPO-Strömung im Bereich von etwa 10 bis etwa 100 sccm enthält; und
Reagierenlassen des Vorläufers (260), des ozonhaltigen Gases (270) und des Dotierstoffe enthaltenden Gases (280) bei einem Druck im Bereich von etwa 200 bis etwa 700 Torr, um einen Niedrig-K-Film auf der Oberfläche abzuscheiden, so daß der Niedrig-K-Film die wenigstens eine Lücke im wesentlichen ausfüllt.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß es vor dem Schritt des Reagierenlassens den Schritt des Vormischens des kohlenstoffhaltigen organometallischen Vorläufers (260), des ozonhaltigen Gases (270) und des Dotierstoffe enthaltenden Gases (280) umfaßt.
29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Lücke ein Seitenverhältnis von mehr als etwa 3 aufweist.
30. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Niedrig-K-Film eine Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 3 aufweist.
31. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß es den Schritt des Aufschmelzens des Niedrig-K- Films umfaßt.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufschmelzens bei einer Temperatur von weniger als etwa 725°C für etwa 20 Minuten durchgeführt wird.
33. Vor-Metall-Dielektrikum-(PMD)-Halbleiterstruktur, gekennzeichnet durch
einen Halbleiterwafer (210), der auf einer Oberfläche des Wafers (210) Merkmale aufweist, die beabstandet sind, um wenigstens eine Lücke zwischen den Merkmalen zu bilden; und
einen Niedrig-K-Film, der die Oberfläche bedeckt, die wenigstens eine Lücke ausfüllt, ohne einen Hohlraum aufzuweisen, und einen Dotierstoff enthält.
34. PMD-Struktur nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Lücke ein Seitenverhältnis von mehr als etwa 3 aufweist.
35. PMD-Struktur nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Niedrig-K-Film eine Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 3 aufweist.
36. PMD-Struktur nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierstoff Phosphor umfaßt.
37. PMD-Struktur nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierstoff einen zweiten Dotierstoff umfaßt, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die Bor, Germanium, Arsen, Fluor und eine Kombination hieraus umfaßt.
38. PMD-Struktur nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Merkmale Gate-Leiterstapel umfassen.
39. PMD-Struktur nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Niedrig-K-Film eine Aufschmelztemperatur von weniger als etwa 725°C besitzt.
40. Vor-Metall-Dielektrikum-(PMD)-Halbleiterstruktur, gekennzeichnet durch
einen Halbleiterwafer (210), der auf einer seiner Oberflächen Gate-Leiterstapel aufweist, die beabstandet sind, um wenigstens eine Lücke mit einem Seitenverhältnis von mehr als etwa 3 zu bilden; und
einen Niedrig-K-Film, der die Oberfläche bedeckt, eine Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 3 aufweist, und die wenigstens eine Lücke ausfüllt, ohne einen Hohlraum aufzuweisen, wobei der Niedrig-K-Film Phosphor und einen Dotierstoff enthält, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die Bor, Germanium, Arsen, Fluor und eine Kombination hieraus umfaßt.
41. Niedrig-K-Film, gekennzeichnet durch
ein kohlenstoffhaltiges dielektrisches Material;
Phosphor; und
einen Dotierstoff, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die Bor, Germanium, Arsen, Fluor und eine Kombination hieraus umfaßt, wobei der Niedrig-K-Film eine Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 3 und eine Aufschmelztemperatur von weniger als etwa 725°C aufweist.
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