DE19904311A1 - Carbon-doped silicon oxide thin film to produce an insulating thin film for a semiconductor device - Google Patents

Carbon-doped silicon oxide thin film to produce an insulating thin film for a semiconductor device

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DE19904311A1
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Jen Shu
Michael E Thomas
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Abstract

A carbon-doped silicon oxide thin film is deposited on a substrate by a HDP-CVD (high density plasma chemical vapor deposition) process. A CVD process for carbon-doped silicon oxide thin film deposition on a substrate comprises driving dissociated reaction gas components of a plasma of greater than 10<16>/m<3> density along intersecting paths onto the substrate surface. An Independent claim is also included for a semiconductor chip comprising a semiconductor substrate and a SiOxCy thin film with a dielectric constant of 2.5-3.5, especially 2.9-3.2. Preferred Features: The reaction gases are selected from (i) methane and silane; (ii) tetraethyl orthosilicate (TEOS); (iii) methyl trimethoxysilane (MTMS); and/or (iv) phenyl trimethoxysilane (PTMS).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines kohlenstoff dotierten Dünnfilms aus Siliciumoxid auf ein Substrat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a method of applying a carbon-doped thin film of silicon oxide on a substrate according to the preamble of claim 1.

In Halbleiterbauteilen werden isolierende Dünnschichten aus Siliciumdioxid verwendet, um elektrische Verbindungen in einer gleichen oder zwischen verschiedenen Ebenen zu isolieren. In semiconductor devices, insulating thin films are made of silicon dioxide used to insulate electrical connections in a same or between different levels. Je dichter die Verschaltung wird, desto häufiger treten jedoch parasitäre Kopplungen auf, die die Leistung beein trächtigen. The denser the interconnection is, the more often, however, parasitic couplings occur that affect the performance impressive. Aus diesem Grunde sind isolierende Schichten mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten erwünscht. For this reason, insulating layers are desired low dielectric constants.

Reine Siliciumdioxidfilme besitzen eine Dielektrizitätskonstante von etwa k=4 und werden üblicherweise durch Oxidation von reinem Silicium unter Verwendung von O 2 - oder H 2 O-Gas erzeugt oder durch chemische Abscheidung aus der Gasphase, gegebenenfalls Plasma, gestützt, abgeschieden, wobei als Reaktionsgase Gasmischungen wie SiH 4 /Ar/N 2 O, SiH 4 /Ar/NO und/oder SiH 4 /Ar/O 2 als Reaktionsgase verwendet werden. Pure silicon dioxide films have a dielectric constant of approximately k = 4, and are usually produced by oxidation of pure silicon using O 2 - or H 2 O gas generated or supported by chemical deposition from the gas phase, optionally plasma deposited, using as reaction gases of gas mixtures and / or SiH 4 / Ar / O 2 are used as reaction gases, such as SiH 4 / Ar / N 2 O, SiH 4 / Ar / NO. Zur Zwischenverbindungsdielektrika verwendet man vorwiegend die chemische Abscheidung aus der Gasphase. Zwischenverbindungsdielektrika to be used primarily the chemical deposition from the gas phase.

Um die Dielektrizitätskonstante herabzusetzen, ist es bekannt, Fluor in die Siliciumdioxidmatrix einzubauen, so daß sich eine F x SiO y -Matrix ergibt. In order to reduce the dielectric constant, it is known to incorporate fluorine into the silica matrix so that an F x SiO y matrix results. Hierbei wird im Rahmen der chemischen Abscheidung aus der Gasphase SiF 4 als Reaktionsgas zusammen mit Silan und Sauerstoff in Mischung verwendet. Here, the chemical deposition from the gas phase SiF 4 is used as the reaction gas together with silane and oxygen in the mixture in the frame. Hierdurch kann die Dielektrizitätskonstante bis auf etwa k = 3,5 gesenkt werden. In this way, the dielectric constant can be lowered to about k = 3.5. Niedrigere Werte sind aufgrund der Stabilität des Dünnfilms und aufgrund von Feuchtigkeitsabsorptionsproblemen nicht erreichbar. Lower values ​​can not be reached due to the stability of the thin film and due to moisture absorption problems.

Es ist auch bekannt, ein Schleuderbeschichten zu verwenden, um kohlenstoffhaltiges SiO 2 mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa k = 3,0 zu erhalten. It is also known to use a spin coating, to obtain carbon-containing SiO 2 with a dielectric constant of about k = 3.0. Obwohl derartige Dünnfilme für sehr viele Anwendungen einschließlich für Zwischenverbindungsdielektrika geeignet sind, beinhaltet dieses Verfahren zahlreiche Herstellungsnachteile. Although such thin films including suitable for very many applications for Zwischenverbindungsdielektrika, this method involves numerous manufacturing disadvantages. So erfordert dies die Verwendung von Flüssigkeiten und es werden zu entsorgende Abfallmaterialien erzeugt. Thus, this requires the use of liquids and are produced it to be disposed of waste materials. Häufig werden Filme mit hohen OH⁻-Konzentrationen erzeugt. Often films with high OH⁻ concentrations are produced. Außerdem sind derartige Dünnschichten häufig temperaturinstabil, von geringer Zugfestigkeit und mit Feuchtigkeitsabsorptions/-desorptionsproblemen behaftet. Moreover, such films are often temperature-unstable, suffer from low tensile strength and moisture absorption / -desorptionsproblemen. Abgesehen davon, wird von vielen Herstellern die chemische Abscheidung aus der Gasphase bevorzugt. Apart from this, the chemical deposition from the gas phase is preferred by many manufacturers.

So ist es bekannt, organisch dotierte Siliciumoxidschichten durch chemi sche Abscheidung aus der Gasphase zu erzeugen, wobei als Vorläufersubstanzen Methylsilan (CH 3 -SiH 3 ) oder Phenylsilan (C 6 H 5 -SiH 3 ) als ein Substitut für den Silanvorläufer zu verwenden. Thus, it is known to produce organic-doped silicon oxide by chemi cal deposition from the gas phase, in which as precursors methylsilane (CH 3 SiH 3), or phenylsilane (C 6 H 5 -SiH 3) to be used as a substitute for the silane precursor. Die Methyl- bzw. Phenylgruppe wird nur partiell dissoziiert, wo einige der Methyl- bzw. Phenylbestandteile an dem Siliciumatom in der Siliciumoxidschicht gebunden bleiben. The methyl or phenyl group is only partially dissociated, where some of the methyl or Phenylbestandteile remain bound to the silicon atom in the silicon oxide layer. Hierdurch läßt sich eine Dielektri zitätskonstante von etwa k = 3 erreichen. This makes it possible a Dielektri optoelectronic sensor works of about k = 3 reach. Es ist auch bekannt, CH 3 -SiH 3 zusam men mit H 2 O 2 zu verwenden. It is also known to use CH 3 -SiH 3 together men with H 2 O 2. Derartige organisch dotierte Siliciumoxidfilme, die durch chemische Abscheidung aus der Gasphase erzeugt werden, besitzen häufig geringe Adhäsion sowie Feuchtigkeitsabsorptions- und Temperaturstabilitäts probleme. Such organically doped silicon oxide films, which are produced by chemical deposition from the gas phase, often have poor adhesion and moisture absorption and temperature stability problems.

Auch ist es bekannt, Dünnfilme aus organischen Polymeren, beispielsweise Polyimiden, Polyethylethern usw. zu verwenden, die eine sehr niedrige Dielektri zitätskonstante von k = 2,5 aufweisen. It is also known to use thin films made of organic polymers, for example polyimides, Polyethylethern etc., which extent the optoelectronic sensor having a very low Dielektri of k = 2.5. Diese Substanzen sind jedoch problema tisch bezüglich ihrer Integration. However, these substances are problematic table in terms of their integration.

Bei der plasmagestützten chemischen Abscheidung aus der Gasphase (PE-CVD) werden die Reaktionsgase als Ergebnis von Kollisionen mit Elektronen und anderen Molekülen und Radikalen in dem Plasma partiell dissoziiert. In the plasma assisted chemical deposition from the gas phase (PE-CVD), the reaction gases are partially dissociated as a result of collisions with electrons and other molecules and radicals in the plasma. Trotzdem bleiben viele Kohlenstoffatome an Sauerstoff, Silicium, Wasserstoff und anderen Kohlenstoffatomen während des Abscheidungsvorgangs gebunden. Nevertheless, many carbon atoms remain bound to oxygen, silicon, hydrogen, and other carbon atoms during the deposition process. Unerwünschterweise verbleiben viele der Kohlenstoffatome an diesen Bestand teilen auch nach Adsorption an dem Substrat und Inkorporierung in die Silicium dioxidfilme gebunden. Undesirably many of the carbon atoms at these ingredients remain share even after adsorption to the substrate and incorporation into the silicon dioxidfilme bound. Diese Kohlenstoffatome sind nicht in der SiO 2 -Matrix fein verteilt und isoliert, so daß die Dünnfilmqualität nicht optimal ist. These carbon atoms are not finely dispersed in the SiO 2 matrix and isolated, so that the thin film quality is not optimal. Bei der plasmagestützten chemischen Abscheidung werden eine Reihe von Reaktions gasen einschließlich Tetraethylorthosilicat (TEOS oder Si(OC 2 H 5 ) 4 ), Methyltri methoxysilan (MTMS oder SiCH 3 (OC 2 H 5 ) 3 ) und Phenyltrimethoxysilan (PTMS oder SiC 6 H 5 (OC 2 H 5 ) 3 ) verwendet. In the plasma assisted chemical deposition, a series of reaction are gases including tetraethylorthosilicate (TEOS or Si (OC 2 H 5) 4), methyltri trimethoxysilane (MTMS or SiCH 3 (OC 2 H 5) 3) and phenyltrimethoxysilane (PTMS or SiC 6 H 5 (OC 2 H 5) 3). Oxidabscheidung, die hochverdünntes TEOS/O 2 verwendet und Vorläufer wie Si(OC 2 H 5 ) n (OH) 4-n und Si(OC 2 H 5 ) n O 4-n , n = 0-3 be sitzt, wurde mit guten Abscheidungsergebnissen erzeugt, da hierbei gute Haftungseigenschaften erhalten werden. Oxide deposition, uses the highly diluted TEOS / O 2 and precursors such as Si (OC 2 H 5) n (OH) 4-n and Si (OC 2 H 5) n O 4-n, n = 0-3 be sitting was charged with good separation results generated since this good adhesion properties. Im Zusammenhang mit PTMS ergeben sich ähnliche Resultate. In connection with PTMS, similar results are obtained. Jedoch führt das Vorhandensein des Kohlenstoffs zu unerwünschten Hydrocarbonfragmenten in der resultierenden Oxidschicht und zu schlechten Zugfestigkeitseigenschafien des Dünnfilms. However, the presence of carbon leads to undesirable hydrocarbon fragments in the resulting oxide layer and poor Zugfestigkeitseigenschafien the thin film. Das bei der plasma gestützten chemischen Abscheidung verwendete Plasma besitzt eine relativ niedrige Dichte und führt zu CH-Bindungen, wie sich aus Fig. 1 und 2 ergibt, die Infrarotspektren für einen SiO x C y -Dünnfilm ergeben, der durch chemische Abscheidung aus der Gasphase bzw. durch Schleuderbeschichtung erzeugt wurde. The plasma used in the plasma enhanced chemical deposition has a relatively low density, resulting in C-H bonds, as is clear from FIGS. 1 and 2, the infrared spectra for a SiO x C y thin film shown by chemical deposition from the gas phase was generated or by spin coating. Beide Spektren zeigen signifikante Spitzen bei 781 cm -1 und 1027 cm -1 . Both spectra show significant peaks at 781 cm -1 and 1027 cm -1. Die Höhe dieser Spitzen zeigt außerdem, daß die Kohlenstoffatome in der SiO 2 - Matrix nicht, wie gewünscht, isoliert sind, sondern an Wasserstoffatome gebunden sind, die nicht während der Abscheidung dissoziiert wurden. The height of these peaks also shows that the carbon atoms in the SiO 2 - matrix are not, as desired, in isolation, but are linked to hydrogen atoms that were not dissociated during the deposition.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das es ermöglicht, eine Dünnschicht mit einer niedrigeren Dielektrizitätskonstanten zu erzeugen. The object of the invention is to provide a method according to the preamble of claim 1 which makes it possible to produce a thin film having a lower dielectric constant.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved according to the characterizing part of claim 1.

Hierdurch lassen sich Dielektrizitätskonstanten im Bereich von k = 2,5 bis 3,5 und insbesondere im Bereich von k = 2,9 bis 3,2 erreichen. In this way, the dielectric constant can = 2.5 to 3.5 and especially in the range of k = 2.9 to 3.2 reach in the range of k. In dem SiO x C y - Dünnfilm wird ferner die Anzahl von H⁻- und OH⁻-Radikalen, die an Kohlen stoffatome gebunden sind, verringert, wodurch sich bessere Dünnfilm eigenschaften in bezug auf Zugfestigkeit und thermische Stabilität ergeben. In the SiO x C y - thin film is also the number of H⁻- and OH⁻-radicals that are bonded to carbon atoms, is reduced, resulting in better thin film properties in terms of tensile strength and thermal stability arise. Es wird eine minimale Anzahl von "baumelnden" Bindungen erzielt. It achieves a minimum number of "dangling" bonds. Die Kohlenstoff atome sind in der amorphen Siliciumoxidmatrix fein verteilt und führen so zu der sehr niedrigen Dielektrizitätskonstanten. The carbon atoms are dispersed in the amorphous silica matrix and thus lead to the very low dielectric constant.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschrei bung und den Unteransprüchen zu entnehmen. Further embodiments of the invention are given in the following Descripti and the dependent claims.

Die Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit den beigefügten Abbildungen näher erläutert. The invention is explained in more detail below in connection with the accompanying drawings.

Fig. 1 zeigt ein Infrarotspektrum eines SiO x C y -Dünnfilms, der durch chemi sche Abscheidung aus der Gasphase erzeugt worden ist. Fig. 1 shows an infrared spectrum of a SiO x C y thin film, which is produced by specific chemical deposition from the gas phase.

Fig. 2 zeigt ein Infrarotspektrum eines SiO x C y -Dünnfilms, der durch Schleuderbeschichtung hergestellt wurde. Fig. 2 shows an infrared spectrum of a SiO x C y thin film prepared by spin coating.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Herstellung eines Dünnfilms unter Verwendung eines hochdichten Plasmas. Fig. 3 shows schematically a device for producing a thin film using a high density plasma.

Die in Fig. 3 dargestellte Einrichtung zur chemischen Abscheidung aus der Gasphase unter Verwendung eines hochdichten Plasmas (HDP-CVD, High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition) umfaßt eine zentrale Kammer 2 , in der Halbleiter- oder Isolatorsubstrate 4 auf einem Boot 6 sitzen, das die Substrate 4 nicht beeinträchtigt oder irgendwelche Verunreinigungen in die Substrate 4 einführt. The device for chemical deposition from the gas phase using a high density plasma (HDP-CVD, High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition) as shown in Fig. 3 comprises a central chamber 2, sitting in the semiconductor or insulator substrates 4 on a boat 6, does not adversely affect the substrates 4 or introduce any impurities into the substrates. 4 Das Boot 6 besteht vorzugsweise aus Graphit oder Quarz. The boat 6 is preferably made of graphite or quartz. Die zentrale Kammer 2 besteht aus einem Material, das Drücken geringer als 1 mTorr oder weniger widerstehen kann, bei derartigen Drücken minimal ausgast und zu keinen Verunreinigungen Anlaß gibt, die in das Innere der Kammer 2 oder in die Substrate 4 oder einen darauf befindlichen Dünnfilm eindringen. The central chamber 2 is made of a material, pressing less than 1 mTorr or less can withstand, minimal outgassing at such pressures and no impurities is a cause, which penetrate into the interior of the chamber 2 or in the substrates 4, or a thin film thereon , Die Kammer 2 besteht vorzugsweise aus einem Keramikmaterial, jedoch kann auch ein Metall wie rostfreier Stahl oder Aluminium verwendet werden. The chamber 2 is preferably made of a ceramic material, but also a metal such as stainless steel or aluminum may be used. Die zentrale Kammer 2 arbeitet bei einem Betriebsdruck, der sehr viel niedriger als bei üblichen Kammern für chemische Abscheidung aus der Gasphase oder plasmagestützte chemische Abscheidung aus der Gasphase ist. The central chamber 2 operates at an operating pressure which is much lower than in conventional chambers for chemical deposition from the gas phase or plasma-assisted chemical deposition from the gas phase. Der Druck innerhalb der Kammer 2 beträgt vorzugsweise etwa 5 mTorr, während bei der plasmagestützten chemischen Abscheidung aus der Gasphase typischerweise ein Druck von etwa 2 Torr verwendet wird. The pressure within the chamber 2 is preferably about 5 mTorr, while typically a pressure of about 2 torr is used in the plasma enhanced chemical deposition from the gas phase. Die Plasmadichte innerhalb der Kammer 2 ist viel höher als bei der normalen chemischen Abscheidung aus der Gasphase, selbst wenn sie plasmagestützt ist, und liegt vorzugsweise über 10 16 Ionen/m 3 , vorzugsweise im Bereich von 10 16 bis 10 22 und insbesondere im Bereich von 10 17 bis 10 19 Ionen/m 3 . The plasma density within the chamber 2 is much higher than in the normal chemical deposition from the gas phase, even when it is plasma-assisted, and is preferably greater than 10 16 ions / m 3, preferably in the range of 10 16 to 10 22 and more preferably in the range of 10 17 to 10 19 ions / m 3. Die Plasmadichte könnte aber auch noch höher sein. but the plasma density could be even higher. Im Vergleich hierzu liegt beim typischen Betriebsdruck einer Kammer zur plasmagestützten chemischen Abscheidung aus der Gasphase die Plasmadichte im Bereich von 10 14 bis 10 16 Ionen/m 3 . In comparison, the plasma density is the typical operating pressure of a chamber for plasma-assisted chemical deposition from the gas phase in the range of 10 14 to 10 16 ions / m 3.

Elektromagnetische Energie wird über die Erzeugung eines vorzugsweise linearen oder nahezu linearen elektrischen Feldes oder eines Magnetfeldes B eingebracht. Electromagnetic energy is introduced via the generation of a preferably linear or nearly linear electric field or a magnetic field B. Das elektromagnetische Feld reicht aus, um die Dissoziation eines Reaktionspartners und von Oxidationsgasen innerhalb der Kammer 2 beträchtlich zu erhöhen. The electromagnetic field is sufficient to increase the dissociation of a reactant and oxidizing gases within the chamber 2 substantially. Das angelegte elektromagnetische Feld bewirkt die erhöhte Disso ziation, indem es ein hochenergetisches Plasma innerhalb der Kammer 2 erzeugt. The applied electromagnetic field causes the increased disso ziation by creating a high energy plasma within the chamber. 2 Eine hohe Dissoziationsenergie, die durch das elektromagnetische Feld bewirkt wird, und sich schnell bewegende Elektronen und Ionen innerhalb der Kammer 2 als auch die Dichte des Plasmas selbst resultieren in vermehrten Kollisionen, die Moleküle, Ionen, Elemente und/oder Radikale erzeugen, die Bestandteile des Reaktionsgases, das anfänglich in die Kammer 2 eingeführt wurde, sind. A high dissociation energy caused by the electromagnetic field, and fast-moving electrons and ions within the chamber 2 as well as the density of plasma even result in increased collisions produce the molecules, ions, elements, and / or radicals, which are part of the reaction gas, which was initially introduced into the chamber 2, are.

Durch die hohe Ionendichte des Plasmas innerhalb der Kammer 2 und das elektromagnetische Feld wird eine sehr hohe Anzahl von erfolgreichen Dissoziationsreaktionen zwischen den Ionen und Molekülen erzielt. Due to the high ion density of the plasma within the chamber 2 and the electromagnetic field of a very high number of successful dissociation between the ions and molecules is achieved. Obwohl die mittlere freie Weglänge durch den Druck bestimmt wird, wird die Ausbeute an Dissoziationsreaktionen, die durch die Verwendung eines Magnetfeldes typischerweise geliefert wird, durch die größere Weglänge der Ionen bewirkt, bevor sie an der Elektrode eingefangen werden. Although the mean free path is determined by the pressure, the yield of dissociation, which is supplied by the use of a magnetic field typically is caused by the greater path of the ions before they are captured at the electrode. Dementsprechend bewirkt die hohe Ionendichte des Plasmas zusammen mit dem Magnetfeld das Auftreten einer größeren Gesamtzahl von Kollisionen zwischen Reaktionsteilnehmern, Bestandteilen und Ionen innerhalb des Plasmas. Accordingly, the high ion density of the plasma causes the magnetic field together with the occurrence of a greater total number of collisions between reactants, ingredients and ions within the plasma. Der Dissoziationsgrad der Reaktionsteilnehmer und Bestandteile in dem Plasma wird hierdurch erhöht, da jedes Ion mehr Kollisionen längs seiner Weglänge erleidet, bevor es an dem Substrat 4 adsorbiert wird. The degree of dissociation of the reactant and components in the plasma is thereby increased because each ion suffers more collisions along its path length before it is adsorbed onto the substrate. 4

Die Gesamtzahl von Kollisionen wird bei der dargestellten Einrichtung insbesondere dadurch erhöht, weil das angelegte Magnetfeld bewirkt, daß Reaktionsteilnehmer und Bestandteile sich in kreisförmiger, spiralförmiger oder schraubenförmiger Weise bewegen. The total number of collisions is increased in the illustrated device, in particular characterized because the applied magnetic field causes the reactants and components are moving in a circular, spiral or helical fashion. Diese spiralige Bewegung vergrößert die Weglängen, wodurch die Gesamtzahl von Kollisionen erhöht und der Dissoziationsgrad innerhalb der Kammer 2 beträchtlich gesteigert wird. This spiral motion increases the path length, thereby reducing the total number of collisions increases and the degree of dissociation is increased considerably within the chamber. 2

Das Magnetfeld wird vorzugsweise durch eine stromführende Spule erzeugt, die sich linear und homogen längs der Länge der Kammer 2 erstreckt. The magnetic field is preferably generated by a current-carrying coil, linear and homogeneous extending along the length of the chamber. 2 Geladene Elektronen, Ionen und Radikale werden infolge des elektromagne tischen Feldes spiralförmig geführt. Charged electrons, ions, and radicals are performed spirally due to the electromagnetic field tables. Diese sich schnell bewegenden geladenen Teilchen kollidieren mit den Reaktionsteilnehmern und brechen diese auf, wobei Oxidationsgase, wenn sie in die Kammer 2 eingeführt werden, einfachere Ionen und Radikale erzeugen. This fast-moving charged particles collide with the reactants and break to this, wherein the oxidation gases, when they are introduced into the chamber 2, simpler ions and radicals produced. Unter optimalen Bedingungen geht die Dissoziation in der Kammer 2 so weit, daß ein großer Anteil von Teilchen, nachdem sie den Plasmabedingungen über ihre Weglängen unterworfen wurden, elementare und Elektronenbestandteile des Reaktionsmittels sind. Under optimum conditions, the dissociation goes so far in the chamber 2, that a large proportion of particles after they have been subjected to the plasma conditions over their path lengths, and electrons elementary components of the reagent are.

Die Substrate 4 sind vorzugsweise Siliciumwafer, können jedoch auch aus irgendeinem anderen Halbleiter- oder Isolatormaterial bestehen. The substrates 4 are preferably silicon wafers, but can also consist of any other semiconductor or insulator material. Die Siliciumwafer können undotiert oder dotiert vom p- oder n-Typ sein und unterschiedliche Konzentrationen von Dotiermittel aufweisen. The silicon wafer can be undoped or doped with the p- or n-type and have different concentrations of dopant. Die Wafer können poliert oder unpoliert sein. The wafer may be polished or unpolished. Die Wafer können aus unbehandeltem, dotiertem oder undotiertem Material bestehen oder teilweise behandelt sein. The wafer may consist of untreated, doped or undoped material or partially treated.

Man kann ein oder mehrere Reaktionsgase in die Kammer 2 über eine oder mehrere Einlaßöffnungen 8 einführen. One can introduce one or more reaction gases into the chamber 2 through one or more inlet openings. 8 Das Einführen jedes Reaktionsgases wird durch ein Gasdurchflußventil 10 getrennt gesteuert, so daß spezifische Mischungen von Reaktionsgasen in die Kammer 2 eingeführt werden können, um die Aufbringbedingungen zu maximieren. The insertion of each reaction gas is controlled separately by a gas flow valve 10 such that specific mixtures of reactant gases may be introduced into the chamber 2 to maximize the deposition conditions. Die Kammer 2 ist ebenfalls ventilgesteuert, so daß die geeignete Gasmischung in der Kammer 2 erreicht wird. The chamber 2 is also controlled valve, so that the suitable gas mixture is achieved in the chamber. 2

Einige bevorzugte Reaktionsgase, die verwendet werden können, sind Methan (CH 4 ) und Silan (SiH 4 ), Tetraethylorthosilicat (TEOS oder Si(OC 2 H 5 ) 4 ), Methyltrimethoxysilan (MTMS oder SiCH 3 (OC 2 H 5 ) 3 ) und Phenyltrimethoxysilan (PTMS oder SiC 6 H 5 (OC 2 H 5 ) 3 ). Some preferred reaction gases which can be used are methane (CH 4) and silane (SiH4), tetraethylorthosilicate (TEOS or Si (OC 2 H 5) 4), methyltrimethoxysilane (MTMS or SiCH 3 (OC 2 H 5) 3) and phenyltrimethoxysilane (PTMS or SiC 6 H 5 (OC 2 H 5) 3). Gemeinsam ist diesen, daß sie sämtlich Kohlenstoff und Silicium enthalten. Common to these is that they all contain carbon and silicon. Andere Reaktionsgase können verwendet werden, die entweder sowohl Kohlenstoff und Silicium oder eines dieser Elemente oder keines hiervon enthalten, wobei jedoch bevorzugt ist, daß sie entweder ein Reaktionsgas oder eine Kombination von Reaktionsgasen Kohlenstoff und Silicium enthalten. Other reaction gases can be used, either containing both carbon and silicon, or one of these elements or none thereof, but it is preferred that they contain either a reaction gas or a combination of reaction gases carbon and silicon. Wenn die Reaktionsgase keinen Sauerstoff enthalten, wie es im Falle der Kombination von Methan und Silan ist, wird vorzugsweise ein Oxidationsgas getrennt in die Kammer 2 zusammen mit den Reaktionsgasen eingeführt. When the reaction gases do not contain oxygen as in the case of the combination of methane and silane, preferably an oxidizing gas is separately introduced into the chamber 2 together with the reaction gases. Bevorzugte Oxidationsgase umfassen O 2 und H 2 O 2 . Preferred oxidizing gases include O 2 and H 2 O 2. Nach Dissoziation der Reaktionsgase in dem Plasma wird Kohlenstoff in die amorphe Siliciummatrix eingeführt und Sauerstoff gelangt an die Substratoberfläche. After dissociation of the reaction gases in the plasma carbon is introduced in the amorphous silicon matrix and oxygen passes to the substrate surface. Zusammen mit den gerade genannten Reaktionsgasen wird ein Oxidationsmittel und ein Verdünnungsgas vorzugsweise in die Kammer 2 eingeführt. Together with the just mentioned reaction gases, an oxidant and a diluent gas is preferably introduced into the chamber. 2

Nichtreagierende Gase können ebenfalls in die Kammer 2 eingeführt werden und als Initiatoren dienen, um die Ionisierung und Dissoziation innerhalb des Plasmas für die Reaktionsgase zu erleichtern und zu fördern. Non Reactive gases may also be introduced into the chamber 2 and are used as initiators to facilitate the ionization and dissociation within the plasma of the reaction gases and to promote. Vorzugsweise werden nur Inertgase wie Argon verwendet, da im Gegensatz zur chemischen Abscheidung aus der Gasphase, plasmagestützt oder nicht, zweiatomige Verdünnungsgase wie H 2 oder O 2 ohne weiteres in der Kammer 2 dissoziieren können und sich dann mit Kohlenstoffatomen oder anderen Bestandteilen innerhalb des gebildeten Dünnfilms auf dem Substrat 4 verbinden, da in der Kammer 2 aufgrund des hochdichten Plasmas der Dissoziationsgrad entspre chend erhöht ist. Preferably, only inert gases such as argon are used, since in contrast to the chemical deposition from the gas phase, plasma-enhanced or not, can dissociate diatomic diluent gases such as H 2 or O 2 readily in the chamber 2 and then with carbon atoms or other components within the formed thin film connect on the substrate 4, as in the chamber 2 entspre due to the high density plasma of the degree of dissociation is increased accordingly.

Wenn die Reaktionsgase innerhalb der Kammer 2 dem magnetischen und/oder elektrischen Feld als auch dem konstanten Bombardement von Elektronen sowie Ionen und Radikalen ausgesetzt werden, werden die Kammer 2 und das Substrat 4 aufgrund der Absorption von heißen Bestandteilen aus dem Plasma sehr heiß. When the reaction gases are exposed within the chamber 2 the magnetic and / or electric field and the constant bombardment of electrons, ions and radicals, the chamber 2 and the substrate 4 due to the absorption of hot components from the plasma will be very hot. Temperaturen von 400°C oder darüber können in der Kammer 2 und dem Substrat 4 auftreten. Temperatures of 400 ° C or above can be used in the chamber 2 and the substrate occur. 4 Aufgrund dessen ist es häufig notwendig, das Substrat 4 weiter zu erhitzen, um die Oberflächenreaktivität zu erhöhen. Due to this, it is often necessary to heat the substrate 4 on, to enhance the surface reactivity. Das Substrat 4 kann dadurch erhitzt werden, daß es innerhalb eines Ofens 12 mit einer Ofensteuerung 13 angeordnet oder mit Elektronen oder Photonen bombardiert wird. The substrate 4 can be heated so that it is placed within a furnace or oven 12 having a controller 13 bombarded with electrons or photons.

Entsprechend einer vorgegebenen Zusammensetzung werden Reaktions gase, Oxidationsgase und Verdünnungsgase in die Kammer 2 eingeführt, in der ein hochdichtes Plasma unter Verwendung von elektromagnetischen Feldern erzeugt wird, wobei die dissoziierten Bestandteile der Reaktionsgase auf die Oberfläche der Substrate 4 kreisend getrieben werden. According to a predetermined composition reaction, gases, oxidizing gases and diluent gases introduced into the chamber 2 in which a high density plasma is generated using electromagnetic fields, wherein the dissociated components of the reaction gases are driven in circles on the surface of the substrates. 4 Die Rate, mit der die gasförmigen Reaktionsteilnehmer und ihre dissoziierten Bestandteile an der Substratoberfläche ankommen, hängt von den Massentransporteigenschaften des Plasmas ab und ist nur schwach temperaturabhängig. The rate at which the gaseous reactants and its dissociated constituents to arrive at the substrate surface, depends on the mass transfer characteristics of the plasma, and is only weakly dependent on temperature. Die chemische Abscheidung unter Verwendung eines hochdichten Plasmas liefert attraktive Gasphasenkonzentrationen und folglich entsprechende Dünnfilme. The chemical deposition using a high density plasma provides attractive gas phase concentrations and consequently corresponding thin films.

Die dissoziierten Bestandteile der Reaktionsgase werden kreisend bewegt, um sich dem Substrat 4 zu nähern. The dissociated constituents of the reaction gases are circling moved to approach the substrate. 4 Die Bestandteile befinden sich am Substrat, wenn eine Adsorption ohne weiteres stattfinden kann. The components are located on the substrate when an adsorption can take place readily. Bevor eine Adsorption stattfindet, nehmen die Bestandteile eine benachbarte Position zum Substrat ein die nahe genug zum Substrat ist, so daß eine Dipol-Dipol- oder Ionen wechselwirkung zwischen den Bestandteilen und den Atomen an der Substrat oberfläche mit hinreichender Wahrscheinlichkeit stattfinden kann, so daß die Bestandteile an der Oberfläche gebunden werden. Before adsorption takes place, the components take surface between the components and the atoms on the substrate can take place with sufficient probability a position adjacent to the substrate a which is close enough to the substrate, so that a dipole-dipole or ion interaction, so that the components are bound to the surface. Hierbei kann gegebenenfalls eine Kollision zwischen den Bestandteilen und der Substratoberfläche stattfinden. Here, if appropriate, take place a collision between the components and the substrate surface.

An der Grenze zwischen Plasma und Substrat tritt eine Adsorption von gasförmigen Bestandteilen des Reaktionsgases und des Oxidationsgases, wenn dieses in die Kammer 2 eingeführt wird, auf Adsorption findet allgemein statt, wenn ein Atom oder Molekül auf eine Oberfläche auftritt und genügend Energie an die Bestandteile der Oberfläche verliert, um gebunden zu werden. At the boundary between plasma and the substrate occurs an adsorption of gaseous constituents of the reaction gas and the oxidizing gas when it is introduced into the chamber 2, to adsorption takes place generally when an atom or molecule occurs on a surface and sufficient energy to the components of the loses surface to be bonded. Chemische Absorption findet statt, wenn Elektronen ausgetauscht werden und ionische Kräfte das Atom oder Molekül halten. Chemical absorption occurs when electrons are exchanged and ionic forces holding the atom or molecule.

Einmal adsorbiert, migrieren die Atome und Ionen längs der Oberfläche und reagieren, um einen Dünnfilm auf der Substratoberfläche zu bilden. Once adsorbed, the atoms and ions migrate along the surface and react to form a thin film on the substrate surface. Bei chemischer Abscheidung aus hochdichtem Plasma wird aufgrund des hohen Dissoziationsgrades ein hoher Grad an Elementenadsorption erwartet. In chemical deposition from high-density plasma due to the high degree of dissociation a high degree of Elementenadsorption is expected. Auf diese Weise werden weniger der kohlenstoffbindenden Stellen durch unerwünschte Radikale wie H und OH besetzt, da die Kohlenstoffatome sehr frei von diesen gebundenen Radikalen bei der Adsorption an der Oberfläche sind. In this way, the carbon binding sites are occupied by fewer undesirable radicals such as H and OH, as the carbon atoms are very free from these radicals bound in the adsorption on the surface. Der gewünschte Effekt der Reduktion der Anzahl von "baumelnden" Bindungen innerhalb des Films ist ebenfalls ein Resultat der Verwendung eines hochdichten Plasmas. The desired effect of reducing the number of "dangling" bonds within the film is also a result of the use of a high-density plasma. Die Kohlenstoffatome besetzen dann eine Position in der glasartigen Matrix, die sonst durch Silikonatome im rein amorphen SiO 2 besetzt wären. The carbon atoms then occupy a position in the glassy matrix that would otherwise be occupied by silicon atoms in the amorphous pure SiO 2. Das heißt, das Kohlenstoffatom besetzt vorzugsweise eine Stelle, die an jeder ihrer vier Bindungsstellen ein Sauerstoffatom angebunden hat. That is, the carbon atom preferably occupies a position which has connected at each of its four binding sites an oxygen atom. Nach den Adsorptions- und Reaktionsvorgängen werden die gasförmigen Nebenprodukte der Ober flächenreaktionen desorbiert und aus der Kammer 2 entfernt. After the adsorption and reaction processes, the gaseous by-products of the upper surface reactions are desorbed and removed from the chamber. 2

Aufgrund des verwendeten hochdichten Plasmas werden Kohlenstoff- und Siliciumatome von Radikalen befreit, wodurch eine erhöhte thermische Stabilität des sich ergebenden dielektrischen Dünnfilms erreicht wird. Because of the used high-density plasma of carbon and silicon atoms, whereby increased thermal stability of the resulting dielectric thin film is obtained to be freed of radicals. Außerdem können die freien Silicium-, Sauerstoff- und Kohlenstoffatome an der Substratoberfläche adsorbiert werden und frei von daran befindlichen Radikalen reagieren, so daß sich eine geringere Anzahl von Stellen mit CH-Bindungen, ein insgesamt geringerer Wasserstoffgehalt und ein geringerer Silanolgehalt in dem resultie renden dielektrischen Dünnfilm ergibt. In addition, the free silicon, oxygen and carbon atoms can be adsorbed to the substrate surface and reacting free from thereon radicals, so that a smaller number of sites of C-H bonds, a lower overall hydrogen content and a reduced silanol content in the resultie leaders dielectric thin film results.

Die Verwendung von Methan/Silan, TEOS, PTMS und/oder MTMS als Reaktionsgase ist bevorzugt, da sie jeweils Kohlenstoff enthalten. The use of methane / silane, TEOS, PTMS and / or MTMS as reaction gases is preferred, since they each contain carbon. Die Kohlen stoffatome dissoziieren von anderen Molekülbestandteilen des Reaktionsgases innerhalb der Kammer 2 . The carbon atoms dissociate from other molecular constituents of the reaction gas within the chamber. 2 Die Kohlenstoffatome werden dann wichtige Bestandteile des oxidischen Dünnfilms. The carbon atoms are then important components of the oxide thin film. Die Anwesenheit der Kohlenstoffatome in dem resultierenden Dünnfilm verringert die Dielektrizitätskonstante des Dünnfilms auf etwa k = 2,9 bis k = 3,2. The presence of the carbon atoms in the resulting thin film reduces the dielectric constant of the thin film at about k = 2.9 to k = 3.2. Die Kohlenstoffatome greifen das Substrat oder die Be standteile des Dünnfilms nicht an und wirken auch nicht korrodierend, unabhängig davon, ob sie mit Wasserstoff kombiniert sind oder nicht. The carbon atoms of the substrate or the access Be not constituents of the thin film and also are not corrosive, regardless of whether they are combined with hydrogen or not.

Kohlenstoffdotierte Siliciumdioxidfilme sind vorteilhaft gegenüber SiO x F y - Filme, die ebenfalls mit chemischer Abscheidung aus einem hochdichten Plasma hergestellt wurden, und besitzen niedrigere Dielektrizitätskonstanten als typische SiO 2 -Filme. Carbon-doped silicon dioxide films are advantageous over SiO x F y - films that were also produced by chemical deposition from a high-density plasma, and have lower dielectric constants than typical SiO 2 films. Fluoratome können die Verbindungsmaterialien bei einer nachfolgen den Behandlung bei erhöhter Temperatur angreifen. Fluorine atoms can attack at elevated temperature, the joining materials at a succeeding the treatment.

Claims (13)

1. Verfahren zum Aufbringen eines kohlenstoffdotierten Dünnfilms aus Siliciumoxid auf ein Substrat, wobei ein oder mehrere Reaktionsgase, enthaltend Kohlenstoff, Silicium und Sauerstoff, in eine das Substrat enthaltende Kammer eingeführt und eine chemische Abscheidung aus der Gasphase vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet , daß in der Kammer ein Plasma einer Dichte über 10 16 Ionen/m 3 enthaltend eine Vielzahl von dissoziierten Bestandteilen der Reaktionsgase erzeugt wird und die Bestandteile auf die Substratoberfläche kreisend getrieben werden. Inserted 1. A method for depositing a carbon-doped thin film of silicon oxide on a substrate, said one or more reaction gases containing carbon, silicon and oxygen, containing the substrate in a chamber and a chemical deposition is carried out from the gas phase, characterized in that in the a plasma chamber a density above 10 16 ions / m 3 comprising a plurality of the dissociated components of the reaction gases is generated and the components are driven in circles on the substrate surface.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Reaktionsgase ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 2. The method according to claim 1, characterized in that one or more reactive gases selected from the group consisting of
  • (1) Methan und Silan, (1) methane and silane,
  • (2) Tetraethylorthosilikat (TEOS), (2) tetraethylorthosilicate (TEOS),
  • (3) Methyltrimethoxysilan (MTMS), und (3) of methyltrimethoxysilane (MTMS), and
  • (4) Phenyltrimethoxysilan (PTMS) (4) phenyltrimethoxysilane (PTMS)
verwendet werden. be used.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Reaktionsgasen Inertgas in die Kammer eingeführt wird. 3. The method of claim 1 or 2, characterized in that is introduced in addition to the reaction gases inert gas into the chamber.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratoberfläche Energie zum Erleichtern von chemischen Reaktionen von an der Substratoberfläche adsorbierten Bestandteilen zugeführt wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the substrate surface energy to facilitate chemical reactions of adsorbed components on the substrate surface is applied.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mittels einer Heizquelle erhitzt wird, während die Reaktionsbestandteile benach bart zum Substrat zirkulieren. 5. The method according to claim 4, characterized in that the substrate is heated by a heating source, while the reaction components Benach discloses circulate to the substrate.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie durch Bombardieren der Substratoberfläche mit energetischen Teilchen zugeführt wird, während die Bestandteile benachbart zum Substrat zirkulieren. 6. A method according to claim 4, characterized in that the energy is supplied by bombarding the substrate surface with energetic particles, while the components adjacent to the substrate circulate.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmige Nebenprodukte aus der Kammer desorbiert werden. 7. A method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that gaseous by-products are desorbed from the chamber.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer bei einem Druck geringer als 100 mTorr gehalten wird. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the chamber is maintained at a pressure lower than 100 mTorr.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer bei einem Druck geringer als 25 mTorr gehalten wird. 9. The method of claim 8, characterized in that the chamber is maintained at a pressure less than 25 mTorr.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Plasmadichte im Bereich von 10 16 bis 10 22 Ionen/m 3 eingestellt wird. 10. A method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that a plasma density in the range of 10 16 to 10 22 ions / m is adjusted. 3
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Oxidationsgas zu den Reaktionsgasen in die Kammer eingeführt wird. 11. A method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that an oxidizing gas is introduced to the reaction gases into the chamber.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsgas O 2 und/oder H 2 O 2 verwendet wird. 12. The method according to claim 11, characterized in that is used as the oxidizing gas O 2 and / or H 2 O 2.
13. Halbleiterbaustein mit einem Halbleitersubstrat und wenigstens einem SiO x C y -Dünnfilm, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilm eine Dielektrizitäts konstante zwischen 2,5 und 3,5 und insbesondere zwischen 2,9 und 3,2 aufweist. 13. A semiconductor device comprising a semiconductor substrate and at least one SiO x C y thin film, characterized in that the thin film has a dielectric constant between 2.5 and 3.5 and in particular 2.9 to 3.2.
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