DE60124965T2 - UV-Härtungsverfahren zur Erzeugung eines Films mit geringem k-Wert - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet einer Halbleiterverarbeitung und im Besonderen auf die Herstellung eines dielektrischen Films mit niedrigem k-Wert unter Verwendung eines Aushärtungsprozesses mit einem verringerten Thermobudget.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Auf dem Gebiet der Halbleiterherstellung werden Filme mit niedrigen dielektrischen Konstanten (Filme mit niedrigem k-Wert) in dem Backend(Nachtransistor)-Modul verwendet, um ein Gesamtkapazitätsnebensprechen zu verringern. Dielektrische Filme mit niedrigem k-Wert werden typischerweise unter Verwendung eines Spin-on-Verfahrens oder chemischen Bedampfungsverfahrens aufgetragen oder gebildet (CVD = chemische Gasphasenabscheidung). Nach der Bildung des Films mit niedrigem k-Wert wird im Allgemeinen ein Aushärtungsprozess durchgeführt, um die Bildung von chemischen Bindungen abzuschließen, restliche Komponenten zu entgasen und die dielektrische Konstante in dem Film zu verringern. Dieser Aushärtungsprozess wird im Allgemeinen in einem Ofen unter Verwendung einer Chargenbetriebsart oder auf einer Heizplatte unter Verwendung einer Einzelwaferbetriebsart durchgeführt. In beiden Fällen setzt der konventionelle Aushärtungsprozess den Wafer unerwünschter Weise für eine verlängerte Zeitperiode einer erhöhten Temperatur aus (das heißt, für mehr als ungefähr eine Stunde bei einer Temperatur von mehr als ungefähr 300°C). Zusätzlich zu einem Verbrauchen eines wesentlichen Teils des für einen bestimmten Prozess zugeteilten Thermobudgets erfordert der konventionelle Aushärtungsprozess einen zeitaufwendigen Herstellungsschritt, der es erforderlich machen kann, dass der Hersteller eine zusätzliche Verarbeitungsausrüstung anschafft. Es ist daher wünschenswert, ein dielektrisches Aushärten mit niedrigem k-Wert unter Verwendung einer niedrigen Temperatur und eine Behandlung mit kurzer Dauer unter Verwendung einer UV-Belichtung zu implementieren, um die erforderlichen dielektrischen Eigenschaften des Films zu erreichen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht einschränkend in den begleitenden Abbildungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente anzeigen und in denen:
  • 1 ein Cluster-Tool darstellt, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann; und
  • 2 die UV-Bestrahlung eines Halbleiterwafers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
  • Dem Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass die Elemente in den Abbildungen aus Gründen der Einfachheit und Klarheit dargestellt werden und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet worden sind. Zum Beispiel können die Dimensionen einiger der Elemente in den Abbildungen relativ zu anderen Elementen übertrieben dargestellt sein, um zu helfen, ein Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verbessern.
  • Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrachtet im Allgemeinen einen Halbleiterherstellungsprozess, in dem ein dielektrischer Film mit niedrigem k-Wert unter Verwendung eines Ultraviolett(UV)-Aushärtungsprozesses gebildet wird. Der Film mit niedrigem k-Wert kann zum Beispiel verwendet werden, um angrenzende leitfähige Schichten (üblicherweise als Metallschichten bezeichnet) einer integrierten Schaltung gegeneinander zu isolieren. Zunächst wird ein dielektrischer Film auf einem konventionellen Halbleiterwafer aufgetragen. In einer Ausführungsform, in der das Dielektrikum mit niedrigem k-Wert, das gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird, als ein Durchgangsdielektrikum (ILD) verwendet wird, kann der Wafer vorher durch eine Zahl von Schritten des Herstellungsprozesses verarbeitet worden sein, die die Bildung von Isolationsstrukturen, die Bildung von Bohrungs strukturen und die Bildung von p- und n-Transistoren umfassen. In einer Ausführungsform wird das Auftragen des dielektrischen Films mit einem chemischen Bedampfungsverfahren (CVD) erreicht. In einer anderen Ausführungsform wird der dielektrische Film mit einem Spin-on-Verfahren aufgetragen. Weil CVD-Tools zum Auftragen von Oxiden und anderen dielektrischen Materialien in der großen Mehrheit von Halbleiterherstellungseinrichtungen vorhanden sind, kann die CVD-Ausführungsform eines Auftragens des dielektrischen Films der vorliegenden Erfindung vorteilhafter Weise die vorhandene Ausrüstung in der Herstellungseinrichtung verwenden. In der Erfindung verfügt der aufgetragene dielektrische Film über eine relativ niedrige dielektrische Konstante (ein dielektrischer Film mit niedrigem k-Wert). Der dielektrische Film mit niedrigem k-Wert umfasst einen kohlenstoffdotierten Siliziumoxidfilm. In einer Ausführungsform wird zum Beispiel der dielektrische Film mit niedrigem k-Wert durch Einführen eines Organosilangases und einer sauerstofftragenden Verbindung, wie zum Beispiel N2O, in eine CVD-Reaktorkammer, in der ein Halbleiterwafer lokalisiert ist, gebildet. Organosilane, die zum Bilden des kohlenstoffbasierten Siliziumoxids geeignet sind, umfassen zum Beispiel Methylsilan, Dimethylsilan, Trimethylsilan und Tetramethylsilan. Zusätzlich zu dem Organosilan und den sauerstofftragenden Verbindungen kann außerdem ein Inertgas, wie zum Beispiel Helium oder Argon, während der Auftragungsphase in die Reaktorkammer eingeführt werden.
  • Die CVD-Bildung des dielektrischen Films mit niedrigem k-Wert kann geeigneter Weise mit einem Niedertemperaturprozess oder einem Hochtemperaturprozess ausgeführt werden. In einer Ausführungsform wird der Niedertemperaturprozess durch ein Halten der Wafer-Aufspannvorrichtung in der CVD-Reaktorkammer bei einer Temperatur in dem Bereich von ungefähr –10 bis 25°C bei einem Druck von ungefähr 400 Pa (3 Torr) durchgeführt. Da der Niedertemperaturauftragungsprozess eine längere Auftragungszeit benötigen kann, kann der resultierende dielektrische Film über eine niedrigere dielektrische Konstante verfügen. Zusätzlich ist der Niedertemperaturprozess für Herstellungsprozesse geeignet, in denen das Thermobudget begrenzt ist. In einer anderen Ausführungsform wird ein Hochtemperaturauftragungsprozess durch ein Halten der Wafer-Aufspannvorrichtung bei einer Temperatur in dem Bereich von ungefähr 350 bis 400°C während der Auftragung des dielektrischen Films durchgeführt. Der Hochtemperaturauftragungsprozess kann wegen seiner relativ hohen Auftragungsrate wünschenswert sein.
  • Die organosilanbasierte Auftragung erzeugt einen dielektrischen Film, der durch ein Si-O-Si-Netzwerk gekennzeichnet ist, das Methyl- und CHx-Gruppen (wobei x ≤ 3), die an dem Silizium befestigt sind, und ungebundenes Silanol umfasst. Die dielektrische Konstante des dielektrischen Films liegt, wenn aufgetragen, typischerweise in dem Bereich von ungefähr 3,4 bis 4,0. Um einen dielektrischen Film mit einer dielektrischen Konstante von weniger als ungefähr 3,0 zu erhalten, umfasst die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen Aushärtungsprozess. Der Aushärtungsprozess erzeugt eine Kondensationsreaktion in dem aufgetragenen Film, bei dem Silanolmoleküle miteinander reagieren, um Si-O-Si-Bindungen und Wasser zu bilden. In der bevorzugten Ausführungsform entfernt der Aushärtungsprozess sowohl Wasser als auch andere Restkomponenten, die zum Beispiel Ammoniak, Si-CH-Fragmente und andere Reste umfassen, um einen Film mit niedrigem k-Wert mit einer SiOxCxHx-Zusammensetzung zu erzeugen. Die Aushärtung des Films mit niedrigem k-Wert vor einem weiteren Verarbeiten hindert vorteilhafter Weise diese Restkomponenten daran, nachfolgend aufgetragene Schichten zu verunreinigen oder auf andere Weise zu beeinflussen.
  • In der Erfindung wird das Aushärten des aufgetragenen dielektrischen Films durch Bestrahlen des Wafers mit elektromagnetischer Energie (Lichtenergie) in dem ultravioletten (UV) Teil des elektromagnetischen Spektrums erreicht (das heißt, Lichtenergie mit einer Wellenlänge von weniger als ungefähr 400 nm). Die UV-Bestrahlung des dielektrischen Films kann durch Belichten des Films durch eine UV-Energiequelle, wie zum Beispiel eine Quecksilberdampflampe, erreicht werden. Mindestens 30% der durch die ausgewählte UV-Energiequelle abgegebene gesamte spektrale Strahlung verfügt über eine Frequenz, die größer als die Frequenz von sichtbarem Licht ist (das heißt, über eine Wellenlänge von weniger als ungefähr 400 nm verfügt).
  • Der UV-Aushärtungsprozess gemäß der Erfindung wird durchgeführt, während der Wafer bei einer Temperatur von weniger als 250°C gehalten wird, um so wenig von dem Thermobudget des Wafers zu verbrauchen wie möglich. Noch lieber wird die UV-Aushärtung erreicht, während der Wafer bei einer Temperatur in dem Bereich von ungefähr 200 bis 250°C für eine Dauer von weniger als ungefähr 10 Minuten gehalten wird, und sogar noch lieber für eine Dauer von weniger als einer Minute. Während der Niedertemperatur(das heißt, weniger als 250°C)-UV-Aushärtungsprozess in einer Anwendung wünschenswert sein kann, in der das Thermobudget begrenzt ist, kann ein UV-Prozess mit höherer Temperatur (das heißt, weniger als 425°C) einen dielektrischen Film mit einer niedrigeren dielektrischen Konstante in einer kürzeren Zeit erzeugen, obwohl dies nicht Teil der Erfindung ist. Vorzugsweise ändert die UV-Energiequelle selbst die Temperatur des Wafers nicht wesentlich. Mit anderen Worten, die Lichtenergie verfügt über einen unwesentlichen Aufheizeffekt auf den Wafer. Im Gegensatz zu einer Bestrahlung von der Art eines schnellen thermischen Ausglühens, bei der die Lichtenergie der Hauptmechanismus ist, durch den der Wafer erhitzt wird, kann der hierin betrachtete Aushärtungsprozess durch Verwenden einer einzigen oder einer sehr begrenzten Zahl von UV-Strahlungsquellen durchgeführt werden. In einer Ausführungsform, in der die Wafer individuell ausgehärtet werden (das heißt, Einzelwaferbetriebsart), kann eine einzelne UV-Energiequelle ausreichen. In Ausführungsformen, in denen mehrere Wafer gleichzeitig ausgehärtet werden, können mehrere UV-Quellen erforderlich sein, aber die Zahl von UV-Quellen ist vorzugsweise geringer als die oder gleich der Zahl von Wafern, die in jeder Charge verarbeitet werden.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung betrachtet einen In-situ-Prozess zum Bilden des dielektrischen Films mit niedrigem k-Wert, in dem der Wafer zwischen der Auftragung des Dielektrikums und dem Aushärtungsprozess keiner Atmosphäre ausgesetzt wird (das heißt, die Auftragungs- und Aushärtungsschritte werden unter Verwendung eines einzelnen Tools durchgeführt). In 1 wird ein Cluster-Tool (System) 100 dargestellt, das für ein Erreichen dieser In-situ-Bildung des dielektrischen Films mit niedrigem k-Wert geeignet ist. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das System 100 mehrere Reaktorkammern (Module) 102a bis 102e (allgemein oder gemeinsam als Modul(e) 102 bezeichnet) und einen Robotikabschnitt (Pufferkammer) 104 zum Steuern der Bewegung von Wasser zwischen den verschiedenen Modulen 102, was dem Fachmann auf dem Gebiet von chemischen Bedampfungssystemen bekannt ist. Vorzugsweise ist die Pufferkammer 104 zum Überführen von Wafern zwischen den verschiedenen Modulen 102 geeignet, ohne dabei die Wafer einer Atmosphäre auszusetzen. Vorzugsweise umfasst jedes der Module 102 eine Wafer-Aufspannvorrichtung zum Aufnehmen des Wafers. Jedes der Module 102 kann als ein Oxidauftragungsmodul, ein UV-Aushärtungsmodul oder als ein anderes geeignetes Modul konfiguriert sein. In der dargestellten Ausführungsform ist das Modul 102a zum Beispiel als ein UV-Modul dediziert, während das Modul 102b als eine "Dielektrikum mit niedrigem k-Wert"-CVD-Kammer dediziert ist. Die restlichen Module 102c, 102d und 102e können in Abhängigkeit von der Implementierung entweder als Auftragungsmodule oder UV-Module implementiert sein. In einer Ausführungsform, in der es wünschenswert ist, ein Mehrfachmaterial oder eine integrierte dielektrische Struktur herzustellen, kann es zum Beispiel wünschenswert sein, das Modul 102c als ein "reflexmindernde Beschichtung" (ARC)- oder Passivierungsmodul, das Modul 102d als ein TEOS-Auftragungsmodul und die Kammer 102e als ein UV-Modul zu konfigurieren. In einer anderen Ausführungsform kann das System 100 einem bestimmten Auftragungsprozess dediziert sein. In dieser Ausführungsform können zum Beispiel die Module 102a und 102e als UV-Aushärtungsmodule verwendet werden, während die Module 102b, 102c und 102d für die Auftragung des Dielektrikums mit niedrigem k-Wert dediziert sind.
  • Somit ist das System 100 zum Durchführen der Auftragung und des Aushärtens des dielektrischen Materials mit niedrigem k-Wert durch ein Überführen von Wafern zu der Kammer 102b, wo ein Auftragungsprozess mit niedrigem k-Wert durchgeführt wird, und danach Überführen des Wafers zu dem Modul 102a, um den UV-Aushärtungsprozess durchzuführen, geeignet. Durch Integrieren des UV-Aushärtungsprozesses in die selbe Ausrüstung wie der Auftragungsprozess, betrachtet diese Ausführungsform der Erfindung einen integrierten Herstellungsprozess, der vorteilhafter Weise die Prozesskosten verringert, während er den Prozessdurchsatz verbessert und die Prozessfehlerhaftigkeit verringert. In einer Ausführungsform, in der das System 100 eine Abkühlzone umfasst, angezeigt durch das Bezugszeichen 106, können die Module 102 dadurch geschont werden, dass die Abkühlzone 106 mit einer UV-Energiequelle konfiguriert wird, so dass die UV-Aushärtung des dielektrischen Films in der Abkühlzone 106 durchgeführt werden kann. In dieser Ausführungsform kann die Abkühlzone 106 mit einer Mehrfachschlitzwaferhandhabungsfähigkeit konfiguriert sein, um einen Mehrfachwafer-UV-Prozess zu ermöglichen. Obwohl die gezeigte Ausführungsform ein Mehrkammer-Tool darstellt, das zum Zusammenschließen des Aushärtungsprozesses mit einem Auftragungsprozess geeignet ist, ist klar, dass andere Ausführungsformen der Erfindung getrennte Tools für den Auftragungs- und den Aushärtungsprozess verwenden können.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist die Kammer 102a des Systems 100 eine variable Druckkammer, die mit einer UV-Lampe oder einer anderen UV-Energiequelle konfiguriert ist, die ermöglicht, dass der UV-Aushärtungsprozess der vorliegenden Erfindung in dem Modul 102a durchgeführt werden kann. In einer Ausführungsform ist die durch die UV-Energiequelle in der Kammer 102a erzeugte Energie in erster Linie ultraviolette Energie. In der dargestellten Ausführungsform ist die Kammer 102b des Systems 100 an verschiedene Gasquellen angeschlossen, die geeignet sind, den Prozess des Auftragens eines Dielektrikums der vorliegenden Erfindung auszuführen. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die an die zweite Kammer 102b angeschlossene Gasquelle eine Organosilanquelle, wie zum Beispiel Methylsilan, eine Sauerstoffquelle, wie zum Beispiel Stickstoffoxid (N2O), und eine Inertgasquelle, wie zum Beispiel Helium. Das System 100 ist somit geeignet, einen Prozess durchzuführen, in dem ein Wafer auf einer ersten Aufspannvorrichtung in der Kammer 102b angeordnet wird. Dann wird ein kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid durch einen CVD-Prozess in der Kammer 102b auf den Wafer aufgetragen. In einer Ausführungsform wird die erste Aufspannvorrichtung während des CVD-Prozesses bei einer Temperatur von weniger als ungefähr 25°C gehalten. In einer anderen Ausführungsform wird die erste Aufspannvorrichtung bei einer Temperatur von weniger als ungefähr 17°C gehalten. Nach einem Auftragen des CVD-kohlenstoffdotierten Oxids wird der Wafer mittels der Pufferkammer 104 zu einer zweiten Aufspannvorrichtung in der Kammer 102a überführt. In der Kammer 102a wird das kohlenstoffdotierte Oxid einer Lichtenergie ausgesetzt, die vorzugsweise UV-Energie von einer geeigneten Quelle, wie zum Beispiel einer Quecksilbergaslampe, umfasst. Die zweite Aufspannvorrichtung ist vorzugsweise eine temperaturgesteuerte Aufspannvorrichtung, die bei einer erhöhten Temperatur von weniger als 250°C gehalten wird, während der Wafer der UV-Energiequelle ausgesetzt wird. Der Druck in der Kammer 102a kann auf einen Druck von weniger als 2670 Pa (20 Torr) und noch lieber in einen Bereich von ungefähr 400–667 Pa (3 bis 5 Torr) verringert werden. Zusätzlich kann die Kammer 102a an eine Stickstoffquelle gekoppelt sein, so dass die UV-Belichtung in einer Stickstoffumgebung durchgeführt wird. Es wird auf 2 Bezug genommen, darin wird eine Darstellung einer Ausführungsform des UV-Bestrahlungsprozesses präsentiert. In dieser Ausführungsform wird ein Wafer 202 auf einer Aufspannvorrichtung 204 angeordnet und einer UV-Energie ausgesetzt, angezeigt durch das Bezugszeichen 206, die von einer UV-Energiequelle 208 erzeugt wird. Der Wafer 202 ist mit einem dielektrischen Material (in 2 nicht spezifisch angezeigt) beschichtet worden, bevor er zu der Aufspannvorrichtung 204 überführt wurde. In dieser Ausführungsform ist die UV-Lampe 208 eine Quecksilbergaslampe, die die Energie 206 erzeugt, die vorzugsweise ultraviolette Energie umfasst.
  • In der vorangehenden Spezifizierung ist die Erfindung unter Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist jedoch klar, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie in den Ansprüchen unten dargelegt. Dementsprechend müssen die Spezifizierung und Abbildungen eher in einem veranschaulichenden als beschränkenden Sinne betrachtet werden und alle solche Modifikationen sollen in dem Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sein. Nutzen, andere Vorteile und Lösungen für Probleme sind unter Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden. Jedoch sollen die Nutzen, Vorteile, Lösungen für Probleme und jedes Element (alle Elemente) das (die) verursacht (verursachen), dass irgendwelche Nutzen, Vorteile oder Lösungen auftreten oder deutlicher hervortreten, nicht als ein kri tisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Element irgendeiner oder aller der Ansprüche gedeutet werden.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Bilden einer dielektrischen Schicht mit niedrigem k-Wert auf einem Halbleiterwafer, die folgenden Schritte umfassend: Aufbringen eines kohlenstoffdotierten Siliziumoxidfilms auf dem Halbleiterwafer; und Zuführen von Lichtenergie zu dem kohlenstoffdotierten Siliziumoxidfilm, wobei mindestens 30% der Lichtenergie bei einer Frequenz vorliegt, die größer als die von sichtbarem Licht ist, wobei das Zuführen der Lichtenergie bei einer Temperatur stattfindet, die niedriger als 250 Grad Celsius ist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Aufbringen des kohlenstoffdotierten Siliziumoxids durch chemische Gasphasenabscheidung erreicht wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtenergie keinen wesentlichen Aufheizeffekt auf den Wafer hat.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Lichtenergie in erster Linie ultraviolett ist.
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