DE69224924T2 - Verfahren zur Ablagerung von Fluor-enthaltenden Silizium-Dioxid-Schichten - Google Patents

Verfahren zur Ablagerung von Fluor-enthaltenden Silizium-Dioxid-Schichten

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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer isolierenden Schicht und insbesondere ein Verfahren zur Erzeugung einer Siliciumdioxidschicht, die Fluor enthält.
  • Als ein herkömmliches Verfahren zur Erzeugung einer derartigen Siliciumdioxidschicht wird weitverbreitet ein chemisches Dampfphasen-Beschichtungsverfahren angewandt. Beispielsweise wird das folgende Verfahren angewandt. Das als ein Quellgas dienende Tetraethylorthosilicat (chemische Formel: Si(OC&sub2;H&sub5;)&sub4;) wird durch Aufwallen verdampft und anschließend in einer Reaktionskammmer mit Ozon so gemischt, daß bei einer Substrattemperatur von 300 ºC bis 400 ºC und bei Atmosphärendruck eine Siliciumdioxidschicht erzeugt wird. Zusätzlich wird ein Verfahren angewandt, in dem Phosphor und Bor unter Verwendung von Trimethylphosphat (chemische Formel: PO(OCH&sub3;)&sub3;) und Trimethylborat (chemische Formel: B(OCH&sub3;)&sub3;) als Dotiergase dotiert werden ("Ozone/Organic-Source APCVD for Conformal Doped Oxide", Journal of Electronic Materials, Bd. 19, Nr. 1, 1990).
  • Dieses herkömmliche Verfahren zur Erzeugung einer Siliciumdioxidschicht weist die folgenden Probleme auf. Da die Temperatur zur Erzeugung der Schicht hoch ist, d.h. 300 ºC bis 400 ºC, kann die Siliciumdioxidschicht unter Verwendung einer organischen Schicht, wie einer Photoresistschicht, als eine Maske nicht selektiv erzeugt werden. Zusätzlich werden die Eigenschaften der Schicht beträchtlich verschlechtert, wenn die Temperatur abgesenkt wird, und die Schicht kann nachteiligerweise nicht in praktischen Anwendungen eingesetzt werden. Darüberhinaus können in dieser Schicht leicht Risse auftreten, da eine mittels des herkömmlichen Verfahrens erzeugte Siliciumdioxidschicht eine starke Zugspannung von etwa 10&sup4; N/cm² (1 x 10&sup9; dyn/cm²) als eine Eigenspannung aufweist, wenn eine Schicht mit einer Dicke von 2 um oder mehr erzeugt wird. Aus diesem Grund wird diese Schicht nicht leicht auf einem Substrat, wie einer Aluminium-Verdrahtungsschicht mit einer unebenen Oberfläche, erzeugt.
  • Eine im Journal of Non-Crystalline Solids, Bd. 100, 1988 auf den Seiten 269 bis 273 veröffentlichte Arbeit beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von fluor-dotiertem Siliciumdioxid mittels eines Sol-gel-Verfahrens, in dem Triethoxyfluorsilan zum Solbestandteil zugegeben wird. Dieses Verfahren erzeugt fluor-dotierte Quarzgläser für die Herstellung von optischen Fasern. Das Sol wird in Gießformen gegossen, wodurch zu Stangen und Rohren geformte Naßgele als vorgeformte Rohlinge für optische Fasern hergestellt werden. Nach dem Gelieren wird das Gel getrocknet und anschließend bei Temperaturen von bis zu 2000 ºC gesintert. Das Ziel dieses Verfahrens ist es, den Brechungsindex der entstandenen optischen Faser zu steuern.
  • Die internationale Patentanmeldung WO 91/07774 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer isolierenden Oxidzwischenschicht zum Ausgleichen von Oberflächenunregelmäßigkeiten in einem integrierten Schaltkreis. Zuerst wird Polysiloxan durch photoinduzierte Polymerisation in der Gasphase hergestellt. Anschließend wird das Polysiloxan auf ein Substrat kondensiert und daraufhin unter Anwendung von ultraviolettem Licht in eine Silicatschicht umgewandelt.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein wie in den anhängenden Ansprüchen definiertes Verfahren zur Erzeugung einer fluorhaltigen Siliciumdioxidschicht bereit, auf das nun Bezug genommen werden soll.
  • In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Schicht auf einer Substratoberfläche, die ein darauf erzeugtes organisches Schichtmuster aufweist, selektiv erzeugt. Die Schicht bildet sich an Stellen des Substrats, die nicht von dem organischen Schichtmuster bedeckt sind. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Substrattemperatur nicht mehr als 150 ºC.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezug auf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei:
  • Fig. 1 eine schematische Ansicht ist, die ein Gerät zur Erzeugung einer Siliciumdioxidschicht mittels eines Verfahrens gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, zeigt;
  • Fig. 2 ein Diagramm ist, das ein Fouriertransform-Infrarot-Absorptionsspektrum einer Siliciumdioxidschicht zeigt, die mittels eines Verfahrens, das die vorliegende Erfindung verwirklicht, erzeugt wurde;
  • Fig. 3 ein Fouriertransform-Infrarot-Absorptionsspektrum einer herkömmlichen Siliciumdioxidschicht zeigt; und
  • Figuren 4A bis 4E Querschnitte sind, welche die Schritte zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mittels eines Verfahrens gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsformzeigen.
    • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Ausführungsformen wird Triethoxyfluorsilan (chemische Formel: F-Si(OC&sub2;H&sub5;)&sub3;) als Alkoxyfluorsilan verwendet.
  • In Fig. 1 ist eine Schichterzeugungsapparatur schematisch gezeigt. In Fig. 1 ist ein Suszeptor 102 in einer Reaktionskammer 101 angeordnet, der Suszeptor 102 hat einen Heizer 103, und ein Halbleitersubstrat 104 ist auf dem Suszeptor 102 befestigt. Der Suszeptor 102 kann entweder an einer Ober- oder Unterseite der Apparatur angebracht sein, und die Halbleitersubstratoberfiäche kann entweder nach oben oder nach unten zeigen. Triethoxyfluorsilan ist in einer auf einer vorbestimmten Temperatur gehaltenen Waschflasche 107 vorhanden, wird von Stickstoff mit einer vorbestimmten Durchflußgeschwindigkeit, die mittels eines Steuergeräts für die Durchflußgeschwindigkeit 105 gesteuert wird, durchsprudelt, und wird der Reaktionskammer 101 zugeführt. Der zur Hydrolyse zwischen Triethoxyfluorsilan und verwendetem, destilliertes Wasser enthaltende Wasserdampf wird von Stickstoff mit einer vorbestimmten Durchflußgeschwindigkeit, die mittels eines Steuergeräts für die Durchflußgeschwindigkeit 106 gesteuert wird, durchsprudelt und wird aus einer auf einer vorbestimmten Temperatur gehaltenen Waschflasche 108 der Reaktionskammer 101 zugeführt. Die Reaktionskammer 101 wird ständig evakuiert, um bei einem vorbestimmten Druck gehalten zu werden. Die Temperaturen der Gasversorgungsrohre 111 beziehungsweise 112, die sich von den Waschflaschen 107 und 108 zur Reaktionskammer erstrecken, werden durch Heizer 109 und 110 konstantgehalten.
  • In der vorstehenden Apparatur wurde eine Siliciumdioxidschicht auf einem Siliciumsubstrat mit einem Durchmesser von 150 mm (6 Zoll) erzeugt. Die Temperatur der Waschflasche 107 für Triethoxyfluorsilan und der Waschflasche 108 für destilliertes Wasser wurden auf 40 ºC beziehungsweise 60 ºC gehalten, wobei die Durchflußgeschwindigkeit des zum Durchsprudeln verwendeten Stickstoffs auf 1 SLM eingestellt wurde, eine Substrattemperatur wurde auf 30 ºC eingestellt, und ein Druck in der Reaktionskammer 101 wurde auf etwa 93.300 Pa (700 Torr) eingestellt.
  • In den Figuren 2 und 3 werden Fouriertransform-Infrarot-Absorptionsspektren dieser Ausführungsform und derjenigen nach dem Stand der Technik miteinander verglichen. Gemäß dieser Ausführungsform konnte, wenn eine Schichtabscheidung 60 Minuten durchgeführt wurde, um eine Siliciumdioxidschicht zu erzeugen, die Fluor enthält und eine Dicke von etwa 0,5 um aufweist, das in Fig. 2 durch X angezeigte Fouriertransform-Infrarot-Absorptionsspektrum (FT-IR) erhalten werden. Wenn Siliciumdioxidschichten mit jeweils einer Dicke von etwa 0,5 um bei Temperaturen von 250 ºC und 350 ºC mittels eines Verfahrens nach dem Stand der Technik erzeugt wurden, konnten die in Fig. 3 durch Y und Z angegebenen Fouriertransform-Infrarot-Absorptionsspektren (FT-IR) erhalten werden. In Fig. 2 werden den Hydroxylresten, Si-O-Bindungen und Si-OH-Bindungen entsprechende Absorptionspeaks bei Wellenzahlen um 3.300 cm&supmin;¹ herum, um 1.070 cm&supmin;¹ herum beziehungsweise um 930 cm&supmin;¹ herum beobachtet, und es ist klar, daß eine Schicht mit Si-O als einem Hauptbestandteil erzeugt wird. Obwohl die Schicht dieser Ausführungsform bei einer sehr niedrigen Temperatur von 30 ºC erzeugt wird, ist als ein Ergebnis die Intensität des Absorptionspeaks, der in Fig. 2 den Hydroxylresten entspricht, kleiner als derjenige (in Fig. 3 durch Y gezeigt), der den Hydroxylresten der Siliciumdioxidschicht, die bei einer Temperatur von 250 ºC im herkömmlichen Verfahren erzeugt wurde, entspricht. Das bedeutet, daß die Siliciumdioxidschicht gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen niedrigeren Wassergehalt als derjenige einer bei einer relativ niedrigen Temperatur von 250 ºC im herkömmlichen Verfahren erzeugten Siliciumdioxidschicht besitzt. Zusätzlich sind, wenn die Siliciumdioxidschicht gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit einer Siliciumdioxidschicht, die bei einer Temperatur von 350 ºC (in Fig. 3 durch Z gezeigt) im herkömmlichen Verfahren erzeugt wurde, verglichen wird, die den Hydroxylresten entsprechenden Absorptionspeaks beider Siliciumdioxidschichten gleich zueinander. Das heißt, der Wassergehalt der bei einer sehr niedrigen Temperatur von 30 ºC auf der Grundlage der vorliegenden Ausführungsform erzeugten Siliciumdioxidschicht ist gleich dem Wassergehalt der bei einer Temperatur von 350 ºC im herkömmlichen Verfahren erzeugten Siliciumdioxidschicht.
  • Der Brechungsindex der in dieser Ausführungsform erzeugten Siliciumdioxidschicht betrug 1,42, was niedriger war als der Brechungsindex von 1,45 einer herkömmlichen Siliciumdioxidschicht. Zusätzlich betrug die Konzentration an Fluoratomen etwa 7 Atom-%, wenn ein Fluorgehalt in der Siliciumdioxidschicht dieser Ausführungsform mittels Röntgenphotoemissionsspektroskopie gemessen wurde. Gemäß dieser Ausführungsform kann eine Schichtspannung von 2 10³N/cm² (2 x 10&sup8; dyn/cm²), die kleiner als die Schichtspannung von 10&sup4; N/cm² (1 x 10&sup9; dyn/cm²) der mittels herkömmlichem Verfahren erzeugten Siliciumdioxidschicht war, erhalten werden.
  • Eine Aluminiumelektrode mit einer Fläche von etwa 4 mm² wurde auf der in dieser Ausführungsform erzeugten Siliciumdioxidschicht erzeugt, und deren elektrischen Merkmale wurden untersucht. Als ein Ergebnis betrug die die Dichte des Kriechstroms der Elektrode bei Anlegen von 5 V etwa 5 x 10&supmin;¹¹ A/cm², und der Wert war kleiner als die Dichte des Kriechstroms von etwa 2 x 10&supmin;¹&sup0; A/cm² einer Siliciumdioxidschicht der gleichen Dicke wie derjenigen, der vorstehenden und bei einer Temperatur von 350 ºC im herkömmlichen Verfahren erzeugten Siliciumdioxidschicht. Zusätzlich konnte eine dielektrische Durchschlagsfestigkeit von 5 MV/cm, die größer war als eine dielektrische Durchschlagsfestigkeit von 4 MV/cm der im herkömmlichen Verfahren erzeugten Siliciumdioxidschicht, erhalten werden. Eine aus kapazitiven Blindwiderstands-Spannungs- Merkmalen bei Meßfrequenzen von 1 MHz berechnete relative Dielektrizitätskonstante betrug 3,7, und der Wert war kleiner als die relative Dielektrizitätskonstante von 4,0 der im herkömmlichen Verfahren erzeugten Siliciumdioxidschicht.
  • Die Bedingungen zur Schichterzeugung sind nicht auf diejenigen in dieser Ausführungsform begrenzt. Nach dieser Ausführungsform kann die Substrattemperatur auf 200 ºC oder weniger eingestellt werden, und die Temperatur wird so eingestellt, daß Hillocks genannte Vorsprünge nicht erzeugt werden, wenn eine Siliciumdioxidschicht auf einer Aluminium-Verdrahtungsschicht erzeugt wird. Im Gegensatz hierzu werden bei einer Temperatur über 250 ºC Hillocks genannte Vorsprünge erzeugt. Zusätzlich können der Druck in der Reaktionskammer, die Gasdurchflußgeschwindigkeit und dergleichen geändert werden.
  • Die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform wird nachstehend unter Bezug auf die Figuren 4A bis 4E beschrieben. In dieser Ausführungsform werden die gleichen, wie in der ersten Ausführungsform beschriebenen Bedingungen der Schichterzeugung angewandt.
  • Figuren 4A bis 4E sind Querschnitte, welche die Schritte der Herstellung eines Halbleiterbauteils zeigen, wenn ein selektives Wachstumsverfahren einer Siliciumdioxidschicht gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform auf eine isolierende Zwischenschicht eines zweischichtigen Aluminiumverdrahtungsaufbaus angewandt wird. In Fig. 4A werden nacheinander eine PSG (Phosphosilikatglas)-schicht 302 mit einer Dicke von etwa 0,5 um und eine erste Aluminiumverdrahtungsschicht 303 mit einer Dicke von etwa 1 um auf einem Halbleitersubstrat 301 erzeugt. Zu dieser Zeit verbleibt eine Photoresistschicht 304, die als ein organisches Schichtmuster dient und erzeugt wird, wenn die Aluminiumverdrahtungsschicht als Vorlage erzeugt wird. Es ist zu beachten, daß eine Teflon-(RTM) oder PTFE-Schicht oder eine Polyimidschicht als das organische Schichtmuster eingesetzt werden kann. Wie in Fig. 4B gezeigt, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Siliciumdioxidschicht 305, die Fluor enthält und eine Dicke von etwa 1 um besitzt, selektiv auf lediglich an den Stellen der PSG-Schicht erzeugt, die keine Photoresistschicht 304 aufweisen. Nach dem Veraschen der Photoresistschicht 304 in einem Sauerstoffplasma wird nach der in Fig. 4C gezeigten vorliegenden Ausführungsform eine Siliciumdioxidschicht 306, die Fluor enthält und eine Dicke von etwa 0,7 um aufweist, auf der gesamten Oberfläche des entstandenen Aufbaus wieder erzeugt. Wie in Fig. 4D gezeigt, werden Öffnungen 307 in der Siliciumdioxidschicht 306 in Übereinstimmung mit der ersten Aluminiumverdrahtungsschicht mittels des bekannten Photoätzverfahrens erzeugt. Schließlich wird, wie in Fig. Fig. 4E gezeigt, eine zweite Aluminiumverdrahtungsschicht 308 so erzeugt, daß ein zweischichtiger Aluminiumverdrahtungsaufbau mit einer perfekt flachen dielektrischen Schichtoberfläche erhalten werden kann.
  • Im zweischichtigen Aluminiumverdrahtunggsaufbau mit den in den vorstehenden Schritten erzeugten ersten und zweiten Aluminiumverdrahtungsschichten 303 und 308 war die obere zweite Aluminiumverdrahtungsschicht 308 frei von Unterbrechungen und Kurzschlüssen, und es konnte eine hohe Ausbeute erhalten werden. Zusätzlich wurden keine Risse in der dielektrischen Zwischenschicht beobachtet.
  • Die Bedingungen zur Schichterzeugung sind nicht auf diejenigen in dieser Ausführungsform begrenzt. Die Substrattemperatur kann so eingestellt werden, daß sie niedriger ist als eine Maximaltemperatur von 150 ºC, bei welcher die Photoresistschicht nicht verschlechtert wird.
  • In dieser Ausführungsform kann, wenngleich Aluminium als ein Verdrahtungsmaterial verwendet wird, die Verdrahtungsschicht aus einem Material, ausgewählt aus Polysilicon, Aluminiumlegierungen, Gold, Wolfram, Molybdän und Titanlegierungen hergestellt werden.
  • Eine durch ein anderes Verfahren erzeugte Isolierschicht kann anstelle der fluorhaltigen Siliciumdioxidschicht, die nach dem Veraschen der Photoresistschicht erzeugt wurde, verwendet werden. Zusätzlich bleibt keine Photoresistschicht zurück, wenn eine Aluminiumverdrahtungsschicht als Vorlage erzeugt wird, und eine fluorhaltige Siliciumdioxidschicht kann auf der gesamten Oberfläche des entstandenen Aufbaus erzeugt und als eine isolierende Zwischenschicht verwendet werden.
  • In dieser Ausführungsform kann das Verfahren, obwohl das Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Verdrahtungszwischenschicht angewandt wird, als ein Verfahren zur selektiven Erzeugung einer Siliciumdioxidschicht für andere Anwendungen angewandt werden.
  • Wie vorstehend beschrieben kann gemäß der veranschaulichten Ausführungsformen, da ein Wasserdampf, der Alkoxyfluorsilan als einen Hauptbestandteil enthält, verwendet wird, vorteilhafterweise eine Siliciumdioxidschicht bei einer niedrigen Temperatur von 200ºC oder weniger, insbesondere sogar bei Zimmertemperatur erzeugt werden. Die Schichteigenschaften einer auf der Grundlage des vorliegenden Verfahrens erzeugten Siliciumdioxidschicht sind besser als diejenigen der in einem herkömmlichen Verfahren erzeugten Siliciumdioxidschicht, und die Siliciumdioxidschicht gemäß dem vorliegenden Verfahren kann in der Praxis als eine in einem Halbleiterbauteil verwendete Isolierschicht eingesetzt werden.
  • Zusätzlich können gemäß dem vorliegenden Verfahren die folgenden Vorteile erhalten werden. Da eine Siliciumdioxidschicht bei einer Temperatur von 150ºC oder weniger erzeugt werden kann, kann eine Siliciumdioxidschicht unter Verwendung einer organischen Schicht, wie eine Photoresistschicht, als eine Maske selektiv erzeugt werden und eine in den Herstellungsschritten eines Halbleiterbauteils erzeugte unebene Oberfläche kann leicht geebnet werden.
  • Das vorliegende Verfahren stellt daher viele Auswirkungen auf ein Herstellungsverfahren für Halbleiterbauteile bereit. Darüberhinaus kann das vorliegende Verfahren ausreichend auf weitere elektrische Vorrichtungen angewandt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Erzeugen einer fluorhaltigen Siliciumdioxidschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf einer Substratoberfläche erzeugt wird, die in einer Reaktionskammer mit einer vorbestimmten Temperatur und einem vorbestimmten Druck einem Alkoxyfluorsilan (chemische Formel: Fn-Si(OR)4-n, R = ein Alkylrest, n = eine ganze Zahl zwischen 1 und 3) als ein Quellgas und Wasserdampf enthaltendem Dampf ausgesetzt wird, wobei sich das Substrat bei einer Temperatur von nicht mehr als 200ºC befindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Alkoxyfluorsilan Triethoxyfluorsilan (chemische Formel: F-Si(OC&sub2;H&sub5;)&sub3;) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Substrats ein Muster einer organischen Schicht umfaßt, wobei die fluorhaltige Siliciumdioxidschicht selektiv an den Stellen der Oberfläche erzeugt wird, die nicht durch das Muster der organischen Schicht bedeckt sind, und daß die Substrattemperatur nicht mehr als 150ºC beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Muster der organischen Schicht durch einen beliebigen Vertreter aus einer Photoresistschicht, einer Polytetrafluorethylenschicht und einer Polyimidschicht erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Muster der organischen Schicht als ein Verdrahtungsmuster auf der Substratoberfläche (301) erzeugt wird, und die fluorhaltige Siliciumdioxidschicht (306) eine isolierende Zwischenschicht auf dem Verdrahtungsmuster erzeugt.
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