DE69732918T2 - Verfahren zum Auffüllen von Zwischenräumen mit INDUKTIV GEKOPPELTEm PLASMA-CVD - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur mit Plasma hoher Dichte unterstützten Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren (High Density Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) von Halbleiter- und dielektrischen Filmen, und auf Techniken zum Abscheiden solcher Filme in Zwischenräume mit großem Längenverhältnis auf Halbleitersubstraten, wie zum Beispiel Siliziumwafern, welche metallische Verbindungsschichten aufweisen.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren (CVD: Chemical Vapor Deposition) wird herkömmlich verwendet, um verschiedene dünne Filme in einer halbleiterintegrierten Schaltung auszubilden. CVD kann dünne Filme, wie zum Beispiel SiO2, Si3N4, Si oder ähnliches mit hoher Reinheit und hoher Qualität ausbilden. In dem Reaktionsverfahren des Ausbildens eines dünnen Films kann ein Reaktionsgefäß, in welchem Halbleitersubstrate angeordnet sind, auf einen Zustand mit hoher Temperatur von 500 bis 1000°C aufgeheizt werden. Ein Ausgangswerkstoff, welcher abgeschieden werden soll, kann durch das Gefäß in der Form eines gasförmigen Bestandteils zugeführt werden, so dass die gasförmigen Moleküle in dem Gas und auf einer Oberfläche der Substrate thermisch dissoziiert und kombiniert werden, so dass sie einen dünnen Film ausbilden.
  • Eine plasmaunterstützte CVD-Vorrichtung verwendet eine Plasmareaktion, um eine Reaktion ähnlich zu derjenigen der oben beschriebenen CVD-Vorrichtung zu erzeugen, aber bei einer relativ geringen Temperatur, um einen dünnen Film auszubilden. Die Plasma-CVD-Vorrichtung umfasst eine Prozesskammer, welche aus einer Plasmaerzeugungskammer, welche getrennt sein kann von oder ein Teil sein kann von der Reaktionskammer, einem Gaseinleitungssystem und einem Auslasssystem besteht. Plasma wird in einer solchen Vorrichtung durch verschiedene Plasmaquellen erzeugt. Ein Substratträger ist in der Reaktionskammer vorgesehen, welcher eine Vorspannungskomponente (Biasing-Komponente) mit Hochfrequenz (HF) umfassen kann, um eine HF-Vorspannung (HF-Bias) auf das Substrat aufzubringen, und einen Kühlmechanismus, um einen Anstieg der Temperatur des Substrates aufgrund des Wirkung des Plasmas zu verhindern.
  • Vakuumprozesskammern werden im allgemeinen für die Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren von Materialien auf Substraten verwendet, durch Zuführen von einem Abscheidungsgas in die Vakuumkammer und Aufbringen eines HF-Feldes auf das Gas. Zum Beispiel sind Parallelplatten- und Elektron-Zyklotron-Resonanzreaktoren (ECR: Electon-Cyclotron Resonance) kommerziell verwendet worden, siehe US-A-4 340 462 und 5 200 232. Die Substrate werden durch Substrathalter an ihren Platz innerhalb der Vakuumkammer während der Behandlung gehalten. Herkömmliche Substrathalter umfassen mechanische Klammern und elektrostatische Klammern (ESC: Electrostatic Clamps). Beispiele von Substrathaltern mit mechanischen Klammern und ESC werden in den Dokumenten US-A-5 262 029 und US-A-5 671 116 zur Verfügung gestellt.
  • Plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) ist zum Abscheiden von intermetallischen dielektrischen Schichten bei niedrigen Temperaturen in Einsatzgebieten von integrierten Schaltungen verwendet worden. Eine Veröffentlichung von M. Gross et al., mit dem Titel „Silicon dioxide trench filling process in a radio-frequency hollow cathode reactor", J. Vac. Sci. Technol, B 11(2), März/April 1993, beschreibt ein Verfahren zum fehlstellenfreien Füllen von Schlitzen mit Siliziumdioxid, wobei ein Reaktor mit hohler Kathode verwendet wird, in welchem Siliziumwasserstoffgas durch ein oberes Target, welches eine Sauerstoff- und Xenonentladung mit niedriger Frequenz (1 MHz) und niedrigem Druck (~0,2 Pa) unterstützt, geleitet wird. In diesem Verfahren produziert ein hoher Ionenbeschuss und eine kleine Geschwindigkeit einer Gasphasenreaktion eine ioneninduzierte Reaktion mit Oberflächenadsorbaten, was zu einem gerichteten Oxidfilmwachstum führt, wobei Schlitze mit Öffnungen von einem Mikrometer (Mikron) und Längenverhältnissen bis zu 2,5:1 mit Geschwindigkeiten von über 400 Å/min gefüllt werden.
  • Eine Veröffentlichung von P. Shufflebotham et al. mit dem Titel „Biased Electron Cyclotron Resonance Chemical-Vapor Deposition of Silicon Dioxide Inter-Metal Dielectric Thin Films", Materials Science Forum Vol. 140–142 (1993) beschreibt einen einstufigen zwischenraumgefüllten Prozess zur Verwendung in intermetallischen dielektrischen Anwendungen (IMD: Inter Metal Dielectric) auf Wafern bis zu 200 mm im Durchmesser, wobei Zwischenräume mit großem Längenverhältnis von unter 0,5 Mikrometer mit SiO2 gefüllt werden, wobei eine O2-Ar-SiH4-Gasmischung in einem vorgespannten (biased) Elektron-Zyklotron-Resonanzsystem für plasmaunterstützte Gasphasenunterscheidung nach chemischem Verfahren (ECR-CVD: Electron Cyclotron Resonance Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) verwendet wird. Dieser Einschrittprozess ersetzte aufeinanderfolgende Zwischenraumfüllungs- und Ebenungsschritte, wobei CVD SiO2 Plasmarückätzungsschritten (Plasma Etch-Back) unterzogen wurde, wobei solche Techniken ungeeignet für Zwischenraumbreiten von unter 0,5 Mikrometer und Längenverhältnisse (Zwischenraumhöhe : -breite) oberhalb von 1,5:1 sind.
  • Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik leiden an verschiedenen ernsthaften Nachteilen im Hinblick auf IMD-Anwendungen. ECR- und Helicon-Quellen, welche auf magnetischen Feldern beruhen, sind komplex und teuer. Zudem sind magnetische Felder damit in Verbindung gebracht worden, dass sie Schäden an Halbleitereinrichtungen auf dem Wafer verursachen. ECR-, Helicon- und schraubenförmige Resonaterquellen erzeugen zudem Plasma entfernt von dem Wafer, was es sehr schwierig macht, gleichförmige und hochqualitative Filme gleichzeitig zu erzeugen, und es ebenso schwierig macht, Plasmareinigungen an Ort und Stelle (in-situ) auszuführen, welche notwendig sind, um Partikel unter Kontrolle zu halten, ohne eine zusätzliche Einrichtung. Zudem erfordern ECR-, Helicon- und schraubenförmige Resonator- und gewölbte induktiv gekoppelte Plasmasysteme große, komplexe, dielektrische Vakuumgefäße. Eine hieraus folgende maßstäbliche Vergrößerung ist schwierig, und ein Plasmareinigen an Ort und Stelle (in-situ) ist zeitaufwendig.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren gerichtet, welches ein System zur induktiv gekoppelten plasmaunterstützten Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren (IC PECVD: Inductively Coupled Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) mit Plasma hoher Dichte verwendet. Das System ist kompakt, an Ort und Stelle (in-situ) reinigbar und produziert Halbleiter- und dielektrische Filme mit hoher Qualität.
  • Verfahren zum Füllen von Zwischenräumen zwischen dielektrisch leitenden Leitungen auf einem Halbleitersubstrat sind bekannt aus US-A-5 531 834, WO 96/25023, EP-A-O 520 519, US-A-5 089 442 und US-A-5 522 934. US-A-5 089 442 beschreibt insbesondere das Füllen von Zwischenräumen zwischen elektrisch leitenden Leitungen auf einem Halbleitersubstrat und das Abscheiden einer Deckschicht über den gefüllten Zwischenräumen in einem kapazitiv gekoppelten CVD-Reaktor.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Füllen von Zwischenräumen zwischen elektrisch leitenden Leitungen auf einem Halbleitersubstrat und zum Abscheiden einer Deckschicht über den gefüllten Zwischenräumen zur Verfügung gestellt, welches die folgenden Schritte umfasst:
    das Tragen eines Substrates auf einem Substratträger in einer Prozesskammer eines induktiv gekoppelten Reaktors mit Plasma-unterstützter Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren, wobei der gesagte Substratträger eine Elektrode aufweist, welche eine HF-Vorspannung dem Substrat sowohl während eines Schrittes zur Zwischenraumfüllung als auch eines nachfolgenden Schrittes zur Abdeckung zuführt,
    der gesagte Schritt zur Zwischenraumfüllung umfasst das Füllen von Zwischenräumen zwischen elektrisch leitenden Leitungen auf dem Substrat durch:
    Einführen eines ersten Prozessgases, umfassend ein Edelgas, in die Prozesskammer,
    das Energetisieren des ersten Prozessgases in ein Plasma, durch induktives Einkoppeln von HF-Energie in die Prozesskammer, um einen ersten dielektrischen Film, umfassend Siliziumoxid, in den Zwischenräumen mit einer ersten Abscheidungsgeschwindigkeit anwachsen zu lassen;
    der gesagte Schritt des Abdeckens umfasst das Einleiten eines zweiten Prozessgases in die Prozesskammer hinein,
    das Energetisieren des zweiten Prozessgases in ein Plasma, durch induktives Einkoppeln von HF-Energie in die Prozesskammer, um eine Deckschicht, umfassend einen zweiten dielektrischen Film, auf der Oberfläche des gesagten ersten dielektrischen Films abzuscheiden, wobei die gesagte Deckschicht mit einer zweiten Abscheidungsgeschwindigkeit abgeschieden wird, welche größer ist als die erste Abscheidungsgeschwindigkeit.
  • Andere vorzuziehende Merkmale der Erfindung werden in den angehängten Ansprüchen beschrieben.
  • Der Reaktor kann eine im wesentlichen ebene Induktionsspule umfassen. Ebene und nicht ebene Spulen können verwendet werden, eine im wesentlichen ebene Spule wird jedoch vorgezogen.
  • Das Substrat kann auf einem Substrathalter in der Prozesskammer positioniert werden, und die Temperatur auf einer Oberfläche des Substrathalters kann gesteuert werden.
  • Der Substrathalter kann eine Temperatur von rund 80°C bis 200°C aufweisen.
  • In Abhängigkeit von dem Film, welcher abgeschieden werden soll, kann das zugeordnete Prozessgas einen Silizium beinhaltenden gasförmigen Reaktionspartner (Reaktant-Gas) umfassen, welcher aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus SiH4, SiF4, Si2H6, TEOS, TMCTS und Mischungen hieraus besteht. Das Prozessgas kann einen gasförmigen Reaktionspartner umfassen, welcher aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus H2, O2, N2, NH3, NF3, N2O und NO und Mischungen hieraus besteht. Alternativ kann das Prozessgas einen gasförmigen Reaktionspartner umfassen, welcher aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Bor beinhaltendem Gas, Phosphor beinhaltendem Gas und Mischungen hieraus besteht. Das Edelgas kann Argon sein.
  • Das induktiv gekoppelte Plasma wird vorzugsweise durch eine HF-Antenne erzeugt, welche eine ebene Spulenform aufweist. Somit kann der IC PECVD Reaktor leicht maßstäblich vergrößert werden, um zum Beispiel 300 mm Wafer und 600 mm × 720 mm Flachbildschirme aufzunehmen. Die Quelle des induktiv gekoppelten Plasmas (ICP) erzeugt gleichförmige Plasmen mit hoher Dichte über große Bereiche, unabhängig von der Vorspannungsleistung, welche verwendet wird, um die Ionensputterenergie zu steuern. Anders als ECR- oder Helicon-Quellen sind keine Magneten erforderlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird in größerem Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in welchen sich entsprechende Elemente sich entsprechende Bezugsziffern tragen, und in welchen:
  • die 1 eine schematische Darstellung eines Reaktors mit induktiv gekoppeltem Plasma hoher Dichte ist, welcher verwendet werden kann, um das Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen;
  • die 2 FTIR-Spektren von Filmen umfasst, welche mit verschiedenen Sauerstoff zu Siliziumwasserstoff (Silan) Massenstromverhältnissen (konstanter Gesamtstrom) abgeschieden worden sind;
  • die 3A, 3B, 3C und 3D rasterelektronenmikroskopische (REN) Bilder von Zwischenraumfüllungen sind, in welchen alle Proben dekoriert wurden, um Fehlstellen in dem Film anzureichern; die Strukturen waren Polysilizium auf Oxid, und alle Abscheidungen dauerten drei Minuten mit Ausnahme von derjenigen aus 3A, welche eine Minute dauerte;
  • die 4 einen Plasmareaktor mit einem Gasinjektionssystem darstellt;
  • die 5 einen Injektor für das Gasinjektionssystem darstellt.
  • Detaillierte Beschreibung der vorzuziehenden Ausführungen
  • Reaktor für induktiv gekoppeltes plasmaunterstütztes CVD
  • Die 1 zeigt einen ICP-Reaktor 20, welcher Substrate mit hochdichtem Plasma behandeln kann. Geeignete ICP-Reaktoren umfassen in TCPTM-Systeme von der LAM Research Corp., Fremont, CA. Siehe ebenso Ogle, US-A-4 948 458. Der Reaktor umfasst eine Prozesskammer 21, in welcher Plasma 22 benachbart zu einem Substrat 23 erzeugt wird. Das Substrat wird auf einem wassergekühlten Substratträger 24 getragen, und eine Temperatursteuerung des Substrats wird dadurch erzielt, dass Heliumgas durch einen Kanal 25 in einen Raum zwischen dem Substrat und dem Substratträger zugeführt wird. Der Substratträger kann eine eloxierte Aluminiumelektrode umfassen, welche geheizt werden kann, oder einen Keramikwerkstoff, welcher in sich eine eingebettete Elektrode aufweist, wobei die Elektrode durch eine HF-Quelle 26 und einer zugeordneten Schaltung 27 zum HF-Abgleichen etc. mit Leistung versorgt wird. Die Temperatur des Substrates wird während des Behandeln desselben durch die Temperaturüberwachungseinrichtung 28 überwacht, welche an einen Temperaturmessfühler 29 angeschlossen ist.
  • Um ein Vakuum in der Kammer 21 zur Verfügung zu stellen, ist eine Turbopumpe an der Auslassöffnung 30 angeschlossen, und ein Drucksteuerventil kann verwendet werden, um den gewünschten Vakuumdruck aufrecht zu erhalten. Prozessgase können durch die Kanäle 31, 32 in die Kammer zugeführt werden, welche gasförmige Reaktionspartner zu Gasverteilungsringen zuführen, die sich entlang der Unterseite des dielektrischen Fensters 33 erstrecken, oder die Prozessgase können durch ein dielektrisches Brausekopffenster (Showerhead-Fenster) zugeführt werden. Eine externe ICP-Spule 34, welche außerhalb der Kammer in der Nähe des Fensters angeordnet ist, wird mit HF-Leistung durch die HF-Quelle 35 und die zugeordnete Schaltung 36 zur Impedanzabgleichung etc. versorgt. Wie offensichtlich ist, ist die externe Induktionsspule im wesentlichen eben und umfasst im allgemeinen ein einziges leitendes Element, welches in einer ebenen Spirale oder einer Reihe von konzentrischen Ringen ausgebildet ist. Die ebene Ausführung ermöglicht, dass die Spule leicht maßstäblich vergrößert werden kann, durch Verwenden eines längeren leitenden Elementes, um den Spulendurchmesser zu vergrößern, und daher können größere Substrate oder mehrfache Spulenanordnungen verwendet werden, um ein gleichförmiges Plasma über einer großen Fläche zu erzeugen. Wenn ein Substrat in der Kammer behandelt wird, versorgt die HF-Quelle 35 die Spule 34 mit einem HF-Strom, vorzugsweise in einem Bereich von rund 100 kHz bis 27 MHz, und noch eher vorzuziehen mit 13,56 MHz, und die HF-Quelle 26 versorgt die untere Elektrode mit einem HF-Strom, vorzugsweise in einem Bereich von rund 100 kHz bis 27 MHz, und noch eher vorzuziehen mit 400 kHz, 4 MHz oder 13,56 MHz. Eine große Gleichstrom-Mantelspannung über der Oberfläche eines Substrates kann zur Verfügung gestellt werden, durch Versorgen der Elektrode mit HF-Leistung.
  • Eine HF-Vorspannung (HF-Bias) wird an das Substrat angelegt, um einen Ionenbeschuss des wachsenden Filmes während des Schrittes des Füllens des Zwischenraumes zu erzeugen. Die HF-Frequenz kann alles oberhalb des Wertes sein, welcher notwendig ist, um einen stationären Mantelzustand beizubehalten, welcher einige wenige hundert kHz beträgt. Eine Substratvorspannung weist zahlreiche vorteilhafte Wirkungen auf die Filmeigenschaften auf, und kann ebenso verwendet werden, um den wachsenden Film in dem Schritt des Zwischenraumfüllens gleichzeitig zu sputtern. Dies ermöglicht, dass enge Zwischenräume mit einem großen Längenverhältnis schnell mit einem Dielektrikum hoher Qualität gefüllt werden. Eine HF-Vorspannung kann während des Schrittes des Abscheidens der Deckschicht verwendet werden.
  • Der Reaktor 20 kann verwendet werden, um das Verfahren zum Füllen von Zwischenräumen der Erfindung auszuführen, wobei ein schweres Edelgas verwendet wird, um das Verhältnis der Ätz- gegenüber der Abscheidungsgeschwindigkeit (EDR: Etch-to-Deposition-Rate Ratio) zum fehlstellenfreien Füllen von Zwischenräumen von weniger als 0,5 Mikrometer mit großem Längenverhältnis zu vergrößern. Verfahren zum Füllen von Zwischenräumen werden ferner im Dokument US-A-6 106 675 beschrieben. Das schwere Edelgas ist wirksam beim Sputtern von Ecken der Seitenwände der Zwischenräume, so dass die Ecken mit einem Winkel von rund 45 Grad facettiert werden. Das Edelgas weist ein geringes Ionisierungspotential auf und formt massive Ionen, welche die Sputtergeschwindigkeit bei einer gegebenen HF-Leistung relativ zu der Abscheidungsgeschwindigkeit vergrößern, wodurch die Leistung vermindert wird, welche erforderlich ist, um eine gegebene Lückenstruktur/Zwischenraumstruktur zu füllen. Zudem hilft das niedrige Ionisierungspotential des Edelgases dabei, die Plasmaerzeugung und den Ionenbeschuss gleichförmiger über dem Substrat auszubreiten. Weil Xenon das schwerste der nicht reaktiven Edelgase ist, wird Xenon als das Edelgas vorgezogen. Krypton kann ebenso verwendet werden, obwohl es eine geringere Masse und ein höheres Ionisierungspotential als Xenon aufweist. Argon ist ebenso als das Edelgas geeignet. Vorzugsweise ist die Menge von Edelgas, welche hinzugefügt wird, wirksam dabei, eine Sputter-Ätz-Komponente mit einer Größe in der Größenordnung der Abscheidungsgeschwindigkeit zur Verfügung zu stellen, so dass das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeit gegenüber der Abscheidungsgeschwindigkeit vorzugsweise bei rund 5 Prozent bis 70 Prozent und noch eher vorzuziehen bei rund 10 Prozent bis 40 Prozent liegt.
  • Beim Ausführen des Abscheidungsverfahrens in einem ICP CVD Reaktor kann die Kammer auf einem Vakuumdruck von weniger als 13,3 Pa (100 mTorr) und vorzugsweise von 3,9 Pa (30 mTorr) oder weniger, noch eher vorzuziehen von rund 0,13 Pa (1 mTorr) bis 0,66 Pa (5 mTorr) gehalten werden. Die Strömungsgeschwindigkeiten der individuellen Komponenten des Prozessgases reichen typischerweise von 1,6 × 10–7 bis 3,3 × 10–6 m3s (10–200 sccm) für ein Substrate von 200 mm und höher für größere Substrate. Eine Turbomolekularpumpe, welche durch einen Absperrschieber gedrosselt wird, wird verwendet, um den Prozessdruck zu steuern. Die relative Menge von jeder Komponente wird teilweise von der Stöchiometrie des Verbundes/der Verbunde abhängen, welcher/welche abgeschieden werden sollen. Die ICP-Leistung reicht vorzugsweise von 200 bis 3000 Watt, und die HF-Vorspannungsleistung, welche an die untere Elektrode angelegt wird, kann von 0 bis 3000 Watt für ein Substrat von 0,2 m (200 mm) reichen. Vorzugsweise weist die untere Elektrode eine solche Oberfläche auf, dass die HF-Vorspannungsleistung rund 0 bis 80 000 Watt/m2 (0–8 Watt/cm2) und vorzugsweise wenigstens 20 000 Watt/m2 (2 Watt/cm2) an Leistung zuführen kann. Ein Wärmeübertragungsgas, welches zum Beispiel Helium und/oder Argon umfasst, kann mit einem Druck von 133 (1) bis 1333 Pa (10 Torr) zugeführt werden, um die Substrattemperatur vorzugsweise bei rund 293 K (20°C) bis 773 K (500°C) zu halten, und noch eher vorzuziehen bei rund 373 K bis 673 K (100°C bis 400°C), und am meisten vorzuziehen bei rund 423 K bis 648 K (150°C bis 375°C).
  • Um einen Schaden an den Metallleitungen oder an vorher existierenden Filmen und Strukturen auf dem Substrat zu vermeiden, und um eine exakte und präzise Prozesssteuerung sicherzustellen, wird eine geheizte mechanische Spannvorrichtung oder vorzugsweise eine elektrostatische Spannvorrichtung/ein elektrostatischer Chuck (ESC) verwendet, um das Substrat zu halten. Der ESC ist vorzugsweise bipolar oder monopolar. Vorzugsweise wird die Elektrode auf einer Temperatur gehalten, welche von rund 50°C bis 350°C reicht, um die Temperatur des Wafers auf rund 325°C bis 375°C zu halten. Die vorzuziehende Elektrodentemperatur wird unter anderen Dingen von dem HF-Vorspannungspegel und dem einzelnen Abscheidungsschritt abhängig sein. Zum Beispiel wird während des Verfahrens des Zwischenraumfüllens die Elektrodentemperatur vorzugsweise auf zwischen 80°C (volle Vorspannung/Bias) und 200°C (keine Vorspannung/Bias) gehalten. Ähnlich wird während des Abdeckungsverfahrens die Elektrodentemperatur vorzugsweise auf zwischen rund 125°C (volle Vorspannung/Bias) und 350°C (keine Vorspannung/Bias) gehalten. Die Verfahren des Füllens der Zwischenräume und des Abdeckens werden hier beschrieben. Ein geeigneter Chuck zur Temperatursteuerung wird in US-A-5 835 334 offenbart.
  • Während der Abscheidung wird das Substrat (zum Beispiel ein Wafer) typischerweise auf einer Temperatur gehalten, welche höher ist als jene des ESC, aufgrund des Plasmaheizens. Konsequenterweise ist, obwohl der ESC geheizt werden kann, seine Temperatur niedriger als jene des Substrates. Die Elektrode stellt vorzugsweise ferner eine Rückseitenkühlung mit Helium zur Steuerung der Substrattemperatur zur Verfügung. Die Substrattemperatur kann durch Einstellen des Pegels der HF-Vorspannung und der ESC-Temperatur und anderen Parametern gesteuert werden, wie hier beschrieben wird. Wie ferner hier in den Experimenten beschrieben wird, kann die Elektrodentemperatur die physikalischen Eigenschaften des abgeschiedenen Films wesentlich beeinflussen.
  • Ein ICP-CVD Reaktor ist besonders zum Abscheiden von SiO2 für IMD-Anwendungen geeignet, weil die erzeugten Filme eine exzellente Qualität aufweisen, welche praktisch nicht von SiO2 unterscheidbar sind, das durch thermische Oxidation bei hoher Temperatur von kristallinem Si gewachsen ist (thermisches Oxid). Zusätzlich kann diese Technik Zwischenräume füllen, welche so schmal wie 0,25 Mikrometer bei Längenverhältnissen von 3:1 und höher sind, mit einem hochqualitativen Werkstoff. Zudem können die Abscheidungstemperaturen unterhalb von 450°C liegen, für eine Kompatibilität mit Al-Metallisierungen, und die Dickengleichförmigkeiten sind besser als 2% I-σ auf 8 in. (20,32 cm) Wafer, mit im wesentlichen keinen Änderungen in anderen Filmeigenschaften. Schließlich kann ICP-CVD im Hinblick auf die Prozessausführbarkeit Nettoabscheidungsgeschwindigkeiten (net deposition rates) oberhalb von 8,3 × 10–9 ms–1 (5000 Å/min) in Zwischenraumfüllungsverfahren erreichen. Für die Deckschicht kann ICP-CVD eine Abscheidungsgeschwindigkeit bis zu rund 2,5 × 10–8 ms–1 (1,5 μm/min) mit einer guten Gleichförmigkeit erreichen. Es ist selbstverständlich, dass Leiterbahnen aus anderen geeigneten Werkstoffen hergestellt werden können, umfassend, zum Beispiel, Kupfer, Wolfram und Mischungen hieraus.
  • Die Abscheidung von SiO2 in Zwischenräume mit einem großen Längenverhältnis von weniger als 5 × 10–1 m (0,5 μm) durch das erfinderische Verfahren schließt das gleichzeitige Abscheiden (Deposition) und Sputtern (Kathodenzerstäubung) von SiO2 ein. Die resultierende anisotropische Abscheidung (Beschichtung) füllt Zwischenräume von unten nach oben, und die Winkelabhängigkeit der Sputter-Ausbeute (sputtering yield) verhindert ebenso, dass sich die oberen Enden der Zwischenräume während der Abscheidung zusammenkneifen (vollständig einschnüren). Ein wichtiges Merkmal von den meisten Systemen für Plasma hoher Dichte ist, dass die Vorspannungsleistung (Bias-Leistung) die Mantelspannung über dem Wafer im wesentlichen unabhängig von der Plasmaerzeugung bestimmt. Hohe Vorspannungsleistungen erzeugen große Mantelspannungen und somit einen energetischen Ionenbeschuss der Wafer-Oberfläche. In der Abwesenheit einer HF-Vorspannung (HF-Bias) neigt die Filmqualität und der Wirkungsgrad des Zwischenraumfüllens dazu, schlecht zu sein, aufgrund eines zerklüfteten Aussehens des Seitenwandfilms, was anzeigt, dass er sehr porös ist, und schwere Abscheidungen, welche sich über den Metallleitungen ausbilden, schirmen die Schlitzböden vor einer Abscheidung ab und kneifen eventuell den Zwischenraum zu, wodurch eine Fehlstelle zurückbleibt.
  • ICP kann ein hochdichtes Plasma erzeugen (zum Beispiel > rund 1 × 1017 Ionen/m3 (1 × 1011 Ionen/cm3) und es auf einem sehr niedrigen Druck halten (zum Beispiel < rund 1,3 Pa (10 mTorr)). Die Vorteile von PECVD hoher Dichte umfassen einen vergrößerten Durchsatz, gleichförmige Ionen- und Radikaldichten über große Bereiche und nachfolgend hierzu die Herstellbarkeit von maßstäblich vergrößerten Reaktoren. Wenn sie durch ein getrenntes HF-Vorspannen der Substratelektrode ergänzt werden, können ICP-CVD Systeme eine unabhängige Steuerung der Ionenbeschussenergie ermöglichen und einen zusätzlichen Freiheitsgrad zur Verfügung stellen, um das Plasmaabscheidungsverfahren zu manipulieren.
  • In ICP-Systemen tritt das Wachstum des SiO2-Films durch eine ionenaktivierte Reaktion zwischen Sauerstoffspezien, welche auf den Wafer aus der Plasmaquelle auftreffen und Siliziumwasserstofffragmenten (Silanfragmenten), welche auf dem Wafer adsorbiert werden, auf. Durch Verwenden von ICP-CVD können Zwischenräume unter 5 × 10–7 m (0,5 μm) mit großem Längenverhältnis mit einem SiΟ2-Dielektrikum hoher Qualität auf Wafern mit 0,20 m (8 in. (20,32 cm)) Durchmesser gefüllt werden. Im wesentlichen stellt das ICP-CVD System ein ausführbares Verfahren für intermetallisches dielektrisches CVD zur Verfügung, welches Plasmen hoher Dichte verwendet.
  • Prozessgasverteilungssystem
  • Es ist dargelegt worden, dass für PECVD hoher Dichte eine verbesserte Abscheidungsgeschwindigkeit (Abscheidungsrate) und -gleichförmigkeit durch Verwenden eines Gasverteilungssystems erzielt werden kann, welches eine gleichförmige Zufuhr mit hoher Strömungsgeschwindigkeit von gasförmigen Reaktionspartnern (Reaktant-Gase) auf die Substratoberfläche zur Verfügung stellt, für beides, um die Abscheidungsgeschwindigkeit zu vergrößern und die Anforderungen an die Reinigung der Kammer zu minimieren. Ein geeignetes Gasverteilungssystem wird offenbart in US-A-6 270 862.
  • Die 4 stellt ein Plasmabehandlungssystem dar, welches solch ein Gasverteilungssystem umfasst. Das System umfasst einen Substratträger 130 und eine Behandlungskammer 140. Der Träger kann zum Beispiel eine HF- vorgespannte Elektrode umfassen. Der Träger kann von einer unteren Endwand der Kammer getragen werden, oder er kann freitragend sein und sich von einer Seitenwand der Kammer aus erstrecken. Das Substrat 120 kann an die Elektrode entweder mechanisch oder elektrostatisch gespannt sein.
  • Das System umfasst ferner eine Antenne 150, wie zum Beispiel die ebene Spule mit mehreren Windungen, die in der 4 gezeigt ist, eine nicht ebene Spule mit mehreren Windungen oder eine Antenne, welche eine andere Form aufweist, welche durch eine geeignete HF-Quelle und eine geeignete Schaltung zur HF-Impedanzabgleichung mit Leistung versorgt wird und HF-Energie induktiv in die Kammer koppelt, um ein Plasma hoher Dichte zur Verfügung zu stellen. Die Kammer kann eine geeignete Vakuumpumpvorrichtung umfassen, zum Halten des Innenraums der Kammer auf einem gewünschten Druck. Ein dielektrisches Fenster, wie zum Beispiel das ebene dielektrische Fenster 155 mit einer gleichförmigen Dicke, das in der 4 gezeigt ist, oder ein nicht ebenes dielektrisches Fenster ist zwischen der Antenne 150 und dem Innenraum der Behandlungskammer 140 vorgesehen und formt die Vakuumwand an dem oberen Ende der Behandlungskammer.
  • Ein primärer Gasring 170 ist unterhalb des dielektrischen Fensters 155 vorgesehen. Der Gasring 170 kann mechanisch an das Kammergehäuse oberhalb des Substrats angeschlossen sein. Der Gasring 170 kann zum Beispiel aus Aluminium oder galvanisiertem Aluminium hergestellt sein.
  • Ein sekundärer Gasring 160 kann ebenso unterhalb des dielektrischen Fensters 155 vorgesehen sein. Ein oder mehrere Gase wie Ar und O2 werden in die Kammer 140 durch Auslässe in dem sekundären Gasring 160 zugeführt. Jeder geeignete Gasring kann als der sekundäre Gasring 160 verwendet werden. Der sekundäre Gasring 160 kann oberhalb des Gasrings 170 angeordnet sein, getrennt durch zusätzliche Abstandhalter 165, welche aus Aluminium oder galvanisiertem Aluminium geformt sind, wie in der 4 gezeigt ist. Alternativ kann, obwohl dies nicht gezeigt ist, der sekundäre Gasring 160 unterhalb des Gasrings 170, zwischen dem Gasring 170 und dem Substrat 120 positioniert sein, oder der sekundäre Gasring 160 kann unterhalb des Substrates 120 positioniert sein und derart ausgerichtet sein, um Gas vertikal von dem Boden der Kammer aus zu injizieren. Noch eine weitere Alternative ist, dass das Ar und O2 durch Auslässe zugeführt werden, welche an dem Kammerboden angeschlossen sind, wobei die Abstandhalter 165 das dielektrische Fenster 155 und den primären Gasring 170 trennen.
  • Eine Vielzahl von abnehmbaren Injektoren 180 sind an dem primären Gasring 170 angeschlossen, um ein Prozessgas wie zum Beispiel SiH4 oder ein ähnliches Silizium beinhaltendes Gas, wie zum Beispiel SiF4, TEOS und so weiter, auf das Substrat 120 zu leiten. Diese Gase werden von den Injektoren 180 durch Austrittsöffnungen 187 der Injektoren zu dem Substrat geleitet. Zusätzlich können gasförmige Reaktionspartner durch Auslässe in dem primären Gasring 170 zugeführt werden. Die Injektoren können aus jedem geeigneten Werkstoff hergestellt sein, wie zum Beispiel Aluminium, galvanisiertes Aluminium, Quarz oder Keramiken wie Al2O3. Obwohl zwei Injektoren gezeigt sind, kann jede Anzahl von Injektoren verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Injektor an jedem der Auslässe auf dem primären Gasring 170 angeschlossen sein. Vorzugsweise werden acht bis zweiunddreißig Injektoren auf einem Ring 170 mit einem Durchmesser von 0,2 m bis 0,21 m (200 bis 210 mm) für 0,2 m (200 mm) Substrate verwendet.
  • Die Injektoren 180 sind oberhalb der Ebene des Substrates 120 positioniert, mit ihren Öffnungen auf jedem geeigneten Abstand, wie zum Beispiel 0,03 bis 0,1 m (3 bis 10 cm) entfernt von dem Substrat. Die Injektoren können, gemäß einer vorzuziehenden Ausführung, mit Abstand innerhalb oder außerhalb des Umfangs des Substrats angeordnet sein, zum Beispiel 0 bis 0,05 m (0 bis 5 cm) entfernt von dem Umfang des Substrates. Dies hilft sicherzustellen, dass mögliche Partikelflocken aus den Injektoren nicht auf das Substrat fallen und es verunreinigen werden. Die Injektoren können alle dieselbe Länge aufweisen, oder alternativ kann eine Kombination aus verschiedenen Längen verwendet werden, um die Abscheidungsgeschwindigkeit und -gleichförmigkeit zu erhöhen. Die Injektoren sind vorzugsweise derart ausgerichtet, dass wenigstens einige der Injektoren das Prozessgas in eine Richtung leiten, welche die ausgesetzte Oberfläche des Substrates schneidet.
  • Entgegengesetzt zu den vorhergehenden Ausgestaltungen des Gasinjektionssystems, welche vorwiegend auf einer Diffusion beruhen, um das Gas über dem Substrat zu verteilen, sind die Injektoren gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung derart ausgerichtet, dass sie Gas in eine Richtung injizieren, welche eine ausgesetzte Oberfläche des Substrates in einem spitzen Winkel schneidet. Der Winkel der Injektion kann von rund 15 bis < 90 Grad reichen, vorzugsweise 15 bis 45 Grad gegenüber der Horizontalebene des Substrates. Der Winkel oder die Achse der Injektion kann entlang der Achse des Injektors liegen, oder alternativ auf einen Winkel von bis zu 90 Grad oder mehr mit Bezug auf die Achse des Injektors. Der Durchmesser der Austrittsöffnung der Injektoren kann zwischen 2,54 × 10–4 m (0,010 Inches) und 1,5 × 10–3 m (0,060 Inches) liegen, vorzugsweise bei rund 5 × 10–4 m (0,020 Inches) bis 1 × 10–3 m (0,040 Inches). Der hohle Kern der Injektoren 180 kann derart gebohrt sein, dass er rund das Zweifache des Durchmessers der Austrittsöffnungen 187 aufweist, um sicherzustellen, dass eine Schallgeschwindigkeitsströmung in der Austrittsöffnung und nicht innerhalb des Kerns des Injektors auftritt. Die Strömungsgeschwindigkeit von SiH4 beträgt vorzugsweise zwischen 4,16 × 10–7 – 5 × 10–6 m3s–1 (25–300 sccm) für ein Substrat von 0,2 m (200 mm), aber sie kann für größere Substrate höher sein.
  • Ein weiteres Gasinjektionssystem, welches verwendet werden kann, verwendet eine Vielzahl von Injektoren, wie in der 5 dargestellt ist. In dieser Ausführung ist die Öffnung 187A derart ausgerichtet, dass sie das Gas entlang einer Injektionsachse (bezeichnet mit „A") einführt, in einer Richtung, welche von dem Wafer 120A weg (und in Richtung des dielektrischen Fensters) zeigt. Der Winkel oder die Achse der Injektion kann entlang der Achse des Injektors (mit „B" bezeichnet) oder alternativ in einem Winkel von bis zu rund 90 Grad oder mehr mit Bezug auf die Achse des Injektors liegen. In dieser Ausführung kann die Achse der Injektion von rund 5 bis < 90 Grad reichen, vorzugsweise von rund 15 bis 75 Grad, und am meisten vorzuziehen von rund 15 bis 45 Grad gegenüber der Ebene des Substrates. Diese Ausführung sieht das Merkmal vor, dass das Prozessgas oberhalb des Wafers fokussiert wird, was zu hohen Abscheidungsgeschwindigkeiten und einer guten Gleichförmigkeit führt, und ferner den Vorteil einer verminderten Anfälligkeit gegenüber dem Verstopfen der Öffnung bietet. Das verminderte Potential des Verstopfens der Öffnung ermöglicht somit, dass mehr Wafer behandelt werden können, bevor ein Reinigen des Injektors erforderlich ist, was den Durchsatz der Waferbehandlung ultimativ verbessert.
  • Aufgrund der kleinen Öffnungsgröße und Anzahl von Injektoren und den großen Strömungsgeschwindigkeiten von SiH4 entwickelt sich eine große Druckdifferenz zwischen dem Gasring 170 und dem Innenraum der Kammer. Zum Beispiel beträgt der Druckunterschied rund 100:1, wenn der Gasring einen Druck von > 133 Pa (1 Torr) aufweist und der Innenraum der Kammer einen Druck von rund 1,33 Pa (10 mTorr) aufweist. Dies führt zu einer gedrosselten Strömung mit Schallgeschwindigkeit an den Auslässen der Injektoren. Die Innenraumöffnung des Injektors kann ebenso konturiert sein, um eine Überschallströmung an dem Auslass zur Verfügung zu stellen.
  • Das Injizieren von dem SiH4 mit Schallgeschwindigkeit hindert das Plasma daran, in die Injektoren einzudringen. Diese Ausgestaltung vermeidet eine plasmainduzierte Entmischung von dem SiH4 und der daraus folgenden Bildung von amorphen Siliziumrückständen innerhalb des Gasringes und der Injektorverlängerungsröhren.
  • VERSUCH
  • Zum Füllen von Zwischenräumen und zum Abscheiden einer Deckschicht umfasst das Verfahren im allgemeinen einen anfänglichen optionalen Sputter-Reinigungs /Vorheizschritt in einem Plasma ohne jegliches Silizium beinhaltendes Gas, welchem ein Schritt des Zwischenraumfüllens mit großer Vorspannungsleistung folgt. Nachdem der Zwischenraum teilweise gefüllt worden ist, wird eine abschließende Opfer- oder „Deck"-Schicht des Films abgeschieden, vorzugsweise mit einer niedrigen HF-Vorspannungsleistung. Der Schritt des Zwischenraumfüllens füllt vorzugsweise im wesentlichen den gesamten oder wenigstens einen Hauptteil des Zwischenraumes, bevor die Deckschicht abgeschieden wird. Der Schritt des Abscheidens der Deckschicht erfordert nur eine ausreichende Vorspannungsleistung, um die Filmqualität geeignet zu halten, weil kein Sputtern während des Filmwachstums erforderlich ist. Die Deckschicht wird mit einer höheren Abscheidungsgeschwindigkeit als diejenige des Schrittes des Zwischenraumfüllens abgeschieden. Vorzugsweise wird dieser Deckfilm in einem nachfolgenden Planarisierungsschritt mit chemisch-mechanischem Polieren (CMP) teilweise entfernt.
  • Das IC PECVD System erzeugt ein hochdichtes Plasma mit geringem Druck in einem Prozessgas, welches Komponenten umfasst, welche die halbleitenden oder dielektrischen und Deckfilme bilden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar, um jeden geeigneten halbleitenden, dielektrischen und/oder Deckfilm abzuscheiden, umfassend, zum Beispiel, hydriertes amorphes Silizium Si:H, Siliziumoxid SiOx, wobei x 1,5 bis 2,5 beträgt, Siliziumnitrid, SiN, Siliziumoxifluorid SiOxFy, wobei x 1,5 bis 2,5 und y 2 bis 12 beträgt, und Mischungen hieraus. Es soll verständlich sein, dass beides, stöchiometrische und nichtstöchiometrische Verbindungen abgeschieden werden können, und dass die Werte von x und y durch Einstellen der Prozessparameter gesteuert werden können, wie zum Beispiel die Auswahl der gasförmigen Reaktionspartner und ihrer relativen Strömungsgeschwindigkeiten. Es wird erwartet, dass anorganische und organische Polymere ebenso abgeschieden werden können. Ein vorzuziehender dielektrischer und Deckfilm umfasst SiO2. Obwohl die Erfindung durch Beschreiben der Abscheidung von SiO2 dargestellt werden wird, soll verständlich sein, dass die Erfindung auf andere Filme anwendbar ist.
  • Die Komponenten des Prozessgases werden von dem halbleitenden und/oder dielektrischen Film abhängig sein, welcher abgeschieden werden soll. Mit Bezug auf Silizium beinhaltende Filme kann das Prozessgas zum Beispiel Siliziumwasserstoff/Silan (SiH4), Tetraethylorthosilikat (TEOS), 1,3,5,7-Tetramethylcyklotetrasiloxan (TMCTS), Disilan (Si2H6) oder andere Silizium beinhaltende organometallische Gase umfassen. Das Prozessgas kann ein Edelgas umfassen, vorzugsweise Ar, Kr, Xe und Mischungen hieraus, um die Plasmaeigenschaften oder die Sputtergeschwindigkeiten (Sputterraten), insbesondere während des Schrittes des Zwischenraumfüllens vor der Abscheidung der Deckschicht zu steuern. Um Nichtsiliziumkomponenten in den Film einzubinden, kann das Prozessgas einen gasförmigen Reaktionspartner, wie zum Beispiel H2, O2, N2, NH3, NF3, N2O, NO und Mischungen hieraus umfassen. Gasförmige Reaktionspartner können ebenso Bor und/oder phosphorbeinhaltende Gase umfassen, um Filme aus Borphosphosilikatglas (BPSG), Borsilikatglas (BSG) und Phosphosilikatgas (PSG) herzustellen.
  • Beispiel I (Zwischenraumfüllungsverfahren)
  • SIO2 IMD Abscheidungen wurden in einem ICP-System ausgeführt, welches ähnlich zu demjenigen aus der 1 war. Mechanisch gespannte Wafer von 0,15 m (150 mm) wurden verwendet. Zwei Gasringe, welche an der unteren Kante des Fensters 33 angeordnet waren, wurden verwendet. Ein Gasring verteilte das SIH4 und der andere das Ar und O2. Die Systemparameter werden in der Tabelle 1 festgesetzt. Die Elektrodentemperatur wurde bei 353 K (80°C) gehalten. Tabelle 1
    ICP-HF-Leistung 1000 Watt bei 13,56 MHz
    HF-Leistung der Elektrodenvorspannung 1000 Watt bei 400 kHz
    Ar-Massenstromgeschwindigkeit 1,6 × 10–6 m3 s–1 (100 sccm)
    O2-Massenstromgeschwindigkeit 1,0 × 10–6 m3 s–1 (60 sccm)
    SiH4-Massenstromgeschwindigkeit 6,6 × 10–7 m3 s–1 (40 sccm)
    He-Druck auf der Waferrückseite 399 Pa (3 Torr)
    Kammerdruck 0,49 Pa (3,75 Millitorr) (1000 l/s Pumpe)
  • Die Wirkung des Massenstromverhältnisses von Sauerstoff gegenüber Siliziumwasserstoff/Silan (bei einer konstanten Gesamtströmung) auf die Filmeigenschaften
  • Die Filmstöchiometrie wurde durch die chemische Zusammensetzung von dem Plasma bestimmt, welche primär durch das Verhältnis R der Massenstromgeschwindigkeiten (Massendurchsätze) von Siliziumwasserstoff (Silan) und Sauerstoff bestimmt wird: R = QSiH4/(QSiH4 + QO2), wobei Q der Massendurchsatz ist. Man stelle fest, dass das wirksame Verhältnis von Sauerstoff zu Siliziumwasserstoff, welches der Wafer erfährt, ebenso von anderen Prozessparametern abhängt. Die Wirkung von R auf die Filmeigenschaften ist in der Tabelle 2 gezeigt.
  • Figure 00210001
  • Die Plasmachemie für die Abscheidung kann allgemein in die folgenden Reaktionen unterteilt werden: R < 0,5: SiH4 beschränkt (2 + n)O2 + SiH4 → SiO2 : (OH)4n + (2 – 2n)H2O (I) R ≥ 0,5: O2 beschränkt O2 + SiH4 → SiO2 : (H)2n + (2 – n)H2 (II)
  • Hier bezeichnet SiO2: (X)n ein näherungsweise stöchiometrisches Oxid, beinhaltend einige Anteile n von X, wobei 0 ≤ n < 1 ist. Basierend auf den gemessenen OH-Gehalten war n stets kleiner als 0,025 (OH < 10 at. %). Die Reaktion (I) überwiegte solange der Filmwachstum siliziumwasserstoffbeschränkt war (R ≤ 0,5). Diese Reaktion setzte zunehmende Mengen von Wasser in das Plasma frei, wenn R abnahm, was die Beobachtung begründete, dass die OH-Konzentration in den Filmen mit abnehmendem R zunahm. Im Gegensatz hierzu führte beim Betrieb in dem sauerstoffbeschränkten System die Reaktion (II) (R > 0,5) zu einer vermehrten Produktion von H2, was die zunehmende Einbindung von H als Si-H (und das hieraus resultierende Auftreten von Si-reichen Suboxidgruppen, wie zum Beispiel Si2O3) bei größerem R begründet. Dies begründet ebenso die höheren Kammerdrücke, die bei einem großen R gemessen wurden, weil Turbomolekularpumpen niedrigere Pumpgeschwindigkeiten in H2 aufweisen.
  • Die Daten weisen ferner daraufhin, dass eine wesentliche Änderung in dem Prozess nahe R = 0,40 stattfindet. Dieser Übergang war in allen Filmeigenschaften evident, wie in der Tabelle 2 gezeigt ist, und scheint dem Übergang von einer siliziumwasserstoffbeschränkten Chemie, Reaktion (I), zu einer sauerstoffbeschränkten Chemie, Reaktion (II), zu entsprechen, wie oben beschrieben worden ist. Die Abscheidungsgeschwindigkeit ist linear von der Siliziumwasserstoffströmung abhängig, und der siliziumwasserstoffbeschränkte Bereich (R < 0,40) wurde auf eine Dicke von Null bei einer Strömung von Null extra poliert, wie man erwarten würde.
  • Die Filmspannung ist typischerweise eine Funktion der mechanischen Spannung aufgrund einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zwischen dem Film und dem Substrat und der intrinsischen Filmspannung. Die erstere wird vorwiegend durch die Abscheidungstemperatur bestimmt. In dem letzteren Fall waren die Mikrostruktur und die Stöchiometrie des Films die überwiegenden Faktoren. In dem SiH4-beschränkten System schien die Filmspannung primär von der Abscheidungsgeschwindigkeit abzuhängen. Es wird angenommen, dass der schnellere Filmwachstum weniger Zeit für die thermische Entspannung und das Sputtern/die Verdichtung durch Ionenbeschuss zuließ. Der Wachstum von Filmen unter O2-beschränkten Zuständen war weniger zusammenpressend, obwohl sie mit höheren Abscheidungsgeschwindigkeiten abgeschieden wurden, als bei einem Filmwachstum unter O2-reichen Zuständen.
  • Die FTIR-Spektren, welche in der 2 gezeigt sind, stellen die Relevanz der Reaktionen I und II dar. Bei kleinem R, wurden Absorptionsbänder (Absorbance Bands) von Si-OH und von Si-HOH beobachtet, aber nicht für Si-H. Bei großem R gab es kein feststellbares Si-OH, aber beides, Bänder aus Si-H und Suboxid (Si2O3) Si-O, waren vorhanden. Bei einem mittleren R scheint gerade noch auf der O2-reichen Seite des kritischen Bereiches eine minimale Einbindung von Si-OH und Si-H vorzuliegen. Der Bereich des mittleren R ist optimal zum Erreichen der gewünschten dielektrischen Konstante. Der Brechungsindex kann ebenso als ein Maß für die vorzuziehenden Betriebszustände verwendet werden, weil Brechungsindizes zwischen 1,465 und 1,480 Filmen entsprechen, welche gute dielektrische Konstanten aufweisen.
  • Die Wirkung der ICP-Leistung auf die Filmeigenschaften:
  • Die Tabelle 3 zeigt wie die Filmeigenschaften von der ICP-Leistung abhängen, wobei die Vorspannungsleistung konstant auf 1000 Watt gehalten wurde.
  • Tabelle 3
    Figure 00240001
  • Die Wirkung, welche die ICP-Leistung auf die Filmeigenschaften hat, ist in der Natur ähnlich zu derjenigen, welche durch die Gesamtströmung verursacht wird. Beide Wirkungen scheinen im wesentlichen ein Phänomen der Zufuhr eines Abscheidungsprecursors (Zwischenproduktes) zu sein. Angenommen, dass der primäre Abscheidungsprecursor durch die Dissoziierung von Siliziumwasserstoff erzeugt wurde, wird die Zufuhr von dieser Spezies auf die Waferoberfläche von ihrer Erzeugungsgeschwindigkeit in dem Plasma und ihrem Verlustanteil zu der Pumpe und zu einer Abscheidung auf den Reaktorwänden abhängig sein. Beides, die Gesamtströmung und die ICP-Leistung können das effektive R an dem Wafer beeinflussen, durch entweder erzeugungs- oder verlustbasierten Mechanismen.
  • In dem Fall der Precursorerzeugung zeigen Berechnungen, basierend auf der Verbindungsfestigkeit, dass die Energie, welche erforderlich ist, um SiH4 zu dissoziieren, kleiner als diejenige für O2 sein sollte. In diesem Fall würde das Vergrößern der Siliziumwasserstoffzufuhr (Gesamtströmung) vorzugsweise die Vergrößerung von SiHX über alle relevanten Sauerstoffspezien vergrößern. Dies treibt die Reaktionschemie zu größerem R, wie beobachtet wurde. Die ICP-Leistung sollte dieses Verfahren ebenso antreiben, obwohl es unklar ist, wie die Abhängigkeit sein soll.
  • Wirkung der Vorspannungsleistung auf die Filmeigenschaften
  • Die Vorspannungsleistung wurde auf den Wafer angelegt, um das Gleichstrommantelpotential und somit die kinetische Energie der Beschussionen zu vergrößern, bis zu dem Punkt, in welchem sie den Film, wenn er wächst, sputtern. Dies verbesserte die Qualität der Filme auf einer Vielzahl von Wegen. O2-Plasma, welches der Abscheidung vorangeht, reinigt die Waferoberfläche durch Sputtern, was ermöglicht, dass sich eine saubere, haftende Schnittstelle ausbildet. Weil der Ionenbeschuss den Wafer während der Abscheidung aufheizt, erfordert die Temperatursteuerung eine Kühlung der Rückseite mit He. Der Ionenbeschuss neigt ebenso dazu, vorzugsweise „ätz"-schwache und nicht im Gleichgewicht befindliche Strukturen aus dem Film heraus zu sputtern und eine Verdichtung durch eine Kompaktierung zu erzeugen. Das ermöglicht, dass Filme mit hoher Qualität bei niedrigeren Wafertemperaturen abgeschieden werden als es anderweitig möglich ist. Die Abhängigkeit der Filmeigenschaften von der Vorspannungsleistung ist in der Tabelle 4 gezeigt.
  • Tabelle 4
    Figure 00260001
  • Man hat festgestellt, dass allgemein Filmeigenschaften einer signifikanten Änderung zwischen 400 und 500 Watt unterlagen. Es wird angenommen, dass obwohl die Ionenenergie bei einer Vorspannungsleistung von unter 400 W zugenommen haben kann, die Ionen keine ausreichende Energie zum Sputtern aufweisen, so dass die vorwiegende Wirkung der Vorspannungsleistung in diesem System diejenige war, die Plasmaerzeugung oberhalb des Wafers zu erhöhen. Oberhalb von 400 W lag die durchschnittliche Ionenenergie mutmaßlich oberhalb des Grenzwertes zum Sputtern für SiO2, und die Nettoabscheidungsgeschwindigkeit nahm ab, weil die Sputterkomponente jegliche Wirkungen aufgrund der sekundären Plasmaerzeugung dominierte.
  • Zwischenraumfüllungsabscheidung
  • Die Leistung des Zwischenraumfüllens kann aus dem „Etch to Diposition Rate Ratio" (Verhältnis der Ätz- zu der Abscheidungsgeschwindigkeit) vorhergesagt werden, ER/DR, welches aus den Abscheidungsgeschwindigkeiten (Abscheidungsraten) mit und ohne HF-Vorspannung berechnet wird (der Zustand „Zero-Bias" (ohne Vorspannung) verwendete tatsächlich 100 W, um die sekundäre Plasmaerzeugung zu berücksichtigen): E/D = [DR(keine Vorspannung) – DR(Spannung)] ÷ DR(keine Vorspannung), wobei DR die Abscheidungsgeschwindigkeit bezeichnet. Verfahren mit einem höheren E/D können aggressivere Zwischenräume füllen. Im allgemeinen sollte das geringst mögliche E/D, welches die geforderten Zwischenräume füllen wird, verwendet werden, um die Nettoabscheidungsgeschwindigkeit (Net Diposition Rate) zu maximieren. Selbstverständlich sollte, sobald die Zwischenräume gefüllt sind, das E/D auf den Minimalwert reduziert werden, welcher notwendig ist, um die Filmqualität zu sichern, so dass dem Hauptteil der IMD-Schicht ermöglicht wird, dass er mit viel höheren Geschwindigkeiten abgeschieden wird.
  • Die SEMs, welche in den 3A, 3B, 3C und 3D gezeigt sind, zeigen Beispiele einer guten und schlechten Lückenfüllung durch ICP-CVD. Die 3A zeigt eine teilweise Füllung, welche ohne Vorspannungsleistung versucht wurde. Die poröse Filmmorphologie und das „brotlaibartige" Erscheinungsbild des Films kann man am oberen Ende der Leitung erkennen. Diese schließt sich eventuell darüber, um eine Fehlstelle zu hinterlassen, wie diejenige, die in der 3B gezeigt ist. Dies sind ebenso die Strukturen, welche vorzugsweise weggesputtert werden, weil die Ausbeute des Sputterns maximal bei 45° ist. Die 3B gibt ein Beispiel einer nicht erfolgreichen Füllung, wobei eine Vorspannungsleistung verwendet wurde, aber das E/D für den Zwischenraum zu niedrig war. Man bemerke, dass die Brotlaibe sich in dem Verfahren früh geschlossen haben, und dabei einen großen, tiefen Zwischenraum zurückgelassen haben. In der 3C kann man eine winzige Fehlstelle nahe eines anderweitig identischen Zwischenraums, welcher erfolgreich gefüllt worden ist, erkennen, welche gerade bevor der Zwischenraum gefüllt worden ist, ausgebildet worden ist. In diesem Fall war das E/D marginal. Die Schichtbildung wurde vorsätzlich ausgeführt, durch periodisches Abscheiden einer dünnen Si-reichen Schicht und durch Dekorieren der Probe mit dem geeigneten Farbstoff, um den Kontrast der Zusammensetzung herauszuarbeiten. Dies zeigt klar, wie sich die Zwischenräume von unten nach oben füllen, mit einem kleinen Seitenwandwachstum im Vergleich zu denjenigen auf horizontalen Oberflächen. Die 45° Facetten, welche oberhalb der Leitungen durch Sputtern ausgebildet wurden, sind ebenso deutlich sichtbar. Die 3D zeigt, wie ein moderates E/D Verfahren (100 sccm Ar) einen aggressiven Zwischenraum vollständig ausgefüllt hat. Dies zeigt, dass ICP-CVD aggressive Strukturen füllen kann.
  • Beispiel II (Zwischenraumfüllungs- und Abdeckungsverfahren)
  • IMD- und Abdeckungsabscheidungen mit SiO2 wurden in einem ICP-System ausgeführt, welches ähnlich zu demjenigen aus der 4 ist. In diesem Beispiel wurden Wafer von 0,2 m (200 mm) behandelt. Die Wafer wurden elektrostatisch an einen thermisch gesteuerten Chuck gespannt. Die untere Elektrode wurde durch einen Generator mit 13,56 MHz mit Leistung versorgt. Eine Pumpe mit 2 m3/Sek (2000 l/Sek) wurde ebenso in das ICP-CVD System eingebunden, um die Pumpgeschwindigkeit bei hohen Strömungen zu verbessern. Eine ICP-Leistung wurde verwendet, welche in dem Bereich von 1000 bis 2500 Watt lag. Eine hohe Vorspannungsleistung wurde für das Verfahren zum Füllen der Zwischenräume verwendet und lag in dem Bereich von 500 bis 2500 Watt.
  • Typische Prozessparameter sind in der Tabelle 5 für die Zwischenraumfüllung, die Deck- und Opferdeckschichten gezeigt, und die entsprechenden Filmeigenschaften. Die Tabelle listet ebenso die vorzuziehenden Bereiche für die Prozessparameter auf. Tabelle 5
    Figure 00290001
    • * Vorzuziehende Bereiche werden in (Klammern) dargestellt.
  • Filmeigenschaften
    Figure 00300001
  • Bei diesen Abscheidungen (Zwischenräume mit 0,5 × 10–6 m (0,5 μm)) war Argon in dem Prozessgas vorhanden. Der Zusatz von Argon ist jedoch nicht immer notwendig, wie in den vorzuziehenden Bereichen angedeutet wird. Bei der Abscheidung der Deckschicht kann die anfängliche Abscheidung eine hohe HF-Vorspannungsleistung der Elektrode verwenden, um eine gute Filmqualität zu erzeugen. Danach kann eine geringere Vorspannungsleistung angelegt werden (vorzugsweise während in etwa dieselbe Elektrodentemperatur beibehalten wird), um eine Opferdeckschicht von geringerer Qualität zu erzeugen. Typischerweise wird diese Opferdeckschicht in einem nachfolgenden Ebnungsverfahren im wesentlichen entfernt.
  • Im allgemeinen verbessert eine hohe Substrattemperatur die Eigenschaften des abgeschiedenen Films. Im wesentlichen gibt es zwei primäre Beiträge zu der Substrattemperatur: (1) Thermisches Heizen von dem Substratträger (ESC) und (2) Plasmaheizen, welches primär aus der HF-Vorspannungsleistung der Elektrode und bis auf ein geringeres Ausmaß aus der Quellenleistung (ICP, ECR, etc.) stammt.
  • Im Stand der Technik wurde das Vergrößern der Leistung der Quelle und der Vorspannung verwendet, um die Substrattemperatur zu erhöhen, in einem Versuch, die Filmqualität zu verbessern. Dies führt jedoch häufig zu einem Kompromiss unter den gewünschten Filmeigenschaften, wie durch die untenstehenden Ergebnisse gezeigt wird, welche die Wirkung des Heliumdruckes auf der Rückseite, der Leistung und der Höhe der Kammer untersuchen.
  • Die Wirkungen des Heliumdruckes auf der Rückseite, der Leistung und der Kammerhöhe
  • Eine Reihe von Abscheidungen wurde ausgeführt, wobei die Höhe von Abstandhaltern, der Druck der Heliumkühlung und der Leistungspegel der ICP-CVD-Einrichtung variiert wurden, um die Substrattemperatur mit einer Elektrodentemperatur von 853 K (80°C) zu modulieren. Die Tabelle 6 stellt die Ergebnisse dar. Man hat festgestellt, dass Substrattemperaturen nahe 673 K (400°C) Oxide mit hoher Qualität produzieren. Unter anderen Dingen treibt eine hohe Substrattemperatur flüchtige Bestandteile aus und verbessert die Filmdichte. In der Abscheidung 3, in welcher kein Helium verwendet wurde, hat man abgeschätzt, dass die Wafertemperatur über 723 K (450°C) lag.
  • Bei dem Satz der ersten drei Wafer wurde der Heliumdruck von 266 Pa (2 Torr) auf 0 Pa (0 Torr) (das heißt kein Kühlen) vermindert, und dies verursachte einen Anstieg in dem Bereich der Substrattemperatur von 548 K (275°C) bis über 600 K (400°C). Die Filmeigenschaften zeigten an, dass die hohen Wafertemperaturen einen Film hoher Qualität erzeugten. Niedrige OH-Niveaus wurden in den Filmen festgestellt, und alle anderen Filmeigenschaften waren exzellent. Der Vorteil des Verwendens von einer hohen Wafertemperatur ist derjenige, dass diese keine nachteiligen Wirkungen im Hinblick auf die Filmspannung, OH % und das Nassätzverhältnis verursacht.
  • Der zweite Satz von Wafern (Abscheidungen mit den Nummern 4, 5 und 6) demonstrierte die Wirkungen des Verwendens von Kühlgas aus Helium und Argon für die Steuerung der Substrattemperatur. Der Satz der ersten drei Wafer verwendete Helium, und der zweite Satz von drei Wafern verwendete Argon zum Kühlen. Die Ergebnisse zeigen, dass Helium und Argon ähnliche Prozessergebnisse erzeugten.
  • Der erste und der dritte Satz von drei Wafern vergleichen die Wirkung von Plasmaheizen des Wafers. Das Waferheizen wurde ausgeführt, durch Vermindern des Abstandes zwischen der ICP-Spule gegenüber der Substratoberfläche (die Höhe der Abstandshalter). Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Qualität geändert hat, verlaufend von einem großen zu einem niedrigeren Zwischenraumabstand bei dem Prozess mit demselben Leistungsniveau. Das OH % blieb dasselbe, und das Nassätzverhältnis verbesserte sich bei kleineren Abständen, beim Vergleich der Fälle mit Heliumkühlung bei 267 (2) oder 133 Pa (1 Torr). Es wurde jedoch eine größere Druckspannung beobachtet, wenn ein kleinerer Zwischenraumabstand verwendet wurde.
  • Wenn man den Satz der dritten drei Wafer mit den letzten beiden Wafern in der Tabelle 6 vergleicht, wurde die ICP-Leistung von 2500 auf 2000 Watt vermindert. Die Daten zeigen, dass geringere Druckspannungen durch Vermindern der Leistung beobachtet wurden. Das Nassätzverhältnis wurde verschlechtert, was anzeigt, dass ein geringeres Plasmaheizen die Filmstruktur verändert hat, wobei der Film möglicherweise poröser gemacht wurde. Daher ist das Nassätzverhältnis bei höheren Leistungsniveaus besser. Tabelle 6
    Figure 00330001
    • * Die Prozesszustände waren die Höhe der Abstandhalter (cm), der Druck der Heliumkühlung (Torr) und (3) die ICP-Leistung (Watt). Die HF-Vorspannung war in jedem Fall Null.
  • Wirkung der geheizten Elektrode auf die Filmeigenschaften
  • Im Gegensatz zu dem Ansatz, dass die Quelle und die Vorspannungsleistungen verwendet werden, um die Substrattemperatur zu erhöhen, wurde demonstriert, dass eine höhere Elektrodentemperatur zu einer verbesserten Filmqualität und einem breiteren Prozessfenster führen kann, ohne einen Kompromiss unter den gewünschten Werten der Filmspannung, OH % und/oder dem Nassätzverhältnis.
  • Dies wird durch die Ergebnisse, die in der Tabelle 7 gezeigt sind, dargestellt, wobei die Ergebnisse einer Deckschichtabscheidung mit einer Elektrode von 343 K (70°C) und 393 K (120°C) für solche Fälle mit und ohne einer angelegten HF-Vorspannung zusammengefasst sind. Vorzugsweise beträgt beim Präparieren eines Deckschichtfilms das Nassätzverhältnis < 2:1, das OH % ist ≤ rund 1%, und die Größe der Filmspannung ist kleiner als 200 MPa. Einfaches Vergrößern des Plasmaheizens des Wafers durch Vergrößern der Vorspannung von 0 bis 2000 Watt führt zu einer Verminderung in dem Nassätzverhältnis, aber dies führt ebenso zu einer unerwünschten Zunahme in der Filmspannung. Im Gegensatz dazu, durch Verwenden einer Elektrode mit höherer Temperatur, werden beides, die Filmspannung und das Nassätzverhältnis, in Fällen mit und ohne HF-Vorspannungsleistung reduziert. Somit verwendet ein vorzuziehendes Verfahren eine thermisch gesteuerte Elektrode mit einer Temperatur, welche aus dem Bereich von rund 333 K (60°C) bis 473 K (200°C) auswählbar ist.
  • Tabelle 7: Vergleich der Filmeigenschaften mit Elektroden von 343 K (70°C) und 393 K (120°C):
    Figure 00350001
  • Die Prozessparameter sind in Tabelle 5 festgesetzt.
  • Ein weiterer Vorteil des Verwendens einer höheren Elektrodentemperatur ist, dass die Bereiche für die anderen Prozesszustände, umfassend zum Beispiel den Druck, die Strömungsgeschwindigkeiten der gasförmigen Reaktionspartner und die TCP-Leistung, breiter sind, so dass ein breiterer Satz von Betriebszuständen verwendet werden kann.
  • Das Vorhergehende hat Grundlagen, vorzuziehende Ausführungen und Betriebsarten der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Erfindung soll jedoch nicht derart ausgelegt werden, dass sie auf die besonderen beschriebenen Ausführungen beschränkt ist. Somit sollen die oben beschriebenen Ausführungen eher als beispielhaft denn als einschränkend verstanden werden, und es soll verständlich sein, dass an solchen Ausführungen Variationen vorgenommen werden können, durch Facharbeiter, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er durch die folgenden Patentansprüche definiert wird.

Claims (11)

  1. Ein Verfahren zum Füllen von Zwischenräumen zwischen elektrisch leitenden Leitungen auf einem Halbleiter-Substrat (23, 120) und zum Abscheiden einer Deckschicht über den gefüllten Zwischenräumen, umfassend die folgenden Schritte: das Tragen eines Substrates (23, 120) auf einem Substratträger (24, 130) in einer Prozesskammer (21, 140) eines induktiv gekoppelten Reaktors (20) mit Plasma-unterstützter Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren, wobei der gesagte Substratträger eine Elektrode aufweist, welche eine HF-Vorspannung dem Substrat sowohl während eines Schrittes zur Zwischenraumfüllung als auch eines nachfolgenden Schrittes zur Abdeckung zuführt, der gesagte Schritt zur Zwischenraumfüllung umfasst das Füllen von Zwischenräumen zwischen elektrisch leitenden Leitungen auf dem Substrat (23, 120) durch: Einführen eines ersten Prozessgases, umfassend ein Edelgas, zu der Prozesskammer (21, 140), das Energetisieren des ersten Prozessgases in ein Plasma, durch induktives Einkoppeln von HF-Energie in die Prozesskammer, um einen ersten dielektrischen Film, umfassend Siliziumoxid, in den Zwischenräumen mit einer ersten Abscheidungsgeschwindigkeit anwachsen zu lassen; der gesagte Schritt des Abdeckens umfasst das Einleiten eines zweiten Prozessgases in die Prozesskammer hinein, das Energetisieren des zweiten Prozessgases in ein Plasma, durch induktives Einkoppeln von HF-Energie in die Prozesskammer, um eine Deckschicht, umfassend einen zweiten dielektrischen Film, auf der Oberfläche des gesagten ersten dielektrischen Films abzuscheiden, wobei die gesagte Deckschicht mit einer zweiten Abscheidungsgeschwindigkeit abgeschieden wird, welche größer ist als die erste Abscheidungsgeschwindigkeit.
  2. Das Verfahren aus Anspruch 1, wobei das zweite Prozessgas ein Edelgas umfasst, und das erste Prozessgas eine größere Menge von Edelgas als das zweite Prozessgas umfasst.
  3. Das Verfahren aus Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die HF-Vorspannung, welche während des Schrittes der Zwischenraumfüllung angelegt wird, dieselbe ist wie oder größer ist als diejenige, welche während des Schrittes des Abdeckens angelegt wird.
  4. Das Verfahren aus Anspruch 3, wobei die HF-Vorspannung während des Schrittes der Zwischenraumfüllung größer ist als während des Schrittes der Abdeckung.
  5. Das Verfahren aus einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Prozessgas durch eine Gaszufuhr (160, 170) eingeleitet werden, welche Öffnungen (187) aufweist, wobei wenigstens einige der Öffnungen das Prozessgas entlang einer Achse einer Einspritzung ausrichten, die eine ausgesetzte Oberfläche des Substrates (23, 120) mit einem spitzen Winkel schneidet.
  6. Das Verfahren aus einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei die HF-Vorspannung dadurch erzeugt wird, dass die Elektrode mit einer Leistung von wenigstens 20000 Watt/m2 versorgt wird.
  7. Das Verfahren aus einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Substratträger (24, 130) auf einer Temperatur von 80°C bis 200°C gehalten wird.
  8. Das Verfahren aus einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wärmeübertragungsgas zwischen eine Oberfläche des Substrats (23, 120) und eine Oberfläche des Substratträgers (24, 130) zugeführt wird.
  9. Das Verfahren aus einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein sauerstoffbeinhaltendes Gas in den Zwischenräumen plasmaphasenreagiert wird, und Polymerrückstände in den Zwischenräumen vor dem Anwachsenlassen des ersten dielektrischen Films entfernt werden.
  10. Das Verfahren aus einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktor eine im wesentlichen ebene Induktionsspule (34) aufweist, und der erste dielektrische Film durch Energetisieren des ersten Prozessgases in ein Plasma durch induktives Einkoppeln von HF-Energie aus der Spule in die Prozesskammer produziert wird, und der zweite dielektrische Film durch Energetisieren des zweiten Prozessgases in ein Plasma durch induktives Einkoppeln von HF-Energie aus der Spule in die Prozesskammer produziert wird.
  11. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite dielektrische Film aus Siliziumoxid ausgebildet wird.
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