JP2011071555A - 有機珪素化合物とヒドロキシル形成化合物との反応による液状シリカ層の形成 - Google Patents

有機珪素化合物とヒドロキシル形成化合物との反応による液状シリカ層の形成 Download PDF

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Abstract

【課題】サブミクロン素子におけるギャップ充填層、プリメタル誘電体層、インターメタル誘電体層、浅いトレンチ分離誘電体層等として使用するための低誘電率を有する酸化珪素層を均一に堆積するための方法と装置とを提供する。
【解決手段】約４００℃未満の基板温度での有機珪素化合物とヒドロキシル形成化合物との反応によって低比誘電体率を有する酸化珪素層を堆積する。これらの低誘電率薄膜は、残留炭素を含んでおり、サブミクロン素子におけるギャップ充填層、プリメタル誘電体層、インターメタル誘電体層および浅いトレンチ分離誘電体層のために有用である。堆積に先立って水あるいは有機化合物からヒドロキシル化合物を調製することができる。酸化珪素層は、約３．０未満の誘電率を有するギャップ充填層を与えるために有機珪素化合物から生成されたライナー層の上に約４０℃未満の基板温度で堆積されることが好ましい。
【選択図】図２

Description

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発明の属する技術分野
（関連出願）
本出願は、１９９８年２月１１日に出願された同時係属中の米国特許出願第０９／０２１，７８８号（ＡＭＡＴ／２５９２）と１９９９年２月１０日に出願された同時係属中の米国特許出願第０９／２４７，３８１号（ＡＭＡＴ／３０３２．Ｐ２）の一部継続出願である。
本発明は、集積回路の製造に関する。さらに詳しくは本発明は、低ｋ（誘電率）誘電体層を基板に堆積する方法と装置に関する。
従来の技術
半導体素子の外形サイズは、半導体素子が数十年前に初めて登場して以来、劇的に小さくなっている。そのとき以来、集積回路は一般に「２年／ハーフサイズ」の法則（しばしばムーアの法則と呼ばれる）に従ってきたが、これは２年ごとにチップに載る素子数が２倍になることを意味している。今日の製造工場は、０．３５μｍ更に０．１８μｍのフィーチャサイズを有する素子を日常的に製造しているが明日の工場はやがて、更に小さな形状の素子を製造していることであろう。
集積回路上の素子のサイズを更に小さくするために、隣接する金属線間の容量結合を減らすためにギャップ充填層、プリメタル誘電体層インターメタル誘電体層、浅いトレンチ分離誘電体層等として低い誘電率（ｋ＜４、好ましくは３未満）を有する絶縁体を使用することが必要となっている。ｋの低い絶縁体は、導電性材料の上に直接堆積するか、あるいは副生物や水分等の汚染物の導電性材料への拡散を防止するライナー／バリア層の上に堆積することができる。例えばｋの低い絶縁体の形成時に生成され得る水分は直ぐに、導電性金属の表面に拡散して導電性金属表面の抵抗率を増加させる。通常の酸化珪素あるいは窒化珪素材料から形成されるバリア／ライナー層は、副生物や汚染物の拡散を阻止することができる。しかしながらバリア／ライナー層、例えばＳｉＮは一般に、４．０よりかなり大きな誘電率を持っており、その結果この高い誘電率は、誘電率を余り大きく減らさない組合せ絶縁体をもたらす。
図１Ａは、国際公開番号ＷＯ９４／０１８８５号に記載のギャップ充填層を堆積する方法を示す。このＰＥＣＶＤプロセスは、基板４の上に形成された金属線３を有するパターニングされた金属層の上に二酸化珪素（ＳｉＯ2）ライナー層２が最初に堆積されるマルチコンポーネント誘電体層を堆積する。ライナー層２は、３００℃でのシラン（ＳｉＨ4）と亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）とのプラズマ増速反応によって堆積される。それからシランとヒドロキシル化合物との反応によってライナー層２の上に、自己平滑化低誘電率誘電体層５が堆積される。この自己平滑化層５は、硬化によって除去される水分を保持している。ライナー層２は、少なくとも４．５の誘電率を与える仕方で堆積されるときにバリア特性を持つ酸化されたシラン薄膜である。酸化されたシラン薄膜の誘電率は、水分バリア特性を得るためにより好ましくないプロセス条件を選択することによって約４．１にまで減少させることができる。ＳｉＮといった通常のライナー層は、更に高い誘電率を持っており、低誘電率誘電体層と高誘電率誘電体ライナー層との組合せは、全体としての誘電率と容量結合とを、殆どあるいは全く改善できない。シランとＮ2Ｏとの反応によって自己平滑化低誘電率誘電体層５の上に任意選択のＳｉＯ2キャップ層を堆積することができる。
ヒドロキシル基を形成するために過酸化水素をシランと反応させることによって生成されるギャップ充填層が知られているが、低い誘電率を有する均一な薄膜を得ることは困難である。半導体基板上に堆積された層の厚さは、一般に正確な量の反応物を供給することによって制御される。しかしながら過酸化水素は一般に、水のなかに溶液として蓄えられており、反応チャンバ内に正確な量の過酸化水素とシランとを供給することは困難である。したがって制御が更に容易である、珪素化合物とヒドロキシル形成化合物とを組み合わせる方法が必要となっている。
１９９７年１月１４日に発行された米国特許第５，５９３，７４１号には、テトラエトキシシラン（テトラエチルオルソシリケートとしても知られるＴＥＯＳ）といった有機珪素化合物を酸素および／あるいはオゾンと結合させることによって生成される酸化珪素層を使用するギャップ充填プロセスが記載されている。このプロセスは、水蒸気、過酸化水素あるいは酸素化されると水を形成するアルコールといった、任意選択の水の源を含むことができる。ギャップ充填層は、プラズマを形成するために使われた電力源を止めることによって同じコンポーネントから絶縁保護層のプラズマ増速堆積に続いて堆積される。反応器内の水の存在は、ギャップ充填プロセスを僅かに改善すると考えられていた。
１９９７年３月１１日に発行された米国特許第５，６１０，１０５号には、水とＴＥＯＳの低温ＰＥＣＶＤと、その後、誘電体層の密度を高めるための酸素雰囲気中でのアニール処理とによって生成されるインターメタル誘電体層が記載されている。
１９９８年１月２０日に発行された米国特許第５，７１０，０７９号には、オゾンを分解するためにＵＶ光を使って、ＴＥＯＳといった有機珪素化合物をオゾンと水とに結合させることによって生成される酸化珪素層を使用するギャップ充填プロセスが記載されている。オゾンの急速な分解は、水と結合して過酸化物を形成する原子状酸素を形成すると想定された。
１９９４年１１月１日に発行された米国特許第５，３６０，６４６号には、ＴＥＯＳを酢酸と結合させることによって生成される酸化珪素を使用するギャップ充填プロセスが記載されている。ＴＥＯＳ内の高度に電気陰性の酸素は酢酸からの水素と反応して、堆積された酸化珪素薄膜内にヒドロキシル基を形成する。
ヒドロキシル基を含有する酸化珪素を堆積するための利用可能なこれらの方法は、低誘電率を有する均一な誘電体層を生成しない。したがって、ヒドロキシル基を含有し、低誘電率を有する酸化珪素の均一な堆積を与えるプロセスが望まれている。
本発明は、サブミクロン素子におけるギャップ充填層、プリメタル誘電体層、インターメタル誘電体層、浅いトレンチ分離誘電体層等として使用するための低誘電率を有する酸化珪素層を均一に堆積するための方法と装置とを提供する。本方法は、約４００℃未満の基板温度で炭素を含有する一つ以上の珪素化合物（すなわち有機珪素化合物）をヒドロキシル形成化合物と反応させる工程を含んでいる。これらの有機珪素化合物は、過酸化水素あるいはジメチルジオキシランといったヒドロキシル形成化合物との反応後に、堆積された誘電体層内に残留する一つ以上の珪素・炭素結合を含有していることが好ましい。ヒドロキシル形成化合物は、堆積の前あるいは堆積の時に、オゾンとＵＶ光とを使う水の酸化によるか、ジメチルジオキシランを形成するためのアセトンとモノペルオキシ硫酸カリウムとの反応によるか、アセトンと過酸化水素とを生成するためのイソプロピルアルコールのオゾンあるいは酸素による酸化といったヒドロキシルを形成する有機化合物の酸化によって生成することができる。更にヒドロキシル形成化合物は、ヒドロキシル基を形成するためにシロキサン化合物と反応する水素を供給する酢酸といった酸、あるいは水と反応してヒドロキシル化合物を形成する酸性化合物であることもある。
誘電体層は、有機珪素化合物と酸化ガスとを含むプロセスガスから、パターニングされた金属層の上に絶縁保護ライナー層を堆積することによって製造されることが好ましい。このプロセスは任意選択的に、０．０５Ｗ／ｃｍ2から約１０００Ｗ／ｃｍ2の高周波電力密度、好ましくは約１Ｗ／ｃｍ2未満の電力密度、最も好ましくは約０．１Ｗ／ｃｍ2から約０．３Ｗ／ｃｍ2の範囲の電力密度を使って、プラズマ支援される。それからギャップ充填層は、珪素化合物とヒドロキシル形成化合物とを含むプロセスガスから、約３００℃未満の温度で、好ましくは珪素・炭素結合を含有する有機珪素化合物を使用するときに約４０℃未満の温度で、ライナー層の上に堆積される。均一な誘電体層の堆積は、水といったヒドロキシル形成化合物を遠隔マイクロ波チャンバあるいは高周波チャンバ内で解離することによって実質的に増速される。
均一な低誘電率誘電体層を生成する有機珪素化合物は、メチルシランＣＨ3ＳｉＨ3、ジメチルシラン（ＣＨ3）2ＳｉＨ2、トリメチルシラン（（ＣＨ3）3ＳｉＨ、１，１，３，３−テトラメチルジシラン（ＣＨ3）2−ＳｉＨ−Ｏ−ＳｉＨ−（ＣＨ3）2のように一つ以上の珪素・水素結合を持っていることが好ましい。ギャップ充填層はまた、テトラメチルシラン（ＣＨ3）4Ｓｉ、テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）といった他の有機珪素化合物から均一に堆積することもできる。酸化珪素層は、水分含有量といった薄膜特性を安定化するために低圧高温で硬化される。
本発明はまた、反応領域とその反応領域内に基板を位置決めする基板保持具と真空システムとを有するチャンバと、有機珪素化合物とヒドロキシル形成化合物との供給源に前記チャンバの反応領域を連結するガス供給システムと、前記反応領域内でプラズマを発生させるための、前記ガス供給システムに連結された高周波発生器と、前記チャンバとガス供給システムと高周波発生器とを制御するための、コンピュータを含むコントローラとを有する基板処理システムを提供する。このコントローラは、このコントローラに接続されたメモリを持っており、このメモリは、サブミクロン素子においてギャップ充填層、プリメタル誘電体層、インターメタル誘電体層、あるいは浅いトレンチ分離誘電体層を堆積する方法を選択するためのコンピュータ読取り可能なプログラムコードを含むコンピュータ使用可能媒体からなっている。
当業者に周知な方法によって基板上に堆積された誘電体層の概略図である。 当業者に周知な方法によって基板上に堆積された誘電体層の概略図である。 本発明によって使用されるように構成された例示的ＣＶＤプラズマ反応器の断面図である。 図２の反応器に入れる前にプロセスガスを解離するための遠隔マイクロ波チャンバの概略図である。 図２の反応器への水、過酸化水素といった液体の供給を制御する液体注入システムの概略図である。 図２の例示的反応器と共に使われるプロセス制御コンピュータプログラム製品の流れ図である。 本発明の一実施形態によるギャップ充填プロセスにおけるライナー層とキャップ層との堆積の際に行われる各工程を示す流れ図である。 図６のプロセスによって基板上に堆積される各層の概略図である。 図６のプロセスによって基板上に堆積される各層の概略図である。 図６のプロセスによって基板上に堆積される各層の概略図である。 図６のプロセスによって基板上に堆積される各層の概略図である。 図６のプロセスによって基板上に堆積される各層の概略図である。
本発明の上述の特徴、利点、目的が達成され、また詳細に理解できるように、上記に簡潔に要約された本発明の更に特定的な説明は、付属の図面に例示されている本発明の実施形態の参照によって行うことができる。しかしながらこれらの付属の図面は、本発明の単に代表的な実施形態を例示するものであり、したがって本発明の範囲を限定するものとは考えられないことに留意すべきである。それは、本発明が他の等しく効果的な実施形態にも適用できるからである。
本発明は、低誘電率（ｋ＜約４）を有する酸化珪素層を均一に堆積する方法と装置とを提供する。この酸化珪素層は、有機シランあるいは有機シロキサンといった有機珪素化合物を約４００℃未満の基板温度で、Ｈ2Ｏ2、ジメチルジオキシラン、酢酸、あるいは水といったヒドロキシル形成化合物と反応させることによって生成される。酸化珪素層は、サブミクロン素子におけるギャップ充填層、プリメタル誘電体層、インターメンタル誘電体層、浅いトレンチ分離誘電体層として使用できる。この酸化珪素層は、炭素をドープされた酸化珪素薄膜を形成するために約５００℃未満の温度で硬化される。
約４０℃未満の基板温度で堆積されると誘電体層は、自己平滑化して、金属線間のサブミクロンのギャップの充填によく適応する。本発明のギャップ充填層は、同じあるいは異なる有機シランあるいは有機シロキサン化合物のプラズマ増速酸化によって堆積されたライナー層の上に堆積されることが好ましい。この酸化珪素層内に残留する炭素は、低い誘電率に寄与する。有機珪素化合物が一つ以上のＳｉ−Ｃ結合を含有すると、この残留炭素は原子量で約１％と約５０％との間にある。
酸化珪素層は、処理状況における酸化によって直ぐには除去されない少なくとも一つのＳｉ−Ｃ結合、好ましくは少なくとも二つのＳｉ−Ｃ結合を持っている珪素化合物から生成されることが好ましい。適当な有機基もまた、アルケニル・シクロヘキセニル基および官能基誘導体を含むことができる。このような有機珪素化合物には、下記の物が含まれる：
メチルシラン CH3-SiH3、
ジメチルシラン (CH3)2-SiH2、
トリメチルシラン (CH3)3-SiH、
テトラメチルシラン (CH3)4Si、
テトラエトキシシラン (CH3-CH2-O-)4-Si、
ジメチルシランジオール (CH3)2-Si-(OH)2、
エチルシラン CH3-CH2-SiH3、
フェニルシラン C6H5-SiH3、
ジフェニルシラン (C6H5)2-SiH2、
ジフェニルシランジオール (C6H5)2-Si-(OH)3、
メチルフェニルシラン C6H5-SiH2-CH3、
ジシラノメタン SiH3-CH2-SiH3、
ビス(メチルシラノ)メタン CH3-SiH2-CH2-SiH2-CH3、
1,2-ジシラノエタン SiH3-CH2-CH2-SiH3、
1,2-ビス(メチルシラノ)エタン CH3-SiH2-CH2-CH2-SiH2-CH3、
2,2-ジシラノプロパン SiH3-C(CH3)2-SiH3、
1,3,5-トリシラノ-2,4,6-トリメチレン (-SiH2CH2-)3-(環状) 、
1,3-ジメチルジシロキサン CH3-SiH2-O-SiH2-CH3、
1,1,3,3-テトラメチルジシロキサン (CH3)2-SiH-O-SiH-(CH3)2、
ヘキサメチルジシロキサン (CH3)3-Si-O-Si-(CH3)3、
1,3-ビス(シラノメチレン)ジシロキサン (SiH3-CH2-SiH2-)2-O、
ビス(1-メチルジシロキサニル)メタン (CH3-SiH2-O-SiH2-)2-CH2、
2,2-ビス(1-メチルジシロキサニル)プロパン (CH3-SiH2-O-SiH2-)2-CCH3)2、
2,4,6,8-テトラメチルシクロテトラシロキサン (-SiHCH3-O-)4(環状)、
オクタメチルシクロテトラシロキサン -(-Si(CH3)2-O-)4(環状)、
2,4,6,8,10-ペンタメチルシクロペンタシロキサン -(-SiHCH3-O-)5(環状)、
1,3,5,7-テトラシラノ-2,6-ジオキシ-4,8-ジメチレン -(-SiH2-CH2-SiH2-O-)2-(環状)、
2,4,6-トリシランテトラヒドロピラン -SiH2-CH2-SiH2-CH2-SiH2-O-(環状)、
2,5-ジシランテトラヒドロフラン -SiH2-CH2-CH2-SiH2-O-(環状)。
ギャップ充填層がライナー層上に堆積されるとき、このライナー層は、堆積された薄膜の炭素含有量が原子量で約１％から約５０％になるように、好ましくは約５％から約３０％になるように、上述のように酸素（Ｏ2）か、亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）といった酸素含有化合物か、オゾン（Ｏ3）か、二酸化炭素（ＣＯ2）かによって、好ましくはＯ2あるいはＮ2Ｏによって有機珪素化合物を酸化させることによって準備されることが好ましい。酸化された有機珪素層は、約３．０の誘電率を有し、優れたバリア特性を持っている。この酸化された有機珪素層は更に、通常の低誘電率誘電体と比較して高い酸化物含有量と良好な密着特性とを持っている。
酸化化合物は、反応チャンバに入る前に反応性を増進するために解離されることが好ましい。反応化合物の解離を増進するために堆積チャンバに高周波電力を接続することもできる。酸化化合物は、珪素含有化合物の過度の解離を減らすために堆積チャンバに入れる前に遠隔マイクロ波チャンバあるいは遠隔プラズマチャンバ内で解離することもできる。酸化珪素層の堆積は、連続的でも不連続的でもよい。堆積は単一の堆積チャンバ内で行われることが好ましいが二つ以上の堆積チャンバ内で逐次的に堆積することもできる。更に高周波電力は、基板の加熱を減らし、堆積された薄膜の多孔性を増進するために循環させるかパルスにしてもよい。酸化珪素層の堆積中、基板は約−２０℃から約４００℃までの温度に、好ましくは約−２０℃から４０℃までの温度に維持される。
ギャップ充填層に関しては、上述の有機珪素化合物は、好ましくは米国特許第５，７１０，０７９号（参考のためにここに組み入れてある）に記載のように約２５４ナノメータの波長を有するＵＶ光の存在の下でオゾン（Ｏ3）と水（Ｈ2０）2とを組み合わせることによって反応システム内で生成される過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）との反応によるか、米国特許第４，３０３，６３２号（参考のためにここに組み入れてある）に記載のように有機化合物の酸化による下記のようなジメチルジオキシランといったオキシラン化合物との反応によるか、あるいは米国特許第５，３６０，６４６号（参考のためにここに組み入れてある）に記載のような酢酸との反応によるか、といったヒドロキシル形成化合物との反応によって、堆積時に酸化される。ヒドロキシル形成化合物はまた、遠隔高周波チャンバあるいは遠隔マイクロ波チャンバ内で解離されることが好ましい。ギャップ充填層は、原子量で約１％から約５０％、最も好ましくは約５％から約３０％の炭素含有量を持っていることが好ましい。ギャップ充填層の堆積中、基板は、約−２０℃から約４００℃までの温度に維持され、好ましくはＳｉ−Ｃ結合含有有機珪素化合物のためには約−２０℃から約４０℃の温度に維持される。約４００℃より高い温度で硬化された後にギャップ充填層は、約３．５未満の誘電率を持つ。酸化された有機珪素層は更に、良好な密着特性を有する。
ヒドロキシル形成化合物と反応した有機珪素化合物はまた、良好なバリア特性を有する酸化ライナー層を用意するために使うこともできる。ライナー層を用意するために使われるとき有機珪素化合物は下記の構造を持つことが好ましい：
Figure 2011071555
ここで各Ｓｉは１個あるいは２個の炭素原子と結合しており、Ｃは有機基、好ましくは−ＣＨ3、−ＣＨ2−ＣＨ3、−ＣＨ2−あるいはＣＨ2−ＣＨ2−といったアルキル基かアルケニル基、あるいはそれらのフッ化炭素誘導体に含まれる。フッ素化された誘導体内の炭素原子は、水素原子を置換するために部分的あるいは全体的にフッ素化することができる。有機シラン化合物あるいは有機シロキサン化合物は、２個以上のＳｉ原子を含んでおり、各Ｓｉは、−Ｏ−、−Ｃ−、あるいはＣ−Ｃ−によって他のＳｉと分離されているが、ここでＣは、有機基、好ましくは−ＣＨ2−、−ＣＨ2−ＣＨ2−、−ＣＨ（ＣＨ3）−あるいはＣ（ＣＨ3）2−といったアルキル基かアルケニル基、あるいはそれらのフッ素化誘導体に含まれる。
有機珪素化合物内の炭化水素基は、部分的あるいは全面的にフッ素化されてＣ−Ｈ結合をＣ−Ｆ結合に変換する。好適な有機珪素化合物の多くは、商業的に入手可能である。誘電率、酸化物含有量、疎水性、薄膜応力、プラズマエッチング特性といった一組の所望の特性を用意するために二つ以上の有機珪素化合物の組合せを使用することができる。
有機珪素化合物とヒドロキシル形成化合物との反応は、ガス状反応物を解離する熱、高周波あるいはマイクロ波エネルギーの印加によって起こり、またいかなる解離でも反応器に入る前に起こることが好ましい。酸化された化合物は、堆積された薄膜を形成する基板といった、より低い温度の表面に付着する。堆積された薄膜は、水分バリア特性を改善するために、約１００℃から約５００℃までの温度、好ましくは約４００℃を超える温度で水を除去するために堆積チャンバ内で硬化される。この堆積された薄膜は、バリア特性を備えるに十分な炭素含有量を持っている。
本発明は更に、反応領域と、この反応領域内で基板を位置決めする基板保持具と、真空システムとを含むチャンバを有する基板処理システムを提供する。この処理システムは更に、チャンバの反応領域を有機シランあるいは有機シロキサン、酸化ガスおよび不活性ガスの供給源に接続するガス供給システムと、このガス供給システムに連結され、この反応領域内でプラズマを発生させる高周波発生器とを含んでいる。ガス供給システムは、ジメチルジオキシランといったヒドロキシル形成化合物の供給源、あるいはアセトン、モノペルオキシ硫酸カリウムといったガス状反応物を混合するための、あるいは水、過酸化水素、あるいは酸化してヒドロキシル形成化合物と揮発性副生物とを形成する有機化合物といった液状反応物を気化するための気体／液体注入システムを含むこともある。この処理システムは更に、チャンバとガス供給システムとを制御するコンピュータを含むコントローラと、このコントローラに接続されたメモリとを持っており、このメモリは、有機珪素化合物をヒドロキシル形成化合物と反応させて低誘電率薄膜を堆積する処理工程を選択するためのコンピュータ読取り可能プログラムコードを持ったコンピュータ使用可能媒体からなっている。
本発明の更なる説明は、本発明の酸化珪素層を堆積するための特定の装置と、好適な酸化珪素薄膜とに関する。
例示的ＣＶＤプラズマ反応器本発明の方法を実施できる一つの適当なＣＶＤ反応器が図２に示されており、図２は、高真空領域１５を有する平行平板型化学気相堆積（ＣＶＤ）反応器１０の縦断面図である。反応器１０は、昇降モータ１４によって上昇あるいは下降させられる基板支持プレートあるいはサセプタ１２上に静止する基板あるいはウェハ（図示せず）にマニホールド内に開けられた孔を通してプロセスガスを分散させるガス供給マニホールド１１を持っている。液状の有機シランおよび／あるいは有機シロキサン化合物を注入するために一般にＴＥＯＳの液体注入に使われるような液体注入システム（図示せず）が設けられることもある。好適な有機珪素化合物は、気体である。
反応器１０は、抵抗加熱コイル（図示せず）あるいは外部ランプ（図示せず）などによるプロセスガスと基板の加熱を含んでいる。図２を参照すれば、サセプタ１２は、サセプタ１２（とサセプタ１２の上面に支持された基板と）が下方の積載／積み卸し位置とマニホールド１１に隣接した上方の処理位置との間で制御可能に移動できるように支持ステム１３上に取り付けられる。
サセプタ１２と基板が処理位置１４にあるとき、これらは絶縁体１７によって囲まれており、プロセスガスはマニホールド２４内に排気される。処理時に、マニホールド１１に取り込まれるガスは、基板の表面全体に亘って放射状に均一に分配される。絞り弁を有する真空ポンプ３２は、チャンバからのガスの排気速度を制御する。
マニホールド１１に到達する前に堆積ガスとキャリアガスは、ガスライン１８を経由して混合システム１９内に入力され、そこでこれらのガスは合わされて、それからマニホールド１１に送られる。酸化ガスは任意選択的に、オゾン分解用のＵＶ光チャンバといった追加のチャンバ２８、過酸化水素あるいは他の有機化合物の気化用の図３に述べるような液体注入システム、水あるいはＮ2Ｏといった酸化ガスの解離用のマイクロ波印加装置、あるいはプロセスガスの活性化をアシストする遠隔高周波印加装置といった他のエネルギー源を経由して導入されることもある。一般にプロセスガスの各々のためのプロセスガス供給ラインはまた、（ｉ）チャンバ内へのプロセスガスの流入を自動的あるいは手動的に遮断するために使用できる安全遮断弁（図示せず）と、（ｉｉ）ガス供給ラインを通るガスの流れを測定するマスフロー・コントローラ（図示せず）とを含む。プロセスで有毒ガスが使われるときには、通常の構成で各ガス供給ラインに数個の安全遮断弁が配置される。
反応器１０内で実行される堆積プロセスは、熱的プロセスか、ＲＦあるいはマイクロ波増速プロセスのいずれでもよい。一実施形態では、制御されたプラズマは一般に、ＲＦ（高周波）電源２５から分配マニホールド１１に印加されるＲＦ（高周波）エネルギーによって基板に隣接して形成される（サセプタ１２は接地されている）。その代替としてＲＦ電力をサセプタ１２に与えるか、異なる周波数で異なるコンポーネントに与えることもできる。ＲＦ電源２５は、高真空領域１５内に導入される反応種の分解を促進するために単一あるいは混合周波数のＲＦ電力を供給することができる。混合周波数ＲＦ電源は一般に、１３．５６ＭＨｚの高周波ＲＦ（ＲＦ１）で分配マニホールド１１に電力を供給し、３６０ＫＨｚの低周波ＲＦ（ＲＦ２）でサセプタ１２に電力を供給する。本発明の酸化珪素層は、低レベルの一定高周波ＲＦ電力あるいはパルス化されたレベルの高周波ＲＦ電力を使って生成されることが最も好ましい。パルス化されたＲＦ電力は、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を、約１０％から約３０％のデューティサイクルの時に、好ましくは約２０Ｗから約５００Ｗで、最も好ましくは２０Ｗから約２５０Ｗで供給する。一定ＲＦ電力は、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を、好ましくは約１０Ｗから約２００Ｗで、更に好ましくは約２０Ｗから約１００Ｗで供給する。低電力の堆積プロセスは、約−２０℃から約４０℃の温度範囲で行うことが好ましい。好適な温度範囲では、堆積された薄膜は、堆積時に部分的に重合し、この後の薄膜の硬化時に重合が完了する。
酸化ガスあるいはヒドロキシル形成化合物の解離が所望のときは、図３で詳述する任意選択のマイクロ波チャンバ、あるいは遠隔ＲＦプラズマチャンバが、堆積チャンバに入れる前に、水、Ｏ2、あるいはＮ2Ｏといった酸化ガスに０から３０００Ｗの電力を入力する。マイクロ波あるいはＲＦ電力のプロセスガスへの別々の印加は、解離したガスとの反応の前の珪素化合物の過度の解離を防止する。珪素化合物とプロセスガスのために別々の通路を有するガス分配プレートは、プロセスガスの一つにマイクロ波電力を印加するときに好適である。
一般に、チャンバ・ライニング、分配マニホールド１１、サセプタ１２、その他種々の反応器ハードウエアのいずれか、あるいはすべては、アルミニウム、陽極処理アルミニウムあるいはセラミックといった材料から作られる。このようなＣＶＤ反応器の例は、Ｗａｎｇ等に発行され、本発明の譲受人であるＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．に譲渡された、「二酸化珪素の熱化学蒸着（熱ＣＶＤ）とインシトゥマルチステップ平滑化プロセスとのための熱ＣＶＤ／ＰＥＣＶＤ反応器とその使用法（Ａ Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ／ＰＥＣＶＤ Ｒｅａｃｔｏｒ ａｎｄ Ｕｓｅ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅａｎｄ Ｉｎ−ｓｉｔｕ Ｍｕｌｔｉ−ｓｔｅｐ Ｐｌａｎａｒｉｚｅｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ）」と題する、米国特許第５，０００，１１３号公報に記載されている。
昇降モータ１４は、処理位置と下方の基板積載位置との間でサセプタ１２を昇降させる。このモータとガス混合システム１９と高周波電源２５は、制御線３６を介してシステムコントローラ３４によって制御される。反応器は、好適な実施形態ではハードディスク駆動装置であるメモリ３８内に記憶されたシステム制御ソフトウエアを実行するシステムコントローラ３４によって制御される、マスフロー・コントローラ（ＭＦＣ）といったアナログの組立て部と、標準の、あるいはパルスの高周波発生器とを含んでいる。真空ポンプ３２の絞り弁、サセプタ１２を位置決めするモータといった可動の機械的組立て部の位置を動かし、決定するために、モータと光学センサとが使用される。
システムコントローラ３４は、本ＣＶＤ反応器の活動のすべてを制御しており、本コントローラ３４の好適な実施形態は、ハードディスク駆動装置とフロッピー（登録商標）ディスク駆動装置とカードラックとを含む。カードラックは、シングルボード・コンピュータ（ＳＢＣ）とアナログおよびディジタルの入力／出力ボードとインタフェース・ボードとパルスモータ制御ボードとを持っている。システムコントローラは、ボードとカードケージとコネクタとの寸法とタイプとを定義しているＶｅｒｓａＭｏｄｕｌａｒ Ｅｕｒｏｐｅａｎｓ（ＶＭＥ）規格に準拠している。このＶＭＥ規格はまた、１６ビット・データバスと２４ビット・アドレスバスとを有するバス構造も定義している。
本システムコントローラ３４は、ハードディスク駆動装置３８に記憶されたコンピュータプログラムの制御下で動作する。このコンピュータプログラムは、ある特定のプロセスのタイミング、ガスの混合、高周波電力レベル、サセプタ位置、その他のパラメータを指示する。
図３は、本発明の一実施形態による、反応器１０に入れる前に水といったプロセスガスを解離するための遠隔マイクロ波チャンバ２８の単純化された図である。遠隔マイクロ波チャンバ２８は、アプリケータ・チューブ（プラズマ印加管）９２と、紫外線（ＵＶ）ランプ１３１とＵＶ電源１３３とを含むプラズマ点火システムと、接合部１１９で相互に連結できる種々の長さの直線導波管部／曲線導波管部１１５、１１７を有するマイクロ波導波管システムと、自動インピーダンス整合用にフィードバックを必要とする各実施形態のために任意選択の位相検出器１０３を含むこともあるインピーダンス整合システム１０１を含む各要素を最適化する出力導波管部１２１と、負荷１０７を有するサーキュレータ１０５と、マグネトロン１１１とを含んでいる。
マグネトロン１１１は、約２．４５ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数のマイクロ波の連続波（ＣＷ）出力あるいはパルス出力用の約０から３０００Ｗの間で動作できる一般的なマグネトロン源である。もちろん他のマグネトロンを利用することもできる。サーキュレータ１０５は、マグネトロン１１１からアプリケータ・チューブ９２に向う前進方向のマイクロ波伝送のみを可能にしている。負荷１０７は、導波管システムから反射してマグネトロン７１１の方に戻ってくる如何なるパワーも吸収する。サーキュレータ１０５は、他の導波管部１１５に連結された位相検出器１０３に連結された導波管部１１５に連結している。位相検出器１０３はもし利用されるならば、取り付けられたチューニングあるいはマッチングシステム１０１を有する他の導波管部１１５に曲線導波管部１１７を介して連結される。スタブ・チューナーあるいはその他のチューニング要素を使用することもあるチューニングシステム１０１は、マイクロ波チャンバ２８に、導波管部１２１の負荷を各導波管部のインピーダンス特性に整合させる能力を与える。チューニングシステム１０１は、特定の実施形態にしたがって、固定チューニングか、手動チューニングか、自動チューニングを備えている。自動チューニングを使用する実施形態の場合、位相検出器１０３は、適当に負荷を知的・動的に整合させるマッチングシステム１０１にフィードバックのために伝送されるマイクロ波の位相を検出する３ダイオードアレイである。この特定の実施形態では導波管部は矩形断面を持っているが、他のタイプの導波管部でも使用可能である。
アプリケータ・チューブ９２は、複合材料あるいはセラミック材料、好ましくはアルミナ、その他ラジカルによるエッチングに耐える材料で作られた、円形の（あるいは他の断面形状の）チューブである。ある特定の実施形態ではアプリケータ・チューブ９２は、約１８から２４インチの長さと約３から４インチの断面直径を持っている。アプリケータ・チューブ９２は、導波管部１２１を貫通して配置されており、この導波管部１２１はマイクロ波を伝送するために一端が開いており、他端は金属壁で終端されている。マイクロ波は、導波管部１２１の開口端を通って、マイクロ波に対して透過性のあるアプリケータ・チューブ９２内のガスにまで伝送される。アプリケータ・チューブ９２の内部にサファイアといった他の材料が使用できるのは無論である。他の実施形態では、アプリケータ・チューブ９２は、金属の外面と複合材料あるいはセラミック材料の内面とを持っており、導波管部１２１内のマイクロ波は、アプリケータ・チューブ９２の外面を通る窓に入ってチューブ９２の露出した内面に達し、ガスを付勢する。
図４は、反応器１０にヒドロキシル化合物を供給する代替の方法を示す。この実施形態では、図２の任意選択のチャンバ２８は、気化と、混合チャンバ１９内での酸素および／あるいはオゾンといった他のガスとの混合とに先立って、水あるいは過酸化水素あるいは２エチルアントラヒドロキノン、ベンズヒドロールあるいはイソプロピルアルコールといった他の液体反応物の流れを精密に測定するフロー・コントローラ４４を有する液体注入システム４２である。注入システム４２からの液体の均一な流れは、非反応性ガス、代表的にはヘリウムをシステム４２内に導入して知られたボリュームの液体を追い出すことによって得られる。この液体は任意選択的に、混合チャンバ１９に入る前にマイクロ波チャンバあるいはＵＶチャンバといったエネルギー・チャンバ４４内で気化される。酸化ガスあるいはヒドロキシル形成ガスの流れは、反応物の流れを精密に制御するフローメーター４０で測定される。反応器ポンプ３２は、混合チャンバ１９から組合せガスを引く。この組合せガスは、図３で説明したようにガスを解離するためにマイクロ波チャンバ２８あるいは他のチャンバを通過できることは無論である。
図５を参照すれば、本発明のプロセスは、例えばシステムコントローラ３４上を走行するコンピュータプログラム製品４１０を使って実現できる。このコンピュータプログラム・コードは、例えば６８０００アセンブリー言語、Ｃ、Ｃ＋＋あるいはパスカルといった通常のコンピュータ読取り可能プログラミング言語で書くことができる。適当なプログラムコードは、通常のテキスト・エディタを使って単一ファイルあるいは多数ファイルに入れられ、コンピュータのメモリシステムといったコンピュータ使用可能媒体に記憶されるか、具体化される。もし入力されたコード・テキストが高級言語で書かれていれば、このコードはコンパイルされ、結果として得られたコンパイラ・コードはそれからプリコンパイルされたウィンドウズライブラリ・ルーチンのオブジェクトコードにリンクされる。リンクされたコンパイル済みオブジェクトコードを実行するためにシステムユーザは、オブジェクトコードを呼び出して、コンピュータシステムにそのコードをメモリ内にロードさせて、ＣＰＵはそのメモリからコードを読み取って実行し、プログラム内で識別されたタスクを実行する。
図５は、コンピュータプログラム４１０の階層的制御構造の例示的ブロック図である。ユーザは、プロセスセット番号とプロセスチャンバ番号とをプロセスセレクタ・サブルーチン４２０に入力する。プロセスセットは、指定されたプロセスを実行するために必要なプロセスパラメータの予め決められたセットであって、予め定義されたセット番号によって識別される。プロセスセレクタ・サブルーチン４２０は、（ｉ）Ｃｅｎｔｕｒａ（登録商標名）プラットフォーム（ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能）といったクラスタ・ツール上の所望のチャンバを選択し、また（ｉｉ）所望のプロセスを実行するプロセスチャンバを動作させるために必要なプロセスパラメータの所望のセットを選択する。特定のプロセスを実行するためのプロセスパラメータは、例えばプロセスガスの組成と流量、温度、圧力、高周波バイアス電力レベルと磁界電力レベルといったプラズマ条件、冷却ガス圧力、およびチャンバ壁温度などといったプロセス条件に関係しており、レシピの形でユーザに提供される。このレシピによって指定されるパラメータは、ライトペン／ＣＲＴモニタ・インタフェースを利用して入力される。
プロセスを監視するための信号は、システムコントローラのアナログ入力ボードとディジタル入力ボードとによって与えられ、プロセスを制御するための信号は、システムコントローラ３４のアナログ出力ボードとディジタル出力ボードとに出力される。
プロセスシーケンサ・サブルーチン４３０は、識別されたプロセスチャンバとプロセスパラメータのセットとをプロセスセレクタ・サブルーチン４２０から受け入れて、種々のプロセスチャンバの動作を制御するプログラムコードを持っている。多数ユーザがプロセスセット番号とプロセスチャンバ番号とを入力でき、あるいは一人のユーザが多数のプロセスチャンバ番号を入力できるので、シーケンサ・サブルーチン４３０は、選択されたプロセスを所望の順序にスケジューリングするように動作する。シーケンサ・サブルーチン４３０は、（ｉ）チャンバが使用中であるかどうかを決定するためにプロセスチャンバの動作を監視する工程と、（ｉｉ）使用中のチャンバ内でどの様なプロセスが実行中であるかを決定する工程と、（ｉｉｉ）実行すべきプロセスのプロセスチャンバとプロセスタイプとの利用可能性に基づいて所望のプロセスを実行する工程とを実行するためのコンピュータ読取り可能プログラムコードを含んでいることが好ましい。プロセスチャンバを監視するためには、ポーリングといった通常の方法が使用できる。どのプロセスを実行すべきかをスケジューリングするときに、シーケンサ・サブルーチン４３０は、選択されたプロセスに関する所望のプロセス条件、あるいは各特定のユーザ入力の要求の「年齢」、あるいはスケジューリングの優先順位を決めるためにシステムプログラマが含ませたいと希望するその他の関連要因と比較して、使用中のプロセスチャンバの現在条件を考慮に入れるように設計することができる。
一旦、シーケンサ・サブルーチン４３０がどのプロセスチャンバとプロセスセットの組合せを次に実行しようとしているかを決定すれば、シーケンサ・サブルーチン４３０によって決定されたプロセスセットにしたがって、シーケンサ・サブルーチン４３０は、特定のプロセスセット・パラメータを反応器１０内の多数の処理タスクを制御するチャンバマネージャ・サブルーチン４４０に渡すことによってそのプロセスを実行させる。例えばチャンバマネージャ・サブルーチン４４０は、プロセスチャンバ１０内のＣＶＤプロセス動作を制御するためのプログラムコードを持っている。チャンバマネージャ・サブルーチン４４０はまた、選択されたプロセスセットを実行するために必要なチャンバコンポーネントの動作を制御する種々のチャンバコンポーネント・サブルーチンの実行も制御する。チャンバコンポーネント・サブルーチンの例としては、サセプタ制御サブルーチン４５０、プロセスガス制御サブルーチン４６０、圧力制御サブルーチン４７０、ヒータ制御サブルーチン４８０、プラズマ制御サブルーチン４９０がある。本技術に通常のスキルを有する人々であれば、反応器１０内でどのようなプロセスを実行したいかによって他のチャンバ制御サブルーチンを含ませることができることは直ちに理解するであろう。
動作に際して、チャンバマネージャ・サブルーチン４４０は、実行する特定のプロセスセットにしたがってプロセスコンポーネント・サブルーチンを選択的にスケジューリングして呼び出す。チャンバマネージャ・サブルーチン４４０は、シーケンサ・サブルーチン４３０が、どの反応器１０とプロセスセットとを次に実行すべきかをどの様にスケジューリングするかと同様に、プロセスコンポーネント・サブルーチンをスケジューリングする。一般的にチャンバマネージャ・サブルーチン４４０は、種々のチャンバコンポーネントを監視する工程と、実行すべきプロセスセットに関するプロセスパラメータに基づいてどのコンポーネントを動作させる必要があるかを決定する工程と、これら監視工程と決定工程とに応じてチャンバコンポーネント・サブルーチンの実行を行わせる工程とを含んでいる。
さて図５を参照しながら、特定のチャンバコンポーネント・サブルーチンの動作を説明する。サセプタ制御位置決めサブルーチン４５０は、サセプタ１２の上に基板を積載するために、また任意選択的に基板を反応器１０内で所望の高さに引き上げて基板とガス分配マニホールド１１との間の間隔を制御するために使われる、チャンバコンポーネントを制御するためのプログラムコードを含んでいる。基板が反応器１０内に積載されるとき、サセプタ１２は下降して基板を受け、その後、サセプタ１２は、チャンバ内で所望の高さにまで上昇して、ＣＶＤプロセスの間中、ガス分配マニホールド１１から第１の距離あるいは間隔にこの基板を保持する。動作に際して、サセプタ制御サブルーチン４５０は、チャンバマネージャ・サブルーチン４４０から渡されたプロセスセット・パラメータに応じてサセプタ１２の動きを制御する。
プロセスガス制御サブルーチン４６０は、プロセスガスの組成と流量とを制御するためのプログラムコードを持っている。プロセスガス制御サブルーチン４６０は、安全遮断弁の開閉位置を制御し、また所望のガス流量を得るためにマスフロー・コントローラの立ち上げ／立ち下げ（ランプアップ／ランプダウン）を行う。プロセスガス制御サブルーチン４６０は、すべてのチャンバコンポーネント・サブルーチンと同様にチャンバマネージャ・サブルーチン４４０によって呼び出され、所望のガス流量に関係するプロセスパラメータをチャンバマネージャ・サブルーチンから受け取る。一般にプロセスガス制御サブルーチン４６０は、ガス供給ラインを開くことによって動作し、（ｉ）必要なマスフロー・コントローラを読み取り、（ｉｉ）その読みをチャンバマネージャ・サブルーチン４４０から受け取った所望の流量と比較し、（ｉｉｉ）必要に応じてガス供給ラインの流量を調整することを繰り返し行う。更にプロセスガス制御サブルーチン４６０は、危険な流量に関してガス流量を監視する工程と、危険状態が検出されたときに安全遮断弁を起動する工程とを含んでいる。
幾つかのプロセスでは、反応性プロセスガスがチャンバ内に導入される前にチャンバ内の圧力を安定化するために、反応器１０内にヘリウム、アルゴン、あるいは窒素といった非反応性ガスが流し込まれる。これらのプロセスでは、プロセスガス制御サブルーチン４６０は、チャンバ内の圧力を安定化するために必要な時間だけ反応器１０内に不活性ガスを流し込む工程を含むようにプログラミングされ、それから前述の各工程が実行されるであろう。更にプロセスガスが液状前駆物質、例えばイソプロピルアルコールから気化されることになっている場合には、プロセスガス制御サブルーチン４６０は、バブラー４２内で液状前駆物質を通してオゾンといった送出ガスを泡立てる工程を含むように書かれるであろう。このタイプのプロセスではプロセスガス制御サブルーチン４６０は、所望のプロセスガス流量を得るために送出ガスの流れとバブラー内の圧力とバブラー温度とを調整する。前述のように所望のプロセスガス流量は、プロセスパラメータとしてプロセスガス制御サブルーチン４６０に転送される。更にプロセスガス制御サブルーチン４６０は、所定のプロセスガス流量のために必要な値を収容している記憶されたテーブルにアクセスすることによって所望のプロセスガス流量のために必要な送出ガス流量とバブラー圧力とバブラー温度とを取得する工程を含んでいる。一旦、必要な値が取得されると、送出ガス流量とバブラー圧力とアブラー温度とが監視され、必要な値と比較され、それらにしたがって調整される。
圧力制御サブルーチン４７０は、排気ポンプ３２内の絞り弁の開口のサイズを調整することによって反応器１０内の圧力を制御するためのプログラムコードを持っている。絞り弁の開口のサイズは、全プロセスガス流量とプロセスチャンバのサイズと排気ポンプ３２のためのポンピング設定点圧力とに関して、チャンバ圧力を所望のレベルに制御するように設定される。圧力制御サブルーチン４７０が呼び出されると、チャンバマネージャ・サブルーチン４４０からのパラメータとして所望のあるいは目標の圧力レベルが受け取られる。圧力制御サブルーチン４７０は、チャンバに連結された一つ以上の在来型圧力マノメータを読み取ることによって反応器１０内の圧力を測定し、この測定値を目標圧力と比較し、この目標圧力に対応する、記憶された圧力テーブルからＰＩＤ（比例、積分、微分）値を取得し、この圧力テーブルから得られたＰＩＤ値にしたがって絞り弁を調整するように動作する。その代替として圧力制御サブルーチン４７０は、所望の圧力に反応器１０を調整するために特定の開口サイズに絞り弁を開くか閉じるように書くこともできる。
ヒータ制御サブルーチン４８０は、サセプタ１２を加熱するために使われる加熱モジュールの温度あるいは放射熱を制御するためのプログラムコードを持っている。このヒータ制御サブルーチン４８０もまた、チャンバマネージャ・サブルーチン４４０によって呼び出され、目標あるいは設定点温度パラメータを受け取る。このヒータ制御サブルーチン４８０は、サセプタ１２に配置された熱電対の電圧出力を測定することによって温度を測定し、この測定温度を設定点温度と比較し、設定点温度を得るために加熱モジュールに印加される電流を増加あるいは減少させる。この温度は、記憶された変換テーブル内の対応する温度を調べるか、４次多項式を使ってその温度を計算することによって、その測定された電圧から得られる。ヒータ制御サブルーチン４８０は、加熱モジュールに印加される電流の立ち上げ／立ち下げ（ランプアップ／ランプダウン）を徐々に制御する。徐々の立ち上げ／立ち下げは加熱モジュールの寿命と確実性を拡大する。更にプロセスの安全性遵守を検出するために内蔵フェールセーフ・モードを含むことができ、これによって、もし反応器１０が正しく起動されない場合に加熱モジュールの動作を停止させることができる。
プラズマ制御サブルーチン４９０は、反応器１０内のプロセス電極に印加される高周波バイアス電圧電力レベルを設定するための、また任意選択的に反応器１０内で生成される磁界のレベルを設定するためのプログラムコードを持っている。前述のチャンバコンポーネント・サブルーチンと同様に、このプラズマ制御サブルーチン４９０は、チャンバマネージャ・サブルーチン４４０によって呼び出される。
前述のＣＶＤシステムの説明は主として例示目的のためであって、電極サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマＣＶＤ装置、誘導結合高周波高密度プラズマＣＶＤ装置等といった他のプラズマＣＶＤ装置も使用できる。更にサセプタ設計、ヒータ設計、高周波電力接続の位置、その他における変形といった上述のシステムの変形も可能である。例えば基板は、抵抗加熱サセプタによって支持され、加熱されることも可能であろう。
３層ギャップ充填プロセスにおける酸化された有機シランあるいは有機シロキサン誘電体の堆積本発明の酸化された有機シランあるいは有機シロキサン層は、大抵の用途で酸化珪素層を置き換えるために使用できる。本発明の融通性を示す実施形態は、図２の反応器を使用する、図６に示す３層ギャップ充填プロセスである。図６を参照すると、反応器１０に基板が位置決めされ２００、低誘電率を有する酸化された有機シラン層が、有機シラン化合物および／あるいは有機シロキサン化合物とＯ2あるいはＮ2Ｏといった酸化ガスとを含むプラズマからＰＥＣＶＤプロセスによって堆積される（工程２０５）。この堆積工程２０５は、本技術で知られた方法によるチャンバ１５内の容量結合プラズマあるいは誘導結合・容量結合の両プラズマを含むことができる。プラズマ発生を助けるためにＰＥＣＶＤプロセスでは一般に、ヘリウムといった不活性ガスが使われる。それから、好ましくはライナー層を生成するために使われる有機シランあるいは有機シロキサン化合物をヒドロキシル形成化合物と反応させることによって、本発明にしたがってライナー層上にギャップ充填層が堆積される（工程２１０）。このギャップ充填層は、自己平滑性であることが好ましく、また水を除去するための硬化後に疎水性になることが好ましい。それから、好ましくはライナー層を堆積する同じプロセスを使ってギャップ充填層上にキャップ層が堆積される（工程２１５）。それから基板は、反応器１０から取り除かれる（工程２２０）。
図７Ａから７Ｅを参照すれば、この３層ギャップ充填プロセスは、酸化された有機シランあるいは有機シロキサン・ポリマーのＰＥＣＶＤライナー層３００を与える。ライナー層３００は、後続のギャップ充填層３０２と基底をなす基板表面３０４とこの基板表面に形成される金属線３０６、３０８、３１０との間の分離層として働く。ギャップ充填層３０２は、酸化された有機シランあるいは有機シロキサン・ポリマーのＰＥＣＶＤキャップ層３１２によって覆われる。このプロセスは、ＣＶＤ反応器１０のためのコンピュータコントローラ３４のメモリ３８内に記憶されたコンピュータプログラムを使って実施され、制御される。図７Ａを参照すれば、ＰＥＣＶＤライナー層３００は、Ｎ2Ｏといった酸化ガスと、メチルシラン（ＣＨ3ＳｉＨ3）、トリメチルシラン（（ＣＨ3）3ＳｉＨ）等といった有機シランあるいは有機シロキサン化合物と、ヘリウムといったキャリアガスとを導入することによって反応器１０で堆積される。ＰＥＣＶＤライナー層の堆積の間中、基板は、約−２０℃から約４００℃の温度に維持され、好ましくは約−２０℃から約４０℃の温度に維持される。このＰＥＣＶＤライナー層は、約５ｓｃｃｍから約５００ｓｃｃｍの流量の有機シランおよび／あるいは有機シロキサン化合物と、約５ｓｃｃｍから約２０００ｓｃｃｍの流量の酸化ガスとの混合物を含むプロセスガスによって堆積される。これらのプロセスガスは、約２００ｓｃｃｍから約２０，０００ｓｃｃｍの流量の、一般に薄膜中には混入されないヘリウム、アルゴンといった不活性ガス、あるいは窒素といった比較的不活性のガスによって搬送される。これらのプロセスガスは、約０．２Ｔｏｒｒから約２０Ｔｏｒｒ、好ましくは約１０Ｔｏｒｒ未満の圧力で反応して、基板表面３０４と金属線３０６、３０８、３１０の上に絶縁保護酸化珪素層を形成する。この反応は、約０．０５Ｗ／ｃｍ2から約１０００Ｗ／ｃｍ2の電力密度、好ましくは約１Ｗ／ｃｍ2未満の電力密度、最も好ましくは約０．１Ｗ／ｃｍ2から約０．３Ｗ／ｃｍ2の範囲の電力密度でプラズマ増速される。
８”単一基板チャンバに関しては、約１３．５６ＭＨｚの高周波ＲＦソースは、ガス供給システムに接続されて約１０から約５００Ｗで駆動されることが好ましく、一方約３５０から１ＭＨｚの低周波ＲＦソースは、任意選択的にサセプタに接続されて約０から約１００Ｗで駆動される。好適な実施形態では、高周波ＲＦソースは、約２０Ｗから約２５０ＷのパルスＲＦ電力で駆動され、低周波ＲＦソースは、約１０％から約３０％のデューティサイクルの約０から約５０ＷのパルスＲＦ電力で駆動される。パルス化されたＲＦ電力は、好ましくは短い間隔で、最も好ましくは約２００Ｈｚ未満の周波数で循環することである。高周波ＲＦ電力が一定であるときは、電力レベルは約２０Ｗから約１００Ｗの範囲にあることが好ましい。
それから酸化された有機シランあるいは有機シロキサン層は、約１０Ｔｏｒｒ未満の圧力と約３００℃から約５００℃の温度で硬化される。任意選択的に硬化は、追加の誘電体層の堆積後に行うこともできる。
上述のプロセス条件は、図７Ｂに示すギャップ充填層３０２の後続の堆積のために改善されたバリア特性を有するＰＥＣＶＤライナー層を毎分約２０００Åの速度で堆積するという結果をもたらす。メチルシランから得られたライナー層は、疎水性であるのに十分なＣ−Ｈ結合を持っており、優れた水分バリアとなる。疎水性ライナー層の堆積は、後続の親水性ギャップ充填層を良好な水分バリア特性を有する疎水層に変換するという驚くべき、予期しない結果をもたらしている。
ギャップ充填層３０２のためのプロセスガスは、いかなる有機珪素化合物を含んでもよいが、ライナー層に使われたものと同じ有機珪素化合物を含むことが好ましい。プロセスガスは更に、過酸化水素、ジメチルジオキシラン、水、イソプロピルアルコールといったヒドロキシル形成化合物を含む。過酸化水素は、気化されてヘリウムといった不活性キャリアガスと混合される過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）約５０重量％であることが好ましい。ヒドロキシル形成化合物は、代替として前述の反応システムで形成することもできる。
プロセスガスの流量は、Ｈｅについては０から８０００ｓｃｃｍ、（ＣＨ3）xＳｉＨ4-xといった有機珪素化合物については１０から１２００ｓｃｃｍ、Ｈ2Ｏ2あるいはジメチルジオキシランといったヒドロキシル形成化合物については２０から３０００ｓｃｃｍの範囲にある。好適なガスの流量は、Ｈｅについては５００から４０００ｓｃｃｍ、（ＣＨ3）xＳｉＨ4-xについては１００から５００ｓｃｃｍ、ヒドロキシル形成化合物については１００から１０００ｓｃｃｍの範囲にある。これらの流量は、約５．５から６．５リットルの体積を有するチャンバに関するものである。ヒドロキシル形成化合物が水その他の化合物の酸化によって生成されるときの流量は、約６から２０重量％のオゾン含有酸素といった酸化ガスについては２，０００から６，０００ｓｃｃｍ、水その他のヒドロキシル源については５００から２０００ｍｇ／分の範囲にある。
反応器１０は、約０．２から約５Ｔｏｒｒの圧力に維持されていて、ギャップ充填層３０２の堆積中、約４０℃未満の基板温度を維持することが好ましい。反応器内のガス供給システムの温度は、約７０℃から約１３０℃の温度に維持されることが好ましい。ギャップ充填層３０２は、図７Ｄに示すキャップ層３１２の堆積に先立って、水といった溶剤を除去するために図７Ｃに示すように部分的に硬化してもよい。硬化は、不活性ガス雰囲気中で１０Ｔｏｒｒ未満の真空を維持することによって、熱アニール・チャンバ内か、反応器１０内で行うことが好ましい。
メチルシランから生成されたギャップ充填層は一般に、親水性であって、水分バリア特性に劣っている。メチルシランから生成されたライナー層上に堆積されると、メチルシランから生成されたギャップ充填層は、疎水性となり、良好な水分バリア特性を持つようになる。
図７Ｄを参照すると、ギャップ充填層３０２の堆積後、反応器１０は任意選択的に、キャップ層３１２の堆積のために本発明の酸化された有機シランあるいは有機シロキサン層の堆積を再開する。図７Ｅを参照すると、キャップ層の堆積後、もしなにかあれば、堆積された層は、残留している溶剤あるいは水を除去するために約３００℃から５００℃の温度で炉あるいは他のチャンバで硬化される。堆積された薄膜の所望の特性によって処理条件が変わることは無論である。
本発明は更に、下記の実施例によって説明される。
実施例下記の実施例は、低誘電率を有する誘電体層を堆積するための有機珪素化合物とヒドロキシル形成化合物との反応を示す。これらの例は、化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバに当たるものであり、特にツーピース石英プロセスキットを有する固体ＲＦ整合装置を含む「ＣＥＮＴＵＲＡ ＤｘＺ」システムであって、これら両者はカリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．によって製造・販売されているものである。
過酸化物ソース（仮説的）
下記のように、反応器に流入する反応性ガスから３．０Ｔｏｒｒのチャンバ圧と０℃の基板温度で酸化トリメチルシラン薄膜が堆積される：
トリメチルシラン（ＣＨ３）３ＳｉＨ 流量は２００ｓｃｃｍ
過酸化物Ｈ２Ｏ２ 流量は５００ｓｃｃｍ
ヘリウムＨｅ 流量は１０００ｓｃｃｍ
基板は、ガス分配シャワーヘッドから２００から１０００ミル（ｍｉｌｓ）、好ましくは６００ミルの位置に置かれて、堆積は約１０００Åから２μｍの深さに起こる。それから薄膜は、４００℃の温度で約３０から１２０分間、硬化される。酸化トリメチルシラン材料は、約３．０未満の誘電率を持つと評価される。
第１のヒドロキシル・ソース（仮説的）
下記のように、反応器に流入する反応性ガスから３．０Ｔｏｒｒのチャンバ圧と２５℃の基板温度で酸化トリメチルシラン層が堆積される：
トリメチルシラン（ＣＨ3）3ＳｉＨ 流量は５００ｓｃｃｍ
イソプロピルアルコール 流量は１０００ｍｇ／分
オゾン、１２重量％Ｏ3を有するＯ2 流量は５０００ｓｃｃｍ
ヘリウムＨｅ 流量は４０００ｓｃｃｍ
ここでイソプロピルアルコールは混合チャンバ内でいくらかのヘリウムと混合され、オゾンと追加のヘリウムと組み合わされる。基板は、ガス分配シャワーヘッドから６００ミルの位置に置かれる。それからこの層は、４００℃の温度で約３０から１２０分間、硬化される。酸化トリメチルシラン材料は、約３．０未満の誘電率を持つと評価される。
第２のヒドロキシル・ソース（仮説的）
下記のように、反応器に流入する反応性ガスから３．０Ｔｏｒｒのチャンバ圧と２５℃の基板温度でジメチルシラン層が堆積される：
ジメチルシラン（ＣＨ3）2ＳｉＨ2 流量は６０ｓｃｃｍ
ジメチルジオキシラン 流量は２００ｓｃｃｍ
ヘリウムＨｅ 流量は１０００ｓｃｃｍ
ここでジメチルジオキシランは、液体注入システム内のアセトンとモノペルオキシ硫酸カリウムとの反応によって最初に用意される。ジメチルジオキシランは、常温では気体であって混合チャンバ内でヘリウムと組み合わされる。基板は、ガス分配シャワーヘッドから６００ミルの位置に置かれる。それからこの層は、４００℃の温度で約３０から１２０分間、硬化される。硬化後、酸化ジメチルシラン材料は、約３．０未満の誘電率を持つと評価される。
上記は、本発明の好適な実施形態に向けられているが、本発明の他の更なる実施形態も本発明の基本的範囲から逸脱せずに考案することは可能であり、本発明の範囲は前述の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (20)

  1. 低誘電率薄膜を堆積する方法であって、約４００℃未満の温度で基板を収容するチャンバ内で少なくとも一つの珪素−炭素結合を有する一つ以上の珪素化合物をヒドロキシル形成化合物と反応させることを含む、低誘電率薄膜を堆積する方法。
  2. 各珪素化合物内の各珪素原子は、二つ以上の炭素原子と結合しており、前記二つ以上の珪素原子は、２個以下の炭素原子によって、あるいは１個以下の酸素原子によって分離される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記珪素化合物は、メチルシラン、ジメチルシラン、トリメチルシラン、テトラメチルシラン、ジシラノメタン、ビス（メチルシラノ）メタン、１，２−ジシラノエタン、１，２−ビス（メチルシラノ）エタン、２，２−ジシラノプロパン、１，３，５−トリシラノ−２，４，６−トリメチレン、１，３−ジメチルジシロキサン、１，１，３，３−テトラメチルジシロキサン、１，３−ビス（シラノメチレン）ジシロキサン、ビス（１−メチルジシロキサニル）メタン、２，２−ビス（１−メチルジシロキサニル）プロパン、２，４，６，８，１０−ペンタメチルシクロペンタシロキサン、１，３，５，７−テトラシラノ−２，６−ジオキシ−４，８−ジメチレン、２，４，６−トリシランテトラヒドロピラン、２，５−ジシランテトラヒドロフラン、それらのフッ化炭素誘導体、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記ヒドロキシル形成化合物は、マイクロ波チャンバで解離される、請求項１に記載の方法。
  5. 前記ヒドロキシル形成化合物は、過酸化水素、ジメチルジオキシラン、酢酸、水およびイソプロピルアルコールからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
  6. 低誘電率薄膜を堆積する方法であって、約０Ｗから約２００Ｗの一定の高周波電力レベルあるいは約２０Ｗから約５００Ｗのパルス化された高周波電力レベルで、炭素を含む珪素化合物と酸化ガスとからなるプロセスガスから、パターニングされた金属層の上に絶縁保護ライナー層を堆積する工程と、前記珪素化合物とヒドロキシル形成化合物とからなるプロセスガスから約４００℃未満の基板温度で前記ライナー層の上にギャップ充填層を堆積する工程とを含む、低誘電率薄膜を堆積する方法。
  7. 前記珪素化合物の各珪素原子は、少なくとも２個の炭素原子と少なくとも１個の水素原子とに結合されており、前記同分子内の珪素原子は、２個以上の炭素原子によって、あるいは１個以上の酸素原子によって分離されていない、請求項６に記載の方法。
  8. 前記ギャップ充填層は、約４０℃未満の基板温度で堆積される、請求項６に記載の方法。
  9. 前記ヒドロキシル形成化合物は、マイクロ波チャンバで解離される、請求項６に記載の方法。
  10. 前記ヒドロキシル形成化合物は、過酸化水素、ジメチルジオキシラン、酢酸、水およびイソプロピルアルコールからなる群から選択される、請求項６に記載の方法。
  11. 前記ヒドロキシル形成化合物は、過酸化水素である、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記珪素化合物および前記酸化ガスを含むプロセスガスから前記ギャップ充填層上にキャップ層を堆積する工程を更に含む、請求項６に記載の方法。
  13. 低誘電率薄膜を堆積する方法であって、約０Ｗから約２００Ｗの一定の高周波電力レベルあるいは約２０Ｗから約５００Ｗのパルス化された高周波電力レベルで、炭素を含む第１の珪素化合物と酸化ガスとからなるプロセスガスから、パターニングされた金属層の上に絶縁保護ライナー層を堆積する工程と、第２の珪素化合物と、ヒドロキシル形成化合物とを含むプロセスガスから約４００℃未満の基板温度で前記ライナー層の上にギャップ充填層を堆積する工程とを含む、低誘電率薄膜を堆積する方法。
  14. 前記第１の珪素化合物内の各珪素原子は、少なくとも２個の炭素原子に結合されており、またこの分子内の珪素原子は、３個以上の炭素原子によって、あるいは２個以上の酸素原子によって分離されていない、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記第１の珪素化合物および前記酸化ガスを含むプロセスガスから前記ギャップ充填層上にキャップ層を堆積する工程を更に含む、請求項１３に記載の方法。
  16. 前記ヒドロキシル形成化合物は、マイクロ波チャンバ内で解離される、請求項１３に記載の方法。
  17. 前記ヒドロキシル形成化合物は、水である、請求項１３に記載の方法。
  18. 前記第２の珪素化合物は、テトラエトキシシランである、請求項１３に記載の方法。
  19. 前記ヒドロキシル形成化合物は、過酸化水素、ジメチルジオキシラン、酢酸、水およびイソプロピルアルコールからなる群から選択される、請求項１３に記載の方法。
  20. 前記ヒドロキシル形成化合物は、過酸化水素である、請求項１９に記載の方法。
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