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

Abstract

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

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines kohlenstoff­dotierten Dünnfilms aus Siliciumoxid auf ein Substrat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for applying a carbondoped thin film of silicon oxide on a substrate according to the preamble ofClaim 1.

In Halbleiterbauteilen werden isolierende Dünnschichten aus Siliciumdioxid verwendet, um elektrische Verbindungen in einer gleichen oder zwischen verschiedenen Ebenen zu isolieren. Je dichter die Verschaltung wird, desto häufiger treten jedoch parasitäre Kopplungen auf, die die Leistung beein­trächtigen. Aus diesem Grunde sind isolierende Schichten mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten erwünscht.Insulating thin layers of silicon dioxide are used in semiconductor componentsused to make electrical connections in a same or betweenisolate different levels. The denser the interconnection, the moreHowever, parasitic couplings that affect performance occur more frequentlypregnant. For this reason, insulating layers are lowDielectric constant desired.

Reine Siliciumdioxidfilme besitzen eine Dielektrizitätskonstante von etwa k=4 und werden üblicherweise durch Oxidation von reinem Silicium unter Verwendung von O₂- oder H₂O-Gas erzeugt oder durch chemische Abscheidung aus der Gasphase, gegebenenfalls Plasma, gestützt, abgeschieden, wobei als Reaktionsgase Gasmischungen wie SiH₄/Ar/N₂O, SiH₄/Ar/NO und/oder SiH₄/Ar/O₂ als Reaktionsgase verwendet werden. Zur Zwischenverbindungsdielektrika verwendet man vorwiegend die chemische Abscheidung aus der Gasphase.Pure silicon dioxide films have a dielectric constant of about k = 4 and are usually produced by oxidation of pure silicon using O₂ or H₂ O gas or deposited by chemical deposition from the gas phase, optionally plasma, supported, gas mixtures being the reaction gases such as SiH₄ / Ar / N₂ O, SiH₄ / Ar / NO and / or SiH₄ / Ar / O₂ can be used as reaction gases. Chemical deposition from the gas phase is predominantly used for interconnect dielectrics.

Um die Dielektrizitätskonstante herabzusetzen, ist es bekannt, Fluor in die Siliciumdioxidmatrix einzubauen, so daß sich eine F_xSiO_y-Matrix ergibt. Hierbei wird im Rahmen der chemischen Abscheidung aus der Gasphase SiF₄ als Reaktionsgas zusammen mit Silan und Sauerstoff in Mischung verwendet. Hierdurch kann die Dielektrizitätskonstante bis auf etwa k = 3,5 gesenkt werden. Niedrigere Werte sind aufgrund der Stabilität des Dünnfilms und aufgrund von Feuchtigkeitsabsorptionsproblemen nicht erreichbar.In order to reduce the dielectric constant, it is known to incorporate fluorine into the silicon dioxide matrix, so that an F_x SiO_y matrix results. In the course of chemical deposition from the gas phase, SiF_{4 is used} as the reaction gas together with silane and oxygen in a mixture. As a result, the dielectric constant can be reduced to approximately k = 3.5. Lower values cannot be achieved due to the stability of the thin film and due to moisture absorption problems.

Es ist auch bekannt, ein Schleuderbeschichten zu verwenden, um kohlenstoffhaltiges SiO₂ mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa k = 3,0 zu erhalten. Obwohl derartige Dünnfilme für sehr viele Anwendungen einschließlich für Zwischenverbindungsdielektrika geeignet sind, beinhaltet dieses Verfahren zahlreiche Herstellungsnachteile. So erfordert dies die Verwendung von Flüssigkeiten und es werden zu entsorgende Abfallmaterialien erzeugt. Häufig werden Filme mit hohen OH⁻-Konzentrationen erzeugt. Außerdem sind derartige Dünnschichten häufig temperaturinstabil, von geringer Zugfestigkeit und mit Feuchtigkeitsabsorptions/-desorptionsproblemen behaftet. Abgesehen davon, wird von vielen Herstellern die chemische Abscheidung aus der Gasphase bevorzugt.It is also known to use spin coating to obtain carbon-containing SiO₂ with a dielectric constant of approximately k = 3.0. Although such thin films are suitable for a very large number of applications, including interconnect dielectrics, this process has numerous manufacturing disadvantages. For example, this requires the use of liquids and waste materials to be disposed of are generated. Films with high OH⁻ concentrations are often produced. In addition, such thin films are often temperature-unstable, have low tensile strength and have moisture absorption / desorption problems. Apart from that, chemical vapor deposition is preferred by many manufacturers.

So ist es bekannt, organisch dotierte Siliciumoxidschichten durch chemi­sche Abscheidung aus der Gasphase zu erzeugen, wobei als Vorläufersubstanzen Methylsilan (CH₃-SiH₃) oder Phenylsilan (C₆H₅-SiH₃) als ein Substitut für den Silanvorläufer zu verwenden. Die Methyl- bzw. Phenylgruppe wird nur partiell dissoziiert, wo einige der Methyl- bzw. Phenylbestandteile an dem Siliciumatom in der Siliciumoxidschicht gebunden bleiben. Hierdurch läßt sich eine Dielektri­zitätskonstante von etwa k = 3 erreichen. Es ist auch bekannt, CH₃-SiH₃ zusam­men mit H₂O₂ zu verwenden. Derartige organisch dotierte Siliciumoxidfilme, die durch chemische Abscheidung aus der Gasphase erzeugt werden, besitzen häufig geringe Adhäsion sowie Feuchtigkeitsabsorptions- und Temperaturstabilitäts­probleme.It is known to produce organically doped silicon oxide layers by chemical vapor deposition using methylsilane (CH₃ -SiH₃ ) or phenylsilane (C₆ H₅ -SiH₃ ) as a substitute for the silane precursor. The methyl or phenyl group is only partially dissociated where some of the methyl or phenyl components remain bound to the silicon atom in the silicon oxide layer. This allows a dielectric constant of approximately k = 3 to be achieved. It is also known to use CH₃ -SiH₃ together with H₂ O₂ . Such organically doped silicon oxide films, which are generated by chemical vapor deposition, often have low adhesion and moisture absorption and temperature stability problems.

Auch ist es bekannt, Dünnfilme aus organischen Polymeren, beispielsweise Polyimiden, Polyethylethern usw. zu verwenden, die eine sehr niedrige Dielektri­zitätskonstante von k = 2,5 aufweisen. Diese Substanzen sind jedoch problema­tisch bezüglich ihrer Integration.It is also known to thin films from organic polymers, for exampleTo use polyimides, polyethylene ethers, etc., which have a very low dielectrichave a constant of k = 2.5. However, these substances are problematictable regarding their integration.

Bei der plasmagestützten chemischen Abscheidung aus der Gasphase (PE-CVD) werden die Reaktionsgase als Ergebnis von Kollisionen mit Elektronen und anderen Molekülen und Radikalen in dem Plasma partiell dissoziiert. Trotzdem bleiben viele Kohlenstoffatome an Sauerstoff, Silicium, Wasserstoff und anderen Kohlenstoffatomen während des Abscheidungsvorgangs gebunden. Unerwünschterweise verbleiben viele der Kohlenstoffatome an diesen Bestand­teilen auch nach Adsorption an dem Substrat und Inkorporierung in die Silicium­dioxidfilme gebunden. Diese Kohlenstoffatome sind nicht in der SiO₂-Matrix fein verteilt und isoliert, so daß die Dünnfilmqualität nicht optimal ist. Bei der plasmagestützten chemischen Abscheidung werden eine Reihe von Reaktions­gasen einschließlich Tetraethylorthosilicat (TEOS oder Si(OC₂H₅)₄), Methyltri­methoxysilan (MTMS oder SiCH₃(OC₂H₅)₃) und Phenyltrimethoxysilan (PTMS oder SiC₆H₅(OC₂H₅)₃) verwendet. Oxidabscheidung, die hochverdünntes TEOS/O₂ verwendet und Vorläufer wie Si(OC₂H₅)_n(OH)_4-n und Si(OC₂H₅)_nO_4-n, n = 0-3 be­sitzt, wurde mit guten Abscheidungsergebnissen erzeugt, da hierbei gute Haftungseigenschaften erhalten werden. Im Zusammenhang mit PTMS ergeben sich ähnliche Resultate. Jedoch führt das Vorhandensein des Kohlenstoffs zu unerwünschten Hydrocarbonfragmenten in der resultierenden Oxidschicht und zu schlechten Zugfestigkeitseigenschafien des Dünnfilms. Das bei der plasma­gestützten chemischen Abscheidung verwendete Plasma besitzt eine relativ niedrige Dichte und führt zu C-H-Bindungen, wie sich ausFig. 1 und 2 ergibt, die Infrarotspektren für einen SiO_xC_y-Dünnfilm ergeben, der durch chemische Abscheidung aus der Gasphase bzw. durch Schleuderbeschichtung erzeugt wurde. Beide Spektren zeigen signifikante Spitzen bei 781 cm^-1 und 1027 cm^-1. Die Höhe dieser Spitzen zeigt außerdem, daß die Kohlenstoffatome in der SiO₂- Matrix nicht, wie gewünscht, isoliert sind, sondern an Wasserstoffatome gebunden sind, die nicht während der Abscheidung dissoziiert wurden.In plasma-assisted chemical vapor deposition (PE-CVD), the reaction gases are partially dissociated as a result of collisions with electrons and other molecules and radicals in the plasma. Nevertheless, many carbon atoms remain bound to oxygen, silicon, hydrogen and other carbon atoms during the deposition process. Undesirable, many of the carbon atoms remain attached to this component even after adsorption on the substrate and incorporation into the silicon dioxide films. These carbon atoms are not finely distributed and isolated in the SiO₂ matrix, so that the thin film quality is not optimal. Plasma assisted chemical deposition uses a variety of reaction gases including tetraethyl orthosilicate (TEOS or Si (OC₂ H₅ )₄ ), methyltrimethoxysilane (MTMS or SiCH₃ (OC₂ H₅ )₃ ) and phenyltrimethoxysilane (PTMS or SiC₆ H₅ (OC₂ H₅ )₃ ) used. Oxide deposition, which uses highly diluted TEOS / O₂ and precursors such as Si (OC₂ H₅ )_n (OH)_4-n and Si (OC₂ H₅ )_n O_4-n , n = 0-3, was also used good deposition results, since this gives good adhesion properties. Similar results are obtained in connection with PTMS. However, the presence of the carbon leads to undesirable hydrocarbon fragments in the resulting oxide layer and poor tensile properties of the thin film. The plasma used in plasma-assisted chemical deposition has a relatively low density and leads to CH bonds, as can be seen inFIGS. 1 and 2, which give infrared spectra for an SiO_x C_y thin film which is obtained by chemical vapor deposition or was produced by spin coating. Both spectra show significant peaks at 781 cm^-1 and 1027 cm^-1 . The height of these peaks also shows that the carbon atoms in the SiO₂ matrix are not isolated as desired, but are bound to hydrogen atoms that have not been dissociated during the deposition.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das es ermöglicht, eine Dünnschicht mit einer niedrigeren Dielektrizitätskonstanten zu erzeugen.The object of the invention is a method according to the preamble ofTo create claim 1 that allows a thin film with ato produce lower dielectric constants.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.This task is performed according to the characteristic part of theClaim 1 solved.

Hierdurch lassen sich Dielektrizitätskonstanten im Bereich von k = 2,5 bis 3,5 und insbesondere im Bereich von k = 2,9 bis 3,2 erreichen. In dem SiO_xC_y-Dünnfilm wird ferner die Anzahl von H⁻- und OH⁻-Radikalen, die an Kohlen­stoffatome gebunden sind, verringert, wodurch sich bessere Dünnfilm­eigenschaften in bezug auf Zugfestigkeit und thermische Stabilität ergeben. Es wird eine minimale Anzahl von "baumelnden" Bindungen erzielt. Die Kohlenstoff­atome sind in der amorphen Siliciumoxidmatrix fein verteilt und führen so zu der sehr niedrigen Dielektrizitätskonstanten.In this way, dielectric constants in the range from k = 2.5 to 3.5 and in particular in the range from k = 2.9 to 3.2 can be achieved. In the SiO_x C_y - thin film, the number of H⁻ and OH⁻ radicals which are bonded to carbon atoms is further reduced, which results in better thin film properties in terms of tensile strength and thermal stability. A minimal number of "dangling" ties are achieved. The carbon atoms are finely distributed in the amorphous silicon oxide matrix and thus lead to the very low dielectric constant.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschrei­bung und den Unteransprüchen zu entnehmen.Further embodiments of the invention are described belowexercise and the subclaims.

Die Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit den beigefügten Abbildungen näher erläutert.The invention is hereinafter described in connection with the attachedIllustrations explained in more detail.

Fig. 1 zeigt ein Infrarotspektrum eines SiO_xC_y-Dünnfilms, der durch chemi­sche Abscheidung aus der Gasphase erzeugt worden ist.Fig. 1 shows an infrared spectrum of a SiO_x C_y thin film which has been generated by chemical deposition from the gas phase.

Fig. 2 zeigt ein Infrarotspektrum eines SiO_xC_y-Dünnfilms, der durch Schleuderbeschichtung hergestellt wurde.Fig. 2 shows an infrared spectrum of a SiO_x C_y thin film, which was produced by spin coating.

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

Die inFig. 3 dargestellte Einrichtung zur chemischen Abscheidung aus der Gasphase unter Verwendung eines hochdichten Plasmas (HDP-CVD, High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition) umfaßt eine zentrale Kammer2, in der Halbleiter- oder Isolatorsubstrate4 auf einem Boot6 sitzen, das die Substrate4 nicht beeinträchtigt oder irgendwelche Verunreinigungen in die Substrate4 einführt. Das Boot6 besteht vorzugsweise aus Graphit oder Quarz. Die zentrale Kammer2 besteht aus einem Material, das Drücken geringer als 1 mTorr oder weniger widerstehen kann, bei derartigen Drücken minimal ausgast und zu keinen Verunreinigungen Anlaß gibt, die in das Innere der Kammer2 oder in die Substrate4 oder einen darauf befindlichen Dünnfilm eindringen. Die Kammer2 besteht vorzugsweise aus einem Keramikmaterial, jedoch kann auch ein Metall wie rostfreier Stahl oder Aluminium verwendet werden. Die zentrale Kammer2 arbeitet bei einem Betriebsdruck, der sehr viel niedriger als bei üblichen Kammern für chemische Abscheidung aus der Gasphase oder plasmagestützte chemische Abscheidung aus der Gasphase ist. Der Druck innerhalb der Kammer2 beträgt vorzugsweise etwa 5 mTorr, während bei der plasmagestützten chemischen Abscheidung aus der Gasphase typischerweise ein Druck von etwa 2 Torr verwendet wird. Die Plasmadichte innerhalb der Kammer2 ist viel höher als bei der normalen chemischen Abscheidung aus der Gasphase, selbst wenn sie plasmagestützt ist, und liegt vorzugsweise über 10¹⁶ Ionen/m³, vorzugsweise im Bereich von 10¹⁶ bis 10²² und insbesondere im Bereich von 10¹⁷ bis 10¹⁹ Ionen/m³. Die Plasmadichte könnte aber auch noch höher sein. Im Vergleich hierzu liegt beim typischen Betriebsdruck einer Kammer zur plasmagestützten chemischen Abscheidung aus der Gasphase die Plasmadichte im Bereich von 10¹⁴ bis 10¹⁶ Ionen/m³.The device for chemical deposition from the gas phase shown inFIG. 3 using a high-density plasma (HDP-CVD, High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition) comprises a central chamber2 , in which semiconductor or insulator substrates4 sit on a boat6 , that does not affect the substrates4 or introduces any contaminants into the substrates4 . The boat6 is preferably made of graphite or quartz. The central chamber2 is made of a material which can withstand pressures of less than 1 mTorr or less, minimally outgas at such pressures and does not give rise to any impurities which penetrate into the interior of the chamber2 or into the substrates4 or a thin film thereon . The chamber2 is preferably made of a ceramic material, but a metal such as stainless steel or aluminum can also be used. The central chamber2 operates at an operating pressure which is much lower than in conventional chambers for chemical deposition from the gas phase or plasma-assisted chemical deposition from the gas phase. The pressure within chamber2 is preferably about 5 mTorr, while typically a pressure of about 2 Torr is used in plasma-assisted chemical vapor deposition. The plasma density within chamber2 is much higher than in the normal chemical vapor deposition, even if it is plasma-assisted, and is preferably above 10¹⁶ ions / m³ , preferably in the range of 10¹⁶ to 10²² and in particular in the range of 10¹⁷ to 10¹⁹ ions / m³ . However, the plasma density could also be higher. In comparison, the typical operating pressure of a chamber for plasma-assisted chemical deposition from the gas phase has a plasma density in the range from 10¹⁴ to 10¹⁶ ions / m³ .

Elektromagnetische Energie wird über die Erzeugung eines vorzugsweise linearen oder nahezu linearen elektrischen Feldes oder eines Magnetfeldes B eingebracht. Das elektromagnetische Feld reicht aus, um die Dissoziation eines Reaktionspartners und von Oxidationsgasen innerhalb der Kammer2 beträchtlich zu erhöhen. Das angelegte elektromagnetische Feld bewirkt die erhöhte Disso­ziation, indem es ein hochenergetisches Plasma innerhalb der Kammer2 erzeugt. Eine hohe Dissoziationsenergie, die durch das elektromagnetische Feld bewirkt wird, und sich schnell bewegende Elektronen und Ionen innerhalb der Kammer2 als auch die Dichte des Plasmas selbst resultieren in vermehrten Kollisionen, die Moleküle, Ionen, Elemente und/oder Radikale erzeugen, die Bestandteile des Reaktionsgases, das anfänglich in die Kammer2 eingeführt wurde, sind.Electromagnetic energy is introduced by generating a preferably linear or almost linear electrical field or a magnetic field B. The electromagnetic field is sufficient to considerably increase the dissociation of a reaction partner and of oxidation gases within the chamber2 . The applied electromagnetic field causes the increased dissociation by generating a high-energy plasma within the chamber2 . A high dissociation energy caused by the electromagnetic field and rapidly moving electrons and ions within the chamber2 as well as the density of the plasma itself result in increased collisions that produce molecules, ions, elements and / or radicals that are components of the Reaction gas that was initially introduced into the chamber2 are.

Durch die hohe Ionendichte des Plasmas innerhalb der Kammer2 und das elektromagnetische Feld wird eine sehr hohe Anzahl von erfolgreichen Dissoziationsreaktionen zwischen den Ionen und Molekülen erzielt. Obwohl die mittlere freie Weglänge durch den Druck bestimmt wird, wird die Ausbeute an Dissoziationsreaktionen, die durch die Verwendung eines Magnetfeldes typischerweise geliefert wird, durch die größere Weglänge der Ionen bewirkt, bevor sie an der Elektrode eingefangen werden. Dementsprechend bewirkt die hohe Ionendichte des Plasmas zusammen mit dem Magnetfeld das Auftreten einer größeren Gesamtzahl von Kollisionen zwischen Reaktionsteilnehmern, Bestandteilen und Ionen innerhalb des Plasmas. Der Dissoziationsgrad der Reaktionsteilnehmer und Bestandteile in dem Plasma wird hierdurch erhöht, da jedes Ion mehr Kollisionen längs seiner Weglänge erleidet, bevor es an dem Substrat4 adsorbiert wird.The high ion density of the plasma within chamber2 and the electromagnetic field result in a very high number of successful dissociation reactions between the ions and molecules. Although the mean free path is determined by pressure, the yield of dissociation reactions typically provided by the use of a magnetic field is caused by the longer path length of the ions before they are captured on the electrode. Accordingly, the high ion density of the plasma together with the magnetic field causes a larger total number of collisions to occur between reactants, components and ions within the plasma. The degree of dissociation of the reactants and constituents in the plasma is thereby increased, since each ion suffers more collisions along its path length before it is adsorbed on the substrate4 .

Die Gesamtzahl von Kollisionen wird bei der dargestellten Einrichtung insbesondere dadurch erhöht, weil das angelegte Magnetfeld bewirkt, daß Reaktionsteilnehmer und Bestandteile sich in kreisförmiger, spiralförmiger oder schraubenförmiger Weise bewegen. Diese spiralige Bewegung vergrößert die Weglängen, wodurch die Gesamtzahl von Kollisionen erhöht und der Dissoziationsgrad innerhalb der Kammer2 beträchtlich gesteigert wird.The total number of collisions is increased in the illustrated device in particular because the magnetic field applied causes the reactants and components to move in a circular, spiral or helical manner. This spiral motion increases the path lengths, increasing the total number of collisions and increasing the degree of dissociation within chamber2 considerably.

Das Magnetfeld wird vorzugsweise durch eine stromführende Spule erzeugt, die sich linear und homogen längs der Länge der Kammer2 erstreckt. Geladene Elektronen, Ionen und Radikale werden infolge des elektromagne­tischen Feldes spiralförmig geführt. Diese sich schnell bewegenden geladenen Teilchen kollidieren mit den Reaktionsteilnehmern und brechen diese auf, wobei Oxidationsgase, wenn sie in die Kammer2 eingeführt werden, einfachere Ionen und Radikale erzeugen. Unter optimalen Bedingungen geht die Dissoziation in der Kammer2 so weit, daß ein großer Anteil von Teilchen, nachdem sie den Plasmabedingungen über ihre Weglängen unterworfen wurden, elementare und Elektronenbestandteile des Reaktionsmittels sind.The magnetic field is preferably generated by a current-carrying coil which extends linearly and homogeneously along the length of the chamber2 . Charged electrons, ions and radicals are guided in a spiral as a result of the electromagnetic field. These fast moving charged particles collide with the reactants and break them up, whereby oxidizing gases, when introduced into the chamber2 , produce simpler ions and radicals. Under optimal conditions, the dissociation in chamber2 goes so far that a large proportion of particles, after being subjected to the plasma conditions over their path lengths, are elementary and electron components of the reactant.

Die Substrate4 sind vorzugsweise Siliciumwafer, können jedoch auch aus irgendeinem anderen Halbleiter- oder Isolatormaterial bestehen. Die Siliciumwafer können undotiert oder dotiert vom p- oder n-Typ sein und unterschiedliche Konzentrationen von Dotiermittel aufweisen. Die Wafer können poliert oder unpoliert sein. Die Wafer können aus unbehandeltem, dotiertem oder undotiertem Material bestehen oder teilweise behandelt sein.The substrates4 are preferably silicon wafers, but can also consist of any other semiconductor or insulator material. The silicon wafers can be undoped or doped of the p or n type and have different concentrations of dopant. The wafers can be polished or unpolished. The wafers can consist of untreated, doped or undoped material or can be partially treated.

Man kann ein oder mehrere Reaktionsgase in die Kammer2 über eine oder mehrere Einlaßöffnungen8 einführen. Das Einführen jedes Reaktionsgases wird durch ein Gasdurchflußventil10 getrennt gesteuert, so daß spezifische Mischungen von Reaktionsgasen in die Kammer2 eingeführt werden können, um die Aufbringbedingungen zu maximieren. Die Kammer2 ist ebenfalls ventilgesteuert, so daß die geeignete Gasmischung in der Kammer2 erreicht wird.One or more reaction gases can be introduced into the chamber2 via one or more inlet openings8 . The introduction of each reaction gas is controlled separately by a gas flow valve10 so that specific mixtures of reaction gases can be introduced into the chamber2 to maximize the application conditions. The chamber2 is also valve-controlled so that the suitable gas mixture in the chamber2 is achieved.

Einige bevorzugte Reaktionsgase, die verwendet werden können, sind Methan (CH₄) und Silan (SiH₄), Tetraethylorthosilicat (TEOS oder Si(OC₂H₅)₄), Methyltrimethoxysilan (MTMS oder SiCH₃(OC₂H₅)₃) und Phenyltrimethoxysilan (PTMS oder SiC₆H₅(OC₂H₅)₃). Gemeinsam ist diesen, daß sie sämtlich Kohlenstoff und Silicium enthalten. Andere Reaktionsgase können verwendet werden, die entweder sowohl Kohlenstoff und Silicium oder eines dieser Elemente oder keines hiervon enthalten, wobei jedoch bevorzugt ist, daß sie entweder ein Reaktionsgas oder eine Kombination von Reaktionsgasen Kohlenstoff und Silicium enthalten. Wenn die Reaktionsgase keinen Sauerstoff enthalten, wie es im Falle der Kombination von Methan und Silan ist, wird vorzugsweise ein Oxidationsgas getrennt in die Kammer2 zusammen mit den Reaktionsgasen eingeführt. Bevorzugte Oxidationsgase umfassen O₂ und H₂O₂. Nach Dissoziation der Reaktionsgase in dem Plasma wird Kohlenstoff in die amorphe Siliciummatrix eingeführt und Sauerstoff gelangt an die Substratoberfläche. Zusammen mit den gerade genannten Reaktionsgasen wird ein Oxidationsmittel und ein Verdünnungsgas vorzugsweise in die Kammer2 eingeführt.Some preferred reaction gases that can be used are methane (CH₄ ) and silane (SiH₄ ), tetraethyl orthosilicate (TEOS or Si (OC₂ H₅ )₄ ), methyl trimethoxysilane (MTMS or SiCH₃ (OC₂ H₅ )₃ ) and phenyltrimethoxysilane (PTMS or SiC₆ H₅ (OC₂ H₅ )₃ ). Common to these is that they all contain carbon and silicon. Other reaction gases can be used which contain either carbon and silicon or either or none of these elements, but it is preferred that they contain either a reaction gas or a combination of reaction gases carbon and silicon. If the reaction gases do not contain oxygen, as is the case with the combination of methane and silane, an oxidizing gas is preferably introduced separately into the chamber2 together with the reaction gases. Preferred oxidizing gases include O₂ and H₂ O₂ . After the reaction gases have dissociated in the plasma, carbon is introduced into the amorphous silicon matrix and oxygen reaches the substrate surface. Together with the reaction gases just mentioned, an oxidizing agent and a diluent gas are preferably introduced into the chamber2 .

Nichtreagierende Gase können ebenfalls in die Kammer2 eingeführt werden und als Initiatoren dienen, um die Ionisierung und Dissoziation innerhalb des Plasmas für die Reaktionsgase zu erleichtern und zu fördern. Vorzugsweise werden nur Inertgase wie Argon verwendet, da im Gegensatz zur chemischen Abscheidung aus der Gasphase, plasmagestützt oder nicht, zweiatomige Verdünnungsgase wie H₂ oder O₂ ohne weiteres in der Kammer2 dissoziieren können und sich dann mit Kohlenstoffatomen oder anderen Bestandteilen innerhalb des gebildeten Dünnfilms auf dem Substrat4 verbinden, da in der Kammer2 aufgrund des hochdichten Plasmas der Dissoziationsgrad entspre­chend erhöht ist.Non-reacting gases can also be introduced into chamber2 and serve as initiators to facilitate and promote ionization and dissociation within the plasma for the reaction gases. Inert gases such as argon are preferably used, since, in contrast to chemical deposition from the gas phase, plasma-assisted or not, diatomic diluent gases such as H₂ or O₂ can readily dissociate in chamber2 and then with carbon atoms or other constituents within the thin film formed connect to the substrate4 , since the degree of dissociation is increased accordingly in the chamber2 due to the high-density plasma.

Wenn die Reaktionsgase innerhalb der Kammer2 dem magnetischen und/oder elektrischen Feld als auch dem konstanten Bombardement von Elektronen sowie Ionen und Radikalen ausgesetzt werden, werden die Kammer2 und das Substrat4 aufgrund der Absorption von heißen Bestandteilen aus dem Plasma sehr heiß. Temperaturen von 400°C oder darüber können in der Kammer2 und dem Substrat4 auftreten. Aufgrund dessen ist es häufig notwendig, das Substrat4 weiter zu erhitzen, um die Oberflächenreaktivität zu erhöhen. Das Substrat4 kann dadurch erhitzt werden, daß es innerhalb eines Ofens12 mit einer Ofensteuerung13 angeordnet oder mit Elektronen oder Photonen bombardiert wird.When the reaction gases inside the chamber2 are exposed to the magnetic and / or electric field as well as the constant bombardment of electrons as well as ions and radicals, the chamber2 and the substrate4 become very hot due to the absorption of hot components from the plasma. Temperatures of 400 ° C or above can occur in the chamber2 and the substrate4 . Because of this, it is often necessary to further heat the substrate4 in order to increase the surface reactivity. The substrate4 can be heated by placing it inside an oven12 with an oven control13 or bombarding it with electrons or photons.

Entsprechend einer vorgegebenen Zusammensetzung werden Reaktions­gase, Oxidationsgase und Verdünnungsgase in die Kammer2 eingeführt, in der ein hochdichtes Plasma unter Verwendung von elektromagnetischen Feldern erzeugt wird, wobei die dissoziierten Bestandteile der Reaktionsgase auf die Oberfläche der Substrate4 kreisend getrieben werden. Die Rate, mit der die gasförmigen Reaktionsteilnehmer und ihre dissoziierten Bestandteile an der Substratoberfläche ankommen, hängt von den Massentransporteigenschaften des Plasmas ab und ist nur schwach temperaturabhängig. Die chemische Abscheidung unter Verwendung eines hochdichten Plasmas liefert attraktive Gasphasenkonzentrationen und folglich entsprechende Dünnfilme.According to a predetermined composition, reaction gases, oxidation gases and dilution gases are introduced into the chamber2 , in which a high-density plasma is generated using electromagnetic fields, the dissociated constituents of the reaction gases being driven onto the surface of the substrates4 in a circular manner. The rate at which the gaseous reactants and their dissociated components arrive at the substrate surface depends on the mass transport properties of the plasma and is only slightly temperature-dependent. Chemical deposition using a high-density plasma provides attractive gas phase concentrations and consequently corresponding thin films.

Die dissoziierten Bestandteile der Reaktionsgase werden kreisend bewegt, um sich dem Substrat4 zu nähern. Die Bestandteile befinden sich am Substrat, wenn eine Adsorption ohne weiteres stattfinden kann. Bevor eine Adsorption stattfindet, nehmen die Bestandteile eine benachbarte Position zum Substrat ein die nahe genug zum Substrat ist, so daß eine Dipol-Dipol- oder Ionen­wechselwirkung zwischen den Bestandteilen und den Atomen an der Substrat­ oberfläche mit hinreichender Wahrscheinlichkeit stattfinden kann, so daß die Bestandteile an der Oberfläche gebunden werden. Hierbei kann gegebenenfalls eine Kollision zwischen den Bestandteilen und der Substratoberfläche stattfinden.The dissociated components of the reaction gases are moved in a circular motion in order to approach the substrate4 . The components are on the substrate if adsorption can take place without any problems. Before adsorption takes place, the components take an adjacent position to the substrate that is close enough to the substrate so that a dipole-dipole or ion interaction between the components and the atoms on the substrate surface can take place with sufficient probability that the Components are bound to the surface. In this case, a collision between the components and the substrate surface can possibly take place.

An der Grenze zwischen Plasma und Substrat tritt eine Adsorption von gasförmigen Bestandteilen des Reaktionsgases und des Oxidationsgases, wenn dieses in die Kammer2 eingeführt wird, auf Adsorption findet allgemein statt, wenn ein Atom oder Molekül auf eine Oberfläche auftritt und genügend Energie an die Bestandteile der Oberfläche verliert, um gebunden zu werden. Chemische Absorption findet statt, wenn Elektronen ausgetauscht werden und ionische Kräfte das Atom oder Molekül halten.At the boundary between plasma and substrate, adsorption of gaseous components of the reaction gas and the oxidizing gas when it is introduced into the chamber2 occurs in general on adsorption when an atom or molecule occurs on a surface and sufficient energy to the components of the Surface loses to be bound. Chemical absorption takes place when electrons are exchanged and ionic forces hold the atom or molecule.

Einmal adsorbiert, migrieren die Atome und Ionen längs der Oberfläche und reagieren, um einen Dünnfilm auf der Substratoberfläche zu bilden. Bei chemischer Abscheidung aus hochdichtem Plasma wird aufgrund des hohen Dissoziationsgrades ein hoher Grad an Elementenadsorption erwartet. Auf diese Weise werden weniger der kohlenstoffbindenden Stellen durch unerwünschte Radikale wie H und OH besetzt, da die Kohlenstoffatome sehr frei von diesen gebundenen Radikalen bei der Adsorption an der Oberfläche sind. Der gewünschte Effekt der Reduktion der Anzahl von "baumelnden" Bindungen innerhalb des Films ist ebenfalls ein Resultat der Verwendung eines hochdichten Plasmas. Die Kohlenstoffatome besetzen dann eine Position in der glasartigen Matrix, die sonst durch Silikonatome im rein amorphen SiO₂ besetzt wären. Das heißt, das Kohlenstoffatom besetzt vorzugsweise eine Stelle, die an jeder ihrer vier Bindungsstellen ein Sauerstoffatom angebunden hat. Nach den Adsorptions- und Reaktionsvorgängen werden die gasförmigen Nebenprodukte der Ober­flächenreaktionen desorbiert und aus der Kammer2 entfernt.Once adsorbed, the atoms and ions migrate along the surface and react to form a thin film on the substrate surface. In chemical deposition from high-density plasma, a high degree of element adsorption is expected due to the high degree of dissociation. In this way, less of the carbon-binding sites are occupied by undesired radicals such as H and OH, since the carbon atoms are very free of these bound radicals when adsorbed on the surface. The desired effect of reducing the number of "dangling" bonds within the film is also a result of using a high density plasma. The carbon atoms then occupy a position in the glass-like matrix that would otherwise be occupied by silicon atoms in the purely amorphous SiO₂ . That is, the carbon atom preferably occupies a site that has an oxygen atom attached to each of its four binding sites. After the adsorption and reaction processes, the gaseous by-products of the surface reactions are desorbed and removed from chamber2 .

Aufgrund des verwendeten hochdichten Plasmas werden Kohlenstoff- und Siliciumatome von Radikalen befreit, wodurch eine erhöhte thermische Stabilität des sich ergebenden dielektrischen Dünnfilms erreicht wird. Außerdem können die freien Silicium-, Sauerstoff- und Kohlenstoffatome an der Substratoberfläche adsorbiert werden und frei von daran befindlichen Radikalen reagieren, so daß sich eine geringere Anzahl von Stellen mit C-H-Bindungen, ein insgesamt geringerer Wasserstoffgehalt und ein geringerer Silanolgehalt in dem resultie­renden dielektrischen Dünnfilm ergibt.Due to the high-density plasma used, carbon andSilicon atoms are freed from radicals, which results in increased thermal stabilityof the resulting dielectric thin film is achieved. In addition, thefree silicon, oxygen and carbon atoms on the substrate surfacebe adsorbed and react free of radicals attached to it, so thata smaller number of sites with C-H bonds, a total lower hydrogen content and lower silanol content in the resultdielectric thin film.

Die Verwendung von Methan/Silan, TEOS, PTMS und/oder MTMS als Reaktionsgase ist bevorzugt, da sie jeweils Kohlenstoff enthalten. Die Kohlen­stoffatome dissoziieren von anderen Molekülbestandteilen des Reaktionsgases innerhalb der Kammer2. Die Kohlenstoffatome werden dann wichtige Bestandteile des oxidischen Dünnfilms. Die Anwesenheit der Kohlenstoffatome in dem resultierenden Dünnfilm verringert die Dielektrizitätskonstante des Dünnfilms auf etwa k = 2,9 bis k = 3,2. Die Kohlenstoffatome greifen das Substrat oder die Be­standteile des Dünnfilms nicht an und wirken auch nicht korrodierend, unabhängig davon, ob sie mit Wasserstoff kombiniert sind oder nicht.The use of methane / silane, TEOS, PTMS and / or MTMS as reaction gases is preferred since they each contain carbon. The carbon atoms dissociate from other molecular components of the reaction gas within the chamber2 . The carbon atoms then become important components of the oxide thin film. The presence of the carbon atoms in the resulting thin film reduces the dielectric constant of the thin film to about k = 2.9 to k = 3.2. The carbon atoms do not attack the substrate or the constituents of the thin film and do not have a corrosive effect, regardless of whether they are combined with hydrogen or not.

Kohlenstoffdotierte Siliciumdioxidfilme sind vorteilhaft gegenüber SiO_xF_y-Filme, die ebenfalls mit chemischer Abscheidung aus einem hochdichten Plasma hergestellt wurden, und besitzen niedrigere Dielektrizitätskonstanten als typische SiO₂-Filme. Fluoratome können die Verbindungsmaterialien bei einer nachfolgen­den Behandlung bei erhöhter Temperatur angreifen.Carbon-doped silicon dioxide films are advantageous compared to SiO_x F_y films, which were also produced by chemical deposition from a high-density plasma, and have lower dielectric constants than typical SiO₂ films. Fluorine atoms can attack the joining materials in a subsequent treatment at elevated temperature.

Claims (13)

Translated fromGerman

1. Verfahren zum Aufbringen eines kohlenstoffdotierten Dünnfilms aus Siliciumoxid auf ein Substrat, wobei ein oder mehrere Reaktionsgase, enthaltend Kohlenstoff, Silicium und Sauerstoff, in eine das Substrat enthaltende Kammer eingeführt und eine chemische Abscheidung aus der Gasphase vorgenommen wird,dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer ein Plasma einer Dichte über 10¹⁶ Ionen/m³ enthaltend eine Vielzahl von dissoziierten Bestandteilen der Reaktionsgase erzeugt wird und die Bestandteile auf die Substratoberfläche kreisend getrieben werden.1. A method for applying a carbon-doped thin film of silicon oxide to a substrate, wherein one or more reaction gases containing carbon, silicon and oxygen, is introduced into a chamber containing the substrate and a chemical deposition is carried out from the gas phase,characterized in that in the Chamber a plasma with a density above 10¹⁶ ions / m³ containing a large number of dissociated components of the reaction gases is generated and the components are driven onto the substrate surface in a circular manner.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Reaktionsgase ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus

• (1) Methan und Silan,
• (2) Tetraethylorthosilikat (TEOS),
• (3) Methyltrimethoxysilan (MTMS), und
• (4) Phenyltrimethoxysilan (PTMS)

verwendet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that one or more reaction gases selected from the group consisting of

• (1) methane and silane,
• (2) tetraethyl orthosilicate (TEOS),
• (3) methyltrimethoxysilane (MTMS), and
• (4) phenyltrimethoxysilane (PTMS)

be used.3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Reaktionsgasen Inertgas in die Kammer eingeführt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in thatIn addition to the reaction gases, inert gas is introduced into the chamber.4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratoberfläche Energie zum Erleichtern von chemischen Reaktionen von an der Substratoberfläche adsorbierten Bestandteilen zugeführt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized inthat the substrate surface has energy to facilitate chemical reactionsof components adsorbed on the substrate surface.5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mittels einer Heizquelle erhitzt wird, während die Reaktionsbestandteile benach­bart zum Substrat zirkulieren.5. The method according to claim 4, characterized in that the substrateis heated by means of a heating source, while the reaction components are adjacentBeard circulate to the substrate.6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie durch Bombardieren der Substratoberfläche mit energetischen Teilchen zugeführt wird, während die Bestandteile benachbart zum Substrat zirkulieren.6. The method according to claim 4, characterized in that the energyby bombarding the substrate surface with energetic particleswhile the components are circulating adjacent to the substrate.7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmige Nebenprodukte aus der Kammer desorbiert werden.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized inthat gaseous by-products are desorbed from the chamber. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer bei einem Druck geringer als 100 mTorr gehalten wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized inthat the chamber is kept at a pressure less than 100 mTorr.9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer bei einem Druck geringer als 25 mTorr gehalten wird.9. The method according to claim 8, characterized in that the chamberis maintained at a pressure less than 25 mTorr.10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Plasmadichte im Bereich von 10¹⁶ bis 10²² Ionen/m³ eingestellt wird.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that a plasma density in the range of 10¹⁶ to 10²² ions / m^{3 is} set.11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­zeichnet, daß ein Oxidationsgas zu den Reaktionsgasen in die Kammer eingeführt wird.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterizedrecords that an oxidizing gas is introduced into the reaction gases in the chamberbecomes.12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsgas O₂ und/oder H₂O₂ verwendet wird.12. The method according to claim 11, characterized in that O₂ and / or H₂ O_{2 is} used as the oxidizing gas.13. Halbleiterbaustein mit einem Halbleitersubstrat und wenigstens einem SiO_xC_y-Dünnfilm, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilm eine Dielektrizitäts­konstante zwischen 2,5 und 3,5 und insbesondere zwischen 2,9 und 3,2 aufweist.13. Semiconductor module with a semiconductor substrate and at least one SiO_x C_y thin film, characterized in that the thin film has a dielectric constant between 2.5 and 3.5 and in particular between 2.9 and 3.2.