SiCOH低k薄膜的ECR等離子體沉積與介電性能研究.pdf

1、本論文對(duì)SiCOH薄膜的結(jié)構(gòu)特征作了分析，建立了薄膜介電性能的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，探索了薄膜結(jié)構(gòu)與放電等離子體之間的關(guān)聯(lián)，獲得了重要的研究結(jié)果： 1、采用電子回旋共振等離子體技術(shù)、以DMCPS液體源為前驅(qū)物和適當(dāng)?shù)膿诫s工藝制備了k=2．45、膜厚收縮率小于3％的性能優(yōu)良的低介電常數(shù)SiCOH薄膜?？偨Y(jié)了磁場(chǎng)形態(tài)、源氣體流量比對(duì)薄膜性能的影響，提出獲得低介電常數(shù)SiCOH薄膜的技術(shù)途徑。 2、研究了基于孔隙的SiCOH薄膜的結(jié)構(gòu)與形

2、成條什。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)姆烹姉l件，將DMCPS源中固有的環(huán)結(jié)構(gòu)在薄膜中保存，并相互交聯(lián)形成由硅氧鍵構(gòu)成的立體籠子結(jié)構(gòu)，從而在薄膜中形成孔隙，成為降低SiCOH薄膜介電常數(shù)的主要途徑。研究發(fā)現(xiàn)，采用DMCPS源、利剛ECR等離子體沉積的SiCOH薄膜分為含有Si-OH結(jié)構(gòu)、無(wú)Si-OH結(jié)構(gòu)的兩類典型。由于Si-OH結(jié)構(gòu)的存在不利于薄膜介電常數(shù)的降低，控制和降低薄膜中Si-OH基團(tuán)含量成為獲得低介電常數(shù)薄膜的重要前提。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)提高微波能量耦

3、合效率，來(lái)提高電子能量，使更多的Si-OH鍵斷裂而相互交聯(lián)形成Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)，是降低薄膜中Si-OH基團(tuán)含量的可行途徑。為了提高硅氧立體籠子結(jié)構(gòu)的比例，采用02摻雜技術(shù)，提高硅氧環(huán)的空間交聯(lián)度，形成高密度的硅氧立體籠子結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步降低SiCOH薄膜的介電常數(shù)提供了另一條可能的途徑。 3、為了解決過(guò)高的孔隙率所產(chǎn)生的副作用，在國(guó)際上率先采川在十甲基環(huán)五硅氧烷中摻雜CHF3、CH4的方法，探索了弱極化鍵與孔隙相結(jié)合降低SiCO

4、H薄膜介電常數(shù)的方法。研究發(fā)現(xiàn)，CHF3摻雜可使薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)生兩方面變化：(1)CHF3摻雜有利于降低SiCOH薄膜的孔隙率；(2)CHF3摻雜提供了SiCOH薄膜中弱極化鍵C．F、Si-F的來(lái)源。而CH4摻雜使薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)生不同的變化：(1)CH4摻雜有利丁SiCOH薄膜中孔隙的形成，薄膜的孔隙含量較高：(2)CH4摻雜提供了SiCOH薄膜中弱極化鍵C-H的米源。岡此，CHF3摻雜制備的SiCOH薄膜是低密度孔隙與C-H、C-F、Si-F

5、弱極化鍵相結(jié)合的低k薄膜，而CH4摻雜制備的SiCOH薄膜是較高密度孔隙與C-H弱極化鍵結(jié)合的低k薄膜。 4、分析了SiCOH薄膜介電性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)，并在國(guó)際上率先研究了SiCOH薄膜中Si-OH基團(tuán)對(duì)薄膜介電、漏電流性能的影響、機(jī)理與可能的控制途徑。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于使用DMCPS等離子體沉積的SiCOH薄膜，介電極化決定于二個(gè)主要岡素：(1)Si-0H基團(tuán)，(2)Si-O立體籠子與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的比例。薄膜的介電常數(shù)在2．88～

6、4．22之間，分為較低k值區(qū)(2．88～3．21)和較大k值區(qū)(3．14～4．22)兩個(gè)區(qū)域，兩個(gè)k值區(qū)與薄膜中的Si-OH結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對(duì)于無(wú)Sj-OH的SiCOH薄膜，k值的降低主要取決于薄膜中立體籠子結(jié)構(gòu)的含量，而對(duì)于含Si-OH的SiCOH薄膜，由薄膜孔隙導(dǎo)致的k值降低被Si-OH結(jié)構(gòu)的強(qiáng)極性所抵消，導(dǎo)致介電常數(shù)增大。降低薄膜中的Si-OH結(jié)構(gòu)的含量，并提高孔隙含量是降低基于孔隙的SiCOH薄膜介電常數(shù)的可能途徑。對(duì)于孔隙與弱極

7、化鍵相結(jié)合的SiCOH薄膜，通過(guò)F、CHx摻雜，在SiCOH薄膜中形成與F相關(guān)的、或C-H弱極化鍵，使弱極化鍵與孔隙相結(jié)合，成為薄膜介電常數(shù)降低的可能途徑。通過(guò)F摻雜，薄膜的介電常數(shù)目前可降至2．48，而通過(guò)CHx摻雜，薄膜的介電常數(shù)目前可降至245。因此，提高薄膜孔隙密度、或在低孔隙密度的薄膜中引入弱極化鍵是降低SiCOH薄膜介電常數(shù)的兩條可能途徑。 5、采用等離子體發(fā)射光譜技術(shù)研究了薄膜沉積過(guò)程中DMCPS、CHF3／DMC

8、PS、CH4/DMCPS、02/DMCPS的ECR放電等離子體空間活性基團(tuán)的分布狀態(tài)，在國(guó)際上率先提出了DMCPS的ECR放電等離子體化學(xué)過(guò)程，并結(jié)合SiCOH薄膜的結(jié)構(gòu)特性，建立了薄膜結(jié)構(gòu)與放電等離子體參量之間的關(guān)聯(lián)，為了深入分析宏觀工藝條什對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、性能影響的微觀機(jī)理提供了依據(jù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變磁場(chǎng)形態(tài)可以調(diào)整電子能鼙，從而控制等離子體化學(xué)反應(yīng)。在高離化率時(shí)，可以使更多的Si-OH鍵斷裂而交聯(lián)形成Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于CHF3