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SiCOH薄膜的結構特征作了分析，建立了薄膜介電性能的結構關聯，探索了薄膜結構與放電等離子體之間的關聯，獲得了重要的研究結果： 1、采用電子回旋共振等離子體技術、以DMCPS液體源為前驅物和適當的摻雜工藝制備了k=2．45、膜厚收縮率小于3％的性能優(yōu)良的低介電常數SiCOH薄膜?？偨Y了磁場形態(tài)、源氣體流量比對薄膜性能的影響，提出獲得低介電常數SiCOH薄膜的技術途徑。 2、研究了基于孔隙的SiCOH薄膜的結構與形

2、成條什。通過選擇適當的放電條件，將DMCPS源中固有的環(huán)結構在薄膜中保存，并相互交聯形成由硅氧鍵構成的立體籠子結構，從而在薄膜中形成孔隙，成為降低SiCOH薄膜介電常數的主要途徑。研究發(fā)現，采用DMCPS源、利剛ECR等離子體沉積的SiCOH薄膜分為含有Si-OH結構、無Si-OH結構的兩類典型。由于Si-OH結構的存在不利于薄膜介電常數的降低，控制和降低薄膜中Si-OH基團含量成為獲得低介電常數薄膜的重要前提。實驗中通過提高微波能量耦

3、合效率，來提高電子能量，使更多的Si-OH鍵斷裂而相互交聯形成Si-O-Si網絡，是降低薄膜中Si-OH基團含量的可行途徑。為了提高硅氧立體籠子結構的比例，采用02摻雜技術，提高硅氧環(huán)的空間交聯度，形成高密度的硅氧立體籠子結構，為進一步降低SiCOH薄膜的介電常數提供了另一條可能的途徑。 3、為了解決過高的孔隙率所產生的副作用，在國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合降低SiCO

4、H薄膜介電常數的方法。研究發(fā)現，CHF3摻雜可使薄膜結構發(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的來源。而CH4摻雜使薄膜結構發(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弱極化鍵結合的低k薄膜。 4、分析了SiCOH薄膜介電性能與結構之間的關聯，并在國際上率先研究了SiCOH薄膜中Si-OH基團對薄膜介電、漏電流性能的影響、機理與可能的控制途徑。研究發(fā)現，對于使用DMCPS等離子體沉積的SiCOH薄膜，介電極化決定于二個主要岡素：(1)Si-0H基團，(2)Si-O立體籠子與網絡結構的比例。薄膜的介電常數在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)兩個區(qū)域，兩個k值區(qū)與薄膜中的Si-OH結構密切相關。對于無Sj-OH的SiCOH薄膜，k值的降低主要取決于薄膜中立體籠子結構的含量，而對于含Si-OH的SiCOH薄膜，由薄膜孔隙導致的k值降低被Si-OH結構的強極性所抵消，導致介電常數增大。降低薄膜中的Si-OH結構的含量，并提高孔隙含量是降低基于孔隙的SiCOH薄膜介電常數的可能途徑。對于孔隙與弱極

7、化鍵相結合的SiCOH薄膜，通過F、CHx摻雜，在SiCOH薄膜中形成與F相關的、或C-H弱極化鍵，使弱極化鍵與孔隙相結合，成為薄膜介電常數降低的可能途徑。通過F摻雜，薄膜的介電常數目前可降至2．48，而通過CHx摻雜，薄膜的介電常數目前可降至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薄膜介電常數的兩條可能途徑。 5、采用等離子體發(fā)射光譜技術研究了薄膜沉積過程中DMCPS、CHF3／DMC

8、PS、CH4/DMCPS、02/DMCPS的ECR放電等離子體空間活性基團的分布狀態(tài)，在國際上率先提出了DMCPS的ECR放電等離子體化學過程，并結合SiCOH薄膜的結構特性，建立了薄膜結構與放電等離子體參量之間的關聯，為了深入分析宏觀工藝條什對薄膜結構、性能影響的微觀機理提供了依據。實驗發(fā)現，通過改變磁場形態(tài)可以調整電子能鼙，從而控制等離子體化學反應。在高離化率時，可以使更多的Si-OH鍵斷裂而交聯形成Si-O-Si網絡。對于CHF3