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s i c o h 薄膜的双频等离子体刻蚀研究 中文摘要 超大规模集成电路中器件密度的提高、特征线宽的减小导致互连线之间的阻容耦 合不断增大，从而使信号传输延时、功耗增大、噪声增大。为了解决这些问题，用低 介电常数( 1 0 w - k ) 和超低介电常数( u l t r a l o w - k v 1 3 5 6 眦s f ，如图4 3 所示。在电场作用下，电子加速并获得能量。高能电子与c h f 3 分子的碰撞导致c h f 3 分子的高离解能分解反应增强。 0 2 04 0 6 0 8 0 1 0 0 时间 图4 3 双频电容耦合放电时的低频电压与高频电压的耦合关系 在双频等离子体中，高频功率控制等离子体密度，低频功率通过调节鞘层宽度来 控制到达薄膜表面的离子能量。但是，双频源之间的耦合可能使等离子体密度和能量 不能独立控制。对于1 3 5 6 m h z 2 m h z 双频等离子体，双频源之间的耦合导致了f 和 o 0 o o 0 8 4 4 出廿 s i c o h 薄膜的双频等离子体刻蚀研究第四章c h f ，双频电容耦合放电等离子体分析 c f 2 基团的空间非均匀性，如图4 4 所示。在高频功率为1 5 0 w 时，f 基团浓度在c 至a 三个位置有明显的不同，随着低频功率的增加这种差别也随之增大。实验结果 表面低频功率能导致基团浓度的空间非均匀性。如果高频功率增加到2 5 0 w ，在b 位 置测到的f 基团浓度与a 位置测到的近似。b 位置和c 位置测到的f 基团浓度明显 不同。实验结果表明增加高频功率可以改善基团浓度的空间非均匀性。因此，在双频 c c p 等离子体中，双频源功率的耦合可以控制基团浓度的非均匀性。 1 02 03 04 0 功率w 功率w 图4 41 3 5 6 m h z 2 m h z 双频等离子体中f 和c f 2 基团密度的空间分布 2 1 傩 舵 傩 蚪 舵 0 0 o 0 0 0 n n n 谜蠖靛罢圈醐。巳票臣 谜烽霞罂围醐。邑冥皿 s i c o h 薄膜的双频等离子体刻蚀研究第四章c h f 3 双频电容耦合放电等离子体分析 4 22 7 1 2 m h z 2 m h zd f c c p 中的碳氟基团分析 图4 5 为2 7 1 2 m h z 2 m h z 双频放电时等离子体中f 、c f 2 基团的密度随2m h z 功率的变化关系，其中2 7 1 2m h z 源的功率为2 0 0w 。由图可见，随着2m h z 功率 的增大，f 相对密度仍然呈增大趋势，而c f 2 相对密度的变化仍非常小。但是，a 、 b 位置的f 密度不再相同，b 位置的f 密度开始减小，c 位置的密度则更低。c f 2 相 对密度的变化仍非常小，但与1 3 5 6 m h z 2 m h z 双频情况相比，等离子体中的c f 2 相 对密度提高了。 蜊 蠖o 0 8 靛 靶 s ，0 0 6 血 困 媳o 0 4 正 u 皿0 0 2 0 0 0 低频功率w 图4 52 7 1 2m h z 2m h z 双频c c p 等离子体中f 、c f 2 基团密度的空间分布 4 36 0 m h z 2 m h zd f c c p 中的碳氟基团分析 图4 6 为6 0m h z 2m h z 双频放电时等离子体中f 、c f 2 基团的相对密度随2m h z 功率的变化关系。随着低频功率的增加，f 、c f 2 基团相对密度的变化趋势与 1 3 5 6 m h z 2 m h z 和2 7 。1 2m h z 2m h z 情况下的相似，f 相对密度仍然呈增大趋势， 但c f 2 相对密度略程下降趋势。与2 7 1 2 m h z 情况中相同的是，随着高频功率的增加， f 基团的空间均匀性下降。在6 0 m h z 情况中，c f 2 相对密度与1 3 5 6 m h z 2 m h z 和 2 7 1 2m h z 2m h z 相比，呈继续上升，且有较大提高。 s i c o h 薄膜的双频等离子体刻蚀研究第四章c h f 。双频电容耦合放电等离子体分析 型 蠖 - 7 陕 罂0 0 8 g 暴o 0 6 。0 0 4 阻 0 0 2 低频功率w 图4 66 0m h z 2m h z 双频c c p 等离子体中f 、c f 2 基团密度的空间分布 根据上述实验结果，对于1 3 5 6m h z 2m h z 、2 7 1 2m h z 2m h z 和6 0m h z 2 m h z 的c h f 3d f c c p 等离子体，增大下电极( 2m h z ) 功率会导致f 基团密度的增大， 而提高上电极功率源的信号频率则导致c f 2 基团的密度增大和f 基团密度的空间均匀 性下降。信号频率越大，a 、b 、c 三个位置的基团密度差异越大。 在c h f 3d f c c p 等离子体中，f 、c f 2 基团主要是通过电子中性气体碰撞使 c h f 3 分解而产生。由于各反应所需能量的差异，f 、c f 2 基团的相对密度应该决定于 等离子体的电子温度。图4 7 为计算获得的等离子体电子温度分布。由图可见在1 3 5 6 m h z 2m h z 双频放电时，在不同空间位置，等离子体的电子温度是存在一定差异的。 在接近下电极表面，电子温度较高，并且受低频功率的影响；在中间位置和上电极表 面，电子温度逐步降低，但基本不受低频功率的影响，接近一个常数。随着高频频率 的增大，由于施加功率的减小，电子温度变得较低；但重要的是电子温度的空间分布 差异减小，同时低频功率的影响也非常小。 s i c o h 薄膜的双频等离子体刻蚀研究第四章c h f ，双频电容耦合放电等离了体分析 o 瑙 赠 衄 0 4 8 0 4 4 0 4 0 0 3 6 0 3 2 0 2 8 1 01 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 低频功率w 图4 7c h f 3d f c c p 等离子体的电子温度分布 将不同频率下的f 、c f 2 基团密度分布与电子温度的分布相比较，可见c f 2 基团 的密度与电子温度的分布是相关的，即随着频率的增大，电子温度在降低，而c f 2 基团的密度在增大。由于产生c f 2 基团的反应( 4 1 ) 能量较低，电子温度的降低有 利于提高反应( 4 1 ) 的几率，使c f 2 基团密度增大，因此c f 2 基团的产生主要是电 子中性气体碰撞的结果。但是，f 基团密度的分布与电子温度的分布是矛盾的，随 着低频功率的增大，虽然电子温度基本接近常数，但f 的密度却在增大，并且当高频 率下电子温度的空间分布差异非常小时，f 密度的空间分布差异却在增大，因此f 的 主要产生机制不应是电子中性气体碰撞过程所致。在低温等离子体中，离子中性气 体碰撞是使c h f 3 分解的另一种可能机制。在高频频率升高和低频功率增大对等离子 体特性的影响研究工作中，l e e 等发现频率的升高可以导致离子能量分布函数向高能 端飘移【3 0 1 ，h u a n g 等发现低频功率的增大可以导致高能离子数目的增加【3 1 1 ，因此， 高频频率的升高和低频功率增大所致的f 基团密度的增大与离子能量的增大有关，是 离子中性气体碰撞几率增大的结果。 s i c o h 薄膜的双频等离子体刻蚀研究 第五章结论 5 1 本文的主要结果 第五章结论 本文以十甲基环五硅氧烷为源气体，利用电子回旋共振化学气相沉积设备制备了 具有较低介电常数的多孔s i c o h 薄膜，并使用双频电容耦合等离子体技术，以c h f 3 为刻蚀气体，研究了不同频率耦合( 1 3 5 6m h z 2m i - - i z 、2 7 1 2m h z 2m h z 和6 0m h z 2m h z ) 下高频频率和低频功率对s i c o h 薄膜刻蚀的影响，以及s i c o h 薄膜刻蚀的 等离子体关联。主要结论如下： 1 、采用双频电容耦合等离子体技术，通过提高高频频率和低频功率可以使s i c o h 薄膜的刻蚀过程从薄膜生长转变为薄膜刻蚀，从而实现s i c o h 薄膜的可控刻蚀。高 频频率的提高，可以降低刻蚀时所需的功率。 2 、结合s i c o h 薄膜刻蚀的f t i r 光谱和x p s 谱分析，发现s i c o h 薄膜的刻蚀过 程从薄膜生长到刻蚀的转变，与c f 2 基团含量的变化有关。c f 2 基团含量增加，则出 现薄膜生长，c f 2 基团含量降低，则呈现刻蚀过程。因此，s i c o h 薄膜的生长胲0 蚀 与c ：f 层的沉积有关。 3 、s i c o h 薄膜的刻蚀与等离子体空间的f 浓度有关。在1 3 5 6 m h 沈m h z 、2 7 1 2 m h z 2m h z 和6 0m h z 2m h z 下，增加低频功率均可以提高f 基团的浓度，同时提 高高频信号源的频率也可以增大f 基团浓度，从而实现s i c o h 薄膜的可控刻蚀。 5 2 存在的主要问题和进一步研究方向 多孔超低k 介质材料作为具有明确应用目标的新材料，面临着较多的问题。为了 满足其应用要求，必须较全面地评价多孔低k 材料的性能，开展较全面的研究工作。 本文虽然完成了一定的实验和分析工作，但对实验结果的分析仍然不够深入细 致，仍然存在一些没有解决的问题。例如，高频频率为什么会对基团密度的空间均匀 性会有影响，等离子体中的电子温度并不是随着频率的升高而单调下降的， 6 0 m h z 2 m h z 条件下的电子温度要高于2 7 1 2 m h 7 _ 2m h z 条件下的。相应的理论模型 与数值模拟也是必不可少的工作。因此，仍需我们课题组的不断努力。 s i c o h 薄膜的双频等离子体刻蚀研究 参考文献 参考文献 【1 】c 。c c h o ，d m 。s m i t h ，j a n d e r s o n ，m a t e r c h e m p h y s 1 9 9 5 ，4 2 ，9 1 【2 】2s p j e n g ，r h h a v e m a n n ，0m - c c h a n g ，m a t e r r e s s o c s y m p p r o e 19 9 4 ，3 3 7 ，2 5 【3 】w o l f g a n gm a 2 0 0 2c u r r o p i n s o l i ds t a t em a t e r s c i 63 7 1 4 】r d m i l l e r , s c i e n c e19 9 9 ，2 8 6 ，4 2 1 【5 雷清泉编著，工程电介质的最新进展，北京：科学出版社，1 9 9 9 【6 】殷之文主编，电介质物理( 第二版) ，北京：科学出版社，2 0 0 3 7 】a b eh ，y o n e d am a n df u j i w a r an2 0 0 8d p n za p p l p h y s 4 714 3 5 【8 】8 t a t s u m it2 0 0 7a p p ls u r f t2 5 36 7 1 6 【9 】9 i s h i h a r ak ，s h i m a d at ，y a g i s a w ate ta l2 0 0 6p l a s m ap h y s c o n t r o lf u s i o n4 8b 9 9 10 】m i y a u c h im ，m i y o s h iyp e t r o v i 6zl je ta l2 0 0 7s o l i d - s t a t ee l e c t r o n i c s5 11 418 1 1 】d e n d at ，m i y o s h iy k o m u k a iyg o t ot ，p e t r o v i 6zl j ，m a k a b et 2 0 0 4 a p p lp h y s 9 58 7 0 【1 2 】u c h i d as ，t a k a s h i m as ，h o r im ，f u k a s a w am ，o h s h i m ak ，n a g a h a t ak ，t a t s u m it 2 0 0 8z a p p lp h y s 10 30 7 3 3 0 3 【13 】k i n o s h i t ak ，n o d as ，m o r i s h i t as ，i t a b a s h in ，o k i g a w am ，s e k i n em ，i n o u em 19 9 9 zv a c s c i t e c h n o la1 71 5 2 0 【1 4 王婷婷，叶超，宁兆元，程珊华，物理学报，2 0 0 5 ，5 4 ，8 9 2 【1 5 】叶超，苏州大学博士学位毕业论文，2 0 0 6 年5 月 【16 】c h a oy e ，z h a o y u a nn i n g ，y ux i n ，t i n g t i n gw a n g , x i a o z h uy u ，m e i f uj i a n g , m i c r o e l e c t r o e n g 2 0 0 5 ，8 2 ，35 - 4 3 【1 7 】y ec h a o ，y ux i a o z h u ，w a n gt i n g t i n g ，n i n gz h a o y u a n ，x i ny u , j i a n gm e i f u ，c h i n e s e p h y s i c sl e t t e r s ，2 0 0 5 ，2 2 ，2 6 7 0 【1 8 】俞笑竹，王婷婷，叶超，宁兆元，物理学报，2 0 0 5 ，5 4 ( 1 1 ) ，5 4 1 7 【19 】g a n st ，s c h u l z ej ，o c o n n e l ld e ta l2 0 0 6a p p lp h y s l e t t 8 92 615 0 2 2 0 】温诗甫编著，傅立叶变换红外光谱仪，北京：化学工业出版社，2 0 0 5 s i c o h 薄膜的双频等离子体刻蚀研究参考文献 【2 l 】钟海庆编，红外光谱法入门，化学工业出版社( 北京) ，1 9 8 4 【2 2 】于世林，李寅蔚主编，波谱分析法重庆大学出版社，1 9 9 4 【2 3 】( 美) 中西香尔，p h 索罗曼著，红外吸收光谱，中国化学学会( 北京) ，1 9 8 0 【2 4 】黄松，苏州大学博士学位毕业论文，2 0 0 5 年4 月 【2 5 】q a y y u ma ，z e bs ，n a v e e dma ，g h a u r isa ，z a k a u l l a hm ，w a h e e da 2 0 0 5z a p p l p h y s 9 81 0 3 3 0 3 【2 6 】c h i n g s u n g n o e na ，w i l s o njib ，a m o m k i t b a m r u n gv t h o m a sc ，b u r i n p r a k h o nt 2 0 0 7p l a s m as o u r c es c f t e c h n 0 1 164 3 4 2 7 】a s a n k a r a n ，m j k u s h n e r , a p p l p h y s l e t t 8 2 ，18 4 2 ( 2 0 0 3 ) 【2 8 】w a n gs ，x ux ，w a n gy n 2 0 0 7p h y sp l a s m a1 411 4 5 0 1 【2 9 】g a h a nd ，d o l i n a jb ，h o p k i n sm b2 0 0 8r e v s c i 1 n s t r u m 7 90 3 3 5 0 2