（凝聚态物理专业论文）sicoh低k薄膜的ecr等离子体沉积与介电性能研究.pdf

、 s i c o h 低k 薄膜的e c r 等离了体沉积，介电性能研究 摘要 摘要 微电子器件在快速发展，器件的性能不断完善，集成度不断提高，预计到2 0 1 0 年后进入4 5n m 以下线宽的纳电子器件时代。由于高性能芯片上器什密度和连线密度的增加，器件尺寸和线宽将 减小，导致互连线的阻容( r c ) 增人、信号传送延时、噪声干扰增强和功率耗散增大，器件： 作 频率受到限制。为了解决这些问题，人们正在发展新的互连材料、新的互连结构以及新的互连方 式。采j ；i 新的互连材料米取代目前的a i s i 0 2 己成为解决纳电子器件互迮问题的主要选择。作为 互连介质的低k 材料和超低k 材料，是近年来全球微电子材料与器件领域关注的焦点之一。 我们研究小组从2 0 0 3 年起在国际上率先将环结构的十甲基环五砖氧烷( d m c p s ) 反应源与 微波电子同旋共振( e c r ) 等离子体技术相结合，开展了基丁i l 隙的低介电常数s i c o h 薄膜的 研究。另一方面，在保持适度孔隙率的前提f ，通过c h f 3 、c h 4 的掺杂，进一步开展了弱极化 键与孔隙相结合的低介电常数s i c o h 薄膜的研究。本论文对s i c o h 薄膜的结构特征作了分析， 建立了薄膜介电性能的结构关联，探索了薄膜结构与放电等离子体之间的关联，获得了重要的研 究结果： 1 、采用电子回旋共振等离子体技术、以d m c p s 液体源为前驱物和适当的掺杂工艺制备了k = 2 4 5 、膜厚收缩率小丁i3 的性能优良的低介电常数s i c o h 薄膜。总结了磁场形态、源气体流 颦比对薄膜性能的影响，提出获得低介电常数s i c o h 薄膜的技术途径。 2 、研究了基于孔隙的s i c o h 薄膜的结构与形成条件。通过选择适当的放电条件，将d m c p s 源中固有的环结构在薄膜中保存，并相互交联形成由砖氧键构成的立体笼子结构，从而在薄膜中 形成孔隙，成为降低s i c o ! t 薄膜介l 也常数的土要途释。研究发现，采删d m c p s 源、利州e c r 等离子体沉积的s i c o h 薄膜分为含有s i o h 结构、无s i o h 结构的两类典型。由于s i - o h 结构 的存在不利于薄膜介电常数的降低，控制和降低薄膜中s i o h 基团含鼙成为获得低介电常数薄膜 的重要前提。实验中通过提高微波能量耦合效率，米提高电子能鼙，使更多的s i o h 键断裂而相 互交联形成s i o s i 网络，足降低薄膜中s i o h 基团含姑的可行途径。为了提高硅氧立体笼子结 摘要 s i c o h 低k 薄膜的e c r 等离了体沉积，介电性能研究 构的比例，采川0 2 掺杂技术，提高砗氧环的空间交联度，形成高密度的石丰氧立体笼子结构，为 进一步降低s i c o h 薄膜的介电常数提供了另一条可能的途径。 3 、为了解决过高的7 l 隙率所产生的副作州，在国际上率先采州在十甲基环五硅氧烷中掺杂 c h f 3 、c h 4 的方法，探索了剥极化键与孔隙相结合降低s i c o h 薄膜介电常数的方法。研究发现， c h f 3 掺杂可使薄膜结构发生弧方面变化：( 1 ) c h f 3 掺杂有利丁降低s i c o h 薄膜的孔隙率；( 2 ) c h f 3 掺杂提供了s i c o h 薄膜中弱极化键c f 、s i f 的来源。而c h 4 掺杂使薄膜结构发生不同的 变化：( 1 ) c h 4 掺杂有利ts i c o h 薄膜中i l 隙的形成，薄膜的孔隙含鼙较高；( 2 ) c h 。掺杂提供 了s i c o h 薄膜中弱极化键c h 的来源。阗此，c h f 3 掺杂制备的s i c o h 薄膜是低密度孔隙与c h 、 c f 、s i f 弱极化键相结合的低k 薄膜，而c h 4 掺杂制备的s i c o h 薄膜是较高密度孔隙与c h 弱 极化键结合的低k 薄膜。 4 、分析了s i c o h 薄膜介电性能与结构之间的关联并在国际上率先研究了s i c o h 薄膜中 s i o h 基团对薄膜介电、漏电流性能的影响、机理与可能的控制途径。研究发现，对于使用d m c p s 等离子体沉积的s i c o h 薄膜，介电极化决定丁- 二个士要闭素：( 1 ) s i o h 基团，( 2 ) s i o 立体 笼子与网络结构的比例。薄膜的介电常数在2 8 8 4 2 2 之间，分为较低k 值区( 28 8 3 2 1 ) 和 较人k 值区( 3 1 4 4 2 2 ) 两个区域，两个k 值区与薄膜中的s i - o h 结构密切相关。对丁无s i o h 的s i c o h 薄膜，k 值的降低。i ：要取决丁薄膜中立体笼子结构的含姑，而列丁含s i o h 的s i c o h 薄膜，由薄膜孔隙导致的k 值降低被s i o h 结构的强极性所抵消，导致介电常数增人。降低薄膜 中的s i o h 结构的含量，并提高孔隙含量是降低基丁i l 隙的s i c o h 薄膜介电常数的可能途径。 对于孔隙与弱极化键相结合的s i c o h 薄膜，通过f 、c h 。掺杂，在s i c o h 薄膜中形成与f 相关 的、或c h 弱极化键，使弱极化键与孔隙相结合，成为薄膜介电常数降低的可能途径。通过f 掺杂，薄膜的介电常数目前可降至24 8 ，而通过c h 、掺杂，薄膜的介电常数目前可降至2 4 5 。冈 此，提高薄膜孔隙密度、或在低孔隙密度的薄膜中引入弱极化键是降低s i c o h 薄膜介电常数的 两条可能途径。 5 、采用等离子体发射光谱技术研究了薄膜沉积过样中d m c p s 、c h f 3 d m c p s 、c h 4 d m c p s 、 0 2 d m c p s 的e c r 放电等离f 体空间活性基团的分布状态，在国际上率先提山了d m c p s 的e c r i i 、 s i c o h 低k 薄膜的e c r 等离了体沉积，介 b 性能研究 摘要 放电等离子体化学过稗，并结合s i c o h 薄膜的结构特性，建立了薄膜结构与放电等离子体参量 之间的关联，为了深入分析宏观1 ：艺条什对薄膜结构、性能影响的微观机理提供了依据。实验发 现，通过改变磁场形态可以调整电子能昔，从而控制等离子体化学反应。在高离化率时，可以使 更多的s i o h 键断裂而交联形成s i o s i 网络。对y - c h f 3 d m c p s 的放电等离子体，由于c h f ” d m c p s 两种源气体是分别提供s i 、f 的独立源，同时由丁f 对s j 的刻蚀作用，发现薄膜沉积过 程中薄膜生长与刻蚀的竞争过程导致了薄膜结构的转变和薄膜表观生长行为的复杂性。 关键词：s i c o h 低女薄膜，键结构，介电性能，e c r 放电等离子体 i i 作者：叶超 指导教师：宁兆元 摘要 s i c o h 低k 薄膜的e c r 等离了体沉积j 介i 乜性能研究 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e sw i l l l e a dt ot h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to f d e v i c ep e r f o r m a n c ea n dt h ei n c r e a s eo fd e v i c ei n t e g r a t e do nac h i p t h el i n es i z eb e l o w4 5n mw i l lb e a c h i e v e da n dt h el l a n o e l e c t r o n i cd e v i c ew i l lo c c u rb y2 0 1 0 i no r d e rt or e d u c et h er cs i g nd e l a y d i s s i p a t i o na n dc r o s s - l i n kb e t w e e nm e t a li n t e r c o n n e c t sc a u s e db ys i z es h r i n k i n gc o n t i n u o u s l y , t h e p o r o u sl o wd i e l e c t r i cc o n s t a n t ( 1 0 w pa n du l t r a l o wd i e l e c t r i cc o n s t a n t ( u l t r a l o w 一丘k 2 ) m a t e r i a l r e c e n t l yr e c e i v e dm o r ec l o s ea t t e n t i o n f r o m2 0 0 3 ，w eu s ed e c a m e t h y l c y c l o p e n t a s i l o x a n e ( d m c p s ) e l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e ( e c r ) p l a s m at op r e p a r ep o r e - b a s e ds i c o hl o w - kf i l m s t h e nw ed e v e l o pan e wm e t h o dc o m b i n e dw e a k p o l a r i z a t i o nb o n d sw i t hp o r e st op r e p a r es i c o hl o w - kf i l m sb yi n c o r p o r a t i n gc h f 3o rc h 4i np o r o u s s i c o hf i l m s i n t h et h e s i s t h ef i l m sb o n d i n gc o n f i g u r a t i o n s ，t h ee f f e c to fs t r u c t u r e so nd i e l e c t r i c p r o p e r t y , a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf i l m ss t r u c t u r ea n dd i s c h a r g ep l a s m ab e h a v i o ra r ea n a l y z e d t h e d e t a i l sa r ea sf o i l o w s 1 t h es i c o h l o w - k f i l m s w i t hk = 2 4 5a n dg o o d t h e r m a ls t a b i l i t yh a v eb e e np r e p a r e db y d m c p s e c rp l a s m aa n dc h f 3o rc h ad o p e d b ya n a l y z i n gt h ee f f e c to ff i e l dd i s t r i b u t i o na n ds o u r c eg a s e s f l o wo nf i l m ss t r u c t u r e sa n dd i e l e c t r i cp r o p e r t y , t h em e t h o dt or e d u c ed i e l e c t r i cc o n s t a n ti sp r e s e n t e d 2 f o rt h ep o r e - b a s e ds i c o hf i l m s ，t h ep o r o s i t yc a nb ei n c r e a s e d b yo p t i m i z i n gd i s c h a r g e c o n d i t i o nt op r e s e r v et h er i n gs t r u c t u r ei nt h ef i l m sa n df u r t h e rf o r mt h ec a g ei nt h ef i l m sb y l i n k i n g r i n g se a c ho t h e r t h i sb e c o m e sa na v a i l a b l em e t h o dt or e d u c ed i e l e c t r i cc o n s t a n t w ef o u n dt h a tt h e s i c o hf i l m sp r e p a r e do n l yb yd m c p ss h o wt w ot y p e so ft y p i c a lb o n d i n gc o n f i g u r a t i o n s ，i n c l u d i n g w i t ha n df r e eo f s i - 0g r o u p si nt h ef i h n sd u et ot h es t r o n gp o l a r i z a t i o no fs i o hg r o u p ，i tl e a d st ot h e n c r e a s eo f kv a l u eo f t h es i c o hf i h n s a tt h ec a s eo fh i g hi o n i z a t i o nd e g l e eo f p r e c u r s o r , m o r es i - o h s i c o h 低k 薄膜的e c r 等离了体沉积q 介i 乜性能研究摘要 g r o u p sb r e a ka n df o r ms i - o - s il i n k a g e sb yc o n d e n s a t i o nc h e m i s t r yo c c u r r i n gb e t w e e np r o x i m a ls i - o h g r o u p s a sar e s u l t ，t h ekv a l u eo fs i c o hf i l m sc a r lb er e d u c e d i no r d e rt of u r t h e ri n c r e a s et h ep o r o s i t y , w eu s e0 2a so x i d a n tt om a k em o r er i n gl i n k a g et oi n c r e a s ec a g ec o n t e n t t h i sh e l p st of u r t h e rr e d u c e t h ekv a l u eo fs i c o hf i l m s 3 i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e m sc a u s e db yh i g hp o r o s i t y , w ed e v e l o pan e wm e t h o dt op r e p a r e s i c o hl o w - kf i l m s ，w h i c hc o m b i n e sw e a kp o l a r i z a t i o nb o n d sw i t hp o r e sb yi n c o r p o r a t i n gc h f 3o rc h 4 i np o r o u ss i c o hf i l m s w ef o u n dt h a tt h ea d v a n t a g eo fc h f 3i n c o r p o r a t i o ni st od e c r e a s et h ep o r o s i t y o ff i l m sa n dt oi n t r o d u c ew e a kp o l a r i z a t i o nc fa n ds i fb o n d si n t of i l m s h o w e v e r , t h ef u n c t i o no f c h 4i n c o r p o r a t i o ni st oi n c r e a s et h ep o r o s i t yo ff i l m sa n dt oi n t r o d u c ew e a kp o l a r i z a t i o nc - hb o n d t h e r e f o r e ，t h ec h f 3 - d o p e ds i c o hf i l m sa r ek i n do fl o w - kf i l m sc o m b i n e dl o wp o r o s i t yw i t hc - h ，c - f a n ds i fw e a kp o l a r i z a t i o nb o n d s t h ec h 4 一d o p e ds i c o hf i l m sa r ek i n do fl o w - kf i l m sc o m b i n e dh i g h p o r o s i t yw i t hc hw e a kp o l a r i z a t i o nb o n d 4 t h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fs i c o hf i l m sa r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h e i rs t r u c t u r e s f o rt h ef i l m s d e p o s i t e do n l yu s i n gd m c p s ，t h ek - v a l u ei si nt h er a n g eo f2 8 8 4 2 2a n dt h em i n i m u mka sl o wa s 2 8 8c a nb er e a c h e d t h eki sd e p e n d e n to nt h es i - o hc o n t e n ta n dt h er a t i oo fs i oc a g et os i - o n e t w o r ki nt h ef i l m s f o rt h es i c o hf i l m sw i t hs i - o hg r o u p s ，t h ed e c r e a s i n go f 女v a l u eo r i g i n a t e df r o m c a g es t m c t u r ei sc o m p e n s a t e db yt h es t r o n gp o l a r i z a t i o no fs i - o hg r o u p s i tl e a d st ot h ei n c r e a s i n go f k v a l u ef 3 1 4 4 2 2 ) f o rt h es i c o hf i l m sf r e eo f s i - o hg r o u p t h em i n i m u mkv a l u eh a sb e e nc l o s et o t h a to f o t h e rs i c o hf i l m sd e p o s i t e do n l yu s i n gt m c t so rv 3 d 3r i n gs t r u c t u r el i q u i d ，a n dad e c r e a s i n g t r e n do f k v a l u e ( 2 8 8 3 2 1 ) a s a s i - oc a a s l on e i 。o r k i n c r e a s e dc a nb eo b t a i n e d ，s o t h ed e c r e a s i n go f k i s m a i n l yd e p e n d e n to nt h ec o n t e n to fc a g e s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ekv a l u ec a nn o tb er e d u c e db y d e c r e a s i n gt h ed e n s i t yo ff i l m sf o rt h es i c o hf i l m sw i t hs i - o hg r o u p s t h ep o s s i b l ew a yt or e d u c ek v a l u ei st or a i s et h ei o n i z a t i o nd e g r e eo fp r e c u r s o ra n dt r a n s f o r m em o r es i o hg r o u p si n t os i o s i n e t w o r k s f o rt h ec h - d o p e da n df - d o p e ds i c o hf i l m s ，t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n tki sa l s oc l o s e l yr e l a t e d t ot h ec o n f i g u r a t i o n so f f i l m s b ya d d i n gc h 4i nt h ep r e c u r s o r , t h ekv a l u ec a nb er e d u c e dt o24 5d u et o t h ei n c o r p o r a t i o no fw e a kp o l a r i z a t i o nc - hb o n da n dt h ed e c r e a s eo ff i l m sd e n s i t yb yi n c o r p o r a t i n g v 摘要 s i c o h 低k 薄膜的e c r 等离了体沉积与介电性能研究 l a r g es i z ec h 。g r o u p s b ya d d i n gc h f 3i nt h ep r e c u r s o r , t h ekv a l u ec a na l s ob er e d u c e dt o2 4 8d u et o t h ei n c o r p o r m i o no fw e a kp o l a r i z a t i o ns i fa n dc fb o n d s s ot h ed i e l e c t r i cc o n s t a n tf o rs i c o hf i l m s d e p e n d so nn o to n l yt h ef i l m sd e n s i t yb u ta l s ot h ep o l a r i z a t i o no fa t o m s b yd e c r e a s i n gt h ef i l m sd e n s i t y o rb yr e d u c i n gt h ep o l a r i z a t i o no f a t o m sa tt h ec a s eo fl o w e rf i l m sd e n s i t y , t h el o wd i e l e c t r i cc o n s t a n t s i c o hf i l m sc a nb eo b t a i n e d 5 a tt h ec a s eo fs u b s t r a t ew i t h o u th e a t e d ，t h eg r o w t ho ff i l m si sm a i n l yt h r o u g hr a d i c a l sa b s o r b e d a n dm i g r a t i n ga tt h es u r f a c eo f s u b s t r a t e t h er a d i c a l sa r em a i n l yp r o d u c e di ne c rd i s c h a r g ep l a s m a a s ar e s u l t ，t h es t r u c t u r e so fs i c o hf i l m sa r ea f f e c t e db yt h er a d i c a l s a c t i v i t ya n dt h e i rd i s t r i b u t i o ni nt h e p l a s m a t h i st h e s i sf u r t h e ri n v e s t i g a t e st h ec h a r a c t e r i z a t i o no fd m c p s ，c h f 3 d m c p s ，c h d d m c p s ， 0 2 d m c p se l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c ed i s c h a r g ep l a s m aa td i f f e r e n tf i e l dd i s t r i b u t i o no rs o u r c eg a s e s f l o wr a t i o a c c o r d i n gt ot h er a d i c a ld i s t r i b u t i o n t h ep o s s i b l ec h e m i c a lr e a c t i o n si nd m c p se c r d i s c h a r g ep l a s m aa r ep r e s e n t e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i c o hf i l m ss t r u c t u r ea n dt h er a d i c a l d i s t r i b u t i o ni sa n a l y z e dt h er e s u l t ss h o wt h a ta tah i g hi o n i z a t i o nd e g r e eo fd m c p s ，t h ef i v e f o l ds i - o r i n g sb r e a ka n df o r mn e wt h r e e f o l ds i - or i n g s m e a n w h i l e ，m o r es i - o hg r o u p sb r e a ka n df o r ms i - o s n k a g e sb yt h ec o n d e n s m i o nc h e m i s t r y f o rt h ec h f f f d m c p se c rp l a s m a ，t h ee t c h i n go f ft os il e a d s t oac o m p e t i t i o nb e t w e e nf i h n sg r o w t ha n de t c h i n g i tl e a d st ot h ec o m p l e x i t yo fg r o w t hb e h a v i o ra n d t h et r a n s i t i o no f f i l m ss t r u c t u r e sf r o ms i c o ht of s i c o h a n df u r t h e rt oa o c ：f k e y w o r d s ：s i c o hl o wd i e l e c t r i cc o n s t a n tf i l m s ，b o n d i n gc o n f i g u r a t i o n s ，d i e l e c t r i cp r o p e r t i e s ， e c rd i s c h a r g ep l a s m a w r i t t e nb yy ec h a o s u p e r v i s e db yn i n gz h a o - y u a n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 9 s 7 3 8 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：这堡垒日期：2 盟聋垒司 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名 s i c o h 低k 薄膜的e c r 等离子体沉积与介电性能研究 第一章引言 第一章引言 我们进入了信息时代，信息技术的发展使我们的世界发生着深刻的变化，从因特网到移动通 讯、从数字电视到移动电脑一作为信息技术的基础与核心，微电子技术的快速发展正影响着 我们生活的方方面面。由丁 微电子技术的核心地位，微电子技术与微电子材料的研究得到世界各 国的高度重视，从电子管、晶体管到集成电路、超人规模集成电路，从微米、亚微米、深亚微米 特征线宽到纳米尺度，人们在不断创新、不断前进，同时，也不断面临新的问题。 1 1 研究背景 根据美国、欧洲、日本、韩国和台湾半导体【：业协会联合编制的国际i # 导体技术发展规划( t h e i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g y r o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ，i t r s l 9 9 9 、i t r s 2 0 0 1 、i t r s 2 0 0 3 、 i t r s 2 0 0 5 ) ，在未来的1 5 年内，微电子器件将继续按照莫尔定律( m o o r e sl a w ) 快速发展( 图 1 1 ) ，器件性能不断完善，器件集成度不断提高，在2 0 0 7 - 2 0 1 0 年期间进入6 5 4 5n m 以下线宽 的纳电子器件时代( 图1 2 ) 。由于高性能的单片芯片上将集成5 0 0 兆个晶体管，同时芯片内 部器件之间以及芯片与外部的连线将长达上万米口j ，器件密度和连线密度将极大增加( 图1 3 ) 。 但是，由于器件尺寸减小、线宽变窄，导致互连线之间阻容( r c ) 耦合增大，从而使信号传送延 时、干扰噪声增强和功率耗散增大【3 1 ，器件频率受到限制( 图1 4 ) ( 4 1 。 图1 - 1 微电子器件发展的莫尔定律( m o o r e sl a w ) 笙二皇! ! 童 ! ! 1 2 坚堡! 翌堕堕! ! 垦羔塞三苎望塑皇坌皇堡! ! 堑壅 图1 - 2 微电子器件发展趋势( | t r $ 2 0 0 3 ) 【1 1 图1 - 3 互连线，绝缘介质结构的三维、断面示意图【4 】 图1 - 4 器件f ：作频率受到信号传输的限制1 4 i 2 s i c o h 低k 薄膜的e c r 等离子体沉积与介电性能研究第一章引言 在多层互连系统中( 图1 5 ) ，由互连阻容( r c ) 耦合增大导致的信号传送延时、干扰增强 和功率耗散增大问题决定于互连材料性能和互连结构设计p l 。 图1 - 5 典型的多层连线系统p 1 ( 取p = w + s 、w = s ，其中p 为金属间距，w 为金属宽度，s 为金属之间宽度：假定金属层的 厚度和介质层上部、r 部的金属引线层的厚度相同，均为t ) ( 1 ) r c 延时 对于宽度为、电阻率为p 的连线，总电阻为 r = 2 p l p 丁 ( 1 - 1 ) 式中：p 为金属间距，p = w + s ：w 为金属宽度，s 为金属之间宽度，r 为金属层厚度。 介质的电容由横向线间电容c ，l 和纵向层间电容c ，组成，在忽略边缘电场效应和电极有限厚 度的前提f ，总电容为 c = 2 ( c l + g ) = 2 k 6 0 ( 2 l t p + l p 2 t ) ( 1 - 2 ) 式中：k 为相对介电常数，日l 为真空介电常数。 多层连线系统的r c 由f 式给出 r c = 2 p k s o ( 4 l 2 p 2 + r 丁2 1 ( 1 - 3 ) 因此，多层连线系统的r c 延时取决于互连导体的电阻率p 、绝缘体的极化率k 和几何构形。 ( 2 ) 信号干扰 3 第章引言 s i c o h 低女薄膜的e c r 等离子体沉积与介电性能研究 通常干扰局限在电路的某些关键部位，可以通过增大这些部位线间介质厚度来减小干扰。但 是，时钟速度的提高和工作电压的降低使得电路对干扰更敏感，空间修正方法无法继续满足实用 需求。来自电路不同部位的信号之间的干扰与c l d ( c l + c 力的比值有关，因此，在不改变电路尺 寸的前提f ，可以通过降低线间电容q 与层间电容c p 的比值来抑制干扰。 ( 3 ) 功率耗散 在多层互连系统中，功率耗散为 p = c v 2 f ( 1 - 4 ) 式中：c 为介质总电容，矿为工作电压，为工作频率。因此，在特定的工作频率、工作电压下， 功耗主要决定于介质的电容。 为了解决这些问题，人们从下列方面开展了积极探索：( 】) 寻求新的互连结构材料，从降低 互连线电阻和介质层电容的角度来降低r c 延时；( 2 ) 设计新的互连结构，降低结构不合理导致 的r c 耦合；( 3 ) 寻求新的互连方式，如光互连、量子互连。由于未来1 5 年内微电子器件仍将以 硅基材料为主，并且几何结构设计的有限性，互连结构材料的选择仍为解决纳电子器件互连问题 的主要努力方向【1 1 ，采用新的工艺来取代目前的a i s i 0 2 技术己迫在眉睫”。 自2 0 世纪9 0 年代中期，用于替代a l s i 0 2 的c 州氐介电常数介质技术的研究开发得到了人 们极大关注。随着纯c u 替代a i ( c u ) 用作互连线的开发成功，连线电阻率降低了4 0 ，使得低 介电常数层问介质( 即低t 材料) 成为研究开发的焦点【2 1 。从对现有s i 0 2 的氟化( f s g ) ，到开发 有机薄膜队碳基薄膜( a - c ：f 、d l c 、f d l c 、a - c n 。、b c n ) 7 - 1 3 】和硅基薄膜( s i o h 、s i c o h 、 p - s i 、p - s i 0 2 ) ”，1 9 9 8 2 0 0 3 年全世界用于开发k 3 的层间介质材料( i m d ) 的费用己超过 2 5 0 兆美元【“i 。尽管摩托罗拉公司于2 0 0 3 年6 月2 日宣布，在0 1 8 0 1 3 “m 的技术节点中己采 用s i c o h 薄膜作为低k 材料2 ，但是根据2 0 0 1 国际半导体技术发展规划，目前还没有明确的能 够完全替代s i 0 2 的低k 材料出现，因此在i t r s l 9 9 9 和i t r s 2 0 0 1 中，替换s i 0 2 的的时间表被两 度推迟1 6 】并且在i t r s 2 0 0 3 中，金属互连线超低k 介质再度被列为纳电子器件中在互连技术方 面的头号挑战”。对于纳电子器件，要求层间介质的k 值必须在2 0 以f ( 表1 - 1 ) 。根据目前的 研究结果，k 值在2 0 以f 的超低k 材料只有氟化的有机薄膜。由于有机薄膜力学性能差、在4 0 0 。c 以上的热稳定性不好、制备工艺难于与目前的微电子工艺兼容，无法在微电子器件中获得应用， 因此超低材料的研究给化学家、物理学家、材料科学家和集成电路工程师们带来了艰难的挑战， 4 s i c o h 低k 薄膜的e c r 等离子体沉积与介屯性能研究第一章引言 成为近年来关注的焦点。 表1 - 1 国际半导体技术发展规划( 2 0 0 3 ) 根据电介质理论 2 1 - 2 2 1 ，介质的极化不仅与偶极子取向极化、离子极化和电子极化等极化过程 有关，还与介质中极化分子的密度有关。由丁通过降低分子极化能力来降低介质的介电常数非常 有限，降低极化分子密度成为获得低介电常数的重要途径。为了减小介质密度，通常在介质中引 入孔隙形成双相材料，其中一相是介电常数龟与基质相同的骨架，另一相是介电常数日接近1 的 空气隙。这样形成的多孔介质，其相对极化率晶直接取决于孔隙率p 和骨架的介电常数毋 三i ：f l p ) ! 兰韭( 1 - 5 ) 占，+ 2 、 ( 占2 + 2 ) 因此，通过提高介质孔隙率，可以将多孔介质的介电常数降低到接近1 的甚低值，从而获得超低 介电常数介质。纳电子器件中的多孔超低k 材料应用成为多孔介质的一个重要发展方向【”1 。 1 9 9 7 年，m i l l e r ( i b m ) 提出采用相分离的无机有机混合介质制备低k 材料的设想1 2 , 1 1 ，并采 用甩胶技术( s o d ，s p i n o nd e p o s i t i o n ) 及适当的后处理t 艺实现了多孔低k 层间介质的制备，从 而有效地降低了材料的介电常数，获得了k 2 的超低k 材料，成为解决低k 问题的可能途经【2 】。 2 0 0 1 年，g r i l l ( i b m ) 采用等离子体增强的化学气相沉积( p e c v d ) 技术成功制备k = 2 1 的s i c o h 薄膜，提出超低t 介质的概念。2 0 0 2 年，l u b g u b a n ( t e x a s ) 采用环结构有机硅源一四乙烯基四 甲基环四硅氧烷( t v t m c t s ) 成功制备k = 2 6 5 的s i c o h 薄膜【”1 。随着化学气相沉积法( c v d ) 制备多孔( 超) 低k 薄膜技术的突破【2 7 | ，2 0 0 3 年m a x e ( i m e c ) z d ! j a p p l i e d p h y s i c s 发表f o c u s e d r e v i e w ：l o wd i e l e c t r i cc o n s t a n tm a t e r i a l sf o rm i c r o e l e c t r o n i c s ，全面总结了硅基多孔低k 材料的制各、 物性表征、性能等多方面的近期进展【6 i 。尽管目前在多孔介质的制各、表征、结构、物性及应用 等方面有诸多内容尚待探索，人们己迫不及待地断言，多孔介质是唯一的可以将k 值扩展到超低 k 领域的新一代低k 材料，并将在纳电子器件中成为主流的i m d 材料。 第一章引言 s i c o h 低k 薄膜的e c r 等离子体沉积与介电性能研究 1 2 多孔( 超) 低介电常数材料简介 1 2 1 多孔介质的基本概念【6 】 多孔介质是一种含有孔隙的介质材料，从不同的角度，多孔介质具有不同的定义和分类。目 前，多孔( 超) 低女介质的定义和分类主要依据如f ：( 1 ) 基本的成份与结构；( 2 ) 主要的沉积技 术；( 3 ) 产生和控制孔隙率的途径。 根据国际纯化学与应用化学联合会( i u p a c ) 的定义，依据孔径的差异，多孔介质分为微孔 ( m i c r o p o r e s ) 、介孔( m e s o p o r e s ) 两类，微孔的孔径小于2r i m ，而介孔的孔径在2 5 0 n m 之间。相 应地，在形成的多孔介质中，由微孔组成的连接称为微连接( m i c r o c o n n e c t i v i t y ) ，由介孔组成的连 接称为介连接( m e s o c o n n e c t i v i t y ) 。 根据产生孔隙的方法，多孔介质分为本构的( c o n s t i t u t i v ep o r o u s ) 和致生的( s u b t r a c t i v ep o r o u s ) 多孔介质。对于本构的多孔介质，其最终结构主要取决于原始的、新鲜沉积的排列状态。对于致 生的多孔介质，孔隙是通过选择性地去除部分原始结构( 如致孔剂) 而形成。 根据制各技术的差异，多孔介质目前主要采用甩胶技术和化学气相沉积技术制各，通过汽化 或溶解后处理工艺形成孔隙。 根据采用的材料，目前的多孔介质分为s i 基( s i c o h 、p - s i 、p - s i 0 2 )