應(yīng)用于ULSI層間介質(zhì)的低k氟化非晶碳膜研究.pdf

1、采用低k材料取代二氧化硅作為層間介質(zhì)可以有效減小集成電路互連RC延遲，抑制串擾和降低功耗。氟化非晶碳(a-C：F)膜是有希望應(yīng)用于集成電路的低k材料之一。本文研究了a-C：F低k薄膜的電子回旋共振等離子體化學氣相沉積(ECR-CVD)技術(shù)，深入地分析了a-C：F膜的化學結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、電學和光學性能，探討了不同制備工藝條件對薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，并系統(tǒng)地進行了a-C：F膜等離子體刻蝕技術(shù)研究工作。其研究結(jié)果為a-C：F材料應(yīng)用于超大規(guī)模

2、集成電路層間介質(zhì)工藝奠定了必要的理論和實驗基礎(chǔ)。 本研究采用ECR-CVD方法以C4F8和CH4為源氣體在不同工藝條件下沉積了a-C：F薄膜，制備了Al/a-C：F/Si金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)樣品，系統(tǒng)地分析了a-C：F薄膜的結(jié)構(gòu)、表面形貌以及光學和電學性能，并探索了a-C：F薄膜的ECR等離子體刻蝕技術(shù)。本文主要工作及創(chuàng)新點如下： (1)參與研制了一臺永磁微波ECR-CVD設(shè)備。該設(shè)備由微波功率源及傳輸系統(tǒng)

3、、大面積ECR磁場、ECR等離子體源、工藝室及樣品臺、自動傳片系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)主要技術(shù)指標為：加工尺寸Ф6英寸；均勻性95％；真空度10-7Torr；電子密度1010cm-3。在ECR反應(yīng)室結(jié)構(gòu)、永磁型大面積ECR等離子體源、薄膜淀積均勻性等方面處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。該設(shè)備能良好地完成硅基介質(zhì)薄膜的低溫淀積，可以滿足集成電路和器件的表面鈍化、多層金屬化層間介質(zhì)沉積和介質(zhì)隔離工藝的需要。 (2)利用E

4、CR-CVD方法沉積了a-C：F薄膜并研究了a-C：F膜的化學結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性。結(jié)果表明，a-C：F薄膜中同時存在CF=CF(1680cm-1)和位于a-C：F薄膜交聯(lián)結(jié)構(gòu)術(shù)端的CF2=CF(1780cm-1)兩種碳雙鍵結(jié)構(gòu)。XPSC1s峰高斯解疊后結(jié)合態(tài)與結(jié)合能對應(yīng)關(guān)系為：CF3(295eV)，CF2(293eV)，CF(291eV)，C-O(289eV)，C-CFx(x=1～3)(287eV)，和位于a-C：F薄膜交聯(lián)結(jié)構(gòu)末端的C-C

5、結(jié)合態(tài)(285eV)。首次將位于a-C：F薄膜交聯(lián)結(jié)構(gòu)末端的C-C結(jié)合態(tài)確定為導(dǎo)致a-C：F薄膜退火后厚度減小的原因之一。當C-CFx交聯(lián)結(jié)構(gòu)增多，且位于a-C：F薄膜交聯(lián)結(jié)構(gòu)末端的C-C和CF3結(jié)構(gòu)減少時，a-C：F薄膜熱穩(wěn)定性提高。 (3)設(shè)計并制備了a-C：F薄膜MIS結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上研究了a-C：F薄膜MIS結(jié)構(gòu)的介電和界面特性。結(jié)果表明，a-C：F薄膜介電常數(shù)約為2.3，介電損耗約0.1，MIS結(jié)構(gòu)中的固定電荷密度約為

6、1.6×1010cm-2，界面態(tài)密度約為(5～9)×1011eV-1cm-2。300℃氮氣氣氛退火后a-C：F薄膜介電常數(shù)約為2.47，固定電荷密度約為3.2×109cm-2，界面態(tài)密度約為(4～6)×1011eV-1cm-2。退火后a-C：F膜介電常數(shù)由于電子極化和薄膜密度的增大而上升，固定電荷密度和界面態(tài)密度由于薄膜交聯(lián)程度的增大和不飽和懸掛鍵數(shù)量的減小而下降。由于慢界面態(tài)的存在觀察到C-V阻滯現(xiàn)象，退火后阻滯效應(yīng)減弱。文中退火對a

7、-C：F/Si界面特性影響的研究國內(nèi)外鮮有報道。 (4)分析了a-C：F薄膜的導(dǎo)電行為和導(dǎo)電機制。結(jié)果表明，a-C：F薄膜低場強區(qū)域?qū)щ娦袨槌尸F(xiàn)歐姆特性，且隨著氣體流量比的增大，a-C：F薄膜中C-Csp2含量增大使得薄膜禁帶寬度減小，電流密度上升。首次從微觀角度出發(fā)成功地利用Poole-Frankel發(fā)射機制完滿地解釋了a-C：F薄膜高場強區(qū)導(dǎo)電行為，結(jié)果表明電流密度的大小與介電常數(shù)和陷阱能量密切關(guān)聯(lián)。當陷阱能量較小時，在場增

8、強熱激發(fā)作用下界面態(tài)陷阱上的電子更容易進入導(dǎo)帶并引起電流密度上升。 (5)采用橢圓光譜和UV-VIS光譜技術(shù)研究了a-C：F薄膜的光學性質(zhì)。結(jié)果表明光吸收主要發(fā)生在π-π*躍遷，隨著氣體流量比的增大，a-C：F薄膜折射率上升，薄膜中類石墨sp2成分增多并導(dǎo)致薄膜光學帶隙減小。 (6)在國內(nèi)率先開展了系統(tǒng)的a-C：F材料的ECR等離子體刻蝕技術(shù)研究。結(jié)果表明，a-C：F薄膜的刻蝕速率取決于薄膜中C-CFx與CFx兩類基團的