低介电常数CN_x薄膜的制备研究

论文摘要

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,随着超大规模集成电路的特征线宽不断减小,导致信号传输延时、功耗增大以及互连阻容耦合增大等问题,器件工作频率受到限制。为了解决这一问题,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。采用新的互连结构来取代目前的Al/SiO2结构已成为解决纳电子器件互连问题的主要选择,于是低介电常数（low-k）材料越来越引起人们的注意。研究表明,非晶氮化碳薄膜（CNx）是一种很有前景的low-k材料,在力学性能、化学稳定性等方面完全满足集成电路工艺的要求。本文选择p型掺杂单晶硅作为基底,用高纯石墨为靶材,高纯氮气和氩气为工作气体,通过改变沉积工艺参数研究微波电子回旋共振等离子体增强非平衡磁控溅射技术对CNx薄膜化学配比、结构、介电性能方面的影响。本文利用傅立叶变换红外吸收光谱和X射线光电子能谱分析了薄膜的结构和组分,并用C-V、I-V仪通过Al/CNx/Si多层膜结构对薄膜的介电常数和击穿电场进行了检测。实验中,通过改变C靶溅射功率来制备不同结构和性能的CNx薄膜。研究结果表明,C、N两种元素在CNx薄膜中主要以C=N键、C-N键的形式结合,N/C比例随着C靶溅射功率的提高而降低。CNx薄膜的介电常数k～2.4,低于传统的SiO2介质（k～4）,击穿场强为0.4MV/cm,有待进一步提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 low-k材料的介电常数
• 1.2.1 电介质材料及其极化
• 1.2.2 降低介电常数的途径
• 1.3 理想low-k材料的基本特征及分类
• 1.4 low-k材料的研究现状
• 1.4.1 有机low-k材料
• 1.4.2 无机low-k材料
• 1.4.3 掺氟low-k材料
• 1.4.4 多孔low-k材料
• 1.4.5 纳米low-k材料
• 1.5 非晶氮化碳材料的研究现状
• 1.6 本论文的研究目的和研究内容
• 2 微波电子回旋共振等离子体磁控溅射系统
• 2.1 引言
• 2.2 溅射现象及原理
• 2.2.1 溅射现象
• 2.2.2 溅射原理
• 2.3 微波电子回旋共振等离子体增强溅射沉积
• 2.4 微波电子回旋共振等离子体源的原理及特点
• 2.5 微波电子回旋共振等离子体增强非平衡磁控溅射设备
• 2.5.1 平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射
• 2.5.2 微波电子回旋共振等离子体增强非平衡磁控溅射设备
• 3 氮化碳薄膜的制备及其表征方法
• 3.1 引言
• 3.2 薄膜沉积的实验过程
• 3.2.1 基底及前处理方法
• 3.2.2 实验工艺流程
• 3.3 薄膜结构和性能的表征方法
• 3.3.1 化学结构表征-傅立叶变换红外光谱
• 3.3.2 化学组分表征-X射线光电子能谱
• 3.3.3 薄膜表面形貌、微观结构表征-透射电子显微镜
• 3.3.4 薄膜介电性能表征
• x薄膜'>4 微波电子回旋共振等离子体增强非平衡磁控溅射制备CN_x薄膜
• 4.1 薄膜生长速率
• 4.2 薄膜的化学结构表征
• 4.2.1 FT-IR检测结果
• 4.2.2 XPS检测结果
• 4.3 薄膜的介电性能表征
• 4.3.1 C-V检测结果
• 4.3.2 I-V检测结果
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢