SiCOH低k薄膜的ECR等离子体沉积与介电性能研究

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，预计到2010年后进入45nm以下线宽的纳电子器件时代。由于高性能芯片上器件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（RC）增大、信号传送延时、噪声干扰增强和功率耗散增大，器件工作频率受到限制。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。采用新的互连材料来取代目前的Al／SiO2已成为解决纳电子器件互连问题的主要选择。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2003年起在国际上率先将环结构的十甲基环五硅氧烷（DMCPS）反应源与微波电子回旋共振（ECR）等离子体技术相结合，开展了基于孔隙的低介电常数SiCOH薄膜的研究。另一方面，在保持适度孔隙率的前提下，通过CHF3、CH4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SiCOH薄膜的研究。本论文对SiCOH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DMCPS液体源为前驱物和适当的掺杂工艺制备了k=2.45、膜厚收缩率小于3％的性能优良的低介电常数SiCOH薄膜。总结了磁场形态、源气体流量比对薄膜性能的影响，提出获得低介电常数SiCOH薄膜的技术途径。 2、研究了基于孔隙的SiCOH薄膜的结构与形成条件。通过选择适当的放电条件，将DMCPS源中固有的环结构在薄膜中保存，并相互交联形成由硅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SiCOH薄膜介电常数的主要途径。研究发现，采用DMCPS源、利用ECR等离子体沉积的SiCOH薄膜分为含有Si-OH结构、无Si-OH结构的两类典型。由于Si-OH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Si-OH基团含量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，来提高电子能量，使更多的Si-OH键断裂而相互交联形成Si-O-Si网络，是降低薄膜中Si-OH基团含量的可行途径。为了提高硅氧立体笼子结

论文目录

• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 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
• 1.2.2 多孔（超）低k介质分类与结构性质
• 1.2.3 多孔（超）低k介质的制备技术
• 1.3 SiCOH多孔（超）低k材料研究的主要进展
• 1.3.1 SiCOH多孔（超）低k材料的加工技术
• 1.3.2 SiCOH多孔（超）低k材料的结构与成份
• 1.3.3 SiCOH多孔（超）低k材料的物性
• 1.3.4 SiCOH多孔（超）低k材料的微结构表征
• 1.4 存在的主要问题
• 1.5 本文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 SiCOH低k薄膜的制备与表征方法
• 2.1 SiCOH薄膜的制备方法
• 2.1.1 电子回旋共振（ECR）等离子体形成的基本原理
• 2.1.2 微波ECR-CVD装置与实验技术
• 2.1.3 实验方案与工艺参数
• 2.2 SiCOH薄膜结构与性能的表征方法
• 2.2.1 薄膜键结构的傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析
• 2.2.2 薄膜成份的X射线光电子能谱（XPS）分析
• 2.2.3 薄膜孔隙率的椭偏法分析（EP）
• 2.2.4 介电性能的分析测试方法
• 2.2.5 电学性能的分析测试方法
• 2.3 放电等离子体的发射光谱分析
• 2.3.1 等离子体发射光谱的产生机理
• 2.3.2 相对辐射测量的定义
• 2.3.3 放电等离子体中基团浓度的定量测量
• 4、CHF₃、O₂掺杂的气体放电等离子体发射光谱的测量方法'>2.3.4 DMCPS及CH₄、CHF₃、O₂掺杂的气体放电等离子体发射光谱的测量方法
• 参考文献
• 第三章 基于孔隙的SiCOH低k薄膜的结构性能
• 3.1 十甲基环五硅氧烷（DMCPS）沉积的SiCOH薄膜键结构性能
• 3.1.1 SiCOH薄膜键结构的红外光谱分析
• 3.1.2 SiCOH薄膜中孔隙的来源与结构特征
• 3.1.3 SiCOH薄膜中Si-OH结构的起源与控制
• 2掺杂的SiCOH薄膜键结构性能'>3.2 O₂掺杂的SiCOH薄膜键结构性能
• 2掺杂的SiCOH薄膜结构的红外光谱分析'>3.2.1 O₂掺杂的SiCOH薄膜结构的红外光谱分析
• 2掺杂SiCOH薄膜的孔隙特征'>3.2.2 O₂掺杂SiCOH薄膜的孔隙特征
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于弱极性键与孔隙结合的SiCOH低k薄膜的结构性能
• 3掺杂SiCOH薄膜的结构分析'>4.1 CHF₃掺杂SiCOH薄膜的结构分析
• 3掺杂SiCOH薄膜结构的红外分析'>4.1.1 CHF₃掺杂SiCOH薄膜结构的红外分析
• 3掺杂SiCOH薄膜结构的成份分析'>4.1.2 CHF₃掺杂SiCOH薄膜结构的成份分析
• 3掺杂SiCOH薄膜键态的XPS分析'>4.1.3 CHF₃掺杂SiCOH薄膜键态的XPS分析
• 3掺杂SiCOH薄膜的孔隙特征'>4.1.4 CHF₃掺杂SiCOH薄膜的孔隙特征
• 3掺杂SiCOH薄膜的弱极化键形成'>4.1.5 CHF₃掺杂SiCOH薄膜的弱极化键形成
• 4掺杂SiCOH薄膜的结构分析'>4.2 CH₄掺杂SiCOH薄膜的结构分析
• 4掺杂SiCOH薄膜结构的红外分析'>4.2.1 CH₄掺杂SiCOH薄膜结构的红外分析
• 4掺杂SiCOH薄膜的孔隙特征'>4.2.2 CH₄掺杂SiCOH薄膜的孔隙特征
• 4掺杂SiCOH薄膜的弱极化键形成'>4.2.3 CH₄掺杂SiCOH薄膜的弱极化键形成
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 SiCOH薄膜的介电性能
• 5.1 多孔（超）低k材料的电介质物理基础
• 5.1.1 介质极化来源的微观机制
• 5.1.2 多孔介质极化起源
• 5.2 基于孔隙的SiCOH薄膜的介电与电学性能
• 5.2.1 SiCOH薄膜的介电常数
• 5.2.2 SiCOH薄膜的低频介电色散
• 5.2.3 SiCOH薄膜的漏电流与击穿场强
• 5.3 基于弱极性键与孔隙相结合的SiCOH薄膜的介电性能
• 3掺杂对SiCOH薄膜的介电性能的影响'>5.3.1 CHF₃掺杂对SiCOH薄膜的介电性能的影响
• 4掺杂对SiCOH薄膜的介电性能的影响'>5.3.2 CH₄掺杂对SiCOH薄膜的介电性能的影响
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 SiCOH薄膜结构与放电等离子体间的关联
• 6.1 DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱分析
• 6.1.1 DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱
• 6.1.2 DMCPS的ECR放电等离子体化学反应
• 6.1.3 DMCPS的ECR放电等离子体与SiCOH薄膜结构的关联
• 2／DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱分析'>6.2 O₂／DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱分析
• 2／DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱'>6.2.1 O₂／DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱
• 2／DMCPS等离子体中活性基团随O₂流量的变化关系'>6.2.2 O₂／DMCPS等离子体中活性基团随O₂流量的变化关系
• 3／DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱分析'>6.3 CHF₃／DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱分析
• 3／DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱'>6.3.1 CHF₃／DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱
• 6.3.2 F掺杂薄膜生长的放电等离子体关联
• 4／DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱分析'>6.4 CH₄／DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱分析
• 4／DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱'>6.4.1 CH₄／DMCPS的ECR放电等离子体发射光谱
• 4／DMCPS等离子体中活性基团随CH₄流量的变化关系'>6.4.2 CH₄／DMCPS等离子体中活性基团随CH₄流量的变化关系
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 7.1 结论
• 7.2 存在的问题及今后的研究方向
• 7.2.1 存在的问题
• 7.2.2 今后的研究方向
• 创新性说明
• 攻读博士学位期间发表论文、获奖与项目鉴定目录
• 附录一：SiCOH及F、CH掺杂薄膜键结构的FTIR谱峰识别
• 附录二：SiCOH及F、CH掺杂薄膜结构XPS分析的谱峰识别
• 附录三：激发基团发射光谱特征谱线表
• 致谢
• 中文详细摘要