SiCOH低k薄膜的ECR等离子体沉积与介电性能研究

摘要

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什。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、利刚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构的比例，采用02掺杂技术，提高硅氧环的空间交联度，形成高密度的硅氧立体笼子结构，为进一步降低SiCOH薄膜的介电常数提供了另一条可能的途径。 3、为了解决过高的孔隙率所产生的副作用，在国际上率先采川在十甲基环五硅氧烷中掺杂CHF3、CH4的方法，探索了弱极化键与孔隙相结合降低SiCOH薄膜介电常数的方法。研究发现，CHF3掺杂可使薄膜结构发生两方面变化：(1)CHF3掺杂有利于降低SiCOH薄膜的孔隙率；(2)CHF3掺杂提供了SiCOH薄膜中弱极化键C．F、Si-F的来源。而CH4掺杂使薄膜结构发生不同的变化：(1)CH4掺杂有利丁SiCOH薄膜中孔隙的形成，薄膜的孔隙含量较高：(2)CH4掺杂提供了SiCOH薄膜中弱极化键C-H的米源。冈此，CHF3掺杂制备的SiCOH薄膜是低密度孔隙与C-H、C-F、Si-F弱极化键相结合的低k薄膜，而CH4掺杂制备的SiCOH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SiCOH薄膜介电性能与结构之间的关联，并在国际上率先研究了SiCOH薄膜中Si-OH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DMCPS等离子体沉积的SiCOH薄膜，介电极化决定于二个主要冈素：(1)Si-0H基团，(2)Si-O立体笼子与网络结构的比例。薄膜的介电常数在2．88～4．22之间，分为较低k值区(2．88～3．21)和较大k值区(3．14～4．22)两个区域，两个k值区与薄膜中的Si-OH结构密切相关。对于无Sj-OH的SiCOH薄膜，k值的降低主要取决于薄膜中立体笼子结构的含量，而对于含Si-OH的SiCOH薄膜，由薄膜孔隙导致的k值降低被Si-OH结构的强极性所抵消，导致介电常数增大。降低薄膜中的Si-OH结构的含量，并提高孔隙含量是降低基于孔隙的SiCOH薄膜介电常数的可能途径。对于孔隙与弱极化键相结合的SiCOH薄膜，通过F、CHx掺杂，在SiCOH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2．48，而通过CHx掺杂，薄膜的介电常数目前可降至245。因此，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SiCOH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程中DMCPS、CHF3／DMCPS、CH4/DMCPS、02/DMCPS的ECR放电等离子体空间活性基团的分布状态，在国际上率先提出了DMCPS的ECR放电等离子体化学过程，并结合SiCOH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，为了深入分析宏观工艺条什对薄膜结构、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鼙，从而控制等离子体化学反应。在高离化率时，可以使更多的Si-OH键断裂而交联形成Si-O-Si网络。对于CHF3/DMCPs的放电等离子体，由于CHF3、DMCPS两种源气体是分别提供Si、F的独立源，同时由于F对Si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。

目录

文摘

英文文摘

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第一章引言

第二章SiCOH低k薄膜的制备与表征方法

第三章基于孔隙的SiCOH低k薄膜的结构性能

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

第五章SiCOH薄膜的介电性能

第六章SiCOH薄膜结构与放电等离子体间的关联

第七章结论

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

致谢