论文部分内容阅读
采用低k材料取代二氧化硅作为层间介质可以有效减小集成电路互连RC延迟，抑制串扰和降低功耗。氟化非晶碳(a-C：F)膜是有希望应用于集成电路的低k材料之一。本文研究了a-C：F低k薄膜的电子回旋共振等离子体化学气相沉积(ECR-CVD)技术，深入地分析了a-C：F膜的化学结构、热稳定性、电学和光学性能，探讨了不同制备工艺条件对薄膜结构和性能的影响，并系统地进行了a-C：F膜等离子体刻蚀技术研究工作。其研究结果为a-C：F材料应用于超大规模集成电路层间介质工艺奠定了必要的理论和实验基础。
本研究采用ECR-CVD方法以C4F8和CH4为源气体在不同工艺条件下沉积了a-C：F薄膜，制备了Al/a-C：F/Si金属-绝缘体-半导体(MIS)结构样品，系统地分析了a-C：F薄膜的结构、表面形貌以及光学和电学性能，并探索了a-C：F薄膜的ECR等离子体刻蚀技术。本文主要工作及创新点如下：
(1)参与研制了一台永磁微波ECR-CVD设备。该设备由微波功率源及传输系统、大面积ECR磁场、ECR等离子体源、工艺室及样品台、自动传片系统、真空系统、气路系统、微机控制系统等组成。系统主要技术指标为：加工尺寸Ф6英寸；均匀性95％；真空度10-7Torr；电子密度1010cm-3。在ECR反应室结构、永磁型大面积ECR等离子体源、薄膜淀积均匀性等方面处于国内领先水平。该设备能良好地完成硅基介质薄膜的低温淀积，可以满足集成电路和器件的表面钝化、多层金属化层间介质沉积和介质隔离工艺的需要。
(2)利用ECR-CVD方法沉积了a-C：F薄膜并研究了a-C：F膜的化学结构和热稳定性。结果表明，a-C：F薄膜中同时存在CF=CF(1680cm-1)和位于a-C：F薄膜交联结构术端的CF2=CF(1780cm-1)两种碳双键结构。XPSC1s峰高斯解叠后结合态与结合能对应关系为：CF3(295eV)，CF2(293eV)，CF(291eV)，C-O(289eV)，C-CFx(x=1～3)(287eV)，和位于a-C：F薄膜交联结构末端的C-C结合态(285eV)。首次将位于a-C：F薄膜交联结构末端的C-C结合态确定为导致a-C：F薄膜退火后厚度减小的原因之一。当C-CFx交联结构增多，且位于a-C：F薄膜交联结构末端的C-C和CF3结构减少时，a-C：F薄膜热稳定性提高。
(3)设计并制备了a-C：F薄膜MIS结构，在此基础上研究了a-C：F薄膜MIS结构的介电和界面特性。结果表明，a-C：F薄膜介电常数约为2.3，介电损耗约0.1，MIS结构中的固定电荷密度约为1.6×1010cm-2，界面态密度约为(5～9)×1011eV-1cm-2。300℃氮气气氛退火后a-C：F薄膜介电常数约为2.47，固定电荷密度约为3.2×109cm-2，界面态密度约为(4～6)×1011eV-1cm-2。退火后a-C：F膜介电常数由于电子极化和薄膜密度的增大而上升，固定电荷密度和界面态密度由于薄膜交联程度的增大和不饱和悬挂键数量的减小而下降。由于慢界面态的存在观察到C-V阻滞现象，退火后阻滞效应减弱。文中退火对a-C：F/Si界面特性影响的研究国内外鲜有报道。
(4)分析了a-C：F薄膜的导电行为和导电机制。结果表明，a-C：F薄膜低场强区域导电行为呈现欧姆特性，且随着气体流量比的增大，a-C：F薄膜中C-Csp2含量增大使得薄膜禁带宽度减小，电流密度上升。首次从微观角度出发成功地利用Poole-Frankel发射机制完满地解释了a-C：F薄膜高场强区导电行为，结果表明电流密度的大小与介电常数和陷阱能量密切关联。当陷阱能量较小时，在场增强热激发作用下界面态陷阱上的电子更容易进入导带并引起电流密度上升。
(5)采用椭圆光谱和UV-VIS光谱技术研究了a-C：F薄膜的光学性质。结果表明光吸收主要发生在π-π*跃迁，随着气体流量比的增大，a-C：F薄膜折射率上升，薄膜中类石墨sp2成分增多并导致薄膜光学带隙减小。
(6)在国内率先开展了系统的a-C：F材料的ECR等离子体刻蚀技术研究。结果表明，a-C：F薄膜的刻蚀速率取决于薄膜中C-CFx与CFx两类基团的刻蚀过程。富C-CFx结构的a-C：F薄膜刻蚀速率在混合刻蚀气体中O2含量约20％时达到最大。富CFx结构的a-C：F薄膜刻蚀速率随O2含量的增大而减小。AFM分析表明，采用SF6气体刻蚀a-C：F薄膜可以有效消除薄膜表面的团聚结构。XPS分析表明，用SF6气体刻蚀a-C：F薄膜后样品化学组分未发生变化，而用O2气刻蚀后在样品表面形成富C层。