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基于SiOC低k介质及其掺杂薄膜的研究

作　者: 郭好文
导　师: 丁士进
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 低k介质旋涂等离子体化学气相淀积傅立叶变换红外光谱 X射线光电子能谱
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着超大规模集成电路的发展,互连RC延迟越来越大,严重制约了芯片的运行速度。为了降低RC延迟,0.13μm的工艺技术开始采用低介电常数（k）介质与金属铜相结合的先进铜互连工艺。这就要求互连介质不仅需要有足够低的k值,还需要有较大的机械强度、良好的电学特性和足够的热稳定性等。因此,本论文采用目前两大主流技术——旋涂和等离子体增强化学气相淀积（PECVD）,制备了低k介质薄膜,并对其相关特性进行了研究。主要内容如下:基于正硅酸乙脂（TEOS）水解和聚合的原理,采用旋涂的方法,制备了低kSiCOH薄膜。研究发现,其k值随着薄膜中的有机基团（CH_x）含量的减少而降低。同时,退火之后的薄膜中的羟基（-OH）含量明显减少。本实验在500℃退火下,制备的低k介质的k值为2.53,漏电为1×10^-6A/cm²（在外加偏压为1MV/cm下）。为了改进旋涂低k薄膜的性质,论文研究了NH₃等离子体表面处理对低k薄膜化学性质的影响。在不同的NH₃等离子体处理时间中,5min处理下的笼状硅氧结构的含量最高,且吸水性的SiOH含量在不同处理时间下基本不变。在不同温度的处理中,薄膜的SiOH含量在180℃等离子体处理下比在室温等离子体处理下少。因此,为了保持薄膜的性质,NH₃等离子体处理应在较高温度下进行。以SiH₄,N₂O,C₂F₆为反应前驱体,用等离子体增强化学气相淀积方法制备低k薄膜SiCONF。研究表明,当C₂F₆/SiH₄气体流量比为2:1时,低k薄膜中不含F。此时由于C₂F₆流量较小,F易与等离子体中的H,Si结合,形成挥发性气体被排出去。随着C₂F₆气体流量的增大,低k薄膜中的C,F含量增大,同时N的含量减小。低k薄膜的介电常数随着Si-C键含量的增加而呈现减小的趋势。当Si-C键含量为8.4%时,薄膜的k值为2.64。这说明Si-C键的形成有利于减小薄膜的k值。Si-C化学键的存在降低了薄膜的密度和极化强度,从而减小了薄膜的介电常数。SiCONF的漏电性能良好,在1MV/cm的电场强度下,薄膜的漏电小于2×10^-8A/cm²。低k薄膜的硬度≥8.0 GPa,杨氏模量≥137.9 GPa。这表明氮的掺入保证了低k介质薄膜具有足够强的机械性能。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-7
第一章绪论  7-19
  1.1 低介电常数介质的应用及必要性  7-9
  1.2 降低介质的介电常数的途径  9-10
  1.3 低介电常数介质的种类  10-16
    1.3.1 按介质制备方法分类  10-14
    1.3.2 按照孔的来源分类  14
    1.3.3 按照材料分类  14-16
  1.4 低K介质的性能要求  16-17
  1.5 低K介质在产业界中的应用现状  17-19
第二章旋涂法制备低K SIOCH薄膜  19-28
  2.1 引言  19
  2.2 低K薄膜的制备  19
  2.3 结果与讨论  19-27
    2.3.1 k值  19-21
    2.3.2 化学性质  21-26
    2.3.3 漏电特性  26-27
  2.4 小结  27-28
第三章 NH_3等离子体处理对低K薄膜化学性质的影响  28-36
  3.1 引言  28
  3.2 样品实验  28-29
  3.3 实验结果与分析  29-35
    3.3.1 不同等离子体处理时间  29-34
    3.3.2 不同等离子体处理温度  34-35
  3.4 小结  35-36
第四章 PECVD低K SIOCNF薄膜的性能研究  36-47
  4.1 引言  36
  4.2 制备设备及表征方法  36-38
  4.3 结果与讨论  38-45
    4.3.1 化学组成分析  38-43
    4.3.2 电学性质  43-44
    4.3.3 机械性能  44-45
  4.4 小结  45-47
第五章总结与展望  47-50
参考文献  50-54
硕士阶段完成论文  54-55
致谢  55-56

基于SiOC低k介质及其掺杂薄膜的研究

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