pecvd法淀積氟碳摻雜的氧化硅薄膜表征

1、第 1 6 卷 第 6新 2 0 0 1 年 u 月無 機(jī) 材 料 學(xué) 報(bào) J o u r n alo fI n or g a ni cM a t e r i a l sVO 】 _1 6．NO ．6NO V ．2 0 0 1文章編號： 1 0 0 0 - 3 2 4 X ( 2 0 0 1 ) 0 6 — 1 1 6 9 — 0 5P E C VD 法 淀 積 氟 碳摻 雜 的 氧 化 硅薄 膜 表 征 丁 士 進(jìn) ， 張 慶 全 ，

2、張 衛(wèi)，王 季 陶 ( 復(fù)旦 大 學(xué) 電子I 程 系，上 海 2 0 0 4 3 3 )摘 要 以正硅酸 乙酯 ( T E OS ) 和八 氟環(huán)丁烷 ( C 4 F 8 ) 為原料，采用等 離子體 增強(qiáng)化 學(xué)氣相 淀 積 ( P E C V D) 方法制備 了氟 碳摻雜的氧化硅薄膜 ( S i C OF ) ． 樣品的 x 射線光 電子能譜 ( XP S ) 和 傅立 葉變 換紅外 光譜 ( F T IR ] 分析表 明薄膜 中含有

3、S i - F、 S i - O 、 C — F 、 C - C F、 C F 2等枸 型 ． 剛 淀 積 的 薄 膜 的 折 射 率 約 為 1 ． 4 0 對 暴 露 在 空氣 中 以 及 在 不 同 溫 度 下 退 火 后 薄 膜 的折 射 率 做 了測 量 ，并 對 其變 化 機(jī) 理 進(jìn) 行 了討 論 同 時表 明 了理 想 的 淀 積 溫 度 應(yīng) 是 3 0 0 。 C ．關(guān) 鍵 詞 ： 等 離 子體 增 強(qiáng) 化 學(xué) 氣 相

4、 淀 積 ；氟 碳 摻 雜 的 氧 化 硅 薄 膜 ； x 射 線 光 電子 能 譜 傅 立 葉變 換 紅 外 光 譜 ；折 射 率 中 圖 分 類 號 ：TB4 3文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼 ： A1 引 言 隨 著超 大 規(guī)模 集成 電路 ( U L S I ) 的發(fā) 展 ，器件 的 特征 尺寸 不 斷 縮 小 ，互 連 電阻 ( 冗 ) 和 電 容 ( G ) 急劇 增 加 ， 從 而 限制 了器 件 性能 的提 高 ． 為 了降低互

5、連 延遲 冗 G ， 采 用低 介 電常 數(shù) ()材 料 來 做金 屬 線 問和 層 間介 質(zhì) 以代替 傳 統(tǒng) 的 S i O 2介質(zhì) 約為 4 ． 0 ) 是 一 種有 效 的方 法 ．然 而 ， 將 低 材料 成 功地 集 成到 芯 片互連 中還 面臨 著許多 挑 戰(zhàn)，除 了應(yīng)具 有低 介 電常數(shù) <3 )外 ， 還 必需 具有 高 熱 穩(wěn)定性 和 機(jī)械 穩(wěn) 定性 ； 與其 它 互連 材 料有 良好 的粘 附性 ； 抗 化

6、學(xué)試 劑 的 侵 蝕 j吸 水性 低 ；成本 低 等特 點(diǎn) 【 1 J _ 我 們曾對 低介 電常 數(shù)含 氟 氧化 硅 ( S i OF ) [ ~ , 3 】 、多 孔 非 晶 含 氟 聚合 物 _ 4 l 5 】 和 非晶 氟 碳薄 膜 ( a - C ： F ) 【】 以及氟 碳 摻 雜 的氧 化硅 薄 膜 ( S i C OF ) [ 7J 進(jìn) 行過 研 究 ，發(fā) 現(xiàn) S i C O F薄 膜 的介 電常 數(shù) 可以低 到 2 ．

7、 3 5，其 擊穿 強(qiáng) 度可 以高達(dá) 1 0 ． 5 MV ／ c m ，保 證 了高場 條 件 下工 作 時低 漏 電流 ，并 且該 薄 膜還 具 有 良好抗 吸 水 性和 熱 穩(wěn) 定 性，所 以是 一種 很 有應(yīng) 用前 景 的低 介 電常 數(shù) 介質(zhì) 薄 膜 材料 ．本文 首 次 用 價(jià)廉 易得 的 正硅 酸 乙酯 ( T E O S ) 和 CF 8為反 應(yīng) 氣源 來 制備 s i C O F薄 膜 ．因此 避免 了多 種 氣體 的

8、使 用 ，降 低 了氣路 控 制 的復(fù) 雜 性 ．同時 ，以 CF 8作為 薄膜 中氟 的來 源，避 免 了等離 子體 中較高 的氟 碳 比 ( 與 C 2 F e 和 C F 4相 比) ． 我 們知 道 ，等 離 子 體 中 的 氟游 離 基 能刻 蝕 硅 和 碳 ，因 此 反應(yīng) 氣 源 中相 對低 的氟 碳 比 能夠 增 加薄 膜 的淀 積 速 率 ；此 外 ，如 果 等離 子 體 中存 在 大 量氟 自由基 ，那 么氟 和 碳之

9、 間 的 結(jié) 合 將 會終 止 C — C交 聯(lián)結(jié) 構(gòu) ， 使 得氟 碳 化合 物交 聯(lián) 密度 降低 ，影 響 其 熱穩(wěn) 定 性 ．收輔 日期 ：2 0 0 0 - 1 2 - 0 8 ，收到 恪改稿 日期 ： 2 0 0 1 ~2 — 1 2基盤項(xiàng) 目 ： 國家 自然科學(xué)基金 項(xiàng) 目 ( 6 9 7 7 6 0 2 6 ) ； 高等學(xué)校骨干教師計(jì)劃資助作 者 簡 介 ： 丁 士進(jìn) ( 1 9 7 1 一) ，男 ，博 士 研 究 生．

10、維普資訊 http://www.cqvip.com 6期 丁 士 進(jìn) ，等 ： P E C VD 法 淀 積 氟 碳 摻 雜 的 氧 化 硅 薄 膜 表 征 1 1 7 1集 中在 前 8天 內(nèi)，此 時 薄膜 的折射 率 的 增量 為 0 ． 8 ％． 根 據(jù) ：n， 可 以得 到薄 膜 的 光 頻介 電 常 數(shù) ( 即 電子 對 介 電常 數(shù) 的貢 獻(xiàn)) 增 量 應(yīng) 為 1 ． 6 ％ ，對 于 介 電常數(shù) 低 于 3的 S i

11、 C O F薄 膜 ，其影 響是 很 小 的 ．從 圖 4中薄膜 折射 率 隨退 火 溫度 變 化 曲線 可 以看 出，隨 著 退火 溫度 的 升 圖 1 薄 膜 的 XP S全 掃 描 譜 Fi g1X PSs ur v e ys pe c t r u m o ft hef i l m B i n d i n ge n e r g y ／ e V圖 3 薄 膜 的 高 分 辨 率 Cl s XP S譜 Fi g ． 3Hi g h

12、 - r e s o l u t l o nCl sX PSs p e c t r u m o ft h ef il m j目七 j圖 2 薄 膜 的 F T I R 光 譜 Fi g．2FTI R s pe c t r u m o ft he f i l m A n Ⅱ | B 1 i n gt e m p e r s t m ' e ]cTL meo f t x P o IE o＆ t m蚺曲 e r e ，

13、 d圖 4 薄膜 折射 率與暴 露在 空氣 中的時 間和 退 火 溫 度 的 關(guān) 系 F ．4De p e nd e n c eo ft h er e ~ r a c t i ~ei n d e xoft h ef i l m O i lt i meo fe x po s u r et oa t m o s p he r ea n d a nn e a f in gt e m pe r a t u r e高，開始 時折 射 率 呈 明

14、顯 的 下降趨 勢 ，當(dāng)退 火 溫度超 過 3 0 0 。 C 時薄 膜 的折 射 率 降低 很 慢 ， 在 6 0 0 。 C退 火 后薄 膜 的折 射率 接 近 1 ． 3 9 從 薄 膜 的厚 度 與退 火 溫度 的關(guān) 系 ( 如 圖 5 ) ，發(fā)現(xiàn) 存在 著 類 似 的變 化規(guī) 律 ，即在 退 火 溫度 到達(dá) 3 0 0 。 C之 前 ，薄膜 厚 度 隨 退火 溫 度 升 高 明 顯增 大 ，當(dāng)退 火 溫 度 超過 3 0 0

15、。 C 時增 加 的 幅度 變 小 ．因 此 ，我 們認(rèn) 為 退火 導(dǎo) 致 薄 膜折 射率變 化 的原 因有 如 下幾 點(diǎn) ： ( 1 ) 薄 膜 中存 在 的高 度 可極 化性 的組 分 S i — O H和 HO( 在 淀積 過 程 中或 薄 膜 轉(zhuǎn) 移 過 程 中引入 的) 受 熱 后容 易脫 去 ，因此 我們認(rèn) 為，當(dāng)退 火 溫度 接近 3 0 0 。 C時 ，薄 膜 中這 些 組分 基本 上 消 失 ，這 是 造成 薄 膜

16、折射 率 降低 較 多 的 主要 原 因 ．同時 也 表 明薄 膜 最適 宜 的 淀積 溫 度應(yīng) 在 3 0 0 。 C ． U s a mi 等 人 也發(fā) 現(xiàn) S i O F薄 膜在 4 0 0 。 C退 火 后 介 電常 數(shù) 降低 ，并 歸 因 于退 火后 薄 膜 中 s i — O H和 H2 0成 分 的減少 ．( 2 ) 文 獻(xiàn) 【 2 0 ， 2 1 ] 報(bào) 道 了在 P E C VD過 程 中氬 氣 的存 在 能 夠提

17、高 淀積 薄 膜 的密 度 ．由于 實(shí)驗(yàn) 中沒 有 向 等離子 體 中 引入 氳 氣 ，所 以我 們 認(rèn) 為 制得 的薄 膜 不 是 很致 密，受 熱 時發(fā) 生 膨 脹 ， 密度 降 低，這 是薄 膜 折 射 率 降 低 的重 要 因素 ．像 這種 不致 密 的薄 膜 ，如 二 氧化 硅氣 凝 膠 【 2 2 _ 、納 米孔 二氧 化 硅 、聚 酰 亞胺 納米 ∞、 掃 一 目 ； 苫H維普資訊 http://www.cqvip.co