宏觀參量對a-C:F薄膜刻蝕速率的影響

孔華，馮金福

（常熟理工學院物理與電子工程學院，江蘇常熟 215500）

宏觀參量對a-C:F薄膜刻蝕速率的影響

孔華，馮金福

（常熟理工學院物理與電子工程學院，江蘇常熟 215500）

在ECR刻蝕系統中氧等離子體的放電存在兩種模式，即微波功率低于500W時的低密度放電和微波功率高于500W時的高密度放電.a-C:F薄膜的刻蝕速率隨著氧分壓的增加而降低，是由于氣壓增加時，等離子體的電子溫度降低及等離子體鞘電位降低造成.a-C:F薄膜的刻蝕速率隨著氧氣流量的增加相應地增加，是由于在氧分壓保持0.1Pa不變的條件下，氧流量增加使氧原子在真空室的駐留時間變短造成.

宏觀參量；a-C:F薄膜；刻蝕速率

近年來，低介電常數（低k）材料的研究已引起人們的廣泛關注，采用低k材料取代二氧化硅作為層間介質，可以有效地減小集成電路互連RC延遲，抑制串擾，降低功耗[1,2].a-C:F薄膜的介電常數約為2.1～3.0，工藝簡單且具有優良的填隙特性，是有望應用于集成電路的低k材料之一[3-5].a-C:F薄膜刻蝕技術是a-C:F薄膜材料應用于多層互連層間介質所必需的重要工藝環節，因而深入研究a-C:F薄膜材料的等離子體刻蝕性能是非常必要的，這其中首要的問題便是a-C:F薄膜的刻蝕速率.

本文采用ICP沉積系統，以CHF3和H2為源氣體沉積a-C：F薄膜，并在微波ECR等離子體刻蝕系統中對該薄膜進行刻蝕，研究放電功率、氧分壓、氧流量等宏觀參量對薄膜刻蝕速率的影響.

1 a-C:F薄膜的刻蝕

使用日本ET350型表面粗糙度輪廓儀，用觸針法測量膜厚.它是利用一差動傳感器，將探針在薄膜表面移動的上下位置的變化轉換成電壓的變化，從而測出膜厚.而刻蝕前后膜厚的變化除以刻蝕時間即是刻蝕速率.

非晶碳膜的刻蝕是一個氧化過程，主要的刻蝕劑是氧原子.在等離子體環境下，氧分子被離解成氧原子，它們輸運到基片表面后被吸附，進而與含氫碳膜中的氫和碳元素發生反應.典型的生成物是CH，H2O，CO，H2，它們會從膜的表面揮發進入空間而被真空泵所抽除.同時，等離子體中的離子對膜表面的轟擊會影響上述氧化過程的進行速率.由此可見，膜的刻蝕速率決定于膜表面所吸附的氧原子的濃度、膜本身的結構與性質及生成物從表面揮發的速率，這是一個相當復雜的過程.

為了考察本研究中使用的ECR氧等離子體放電裝置的穩定性，我們在放電功率400W，氧流量20sccm，氧分壓0.05Pa的情況下測量了不同時間段非晶碳膜的刻蝕速率，結果如圖1所示.由圖1可見，四個刻蝕時間段的刻蝕速率分別為：16nm/min，16.7nm/min,15.6nm/min,16.8nm/min.說明非晶碳氟膜的刻蝕速率基本上是穩定的，也即說明了氧等離子體的放電是穩定的，基本不隨時間變化.所以對非晶碳氟膜進行氧等離子體刻蝕是可行的.

2 放電功率對a-C:F薄膜刻蝕速率的影響

圖2表示了放電功率與非晶碳氟膜刻蝕速率的關系.在膜的刻蝕過程中，氧分壓與氧流量分別保持在0.05Pa和20sccm，刻蝕時間為5min.從圖2中可以看到，非晶碳膜的刻蝕速率隨著輸入微波功率的增加而上升.微波功率從300W增加到500W時，其刻蝕速率增加的比較少（從12.3nm/min上升到14.1nm/min），當微波功率增加到600W時，刻蝕速率迅速上升到35.3nm/min，700W時為46.3nm/min.該結果表明，膜的刻蝕速率可分成兩個區：低刻蝕速率區和高刻蝕速率區.這是因為在低微波輸入功率下，放電較弱，氧濃度低，形成低刻蝕速率區.當輸入的功率增加到500W后，放電模式發生改變，由低密度放電轉為高密度放電[6].在高密度放電模式中，微波能量將以更高的效率耦合進等離子體，使得等離子體密度迅速增加，因而產生的氧原子濃度急劇上升，引起膜的刻蝕速率的快速提高.

基片架加偏壓，可以改變離子的能量.圖3是在基片架上施加了-200V的偏壓，而其他放電參量不變的情況下，非晶碳膜刻蝕速率與放電功率的關系.

圖1 非晶碳氟膜刻蝕速率與刻蝕時間的關系

圖2 非晶碳氟膜刻蝕速率與刻蝕功率的關系

從圖3可看出，加負偏壓后，刻蝕速率與刻蝕功率的關系與不加偏壓時基本一致，也分為低刻蝕區和高刻蝕區.不同的是所對應功率的刻蝕速率比不加偏壓時提高了，如300W時從12.3nm/min提高到了14nm/ min，500W時從14.1nm/min提高到了20.4nm/min，700W時從46.3nm/min提高到了51.6nm/min.這是因為在基片架上加負偏壓后，加快了氧原子輸運到基片表面的速率，同時也加大了等離子體中離子對膜表面的轟擊能量，進而提高了膜的刻蝕速率.

3 放電氣壓對a-C:F薄膜刻蝕速率的影響

圖4給出了刻蝕速率與氧分壓的關系.在膜的刻蝕過程中，放電功率和氧流量分別保持在400W和20sccm，刻蝕時間為5min.由圖可見，在較高的氧分壓條件下膜的刻蝕速率低.其原因可能是：當氣壓增加時，等離子體的電子溫度降低[7]，從而使得參與刻蝕并到達基片的氧原子數目減少.另一方面由于在較高的氣壓下，等離子體鞘電位降低，使得離子轟擊基片的能量變小.而刻蝕速率主要由氧原子流量及離子能量控制，所以刻蝕速率隨著壓強的增加而降低.

4 氣體流量對a-C:F薄膜刻蝕速率的影響

圖3 加偏壓后非晶碳氟膜刻蝕速率與刻蝕功率的關系

圖4 非晶碳氟膜刻蝕速率與氧分壓的關系率與刻蝕功率的關系

圖5 非晶碳氟膜刻蝕速率與氧流量的關系

圖5給出的是碳氟膜的刻蝕速率與氧流量的關系.在膜的刻蝕過程中，放電功率和氧分壓分別保持在400W和0.1Pa，刻蝕時間為5min.從圖中可看出，隨著氧氣流量的增加，膜的刻蝕速率也相應地增加.其原因可能是：增加氧的流量，而氧分壓保持在0.1Pa不變，這就使得氧原子在真空室的駐留時間變短.也就是隨著氧流量的增加，氧離子的輸運速度也相應加快，進而膜的刻蝕速率也相應增大.

5 結論

在ECR刻蝕系統中氧等離子體的放電存在兩種模式，即微波功率低于500W時的低密度放電和微波功率高于500W時的高密度放電.對應于放電的兩種模式，a-C:F薄膜的刻蝕分成兩個區，即低刻蝕速率區和高刻蝕速率區.

a-C:F薄膜的刻蝕速率隨著氧分壓的增加而降低，是由于氣壓增加時，等離子體的電子溫度降低及等離子體鞘電位降低造成.

a-C:F薄膜的刻蝕速率隨著氧氣流量的增加相應地增加，是由于在氧分壓保持不變的條件下，氧流量增加使得氧原子在真空室的駐留時間變短造成.

[1]王陽元，康晉鋒.超深亞微米集成電路中的互連問題——低k介質與Cu的互連集成技術[J].半導體學報，2002，23（11）：1121-1134.

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[3]葉超，寧兆元，程珊華，等.C=C雙鍵對氟化非晶碳薄膜I-V特性的影響[J].物理學報，2004，53（5）：1496-1500.

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[7]葉超，寧兆元.非對稱軸向二極場下等離子體特性的研究[J].真空科學與技術學報，1997，17（2）：106-109.

The Effects of Macroscopic Parameters on Etch Rate of a-C:F Film

KONG Hua,FENG Jin-fu
(School of Physics and Electronic Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

Discharge of oxygen plasma has two patterns in ECR etching system:low density discharge when mi?crowave power is lower than 500w and high density discharge when microwave power is higher than 500w.The etch rate of a-C:F film decreases as the pressure of oxygen increases.It may be because the electronic tempera?ture and the sheath voltage of plasma decrease when the pressure of oxygen increases.The etch rate of a-C:F film rises as the flow of oxygen increases.It may be because under the condition of the pressure of oxygen main?taining 0.1Pa invariable,the flow of oxygen increases,and then the oxygen atoms staying time becomes shorter in vacuum chamber.

parameters;a-C:F films;etch rate

O539

A

1008-2794（2011）08-0043-03

2011-04-21

孔華（1978—），男，江蘇吳江人，常熟理工學院物理與電子工程學院助教，碩士，研究方向：等離子體與應用.