退火溫度對OSG薄膜性能的影響

北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 王艷蓉 周曉森 曾 敏 張 靜

隨著集成電路特征尺寸的不斷微縮，互連介質(zhì)層性能成為限制集成電路發(fā)展的關(guān)鍵參數(shù)之一。長久以來研究人員近幾年探索具有更低介電常數(shù)（k）且具有優(yōu)異機(jī)械性能的介質(zhì)材料成為研究熱點(diǎn)之一。而納米多孔有機(jī)硅酸鹽玻璃(OSG)與SiO2結(jié)構(gòu)相近且與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容而廣受關(guān)注，但對其工藝性能優(yōu)化方法尚不明確，需要更深入的探索研究。本研究針對退火溫度對OSG薄膜的性能影響開展研究，研究分析了退火溫度對OSG薄膜的化學(xué)組分，機(jī)械強(qiáng)度，薄膜厚度，疏水性及介電常數(shù)等性能的影響。

1 研究意義

隨著集成電路器件特征尺寸的不斷微縮，晶體管密度不斷增加，多互連層中電阻和電容所產(chǎn)生的延遲效應(yīng)越來越明顯，為了減少該RC延遲，一方面可采用具有更低電阻率的金屬，另一方面可采用比傳統(tǒng)SiO2介電常數(shù)更低的絕緣材料。其中，納米多孔有機(jī)硅酸鹽玻璃(OSG)與SiO2結(jié)構(gòu)相近且與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容而成為研究熱點(diǎn)之一。但目前制備出性能優(yōu)異，完全與傳統(tǒng)CMOS兼容的OSG薄膜，仍存在一定的困難，因此本研究從退火溫度對OSG薄膜性能的影響角度開展研究，探究使OSG薄膜機(jī)械性能和介電常數(shù)優(yōu)化的工藝條件，獲得具有優(yōu)異性能的介電層薄膜。

2 OSG薄膜的制備

本研究采用溶膠-凝膠工藝制備薄膜，以原硅酸四乙酯（TEOS，99.999%，Sigma-Aldrich）和甲基三乙氧基硅烷（MTEOS，99%，Sigma-Aldrich）為前驅(qū)體（TEOS/MTEOS=2/8），再以四氫呋喃混合醇（C4H8O，99%；2-丙醇）為基底溶液，再室溫下混合溶液，攪拌30min后，在酸性環(huán)境（HCl，0.37%）下催化反應(yīng)30min。將混合后的溶液過濾后在60-80℃溫度下以轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)每分鐘持續(xù)攪拌12h使其充分反應(yīng)。靜置24h后，利用旋涂技術(shù)（spin-on）沉積在4in硅片上，并對薄膜進(jìn)行150℃的軟退火，再對樣品分別進(jìn)行300℃（樣品1），400℃（樣品2），500℃（樣品3）及600℃（樣品4）的硬退火，使薄膜固化，并研究退火溫度對薄膜性能的影響。

3 退火溫度對OSG薄膜性能的影響分析

3.1 薄膜化學(xué)組分分析

通過使用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）可對薄膜的化學(xué)組分進(jìn)行分析，不同退火溫 度樣品的FTIR圖譜如圖1所示。顯見，隨著退火溫度的增加，950-1200cm-1處主峰的Si-O-Si鍵合模式的峰值位置轉(zhuǎn)移到較高的波數(shù)，且峰值增加。而主峰位于1270-1280cm-1處的末端Si-CH3基團(tuán)是OSG薄膜的重要成分，其隨著退火溫度的增加而減少，尤其當(dāng)退火溫度達(dá)到600℃時(shí)，Si-CH3基團(tuán)不再有明顯的峰值。因而，可以推測當(dāng)退火溫度增加時(shí)，Si-CH3部分鍵被破壞，Si與O相結(jié)合，形成更多硅氧烷的亞氧化態(tài)。而末端Si-CH3基團(tuán)能夠保持OSG薄膜較好的疏水性，提高薄膜可靠性。另外，2850-4000cm-1處的-OH鍵在退火處理后，得到了有效的減少，這意味著薄膜中部分殘留的溶劑得到了有效的去除。

圖1 不同退火溫度條件下薄膜的FTIR圖譜

3.2 薄膜的厚度及機(jī)械強(qiáng)度分析

對退火后的薄膜采用橢圓偏振儀（GAM-100）測試其薄膜厚度及機(jī)械強(qiáng)度。薄膜厚度隨退火溫度及退火時(shí)間變化曲線如圖2所示。顯見，薄膜厚度隨退火時(shí)間增加減小較少，退火時(shí)間40min后，薄膜厚度趨于穩(wěn)定；而隨著退火溫度的增加薄膜厚度有顯著下降，并且當(dāng)退火溫度達(dá)到600℃時(shí)，薄膜厚度急劇下降，這意味著當(dāng)退火溫度過高時(shí)，薄膜的基本結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生了嚴(yán)重的坍塌壓縮，因此根據(jù)薄膜厚度變化可以確定薄膜退火溫度不宜超過600℃。

圖2 薄膜厚度隨(a)退火溫度及(b)退火時(shí)間變化趨勢圖

不同退火溫度處理后的薄膜的楊氏模量如圖3所示，可以看出，當(dāng)退火溫度達(dá)到400℃時(shí)，薄膜的機(jī)械性能達(dá)到最佳，其楊氏模量約為5.9Gpa。而當(dāng)進(jìn)一步增加退火溫度時(shí)，薄膜楊氏模量有明顯的下降，這與薄膜的化學(xué)組分分析結(jié)果相一致。薄膜的橋連基團(tuán)隨著退火溫度的增加有明顯下降，因而導(dǎo)致薄膜的機(jī)械強(qiáng)度有明顯的下降。

圖3 薄膜楊氏模量隨退火溫度變化趨勢圖

3.3 薄膜疏水性分析

不同退火溫度后的薄膜的水接觸角測試結(jié)果如圖4所示。可以看出，隨著退火溫度的增加，薄膜水接觸角逐漸下降，即薄膜的疏水性減弱。這與薄膜中Si-CH3基團(tuán)的含量有關(guān)，當(dāng)退火溫度增加時(shí)，Si-CH3基團(tuán)含量下降，因而其疏水性下降。退火溫度達(dá)到500℃前，薄膜能保持相對較好的疏水性。

圖4 退火溫度對薄膜水接觸角影響圖

3.4 薄膜的電學(xué)特性分析

在沉積的薄膜表面及襯底背面濺射電極后，形成可測試的MIS結(jié)構(gòu)，采用cascade探針臺及安捷倫B1500半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測試器件的電容-電壓（C-V）特性，曲線如圖5所示。對不同退火溫度處理的薄膜的MIS結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行C-V測試，并提取其積累區(qū)最大電容。依據(jù)公式，可求得各薄膜的介電常數(shù)，如圖6所示。當(dāng)退火溫度達(dá)到400℃時(shí)，薄膜的介電常數(shù)最低，由于退火溫度達(dá)到400℃時(shí)，可在薄膜內(nèi)產(chǎn)生一定的空隙結(jié)構(gòu)，從而能降低其k值。而當(dāng)退火溫度達(dá)到600℃后，其介電常數(shù)值較大，推測由于較高退火溫度下發(fā)生了薄膜坍塌以及薄膜化學(xué)組分的變化。顯然，本研究制備的薄膜在退火溫度達(dá)到600℃時(shí)已發(fā)生了較大的改變，該退火溫度過高。

圖5 薄膜的C-V特性曲線

圖6 不同退火溫度處理后的薄膜的介電常數(shù)曲線

本研究了不同退火條件下OSG薄膜的性能，包括薄膜的化學(xué)組分，薄膜的膜厚和機(jī)械性能，薄膜的疏水性和薄膜的介電常數(shù)等。研究表明，對于退火條件為300℃至400℃的薄膜，其化學(xué)成分中因末端甲基含量較高，甲基為疏水基團(tuán)，表現(xiàn)出較好的疏水性，且甲基含量隨退火時(shí)間的增長而遞減，疏水性變差。退火溫度達(dá)到500℃，OSG薄膜骨架發(fā)生改變，楊氏模量變低，介電常數(shù)增加。綜合分析，當(dāng)退火溫度為400℃時(shí)，薄膜的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。