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D5 的 ECR 放电等离子体质谱研究

D5 的 ECR 放电等离子体质谱研究. 张海燕 叶 超 宁兆元 苏州大学物理科学与技术学院 江苏省薄膜材料重点实验室 2007 年 8 月 成都. 主要内容. ¤ 研究背景 ¤ 实验方法 ¤ 结果与分析 ¤ 结 论. ： 微电子器件不断发展，集成度不断提高，器件密度和连线密度增加，器件尺度和线宽不断减小，导致互连线的阻容耦合（ RC ）增大，信号传送延时、噪声干扰增强、功率耗散等问题。. 一、研究背景. 降低信号传输延时，主要有以下两种途径 ： （ 1 ）改变金属互连线的布局和厚宽比

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D5 的 ECR 放电等离子体质谱研究

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Presentation Transcript

  1. D5的ECR放电等离子体质谱研究 张海燕 叶 超 宁兆元 苏州大学物理科学与技术学院 江苏省薄膜材料重点实验室 2007年8月 成都

  2. 主要内容 ¤研究背景 ¤实验方法 ¤结果与分析 ¤结 论

  3. ： 微电子器件不断发展，集成度不断提高，器件密度和连线密度增加，器件尺度和线宽不断减小，导致互连线的阻容耦合（RC）增大，信号传送延时、噪声干扰增强、功率耗散等问题。 一、研究背景

  4. 降低信号传输延时，主要有以下两种途径： （1）改变金属互连线的布局和厚宽比 （2）采用新的互联材料，Cu/低k材料来代替传统的Al/SiO2互联材料。 超低k的SiCOH材料是我们课题组的主要研究内容

  5. 降低介电常数 降低分子的密度 降低分子的极化率 引入孔隙,降低薄膜密度 引入低极化键 如C-F，C-H 采用本构孔源气体 CH、CF气体掺杂

  6. 目前制备SiCOH薄膜选用的主要前驱气体 ☆三甲基硅烷（3MS） ☆八甲基环四硅氧烷（D4） ☆十甲基环五硅氧烷（D5） ☆四乙烯基四甲基环四硅氧烷（TVTMCTS）

  7. ：目前国际上低k薄膜的研究主要关注沉积工艺参数对薄膜结构及性能的影响，极少关注工艺参数对放电等离子体中基团行为的影响，仅仅根据所沉积的薄膜键结构来推断放电等离子体中的可能分解行为，缺少直接的实验依据。：目前国际上低k薄膜的研究主要关注沉积工艺参数对薄膜结构及性能的影响，极少关注工艺参数对放电等离子体中基团行为的影响，仅仅根据所沉积的薄膜键结构来推断放电等离子体中的可能分解行为，缺少直接的实验依据。 ：本工作采用质谱技术研究了D5的放电分解行为。通过分析比较放电前后D5源和D5等离子体的质谱图 ，给出D5离解机理。

  8. 二、实验方法 D5的分子结构式 ¤ 采用微波ECR-CVD装置沉积薄膜 ¤ 前驱气体为D5+Ar ¤ 本底气压为10-3Pa ¤ 沉积气压为10-1Pa ¤微波功率为400W 电子回旋共振（ECR）放电等离子体装置及质谱分析结构示意图

  9. Ar+ Si+/C2H4+ SiOC2H5+ H2O+ SiOCH3+ CHx+ H2+ SiOH+ O2+ CH3+ CH2++H CH2++ CH2 C2H4+ H++H H2+ OH++H H2O+ 三、结果和分析 1.放电之前D5质谱解析 （1）SiOH+、SiOCH3+、SiOC2H5+ (m/z =45、59、73)等高质量数离子主来自于D5分子的SiO环结构，D5分子发生了开环断裂的反应。 （2）CHx+、C2H4+等离子主要来自于D5分子侧链的甲基基团的分解和复合。 （3）强度较高的H2+、H2O+、O2+离子主要来自于离子、中性基团、中性分子之间的复合作用。

  10. 开环断裂过程： 根据Mclafferty电子转移理论，D5分子首先失去电离能最低的电子，即失去O原子上的一个非成键电子，成为分子离子，接着在正电荷中心的诱导下发生断裂，形成Si-O链离子。

  11. 重排成环过程： 氧原子的孤电子对与邻近的硅原子3d空轨道配位，使Si-O-Si键断裂，从而线型聚二甲基硅氧烷裂解形成三环硅氧烷和Si-O链离子 。

  12. SiO链的离解过程： Si-O链或SiO环结构二次裂解生成低质量数的SiO离子，主要存在以下三种反应机制： • SiO键的断裂，生成如 m/z =74 的SiOC2H6+离子、m/z =43 的SiCH3+离子 • 甲基或部分甲基如CH、CH2丢失，生成如 m/z =75 的SiO2CH3+离子、m/z =59 的SiOCH3+离子 • H原子重排之后的二次裂解，如m/z =73 的SiOCH2+、m/z =45 的SiOH+离子

  13. 初步推断一些反应式：

  14. H2+ Ar+ Si+/C2H4+ SiO+ CHx+ 2. ECR放电时质谱解析 比较放电前后的SiO相关基团的总浓度，可观察到放电后的SiO基团强度远低于放电前，这是因为放电时甲基基团的丢失使得Si-O-Si链形成了很多的非饱和悬挂键，这些Si-O-Si链基团具有高的化学活性，当它们碰撞到器壁或基片时会吸附于器壁或基片表面，聚合生成SiCOH薄膜，从而降低了空间Si-O基团的浓度。 反应与放电前类似，基团形成的机理如下： 1.侧链碳氢基团的进一步离解 2. Si-O链的进一步分解 3.活性基团、离子的复合反应

  15. 3. ECR放电时发射光谱解析 放电时H2、Hα、Si的发射光谱强度较高，同时碳氢基团的发射光谱强度也较高，这进一步证明甲基从Si原子上的丢失。而SiO基团的发射光谱强度较弱，说明SiO结构裂解并不是十分彻底，更多被器壁和基片吸附，形成薄膜。

  16. ４. SiOCH薄膜结构的FTIR分析 ①D5源中的部分吸收峰得到保存，如νaSi-O-Si（1076cm-1）、νSi-CH3（1261cm-1）、δaC-H（1442 cm-1）、νSi-C/ρCH3（806cm-1） ②薄膜中C-H3、C-H2、Si-CH3结构的吸收强度均大幅度降低 ③Si-O-Si峰位向低波数端漂移并且峰位发生展宽。

  17. 高斯解叠结果： D3h中Si-O-Si键角小于1440，低于五环Si-O-Si键角，所以Si-O-Si发生低波数端漂移。而键角为1500的鼠笼结构的出现导致了Si-O-Si峰在高波数端的展宽。 显然在ECR放电过程中五元Si-O环开环断裂重排形成了三元的Si-O环结构和Si-O直链，同时由于甲基的丢失产生大量悬挂键使得环链交联形成了Si-O-Si鼠笼结构，这与质谱分析结果相吻合。

  18. 四、结 论 ◇在电子轰击下，D5环体开环断裂，形成新的三元环体和直链Si-O结构，同时侧链主要以CHx基团形式断裂。 ◇在ECR放电等离子体中，甲基的丢失使得新生成的Si-O环体、Si-O直链成为具有很多悬挂键的活性基团，会发生Si-O环体和Si-O直链之间的交联反应。 ◇环体在薄膜中得到保存同时也生成孔隙更大的鼠笼结构，这些本构孔的出现将进一步的降低薄膜的介电常数。

  19. Thanks for your attention!

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