宏观参量对a-C:F薄膜刻蚀速率的影响

孔华，冯金福

（常熟理工学院物理与电子工程学院，江苏常熟 215500）

宏观参量对a-C:F薄膜刻蚀速率的影响

孔华，冯金福

（常熟理工学院物理与电子工程学院，江苏常熟 215500）

在ECR刻蚀系统中氧等离子体的放电存在两种模式，即微波功率低于500W时的低密度放电和微波功率高于500W时的高密度放电.a-C:F薄膜的刻蚀速率随着氧分压的增加而降低，是由于气压增加时，等离子体的电子温度降低及等离子体鞘电位降低造成.a-C:F薄膜的刻蚀速率随着氧气流量的增加相应地增加，是由于在氧分压保持0.1Pa不变的条件下，氧流量增加使氧原子在真空室的驻留时间变短造成.

宏观参量；a-C:F薄膜；刻蚀速率

近年来，低介电常数（低k）材料的研究已引起人们的广泛关注，采用低k材料取代二氧化硅作为层间介质，可以有效地减小集成电路互连RC延迟，抑制串扰，降低功耗[1,2].a-C:F薄膜的介电常数约为2.1～3.0，工艺简单且具有优良的填隙特性，是有望应用于集成电路的低k材料之一[3-5].a-C:F薄膜刻蚀技术是a-C:F薄膜材料应用于多层互连层间介质所必需的重要工艺环节，因而深入研究a-C:F薄膜材料的等离子体刻蚀性能是非常必要的，这其中首要的问题便是a-C:F薄膜的刻蚀速率.

本文采用ICP沉积系统，以CHF3和H2为源气体沉积a-C：F薄膜，并在微波ECR等离子体刻蚀系统中对该薄膜进行刻蚀，研究放电功率、氧分压、氧流量等宏观参量对薄膜刻蚀速率的影响.

1 a-C:F薄膜的刻蚀

使用日本ET350型表面粗糙度轮廓仪，用触针法测量膜厚.它是利用一差动传感器，将探针在薄膜表面移动的上下位置的变化转换成电压的变化，从而测出膜厚.而刻蚀前后膜厚的变化除以刻蚀时间即是刻蚀速率.

非晶碳膜的刻蚀是一个氧化过程，主要的刻蚀剂是氧原子.在等离子体环境下，氧分子被离解成氧原子，它们输运到基片表面后被吸附，进而与含氢碳膜中的氢和碳元素发生反应.典型的生成物是CH，H2O，CO，H2，它们会从膜的表面挥发进入空间而被真空泵所抽除.同时，等离子体中的离子对膜表面的轰击会影响上述氧化过程的进行速率.由此可见，膜的刻蚀速率决定于膜表面所吸附的氧原子的浓度、膜本身的结构与性质及生成物从表面挥发的速率，这是一个相当复杂的过程.

为了考察本研究中使用的ECR氧等离子体放电装置的稳定性，我们在放电功率400W，氧流量20sccm，氧分压0.05Pa的情况下测量了不同时间段非晶碳膜的刻蚀速率，结果如图1所示.由图1可见，四个刻蚀时间段的刻蚀速率分别为：16nm/min，16.7nm/min,15.6nm/min,16.8nm/min.说明非晶碳氟膜的刻蚀速率基本上是稳定的，也即说明了氧等离子体的放电是稳定的，基本不随时间变化.所以对非晶碳氟膜进行氧等离子体刻蚀是可行的.

2 放电功率对a-C:F薄膜刻蚀速率的影响

图2表示了放电功率与非晶碳氟膜刻蚀速率的关系.在膜的刻蚀过程中，氧分压与氧流量分别保持在0.05Pa和20sccm，刻蚀时间为5min.从图2中可以看到，非晶碳膜的刻蚀速率随着输入微波功率的增加而上升.微波功率从300W增加到500W时，其刻蚀速率增加的比较少（从12.3nm/min上升到14.1nm/min），当微波功率增加到600W时，刻蚀速率迅速上升到35.3nm/min，700W时为46.3nm/min.该结果表明，膜的刻蚀速率可分成两个区：低刻蚀速率区和高刻蚀速率区.这是因为在低微波输入功率下，放电较弱，氧浓度低，形成低刻蚀速率区.当输入的功率增加到500W后，放电模式发生改变，由低密度放电转为高密度放电[6].在高密度放电模式中，微波能量将以更高的效率耦合进等离子体，使得等离子体密度迅速增加，因而产生的氧原子浓度急剧上升，引起膜的刻蚀速率的快速提高.

基片架加偏压，可以改变离子的能量.图3是在基片架上施加了-200V的偏压，而其他放电参量不变的情况下，非晶碳膜刻蚀速率与放电功率的关系.

图1 非晶碳氟膜刻蚀速率与刻蚀时间的关系

图2 非晶碳氟膜刻蚀速率与刻蚀功率的关系

从图3可看出，加负偏压后，刻蚀速率与刻蚀功率的关系与不加偏压时基本一致，也分为低刻蚀区和高刻蚀区.不同的是所对应功率的刻蚀速率比不加偏压时提高了，如300W时从12.3nm/min提高到了14nm/ min，500W时从14.1nm/min提高到了20.4nm/min，700W时从46.3nm/min提高到了51.6nm/min.这是因为在基片架上加负偏压后，加快了氧原子输运到基片表面的速率，同时也加大了等离子体中离子对膜表面的轰击能量，进而提高了膜的刻蚀速率.

3 放电气压对a-C:F薄膜刻蚀速率的影响

图4给出了刻蚀速率与氧分压的关系.在膜的刻蚀过程中，放电功率和氧流量分别保持在400W和20sccm，刻蚀时间为5min.由图可见，在较高的氧分压条件下膜的刻蚀速率低.其原因可能是：当气压增加时，等离子体的电子温度降低[7]，从而使得参与刻蚀并到达基片的氧原子数目减少.另一方面由于在较高的气压下，等离子体鞘电位降低，使得离子轰击基片的能量变小.而刻蚀速率主要由氧原子流量及离子能量控制，所以刻蚀速率随着压强的增加而降低.

4 气体流量对a-C:F薄膜刻蚀速率的影响

图3 加偏压后非晶碳氟膜刻蚀速率与刻蚀功率的关系

图4 非晶碳氟膜刻蚀速率与氧分压的关系率与刻蚀功率的关系

图5 非晶碳氟膜刻蚀速率与氧流量的关系

图5给出的是碳氟膜的刻蚀速率与氧流量的关系.在膜的刻蚀过程中，放电功率和氧分压分别保持在400W和0.1Pa，刻蚀时间为5min.从图中可看出，随着氧气流量的增加，膜的刻蚀速率也相应地增加.其原因可能是：增加氧的流量，而氧分压保持在0.1Pa不变，这就使得氧原子在真空室的驻留时间变短.也就是随着氧流量的增加，氧离子的输运速度也相应加快，进而膜的刻蚀速率也相应增大.

5 结论

在ECR刻蚀系统中氧等离子体的放电存在两种模式，即微波功率低于500W时的低密度放电和微波功率高于500W时的高密度放电.对应于放电的两种模式，a-C:F薄膜的刻蚀分成两个区，即低刻蚀速率区和高刻蚀速率区.

a-C:F薄膜的刻蚀速率随着氧分压的增加而降低，是由于气压增加时，等离子体的电子温度降低及等离子体鞘电位降低造成.

a-C:F薄膜的刻蚀速率随着氧气流量的增加相应地增加，是由于在氧分压保持不变的条件下，氧流量增加使得氧原子在真空室的驻留时间变短造成.

[1]王阳元，康晋锋.超深亚微米集成电路中的互连问题——低k介质与Cu的互连集成技术[J].半导体学报，2002，23（11）：1121-1134.

[2]阮刚，肖夏，宋任儒，等.VLSI电路中互连线的延迟及串扰的数值模拟[J].电子学报，2000，28（5）：142-144.

[3]叶超，宁兆元，程珊华，等.C=C双键对氟化非晶碳薄膜I-V特性的影响[J].物理学报，2004，53（5）：1496-1500.

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[7]叶超，宁兆元.非对称轴向二极场下等离子体特性的研究[J].真空科学与技术学报，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

孔华（1978—），男，江苏吴江人，常熟理工学院物理与电子工程学院助教，硕士，研究方向：等离子体与应用.