CHF3雙頻電容耦合放電等離子體特性研究*

胡佳 徐軼 君葉超

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇省薄膜材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇州215006)

(2008年9月27日收到;2009年6月28日收到修改稿)

CHF3雙頻電容耦合放電等離子體特性研究*

胡佳 徐軼 君葉超?

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇省薄膜材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇州215006)

(2008年9月27日收到;2009年6月28日收到修改稿)

研究了用于SiCOH低介電常數(shù)薄膜刻蝕的CHF3氣體在13.56 MHz/2 MHz，27.12 MHz/2 MHz和60 MHz/2 MHz雙頻電容耦合放電時(shí)的等離子體性質(zhì).發(fā)現(xiàn)2 MHz低頻源功率的增大主要導(dǎo)致F基團(tuán)密度的增大;而高頻頻率從13.56，27.12增大到60 MHz，導(dǎo)致CF2基團(tuán)的密度增大和電極之間F基團(tuán)密度的軸向空間不均勻性增加.根據(jù)電子溫度的分布規(guī)律及離子能量隨高頻源頻率的變化關(guān)系，提出CF2基團(tuán)的產(chǎn)生主要通過(guò)電子-中性氣體碰撞，而F基團(tuán)的產(chǎn)生是離子-中性氣體碰撞的結(jié)果.

雙頻電容耦合放電，CHF3等離子體

PACC:5280P，8230

1. 引言

微電子器件的快速發(fā)展使器件性能不斷完善、器件集成度不斷提高，正向65—45nm以下線寬的納電子器件發(fā)展.由于高性能芯片上器件尺寸減小、線寬變窄，器件密度和連線密度極大增加，導(dǎo)致互連線之間阻容(RC)耦合增大，使信號(hào)傳送延時(shí)、干擾噪聲增強(qiáng)和功率耗散增大，器件工作頻率的提高受到限制.為了解決這些問(wèn)題，采用多孔SiCOH低介電常數(shù)材料(低k材料)取代SiO2介質(zhì)來(lái)降低層間、線間電容成為重要的努力方向［1，2］.

作為器件中的絕緣介質(zhì)，SiCOH低k薄膜的刻蝕是器件工藝中的極其重要一步.由于SiCOH低k薄膜中存在孔隙，薄膜的刻蝕率會(huì)隨著薄膜密度的降低而增大，導(dǎo)致刻蝕表面粗糙度增大、側(cè)向微枝結(jié)構(gòu)的形成和刻蝕深度發(fā)生改變，結(jié)果使刻蝕圖形難于精確控制［3］.近期的研究工作表明，采用C2F6/ H2等離子體刻蝕SiCOH時(shí)，刻蝕機(jī)理與采用碳氟等離子體刻蝕硅的機(jī)理相近，F(xiàn)原子是刻蝕SiCOH的有效刻蝕劑，因此反應(yīng)等離子體中基團(tuán)的控制是刻蝕SiCOH薄膜的關(guān)鍵［3—5］.

等離子體刻蝕已成為重要的介質(zhì)刻蝕技術(shù)［6—9］.為了控制反應(yīng)等離子體中基團(tuán)的形成，近年來(lái)，采用高頻或甚高頻功率源控制等離子體的產(chǎn)生、采用低頻功率源來(lái)調(diào)制到達(dá)被刻蝕薄膜表面粒子能量的雙頻等離子體技術(shù)，正發(fā)展成為低k材料刻蝕的有力工具［10，11］.為了實(shí)現(xiàn)等離子體密度和能量的獨(dú)立調(diào)控，采用頻率從13.56到500 MHz的各種高頻或甚高頻功率源與頻率從800 kHz到2 MHz的各種低頻功率源合理組合［12—14］，形成雙頻等離子體.目前對(duì)雙頻等離子體的研究工作，主要集中于等離子體的本征性質(zhì)，如等離子體密度、電子能量及其分布、離子能量分布、等離子體電位等［15］，而對(duì)刻蝕氣體的雙頻放電等離子體性質(zhì)，還較少研究.我們采用13.56 MHz/2 MHz，27.12 MHz/2 MHz和60 MHz/2 MHz頻率組合的雙頻電容耦合放電等離子體(DF-CCP)，開(kāi)展了SiCOH低k材料的刻蝕研究.發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)?shù)母哳l、低頻功率下，可以實(shí)現(xiàn)SiCOH低k材料的可控刻蝕，并且隨著高頻頻率從13.56 MHz增大到60 MHz，SiCOH低k材料可控刻蝕所需的高頻功率可以從250 W降低到165 W［16］.為了分析雙頻等離子體中SiCOH低k材料的可控刻蝕機(jī)理，本文進(jìn)一步研究了CHF3氣體的雙頻電容耦合放電等離子體性質(zhì).

2. 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在雙頻電容耦合放電等離子體系統(tǒng)中完成［17］，圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖.放電裝置由兩塊平行的圓電極板組成，電極直徑為200mm、間距為50mm.上電極施加13.56，27.12或60 MHz的功率信號(hào)來(lái)產(chǎn)生等離子體，施加的功率根據(jù)SiCOH低k薄膜刻蝕所滿足的條件確定.下電極施加2 MHz的功率信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)離子能量，功率在10—40 W之間.實(shí)驗(yàn)時(shí)，DF-CCP系統(tǒng)的真空用渦輪分子泵真空機(jī)組獲得，本底真空度為10－4Pa，工作時(shí)的真空度為50 Pa.用CHF3(純度99.999%)作為放電氣體，用質(zhì)量流量計(jì)調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，實(shí)驗(yàn)時(shí)流量控制為10 ml/min.

用發(fā)射光譜測(cè)定CHF3放電等離子體中不同軸向空間位置的F，CF2基團(tuán)的密度和等離子體電子溫度.測(cè)量位置分別為下電極表面(A)、上下電極之間的中間位置(B)、上電極表面(C)，如圖1所示.采用荷蘭的AvaSpec-2048型8通道光纖光譜儀測(cè)量CHF3放電等離子體的發(fā)射光譜，由于各通道分辨率的差異，光譜儀分辨率在0.05—0.13nm之間.為了獲得等離子體中基團(tuán)的相對(duì)密度，實(shí)驗(yàn)添加了5%的Ar作為標(biāo)定氣體，采用Ar的750.4nm激發(fā)譜線作為標(biāo)定譜線.由于Ar的添加量較小，Ar的添加對(duì)放電等離子體的影響可以忽略.根據(jù)發(fā)射光譜中F，CF2基團(tuán)發(fā)射譜線的相對(duì)強(qiáng)度Ix和Ar發(fā)射譜線的相對(duì)強(qiáng)度IAr，由下式計(jì)算等離子體中F，CF2基團(tuán)的相對(duì)密度:

由于CHF3等離子體的反應(yīng)性和可能的薄膜沉積，為避免采用Langmuir探針測(cè)量電子溫度帶來(lái)的較大誤差，實(shí)驗(yàn)采用光譜測(cè)溫技術(shù)測(cè)定了等離子體的電子溫度.根據(jù)發(fā)射光譜中Hα(656.3nm)和Hβ(486.1nm)譜線的強(qiáng)度，按照下式確定電子激發(fā)溫度Te［18］:

其中Ei為激發(fā)能、Ii為發(fā)射光強(qiáng)度、gi為統(tǒng)計(jì)權(quán)重、λi為發(fā)射光的波長(zhǎng)、Ai為自發(fā)輻射的Einstein系數(shù)，對(duì)于H發(fā)射譜線，這些量可以從文獻(xiàn)［19］中查得，如表1所示.

表1 用于電子激發(fā)溫度計(jì)算的發(fā)射譜線參數(shù)

圖1 雙頻電容耦合放電等離子體系統(tǒng)示意圖

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2為CHF3的13.56 MHz/2 MHz，27.12 MHz/2 MHz和60 MHz/2 MHz DF-CCP等離子體發(fā)射光譜圖.從圖中可見(jiàn)，CHF3放電分解形成的主要基團(tuán)為CF2(220.0—280.0nm)，Hα(656.3nm)，Hβ(486.1nm)和F(703.7nm).根據(jù)F，CF2基團(tuán)發(fā)射譜線的相對(duì)強(qiáng)度Ix和Ar發(fā)射譜線的相對(duì)強(qiáng)度IAr，由(1)式得到等離子體中F，CF2基團(tuán)的相對(duì)密度，如圖3—5所示.

圖2 CHF3DF-CCP等離子體發(fā)射光譜圖

圖3為13.56 MHz/2 MHz雙頻放電時(shí)等離子體中F和CF2基團(tuán)的相對(duì)密度隨2 MHz功率的變化關(guān)系，其中13.56 MHz源的功率為250 W，2 MHz源的功率從10 W增加到40 W.由圖可見(jiàn)，隨著2 MHz功率的增大，CF2相對(duì)密度的變化非常小，在A位置，CF2相對(duì)密度在0.040(10 W)—0.041(40 W)之間.而F相對(duì)密度隨2 MHz功率的增大呈線性增大，A，B位置的F相對(duì)密度基本相同，在0.031(10 W)—0.084(40 W)之間;C位置的相對(duì)密度略低，在0.031(10W)—0.077(40W)之間，因此，從電極之間的中間位置至下電極表面，F(xiàn)的密度分布是基本均勻的.

圖3 13.56 MHz/2 MHz DF-CCP等離子體中F，CF2基團(tuán)相對(duì)密度

圖4為27.12 MHz/2 MHz雙頻放電時(shí)等離子體中F，CF2基團(tuán)的密度隨2 MHz功率的變化關(guān)系，其中27.12 MHz源的功率為200 W.由圖可見(jiàn)，隨著2 MHz功率的增大，CF2相對(duì)密度的變化仍比較小，在A位置，CF2相對(duì)密度在0.039(10 W)—0.042 (40 W)之間.F相對(duì)密度隨2 MHz功率的增大仍呈增大趨勢(shì)，但A，B位置的F密度不再相同.A位置的F相對(duì)密度在0.019(10 W)—0.097(40 W)之間;B位置的F密度減小，在0.016(10 W)—0.081(40 W)之間;C位置的F密度則更低，在0.013(10 W)—0.057(40 W)之間.因此，從上電極表面到下電極表面，F(xiàn)的密度軸向分布的不均勻性增大.與13.56 MHz/2 MHz比較，雖然在27.12 MHz/2 MHz時(shí)高頻功率下降到200 W，但A位置(40W)的CF2基團(tuán)密度卻基本相同，而F的密度有所增加.

圖4 27.12 MHz/2 MHz DF-CCP等離子體中F，CF2基團(tuán)相對(duì)密度

圖5為60 MHz/2 MHz雙頻放電時(shí)等離子體中F、CF2基團(tuán)的相對(duì)密度隨2 MHz功率的變化關(guān)系，其中60 MHz源的功率為165 W.由圖5可見(jiàn)，隨著2 MHz功率的增大，CF2相對(duì)密度呈略減小趨勢(shì)，在A位置，CF2相對(duì)密度從0.092(10 W)減小到0.077(40 W).F相對(duì)密度仍然呈增大趨勢(shì)，A位置的F相對(duì)密度在0.039(10 W)—0.117(40 W)之間，B位置的F密度在0.034(10 W)—0.091 (40 W)之間，C位置的F密度在0.028(10 W)—0.070(40 W)之間.因此，從上電極表面到下電極表面，F(xiàn)密度的軸向分布不均勻性進(jìn)一步增大.與13.56 MHz/2 MHz，27.12 MHz/2 MHz的結(jié)果相比，CF2相對(duì)密度有較大提高.

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于13.56 MHz/2 MHz，27.12 MHz/2 MHz和60 MHz/2 MHz的CHF3DFCCP等離子體，增大下電極施加的2 MHz功率主要導(dǎo)致F基團(tuán)密度的增大，而將上電極功率源的信號(hào)頻率從13.56，27.12增大到60 MHz，則導(dǎo)致CF2基團(tuán)的密度增大和電極之間F基團(tuán)密度的軸向空間不均勻性增加.

在CHF3DF-CCP等離子體中，F(xiàn)，CF2基團(tuán)通常主要是通過(guò)電子-中性氣體碰撞使CHF3分解而產(chǎn)生，CHF3的基本分解反應(yīng)如下［20］:

圖5 60MHz/2 MHz DF-CCP等離子體中F，CF2基團(tuán)相對(duì)密度

其中ΔH為分解反應(yīng)的反應(yīng)熱，是反應(yīng)進(jìn)行所需的能量.由于各反應(yīng)所需能量的差異，F(xiàn)，CF2基團(tuán)的相對(duì)密度應(yīng)該決定于等離子體的電子溫度.圖6為計(jì)算獲得的等離子體電子溫度分布，由圖6可見(jiàn)在13.56 MHz/2 MHz雙頻放電時(shí)，在不同空間位置，等離子體的電子溫度是存在一定差異的.在接近下電極表面，電子溫度較高，并且受低頻功率的影響;在中間位置和上電極表面，電子溫度逐步降低，但基本不受低頻功率的影響，接近一個(gè)常數(shù).隨著高頻頻率的增大，由于施加功率的減小，電子溫度變得較低;但重要的是電子溫度的空間分布差異減小，同時(shí)低頻功率的影響也非常小.

圖6 CHF3DF-CCP等離子體的電子溫度分布

將不同頻率下的F，CF2基團(tuán)密度分布與電子溫度的分布相比較，可見(jiàn)CF2基團(tuán)的密度與電子溫度的分布是相關(guān)的，即隨著頻率的增大，電子溫度在降低，而CF2基團(tuán)的密度在增大，由于產(chǎn)生CF2基團(tuán)的反應(yīng)(3)反應(yīng)熱較低，電子溫度的降低有利于提高反應(yīng)(3)的概率，使CF2基團(tuán)密度增大，因此CF2基團(tuán)的產(chǎn)生主要是電子-中性氣體碰撞的結(jié)果.但是，F(xiàn)基團(tuán)密度的分布與電子溫度的分布是矛盾的，隨著低頻功率的增大，雖然電子溫度基本接近常數(shù)，但F的密度卻在增大，并且當(dāng)高頻率下電子溫度的空間分布差異非常小時(shí)，F(xiàn)密度的空間分布差異卻在增大，因此F的主要產(chǎn)生機(jī)理不應(yīng)是電子-中性氣體碰撞過(guò)程所致.

在低溫等離子體中，離子-中性氣體碰撞是使CHF3分解的另一種可能機(jī)理.在高頻頻率升高和低頻功率增大對(duì)等離子體特性影響的研究工作中，Lee等［21—23］發(fā)現(xiàn)頻率的升高可以導(dǎo)致離子能量分布函數(shù)向高能端飄移，Huang等［24］發(fā)現(xiàn)低頻功率的增大可以導(dǎo)致高能離子數(shù)目的增加，Li等［25］從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)低頻功率的增大可以導(dǎo)致離子能量的增大，因此，高頻頻率的升高和低頻功率增大所致的F基團(tuán)密度的增大與離子能量的增大有關(guān)，是離子-中性氣體碰撞概率增大的結(jié)果.

4. 結(jié)論

本文研究了用于SiCOH低k薄膜刻蝕的CHF3氣體在13.56 MHz/2 MHz，27.12 MHz/2 MHz，60 MHz/2 MHz雙頻電容耦合放電時(shí)的等離子體性質(zhì).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2 MHz功率的增大主要導(dǎo)致F基團(tuán)密度的增大，而高頻頻率從13.56，27.12增大到60 MHz，導(dǎo)致CF2基團(tuán)的密度增大和電極之間F基團(tuán)密度的軸向空間不均勻性增加.根據(jù)電子溫度的分布規(guī)律和離子能量隨高頻源頻率的變化關(guān)系，CF2基團(tuán)的產(chǎn)生主要是通過(guò)電子-中性氣體碰撞過(guò)程，而F基團(tuán)的產(chǎn)生是離子-中性氣體碰撞的結(jié)果.

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PACC:5280P，8230

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.10575074，10975105，10635010).

?Corresponding author.E-mail:cye@suda.edu.cn

CHF3dual-frequency capacitively coupled plasma*

Hu Jia Xu Yi-Jun Ye Chao?
(School of Physics Science and Technology，Jiangsu Provincial Key Laboratory of Thin Films，Soochow University，Suzhou215006，China)
(Received 27 September 2008;revised manuscript received 28 June 2009)

This paper investigates the intermediate gas phase in the CHF3dual-frequency capacitively couple plasma(DF-CCP) driven by the high-frequency(HF)of 13.56 MHz，27.12 MHz or 60 MHz and the low-frequency(LF)of 2 MHz power sources，which was used to etch the SiCOH low dielectric constant(low-k)films.The increasing of 2 MHz LF power led to the increase of F radical concentration，and the increasing of HF frequency from 13.56 MHz and 27.12 MHz to 60 MHz led to the increase of CF2concentration and a poor spatial uniformity of F radical between the electrodes.According to the electron temperature distribution at different LF power and HF frequency，and the dependence of ion energy on the high frequency，the CF2radicals were found to come from the CHF3dissociation by the electron-neutrals collisions，and the F radical from the CHF3dissociation induced by the ions-neutrals thermal collisions.

dual-frequency capacitively couple discharge，CHF3plasma

book=67,ebook=67

*國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):10575074，10975105，10635010)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:cye@suda.edu.cn