SiCOH低k介质中低表面粗糙度沟道的刻蚀研究
采用60MHz/2MHz双频率驱动的容性耦合放电等离子体技术，以C2F6/O2/Ar为刻蚀气体，开展了SiCOH低k介质中刻蚀低表面粗糙度沟道的研究。主要研究了O2/C2F6流量比对与SiCOH低k薄膜之间的刻蚀选择性的影响，以及O2/C2F6流量比、下电极功率对沟道刻蚀特性的影响。发现在O2/C2F6流量比为0.1以下时，光致抗蚀剂掩膜层与SiCOH低k薄膜之间具有较好的刻蚀选择性。对于沟道刻蚀，在O2/C2F6流量比为0.1时，下电极功率对沟道的表面粗糙度和剖面结构具有明显的影响。在下电极功率为30W时，刻蚀的沟道底部平坦、沟道壁陡直，槽形完好，沟道底面的平均表面粗糙度降低至3.32nm，因此，可以在SiCOH低k薄膜中刻蚀剖面结构完整的低表面粗糙度沟道。
多孔SiCOH超低k薄膜作为微电子器件中超低介电常数介质(超低k)的候选材料得到高度关注。在多孔SiCOH超低k薄膜研究的诸多问题中，刻蚀仍是一个重要的挑战。为了降低SiCOH薄膜的介电常数，在制备SiCOH薄膜时人为引入了孔隙。但是，这种孔隙的存在，给刻蚀工艺带来了挑战，可能造成刻蚀表面过于粗糙，或者形成一些微通道结构，同时刻蚀的沟槽深度会偏离预先设置，从而导致图形刻蚀难于精密控制。对于45nm及以下的特征线宽，当Cu导线与超低k介质集成时，由于多孔SiCOH超低k薄膜中孔隙的存在，粗糙的沟道表面将对Cu导线中电子的散射作用增强，导致Cu导线电阻率的上升。因此，对于Cu导线与超低k介质的集成，降低刻蚀沟道表面的粗糙度具有极其重要的意义。
在目前的等离子体刻蚀工艺中，影响图形刻蚀的最重要因素是沟道表面的粗糙度和沟道剖面结构。对微电子器件等离子体刻蚀工艺的数值模拟结果表明，沟道表面粗糙度和沟道剖面结构与入射到晶片和光致抗蚀剂掩膜层的荷能离子密切相关。但是，对于多孔SiCOH超低k薄膜的沟道刻蚀，如何采用适当的刻蚀工艺来有效地降低沟道表面粗糙度、控制沟道剖面结构还不完全清楚。近年来，利用高频功率控制等离子体密度、利用低频功率控制离子能量的双频容性耦合等离子体技术的发展，为荷能离子的精密控制、从而为控制沟道剖面结构提供了可能，但是如何采用双频容性耦合等离子体在多孔SiCOH超低k薄膜中刻蚀低表面粗糙度沟道还报道较少。
多孔SiCOH超低k薄膜由Si、C、O、H元素组成，刻蚀工艺主要采用碳氟等离子体。由于缺乏有效的针对C元素的刻蚀剂，在刻蚀过程中多孔Si-COH超低k薄膜表面容易沉积C:F层，从而影响多孔SiCOH超低k薄膜的刻蚀行为，因此需要在碳氟气体中添加适量的O2。但是，在刻蚀沟道时，多孔SiCOH超低k薄膜的表面存在光致抗蚀剂掩膜层，而O等离子体是光致抗蚀剂的有效清洗剂，即O等离子体会导致光致抗蚀剂的去除，从而对沟道剖面结构产生严重影响，因此O2的添加量至关重要，但是相关研究较少。因此，本工作以获得具有完整剖面结构的低表面粗糙度沟道为目标，采用C2F6/O2/Ar双频容性耦合等离子体，开展了SiCOH低k介质中沟道刻蚀的研究。
1、实验
实验采用60MHz/2MHz双频率驱动的容性耦合放电等离子体(DF-CCP)技术在多孔SiCOH低k薄膜中刻蚀沟道，选择的待刻蚀样品为硅基片上沉积的k=2.88的SiCOH低k薄膜。双频驱动的容性耦合放电等离子体系统由真空室、平板电极、进气质量流量控制系统、旋片泵与涡轮分子泵真空机组等组成。真空室为圆筒式不锈钢水冷结构，其直径为450mm、高为350mm，上面安装了观察窗、静电探针测量接口、等离子体发射光谱测量窗口、四极质谱测量接口，可以完成刻蚀过程的等离子体特性在线测量。真空室内部为一对对称的平板电极，电极的直径均为200mm，电极极板之间的距离调整为50mm。上电极用于产生高密度等离子体，上面施加60MHz的甚高频功率(常州瑞思杰尔公司)，根据以前的研究结果，刻蚀时功率固定为165W。下电极通过施加一个低频功率来调节控制到达被刻蚀材料表面的离子能量及其分布，刻蚀沟道时采用2MHz低频功率(美国Comdel公司CX600型)，功率在5～40W之间调整。双频放电系统的本底真空度可以达到5.0×10-4Pa，刻蚀实验时的放电气压固定为50Pa。采用纯度为99.99%的六氟环丙烷(C2F6)、纯度为99.999%的高纯氧(O2)和纯度为99.999%的高纯氩(Ar)混合气体作为放电气体，C2F6、O2放电产生的等离子体分别用于刻蚀SiCOH低k薄膜中的Si、C，而Ar用于增强离子能量。进气流量用D07质量流量计调控，实验时C2F6、Ar的流量固定为20，2ml/min(标准状态)，O2流量在1～10ml/min之间变化。等离子体刻蚀沟道的时间控制在1～10min之间。为了在SiCOH低k薄膜中刻蚀沟槽图形，必须在SiCOH低k薄膜上制备光致抗蚀剂掩膜层。光致抗蚀剂掩膜层采用光学曝光法制备，线宽为0.25μm。在刻蚀工艺结束后，将放电气体调整为O2/Ar混合气体，利用O2/Ar放电等离子体，在原位对刻蚀样品表面残留的光致抗蚀剂进行清洗，清洗时高频功率仍然固定为165W、低频功率选择为10W;采用10mL/min的较高O2流量，Ar流量保持为2ml/min;放电气压为50Pa，与刻蚀时一致;清洗时间为5min。
在硅基片的背面用金刚石刀划痕断裂形成自然断面，用HitachiS-4700场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察沟槽的断面结构，获得直观图像。用SolverProSPM的原子力显微镜(AFM)分析沟槽底部的微结构，测量底部的表面粗糙度，AFM采用半接触工作模式。采用KratosAXISUltraDLDX射线光电子能谱(XPS)仪分析沟槽底部的化学成分，射线为1486.6eV的AlKα辐射，用OriginPro8软件将测量的XPS谱进行高斯解叠，从而获得沟槽底部的键结构状态，根据Si2p(102.47eV)、C1s(285.06eV)、O1s(531.90eV)、F1s(687.43eV)峰的强度计算了Si、C、O、F元素的相对含量，计算时Si、C、O、F元素的相对原子灵敏度因子分别为0.893，0.493，0.914，1。
3、结论
本文采用60MHz/2MHz双频率驱动的容性耦合放电等离子体技术，以含氧的碳氟气体(C2F6/O2/Ar)为刻蚀气体，在多孔SiCOH低k薄膜中开展了刻蚀低表面粗糙度沟道的研究。主要研究了O2/C2F6流量比对光致抗蚀剂掩膜层与SiCOH低k薄膜之间的刻蚀选择性的影响，以及O2/C2F6流量比、下电极功率对沟道刻蚀特性的影响。发现在O2/C2F6流量比为0.1以下时，光致抗蚀剂掩膜层与SiCOH低k薄膜之间具有较好的刻蚀选择性。对于沟道刻蚀，在O2/C2F6流量比为0.1时，下电极功率对沟道的表面粗糙度和剖面结构具有明显的影响。在下电极功率为30W时，刻蚀的沟道底部平坦、沟道壁陡直，槽形完好，沟道底面的平均表面粗糙度降低至3.32nm，因此，可以在SiCOH低k薄膜中刻蚀剖面结构完整的低表面粗糙度沟道。
