采用60MHz/2MHz雙頻率驅(qū)動(dòng)的容性耦合放電等離子體技術(shù)，以C2F6/O2/Ar為刻蝕氣體，開展了SiCOH低k介質(zhì)中刻蝕低表面粗糙度溝道的研究。主要研究了O2/C2F6流量比對與SiCOH低k薄膜之間的刻蝕選擇性的影響，以及O2/C2F6流量比、下電極功率對溝道刻蝕特性的影響。發(fā)現(xiàn)在O2/C2F6流量比為0.1以下時(shí)，光致抗蝕劑掩膜層與SiCOH低k薄膜之間具有較好的刻蝕選擇性。對于溝道刻蝕，在O2/C2F6流量比為0.1時(shí)，下電極功率對溝道的表面粗糙度和剖面結(jié)構(gòu)具有明顯的影響。在下電極功率為30W時(shí)，刻蝕的溝道底部平坦、溝道壁陡直，槽形完好，溝道底面的平均表面粗糙度降低至3.32nm，因此，可以在SiCOH低k薄膜中刻蝕剖面結(jié)構(gòu)完整的低表面粗糙度溝道。

　　多孔SiCOH超低k薄膜作為微電子器件中超低介電常數(shù)介質(zhì)(超低k)的候選材料得到高度關(guān)注。在多孔SiCOH超低k薄膜研究的諸多問題中，刻蝕仍是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。為了降低SiCOH薄膜的介電常數(shù)，在制備SiCOH薄膜時(shí)人為引入了孔隙。但是，這種孔隙的存在，給刻蝕工藝帶來了挑戰(zhàn)，可能造成刻蝕表面過于粗糙，或者形成一些微通道結(jié)構(gòu)，同時(shí)刻蝕的溝槽深度會偏離預(yù)先設(shè)置，從而導(dǎo)致圖形刻蝕難于精密控制。對于45nm及以下的特征線寬，當(dāng)Cu導(dǎo)線與超低k介質(zhì)集成時(shí)，由于多孔SiCOH超低k薄膜中孔隙的存在，粗糙的溝道表面將對Cu導(dǎo)線中電子的散射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致Cu導(dǎo)線電阻率的上升。因此，對于Cu導(dǎo)線與超低k介質(zhì)的集成，降低刻蝕溝道表面的粗糙度具有極其重要的意義。

　　在目前的等離子體刻蝕工藝中，影響圖形刻蝕的最重要因素是溝道表面的粗糙度和溝道剖面結(jié)構(gòu)。對微電子器件等離子體刻蝕工藝的數(shù)值模擬結(jié)果表明，溝道表面粗糙度和溝道剖面結(jié)構(gòu)與入射到晶片和光致抗蝕劑掩膜層的荷能離子密切相關(guān)。但是，對于多孔SiCOH超低k薄膜的溝道刻蝕，如何采用適當(dāng)?shù)目涛g工藝來有效地降低溝道表面粗糙度、控制溝道剖面結(jié)構(gòu)還不完全清楚。近年來，利用高頻功率控制等離子體密度、利用低頻功率控制離子能量的雙頻容性耦合等離子體技術(shù)的發(fā)展，為荷能離子的精密控制、從而為控制溝道剖面結(jié)構(gòu)提供了可能，但是如何采用雙頻容性耦合等離子體在多孔SiCOH超低k薄膜中刻蝕低表面粗糙度溝道還報(bào)道較少。

　　多孔SiCOH超低k薄膜由Si、C、O、H元素組成，刻蝕工藝主要采用碳氟等離子體。由于缺乏有效的針對C元素的刻蝕劑，在刻蝕過程中多孔Si-COH超低k薄膜表面容易沉積C:F層，從而影響多孔SiCOH超低k薄膜的刻蝕行為，因此需要在碳氟氣體中添加適量的O2。但是，在刻蝕溝道時(shí)，多孔SiCOH超低k薄膜的表面存在光致抗蝕劑掩膜層，而O等離子體是光致抗蝕劑的有效清洗劑，即O等離子體會導(dǎo)致光致抗蝕劑的去除，從而對溝道剖面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此O2的添加量至關(guān)重要，但是相關(guān)研究較少。因此，本工作以獲得具有完整剖面結(jié)構(gòu)的低表面粗糙度溝道為目標(biāo)，采用C2F6/O2/Ar雙頻容性耦合等離子體，開展了SiCOH低k介質(zhì)中溝道刻蝕的研究。

1、實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)采用60MHz/2MHz雙頻率驅(qū)動(dòng)的容性耦合放電等離子體(DF-CCP)技術(shù)在多孔SiCOH低k薄膜中刻蝕溝道，選擇的待刻蝕樣品為硅基片上沉積的k=2.88的SiCOH低k薄膜。雙頻驅(qū)動(dòng)的容性耦合放電等離子體系統(tǒng)由真空室、平板電極、進(jìn)氣質(zhì)量流量控制系統(tǒng)、旋片泵與渦輪分子泵真空機(jī)組等組成。真空室為圓筒式不銹鋼水冷結(jié)構(gòu)，其直徑為450mm、高為350mm，上面安裝了觀察窗、靜電探針測量接口、等離子體發(fā)射光譜測量窗口、四極質(zhì)譜測量接口，可以完成刻蝕過程的等離子體特性在線測量。真空室內(nèi)部為一對對稱的平板電極，電極的直徑均為200mm，電極極板之間的距離調(diào)整為50mm。上電極用于產(chǎn)生高密度等離子體，上面施加60MHz的甚高頻功率(常州瑞思杰爾公司)，根據(jù)以前的研究結(jié)果，刻蝕時(shí)功率固定為165W。下電極通過施加一個(gè)低頻功率來調(diào)節(jié)控制到達(dá)被刻蝕材料表面的離子能量及其分布，刻蝕溝道時(shí)采用2MHz低頻功率(美國Comdel公司CX600型)，功率在5～40W之間調(diào)整。雙頻放電系統(tǒng)的本底真空度可以達(dá)到5.0×10-4Pa，刻蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)的放電氣壓固定為50Pa。采用純度為99.99%的六氟環(huán)丙烷(C2F6)、純度為99.999%的高純氧(O2)和純度為99.999%的高純氬(Ar)混合氣體作為放電氣體，C2F6、O2放電產(chǎn)生的等離子體分別用于刻蝕SiCOH低k薄膜中的Si、C，而Ar用于增強(qiáng)離子能量。進(jìn)氣流量用D07質(zhì)量流量計(jì)調(diào)控，實(shí)驗(yàn)時(shí)C2F6、Ar的流量固定為20，2ml/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，O2流量在1～10ml/min之間變化。等離子體刻蝕溝道的時(shí)間控制在1～10min之間。為了在SiCOH低k薄膜中刻蝕溝槽圖形，必須在SiCOH低k薄膜上制備光致抗蝕劑掩膜層。光致抗蝕劑掩膜層采用光學(xué)曝光法制備，線寬為0.25μm。在刻蝕工藝結(jié)束后，將放電氣體調(diào)整為O2/Ar混合氣體，利用O2/Ar放電等離子體，在原位對刻蝕樣品表面殘留的光致抗蝕劑進(jìn)行清洗，清洗時(shí)高頻功率仍然固定為165W、低頻功率選擇為10W;采用10mL/min的較高O2流量，Ar流量保持為2ml/min;放電氣壓為50Pa，與刻蝕時(shí)一致;清洗時(shí)間為5min。

　　在硅基片的背面用金剛石刀劃痕斷裂形成自然斷面，用HitachiS-4700場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察溝槽的斷面結(jié)構(gòu)，獲得直觀圖像。用SolverProSPM的原子力顯微鏡(AFM)分析溝槽底部的微結(jié)構(gòu)，測量底部的表面粗糙度，AFM采用半接觸工作模式。采用KratosAXISUltraDLDX射線光電子能譜(XPS)儀分析溝槽底部的化學(xué)成分，射線為1486.6eV的AlKα輻射，用OriginPro8軟件將測量的XPS譜進(jìn)行高斯解疊，從而獲得溝槽底部的鍵結(jié)構(gòu)狀態(tài)，根據(jù)Si2p(102.47eV)、C1s(285.06eV)、O1s(531.90eV)、F1s(687.43eV)峰的強(qiáng)度計(jì)算了Si、C、O、F元素的相對含量，計(jì)算時(shí)Si、C、O、F元素的相對原子靈敏度因子分別為0.893，0.493，0.914，1。

3、結(jié)論

　　本文采用60MHz/2MHz雙頻率驅(qū)動(dòng)的容性耦合放電等離子體技術(shù)，以含氧的碳氟氣體(C2F6/O2/Ar)為刻蝕氣體，在多孔SiCOH低k薄膜中開展了刻蝕低表面粗糙度溝道的研究。主要研究了O2/C2F6流量比對光致抗蝕劑掩膜層與SiCOH低k薄膜之間的刻蝕選擇性的影響，以及O2/C2F6流量比、下電極功率對溝道刻蝕特性的影響。發(fā)現(xiàn)在O2/C2F6流量比為0.1以下時(shí)，光致抗蝕劑掩膜層與SiCOH低k薄膜之間具有較好的刻蝕選擇性。對于溝道刻蝕，在O2/C2F6流量比為0.1時(shí)，下電極功率對溝道的表面粗糙度和剖面結(jié)構(gòu)具有明顯的影響。在下電極功率為30W時(shí)，刻蝕的溝道底部平坦、溝道壁陡直，槽形完好，溝道底面的平均表面粗糙度降低至3.32nm，因此，可以在SiCOH低k薄膜中刻蝕剖面結(jié)構(gòu)完整的低表面粗糙度溝道。