等離子體化學汽相澱積氟化非晶碳膜的方法及膜層結構的製作方法

2023-10-30 19:38:12

專利名稱：等離子體化學汽相澱積氟化非晶碳膜的方法及膜層結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，特別涉及等離子體化學汽相澱積氟化非晶碳膜的 方法，用於製作集成電路低介電常數互連介質層。
背景技術：
集成電路技術在過去幾十年中一直按照摩爾定律高速發展，晶片特徵尺寸不斷 減小，單位面積內器件的數量也不斷增加。隨著半導體工業進入深亞微米時代，互 連問題已經成為影響電路性能提高的主要因素之一。美國半導體工業協會1997年修 訂的半導體技術發展藍圖表明，到2009年特徵尺寸將減小至70納米，超大規模集 成(VLSI)電路金屬互連將多達9層。隨著VLSI特徵尺寸的降低，金屬連線的高寬比 增加，線間寄生電容迅速增加，互連層數的上升也會引起層間寄生電容的增加，互 連延遲已經超過門延遲成為限制電路工作速度的最大障礙。另外，晶片中線間電容 增大引起線間串擾增強，由寄生電容引起的功率耗散也隨之增加，嚴重限制了集成 電路性能的進一步提高。銅鑲嵌工藝與低介電常數，即介電常數值k小於3.9的材料 結合使用新互連工藝是解決上述問題的有效措施。採用低介電常數材料作為互連線 線間、層間介質可以有效降低互連電容。釆用電阻率更小的銅Cu代替鋁Al作為互 連線材料，由於Cu的電阻率比Al約低35%，因而能有效地減小互連線電阻，且 Cu/低k多層互連技術已經成為集成電路互連技術發展的必然趨勢。
氟化非晶碳(a_C:F)膜是有希望應用於集成電路的低介電常數材料之一，其 介電常數約為2.1 2.9，多用碳氟如CF4和碳氫如CH4氣體由化學汽相澱積CVD方 法製備。在化學汽相澱積工藝中，將給定成分和流量的反應氣體和載氣通過氣路控 制系統引入反應室中。氣體分子向襯底輸運，並被吸附在襯底表面，經過表面遷移 和成膜化學反應後在襯底上澱積薄膜，例如氟化非晶碳膜。而反應氣體副產物則被 帶離襯底表面並最終被抽出反應室。成膜化學反應的驅動力通常可由幾種方法來供 給，例如熱、光、射頻、催化劑或等離子體。常規的化學汽相澱積系統通常包括氣 體源、氣路、氣體流量控制器、反應室、溫度傳感器、真空測量裝置、功率源、襯 底偏壓、加熱和旋轉裝置等。電子迴旋共振ECR等離子體化學汽相澱積是CVD工 藝的一種特殊情況。當輸入的微波頻率等於電子迴旋頻率時發生共振，微波能量耦 合給電子，獲得能量的電子電離中性氣體分子形成等離子體放電，並使得等離子體 中的高活性成分在襯底表面形成薄膜澱積。當微波頻率為2.45乂109赫茲時，達到電
子迴旋共振的磁感應強度B為8.75X10J特斯拉。ECR等離子體具有工作氣壓低、 密度高、離化率高、大面積均勻、工藝設備簡單、可穩定運行和參數易於控制等優 點，可以實現高效無汙染的表面處理，在包括低介電常數薄膜材料的薄膜澱積、等 離子體刻蝕等集成電路IC製造工藝中有著巨大的應用潛力。但由於氟化非晶碳膜的 介電常數和熱穩定性存在折中的矛盾，即介電常數低時熱穩定性差，無法滿足集成 電路對材料穩定性的要求；而熱穩定性好時其介電常數又偏高，無法體現低介電常 數材料的優點。同時，用電子迴旋共振等離子體化學汽相澱積製備氟化非晶碳膜 時， 一般澱積速率偏低，無法滿足集成電路規模生產的需要。至今還沒有成熟的電 子迴旋共振等離子體化學汽相澱積氟化非晶碳膜的方法。 發明的內容
本發明的目的是提供一種等離子體化學汽相澱積氟化非晶碳膜的方法，以解決 上述介電常數和熱穩定性折中的矛盾，在保證熱穩定性的前提下以較高的生長速率 製備出介電常數較低的氟化非晶碳膜。
實現本發明目的的技術原理是在澱積室中的襯底上用碳氟和碳氫作為源氣體 澱積氟化非晶碳膜，利用電子迴旋共振效應吸收微波能量分解碳氟和碳氫源氣體， 並在襯底上形成氟化非晶碳薄膜。其中，在澱積氟化非晶碳膜前後，可在同一設備 中選擇澱積碳化矽膜粘附薄層和氮化矽膜覆蓋薄層形成一層或多層低介電常數介質 ,結構。具體方案如下-技術方案1
將襯底清洗後放在工藝室，並對工藝室抽真空； 將碳氫源氣體與碳氟源氣體相混合後通入工藝室；
利用電子迴旋共振效應吸收的微波源能量對混合後的碳氫源氣體和碳氟源氣體 進行電離分解，並將電離分解後所產生的活性帶電粒子通過永磁磁場的作用輸運到 襯底表面，按如下工藝條件在襯底上澱積氟化非晶碳膜
工藝室壓力0.1Pa 5Pa;
微波功率600W 2000W;
澱積溫度30°C~300°C;
碳氫氣體的流量5 10sccm;
碳氟氣體的流量50 200 sccm;
襯底以圓心為轉軸旋轉，旋轉速率保持為60轉/分鐘；獲得600埃到2200埃的氟化非晶碳膜。 技術方案2
1. 將Si襯底清洗後放在工藝室後抽真空；
2. 在Si襯底上按如下條件生長氟化非晶碳膜
工藝室壓力0.1Pa 5Pa; 微波功率1000W 2000W; 澱積溫度200。C 30(TC; C2H2流量5 10sccm; C4Fg流量50 200sccm;
襯底以圓心為轉軸旋轉，旋轉速率保持為60轉/分鐘；
獲得800埃到2200埃的氟化非晶碳膜。
3. 在a-C:F層上按如下條件生長SiN薄膜
工藝室壓力1Pa; 微波功率1200W; 澱積溫度50°C;
SiH4源氣體的流量5sccm;
N2氣體的流量10sccm;
Ar氣體流量100sccm;
澱積時間10秒；
襯底以圓心為轉軸旋轉，旋轉速率保持為60轉/分鐘; 獲得100埃的SiN膜。
技術方案3
1. 將Si襯底清洗後放在工藝室後抽真空；
2. 在Si襯底上按如下條件澱積碳化矽薄膜
工藝室壓力1Pa; 工藝室本底真空l(T5Pa; 微波功率1500W; 澱積溫度400°C; Ar氣體的流量100sccm; CH4的流量50sccm;
SiH4的流量5sccm;
澱積時間10秒；
襯底以圓心為轉軸旋轉，旋轉速率保持為60轉/分鐘； 獲得約IOO埃的碳化矽膜層；
3. 在碳化矽膜層上按如下條件生長氟化非晶碳膜
工藝室壓力0.1Pa 5Pa; 微波功率1000W-2000W;
澱積溫度200。C 300。C;
C2H2流量5 10sccm;
C4V流量50 200s函；
襯底以圓心為轉軸旋轉，旋轉速率保持為60轉/分鐘；
獲得800埃到2200埃的氟化非晶碳膜。
4. 在氟化非晶碳層上按如下條件生長SiN薄膜
工藝室壓力1Pa; 微波功率1200W; 澱積溫度5(TC;
SiH4源氣體的流量5sccm; N2氣體的流量10sccm: Ar氣體流量100sccm;
澱積時間IO秒；
襯底以圓心為轉軸旋轉，旋轉速率保持為60轉/分鐘； 獲得約100埃的SiN膜；
獲得Si/SiC/a-C:F/SiN結構。 用本發明技術方案2製作的氟化非晶碳膜層結構包括襯底、氟化非晶碳，其中 在氟化非晶碳上設有一層氮化矽。
用本發明技術方案3製作的氟化非晶碳膜層結構包括襯底、氟化非晶碳，其中 在Si襯底和氟化非晶碳層之間設有一層SiC膜層，在氟化非晶碳上設有一層氮化 矽。
本發明具有如下優點
本發明由於採用了多碳的碳氫和碳氟大分子氣體作為前驅氣體，可以獲得高交 連結構的氟化非晶碳薄膜，並有效提高薄膜熱穩定性；同時由於前驅氣體F/C比較 高，因此澱積的氟化非晶碳薄膜的介電常數較低；此外由於採用粘附層、低介電常 數薄膜層和覆蓋層的多層介質薄膜結構也可以有效提高低介電常數薄膜的熱穩定 性；與現有技術相比較，本發明澱積低介電常數薄膜的方法還具有澱積速率高、工 藝溫度低、面積大、均勻性和重複性好的優點。


圖1是本發明用於形成氟化非晶碳膜的ECRCVD設備結構示意圖； 圖2是本發明使用的ECRCVD設備的氣路結構示意圖； 圖3是本發明製備單層氟化非晶碳膜的工藝流程圖； -圖4是本發明製備兩層介質層結構Si/a-C:F/SiN的工藝流程圖； 圖5是本發明製備三層介質層結構Si/SiC/a-C:F/SiN的工藝流程圖； 圖6是本發明製備的兩層介質層Si/a-C:F/SiN的結構示意圖； 圖7是本發明製備的三層介質層Si/SiC/a-C:F/SiN的結構示意圖； 圖8是本發明氟化非晶碳薄膜的澱積速率隨工藝條件的變化曲線圖； 圖9是本發明氟化非晶碳薄膜的熱穩定性隨工藝條件的變化曲線圖； 圖IO是本發明氟化非晶碳薄膜的介電常數隨工藝條件的變化曲線圖。
具體實施例方式
參照圖1和圖2，本發明澱積氟化非晶碳薄膜使用的微波ECRCVD設備由微波 功率源及傳輸系統21、 ECR等離子體源22、工藝室23、氣路系統24、真空系統 25、微機控制系統26組成。
微波功率源及傳輸系統21為ECR等離子體源提供穩定的微波能量，其頻率為 2.45GHz，功率在0 3KW，可調可控。它由微波功率源201、環流器202、水負載 203、功率計204、定向耦合器205、負載調配器206構成。微波功率源採用 WY50002-1C型連續微波功率源。微波傳輸採用BJ—26矩形波導207，通過三銷釘 調配器206及短路活塞208調節負載匹配及反射功率。微波傳輸迴路包括一個波導 一同軸變換器209， 一個內導體和外導體構成的同軸波導管以45°角擴展成錐形管 210和同軸型共振腔2U。
2.45GHz的微波經傳輸迴路引入到共振腔開口面附近的八1203陶瓷窗220上。該 陶瓷窗下表面有一 0型橡膠密封圈221，兼作放電室真空密封。陶瓷窗上表面有分
布式永磁磁鋼系統，該系統由無磁不鏽鋼圓盤222、軟鐵屏蔽板223和Nd-Fe-B永磁 磁鋼224組成。永磁磁鋼224鑲嵌在無磁不鏽鋼上圓盤222上，其上由軟鐵屏蔽板 223覆蓋。微波由陶瓷窗220的外緣向中心輸運，從而在放電室一側的陶瓷窗220表 面形成均勻的表面波電場分布，在此電場和磁場的作用下，放電室內形成了均勻大 口徑ECR等離子體。
工藝室23是進行薄膜澱積加工的腔體，其內部包括工藝氣體環231、樣品臺 232及其它附件。工藝氣體環231內側均勻分布氣孔；樣品臺232的加工尺寸為06 英寸，同時提供尺寸為02英寸、03英寸和04英寸的凹槽容納相應尺寸的晶片； 反應室水冷卻系統233使得陶瓷窗220保持在較低的溫度上， 一般不高於5(TC;溫 度控制系統235控制澱積溫度；朗繆爾探針診斷系統234測量等離子體放電參數； 樣品臺升降系統236控制樣品臺在工藝室中的高度位置在距離陶瓷窗正下方3釐米 到15釐米的範圍內移動。
氣路系統24完成工藝設備所需的工作氣體、反應氣體和清洗氣體如氮氣的輸 入、測量和控制。氣路系統共設6路氣路，第一路氣路由反應氣體源3011、減壓閥 302、壓力顯示器310、電磁閥303、電磁閥305、電磁閥306、電磁閥308和電磁閥 311、質量流量控制器304、混氣罐307、清洗氣體源309和不鏽鋼管路等部分組 成，如圖2所示。薄膜澱積前，氣源3011中的反應氣體經解壓閥302解壓後，由質 量流量計304控制進入混氣罐307中，氣路節點的壓力由壓力顯示器310讀出，此 時電磁閥303和電磁閥305打開，電磁閥306、電磁閥311和電磁閥308關閉。澱積 時打開電磁閥308即可。氣源309為清洗氣體源，打開電磁閥311並關閉其它氣源 即可對氣路進行清洗。其它五路氣源及其相應氣路與上述第一路氣源3011及其相應 氣路相同，為簡化圖示用虛線分別表示第二路氣源3012、第三路氣源3013、第四路 氣源3014、第五路氣源3015和第六路氣源3016，六路氣路並聯連接。
真空系統25為工藝室、氣路系統提供高的本底真空度、適當的抽氣速率和反應 壓力，由渦輪分子泵252、無油真空泵254、全量程真空計256、板閥251、隔離閥 255、電磁閥253、管路組成，其本底真空度應達到1.0X10—s帕，工藝動態真空在 0.01帕 10帕。真空測量系統256採用熱偶規和電離規結合的方法測量反應室的真 空度，測量範圍為1.0X10—s帕 10帕。
實施例中的微機控制系統26採用上/下位機網絡結構控制方式。由於網絡結構控 制方式將控制任務分配給不同的控制單元，微機與控制單元通過RS485接口實現。
10
上位機選用研華IPC-6811工業控制計算機，控制板採用RS-485接口板構成。控制 系統軟體平臺採用Windows98，控制軟體採用VB開發的可視化圖形界面。 實施例1
參照圖3，本發明利用上述設備澱積單層氟化非晶碳膜的工藝過程如下-第一步，襯底清洗並放入工藝室。
將石英片用丙酮超聲清洗20分鐘；用去離子水清洗5分鐘包括6次循環；氮氣
氣氛保護下的旋轉甩幹處理，即80秒去離子水清洗，120秒旋轉甩幹後放入工藝 室。
'第二步，工藝室抽真空。
使用壓力指示器獲得工藝室23壓力的數據，澱積工藝所期望的壓力由工藝室23 內的總壓力表示。本實施例在澱積前，將工藝室23本底真空被抽到1.0X10—s帕。 第三步，通入混合氣體。
關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308，分別打開碳氫氣源和碳氟氣源及其通 往混氣罐氣路分支上的電磁閥和流量計並關閉其它氣路，使碳氟氣體與碳氫氣體同 時流入混氣罐中混合5秒以上後，該碳氟氣體選用C4F8，氣體流量為50sccm，該碳 氫氣體選為C2H2，氣體流量為5sccm，工藝室壓力為0.1Pa，打開電磁閥308，將混 合氣體通入在工藝室23中。
第四步，在襯底上澱積氟化非晶碳薄膜。
1. 控制樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘，開啟旋轉控制，使襯底勻速轉動；
2. 設置微波功率為600W，澱積溫度為30°C,開啟微波源，將微波能量饋送到 ECR等離子體源中，利用電子迴旋共振效應吸收的微波源能量對混合後的碳氟氣體 和碳氫氣體進行分解，並將電離分解後所產生的活性帶電粒子通過永磁磁場的作用 輸運到襯底表面；
3. 控制微波放電時間在1分鐘可澱積出厚度為600埃的氟化非晶碳膜。 第五步，淨化工藝室。
當澱積完成後，關閉源氣體，通入氮氣對管道和工藝室23進行淨化。 實施例2
參照圖3，本發明利用上述設備澱積單層氟化非晶碳膜的工藝過程如下 第一步，對襯底進行清洗並放入工藝室。
將矽片浸入4:1的H2S04:H202溶液清洗10分鐘，溶液溫度為90°C;去離子水 清洗5分鐘，包括6次循環；將矽片浸入5:1:1的H20:H202:HC1溶液中清洗10分 鍾，溶液溫度為7CTC;去離子水清洗5分鐘包括6次循環；將矽片浸泡在50:1的 HF溶液中15到30秒；去離子水清洗5分鐘包括6次循環；氮氣氣氛保護下的旋轉 甩幹處理，即80秒去離子水清洗，120秒旋轉甩幹。清洗後獲得表面被H鍵飽和的 清潔矽表面放入工藝室中。
第二步，工藝室抽真空。
使用壓力指示器獲得工藝室23壓力的數據，澱積工藝所期望的壓力由工藝室23 內的總壓力表示。本實施例在澱積前，將工藝室23本底真空被抽到1.0X10—5帕。 第三步，通入混合氣體。
關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308，分別打開碳氫氣源和碳氟氣源及其通 往混氣罐氣路分支上的電磁閥和流量計並關閉其它氣路，使碳氟氣體與碳氫氣體同 時流入混氣罐中混合5秒以上後，該碳氟氣體選用C4F8，氣體流量為200sccm,該 碳氫氣體選為C2H2，氣體流量為10scon，工藝室壓力為5Pa。打開電磁閥308，將 混合氣體通入在工藝室23中。
第四步，在襯底上澱積氟化非晶碳薄膜。
1. 控制樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘，開啟旋轉控制，使襯底勻速轉動；
2. 設定微波功率為2000W，澱積溫度為3CKTC，開啟微波源，將微波能量饋送 到ECR等離子體源中，利用電子迴旋共振效應吸收的微波源能量對混合後的碳氟氣 體和碳氫氣體進行分解，並將電離分解後所產生的活性帶電粒子通過永磁磁場的作 用輸運到襯底表面；
3. 控制微波放電時間在1分鐘可澱積出厚度約為2200埃的氟化非晶碳膜。 第五步，淨化工藝室。
當澱積完成後，關閉源氣體，通入氮氣對管道和工藝室進行淨化。 實施例3
參照圖3,本發明利用上述設備澱積單層氟化非晶碳膜的工藝過程如下 第一步，對襯底進行清洗並放入工藝室中。
將NaCl片用丙酮潮聲清洗20分鐘；氮氣氣氛保護下的旋轉120秒甩幹處理後 放入工藝室中。
第二步，工藝室抽真空。
使用壓力指示器獲得工藝室23壓力的數據，澱積工藝所期望的壓力由工藝室23 內的總壓力表示。本實施例在澱積前，將工藝室23本底真空被抽到1.0X10's帕。 第三步，通入混合氣體。
關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308，分別打開碳氫氣源和碳氟氣源及其通 往混氣罐氣路分支上的電磁閥和流量計並關閉其它氣路，使碳氟氣體與碳氫氣體同 時流入混氣罐中混合5秒以上後，該碳氟氣體選用C2F4，氣體流量為100sccm，該 碳氫氣體選為CH4，氣體流量為8sccm，工藝室壓力為1Pa。打開電磁閥308，將混 合氣體通入在工藝室23中內。
第四步，在襯底上澱積氟化非晶碳薄膜。
1. 控制樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘，開啟旋轉控制，使襯底勻速轉動；
2. 設置微波功率為1500W，澱積溫度為200°C，開啟微波源，將微波能量饋送 到ECR等離子體源中，利用電子迴旋共振效應吸收的微波源能量對混合後的碳氟氣 體和碳氫氣體進行分解，並將電離分解所產生的活性帶電粒子通過永磁磁場的作用 輸運到襯底表面；
3. 控制微波放電時間在1分鐘可澱積出厚度約為1400埃的氟化非晶碳膜。 第五步，淨化工藝室。
當澱積完成後，關閉源氣體，通入氮氣對管道和工藝室23進行淨化。 實施例4
參照圖4，本發明利用上述設備澱積低介電常數兩層介質Si/a-C:F/SiN結構的工 藝過程如下
第一步，清洗Si襯底，放入工藝室。
將矽片浸入4:1的H2S04:H202溶液清洗10分鐘，溶液溫度為9(TC;去離子水 清洗5分鐘，包括6次循環；將矽片浸入5:1:1的H20:H202:HC1溶液中清洗10分 鍾，溶液溫度為70°C;去離子水清洗5分鐘包括6次循環；將矽片浸泡在50:1的 HF溶液中15到30秒；去離子水清洗5分鐘包括6次循環；氮氣氣氛保護下的旋轉 甩幹處理，即80秒去離子水清洗，120秒旋轉甩幹並放入工藝室中。
第二步，工藝室抽真空。
使用壓力指示器獲得工藝室23壓力的數據，澱積工藝所期望的壓力由工藝室23 內的總壓力表示。本實施例在澱積前，將工藝室23本底真空被抽到1.0X10—s帕。 第三步，在Si襯底上澱積氟化非晶碳薄膜。
1. 關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308，分別打開碳氫氣源和碳氟氣源及 其通往混氣罐氣路分支上的電磁闊和流量計並關閉其它氣路，使碳氟氣體與碳氫氣 體同時流入混氣罐中混合5秒以上後通入工藝室中，該碳氟氣體選用C4F8，氣體流 量為50sccm，該碳氫氣體選為C2H2，氣體流量為5 sccm，工藝室壓力為O.lPa;
2. 設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘，澱積溫度為200°C，微波功率為 IOOOW，開啟.旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源，利用電子迴旋共振效應吸收 的微波源能量對混合後的碳氟氣體和碳氫氣體進行分解，並將電離分解後所產生的 活性帶電粒子通過永磁磁場的作用輸運到襯底表面，控制微波放電時間在1分鐘可 澱積出厚度為800埃的氟化非晶碳膜。
第四步，在氟化非晶碳膜上澱積SiN薄膜。
1. 關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308，分別打開SiH4氣體、N2氣、Ar 氣所在氣路並關閉其它氣路，使SiH4、 N2、 Ar氣體分別以5sccm、 10sccm和 100sccm的流量流入混氣罐中並混合5秒以上並通入工藝室中，工藝室壓力為1Pa;
2. 設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘、澱積溫度為5CTC、微波功率為 1200W,開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，控制微波放電時間在10秒可澱積出厚度為100埃的SiN碳 膜。
第五步，淨化工藝室。
當澱積完成後，關閉源氣體，通入氮氣對管道和工藝室23進行淨化。 實施例5
參照圖4，本發明利用上述設備澱積低介電常數兩層介質Si/a-C:F/SiN結構的工 藝過程如下
第一步，清洗Si襯底，放入工藝室。
將矽片浸入4:1的H2S04:H202溶液清洗10分鐘，溶液溫度為9(TC;去離子水 清洗5分鐘，包括6次循環；將矽片浸入5:1:1的H20:H202:HC1溶液中清洗10分 鍾，溶液溫度為7(TC;去離子水清洗5分鐘包括6次循環；將矽片浸泡在50:1的 HF溶液中15到30秒；去離子水清洗5分鐘包括6次循環；氮氣氣氛保護下的旋轉 甩幹處理，即80秒去離子水清洗，120秒旋轉甩幹並放入工藝室。
第二步，工藝室抽真空。
使用壓力指示器獲得工藝室23壓力的數據，澱積工藝所期望的壓力由工藝室23 內的總壓力表示。本實施例在澱積前，將工藝室23本底真空被抽到1.oxicrs帕。 第三步，在Si襯底上澱積氟化非晶碳薄膜。
1. 關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308，分別打開碳氟氣體與碳氫氣體所 在氣路並關閉其它氣路，使碳氟氣體與碳氫氣體同時流入混氣罐中混合5秒以上後 通入工藝室中，該碳氟氣體選用C4F8，氣體流量為200 sccm，該碳氫氣體選為 C2H2，氣體流量為10sccm，工藝室壓力為5Pa;
2. 設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘，澱積溫度為30(TC，微波功率為 2000W,開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，利用電子迴旋共振效應吸收的微波源能量對混合後的碳氟氣 體和碳氫氣體進行分解，並將電離分解後所產生的活性帶電粒子通過永磁磁場的作 用輸運到襯底表面，控制微波放電時間在1分鐘可澱積出厚度為2200埃的氟化非晶 碳膜。
第四步，在氟化非晶碳膜上澱積SiN薄膜。
1. 關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308，分別打開SiH4氣體、N2氣、Ar 氣所在氣路並關閉其它氣路，使SiH4、 N2、 Ar氣體分別以5sccm、 10sccm和 100sccm的流量流入混氣罐中並混合5秒以上並通入工藝室中，工藝室壓力為1Pa;
2. 設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘、澱積溫度為50°C、微波功率為 1200W，開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，控制微波放電時間在10秒可澱積出厚度為100埃的SiN碳 膜。
第五步，淨化工藝室。
當澱積完成後，關閉源氣體，通入氮氣對管道和工藝室23進行淨化。 實施例6
參照圖4，本發明利用上述設備澱積低介電常數兩層介質Si/a-C:F/SiN結構的工 藝過程如下
第一步，清洗Si襯底，放入工藝室。
將矽片浸入4:1的H2S04:H202溶液清洗10分鐘，溶液溫度為90°C ;去離子水 清洗5分鐘，包括6次循環；將矽片浸入5:1:1的H20:H202:HC1溶液中清洗10分 鍾，溶液溫度為7(TC;去離子水清洗5分鐘包括6次循環；將矽片浸糹包在50:1的
HF溶液中15到30秒；去離子水清洗5分鐘包括6次循環；氮氣氣氛保護下的旋轉 甩幹處理，即80秒去離子水清洗，120秒旋轉甩幹並放入工藝室。 第二步，工藝室抽真空。
使用壓力指示器獲得關於工藝室23壓力的數據，澱積工藝所期望的壓力由工藝 室23內的總壓力表示。本實施例在澱積前，將工藝室23本底真空被抽到l.OXl(T5 帕。
第三步，在Si襯底上澱積氟化非晶碳薄膜。
1. 關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥，分別打開碳氟氣體與碳氫氣體所在氣 路並關閉其它氣路，使碳氟氣體與碳氫氣體同時流入混氣罐中混合5秒以上後通入 工藝室中，該碳氟氣體選用C4F8，氣體流量為120 sccm，該碳氫氣體選為C2H2，氣 體流量為6 sccm，工藝室壓力為1Pa;
2. 設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘，澱積溫度為25(TC，微波功率為 1600W，開啟旋轉控制裝置，開啟微波源，利用電子迴旋共振效應吸收的微波源能 量對混合後的碳氟氣體和碳氫氣體進行分解，並將電離分解後所產生的活性帶電粒 子通過永磁磁場的作用輸運到襯底表面，控制微波放電時間在1分鐘可澱積出厚度 為1500埃的氟化非晶碳膜。
第四步，在氟化非晶碳膜上澱積SiN薄膜。
1. 關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308，分別打開SiH4氣體、N2氣、Ar 氣所在氣路並關閉其它氣路，使SifLt、 N2、 Ar氣體分別以5sccm、 10sccm和 100sccm的流量流入混氣罐中並混合5秒以上並通入工藝室中，工藝室壓力為1Pa;
2. 設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘、澱積溫度為5(TC、微波功率為 1200W，開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，控制微波放電時間在10秒可澱積出厚度為100埃的SiN碳 膜。
第五步，淨化工藝室。
當澱積完成後，關閉源氣體，通入氮氣對管道和工藝室23進行淨化。 實施例7
參照圖5，本發明利用上述設備澱積低介電常數三層介質Si/SiC/a-C:F/SiN結構 的工藝過程如下
第一步，清洗Si襯底並放入工藝室。200710018519.2
說明書第13/17頁
將矽片浸入4:1的H2S04:H202溶液清洗10分鐘，溶液溫度為90°C;去離子水 清洗5分鐘，包括6次循環；將矽片浸入5:1:1的H20:H202:HC1溶液中清洗10分 鍾，溶液溫度為70'C;去離子水清洗5分鐘包括6次循環；將矽片浸泡在50:1的 HF溶液中15到30秒；去離子水清洗5分鐘包括6次循環；氮氣氣氛保護下的旋轉 甩千處理，即80秒去離子水清洗，120秒旋轉甩幹並放入工藝室。
第二步，工藝室抽真空。
使用壓力指示器獲得工藝室23壓力的數據，澱積工藝所期望的壓力由工藝室23 內的總壓力表示。本實施例在澱積前，將工藝室23本底真空被抽到1.0X10—s帕。 第三步，在Si襯底上澱積SiC薄膜。
1. 關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥，分別打開SiH4、 CH4和Ar氣體所在 氣路並關閉其它氣路，使SiH4、 CH4和Ar氣體分別以5sccm、 50sccm和100sccm的 流量流入混氣罐中並混合5秒以上通入工藝室中，工藝室壓力為1Pa;
2. 設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘、澱積溫度為40(TC、微波功率為 1500W,開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，控制微波放電時間在10秒可澱積出厚度為100埃的SiC碳 膜。
第四步，在SiC上澱積氟化非晶碳薄膜。
1. 關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308，分別打開碳氫氣源和碳氟氣源及 其通往混氣罐氣路分支上的電磁閥和流量計並關閉其它氣路，使碳氟氣體與碳氫氣 體同時流入混氣罐中混合5秒以上後通入工藝室中，該碳氟氣體選用C4F8，氣體流 量為50 sccm,該碳氫氣體選為C2H2，氣體流量為5 sccm，工藝室壓力為O.lPa;
2. 設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘，澱積溫度為200°C，微波功率為 IOOOW，利用電子迴旋共振效應吸收的微波源能量對混合後的碳氟氣體和碳氫氣體 進行分解，並將電離分解後所產生的活性帶電粒子通過永磁磁場的作用輸運到襯底 表面，控制微波放電時間在1分鐘可澱積出厚度為800埃的氟化非晶碳膜。
第五步，在氟化非晶碳膜上澱積SiN薄膜。
1.關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308,分別打開SiHU氣體、N2氣、Ar 氣所在氣路並關閉其它氣路，使SiH4、 N2、 Ar氣體分別以5sccm、 10sccm和 100sccm的流量流入混氣罐中並混合5秒以上並通入工藝室中，工藝室壓力為1Pa; 2.設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘、澱積溫度為50°C、微波功率為 1200W，開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，控制微波放電時間在10秒可澱積出厚度為100埃的SiN碳 膜。
第六步，淨化工藝室。
當澱積完成後，關閉源氣體，通入氮氣對管道和工藝室23進行淨化。 實施例8
參照圖5，本發明利用上述設備澱積低介電常數三層介質Si/SiC/a-C:F/SiN結構 的工藝過程如下
第一步，清洗Si襯底並放入工藝室。
將矽片浸入4:1的H2S04:H202溶液清洗10分鐘，溶液溫度為90°C;去離子水 清洗5分鐘，包括6次循環；將矽片浸入5:1:1的H20:H202:HC1溶液中清洗10分 鍾，溶液溫度為70°C;去離子水清洗5分鐘包括6次循環；將矽片浸泡在50:1的 HF溶液中15到30秒；去離子水清洗5分鐘包括6次循環；氮氣氣氛保護下的旋轉 甩幹處理，即80秒去離子水清洗，120秒旋轉甩幹並放入工藝室。
第二步，工藝室抽真空。
使用壓力指示器獲得工藝室23壓力的數據，澱積工藝所期望的壓力由工藝室23 內的總壓力表示。本實施例在澱積前，將工藝室23本底真空被抽到1.0X10—s帕。 第三步，在Si襯底上澱積SiC薄膜。
1. 關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥，分別打開SiH4、 CH4和Ar氣體所在 氣路並關閉其它氣路，使SiH4、 CH4和Ar氣體分別以5sccm、 50sccm和100sccm的 流量流入混氣罐中並混合5秒以上通入工藝室中，工藝室壓力為1Pa;
2. 設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘、澱積溫度為400°C、微波功率為 1500W,開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，控制微波放電時間在10秒可澱積出厚度為100埃的SiC碳 膜。
第四步，在SiC上澱積氟化非晶碳薄膜。
1.關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308，分別打開碳氟氣體與碳氫氣體所 在氣路並關閉其它氣路，使碳氟氣體與碳氫氣體同時流入混氣罐中混合5秒以上後
通入工藝室中，該碳氟氣體選用C4F8，氣體流量為200 sccm，該碳氫氣體選為 C2H2，氣體流量為10sccm，工藝室壓力為5Pa;
2.設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘，澱積溫度為300°C、微波功率為 2000W，開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，利用電子迴旋共振效應吸收的微波源能量對混合後的碳氟氣 體和碳氫氣體進行分解，並將電離分解後所產生的活性帶電粒子通過永磁磁場的作 用輸運到襯底表面，控制微波放電時間在1分鐘可澱積出厚度為2200埃的氟化非晶 碳膜。
第五步，在氟化非晶碳膜上澱積SiN薄膜。
1. 關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308，分別打開SiH4氣體、N2氣、Ar 氣所在氣路並關閉其它氣路，使SiH4、 N2、 Ar氣體分別以5sccm、 10sccm和 100sccm的流量流入混氣罐中並混合5秒以上並通入工藝室中，工藝室壓力為1Pa;
2. 設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘、澱積溫度為5(TC、微波功率為 1200W，開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，控制微波放電時間在10秒可澱積出厚度為100埃的SiN碳 膜。
第六步，淨化工藝室。
當澱積完成後，關閉源氣體，通入氮氣對管道和工藝室23進行淨化。 實施例9
參照圖5,本發明利用上述設備澱積低介電常數三層介質Si/SiC/a-C:F/SiN結構 的工藝過程如下
第一步，清洗Si襯底並放入工藝室。
將矽片浸入4:1的H2S04:H202溶液清洗10分鐘，溶液溫度為90°C;去離子水 清洗5分鐘，包括6次循環；將矽片浸入5:1:1的H20:H202:HC1溶液中清洗10分 鍾，溶液溫度為70°C;去離子水清洗5分鐘包括6次循環；將矽片浸泡在50:1的 HF溶液中15到30秒；去離子水清洗5分鐘包括6次循環；氮氣氣氛保護下的旋轉 甩幹處理，即80秒去離子水清洗，120秒旋轉甩幹並放入工藝室。
第二步，工藝室抽真空。
使用壓力指示器獲得工藝室23壓力的數據，澱積工藝所期望的壓力由工藝室23 內的總壓力表示。本實施例在澱積前，將工藝室23本底真空被抽到1.0X10—s巾白
第三步，在Si襯底上澱積SiC薄膜。 .1.關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥，分別打開SiH4、 CH4和Ar氣體所在 氣路並關閉其它氣路，使SiPLt、 C仏和Ar氣體分別以5sccm、 50sccm和100sccm的 流量流入混氣罐中並混合5秒以上通入工藝室中，工藝室壓力為1Pa;
2.設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘、澱積溫度為40(TC、微波功率為 1500W，開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，控制微波放電時間在10秒可澱積出厚度為100埃的SiC碳 膜。
第四步，在SiC上澱積氟化非晶碳薄膜。
1. 關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥，分別打開碳氟氣體與碳氫氣體所在氣 路並關閉其它氣路，使碳氟氣體與碳氫氣體同時流入混氣罐中混合5秒以上後通入 工藝室中，該碳氟氣體選用C4F8,氣體流量為120sccm，該碳氫氣體選為C2H2，氣 體流量為6sccm，工藝室壓力為lPa。
2. 設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘，澱積溫度為25(TC、微波功率為 1600W，開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，利用電子迴旋共振效應吸收的微波源能量對混合後的碳氟氣 體和碳氫氣體進行分解，並將電離分解後所產生的活性帶電粒子通過永磁磁場的作 用輸運到襯底表面，控制微波放電時間在1分鐘可澱積出厚度為1500埃的氟化非晶 碳膜。
第五步，在氟化非晶碳膜上澱積SiN薄膜。
1. 關閉混氣罐與工藝室連接處的電磁閥308，分別打開SiH4氣體、N2氣、Ar 氣所在氣路並關閉其它氣路，使SiH4、 N2、 Ar氣體分別以5sccm、 10sccm和 100sccm的流量流入混氣罐中並混合5秒以上並通入工藝室中，工藝室壓力為1Pa;
2. 設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘、澱積溫度為5(TC、微波功率為 1200W，開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，控制微波放電時間在10秒可澱積出厚度為100埃的SiN碳 膜。
第六步，淨化工藝室。
當澱積完成後，關閉源氣體，通入氮氣對管道和工藝室23進行淨化。 2.設定樣品臺旋轉速率為60轉每分鐘、澱積溫度為50°C、微波功率為 1200W，開啟旋轉控制使襯底勻速轉動，開啟微波源將微波能量饋送到ECR等離子 體源中產生等離子體，控制微波放電時間在10秒可澱積出厚度為100埃的SiN碳 膜。
第六步，淨化工藝室。
當澱積完成後，關閉源氣體，通入氮氣對管道和工藝室23進行淨化。 '用本實施例4、 5、 6製作的氟化非晶碳膜結構如圖6，其中，401為Si襯底， 402為氟化非晶碳膜層，403為氮化矽膜層。
用本實施例4、 5、 6製作的氟化非晶碳膜結構如圖7， 501為Si襯底，502為碳 化矽膜層，503為氟化非晶碳膜層，504為氮化矽膜層。
本發明的效果可以通過以下測試結果進一步說明
參照圖8，本發明測試了不同工藝條件下氟化非晶碳膜的澱積速率。其中，601 為澱積速率隨氣體總流量的變化關係，602為澱積速率隨氣體流量比的變化關係。從 圖8中可以看出，氟化非晶碳膜的澱積速率隨氣體流量比和氣體總流量的增大而上 升；澱積速率在測試範圍內最大值超過200nm/min，並且可以通過增大氣體流量比 或者氣體總流量進一步提高。
參照圖9，本發明測試了採用不同技術方案後低介電常數介質層的熱穩定性。其 中，701為採用技術方案1製作的低介電常數介質層熱穩定性測試結果，702為釆用 技術方案2製作的低介電常數介質層熱穩定性測試結果，703為釆用技術方案3製作 的低介電常數介質層熱穩定性測試結果。從圖9中可以看出，各低介電常數介質層 在400'C退火後薄膜厚度變化均小於5%，因此熱穩定性高於400°C;採用技術方案 2和3製作的低介電常數介質層的熱穩定性能接近，均略高於採用技術方案1製作的 低介電常數介質層。
參照圖10，本發明測試了不同工藝條件下製作的氟化非晶碳膜的介電常數值。 從圖IO中可以看出，氟化非晶碳膜的介電常數值隨氣體流量比的減小而減小，在測 試範圍內介電常數最小值接近2.1，最大值低於2.35，屬於超低介電常數範圍。
權利要求
1.一種等離子體化學汽相澱積氟化非晶碳膜的方法，包括如下過程將襯底清洗後放在工藝室，並對工藝室抽真空；將輔助性碳氫源氣體與碳氟源氣體相混合後通入工藝室；利用電子迴旋共振效應吸收的微波源能量對混合後的碳氫源氣體和碳氟源氣體進行電離分解，並將電離分解後所產生的活性帶電粒子通過永磁磁場的作用輸運到襯底表面，按如下工藝條件在襯底上澱積氟化非晶碳膜工藝室壓力0.1Pa～5Pa；微波功率600W～2000W；澱積溫度30℃～300℃範圍；碳氫源氣體的流量5～10sccm；碳氟源氣體的流量50～200sccm；襯底以圓心為轉軸旋轉，旋轉速率保持為60轉/分鐘；獲得600埃到2200埃的單層氟化非晶碳膜。
2. —種等離子體化學汽相澱積氟化非晶碳膜的方法，包括如下過程-將Si襯底清洗後放在工藝室；在Si襯底上按如下條件生長氟化非晶碳膜 工藝室壓力0.1Pa 5Pa; 微波功率1000W 2000W; 澱積溫度20(TC 300。C; C2H2流量:5 10sccm; C4Fg流量50 200sccm;襯底以圓心為轉軸旋轉，旋轉速率保持為60轉/分鐘；獲得800埃到2200埃的氟化非晶碳膜。 在a-C:F層上按如下條件生長SiN薄膜 工藝室壓力1Pa;微波功率1200W; 澱積溫度5(TC;SiH4源氣體的流量5sccm; N2氣體的流量10sccm; Ar氣體流量100sccm; 澱積時間10秒；襯底以圓心為轉軸旋轉，旋轉速率保持為60轉/分鐘； 獲得100埃的SiN膜。
3. —種等離子體化學汽相澱積氟化非晶碳膜的方法，包括如下過程-將Si襯底清洗後放在工藝室；在Si襯底上按如下條件澱積碳化矽薄膜工藝室壓力lPa;微波功率1500W;澱積溫度400°C;Ar氣體的流量100sccm; CH4的流量50sccm; SiH4的流量5sccm;澱積時間10秒；襯底以圓心為轉軸旋轉，旋轉速率保持為60轉/分鐘； 獲得100埃的碳化矽膜層； 在碳化矽膜層上按如下條件生長氟化非晶碳膜工藝室壓力0.1Pa 5Pa;微波功率1000W-2000W;澱積溫度200°C~300°C;C2PV流量5 10sCCm;C4F8流量50 200 sccm;襯底以圓心為轉軸旋轉，旋轉速率保持為60轉/分鐘； 獲得800埃到2200埃的氟化非晶碳膜； 在氟化非晶碳層上按如下條件生長SiN薄膜 工藝室壓力1Pa; 微波功率1200W: 澱積溫度50。C: SiH4源氣體的流量5sccm;N2氣體的流量IOSCCIII;Ar氣體流量100sccm; 澱積時間10秒；襯底以圓心為轉軸旋轉，旋轉速率保持為60轉/分鐘； 獲得100埃的SiN膜。
4. 用權利要求2方法獲得的氟化非晶碳膜層結構，包括襯底、氟化非晶碳， 其特徵在於在氟化非晶碳上設有一層氮化矽。
5. 用權利要求3獲得的氟化非晶碳膜層結構包括襯底、氟化非晶碳，其特 徵在於在Si襯底和氟化非晶碳層之間設有一層SiC膜層，在氟化非晶碳上設有 一層氮化矽。
6. 根據權利要求1所述的澱積氟化非晶碳膜的方法，其特徵在於襯底採用 Si或者石英或者NaCl片。
7. 根據權利要求1所述的澱積氟化非晶碳膜的方法，其特徵在於碳氟源氣 體為C4F8或C2F4，碳氫源氣體為C2H2或CH4。
全文摘要
本發明公開了一種電子迴旋共振等離子體化學汽相澱積氟化非晶碳膜的方法及膜層結構，其方法是在澱積室中的多種襯底上用碳氫和碳氟源氣體作為前驅氣體澱積氟化非晶碳膜，利用電子迴旋共振效應吸收微波能量分解前驅氣體，並在襯底上形成介電常數低、熱穩定性好的氟化非晶碳薄膜，具體過程為襯底清洗並放入工藝室；對工藝室抽真空；通入混合氣體；在襯底上澱積氟化非晶碳薄膜；淨化工藝室。其中，在澱積氟化非晶碳膜前後，可在同一設備中選擇澱積碳化矽膜粘附薄層和氮化矽膜覆蓋薄層形成多層低介電常數介質結構。本發明具有熱穩定性好、介電常數較低、澱積速率高的優點，可用於集成電路互連或者某些光學器件的製造。
文檔編號C23C16/30GK101109077SQ200710018519
公開日2008年1月23日 申請日期2007年8月21日 優先權日2007年8月21日
發明者吳振宇, 李躍進, 楊銀堂, 汪家友 申請人:西安電子科技大學