CHF3雙頻電容耦合放電等離子體特性研究*

胡佳 徐軼 君葉超

(蘇州大學物理科學與技術學院，江蘇省薄膜材料重點實驗室，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?

(蘇州大學物理科學與技術學院，江蘇省薄膜材料重點實驗室，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的等離子體性質.發(fā)現(xiàn)2 MHz低頻源功率的增大主要導致F基團密度的增大;而高頻頻率從13.56，27.12增大到60 MHz，導致CF2基團的密度增大和電極之間F基團密度的軸向空間不均勻性增加.根據電子溫度的分布規(guī)律及離子能量隨高頻源頻率的變化關系，提出CF2基團的產生主要通過電子-中性氣體碰撞，而F基團的產生是離子-中性氣體碰撞的結果.

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，導致互連線之間阻容(RC)耦合增大，使信號傳送延時、干擾噪聲增強和功率耗散增大，器件工作頻率的提高受到限制.為了解決這些問題，采用多孔SiCOH低介電常數材料(低k材料)取代SiO2介質來降低層間、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，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，薄膜的刻蝕率會隨著薄膜密度的降低而增大，導致刻蝕表面粗糙度增大、側向微枝結構的形成和刻蝕深度發(fā)生改變，結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，刻蝕機理與采用碳氟等離子體刻蝕硅的機理相近，F(xiàn)原子是刻蝕SiCOH的有效刻蝕劑，因此反應等離子體中基團的控制是刻蝕SiCOH薄膜的關鍵［3—5］.

等離子體刻蝕已成為重要的介質刻蝕技術［6—9］.為了控制反應等離子體中基團的形成，近年來，采用高頻或甚高頻功率源控制等離子體的產生、采用低頻功率源來調制到達被刻蝕薄膜表面粒子能量的雙頻等離子體技術，正發(fā)展成為低k材料刻蝕的有力工具［10，11］.為了實現(xiàn)等離子體密度和能量的獨立調控，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，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］，而對刻蝕氣體的雙頻放電等離子體性質，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)，開展了SiCOH低k材料的刻蝕研究.發(fā)現(xiàn)在適當的高頻、低頻功率下，可以實現(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材料的可控刻蝕機理，本文進一步研究了CHF3氣體的雙頻電容耦合放電等離子體性質.

2. 實驗方法

實驗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)結構示意圖.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的功率信號來產生等離子體，施加的功率根據SiCOH低k薄膜刻蝕所滿足的條件確定.下電極施加2 MHz的功率信號來調節(jié)離子能量，功率在10—40 W之間.實驗時，DF-CCP系統(tǒng)的真空用渦輪分子泵真空機組獲得，本底真空度為10－4Pa，工作時的真空度為50 Pa.用CHF3(純度99.999%)作為放電氣體，用質量流量計調節(jié)進氣流量，實驗時流量控制為10 ml/min.

用發(fā)射光譜測定CHF3放電等離子體中不同軸向空間位置的F，CF2基團的密度和等離子體電子溫度.測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的相對密度，實驗添加了5%的Ar作為標定氣體，采用Ar的750.4nm激發(fā)譜線作為標定譜線.由于Ar的添加量較小，Ar的添加對放電等離子體的影響可以忽略.根據發(fā)射光譜中F，CF2基團發(fā)射譜線的相對強度Ix和Ar發(fā)射譜線的相對強度IAr，由下式計算等離子體中F，CF2基團的相對密度:

由于CHF3等離子體的反應性和可能的薄膜沉積，為避免采用Langmuir探針測量電子溫度帶來的較大誤差，實驗采用光譜測溫技術測定了等離子體的電子溫度.根據發(fā)射光譜中Hα(656.3nm)和Hβ(486.1nm)譜線的強度，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)射光強度、gi為統(tǒng)計權重、λi為發(fā)射光的波長、Ai為自發(fā)輻射的Einstein系數，對于H發(fā)射譜線，這些量可以從文獻［19］中查得，如表1所示.

表1 用于電子激發(fā)溫度計算的發(fā)射譜線參數

圖1 雙頻電容耦合放電等離子體系統(tǒng)示意圖

3. 實驗結果與討論

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，CHF3放電分解形成的主要基團為CF2(220.0—280.0nm)，Hα(656.3nm)，Hβ(486.1nm)和F(703.7nm).根據F，CF2基團發(fā)射譜線的相對強度Ix和Ar發(fā)射譜線的相對強度IAr，由(1)式得到等離子體中F，CF2基團的相對密度，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雙頻放電時等離子體中F和CF2基團的相對密度隨2 MHz功率的變化關系，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，隨著2 MHz功率的增大，CF2相對密度的變化非常小，在A位置，CF2相對密度在0.040(10 W)—0.041(40 W)之間.而F相對密度隨2 MHz功率的增大呈線性增大，A，B位置的F相對密度基本相同，在0.031(10 W)—0.084(40 W)之間;C位置的相對密度略低，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基團相對密度

圖4為27.12 MHz/2 MHz雙頻放電時等離子體中F，CF2基團的密度隨2 MHz功率的變化關系，其中27.12 MHz源的功率為200 W.由圖可見，隨著2 MHz功率的增大，CF2相對密度的變化仍比較小，在A位置，CF2相對密度在0.039(10 W)—0.042 (40 W)之間.F相對密度隨2 MHz功率的增大仍呈增大趨勢，但A，B位置的F密度不再相同.A位置的F相對密度在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時高頻功率下降到200 W，但A位置(40W)的CF2基團密度卻基本相同，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基團相對密度

圖5為60 MHz/2 MHz雙頻放電時等離子體中F、CF2基團的相對密度隨2 MHz功率的變化關系，其中60 MHz源的功率為165 W.由圖5可見，隨著2 MHz功率的增大，CF2相對密度呈略減小趨勢，在A位置，CF2相對密度從0.092(10 W)減小到0.077(40 W).F相對密度仍然呈增大趨勢，A位置的F相對密度在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一步增大.與13.56 MHz/2 MHz，27.12 MHz/2 MHz的結果相比，CF2相對密度有較大提高.

根據上述實驗結果，對于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功率主要導致F基團密度的增大，而將上電極功率源的信號頻率從13.56，27.12增大到60 MHz，則導致CF2基團的密度增大和電極之間F基團密度的軸向空間不均勻性增加.

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

圖5 60MHz/2 MHz DF-CCP等離子體中F，CF2基團相對密度

其中ΔH為分解反應的反應熱，是反應進行所需的能量.由于各反應所需能量的差異，F(xiàn)，CF2基團的相對密度應該決定于等離子體的電子溫度.圖6為計算獲得的等離子體電子溫度分布，由圖6可見在13.56 MHz/2 MHz雙頻放電時，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，接近一個常數.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基團密度分布與電子溫度的分布相比較，可見CF2基團的密度與電子溫度的分布是相關的，即隨著頻率的增大，電子溫度在降低，而CF2基團的密度在增大，由于產生CF2基團的反應(3)反應熱較低，電子溫度的降低有利于提高反應(3)的概率，使CF2基團密度增大，因此CF2基團的產生主要是電子-中性氣體碰撞的結果.但是，F(xiàn)基團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，但F的密度卻在增大，并且當高頻率下電子溫度的空間分布差異非常小時，F(xiàn)密度的空間分布差異卻在增大，因此F的主要產生機理不應是電子-中性氣體碰撞過程所致.

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理.在高頻頻率升高和低頻功率增大對等離子體特性影響的研究工作中，Lee等［21—23］發(fā)現(xiàn)頻率的升高可以導致離子能量分布函數向高能端飄移，Huang等［24］發(fā)現(xiàn)低頻功率的增大可以導致高能離子數目的增加，Li等［25］從實驗上證實低頻功率的增大可以導致離子能量的增大，因此，高頻頻率的升高和低頻功率增大所致的F基團密度的增大與離子能量的增大有關，是離子-中性氣體碰撞概率增大的結果.

4. 結論

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的等離子體性質.實驗發(fā)現(xiàn)2 MHz功率的增大主要導致F基團密度的增大，而高頻頻率從13.56，27.12增大到60 MHz，導致CF2基團的密度增大和電極之間F基團密度的軸向空間不均勻性增加.根據電子溫度的分布規(guī)律和離子能量隨高頻源頻率的變化關系，CF2基團的產生主要是通過電子-中性氣體碰撞過程，而F基團的產生是離子-中性氣體碰撞的結果.

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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

*國家自然科學基金(批準號:10575074，10975105，10635010)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:cye@suda.edu.cn