ИСТИНА

Нанопористые диэлектрические материалы с ультранизкой диэлектрической постоянной (ultra low-k, ULK) используются в качестве межслойных диэлектриков в современных микрочипах. Эти материалы выполняют функции изоляторов при многослойной разводке проводников, соединяющих между собой активные и пассивные элементы микрочипа, сформированные на поверхности кремниевой подложки. Диэлектрическая постоянная этих материалов имеет величину порядка 2.0, то есть ниже диэлектрической постоянной диоксида кремния (3.9), являвшегося типовым межслойным диэлектриком в микроэлектронной индустрии на протяжении последних десятилетий. Уменьшение диэлектрической постоянной является вынужденной мерой, так как при уменьшении размеров характерных элементов микросхем ниже 32 нм межпроводниковая емкость возрастает настолько, что эффектами взаимовлияния проводников и мощностных потерь уже нельзя пренебречь. Также снижение диэлектрической постоянной позволяет повысить скорость распространения сигналов в проводниках, соединяющих элементы микрочипа, а, следовательно, повысить тактовую частоту его работы. Большинство нанопористых диэлектриков, предлагаемых для интеграции в существующие технологические процессы производства микросхем, основаны на пористом диоксиде кремния с внедренными углерод-водородными радикалами. Такие материалы называются SiOCH материалами. Вследствие пористости и низкой поляризуемости химических связей Si-C по сравнению со связями Si-O диэлектрическая постоянная таких материалов может быть значительно ниже диэлектрической постоянной диоксида кремния. Одной из ключевых проблем, возникающих при интеграции материалов с ультранизкой диэлектрической постоянной в существующие технологические процессы производства микросхем, является их повреждение при обработке в плазме. Плазменная обработка является основным механизмом формирования структур на поверхности кремниевой подложки. Процессы плазменной обработки, в частности, включают в себя травление структур на поверхности кремния, металлов и диэлектриков, напыление металлов и диэлектриков на поверхность подложки, а также удаление остаточного слоя фоторезиста по завершении литографического процесса. Из-за пористости материалов с ультранизкой диэлектрической постоянной, а также из-за присутствия органических радикалов в их составе реакции с химически активными радикалами в плазме (такими как атомы кислорода и фтора) могут модифицировать внутреннюю структуру диэлектрика, создать адсорбционные сайты на поверхности пор, которые впоследствии могут быть заняты гидроксильными группами, что сильно увеличит диэлектрическую постоянную материала. Предотвращение повреждения ultra low-k материалов при плазменной обработке либо путем модификации существующих технологий травления или путем предобработки нанопористых диэлектрических пленок перед этапом травления является необходимым шагом для успешного внедрения данных материалов в технологический процесс производства современных микросхем. Для создания технологий минимизации повреждения нанопористых диэлектрических пленок при плазменной обработке требуется детальное изучение механизма повреждения данных материалов в плазме. Необходимо раздельное изучение влияния химически-активных радикалов, ультрафиолетовых фотонов и плазменных ионов на поверхностную и объемную структуру и свойства low-k пленок. Для оценки предполагаемой степени повреждения материала в данных разрядных условиях необходимо получение констант протекающих химических реакций. Также, поскольку весомый вклад в повреждение low-k диэлектриков в плазме могут вносить фотон стимулированные процессы, требуется изучение синергетических эффектов при совместном воздействии ионов, фотонов и химически активных радикалов в плазме на нанопористые диэлектрические пленки.

В ходе выполнения первого этапа работы были проведены исследования воздействия УФ излучения и химически активных радикалов на нанопористые диэлектрические пленки. Были разработаны модели радикального и фото-стимулированного радикального механизмов разрушения ULK пленок. Для разных длин волн излучения получены значения фундаментальных параметров – сечений фотопоглощения и квантового выхода фотодисоциации Si-CH3, являющиеся новой и чрезвычайно важной информацией для понимания взаимодействия излучения с ULK пленками и механизмов их радиационного повреждения. Показано, что самым разрушительным для ULK пленок является излучение ксенона (147 нм), для которого сечения фотопоглощения и фотодиссоциации примерно в 3 раза меньше, чем соответствующие сечения для излучения Ar (106 нм) и Не (58 нм), т.е. излучение Хе (147 нм) разрушает меньше Si-CH3 связей на один фотон, но зато проникает значительно глубже в ULK пленки. Получено, что излучение Ar (106 нм) и Не (58 нм) проникает на меньшую глубину в ULK пленки из-за большого сечений фотопоглощения PA. Было обнаружено, что наиболее далеко в пленки проникает EUV излучение из-за наименьшего сечения фотопоглощения, но EUV излучение не является самым эффективным и разрушающим из-за малых сечений и квантового выхода фотодиссоциации. Разработанная Монте-Карловская модель поведения атомов в порах с их гибелью в реакциях рекомбинации и травления СН3 групп позволила получить теоретическую динамику разрушения Si-CH3 групп в ULK пленках, хорошо аппроксимирующую экспериментальную динамику. Проведено исследование воздействия жесткого EUV 13.5 нм излучения на нанопористые ULK материалы, перспективные в качестве межслойного диэлектрика в СБИС технологии поколения < 22 нм. Показано, что заметная модификация (деградация) ULK материалов происходит только при достаточно высокой дозе EUV фотонов > 1018 фот/см2. Наиболее резистивным к воздействию EUV излучения является органический ULK материал, в то время как скорость деградации ULK материалов на основе органосиликатного стекла, т.е. SiOCH пленок существенно выше. Это связано с тем, что в SiOCH пленках энергия EUV фотона, поглощенного O-Si-O матрицей, легче трансформируется на Si-CH3 связях, что приводит к их разрыву. Но требуемая в EUV литографии доза фотонов значительно меньше 1018 фот/см2, так что ожидаемая степень модификации ULK межслойного диэлектрика в EUV литографе минимальна. Показано, что деградация ULK материалов при воздействии атомов F и радикалов CxFy исследована во фторуглеродной плазме в полимер-необразующих смесях «богатых» атомарным фтором и в и полимер-образующих смесях «бедных» атомами F и «богатых» радикалами CxFy. Деградация ULK пленок изучалась по степени их деметилизации и гидрофилизации. Степень деградации ULK материала в плазме полимер-необразующих фторуглеродов снижается с ростом скорости его травления. Это связано с тем, что дефектный слой травится в данных смесях быстрее. В плазме полимер-образующих смесей травление происходит за счет реакций на границе с образующейся на поверхности фторуглеродной полимерной пленкой, что приводит к меньшей степени деградации ULK материала при той же скорости травления. Таким образом, для минимизации модификации и деградации ULK материалов при плазменном анизотропном травлении предпочтительнее использовать полимер-образующие фторуглеродные смеси. В ходе выполнения второго этапа работы было проведено исследование влияния различных аспектов плазменного воздействия на модификацию нанопористых диэлектрических пленок. Исследования, проведенные в ДЧ разряде, позволили изучить воздействие ионов на low-k материалы при изменении энергии ионов при заданном потоке ионов. Показано, что при низкой энергии ионов порядка 20-40 эВ не происходит модификации Si-O-Si структуры. Показано, что увеличение энергии ионов приводит к распылению и разрушению поверхностного слоя. Это приводит к образованию дефектов на поверхности пленки, что ведет к ее ускоренной деградации. Исследован механизм процессов модификации и травления ULK пленок в послесвечении фторуглеродной плазмы. Было обнаружено существенное отличие механизма травления атомарным фтором нанопористых ULK SiOCH материалов от травления плотного непористого SiO2 материала. Предложен механизм травления, который включает три стадии: реакции экстракции атомов водорода с заменой на атомы фтора в метильном покрове внутренней поверхности пор; образование фторуглеродного слоя на поверхности пор; образование фторуглеродного SixOyCzFp слоя на поверхности пор и собственно травление ULK SiOCH пленки с образование летучих продуктов (SiF4, CO2 и т.п.). Показано, что скорость травления зависит от структуры и пористости пленки. Показано, что дефекты на стенках тренчей в органической ULK пленке могут быть «запечатаны» за счет бомбардировки боковой поверхности жесткими ВУФ фотонами и энергичными ионами путем оптимального выбора условий и параметров ДЧ ССР плазмы. Показано, что «запечатывание» дефектов на боковой поверхности происходит по тому же механизму, как и образование плотного карбонизированного слоя на чистой поверхности органической ULK пленки экспонируемой в плазме. Воздействие ВУФ излучения и ионов ведет к удалению углеводородных связей и образованию углеродных «cross-link» связей, т.е. к образованию плотного карбонизированного слоя на поверхности. Проведены исследования бездефектного криогенного травления SiOCH ULK пленок во фторуглеродной плазме. Показано, что при плазменном травлении с понижением температуры ULK пленки ниже -100 ºС происходит скачкообразное уменьшение уровня дефектов как на дне, так и на боковой поверхности тренчей за счет образования пассивирующего SixOyFz слоя на поверхности.