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SiOC:H 上時,反射率對厚度的變化

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第五章 電極的設計與增進量子效率的方法

F- SiOC:H 上時,反射率對厚度的變化

5000 Å

3000 Å

F-Sioc:H

Al

正面利用Shadow Mask 鍍 Al

Al

Si

F-SiOC:H

5000 Å

Al

3000Å

正面利用Shadow Mask 鍍 Al extinction coefficient

= 0.12~0.42

O1s extinction coefficient =0

extinction coefficient

= 0.12~0.42

1cm

圖 3-27 利用 Shadow mask 鍍上 Al 之後的 F-SiOC:H 圖 3-26 Shadow mask 的照片 1 cm

-15 -10 -5 0 5 10 15 6.20E-011

6.30E-011 6.40E-011 6.50E-011 6.60E-011 6.70E-011 6.80E-011 6.90E-011 7.00E-011 7.10E-011

Double layer K=3.09 Single layer K=3.03

Vgs(V)

Ch(F)

圖 3-28 製作成電極再利用 590 CV analyzer 量測出的 CV 曲線,但是 沒有通入CF4(Double layer K=3.09,Single layer K=3.03 )

圖 3-29 製作成電極再利用590 CV analyzer 量測出的CV曲線。

Single layer: 膜厚=5221Å , 量測面積=5*10-3cm, C=23.75 pF , K=2.81(1MHz) Double layers:膜厚=5860Å , 量測面積=5*10-3cm, C=22.58 pF , K=2.98 (1MHz)

-15 -10 -5 0 5 10 15

20.5 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0

Ch(pF)

Vgs(V)

Double layer_ K=2.98 Single layer _ K=2.81

而由上頁的CV curve我們可以看到當我們在量測CV curve時,量

測電壓由負電壓要轉為正電壓時,電容值會開始隨著正電壓的增加而

迅速的下降,這是因為當量測電壓為負時,會在我們的F-SiOC:H下方

產生出正電離子,而我們的Si substrate本身是P type的,所以這樣整體

看起來,在量測電壓為負時,我們整個正在量測的電容,相當於只有

一顆平行板電容。但是,當我們量測電壓為正時,我們在F-SiOC:H

下方卻會產生出負電離子,同時我們的P-type substrate會因負電離子

存在而會產生一額外的空乏電容,所以整體來看就相當於是有兩顆平 行板電容串聯在一起,而電容在串聯時,其電容值則會有串連越多電

容值反而越小的現象。這就是為什麼CV curve會在量測電壓由負電壓

轉為正電壓時,電容值會變小的原因。其示意圖如(圖 3-30)所示:

- - - - - - - + + + + + + +

圖 3-30 CV curve量測結果解釋示意圖

F-SiOC:H F-SiOC:H

Hg probe/590 CV analyzer _bias voltage

+ + + + + + + +

P- type Sub

- - - - - - -

┴ Another Extra

┬ Depletion Cap P- type Sub

3-3.3 F-SiOC:H 光學特性分析

在不同條件下沉積氣體比例下,沉積F-SiOC:H薄其膜折射率和消 光係數還有薄膜的厚度,用薄膜測厚儀(n&k analyzer)量測,折射率 結果如(圖 3-31 )所示是改變 CF4 流量對折射率的影響,我們可以看到 基本上當CF4氣體流量增加時,折射率(n)值會有下降的趨勢,而 CF4

氣體流量為5sccm 時,折射率曲線異常,可能是因為 process chamber

中的CF4流量過低,造成F 摻雜到我們 low K 薄膜的含量不足,所造 成的結果。而(圖 3-32 )所示則是比較單層和雙層 F-SiOC:H 在折射率

2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0

1 .5 2 1 .5 4 1 .5 6 1 .5 8 1 .6 0 1 .6 2 1 .6 4 1 .6 6 1 .6 8 1 .7 0 1 .7 2 1 .7 4 1 .7 6 1 .7 8 1 .8 0 1 .8 2 1 .8 4

Refractive Index (n)

W a v e le n g th (n m )

C F4 5 s c c m C F4 1 0 s c c m C F4 2 0 s c c m C F4 4 0 s c c m

圖3-31 固定z3ms和O2流量,改變不同的CF4流量得到不同 F-SiOC:H的折射率

和消光係數的差別;雙層F-SiOC:H 的折射率和消光係數都比單層 F-SiOC:H 要來的低,可能是因為雙層 F-SiOC:H 的第二層部分含有很 高的氧成分,雖然第二層的薄膜還是F-SiOC:H,但是由於第二層沉 積時氧的氣體流量為CF4的十倍,也因此造成了此層的n、k 值都和 SiO2很接近,也就使得雙層的F-SiOC:H 所量測出來的整體 n、k 值都 比單層的F-SiOC:H 來的低。而 190 到 900nm 波段的消光係數除了在 短波長 190~400nm 那段波長有值之外,400nm 之後的波長其消光係 數都趨近為 0,而在 193nm 的時候,當消光係數介於 0.2~0.6 之間的

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

n&k

Wavelength(nm)

Single layer-n Single layer-k Double layer-n Double layer-k

圖 3-32 單層和雙層的 F-SiOC:H 薄膜的折射率和吸收係數比較

時候,是很適合當做底部抗反射層來使用的。而如(圖 3-33)。當消光 係數隨著 O2/Z3ms 的比值變大,消光係數則由 0.42 左右,下降到 0.12,隨著氧氣含量的增加,消光係數也隨之降低;而折射率則有隨 著O2/Z3ms 的比值變大,而逐漸增加的趨勢。當消光係數介於 0.2~0.6 之間的時候,是很適合當做底部抗反射層來使用的。如(圖 3-34)所示 是改變CF4 流量對消光係數的影響,基本上改變 CF4對消光係數的影 響有限,此圖中的黑線-當 CF4流量為5 sccm 時,消光係數降的較低,

應該是在製程時有Defect 跑進了薄膜裡,所造成的缺陷影響。

1/8 1/4 1/2 1

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Refractive Index Extinction Coefficient

O

2

/ Z3MS

Refractive Index

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

Extinction Coefficient

圖 3-33 改變O2/z3ms的氣體流量比值,折射率和吸收係數的變化

而我們的 F-SiOC:H 薄膜應用在金 屬 間 的 低 介 電 常 數 隔 絕 材 料 使 用 時 , 其 結 構 示 意 圖 如( 圖 3-35) 所 示 , 而單層和雙層的 F-SiOC:H 主要的差別是在於對於 193nm 反射率頻譜的差別,其中第 二 層 F-SiOC:H 是當做破壞性干涉層使用,可以用來降低兩層 F-SiOC:H 介電層薄膜合在一起時的整體反射率,從(圖 3-36)和(圖 3-37)可看出模擬出來的反射率可以從只有單層時的 9%左右,降低到 雙層合在一起時的 1%。接下來我們用光學薄膜理論模擬出來的最佳 化第二 F-SiOC:H 薄膜厚度,並且實際去用 HDPCVD 來沉積出相似 厚度的第二層F-SiOC:H,再用薄膜測厚儀(n&k analyzer)量測出實驗 出來的反射頻譜,如(圖 3-38)所示,在單層 F-SiOC:H 時,反射率大 約在10%左右,而加上一層破壞性干涉層後,雙層反射率落在 1%左 右,將此圖結果來和用光學薄膜理論模擬出來的結果加以比較,發現 模擬和實驗的反射頻譜是十分接近的,都能讓兩層 F-SiOC:H 的反射 率降到1%。

200 400 600 800 1000 0.00

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26

CF4 5 sccm CF4 10 sccm CF4 20 sccm CF4 40 sccm

Extinction coefficient (k)

W avelength(nm)

圖3-34 固定 Z3ms 和 O2流量,改變不同的CF4流量得到不同的 F-SiOC:H 吸收係數

200 220 240 260 280 300 2

4 6 8 10 12 14

Reflectance(%)

Wavelength(nm)

圖 3-36 只有單層時的 F-SiOC:H 的反射頻譜圖 R(%)

180 200 220 240 260 280 300

0 2 4 6 8 10 12

Reflectance(%)

Wavelength(nm)

圖 3-37 用光學薄膜理論模擬對第二層 F-SiOC:H 做厚度最佳化

在量測完薄膜測厚儀(n&k analyzer)量測後,接著我們利用真空紫 外 光 譜 儀(Action Research 530 MAIN ST ACTON,MA) 來 量 測 出 157nm 和 193nm 波段,不同角度入射到我們的 F-SiOC:H,再由所得 到的反射率數值,如(表 3-5 )到(表 3-8)所示,並且將 n&k analyzer 所得知的 F-SiOC:H 的膜厚,輸入可能的折射率和吸收係數的範圍,

輸入到可模擬多角度斜向入射的程式中。一次可輸入五組斜向入射的 角度以及所得的反射率、膜厚等數據;最後利用五組曲線的交彙點,

來決定出可能的折射率(n)和吸收係數(k),如(圖 3-39)到(圖 3-43)所

190 200 210 220 230 240 250

0 10 20 30 40 50 60 70

Reflectance(%)

Wavelength(nm)

Si

Single layer Double layer

圖 3-38 矽基版和加上單層以及雙層的F-SiOC:H當作底部抗反

射塗佈層在短波長的反射頻譜比較

我們直接將可能的折射率和吸收係數標明於圖形的下方中。

表 3-5 真空紫外光譜儀量測單層F-SiOC:H 157nm的斜向入射 反射率

Incident angle 20° 30° 40° 50°

Si

measured 70.48% 69.48% 70.30% 72.9%

3ms/O2

4/1 10.73% 11.02% 10.94% 11.14%

3ms/O2

2/1 11.27% 11.38% 11.86% 11.53%

3ms/O2

8/1 9.53% 9.75% 9.96% 9.77%

3ms/O2

3/1 10.17% 9.70% 9.81% 9.77%

表 3-6 利用真空紫外光譜儀量測單層F-SiOC:H 193nm的斜向入射 反射率

Incident angle

20° 30° 40° 50°

Si measured 76.26% 76.86% 75.99% 74.38%

3ms/O2

4/1 13.73% 13.52% 13.90% 13.62%

3ms/O2

2/1 13.33% 13.03% 13.14% 12.94%

3ms/O2

8/1 11.81% 11.64% 11.86% 11.72%

3ms/O2

3/1 14.37% 14.74% 15.28% 15.39%

表 3-7 利用真空紫外光譜儀量測雙層 F-SiOC:H 157nm 的斜向

入射反射率 incident:

angle 20° 30° 40° 50°

Si

(simulate) 69.119% 69.152% 69.284% 69.719%

Si

measured 71.48% 71.48% 71.30% 75.9%

3ms/O2

8/1 3.14 % 3.20 % 3.49 % 4.84 %

3ms/O2

4/1 2.94% 2.98 % 3.21 % 4.59 %

表 3-8 利用真空紫外光譜儀量測雙層F-SiOC:H 193nm的斜向入射 反射率

incident:

angle 20° 30° 40° 50°

Si

(simulate) 69.119% 69.152% 69.284% 69.719%

Si measured

87.97% 89.48% 85.67% 84.69%

3ms/O2

8/1 4.87 % 5.15 % 5.25 % 6.02 %

3ms/O2

4/1 4.54% 4.77 % 4.81 % 5.69 %

圖 3-39 用多角度入射模擬出單層結構時在157nm的折射率和消光係數 (n=>1.6 , k=>0.15)

圖 3-40 用多角度入射模擬出雙層結構在 157nm 時的折射率和消光係數 (n=>1.37 ,k=>0.25~0.3)

圖 3-41 用多角度入射模擬出 157nm 時,第二層破壞性干涉層的折射率和消光 係數(n=>1.5~1.6,k=>0~0.2)

圖 3-42 用多角度入射模擬出 193nm 單層結構時的折射率和消光係數 (n=>1.83~1.95,k=>0.15~0.3 )

圖 3-43 用多角度入射模擬出 193nm 雙層結構時的折射率和消光係數 (n=>1.5,k=>0.12)

利用後段常壓退火爐管,完成退火處理後,我們再次使用薄膜測 厚儀(n&k analyzer),來觀察退火處理之後,如(圖 3-44)到(圖 3-47)為 退火後,改變氣體流量比和製程時間下,比較退火前後反射率頻譜的 變化情形;而(圖 3-48)到(圖 3-51)則是改變流量比和製程時間下,比 較退火前後折射率、消光係數的變化情形。而單層和雙層的 F-SiOC:H 折射率、消光係數的變化情形,如(圖 3-52)。如(圖 3-53)為退火處理 之後反射率頻譜的變化情形,由於我們在後段製程專用的 low K 常壓 退火爐管進行退火的動作,雖然在退火的爐管內我們通氮氣來清除並 降低管內的水氣,但是因為是常壓爐管,所以爐管內多少還有氧氣的 含量,這也是為什麼退火後的反射頻譜震盪會增加,而折射率還有消

圖 3-44 退火處理之前和退火處理之後,雙層F-SiOC:H薄膜

3ms:O2=4:1的反射頻譜比較

190 200 210 220 230 240 250

0 10 20 30 40 50 60

Reflectance(%)

Wavelength(nm)

3ms:O2 8:1 100s 3ms:O2 8:1 Annealing

圖 3-45 退火處理之前和退火處理之後,雙層F-SiOC:H薄膜

3ms:O2=8:1的反射頻譜比較

190 200 210 220 230 240 250

0 10 20 30 40 50 60

Reflectance(%)

Wavelength(nm)

3ms:O2 4:1 100s 3ms:O

2 4:1 Annealing

圖 3-46 退火處理之前和退火處理之後,單層F-SiOC:H薄膜

3ms:O2=4:1的反射頻譜比較

圖 3-47 退火處理之前和退火處理之後,單層F-SiOC:H薄膜

190 200 210 220 230 240 250

0 10 20 30 40 50 60

3ms:O

2 8:1 145s After annealing

Reflectance(%)

Wavelength(nm)

190 200 210 220 230 240 250

0 10 20 30 40 50 60

3ms:O2 4:1 145s After annealing

Reflectance(%)

Wavelength(nm)

圖 3-48 退火處理後,雙層的 F-SiOC:H 薄膜 3ms:O2=4:1 折射率和消 光係數比較

圖 3-49 退火處理後,雙層的 F-SiOC:H 薄膜 3ms:O2=8:1 折射率和消 光係數比較

200 300 400 500

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

3ms:O

2 4:1 n 100s 3ms:O

2 4:1 k 100s 3ms:O

2 4:1 n Annealing 3ms:O

2 4:1 k Annealing

n&k

Wavelength(nm)

200 300 400 500

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

3ms:O2 8:1 N 100s 3ms:O

2 8:1 k 100s 3ms:O

2 8:1 N Annealing 3ms:O2 8:1 k Annealing

n&k

Wavelength(nm)

圖 3-50 退火處理後,單層的 F-SiOC:H 薄膜 3ms:O2=4:1 折射率和消 光係數比較

圖 3-51 退火處理後,單層的 F-SiOC:H 薄膜 3ms:O2=8:1 折射率和消 光係數比較

200 300 400 500

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

CF4:3ms:O

2 4:4:1 n CF4:3ms:O2 4:4:1 k After annealing n 145s After annealing k 145s

n&k

Wavelength(nm)

200 300 400 500

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

CF4:3ms:O2 8:8:1 n CF4:3ms:O2 8:8:1 k After annealing n After annealing k

n&k

Wavelength(nm)

200 300 400 500 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

Single layer annealed-n Single layer annealed-k Double layer annealed-n Double layer annealed-k

n&k

W avelength(nm )

圖 3-52 退火處理之後,單層和雙層的F-SiOC:H 薄膜的折射率和消

光係數比較

190 200 210 220 230 240 250

0 10 20 30 40 50 60

Reflectance (%)

Wavelength(nm)

Single layer-annealed Double layer-annealed

圖 3-53 退火處理後,單層和雙層 F-SiOC:H 薄膜的反射率頻譜比較

3-4 實驗結果與討論

在本實驗中,我們利用 HDPCVD(高密度電漿化學氣相沉積)系統 來沉積我們的 low K(低介電常數薄膜),從我們在上面實驗步驟和參 數的討論中,我們可以分成電性、光學特性和材料分析來做結論。在 電性方面,有通入 CF4的 F-SiOC:H 低介電常數薄膜,在製作成電極 後,並且利用590 CV Analyzer 在 1MHz 下量測出來的結果,比起沒 有通入 CF4氣體的 F-SiOC:H 低介電常數薄膜,不管是單層的還是雙 層的 F-SiOC:H 低介電常數薄膜,有通 CF4的 F-SiOC:H 低介電常數 薄膜都能獲得較低的K(介電常數)值;而當我們固定 Z3ms 以及 O2這 兩種主要氣體,而去改變 CF4的流量,利用汞探針在 50KHz 下,來 量測退火處理過後的 F-SiOC:H,並計算 K 值,我們也發現隨著氟與 薄膜結合越多,介電常數值也會因此降的越低,隨著 CF4 的流量增 大,K 值可以從 2.37 降到 2.07。而 590 CV Analyzer 在 1MHz 量測出 來的 CV 曲線所換算成的 K 值,會比用汞探針在 50KHz 量測下所測 出來的CV 曲線所換算成的 K 值來的大,這是因為汞探針在量測時的 起始小訊號振幅電壓為1V,可是 590 CV Analyzer 的起始小訊號振幅 電壓為20mv 左右,所以會造成汞探針在量測時的空乏區較大,因此 而造成用汞探針所量測出的CV 曲線所換算而得的 K 值會較小。由上 敘述我們可以確信並且知道 F-SiOC:H 是一種擁有良好電性的 low K

薄膜。而 F-SiOC:H 除了良好的電性之外,並且也兼具了很好的光學 特性的low K 薄膜;在光學特性上,F-SiOC:H 這種 low K 薄膜,當 塗佈在高反射率的材料或光阻上時,如(圖 3-54)所示,為光阻塗佈在 Si 基板上時的反射率對光阻厚度的變化圖形;而(圖 3-55)所示,則是 當光阻塗佈在雙層結構的 F-SiOC:H 上時,反射率對變動的厚度的反 射率頻譜,我們可以很清楚的看到雙層結構的 F-SiOC:H,對降低反 射率的效用非常顯著,證明 F-SiOC:H 是很好的底部抗反射層,可以 當作很優良的BARC 來應用。而單層 F-SiOC:H 在 193nm 時,反射率 大約在10%左右,而加上一層破壞性干涉層後,雙層反射率落在 1%

左右。而消光係數隨著 O2/Z3ms 的比值變大,消光係數則由 0.42 左 右,下降到 0.12,隨著氧氣含量的增加,消光係數也隨之降低;而折 射率則有隨著O2/Z3ms 的比值變大,當消光係數介於 0.2~0.6 之間的 時候,是很適合當做底部抗反射層來使用的。而在 157nm 和 193nm 波 段 的 斜 向 入 射 所 量 測 出 的 反 射 率 量 測 結 果 上 , 基 本 上 單 層 的 F-SiOC:H 反射率,隨著斜向入射的角度增加,在 157nm 時,單層反 射率隨著斜向入射角度的增加落在 9%到 11%之間,而雙層的反射率 則落在 2%~4%。而在 193nm 單層的 F-SiOC:H 反射率隨著斜向入射 角度的增加落在11%到 15%之間,而雙層的反射率隨著斜向入射角度 的增加由2%增加到百分之 3%左右。

圖 3-44 利用 Film wizard 模擬當光阻塗佈在雙層結構的F-SiOC:H

0 200 400 600 800

0 10 20 30 40 50 60 70

Reflectance(%)

PR thickness(nm)

圖.3-54 利用光學薄膜理論模擬當光阻(PR)塗佈在Si基板上時,反射

率對厚度的變化

0 200 400 600 800

0 2 4 6 8 10 12 14

Reflectance(%)

PR thickness(nm)

圖.3-55 利用光學薄膜理論模擬當光阻(PR)塗佈在雙層結構的

而在材料分析上,利用傅立葉轉換紅外吸收光譜儀 (Fourier Transform Infrared spectrometry , 簡 稱 FTIR) 和 XPS(X-ray Photo-electron Spectroscopy),來量測並確認薄膜的成份,我們發現在 變動製程時間之下,我們的F-SiOC:H 的吸收鍵結 peak 位置都還能維 持在準確的位置,但是Si-CH3和Si-O 等主要鍵結的強度都會明顯增 強。而在變動氣體流量的情況之下,Si-O 鍵結會有 red-shift 的情形。

而在退火過程中,因為 F-SiOC:H 吸入了氧,因而造成了 Si-O 的吸收 peak 強度有增強的趨勢。而在 XPS 材料成分百分比和 Binding energy 的分析上,基本上碳(C)、氧(O2)、氟(F)的百分比含量都和氣體流量 成正比,但很明顯F 所佔的百分比比較少,那是因為有超過 95%~97%

左右的 CF4,只是被吹進反應室中,當作清潔 Chamber 的氣體。而 O2的流量增加時,O1s 的 Binding energy 的 peak 位置由 536.08ev 減 低到 535.2ev 的趨勢,而對於 C1s 和 F1s 來說,則是隨著 CF4的流量 增大,C1s 和 F1s 的 Binding energy 的 peak 位置,分別由 287.2ev 變 高到288.26ev 和由 684.7ev 變高增加到 686.73ev 的趨勢。

由以上結論我們可以知道,我們的 low K 介電質薄膜 F-SiOC:H,除 了本身的 K 值夠低可以當作很好的 low K 材料之外;在光學部分的 特性,當底部塗佈我們的 low K 介電質薄膜 F-SiOC:H,也能輕易將 高反射率的光阻或業界常用金屬材料的表面反射率在 193nm 時降的

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