Liam Cunnane, Metryx Ltd., Bristol UK
Darren Moore, Carli Waldfried, Axcelis, Beverly, MA, United States
Mary Haas, Mark O’Neill, Air Products and Chemicals Inc., Allentown, PA, United States
針對增加的元件效能所致競爭的要求下已經迫使IC產業必須導入更低的介電常數材料，該進展有別於傳統的氧化物沉積技術，已經顯著地增加生產製程的複雜性。有很多的方法可以被用來做出低介電常數薄膜，包括可被控制的多孔性的採用；在此薄膜的塊材密度減少關聯到介電常數降低。就多孔性的低k材料的生產而言質量分析可以定量地監測由紫外線(UV)處理製程所形成之孔洞性低介電常數材料。
當積體電路設計法則微縮至90奈米以下時，與製造低介電常數材料有關連的生產挑戰就變成重要的；其中的一個挑戰是要去精確地理解自一個稠密的剛沉積的合成物轉變至一個具有令人想要機械的和電的特性下穩定的多孔性低介電常數材料。
實驗：前處理薄膜分析
被用來做此研究的低介電常數材料是以PECVD模式所沉積，使用Air Product及Chemicals’ DEMS低介電常數先驅者作為構造模型與一個有機的多孔質先驅者[1]關聯著；該先驅者的相對濃度，伴隨被選定的沉積條件，決定多孔性混入和最終薄膜特性的程度。
所有沉積是在美商應材P5000的八吋DxZ反應室中裝備一個TEOS氧化物完整製程下所完成，該製程條件是使用攝氏275-300度、8-10托爾、600-750瓦RF(單一頻率=13.56MHz)、介於晶圓基板和噴灑頭/電極的間隙為0.35英吋、200sccm二氧化碳載體、0-25sccm氧氣以及全部化學氣體流量率為700-1000sccm。
該密質性合成薄膜藉由曝曬於一個融合式氫質子紫外線燈(機型I-600)處理後，使它們變成多孔性。曝光是利用改造美商應材P-5000DxZ反應室，其俱有該融合式紫外線燈系統所完成的；該反應室是藉由具有一個人造的氧化矽窗可以容許輻射的傳送，來取代標準的上蓋所改造的。該燈泡是被安裝在反射器中，以提供使成平行的具有一個大約2英吋乘上10英吋曝光範圍的紫外線光，使晶片固定在大約攝氏400度和真空包圍下，該紫外線燈泡是以大約10秒/循環的速率被水平地循環跨越過該薄膜的表面。
製程監測是與多孔性的介電質薄膜的沉積階段和處理階段(意即：多孔性的產生)兩者有關的；在沉積之後，該薄膜存在如同一種矽酸鹽和有機物質的合成物。為了可複製性，該合成物必須被最佳化和被監測的，在此我們利用一個名義上6000埃(圖一a)合成物薄膜厚度來評估一個25晶片批，在此製程條件組之下，該薄膜厚度穩定性是優良的且具有在設定的目標值下低於正負5%內一個好的製程能力。
針對此相同的25晶圓批組(圖一b)相對應的質量穩定性是良好的，具有在正負5%質量極限內一個好的製程能力；藉由此薄膜質量與對應的薄膜厚度的相關性，針對含有此多孔質的薄膜，無需複雜的模式化[4]我們可以直接地決定此薄膜密度，該密度量測是極佳地吻合於藉由X光反射率所測出的結果。
該薄膜密度的穩定性如同出自橢圓測量儀和Metryx質量測量般提供一種快速的和有效的方法，用來監測含有多孔質薄膜的穩定性，這可以被用來確保該薄膜多孔質的含有量是與前處理一致的。利用一種大約平均值(圖一c)1%的三個標準差值可比較針對厚度、質量和密度的薄膜穩定性。被沉積的該合成物薄膜特性鑑定，容許有意義的研究爾後的紫外線處理製程。
圖一：(a)薄膜厚度，(b)前處理質量和(c)針對一個25片晶圓(八吋)批組用PECVD塗覆上一層多孔性低k介電質薄膜下對於質量、厚度和密度的標準偏差。 實驗：紫外線曝光和多孔質的去除
在該合成薄膜被沉積之後，製程的第二階段包括經由曝光到一個特有的、活躍的光源例如紫外線輻射的多孔質種類的去除；在紫外線曝光步驟期間藉由監測質量變化可探討多樣、有興趣範圍。薄膜特性的最佳化需要紫外線曝光時間和波長範圍影響的知識。圖二a顯示該質量減少是紫外線曝光的一個函數，當該多孔質是自該薄膜被去除的時候，該質量是減少的；被去除的該多孔質的比率和數量直接地由質量所決定。
在這段落裡，該處理製程使用Axcelis RapidCure 320FC紫外線工具；運用晶圓溫度被維持在攝氏400度，在惰性大氣下該製程使用微波驅動無電極燈泡發射出100-400奈米的紫外線輻射。這些燈泡可以容易地改變以允許利用不同的波長分佈，以往的研究已經證明紫外線曝光，透過有選擇性的末端群組[2]去除在矽酸鹽晶格上有同步強化效應。
利用增加對紫外線光源‘B’(圖二a)曝光時間，第一個實驗組被設計來定量化自該薄膜被去除的多孔質的質量；對照於紫外線曝光時間漸近式的質量損失被觀察到。在十三分鐘的曝光作為紫外線處理的結果後，則有大約20%的薄膜質量損失，在此全部的薄膜質量的減少是重要的。
圖二b比較由於質量損失所致的收縮量，使用紫外線處理時間下連續的薄膜收縮無法顯示多孔質去除的內涵。例如FTIR 技術藉由-CH3或-CH損失可以用來追蹤多孔質的去除。無論如何這些信號是與使用的多孔質類型有關的，以及對於想要的Si-R晶格部份可能經常地被混淆的。
圖二：一個多孔性低k薄膜的質量損失(a)在數分鐘處理後到達一個近穩態期，在同一時間內當(b)該薄膜收縮量不能達到一個穩態期。圖三顯示在該C-H/Si-O峰值面積比率的變化，在該個案中是由多孔質C-H和晶格矽甲烷(SiC-H3)信號所組成的。由於多孔質的去除該比率最初快速地下降，但使用連續的曝光紫外線導致Si-R網絡分裂，僅顯示趨近常數的固定損失。
圖三：在處理的初期階段，碳-氫鍵的損失與質量損失有關；但是在數分鐘之後該碳－氫峰值損失繼續卻沒有額外的質量損失。該比率和最終的多孔質損失量是與特定選擇的波長有關，在該研究中的第二部份，四種不同的紫外線寬頻帶光源被評估用來決定含有多孔質薄膜質量的減少量；針對所有四種紫外線光源(參見表)的曝光時間被固定在十三分鐘。
顯然，不同的波長在自該薄膜被去除的多孔質的全部質量上有一個重要的衝擊。在該個案中，當C和D兩者去除大概該原有的含有多孔質薄膜23%的時候，則我們看到波長‘A’去除剛剛超過原有的薄膜質量的17%。
該表比較處理後質量損失所得介電常數與燈泡之關連性。質量損失和介電常數值兩者之間清楚的相關性證明針對低介電常數處理製程而言，紫外線光源最佳化的必要，波長的選擇導致自該薄膜被去除的多孔質相當地不同。
介於k值和自該薄膜被去除的質量兩者之間，一個普遍的關係透過所有蒐集到的數據可以被觀察到。該薄膜去除的質量與處理後k值(圖四)兩者之間有強烈的相關性。
圖四：針對多孔性低k薄膜的處理後介電常數(k)與質量損失有極佳地相關。縱使自該薄膜去除的質量是強烈地相關於想要的k值減少，它與奈米刻痕模組係數不相關的。因此達成一個低k值的目標和一個薄膜具有想要的機械特性是不相互地排斥的，圖五顯示在k值為2.55時多種的模數值是被達成的。所以有一些在k值和模組係數的變化性，眾所周知藉由最終的化學方法和該薄膜[3]的構造是可以被控制的，在處理步驟期間藉由紫外線曝光的波長也是可以改變的。
強度和紫外線光源波長分佈的最佳化，可以得到相當地改善處理效能的結果。由於該處理製程的複雜性，因此紫外線最佳化是需要的，那包括同時發生的多孔質去除、對該網絡的化學變化和薄膜的濃密化；這些因數的每一個是被密切地與該機械的、電性的和最終薄膜的整合特性相關的。
顯然多孔質去除是一個紫外線曝光強度、波長和曝光時間的函數。殘留的多孔質可以導致較高的薄膜k值、較差的薄膜穩定性和低劣的電氣特性。對產品生產線上的監測是精密的，以確保一致的低k特性。對於在產品晶圓上的設定的沉積厚度而言，可重複的質量減少是被期待的；藉由將該質量變化表示成被沉積的含有多孔質薄膜的一種百分比，則對不同的薄膜厚度該質量減少是可以歸一化的。透過高度地精確的質量量測技術，可靠的介電質材料的研發是可強化的的。
圖五：針對多孔性低k薄膜的k值與模組係數關係，顯示出適當的處理條件可以相當地改善薄膜強度在平均的趨勢線之上。
結論使用質量變化來監測含有多孔質薄膜和多孔質的去除的好處是清楚的。質量變化提供一種絕對的、直接的方法來監測多孔質的形成和避免與其他的技術關聯的複雜性。這些好處延伸至製程研發階段與高樣品率的該產品[5]的生產線上監測兩者一致性，該方法是可應用至廣泛範圍的低k材料，透過處理製程在製程的中間狀態質量去除就可達成多孔性。
致謝
作者們想要感謝Adrian Kiermasz博士和Metryx的Barry Tomkins對該篇文章的協助和貢獻，DEMS是Air產品與化學品有限公司的一個商標。
作者
Liam Cunnane自UCD獲得他的實驗物理學士學位，他是Metryx公司聞名世界的科技處長，聯絡電話：44 0/127-585-9988，電子郵件信箱：liam.cunnane@metryx.net。
Darren Moore自英國布里士托大學獲得他的化學理學士和化學博士學位，他是一位亞舍立(Axcelis)科技的製程正工程師。
Carli Waldfried自內伯拉斯卡大學獲得他的物理博士學位，華德佛萊德是一位亞舍立科技的專屬科學家。
Mary Haas自普林斯頓大學獲得她的化學博士學位，她是一位Air Products and Chemicals公司的首席研究科學家。
Mark O’Neill自加拿大卡靈頓大學獲得他的化學博士學位，馬克是在Air Products and Chemicals公司電子科技部門中代表薄膜科技團隊的領導者。