低介电常数材料研究

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1、低介电常数材料研究一.研究背景二.低介电常数材料的特点及分类三.文献分析四.小结研究背景在集成电路工艺中，有着极好热稳定性、抗湿性的二氧化硅（SiO2）一直是金属互联线路间使用的主要绝缘材料。而金属铝（Al）则是芯片中电路互联导线的主要材料。然而，随着集成电路技术的进步，具有高速度、高器件密度、低功耗以及低成本的芯片越来越成为超大规模集成电路制造的主要产品。此时，芯片中的导线密度不断增加，导线宽度和间距不断减小，互联中的电阻（R）和电容（C）所产生的寄生效应越来越明显。当器件尺寸小于0.25微米后，

2、克服阻容迟滞（RCDelay）而引起的信号传播延迟、线间干扰以及功率耗散等，就成为集成电路工艺技术发展不可回避的课题。金属铜（Cu）的电阻率比金属铝的电阻率低约40%。因而用铜线替代传统的铝线就成为集成电路工艺发展的必然方向。如今，铜线工艺已经发展成为集成电路工艺的重要领域。与此同时，低介电常数材料替代传统绝缘材料二氧化硅也就成为集成电路工艺发展的又一必然选择。二.低介电常数材料的特点及分类低介电常数材料大致可以分为无机和有机聚合物两类。目前的研究认为，降低材料的介电常数主要有两种方法：其一是降低材

3、料自身的极性，包括降低材料中电子极化率,离子极化率以及分子极化率.其二是：增加材料中的空隙密度，从而降低材料的分子密度。针对降低材料自身极性的方法，目前在0.18微米技术工艺中广泛采用在二氧化硅中掺杂氟元素形成FSG（氟掺杂的氧化硅）来降低材料的介电常数。氟是具有强负电性的元素，当其掺杂到二氧化硅中后，可以降低材料中的电子与离子极化，从而使材料的介电常数从4.2降低到3.6左右。为进一步降低材料的介电常数，人们在二氧化硅中引入了碳（C）元素：即利用形成Si-C及C-C键所联成的低极性网络来降低材料的

4、介电常数。例如无定形碳薄膜的研究，其材料的介电常数可以降低到3.0以下。针对降低材料密度的方法，其一是采用化学气相沉积（CVD）的方法在生长二氧化硅的过程中引入甲基（-CH3），从而形成松散的SiOC:H薄膜，也称CDO（碳掺杂的氧化硅），其介电常数在3.0左右。其二是采用旋压方法（spin-on）将有机聚合物集成电路工艺。这种方法兼顾了形成低极性网络和作为绝缘材料用于高空隙密度两大特点，因而其介电常数可以降到2.6以下。但致命缺点是机械强度差，热稳定性也有待提高。电学性质化学性质热学性质机械特性低

5、k值（k<3）耐腐蚀性（暴露在酸、碱或剥离溶液中时，材料不变化）高热稳定性（Tg>400℃）与金属或其他介电材料有很好的黏附性低损耗高憎水性（在100%的湿度下，吸湿<1%）热扩散系数<50ppm/℃高弹性模量>1GPa低漏电流不侵蚀金属低热胀率高硬度低电荷陷阱水中溶解度低高热导率与CMP兼容高可靠性低气体渗透性高熔点抗碎裂性介电击穿强度>2-3MV/cm良好的刻蚀速率和刻蚀选择性低热失重<1%残余应力<(+)100MPa高化学稳定性厚度均匀高纯度无环境污染低成本、商用理想低介电常数材料的一般标准S

6、urfacemodifiedsilicamesoporousfilmsasalowdielectricconstantintermetaldielectricJOURNALOFAPPLIEDPHYSICS15SEPTEMBER2002SolA,waspreparedbyaddingTEOSinEthanolwithHClasacatalyst.SolB,wasmadebydispersingMTESinethanolwithNH4OHasacatalyst.1060对应于横向光学振动模式Si-O-S

7、i非对称伸缩振动模式,1100对应于丛向光学振动模式775对应于Si-O-Si的对称伸缩振动1277处的Si-C键和2975处的CH3说明没有破坏多孔薄膜的疏水性孔尺寸小于40nm,1微米范围的平均粗糙度约2.5nm经10%的HMDS处理后,由于HMDS中的-CH3取代-OH使3300-3600cm-1处的峰减少随处理时间的增加样品的介电常数和耗散因子都增加.可能的原因是甲基占据了孔洞空间,此时样品的介电常数为3.0-3.5之间,因此需做进一步的脱-OH处理.(1)O2,(2)N2,(3)air,(

8、4)air+N2(annealinginnitrogenat400°Cfor0.5hafterheattreatmentinair),and(5)air+forminggas(5%H2+95%N2)(annealinginforminggasat400°Cfor0.5hafterheattreatmentInair)在O2和N2中退火后K~5,O2中疏水基团的快速分解.N2中由于大量的-OH导致硅烷醇热转移失效而保留了硅烷醇和小的孔体积分数,导致高介电常数.b图中的放