低介電常數(shù)材料研究

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1、低介電常數(shù)材料研究一.研究背景二.低介電常數(shù)材料的特點及分類三.文獻分析四.小結(jié)研究背景在集成電路工藝中，有著極好熱穩(wěn)定性、抗?jié)裥缘亩趸瑁⊿iO2）一直是金屬互聯(lián)線路間使用的主要絕緣材料。而金屬鋁（Al）則是芯片中電路互聯(lián)導(dǎo)線的主要材料。然而，隨著集成電路技術(shù)的進步，具有高速度、高器件密度、低功耗以及低成本的芯片越來越成為超大規(guī)模集成電路制造的主要產(chǎn)品。此時，芯片中的導(dǎo)線密度不斷增加，導(dǎo)線寬度和間距不斷減小，互聯(lián)中的電阻（R）和電容（C）所產(chǎn)生的寄生效應(yīng)越來越明顯。當器件尺寸小于0.25微米后，

2、克服阻容遲滯（RCDelay）而引起的信號傳播延遲、線間干擾以及功率耗散等，就成為集成電路工藝技術(shù)發(fā)展不可回避的課題。金屬銅（Cu）的電阻率比金屬鋁的電阻率低約40%。因而用銅線替代傳統(tǒng)的鋁線就成為集成電路工藝發(fā)展的必然方向。如今，銅線工藝已經(jīng)發(fā)展成為集成電路工藝的重要領(lǐng)域。與此同時，低介電常數(shù)材料替代傳統(tǒng)絕緣材料二氧化硅也就成為集成電路工藝發(fā)展的又一必然選擇。二.低介電常數(shù)材料的特點及分類低介電常數(shù)材料大致可以分為無機和有機聚合物兩類。目前的研究認為，降低材料的介電常數(shù)主要有兩種方法：其一是降低材

3、料自身的極性，包括降低材料中電子極化率,離子極化率以及分子極化率.其二是：增加材料中的空隙密度，從而降低材料的分子密度。針對降低材料自身極性的方法，目前在0.18微米技術(shù)工藝中廣泛采用在二氧化硅中摻雜氟元素形成FSG（氟摻雜的氧化硅）來降低材料的介電常數(shù)。氟是具有強負電性的元素，當其摻雜到二氧化硅中后，可以降低材料中的電子與離子極化，從而使材料的介電常數(shù)從4.2降低到3.6左右。為進一步降低材料的介電常數(shù)，人們在二氧化硅中引入了碳（C）元素：即利用形成Si-C及C-C鍵所聯(lián)成的低極性網(wǎng)絡(luò)來降低材料的

4、介電常數(shù)。例如無定形碳薄膜的研究，其材料的介電常數(shù)可以降低到3.0以下。針對降低材料密度的方法，其一是采用化學氣相沉積（CVD）的方法在生長二氧化硅的過程中引入甲基（-CH3），從而形成松散的SiOC:H薄膜，也稱CDO（碳摻雜的氧化硅），其介電常數(shù)在3.0左右。其二是采用旋壓方法（spin-on）將有機聚合物集成電路工藝。這種方法兼顧了形成低極性網(wǎng)絡(luò)和作為絕緣材料用于高空隙密度兩大特點，因而其介電常數(shù)可以降到2.6以下。但致命缺點是機械強度差，熱穩(wěn)定性也有待提高。電學性質(zhì)化學性質(zhì)熱學性質(zhì)機械特性低

5、k值（k<3）耐腐蝕性（暴露在酸、堿或剝離溶液中時，材料不變化）高熱穩(wěn)定性（Tg>400℃）與金屬或其他介電材料有很好的黏附性低損耗高憎水性（在100%的濕度下，吸濕<1%）熱擴散系數(shù)<50ppm/℃高彈性模量>1GPa低漏電流不侵蝕金屬低熱脹率高硬度低電荷陷阱水中溶解度低高熱導(dǎo)率與CMP兼容高可靠性低氣體滲透性高熔點抗碎裂性介電擊穿強度>2-3MV/cm良好的刻蝕速率和刻蝕選擇性低熱失重<1%殘余應(yīng)力<(+)100MPa高化學穩(wěn)定性厚度均勻高純度無環(huán)境污染低成本、商用理想低介電常數(shù)材料的一般標準S

6、urfacemodifiedsilicamesoporousfilmsasalowdielectricconstantintermetaldielectricJOURNALOFAPPLIEDPHYSICS15SEPTEMBER2002SolA,waspreparedbyaddingTEOSinEthanolwithHClasacatalyst.SolB,wasmadebydispersingMTESinethanolwithNH4OHasacatalyst.1060對應(yīng)于橫向光學振動模式Si-O-S

7、i非對稱伸縮振動模式,1100對應(yīng)于叢向光學振動模式775對應(yīng)于Si-O-Si的對稱伸縮振動1277處的Si-C鍵和2975處的CH3說明沒有破壞多孔薄膜的疏水性孔尺寸小于40nm,1微米范圍的平均粗糙度約2.5nm經(jīng)10%的HMDS處理后,由于HMDS中的-CH3取代-OH使3300-3600cm-1處的峰減少隨處理時間的增加樣品的介電常數(shù)和耗散因子都增加.可能的原因是甲基占據(jù)了孔洞空間,此時樣品的介電常數(shù)為3.0-3.5之間,因此需做進一步的脫-OH處理.(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中疏水基團的快速分解.N2中由于大量的-OH導(dǎo)致硅烷醇熱轉(zhuǎn)移失效而保留了硅烷醇和小的孔體積分數(shù),導(dǎo)致高介電常數(shù).b圖中的放