低介电常数材料的特点、分类及应用

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1、低介电常数材料的特点、分类及应用胡扬摘要:本文先介绍了低介电常数材料（LowkMaterials）的特点、分类及其在集成电路工艺中的应用。指出了应用低介电常数材料的必然性，举例说明了低介电常数材料依然是当前集成电路工艺研究的重要课题，并展望了其发展前景。正文部分综述了近年研究和开发的lowk材料，如有机和无机低ｋ材料，掺氟低ｋ材料，多孔低ｋ材料以及纳米低ｋ材料等，评述了纳米尺度微电子器件对低k薄膜材料的要求。最后特别的介绍了一种可能制造出目前最小介电常数材料的技术：Air-Gap。关键词：低介电常

2、数；聚合物；掺氟材料；多孔材料；纳米材料;Air-Gap1．引言随着ULSI器件集成度的提高，纳米尺度器件内部金属连线的电阻和绝缘介质层的电容所形成的阻容造成的延时、串扰、功耗就成为限制器件性能的主要因素,微电子器件正经历着一场材料的重大变革：除用低电阻率金属（铜）替代铝，即用低介电常数材料取代普遍采用的SiO2（k：3.9～4.2）作介质层。对其工艺集成的研究，已成为半导体ULSI工艺的重要分支。这些低ｋ材料必须需要具备以下性质：在电性能方面:要有低损耗和低泄漏电流；在机械性能方面:要有高附着力

3、和高硬度;在化学性能方面:要有耐腐蚀和低吸水性；在热性能方面:要有高稳定性和低收缩性。2．背景知识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：其一是降低材料自身的极性，包括降低材料中电子极化率（electronicpolarizability），离子极化率（ionicpolarizability）以及分子极化率（dipolarpolarizability）。在分子极性降低的研究中，人们发现单位体积中的分子密度对降低材料的介电常数起着重要作用。材

4、料分子密度的降低有助于介电常数的降低。这就是第二种降低介电常数的方法：增加材料中的空隙密度，从而降低材料的分子密度。7　　针对降低材料自身极性的方法，目前在0.18mm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

5、料的介电常数。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）将有机聚合物作为绝缘材料用于集成电路工艺。这种方法兼顾了形成低极性网络和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。介电常数不仅仅决定于材料本身

6、的固有性质，而且会因为制备条件和方法的不同而有所变化。化学汽相沉积是制备ＵＬＳＩ低介材料的重要技术，沉积不同的薄膜应采用不同的ＣＶＤ技术，而制备同一种薄膜采用的ＣＶＤ技术不同，也会使材料的某些性能有所差异。例如用ＰＥＣＶＤ制备的ＳｉＣＯＨ薄膜，ｋ值可由先前的２.４降至２.１，若将它在４００℃下进行４ｈ的后期退火，可进一步降低ｋ值至１.９５。通过对沉积方法的选择和对沉积参数的优化，能得到更符合要求的低介材料薄膜。3.正文下面将按顺序介绍5种低K材料：3.１有机低ｋ材料有机低ｋ材料种类繁多，性质各异，

7、其中以聚合物低ｋ材料居多。重点介绍聚酰亚胺。聚酰亚胺（PI）是一类以酰亚胺环为结构特征的高性能聚合物材料，介电常数为3.4左右，掺入氟，或将纳米尺寸的空气分散在聚酰亚胺中，介电常数可以降至2.3～2.8。介电损耗角正切值为10-3，介电强度为1～3MV／cm，体电阻率为1017Ω·ｃｍ。这些性能在一个较大的温度范围和频率范围内仍能保持稳定。聚酰亚胺薄膜具有耐高低温特性和耐辐射性、优良的电气绝缘性、粘结性及机械性能。聚酰亚胺复合薄膜还具有高温自粘封的特点。聚酰亚胺低ｋ材料目前已广泛应用于宇航、电机、

8、运输工具、常规武器、车辆、仪表通信、石油化工等工业部门。它可作耐高温柔性印刷电路基材，也可以作为扁平电路、电线、电缆、电磁线的绝缘层以及用作各种电机的绝缘等。一种孔洞尺寸为纳米级，介电常数低于2.4的芳香性聚酰亚胺泡沫材料已经问世。它是目前制备聚酰亚胺玻璃布覆铜板的新型介电材料。制备聚酰亚胺纳米泡沫材料的一般方法为：通过共缩聚反应，合成热稳定性好的聚酰亚胺再与一些带有氨基的、热稳定性差的齐聚物镶嵌或接枝而成为共聚物。全芳香聚酰亚胺开始分解温度一般都在500℃左右。由联苯二酐和对苯二