超低介電常數(shù)材料納米多孔SiO-,2-和SiO-,2-：F薄膜的制備及其物性研究.pdf

1、自從1947年晶體管發(fā)明以及1958年第一個集成電路誕生以來，以硅基集成電路為核心的微電子技術(shù)取得了飛速發(fā)展，傳統(tǒng)熱生長法生長的SiO2作為金屬互連線間的絕緣介質(zhì)，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，以此為背景的低介電常數(shù)材料成為當(dāng)今微電子領(lǐng)域的研究熱點。通過對各種候選材料物性及制備方法的綜合分析，本文選取以溶膠-凝膠法為基礎(chǔ)的介電常數(shù)低、與現(xiàn)有工藝兼容的納米多孔SiO2作為研究對象，系統(tǒng)地研究了其制備、微結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵和電學(xué)等方面性質(zhì)，獲得了許多新的突

2、破，并提出一種摻氟的新方法。 第一、用溶膠-凝膠法結(jié)合旋涂技術(shù)，制備納米多孔SiO2薄膜。首次利用兩次改性解決了薄膜容易開裂的問題，并比較性地研究了溶膠、凝膠以及薄膜的性質(zhì)。SEM和AFM表明，薄膜內(nèi)孔徑在70-80nm，已形成較好的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。FTIR指出，兩次改性及正己烷清洗明顯改善了薄膜的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)，其介電常數(shù)約為2.0，漏電流密度僅為1.5×10-7A/cm2，擊穿場強高達(dá)1.9MV/cm。 第二、以表面活

3、性劑為模板，結(jié)合溶膠-凝膠法，得到孔徑小(10-20nm)、分布均勻、且結(jié)構(gòu)堅固的納米多孔Si02薄膜。FTIR表明，模板對表面改性過程有一引導(dǎo)作用，源于模板的雙極性基團(tuán)及由此產(chǎn)生的加溶現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)在國際上尚屬首次。450℃退火樣品的SEM顯示，薄膜內(nèi)去除模板后可形成相應(yīng)孔洞。-CH3基團(tuán)的氧化分解在氮氣氣氛下得到遏制，提高了薄膜憎水性和熱穩(wěn)定性。其介電常數(shù)和漏電流密度在退火后分別為1.66和6.6×10-8A/cm2，當(dāng)電場強度增大

4、到2.5MV/cm時，仍沒有觀察到擊穿現(xiàn)象。 第三、首次將氫氟酸(HF)作為催化劑引入到溶膠-凝膠中，實現(xiàn)氟元素的摻雜，制備出具有超低介電常數(shù)、性能優(yōu)良的納米多孔SiO2：F薄膜，成功地將氟元素的摻雜理念與第三類降低介電常數(shù)的方法結(jié)合。該方法作為一種薄膜制備技術(shù)具有設(shè)備簡單，工藝容易控制，摻雜方便等特點，進(jìn)一步拓寬了溶膠-凝膠法在制備超低介電常數(shù)材料方面的應(yīng)用潛力。 HF濃度過大或過小都可能導(dǎo)致氟元素引入量降低，最合適的

5、配比為HF/H2O=1/5。FTIR中出現(xiàn)了Si-F鍵，表明氟元素的引入。其介電常數(shù)可降到1.5左右，漏電流密度較用HCl作催化劑的SiO2薄膜降低近一個數(shù)量級，遵循Schottky發(fā)射機制。相應(yīng)的缺陷態(tài)密度以及有效氧化物電荷密度也有不同程度的降低。SEM、AFM和N2吸附/脫附均表明HF使得薄膜內(nèi)孔徑尺寸減小(1-10nm)，尺寸分布更加均勻?？紫抖扰c介電常數(shù)的關(guān)系滿足Rayleigh模型，說明薄膜內(nèi)所形成的孔洞多數(shù)為閉合且相互孤立的