均勻納米低介電常數(shù)材料的設(shè)計、制備及表征.pdf

1、隨著超大規(guī)模集成電路(ULSI)中器件集成度的逐步提高,半導體芯片內(nèi)部金屬連線間和層間的阻容耦合延遲及串擾越來越嚴重,從而導致信號傳輸速度下降和能耗加劇,成為制約半導體技術(shù)進一步發(fā)展的瓶頸。解決這一問題的關(guān)鍵是研究和開發(fā)綜合性能優(yōu)異的低介電常數(shù)材料,以取代目前廣泛使用的本體SiO2介電材料。根據(jù)國際半導體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS2005)的預測,2010年將進入45 nm線寬的納電子器件時代,屆時需要介電常數(shù)k<2.2的超低介電常數(shù)材料

2、作為線間和層間介質(zhì)。而目前,性能優(yōu)越的符合ULSI制作要求的超低介電常數(shù)材料尚未出現(xiàn)。本文的目的在于研究和探索新型超低介電常數(shù)材料的設(shè)計和制備方法,具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)詳細綜述國內(nèi)外低介電常數(shù)材料的發(fā)展現(xiàn)狀。針對目前低介電常數(shù)材料研究的不足,提出了制備低介電常數(shù)材料的兩種新思路。其一,以籠形多面低聚倍半硅氧烷(POSS)為結(jié)構(gòu)構(gòu)造基元,以線性小分子為連接鏈,通過化學鍵合,制備具有三維精確結(jié)構(gòu)的無機-有機雜化低介電常數(shù)材料

3、;其二,以精確結(jié)構(gòu)的無機-有機雜化高分子為模板,通過犧牲模板法,采用氧化-熱解工藝,制備均勻納米多孔SiO2超低介電常數(shù)材料。
　　(2)基于精確結(jié)構(gòu)無機-有機雜化高分子材料的分子設(shè)計思想,選擇以籠形多面低聚倍半硅氧烷T8H8為結(jié)構(gòu)構(gòu)造基元,以二烯分子為有機連接鏈,通過硅氫化加成反應,將所有POSS籠以共價鍵的形式連接起來,合成四種無機-有機雜化網(wǎng)絡(luò)高分子。利用FTIR、13C NMR和29Si NMR對合成產(chǎn)物進行詳細的結(jié)構(gòu)表征

4、,結(jié)果證實POSS均勻分散的無機-有機雜化納米復合物已被成功合成。
　　(3)針對雜化網(wǎng)絡(luò)高分子的結(jié)構(gòu)特點,提出一種新穎的純化方法─—透析-抽提兩步純化法。結(jié)果表明,透析-抽提兩步純化法能將包裹在聚合物內(nèi)的未反應單體和雜質(zhì)清洗干凈,是一種很好的純化交聯(lián)聚合物的方法。
　　(4)HRTEM形貌觀察顯示,四種雜化聚合物均表現(xiàn)出很好的均勻性,未出現(xiàn)局部形態(tài)差異區(qū)域,說明聚合物中POSS組分未發(fā)生物理聚集,而是均勻地分散在聚合物體系

5、之中。XRD圖譜中未出現(xiàn)結(jié)晶峰,佐證了HRTEM的觀察結(jié)果。AFM和SEM觀察結(jié)果均顯示,四種雜化聚合物薄膜均具有很好的均勻性和平整度;不同放大倍數(shù)的SEM照片顯示,在薄膜表面未發(fā)現(xiàn)任何裂紋和破損區(qū)域。表明合成的雜化聚合物具有很好的成膜性。
　　(5)雜化高分子材料熱重分析表明,四種雜化聚合物均表現(xiàn)出較高的熱穩(wěn)定性,熱分解溫度Td均大于350 oC,且聚合物的熱穩(wěn)定性與其交聯(lián)度有關(guān),交聯(lián)度越大,Td越大。
　　(6)采用納米

6、壓痕法表征聚合物薄膜的力學性能。結(jié)果表明,四種聚合物薄膜均表現(xiàn)出較高的硬度和彈性模量,硬度在0.21～0.26 GPa、彈性模量在7.57~8.85 GPa之間。并且與連接POSS的有機碳鏈的長度有關(guān),隨著長度的增加,硬度和彈性模量均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。分析認為,連接POSS的有機碳鏈的熱致蠕變,是影響雜化高分子硬度和彈性模量的主要原因。
　　(7)利用LCR Meter測定了雜化聚合物薄膜的介電常數(shù)。結(jié)果表明,它們的k值均小于2.

7、8,并且從PA到PD,k值呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。研究發(fā)現(xiàn),聚合物的k值與其交聯(lián)度有關(guān),交聯(lián)度越大,k值越小,為低介電材料性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計控制提供了方法。
　　(8)采用犧牲模板法,通過氧化-熱解工藝,制備了均勻納米多孔SiO2超低介電常數(shù)材料。HRTEM和BET分析結(jié)果表明,孔徑尺寸分布均勻,多孔SiO2薄膜孔徑在2.7~3.4 nm之間,比表面積為349~465 m2/g,孔隙率為31.2％～43.6％。并發(fā)現(xiàn)隨著連接POSS的碳鏈長

8、度的增加,材料的孔徑、比表面積和孔隙率均呈逐漸增大的趨勢,為制備孔徑和孔隙率可調(diào)的多孔材料提供了一種新方法。
　　(9)與氧化熱解前的聚合物薄膜相比,多孔SiO2薄膜呈現(xiàn)出明顯增強的力學性能。四種多孔薄膜硬度為0.61～0.72 GPa,彈性模量為11.6~12.8 GPa。接觸角測試結(jié)果顯示,未經(jīng)疏水性處理的薄膜的接觸角均小于60 o,表現(xiàn)出一定的親水性。而經(jīng)過TMCS疏水性處理的薄膜的接觸角均大于100 o,吸水性明顯減弱。<