專利名稱：環(huán)境穩(wěn)定的超低介電常數(shù)二氧化硅多孔薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬超大規(guī)模集成電路互連介質(zhì)材料領(lǐng)域，特別涉及環(huán)境穩(wěn)定的超低 介電常數(shù)二氧化硅多孔薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，集成電路的集成密度越來越高，器件 尺寸越來越小。集成電路密度的增加、器件尺寸的減小，導(dǎo)致線間和層間寄生 電容增大，由此引起的信號串?dāng)_和延遲等問題變得十分顯著，成為制約高速集 成電路發(fā)展的瓶頸。采用低介電常數(shù)a)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的si02 a = 4)材料作為互連介質(zhì)或 者層間的絕緣介質(zhì)，是減小互連延遲的有效手段。根據(jù)2001年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)，在未來的15年內(nèi)，最終要求層間互連介質(zhì)的A值在2以下。因 此，從上世紀(jì)90年代中后期以來，國際上對于尋找低A材料的研究相當(dāng)活躍。降低K值的方法大多是采用添加A值較小的元素或降低分子的密度(多孔 材料)來達(dá)到。許多低A材料相繼被開發(fā)出來，例如含氟氧化硅(SiOF)、含 碳氧化硅(SiOC)、含碳硅氟(SiCF)、聚酰亞胺、HSQ和MSQ，多孔Si02薄 膜等。其制備方法也包括了 PECVD、 ICP-CVD和Sol-Gel法(包括有機(jī)模板法) 等等。但是，大部分低A:材料在30(TC以上的熱穩(wěn)定性不好，而集成電路芯 片需要低K材料至少在45(TC下是穩(wěn)定的。溶膠-凝膠法和有機(jī)模板法(濕化學(xué)方法)制備的Si02多孔薄膜是一種具 有高熱穩(wěn)定性(〉450°C)的材料，具有達(dá)到超低介電常數(shù)的潛力，是一種有希望應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路互連系統(tǒng)的超低介電常數(shù)介質(zhì)。但是這種Si02多孔薄膜，表面有大量的極性羥基(OH)和物理吸附水分(它們的偶極距較大，A 約為80)，必須對其表面進(jìn)行去羥基(疏水性)修飾處理，才能使Si02多孔薄膜體現(xiàn)出低介電常數(shù)。 一般對這類Si02多孔薄膜進(jìn)行表面去羥基修飾處理的方 法就是用碳?xì)浠衔锸贡∧さ谋砻婀柰榛?，且硅烷化反?yīng)通常是在Si02溶膠狀 態(tài)時進(jìn)行，這種方法的效果容易受到溶膠過程的影響，同時也使Si02多孔薄膜 的制備工藝復(fù)雜化。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種環(huán)境穩(wěn)定的超低介電常數(shù)二氧化硅多孔薄膜的 制備方法，用三甲基氯硅烷對無機(jī)二氧化硅(Si02)多孔薄膜進(jìn)行去羥基修飾處 理而達(dá)到超低介電常數(shù)。本發(fā)明采用非晶無機(jī)Si02多孔薄膜進(jìn)行去羥基修飾處 理，由于薄膜的微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，修飾過程對薄膜的孔結(jié)構(gòu)影響不大，而且 方法簡單、效果顯著。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的步驟如下1) Si02多孔薄膜是用濕化學(xué)方法制備的，形成穩(wěn)定的非晶無機(jī)結(jié)構(gòu)；2) 將Si02多孔薄膜浸泡在體積含量為5-80%三甲基氯硅垸的正己烷溶液 中，浸泡1 24小時進(jìn)行修飾，浸泡期間不斷擾動以使薄膜表面的溶液 快速更新，促使硅烷化的進(jìn)行；3) 用三甲基氯硅垸的正己垸溶液修飾過的Si02多孔薄膜，經(jīng)正己垸溶液 沖洗3-5次后，再在正己垸液體中浸泡10-60分鐘，浸泡期間不斷擾動 以使薄膜表面的溶液快速更新，使HC1去除更徹底；4) 用正己垸溶液清洗的Si02多孔薄膜，在130-180'C烘烤0.5-3小時，即 得到環(huán)境穩(wěn)定的超低介電常數(shù)二氧化硅多孔薄膜。本發(fā)明采用PVA為模版劑制備的非晶無機(jī)Si02多孔薄膜氣孔率適中(約40-50%)，具有高熱穩(wěn)定性，至少在60(TC下熱處理也不會造成結(jié)構(gòu)骨架塌陷； 表面平整光滑，均方根表面粗糙度小于2nm，易于光刻，圖形清晰，與微電子 技術(shù)工藝兼容。采用三甲基氯硅垸(TMCS)對以上所述Si02多孔薄膜進(jìn)行去 羥基修飾處理后，該薄膜的微觀形貌無明顯變化；薄膜的介電常數(shù)大大降低， 在lkHz時，從原來的大于4降低到1.86，達(dá)到超低介電常數(shù)范圍a<2);該 超低介電常數(shù)Si02多孔薄膜還顯示了強(qiáng)的抵抗?jié)駳馇忠u的能力，在大氣環(huán)境中 放置14個月后，介電常數(shù)幾乎不變，即具有良好的介電常數(shù)穩(wěn)定性。
具體實(shí)施方式
1) 采用堿催化法制備Si02溶膠，以PVA作為有機(jī)模板劑，按照比例與Si02 溶膠進(jìn)行混合攪拌，在60-10(TC下合成出Si02/PVA溶膠；2) 將Si(VPVA溶膠旋涂在濺射有鉑金電極的硅晶片上，形成濕的Si02/PVA 薄膜；3) 對Si02/PVA濕膜進(jìn)行450-900°C的快速熱處理，使其轉(zhuǎn)變成非晶無機(jī)Si02 多孔薄膜；4) 將這種非晶無機(jī)Si02多孔薄膜在約150'C下烘1小時，去除物理吸附水；5 )配制不同體積比的三甲基氯硅烷修飾溶液，這種溶液分別是由正己垸和5%、 10%、 15%、 20%、 30°/。、 40%、 50%、 60%、 70%和80%體積的三甲基氯硅 垸組成的；6) 將4)中的Si02多孔薄膜分別浸泡在以上溶液中l(wèi)-24小時，期間不斷攪拌 溶液以使薄膜表面的溶液不斷更新，使硅烷化進(jìn)行得更徹底；7) 取出Si02多孔薄膜，用正己烷溶液沖洗3-5次，以去除硅烷化過程中產(chǎn)生 的HC1，再在正己垸溶液中浸泡30分鐘，期間不斷擾動溶液以使薄膜表面 的溶液不斷更新，使HC1徹底去除，最后在150'C烘烤1小時去除溶劑。5這種方法的基本原理是修飾劑中的碳?xì)浞菢O性基團(tuán)進(jìn)入多孔Si02薄膜的孔 隙，其反應(yīng)如下Si - OH + Cl - Si(CH3)3 — Si — O畫Si(CH3)3 + HC1 丫Si02多孔薄膜表面的極性O(shè)H基團(tuán)被非極性-CH3基團(tuán)所置換，非極性的-CH3 基團(tuán)介電常數(shù)小，從而降低了整個薄膜的介電常數(shù)。
權(quán)利要求
1、環(huán)境穩(wěn)定的超低介電常數(shù)二氧化硅多孔薄膜的制備方法，其特征在于步驟如下1)SiO2多孔薄膜是用濕化學(xué)方法制備的，形成穩(wěn)定的非晶無機(jī)結(jié)構(gòu)；2)將SiO2多孔薄膜浸泡在體積含量為5-80％三甲基氯硅烷的正己烷溶液中，浸泡1～24小時進(jìn)行修飾，浸泡期間不斷擾動以使薄膜表面的溶液快速更新，促使硅烷化的進(jìn)行；3)用三甲基氯硅烷的正己烷溶液修飾過的SiO2多孔薄膜，經(jīng)正己烷溶液沖洗3-5次后，再在正己烷液體中浸泡10-60分鐘，浸泡期間不斷擾動以使薄膜表面的溶液快速更新，使HCl去除更徹底；4)用正己烷溶液清洗的SiO2多孔薄膜，在130-180℃烘烤0.5-3小時，即得到環(huán)境穩(wěn)定的超低介電常數(shù)二氧化硅多孔薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及環(huán)境穩(wěn)定的超低介電常數(shù)二氧化硅多孔薄膜的制備方法，對濕化學(xué)方法制備的非晶無機(jī)SiO₂多孔膜進(jìn)行表面疏水性修飾處理的工藝。用聚乙烯醇(PVA)作模板劑制備的非晶無機(jī)SiO₂多孔薄膜，具有適中的氣孔率、高熱穩(wěn)定性、刻蝕圖形清晰、與微電子工藝兼容性好的特點(diǎn)。本發(fā)明采用三甲基氯硅烷，對以上所述SiO₂多孔薄膜進(jìn)行了去羥基修飾處理，使其表面具有疏水性，薄膜顯示出了超低介電常數(shù)的性能，并對環(huán)境具有良好的穩(wěn)定性。
文檔編號H01L21/70GK101577246SQ200910022778
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月1日
發(fā)明者巍 任, 鵬 史, 吳小清, 熹 姚, 陳曉峰 申請人:西安交通大學(xué)