新型低介電常數(shù)材料研究進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間:2008/6/5 0:00:00 訪問次數(shù):2991
黃嬈，劉之景 | |||||
（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，安徽 合肥 230026） | |||||
摘要：在超大規(guī)模集成電路中，隨著器件集成度的提高和延遲時(shí)間的進(jìn)一步減小，需要應(yīng)用新型低介電常數(shù)（k<3)材料。本文介紹了當(dāng)前正在研究和開發(fā)的幾種低介電材料，其中包括聚合物、摻氟、多孔和納米介電材料。
１引言 隨著超大規(guī)模集成電路（ulsi）器件集成度的提高，元件極小尺寸向深亞微米發(fā)展，甚至將達(dá)到70nm水平。當(dāng)器件特征尺度逐漸減小時(shí)，由于多層布線和邏輯互連層數(shù)增加達(dá)８～９層，導(dǎo)線間電容和層間電容以及導(dǎo)線電阻增加，從而使得導(dǎo)線電阻ｒ和電容ｃ產(chǎn)生的ｒｃ延遲會(huì)有所上升，這就限制了器件的高速性能，而且增加能耗。為了降低ｒｃ延時(shí)及功率損耗，除了采用低電阻率金屬（如銅）替代鋁外，重要的是降低介質(zhì)層帶來的寄生電容ｃ。由于ｃ正比于介電常數(shù)ｋ，所以就需要開發(fā)新型的低介電常數(shù)（ｋ＜３）材料來作為絕緣材料。這些低ｋ材料需具備以下性質(zhì)：在電性能方面，要有低損耗和低泄漏電流；在機(jī)械性能方面，要有高附著力和高硬度，否則外力將易于跨越材料的降伏強(qiáng)度，勢(shì)必導(dǎo)致斷線危機(jī)，進(jìn)而破壞組件的運(yùn)作；在化學(xué)性能方面，要能耐腐蝕和有低吸水性；在熱性能方面，要有高穩(wěn)定性和低收縮性。由于普遍采用的介電材料sio2（k=39～42）已經(jīng)不能滿足ulsi發(fā)展的需求，所以多年來人們一直都在努力尋找各種合適的低介電材料。本文主要綜述了近年來人們研究和開發(fā)的新型低介電材料，例如有機(jī)和無機(jī)低ｋ材料，摻氟低ｋ材料，多孔低ｋ材料以及納米低ｋ材料等。 ２低介電常數(shù)材料 ２.１有機(jī)低ｋ材料 有機(jī)低ｋ材料種類繁多，性質(zhì)各異，其中以聚合物低ｋ材料居多。表１列舉了12種ｋ值較低的有機(jī)材料，我們重點(diǎn)介紹其中的聚酰亞胺。 聚酰亞胺（pi）是一類以酰亞胺環(huán)為結(jié)構(gòu)特征的高性能聚合物材料，介電常數(shù)為34左右，摻入氟，或?qū)⒓{米尺寸的空氣分散在聚酰亞胺中，介電常數(shù)可以降至23～28。介電損耗角正切值為10-3，介電強(qiáng)度為1～3 mv／cm，體電阻率為1017 ω·ｃｍ。這些性能在一個(gè)較大的溫度范圍和頻率范圍內(nèi)仍能保持穩(wěn)定。聚酰亞胺薄膜具有耐高低溫特性和耐輻射性、優(yōu)良的電氣絕緣性、粘結(jié)性及機(jī)械性能。例如未填充的塑料的抗張力強(qiáng)度都在100兆帕斯卡以上，而且能在－269～250℃的溫度范圍內(nèi)長期使用。熱膨脹系數(shù)很低，為2×10－5～3×10－5／℃。聚酰亞胺復(fù)合薄膜還具有高溫自粘封的特點(diǎn)。聚酰亞胺低ｋ材料目前已廣泛應(yīng)用于宇航、電機(jī)、運(yùn)輸工具、常規(guī)武器、車輛、儀表通信、石油化工等工業(yè)部門。它可作耐高溫柔性印刷電路基材，也可以作為扁平電路、電線、電纜、電磁線的絕緣層以及用作各種電機(jī)的絕緣等。 一種孔洞尺寸為納米級(jí)，介電常數(shù)低于24的芳香性聚酰亞胺泡沫材料已經(jīng)問世。它是目前制備聚酰亞胺玻璃布覆銅板的新型介電材料。制備聚酰亞胺納米泡沫材料的一般方法為：通過共縮聚反應(yīng)，合成熱穩(wěn)定性好的聚酰亞胺再與一些帶有氨基的、熱穩(wěn)定性差的齊聚物鑲嵌或接枝而成為共聚物。全芳香聚酰亞胺開始分解溫度一般都在500℃左右。由聯(lián)苯二酐和對(duì)苯二胺合成的聚酰亞胺，熱分解溫度達(dá)到600 ℃，這是迄今聚合物中熱穩(wěn)定性最高的品種之一。 除聚酰亞胺外，還有硅烷交聯(lián)聚乙烯和四甲基硅甲烷聚合物低ｋ材料也具有一些特殊的性質(zhì)，這里簡單介紹一下。 硅烷交聯(lián)聚乙烯耐電壓、耐熱、耐腐蝕、電阻系數(shù)高、介電常數(shù)小、機(jī)械性能好、加工便利，它被廣泛應(yīng)用于制造電力電纜、聚乙烯管、交聯(lián)聚乙烯鋁塑復(fù)合管材等。 以四甲基硅甲烷和o2的混合氣體為原料，通過射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積方法（pecvd）而制得的薄膜能在較高的溫度下保持穩(wěn)定。350℃時(shí)退火得到的ｋ值為32，而在500 ℃下退火30mink 值降至27，維持了其低ｋ特性，成為不可多得的耐熱性能強(qiáng)的有機(jī)低介電材料之一［１］。 ２．２無機(jī)低ｋ材料 比較典型的無機(jī)低ｋ材料有無定形碳氮薄膜、多晶硼氮薄膜、氟硅玻璃等。這里分別介紹如下。 ２．２．１無定形碳氮薄膜 通過特殊工藝制備的無定形碳氮薄膜ａｃｎｘ，在１ ｍｈｚ頻率下介電常數(shù)值可降至19。并且它比一般ａｃｎｘ具有更高的電阻率［２］。用ｃ２ｈ２和ｎ２作為原料氣體，硅作為襯底，電子回旋加速器共振等離子
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