專利名稱：低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜及其制備方法，該薄膜用于集成電路制造。
背景技術(shù)：
隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，當集成電路的特征尺寸減小至180nm或更小時，互連寄生的電阻、電容引起的延遲、串擾和能耗已成為發(fā)展高速、高密度、低功耗和多功能集成電路需解決的瓶頸問題。在大規(guī)模集成電路中，層間及線間介質(zhì)用低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)薄膜代替二氧化硅，可以有效減少互連寄生電容，從而減少電容引起的延遲、串擾和能耗。因此，很多科研人員一直在探索一些低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)薄膜。
目前，國內(nèi)外研究較多的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)薄膜有含氟氧化硅薄膜(SiOF)、聚酰亞胺薄膜(PI)、倍半氧化硅薄膜(SSQ)等，但這些產(chǎn)品存在著生產(chǎn)工藝復(fù)雜、耐溫性能差、對電路有腐蝕、與硅片粘附性能差等缺點。現(xiàn)有的多納米孔氧化硅薄膜因致孔模板單一，不能參與交聯(lián)，從而造成薄膜孔徑難以控制，微孔分布不均，力學(xué)強度不可調(diào)節(jié)，且退火時薄膜力學(xué)性能嚴重下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜及其制備方法，該薄膜可用于大規(guī)模集成電路，具有電學(xué)性質(zhì)好、與硅片粘附性優(yōu)良、納米微孔孔徑可調(diào)節(jié)、微孔分布均一、力學(xué)性質(zhì)可調(diào)。
本發(fā)明所述的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜，其特征在于該薄膜由具有下列通式的材料制成SiOxRy其中1≤x＜2，0＜y≤2，2x+y＝4；R為甲基、乙基或苯基；薄膜中的化學(xué)鍵是Si-O鍵、Si-C鍵和C-H鍵；薄膜含有納米微孔。薄膜厚為50-400nm；薄膜中Si原子含量(重量)17-47％，C原子含量(重量)0-33％，氫原子含量(重量)0-9％，O原子含量(重量)21-55％；薄膜中納米微孔的孔徑為5-100nm。
本發(fā)明所述的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟1、用單端基倍半硅氧烷有機物作為致孔模板與硅氧烷在有機溶液中制備溶膠；2、將上述溶膠涂布于硅片上制成薄膜；3、將上述薄膜在惰性氣體保護下退火即得低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜，退火溫度為200-600℃，升溫速率為5-20℃每分鐘。
其中(1)中所用致孔模板可為單端基倍半硅氧烷聚合物，特別是單端基倍半硅氧烷聚醚，如單端基倍半硅氧烷聚乙二醇醚，單端基倍半硅氧烷聚丙二醇醚，單端基倍半硅氧烷聚四氫呋喃醚等，并以分子量為500-4000的聚醚為最佳，單端基倍半硅氧烷聚醚可以通過一定方法合成，如硅氫加成反應(yīng)等。
所用有機溶液為四氫呋喃或甲基甲酰胺溶液。
所用硅氧烷為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、烷基烷氧基硅烷、芳基烷氧基硅烷中的至少一種，且采用不同的比例，可得到不同力學(xué)性能的材料。
所制備的溶膠濃度為0.1-1％。
采用不同分子量的致孔模板可以得到不同孔徑的納米微孔，采用不同的致孔模板與硅氧烷比例，可以得到不同孔積比率的材料。
所述涂布方法為印刷、噴涂，特別是旋轉(zhuǎn)涂抹方法，且旋轉(zhuǎn)速度為1000-7000rpm。
由于氧化硅本身介電常數(shù)為2.8-4.0，適當加入有機致孔模板，就能得到介電常數(shù)低于2.0的超低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)薄膜。由于薄膜主體結(jié)構(gòu)為Si-O鍵，所以薄膜耐溫性好，與硅片粘附性能好。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是1、介電常數(shù)低，可以降低到2.2左右。2、薄膜中的納米微孔分布均勻，致孔模板一端參與交聯(lián)體系，既阻止了凝膠涂抹時的有機相微觀相分離，又有效避免了因致孔模板多處參與交聯(lián)體系而導(dǎo)致的退火時薄膜內(nèi)部交聯(lián)受到網(wǎng)絡(luò)破壞。3、薄膜中的微孔大小尺寸可調(diào)，通過控制致孔模板的分子量，從而可以調(diào)控有機鏈段自纏繞成球的尺寸，退火后可以得到所需尺寸的納米微孔。4、薄膜的剛性、柔性可調(diào)控，通過調(diào)節(jié)多組分硅氧烷中正硅酸烷酯和烷基烷氧基硅烷的比例，可以調(diào)節(jié)薄膜中氧化硅的交聯(lián)密度，從而可以控制薄膜的機械強度和柔韌性。5、薄膜電學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熱分解溫度在500℃以上，在空氣中基本不吸收水分。6、與硅片的粘附性好，結(jié)合緊密，殘余應(yīng)力小。
隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微電子電路的尺寸日益縮小，互連延遲和寄生電容的增大，本發(fā)明特別適用于超大規(guī)模集成電路、CPU生產(chǎn)中替代傳統(tǒng)SiO2以及其他現(xiàn)有低介電薄膜，可以十分有效地減少發(fā)熱和延遲。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發(fā)明作進一步詳述。
實施例1本發(fā)明所制備的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜，由具有下列通式的材料制成SiOxRy其中x＝1.1，y＝1.8；R為甲基；薄膜中的化學(xué)鍵是Si-O鍵、Si-C鍵和C-H鍵；薄膜中含有納米微孔，孔徑為50納米，微孔與薄膜的體積比為20％；薄膜的厚度為200納米；薄膜中Si原子含量(重量)37％，C原子含量(重量)33％，氫原子含量(重量)7％，O原子含量(重量)23％。
上述薄膜的制備方法是1、將烯丙基聚乙二醇醚(分子量900)與三甲氧基硅氫在氯鉑酸催化下硅氫加成，得到分子量為1000的單端基倍半硅氧烷聚乙二醇醚，作為致孔模板。
2、以上述致孔模板與二甲基二甲氧基硅烷、正硅酸甲酯為原料，其中二甲基二甲氧基硅烷與正硅酸甲酯的比例為9∶1，在四氫呋喃中用稀酸催化下水解，制得0.2％濃度溶膠，在室溫和5000rpm轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)涂膜，450℃溫度和氮氣條件保護下退火，升溫速率為5℃每分鐘。
實施例2本發(fā)明所制備的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜，由具有下列通式的材料制成SiOxRy其中x＝1.5，y＝1；R為乙基；薄膜中的化學(xué)鍵是Si-O鍵、Si-C鍵和C-H鍵；薄膜中含有納米微孔，孔徑為20納米，微孔與薄膜的體積比為50％；薄膜的厚度為300納米；薄膜中Si原子含量(重量)35％，C原子含量(重量)30％，氫原子含量(重量)5％，O原子含量(重量)30％。
上述薄膜的制備方法是以分子量為650的單端基倍半硅氧烷聚環(huán)氧丙烷醚、二乙基二乙氧基基硅烷、正硅酸乙酯為原料。其中二乙基二乙氧基硅烷與正硅酸乙酯的比例為1∶1，在二甲基甲酰胺中弱堿催化下水解，制得0.1％濃度溶膠，在4000rpm轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)涂膜，500℃氬氣條件下退火，升溫速率10℃每分鐘。
實施例3本發(fā)明所制備的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜，由具有下列通式的材料制成SiOxRy其中x＝1.9，y＝0.2；R為苯基；薄膜中的化學(xué)鍵是Si-O鍵、Si-C鍵和C-H鍵；薄膜中含有納米微孔，孔徑為80納米，微孔與薄膜的體積比為80％；薄膜的厚度為400納米；薄膜中Si原子含量(重量)38％，C原子含量(重量)20％，氫原子含量(重量)1％，O原子含量(重量)41％。
上述薄膜的制備方法是以分子量為650的單端基倍半硅氧烷聚四氫呋喃醚、二苯基二甲氧基基硅烷、正硅酸甲酯為原料。其中二苯基二甲氧基硅烷與正硅酸甲酯的比例為1∶9，在二甲基甲酰胺中酸催化下水解，制得0.5％濃度溶膠，在2000rpm轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)涂膜，600℃氬氣條件下退火，升溫速率20℃每分鐘。
權(quán)利要求
1.一種低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜，其特征在于該薄膜由具有下列通式的材料制成SiOxRy其中1≤x＜2，0＜y≤2，2x+y＝4；R為甲基、乙基或苯基；薄膜中的化學(xué)鍵是Si-O鍵、Si-C鍵和C-H鍵；薄膜含有納米微孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜，其特征在于薄膜厚為50-400nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜，其特征在于薄膜中Si原子含量(重量)17-47％，C原子含量(重量)0-33％，氫原子含量(重量)0-9％，O原子含量(重量)21-55％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜，其特征在于薄膜中納米微孔的孔徑為5-100nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)用單端基倍半硅氧烷有機物作為致孔模板與硅氧烷在有機溶液中制備溶膠；(2)將上述溶膠涂布于硅片上制成薄膜；(3)將上述薄膜在惰性氣體保護下退火即得低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜，退火溫度為200-600℃，升溫速率為5-20℃每分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜的制備方法，其特征在于(1)中所用致孔模板為單端基倍半硅氧烷聚合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜的制備方法，其特征在于致孔模板為單端基倍半硅氧烷聚醚，分子量為500-4000。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜的制備方法，其特征在于(1)中的有機溶液為四氫呋喃或甲基甲酰胺。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜的制備方法，其特征在于(2)中涂布方法為印刷、噴涂或旋轉(zhuǎn)涂抹。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜的制備方法，其特征在于(1)中所用硅氧烷為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、烷基烷氧基硅烷、芳基烷氧基硅烷中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)氧化硅薄膜，該薄膜由具有通式為SiO
文檔編號H01L21/02GK1585101SQ20041004483
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月2日
發(fā)明者賈敘東, 襲鍇, 余學(xué)海 申請人:南京大學(xué)