低介电常数材料的特点、分类及应用

1、低介电常数材料的特点、分类及应用胡扬 摘要: 本文先介绍了低介电常数材料（low k materials）的特点、分类及其在集成电路工艺中的应用。指出了应用低介电常数材料的必然性，举例说明了低介电常数材料依然是当前集成电路工艺研究的重要课题，并展望了其发展前景。正文部分综述了近年研究和开发的low k材料，如有机和无机低材料，掺氟低材料，多孔低材料以及纳米低材料等，评述了纳米尺度微电子器件对低k薄膜材料的要求。 最后特别的介绍了一种可能制造出目前最小介电常数材料的技术： air-gap。关键词：低介电常数；聚合物；掺氟材料；多孔材料；纳米材料 ;air-gap1引言 随着ulsi器件集成度的提

2、高，纳米尺度器件内部金属连线的电阻和绝缘介质层的电容所形成的阻容造成的延时、串扰、功耗就成为限制器件性能的主要因素,微电子器件正经历着一场材料的重大变革：除用低电阻率金属（铜）替代铝，即用低介电常数材料取代普遍采用的sio2（k：3.94.2）作介质层。对其工艺集成的研究，已成为半导体ulsi工艺的重要分支。 这些低材料必须需要具备以下性质： 在电性能方面:要有低损耗和低泄漏电流；在机械性能方面:要有高附着力和高硬度;在化学性能方面:要有耐腐蚀和低吸水性；在热性能方面:要有高稳定性和低收缩性。2背景知识 低介电常数材料大致可以分为无机和有机聚合物两类。目前的研究认为，降低材料的介电常数主要有两

3、种方法：其一是降低材料自身的极性，包括降低材料中电子极化率（electronic polarizability），离子极化率（ionic polarizability）以及分子极化率（dipolar polarizability）。在分子极性降低的研究中，人们发现单位体积中的分子密度对降低材料的介电常数起着重要作用。材料分子密度的降低有助于介电常数的降低。这就是第二种降低介电常数的方法：增加材料中的空隙密度，从而降低材料的分子密度。 针对降低材料自身极性的方法，目前在0.18mm技术工艺中广泛采用在二氧化硅中掺杂氟元素形成fsg（氟掺杂的氧化硅）来降低材料的介电常数。氟是具有强负电性的元素，当

4、其掺杂到二氧化硅中后，可以降低材料中的电子与离子极化，从而使材料的介电常数从4.2降低到3.6左右。为进一步降低材料的介电常数，人们在二氧化硅中引入了碳（c）元素：即利用形成si-c及c-c键所联成的低极性网络来降低材料的介电常数。例如无定形碳薄膜的研究，其材料的介电常数可以降低到3.0以下。 针对降低材料密度的方法，其一是采用化学气相沉积（cvd）的方法在生长二氧化硅的过程中引入甲基（-ch3），从而形成松散的sioc:h薄膜，也称cdo（碳掺杂的氧化硅），其介电常数在3.0左右。其二是采用旋压方法（spin-on）将有机聚合物作为绝缘材料用于集成电路工艺。这种方法兼顾了形成低极性网络和高空

5、隙密度两大特点，因而其介电常数可以降到2.6以下。但致命缺点是机械强度差，热稳定性也有待提高。介电常数不仅仅决定于材料本身的固有性质，而且会因为制备条件和方法的不同而有所变化。化学汽相沉积是制备低介材料的重要技术，沉积不同的薄膜应采用不同的技术，而制备同一种薄膜采用的技术不同，也会使材料的某些性能有所差异。例如用制备的薄膜，值可由先前的.降至.，若将它在 下进行 的后期退火，可进一步降低值至.。通过对沉积方法的选择和对沉积参数的优化，能得到更符合要求的低介材料薄膜。3.正文 下面将按顺序介绍5种低k材料： 3.有机低材料有机低材料种类繁多，性质各异，其中以聚合物低材料居多。重点介绍聚酰亚胺。聚

6、酰亚胺（pi）是一类以酰亚胺环为结构特征的高性能聚合物材料，介电常数为3.4左右，掺入氟，或将纳米尺寸的空气分散在聚酰亚胺中，介电常数可以降至2.32.8。介电损耗角正切值为10-3，介电强度为13 mvcm，体电阻率为1017 。这些性能在一个较大的温度范围和频率范围内仍能保持稳定。聚酰亚胺薄膜具有耐高低温特性和耐辐射性、优良的电气绝缘性、粘结性及机械性能。聚酰亚胺复合薄膜还具有高温自粘封的特点。聚酰亚胺低材料目前已广泛应用于宇航、电机、运输工具、常规武器、车辆、仪表通信、石油化工等工业部门。它可作耐高温柔性印刷电路基材，也可以作为扁平电路、电线、电缆、电磁线的绝缘层以及用作各种电机的绝缘等

7、。 一种孔洞尺寸为纳米级，介电常数低于2.4的芳香性聚酰亚胺泡沫材料已经问世。它是目前制备聚酰亚胺玻璃布覆铜板的新型介电材料。制备聚酰亚胺纳米泡沫材料的一般方法为：通过共缩聚反应，合成热稳定性好的聚酰亚胺再与一些带有氨基的、热稳定性差的齐聚物镶嵌或接枝而成为共聚物。全芳香聚酰亚胺开始分解温度一般都在500左右。由联苯二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺，热分解温度达到600 ，这是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。除聚酰亚胺外，还有硅烷交联聚乙烯和四甲基硅甲烷聚合物低材料也具有一些特殊的性质。硅烷交联聚乙烯耐电压、耐热、耐腐蚀、电阻系数高、介电常数小、机械性能好、加工便利，它被广泛应用于制造电力电缆

8、、聚乙烯管、交联聚乙烯铝塑复合管材等。3无机低材料典型的无机低材料有无定形碳氮薄膜、多晶硼氮薄膜、氟硅玻璃等。3无定形碳氮薄膜无定形碳氮薄膜，在 频率下介电常数值可降至1.9。并且它比一般具有更高的电阻率。用和作为原料气体，硅作为衬底，电子回旋加速器共振等离子区制备的的介电常数值在 下能达到。当氮碳原子比例增加或者进行氟掺杂时，值有进一步的减小。目前最好的结果测得在 下和的介电常数值最低分别为.和.。薄膜的热稳定性通过在气体原料中加入氩气并将氮原子与无定形碳的网状结构结合而得到改善。的特征电阻率为 ，击穿场强为 ，这样好的电抗性质很适合做为介电材料，被考虑作为一种低互连介质应用于中。另外，得到

9、广泛的关注还由于它具有独特的菱形外观，化学性质稳定，不易与其他物质发生反应，良好的机械性能与电性能以及光学性质，因此它有很多用途，例如作为平板显示器的电子发射器材料的候选者等。3多晶硼氮薄膜以型为衬底，、和为原料，利用技术合成的多晶硼氮薄膜值能够达到.。进一步研究发现，原子的加入能有效地降低值。这种薄膜具有一定的机械硬度和化学稳定性，有很高的热传导率和较宽的能带隙（ ），在场强为0.1 时，其泄漏电流值为.-8，并且有望进一步减小。除了用做互连介质外，它在电子和光电子器件的应用上也是一种很有前途的材料，如场发射器等。3氟硅玻璃它是一种无机低材料，能扩大的化学汽相沉积过程，在普通玻璃中加入氟，提

10、高了填充能隙同时减低了介电常数。这种材料的性能很大程度上由其加工条件和原料物质决定，它的介电常数随着氟元素比例增加能在.变化。3掺氟低材料掺杂（尤其是掺氟）是目前用以减少值的最常见和有效的方式。很多材料在进行氟掺杂后值显著降低，并且具体数值随着氟在材料中比例的变化而变化。此外，某些材料的性质也会伴随着掺杂而得到有益的改善。然而氟的介入不可避免地造成了抗湿性的减弱，这也是目前广泛研究的内容之一。以下几种材料是其中的代表。聚四氟乙烯，值可达到.，是一种具有良好介电性能的高温绝缘材料，它具有低的介电损耗和稳定的介电常数，而且不受温度和频率变化的影响，可在 环境下使用，在 左右也可长期使用。同时它具有

11、优良的耐药性、低的摩擦系数和不粘性，它与普通粘结剂也不相互粘结，因而是理想的防粘材料。因此聚四氟乙烯制品广泛用于国防、军事尖端科学及国民经济各个部门。但由于聚四氟乙烯的机械强度不高，因而采用玻璃布进行增强，既保持了聚四氟乙烯的基本性能，又大大提高了机械强度，为聚四氟乙烯制品推广应用创造了更广阔的前景。io本身也是一种低材料，随着其中氟成分比例的提高，值下降。以往的值最低达.，但采取较好的措施在中加入，进行等离子体加强化学汽相沉积（），可降至.。通常具有较高稳定性的薄膜将氟元素的比例控制在.，此时的值能达到.，并且在 下保持稳定。保留了较多的性质，与已有的工艺能很好地兼容，在热稳定性，对无机物的

12、黏附性等方面明显优于有机介质。但氟的加入使得它抗湿性能差，暴露于空气中易吸收水而发生水解。可以采用各种各样的措施用来降低它对空气中水的吸收。实验发现，通过在混合气体中加进，淀积的碳掺杂薄膜（）的抗湿性有显著改善，同时也表现出较好的热稳定性。并且当原料中对四乙基原硅酸盐（）的比例为:时，介电常数在 频率下的值能降到.。氟化非晶碳膜（-cf）也是一种低材料，它具有氟碳化合物的共性，即疏水性，以及低性（小于.，可达.， 下为.）。用以制备的典型原料是，分别与的混合气体，可以通过改变比例来改善热稳定性，并且生产成本低廉，是一种有应用前景的互连介质材料。薄膜是以和为原料，采用技术而得到的薄膜，它表现出较

13、好的抗湿性和极佳的低性，值在.之内，此外它还具有较好的界面支持性以及光滑的表面形态。除去以上几种材料，同类型的掺氟低材料还有不少，例如以三乙氧基氟硅烷和氧气的混合气体为原料沉积得到的复合薄膜，其值可达到.等。 3多孔低材料多孔低材料可利用二氧化硅气凝胶等在值已经较低的绝缘体中注入孔穴，并采取旋涂沉积方式制得。例如在孔穴加入的情况下聚四氟乙烯的值可降至.。另外，多孔硅的值在.，并且随着气孔率的增加而降低。传统的多孔硅薄膜是利用气凝胶制备，但这个过程需要在无收缩下干燥等一系列复杂的加工条件。超临界溶解提取方法用于制备硅的气凝胶，能使材料的值降到.，气孔率从变化，但这种方法昂贵而且危险，没有推广价值

14、。比较好的方法是在水蒸气环境下进行加工，实验显示水蒸气能有效地完成凝胶化过程并且能控制气孔率。与堆积的不同，的纳米微粒能在相对较低的温度下蒸发。在氩气环境中对的纳米微粒进行气体蒸发沉积作用得到的纳米量级多孔硅薄膜介电常数随着氩气压强的增加而减小，此时孔隙率则有所上升。 以聚四氟乙烯为原料通过旋涂制成的无定形含氟聚合物薄膜具有多孔结构，其值相应也比较低。当场强在. 范围变化时，其泄漏电流密度小于 ，击穿场强为. ，作为介电材料性能比较优越。3纳米低材料纳米低材料因其独特的介电特性而得到人们广泛的关注。纳米粒子具有大的比表面积、表面原子数，表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加，表现出小尺寸效应、表

15、面效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应等特点，从而导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于正常的粒子，其奇异性能的重要表现之一便是具有特殊的介电性能。比如聚酰亚胺纳米杂化材料，其介电常数低于，同时具有高的强度和低的吸水率，可作为超低介电常数绝缘材料。聚酰亚胺纳米材料的介电性能因所含无机物的介电性能不同而不同，其无机物有陶瓷、聚硅氧烷、分子筛等。近来一种被称作纳米玻璃的介质得到开发，它的介电常数也能在.变化。这种低介电常数介质可用惯用的自旋镀膜机镀到硅片上，然后烘干排除溶剂。和多孔二氧化硅相比，它在几分钟内便可排除溶剂，而多孔二氧化硅需要数小时。而且纳米玻璃温度稳定性也比多孔二氧化硅好

16、，在 下仍很稳定。. 铜纳米玻璃连线和铝二氧化硅连线相比，电阻相同时，电容下降；电容相同时，电阻下降；性能几乎提高倍。采用真空来制作芯片-真空的介电常数是最小的一种新半导体制造技术， 该技术通过“空气隙”(air-gap，微小的真空洞)来替换集成电路中铜线附近的常规绝缘材料。其效果甚至比最新的固体低电介质常数材料还要好。ibm 的air-gap 技术:可以将空气隙、槽, 或洞指为真空。他们具有比常规固体电介质更低的介电常数(k)连线最重要的绝缘特性。具有更低介电常数的电介质可减少毗邻导线之间的电容耦合, 从而改善电流，特别是较长的平行的导线。空气隙尽量可减少阻容(rc)延迟35%。电路设计师能

17、以各种各样的方式调整容值。这能增加芯片的时钟频率, 减少功耗，或选择某些改善组合。air-gap 技术将帮助设计师保持电路缩放比例。由于电路持续变小，金属层导线被紧压得更加紧密。一些最新的微处理器有超过20英哩接线。但上升的rc 延迟减慢了信号传播并迫使电路在更高的电流下运行。不同层的不同选择: 通常，芯片金属层的导线被蚀刻在固体电介质材料中，如碳硅氧氢化物(sicoh)或掺氟的氧化硅(siof)。 sicoh对于较低金属层中(通常离含晶体管的多晶硅层最近)的最紧间距导线最有效。最顶层金属需要更厚的siof层来加强晶原和封装间的机械接口。传统的低k材料的介电常数分别为2.7(65nm cmos

18、)和2.4(45nm cmos)。由于更高ksicn 盖层具有附加电阻，总有效介电常数(keff)实际略高：分别为3.0 (65nm cmos)和2.7(45nm cmos)。最佳可能的介电常数是真空: 1.0。工程师不断寻找与现有的制造过程兼容的更低介电常数材料。不幸地, 随着介电常数的降低，低k固体电介质机械及电子性能也变差。这些副作用减少了新固体电介质的应用能力。过去，真空洞以有限的方式被使用，并且仅应用在奇特的比cmos更昂贵的制程中。面临的挑战是如何在导线附近留下物理空隙而不危害铜或创造缺乏结构完整性和导热性的空隙。空隙的临界尺寸仅仅是导线之间最小间距的一半。这个目标在最低的金属层中

19、特别困难,因为这些金属层具有最紧的间距。另外, 为创造空隙的附加制造步骤应该与cmos其他制造过程兼容, 从而使对设计规则和生产线的影响减到最小。解决方案是使用二个非常不同的制造技术来创造空隙。较简单的技术使用常规光刻蚀，不幸地是，这个技术对于有最小间距的低层金属层是不够的。光刻蚀的分辨率无法创造足够小的洞。因此，必须为这些层发明一种非传统技术 即上述的“自组装纳米技术”。对于中间和上部金属层,在熟悉的一系列制作步骤中采用传统光刻蚀。该过程由开始以常规铜接线层和一个绝缘体, 之后增加几步低成本步骤制造空隙。在下一绝缘层沉积之前前，夹断并密封空隙。可以构想一种方式来扩展在标准铜顶层中小开口下的空

20、隙以便迅速实现夹断，而不导致空袭再次被填满。由于所有这些步骤发生在仔细控制的真空室(任何芯片制造过程的一个共性)， 被密封的空隙依然是真空的。类似于牙齿生长的过程:最低层金属层的处理方法非常不同。首先，和通常一样，在固体低k电介质材料(在这种情况下为sicoh)中制造标准铜接线层。其次，sicn (硅碳氮化物)标准盖层覆于其上。但这步之后，随后覆盖ibm未透露的特殊聚合物层。以液膜方式沉积这种材料。随着其固化，该材料自动重排其原子结构来组成晶格样式。 聚合物材料固化后，采用等离子在其中刻蚀出数万亿的纳米孔以破化其下的sicoh(每个孔径约为20nm)。接下来，采用酸将已被破坏的sicoh通过孔隙去，在余下的电介质中留下连续的空隙。通常采用常规层间电介质封闭连续的空袭。这些步骤在真空室中进行，从而在空洞中留下真空。理想状况下，真空洞可完美地遮盖导线，从而达到电介常数为1。但是，为了机械和热性能的完整性，相当量的固体电介质留在导线上方或下方。这导致总有效介电常数上升至2.0，但这仍然比固体电介质进步了很多。剩余的固体材料保持空隙结构的完整，及将导线的热导出至硅基板以传出芯片。没有固体电介质，空隙可能会太脆弱以至难以支撑导线，且这些空隙也会聚集太多的热。air-gap技术在真正的芯片中的应用:空气隙并非只是理论性