新型低介电常数材料研究进展
发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:2983
黄娆，刘之景 | |||||
（中国科学技术大学近代物理系，安徽 合肥 230026） | |||||
摘要：在超大规模集成电路中，随着器件集成度的提高和延迟时间的进一步减小，需要应用新型低介电常数（k<3)材料。本文介绍了当前正在研究和开发的几种低介电材料，其中包括聚合物、掺氟、多孔和纳米介电材料。
１引言 随着超大规模集成电路（ulsi）器件集成度的提高，元件极小尺寸向深亚微米发展，甚至将达到70nm水平。当器件特征尺度逐渐减小时，由于多层布线和逻辑互连层数增加达８～９层，导线间电容和层间电容以及导线电阻增加，从而使得导线电阻ｒ和电容ｃ产生的ｒｃ延迟会有所上升，这就限制了器件的高速性能，而且增加能耗。为了降低ｒｃ延时及功率损耗，除了采用低电阻率金属（如铜）替代铝外，重要的是降低介质层带来的寄生电容ｃ。由于ｃ正比于介电常数ｋ，所以就需要开发新型的低介电常数（ｋ＜３）材料来作为绝缘材料。这些低ｋ材料需具备以下性质：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，否则外力将易于跨越材料的降伏强度，势必导致断线危机，进而破坏组件的运作；在化学性能方面，要能耐腐蚀和有低吸水性；在热性能方面，要有高稳定性和低收缩性。由于普遍采用的介电材料sio2（k=39～42）已经不能满足ulsi发展的需求，所以多年来人们一直都在努力寻找各种合适的低介电材料。本文主要综述了近年来人们研究和开发的新型低介电材料，例如有机和无机低ｋ材料，掺氟低ｋ材料，多孔低ｋ材料以及纳米低ｋ材料等。 ２低介电常数材料 ２.１有机低ｋ材料 有机低ｋ材料种类繁多，性质各异，其中以聚合物低ｋ材料居多。表１列举了12种ｋ值较低的有机材料，我们重点介绍其中的聚酰亚胺。 聚酰亚胺（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34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23～28。介电损耗角正切值为10-3，介电强度为1～3 mv／cm，体电阻率为1017 ω·ｃｍ。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。例如未填充的塑料的抗张力强度都在100兆帕斯卡以上，而且能在－269～250℃的温度范围内长期使用。热膨胀系数很低，为2×10－5～3×10－5／℃。聚酰亚胺复合薄膜还具有高温自粘封的特点。聚酰亚胺低ｋ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。 一种孔洞尺寸为纳米级，介电常数低于24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ｋ材料也具有一些特殊的性质，这里简单介绍一下。 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、聚乙烯管、交联聚乙烯铝塑复合管材等。 以四甲基硅甲烷和o2的混合气体为原料，通过射频等离子体增强化学汽相沉积方法（pecvd）而制得的薄膜能在较高的温度下保持稳定。350℃时退火得到的ｋ值为32，而在500 ℃下退火30mink 值降至27，维持了其低ｋ特性，成为不可多得的耐热性能强的有机低介电材料之一［１］。 ２．２无机低ｋ材料 比较典型的无机低ｋ材料有无定形碳氮薄膜、多晶硼氮薄膜、氟硅玻璃等。这里分别介绍如下。 ２．２．１无定形碳氮薄膜 通过特殊工艺制备的无定形碳氮薄膜ａｃｎｘ，在１ ｍｈｚ频率下介电常数值可降至19。并且它比一般ａｃｎｘ具有更高的电阻率［２］。用ｃ２ｈ２和ｎ２作为原料气体，硅作为衬底，电子回旋加速器共振等离子
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