第七章_低介电常数薄膜材料
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低介电常数薄膜材料
7.1 低介电常数材料的研究背景 7.2 碳基低介电常数薄膜 7.3 硅基低介电常数薄膜 7.4 SiCOH多孔（超）低介电常数材料 的制备与性能
7.1 低介电常数材料的研究背景
7.1.1 纳电子器件对新互连材料的需求 在多层互连系统中，由互连阻容（RC）耦合增大 导致的信号传送延时、干扰增强和功率消耗增大问题 决定于互连材料性能和互连结构设计。 1. RC延时 多层连线系统的RC由下式给出:
7.4.1 SiCOH多孔（超）低介电常数材料 的加工技术
在SiCOH多孔（超）低k材料研究的早期，甩胶技术曾 是主要的制备技术。虽然这种技术易于获得多孔材料，并 且采用模板可以控制孔的定向生长，但是制备的多孔材料 由于力学性能差、热稳定性差，尤其是工艺与微电子工艺 不兼容，在材料的集成时面临着巨大困难。 随着与微电子工艺兼容性极好的PECVD技术在制备 SiCOH多孔（超）低k材料方面的突破，CVD技术受到人 们的青睐。目前等离子体增强的化学气相沉积 （PECVD）、电感耦合等离子体化学气相沉积（ICPCVD）、电子回旋共振等离子体化学气相沉积（ECRCVD）相继在SiCOH多孔（超）低k材料的制备中应用。
7.4.2 SiCOH多孔（超）低k材料的结构与物性
多孔SiCOH薄膜的键结构依源气体的不同而有区别，主 要的键结构是形成网络结构和鼠笼结构的Si-O-Si键结构、与 致孔剂相关联的C-H键结构，鼠笼结构和C-H键结构与孔隙 的形成密切相关。 介电性能是SiCOH多孔薄膜最重要的物性，追求极低的介电常数
多孔介质中的孔结构示意图
7.3.2 Si基多孔（超）低k介质分类与结构性质
1.
倍半硅氧烷(SSQ)基多孔薄膜 倍半硅氧烷基多孔材料的基本结构单元是倍半硅氧烷， 如下图所示。
2. 二氧化硅基多孔薄膜
二氧化硅基多孔薄膜的基本结构为SiO2四面体，如下 图所示。在二氧化硅基多孔薄膜中，用低极化的Si-F键取 代Si-O键形成掺杂F的二氧化硅玻璃，或引入CH3基团形 成掺C的二氧化硅玻璃，均可降低薄膜的k值，掺C的二氧 化硅玻璃的介电常数为2.6~3.0.
7.4 SiCOH多孔（超）低介电常数材料 的制备与性能
SiCOH多孔薄膜作为可延展到超低k值的新一 代低k材料，近年来得到了极大关注，从溶胶-凝 胶技术发展到PECVD技术，从链结构源发展到环 结构源，从物性分析技术到机理分析， SiCOH多 孔（超）低k材料的研究工作在加工技术、分析测 试技术、结构与性能分析及相关的理论研究中已 取得了一定进展，同时面临着一系列新问题、新 方法的探索。
7.2 碳基低介电常数薄膜
7.2.1 氟化非晶碳薄膜 在诸多的候选材料中，a-C:F薄膜无论从科学的角度还 是从应用的角度都具有其固有的优点。首先，它的介电常数 可低于2.0，而且介电常数的数值易于通过改变薄膜的成分 及其密度来控制。其次，用等离子体CVD方法沉积的a-C:F 薄膜比旋转涂覆有机薄膜具有更高的关联密度，其玻璃转化 温度更高，结构类似于含氢非晶碳膜，使得这种薄膜很有可 能比传统的SiO2具有更高的热导、相似的热稳定性和刚性。 另外， a-C:F薄膜的制造工艺与现有的集成电路制造工艺相 兼容，具备进行大规模生产的条件；工作气体无毒或低毒、 价格便宜、容易获得；并且化学气相沉积易于完整地填充高 纵横比的沟道。
RC 2 k 0 4 L2 / P 2 L2 / T 2
因此，多层连线的RC延时取决于互连导体的电 阻率、绝缘体的极化率和几何结构
典型的多层互连系统
2. 信百度文库干扰
通常干扰局限在电路的某些关键部位，可 通过增大这些部位线间介质厚度来减小干扰。 但是，时钟速度的提高和工作电压的降低使得 电路对干扰更敏感，空间修正方法无法继续满 足实用需求。来自电路不同部位的信号之间的 干扰CLL/(CLL+CV)的比值有关，因此，在不改 变电路尺寸的前提下，可通过降低线间电容 CLL与层间电容CV的比值来抑制干扰。
7.1.2 低介电常数材料的研究思路
根据电介质理论，介质的极化不仅与偶极子 取向极化、离子极化和电子极化等极化过程有 关，还与介质中极化分子数密度有光，因此降 低分子极化能力和低极化分子数密度成为降低 介电常数的两条途径。但是通过降低分子极化 能力来降低介质的介电常数非常有限，降低极 化分子数密度成为获得超低介电常数的重要途 径。
7.3 硅基低介电常数薄膜
多孔介质是一种含有孔隙的介质材料，从不同的角度， 多孔介质具有不同的定义和分类。目前，多孔低k介质的 定义和分类主要依据如下：①基本的成分与结构；②主要 的沉积技术；③产生和控制孔隙率的途径。 根据孔径分类：分为微孔（<2nm）和介孔(2~50nm)。 根据孔隙产生方法分类：本构的和致生的。 根据制备技术的差异：甩胶技术和化学气相沉积技术。 多孔介质的孔结构极其复杂，主要有以下几种：①圆柱状孔 ②堆积球之间的孔隙和边界③封闭孔④瓶颈孔⑤漏斗孔⑥ 开放孔
3. 功率消耗 在多层互连系统中，功率消耗为 P=CV2f 因此，在特定的工作频率、工作电压下， 功耗主要决定于介质的电容。 为了解决这些问题，人们从以下几个方 面进行了探索： 1）寻求新的互连材料，从降低互连电阻和介 质层电容的角度来降低RC延时 2） 设计新的互连结构，降低结构不合理导致 的RC耦合 3）寻求新的互连方式，如光互连、量子互连
3. 多孔硅薄膜
采用电化学技术制备的未氧化的多孔硅薄 膜作为多孔低k介质，近年来也得到了关注， 将薄膜的孔隙率提高到78%，可以将介电常数 减小到3.
4. 多孔SiCOH
采用PECVD技术制备的由Si、C、O和H组成的掺C非 晶玻璃材料（ SiCOH ）是目前低k介质中最有希望的竞争 者。以环形结构有机硅作为前驱分子，采用多相沉积技术， 在适当的等离子体条件下，可以获得平均孔尺寸小于 2.5nm、孔隙率为30%、k=1.95的超低k纳米多孔介质薄 膜。
是SiCOH多孔薄膜研究的目标。提高孔隙率、降低SiCOH薄膜中极化分 子数密度，有利于获得低介电常数。 SiCOH薄膜作为绝缘介质，漏电流和耐压是极其重要的性能。Grill 采用PECVD、TMCTS制备的多孔SiCOH薄膜（k=2.1）具有优良的电学 性能，漏电流极低。 作为IMD应用，要求SiCOH薄膜具有优越的防开裂性能、优越的弹 性模量、高硬度和与其他材料相匹配的线胀系数。PECVD沉积的 SiCOH薄膜具有更多的无规三维共价键结构，薄膜的防开裂性能更强， 其裂缝发展速度远小于SOD制备的HSQ、MSQ薄膜。
7.1 低介电常数材料的研究背景 7.2 碳基低介电常数薄膜 7.3 硅基低介电常数薄膜 7.4 SiCOH多孔（超）低介电常数材料 的制备与性能
7.1 低介电常数材料的研究背景
7.1.1 纳电子器件对新互连材料的需求 在多层互连系统中，由互连阻容（RC）耦合增大 导致的信号传送延时、干扰增强和功率消耗增大问题 决定于互连材料性能和互连结构设计。 1. RC延时 多层连线系统的RC由下式给出:
7.4.1 SiCOH多孔（超）低介电常数材料 的加工技术
在SiCOH多孔（超）低k材料研究的早期，甩胶技术曾 是主要的制备技术。虽然这种技术易于获得多孔材料，并 且采用模板可以控制孔的定向生长，但是制备的多孔材料 由于力学性能差、热稳定性差，尤其是工艺与微电子工艺 不兼容，在材料的集成时面临着巨大困难。 随着与微电子工艺兼容性极好的PECVD技术在制备 SiCOH多孔（超）低k材料方面的突破，CVD技术受到人 们的青睐。目前等离子体增强的化学气相沉积 （PECVD）、电感耦合等离子体化学气相沉积（ICPCVD）、电子回旋共振等离子体化学气相沉积（ECRCVD）相继在SiCOH多孔（超）低k材料的制备中应用。
7.4.2 SiCOH多孔（超）低k材料的结构与物性
多孔SiCOH薄膜的键结构依源气体的不同而有区别，主 要的键结构是形成网络结构和鼠笼结构的Si-O-Si键结构、与 致孔剂相关联的C-H键结构，鼠笼结构和C-H键结构与孔隙 的形成密切相关。 介电性能是SiCOH多孔薄膜最重要的物性，追求极低的介电常数
多孔介质中的孔结构示意图
7.3.2 Si基多孔（超）低k介质分类与结构性质
1.
倍半硅氧烷(SSQ)基多孔薄膜 倍半硅氧烷基多孔材料的基本结构单元是倍半硅氧烷， 如下图所示。
2. 二氧化硅基多孔薄膜
二氧化硅基多孔薄膜的基本结构为SiO2四面体，如下 图所示。在二氧化硅基多孔薄膜中，用低极化的Si-F键取 代Si-O键形成掺杂F的二氧化硅玻璃，或引入CH3基团形 成掺C的二氧化硅玻璃，均可降低薄膜的k值，掺C的二氧 化硅玻璃的介电常数为2.6~3.0.
7.4 SiCOH多孔（超）低介电常数材料 的制备与性能
SiCOH多孔薄膜作为可延展到超低k值的新一 代低k材料，近年来得到了极大关注，从溶胶-凝 胶技术发展到PECVD技术，从链结构源发展到环 结构源，从物性分析技术到机理分析， SiCOH多 孔（超）低k材料的研究工作在加工技术、分析测 试技术、结构与性能分析及相关的理论研究中已 取得了一定进展，同时面临着一系列新问题、新 方法的探索。
7.2 碳基低介电常数薄膜
7.2.1 氟化非晶碳薄膜 在诸多的候选材料中，a-C:F薄膜无论从科学的角度还 是从应用的角度都具有其固有的优点。首先，它的介电常数 可低于2.0，而且介电常数的数值易于通过改变薄膜的成分 及其密度来控制。其次，用等离子体CVD方法沉积的a-C:F 薄膜比旋转涂覆有机薄膜具有更高的关联密度，其玻璃转化 温度更高，结构类似于含氢非晶碳膜，使得这种薄膜很有可 能比传统的SiO2具有更高的热导、相似的热稳定性和刚性。 另外， a-C:F薄膜的制造工艺与现有的集成电路制造工艺相 兼容，具备进行大规模生产的条件；工作气体无毒或低毒、 价格便宜、容易获得；并且化学气相沉积易于完整地填充高 纵横比的沟道。
RC 2 k 0 4 L2 / P 2 L2 / T 2
因此，多层连线的RC延时取决于互连导体的电 阻率、绝缘体的极化率和几何结构
典型的多层互连系统
2. 信百度文库干扰
通常干扰局限在电路的某些关键部位，可 通过增大这些部位线间介质厚度来减小干扰。 但是，时钟速度的提高和工作电压的降低使得 电路对干扰更敏感，空间修正方法无法继续满 足实用需求。来自电路不同部位的信号之间的 干扰CLL/(CLL+CV)的比值有关，因此，在不改 变电路尺寸的前提下，可通过降低线间电容 CLL与层间电容CV的比值来抑制干扰。
7.1.2 低介电常数材料的研究思路
根据电介质理论，介质的极化不仅与偶极子 取向极化、离子极化和电子极化等极化过程有 关，还与介质中极化分子数密度有光，因此降 低分子极化能力和低极化分子数密度成为降低 介电常数的两条途径。但是通过降低分子极化 能力来降低介质的介电常数非常有限，降低极 化分子数密度成为获得超低介电常数的重要途 径。
7.3 硅基低介电常数薄膜
多孔介质是一种含有孔隙的介质材料，从不同的角度， 多孔介质具有不同的定义和分类。目前，多孔低k介质的 定义和分类主要依据如下：①基本的成分与结构；②主要 的沉积技术；③产生和控制孔隙率的途径。 根据孔径分类：分为微孔（<2nm）和介孔(2~50nm)。 根据孔隙产生方法分类：本构的和致生的。 根据制备技术的差异：甩胶技术和化学气相沉积技术。 多孔介质的孔结构极其复杂，主要有以下几种：①圆柱状孔 ②堆积球之间的孔隙和边界③封闭孔④瓶颈孔⑤漏斗孔⑥ 开放孔
3. 功率消耗 在多层互连系统中，功率消耗为 P=CV2f 因此，在特定的工作频率、工作电压下， 功耗主要决定于介质的电容。 为了解决这些问题，人们从以下几个方 面进行了探索： 1）寻求新的互连材料，从降低互连电阻和介 质层电容的角度来降低RC延时 2） 设计新的互连结构，降低结构不合理导致 的RC耦合 3）寻求新的互连方式，如光互连、量子互连
3. 多孔硅薄膜
采用电化学技术制备的未氧化的多孔硅薄 膜作为多孔低k介质，近年来也得到了关注， 将薄膜的孔隙率提高到78%，可以将介电常数 减小到3.
4. 多孔SiCOH
采用PECVD技术制备的由Si、C、O和H组成的掺C非 晶玻璃材料（ SiCOH ）是目前低k介质中最有希望的竞争 者。以环形结构有机硅作为前驱分子，采用多相沉积技术， 在适当的等离子体条件下，可以获得平均孔尺寸小于 2.5nm、孔隙率为30%、k=1.95的超低k纳米多孔介质薄 膜。
是SiCOH多孔薄膜研究的目标。提高孔隙率、降低SiCOH薄膜中极化分 子数密度，有利于获得低介电常数。 SiCOH薄膜作为绝缘介质，漏电流和耐压是极其重要的性能。Grill 采用PECVD、TMCTS制备的多孔SiCOH薄膜（k=2.1）具有优良的电学 性能，漏电流极低。 作为IMD应用，要求SiCOH薄膜具有优越的防开裂性能、优越的弹 性模量、高硬度和与其他材料相匹配的线胀系数。PECVD沉积的 SiCOH薄膜具有更多的无规三维共价键结构，薄膜的防开裂性能更强， 其裂缝发展速度远小于SOD制备的HSQ、MSQ薄膜。