专利名称：低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明是一种低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜及其制备方法，该薄膜用于集成电路制造。
背景技术：
随着大规模集成电路的迅速发展，当集成电路的特征尺寸减小至180nm或更小时，互连寄生的电阻、电容引起的延迟、串扰和能耗已成为发展高速、高密度、低功耗和多功能集成电路需解决的瓶颈问题。在大规模集成电路中，层间及线间介质用低介电常数绝缘介质薄膜代替二氧化硅，可以有效减少互连寄生电容，从而减少电容引起的延迟、串扰和能耗。因此，很多科研人员一直在探索一些低介电常数绝缘介质薄膜。
目前，国内外研究较多的低介电常数绝缘介质薄膜有含氟氧化硅薄膜(SiOF)、聚酰亚胺薄膜(PI)、倍半氧化硅薄膜(SSQ)等，但这些产品存在着生产工艺复杂、耐温性能差、对电路有腐蚀、与硅片粘附性能差等缺点。现有的多纳米孔氧化硅薄膜因致孔模板单一，不能参与交联，从而造成薄膜孔径难以控制，微孔分布不均，力学强度不可调节，且退火时薄膜力学性能严重下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜及其制备方法，该薄膜可用于大规模集成电路，具有电学性质好、与硅片粘附性优良、纳米微孔孔径可调节、微孔分布均一、力学性质可调。
本发明所述的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜，其特征在于该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为甲基、乙基或苯基；薄膜中的化学键是Si-O键、Si-C键和C-H键；薄膜含有纳米微孔。薄膜厚为50-400nm；薄膜中Si原子含量(重量)17-47％，C原子含量(重量)0-33％，氢原子含量(重量)0-9％，O原子含量(重量)21-55％；薄膜中纳米微孔的孔径为5-100nm。
本发明所述的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤1、用单端基倍半硅氧烷有机物作为致孔模板与硅氧烷在有机溶液中制备溶胶；2、将上述溶胶涂布于硅片上制成薄膜；3、将上述薄膜在惰性气体保护下退火即得低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜，退火温度为200-600℃，升温速率为5-20℃每分钟。
其中(1)中所用致孔模板可为单端基倍半硅氧烷聚合物，特别是单端基倍半硅氧烷聚醚，如单端基倍半硅氧烷聚乙二醇醚，单端基倍半硅氧烷聚丙二醇醚，单端基倍半硅氧烷聚四氢呋喃醚等，并以分子量为500-4000的聚醚为最佳，单端基倍半硅氧烷聚醚可以通过一定方法合成，如硅氢加成反应等。
所用有机溶液为四氢呋喃或甲基甲酰胺溶液。
所用硅氧烷为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、烷基烷氧基硅烷、芳基烷氧基硅烷中的至少一种，且采用不同的比例，可得到不同力学性能的材料。
所制备的溶胶浓度为0.1-1％。
采用不同分子量的致孔模板可以得到不同孔径的纳米微孔，采用不同的致孔模板与硅氧烷比例，可以得到不同孔积比率的材料。
所述涂布方法为印刷、喷涂，特别是旋转涂抹方法，且旋转速度为1000-7000rpm。
由于氧化硅本身介电常数为2.8-4.0，适当加入有机致孔模板，就能得到介电常数低于2.0的超低介电常数绝缘介质薄膜。由于薄膜主体结构为Si-O键，所以薄膜耐温性好，与硅片粘附性能好。
本发明与现有技术相比，其显著优点是1、介电常数低，可以降低到2.2左右。2、薄膜中的纳米微孔分布均匀，致孔模板一端参与交联体系，既阻止了凝胶涂抹时的有机相微观相分离，又有效避免了因致孔模板多处参与交联体系而导致的退火时薄膜内部交联受到网络破坏。3、薄膜中的微孔大小尺寸可调，通过控制致孔模板的分子量，从而可以调控有机链段自缠绕成球的尺寸，退火后可以得到所需尺寸的纳米微孔。4、薄膜的刚性、柔性可调控，通过调节多组分硅氧烷中正硅酸烷酯和烷基烷氧基硅烷的比例，可以调节薄膜中氧化硅的交联密度，从而可以控制薄膜的机械强度和柔韧性。5、薄膜电学性质稳定，热分解温度在500℃以上，在空气中基本不吸收水分。6、与硅片的粘附性好，结合紧密，残余应力小。
随着超大规模集成电路的发展，微电子电路的尺寸日益缩小，互连延迟和寄生电容的增大，本发明特别适用于超大规模集成电路、CPU生产中替代传统SiO2以及其他现有低介电薄膜，可以十分有效地减少发热和延迟。
具体实施例方式
下面通过实施例对本发明作进一步详述。
实施例1本发明所制备的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜，由具有下列通式的材料制成SiOxRy其中x＝1.1，y＝1.8；R为甲基；薄膜中的化学键是Si-O键、Si-C键和C-H键；薄膜中含有纳米微孔，孔径为50纳米，微孔与薄膜的体积比为20％；薄膜的厚度为200纳米；薄膜中Si原子含量(重量)37％，C原子含量(重量)33％，氢原子含量(重量)7％，O原子含量(重量)23％。
上述薄膜的制备方法是1、将烯丙基聚乙二醇醚(分子量900)与三甲氧基硅氢在氯铂酸催化下硅氢加成，得到分子量为1000的单端基倍半硅氧烷聚乙二醇醚，作为致孔模板。
2、以上述致孔模板与二甲基二甲氧基硅烷、正硅酸甲酯为原料，其中二甲基二甲氧基硅烷与正硅酸甲酯的比例为9∶1，在四氢呋喃中用稀酸催化下水解，制得0.2％浓度溶胶，在室温和5000rpm转速下旋转涂膜，450℃温度和氮气条件保护下退火，升温速率为5℃每分钟。
实施例2本发明所制备的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜，由具有下列通式的材料制成SiOxRy其中x＝1.5，y＝1；R为乙基；薄膜中的化学键是Si-O键、Si-C键和C-H键；薄膜中含有纳米微孔，孔径为20纳米，微孔与薄膜的体积比为50％；薄膜的厚度为300纳米；薄膜中Si原子含量(重量)35％，C原子含量(重量)30％，氢原子含量(重量)5％，O原子含量(重量)30％。
上述薄膜的制备方法是以分子量为650的单端基倍半硅氧烷聚环氧丙烷醚、二乙基二乙氧基基硅烷、正硅酸乙酯为原料。其中二乙基二乙氧基硅烷与正硅酸乙酯的比例为1∶1，在二甲基甲酰胺中弱碱催化下水解，制得0.1％浓度溶胶，在4000rpm转速下旋转涂膜，500℃氩气条件下退火，升温速率10℃每分钟。
实施例3本发明所制备的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜，由具有下列通式的材料制成SiOxRy其中x＝1.9，y＝0.2；R为苯基；薄膜中的化学键是Si-O键、Si-C键和C-H键；薄膜中含有纳米微孔，孔径为80纳米，微孔与薄膜的体积比为80％；薄膜的厚度为400纳米；薄膜中Si原子含量(重量)38％，C原子含量(重量)20％，氢原子含量(重量)1％，O原子含量(重量)41％。
上述薄膜的制备方法是以分子量为650的单端基倍半硅氧烷聚四氢呋喃醚、二苯基二甲氧基基硅烷、正硅酸甲酯为原料。其中二苯基二甲氧基硅烷与正硅酸甲酯的比例为1∶9，在二甲基甲酰胺中酸催化下水解，制得0.5％浓度溶胶，在2000rpm转速下旋转涂膜，600℃氩气条件下退火，升温速率20℃每分钟。
权利要求
1.一种低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜，其特征在于该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为甲基、乙基或苯基；薄膜中的化学键是Si-O键、Si-C键和C-H键；薄膜含有纳米微孔。
2.根据权利要求1所述的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜，其特征在于薄膜厚为50-400nm。
3.根据权利要求1所述的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜，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％，氢原子含量(重量)0-9％，O原子含量(重量)21-55％。
4.根据权利要求1所述的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜，其特征在于薄膜中纳米微孔的孔径为5-100nm。
5.根据权利要求1所述的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)用单端基倍半硅氧烷有机物作为致孔模板与硅氧烷在有机溶液中制备溶胶；(2)将上述溶胶涂布于硅片上制成薄膜；(3)将上述薄膜在惰性气体保护下退火即得低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜，退火温度为200-600℃，升温速率为5-20℃每分钟。
6.根据权利要求5所述的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜的制备方法，其特征在于(1)中所用致孔模板为单端基倍半硅氧烷聚合物。
7.根据权利要求6所述的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜的制备方法，其特征在于致孔模板为单端基倍半硅氧烷聚醚，分子量为500-4000。
8.根据权利要求5所述的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜的制备方法，其特征在于(1)中的有机溶液为四氢呋喃或甲基甲酰胺。
9.根据权利要求5所述的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜的制备方法，其特征在于(2)中涂布方法为印刷、喷涂或旋转涂抹。
10.根据权利要求5所述的低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜的制备方法，其特征在于(1)中所用硅氧烷为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、烷基烷氧基硅烷、芳基烷氧基硅烷中的至少一种。
全文摘要
本发明公开了一种低介电常数绝缘介质氧化硅薄膜，该薄膜由具有通式为SiO
文档编号H01L21/02GK1585101SQ20041004483
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月2日 优先权日2004年6月2日
发明者贾叙东, 袭锴, 余学海 申请人:南京大学