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超低介电常数材料纳米多孔SiO_2和SiO_2:F薄膜的制备及其物性研究

何志巍  
【摘要】:自从1947年晶体管发明以及1958年第一个集成电路诞生以来,以硅基集成电路为核心的微电子技术取得了飞速发展,传统热生长法生长的SiO_2作为金属互连线间的绝缘介质,已远远不能满足需求,以此为背景的低介电常数材料成为当今微电子领域的研究热点。通过对各种候选材料物性及制备方法的综合分析,本文选取以溶胶-凝胶法为基础的介电常数低、与现有工艺兼容的纳米多孔SiO_2作为研究对象,系统地研究了其制备、微结构、化学键和电学等方面性质,获得了许多新的突破,并提出一种掺氟的新方法。 第一、用溶胶一凝胶法结合旋涂技术,制备纳米多孔SiO_2薄膜。首次利用两次改性解决了薄膜容易开裂的问题,并比较性地研究了溶胶、凝胶以及薄膜的性质。SEM和AFM表明,薄膜内孔径在70-80 nm,已形成较好的三维网络结构。FTIR指出,两次改性及正己烷清洗明显改善了薄膜的结构和电学性质,其介电常数约为2.0,漏电流密度仅为1.5×10~(-7)A/cm~2,击穿场强高达1.9 MV/cm。 第二、以表面活性剂为模板,结合溶胶-凝胶法,得到孔径小(10-20 nm)、分布均匀、且结构坚固的纳米多孔SiO_2薄膜。FTIR表明,模板对表面改性过程有一引导作用,源于模板的双极性基团及由此产生的加溶现象,这一发现在国际上尚属首次。450℃退火样品的SEM显示,薄膜内去除模板后可形成相应孔洞。-CH_3基团的氧化分解在氮气气氛下得到遏制,提高了薄膜憎水性和热稳定性。其介电常数和漏电流密度在退火后分别为1.66和6.6×10~(-8)A/cm~2,当电场强度增大到2.5 MV/cm时,仍没有观察到击穿现象。 第三、首次将氢氟酸(HF)作为催化剂引入到溶胶-凝胶中,实现氟元素的掺杂,制备出具有超低介电常数、性能优良的纳米多孔SiO_2:F薄膜,成功地将氟元素的掺杂理念与第三类降低介电常数的方法结合。该方法作为一种薄膜制备技术具有设备简单,工艺容易控制,掺杂方便等特点,进一步拓宽了溶胶-凝胶法在制备超低介电常数材料方面的应用潜力。 HF浓度过大或过小都可能导致氟元素引入量降低,最合适的配比为HF/H_2O=1/5。FTIR中出现了Si-F键,表明氟元素的引入。其介电常数可降到1.5左右,漏电流密度较用HCl作催化剂的SiO_2薄膜降低近一个数量级,遵循Schottky发


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