纳米多孔SiO2薄膜的微结构、电性能和机械性能研究

论文摘要

随着集成电路向高速、高集成度发展，为了降低信号传输延迟和串扰以及由于介电损失而导致的功耗增加，采用低介电常数材料做层间介质成为必然的选择。因此，低介电常数材料也就成为当今微电子领域的研究热点。本论文采用溶胶—凝胶法结合旋涂技术，通过正硅酸已脂（TEOS）的水解缩聚反应，分别用HCl和HF做催化剂，制备了掺氟和不掺氟的纳米多孔SiO2薄膜，系统研究了薄膜的微结构，电学性质和机械性能。研究表明，纳米多孔SiO2薄膜具有明显的三维网络结构，孔径尺寸在70—80nm之间，通过改性及退火处理能有效改善薄膜的微观结构，获得介电常数约为2.0的超低介电常数薄膜，其漏电流密度低至1.5×10-7A／cm2，击穿场强高达1.9MV／cm。对掺氟纳米多孔SiO2薄膜的研究表明，引入具有极强的电负性的氟元素后，在薄膜中形成Si-F键，从而进一步优化了SiO2薄膜的微观结构，这也可从薄膜的SEM、AFM照片中直观看出，薄膜表面颗粒更小，更均匀，且孔径尺寸减小到10-20nm之间，其电学性能也得到了较大的改善，介电常数降低到1.5左右，漏电流为6.12×10-9A／cm2。我们用纳米压痕仪测试了样品的硬度和弹性模量，结果表明，纳米多孔SiO2薄膜的载荷—位移曲线为锯齿状，初步分析这可能与样品的多孔结构有关。研究发现，硬度测试时压入的深度如果远大于薄膜厚度的10％，测试的结果有较大的误差。我们制备的掺氟的多孔SiO2薄膜，其硬度为3.45GPa，弹性模量为47.19GPa。这一结果基本可以满足当前微电子工艺的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 低K材料的研究背景
• 1.2 低K材料简介
• 1.2.1 电介质材料
• 1.2.2 低介电常数的获得
• 1.2.3 低K材料的电学特性
• 1.2.4 低K材料的机械性能
• 1.3 低K材料的研究现状
• 1.3.1 有机聚合物材料
• 1.3.2 无机介质材料
• 1.3.3 掺氟低k材料
• 1.3.4 纳米多孔介质材料
• 1.4 本论文的研究动机和内容
• 参考文献
• 2薄膜的制备、表征及性能测试'>第二章 纳米多孔SiO₂薄膜的制备、表征及性能测试
• 2.1 低K薄膜的常用制备技术
• 2.1.1 气相沉积法
• 2.1.2 液相外延和固相外延法
• 2.1.3 溶胶-凝胶（sol-gel）法
• 2薄膜的制备'>2.2 纳米多孔SiO₂薄膜的制备
• 2.2.1 盐酸做催化剂制备纳米多孔二氧化硅
• 2.2.2 HF做催化剂制备掺氟纳米多孔二氧化硅
• 2.2.3 制备条件对薄膜性能的影响
• 2.3 薄膜的微结构表征及性能测试
• 2.3.1 薄膜的微结构表征
• 2.3.2 比表面积和孔径分布的确定
• 2.3.3 薄膜的FTIR分析
• 2.3.4 薄膜的热稳定性分析
• 2.3.5 薄膜的电性能测试
• 2.3.6 薄膜的机械特性测试
• 参考文献:
• 2薄膜的微结构及电性能研究'>第三章 纳米多孔SiO₂薄膜的微结构及电性能研究
• 2薄膜的表征及电性能研究'>3.1 纳米多孔SiO₂薄膜的表征及电性能研究
• 2薄膜的形貌表征'>3.1.1 纳米多孔SiO₂薄膜的形貌表征
• 2薄膜的FTIR分析'>3.1.2 多孔SiO₂薄膜的FTIR分析
• 3.1.3 薄膜的热稳定性分析
• 3.1.4 薄膜的电学特性
• 3.2 掺F纳米多孔二氧化硅薄膜的微结构及电性能
• 3.2.1 多孔SiOF薄膜的形貌观察
• 2吸附/脱附分析'>3.2.2 N₂吸附/脱附分析
• 3.2.3 SiOF薄膜的FTIR分析
• 3.2.4 SiOF薄膜的C-V特性
• 3.2.5 SiOF薄膜的J-E特性
• 参考文献:
• 2薄膜的机械性能研究'>第四章 多孔SiO₂薄膜的机械性能研究
• 参考文献:
• 第五章 主要结论与展望
• 5.1 本论文的主要结论
• 5.2 低K材料研究展望
• 致谢