用于集成电路铜互连工艺的纳米多孔材料特性优化研究

发布时间：2020-05-15 20:36

【摘要】：随着集成电路(IC)器件的特征尺寸进入亚10nm技术节点,多级互连中的电阻-电容(RC)延迟已成为影响芯片性能的主要因素。目前产业界均采用Cu/低介电常数(low-k)材料作为IC互连结构以减小RC延迟。具有超低介电常数并具有优异机械性能以满足后段工艺(BEOL)集成的low-k材料成为研究热点。其中纳米多孔有机硅酸盐玻璃(OSG)材料因其类似二氧化硅的骨架与后段集成工艺的可兼容性备受关注,但性能优化方法及机理尚不明确。本文针对蒸发诱导自组装(EISA)工艺,研究了末端甲基基团对于OSG低k薄膜材料各项特性的影响,并通过引入苯基基团,对OSG低k薄膜材料机械性能进行了优化。通过各项性能表征给出了理论分析及结论。该研究将为集成电路铜互连中介质材料的制备及性能优化提供理论基础及实验依据。本论文的主要研究内容及成果如下:1.通过旋涂工艺并采用不同比率的TEOS/MTEOS混合物制备基于表面活性剂模板的OSG低k薄膜,以研究末端甲基(CH3/Si)比例对薄膜化学和结构性质的影响。结果表明,当表面活性剂浓度恒定时,随着CH3/Si比例的增加,薄膜性质的改变主要表现为疏水性的增加,力学性质的降低,孔径的扩大以及傅里叶红外光谱(FTIR)中Si-CH3峰位置的偏移。孔径随甲基浓度的增加而增加,并体现在孔结构从圆柱形变为墨水瓶形。通过分子力学模拟,解释了在CH3基团存在的影响下,Si-O-Si键中dπ-pπ杂化发生变化,导致Si-CH3发生峰移的原理。2.通过引入苯基桥连基团,研究其对所制备的OSG薄膜的孔结构、介电常数、机械性能以及疏水性能的影响。结果表明,将硅原子的连通性扩展到其化学配位数以上,可以改善OSG膜的机械特性。同时将致孔剂引入基质中,可以改善介电常数,从而优化电学性能。鉴于这些性质,包括中孔结构、优异的机械可靠性和良好的热稳定性,表明三取代的苯基基团可用作桥连基团。因此,可以认为所制备的基于苯的OSG薄膜(称为超连接网络结构)是有希望的low-k材料候选者。
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相比之下，在铜金属化方案中，由于反应产物的蒸气压非常低，Ｃｕ不逡逑能用传统的ＲＩＥ图案化，所以必须开发新工艺。因此，镶嵌工艺逐渐成为行业标逡逑准（图１－２）邋［１２］。在镶嵌工艺中，在金属沉积之前首先沉积和图案化电介质层。逡逑由于电介质受到各种各样的工艺损伤机制的影响，，使得介电常数的降低变得更加逡逑艰难。逡逑２逡逑

引入ｋ＜３．０的新介质材料的需求［［１４］此外，根据１９９７年ＮＴＲＳ，预计在２００１年逡逑将采用ｋ为２．０至２．５的低ｋ材料，但是，在２０００年，１８０ｎｍ技术节点引入了邋ｋ逡逑＝３．８的第一个电介质材料（图１－３邋）［⑴。后来，在２００４年和２００６年分别在９０邋ｎｍ逡逑和６５邋ｎｍ技术节点采用了邋ｋ邋＝邋３．０和ｋ邋＝邋２．７的绝缘材料［１１］。接着，在２００８年的逡逑４５ｎｍ技术节点，在大批量制造中出现了邋ｋ邋＝邋２．４的多孔低ｋ膜尽管进一步降逡逑低绝缘体的介电常数有挑战性，但在２０１５年显示的１４ｎｍ技术节点中，英特尔逡逑报告了在十三层互连级别中的两层引入了气隙结构（图１－４）邋［１５］。在气隙技术中，逡逑金属线之间不存在低ｋ，即金属线作为ｋ￣１．０的终极低ｋ电介质被空气分离。逡逑Ａ邋＆丨於ｍ邋１

本文编号：2665601