超低介电PMO薄膜的可控制备及构效关系研究

The development of ultra large scale integrated circuit (USIC) is confronted with some serious problems, such as signal delay, increased noise interference and power dissipation, etc. The key to overcome such issues is to develop new interlayer materials with ultra low dielectric constant. Periodic mesoporous organic silicon (PMO) has significant advantages in reducing bulk dielectric constant，which is expected as the ultra-low dielectric interlayer for the applications in USIC. The most crucial point is to deal with the problems, including lower porosity, coupling effects and poor mechanical strength when the PMO was used as the dielectric interlayer in USIC. This project begins with structure design of bridging organic groups R for preparing star-shaped organic bridging silsesquioxane precursors (R'O)3Si-R-Si(OR')3. The new PMO thin films can be prepared by spin-coating evaporation-induced self-assembly procedure. The bridging organic groups R in the pore wall of as-prepared PMO　films with different structure and size would be degraded by heating to fabricate much pores. This method can regulate the comprehensive performance of as-prepared PMO films including porosity, coupling effect,dielectric,mechanical strength, etc. This project will construct a structure-properties relationship model between film porosity and dielectric constant, mechanical strength, etc. At last, the radical motive of this project is to provide theoretical support and basic experimental data for ultra low dielectric materials in USIC.

开发超低介电常数层间介质材料是目前克服超大规模集成电路（USIC）中信号传输延时、噪声干扰增强和功率耗散等问题的关键。有序介孔有机硅（PMO）材料在降低本体介电常数方面具有显著的优势，可作为超低介电层间介质在USIC中获得应用。解决其孔隙率偏低、耦合效应明显以及力学强度较差等问题是PMO材料在USIC中获得实际应用的关键。本项目从有机桥联基团R的结构设计出发制备星型有机桥联硅氧烷前驱体分子(R'O)3Si-R-Si(OR')3，利用旋转涂布-蒸发诱导自组装方法制备新型PMO介孔薄膜。通过不同结构尺寸的桥联有机基团R在介孔壁中降解致孔调控薄膜的孔隙率、耦合效应、介电性以及力学强度等综合性能，从微观领域构建薄膜孔隙率与介电常数、机械强度等的构效关系模型，为开发满足USIC工艺的超低介电常数介质材料提供理论支撑和基础实验数据。

随着电子信息技术向高速高频、多功能、小体积等方向发展，超大规模集成电路的特征尺寸也已进入纳米量级。互联线密度不断提高和互联路径缩短，将引起电阻-电容（RC）延迟上升，从而出现信号传输延时、噪声干扰增强和功率耗散等问题。为了减小RC延迟，半导体器件的硅芯片中首先用铜线（1.678 μΩ•m）代替电阻率稍大的铝线。为了更进一步降低RC延迟对器件性能的影响，科学家都将精力集中于减小层间介质材料带来的寄生电容C，由于该介质层的寄生电容C正比于介电常数κ。因此，开发与集成电路工艺兼容的低介电常数介质材料成了制约超大规模集成电路进一步发展的关键。众所周知，空气的介电常数最小约为1，通过引入空气隙的纳米孔洞结构制备多孔材料成了近年来研究超低介电常数材料的新思路。但是，尽管多孔低介电常数材料的研究取得了很大的进展，但是多孔材料目前也具有一定的局限性制约了其在超大规模集成电路中的大规模应用。近年来，借鉴介孔氧化硅的合成方法，在表面活性剂做模板的前提下，有机桥联硅氧烷前驱体(R’O)3Si-R-Si(OR’)3在酸性或碱性水溶液中发生自身水解缩合制备超低介电有序介孔有机硅薄膜（PMO）材料。签于此，本项目从有机桥联硅氧烷前驱体分子结构设计出发，以获得超低介电常数的同时，保证PMO的力学强度达到集成电路工艺要求。主要研究内容包括有机桥联硅氧烷前驱体的制备；基于新型有机桥联硅氧烷的PMO薄膜制备；薄膜的结构、介电以及力学等关键物性研究等。其中，通过前驱体分子的设计一步制备了星型六氟丙烷的桥联有机硅氧烷，在模板剂分子Brij®L4的作用下，通过挥发诱导自组装方法以及后续的模板剂去除工艺制备了新型的PMO薄膜，通过调控模板剂的含量保证PMO薄膜的介电常数达到1.58@1MHz，杨氏模量仍保持在5.54GPa左右，且该PMO薄膜对水接触角仍保持在90.1o，具备一定的疏水性能。其次，发展了基于金刚烷桥联的有机硅氧烷前驱体，选用P123为模板剂，通过挥发诱导自组装方法制备了金刚烷体系的PMO薄膜，其薄膜的介电常数低达1.55@1MHz，杨氏模量仍保持在6.69GPa左右，同时该PMO薄膜对水接触角为90.1o，保持了较好的疏水性能。通过对以上新型有机桥联硅氧烷前驱体分子的设计及PMO薄膜的制备和性能研究，对于丰富超低介电薄膜的研究体系，以及发展综合性能（介电和力学性能等）的超低介电薄膜具有重要意义