超低介电常数聚酰亚胺纳米多孔薄膜的微纳结构设计及可控制备

The density of interconnects and distance of wire linking on a chip drastically increase with the rapid development of ultralarge-scale integrated chips, which leading to the signal propagation delay, dissipation and cross-link between metal interconnect. The dielectric constant (k) of interlayer material in interconnects should be reduced to ultra-low value in order to resolve the problem. In the project, the ultralow-k nanoporous polyimide thin films will be prepared using the block copolymer as template. The morphology and dispersion of nanopores, pore size and porosity of the nanoporous polyimide thin films could be precisely adjusted by controlling of the self-assembly structures of block copolymer and precursor of polyimide. The influence of nanoporous structures on the dielectric, mechanical, electric and thermal properties of the nanoporous polyimide thin films will be studied, which could offer the theoretical foundation for the balance between ultralow-k and excellent mechanical property, electrology characteristic and themal stability of the nanoporous interlayer material in interconnects.

超大规模集成电路的迅速发展使芯片互连结构中连线长度和布线密度极大增加，由此导致的信号容阻延迟、串扰以及功耗问题成为限制高性能集成电路发展的技术瓶颈。降低互连结构中层间介质材料的介电常数（k）至超低范围是解决该问题的根本方法之一。纳米多孔介质作为具有应用潜力的超低k材料，其制备及性能研究成为微电子材料与技术领域的研究热点。本项目拟以聚酰亚胺作为研究对象，借助嵌段共聚物的“微观相分离”特性制备综合性能优异的超低k聚酰亚胺纳米多孔薄膜。本项目将以嵌段共聚物/聚酰亚胺前驱体协同自组装行为作为研究重点，通过调节自组装结构实现聚酰亚胺纳米多孔薄膜的微纳结构设计及可控制备。本项目拟系统考察聚酰亚胺多孔薄膜的超低k值、力学、电学和热稳定性能，探索并揭示多孔结构对薄膜综合性能的影响规律和调控机制，为解决多孔层间介质的超低k值与优良的力学、电学和热稳定性能之间的平衡问题提供理论指导。

本项目针对超大规模集成电路芯片互连结构对超低介电常数层间介质材料的需求，开展了超低k聚酰亚胺纳米多孔薄膜的微纳结构设计及可控制备研究工作。以具有低本征k值、高玻璃化温度的三种聚酰亚胺前驱体PAA1、PAA2、PAA3作为研究对象，借助其与嵌段共聚物PS-b-P2VP之间的强氢键相互作用力，系统研究了PS-b-P2VP/PAA络合物溶液的胶束化行为和PS-b-P2VP/PAA络合物薄膜的自组装行为，并在PS-b-P2VP/PAA自组装薄膜基础上除去PS-b-P2VP制备了超低介电常数聚酰亚胺介孔薄膜。研究结果表明， PS-b-P2VP和PAA通过P2VP/PAA链间氢键相互作用形成胶束聚集体，这种胶束化行为是动力学控制而非热力学平衡态；对于PS-b-P2VP/PAA二元络合物，PAA链选择性地与P2VP嵌段发生氢键相互作用，很大程度上提高了络合物的相容性，保证了络合物含有高含量的PAA而不会出现宏观相分离。利用苯/NMP的混合蒸汽处理的方法可以实现PS-b-P2VP/PAA络合物薄膜的自组装，得到有序的微观相分离结构，避免了常规热处理方法加热使PAA亚胺化而得不到自组装结构。通过调整处理溶剂蒸汽的相对含量，可以对PS-b-P4VP/PAA络合物薄膜的自组装结构进行调节。PAA的含量、PS-b-P2VP分子量均对PS-b-P2VP/PAA络合物薄膜的自组装结构有较大的影响。对于PAA1和PAA2，采用溶剂溶解法将PS-b-P2VP除去制备PI1和PI2介孔薄膜，得到直径约为15 nm的闭合孔隙，PI1介孔薄膜孔隙率变化趋势取决于PS-b-P2VP含量，随着孔隙率的增大，PI1介孔薄膜的介电常数随之减小，相比较无孔PI1薄膜，孔隙的引入可使介电常数降低幅度达到33％。利用加热分解的方法除去PS-b-P2VP制备PI3介孔薄膜，相比PI1介孔薄膜，虽然PS-b-P2VP含量相同，但PI3的孔隙率却明显较高，因此具有超低介电常数，约为1.86。PI3介孔薄膜的介电常数与孔隙形貌相关性不大，而主要取决于薄膜孔隙率大小。本项目的实施为制备超低k层间介质材料进行了理论和实践探索，研制的材料有望解决纳电子器件中互连结构连线长度和布线密度增加导致的信号容阻延迟、串扰以及功耗问题，具有重要的工程应用价值，同时该研究可为其它新型纳米多孔介质材料的设计和制备提供借鉴与参考作用。