溶胶-凝胶法制备低介电常数纳米多孔二氧化硅薄膜.pdf

烟台大学学位论文原创性声明和使用授权说明

原创性声明

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日期: 年月日
摘要
随着集成电路向高集成度、高运算速度发展,为了降低由于信号传输延迟、
串扰以及介电损失而导致的电路功耗增加,以由传统的热生长法制备的二氧化硅
薄膜作为金属互连线间的绝缘质,已经不能满足当前时代的需求,因此低介电常
数材料的研究成为微电子领域的热点。通过对各种材料制备方法以及物理性质等
各个方面的综合分析,本文以溶胶-凝胶结合旋转涂覆技术为制备方法、纳米多孔
二氧化硅薄膜作为研究对象,系统的研究了其制备、薄膜微结构、电学性质及其
机械性能。
(1) 采用溶胶-凝胶技术结合旋转涂覆技术,通过正硅酸乙酯(TEOS)的水解
缩聚反应,以 HCl 和 NH4OH 作为催化剂,制备了纳米多孔二氧化硅薄膜,系统的
研究了薄膜的微观结构、机械性能和电学性质。
(2) 以表面活性剂 CTAB 为模板,结合溶胶-凝胶法,利用旋转涂覆技术得到
孔径小、排列有序、分布均匀且结构坚固的纳米多孔二氧化硅薄膜。
(3) 本文探讨了溶胶配比包括水酯摩尔比以及溶胶 ph 值对水解缩聚及凝胶化
过程的影响。溶胶配制过程中 H2O 的用量对薄膜水解缩聚以至最终的介电常数有
着重要的作用,由于正硅酸乙酯(TEOS)是与 H2O 在催化剂作用下发生水解缩聚
反应形成 Si-O 网络的稳定结构,当 H2O 的用量不足时,水解缩聚反应不完全,会
使薄膜中存在大量不完全水解的产物例如链状的聚合物
(C2H5O)3Si-O-Si(OC2H5)2-O(OC2H5)3,最终使薄膜中存在大量的 Si-OH 键,导致介
电常数升高。溶胶的 ph 值同样会影响溶胶水解缩聚反应的过程,当未使用催化剂
时,TEOS 缩聚为 SiO2 的速度相当慢,这是主要是因为在 ph 值为 1-2 之间时缩聚
反应比较快,而在 ph 值为 7 附近比较慢; H+的加入可以促进 TEOS 的缩聚反应,
缩短凝胶化时间。
综上所述,本文通过溶胶-凝胶法成功制备了具有低介电常数的多孔二氧化硅薄
膜,并且此材料的孔隙具有序性,可望应用于微电子领域。

关键词:溶胶-凝胶低介电常数二氧化硅表面活性剂
I
Abstract
For reducing parasitic capacitance and resistance capacitance (RC) delay, it is
certain choice to use low dielectric constant materials, along with the development of
the high speed and high density for integrate circuit. The conventional thermal grown
SiO2, as the insulating layer, is not applicable, because of the resistance-capacitance
delay, cross-talk noise and power dissipation. Based on the detailed analysis of the
properties and deposition methods for the candidates, we focus our research on the
sol-gel derived nanoporous SiO2 thin film which has low dielectric constant, and
compatibility with existent ULSI technology.