微电子工业用低介电聚酰亚胺薄膜

近年来，随着微电子工业的迅猛发展，集成电路中芯片集成度迅速提高，芯片中互连线密度急剧增加，导致电阻、布线中的电容增大，电阻、电容（RC）延迟产生的寄生效应显著增强，引发信号容阻延迟、串扰以及功耗增大等问题。RC 延迟成为制约芯片性能提高、限制集成电路满足微电子工业发展的束缚。解决这一问题的有效办法是寻找超低介电常数材料作为绝缘层材料，以满足微电子工业发展。

聚酰亚胺（PI）具有低介电常数、良好的热稳定性和化学稳定性、低吸湿率等优异性能，是作为层间绝缘的理想材料。然而，普通聚酰亚胺的介电常数在3.4 左右，无法满足高密度集成电路的要求。要成为传统SiO2层间绝缘的代替者，除了要求PI 具有极低的介电常数以外，还要具备以下几点特性：

①  热稳定性好，在400 ℃下性能稳定；

②  吸湿率低，防止湿度增大影响电学元件的性能；

③  热膨胀系数低，聚酰亚胺薄膜不因温度的改变而收缩膨胀与基底脱离；

④  力学性能好。为满足以上特性，需要研究出新型低介电PI绝缘材料。

影响材料介电常数的主要因素有分子极化率、外加电场频率、材料的密度和温度等。降低聚酰亚胺材料的介电常数主要有以下两种方式：

①    降低聚酰亚胺材料的分子极化率，通常采用引入氟元素的方式；

②    降低单位体积极化分子密度，通过增加聚酰亚胺材料的孔隙率，降低材料的分子密度，可以降低材料单位体积极化分子数目。

随着微电子工业的飞速发展，出于对超低介电常数层间绝缘材料的需要，低介电常数聚酰亚胺的研究有了长足进步，应运而生了多种降低PI 介电常数的方法。引入氟元素降低极化率可使PI 介电常数降低，但是降低幅度有限。热降解法和化学溶剂刻蚀法等将引入的不稳定相或无机填充粒子去除留下空隙孔洞，降低了单位体积内极化分子密度，从而降低PI 的介电常数，但是掺杂相除去后留下的不规整的两相界面结构影响了PI 的力学性能和热稳定性。采用添加具有纳米孔洞结构纳米粒子的方法，在PI 基体中引入具有骨架结构的孔洞，带入数量可观的孔隙，同时可以作为骨架用于支撑孔结构并与PI 基体形成良好的界面结合效果。

在大幅降低PI 介电常数的同时改善其力学性能和热稳定性，这显然更加符合微电子工业的要求。虽然对低介电PI 薄膜的研究进展速度较快，但要得到热稳定性好、力学性能高、抗腐蚀性强、吸湿率低、粘结性好等综合性能优异，并且符合工业生产工艺的超低介电常数聚酰亚胺还需要进行大量研究。添加孔隙率大的纳米尺寸中空硅球，对其进行表面功能化处理后掺杂到聚酰亚胺中，既可以带入大量的孔隙，又能得到界面结合良好的聚酰亚胺，在其力学性能和热稳定性改善的情况下可大幅降低介电常数，此方法具有较好的研究前景。