[发明专利]含有非金属催化剂的低K介电溶胶的组合物

说明书

技术领域

本发明涉及用于生产多孔低k介电膜的组合物。

背景技术

出于某些目的，需要使用具有低介电常数的材料。层间介电(ILD)半导体薄膜的制造通常是通过将所需的薄膜沉积于诸如半导体基板的表面上来进行。对于一些应用来说，要求ILD膜的介电常数小于2.5。沉积薄膜的一种常用方法是通过旋涂沉积。在旋涂沉积期间，将薄膜的液体前驱体涂覆至半导体晶片上，并且在沉积期间或之后，以足够高的速度旋转晶片以使前驱体溶液的层变薄并变平。在快速旋涂步骤期间和之后，使溶剂蒸发，留下介电材料的干燥膜。

旋涂沉积优于气相沉积过程的优点在于孔径和几何形状可以经由自组装过程来控制，在这个过程中充当致孔剂(或“模板”)的清洁剂在干燥后组织起来并且促使冷凝材料产生2个不连续相：富二氧化硅相和有机相。随后通过退火过程去除有机相，留下多孔玻璃态结构。

一般情况是清洁剂相的自组装需要低浓度(1-100ppm)的金属离子催化剂。如果没有金属存在，那么自组装过程被中断并且通过冷凝和退火而产生的膜不是充分多孔的。因此，这种膜的介电常数高于所需的，并且接近冷凝二氧化硅的介电常数(约4)。

碱金属离子，尤其Na⁺和K⁺，是非常有效的。然而，这些离子可能在半导体制造过程中污染硅并且引起因此受污染的电子装置的性能发生不合需要的变化。铯(Cs⁺)是Na⁺和K⁺的有效替代物，并且促进表面活性剂模板的自组装。

然而，将金属离子引入半导体制造设施中是许多公司想要避免的，甚至是在制造过程中不存在与Cs相关的已知问题的情况下。

发明内容

在一个方面，提供了一种用于生产多孔低k介电材料的溶胶组合物。组合物可以包含以下或由以下组成：至少一种硅酸酯、极性溶剂、水、用于硅酸酯水解的酸催化剂、两亲性嵌段共聚物表面活性剂，以及降低所生产的材料的介电常数的非金属催化剂。在需要金属离子的一些情况下，组合物可以进一步包括百万分率浓度低于非金属催化剂的金属离子，其可以是碱金属离子。在一些实施方案中，组合物可以进一步包括共溶剂。添加非金属催化剂至溶胶组合物中可以生产在退火后介电常数值低于缺乏非金属催化剂，但其它方面相同的溶胶的膜。在溶胶组合物的特定实施方案中，至少一种硅酸酯可以是正硅酸四乙酯，极性溶剂可以是C_1-4醇，并且两亲性嵌段共聚物表面活性剂可以是聚(氧化乙烯)-聚(氧化丙烯)-聚(氧化乙烯)聚合物。

非金属催化剂可以包含构成原子或由构成原子组成，这些构成原子选自由B、C、N、O、H、Si、P以及其组合组成的群组。

在一些实施方案中，非金属催化剂可以包含阳离子或由阳离子组成，这种阳离子可以是稳定的碳阳离子，诸如(tropylium)或三苯甲基，等等。在特定实施方案中，阳离子可以是稳定的碳阳离子，诸如三芳基甲烷染料，其可以是结晶紫或孔雀石绿；或其它阳离子，诸如甲基紫精、敌草快(diquat)、硝酸胆碱；或两性离子，诸如甘氨酸甜菜碱。本发明者已经发现可以使用诸如四甲基铵的季铵化合物，但已经发现其它阳离子和两性离子更有效。

在一些实施方案中，非金属催化剂可以包含两性离子或由两性离子组成，这种两性离子可以是1,3二甲基咪唑-2-羧酸盐、甘氨酸甜菜碱、赛氨林(cyameline)、精氨酸或雷氏染料(Reichardt's dye)。两性离子可以具有在约2至约9的范围内的等电点。

在组合物中，非金属催化剂可以：到至少130℃为止是稳定的；在介于1ppm至20,000ppm之间或介于10ppm至2,000ppm之间的浓度下；在≥80℃的温度下在水和/或醇中是稳定的，这个温度可以高达1000℃；在有机硅酸酯存在下在溶液中是稳定的；或其任何组合。

在非金属催化剂可以包含选自由B、C、N、O、H、Si、P以及其组合组成的群组的构成原子或由这些构成原子组成的实施方案中，非金属催化剂在一些实施方案中可以包含与阴离子基团组合的季铵离子或由与阴离子基团组合的季铵离子组成；或可以包含叔胺氧化物或由叔胺氧化物组成。在特定实施方案中，与阴离子基团组合的季铵离子可以是甘氨酸、甜菜碱、精氨酸、赛氨林、1,3-二甲基咪唑2-羧酸盐、或烟酸，并且叔胺氧化物可以是三甲胺N-氧化物(TMANO)、吡啶N-氧化物、4-氨基吡啶N-氧化物、喹啉N-氧化物或DABCO-DNODP。