一种铜导线绝缘材料阻挡体的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铜导线绝缘材料阻挡体的制备方法。本发明专利技术充分利用亚临界和超临界水的物理化学性质，将醋酸锰水溶液与二氧化硅前驱体在亚临界和超临界水条件下反应生成晶体产物。该方法对环境污染少、工艺简单，所述产物具有结晶度好，纯度高，稳定性和机械强度好等优点，可用作各种铜导线的绝缘材料阻挡体。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及。本专利技术充分利用亚临界和超临界水的物理化学性质，将醋酸锰水溶液与二氧化硅前驱体在亚临界和超临界水条件下反应生成晶体产物。该方法对环境污染少、工艺简单，所述产物具有结晶度好，纯度高，稳定性和机械强度好等优点，可用作各种铜导线的绝缘材料阻挡体。【专利说明】
本申请涉及，属于半导体集成电路制造
，具体涉及一种利用亚临界和超临界水的特征来制备铜导线绝缘材料阻挡体的方法。
技术介绍
铜以其低电阻率和较好的耐电迁移性能已代替铝作为微电子器件如微处理器和存储器的布线材料。但是，铜导线目前一般采用二氧化硅做绝缘材料，绝缘材料或半导体中的硅在200°C时就可以和铜发生反应，同时铜在硅或二氧化硅中的高扩散速率会增加铜的电阻并降低装置的性能。因此，有必要设计一种阻挡体包裹在铜导线的外表面，阻止铜和二氧化硅的相互扩散。铜还具有沿电流方向移动的倾向。如果在铜导线互联结构中形成足够大的空位，则该电子迁移过程会提高电阻甚至造成开路。为了抑制这种铜沿电流方向的移动，关键是使用抑制电迁移的材料包裹在铜导线的表面以维持长的寿命。硅酸锰、偏硅酸锰以及锰的氧化物阻挡体以其优异的合金性能以及相比于其他绝缘材料具有更强的铜吸附能力近年来得到广泛研究，其中尤以硅酸锰性能最好，但这些锰基阻挡层的制备尚鲜有报道。Casey等人(Casey, J.Brennan, and G.Hughes, App1.Phys.Lett.98，113508(2011).)报道，通过超高温淬火(UHV)用金属锰在二氧化硅表面生成偏硅酸锰。但结果表明，偏硅酸锰的厚度依赖于温度，经过计算，其最大厚度不会超过2nm，而且在淬火结束后，二氧化硅表面会残留少量金属锰单质，限制了这种绝缘材料阻挡体的应用。超临界水热合成法是制备金属氧化物超细颗粒的一种有效方法，在超临界水中，化学反应速率很高，而金属氧化物的溶解度很低，可获得较高成核的速率，有利于超细颗粒的形成。与其他颗粒制备方法相比，超临界水热合成法具有很多特殊的优点:(1)反应条件易实现，过程能量消耗低；(2)装置简单，反应时间短，可以实现连续操作；(3)可以通过控制过程的参数(如，反应的温度，压力，停留时间，反应物浓度)调控产物的形貌和粒径；(4)整个过程无需有机溶剂的参与，产品无污染。超临界水热合成法制备其他无机粉体材料近年来亦备受关注，相比于固相法和普通的水热合成法，其可实现纯度高、结晶度好、粒径小且分布窄、形貌可控等优点，同时通过向反应体系引入氧化性气体如氧气、还原性气体如氢气以及惰性气体如氮气、氦气等可提供均相的氧化、还原气氛和惰性气氛，从而得到高纯度的目标产物。利用超临界和亚临界水热合成法制备绝缘材料阻挡体尚无文献报道，国内外亦无任何相关专利报道。
技术实现思路
为了解决现有技术中铜和二氧化硅的相互扩散和铜沿电流方向的迁移等技术问题，本专利技术拟提供一种工艺简单而且环境友好的铜导线绝缘材料阻挡体的制备方法，所述方法充分利用亚临界和超临界水的物理化学性能，将可溶性锰盐水溶液与二氧化硅前驱体在亚临界和超临界水条件下反应并生成晶体，所述方法包括以下步骤: 1、配置醋酸锰水溶液，在搅拌下将二氧化硅前躯体加入到上述的醋酸锰水溶液中，得到混合溶液； I1、将步骤I中得到的混合溶液移至超临界水反应器中，然后将反应器密封； II1、将步骤II中密封的反应器置于熔融的盐浴中，在超临界或亚临界水条件下进行反应； IV、反应结束后，将反应器置于常温水中冷却，取出产物，水洗抽滤，干燥，即制得铜导线绝缘材料阻挡体。所述的亚临界和超临界水条件为:反应温度为370°C~420°C，反应物体积为2.Ιπ7.93ml，相应的反应物体积占超临界反应器体积的百分比为12.57%~47.31%。反应压力为22MP~35MPa，停留时间为3~15min。实验发现在370°C~420°C的温度范围内产物具有较好的结晶度。所述的醋酸锰水溶液的浓度为0.5~1.5 mol/L。所述的二氧化硅前躯体可以为正硅酸乙酯的水解产物或硅溶胶，其中正硅酸乙酯的水解产物的制备过程为:(I)按正硅酸乙酯:正丁醇:水:氢氟酸=1:(2.5~3.5):(8~12):0.01的摩尔比例，分别称取正硅酸乙酯、正丁醇、水和氢氟酸；(2)将正硅酸乙酯和正丁醇混合，得到混合溶液；(3)将氢氟酸溶于去离子水中得到氢氟酸水溶液，然后将氢氟酸水溶液缓慢滴加到步骤(2)得到的混合溶液中，用磁力搅拌器剧烈持续搅拌至少25min。另外，所述硅溶胶优选为碱性钠型硅溶胶，粒径约为13nm，密度为1.20g/ml。所述步骤IV中的干燥优选在80_120°C下进行。本专利技术还提供一种由本专利技术所述方法制备的铜导线绝缘材料阻挡体，所述铜导线绝缘材料阻挡体为在晶体结构的二氧化硅表面上负载的硅酸锰纳米颗粒。本专利技术所述铜导线绝缘材料阻挡体的制备方法的优点在于: 1、将亚临界和超临界水反应和阻挡体的制备相结合，此方法制备的阻挡体无需煅烧等高温处理； I1、工艺简单、过程可控；在操作过程中，通过调节温度、停留时间、反应物浓度来控制产物的形貌和粒径。II1、适用性广，本专利技术制备的阻挡体可用作各种型号的铜导线以及微电子装置，可有效防止铜的扩散和迁移。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术所述利用亚临界和超临界水来制备铜导线绝缘材料阻挡体的超临界水实验装置:所述装置包括以下部件:温度显示器1、转速控制器2、升降控制开关3、电机4、曲柄5、热电偶6、管式反应器7、KNO3-NaNO3盐浴桶8和加热体9。图2为利用本专利技术所述方法制备的产物的X射线衍射谱图，其中A、B、C、D分别为实施方式一、二、三、四的产物的X射线衍射谱图。下面结合图1所示装置对本专利技术所述制备方法进行进一步说明，在盐浴桶8外壁和底部有三段加热体9，盐浴桶8内部盛有硝酸钾和硝酸钠，硝酸钾和硝酸钠的质量比为45:55，加热体9的温度由位于桶内壁的三根热电偶6控制。所用反应器是一种垂直式管式反应器7，材质为SUS316不锈钢，体积为16.7ml (内径:10mm，管长:215mm)。反应器7悬挂在曲柄5上，曲柄5受电机4驱动上下震荡。反应器没有压力指示和控制系统，反应压力通过加水量计算得到。本专利技术所制备的产物粉末通过X射线衍射仪检测，具体检测结果见图2。【具体实施方式】实施方式一: 分别配置浓度为I mol/L的醋酸锰水溶液和二氧化硅前躯体溶液。在搅拌下将醋酸锰盐水溶液和二氧化硅前躯体溶液混合，得到混合溶液；将得到的混合溶液移至超临界水反应器中，然后密封反应器。将密封的反应器置于熔融的盐浴中，在超临界或亚临界水条件下进行反应。反应温度为400°C，反应压力为30MPa，停留时间为5min，反应结束后，将反应器置于常温水中冷却，取出产物，水洗抽滤，并在100°C下干燥即制得本专利技术所述铜导线绝缘材料阻挡体。其中所述二氧化硅前躯体溶液的制备过程如下:(1)按正硅酸乙酯:正丁醇:去离子水:氢氟酸=1:3:10:0.01的摩尔比例，分别称取正硅酸乙酯、正丁醇、水和氢氟酸；(2)将正硅酸乙酯和正丁醇混合；(3)将氢氟酸溶于去离子水中得到氢氟酸水溶液，然后将氢氟酸水溶液缓慢滴加到步骤(2)得到的混合溶液中，用磁力搅拌器剧烈持续搅拌至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜导线绝缘材料阻挡体的制备方法，其特征在于是一种利用亚临界或超临界水的物理化学性质将醋酸锰水溶液与二氧化硅前驱体在超临界水条件下反应并生成晶体的方法，所述方法包括以下步骤：Ⅰ、配置醋酸锰水溶液，在搅拌下将二氧化硅前躯体加入到上述的醋酸锰水溶液中，得到混合溶液；Ⅱ、将步骤I中得到的混合溶液移至超临界水反应器中，然后将反应器密封；Ⅲ、将步骤Ⅱ中密封的反应器置于熔融的盐浴中，在超临界或亚临界水条件下进行反应；Ⅳ、反应结束后，将反应器置于常温水中冷却，取出产物，水洗抽滤，干燥，即制得铜导线绝缘材料阻挡体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王建成，韩丽娜，王兵，常丽萍，彭兆亮，鲍卫仁，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14