DE112004001324B4 - Filme mit niedriger Dielektrizitätskonstante und Herstellungsverfahren für diese Filme sowie elektronische Bauteile, die diese Filme verwenden - Google Patents

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Abstract

Ein poröser Film mit einer spezifischen Dielektrizitätskonstante niedriger als 3 und einer Porosität zwischen 40% und 80% aufweisend zumindest feine Diamantpartikel mit einer Partikelgröße von 1 nm bis 1000 nm, wobei die Oberfläche der feinen Diamantpartikel behandelt worden ist mit einer Mischung aus zumindest einer Substanz gemäß der Gruppe (a) und zumindest einer Substanz gemäß der Gruppe (b), die im Folgenden angegeben werden:
(a) die Gruppe bestehend aus Dichlortetramethyldisiloxan, Dimethoxytetramethyldisiloxan, Tetrachlordimethyldisiloxan und Tetramethoxydimethyldisiloxan;
(b) die Gruppe bestehend aus Hexachlordisiloxan, Hexamethoxydisiloxan und Hexaethoxydisiloxan.

Description

  • TECHNISCHER BEREICH
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen dünnen Film mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante sowie einer porösen Struktur, in den feine Diamantpartikel eingebunden sind, und ein Herstellungsverfahren dafür sowie ein elektronisches Bauteil wie z. B. einen integrierten Schaltkreis aus einem Halbleitermaterial mit einer hohen Integrationsdichte und einer hohen Betriebsgeschwindigkeit, der einen solchen Film verwendet.
  • STAND DER TECHNIK
  • Die Verzögerung von Signalen, die durch Leitungen verlaufen, die in Vorrichtungen angeordnet sind, verursachen in integrierten Halbleiterschaltkreisgeräten, insbesondere in Super-LSI-Geräten ein signifikantes Problem beim Verringern des Stromverbrauchs in dem Maße, wie die Leitungen dünner werden und integrierter werden. Insbesondere führt bei einem Logikgerät hoher Geschwindigkeit, die RC-Verzögerung aufgrund des Widerstandes und der Verteilungskapazität der Leitungen zu größten Schwierigkeiten. Es ist daher vordringlich erforderlich, ein Material einer niedrigen Dielektrizitätskonstante für die Isolationsmaterialien zwischen den Leitungen zu verwenden, um die Verteilungskapazität zu verringern. Bislang wurden als ein isolierender Film in einem integrierten Halbleiterschaltkreis ein Siliziumdioxidfilm (SiO2) verwendet, ein Tantaloxidfilm (Ta2O5), ein Aluminiumoxidfilm (Al2O3), ein Nitridfilm (Si3N4) und ähnliche Filme. Als ein Isoliermaterial zwischen Leitungen mehrerer Lagen wurden insbesondere ein Nitridfilm oder ein Siliziumdioxidfilm als ein Film mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante verwendet oder untersucht, der mit einem organischen Material oder Fluor dotiert worden ist. Ferner wurden als isolierender Film zum weiteren Absenken der Dielektrizitätskonstante ein Fluorharz, ein hergestellt durch das Backen eines aufschäumenden organischen Siliziumdioxidfilmes, ein poröser Siliziumdioxidfilm hergestellt durch das Abscheiden von feinen Siliziumdioxidpartikeln, etc. untersucht.
  • Andererseits ist Diamant aufgrund seiner exzellenteren Wärmeleitfähigkeit und größeren mechanischen Stärke als andere Materialien ein Material, das geeignet ist zur Wärmeableitung für hoch integrierte Halbleitergeräte und große Mengen von Wärmeerzeugung und ist daher in den vergangenen Jahren untersucht worden. Beispielsweise schlägt die JP-A Nr. 6-97671 einen Diamantfilm einer Dicke von 5 μm vor durch ein Filmherstellungsverfahren wie z. B. ein Sputterverfahren, ein Ion-Plating-Verfahren oder ein Verfahren mit einem Ionenclusterstrahl. Ferner schlägt die JP-A Nr. 9-263488 ein Filmherstellungsverfahren vor, bei dem feine Diamantpartikel auf ein Substrat zerstäubt werden und Diamantkristalle aufwachsen, indem sie als Nukleationskerne verwendet werden, indem Kohlenstoff durch ein CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) zugeliefert wird. Die vorliegenden Erfinder haben eine spezifische Dielektrizitätskonstante von 2,72 erreicht durch einen feinen Diamantpartikelfilm einer porösen Struktur wie er bereits in der JP-A Nr. 2002-110870 offenbart ist. Ferner, da feine Diamantpartikel sich nicht miteinander verbinden, führt dies zu dem Problem, dass die Filmstabilität sinkt. Um das Problem zu lösen schlägt die JP-A Nr. 2002-289604 ein Verstärkungsverfahren vor, indem die feinen Diamantpartikel durch eine Behandlung mit Hexachlorodisiloxan miteinander vernetzt werden und es wird gezeigt, dass eine spezifische Dielektrizitätskonstante, die mit derjenigen in der JP-A Nr. 2002-110870 vergleichbar ist, auch durch diese Behandlung erreicht wird.
  • Ferner haben die vorliegenden Erfinder berichtet, dass eine spezifische Dielektrizitätskonstante von 2,1 erhalten wird durch Heizen und Reinigen von feinen Diamantpartikeln in einer gemischten Säure aufweisend Schwefelsäure/Salpetersäure auf der Akademischen Konferenz (das 50. Treffen der Japanischen Gesellschaft für angewandte Physik und verwandte Gesellschaften, Pre-Text Nr. 2, Seite 913 (2003)).
  • Die bisher bekannten Materialien mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet. Tabelle 1
    Name des Materials Spezifische Dielektrizitätskonstante
    Siliziumdioxid (Plasma CVD) 4,2–5,0
    Fluor-haltiges Siliziumdioxid 3.7
    Diamant (Einkristall) 5,68
    Poröses Siliziumdioxid 1,5–2,5
    Poröser Diamant 2,1–2,72
    Polyimid 3,0–3,5
    Polytetrafluorethylen 1,9
    Gas 1
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegenden Erfinder haben eine ernsthafte Untersuchung des Verstärkungsagens für den Film aus feinen Diamantpartikeln durchgeführt mit denn Ziel, die elektrischen Eigenschaften zu verbessern und haben als Ergebnis einen Film einer niedrigen Dielektrizitätskonstante gemäß Anspruch 1 entwickelt, der zumindest feine Diamantpartikel und Poren aufweist und gekennzeichnet wird durch eine Verstärkungsbehandlung des Vernetzens der feinen Diamantpartikel untereinander durch das Behandeln der Oberfläche der feinen Diamantpartikel mit einer Mischung aus zumindest einer Substanz gemäß der Gruppe (a) und zumindest einer Substanz gemäß der Gruppe (b), die im Folgenden angegeben werden:
    • (a) die Gruppe bestehend aus Dichlortetramethyldisiloxan, Dimethoxytetramethyldisiloxan, Tetrachlordimethyldisiloxan und Tetramethoxydimethyldisiloxan;
    • (b) die Gruppe bestehend aus Hexachlordisiloxan, Hexamethoxydisiloxan und Hexaethoxydisiloxan.
  • Das Verfahren zum Behandeln des Films aus feinen Diamantpartikeln umfasst beispielsweise ein Verfahren des Eintauchens in eine Flüssigkeit enthaltend die o. g. Mischung (auf die im folgenden als Verstärkungsagens Bezug genommen wird), ein Verfahren zum Aufbringen einer Flüssigkeit enthaltend das Verstärkungsagens auf dem Film, ein Verfahren des Aufsprühens einer Flüssigkeit enthaltend die o. g. Mischung, die in der Erfindung verwendet wird, auf den Film oder ein Behandlungsverfahren, indem der Film dem Verstärkungsagens alleine oder in einem Lösungsmittel aufgelöst als Dampf beim Erhitzen oder bei Raumtemperatur ausgesetzt wird.
  • In der o. g. Mischung kann (a) und (b) im Bereich von 2:98 bis 98:2 (Gewichtsverhältnis) vorliegen. Es ist jedoch bevorzugt, dass sie in einem Verhältnis von 70:30 bis 10:90 vorliegen. Das Gewichtsverhältnis basiert auf einem gemischten Gewichtsverhältnis im flüssigen Zustand, bevor die Oberfläche der feinen Diamantpartikel behandelt wird. Im Fall einer Behandlung im Gaszustand ist es erforderlich, die Dampfdrücke jeder Substanz bei der Behandlungstemperatur zu berücksichtigen. Hexachlordisiloxan hat eine höhere Reaktivität als Hexamethoxydisiloxan zu den Hydroxygruppen auf der Oberfläche der Diamantpartikel. Erstere setzt jedoch Wasserstoffchlorid frei und letztere setzt Methanol als Nebenprodukt frei. Für den Fall des Bildens eines Films einer niedrigen Dielektrizitätskonstante gemäß der Erfindung bei der Herstellung eines Halbleiterschaltkreises ist letzteres als Behandlungsagens bevorzugt, da Chlorionen manchmal unerwünschte Effekte erzeugen. In einer Situation, in der Chlorionen jedoch hinreichend entfernt werden, wird Ersteres verwendet. Dementsprechend kann für den Fall, dass Ersteres und Letzteres in einer Mischung verwendet werden, das Mischungsverhältnis optional gemäß der Situation der Prozesse zur Herstellung verschiedener Halbleiterschaltkreise optional bestimmt werden.
  • Der Film aus feinen Diamantpartikeln mit Poren gemäß der Erfindung wird auf einem Halbleitersubstrat wie z. B. einem einkristallinen oder polykristallinen Siliziumsubstrat gebildet, einem Halbleitersubstrat aus einer Verbindung, einem Quarzsubstrat, einem keramischen Substrat und einem Glassubstrat oder auf einem Substrat mit einem Zwischenprodukt zur Herstellung eines Halbleiters mit zahlreichen Schaltkreisen. Eine kolloidale Lösung der feinen Diamantpartikel wird auf die Oberfläche des Substrates beschichtet nach der hydrophilen Behandlung durch Oxidation.
  • Zusätzlich zu der Behandlung des Filmes an sich, der abgeschieden worden ist durch das Beschichten der kolloidalen Lösung der feinen Diamantpartikel, so wie es oben beschrieben worden ist, mit dem Verstärkungsagens, kann es manchmal erforderlich sein, die Haftung zwischen dem Substrat und dem Film zu verbessern. In diesem Fall kann die Haftung zwischen dem Substrat und dem Film der feinen Diamantpartikel verbessert werden, indem ferner eine Vorbehandlung mit dem Verstärkungsagens zwischen der hydrophilen Behandlung und der Beschichtung durchgeführt wird. In diesem Fall kann optional ein Behandlungsschritt wie z. B. eine Trocknung und ein Erwärmen für eine ausreichende Reaktion angewandt werden.
  • Da Schwefelsäure oder Salpetersäure manchmal für den Reinigungsschritt der feinen Diamantpartikel, die in der Erfindung verwendet werden, verwendet wird, können sulphonische Gruppen oder Karboxygruppen auf der Oberfläche gebildet weiden. In diesem Fall kann zumindest ein Metallion aus der Gruppe bestehend aus Kalzium, Strontium, Barium, Quecksilber, Silber, Blei oder Radium an die Gruppen gebunden werden. Das Verfahren zum Behandeln des Films mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante mit Metallionen umfasst beispielsweise ein Verfahren zum Bilden eines Films mit feinen Diamantpartikeln mit Poren, daraufhin das Auswählen eines wasserlöslichen Salzes, wie z. B. eines Hydrides, Wasserstoffchlorides oder eines Nitrates des Metalls und das Auflösen des Metalls in Wasser, das Imprägnieren der Lösung in die Poren des Films der feinen Diamantpartikel und das Verbinden derselben mit den Karboxygruppen und/oder den Sulfongruppen, die an die Oberfläche der feinen Diamantpartikel gebunden sind, oder das Hinzufügen der Lösung des Metallsalzes zu der Dispersionsflüssigkeit der feinen Diamantpartikel. In diesem Fall wird zum Entfernen von nicht benötigten Metallsalzen ein ausreichendes Waschen mit Wasser angewandt, gefolgt von einem Trocknungsschritt. Für den Fall des Durchführens der Metallsalzbehandlung und der Behandlung des Bindens der feinen Partikel miteinander, kann jeder der beiden Schritte zuerst durchgeführt werden, wobei jedoch die Durchführung des Ersteren als ersten Schritt für die Behandlung leicht ist.
  • Ferner stellt die Kombination der o. g. Metallsalzbehandlung und einer Behandlung mit einem hydrophoben Agens wie Hexamethyldisilazan beide Effekte bereit, wodurch der Isolationswiderstand und die elektrische Durchschlagsspannung weiter verbessert wird.
  • Die in der Erfindung verwendeten Diamantpartikel sind Festkörperpartikel mit einer Partikelgröße zwischen 1 nun bis 1000 nm gereinigt bis zu einem Reinheitsgrad bis zu 95% oder höher. Die Porosität des Films einer niedrigen Dielektrizitätskonstante gemäß der Erfindung liegt zwischen 40% und 80%. Für den Fall, dass die Porosität 40% oder weniger ist, nimmt die dielektrische Konstante auf 3 oder mehr zu, hauptsächlich in einem Fall, wenn die Verteilung der Partikelgrößen der feinen Diamantpartikel breit ist, was nicht bevorzugt ist. Ferner kann für den Fall, dass die Porosität 80% oder mehr beträgt, keine mechanische Stärke erzielt werden, was für die praktische Anwendung unzureichend ist.
  • Obwohl ein wässriges Medium im Allgemeinen verwendet wird, ist es zum Erzeugen des Kolloids der feinen Diamantpartikel bevorzugt, dass die feinen Diamantpartikel in dem Dispersionsmedium als primäre Partikel der oben beschriebenen Partikelgröße dispergiert werden. Sie können jedoch auch verwendet werden, wenn sie zu 30 mit bis 1000 nm in ihrer Erscheinung agglomeriert sind, um Sekundärpartikel zu bilden. Zur Dispersion kann ein bekanntes Dispergiermittel für feine Partikel verwendet werden oder ein bekannter Modifizierer der Viskosität kann ebenfalls innerhalb eines Bereiches verwendet werden, der die physikalischen Eigenschaften wie die Dielektrizitätskonstante, den elektrischen Widerstandswert und die dielektrische Durchschlagsspannung nicht verschlechtert.
  • Da der Film aus feinen Diamantpartikeln gemäß der Erfindung Poren aufweist, hat die Oberfläche eine natürliche Rauhigkeit und wird dementsprechend vorzugsweise verdichtet. Zu diesem Zweck kann ein bekanntes Verfahren, wie z. B. ein SOG-Verfahren (Spin an Glass), ein SG-Film-Verfahren (Silicate Glass), ein BPSG-Film-Verfahren (Boron Phosphate SG) oder ein Plasma-CVD-Verfahren oder ein Verfahren des Beschichtens einer Dispersionsflüssigkeit aus feinen Diamantpartikeln von 5 mit oder weniger, etc. verwendet werden.
  • Die Temperatur zum Behandeln des abgeschiedenen Films, der gebildet worden ist durch das Aufbringen einer Beschichtung der kolloidalen Lösung der feinen Diamantpartikel, mit dem o. g. Verstärkungsagens, liegt in einem Bereich zwischen Raumtemperatur und 400°C. Obwohl es vom Siedepunkt der Lösung abhängt, die zum Verdünnen des Verstärkungsagens verwendet wird, erfolgt die Behandlung vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen ungefähr 50°C und 150°C und mit einer simultanen Reaktion. Ferner kann der abgeschiedene Film aus feinen Diamantpartikeln bei Raumtemperatur mit einem Dampf oder einer Flüssigkeit behandelt werden, die das Verstärkungsagens enthält und daraufhin erhitzt werden und der Reaktion unterworfen werden bei einer Temperatur zwischen 40°C und 400°C, vorzugsweise zwischen ungefähr 50°C und 150°C.
  • Die Erfindung umfasst ferner ein elektronisches Bauteil, das als Bestandteil den oben beschriebenen Film mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante aufweist.
  • Als elektronisches Bauteil ist ein integrierter Halbleiterschaltkreis des mehrlagigen Leitungstyps einer hohen Integrationsdichte und des Typs einer hohen Betriebsgeschwindigkeit am meisten geeignet. Es kann sich jedoch auch um eine übliche Halbleitervorrichtung oder eine Mikromaschine handeln oder um einen üblichen Kondensator mit einem Film einer niedrigen Dielektrizitätskonstante gemäß der Erfindung aufweisend feine Diamantpartikel und Poren (einen porösen Film aus feinen Diamantpartikeln).
  • Wirkung der Erfindung
  • Es ist bekannt, dass Diamant ein guter Wärmeleiter ist und die Wärmeleitfähigkeit wird nicht verschlechtert, selbst wenn Poren gebildet werden, verglichen mit dem existierenden SOG-Film.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Schaubild, das die Strom-Spannungs-Charakteristika vor und nach einer Bariumhydroxidbehandlung eines porösen Films aus feinen Diamantpartikeln zeigt. Die Werte in Klammern zeigen spezifische Dielektrizitätskonstanten (nicht erfindungsgemäß).
  • 2 ist ein Schaubild, das die Strom-Spannungs-Charakteristika des porösen Films aus feinen Diamantpartikeln vor und nach einer hydrophoben Behandlung zeigt (nicht erfindungsgemäß).
  • 3 ist ein Schaubild, das die Strom-Spannungs-Charakteristika des porösen Films aus feinen Diamantpartikeln aus Beispiel 5 zeigt (Symbol: ∎) und eines Films einer niedrigen Dielektrizitätskonstante eines Vergleichsbeispiels 1 (Symbol: ☐) (nicht erfindungsgemäß).
  • 4 ist ein Schaubild, das die Strom-Spannungs-Charakteristika eines Films einer Dielektrizitätskonstante zeigt, der im Beispiel 6 eines porösen Films aus feinen Diamantpartikeln gemäß der Erfindung erhalten worden ist (Symbol: ∎).
  • Erste Vorgehensweisen zur Durchführung
  • Beispiele werden im Folgenden beschrieben.
  • Beispiel 1 (nicht erfindungsgemäß)
  • Herstellung der kolloidalen Lösung.
  • In reinem Wasser in einem Quarzbecher werden 5 Gew.-% von gereinigten feinen Diamantpartikeln und 1 Gew.-% von Polyethylengylkol 600 eingefüllt. Der Becher wird in einen Ultraschallwellentank eingetaucht und für eine Stunde ausreichend dispergiert, um eine graue viskose Dispersionsflüssigkeit zu erhalten.
  • Spincoating-Schritt
  • Ein gründlich gereinigtes Siliziumsubstrat wird auf einer Spindel eines Spincoaters angeordnet; die oben beschriebene kolloidale Lösung wird nach unten ausgegossen und das Substrat wird mit 1.500 Umdrehungen/Minute gedreht, um die Lösung durch die Zentrifugalkraft gleichmäßig zu beschichten.
  • Trocknungsschritt
  • Das mit einer Lösung aus feinen Diamantpartikeln beschichtete Siliziumsubstrat wird luftgetrocknet, um einen Film zu bilden und daraufhin auf einer heißen Platte bei 300°C angeordnet und für eine Stunde getrocknet.
  • Verstärkungsbehandlung für die Filmstruktur
  • Das Siliziumsubstrat mit dem Film aus feinen Diamantpartikeln wird in einem Gefäß angeordnet und dicht verschlossen; eine Vernetzung zwischen den Partikeln wird herbeigeführt, indem der Film einem Dampf aus 1% Hexachlordisiloxan aufgelöst in Dichlormethan bei Raumtemperatur für eine Stunde ausgesetzt wird. Daraufhin wird ferner eine Überhitzungsbehandlung bei 300°C für eine Stunde angewandt.
  • Behandlung mit einem Metallsalz
  • Daraufhin wird das Substrat mit dem Film in einer 1%igen Bariumhydroxidlösung für eine Stunde bei Raumtemperatur eingetaucht, nach gründlicher Reinigung durch das Nach-unten-Gießen von reinem Wasser. Daraufhin wird das Substrat in reines Wasser bei Raumtemperatur für eine Stunde eingetaucht und gereinigtes Wasser wird ferner nach unten gegossen für ein ausreichendes Reinigen, gefolgt von einem Trocknungsschritt bei 100°C für eine Stunde.
  • Messen der Strom-Spannungs-Charakteristik
  • Eine Quecksilberelektrode wird auf dem Film in atmosphärischer Luft angeordnet und eine Spannung wird zwischen ihr und einem Siliziumsubstrat angelegt, um die Spannung, den Stromwert und die dielektrische Durchschlagsspannung zu messen, die durch die zuvor gemessene Filmdicke dividiert wird um die Elektrolyseintensität zu berechnen.
  • 1 zeigt die Eigenschaft des Films bei einer Dicke von 540 nun, erhalten in Beispiel 1. In dem porösen Film aus feinen Diamantpartikeln, der mit Bariumhydroxid behandelt worden ist, wird die dielektrische Durchschlagsspannung um einen Faktor 3 oder mehr verbessert von 0,32 MV/cm auf 1,02 MV/cm verglichen mit dem Film vor der Behandlung. Während der Leckstrom, der den Isolationswiderstand darstellt, ungefähr 1·10–9 A/cm2 beträgt und keinen Unterschied bei 0,01 MV/cm zeigt, hat er ungefähr 20-fach abgenommen von 1·10–4 A/cm2 auf 2·10–5 A/cm2 bei 0,3 MV/cm. Ferner wurde die spezifische dielektrische Konstante verbessert von 2,0 vor der Metallsalzbehandlung auf 1,8.
  • Beispiel 2 (nicht erfindungsgemäß)
  • Das Experiment wurde mit denselben Verfahrensschritten durchgeführt, mit der Ausnahme der Durchführung der Metallsalzbehandlung mit 0,17% Kalziumhydroxid anstelle von 1% Bariumhydroxid im Beispiel 1. Die Filmdicke betrug 430 nm. Als Ergebnis wurde gefunden, dass die dielektrische Durchschlagsspannung sich von 0,86 MV/cm auf 1,0 MV/cm verbessert hat und der Leckstrom bei 0,82 MV/cm von 1·10–4 A/cm2 auf 7·10–5 A/cm2 abgenommen hat, ebenfalls aufgrund der Behandlung mit Kalzium.
  • Beispiel 3 (nicht erfindungsgemäß)
  • Präparation der kolloidalen Lösung
  • In reinem Wasser werden in einem Quarzbecher 5 Gew.-% von gereinigten feinen Diamantpartikeln eingefüllt und 1 Gew.-% von Polyethylengylkol 600. Daraufhin wurde der Becher in einen Ultraschallwellentank eingetaucht und hinreichend für eine Stunde dispergiert, um eine graue viskose Dispersionsflüssigkeit zu erhalten.
  • Spincoating-Schritt
  • Ein vollständig gereinigtes Siliziumsubstrat von ungefähr 20 mm2 wurde einer hydrophilen Oberflächenbehandlung ausgesetzt und auf einer Spindel eines Spincoaters angeordnet; die oben beschriebene kolloidale Lösung wurde nach unten gegossen und das Substrat wurde mit 1.500 Umdrehungen/Minute gedreht, um die Lösung durch die Zentrifugalkraft gleichmäßig zu verteilen.
  • Trocknungsschritt
  • Das mit einer Flüssigkeit aus feinen Diamantpartikeln beschichtete Siliziumsubstrat wurde in Luft getrocknet, um einen Film zu bilden und daraufhin auf einer heißen Platte bei 300° angeordnet und für eine Stunde getrocknet.
  • Verstärkungsbehandlung für die Filmstruktur
  • Das Siliziumsubstrat mit dem Film aus feinen Diamantpartikeln wurde in einem dicht verschlossenen Gefäß angeordnet und eine Vernetzung zwischen den Partikeln durchgeführt, indem der Film einem Dampf von 1% Hexachlordisiloxan (HCDS) aufgelöst in Dichlormethan für eine Stunde bei Raumtemperatur ausgesetzt worden ist, woraufhin ferner eine Überhitzungsbehandlung bei 300°C für eine Stunde durchgeführt wurde.
  • Hydrophobe Behandlung
  • Daraufhin wurde das Substrat mit dem Film in einem Gefäß angeordnet, das eine flüssige Mixtur von 1% Hexamethyldisilazan (HMDS)/Dichlormethan enthält und dicht verschlossen wurde und einem Dampf ausgesetzt bei einer Raumtemperatur für eine Stunde, um eine hydrophobe Behandlung durchzuführen. Daraufhin wurde ferner eine Überhitzungsbehandlung bei 300°C für eine Stunde durchgeführt.
  • Messung der Strom-Spannungs-Charakteristika
  • Eine Quecksilberelektrode wurde auf einem Film in einer Luftatmosphäre angeordnet und eine Spannung wurde zwischen der Elektrode und einem Siliziumsubstrat angelegt, um die Spannung, den Stromwert und die dielektrische Durchschlagsspannung zu messen, die durch eine zuvor gemessene Filmdicke dividiert wurden, um die Elektrolyseintensität zu berechnen.
  • 2 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristika des Films bei einer Dicke von 430 nm, der in Beispiel 3 erhalten worden ist. In dem porösen Film aus feinen Diamantpartikeln, auf den eine hydrophobe Behandlung angewandt worden ist, wurde die dielektrische Durchschlagsspannung um ungefähr einen Faktor 2 verbessert von 0,57 MV/cm auf 1,03 MV/cm. Der Leckstrom, der den Isolationswiderstand darstellt, wurde von 1·10–7 A/cm2 auf 2·10–9 A/cm2 bei einer Spannung von 0,1 MV/cm abgesenkt und auf ungefähr ein Hundertstel abgesenkt von 1·10–5 A/cm2 auf 1·10–7 A/cm2 bei 0,23 MV/cm. Ferner blieb die spezifische Dielektrizitätskonstante unverändert bei 2,0 vor und nach der Behandlung. Wie durch die unterbrochene Linie in 2 dargestellt, erfüllt die Erfindung die Anforderung, da eine dielektrische Durchschlagsspannung von 1 MV/cm oder mehr verlangt wird. Ferner, während ein Leckstrom von 10–6 A/cm2 oder weniger im Allgemeinen verlangt wird, könnte dies erreicht werden bei einer Spannung von 0,4 MV/cm oder weniger.
  • Beispiel 4 (nicht erfindungsgemäß)
  • Das Experiment wurde mit denselben Verfahrensschritten durchgeführt mit der Ausnahme einer Behandlung mit einem Gas aus 1% Trimethylmonochlorsilan/Toluol-Lösung anstelle von 1% Hexamethyldisilazan in Beispiel 3. Die Filmdicke betrug 530 nm. Im Ergebnis wurde durch die Behandlung mit Trimethylmonochlorsilan 1,11 MV/cm für die dielektrische Durchschlagsspannung erreicht, was höher ist als 1 MV/cm und 1,1·10–7 A/cm2 des Leckstroms wurde bei einer Spannung von 0,2 MV/cm erreicht.
  • Beispiel 5 (nicht erfindungsgemäß)
  • Herstellung der kolloidalen Lösung
  • In reines Wasser in einem Becher aus Quarz wurden 5 Gew.-% gereinigte feine Diamantpartikel eingefüllt und 0,1 Gew.-% Dimethylamin und 1 Gew.-% Polyethylengylkol mit einem Molekulargewicht von 5 Millionen. Der Becher wurde in einen Ultraschallwellentank eingetaucht und ausreichend für eine Stunde dispergiert, um eine graue viskose Dispersionflüssigkeit zu erhalten.
  • Spincoating-Schritt
  • Ein vollständig gereinigtes Siliziumsubstrat wurde in ungefähr 20 mm2 geschnitten, einer hydrophilen Oberflächenbehandlung ausgesetzt und daraufhin auf einer Spindel eines Spincoaters angeordnet. Die oben beschriebene kolloidale Lösung wurde nach unten gegossen und das Substrat wurde mit 1.500 Umdrehungen/Minute gedreht, um die Lösung durch die Zentrifugalkraft gleichmäßig zu beschichten.
  • Trocknungsschritt
  • Das mit einer Flüssigkeit aus feinen Diamantpartikeln beschichtete Substrat wurde in Luft getrocknet, um einen Film zu bilden und daraufhin auf einer heißen Platte bei 300° angeordnet und für eine Stunde getrocknet.
  • Verstärkungsbehandlung für die Filmstruktur
  • Das Siliziumsubstrat mit dem Film aus feinen Diamantpartikeln wurde in einem dicht verschlossenen Gefäß angeordnet und eine Partikeldurchdringung zwischen den Partikeln durchgeführt, indem es ausreichend einem Dampf von 10% Dichlortetramethyldisiloxan (DCTMDS) aufgelöst in Dichlormethan bei Raumtemperatur für eine Stunde ausgesetzt wurde. Daraufhin wurde eine Überhitzungsbehandlung bei 300°C für eine Stunde angewandt.
  • Messung der Strom-Spannungs-Charakteristika
  • Eine Quecksilberelektrode wurde auf einem Film in atmosphärischer Luft angeordnet und eine Spannung wurde zwischen der Elektrode und dem Siliziumsubstrat angelegt, um die Spannung, den Stromwert und die dielektrische Durchschlagsspannung zu messen, die durch eine vorher gemessene Filmdicke dividiert wurden, um die Elektrolyseintensität zu berechnen.
  • 3 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristika des Films bei einer Dicke von 510 nm, der im Beispiel 5 erhalten worden ist. In dem porösen Film aus feinen Diamantpartikeln, auf den eine DCTMDS-Behandlung angewandt worden ist, wurde die dielektrische Durchschlagsspannung um den Faktor 3,5 oder mehr von 0,57 MV/cm auf 2,0 MV/cm (Messgrenze) verbessert verglichen mit denn Film im Vergleichsbeispiel 1, das nachfolgend beschrieben wird. Der Leckstrom, der den Isolationswiderstand darstellt, wurde von 1·10–4 A/cm2 auf 7·10–8 A/cm2 bei einer Spannung von 0,57 MV/cm abgesenkt und auf 1·10–7 A/cm2 bei 1 MV/cm abgesenkt, wenn sie in der gleichen Weise verglichen werden. Ferner blieb die dielektrische Konstante unverändert bei 2,0 vor und nach der Behandlung. Wie durch die durchbrochene Linie in 3 dargestellt, erreichen sowohl die dielektrische Durchschlagsspannung als auch der Leckstrom ein praktikables Niveau gemäß der Erfindung, wobei 1 MV/cm oder höher für die dielektrische Durchschlagsspannung und 1·10–6 A/cm2 oder weniger für den Leckstrom allgemein verlangt werden.
  • Darüber hinaus hatte der poröse Film aus feinen Diamantpartikeln aus diesem Beispiel keine Nachteile wie z. B. eine Zerstörung der Bänder zwischen den Partikeln und zeigte eine hinreichende Stärke beim Messen durch das Kontaktieren der Messprobe für die elektrischen Eigenschaften oder bei der Reibung durch die Berührung mit einem Finger.
  • Beispiel 6 (erfindungsgemäß)
  • Das Experiment wurde mit denselben Verfahrensschritten durchgeführt mit der Ausnahme einer Behandlung mit einem Gas aus einer flüssigen Mischung aus 1 Gew.-% DCTMDS und 1 Gew.-% Hexachlordisiloxan anstelle von 10% DCTMDS in Beispiel 5. Als Ergebnis der Messung betrug die Filmdicke 680 nm und die spezifische dielektrische Konstante war 2,1.
  • Eine dielektrische Durchschlagsspannung von 1,43 MV/cm wurde erreicht, was höher ist als 1 MV/cm und ein Leckstrom von 2·10–7 A/cm2 wurde erreicht, was weniger ist als 1·10–6 A/cm2 bei einer Spannung von 1 MV/cm.
  • Ferner hatte der poröse Film aus Diamantpartikeln des Beispiels keine Nachteile, wie z. B. eine Zerstörung der Verbindung zwischen den Partikeln und behielt eine ausreichende Stärke, selbst bei der Reibung durch die Berührung mit einem Finger.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Das Experiment wurde mit denselben Verfahrensschritten durchgeführt mit der Ausnahme der Behandlung mit einem Gas aus 1 Gew.-% Hexachlordisiloxanlösung anstelle von 10 Gew.-% DCTMDS in Beispiel 5. Die Filmdicke war 510 nm. Der poröse Film aus feinen Diamantpartikeln hatte eine dielektrische Durchschlagsspannung von 0,6 MV/cm und einen Leckstrom von 1·10–4 A/cm2 und konnte nicht die Anforderung von 1 MV/cm für die dielektrische Durchschlagsspannung und 1·10–6 A/cm2 oder weniger für den Leckstrom als den praktischen Standard erfüllen.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Gemäß der Erfindung wurde eine spezifische dielektrische Konstante von 2,0 erreicht durch die Verwendung eines porösen Films aus feinen Diamantpartikeln. Dies ist ein anorganischer Film einer niedrigen Dielektrizitätskonstante mit einer hohen Hitzebeständigkeit und einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Ferner wurde eine dielektrische Durchschlagsspannung erreicht, die 1 MV/cm übertrifft, welches der praktische Standard ist. Ferner wurde ein Leckstrom von 1·10–7 A/cm2 bei einer praktikablen Spannung von 1 MV/cm erreicht. Dies ermöglicht nicht nur die Herstellung von Halbleitervorrichtungen die mit mehrlagigen Leitern oder Halbleiterkondensatoren, sondern auch die Herstellung anderer hochleistungsfähiger elektronischer Bauteile für allgemeine Zwecke, wie z. B. von Hochleistungskondensatoren und Isolatoren zwischen Leitern und kann stark zu der Entwicklung der elektronischen Industrie einschließlich Computern beitragen.

Claims (3)

  1. Ein poröser Film mit einer spezifischen Dielektrizitätskonstante niedriger als 3 und einer Porosität zwischen 40% und 80% aufweisend zumindest feine Diamantpartikel mit einer Partikelgröße von 1 nm bis 1000 nm, wobei die Oberfläche der feinen Diamantpartikel behandelt worden ist mit einer Mischung aus zumindest einer Substanz gemäß der Gruppe (a) und zumindest einer Substanz gemäß der Gruppe (b), die im Folgenden angegeben werden: (a) die Gruppe bestehend aus Dichlortetramethyldisiloxan, Dimethoxytetramethyldisiloxan, Tetrachlordimethyldisiloxan und Tetramethoxydimethyldisiloxan; (b) die Gruppe bestehend aus Hexachlordisiloxan, Hexamethoxydisiloxan und Hexaethoxydisiloxan.
  2. Ein elektronisches Bauteil, aufweisend den Film nach Anspruch 1 als zumindest ein darin enthaltenes Element.
  3. Verfahren zur Herstellung des Films nach Anspruch 1, das den Schritt des chemischen Reagierens von Hydroxylgruppen auf der Oberfläche der feinen Diamantpartikel und einer Mischung aus zumindest einer Substanz gemäß der Gruppe (a) und zumindest einer Substanz gemäß der Gruppe (b) umfasst, die im Anspruch 1 angegeben werden.
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