通过芳基重氮化学方法将超低k值薄膜直接嫁接在Si（111）表面上

《Surfaces and Interfaces》：Directly grafting ultralow-k films onto Si (111) via aryl diazonium chemistry

　　

Manqi Dong|Liang Cao|Yaohui Rong|Ming Li|Mikhail R Baklanov

摘要

在不形成杂质层的情况下直接对硅进行功能化处理，对于需要超低介电常数（k）材料的先进互连技术至关重要。传统的电化学接枝方法（使用重氮盐，例如4-硝基苯重氮盐）会形成致密的钝化层，这些钝化层会引入杂质并限制薄膜的纯度。在本研究中，我们采用了一种受空间位阻控制的策略，使用2,6-二甲基苯重氮四氟硼酸盐（2,6-DMBD）作为引发剂来克服这一限制。2,6-DMBD的邻位二甲基取代基不利于其直接接枝到Si（111）表面；相反，生成的自由基主要作为氢原子转移引发剂，激活辛基硅氧烷（OVS）单体以实现直接共价键合。密度泛函理论计算支持了空间位阻效应，表明在结构松弛后，2,6-DMBD分子会从Si（111）表面迁移至无法形成共价键的距离。通过综合表征（XPS、AFM、FTIR）证实了硅-碳界面键的稳定性、均匀的膜形貌以及极低的氮残留量（<1.18%），从而证明了接枝薄膜的高纯度。关键的是，基于POSS的接枝薄膜表现出优异的介电性能：超低介电常数（k = 2.06-2.40）、低介电损耗（低至0.0092）、高击穿强度（高达318.6 MV m?1）以及极低的泄漏电流（0.0136 pA）。这些性能优于传统的接枝沉积材料，为制造高纯度超低k介电材料奠定了重要基础，并为高密度芯片互连的集成提供了可扩展且可靠的解决方案。