Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Mikroelektronik und der Materialwissenschaften und betrifft ein Isolationsschichtmaterial für integrierte Schaltkreise in der Mikroelektronik, welches beispielsweise in integrierten Schaltkreisen als Isolationsmaterial in Halbleiterbauelementen zur Anwendung kommen kann.

Die Entwicklung und Optimierung von Isolationsmaterialien mit sehr guten dielektrischen Eigenschaften (Dielektrizitätskonstante k möglichst < 3) ist eine der dringendsten aktuellen Aufgaben der Mikroelektronik. Dies liegt vor allem darin, dass auf diesem Gebiet ein Rückstand von mehreren Jahren im Vergleich zur „roadmap" der internationalen Halbleiterindustrie besteht (M. Eizenberg, Interlayer Dielectrics for Semiconductor Technologies, Elsevier Acadamie Press, Amsterdam 2003, p.5; R. D. Miller, Science 286 (1999) 421 -422). Nach dieser „roadmap" werden seit Jahren Isolationsmaterialien gefordert, die eine statische dielektrische Konstante k < 2 und insbesondere k < 1 ,6 aufweisen, gleichzeitig eine Energielücke von > 3 eV und einen mechanischen Kompressionsmodul B von > 6 GPa besitzen. Ein derartiges Isolationsmatehal ist aber noch nicht bekannt.

Bekannt ist der Einsatz von homogenem SiO ₂ als Dielektrikum in der Mikroelektronik (Miller, R.D., Science 286 (1999) 421 -422). Unter anderem kann das SiO ₂ durch plasmagestützte chemische Dampfabscheidung (PE-CVD) aufgebracht werden. Derartige Dielektrika erreichen Werte für die Dielektrizitätskonstante von k = 3,9 bis 4,2. Mit zunehmender Integrationsdichte und steigender Leistung pro Chip kann das Dielektrikum SiO ₂ aufgrund des hohen k-Wertes zukünftig nicht mehr eingesetzt werden.

Weiterhin sind als Dielektrika poröse SiO ₂ -Materialien bekannt (Zhang, J. -Y. u.a., Mater. Sei. in Semiconductor Processing 3 (2000) 345-349; Murray, C. u.a., Microelectronic Engng. 60 (2002)133-141 ), wobei sich diese Materialien gegenwärtig noch in der Testphase für den Einsatz befinden. Aufgebracht werden können diese Material ien u nter anderem d urch katalytische Sol-Gel-Polymerisation von Orthosilicat-Estern . Das Solvent wird aus der Gelschicht durch überkritische Extraktion entfernt (Aerogele) oder durch Solventaustausch und Trocknung (Xerog e l e) bese it ig t . De ra rt ig e D i e l e ktri ka e rre i ch en We rte fü r d i e Dielektrizitätskonstante von k = 1 ,7 bis 3,6.

Die Nachteile dieser Dielektrika sind der sehr hohe Herstellungsaufwand. Die Porositätsgrade liegen mit 50 bis 80 % sehr hoch und die Poren sind ungünstigerweise offen und zum großen Teil miteinander verbunden. Weiterhin ist die Porengrößenverteilung nicht ausreichend gut beherrschbar. Es können Poren und Kanäle miteinander verbundener Poren entstehen, die zur elektrischen Verbindung benachbarter Leitbahnen führen, die von dem Dielektrikum getrennt werden sollten. Dies kann zum Ausfall des Chips führen.

Auch bekannt ist der Einsatz von homogenen Polymeren als Dielektrika. Allerdings erreichen nur d ie hochfluorierten Alkan-Derivate k-We rte vo n < 2 , 2, wi e beispielsweise PTFE mit k-Werten von 1 ,9 bis 2,1 (Wang, J. u.a., Scripta mater. 42 (2000) 687-694). PTFE-Schichten können aus Surfactant-stabilisierten wässrigen Mikroemulsionen hergestellt werden.

Weiterhin bekannt ist nach der DE 102 53 855.7 A1 ein Isolationsschichtmatehal für integrierte Schaltkreise in Damascene-Architektur, die aus durch Moleküle oder Molekülgruppen voneinander getrennt angeordnet Fullerenen bestehen. Dabei sind die Moleküle oder Molekülgruppen über mindestens zwei Stellen mit den Fullerenen über chemische und/oder physikalische Wechselwirkungen verbunden. Dieses Isolationsschichtmaterial weist k-Werte von < 4,0 bei einer einstellbaren Porengröße von < 2,0 nm auf.

Die bekannten Isolationsmaterialien für integrierte Schaltkreise werden entweder mittels CVD oder spin-on-Prozessen hergestellt.

Allen bekannten Lösungen ist gemeinsam, dass ihre mechanische Festigkeit mit kleiner werdenden k-Werten signifikant schlechter wird.

Weiterhin sind metallorganische Frameworks (MOFs) (O. M. Yaghi, u.a., Nature 423, 705 (2003))und kovanlente Frameworks (COFs) (A.P. Cöte, u.a. Science 310, 1166 (2005)) bekannt. Diese Materialien sind koordinationspolymere Verbindungen, die zu einem regelmäßigen Raumnetzwerk verknüpft sind. Der Prototyp der metallorganischen Frameworks ist MOF-5, in dem Zn ₄ O-Baueinheiten über Terephtalat-Brücken zu einem Zeolith-ähnlichen kubischen Raumnetz verknüpft sind (H. Li, u.a. Nature 402, 276, (1999)).

Der besondere Vorteil dieser MOFs und COFs sind ihre extrem große spezifische Oberfläche, aufgrund dessen sie bisher zur Adsorption und Speicherung von Gasen und als Sensoren angewandt wurden.

D i e b e k a n n t e n E i g e n s c h a f t e n u n d A n w e n d u n g e n v o n M O F s (http.//www. mdpi.org/ijms/specialissues/frameworks) und COFs (A.P. Cöte, u.a. Science 2005, 310, 1 166-1170) beruhen auf ihrer enorm hohen spezifischen Oberfläche von teilweise mehreren 1000 m ² /g. Einige MOFs werden bereits kommerziell hergestellt und auf entsprechenden Datenblättern charakterisiert, beispielsweise angegeben in Datenblättern der Fa. BASF/Sigma-Aldrich (www. Sigmaaldrich.com/Produkte, Produktnummern 688738, 688614). Angaben oder Hinweise zu besonders niedrigen dielektrischen Konstanten von MOFs und COFs sind aus dem Stand der Technik nicht bekannt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Isolationsmaterials für integrierte Schaltkreise, welches Dielektrizitätskonstanten von k < 2 bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften aufweist.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Isolationsmaterial für integrierte Schaltkreise enthält mindestens MOFs und/oder COFs.

Vorteilhafterweise bilden das Isolationsmaterial ausschließlich MOFs.

Weiterhin vorteilhafterweise besteht das Isolationsmaterial aus MOFs und/oder COFs und Haftvermittler, wie Parylene.

Ebenfalls vorteilhafterweise sind MOFs mit einem Netzwerk in kristalliner bis ungeordneter, freier Form vorhanden.

Und auch vorteilhafterweise sind MOFs mit einem isoreticularen kubischen Netzwerk mit analogem Bauprinzip (IRMOFs) vorhanden, wobei diese noch vorteilhafterweise IRMOF-1 FCC, IRMOF-1 SC, IRMOF-10, IRMOF-M11 , IRMOF-M13, IRMOF-14 sind.

Vorteilhaft ist es auch, wenn als zentrales Atom im Netzwerk ein Metallatom vorhanden ist, wobei noch vorteilhafterweise als Metallatom Cu oder Zn vorhanden ist.

Bei der erfindungsgemäßen Verwendung werden MOFs und/oder COFs als Isolatormaterial mit Dielektrizitätskonstanten von k < 2 für integrierte Schaltkreise verwendet. Vorteilhafterweise werden ausschließlich MOFs als Isolatormaterial mit Dielektrizitätskonstanten von k < 2 für integrierte Schaltkreise verwendet.

Weiterhin vorteilhafterweise werden MOFs und/oder COFs als Isolatormaterial mit Dielektrizitätskonstanten von k < 2 für integrierte Schaltkreise und Haftvermittler verwendet, wobei noch vorteilhafterweise als Haftvermittler Parylene verwendet wird.

Ebenfalls vorteilhafterweise werden MOFs mit einem Netzwerk in kristalliner bis ungeordneter, freier Form als Isolatormaterial mit Dielektrizitätskonstanten von k < 2 für integrierte Schaltkreise.

Vorteilhaft ist es auch, wenn MOFs mit einem isoreticularen kubischen Netzwerk mit analogem Bauprinzip (IRMOFs) als Isolatormaterial mit Dielektrizitätskonstanten von k < 2 für integrierte Schaltkreise verwendet werden.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn MOFs oder COFs mit einem zentralen Metallatom im Netzwerk als Isolatormaterial mit Dielektrizitätskonstanten von k < 2 für integrierte Schaltkreise verwendet werden, wobei noch vorteilhafterweise Cu oder Zn als Metallatom für Isolatormaterial mit Dielektrizitätskonstanten von k < 2 für integrierte Schaltkreise verwendet werden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden erstmals MOFs und COFs als

Isolationsmaterial oder in Isolationsmaterialien eingesetzt und verwendet.

Bisher waren die besonders niedrigen d ielektrischen Konstanten und ihre

Kombination mit ausreichend guten mechanischen Eigenschaften der MOFs und

COFs nicht bekannt.

Es ist erfindungsgemäß festgestellt worden, dass die MOFs und COFs trotz des

Vorhandenseins von Metallatomen sehr gute bis ausgezeichnete isolierende

Eigenschaften bei besonders niedrigen statischen dielektrischen Konstanten und zum größten Teil gleichzeitig noch sehr guten bis ausgezeichneten mechanischen

Eigenschaften aufweisen.

Je nach spezieller Anforderung kann bei der Auswahl der einzusetzenden MOFs oder COFs der Aspekt der niedrigen dielektrischen Konstanten oder der Aspekt des hohen Kompressionsmoduls betont werden. Hinzu kommt noch, dass mit der Auswahl der MOFs oder COFs auch die Breite der Energ iebandlücke des Isolationsmaterials variiert werden kann.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass das Isolationsmaterial eine strukturelle Homogenität mit monodisperser Porengröße aufweist, die einen weiteren Vorteil gegenüber porösen Materialien mit endlicher Breite der Porengrößenverteilung ist, was sich besonders im Hinblick auf die Produktzuverlässigkeit auswirkt.

Ebenfalls kann mit der erfindungsgemäßen Lösung die Signalverzögerung verbessert werden, die bisher als begrenzender Faktor bei integrierten Schaltkreisen auftritt. Ursache der Signalverzögerung ist das RC-Produkt, also Widerstand mal Kapazität. Die Kapazität des Isolationsmaterials kann durch die Anwendung von porösen bis zellularen Materialien reduziert werden. Jedoch muss dann die mechanische Festigkeit für die technologischen Prozesse berücksichtigt werden, die mit steigendem porösen oder zellularen Anteil sinkt.

Dabei ist für die erfindungsgemäße Lösung die Anzahl, Art, Struktur, Größe und/oder

Länge der MOFs oder COFs in der gesamten bekannten Bandbreite anwendbar und einsetzbar.

Bei der Auswahl der konkreten Materialien sollte jedoch berücksichtigt werden, dass in jedem Einzelfall die Eigenschaften aus den Koordinaten der Atome in der

Elementarzelle neu bestimmt werden müssen.

Weiterh in ist zu berücksichtigen, dass je geringer d ie Polarisierbarkeit der zwischenatomaren Bindungen der MOFs oder COFs ist, desto besser die dielektrischen Eigenschaften sind. Ebenso sind die dielektrischen Eigenschaften um so besser, je geringer die Anzahl von Atomen pro Volumen ist, wodurch andererseits im Mittel die mechanische Stabilität verschlechtert wird. Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Beispiel 1

Dabei zeigt

Fig.1 : die Anordnung der Atome im metallorganischen Framework IRMOF-10.

Fig.1 zeigt den atomaren Aufbau des metallorganischen Frameworks IRMOF-10. Die Koordinaten der 166 Atome der Elementarzelle sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1 :

Koordinaten der Atome von IRMOF-10. Atomsorte, x-,y-,z-Koordinaten sowie

Transformationsmatrix.

C 17.69545500 31.52594000 17.64974900

C 17.65012100 17.65330200 3.82251600

C 17.68594600 3.80991400 17.65938200

C 17.65899300 17.66272200 31.53854200

C 3.82249800 17.69872400 17.69584300

C 31.53852400 17.68905700 17.68559300

O 32.18758700 16.66136200 18.18911000

O 32.19274800 18.72468700 17.19541900

O 17.04497800 32.17148600 18.59328100

O 18.34957300 32.17146800 16.70818000

O 18.59389900 18.30374400 3.17728800

O 16.70839200 16.99962600 3.17677600

O 17.66837800 0.00825400 17.66836000

O 17.19619700 3.15569100 16.62350400

O 18.18914500 3.16101000 18.68727100

O 16.62325600 18.15298400 32.19257100

O 18.68661700 17.15934700 32.18774600

O 3.17689900 16.75487500 17.04580800

O 3.17712900 18.64045300 18.34985500

Zn 16.47421100 16.47901800 1.18434100 Zn 16.46673400 1.20790000 16.46654000

Zn 1.19556400 16.49004700 16.47437000

Zn 1.18405800 1.19996400 1.19529800

C 5.98969500 16.75332000 16.93237600

C 5.27866600 17.69865400 17.69273300

C 7.38055700 16.75989500 16.92475800

C 5.99116200 18.64469400 18.45158700

C 8.10432900 17.69861800 17.69071800

C 7.38165300 18.63778400 18.45666000

C 10.30234900 16.60814500 17.16288100

C 9.57861300 17.69808800 17.69105400

C 11.69333500 16.61196200 17.15400900

C 10.30174800 18.78826100 18.22087000

C 11.69231000 18.78463800 18.23142100

C 12.40604200 17.69845900 17.69294500

H 5.44004900 16.01298800 16.33879200

H 5.44162200 19.38442600 19.04534800

H 12.24167300 15.76320000 16.72732100

H 12.24064800 19.63258800 18.65927600

H 9.77366400 19.65839200 18.62594200

H 7.90924200 19.37283200 19.07465200

H 7.90759800 16.02543000 16.30556400

H 9.77467100 15.73720100 16.75825100

C 18.21282800 5.97857800 18.75439800

C 17.67679100 5.26680700 17.66547900

C 18.20233000 7.36944000 18.76081300

C 17.13619400 5.98126400 16.58112100

C 17.67424600 8.09390100 17.67087000

C 17.14460600 7.37195000 16.58000800

C 18.44144200 10.29241600 18.60833900

C 17.67507600 9.56837900 17.67067600

C 18.43642300 11.68308400 18.61229800

C 16.90917000 10.29093100 16.73159800

C 16.91634600 11.68144000 16.72231900 C 17.67801000 12.39383000 17.66519700

H 18.63930400 5.42937300 19.60261200

H 16.70961200 5.43329700 15.73237600

H 19.03136800 12.23301300 19.35162300

H 16.32193100 12.23025600 15.98195200

H 16.29052400 9.76272400 15.99697500

H 16.73965800 7.90056400 15.71035400

H 18.60681900 7.89632200 19.63191600

H 19.06070700 9.76532200 19.34335100

C 18.59529500 18.41583300 5.98992500

C 17.64994400 17.65572300 5.27866600

C 18.58852600 18.42322100 7.38078700

C 16.70392100 16.89662100 5.99093200

C 17.64964300 17.65736700 8.10432900

C 16.71061900 16.89131900 7.38144100

C 18.74001100 18.18564500 10.30219000

C 17.65001500 17.65724300 9.57863000

C 18.73642300 18.19457100 11.69317600

C 16.55991200 17.12765700 10.30188900

C 16.56373000 17.11715900 11.69248600

C 17.65010300 17.65551100 12.40600700

H 19.33573400 19.00941700 5.44045500

H 15.96427800 16.30286000 5.44123300

H 19.58522100 18.62140000 12.24130200

H 15.71581600 16.68948100 12.24100200

H 15.68962300 16.72269100 9.77396400

H 15.97564200 16.27323900 7.90897700

H 19.32306100 19.04230800 7.90786400

H 19.61081300 18.59040000 9.77438900

C 17.68523900 13.85089900 17.65876300

C 17.65005000 17.65264800 13.86335900

C 17.69557800 21.48497300 17.64976700

C 17.65846300 17.66300500 21.49746900

C 21.49748600 17.68987000 17.68516800 C 13.86335900 17.69888300 17.69557800

O 14.51544500 16. 66553300 17 .20307200

O 14.51487900 18. 73052000 18 .19262700

O 17.03997600 14. 49833600 16 .71109600

O 18.34207900 14. 49425300 18 .59798200

O 18.68363100 18. 14497700 14 .51532100

O 16.61860800 17. 15551100 14 .51502000

O 17.67005700 17. 67845200 17 .67007500

O 17.20321400 20. 83297600 18. .68327700

O 18.19264400 20. 83334700 16. .61821900

O 16.71079600 18. 30833900 20. .85006700

O 18.59764600 17. 00614800 20. .85409700

O 20.85404400 16. 75072200 18. .34206100

O 20.85012000 18. 63755400 17. .03985200

Zn 16.46371200 16 .48216400 16 .47726800

Zn 16.47709100 18 .88477900 18 .86622100

Zn 18.86307600 16 .48522200 18 .86311100

Zn 18.86627500 18 .87111700 16 .46351800

C 29.36717400 18. 76728200 17. 13619400

C 30.08164900 17. 68287100 17. 67661400

C 27.97648900 18. 76836000 17. 14478300

C 29.36996700 16. 59395300 18. 21277500

C 27.25455500 17. 67744500 17. 67438700

C 27.97910400 16. 58757200 18. 20241800

C 25.05759500 18. 61671600 16. 90917000

C 25.78007700 17. 67767500 17. 67514700

C 23.66706900 18. 62610100 16. 91625700

C 25.05591600 16. 74001100 18. 44142500

C 23.66524900 16. 73612300 18. 43633500

C 22.95457400 17. 68327700 17. 67794000

H 29.91507100 19. 61604500 16. 70959400

H 29.91922400 15. 74573800 18. 63916300

H 23.11832400 19. 36648700 16. 32178900

H 23.11523100 15. 99679800 19. 03119100 H 25.58292200 16.00491100 19.06068900

H 27.45225700 15.71650500 18 .60697800

H 27.44792700 19.63806700 16 .73997600

H 25.58583900 19.35125100 16 .29047100

C 18.45162300 29.35740000 16 .70376200

C 17.69262700 30.06980700 17 .64978500

C 18.45681900 27.96690900 16 .71061900

C 16.93244700 29.35869000 18 .59517200

C 17.69087700 27.24411000 17 .64976700

C 16.92500600 27.96781100 18 .58854400

C 18.22079900 25.04660200 16 .56008900

C 17.69112400 25.76980800 17 .65019100

C 18.23126200 23.65598700 16 .56374800

C 17.16279300 25.04612500 18 .74013500

C 17.15383200 23.65512100 18 .73638800

C 17.69280400 22.94234300 17 .64999700

H 19.04534800 29.90701100 15 .96403000

H 16.33888000 29.90823100 19 .33562800

H 18.65901000 23.10756000 15 .71578000

H 16.72703800 23.10687100 19 .58516800

H 16.75810900 25.57382000 19 .61104300

H 16.30590000 27.44080500 19 .32306100

H 19.07482900 27.43937300 15 .97564200

H 18.62594200 25.57456200 15 .68990500

C 16.58103300 18.21217400 29 .36712100

C 17.66537300 17.67164800 30 .08163100

C 16.58000800 18.20365500 27 .97645300

C 18.75432700 17.13552200 29 .37002000

C 17.67095800 17.67406900 27 .25457300

C 18.76077800 17.14596700 27 .97914000

C 16.73172200 18.43926900 25 .05756000

C 17.67079900 17.67332700 25 .78007700

C 16.72224900 18.43202200 23 .66703400

C 18.60842700 16.90701400 25 .05595200 C 18.61224500 16.91 194500 23.66526600

C 17.66502000 1 7 .67025100 22 .95457400

H 15.73227000 1 8 .63877400 29 .91501800

H 19.60252400 1 .70908200 29 .91927700

H 15.98184600 1 9 .02643700 23 .1 1828900

H 19.35149900 1 .31701700 23 .1 1528400

H 19.34363400 1 σ σ 6 ^>> .28790800 25 .58297500

H 19.63188100 1 6 .74142500 27 .45234600

H 15.71035400 1 8 .60849800 27 .44783900

H 15.99724000 1 9 .05807400 25 .58578600

Transformation matrix

0.000000 17.674087 17.674087 17.674087 0.000000 17.674087 17.674087 17.674087 0.000000

Die Eigenschaften dieses IRMOF-10 sind folgende;

Dielektrizitätskonstante k = 1 ,23

Mechanischer Kompressionsmodul B = 6,00 GPa

Energiebandlücke E ₉ = 3,07 eV.

Beispiele 2 - 6

Die nachfolgenden metallorganischen Frameworks zeigen die dazu aufgeführten Eigenschaften:

IRMOF-I ₁ FCC k = 1 ,37 B = 8,7 GPa E ₉ = 3 ,73

IRMOF-I ₁ SC k = 1 ,39 B = 6,33 GPa E ₉ = 3 ,66

IRMOF-M11 k = 1 ,45 B = 12,00 GPa Eg = 4 ,91

IRMOF-M13 k = 1 ,50 B = 9,00 GPa Eg = 5 ,49

IRMOF-14 k = 1 ,28 B = 5,90 GPa Eg = 2 ,63 Beispiel 7

Das kovalente organische Framework COF-108 zeigt die nachfolgenden Eigenschaften: Massendichte: 0,17 g/cm ³ und spezifische Oberfläche (BET): 4210 m ² /g (H. M. El-Kalderi u.a. Science 316 (2007) 268-272) sowie k = 1 ,4.