В производстве полупроводников материал с низким κ представляет собой материал с небольшой относительной диэлектрической проницаемостью (κ, каппа ) по сравнению с диоксидом кремния . Внедрение диэлектрического материала с низким κ является одной из нескольких стратегий, используемых для непрерывного масштабирования микроэлектронных устройств, в просторечии называемых расширением закона Мура . В цифровых схемах изолирующие диэлектрики разделяют проводящие части ( межсоединения проводов и транзисторы).) друг от друга. По мере того, как компоненты масштабируются, а транзисторы становятся ближе друг к другу, изолирующие диэлектрики истончаются до такой степени, что накопление заряда и перекрестные помехи отрицательно влияют на производительность устройства. Замена диоксида кремния диэлектриком с низким κ и такой же толщиной снижает паразитную емкость , обеспечивая более высокую скорость переключения и меньшее рассеивание тепла. В разговоре такие материалы могут упоминаться как «low-k» (разговорный «low-kay»), а не «low-κ» (low-kappa).
Материалы с низким κ
В интегральных схемах и КМОП- устройствах диоксид кремния может быть легко сформирован на поверхности Si посредством термического окисления и может быть дополнительно нанесен на поверхности проводников с использованием химического осаждения из паровой фазы или различных других методов изготовления тонких пленок. Благодаря широкому спектру методов, которые можно использовать для недорогого формирования слоев диоксида кремния, этот материал традиционно используется в качестве базового, с которым сравнивают другие диэлектрики с низкой диэлектрической проницаемостью. Относительная диэлектрическая проницаемость SiO 2 , изоляционного материала, все еще используемого в кремниевых чипах, составляет 3,9. Это число представляет собой отношение диэлектрической проницаемости SiO 2 к диэлектрической проницаемости вакуума, ε SiO 2 / ε 0 , где ε 0 = 8,854 × 10 -6 пФ / мкм. [1] Есть много материалов с более низкими относительными диэлектрическими постоянными, но некоторые из них могут быть надлежащим образом интегрированы в производственный процесс. Усилия разработчиков были сосредоточены в первую очередь на следующих классах материалов:
Диоксид кремния, легированный фтором
За счет легирования SiO 2 фтором для получения фторированного кварцевого стекла относительная диэлектрическая проницаемость снижается с 3,9 до 3,5. [2] Для технологических узлов 180 нм и 130 нм использовались оксидные материалы, легированные фтором . [3]
Органосиликатное стекло или OSG (оксид, легированный углеродом, или CDO)
Легируя SiO 2 углеродом, можно снизить относительную диэлектрическую проницаемость до 3,0, плотность до 1,4 г / см 3 и теплопроводность до 0,39 Вт / (м · К). В полупроводниковой промышленности диэлектрики из органосиликатного стекла используются с тех пор, как появился технологический узел 90 нм. [4]
Пористый диоксид кремния
Для создания пустот или пор в диэлектрике из диоксида кремния можно использовать различные методы. [3] Пустоты могут иметь относительную диэлектрическую проницаемость, близкую к 1, таким образом, диэлектрическая проницаемость пористого материала может быть уменьшена за счет увеличения пористости пленки. Сообщалось об относительной диэлектрической проницаемости ниже 2,0. Трудности интеграции, связанные с реализацией пористого диоксида кремния, включают низкую механическую прочность и сложную интеграцию с процессами травления и полировки.
Пористое органосиликатное стекло (оксид, легированный углеродом)
Пористые органосиликатные материалы обычно получают с помощью двухэтапной процедуры [4], где первая стадия состоит из совместного осаждения лабильной органической фазы (известной как пороген) вместе с органосиликатной фазой, в результате чего получается органо-неорганический гибридный материал . На втором этапе органическая фаза разлагается УФ-отверждением или отжигом при температуре до 400 ° C, оставляя поры в органосиликатных материалах с низким κ. Пористые органосиликатные стекла используются с тех пор, как технологический узел 45 нм. [5]
Органические полимерные диэлектрики навинчивающиеся
Полимерные диэлектрики обычно наносят методом навинчивания, который традиционно используется для нанесения фоторезистивных материалов, а не химическим осаждением из паровой фазы . Трудности интеграции включают низкую механическую прочность, несоответствие коэффициента теплового расширения (КТР) и термическую стабильность. Некоторыми примерами органических полимеров с низким κ для навинчивания являются полиимид , полинорборнены , бензоциклобутен и ПТФЭ .
Спиновый полимерный диэлектрик на основе кремния
Существует два вида полимерных диэлектрических материалов на основе кремния: водородный силсесквиоксан и метилсилсесквиоксан.
Воздушные зазоры
Конечным материалом с низким k является воздух с относительной диэлектрической проницаемостью ~ 1.0. Однако размещение воздушных зазоров между проводящими проводами ставит под угрозу механическую стабильность интегральной схемы, что делает непрактичным создание ИС, полностью состоящей из воздуха в качестве изоляционного материала. Тем не менее, стратегическое размещение воздушных зазоров может улучшить электрические характеристики микросхемы без существенного ущерба для ее долговечности. Например, Intel использует воздушные зазоры для двух уровней межсоединений в своей 14-нм технологии FinFET. [6]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Зи С. М. (2007). Физика полупроводниковых приборов . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-14323-9.
- ^ Рейнард, Дж (2002). «Интеграция оксида кремния, легированного фтором, в пилотную линию по меди для технологии 0,12 мкм». Микроэлектронная инженерия . 60 (1-2): 113. doi : 10.1016 / S0167-9317 (01) 00586-X .
- ^ а б Хаттон, Бенджамин Д .; Ландскрон, Кай; Hunks, Уильям Дж .; Беннетт, Марк Р .; Шукарис, Донна; Perovic, Douglas D .; Озин, Джеффри А. (1 марта 2006 г.). «Химия материалов для низкокалорийных материалов» . Материалы сегодня . 9 (3): 22–31. DOI : 10.1016 / S1369-7021 (06) 71387-6 .
- ^ а б Шамирян, Д .; Abell, T .; Iacopi, F .; Maex, К. (2004). «Низкокалорийные диэлектрические материалы» . Материалы сегодня . 7 : 34–39. DOI : 10.1016 / S1369-7021 (04) 00053-7 .
- ^ Volksen, W .; Миллер, РД; Дюбуа, Г. (2010). «Материалы с низкой диэлектрической постоянной». Химические обзоры . 110 (1): 56–110. DOI : 10.1021 / cr9002819 . PMID 19961181 .
- ^ Джеймс, Дик. «IEDM - понедельник был Днем FinFET» . Chipworks.com . Проверено 9 декабря 2018 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
Внешние ссылки
- НАСА на Low-k
- Эволюция технологии межсоединений для кремниевых интегральных схем