Диэлектрик с низким κ - Low-κ dielectric

В полупроводник производство, низкий-κ материал с небольшой относительная диэлектрическая проницаемость (κ, каппа ) относительно диоксид кремния. Низкий-κ диэлектрик материальная реализация - одна из нескольких стратегий, используемых для обеспечения непрерывного масштабирования микроэлектронных устройств, что в просторечии называется расширением Закон Мура. В цифровом схемы, изоляционные диэлектрики разделяют токопроводящие части (провод соединяет и транзисторы ) от другого. По мере того как компоненты масштабировались, а транзисторы становились ближе друг к другу, изолирующие диэлектрики истончались до такой степени, что накапливались заряды и перекрестные помехи отрицательно сказаться на работоспособности устройства. Замена диоксида кремния диэлектриком с низким κ такой же толщины снижает паразитная емкость, обеспечивая более высокие скорости переключения и меньшее тепловыделение. В разговоре такие материалы могут упоминаться как «low-k» (в разговоре «low kay»), а не «low-κ» (low-kappa).

Материалы с низким κ

В интегральные схемы, и CMOS устройств, диоксид кремния может быть легко образован на поверхности Si через термическое окисление, а также может быть нанесен на поверхности проводников с помощью химическое осаждение из паровой фазы или различные другие способы изготовления тонких пленок. Из-за широкого диапазона 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 SiO2, изоляционный материал все еще используется в кремний фишек, составляет 3,9. Это число является соотношением диэлектрическая проницаемость SiO2 деленная на диэлектрическую проницаемость вакуума, εSiO2/ ε0, где ε0 = 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

Основная статья: Стекло фторосиликатное

Легированием SiO2 При использовании фтора для производства фторированного кварцевого стекла относительная диэлектрическая проницаемость снижается с 3,9 до 3,5.[2] Оксидные материалы, легированные фтором, были использованы для 180 нм и 130 нм технологические узлы.[3]

Органосиликатное стекло или OSG (оксид, легированный углеродом, или CDO)

Легированием SiO2 с углеродом можно снизить относительную диэлектрическую проницаемость до 3,0, плотность до 1,4 г / см3 и теплопроводность до 0,39 Вт / (м * К). В полупроводниковая промышленность использует диэлектрики из органосиликатного стекла с 90 Технологический узел 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 двухступенчатым способом.[4] где первая стадия состоит из совместного осаждения лабильной органической фазы (известной как пороген) вместе с органосиликатной фазой, что приводит к образованию органо-неорганической гибридный материал. На втором этапе органическая фаза разлагается УФ-отверждение или же отжиг при температуре до 400 ° C, оставляя поры в органосиликатных материалах с низким κ. Пористые органосиликатные стекла используются с 45 Технологический узел нм. [5]

Органические полимерные диэлектрики навинчивающиеся

Полимерные диэлектрики обычно наносят методом навинчивания, который традиционно используется для нанесения фоторезист материалы, а не химическое осаждение из паровой фазы. Трудности интеграции включают низкую механическую прочность, коэффициент температурного расширения (CTE) несоответствие и термическая стабильность. Некоторые примеры спиновых органических полимеров с низким значением k: полиимид, полинорборнены, бензоциклобутен, и PTFE.

Спиновый полимерный диэлектрик на основе кремния

Есть два вида полимерных диэлектрических материалов на основе кремния: водород силсесквиоксан (HSQ) и метилсилсесквиоксан (MSQ).

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 своем 14 нм Технология FinFET.[6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Зе, С. М. (2007). Физика полупроводниковых приборов. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-14323-9.
  2. ^ Рейнард, Дж (2002). «Интеграция оксида кремния, легированного фтором, в пилотную линию по меди для технологии 0,12 мкм». Микроэлектронная инженерия. 60 (1–2): 113. Дои:10.1016 / S0167-9317 (01) 00586-X.
  3. ^ а б Хаттон, Бенджамин Д .; Ландскрон, Кай; Hunks, Уильям Дж .; Беннет, Марк Р .; Шукарис, Донна; Перович, Дуглас Д .; Озин, Джеффри А. (1 марта 2006 г.). «Химия материалов для low-k материалов». Материалы сегодня. 9 (3): 22–31. Дои:10.1016 / S1369-7021 (06) 71387-6.
  4. ^ а б Шамирян, Д .; Abell, T .; Iacopi, F .; Maex, К. (2004). «Низкокалорийные диэлектрические материалы». Материалы сегодня. 7: 34–39. Дои:10.1016 / S1369-7021 (04) 00053-7.
  5. ^ Volksen, W .; Miller, R.D .; Дюбуа, Г. (2010). «Материалы с низкой диэлектрической постоянной». Химические обзоры. 110 (1): 56–110. Дои:10.1021 / cr9002819. PMID  19961181.
  6. ^ Джеймс, Дик. «IEDM - понедельник был днем ​​FinFET». Chipworks.com. Получено 9 декабря 2018.

внешняя ссылка