В производстве полупроводников низко-κ — это материал с небольшой относительной диэлектрической проницаемостью (κ, каппа ) по отношению к диоксиду кремния . Внедрение диэлектрических материалов с низким κ — одна из нескольких стратегий, используемых для обеспечения дальнейшего масштабирования микроэлектронных устройств, что в просторечии называется расширением закона Мура . В цифровых схемах изолирующие диэлектрики отделяют проводящие части (межпроводные соединения и транзисторы ) друг от друга. Поскольку 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 той же толщины снижает паразитную емкость , обеспечивая более высокую скорость переключения (в случае синхронных цепей ) и более низкое тепловыделение. В разговоре такие материалы могут называться «лоу-к» (разговорно «лоу-кей»), а не «лоу-к» (низкая каппа).
В интегральных схемах и КМОП- устройствах диоксид кремния может быть легко сформирован на поверхности Si путем термического окисления , а затем может быть нанесен на поверхности проводников с помощью химического осаждения из паровой фазы или различных других методов изготовления тонких пленок. Из-за широкого спектра методов, которые можно использовать для дешевого формирования слоев диоксида кремния, этот материал традиционно используется в качестве основы для сравнения других диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью. Относительная диэлектрическая проницаемость SiO 2 , изоляционного материала, до сих пор используемого в кремниевых чипах, равна 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] Существует множество материалов с более низкой относительной диэлектрической проницаемостью, но лишь немногие из них могут быть надлежащим образом интегрированы в производственный процесс. Усилия по разработке были сосредоточены в первую очередь на следующих классах материалов:
Путем 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]
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). Полупроводниковая промышленность использует диэлектрики из органосиликатного стекла с технологического узла 90 нм. [4]
Для создания пустот или пор в диэлектрике из диоксида кремния можно использовать различные методы. [3] Пустоты могут иметь относительную диэлектрическую проницаемость около 1, поэтому диэлектрическая проницаемость пористого материала может быть уменьшена за счет увеличения пористости пленки. Сообщалось об относительных диэлектрических проницаемостях ниже 2,0. Трудности интеграции, связанные с внедрением пористого диоксида кремния, включают низкую механическую прочность и трудную интеграцию с процессами травления и полировки.
Пористые органосиликатные материалы обычно получают в два этапа [4] , где первый этап состоит из совместного осаждения лабильной органической фазы (известной как пороген) вместе с органосиликатной фазой, в результате чего образуется органо-неорганический гибридный материал . На втором этапе органическая фаза разлагается путем УФ-отверждения или отжига при температуре до 400 °C, оставляя после себя поры в органосиликатных материалах с низким κ. Пористые органосиликатные стекла используются с технологического узла 45 нм. [5]
Полимерные диэлектрики обычно наносят методом центрифугирования, который традиционно используется для осаждения фоторезистивных материалов, а не методом химического осаждения из паровой фазы . Трудности интеграции включают низкую механическую прочность, несоответствие коэффициента теплового расширения (КТР) и термическую стабильность. Некоторыми примерами навинчиваемых органических полимеров с низким κ являются полиимид , полинорборнен, бензоциклобутен и ПТФЭ .
Существует два типа полимерных диэлектрических материалов на основе кремния: водородсилсесквиоксан и метилсилсесквиоксан.
Конечным материалом с низким κ является воздух со значением относительной диэлектрической проницаемости ~ 1,0. Однако размещение воздушных зазоров между проводящими проводами снижает механическую стабильность интегральной схемы, что делает непрактичным создание ИС, полностью состоящей из воздуха в качестве изолирующего материала. Тем не менее, стратегическое расположение воздушных зазоров может улучшить электрические характеристики чипа без существенного ущерба для его долговечности. Например, Intel использует воздушные зазоры для двух уровней межсоединений в своей 14-нм технологии FinFET. [6]