В производстве полупроводников low-κ — это материал с малой относительной диэлектрической проницаемостью (κ, каппа ) по сравнению с диоксидом кремния . Реализация материала с диэлектриком low-κ — одна из нескольких стратегий, используемых для обеспечения возможности непрерывного масштабирования микроэлектронных устройств, в просторечии называемая расширением закона Мура . В цифровых схемах изолирующие диэлектрики разделяют проводящие части (проводные соединения и транзисторы ) друг от друга. По мере масштабирования компонентов и сближения транзисторов изолирующие диэлектрики истончаются до такой степени, что накопление заряда и перекрестные помехи отрицательно влияют на производительность устройства. Замена диоксида кремния на диэлектрик с low-κ той же толщины снижает паразитную емкость , обеспечивая более высокую скорость переключения (в случае синхронных схем ) и меньшее рассеивание тепла. В разговоре такие материалы могут называться «low-k» (разговорное «low-kay»), а не «low-κ» (low-kappa).
В интегральных схемах и КМОП- устройствах диоксид кремния может быть легко сформирован на поверхности Si посредством термического окисления и далее может быть нанесен на поверхности проводников с использованием химического осаждения из паровой фазы или различных других методов изготовления тонких пленок. Из-за широкого спектра методов, которые могут быть использованы для дешевого формирования слоев диоксида кремния, этот материал традиционно используется в качестве базового, с которым сравниваются 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] Существует много материалов с более низкими относительными диэлектрическими проницаемостями, но лишь немногие из них могут быть надлежащим образом интегрированы в производственный процесс. Усилия по разработке были сосредоточены в основном на следующих классах материалов:
При легировании 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]
Легированием 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 момента появления технологического узла 90 нм. [4]
Для создания пустот или пор в диэлектрике из диоксида кремния могут использоваться различные методы. [3] Пустоты могут иметь относительную диэлектрическую проницаемость, близкую к 1, поэтому диэлектрическая проницаемость пористого материала может быть уменьшена за счет увеличения пористости пленки. Сообщалось о значениях 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.
Пористые органосиликатные материалы обычно получают двухэтапным методом [4] , где первый этап состоит из совместного осаждения лабильной органической фазы (известной как пороген) вместе с органосиликатной фазой, что приводит к органо-неорганическому гибридному материалу . На втором этапе органическая фаза разлагается путем УФ-отверждения или отжига при температуре до 400 °C, оставляя поры в органосиликатных материалах с низким κ. Пористые органосиликатные стекла используются с момента появления технологического узла 45 нм. [5]
Полимерные диэлектрики обычно наносятся методом спин-он, который традиционно используется для нанесения фоторезистивных материалов, а не методом химического осаждения из паровой фазы . К трудностям интеграции относятся низкая механическая прочность, несоответствие коэффициента теплового расширения (КТР) и термическая стабильность. Некоторые примеры органических низко-κ-полимеров спин-он: полиимид , полинорборнены, бензоциклобутен и ПТФЭ .
Существует два вида полимерных диэлектрических материалов на основе кремния: водородсилсесквиоксан и метилсилсесквиоксан.
Конечным материалом с низким значением κ является воздух с относительным значением диэлектрической проницаемости ~1,0. Однако размещение воздушных зазоров между проводящими проводами ставит под угрозу механическую стабильность интегральной схемы, делая непрактичным создание ИС, состоящей полностью из воздуха в качестве изоляционного материала. Тем не менее, стратегическое размещение воздушных зазоров может улучшить электрические характеристики чипа, не ставя под угрозу его долговечность. Например, Intel использует воздушные зазоры для двух уровней межсоединений в своей технологии 14 нм FinFET. [6]