Диэлектрики с низким κ для микроэлектроники: материалы и применение.
Low-κ dielectric
Диэлектрики с низким κ: материалы для микроэлектроники, замедляющие старение кремния. Снижают паразитные ёмкости, повышают скорость и снижают нагрев чипов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
В производстве полупроводников, материал с низким κ – это материал с небольшой относительной диэлектрической проницаемостью (κ, каппа) по сравнению с диоксидом кремния. Внедрение диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью – одна из стратегий, используемых для продолжения масштабирования микроэлектронных устройств, что в обиходе называют продлением закона Мура. В цифровых схемах изолирующие диэлектрики разделяют проводящие элементы (соединения и транзисторы). По мере уменьшения размеров компонентов и сближения транзисторов, толщина изолирующих диэлектриков уменьшилась настолько, что накопление заряда и перекрестные наводки негативно сказываются на производительности устройства. Замена диоксида кремния на диэлектрик с низкой κ при той же толщине снижает паразитные ёмкости, обеспечивая более высокую скорость переключения (в синхронных схемах) и меньшее тепловыделение. В устной речи такие материалы могут называться "low k" (произносится как "лоу кей"), а не "low κ" ("лоу каппа").
In semiconductor manufacturing, a low κ is a material with a small relative dielectric constant (κ, kappa) relative to silicon dioxide. Low κ dielectric material implementation is one of several strategies used to allow continued scaling of microelectronic devices, colloquially referred to as extending Moore's law. In digital circuits, insulating dielectrics separate the conducting parts (wire interconnects and transistors) from one another. As components have scaled and transistors have gotten closer together, the insulating dielectrics have thinned to the point where charge build up and crosstalk adversely affect the performance of the device. Replacing the silicon dioxide with a low κ dielectric of the same thickness reduces parasitic capacitance, enabling faster switching speeds (in case of synchronous circuits) and lower heat dissipation. In conversation such materials may be referred to as "low k" (spoken "low kay") rather than "low κ" (low kappa).
Материалы с низким К
В интегральных схемах и в приборах на основе КМОП диоксид кремния может легко формироваться на поверхностях кремния посредством термического окисления, а также может осаждаться на поверхности проводников с использованием химического осаждения из газовой фазы или различных других методов создания тонких пленок. Благодаря широкому спектру методов, позволяющих недорого формировать слои диоксида кремния, этот материал традиционно используется в качестве эталона, с которым сравниваются другие диэлектрики с низкой диэлектрической проницаемостью. Относительная диэлектрическая проницаемость SiO2, изоляционного материала, который до сих пор используется в кремниевых чипах, составляет 3,9. Это значение является отношением диэлектрической проницаемости SiO2 к диэлектрической проницаемости вакуума, εSiO2/ε0, где ε0 = 8,854×10−6 пФ/мкм. Существует множество материалов с более низкой относительной диэлектрической проницаемостью, но лишь немногие из них могут быть адекватно интегрированы в производственный процесс. Основные усилия по разработке сосредоточены на следующих классах материалов:
In integrated circuits, and CMOS devices, silicon dioxide can readily be formed on surfaces of Si through thermal oxidation, and can further be deposited on the surfaces of conductors using chemical vapor deposition or various other thin film fabrication methods. Due to the wide range of methods that can be used to cheaply form silicon dioxide layers, this material is used conventionally as the baseline to which other low permittivity dielectrics are compared. The relative dielectric constant of SiO2, the insulating material still used in silicon chips, is 3.9. This number is the ratio of the permittivity of SiO2 divided by permittivity of vacuum, εSiO2/ε0, where ε0 = 8.854×10−6 pF/μm. There are many materials with lower relative dielectric constants but few of them can be suitably integrated into a manufacturing process. Development efforts have focused primarily on the following classes of materials:
Диоксид кремния, добавленный фтору
При легировании SiO2 фтором для получения фторированного диоксида кремния, относительная диэлектрическая проницаемость снижается с 3,9 до 3,5. Материалы на основе оксида, легированные фтором, использовались в технологических нормах 180 нм и 130 нм.
By doping SiO2 with fluorine to produce fluorinated silica glass, the relative dielectric constant is lowered from 3.9 to 3.5. Fluorine doped oxide materials were used for the 180 nm and 130 nm technology nodes.
Органосиликатное стекло или ОСГ (углерод-допированный оксид или CDO)
Допируя SiO2 углеродом, можно снизить относительную диэлектрическую проницаемость до 3,0, плотность до 1,4 г/см³ и теплопроводность до 0,39 Вт/(м*К). Полупроводниковая промышленность использует органосиликатные стеклянные диэлектрики, начиная с 90-нм технологического узла. Первый этап заключается в совместном осаждении лабильной органической фазы (известной как порген) с органосиликатной фазой, что приводит к образованию органического-неорганического гибридного материала. На втором этапе органическая фаза разлагается посредством УФ-отверждения или отжига при температуре до 400 °C, оставляя поры в органосиликатных материалах с низкой диэлектрической проницаемостью (low-κ). Пористые органосиликатные стекла применяются, начиная с 45-нм технологического узла.
By doping SiO2 with carbon, one can lower the relative dielectric constant to 3.0, the density to 1.4 g/cm3 and the thermal conductivity to 0.39 W/(m*K). The semiconductor industry has been using the organosilicate glass dielectrics since the 90 nm technology node. where the first step consists of the co deposition of a labile organic phase (known as porogen) together with an organosilicate phase resulting in an organic inorganic hybrid material. In the second step, the organic phase is decomposed by UV curing or annealing at a temperature of up to 400 °C, leaving behind pores in the organosilicate low κ materials. Porous organosilicate glasses have been employed since the 45 nm technology node.
Спин-он органические полимерные диэлектрики
Полимерные диэлектрики обычно наносятся методом спин-коутинга, который традиционно используется для нанесения фоторезистов, а не химического осаждения из газовой фазы. Сложности интеграции включают низкую механическую прочность, несоответствие коэффициентов теплового расширения (CTE) и термическую стабильность. Примеры органических полимеров с низкой диэлектрической проницаемостью, наносимых методом спин-коутинга, включают полиимид, полинорборнены, бензоциклобутен и ПТФЭ.
Polymeric dielectrics are generally deposited by a spin on approach, which is traditionally used for the deposition of photoresist materials, rather than chemical vapor deposition. Integration difficulties include low mechanical strength, coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch and thermal stability. Some examples of spin on organic low κ polymers are polyimide, polynorbornenes, benzocyclobutene, and PTFE.
Спин-он диэлектрические полимерные элементы на основе кремния
Существует два вида полимерных диэлектрических материалов на основе кремния: водородный силсесквиоксан и метилсилсесквиоксан.
There are two kinds of silicon based polymeric dielectric materials, hydrogen silsesquioxane and methylsilsesquioxane.
Воздушные проемы
Наилучшим диэлектриком с низкой диэлектрической проницаемостью является воздух, имеющий относительную диэлектрическую проницаемость около 1,0. Однако размещение воздушных зазоров между проводящими линиями снижает механическую прочность интегральной схемы, что делает невозможным создание интегральной цепи, полностью состоящей из воздуха в качестве изоляционного материала. Тем не менее, продуманное размещение воздушных зазоров может улучшить электрические характеристики чипа, не оказывая существенного влияния на его надежность. Например, Intel использует воздушные зазоры для двух уровней межсоединений в своей 14-нм FinFET-технологии.
The ultimate low κ material is air with a relative permittivity value of ~1.0. However, the placement of air gaps between the conducting wires compromises the mechanical stability of the integrated circuit making it impractical to build an IC consisting entirely of air as the insulating material. Nevertheless, the strategic placement of air gaps can improve the chip's electrical performance without compromising critically its durability. For example, Intel uses air gaps for two interconnect levels in its 14 nm FinFET technology.