低介电常数材料在超大规模集成电路工艺中的应用

发布于：2007/4/9 8:48:45 | 540 次阅读

[转载]原文链接：

   半导体集成电路技术的飞速发展推动了新材料、新技术的不断进步，也使得半导体工业成长为工业界不可忽视的力量。随着线宽的不断减小、晶体管密度的不断提升，越来越多的人把目光投向了低介电常数材料在超大规模集成电路中的应用。当Intel，IBM，AMD，Motorola，Infineon，TSMC以及UMC等公司相继宣布将在0.13mm及其以下的技术中使用低介电常数材料时，对低介电常数材料（Low k materials）及其工艺集成的研究，就逐渐成为半导体集成电路工艺的又一重要分支。
    在集成电路工艺中，有着极好热稳定性、抗湿性的二氧化硅（SiO2）一直是金属互联线路间使用的主要绝缘材料。而金属铝（Al）则是芯片中电路互联导线的主要材料。然而，随着集成电路技术的进步，具有高速度、高器件密度、低功耗以及低成本的芯片越来越成为超大规模集成电路制造的主要产品。此时，芯片中的导线密度不断增加，导线宽度和间距不断减小，互联中的电阻（R）和电容（C）所产生的寄生效应越来越明显。图1是集成工艺技术与信号传输延迟的关系。由图可见，随着集成工艺技术的提高（线宽的减小），由互联引起的信号延迟也就成为制约芯片性能提升的重要因素。
    当器件尺寸小于0.25mm后，克服阻容迟滞（RC Delay）而引起的信号传播延迟、线间干扰以及功率耗散等，就成为集成电路工艺技术发展不可回避的课题。金属铜（Cu）的电阻率（~1.7mW·cm）比金属铝的电阻率（～2.7mW·cm）低约40%。因而用铜线替代传统的铝线就成为集成电路工艺发展的必然方向。如今，铜线工艺已经发展成为集成电路工艺的重要领域。与此同时，低介电常数材料替代传统绝缘材料二氧化硅也就成为集成电路工艺发展的
又一必然选择。
2 低介电常数材料的特点及分类
    低介电常数材料大致可以分为无机和有机聚合物两类。目前的研究认为，降低材料的介电常数主要有两种方法：其一是降低材料自身的极性，包括降低材料中电子极化率（electronic polarizability），离子极化率（ionic polarizability）以及分子极化率（dipolar polarizability）[2]。在分子极性降低的研究中，人们发现单位体积中的分子密度对降低材料的介电常数起着重要作用。下式为分子极性与介电常数的Debye方程[3] ：式中，er为材料的介电常数，e0为真空介电常数，ae，ad分别为电子极化和分子形变极化，N为分子密度。可见，材料分子密度的降低有助于介电常数的降低。这就是第二种降低介电常数的方法：增加材料中的空隙密度，从而降低材料的分子密度。
    针对降低材料自身极性的方法，目前在0.18mm技术工艺中广泛采用在二氧化硅中掺杂氟元素形成FSG（氟掺杂的氧化硅）来降低材料的介电常数。氟是具有强负电性的元素，当其掺杂到二氧化硅中后，可以降低材料中的电子与离子极化，从而使材料的介电常数从4.2降低到3.6左右[4]（本文所提及的低介电常数材料并不包含FSG，而是指介电常数比3.6更低的绝缘材料）。为进一步降低材料的介电常数，人们在二氧化硅中引入了碳（C）元素：即利用形成Si-C及C-C键所联成的低极性网络来降低材料的介电常数。例如无定形碳薄膜的研究，其材料的介电常数可以降低到3.0以下[5]。
    针对降低材料密度的方法，其一是采用化学气相沉积（CVD）的方法在生长二氧化硅的过程中引入甲基（-CH3），从而形成松散的SiOC:H薄膜，也称CDO（碳掺杂的氧化硅），其介电常数在3.0左右。其二是采用旋压方法（spin-on）将有机聚合物作为绝缘材料用于集成电路工艺。这种方法兼顾了形成低极性网络和高空隙密度两大特点，因而其介电常数可以降到2.6以下。但致命缺点是机械强度差，热稳定性也有待提高。
3 低介电常数材料在集成电路工艺中的应用

近十年来，半导体工业界对低介电常数材料的研究日益增多，材料的种类也五花八门（参见表1）。然而这些低介电常数材料能够在集成电路生产工艺中应用的速度却远没有人们想象的那么快。其主要原因是许多低介电常数材料并不能满足集成电路工艺应用的要求。图2是不同时期半导体工业界预计低介电常数材料在集成电路工艺中应用的前景预测。
    由图2可见，早在1997年，人们就认为在2003年，集成电路工艺中将使用的绝缘材料的介电常数（k值）将达到1.5。然而随着时间的推移，这种乐观的估计被不断更新。到2003年，国际半导体技术规划（ITRS 2003[7]）给出低介电常数材料在集成电路未来几年的应用，其介电常数范围已经变成2.7~3.1。
    造成人们的预计与现实如此大差异的原因是，在集成电路工艺中，低介电常数材料必须满足诸多条件，例如：足够的机械强度（mechanical strength）以支撑多层连线的架构、高杨氏系数（Young’s modulus）、高击穿电压（breakdown voltage>4MV/cm）、低漏电（leakage current<10-9 at 1MV/cm）、高热稳定性（thermal stability >450oC）、良好的粘合强度（adhesion strength）、低吸水性（low moisture uptake）、低薄膜应力（low film stress）、高平坦化能力（planarization）、低热涨系数（coefficient of thermal expansion）以及与化学机械抛光工艺的兼容性（compatibility with CMP process）等等。能够满足上述特性的完美的低介电常数材料并不容易获得。例如，薄膜的介电常数与热传导系数往往就呈反比关系。因此，低介电常数材料本身的特性就直接影响到工艺集成的难易度。
    目前在超大规模集成电路制造商中，TSMC、Motorola、AMD以及NEC等许多公司为了开发90nm及其以下技术的研究，先后选用了应用材料公司（Applied Materials）的Black Diamond 作为低介电常数材料。该材料采用PE-CVD技术[8]，与现有集成电路生产工艺完全融合，并且引入BLOk薄膜作为低介电常数材料与金属间的隔离层，很好的解决了上述提及的诸多问题，是目前已经用于集成电路商业化生产为数不多的低介电常数材料之一。
4 结束语

低介电常数材料在集成电路工艺中的应用，已经成为众多半导体集成电路提供商当前面临的重要课题。不同集成工艺方案的研究就是最典型的例子。图3给出对低介电常数材料，双镶嵌结构的四种刻蚀工艺方案。不同的刻蚀工艺方案选用的工艺流程不同，遇到的工艺集成问题也各不相同。但可以预计，在未来的不断深入地研究和实践中，各种工艺集成的优、缺点将被逐步筛选和组合，并最终发展起适合低介电常数材料的集成工艺。从而推动使集成电路技术跨入新纪元。

参与讨论

登录后参与讨论

//评论区

推荐阅读

智能网联汽车国际标准法规协调专家组（HEAG）召开工作会议

近年来智能网联汽车快速发展，新技术不断涌现，与相关产业融合度持续提升，正在推动全球汽车产业发生深刻变革。为应对此种形势，欧、美、日等汽车工业发达国家和地区都加大了智能网联汽车的国际标准法规协调的参与力度，在联合国世界车辆法规论坛(UN/WP.29)和国际标准化组织(ISO)层面，智能网联汽车相关国际标准法规协调活动正快速推进。为更有效地支撑上述组织的国际标准法规协调活动，2017年全国汽车标准

0215jiejie | 发布于：2022-12-01 0评论 0赞

苹果推出搭载M2芯片的新款iPad Pro 799美元起售

据苹果官网，苹果推出搭载M2芯片的新款iPadPro。 11英寸wifi版起售价为799美元，wifi+蜂窝网络版起售价为999美元；12.9英寸wifi版起售价为1099美元，wifi+蜂窝网络版起售价为1299美元。

0215jiejie | 发布于：2022-10-19 0评论 0赞

新能源汽车领衔 “中国智造”加速登陆欧洲市场

全球五大车展之一巴黎车展时隔四年再度启幕。在这场被视为“全球汽车行业风向标”的盛会上，国内外汽车品牌云集，长城汽车、比亚迪等再次领衔中国汽车出海。长城汽车欧洲区域总裁孟祥军表示：“欧洲是长城汽车最重要的海外市场之一，巴黎车展是长城汽车向欧洲市场展示GWM品牌和产品的最佳机会。长城汽车正在研究汽车行业碳排放的整个生命周期，到2025年，将推出50多款新能源产品，全力支持可再生能源使用，为全球用户

0215jiejie | 发布于：2022-10-19 0评论 0赞

严监管时代来临，电子烟“通配”大战走向何方？

针对通配烟弹厂商的一系列诉讼的结果，将对生产通配烟弹的品牌未来在电子烟行业的发展产生深远影响。 10月1日，《电子烟强制性国家标准》正式实施，中国电子烟监管全面生效。而在电子烟行业进入规范化、法治化阶段前夕，一场围绕着通配烟弹的争论在行业里发酵。 “通配”是电子烟从业者约定俗成的概念。换弹式电子烟由烟杆和烟弹组成，“通配”烟弹指的是非品牌商生产、可与品牌烟杆匹配使用的烟弹。多位业内人士表示，被

0215jiejie | 发布于：2022-10-19 0评论 0赞

Bourns 全新大功率分流电阻器

采用金属感应引脚，专用于大电流应用中进行精确测量全新分流电阻器专为电池管理系统、大电流工业控制和电动汽车充电站提供高可靠性、高成本效益的解决方案美国柏恩Bourns全球知名电子组件领导制造供货商，宣布新增12款CSM2F系列功率分流电阻器，扩展其产品组合。全新系列采用铆接通孔金属传感引脚，可满足大电流应用中对电压测试点精确定位日益增长的需求。最新型Bourns?CSM2F系列分流电阻器

0215jiejie | 发布于：2022-10-18 0评论 0赞

请尊重元宇宙“这个筐”

元宇宙是个筐，啥都往里装，但区别在于有的像聚宝盆，有的像垃圾桶。国庆假期刚结束，中青宝“90后”董事长李逸伦便亲自上阵，玩起了元宇宙婚礼。靠着老板首秀和代言，中青宝顺势推出“MetaLove元囍”App，正式进军元宇宙婚礼赛道。就产品而言，如同其他元宇宙产品，李逸伦的元宇宙婚礼“新奇与吐槽齐飞”：有人说是有趣的尝试，有人则认为像QQ炫舞结婚系统。要知道，QQ炫舞是一款推出了十余年的老游戏。

0215jiejie | 发布于：2022-10-13 0评论 0赞

边缘计算：突围商业模式痛点

截至8月末，中国5G基站总数达210.2万个，中国5G发展已经进入下半场。随着5G加速融入千行百业，互动直播、vCDN、安防监控等场景率先大规模落地，车联网、云游戏、工业互联网、智慧园区、智慧物流等场景也快速走向成熟，这些更大流量、更低时延、更高性能的场景涌现，对边缘计算的刚性需求势必爆发。 GrandViewResearch预测，即使在新型冠状病毒肺炎疫情肆虐全球的背景下，边缘计算和5G网络市

0215jiejie | 发布于：2022-10-13 0评论 0赞

商务部回应美商务部升级半导体等领域对华出口管制并调整出口管制“未经验证清单”

商务部新闻发言人10日就美商务部升级半导体等领域对华出口管制并调整出口管制“未经验证清单”应询答记者问。有记者问：近日，美国商务部在半导体制造和先进计算等领域对华升级出口管制措施。同时，在将9家中国实体移出“未经验证清单”过程中，又将31家中国实体列入，请问中方对此有何回应？对此，商务部新闻发言人回应称，中方注意到相关情况。首先，通过中美双方前一阶段共同努力，9家中国实体zui终

0215jiejie | 发布于：2022-10-13 0评论 0赞

TCL华星官宣与奔驰合作：推出全球首款横贯A柱的车载显示屏

今年1月，奔驰带来了VISIONEQSS概念车，其中控台采用了一块完全无缝的47.5英寸曲面显示屏，横贯整个A柱，令人印象深刻。今天，TCL华星正式官宣与奔驰达成合作，并认领了VISIONEQSS上这块全球首款横贯整个A柱曲面的车载显示屏。根据TCL介绍，这款显示屏采用了完全无缝的超薄一体化设计，将仪表盘、中控与副驾娱乐显示融为一体，并能够与3D实时导航系统相辅相成。同时，这块显示屏还采用

0215jiejie | 发布于：2022-10-12 0评论 0赞

半导体板块暴跌谁最受伤

国庆假期后首日开盘，上证综指时隔5个月再次失守3000点，与此同时，半导体板块也再度走低，其中，北方华创、雅克科技等个股跌停。10月11日早盘期间，半导体板块持续下挫，北方华创、雅克科技再度跌停。截至下午收盘，北方华创、雅克科技维持跌停状态，华海清科、拓荆科技-U、盛美上海、清溢光电、海光信息的跌幅则超10%。同日，半导体板块中的119只个股中超五成呈现下跌趋势。在半导体板块遭遇下挫的同时，北

0215jiejie | 发布于：2022-10-12 0评论 0赞

unionblog

关注