低誘電率誘電体

半導体製造において、 low-κとは、二酸化ケイ素に比べて相対誘電率(κ、カッパ)が小さい材料のことである。low-κ誘電体材料の実装は、マイクロエレクトロニクスデバイスの継続的なスケーリングを可能にするために使用されるいくつかの戦略の 1 つであり、口語的にはムーアの法則の拡張と呼ばれている。デジタル回路では、絶縁誘電体が導電部分 (ワイヤ相互接続とトランジスタ) を互いに分離している。コンポーネントがスケーリングされ、トランジスタが互いに近づくにつれて、絶縁誘電体は、電荷の蓄積とクロストークがデバイスのパフォーマンスに悪影響を与えるレベルまで薄くなった。二酸化ケイ素を同じ厚さの low-κ 誘電体に置き換えると、寄生容量が減少し、スイッチング速度が速くなり (同期回路の場合)、放熱が低くなる。会話では、このような材料は「low-κ」(low-kappa) ではなく「low-k」(話し言葉では「low-kay」) と呼ばれることがある。

低誘電率材料

集積回路やCMOSデバイスでは、熱酸化によって Si の表面に二酸化ケイ素を容易に形成でき、さらに化学蒸着法やその他のさまざまな薄膜製造方法を使用して導体の表面に堆積できます。二酸化ケイ素層を安価に形成する方法が広範囲にわたるため、この材料は従来、他の低誘電率誘電体と比較するための基準として使用されています。シリコンチップで現在も使用されている絶縁材料であるSiO ₂の比誘電率は 3.9 です。この数値は、SiO _2の誘電率を真空の誘電率で割った比、ε _SiO_₂ /ε ₀で、ε ₀ = 8.854×10 ⁻⁶ pF/μm です。^[1]比誘電率が低い材料は多数ありますが、製造プロセスに適切に統合できるものはほとんどありません。開発努力は主に次のクラスの材料に集中しています。

フッ素添加二酸化ケイ素

_SiO2にフッ素をドープしてフッ素化シリカガラスを製造すると、比誘電率が3.9から3.5に低下します。^{[2]フッ素ドープ酸化物材料は、}180 nmおよび130 nmテクノロジーノードに使用されました。^[3]

有機ケイ酸ガラスまたはOSG（炭素添加酸化物またはCDO）

_SiO2に炭素をドープすることで、比誘電率を3.0、密度を1.4 g/cm3 ^、熱伝導率を0.39 W/(m*K)まで下げることができます。半導体業界では、 90nm技術ノード以降、有機ケイ酸ガラス誘電体を使用しています。^[4]

多孔質二酸化ケイ素

二酸化ケイ素誘電体に空隙や細孔を作るには、さまざまな方法があります。^[3]空隙の比誘電率はほぼ 1 になる可能性があるため、多孔質材料の誘電率は、フィルムの多孔度を高めることによって低下する可能性があります。2.0 未満の比誘電率が報告されています。多孔質二酸化ケイ素の実装に関連する統合の難しさには、機械的強度が低いことと、エッチングおよび研磨プロセスとの統合が難しいことが含まれます。

多孔質有機ケイ酸ガラス（炭素添加酸化物）

多孔質有機ケイ酸塩材料は通常、2段階の手順で得られます^[4] 。最初のステップでは、不安定な有機相（ポロゲンと呼ばれる）と有機ケイ酸塩相を共堆積させて、有機無機ハイブリッド材料を生成します。2番目のステップでは、有機相を紫外線硬化または最大400℃の温度でアニールして分解し、有機ケイ酸塩低誘電率材料に細孔を残します。多孔質有機ケイ酸塩ガラスは、 45 nmテクノロジーノード以降に使用されています。 ^[5]

スピンオン有機ポリマー誘電体

ポリマー誘電体は、化学蒸着法ではなく、フォトレジスト材料の堆積に伝統的に使用されているスピンオン法で堆積されるのが一般的です。統合の難しさとしては、機械的強度が低いこと、熱膨張係数(CTE) の不一致、熱安定性などがあります。スピンオン有機低誘電率ポリマーの例としては、ポリイミド、ポリノルボルネン、ベンゾシクロブテン、PTFE などがあります。

スピンオンシリコンベースのポリマー誘電体

シリコンベースの高分子誘電体材料には、水素シルセスキオキサンとメチルシルセスキオキサンの 2 種類があります。

エアギャップ

究極の低誘電率材料は、比誘電率が約 1.0 の空気です。しかし、導線間にエアギャップを設けると集積回路の機械的安定性が損なわれるため、絶縁材料として完全に空気のみで構成された IC を構築するのは現実的ではありません。しかし、エアギャップを戦略的に配置することで、耐久性を著しく損なうことなくチップの電気的性能を向上させることができます。たとえば、Intel は14 nm FinFET テクノロジの 2 つの相互接続レベルにエアギャップを使用しています。^[6]

参照

参考文献

^ Sze, SM (2007). 半導体デバイスの物理学. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-14323-9。
^ Reynard, J (2002). 「0.12μm技術向け銅パイロットラインへのフッ素ドープ酸化シリコンの統合」マイクロエレクトロニクスエンジニアリング60 (1–2): 113. doi :10.1016/S0167-9317(01)00586-X.
^ ab Hatton, Benjamin D.; Landskron, Kai; Hunks, William J.; Bennett, Mark R.; Shukaris, Donna; Perovic, Douglas D.; Ozin, Geoffrey A. (2006年3月1日). 「low-k材料の材料化学」. Materials Today . 9 (3): 22–31. doi : 10.1016/S1369-7021(06)71387-6 .
^ ab Shamiryan, D.; Abell, T.; Iacopi, F.; Maex, K. (2004). 「Low-k誘電体材料」. Materials Today . 7 : 34–39. doi : 10.1016/S1369-7021(04)00053-7 .
^ Volksen, W.; Miller, RD; Dubois, G. (2010). 「低誘電率材料」.化学レビュー. 110 (1): 56–110. doi :10.1021/cr9002819. PMID 19961181. S2CID 32675222.
^ James, Dick. 「IEDM – Monday was FinFET Day」. Chipworks.com . 2018年12月9日閲覧。

外部リンク

NASAのLow-k
シリコン集積回路の相互接続技術の進化

[1] Sze, SM (2007). 半導体デバイスの物理学. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-14323-9。

[2] Reynard, J (2002). 「0.12μm技術向け銅パイロットラインへのフッ素ドープ酸化シリコンの統合」マイクロエレクトロニクスエンジニアリング60 (1–2): 113. doi :10.1016/S0167-9317(01)00586-X.

[Ozin2006-3] Hatton, Benjamin D.; Landskron, Kai; Hunks, William J.; Bennett, Mark R.; Shukaris, Donna; Perovic, Douglas D.; Ozin, Geoffrey A. (2006年3月1日). 「low-k材料の材料化学」. Materials Today . 9 (3): 22–31. doi : 10.1016/S1369-7021(06)71387-6 .

[Maex2004-4] Shamiryan, D.; Abell, T.; Iacopi, F.; Maex, K. (2004). 「Low-k誘電体材料」. Materials Today . 7 : 34–39. doi : 10.1016/S1369-7021(04)00053-7 .

[Dubois2010-5] Volksen, W.; Miller, RD; Dubois, G. (2010). 「低誘電率材料」.化学レビュー. 110 (1): 56–110. doi :10.1021/cr9002819. PMID 19961181. S2CID 32675222.

[6] James, Dick. 「IEDM – Monday was FinFET Day」. Chipworks.com . 2018年12月9日閲覧。