Диэлектрики с низкой диэлектрической проницаемостью

Диэлектрики с диэлектрической проницаемостью ниже диэлектрической проницаемости термического оксида кремния называются диэлектриками с низкой диэлектрической проницаемостью (low-k dielectrics).

Диэлектрики с низкой диэлектрической проницаемостью важны для современных ИС, потому что их использование может значительно улучшить характеристики быстродействия ИС, в первую очередь по отношению к задержкам в межкомпонентных соединениях. Эти задержки могут быть уменьшены не только за счет уменьшения электрического сопротивления проводящих структур, но также и за счет уменьшения емкости диэлектрических слоев. В свою очередь, величина емкости может быть уменьшена за счет использования диэлектрических материалов с более низкой величиной диэлектрической проницаемости. Для ИС с проектными нормами ниже 0.25 мкм паразитные емкости в межуровневых диэлектриках между металлическими шинами становятся все более и более важными с точки зрения задержек в RC цепочках при переключении.

Первым диэлектрическим материалом для межкомпонентных соединений был оксид кремния. Выбор оксида кремния основывался на его хорошей диэлектрической и механической прочности, а также на легкости его обработки. Однако оксид кремния имеет диэлектрическую проницаемость от 3.9 до 4.5 в зависимости от способа получения. Эта величина слишком высока для приборов с размерами элементов ниже 0.18 мкм. Для получения достаточно низких значений задержки в RC цепочках, которые требуются для субмикронных ИС необходимо использовать медные проводники совместно с диэлектриками с низкой диэлектрической проницаемостью.

Методы, используемые для получения диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью, можно разделить на три категории:

1. уменьшение плотности пленки;

2. уменьшение ионизации в материале;

3. уменьшение поляризации пленки,

Наиболее существенным методов для уменьшения величины диэлектрической проницаемости является уменьшение плотности материала пленки. Материалы, имеющие более низкую плотность, обладают более низкой диэлектрической проницаемостью. Все диэлектрики с очень низкой диэлектрической проницаемостью имеют значительно более низкую плотность по сравнению с оксидом кремния. Такое уменьшение плотности может происходить либо на микроскопическом уровне (например, путем формирования решетчатой структуры с большим шагом, чем у оксида кремния), либо на макроскопическом уровне (например, путем формирования макропор в материале пленки) – с размерами в нанометровом диапазоне.

Уменьшение ионизации и уменьшение поляризации способны уменьшить диэлектрическую проницаемость с намного меньшей эффективностью. Уменьшенная ионизация является общим свойством частично органических материалов с низкой диэлектрической проницаемостью. Такие органические материалы содержат углерод, часто в форме метильных групп (CH₃). Эти метильные группы заменяют атомы кислорода, создавая связи Si-CH₃ вместо связей Si-O. Уменьшенная поляризация проявляется в таких диэлектриках, как фторированное силикатное стекло. Это происходит потому, что атомы фтора, внедренные в решетку оксида кремния, заменяют атомы кислорода и образуют связи Si-F вместо связей Si-O. Более короткая длина этих связей создает молекулярную структуру, содержащую фракции Si-F, менее поляризуемые, чем фракции, содержащие только Si-O.

Методы формирования диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью

1. Нанесение пленок методом центрифугирования из раствора.

2. ХОГФ осаждение,

Пленки, нанесенные центрифугированием, наносятся с использованием жидких растворов, а затем сушатся и отжигаются в азоте при температурах до 450 С. Сушка необходима для: а) удаления растворителей, б) завершения химических реакций, в) удаления непрореагироваших мономеров и олигомеров и г) уплотнения.

Для ХОГФ осаждения диэлектриков может использоваться существующее оборудование, Однако ХОГФ осаждение имеет гораздо большие затраты по сравнению с нанесением центрифугированием. Пленки, наносимые центрифугированием имеют более широкие перспективы для субмикронных ИС, однако, жидкие растворы чувствительны к температуре, влаге и кислороду. Использование быстрого термического отжига уменьшает время обработки пленок, нанесенных центрифугированием и стало широко использоваться.

Существует две категории диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью: диэлектрики на основе кремния и диэлектрики на основе углерода. Углеродные материалы обычно имеют более низкую диэлектрическую проницаемость, но некоторые их свойства делают более предпочтительным использованием диэлектриков на основе кремния. Например, кремниевые диэлектрики имеют более высокую термическую стабильность и твердость по сравнению с углеродными материалами, но более склонны к абсорбции влаги.

Диэлектрики на основе кремния более пригодны к существующему процессу изготовления ИС. Они имеют лучшую адгезию к кремнию, оксиду кремния и нитриду кремния. Они также легко травятся во фторсодержащей плазме, в то время как углеродные диэлектрики требуют использования кислородосодержащей химии. Кроме того, диэлектрики на основе кремния более пригодны для процесса химико-механической полировки из-за их более высокой твердости.

Требования к диэлектрикам с низкой диэлектрической проницаемостью

Термическая стабильность – >425 С

Абсорбция влаги – <2.0

Адгезия - отсутствие отслаивание при обработках при 450 С

Электрическая прочность – 2-3 МВ/см

Механические напряжения – < 1МПа

Заполнение зазоров – без образования пустот

Приемлемая скорость и селективность плазмохимического травления

Возможность использования в процессе ХМП

Три генерации диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью.

1. к = 2.8-3.5

2. к = 2.5-2.8

3. к < 2.0

Название	Диэлектрическая проницаемость	Метод получения
Первая генерация
Водородный силсеквиоксан (HSQ)	< 2.9	НЦР
Метилсилоксан (MSQ)	2.7-2.9	НЦР
Полиимиды	3.0-3.6	НЦР
Фторированное силикатное стекло	3.5	ХОГФ
Вторая генерация
Поли(алилен)эфиры	2.6-2.9	НЦР
Фторированные полиимиды	2.6-2.9	НЦР
Органосилоксановые полимеры	2.5-2.8	НЦР
Силсеквиоксан	2.7-2.8	ХОГФ или плазменный ХОГФ
Парилен-полимер	2.6	ХОГФ
Третья генерация
Тефлон-AF	1.9-2.1	НЦР
Полимиид с нанопузырьками	2.2	НЦР
Силикатная аэрогель	1.1-2.2	НЦР
Мезопористый силикат	1.9-2.2	НЦР

49