低介電係數材料

低介電係數材料（low-K材料）是當前半導體行業研究的熱門話題。通過降低集成電路中使用的介電材料的介電係數，可以降低集成電路的漏電電流，降低導線之間的電容效應，降低集成電路發熱等等。低介電係數材料的研究是同高分子材料密切相關的。傳統半導體使用二氧化矽作為介電材料，氧化矽的介電係數約為4。真空的介電係數為1，乾燥空氣的介電係數接近於1。

概述

在電子技術不斷發展的今天，微電子工業一直以來仍舊基本保持着摩爾定律的正確性。為了提高集成電路的效能和速度，越來越多，越來越小的電晶體被整合到晶片中。隨着這種小型化的趨勢，晶片中不同層導線之間的距離也隨之減小。用作導線之間絕緣層的二氧化矽（SiO₂）由於厚度的不斷縮小使得自身電容增大。這種電荷的積聚將干擾訊號傳遞，降低電路的可靠性，並且限制了頻率的進一步提高。為了解決這個問題，微電子工業將應用低介電係數材料代替傳統的二氧化矽絕緣材料。

製備方法

由於空氣有極低的介電係數（k=1），所以在一般的電媒介中加入空氣泡可以極大的降低介電係數。目前生產低介電係數物質所用的方法即是用高分子聚合物(k~2.5)作為基底加入納米尺度的空氣泡，可以將k降低到2.0甚至以下。但是由於低介電係數物質還需要經受苛刻的工業加工過程，它的強度，韌性，耐熱性，耐酸性都要有嚴格的限制。

SiLK

SiLK是Dow Chemical開發的一種低介電係數材料，目前廣泛用於集成電路生產。目前已知SiLK是一種高分子材料，但是具體結構仍然是秘密。SiLK的介電係數為2.6。

目前已知SiLK是一種芳香族熱固性有機材料，含不飽和鍵，不含氟，不含氧和氮。SiLK以寡聚物溶液的形式提供，通過spin coating到矽片上後在氮氣下加熱到320攝氏度去除溶劑並初步交聯。最終需要在400攝氏度以上保溫來完成交聯。

基於矽基高分子的低介電係數材料

基於矽基高分子的低介電係數材料包括hydrogen silsesquioxane（HSQ）和methylsilsesquioxane（MSQ）。

FOx

FOx是Dow Corning開發的基於HSQ的低介電係數材料， k = 2.9。[1]（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

MSQ

MSQ是methylsilsesquioxane的縮寫，這是一種矽基高分子材料。

多孔SiLK與多孔MSQ

通過在SiLK中添加納米級空洞可以進一步降低介電係數。目前多孔SiLK的介電係數為2.2。

MSQ是methylsilsesquioxane的縮寫，這是一種矽基高分子材料，通過在MSQ中添加納米級空洞，Porous MSQ的介電係數可以達到2.2-2.5。

納米級空洞通常是通過合成嵌段共聚物的辦法來實現的。

MSQ通常以溶液的形式提供，通過Spin coating的辦法分佈的矽片上後在保護性氣氛下加熱交聯，去除空洞發生集團。最終形成類二氧化矽的多孔結構。

多孔SiLK和多孔MSQ的對比

多孔SiLK的機械效能優於多孔MSQ。但是多孔MSQ的結構接近於二氧化矽，同傳統集成電路生產製程處理方法接近。

Nanoglass

Nanoglass是Nanopore同Honeywell推出的基於氣凝膠的低介電係數材料。Nanoglass所報道的最低介電係數為k=1.3。

HOSP

HOSP是Honeywell推出的基於有機物和矽氧化物的混合體的低介電係數材料。

基於碳攙雜氧化矽的低介電係數材料

基於碳攙雜氧化矽的低介電係數材料通常使用化學氣相沉積，因此同傳統半導體製程接近。

Black Diamond

Black Diamond是應用材料公司推出的基於化學氣相沉積碳攙雜氧化矽的低介電係數材料。k=2.7。[2]

Black Diamond是現在使用最多的低介電係數材料。[3] 有報道暗示Black Diamond的K值可以達到2.4。[4]

Coral

Novellus推出的基於化學氣相沉積碳攙雜氧化矽的低介電係數材料。k=2.7。[5]

Aurora

ASM International推出的基於化學氣相沉積碳攙雜氧化矽的低介電係數材料。k=2.7。[6]

Aurora是英特爾在其90和65nm生產線中使用的材料。[7]

參考

• Honeywell 低介電係數材料產品
• Dow SiLK網站