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低介電係數材料
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低介電係數材料（low-K材料）在半導體行業中，指其相對介電係數低於二氧化矽（κr=3.9）的材料（其中，相對介電係數，符號為κ或ε，表示材料中電場強度與真空中電場強度之比）。通過降低積體電路中使用的介電材料的介電係數，降低導線之間的電容效應，降低積體電路發熱等等。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。
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概述
半導體製造商通過在奈米尺度的積體電路中縮小電晶體尺寸來提升晶片效能，此舉既能提高速度，又可在更小面積上整合更多元件。根據莫耳定律，晶片效能大約每18個月翻一番，而電訊號的傳輸速度取決於電晶體的開關時間和電晶體間訊號傳播時間（即RC延遲，其中R為電阻，C為電容）。RC延遲與材料的電阻率和相對介電係數成正比關係：[2]
其中為RC延遲，為材料電阻率，為材料相對介電係數。
進入奈米時代後，RC延遲影響日益突出。隨著這種小型化的趨勢，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。為進一步提升效能，晶片製造商可選用電阻率和/或電容更低的材料，低κ介電材料即為一種常用方案。[2]
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製備方法
由於空氣有極低的介電係數（k=1），所以在一般的介電質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)作為基底加入奈米尺度的空氣泡，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，目前廣泛用於積體電路生產。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，存於網際網路檔案館）
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中添加奈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中添加奈米級空洞，Porous MSQ的介電係數可以達到2.2-2.5。
奈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的辦法分布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，同傳統積體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]
相關連結
參考
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