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Low-K材料在芯片中的作用

中科院半導(dǎo)體所 ? 來源:半導(dǎo)體與物理 ? 2025-03-27 10:12 ? 次閱讀

文章來源:半導(dǎo)體與物理

原文作者:jjfly686

本文介紹了芯片制造中的Low-K材料。

Low-K材料是介電常數(shù)顯著低于傳統(tǒng)二氧化硅(SiO?,k=3.9–4.2)的絕緣材料,主要用于芯片制造中的層間電介質(zhì)(ILD)。其核心目標(biāo)是通過降低金屬互連線間的寄生電容,解決RC延遲(電阻-電容延遲)和信號串?dāng)_問題,從而提升芯片性能和集成度。

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Low-K材料在芯片中的作用

1. 降低RC延遲

隨著芯片制程微縮,金屬互連線間距縮小,傳統(tǒng)SiO?的電容效應(yīng)導(dǎo)致信號延遲和功耗增加。Low-K材料通過減少互連線間的寄生電容,使RC延遲降低并顯著提升芯片速度。

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2. 抑制信號串?dāng)_

互連線間的耦合電容與k值成正比。Low-K材料通過降低k值,減少電容耦合效應(yīng),使相鄰線路的串?dāng)_噪聲降低,允許更密集的布線設(shè)計。

3. 支持多層互連結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代芯片采用10層以上的金屬互連,Low-K材料的高絕緣性和低熱膨脹系數(shù)可避免層間應(yīng)力開裂,保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

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Low-K材料的分類與合成原料

Low-K材料根據(jù)成分可分為三大類,其合成工藝和原料差異顯著:

類型 典型材料 合成原料與工藝 k值范圍
無機(jī)多孔材料 多孔氧化硅 溶膠-凝膠法,前驅(qū)體為TEOS 2–2.5
有機(jī)高分子材料 聚酰亞胺、含氟聚合物 旋涂法,前驅(qū)體為聚酰亞胺單體或PTFE 1.5–2.7
有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料 甲基倍半硅氧烷(MSQ) CVD或旋涂,前驅(qū)體為硅氧烷衍生物 2.2–2.8

LOW-K材料工藝:

化學(xué)氣相沉積(CVD)

:用于沉積MSQ等材料,需使用含碳/氟前驅(qū)體(如SiCOH),通過PECVD提升薄膜致密度。

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旋涂法

:適用于有機(jī)材料,需優(yōu)化溶劑揮發(fā)速度以避免薄膜裂紋。

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Low-K材料的制造工藝挑戰(zhàn)

1. 機(jī)械強(qiáng)度與熱穩(wěn)定性

多孔材料易脆裂,需通過摻雜納米顆粒如SiO?納米球提升硬度。例如,摻入10% SiO?可使多孔Low-K薄膜的楊氏模量從3 GPa提升至8 GPa。

2. 銅擴(kuò)散阻擋

Low-K材料的孔隙可能被銅原子滲透,需集成超薄阻擋層(如2nm的TiN)以防止互聯(lián)金屬銅擴(kuò)散導(dǎo)致漏電。

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3. CMP兼容性

材料疏松易導(dǎo)致拋光不均勻,需要使用壓力拋光液(如含二氧化鈰磨料)。

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原文標(biāo)題:芯片制造中的Low-K材料

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