eng
Выпуск #5/1999
Диэлектрики с низкой диэлектрической постоянной. Борьба с временем задержки ИС продолжается
Просмотры: 2909
Сегодня многие фирмы изучают возможность дальнейшего снижения времени задержки соединительных линий за счет выполнения межуровневых диэлектриков на базе материала с низкой диэлектрической постоянной (диэлектрики с низким k). Уменьшение паразитной емкости структуры благодаря использованию такого диэлектрика позволит решить и другие задачи, такие как снижение потребляемой мощности и рабочего напряжения. Применение диэлектрика с низким k особенно перспективно в сочетании с медной металлизацией. Работы в этой области направлены на получение материалов с диэлектрической постоянной не более 2,1. Самые многообещающие из них – пористый двуоксид кремния или фторированные органические полимеры.
Первой продемонстрировала возможность применения новых материалов фирма Texas Instruments, где был получен диэлектрик с низким k — микропористый оксид кремния, названный наностеклом (первоначально ксерогель). Он содержит микроскопические воздушные пузырьки (поры) диаметром 20 нм (идеальный естественный изолятор с k=1). Разработка длилась три года в рамках совместной с фирмой Nanopore программы, финансируемой Национальным институтом стандартов и технологии. В 1997 году с целью коммерциализации нового материала было создано совместное предприятие фирм Nanopore и AlliedSignal – Nanoglass LLC.
Одно из привлекательных свойств нового материала – возможность обработки его традиционными методами полупроводниковой технологии. Меняя плотность микропор, можно варьировать величину k в пределах от 1,3 до 2,5 (kSiO2= 3,9–4,1). Наносят наностекло методом центрифугирования, после чего проводят процесс сушки для удаления растворителя. Длительность процесса – несколько минут. Однако при значениях k менее 2,0 возникают проблемы прочности покрытия, ограничения плотности пузырьков в материале, вероятности внесения загрязнений и поглощение влаги порами. Кроме того, необходимо подробнее изучить характер распределения пор в материале.
Тем не менее на фирме Texas Instruments создана экспериментальная схема со структурой медная металлизация/диэлектрик с ультранизким-k, изготовленная по дамасской технологии с барьерным слоем из нитрида тантала. При ширине линий 0,3 мкм структура медь/наностекло по сравнению со структурой алюминий/оксид имеет на 36% меньшую паразитную емкость линий при одинаковом их сопротивлении, или на 46% меньшее сопротивление линий при одинаковой емкости. Тем не менее, по-видимому, в первых промышленных схемах фирмы Texas Instruments материал с низким k первоначально будет использован с алюминиевой металлизацией. Освоение медной металлизации само по себе дело рискованное, что же говорить об одновременном введении двух новых материалов, свойства которых, особенно при промышленном производстве, еще недостаточно хорошо изучены.
Фторированные полимеры активно продвигает фирма Du Pont, имеющая большой опыт в области их производства. На фирме получено несколько типов полимеров с k в диапазоне 1,8–2,1. Самый известный из них – тефлон-AF. Этот материал, широко используемый для покрытия кухонной посуды, оказался пригодным и для нанесения на полупроводниковые пластины методом центрифугирования. Диэлектрическая постоянная его равна 2,0. Правда, остается открытым вопрос, сможет ли тефлон преодолеть предубеждение к нему изготовителей ИС. Кроме того, предстоит большой объем работ по интеграции операций осаждения в технологический процесс производства новейших ИС.
Разработку структур типа медная металлизация/диэлектрик с низким k ведет также фирма NEC. Диэлектрик (по-видимому, парилен, называемый также AF-4, с k = 2,2–2,3) выращивали методом химического осаждения из газовой фазы в присутствии фторированной высокоплотной плазмы с последующим нанесением в установке, используемой для оксидного покрытия методом стимулированного плазмой химического осаждения. Фирма продемонстрировала возможность получения пленок с низким k при производстве логических устройств с топологическими нормами 0,25 мкм. При этом емкость между токопроводящими линиями снижена на 12%.
Фирма Applied Materials планировала в конце 1999 года выпустить систему химического осаждения из газовой фазы для нанесения диэлектриков с низким k. Сейчас она поставляет оборудование для получения фторированного кварцевого стекла с k=3,6–3,7. Правда, серьезную конкуренцию таким системам могут составить установки центрифугирования, которые больше пригодны для заполнения диэлектриком глубоких выемок, присущих двойной дамасской технологии. К тому же стоимость этих установок не превышает 1 млн. долл. (против 5 млн. долл. для систем осаждения).
Фирма Motorola объявила об изготовлении структур с двух- и трехслойной медной металлизацией и неорганическим пористым диэлектриком с k = 2,0–2,5. Подобная структура использована в новом варианте микропроцессора PowerPC и в быстродействующем СОЗУ. Результаты измерений сопротивления токопроводящих линий и сопротивления диэлектрического слоя растеканию свидетельствуют о высоком уровне планаризации поверхности и прочности пленок. По утверждению разработчиков, нет никаких ограничений для получения структур с шести-, семислойной металлизацией.
Правда, по мнению президента Applied Materials, диэлектрики с низким k окажутся востребованными полупроводниковой промышленностью не раньше 2001 года. Это подтверждают и планы Motorola, которая рассчитывает освоить производство схем с диэлектриком с низким k к 2002 году и то при условии, что разработка не будет сталкиваться с серьезными проблемами. Ожидалось, что производители сначала начнут вводить в технологию ИС такие диэлектрики, а уж потом перейдут к медной металлизации, но все произошло наоборот. Диэлектриков сейчас разрабатывается великое множество, а медь – хорошо знакомый всем материал, поэтому ввести ее в технологический процесс оказалось значительно проще. Тем не менее, согласно прогнозам аналитической фирмы The Information Network, в 2003 году объем продаж диэлектрических материалов с низким k, пригодных для нанесения на полупроводниковые пластины методами центрифугирования, составит 750 млн. долл. Помимо упомянутых выше фирм диэлектрики с низким k изучают Dow Corning, Dow Chemical, Schumacher, TOK и W.L. Gore.
www.pubs.cmpnet.com/ebn942/daily/0798/072298news/6html
Texas Instruments News Release
Semicomductor International, May, June, 1998
www.edtn.com/news/nov09/110998tnews3html
Одно из привлекательных свойств нового материала – возможность обработки его традиционными методами полупроводниковой технологии. Меняя плотность микропор, можно варьировать величину k в пределах от 1,3 до 2,5 (kSiO2= 3,9–4,1). Наносят наностекло методом центрифугирования, после чего проводят процесс сушки для удаления растворителя. Длительность процесса – несколько минут. Однако при значениях k менее 2,0 возникают проблемы прочности покрытия, ограничения плотности пузырьков в материале, вероятности внесения загрязнений и поглощение влаги порами. Кроме того, необходимо подробнее изучить характер распределения пор в материале.
Тем не менее на фирме Texas Instruments создана экспериментальная схема со структурой медная металлизация/диэлектрик с ультранизким-k, изготовленная по дамасской технологии с барьерным слоем из нитрида тантала. При ширине линий 0,3 мкм структура медь/наностекло по сравнению со структурой алюминий/оксид имеет на 36% меньшую паразитную емкость линий при одинаковом их сопротивлении, или на 46% меньшее сопротивление линий при одинаковой емкости. Тем не менее, по-видимому, в первых промышленных схемах фирмы Texas Instruments материал с низким k первоначально будет использован с алюминиевой металлизацией. Освоение медной металлизации само по себе дело рискованное, что же говорить об одновременном введении двух новых материалов, свойства которых, особенно при промышленном производстве, еще недостаточно хорошо изучены.
Фторированные полимеры активно продвигает фирма Du Pont, имеющая большой опыт в области их производства. На фирме получено несколько типов полимеров с k в диапазоне 1,8–2,1. Самый известный из них – тефлон-AF. Этот материал, широко используемый для покрытия кухонной посуды, оказался пригодным и для нанесения на полупроводниковые пластины методом центрифугирования. Диэлектрическая постоянная его равна 2,0. Правда, остается открытым вопрос, сможет ли тефлон преодолеть предубеждение к нему изготовителей ИС. Кроме того, предстоит большой объем работ по интеграции операций осаждения в технологический процесс производства новейших ИС.
Разработку структур типа медная металлизация/диэлектрик с низким k ведет также фирма NEC. Диэлектрик (по-видимому, парилен, называемый также AF-4, с k = 2,2–2,3) выращивали методом химического осаждения из газовой фазы в присутствии фторированной высокоплотной плазмы с последующим нанесением в установке, используемой для оксидного покрытия методом стимулированного плазмой химического осаждения. Фирма продемонстрировала возможность получения пленок с низким k при производстве логических устройств с топологическими нормами 0,25 мкм. При этом емкость между токопроводящими линиями снижена на 12%.
Фирма Applied Materials планировала в конце 1999 года выпустить систему химического осаждения из газовой фазы для нанесения диэлектриков с низким k. Сейчас она поставляет оборудование для получения фторированного кварцевого стекла с k=3,6–3,7. Правда, серьезную конкуренцию таким системам могут составить установки центрифугирования, которые больше пригодны для заполнения диэлектриком глубоких выемок, присущих двойной дамасской технологии. К тому же стоимость этих установок не превышает 1 млн. долл. (против 5 млн. долл. для систем осаждения).
Фирма Motorola объявила об изготовлении структур с двух- и трехслойной медной металлизацией и неорганическим пористым диэлектриком с k = 2,0–2,5. Подобная структура использована в новом варианте микропроцессора PowerPC и в быстродействующем СОЗУ. Результаты измерений сопротивления токопроводящих линий и сопротивления диэлектрического слоя растеканию свидетельствуют о высоком уровне планаризации поверхности и прочности пленок. По утверждению разработчиков, нет никаких ограничений для получения структур с шести-, семислойной металлизацией.
Правда, по мнению президента Applied Materials, диэлектрики с низким k окажутся востребованными полупроводниковой промышленностью не раньше 2001 года. Это подтверждают и планы Motorola, которая рассчитывает освоить производство схем с диэлектриком с низким k к 2002 году и то при условии, что разработка не будет сталкиваться с серьезными проблемами. Ожидалось, что производители сначала начнут вводить в технологию ИС такие диэлектрики, а уж потом перейдут к медной металлизации, но все произошло наоборот. Диэлектриков сейчас разрабатывается великое множество, а медь – хорошо знакомый всем материал, поэтому ввести ее в технологический процесс оказалось значительно проще. Тем не менее, согласно прогнозам аналитической фирмы The Information Network, в 2003 году объем продаж диэлектрических материалов с низким k, пригодных для нанесения на полупроводниковые пластины методами центрифугирования, составит 750 млн. долл. Помимо упомянутых выше фирм диэлектрики с низким k изучают Dow Corning, Dow Chemical, Schumacher, TOK и W.L. Gore.
www.pubs.cmpnet.com/ebn942/daily/0798/072298news/6html
Texas Instruments News Release
Semicomductor International, May, June, 1998
www.edtn.com/news/nov09/110998tnews3html
Отзывы читателей
