Dieléctrico de bajo κ

En la fabricación de semiconductores , un dieléctrico de baja κ es un material con una constante dieléctrica relativa pequeña (κ, kappa ) en relación con el dióxido de silicio . La implementación de un material dieléctrico de baja κ es una de las diversas estrategias utilizadas para permitir el escalamiento continuo de los dispositivos microelectrónicos, coloquialmente conocida como extensión de la ley de Moore . En los circuitos digitales , los dieléctricos aislantes separan las partes conductoras ( interconexiones de cables y transistores ) entre sí. A medida que los componentes han escalado y los transistores se han acercado, los dieléctricos aislantes se han adelgazado hasta el punto en que la acumulación de carga y la diafonía afectan negativamente el rendimiento del dispositivo. Reemplazar el dióxido de silicio con un dieléctrico de baja κ del mismo espesor reduce la capacitancia parásita , lo que permite velocidades de conmutación más rápidas (en el caso de circuitos síncronos ) y una menor disipación de calor. En la conversación, estos materiales pueden denominarse "low-k" (pronunciado "low-kay") en lugar de "low-κ" (low-kappa).

En circuitos integrados y dispositivos CMOS , el dióxido de silicio se puede formar fácilmente en superficies de Si a través de oxidación térmica , y puede depositarse además en las superficies de conductores utilizando deposición química de vapor o varios otros métodos de fabricación de película delgada. Debido a la amplia gama de métodos que se pueden utilizar para formar capas de dióxido de silicio de forma económica, este material se utiliza convencionalmente como la línea de base con la que se comparan otros dieléctricos de baja permitividad. La constante dieléctrica relativa de SiO ₂ , el material aislante que todavía se utiliza en chips de silicio , es 3,9. Este número es la relación de la permitividad de SiO ₂ dividida por la permitividad del vacío, ε _{SiO 2} /ε ₀ , donde ε ₀ = 8,854 × 10 ⁻⁶ pF/μm. ^[1] Hay muchos materiales con constantes dieléctricas relativas más bajas, pero pocos de ellos se pueden integrar adecuadamente en un proceso de fabricación. Los esfuerzos de desarrollo se han centrado principalmente en las siguientes clases de materiales:

Al dopar SiO2 _con flúor para producir vidrio de sílice fluorado, la constante dieléctrica relativa se reduce de 3,9 a 3,5. ^[2] Se utilizaron materiales de óxido dopados con flúor para los nodos de tecnología de 180 nm y 130 nm . ^[3]

Al dopar SiO2 _con carbono, se puede reducir la constante dieléctrica relativa a 3,0, la densidad a 1,4 g/cm3 ^y la conductividad térmica a 0,39 W/(m*K). La industria de semiconductores ha estado utilizando dieléctricos de vidrio de organosilicato desde el nodo de tecnología de 90 nm. ^[4]

Se pueden emplear varios métodos para crear huecos o poros en un dieléctrico de dióxido de silicio. ^[3] Los huecos pueden tener una constante dieléctrica relativa de casi 1, por lo que la constante dieléctrica del material poroso se puede reducir aumentando la porosidad de la película. Se han reportado constantes dieléctricas relativas inferiores a 2,0. Las dificultades de integración relacionadas con la implementación de dióxido de silicio poroso incluyen baja resistencia mecánica y difícil integración con procesos de grabado y pulido.

Los materiales organosilicatados porosos se obtienen generalmente mediante un procedimiento de dos pasos ^[4] , donde el primer paso consiste en la co-deposición de una fase orgánica lábil (conocida como porógeno) junto con una fase organosilicatada, lo que da como resultado un material híbrido orgánico-inorgánico . En el segundo paso, la fase orgánica se descompone mediante curado por UV o recocido a una temperatura de hasta 400 °C, dejando poros en los materiales organosilicatados de bajo κ. Los vidrios organosilicatados porosos se han empleado desde el nodo de tecnología de 45 nm. ^[5]

Los dieléctricos poliméricos se depositan generalmente mediante un método de centrifugado, que se utiliza tradicionalmente para la deposición de materiales fotorresistentes , en lugar de la deposición química en fase de vapor . Las dificultades de integración incluyen baja resistencia mecánica, desajuste del coeficiente de expansión térmica (CTE) y estabilidad térmica. Algunos ejemplos de polímeros orgánicos de bajo κ de centrifugado son la poliimida , los polinorbornenos, el benzociclobuteno y el PTFE .

Hay dos tipos de materiales dieléctricos poliméricos a base de silicio, silsesquioxano de hidrógeno y metilsilsesquioxano.

El material de baja κ por excelencia es el aire, con un valor de permitividad relativa de ~1,0. Sin embargo, la colocación de espacios de aire entre los cables conductores compromete la estabilidad mecánica del circuito integrado, lo que hace que no sea práctico construir un CI que consista completamente en aire como material aislante. No obstante, la colocación estratégica de espacios de aire puede mejorar el rendimiento eléctrico del chip sin comprometer críticamente su durabilidad. Por ejemplo, Intel utiliza espacios de aire para dos niveles de interconexión en su tecnología FinFET de 14 nm . ^[6]

• Dieléctrico
• Dieléctrico de alto κ
• Permitividad estática relativa

• La NASA en Low-k
• La evolución de la tecnología de interconexión para circuitos integrados de silicio