Madal-k dielektrik

Madal-κ dielektrikud (ingl. k. low-κ dielectric) on materjalid, mille suhteline dielektriline läbitavus on madalam kui ränidioksiidil (κr = 3,9). Suhteline dielektriline läbitavus (sümbol κ või ε) on võrdetegur näitamaks mitu korda suurem on elektrivälja tugevus vaakumis võrreldes väljaga materjalis. Pooljuhtide tootjad vähendavad kiibi jõudluse parandamiseks transistori suurust integraalahelates (ingl. k. integral circuit, IC). Sellega kaasneb suurem kiirus ja rohkem seadmeid mahub väiksemale pindalale. Seda protsessi kirjeldatakse Moore’i seaduse abil, mille kohaselt kiibi jõudlus kahekordistub umbes iga 18 kuu tagant. Elektrisignaali kiirust mõjutavad transistori lülitusaeg ja signaali levimise aeg transistoride vahel (ehk RC viivitus, R - takistus, C - mahtuvus). RC viivitus on lineaarses seoses materjali eritakistuse ja suhtelise dielektrilise läbitavusega. τ R C ∝ ρ κ , {\displaystyle \tau _{RC}\propto \rho \kappa ,} kus τ R C {\displaystyle \tau _{RC}} on RC viivitus, ρ on materjali elektriline eritakistus, κ on materjali suhteline dielektriline läbitavus. Kui tehnoloogia jõudis nanoskaalasse, siis hakkas RC viivitus järjest suuremat mõju avaldama. Edasist jõudluse kasvu soovides on pooljuht-integraalahelate tootjatel võimalik valida materjale, millel on madalam elektriline takistus ja/või mahtuvus. Madal-κ dielektrikute kasutamine on selleks üks võimalik moodus. Kaks põhilist võimalikku viisi κ vähendamiseks on materjalis dipooli tugevuse või dipoolide arvu vähendamine. See tähendab ränidioksiidi omadustega võrreldes madalama polariseeritavusega keemiliste sidemetega kui Si-O materjalide kasutamine või madalama tihedusega materjalide kasutamine. Kahte meetodit võib kombineerida, et saavutada veelgi madalamad κ väärtused. Üks viis saavutada madalamat suhtelist dielektrilist läbitavust on kasutada materjali, milles on madalama polariseeritavusega keemilised sidemed. IC tööstus on juba liikunud teatud madal-κ materjalide juurde, kus mõned ränidioksiidi Si-O sidemed on asendatud vähem polaarsete Si-F või Si-C sidemetega. Veelgi madalama polariseeritavuse saavutamiseks on võimalik kasutada mittepolaarsete keemiliste sidemetega (näiteks C-C või C-H) materjale. Seetõttu on proovitud näiteks erinevaid orgaanilisi polümeere. Materjali tihedust saab vähendada materjalis tühimike osakaalu suurendamisega. Selleks muudetakse materjali struktuuri või tekitatakse materjalis poore (ehk tõstetakse poorsust). Poorsus liigitatakse olemuslikuks ja lahutavaks poorsuseks. Üks võimalus on valmistada materjal, mille struktuur on iseloomult juba suure tühimike osakaaluga ehk olemuslikult poorne. Sel viisil on saadud materjalil märkimisväärne poorsus juba ilma täiendava järeltöötluseta. Olemuslik poorsus on suhteliselt madala ruumi osakaalu mõjuga (tavaliselt alla 15% ruumist on tühimikud) ja pooride läbimõõt on umbes 1 nm läbimõõduga (mikropoorid). Lahutavaks poorsuseks nimetatakse poorsust, mis on saavutatud materjali eemaldamisel. Seda tekitatakse materjalisse termiliselt lagundatava lisandi lisamisel, mis järeltöötlusel kuumutamisega eemaldatakse või selektiivse söövitamise teel (nt vesinikfluoriidiga Si-O-sidemete söövitamine SiOCH-materjalis). Lahutav poorsus võib olla isegi 90% ulatuses ja pooride suurus varieerub vahemikus kaks kuni kümned nanomeetrid (mesopoorid). Mesopoorne orgaaniline polümeer võib ühendada kõik kolm lähenemisviisi: madal polariseeritavus, loomupärane vaba ruum (olemuslik poorsus) ja järeltöötlusel saavutatud lahutatav poorsus). Parim materjal madal-κ dielektrikuna kasutamiseks oleks õhk (κ ≈ 1.0). Seetõttu kasutatakse materjalides õhuavasid, kuid sel lähenemisel on ka omad puudused näiteks mehaanilise vastupidavuse osas. Madal-κ materjale on võimalik rühmitada vastavalt nende keemilisele koostisele. Eristatakse ilma ränita ja ränipõhiseid materjale. Ränipõhiseid madal-κ materjale grupeeritakse veel omakorda ränidioksiidi- ja silseskvioksaani-põhisteks (ehk SSQ-põhisteks). Ränidioksiidil ja SSQ-l põhinevate materjalide κ väärtus võib olla vahemikus 3 .. 4, mida saab lisanduvalt vähendada täiendava poorsuse tekitamisega. Ränidioksiidi ühikrakk koosneb omavahel ühendatud Si ja O aatomitest ning on tetraeedrilise kristallstruktuuriga. Vähendamaks ränidioksiidi κ väärtust asendatakse mõned hapnikuaatomid fluori F, süsiniku C või metüülrühmaga CH3. CH3-rühmade lisamine toob lisaks vähem polaarsetele sidemetele ka suurema tühimike osakaalu. Neid nimetatakse ränioksükarbiidideks (SiOCH) ning need on olemuslikult poorsed. Ajalooliselt põhinesid esimesed madal-κ materjalid ränidioksiidil (F- või C-legeeritud SiO2). Seda põhjusel, et SiO2 oli integraalskeemide valmistamise ja töötlemise valdkonnas palju kasutatud ning uuritud. Silseskvioksaani (SSQ) ühikrakus on Si ja O aatomid paigutatud kuubikujuliselt. See loob tühimiku kuubi keskossa, vähendades materjali tihedust ja seetõttu ka selle κ väärtust. Kuubid on omavahel ühendatud hapnikuaatomitega ning mõned kuubinurgad lõppevad vesinikuga. Selliseid materjale nimetatakse lühidalt vesinik-SSQ (HSSQ). Metüülrühmade olemasolul materjalis võivad kuubid olla ühendatud CH2-rühma kaudu ning mõned kuubinurgad lõppevad metüülrühmaga CH3. Sellist materjali rühmitatakse nimetuse alla metüül-SSQ (MSSQ). SSQ kuubid on metastabiilsed ja kipuvad lagunema ränidioksiidi tetraeedriteks, seda eriti kõrgendatud temperatuuridel. Selle tulemusel SSQ-põhised materjalid on reaalsuses SSQ kuubikute ja ränidioksiid-tetraeedrite segu. Mitteränipõhiste materjalidena on kasutuses enamasti orgaanilised polümeerid. Nende peamine eelis on madal polariseeritavus, mille tulemuseks on nendes κ ≈ {\displaystyle \approx } 2 juba ilma lisanduva poorsuse tekitamiseta. Peamine puudus polümeeride halb ühilduvus olemasolevate pooljuhtide tehnoloogiaga (sh madal termiline ja mehaaniline vastupidavus). Leidub veel madal-κ materjale (nt amorfne süsinik või tseoliidid), kuid need pole pälvinud samaväärset tähelepanu. IC valmistamisel tekitatakse madal-κ materjalid 10-100 nm paksuse skaalas kiledena. Peamised kile valmistamismeetodid on vurrkatmine ja keemiline aurufaasist sadestamine (CVD). Vurrkatmisel saadud kiled võivad olla nii olemusliku kui lahutava poorsusega. Madal temperatuur võimaldab termiliselt lagunevaid komponente segusse tuua, mida saab eemaldada lõõmutamise teel. Lõõmutus kutsub esile ka keemilise ristsidestamise, tekitades jäiga kile struktuuri. Tavaliselt on CVD-ga valmistatud madal-κ kiled olemuslikult poorsed. Termiliselt lagundatava komponendi sissetoomine on võimalik, kuid see on keeruline, sest CVD protsess toimub tavaliselt kõrgendatud temperatuuril (~300 °C). Madal-κ materjalid peavad täitma teatud omadusi ning need tekitavad tõelise väljakutse nende kasutamisel integraalskeemide tootmisprotsessides. Võrreldes SiO2-ga on madal-κ materjalid üldiselt mehaaniliselt nõrgad, termiliselt ebastabiilsed, ühilduvad halvasti teiste materjalidega ning absorbeerivad soovimatuid keemilisi ühendeid. Viis üldist nõuet edukalt integreeritud madal-κ materjali jaoks on hüdrofoobsus, mehaaniline vastupidavus, termiline vastupidavus, keemiline ja füüsikaline stabiilsus töötlemistingimustes ja ühilduvus teiste materjalidega. Lisaks tuleks märkida ka tähtsa omadusena töökindlus kasutajate kätes. Madal-κ materjal peab olema hüdrofoobne. Veel on äärmiselt polaarsed O-H-sidemed ja vee κ väärtus on umbes 80. Isegi väike kogus materjalisse imendunud vett suurendab märkimisväärselt keskmist κ väärtust. Kuna vett on õhus rikkalikult (tüüpiline suhteline õhuniiskus on 40–60%), siis võimalikult suur hüdrofoobsus on väga oluline. Eriti kehtib see poorsete materjalide osas, kuna nende eripind on väga suur ja annab veele rohkem kohti pinnal, kust kaudu sisse imbuda. Hüdrofoobsus saavutatakse tavaliselt Si-H või Si-CH3 sidemete tekitamisega. Hapnikuvabad orgaanilised polümeerid on samuti enamasti hüdrofoobsed. Mehaanilise vastupidavuse probleem tekkis integraalskeemides vase elektrijuhina kasutuselevõtu tagajärjel. Kui kasutati veel alumiiniumi, siis kaeti aluspind alumiiniumiga, millele tehti mustrid kasutades fotolitograafiat ja plasmasöövitamist. Tarbetu alumiinium söövitati ära, jättes alles vaid juhtivad alumiiniumrajad. Eraldiseisvate radade vaheline tühimik täideti seejärel dielektrikukihiga (SiO2). Kahjuks ei moodusta Cu lenduvaid ühendeid reaktiivsete gaasidega ja seetõttu plasmasöövitamist ei saa kasutada. Seetõttu kaetakse aluspind dielektriliku kihiga ja tühimikud Cu radadele moodustatakse plasmasöövitamise teel. Seejärel täidetakse galvaanilise katmise teel tühimikud Cu-ga ja liigne Cu poleeritakse maha. Viimases protsessi etapis peab dielektrik taluma mehaanilisi pingeid Cu poleerimise ajal. Mehaanilised omadused halvenevad kiiresti üha suurema poorsusega. SiO2 elastsusmoodul langeb algselt 76 GPa-lt vaid mõnele GPa-le juba 50% poorsuse puhul. Alla 10 GPa elastsusmooduliga muutub integratsioon juba palju keerukamaks. Siin kohal tulebki teha kompromiss poorsuse osas, et tagada ka piisav mehaaniline vastupidavus. Madal-κ materjal peab vastu pidama temperatuuridele, mis võivad ulatuda 400–450 °C-ni. See on probleem mõnede orgaaniliste polümeeride jaoks, kuna need lagunevad juba madalamal temperatuuril. Seetõttu tekivad piirangud termilise töötluse parameetritele ja polümeeride valikule. SSQ-põhistes materjalides põhjustab kõrge temperatuur SSQ kuubikute üleminekut ränidioksiidi tetraeedriteks, suurendades materjali κ väärtust. Madal-κ materjal peab taluma töötlemisetappe, nagu söövitamine ja puhastamine. Näiteks radade sissesöövitamise ajal kasutatud hapniku plasma või puhastamine võib purustada Si-H, Si-C ja Si-CH3 sidemed ja asendada need Si-O-ga. Tekib kõrgema polaarsusega sidemeid, väheneb hüdrofoobsus ja seega suureneb κ väärtus. Poorsete materjalide jaoks on keemiline vastupidavus eriti suure mõjuga. Kolm suurimat murekohta madal-κ materjali ühilduvusel on soojuspaisumistegur, difusioon ja nakkuvus. Madal-κ materjal peab ühilduma Cu-ga soojuspaisumistegurilt. See on eriti probleemiks orgaaniliste polümeeride puhul, millel võib olla märkimisväärne soojuspaisumisteguri ebakõla võrreldes Cu-ga. Madal-κ kile peab ühilduma difusioonibarjääriga, mis on vajalik Cu dielektrikusse difundeerumise takistamiseks. Cu rikub kergesti isolaatori dielektrilised omadused, suurendades lekkevoolu ja vähendades läbilöögipinget. Cu difundeerumine tõuseb drastiliselt dielektriku poorsusega. Difusioonibarjäär peab peatama Cu difusioon nulltolerantsiga. See peab olema nanomeetri skaalas õhuke ja ei tohi sisaldada aukusid. Sellise tõkkega poorse materjali katmine ei ole triviaalne ülesanne. Tõke ise ei tohiks pooridesse tungida, mis on mõne sadestamistehnikaga tõenäoline. Tõkke valmistamine on lihtsaim madala poorsuse ja väikeste pooride puhul. Hea nakkuvus madal-κ materjali ja difusioonitõkke vahel on samuti üks nõue. Vastasel juhul võib tõke delamineeruda poleerimisel või mehaaniliste pingete tõttu tsüklilisel kuumenemisel-jahtumisel. Siin samuti on kõrgema poorsuse puhul nakkuvus suurem probleem. Madala-κ materjalide töökindlusega on seotud palju probleeme. Materjalid on rakendatud vooluahelatesse ning nende omadused peavad tüüpiliste kasutaja kätes piisavalt kaua aega vastu pidama. Pooljuhtide tehnoloogia teekaart on dokument, mille on loonud grupp pooljuhtide tööstuse eksperte. Teekaardiga püütakse ennustada arengut pooljuhtide tehnoloogias järgneva 15 aasta jooksul. Madal-κ dielektrikute teekaart loodi dokumendi alamosana. Järgnevate aastate jooksul oodatakse materjali difusioonibarjääri kihi paksuse vähendamist ning barjääri κ väärtuse vähendamist. Ennustatakse, et κ väärtuse vähendamine Cu radade vaheühendustes aeglustub, kuna tootmises tuleb ette probleeme piisava mehaanilise tugevuse ja nakkuvuse saavutamisel. Arvatakse, et õhuaukude tekitamine vaheühendustesse saab olema üks märkimisväärseimaid väljakutseid seni pooljuhtseadmete tootmisel. Dielektrik Kõrge-k-dielektrik Pooljuht Transistor Shamiryan, D & Abell, Thomas & Iacopi, Francesca & Maex, K. (2004). Low-K dielectric materials. Materials Today. 7. 34-39. 10.1016/S1369-7021(04)00053-7. Mihail P. Petkov (märts 2003). "Technology Readiness Overview: Low-k interlevel dielectrics technology" (PDF). Vaadatud 25.01.2020. B.D. Hatton, K. Landskron, W.J. Hunks, M.R. Bennett, D. Shukaris, D.D. Perovic, G.A. Ozin (2006). Materials chemistry for low-k materials. Mater. Today, 9, doi.org/10.1016/S1369-7021(06)71387-6 Semiconductor Industry Associations (2015). "International Technology Roadmap for Semiconductors 2.0" (PDF). Vaadatud 25.01.2020.