利用者:加藤勝憲/Low-κ絶縁体
半導体製造において低κとは、二酸化ケイ素に対する比誘電率（κ、カッパ）が小さい材料のことである。低κ誘電体材料の実装は、マイクロエレクトロニクスデバイスの継続的な微細化を可能にするために使用されるいくつかの戦略の1つであり、俗にムーアの法則の拡張と呼ばれている。デジタル回路では、絶縁性誘電体が導電部分（ワイヤー相互接続とトランジスタ）を互いに分離している。部品が微細化され、トランジスタ同士が接近するにつれて、絶縁性誘電体が薄くなり、電荷の蓄積やクロストークがデバイスの性能に悪影響を及ぼすようになった。二酸化ケイ素を同じ厚さの低κ誘電体に置き換えることで、寄生容量が減少し、スイッチング速度の高速化（同期回路の場合）と熱放散の低減が可能になる。会話では、このような材料は「低κ」（low-kappa）ではなく「低k」（low-kay）と呼ばれることがある。
以下3点は 訳語に注意。
(wire interconnects and transistors)
(in case of synchronous circuits)
Low-κ materials
[編集]集積回路やCMOSデバイスでは、二酸化ケイ素は熱酸化によってSiの表面に容易に形成することができ、さらに化学気相成長法やその他のさまざまな薄膜製造法を用いて導体の表面に堆積させることができる。二酸化ケイ素層を安価に形成するために使用できる方法の幅が広いため、この材料は、他の低誘電率誘電体を比較する際のベースラインとして従来から使用されている。現在もシリコンチップに使用されている絶縁材料であるSiO2の比誘電率は3.9である。この数値は、SiO2の誘電率を真空の誘電率で割った比εSiO2/ε0であり、ε0=8.854×10-6 pF/μmである[1]。比誘電率の低い材料は数多くあるが、製造プロセスに適切に組み込むことができるものはほとんどない。開発努力は主に以下のクラスの材料に集中している：
Fluorine-doped silicon dioxide
[編集]SiO2にフッ素をドープしてフッ素化シリカガラスを製造すると、比誘電率が3.9から3.5に低下する[2]。フッ素ドープ酸化物材料は、180nmと130nmのテクノロジーノードに使用された[3]。
Organosilicate glass or OSG (Carbon-doped oxide or CDO)
[編集]SiO2に炭素をドープすることで、比誘電率を3.0、密度を1.4g/cm3、熱伝導率を0.39W/(m*K)まで下げることができる。半導体産業は、90nmテクノロジー・ノード以降、有機珪酸塩ガラス誘電体を使用してきた[4]。
Porous silicon dioxide
[編集]二酸化ケイ素誘電体に空隙や細孔を形成するには、さまざまな方法が採用される[3]。空隙の比誘電率はほぼ1であるため、多孔質材料の比誘電率はフィルムの空隙率を高めることで低下する。2.0より低い比誘電率も報告されている。多孔質二酸化ケイ素の実装に関連する統合の難しさには、機械的強度の低さ、エッチングや研磨工程との統合の難しさなどがある。
Porous organosilicate glass (carbon-doped oxide)
[編集]多孔性有機珪酸塩材料は通常、2段階の手順[4]で得られ、第1段階では、有機珪酸塩相とともに難溶性有機相（ポロゲンとして知られる）を共析させ、有機-無機ハイブリッド材料を得る。第2工程では、有機相を紫外線硬化または400℃までの温度でアニールすることにより分解し、有機ケイ酸塩低κ度材料に孔を残す。多孔性有機珪酸塩ガラスは、45nmプロセス技術ノードから採用されている[5]。
Spin-on organic polymeric dielectrics
[編集]高分子誘電体は一般に、化学気相成長法ではなく、フォトレジスト材料の成膜に伝統的に用いられているスピンオンアプローチによって成膜される。統合の難しさには、機械的強度の低さ、熱膨張係数（CTE）の不一致、熱安定性などがある。スピンオン型有機低κポリマーの例としては、ポリイミド、ポリノルボルネン、ベンゾシクロブテン、PTFEなどがある。
Polymeric dielectrics are generally deposited by a spin-on approach, which is traditionally used for the deposition of photoresist materials, rather than chemical vapor deposition. Integration difficulties include low mechanical strength, coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch and thermal stability. Some examples of spin-on organic low-κ polymers are polyimide, polynorbornenes, benzocyclobutene, and PTFE.
Spin-on silicon based polymeric dielectric
[編集]シリコン系高分子誘電体には、ハイドロジェンシルセスキオキサンとメチルシルセスキオキサンの2種類がある。
hydrogen silsesquioxane and methylsilsesquioxane.
Air gaps
[編集]究極の低κ材料は、比誘電率値～1.0の空気である。しかし、導電線間にエアギャップを配置すると集積回路の機械的安定性が損なわれるため、絶縁材料として空気のみで構成されるICの製造は現実的ではない。とはいえ、エアギャップを戦略的に配置することで、耐久性を損なうことなくチップの電気的性能を向上させることができる。例えば、インテルは14nm FinFET技術で2つのインターコネクトレベルにエアギャップを使用している[6]。
関連項目
[編集]脚注・参考文献
[編集]- ^ Sze, S. M. (2007). Physics of Semiconductor Devices. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-14323-9
- ^ Reynard, J (2002). “Integration of fluorine-doped silicon oxide in copper pilot line for 0.12-μm technology”. Microelectronic Engineering 60 (1–2): 113. doi:10.1016/S0167-9317(01)00586-X.
- ^ a b Hatton, Benjamin D.; Landskron, Kai; Hunks, William J.; Bennett, Mark R.; Shukaris, Donna; Perovic, Douglas D.; Ozin, Geoffrey A. (1 March 2006). “Materials chemistry for low-k materials” (英語). Materials Today 9 (3): 22–31. doi:10.1016/S1369-7021(06)71387-6. 引用エラー: 無効な
<ref>タグ; name "Ozin2006"が異なる内容で複数回定義されています - ^ a b Shamiryan, D.; Abell, T.; Iacopi, F.; Maex, K. (2004). “Low-k dielectric materials”. Materials Today 7: 34–39. doi:10.1016/S1369-7021(04)00053-7. 引用エラー: 無効な
<ref>タグ; name "Maex2004"が異なる内容で複数回定義されています - ^ Volksen, W.; Miller, R.D.; Dubois, G. (2010). “Low Dielectric Constant Materials”. Chemical Reviews 110 (1): 56–110. doi:10.1021/cr9002819. PMID 19961181.
- ^ James. “IEDM – Monday was FinFET Day”. Chipworks.com. 9 December 2018閲覧。
外部リンク
[編集][[Category:物質科学]] [[Category:半導体製造]]