芯片制程中常见的介质材料有哪些？都有什么作用？

文章来源：Tom聊芯片智造 原文作者：芯片智造

在芯片制程中，介质层起到了非常重要的作用。它不仅在芯片中提供了必要的电气隔离，还在多层互连结构中实现了信号的高效传输。那么目前芯片制程中常见的介质材料有哪些？都有什么作用？怎么界定低k材料与高k材料？怎么制作出来的？

什么是介质层？

介质层通常指的是一种不导电的薄膜材料。用途有：

1.在芯片的不同部分之间提供电气隔离

2.沉积在芯片表面以保护其免受机械损伤和腐蚀。

3. 充当掩膜的作用等等

什么是介电常数？

介电常数，一般指相对介电常数，是材料对电场的响应或材料的电介质性质的一个量度，是一个材料在电场中的电荷存储能力的体现。相对介电常数越低，电荷存储能力越弱；相对介电常数越高，电荷储存能力越强。

因此相对介电常数较低的材料就是低k材料，其介电常数通常小于 4.0；相对介电常数较高的材料就是高k材料，其介电常数明显大于 4.0，有时甚至接近或超过 20。

介质层如何制作？

一般是运用PVD，CVD的方法，但是有些介质层可以用旋涂的方法来来制作。

介质层的种类有：氧化硅 (SiO2)，氮化硅 (SiNx)，氧化铝（Al2O3），低介电常数 (Low-k) 材料，高介电常数 (High-k) 材料等。

1.氧化硅 用途：作为电气隔离层，掩模层，以及在CMOS工艺中的栅氧化层等。

特点：良好的电气绝缘性，热稳定性和化学稳定性。

2.氮化硅 用途：通常用作扩散和离子注入的掩模材料，也用于电气隔离和表面保护。

特点：耐蚀性强，能阻挡扩散和注入过程中的杂质

3.氧化铝

氧化铝是另一种具有潜在用途的栅极绝缘体材料，特别是对于玻璃和柔性基板上的薄膜晶体管 (TFT)，具有相对较低的漏电流和良好的热/电稳定性。Al2O3还用于非易失性存储器应用，例如3D-NAND。

4.低介电常数 (Low-k) 材料

主要用于半导体制程中的互连介质层。低k材料可以有效地降低寄生电容，从而提高信号传输速度并减少功耗。 包括有机硅，氟化硅，聚酰亚胺等。 有机硅介电常数：2.65 氟化硅：2.5-3.5

聚酰亚胺：2.9

5.高介电常数（High-k）材料  

高介电常数（High-k）材料是主要用于金属栅氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的栅介质。传统的SiO2栅介质如果过于薄，导致门泄漏电流增加。高k材料可以在较厚的情况下提供与薄的SiO2相当的电场效应，从而减少门泄漏。

 

高k材料	介电常数
氧化铪HfO2	25
氧化钛TiO2	30-80
氧化锆ZrO2	25
五氧化二钽 Ta2O5	25-50
钛酸钡锶BST	100-800
钛酸锶STO	230+
钛酸铅PZT	400-1500

 

审核编辑：汤梓红