Low-K材料在芯片中的作用

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文介绍了芯片制造中的Low-K材料。

Low-K材料是介电常数显著低于传统二氧化硅（SiO₂，k=3.9–4.2）的绝缘材料，主要用于芯片制造中的层间电介质（ILD）。其核心目标是通过降低金属互连线间的寄生电容，解决RC延迟（电阻-电容延迟）和信号串扰问题，从而提升芯片性能和集成度。  

Low-K材料在芯片中的作用

1. 降低RC延迟

随着芯片制程微缩，金属互连线间距缩小，传统SiO₂的电容效应导致信号延迟和功耗增加。Low-K材料通过减少互连线间的寄生电容，使RC延迟降低并显著提升芯片速度。  

2. 抑制信号串扰

互连线间的耦合电容与k值成正比。Low-K材料通过降低k值，减少电容耦合效应，使相邻线路的串扰噪声降低，允许更密集的布线设计。  

3. 支持多层互连结构

现代芯片采用10层以上的金属互连，Low-K材料的高绝缘性和低热膨胀系数可避免层间应力开裂，保障结构稳定性。  

Low-K材料的分类与合成原料

Low-K材料根据成分可分为三大类，其合成工艺和原料差异显著：  

类型	典型材料	合成原料与工艺	k值范围
无机多孔材料	多孔氧化硅	溶胶-凝胶法，前驱体为TEOS	2–2.5
有机高分子材料	聚酰亚胺、含氟聚合物	旋涂法，前驱体为聚酰亚胺单体或PTFE	1.5–2.7
有机/无机复合材料	甲基倍半硅氧烷（MSQ）	CVD或旋涂，前驱体为硅氧烷衍生物	2.2–2.8

LOW-K材料工艺：

化学气相沉积（CVD）      

：用于沉积MSQ等材料，需使用含碳/氟前驱体（如SiCOH），通过PECVD提升薄膜致密度。    

旋涂法    

：适用于有机材料，需优化溶剂挥发速度以避免薄膜裂纹。

Low-K材料的制造工艺挑战

1. 机械强度与热稳定性

多孔材料易脆裂，需通过掺杂纳米颗粒如SiO₂纳米球提升硬度。例如，掺入10% SiO₂可使多孔Low-K薄膜的杨氏模量从3 GPa提升至8 GPa。  

2. 铜扩散阻挡

Low-K材料的孔隙可能被铜原子渗透，需集成超薄阻挡层（如2nm的TiN）以防止互联金属铜扩散导致漏电。  

3. CMP兼容性

材料疏松易导致抛光不均匀，需要使用压力抛光液（如含二氧化铈磨料）。