本文介紹了芯片里的介質及其性能。

介電常數k概述

在介質薄膜的沉積過程中，除了薄膜質量如均勻性、致密性、間隙填充及臺階覆蓋能力備受關注外，介質材料的介電常數k也成為了焦點，因其直接關聯到芯片的性能表現。下面將深入探討介電常數k的重要性，并逐一闡述低k、超低k及高k材料的發展與應用。

導電材料的介電常數，是衡量材料在電場作用下存儲電能效率的關鍵指標，它反映了材料作為電容隔離層的效能。在集成電路制造領域，介電常數通常以k值表示，其中空氣的k值最低，為1。不同制備工藝得到的絕緣薄膜，其k值會有輕微差異，例如熱生長二氧化硅的k值約為3.9，而等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）二氧化硅的k值則在4.1至4.3之間。

相較于二氧化硅，另一種常見絕緣介質氮化硅的介電常數較高。盡管氮化硅在阻擋可動離子污染及防止硼磷硅酸鹽玻璃（BPSG）中的硼、磷擴散至晶體管源、漏區方面表現出色，但由于其較高的介電常數（6.9至7.0），會增加RC延遲，從而降低芯片速度。因此，在實際應用中，常采用折中方案：先沉積一層較薄的氮化硅，主體介質材料仍以二氧化硅為主。

二氧化硅與氮化硅的性能對比參見下表。芯片性能的一個重要衡量標準是信號傳輸速度。隨著芯片微型化需求的增長，金屬互連的線寬不斷縮小，導致傳輸信號導線的電阻R增大。同時，導線間距的減小也引發了寄生電容C的增加，進而加劇了RC信號延遲，降低了芯片速度。RC信號延遲，亦稱互連延遲，已成為制約芯片性能的關鍵因素之一。

從本質上看，互連尺寸的減小帶來了寄生電阻和電容效應的增強，從而導致了信號延遲的增加。然而，這與晶體管的發展趨勢相悖。隨著柵長的縮短，晶體管的延遲減小，速度提升。因此，我們不能僅憑互連延遲的增加就反對線寬的減小。因為線寬的減小不僅意味著晶體管速度的提升，還使得芯片更加輕便，便于攜帶。

既然線寬的減小是必然趨勢，那么如何抵消RC信號延遲的增加呢？一方面，采用電阻率更低的銅替代傳統的鋁材料，以降低導線電阻R。另一方面，由于電容C與絕緣介質的k值成正比，因此尋找低k材料以降低寄生電容C成為了關鍵。低k絕緣介質的應用有助于減小芯片的總互連電容，降低RC信號延遲，從而提升芯片性能。

低k材料

降低絕緣介質的介電常數k值，能有效減少相鄰導線間的電耦合損耗。這是因為低k介質存儲電荷較少，且充電時間更短，從而提升了金屬導線的傳導效率。特別是在現代晶體管中，金屬線間距極小的納米器件中，低k（low-k）材料作為層間介質（ILD）顯得尤為關鍵。

傳統的二氧化硅絕緣體介電常數在3.9至4.3之間。而新型絕緣體則擁有更低的介電常數，它們通過減少互連電容并防止高性能邏輯電路中金屬線之間的串擾，顯著提升了芯片的運行速度。通常，我們將k值低于3.9的材料定義為低k材料。采用低k材料替代傳統的二氧化硅，已成為集成電路工藝發展的必然趨勢。

對低k材料的性能要求涵蓋多個方面：

①電學性能：要求具有低介電常數、低介電損耗、低漏電流以及高可靠性。

②機械性能：需具備低應力、良好的黏附性、低收縮性、優異的硬度以及抗開裂能力。

③ 工藝性能：應易于圖形制作，具備良好的間隙填充能力、低針孔密度、少顆粒污染以及易于平坦化。

④ 熱學性能：要求具有高導熱性、良好的熱穩定性以及低的熱擴散系數。

⑤ 化學性能：需具備低雜質含量、低濕氣吸收性、易于干法刻蝕、耐酸堿腐蝕、無侵蝕性以及可接受的存儲壽命。

⑥ 金屬化搭配性能：要求具有低的接觸電阻、低應力、低電子遷移率、表面光滑以及與金屬材料的良好兼容性。

在特大規模集成電路（ULSI）互連中，曾考慮的低k值ILD材料包括氟硅玻璃（FSG，k值為3.4至4.1）、納米多孔硅（k值為1.3至2.5）、氫硅倍半環氧乙烷（HSO，k值為2.9）、非晶氟化碳（a-C:F，k值為2.8）以及聚Z醚（PAE，k值為2.6至2.8）等。其中，FSG作為典型代表，被廣泛應用于深亞微米CMOS集成電路互連線間的介質隔離。

業界廣泛采用的黑金剛石（black diamond，SiCON）材料，其k值范圍在2.7至3.0之間，能夠滿足45nm節點的技術要求。八甲基環四硅氧烷（OMCTS）是沉積SiCON的前驅體，其分子式為CH3SiO，常溫下呈液態，沸點約為175℃。通過載氣He將OMCTS輸入反應腔中，在等離子體作用下發生化學反應，生成SiCON。該反應過程可簡要表示為：

超低k材料

隨著集成電路特征尺寸的持續縮減，為了更有效地降低金屬間的寄生電容C并減少RC延遲，超低k材料（ultralow-k, ULK）的研發成為了業界關注的熱點。然而，超低k材料的研發工作給化學家、物理學家、材料科學家以及集成電路工程師們帶來了前所未有的挑戰。因為當材料的k值降低時，其力學性能和熱穩定性往往會受到影響。在此背景下，多孔超低k介質成為了主流的研究方向。

多孔介質是一種內部含有空氣間隙的介質材料，其沉積方法主要包括旋涂技術和化學氣相沉積技術。通常，我們將介電常數小于或等于2.5的材料定義為超低k材料。目前，業界廣泛采用的多孔SiCOH超低k材料是通過等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）技術制備的，由硅、碳、氧、氫等元素組成的摻碳非晶玻璃材料。在特定的等離子體條件下，科研實驗室已成功制備出平均孔徑小于2.5納米、孔隙率高達30%、k值低至1.95的超低k納米多孔介質薄膜。

除了具有極低的介電常數外，SiCOH薄膜還展現出了卓越的電學性能，其漏電流極低且耐壓性能優異。此外，SiCOH薄膜在力學性能方面也表現出色，具有可接受的硬度和彈性模量，并具有良好的防開裂性能。更重要的是，SiCOH薄膜的熱膨脹系數較低，且與銅的熱膨脹系數相近，這有助于實現與銅的良好集成。

目前，產業界量產的SiCOH薄膜其k值大約在2.47左右。其制備工藝流程大致如下：首先，利用二甲基乙氧基硅烷（DEMS）和氧化環己烯（CHO）在等離子體作用下沉積一層有機硅玻璃薄膜；隨后，通過紫外光輻照處理，排除有機氣體；最后，在晶圓表面形成多孔的SiCOH介質薄膜。

高k材料

在探索特殊k值材料的征程中，另一個極具挑戰性的方向，便是研發高k材料，以此來取代MOS結構中的柵氧材料——二氧化硅 。

在集成電路技術持續演進的歷程中，工藝層面的每一次革新都蘊含著深刻的意義與挑戰。隨著時代的發展，對于集成電路性能的要求愈發嚴苛，為了實現更高的集成度，在有限的芯片空間內容納更多的晶體管，同時達成降低器件功耗以及提升整體性能的目標，一系列關鍵參數的調整成為必然趨勢。其中，集成電路的特征尺寸不斷按照一定比例縮小，工作電壓也隨之持續降低。在這一復雜的變革過程中，抑制短溝道效應成為了一項至關重要的任務。為了有效達成這一目標，除了逐步增加溝道摻雜濃度，降低源漏的結深之外，柵氧厚度的不斷降低也成為了關鍵舉措。這是因為柵氧厚度的減小，能夠在微觀層面上提高柵極電容，進而增強柵極對溝道的精準控制能力，就如同為電路的運行提供了更為精細的調控閥門。

當柵氧化硅層的厚度大于4nm時，它在集成電路的運行環境中堪稱理想的絕緣體。尤其是與多晶硅柵搭配使用時，二者相互協作，能夠保障電路的穩定運行，為早期集成電路的發展奠定了堅實的基礎。然而，隨著技術的不斷進步，當柵氧厚度持續降低，一旦小于3nm，情況便發生了顯著的變化。此時，在微觀世界中，量子隧穿效應開始在柵極與襯底間嶄露頭角。具體來說，襯底硅中的電子會以一種奇妙的量子形式，穿越原本被視為阻隔的柵氧，進入到柵極之中，這一過程直接導致了柵極漏電流的形成。更為棘手的是，這個漏電流會隨著柵氧厚度的減小呈現出指數級增長的態勢。經研究發現，柵氧每減小0.2nm，隧穿電流就會增大10倍。柵極漏電流的大幅增加，不僅會造成集成電路功耗的顯著上升，浪費寶貴的能源資源，還會引發器件發熱的問題，進而對器件的可靠性產生嚴重影響，如同在精密的電路系統中埋下了一顆不穩定的“炸彈”。

當晶體管內部的特征尺寸邁入0.18um節點時，柵的厚度已經小于3nm，這一關鍵參數的變化促使集成電路制造企業不得不尋求新的解決方案。在這一背景下，氮氧化硅（SiON）開始進入人們的視野，并逐漸被采用來代替純SiO?作為柵介質層。這種替代方法巧妙地利用了SiO?作為主要柵介質的基礎優勢，通過在SiO?膜中精確摻入適量的氮，使其轉變為結構更為致密的SiON，從而成功提高了柵介質的介電常數。從數據對比來看，傳統柵介質SiO?的k值為3.9，而純SiN的k值則可達到7。基于這一特性，通過精準地改變摻雜氮的比例，就能夠實現對SiON柵介質介電常數的有效調控。同時，該方法仍然將SiO?作為柵介質的主體，這使得它與前期的集成電路技術之間保持了良好的連續性和兼容性。在實際應用中，這種兼容性能夠有效降低技術升級的成本和風險，使得新工藝能夠較為順利地融入到已有的生產體系中。因此，在這一特定的技術發展階段，SiON受到了廣泛的歡迎和應用。其受歡迎的原因主要體現在以下幾個關鍵方面：首先，SiON具有較高的k值，這一特性使得在相同等效柵電容的情況下，允許有更厚的物理氧化層存在。更厚的物理氧化層能夠在一定程度上增強電路的穩定性和可靠性，為電路的正常運行提供更為堅實的保障；其次，SiON具備較高的電子絕緣特性，在相同厚度的情況下，它的柵極漏電流大大降低。這對于降低集成電路的功耗、提高能源利用效率具有重要意義；最后，SiON中氮原子的摻入還能有效地抑制PMOS中多晶硅柵極摻雜的硼離子在柵介質中的擴散。硼離子的擴散問題如果得不到有效控制，將會穿過介質層到達襯底，進而影響器件的閾值電壓，而SiON的這一特性成功地避免了這一潛在風險。

隨著技術的不斷推進，特征尺寸進一步縮小到90nm及以下，此時柵氧的厚度也減小到2nm左右。在這一更為精細的尺度下，柵極漏電流和硼離子擴散的問題變得愈發嚴重，如同技術發展道路上的兩座險峻高山，阻礙著集成電路性能的進一步提升。為了克服這些難題，就要求SiON中氮的含量不斷提高。而要實現這一目標，就需要采用更先進的等離子氮化工藝來沉積SiON材料。這種先進工藝不僅能夠提高柵氧中氮的含量，還能夠對氮的分布進行精確控制，使氮主要分布在柵介質的上表面，遠離SiO?和溝道界面。這樣的分布方式有助于改善SiO?和Si襯底的界面特性，就像在兩個關鍵部件之間搭建了一座穩固且高效的橋梁，保障了電子在其中的順暢傳輸。

當特征尺寸進入到45nm節點以后，柵的厚度已經小于2nm，此時由SiON和多晶硅柵組成的搭檔在應對極高的柵極漏電流、急劇增加的功耗以及柵介質層完整性和可靠性問題時，已經顯得力不從心。在這種技術困境下，2007年，Intel公司宣布在45nm節點采用全新的高k柵介質氧化鉿（HfO?）來替代傳統的SiO?，同時利用金屬柵代替多晶硅柵，這一創新性的工藝被稱為HKMG（High - k，Metal Gate）工藝。這一工藝的出現，如同在黑暗中點亮了一盞明燈，為集成電路技術的發展開辟了新的道路。

實際上，在高k材料領域，研究人員長期以來一直在進行深入的基礎研究。在這一漫長而艱辛的探索過程中，他們發現了眾多具有高k值的材料，如SiN、Al?O?、Ta?O?、TiO?、TaO、HfO?等。然而，這些材料在實際應用中總是存在各種各樣的局限性。它們往往只能滿足某一方面的特定要求，例如在介電常數、絕緣性能或者熱穩定性等方面表現出色，但在其他關鍵性能指標上卻存在不足。或者，這些材料在與其他工藝的兼容性方面存在嚴重問題，無法順利地融入到現有的集成電路制造體系中。正是由于這些原因，盡管這些材料在理論研究中展現出了一定的潛力，但在實際應用中卻面臨著重重困難。直到工藝發展到特定階段，傳統的以氧化硅為主的介質材料在面對日益嚴苛的技術要求時，已經無法滿足集成電路進一步發展的需求，人們才不得不將目光投向那些曾經被視為存在諸多問題的高k材料。

HfO?作為一種備受關注的高k材料，其介電常數可達25左右，這一數值相較于傳統的柵介質材料具有明顯的優勢。然而，它也并非完美無缺，其結晶溫度較低，低于600℃。這一特性在實際應用中帶來了一個嚴重的問題，即后續的高溫工藝會使其結晶化，一旦發生結晶化，柵極漏電流就會急劇增加，從而對集成電路的性能產生負面影響。幸運的是，研究人員通過不斷的實驗和探索，發現可以通過向HfO?中摻入Si、N的方法來提高其結晶溫度。經過這種摻雜處理后，HfO?的結晶溫度能夠提高到1000℃，這在很大程度上解決了其在高溫工藝中的穩定性問題。但令人遺憾的是，摻雜也帶來了另一個問題，即HfO?摻雜后得到的HfSiON介電常數會降低。雖然HfSiON的介電常數會隨著N含量的增加而增大，但即便在N含量達到最大值時，其介電常數也只能達到16，這與未摻雜的HfO?相比，存在一定的差距。

為了使HfO?和HfSiON能夠更好地與當前的硅工藝相兼容，研究人員通過改變工藝流程和改用金屬柵極等一系列創新舉措，成功地解決了這一難題。目前，HfO?和HfSiON已經憑借其出色的性能，成為了最合適的柵極高k介質材料。它們之所以能夠脫穎而出，主要基于以下兩點關鍵優勢：其一，HfO?和HfSiON具有很高的電子絕緣特性，這一特性使得它們能夠有效地阻止電子的泄漏，保障了集成電路的正常運行；其二，HfO?和HfSiON的k值范圍是15 - 25，比SiON的k值4 - 7要大得多。在相同等效氧化層厚度下，HfO?和HfSiON的厚度可以是SiON的3 - 6倍多。這一顯著的差異將顯著減小量子隧穿效應，從而有效改善柵極漏電流及其引起的功耗問題，為集成電路的高性能運行提供了有力的支持。

在金屬柵極（metal gate）制備時，根據不同的MOS類型，可以采用不同的金屬材料。對于NMOS而言，其金屬柵極材料可選用Ta - AlN，這種材料能夠在NMOS的工作環境中發揮出良好的性能；而對于PMOS，其金屬柵極材料則可選用TaN，TaN在PMOS中能夠有效地實現其功能，滿足電路對PMOS的性能要求。

高k介電材料的應用領域并不僅限于取代超薄柵氧化硅，它在半導體存儲器領域也有著重要的應用價值。以動態隨機存儲器（DRAM）為例，高k介電材料作為其中電容的介質材料，承擔著存儲信息的關鍵任務。對于DRAM器件而言，要確保存儲信息的電荷在刷新時能夠正常恢復，就必須要有一定的電容容量作為保障。為了提高DRAM的容量，不斷減小器件的特征尺寸成為了必然選擇。然而，特征尺寸的減小意味著電容面積也會隨之減小。在電介質厚度不變的情況下，根據電容公式，為了保持同樣的電容大小，就必須提高介質的介電常數，以此來抵消面積減小帶來的影響。例如，可以采用基于二氧化鋯的高k材料，其介電常數在26左右，具有較高的性能優勢。在制備這種材料時，可采用原子層沉積（atomic layer deposition，ALD）方法。ALD也被稱為原子層化學氣相沉積（ALCVD）。原子層沉積是一種將物質以單原子膜形式一層一層地鍍在襯底表面的獨特工藝。它與普通CVD雖然有相似之處，但在ALD中，新一層原子膜的化學反應是直接與之前一層相關聯的。這種獨特的工藝特點使得每次反應只沉積一層原子，從而能夠實現對材料生長的精確控制，為制備高質量的高k介電材料提供了有力的技術支持。