Low-k-Dielektrikum

Als Low-k-Dielektrikum wird in der Halbleitertechnologie ein Material bezeichnet, das eine niedrigere Dielektrizitätszahl als SiO₂ aufweist, d. h. ε_r < 3,9. Angestrebt werden heutzutage sogenannte Ultra-low-k-Materialien, deren Dielektrizitätszahl kleiner als 2,4 ist.

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Die Bezeichnung „Low-k“ ist dem Englischen entlehnt, wo die Dielektrizitätszahl (relative Permittivität) ε_r häufig mit κ (kappa) bezeichnet wird (manchmal auch einfacher nur mit k).

Gründe für die Entwicklung von Low-k-Dielektrika

Um die Eigenschaften integrierter Schaltungen zu verbessern, beispielsweise den Stromverbrauch der hochintegrierten Schaltkreise zu verringern oder höhere Schaltgeschwindigkeiten zu erzielen, werden die Strukturen verkleinert. Durch die fortschreitende Miniaturisierung mikroelektronischer Bauteile stößt die Halbleiterindustrie zunehmend an die physikalischen Grenzen.

Bei heutigen CMOS-Schaltungen wird beispielsweise die Kanallänge der einzelnen Transistoren verringert. Mit abnehmender Kanallänge steigt allerdings der Einfluss der Drainspannung auf den gesamten Kanal. Um dem entgegenzuwirken, muss der Einfluss des Gates erhöht werden, dies geschieht durch die Verringerung der isolierenden Schicht zwischen Gate und leitenden Kanal (Gatedielektrikum), was wiederum zu Problemen führt. So verringert sich damit die Durchschlagsfestigkeit des Gatedielektrikums und Tunnelströme machen sich bemerkbar. Aus diesem Grund strebt man den Einsatz von sogenannten High-k-Dielektrika an.

Ein weiterer Effekt der Miniaturisierung ist die Abstandsverringerung der Metallisierungsschichten (Leitbahnschichten für die Verdrahtung der Bauelemente) auf dem Chip. Durch diese Verkleinerung der Isolatordicke zwischen zwei Leitbahnen steigt der Einfluss der parasitären Kapazitäten. Sie stören die Funktion des Schaltkreises und verringeren beispielsweise die maximale Schaltgeschwindigkeit.

Parasitäre Kapazitäten entstehen, beispielsweise wenn zwei Leitbahnen sich auf unterschiedlichen Ebenen kreuzen. Der Kreuzungsbereich gleicht dabei einem einfachen Plattenkondensator. Die Kapazität C eines Plattenkondensators berechnet sich nach:

Dabei ist d der Plattenabstand, A die Fläche der Kondensatorplatten, ε₀ die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums und die Materialkonstante ε_r die relative Permittivität der Isolationsschicht.

Es ist zu sehen, dass die Verringerung des Abstandes d die Kapazität C erhöht. Um dies auszugleichen, ist es notwendig, die Plattenfläche A oder die Dielektrizitätszahl ε_r zu verringern. Die Plattenfläche A wird meist nicht verringert, sie ergibt sich aus der Leitbahnbreite und kann bei gleichen Anforderungen (also der zu leitenden Stromdichte) nicht verringert werden. Es bleibt daher nur die Entwicklung neuer Isolierschichten.

Möglichkeiten zur Verringerung der Dielektrizitätszahl

Prinzipiell gibt es zwei Wege zur Verringerung der Dielektrizitätszahl:

• Senkung der Polarisierbarkeit (Dipolstärke) durch Verwendung von Substanzen mit wenig polaren Bindungen wie C-C, C-H, Si-F und Si-C
• Senkung der Materialdichte (Dipoldichte) durch Schaffung von freiem Volumen oder der Ausbildung lokal begrenzter Poren (mikroporöse Schichten)

Derzeit in der Halbleiterindustrie eingesetzte Low-k-Materialien sind unter anderem durch CVD- oder Spin-on-Verfahren abgeschiedene mikroporöse SiO- und SiOC-Schichten. Als Basismaterialien dienen siliziumorganische Verbindungen (Silikone), die unter anderem auch im Baustoff- und Beschichtungssektor in großem Umfang eingesetzt werden. Typische Low-k-Vorstufen sind Tetraethylorthosilikat (TEOS) – eine großtechnisch hergestellte Organosiliziumverbindung, die bei −77 °C schmilzt und bei 168,5 °C siedet – und die methylsubstituierten Silane, Tetramethylsilan und Trimethylsilan.

Mikroporöse Low-k-Schichten – Vorbild sind hier die seit den 1930er Jahren bekannten Silizium Aerogele – können beispielsweise durch Beimischen von Oxidationsmitteln und Emulgatoren zur Low-k-Vorstufe erzeugt werden.

Andere Low-k-Materialien sind beipsielsweise Kunststoffe, die aber nicht immer die für den Einsatz in der Halbleitertechnik erforderliche mechanische Festigkeit aufweisen.

Im gesamten Bereich der Low-k-Materialien wird derzeit intensiv geforscht und entwickelt. Das Spektrum der diskutierten Low-k-Materialien erweitert sich hierdurch schnell. Allerdings müssen die Materialien als dünne Schicht auch die derzeitigen industriellen Anforderungen hinsichtlich Leckstromdichte (< 10^-9 A/cm) und Durchbruchfeldstärke EBD (> 3 MV/cm) erfüllen.

Hersteller

Silan und funktionalisierte Silane werden insbesondere von den deutschen Firmen Degussa und Wacker-Chemie und von der amerikanischen Dow Corning Inc. im industriellen Maßstab hergestellt. Spezialsilane mit anspruchsvollen organischen Substituenten stellt zu Beispiel das amerikanische Unternehmen Silar her. Daneben können Silane über den Labor- und Chemikaliengroßhandel bezogen werden.