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Low-k將到達最大極限值
專家認為:未來的工作應該專注於改善半導體現有的製程和設計,並降低對新的「超low-k」材料的追尋和依賴。

【作者: 誠君】   2005年03月05日 星期六

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所謂low-k(低介電常數值)就是指介電常數(dielectric constant)比較小的材料,因為這種材料允許晶片內的金屬導線可以互相緊密地貼近,而且在晶片內,不會發生訊號洩漏和干擾的問題。電路傳輸的速率是和電阻(R)和電容(C)的乘積有關,RC乘積值愈小,則傳輸速率就愈快。因此,降低電阻和電容值就可以提高傳輸速率。電容值又與晶片內金屬線之間的絕緣介電質材料的介電常數k有關,k愈小,電容值就愈小。一般常用的金屬線之間的介電材料是二氧化矽(SiO2),它的介電常數約在3.9k至4.5k之間。但是當製程尺寸不斷地縮小,SiO2已經快到達它能支援的最大物理極限了。目前全球的科學家正努力尋找其它可替代的方案。


「半導體製造技術產業聯盟(Sematech)」最近在San Diego開會,與會的大多數技術專家認為:他們未來的工作應該專注於改善半導體現有的製程和設計,並降低對新的「超low-k」材料的追尋和依賴。因為若想要開發低於有效值2.5k的互連(interconnect)材料,則將會遇到技術和成本的瓶頸。就技術而言上,超low-k製程是有可能被實現的;但若想利用這種互連材料與所有的設計電路相連接,其所需要付出的經濟成本是非常高的。所以,由此製程所生產的晶片價格也一定是非常高的,而其最終的經濟效益自然很低了。


過去數年,半導體業界全心全力都在尋找k值非常非常低的材料,但是這種作法有它的缺點。因為在45奈米的節點(node)上,超low-k的介電材料是非常脆弱的,並且會承受很大的製程衝擊。當企圖結合它們時所引起的種種問題,正好抵銷了它們可能帶來的利益。


在技術層面上,最難克服的是如何提昇電晶體的效能;尤其是,當兩電晶體之間以極短的訊號線路相連接時。在這種情況下,即使k的有效值降低了,但是晶片的整體效能還是沒有提昇。以一個高速互連的積體電路為例,k的有效值每降低10%,此晶片的整體效能僅增加5%。這種微量的增加,幾乎會被市場忽略。


?目前國外業者正轉而追求互連製程的精緻化。例如:明顯的蝕刻、灰化和清潔(ash and clean),並積極改善電路設計的方法。設計者只會在受到電容或RC影響的層級或電路上,採用最先進和最昂貴的製程技術;其它部份則仍採用傳統的、比較可靠的製程技術和材料。


未來,具成本效益的互連製程可能會借重3D立體技術和異質性(heterogeneous)整合技術。這裡所謂的3D技術是指,將數顆晶片上下堆疊在一起,並藉由它們身上的通孔(via)互相連接。異質性整合是指,在一個整合型的晶片內部指定某個區域使用先進的製程技術,並且可以和其它使用傳統製程技術的區域互連。


這種技術典範的演變正在進行中。現在有人預言,3D技術將可以解決未來一、兩代製程技術的訊號延遲(delay)問題;但是,長期而言,還是得靠異質性整合技術才能徹底解決所有的問題。


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