عازل كهربائي منخفض الكابا

الموسوعة الحرة

في صناعة أشباه الموصلات ، يُعرف العازل ذو ثابت العزل الكهربائي المنخفض (κ، كابا ) بأنه مادة ذات ثابت عزل كهربائي نسبي صغير مقارنةً بثاني أكسيد السيليكون . ويُعدّ استخدام مواد عازلة ذات ثابت عزل كهربائي منخفض أحد الاستراتيجيات العديدة المُستخدمة للسماح باستمرار تصغير حجم الأجهزة الإلكترونية الدقيقة، وهو ما يُشار إليه عادةً بتمديد قانون مور . في الدوائر الرقمية ، تفصل المواد العازلة الأجزاء الموصلة (الأسلاك والترانزستورات ) عن بعضها البعض. ومع تصغير حجم المكونات وتقارب الترانزستورات، أصبحت المواد العازلة أرقّ إلى درجةٍ تُؤثر فيها تراكمات الشحنات والتشويش سلبًا على أداء الجهاز. ويؤدي استبدال ثاني أكسيد السيليكون بمادة عازلة ذات ثابت عزل كهربائي منخفض بنفس السُمك إلى تقليل السعة الطفيلية ، مما يُتيح سرعات تبديل أسرع (في حالة الدوائر المتزامنة ) وتبديدًا أقل للحرارة. وفي المحادثات، قد يُشار إلى هذه المواد بـ "منخفض-k" (يُنطق "لو-كاي") بدلاً من "منخفض-κ" (لو-كابا).

مواد ذات ثابت عزل كهربائي منخفض

في الدوائر المتكاملة وأجهزة CMOS ، يُمكن تشكيل ثاني أكسيد السيليكون بسهولة على أسطح السيليكون من خلال الأكسدة الحرارية ، كما يُمكن ترسيبه على أسطح الموصلات باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار أو طرق تصنيع الأغشية الرقيقة الأخرى. ونظرًا لتعدد الطرق المُتاحة لتشكيل طبقات ثاني أكسيد السيليكون بتكلفة منخفضة، يُستخدم هذا المركب تقليديًا كمعيار أساسي لمقارنة المواد العازلة الأخرى ذات السماحية المنخفضة. تبلغ قيمة ثابت العزل النسبي لثاني أكسيد السيليكون، المادة العازلة التي لا تزال تُستخدم في رقائق السيليكون ، 3.9. هذا الرقم هو نسبة سماحية ثاني أكسيد السيليكون إلى سماحية الفراغ، ε<sub> SiO<sub> 2 </sub> /ε<sub> 0</sub> ، حيث ε <sub>0</sub> = 8.854 × 10<sup> -6 </sup> بيكوفاراد/ميكرومتر. [ 1 ] توجد العديد من المواد ذات ثوابت عزل نسبية أقل، ولكن قليل منها يُمكن دمجه بشكل مناسب في عملية التصنيع. وقد ركزت جهود التطوير بشكل أساسي على الفئات التالية من المواد:

ثاني أكسيد السيليكون المطعّم بالفلور

عن طريق تطعيم ثاني أكسيد السيليكون بالفلور لإنتاج زجاج السيليكا المفلور، ينخفض ​​ثابت العزل النسبي من 3.9 إلى 3.5. [ 2 ] وقد استُخدمت مواد الأكسيد المطعمة بالفلور في تقنيات 180 نانومتر و 130 نانومتر . [ 3 ]

زجاج السيليكات العضوية أو OSG (أكسيد مطعّم بالكربون أو CDO)

عن طريق تطعيم ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ ) بالكربون، يمكن خفض ثابت العزل النسبي إلى 3.0، والكثافة إلى 1.4 غ/سم³ ، والتوصيل الحراري إلى 0.39 واط/(م·ك). وقد استخدمت صناعة أشباه الموصلات مواد العزل الزجاجية العضوية السيليكاتية منذ تقنية 90 نانومتر. [ 4 ]

ثاني أكسيد السيليكون المسامي

يمكن استخدام طرق متنوعة لإنشاء فراغات أو مسامات في مادة عازلة من ثاني أكسيد السيليكون. [ 3 ] قد تصل قيمة ثابت العزل النسبي للفراغات إلى ما يقارب 1، وبالتالي يمكن تقليل ثابت العزل للمادة المسامية بزيادة مسامية الطبقة. وقد سُجلت قيم لثابت عزل نسبي أقل من 2.0. تشمل صعوبات التكامل المتعلقة بتطبيق ثاني أكسيد السيليكون المسامي انخفاض القوة الميكانيكية وصعوبة دمجه مع عمليات الحفر والتلميع.

زجاج سيليكات عضوي مسامي (أكسيد مطعّم بالكربون)

تُحضّر مواد السيليكات العضوية المسامية عادةً عبر إجراء من خطوتين [ 4 ] ، حيث تتضمن الخطوة الأولى الترسيب المشترك لمرحلة عضوية غير مستقرة (تُعرف باسم المُسَوِّر) مع مرحلة سيليكات عضوية، مما ينتج عنه مادة هجينة عضوية-غير عضوية . في الخطوة الثانية، تُحلَّل المرحلة العضوية بالمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية أو التلدين عند درجة حرارة تصل إلى 400  درجة مئوية، تاركةً وراءها مسامات في مواد السيليكات العضوية ذات ثابت العزل الكهربائي المنخفض. وقد استُخدمت زجاجيات السيليكات العضوية المسامية منذ تقنية 45 نانومتر. [ 5 ]

مواد عازلة عضوية بوليمرية قابلة للتشكيل بالدوران

تُرسب المواد العازلة البوليمرية عادةً بتقنية الترسيب الدوراني، وهي تقنية تُستخدم تقليديًا لترسيب مواد مقاومة الضوء ، بدلاً من الترسيب الكيميائي للبخار . تشمل صعوبات التكامل ضعف المتانة الميكانيكية، وعدم تطابق معامل التمدد الحراري ، والثبات الحراري. من أمثلة البوليمرات العضوية ذات معامل العزل الكهربائي المنخفض (κ) التي تُرسب بتقنية الترسيب الدوراني: البولي إيميد ، والبولي نوربورنين ، والبنزوسيكلوبوتين ، و PTFE .

عازل بوليمري قائم على السيليكون قابل للتشكيل بالدوران

يوجد نوعان من المواد العازلة البوليمرية القائمة على السيليكون، وهما سيلسيسكويوكسان الهيدروجين وميثيل سيلسيسكويوكسان.

فجوات هوائية

يُعدّ الهواء المادة المثالية ذات السماحية المنخفضة (κ)، حيث تبلغ قيمة سماحيته النسبية حوالي 1.0. مع ذلك، فإنّ وضع فجوات هوائية بين الأسلاك الموصلة يُضعف الاستقرار الميكانيكي للدائرة المتكاملة، مما يجعل من غير العملي بناء دائرة متكاملة تتكون بالكامل من الهواء كمادة عازلة. ومع ذلك، يُمكن للوضع الاستراتيجي للفجوات الهوائية تحسين الأداء الكهربائي للشريحة دون المساس بمتانتها بشكلٍ كبير. على سبيل المثال، تستخدم شركة إنتل فجوات هوائية لمستويين من التوصيلات البينية في تقنية FinFET الخاصة بها بدقة 14 نانومتر . [ 6 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ سزي، إس إم (2007). فيزياء أجهزة أشباه الموصلات . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-14323-9.
  2. ↑ رينارد، ج. (2002). "دمج أكسيد السيليكون المُطعّم بالفلور في خط تجريبي نحاسي لتقنية 0.12 ميكرومتر". هندسة الإلكترونيات الدقيقة . 60 ( 1-2 ): 113. doi : 10.1016/S0167-9317(01)00586-X .
  3. 1 2 هاتون، بنجامين د.؛ لاندسكرون، كاي؛ هنكس، ويليام ج.؛ بينيت، مارك ر.؛ شوكاريس، دونا؛ بيروفيتش، دوغلاس د.؛ أوزين، جيفري أ. (1 مارس 2006). "كيمياء المواد للمواد ذات ثابت العزل الكهربائي المنخفض" . مجلة المواد اليوم . 9 (3): 22-31 . doi : 10.1016/S1369-7021(06)71387-6 .
  4. 1 2 شاميريان، د.؛ أبيل، ت.؛ إياكوبي، ف.؛ ماكس، ك. (2004). "مواد عازلة منخفضة الثابت العازل" . مواد اليوم . 7 : 34-39 . doi : 10.1016/S1369-7021(04)00053-7 .
  5. ↑ فولكسن، دبليو؛ ميلر، آر دي؛ دوبوا، جي (2010). "مواد ذات ثابت عزل كهربائي منخفض". مراجعات كيميائية . 110 (1): 56-110 . doi : 10.1021/cr9002819 . PMID 19961181. S2CID 32675222 .  
  6. ↑ جيمس، ديك. "مؤتمر IEDM - كان يوم الاثنين يوم FinFET" . Chipworks.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 ديسمبر 2018 .
  • ناسا على تقنية Low-k
  • تطور تقنية التوصيل البيني للدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون