Low-k-Dielektrikum

Mit Low-k-Dielektrikum wird in der Halbleitertechnik ein Material bezeichnet, das eine möglichst niedrige Dielektrizitätszahl aufweist. Es eignet sich insbesondere bei hochintegrierten Schaltkreisen als Isolator zwischen elektrischen Leitungen.

Um die Eigenschaften integrierter Schaltungen zu verbessern (z.B. geringerer Stromverbrauch, höhere Geschwindigkeit) werden die Strukturen verkleinert. Dadurch rücken z.B. Transistoren enger zusammen und entsprechend nimmt die Dicke der Isolationsschicht zwischen den Transistoren ab. Bei dünner werdenden Isolationsschichten treten zunehmend unerwünschte Parasitäre Kapazitäten auf und stören die Funktion des Schaltkreises. Z.B. verringert sich die maximale Schaltgeschwindigkeit. Man zieht i.a. Low-k-Dielektrika anderen Isolatoren vor, da bei Low-k-Materialien die isolierende Wirkung stärker und damit die Parasitären Kapazitäten zwischen Leitungen geringer sind.

Vergleiche die Kapazität $C$ eines Plattenkondensators: $C={\frac {\epsilon _{0}\epsilon _{r}A}{d}}$. Dabei ist $d$ der Plattenabstand, die Materialkonstante ${\epsilon }_{r}$ gibt die relative Permittivität der Isolationsschicht an. Im englischen Sprachraum wird ${\epsilon }_{r}$ gewöhnlich mit $k$ bezichnet.

Vielfach in der Halbleiterindustrie eingesetzte low-K Materialen sind u.a insbesondere mikroporöse SiO und SiOC-Schichten, die mittels Chemical Vapor Deposition (CVD) aus der Gasphase abgeschieden werden oder im Rahmen eines spin-on Verfahrens auf das Substrat aufgebracht werden. Basismaterialien dafür sind kostengünstig herzustellende organische Siliciumverbindungen, wie sie auch im im Baustoff- und Kunststoffsektor eingesetzt werden. Eine typische Vorstufe zur Herstellung von low-K materialien ist Tetraethoxysilan (TEOS) - eine im industriellen Maßstabe hergestellte, kostengünstige Organosiliciumverbindung, die bei -77°Cm schmilzt und bei 168,5°C siedet. Die porösen Schichteigenschaften werden u.a. zusätzlich durch Beimischen eines Oxidationsmittels in Gegenwart geeigneter Emulgatoren erzeugt. Vorbild sind hier die seit den 30iger Jahren bekannten Sillcium Airogele.

Andere low-K Materialien sind z.B. 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 fast täglich.