“IBM公司的氣隙增強(qiáng)型電介質(zhì)正應(yīng)用于該公司的32納米制程節(jié)點(diǎn)中，”WeSrch.com公司總監(jiān)David Lammers表示?！斑@意味著它也是2009-2010年間IBM所有研究合作伙伴的發(fā)展方向，包括AMD、Sony、東芝和飛思卡爾等，這些公司都已紛紛表示支持32納米制程的氣隙技術(shù)?！?

      IBM公司已經(jīng)將其位于紐約East Fishkill的先進(jìn)制造生產(chǎn)線改用氣隙技術(shù)，并已利用該技術(shù)制造出系統(tǒng)級性能可提高10%到15%的下一代Power6微處理器。隨著制程與技術(shù)的進(jìn)一步最佳化，IBM預(yù)期到2010年以前，系統(tǒng)級性能將可提高30%，或是在相同的性能等級與冷卻條件下，減少30%的熱量產(chǎn)生。

   ‘空氣間隙’(Air gap)的說法其實(shí)并不恰當(dāng)，因?yàn)樵谶@種技術(shù)中，互連層之間存在的是真空狀態(tài)而非空氣，用以減少源于先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)高功耗所產(chǎn)生的寄生電容?！畾庀丁峭ㄟ^增加一個(gè)無光罩制程步驟而形成的，該步驟使用了聚合物納米材料來蝕刻金屬互連層上緊密間隔聯(lián)機(jī)之間的電介質(zhì)，因而減少其寄生電容。

      IBM這種專有的聚合材料能夠在300mm晶圓上自行組裝數(shù)萬億個(gè)大小均勻的納米級細(xì)孔，接著通過在金屬互聯(lián)機(jī)之間蝕刻出真空隔離間隙來取代大部份的電介質(zhì)。

    “該技術(shù)的真正突破點(diǎn)在于利用了自我組裝納米材料，”負(fù)責(zé)airgap項(xiàng)目的首席科學(xué)家IBM院士Dan Edelstein提到?！拔覀円呀?jīng)發(fā)明并完善了一種能夠自我組裝為尺寸僅有20nm細(xì)孔的材料，這比采用微影技術(shù)所獲得的結(jié)構(gòu)更小5倍。利用這些細(xì)孔結(jié)構(gòu)，我們可在間隔非常非常緊密的互聯(lián)機(jī)之間形成真空間隙?！?

      1997年，Edelstein架構(gòu)出一種銅互連的方法，此后該技術(shù)成為一項(xiàng)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在，Edelstein預(yù)言，如欲持續(xù)競爭力，其它芯片制造商就必須采用IBM的真空隔離技術(shù)。

     “氣隙技術(shù)就像銅互連技術(shù)一樣成就了重大的突破，”IBM公司系統(tǒng)與技術(shù)事業(yè)部門的技術(shù)資深副總裁兼部門主管John Kelly評論道。“過去，所有人都采用銅互連技術(shù)，而現(xiàn)在，一旦明白其技術(shù)原理后，所有的公司都將轉(zhuǎn)向氣隙技術(shù)?！?

    “利用IBM稱為‘a(chǎn)ir gap’的細(xì)孔來減少電容并不是什么新鮮事兒，這個(gè)概念在十年前就已經(jīng)被提出來了，”英特爾公司組件研究總監(jiān)Mike Mayberry指出。

      他表示，“英特爾目前并未投入氣隙技術(shù)，因?yàn)槲覀冊M(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)與建模，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)關(guān)鍵性問題：這些細(xì)孔把機(jī)械應(yīng)力從一處轉(zhuǎn)移到另一處去，因而可能造成芯片失效；此外，在聯(lián)結(jié)上下互連層使其更為緊密時(shí)，可能因降低互連層而進(jìn)一步引發(fā)可靠性的問題?！?

       就Mayberry的觀點(diǎn)而言，“這些問題的存在使得氣隙技術(shù)的吸引力大打折扣。不過可能有更好的實(shí)現(xiàn)辦法，因此我們將持續(xù)關(guān)注并評估這種技術(shù)?！?
他表示，英特爾將繼續(xù)評估低k電介質(zhì)的其它選擇方案。

      “我們目前采用碳摻雜氧化硅的方式來加大晶格，這相當(dāng)于插入了大小為2納米的氣隙，我們稱之為氣孔(pore)。這種碳摻雜技術(shù)可使我們現(xiàn)有的低k介電常數(shù)降至3以下。我們現(xiàn)正評估幾種提高氣孔尺寸的方案，比如把氣孔建構(gòu)在電介質(zhì)分子中，來取代在晶格中制造缺陷以產(chǎn)生氣孔的摻雜方案，或者是采用介電常數(shù)低至2以下的鐵弗龍(Teflon)等聚合物?！?

      英特爾、東芝、Sony和許多其它公司都已在先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)采用氣隙技術(shù)，以進(jìn)行減少寄生電容的實(shí)驗(yàn)，但I(xiàn)BM公司宣稱其納米材料才是成功實(shí)現(xiàn)真空隔離互連層的關(guān)鍵。

     “關(guān)于氣隙技術(shù)實(shí)驗(yàn)的論文比比皆是，不同之處在于我們發(fā)明了一種可讓氣隙技術(shù)實(shí)現(xiàn)商用化的聚合物。此外，我們還將在現(xiàn)有的一款功能型微處理器上進(jìn)行驗(yàn)證，”Edelstein表示。

      “我們也已掌握了這種聚合物的合成過程，且有能力為我們的晶圓廠中大量供應(yīng)這種納米材料，使我們的晶圓廠中通過相同的工具和規(guī)則來使用它，就像是普通的光阻劑一樣。”

      這種聚合物能夠自我組裝布滿尺寸僅20納米細(xì)孔的多孔矩陣，通過這些細(xì)孔，互聯(lián)機(jī)之間的電介質(zhì)可被蝕刻掉，并以純真空取而代之。真空的介電常數(shù)最低──理論上，如果金屬線之間的所有電介質(zhì)都被完全去掉的話，該介電常數(shù)可低至1.0。然而，就目前的情況而言，只能盡量蝕刻出足夠的真空間隙，使介電常數(shù)降低至2.0。相形之下，目前最低的多孔低k電介質(zhì)常數(shù)為2.4。

    “過去40年來，我們都采用k值為4的玻璃作為互連絕緣體，”Kelly表示，“整個(gè)產(chǎn)業(yè)也在這40年間持續(xù)致力于使介電常數(shù)降低到3以下，而現(xiàn)在我們把它降低到了2，這項(xiàng)成就使得我們在性能上突飛猛進(jìn)，并取得進(jìn)一步延伸摩爾定律的途徑?！?

      Kelly聲稱，利用氣隙技術(shù)可望一步就實(shí)現(xiàn)了摩爾定律聯(lián)機(jī)性能提升約兩個(gè)世代。IBM表示，這一聚合物步驟可被直接投入任何CMOS晶圓廠的標(biāo)準(zhǔn)制程中，只需要用它的聚合納米材料取代普通的光阻劑，即可在金屬聯(lián)機(jī)之間形成介電常數(shù)為2.0的超低k值間隙。

     “這種聚合物的作用就像是用于蝕刻模板上的光阻劑犧牲層。我們只是用它來形成直徑約20nm細(xì)孔的原始圖案，再根據(jù)圖案蝕刻于現(xiàn)有的玻璃絕緣體上，” Edelstein說?！叭缓螅偌记尚缘匕堰@些細(xì)孔結(jié)合在一起，構(gòu)成互聯(lián)機(jī)之間的真空間隙。最后的步驟則是把下一層電介質(zhì)覆蓋在具有真空間隙的互連層上。”

      IBM公司選擇氣隙作為低k電介質(zhì)，不僅是因?yàn)樗邆涞牡蚹特性，也是因?yàn)闅庀都夹g(shù)不會在芯片制造中添加任何新的材料。例如，英特爾曾表示它利用介電常數(shù)為2.4的低k材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。而IBM則選擇不導(dǎo)入新材料，采用能在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制程設(shè)備中運(yùn)作的氣隙技術(shù)。

      Edelstein 解釋道，“我們按照一般步驟來進(jìn)行，并不改變建構(gòu)聯(lián)機(jī)層級，但在每個(gè)互連層之后增加一些制程步驟來形成間隙，目的是移除金屬互聯(lián)機(jī)之間的絕緣體，然后密封整個(gè)互連層以保持真空。”

      對于IBM公司而言，該技術(shù)存在的最大未知數(shù)是真空隔離互連層上的新增中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)將如何影響芯片可靠性。目前，IBM聲稱主要的局限性在于進(jìn)行真空隔離的互連層數(shù)目，無可避免地會影響到整個(gè)芯片的可靠性。

      氣隙技術(shù)制程是由IBM公司加州Almaden研究中心，以及紐約T.J. Watson研究中心共同開發(fā)的。此外，紐約州立大學(xué)阿爾巴尼分校納米科學(xué)與工程學(xué)院也與IBM位于East Fishkill的半導(dǎo)體研發(fā)中心合作進(jìn)行納米材料的研究。

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