芯片工艺中的「Black Diamond」：是Cu互连的秘密武器

在半导体制造领域，“Black Diamond”这个名字听起来神秘又高贵。但它并不是一颗宝石，而是一种关键的低介电常数（Low-k）绝缘材料——它的使命，是让芯片互连更快、更省电。为什么需要 Black Diamond？随着制程节点不断缩小，晶体管速度越来越快，但互连延迟（RC Delay）却成了性能瓶颈。R（电阻）取决于金属材料（例如铜 Cu），C（电容）取决于金属线之间的绝缘材料,要想让信号传输更快、功耗更低，就必须降低介电常数 k，减少金属线之间的电容。这正是「Black Diamond」登场的原因。二、Black Diamond 是什么？Black Diamond 是由 Applied Materials（应用材料公司） 推出的一种基于 SiOC（硅氧碳化合物） 的 低k介质材料，主要通过 PECVD（等离子体增强化学气相沉积） 工艺沉积在晶圆上。BD I：初代，k≈3.0。BD II：性能更低k，k≈2.6。BD3 / BD4：提升机械强度与Cu兼容性。在 Cu互连结构 中，Black Diamond 充当金属线之间的绝缘层：金属线（Cu）。它的主要任务是： 降低寄生电容。提高信号速度。减少串扰（Cross-talk）。同时，还要兼顾：CMP（化学机械抛光）的机械强度。湿法清洗耐受性，与SiCN、SiC等阻挡层的界面黏附性。工艺挑战：低k材料并非完美。Black Diamond 在实际工艺中面临不少挑战：1. 机械强度不足：多孔低k层在CMP或封装时容易受损。2. 吸湿问题：吸水后k值上升，电容变大。3. 热稳定性受限：高温可能破坏材料结构。4. 界面兼容性问题：与Cu阻挡层或Cap层结合力较弱。

因此，在Black Diamond上方通常会加上SiCN或SiC硬罩层，用以增强保护与密封。从90nm、65nm到28nm制程，Black Diamond 及其改进版几乎成为了标准配置。它是芯片世界里的“隐形英雄”——不闪耀，却支撑着信号在金属线间高速穿梭，让摩尔定律的脚步得以延续。