针对32纳米节点及更先进的半导体制程节点发展蓝图中，都必须采用超低k电介质来降低相邻金属线之间的寄生电容，特别是在互连层上。IBM公司最近开发出一种所谓的气隙(air gap)技术，可在32纳米芯片的金属线之间制造完全的真空状态，以减少互连层36%的寄生电容。该公司宣布即将使该超低电介质技术投入商用化。
“IBM公司的气隙增强型电介质正应用于该公司的32纳米制程节点中，”WeSrch.com公司总监David Lammers表示。“这意味着它也是2009-2010年间IBM所有研究合作伙伴的发展方向，包括AMD、Sony、东芝和飞思卡尔等，这些公司都已纷纷表示支持32纳米制程的气隙技术。”
IBM公司已经将其位于纽约East Fishkill的先进制造生产线改用气隙技术，并已利用该技术制造出系统级性能可提高10%到15%的下一代Power6微处理器。随着制程与技术的进一步最佳化，IBM预期到2010年以前，系统级性能将可提高30%，或是在相同的性能等级与冷却条件下，减少30%的热量产生。
‘空气间隙’(Air gap)的说法其实并不恰当，因为在这种技术中，互连层之间存在的是真空状态而非空气，用以减少源于先进制程节点高功耗所产生的寄生电容。‘气隙’是通过增加一个无光罩制程步骤而形成的，该步骤使用了聚合物纳米材料来蚀刻金属互连层上紧密间隔联机之间的电介质，因而减少其寄生电容。
IBM这种专有的聚合材料能够在300mm晶圆上自行组装数万亿个大小均匀的纳米级细孔，接着通过在金属互联机之间蚀刻出真空隔离间隙来取代大部份的电介质。
“该技术的真正突破点在于利用了自我组装纳米材料，”负责airgap项目的首席科学家IBM院士Dan Edelstein提到。“我们已经发明并完善了一种能够自我组装为尺寸仅有20nm细孔的材料，这比采用微影技术所获得的结构更小5倍。利用这些细孔结构，我们可在间隔非常非常紧密的互联机之间形成真空间隙。”
1997年，Edelstein架构出一种铜互连的方法，此后该技术成为一项业界标准。现在，Edelstein预言，如欲持续竞争力，其它芯片制造商就必须采用IBM的真空隔离技术。
“气隙技术就像铜互连技术一样成就了重大的突破，”IBM公司系统与技术事业部门的技术资深副总裁兼部门主管John Kelly评论道。“过去，所有人都采用铜互连技术，而现在，一旦明白其技术原理后，所有的公司都将转向气隙技术。”
“利用IBM称为‘air gap’的细孔来减少电容并不是什么新鲜事儿，这个概念在十年前就已经被提出来了，”英特尔公司组件研究总监Mike Mayberry指出。
他表示，“英特尔目前并未投入气隙技术，因为我们曾进行一些实验与建模，发现了两个关键性问题：这些细孔把机械应力从一处转移到另一处去，因而可能造成芯片失效；此外，在联结上下互连层使其更为紧密时，可能因降低互连层而进一步引发可靠性的问题。”
就Mayberry的观点而言，“这些问题的存在使得气隙技术的吸引力大打折扣。不过可能有更好的实现办法，因此我们将持续关注并评估这种技术。”
他表示，英特尔将继续评估低k电介质的其它选择方案。
“我们目前采用碳掺杂氧化硅的方式来加大晶格，这相当于插入了大小为2纳米的气隙，我们称之为气孔(pore)。这种碳掺杂技术可使我们现有的低k介电常数降至3以下。我们现正评估几种提高气孔尺寸的方案，比如把气孔建构在电介质分子中，来取代在晶格中制造缺陷以产生气孔的掺杂方案，或者是采用介电常数低至2以下的铁弗龙(Teflon)等聚合物。”
英特尔、东芝、Sony和许多其它公司都已在先进制程节点采用气隙技术，以进行减少寄生电容的实验，但IBM公司宣称其纳米材料才是成功实现真空隔离互连层的关键。
“关于气隙技术实验的论文比比皆是，不同之处在于我们发明了一种可让气隙技术实现商用化的聚合物。此外，我们还将在现有的一款功能型微处理器上进行验证，”Edelstein表示。
“我们也已掌握了这种聚合物的合成过程，且有能力为我们的晶圆厂中大量供应这种纳米材料，使我们的晶圆厂中通过相同的工具和规则来使用它，就像是普通的光阻剂一样。”
这种聚合物能够自我组装布满尺寸仅20纳米细孔的多孔矩阵，通过这些细孔，互联机之间的电介质可被蚀刻掉，并以纯真空取而代之。真空的介电常数最低──理论上，如果金属线之间的所有电介质都被完全去掉的话，该介电常数可低至1.0。然而，就目前的情况而言，只能尽量蚀刻出足够的真空间隙，使介电常数降低至2.0。相形之下，目前最低的多孔低k电介质常数为2.4。
“过去40年来，我们都采用k值为4的玻璃作为互连绝缘体，”Kelly表示，“整个产业也在这40年间持续致力于使介电常数降低到3以下，而现在我们把它降低到了2，这项成就使得我们在性能上突飞猛进，并取得进一步延伸摩尔定律的途径。”
Kelly声称，利用气隙技术可望一步就实现了摩尔定律联机性能提升约两个世代。IBM表示，这一聚合物步骤可被直接投入任何CMOS晶圆厂的标准制程中，只需要用它的聚合纳米材料取代普通的光阻剂，即可在金属联机之间形成介电常数为2.0的超低k值间隙。
“这种聚合物的作用就像是用于蚀刻模板上的光阻剂牺牲层。我们只是用它来形成直径约20nm细孔的原始图案，再根据图案蚀刻于现有的玻璃绝缘体上，” Edelstein说。“然后，再技巧性地把这些细孔结合在一起，构成互联机之间的真空间隙。最后的步骤则是把下一层电介质覆盖在具有真空间隙的互连层上。”
IBM公司选择气隙作为低k电介质，不仅是因为它所具备的低k特性，也是因为气隙技术不会在芯片制造中添加任何新的材料。例如，英特尔曾表示它利用介电常数为2.4的低k材料进行实验。而IBM则选择不导入新材料，采用能在标准半导体制程设备中运作的气隙技术。
Edelstein 解释道，“我们按照一般步骤来进行，并不改变建构联机层级，但在每个互连层之后增加一些制程步骤来形成间隙，目的是移除金属互联机之间的绝缘体，然后密封整个互连层以保持真空。”
对于IBM公司而言，该技术存在的最大未知数是真空隔离互连层上的新增中空内部结构将如何影响芯片可靠性。目前，IBM声称主要的局限性在于进行真空隔离的互连层数目，无可避免地会影响到整个芯片的可靠性。
气隙技术制程是由IBM公司加州Almaden研究中心，以及纽约T.J. Watson研究中心共同开发的。此外，纽约州立大学阿尔巴尼分校纳米科学与工程学院也与IBM位于East Fishkill的半导体研发中心合作进行纳米材料的研究。
