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為了降低含SiO2介電薄膜的介電常數(shù)k,增加多孔性是通常采用的方法。但是,對采用低介電常數(shù)SiOC和多孔薄膜的內(nèi)連線的可靠性進(jìn)行全面測試是一個(gè)相對很新的領(lǐng)域。除了介電材料的改變外,可靠性還受到金屬線間距不斷縮小的影響。目前,先進(jìn)器件的金屬線間隔已經(jīng)達(dá)到了100 nm的水平。
在最近一篇題為“多孔低介電常數(shù)硅基內(nèi)連線介電質(zhì)的漏電、擊穿和TDDB特性”的報(bào)告中,德州儀器公司（TI）的Ennis Ogawa和同事研究了硅基介電質(zhì)的多孔性對漏電、擊穿強(qiáng)度（Ebd）和經(jīng)時(shí)介電質(zhì)擊穿（Time dependent dielectric breakdown,TDDB）的影響。不出所料,他們的測試結(jié)果顯示低介電常數(shù)薄膜的可靠性確實(shí)會(huì)隨著多孔性的增加而變差。
更有意思的是,他們發(fā)現(xiàn)SiO2、SiOF、SiOC和多孔MSQ薄膜的失效動(dòng)力學(xué)行為卻很相似,并證明失效行為（包括電場加速系數(shù)和激活能等參數(shù)）與多孔性程度無關(guān)。該研究小組在三月召開的第41屆國際可靠性物理學(xué)年會(huì)（41st Annual International Reliability Physics Symposium）上報(bào)告了這一發(fā)現(xiàn)。
他們采用通過標(biāo)準(zhǔn)鑲嵌層工藝制作、相互交叉的梳狀蛇形測試結(jié)構(gòu)來測量漏電流、Ebd和TDDB特性。典型的蛇形測試結(jié)構(gòu)的長度和寬度分別約為0.32μm和0.18μm,金屬線間距約為0.17μm,梳狀結(jié)構(gòu)高度為1665μm。TDDB和激活能分別在105℃和105-120℃下測試。有效電容面積為1 × 10-3 cm2。所有測試均為晶圓水平（wafer level）,溫度通過熱卡盤（chuck）控制。
漏電流和擊穿電壓測試在25-250℃進(jìn)行。正極和負(fù)極電流分別監(jiān)測至少1小時(shí),以確認(rèn)是否會(huì)發(fā)生銅遷移。結(jié)果沒有觀察到任何銅遷移現(xiàn)象。測試過程中,在梳狀金屬上加正偏壓,而蛇形交叉結(jié)構(gòu)接地。當(dāng)漏電流迅速增大到2倍或2倍以上時(shí),認(rèn)為到達(dá)擊穿。電場強(qiáng)度由通過介電質(zhì)的壓降除以它的間距（170nm）來得到。TDDB分布則用Weibull統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析。
研究顯示,漏電流密度基本與低電場強(qiáng)度下漏電流密度相似,但是即使擊穿時(shí)的電流密度相對很�。s2 MV/cm）時(shí),MSQ薄膜擊穿也要比SiOF和SiOC薄膜早很多。TDDB結(jié)果和Weibull分布吻合得很好。數(shù)據(jù)顯示多孔性程度越高,薄膜越快失效。有意思的是,失效時(shí)間的比較結(jié)果卻顯示SiO2、PETEOS、SiOF、SiOC和p-MSQ的電場加速系數(shù)相當(dāng)類似,與厚的SiO2膜接近。TDDB激活能也很類似,說明它們具有共同的失效動(dòng)力學(xué)行為。TDDB結(jié)果表明硅基介電質(zhì)的多孔性對失效物理學(xué)行為影響甚微,甚至沒有影響,但是多孔性對擊穿強(qiáng)度和失效時(shí)間卻有重要影響。
最后,TI研究小組利用滲透理論（該理論以前用于模擬MOS電容的柵氧化層擊穿現(xiàn)象）提出了介電質(zhì)擊穿模型。該模型中,他們將多孔介電質(zhì)看作是銅導(dǎo)線之間的三維標(biāo)準(zhǔn)單元格陣列。在電場應(yīng)力作用下,這些標(biāo)準(zhǔn)單元格可能會(huì)通過鍵斷裂機(jī)理退化成缺陷單元格。假設(shè)缺陷單元格的電子波函數(shù)與相鄰缺陷單元格的波函數(shù)發(fā)生重疊,那么相鄰缺陷單元格之間就有可能導(dǎo)通電流。當(dāng)一整列缺陷單元格與電容的金屬電極相連時(shí),就發(fā)生了電擊穿現(xiàn)象。
該模型假設(shè)增加介電質(zhì)多孔性相當(dāng)于增加了缺陷單元格。Weibull分布函數(shù)關(guān)系顯示擊穿電壓和有效介電常數(shù)之間具有線性關(guān)系。為了檢驗(yàn)這一重要假設(shè),他們還與用Monte Carlo模擬方法得出的結(jié)果進(jìn)行了核實(shí)。該模型與觀察到的數(shù)據(jù)完全吻合,證明Ebd和TDDB的降低與低介電常數(shù)薄膜多孔性的增加具有直接相關(guān)性。（楊沁清審校）相關(guān)文章：
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