低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)的失效
迄今為止,低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)的絕緣材料經(jīng)時(shí)擊穿特性(TDDB)在全集成互連工藝中的表現(xiàn)機(jī)理仍然沒有得到完美的解釋。其中部分原因是受到復(fù)雜的后道金屬集成工藝的影響。然而,在對超過60個(gè)工藝步驟進(jìn)行分片實(shí)驗(yàn)并使用了100枚硅片對所得數(shù)據(jù)進(jìn)一步的分析研究后,科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些有意思的東西：
● 低介電材料SiCOH的絕緣材料經(jīng)時(shí)擊穿特性(TDDB)對工藝集成的各個(gè)方面都非常敏感。
● 基于電化學(xué)模型,低介電材料SiCOH的擊穿分為三個(gè)階段。
● 場強(qiáng),溫度,濕度和氧化銅促使金屬銅離化。
● 銅很可能沿著SiCOH與其頂部覆蓋物的交界面發(fā)生遷移。
在特定的電場強(qiáng)度下,相對二氧化硅絕緣材料,低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)有更高的傳導(dǎo)能力和更糟糕的絕緣材料經(jīng)時(shí)擊穿特性（TDDB）表現(xiàn)。SiCOH薄膜是為了在300毫米硅片上實(shí)現(xiàn)CMOS工藝65納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)而研發(fā)的技術(shù)。大馬士革結(jié)構(gòu)的金屬銅基于鉭/氮化鉭阻擋層和一層薄的銅籽晶電鍍而成。
在長度由1米到10米的不同曲折型的金屬交叉梳狀的測試結(jié)構(gòu)上加晶圓級和模塊級的恒定電壓測試可靠性表現(xiàn)。絕緣材料的硬擊穿出現(xiàn)在100倍應(yīng)力引發(fā)漏電流（SILC）量級的水平上。絕緣材料經(jīng)時(shí)擊穿特性(TDDB)發(fā)生在100－175℃的情況下。
絕緣介質(zhì)的漏電流和擊穿現(xiàn)象都與作為襯墊層的金屬鉭工藝有著聯(lián)系,尤其是和金屬化學(xué)機(jī)械拋光后的在導(dǎo)線槽頂部的襯墊層的形貌息息相關(guān)。襯墊層的厚度以及質(zhì)量直接影響著SiCOH的經(jīng)時(shí)擊穿特性(TDDB)的表現(xiàn)。
無論何種金屬層間絕緣介質(zhì),如果在金屬銅的化學(xué)機(jī)械拋光工藝和隨后的金屬表面淀積頂部覆蓋層之間延誤較長的時(shí)間就會(huì)對金屬銅帶來負(fù)面影響。金屬銅暴露在環(huán)境中會(huì)形成一氧化銅CuO和一氧化二銅Cu2 O,在溫差應(yīng)力BTS的作用下,它們都會(huì)導(dǎo)致金屬銅的離化。被離化的銅既可以沿著SiCOH的化學(xué)機(jī)械拋光表面向SiCOH內(nèi)遷移,又能夠利用電荷引力在表面聚集形成新的顆粒。
在溫差應(yīng)力失效（BTS）中,共存著兩種競爭關(guān)系的絕緣介質(zhì)失效機(jī)理：一種是本征低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)由于熱化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致分子鍵斷裂引起的失效,其中熱化學(xué)反應(yīng)對溫度的依賴性較低;第二種是由于非常依賴溫度的金屬銅滲透擴(kuò)散形成橋連導(dǎo)致的失效�；赟iCOH的擊穿場強(qiáng)（8MV/ cm）以及大量的經(jīng)時(shí)擊穿TDDB數(shù)據(jù)分析,我們發(fā)現(xiàn),到了65納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí),金屬銅的擴(kuò)散橋連失效模式將成為SiCOH材料主要的失效模式（如圖所示）,并且這種失效模式較熱化學(xué)失效更早發(fā)生監(jiān)控應(yīng)力引發(fā)漏電流的改變會(huì)發(fā)現(xiàn)存在三個(gè)明顯的衰變階段：1,在應(yīng)力開始產(chǎn)生的初期,漏電流衰減;2,漏電流逐漸的增加;3,漏電流的突然的跳躍。第一階段的表現(xiàn)與襯墊層工藝相關(guān);第二階段金屬線間的絕緣能力開始降低并且伴隨有漏電流增加的現(xiàn)象;最后,預(yù)示著絕緣體失效的硬擊穿發(fā)生了。
當(dāng)金屬銅接觸氧氣和水汽的時(shí)候,它會(huì)被氧化。殘存的水分加上外加電場以及溫度的影響能夠促使金屬銅離化并且在絕緣介質(zhì)中遷移：
CunO + H20 → Cu(OH)n Cun+ + OH- (1)
Cu → Cun+ + ne - (2)
當(dāng)n等于1或者2時(shí),銅離子遵循一個(gè)有限制的擴(kuò)散過程穿透或者越過金屬鉭的襯墊層進(jìn)入SiCOH絕緣介質(zhì)層。漏電流增加的同時(shí)在絕緣介質(zhì)表面產(chǎn)生更多的顆粒導(dǎo)致電場變形。當(dāng)銅離子在SiCOH內(nèi)的濃度達(dá)到一個(gè)關(guān)鍵閾值量級時(shí),在電場內(nèi)的短路現(xiàn)象產(chǎn)生的焦耳能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的失效的發(fā)生。
由于大部分經(jīng)時(shí)擊穿失效TDDB的分析數(shù)據(jù)表明失效發(fā)生在絕緣介質(zhì)和頂部覆蓋層的交接面上,因此SiCOH和頂部覆蓋層的交接面是十分關(guān)鍵的。淀積頂部覆蓋層工藝,淀積頂部覆蓋層前的等離子體預(yù)處理工藝以及化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝,這些都會(huì)損傷SiCOH。因此控制金屬銅的腐蝕以及表面濕度能夠有效的
