技術干貨| 低介電常數材料的失效分析

低介電常數材料簡介

        低介電常數材料是指介電常數較小的材料，通過降低集成電路中使用的介電材料的介電常數，可以降低集成電路的漏電電流、降低導線之間的電容效應、降低集成電路發熱等等，更可以有效提升電子元器件的速度。

如何降低材料的介電常數？

        既然降低材料的介電常數有那多好處，那如何降低材料的介電常數呢？

        降低介電常數的方法有多種方法，其中一種方法是通過添加一些添加劑來改變材料的物理和化學性質，從而降低其介電常數。例如，添加一些氟化物或氧化物可以降低陶瓷的介電常數。

低介電常數材料應用存在的問題

        雖然低介電常數材料具有各種優點，但在實際應用中需要提前知悉使用低介電常數材料的相關風險。

        與二氧化硅相比，低介電常數材料有較低的密度和松軟的結構，使其更容易受到外部力量的破壞。此外，由于其熱傳導性能較差，不利于內部熱量的散發；同時，它的熱膨脹系數也與金屬不匹配，可能導致分層和裂紋的產生。另外，低介電常數材料與金屬層之間的機械強度存在差異，這也易導致分層和裂紋的出現。最后，Cu易擴散進入低介電常數材料的孔隙中，從而影響芯片的可靠性。

低介電常數材料的失效分析難點

        同樣基于低介電常數材料的材料特點，在對低介電常數材料進行失效原因分析的時候容易由于分析設備電子束直接造成對樣品的傷害，導致無法有效分析其失效原因。

        其中有效的解決方法包括：

        1.   涂層Pt可改善樣品導電性，減弱荷電效應；

        2.   降低SEM觀察電壓，減小高能電子束輻射損傷和荷電效應；

        3.   減小工作距離，可提高圖像分辨率，彌補電壓降低的不利影響；

        4.   減弱束流，弱化電子束的短時轟擊損傷；

        這些措施可以幫助保護樣品，同時提高圖像質量。

        根據我們的研究結果，我們可以得出以下結論：

        1.   低電壓電流對低介電常數材料造成的損傷相對較小。在實驗過程中，我們發現使用低電壓電流進行操作可以有效地減少low-k材料的損傷程度，在相關失效分析操作中需要盡可能減低電壓與電流；

        2.   表面dep層可以有效地保護低介電常數材料不受損壞。通過在low-k材料表面添加dep層，可以形成一個保護層，有效地隔離試驗本身對材料的影響；

        3.   經過Cu plating及Cu CMP工藝處理的樣品中，由于應力和熱膨脹系數不匹配等原因，多孔低介電常數材料會出現明顯的孔擴大現象，可以用于分辨低介電常數材料與普通的二氧化硅材料。