低介电常数绝缘介质的失效
迄今为止,低介电常数绝缘介质的绝缘材料经时击穿特性(TDDB)在全集成互连工艺中的表现机理仍然没有得到完美的解释。其中部分原因是受到复杂的后道金属集成工艺的影响。然而,在对超过60个工艺步骤进行分片实验并使用了100枚硅片对所得数据进一步的分析研究后,科学家们已经发现了一些有意思的东西：
● 低介电材料SiCOH的绝缘材料经时击穿特性(TDDB)对工艺集成的各个方面都非常敏感。
● 基于电化学模型,低介电材料SiCOH的击穿分为三个阶段。
● 场强,温度,湿度和氧化铜促使金属铜离化。
● 铜很可能沿着SiCOH与其顶部覆盖物的交界面发生迁移。
在特定的电场强度下,相对二氧化硅绝缘材料,低介电常数绝缘介质有更高的传导能力和更糟糕的绝缘材料经时击穿特性（TDDB）表现。SiCOH薄膜是为了在300毫米硅片上实现CMOS工艺65纳米技术节点而研发的技术。大马士革结构的金属铜基于钽/氮化钽阻挡层和一层薄的铜籽晶电镀而成。
在长度由1米到10米的不同曲折型的金属交叉梳状的测试结构上加晶圆级和模块级的恒定电压测试可靠性表现。绝缘材料的硬击穿出现在100倍应力引发漏电流（SILC）量级的水平上。绝缘材料经时击穿特性(TDDB)发生在100－175℃的情况下。
绝缘介质的漏电流和击穿现象都与作为衬垫层的金属钽工艺有着联系,尤其是和金属化学机械抛光后的在导线槽顶部的衬垫层的形貌息息相关。衬垫层的厚度以及质量直接影响着SiCOH的经时击穿特性(TDDB)的表现。
无论何种金属层间绝缘介质,如果在金属铜的化学机械抛光工艺和随后的金属表面淀积顶部覆盖层之间延误较长的时间就会对金属铜带来负面影响。金属铜暴露在环境中会形成一氧化铜CuO和一氧化二铜Cu2 O,在温差应力BTS的作用下,它们都会导致金属铜的离化。被离化的铜既可以沿着SiCOH的化学机械抛光表面向SiCOH内迁移,又能够利用电荷引力在表面聚集形成新的颗粒。
在温差应力失效（BTS）中,共存着两种竞争关系的绝缘介质失效机理：一种是本征低介电常数绝缘介质由于热化学反应导致分子键断裂引起的失效,其中热化学反应对温度的依赖性较低;第二种是由于非常依赖温度的金属铜渗透扩散形成桥连导致的失效。基于SiCOH的击穿场强（8MV/ cm）以及大量的经时击穿TDDB数据分析,我们发现,到了65纳米技术节点时,金属铜的扩散桥连失效模式将成为SiCOH材料主要的失效模式（如图所示）,并且这种失效模式较热化学失效更早发生监控应力引发漏电流的改变会发现存在三个明显的衰变阶段：1,在应力开始产生的初期,漏电流衰减;2,漏电流逐渐的增加;3,漏电流的突然的跳跃。第一阶段的表现与衬垫层工艺相关;第二阶段金属线间的绝缘能力开始降低并且伴随有漏电流增加的现象;最后,预示着绝缘体失效的硬击穿发生了。
当金属铜接触氧气和水汽的时候,它会被氧化。残存的水分加上外加电场以及温度的影响能够促使金属铜离化并且在绝缘介质中迁移：
CunO + H20 → Cu(OH)n Cun+ + OH- (1)
Cu → Cun+ + ne - (2)
当n等于1或者2时,铜离子遵循一个有限制的扩散过程穿透或者越过金属钽的衬垫层进入SiCOH绝缘介质层。漏电流增加的同时在绝缘介质表面产生更多的颗粒导致电场变形。当铜离子在SiCOH内的浓度达到一个关键阈值量级时,在电场内的短路现象产生的焦耳能会导致灾难性的失效的发生。
由于大部分经时击穿失效TDDB的分析数据表明失效发生在绝缘介质和顶部覆盖层的交接面上,因此SiCOH和顶部覆盖层的交接面是十分关键的。淀积顶部覆盖层工艺,淀积顶部覆盖层前的等离子体预处理工艺以及化学机械抛光（CMP）工艺,这些都会损伤SiCOH。因此控制金属铜的腐蚀以及表面湿度能够有效的
