引言
随着半导体技术的发展，已经实现了超过九层的互连结构和小于 100 nm 的互连间距。然而，随着互连微缩化的推进，互连电阻和电容增加，导致信号传输速度降低、数据处理变慢以及功耗增加。因此，减少由互连引起的 RC 延迟已成为比提高器件性能更关键的问题 [1]。
为了降低互连电阻，低电阻率金属至关重要。目前，半导体行业在下层互连层 (M0) 中使用钨 (W)，因其具有高抗电迁移性和优异的热稳定性，而在上层互连层 (M1 及以上) 中使用铜 (Cu)，因其电阻低、导电性优异且具有成本效益 [2]。此外，低介电常数 (low-k) 电介质材料通过抑制偶极子和离子极化机制来降低互连电容，从而降低电介质内的电场 [3]。然而，传统的低介电常数材料在实现低于 2.5 的介电常数方面存在局限性，并且它们往往无法同时满足半导体制造所需的物理、化学和集成特性。
为了解决这些局限性，人们开发了使用造孔剂基工艺合成的多孔超低介电常数 (ULK) 薄膜 (图 1a) [4]。尽管它们具有益处，但多孔 ULK 电介质存在机械强度低的问题，这影响了 CMP 和等离子体工艺的耐久性，导致工艺可靠性面临挑战 [5]。此外，在互连制造过程中，金属前驱体可能通过内部孔隙渗入电介质，导致短路和漏电流增加。此外，电介质与互连层之间的界面应力会降低器件寿命，而缺陷位点的化学反应会损害工艺可靠性和良率 (图 1b) [6]。
为了克服这些问题，需要非多孔 ULK 电介质材料，基于有机硅氧烷的电介质材料作为有前景的替代品受到了关注 [7]。基于硅氧烷的材料容易形成多孔结构，减少内部电场的影响，同时其 Si
O 重复网络结构提供了电中性、低极性和优异的机械性能。此外，具有多个双键的单体可以形成交联结构，减少自由体积并诱导致密的聚合物基质，从而抑制漏电流并增强绝缘性能 [8]。
在基于硅氧烷的低介电常数电介质材料中，SiCOH (k = 2.8 ± 0.1) 已被广泛采用并经过长期广泛研究 [9]。然而，由于 SiCOH 通常通过 PECVD 沉积，它容易受到等离子体诱导损伤，例如 Si
C
键的损失和随后的亲水化。这些效应反过来会导致介电常数增加 (k 漂移) 和漏电升高，使可靠性成为核心关注点 [10]。除此之外，包括 HSQ 和 MSQ 在内的各种 k < 3 的倍半硅氧烷基候选材料已被提议作为替代低介电常数材料 [11]。
从聚合物薄膜的角度来看，当通过引发化学气相沉积 (iCVD) 合成时，聚 1,3,5-三乙烯基 -1,3,5-三甲基环硅氧烷 (pV3D3) 和聚 1,3,5,7-四乙烯基 -1,3,5,7-四甲基环四硅氧烷 (pV4D4) 等硅氧烷聚合物层已被报道为低介电常数候选材料 [12], [13]，这使得在低温条件下能够实现保形薄膜生长。例如，先前的工作已经证明，iCVD 生长的 pV4D4 经过热处理后，可以实现超低介电常数值 (k 2.15) [14]。
iCVD 工艺利用由化学引发剂引发的自由基聚合，允许液单体在无溶剂的情况下聚合，从而产生高纯度的薄膜。此外，原子级别的精确厚度控制能够实现均匀的薄膜形成，低温 (~100 °C) 和低压条件允许沉积热敏感材料 [15]。
由于单体在低温基底表面与自由基反应，iCVD 提供了优异的阶梯覆盖率。不同于可能会改变单体化学性质的 PECVD，
iCVD 通过使用高纯度液单体保留了原始分子功能，确保沉积的薄膜保持其预期性能 [16]。
然而，以往关于 iCVD 生长的 pV3D3 的工作很大程度上强调了涂层/封装和键合应用，而在采用 W 或 Cu 的 BEOL 互连环境中的系统性电气可靠性评估 (例如漏电和 TDDB) 仍然有限 (表 1)。在此背景下，在本研究中，通过 iCVD 合成的 pV3D3 薄膜作为 BEOL 集成的候选 ILD 材料进行了研究 (图 1c)。pV3D3 表现出 8 nA/cm2 @ 1 MV/cm 的低漏电流 [16] 和 5–8 MV/cm 的高介电击穿场强 [15]，确保了优异的电气性能。此外，pV3D3 可以在无需形成孔隙的情况下实现超低介电常数 (k = 2.2 ± 0.1) [17]，使其在互连应用中具有高度优势。
在本工作中，使用在下层互连 (如 M0) 中采用的钨作为顶部和底部电极，制备了 W/pV3D3/W 金属 - 绝缘体 - 金属 (MIM) 器件。与之前采用 Au 或 Al 电极的基于 pV3D3 的器件不同，本研究中钨的使用为评估 pV3D3 在下层 BEOL 互连环境中的性能提供了更相关的平台。该结构用于评估 pV3D3 在与 BEOL 相关的金属 / 电介质堆叠中的电气可靠性。
通过 RVST 和 CVST 测量，系统分析了 pV3D3 薄膜的场依赖传导机制、击穿行为、Weibull 失效统计和电场加速寿命预测。特别是，通过将 RVST 中确定的传导机制与 TDDB 寿命模型相关联，可以从物理角度分析 pV3D3 的击穿行为，而不仅仅是简单的寿命模型拟合。
因此，本研究通过在与 BEOL 相关的堆叠中系统评估 pV3D3 的击穿和 TDDB 可靠性，提出了 pV3D3 作为非多孔 ULK ILD 材料的适用性。预计这些结果将为开发下一代互连电介质材料以减少 RC 延迟做出贡献。
