介電常數(shù)頻譜分類及原理

有兩種類型的介電譜，即共振型和弛豫型。介電常數(shù)的本質(zhì)在于構(gòu)成電介質(zhì)的微觀體系如偶極子、原子、分子和電子在外電場作用下產(chǎn)生位移。當外電場頻率等于這些微觀粒子的固有振動頻率時，就產(chǎn)生共振。價電子對電介質(zhì)極化的貢獻約在3×10¹⁴-10¹⁵Hz，晶體中的原子、分子和晶格振動對極化的貢獻在遠紅外波段10¹²-3×10¹³，低于原子振蕩頻率，出現(xiàn)新型的相互作用，恢復力像帶電粒子間直接作用一樣，是非彈性的。從一個態(tài)到另一個態(tài)有一個自發(fā)的動態(tài)過程，這種過程稱為弛豫 。

介電常數(shù)頻譜又稱介電譜。復介電常數(shù)隨電磁場頻率而變化的現(xiàn)象，一般分別做出實部ε′（ω）頻譜和虛部ε"（ω）頻譜。介電常數(shù)頻譜可以給出有關(guān)極化機制和晶格振動等重要信息 。

介電松弛(Dielectric relaxation又稱介電弛豫。電介質(zhì)在外電場作用(或移去)后，從瞬時建立的極化狀態(tài)達到新的極化平衡態(tài)的過程。電介質(zhì)極化趨于穩(wěn)態(tài)的時間稱為弛豫時間，弛豫時間與極化機制密切相關(guān)，是造成介質(zhì)材料存在介質(zhì)損耗的原因之一。

對干鐵電體而言，在顯示位移相變與有序一無序相變的體系中，動態(tài)介電常數(shù)對與時間有關(guān)的外電場的響應(yīng)為共振型，其特征色散頻率處于遠紅外區(qū)域。而對于弛豫性材料，其色散頻率處干微波或射頻范圍。介電譜對研究材料介電常數(shù)的頻率特性，及相變特性有重要意義 。

介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，原外加電場（真空中）與最終介質(zhì)中電場比值即為相對介電常數(shù)（relative permittivity 或 dielectric constant），又稱誘電率，與頻率相關(guān)。介電常數(shù)是相對介電常數(shù)與真空中絕對介電常數(shù)乘積。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場中，電場強度會在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。理想導體的相對介電常數(shù)為無窮大。

根據(jù)物質(zhì)的介電常數(shù)可以判別高分子材料的極性大小。通常，相對介電常數(shù)大于3.6的物質(zhì)為極性物質(zhì)；相對介電常數(shù)在2.8~3.6范圍內(nèi)的物質(zhì)為弱極性物質(zhì)；相對介電常數(shù)小于2.8為非極性物質(zhì)。

近十年來，半導體工業(yè)界對低介電常數(shù)材料的研究日益增多，材料的種類也五花八門。然而這些低介電常數(shù)材料能夠在集成電路生產(chǎn)工藝中應(yīng)用的速度卻遠沒有人們想象的那么快。其主要原因是許多低介電常數(shù)材料并不能滿足集成電路工藝應(yīng)用的要求。圖2是不同時期半導體工業(yè)界預計低介電常數(shù)材料在集成電路工藝中應(yīng)用的前景預測。

早在1997年，人們就認為在2003年，集成電路工藝中將使用的絕緣材料的介電常數(shù)（k值）將達到1.5。然而隨著時間的推移，這種樂觀的估計被不斷更新。到2003年，國際半導體技術(shù)規(guī)劃（ITRS 2003[7]）給出低介電常數(shù)材料在集成電路未來幾年的應(yīng)用，其介電常數(shù)范圍已經(jīng)變成2.7~3.1。

造成人們的預計與現(xiàn)實如此大差異的原因是，在集成電路工藝中，低介電常數(shù)材料必須滿足諸多條件，例如：足夠的機械強度（MECHANICAL strength）以支撐多層連線的架構(gòu)、高楊氏系數(shù)（Young's modulus）、高擊穿電壓（breakdown voltage＞4MV/cm）、低漏電（leakage current＜10^(-9) at 1MV/cm）、高熱穩(wěn)定性（thermal stability＞450oC）、良好的粘合強度（adhesion strength）、低吸水性（low moisture uptake）、低薄膜應(yīng)力（low film stress）、高平坦化能力（planarization）、低熱漲系數(shù)（coefficient of thermal expansion）以及與化學機械拋光工藝的兼容性（compatibility with CMP process）等等。能夠滿足上述特性的低介電常數(shù)材料并不容易獲得。例如，薄膜的介電常數(shù)與熱傳導系數(shù)往往就呈反比關(guān)系。因此，低介電常數(shù)材料本身的特性就直接影響到工藝集成的難易度。

在超大規(guī)模集成電路制造商中，TSMC、 Motorola、AMD以及NEC等許多公司為了開發(fā)90nm及其以下技術(shù)的研究，先后選用了應(yīng)用材料公司（Applied Materials）的 Black Diamond 作為低介電常數(shù)材料。該材料采用PE-CVD技術(shù)[8] ，與現(xiàn)有集成電路生產(chǎn)工藝完全融合，并且引入BLOk薄膜作為低介電常數(shù)材料與金屬間的隔離層，很好的解決了上述提及的諸多問題，是已經(jīng)用于集成電路商業(yè)化生產(chǎn)為數(shù)不多的低介電常數(shù)材料之一。