超大規模集成電路多孔電介質介電常數與分形維數

唐燕妮

(長沙醫學院基礎醫學院,410219)

超大規模集成電路多孔電介質介電常數與分形維數

唐燕妮

(長沙醫學院基礎醫學院,410219)

技術的發展要求超大規模集成電路的特征尺寸進一步降低以提高元件密度，這就需要低介電常數（k）的多孔電介質的應用。而多孔介質的輸運物理性質通常與其微結構有密切關系。本文在綜述多孔電介質利用分形模型分析方法的基礎上，利用分形幾何理論，進一步把多孔電介質介電常數（k)與反映孔微結構的分形維數聯系起來，更好地適應于實際中不均一不規則的多孔電介質介電常數的分析計算。

超大規模集成電路（ultra large scaled integration, ULSI）;多孔電介質（porous dielectrics）;分形維數（fractal dimension）;介電常數（dielectric constant）

0　引言

隨著計算機技術的發展，超大規模集成電路需要進一步降低集成電路的尺寸，增加電路元件的密度，并突破當集成電路的特征尺寸達到0.25微米的尺寸時，器件內部金屬連接線電阻和絕緣介質層電容形成的串擾、功耗以及延時等阻礙，具有較低介電常數的新材料則常常用來代替傳統的二氧化硅材料。而在超大規模集成電路中，引入空氣孔隙的多孔介質是降低介電常數最有效的辦法。為了降低總介電常數，常常在材料中加入空隙，這種多孔電介質的介電常數常常基于理想球體孔進行模擬研究，這與真實的多孔介質材料是不一致的，因此具有局限性。為了能夠更好地模擬和研究真實的多孔電介質材料，分形模型已被廣泛應用，本文則在多孔電介質分形模型的分析基礎上，重點討論多孔電介質介電常數與分形維數的關系研究。

1　多孔電介質與分形

1.1多孔電介質概述

多孔介質（多孔材料）是內部包含許多微小空洞的固體材料體系，多孔電介質是多孔介質的一種。多孔介質多見于在各種保溫材料、陶瓷材料、纖維制品以及電子元件中，而其中含有空氣空隙的介質材料具有超低k的特性，可以通過甩膠技術或者化學氣相沉積技術獲得，這種介質的孔隙率表征了其空洞結構的特點。

介電常數k是超大規模集成電路中多孔電介質性能的重要參數。介電常數是綜合反映電介質極化行為的宏觀物理量，是兩塊金屬板之間絕緣介質電容量與同樣兩塊板之間空氣或真空介質電容量的比值；介電常數越大表明電介質在電場作用下被極化的能力越強，反之亦然。而相同的尺寸下介電常數大的電容器電容量大，而對于相同電容量，介電常數大的元件尺寸小。

在超大規模集成電路中，為了滿足憎水性、高楊氏模量、高機械穩定性等特性，就要求多孔電介質具有盡可能低的孔隙率。由于電介質中孔隙或空洞的結構復雜，其形狀、大小各異，利用實驗實際測量或簡單理想模型模擬計算的介電常數往往很不準確，因為這種方法是將孔隙用理想的球狀孔洞來代替，這種模型與實際偏差很大；在實際的多孔電介質中，孔隙是不均勻分布在介質中的。

通過分析對于多孔電介質介電常數的傳統測量方法可以發現，每種測量方法都有其各自的使用條件和范圍，而對于實際情況中不規則孔隙不均一分布的情況，傳統的測量手段可能都不適應。

低濃度二氧化硅（silica)的分子動力學模擬表明，呈分形分布的孔可用于表征這類納米多孔低k電介質。

1.2分形幾何及分形維數

分形幾何是幾何學的新型門類，其研究對象是歐氏幾何的一種子集，是其所在空間的緊子集，具有包括:1）任意小尺度下的比例細節；2）傳統幾何語言無法描述；3）自相似特征；4）“分形維數”嚴格大于其相應的拓撲維數；5）可能以變化的迭代產生等特點。

其中分形維數是分形的重要幾何參數，這是一種依賴于標度（Scale）的概念，即對于測量同一對象，用不同的單位進行測量。而對于分維的測量是現在材料學家最感興趣的問題之一，目前常用的分維測量方法包括:1）計盒法測量，即用具有特征長度的基本圖形度量分形圖形，通過改變特征長度獲得一組對應的計數，取對數并回歸直線，得出維數；2）變碼尺測量，也稱之為海岸線法或者兩腳規測長度法，即通過固定特征值，改變尺寸進行測量的方法；3）物理方法，這種方法又包括散射強度法、汞浸入法等。

對于精確自相似的謝爾賓斯地毯或海綿，分形維數滿足如下計算公式：

對于統計自相似分形多孔介質的分形維度數和孔隙率滿足以下關系：

2　介電常數和分形維數

對于一個真實的多孔介質，其微結構如孔的大小不是精確自相似的，而是統計意義上的自相似。

根據電介質串、并聯法則，多個電介質并聯連接時，其等效介電常數為

多個電介質串聯連接時，其等效介電常數為

Tang等討論用精確自相似的謝爾賓斯基地毯模型模擬多孔低k電介質進而得到其介電常數，結果與實驗數據吻合較好。對于精確自相似的謝爾賓斯地毯模型的多孔電介質模型，根據文獻，其孔隙率滿足

XU等[3]提出了一個有關多孔低k電介質的分形-蒙特卡羅模擬方法。對于統計意義上的自相似分形多孔電介質模型，其孔隙率滿足

式中各量代表意義同前。

結合方程（3）、（4）、（5）、（6），找出多孔電介質相對介電常數和分形維數關系的步驟如下（給定）：

a)選用前述介紹的測量分形維數的方法如散射強度法、汞浸入法等，測量實際多孔電介質薄膜的分形維數Df;

b)確定多孔電介質薄膜分布的最小和最大空氣孔隙尺寸，根據方程（5）和方程（6）計算孔隙率（空氣相）;

d）聯立方程（3）和（4），得出多孔電介質的相對介電常數。

通過上述方法，可以用來進行統計自相似分形多孔電介質的介電常數進行計算，這種方法不僅適兩相不同材料復合系統，對于多種材料復合系統也是適用的。

3　結論

本文在介紹多孔電介質的概念和特點的基礎上，結合分形理論，提出了不同于傳統多孔電介質介電常數分析計算方法的分形計算分析方法。從實際多孔電介質出發，利用分形理論和方法，把表征空隙微結構參量的分形維數引入進來，通過先測定電介質薄膜的分形維數，進而確定多孔電介質薄膜的相對介電常數。這種方法對于實際多孔電介質介電常數的計算來說是一種新的計算分析方法。

[1] 郁伯銘等著.分形多孔介質輸運物理.科學出版社2014. 22

[2] 唐燕妮.多孔低k介電常數的自相似模型.華中科技大學碩士學位論文，2007

[3] 徐倩.多孔低k電介質介電常數的分形-蒙特卡羅模擬研究.華中科技大學碩士學位論文，2008

Very large scale integrated circuit porous dielectric permittivity and fractal dimension

Tang Yanni
(basic medical college of changsha medical college,410219)

The development of the technology requirement of very large scale integrated circuit feature sizes down further in order to improve the component density,which requires low dielectric constant(k)of the application of porous dielectric.Transport of the physical properties and the porous media usually have close relationship with its microstructure.Porous dielectric were reviewed in this paper by using fractal model on the basis of the analysis methods,using the theory of fractal geometry,the porous dielectric dielectric constant(k)and further reflect the fractal dimension of pore microstructure,better adapted to the actual inequality in an irregular porous dielectric permittivity of the analysis and calculation.

very large scale integrated circuit(ultra large scaled integration,ULSI);The porous dielectric (porous dielectrics);Fractal dimension(highest-resolution dimension);Permittivity (dielectric constant)

本論文由湖南省教育廳科研一般項目資助（編號：14C0127 和14C0126）