low-k

l導體中含有許多可以自由移動的電子，而絕緣體中電子被束縛在自身所屬的原子核周圍，這些電子可以相互交換位置，但是不能到處移動。絕緣體不能導電，但電場可以在其中存在，並且在電學中起着重要的作用。因此從電場的角度來看，絕緣體也被稱為電介質(dielectric)。 正如導體一樣，電介質在電子工程領域有着廣泛應用，電容器內的儲電材料以及芯片內的絕緣材料等都是電介質。

為了定量分析電介質的電氣特性，用介電常數k(permittivity或dielectric constant)來描述電介質的儲電能力。 電容C定義為儲存的電量Q與電壓E的比值，在相同電壓下，儲存的電量越多，則説明電容器的容量越大。電容的容量與電容器的結構尺寸及電介質的k值有關(圖1)，其中作為儲電材料的電介質的k 值對電容容量的大小起着關鍵性作用，製造大容量的電容器時通常是通過選擇高k 值的電介質來實現的。

不同電介質的介電常數k 相差很大，真空的k 值為1，在所有材料中最低；空氣的k值為1.0006；橡膠的k值為2.5～3.5；純淨水的k值為81。工程上根據k值的不同，把電介質分為高k(high-k)電介質和低k(low-k)電介質兩類。介電常數k >3.9 時，判定為high-k；而k≤3.9時則為low-k。IBM將low-k標準規定為k≤2.8，業界大多以2.8作為low-k電介質的k 值上限。

在集成電路內部，由於ILD(Inter Layer Dielectrics，層間電介質)的存在，導線之間就不可避免地存在分佈電容，或者稱之為寄生電容(圖2)。分佈電容不僅影響芯片的速度，也對工作可靠性構成嚴重威脅。從電容器容量計算公式中我們可以看出，在結構不變的情況下，減少電介質的k值，可以減小電容的容量。因此，使用low-k電介質作為ILD，可以有效地降低互連線之間的分佈電容，從而可使芯片總體性能提升10%左右。

縮短了信號傳播延時

集成電路的速度由晶體管的柵延時(Gate Delay)和信號的傳播延時(Propagation Delay)兩個參數共同決定，延時時間越短，信號的頻率越高。 柵延時主要是由MOS管的柵極材料所決定，使用high-k材料可以有效地降低柵延時。傳播延時也稱為RC延時(RC delay)，R是金屬導線的電阻，C是內部電介質形成的電容。RC 延時的表達式為： TRC=ρε(L2/TD) 注:公式中ρ為金屬的電阻率，ε(也記做k)是電介質的介電常數，L 為導線長度，T 是電介質厚度，D為金屬導線厚度。 該公式反映了電路參數對TRC 的影響，公式中雖沒有出現電阻R和電容C兩個符號，但又都與這兩個參數有關。電阻率ρ、導線的長度L、導線厚度D 三個參數與電阻R 有關，而介電常數ε、導線長度L 兩個參數與電容C 的大小有關。

金屬材料和絕緣材料對傳播延時都會產生影響(圖4)。由於銅(Cu)導線比鋁(Al)導線的電阻更低，FSG比SiO2的k值低，所以，銅互連與low-k工藝的同時應用，將使得傳播延時變得越來越短了。

降低了線路串擾

當一條傳輸線傳送信號時，通過互感(磁場)在另一條傳輸線上產生感應信號，或者通過電容(電場)產生耦合信號，這兩種現象統稱為串音干擾，簡稱“串擾(crosstalk)”。串擾可使相鄰傳輸線中出現異常的信號脈衝，造成邏輯電路的誤動作(圖5)。耦合串擾是由導線間的寄生電容引起的，根據容抗表達式XC=1/2πfC可知：電容的容量C越大，XC越小，信號越容易從一根導線穿越電介質到達另一根導線，線路間的串擾就越嚴重；信號的頻率f越高，脈衝的上升、下降時間越短，串擾也越嚴重。 由於CPU速度不斷攀升，信號頻率f已超過3GHz。但是，線路串擾已經成為進一步提高頻率的限制條件，芯片技術的發展面臨巨大挑戰。鑑於k值與分佈電容之間的因果關係，尋求k值更低的ILD材料，最大程度地降低串擾影響，是保持芯片微型化和高速化發展的一個有效途徑。 從上面的分析可以得出兩個結論：首先，芯片中使用low-k電介質作為ILD，可以減少寄生電容容量，降低信號串擾，這樣就允許互連線之間的距離更近，為提高芯片集成度掃清了障礙；其次，減小電介質k值，可以縮短信號傳播延時，這樣就為提高芯片速度留下了一定空間。

電介質作為芯片必備的一種材料，除了低k值外，電介質材料至少應具備以下三個方面的特性：絕緣性能好、導熱性好、便於製造。進入90nm工藝後，low-k電介質的開發和應用是芯片廠商面臨的難題。 由於low-k材料的抗熱性、化學性、機械延展性以及材料穩定性等問題都還沒有得到完全解決，給芯片的製造和質量控制帶來很多困難。採用low-k材料後，多家芯片大廠的產品都出現過不同程度的問題。 與SiO2相比，low-k材料密度較低，這樣帶來兩個問題，一是熱傳導性能較差，不利於芯片內熱量的散發，由此導致芯片熱穩定性變壞；二是銅更容易擴散進入絕緣層材料的孔隙中，不僅影響了互連的可靠性，如果不採取適當防擴散工藝措施，情況嚴重時會因電介質中銅含量過高而帶來漏電和功耗升高問題。雖然電流泄露途徑主要是“柵泄漏(Gate leakage)”，但“電介質泄漏(Dielectric leakage)”問題也同樣不可忽視。在製造工藝上，由於low-k材料的鬆軟結構和易滲透性，使得CMP(化學機械研磨)和清潔工序變得更為艱難，並導致成品率下降和生產成本的提高。