2024年4月11日发(作者：)

什么是低k材料

low-k是一种“绝缘材料”。所有材料从导电特性上可分为导体和绝缘体两种类型，

导电性能良好的材料称为电的良导体或直接称为导体，不导电的材料称为电的不良导体或

者称作绝缘体。导体中含有许多可以自由移动的电子，而绝缘体中电子被束缚在自身所属

的原子核周围，这些电子可以相互交换位置，但是不能到处移动。绝缘体不能导电，但电

场可以在其中存在，并且在电学中起着重要的作用。因此从电场的角度来看，绝缘体也被

称为电介质(dielectric)。 正如导体一样，电介质在电子工程领域有着广泛应用，电容器

内的储电材料以及芯片内的绝缘材料等都是电介质。为了定量分析电介质的电气特性，用

介电常数k(permittivity或dielectric constant)来描述电介质的储电能力。 电容C定义

为储存的电 量Q与电压E的比值，在相同电压下，储存的电量越多，则说明电容器的

容量越大。电容的容量与电容器的结构尺寸及电介质的k值有关(图1)，其中作为储电材料

的电介质的k 值对电容容量的大小起着关键性作用，制造大容量的电容器时通常是通过选

择高k 值的电介质来实现的。

不同电介质的介电常数k 相差很大，真空的k 值为1，在所有材料中最低；空气的k

值为1.0006；橡胶的k值为2.5～3.5；纯净水的k值为81。工程上根据k值的不同，把

电介质分为高k(high-k)电介质和低k(low-k)电介质两类。介电常数k ＞3.9 时，判定为

high-k；而k≤3.9时则为low-k。IBM将low-k标准规定为k≤2.8，目前业界大多以2.8

作为low-k电介质的k 值上限。

[编辑本段]二、low-k有什么作用？

在集成电路内部，由于ILD(Inter Layer Dielectrics，层间电介质)的存在，导线之间

就不可避免地存在分布电容，或者称之为寄生电容(图2)。分布电容不仅影响芯片的速度，

也对工作可靠性构成严重威胁。从电容器容量计算公式中我们可以看出，在结构不变的情

况下，减少电介质的k值，可以减小电容的容量。因此，使用low-k电介质作为ILD，可

以有效地降低互连线之间的分布电容，从而可使芯片总体性能提升10％左右。

1.缩短了信号传播延时

集成电路的速度由晶体管的栅延时(Gate Delay)和信号的传播延时(Propagation

Delay)两个参数共同决定，延时时间越短，信号的频率越高。 栅延时主要是由MOS管的

栅极材料所决定，使用high-k材料可以有效地降低栅延时。传播延时也称为RC延时(RC

delay)，R是金属导线的电阻，C是内部电介质形成的电容。RC 延时的表达式为：

TRC=ρε(L2/TD) 注:公式中ρ为金属的电阻率，ε(也记做k)是电介质的介电常数，L 为导

线长度，T 是电介质厚度，D为金属导线厚度。 该公式反映了电路参数对TRC 的影响，

公式中虽没有出现电阻R和电容C两个符号，但又都与这两个参数有关。电阻率ρ、导线

的长度L、导线厚度D 三个参数与电阻R 有关，而介电常数ε、导线长度L 两个参数与

电容C 的大小有关。

金属材料和绝缘材料对传播延时都会产生影响(图4)。由于铜(Cu)导线比铝(Al)导线的

电阻更低，FSG比SiO2的k值低，所以，铜互连与low-k工艺的同时应用，将使得传播

延时变得越来越短了。

2.降低了线路串扰

当一条传输线传送信号时，通过互感(磁场)在另一条传输线上产生感应信号，或者通

过电容(电场)产生耦合信号，这两种现象统称为串音干扰，简称“串扰(crosstalk)”。串扰

可使相邻传输线中出现异常的信号脉冲，造成逻辑电路的误动作(图5)。