本文始于2025年6/7月，浅谈 Low-k Dielectric Integrity 失效机制，旨在让读者基本了解 Low-k Dielectric Integrity 是什么，有哪些影响，以及介绍减少Low-k Dielectric 失效的一些措施。
1. 什么是 Low-k Dielectric Integrity？
Low-k Dielectric Integrity 指的是低介电常数（Low-k）材料在长期电应力、热应力下的绝缘能力和可靠性保持能力。如果 Low-k 材料发生击穿，两个金属线之间可能短路，导致芯片功能失效。发生在金属互连层。
⭐ 使用 Low-k 材料的优缺点：
优点：传统 SiO₂ 的介电常数约为 4；而Low-k 材料（如 SiOC、SiLK）介电常数可低至 2.5~3；这样可以有效降低互连线间电容从而提高速度和降低功耗。
缺点：Low-k材料更容易吸水、起泡、形成空洞，并且更容易发生 时间依赖性电介质击穿（IMD-TDDB）。
💡 IMD-TDDB：Inter-Metal Dielectric Time-Dependent Dielectric Breakdown，金属间介质时间依赖性介电击穿。
2. 失效机制（Failure Mechanisms）
导致 Low-k 材料击穿的两种机制：
1️⃣ 介电界面击穿，Dielectric Interface Breakdown ：由于Low-k 材料孔隙率高、Cu 离子残留、ESL（etch stop layer）整合不良等原因；导致原子迁移或杂质堆积造成界面弱化。
2️⃣ 介电体本体击穿，Dielectric Bulk Breakdown ：材料本体存在空洞（Porosity）和 缺陷路径（如 Trench barrier formation），电流会沿这些路径“钻通”整层 Low-k 材料。
📌 最终的结果就是：金属线之间形成泄漏通道，导致芯片失效。
3. 寿命预测模型（Lifetime Model）
常见的模型如下：
| 项目 | 含义 |
|---|---|
| TTF | Time To Failure（失效时间） |
| A | 经验常数 |
| r | 电场加速因子 |
| E | 电场强度（MV/cm） |
| Ea | 激活能（eV） |
| k | Boltzmann 常数（8.617×10⁻⁵ eV/K） |
| T | 温度（K） |
📌 从模型可以看到：电场越高（E 越大），TTF 越低（寿命越短）；温度越高，击穿越容易发生。
4. 减少 Low-k Dielectric 失效的一些措施
- 增大金属线间距，降低单位面积电场；
- 使用宽线+多 VIA 组合减小局部热量堆积；
- 采用机械强度更高的 low-k 材料；
5. 参考
【1】tsmc specification document