在半導(dǎo)體芯片中，為什么用Cu作為互聯(lián)金屬？Al為什么會(huì)被替代？

在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，互連材料如同電子器件的 “神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，承擔(dān)著連接電路元件、傳輸信號(hào)與供電的關(guān)鍵使命。隨著芯片制程不斷向納米級(jí)邁進(jìn)，互連材料的迭代升級(jí)成為推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。這篇文章介紹半導(dǎo)體互聯(lián)材料的發(fā)展歷史，互聯(lián)材料的對(duì)比，從原理分析為什么Cu取代Al以及未來(lái)互聯(lián)材料展望，干貨滿滿！

一、半導(dǎo)體互連材料的歷史演進(jìn)

早期集成電路受限于技術(shù)水平，選用金作為互聯(lián)材料。20 世紀(jì) 50-60 年代初，金憑借卓越的導(dǎo)電性（僅次于銀）、化學(xué)穩(wěn)定性及與半導(dǎo)體材料的良好兼容性，成為行業(yè)首選。但高昂的成本使其難以滿足大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)需求。

60 年代至 90 年代中期，鋁憑借低成本、易加工的優(yōu)勢(shì)登上歷史舞臺(tái)。其良好的刻蝕性能（適用于干刻蝕與濕刻蝕工藝），使其成為當(dāng)時(shí) IC 制造的理想選擇，在半導(dǎo)體行業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位長(zhǎng)達(dá) 30 余年。

1997 年，IBM 發(fā)布先進(jìn)銅互連技術(shù)，標(biāo)志著銅開始逐步取代鋁，成為高性能集成電路的核心互連材料，開啟了半導(dǎo)體互連材料的新篇章。

二、三代互連材料的性能對(duì)比

三、銅取代鋁的必然性

（一）性能瓶頸倒逼技術(shù)革新

隨著芯片制程向納米級(jí)發(fā)展，鋁的固有缺陷愈發(fā)凸顯，其中電遷移現(xiàn)象尤為致命。鋁容易發(fā)生電遷移，主要由其自身物理化學(xué)性質(zhì)與工作環(huán)境共同決定：

原子結(jié)構(gòu)特性

1. 鋁原子的外層電子較少且結(jié)合力較弱，在電流產(chǎn)生的電子流沖擊下，鋁原子容易脫離晶格位置。當(dāng)電子流經(jīng)鋁導(dǎo)線時(shí)，電子與鋁原子碰撞傳遞動(dòng)量，使鋁原子順著電子流方向移動(dòng)。知識(shí)擴(kuò)充：

外層電子數(shù)較少：

鋁是 13 號(hào)元素，其電子排布為 2、8、3。最外層只有 3 個(gè)電子，與 8 電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)相比，電子數(shù)較少。根據(jù)元素周期律，同一周期從左到右，元素原子的最外層電子數(shù)逐漸增多，鋁在第三周期中處于較靠左的位置，所以其最外層電子數(shù)相對(duì)較少。

外層電子結(jié)合力較弱

電子層數(shù)較多：鋁原子有 3 個(gè)電子層，隨著電子層數(shù)的增加，原子核對(duì)最外層電子的吸引作用會(huì)逐漸減弱。因?yàn)閮?nèi)層電子對(duì)外層電子有屏蔽作用，使得最外層電子感受到的有效核電荷數(shù)減小，就像在原子核對(duì)最外層電子的 “拉力” 上打了折扣，導(dǎo)致外層電子更容易受到外界因素的影響，結(jié)合力相對(duì)較弱。

原子半徑較大：在同一周期中，從左到右原子半徑逐漸減小。鋁原子半徑在同周期元素中相對(duì)較大，使得最外層電子離原子核較遠(yuǎn)。根據(jù)庫(kù)侖定律，電荷之間的作用力與距離的平方成反比，所以原子核對(duì)最外層電子的吸引力隨著距離的增大而顯著減小，這也使得鋁原子外層電子的結(jié)合力較弱。

晶體結(jié)構(gòu)影響鋁的面心立方晶體結(jié)構(gòu)存在較多的原子擴(kuò)散通道，為鋁原子的遷移提供了便利路徑，使得鋁原子能夠在導(dǎo)線內(nèi)部移動(dòng)，造成導(dǎo)線的斷裂或空洞。高溫環(huán)境加速集成電路工作產(chǎn)生的熱量會(huì)加劇鋁原子的熱運(yùn)動(dòng)，使其更容易掙脫晶格束縛，同時(shí)高溫還會(huì)改變鋁表面氧化膜結(jié)構(gòu)，降低對(duì)電遷移的抑制作用。電流密度集中芯片集成度提高使鋁導(dǎo)線尺寸縮小，相同電流下電流密度增大，高電流密度區(qū)域產(chǎn)生更強(qiáng)的電子風(fēng)力，加劇電遷移現(xiàn)象。

（二）銅的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

低電阻特性

1. 銅電阻率僅為鋁的 60%（1.68 μΩ?cm vs 2.82 μΩ?cm），能大幅降低信號(hào)延遲，提升芯片運(yùn)行速度。

高電遷移抗性原子結(jié)合力強(qiáng)

1. 1. 銅原子之間的金屬鍵結(jié)合力較強(qiáng)，相比鋁原子，更不容易在電子流的沖擊下脫離晶格位置。在電流通過(guò)銅導(dǎo)線時(shí)，電子與銅原子碰撞傳遞的動(dòng)量較難使銅原子發(fā)生移動(dòng)，從而有效抑制電遷移現(xiàn)象。

擴(kuò)散激活能高

1. 1. 銅原子在晶格中擴(kuò)散所需的激活能較高，這意味著銅原子要實(shí)現(xiàn)遷移需要更高的能量。在集成電路正常工作的溫度和電流條件下，銅原子獲得足夠能量發(fā)生擴(kuò)散遷移的概率較低，保證了銅互連結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 。

氧化膜保護(hù)

1. 1. 銅在空氣中會(huì)形成一層致密的氧化膜，這層氧化膜能夠阻擋外部環(huán)境對(duì)銅原子的影響，同時(shí)也在一定程度上限制了銅原子的遷移。與鋁的氧化膜相比，銅的氧化膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，對(duì)電遷移的防護(hù)效果更好。

工藝適配性雙大馬士革工藝通過(guò) “先刻蝕溝槽后電鍍填充” 的方式，解決了銅難以刻蝕的難題，同時(shí)簡(jiǎn)化了制造流程。

四、銅互連的工藝突破與挑戰(zhàn)

雙大馬士革工藝成為銅互連技術(shù)的核心：先在絕緣層中刻蝕出通孔與溝槽，再通過(guò)電化學(xué)沉積（電鍍）填充銅，最后經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）實(shí)現(xiàn)表面平坦化。該工藝不僅提升了互連結(jié)構(gòu)完整性，還降低了缺陷率，使銅互連在先進(jìn)制程中得以廣泛應(yīng)用。

然而，銅互連技術(shù)仍面臨挑戰(zhàn)：銅與硅的界面反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電阻，需通過(guò)引入鈦、鎳等阻擋層解決；同時(shí)，高溫環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也需進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)。

五、未來(lái)展望

盡管銅已成為現(xiàn)代半導(dǎo)體互連的主流材料，但隨著摩爾定律逼近物理極限，業(yè)界已開始探索下一代互連材料。銀的導(dǎo)電性更優(yōu)，碳納米管與石墨烯展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能，有望在未來(lái)突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，推動(dòng)半導(dǎo)體互連技術(shù)邁向新高度。

從金到鋁，再到銅的迭代，每一次材料革新都推動(dòng)著半導(dǎo)體技術(shù)的跨越式發(fā)展。這場(chǎng)微觀世界的材料革命，不僅見證了人類對(duì)技術(shù)極限的不斷突破，更為未來(lái)信息技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

The END歡迎大家交流，每日?qǐng)?jiān)持分享芯片制造干貨，您的關(guān)注+點(diǎn)贊+在看?是我持續(xù)創(chuàng)作高質(zhì)量文章的動(dòng)力，謝謝！