在半導體芯片中，為什么用Cu作為互聯(lián)金屬？Al為什么會被替代？

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

一、半導體互連材料的歷史演進

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 50-60 年代初，金憑借卓越的導電性（僅次于銀）、化學穩(wěn)定性及與半導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)勢登上歷史舞臺。其良好的刻蝕性能（適用于干刻蝕與濕刻蝕工藝），使其成為當時 IC 制造的理想選擇，在半導體行業(yè)占據(jù)主導地位長達 30 余年。

1997 年，IBM 發(fā)布先進銅互連技術(shù)，標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，開啟了半導體互連材料的新篇章。

二、三代互連材料的性能對比

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。當電子流經(jīng)鋁導線時，電子與鋁原子碰撞傳遞動量，使鋁原子順著電子流方向移動。知識擴充：

外層電子數(shù)較少：

鋁是 13 號元素，其電子排布為 2、8、3。最外層只有 3 個電子，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 個電子層，隨著電子層數(shù)的增加，原子核對最外層電子的吸引作用會逐漸減弱。因為內(nèi)層電子對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，就像在原子核對最外層電子的 “拉力” 上打了折扣，導致外層電子更容易受到外界因素的影響，結(jié)合力相對較弱。

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較大，使得最外層電子離原子核較遠。根據(jù)庫侖定律，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線內(nèi)部移動，造成導線的斷裂或空洞。高溫環(huán)境加速集成電路工作產(chǎn)生的熱量會加劇鋁原子的熱運動，使其更容易掙脫晶格束縛，同時高溫還會改變鋁表面氧化膜結(jié)構(gòu)，降低對電遷移的抑制作用。電流密度集中芯片集成度提高使鋁導線尺寸縮小，相同電流下電流密度增大，高電流密度區(qū)域產(chǎn)生更強的電子風力，加劇電遷移現(xiàn)象。

（二）銅的技術(shù)優(yōu)勢

低電阻特性

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

高電遷移抗性原子結(jié)合力強

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

擴散激活能高

1. 1. 銅原子在晶格中擴散所需的激活能較高，這意味著銅原子要實現(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

1. 1. 銅在空氣中會形成一層致密的氧化膜，這層氧化膜能夠阻擋外部環(huán)境對銅原子的影響，同時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，對電遷移的防護效果更好。

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

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，再通過電化學沉積（電鍍）填充銅，最后經(jīng)化學機械拋光（CMP）實現(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)會產(chǎn)生電阻，需通過引入鈦、鎳等阻擋層解決；同時，高溫環(huán)境下的長期穩(wěn)定性也需進一步優(yōu)化工藝參數(shù)。

五、未來展望

盡管銅已成為現(xiàn)代半導體互連的主流材料，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。銀的導電性更優(yōu)，碳納米管與石墨烯展現(xiàn)出優(yōu)異的電學性能，有望在未來突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，推動半導體互連技術(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著半導體技術(shù)的跨越式發(fā)展。這場微觀世界的材料革命，不僅見證了人類對技術(shù)極限的不斷突破，更為未來信息技術(shù)的持續(xù)進步奠定了堅實基礎(chǔ)。

The END歡迎大家交流，每日堅持分享芯片制造干貨，您的關(guān)注+點贊+在看?是我持續(xù)創(chuàng)作高質(zhì)量文章的動力，謝謝！