芯片为什么用铜作为互联金属？铝为什么会被替代呢？

在半导体制程中，为了连接不同的电路元件，传递电子信号和为电路元件供电，需要使用导电金属来形成互连结构。

曾今，铝是半导体行业中用于这些互联结构的主要材料。

然而，随着半导体技术的进步和线宽尺寸的不断缩小，导致铜成为了替代选择。那么铝为什么会被替代呢？

芯片互连金属的历史

早期的集成电路使用了金作为互连材料，尤其是在1950年代到1960年代初。金因其优越的导电性、化学稳定性和与许多半导体材料的兼容性而受到青睐。

但是由于金十分昂贵，对于商业化的大规模集成电路来说是一个显著的问题。

在1960年代至1990年代中期，铝成为半导体制造中最主要的互连导线材料。

1997年，IBM公布了其先进的铜互连技术，标志着铜正式开始替代铝成为高性能集成电路的主要互连材料。

芯片互连金属性质对比

金 (Au)

导电性: 金是优良的导电材料，其导电率仅次于银。

化学稳定性: 金对大多数化学物质都非常稳定，不容易氧化或受到腐蚀。

黏附性: 金具有良好的黏附性，能够与许多其他材料形成良好的界面。

问题: 其成本相对较高。

铝 (Al)

导电性: 虽然铝的导电性较低，但仍然比许多其他金属都要好。

化学稳定性: 在集成电路的生产环境中，铝相对稳定。

易加工: 铝容易进行干刻蚀和湿刻蚀，这使其成为早期IC制造的理想选择。

铜 (Cu)

导电性: 铜是集成电路中使用的最佳导电材料之一，仅次于银和金。

化学稳定性: 铜容易氧化，但在制造过程中，可以通过某些方法来控制。

成本: 相对于金和其他贵金属，铜的成本更低。

为什么铜取代了铝？

铝导线在长时间的电流作用下，可能会出现电迁移现象，即铝原子在导线内部迁移，导致导线断裂或形成空洞，这会导致集成电路的失效。随着互连间距的缩小，铝导线的电阻增加和导线之间的电容增加，从而增加了RC延迟，这对于高速的集成电路是不利的。

而铜具有比铝更低的电阻率，可以更有效地传递电流，并可在更细的金属线中承载更大的电流。而铜的电迁移抗性远高于铝，这使得铜互联在高电流条件下更为可靠。

铜互连用哪种工艺方法？

由于铜不容易被刻蚀，因此一般不采用刻蚀的方法进行芯片互联。较为普遍的是双大马士革工艺。双大马士革工艺是一种在种子层上，通过电化学沉积方法沉积铜的方法。

电化学沉积即电镀，是一种速率较快的一种金属化方法，沉积速率远远大于化学气相沉积，物理气相沉积，在集成电路，晶圆级封装中应用广泛。






审核编辑：刘清