为什么用Cu作为互联金属？Al为什么会被替代？

早期的集成电路选用金作为互连材料，在 20 世纪 50 - 60 年代初，金凭借其仅次于银的卓越导电性、出色的化学稳定性以及与半导体材料良好的兼容性，成为当时行业的首选。但金成本高昂，不利于大规模应用。随后，从 20 世纪 60 年代至 90 年代中期，铝成为半导体制造中最主要的互连导线材料。铝的电阻率较低，仅略高于银、铜等少数金属，能与 N 和 P 型的锗和硅同时形成良好的欧姆接触，对二氧化硅的粘附性良好，且便于蒸发淀积形成薄膜和光刻腐蚀加工形成布线 。

然而，随着半导体技术的迅猛发展，芯片集成度不断提高，线宽尺寸持续缩小，铝作为互连金属的缺点逐渐凸显。其中最突出的问题便是电迁移现象。电迁移是指在高电流密度下，金属原子在电子流的作用下发生移动的现象。铝原子的外层电子较少且结合力较弱，在电流产生的电子流冲击下，铝原子容易脱离晶格位置。铝原子有 3 个电子层，内层电子对外层电子的屏蔽作用使得原子核对最外层电子的吸引作用减弱，导致外层电子更容易受到外界因素影响。根据库仑定律，电荷之间的作用力与距离的平方成反比，铝原子较大的原子半径使得原子核对最外层电子的吸引力显著减小，这进一步削弱了铝原子外层电子的结合力 。

此外，铝的面心立方晶体结构存在较多的原子扩散通道，为铝原子的迁移提供了便利路径。在集成电路工作时，产生的热量会加剧铝原子的热运动，使其更容易挣脱晶格束缚。同时，高温还会改变铝表面氧化膜结构，降低对电迁移的抑制作用。芯片集成度提高使铝导线尺寸缩小，相同电流下电流密度增大，高电流密度区域产生更强的电子风力，进一步加剧了电迁移现象。当通过铝布线的电流密度超过 10 安 / 厘米时，电流就会引起明显的铝原子质量迁移，这对线宽的缩小形成了极大限制，严重影响芯片的可靠性和使用寿命 。

与铝相比，铜具有显著的优势，这也是其逐渐取代铝成为互连金属的重要原因。首先，铜具有更高的电导率。铜是集成电路中使用的最佳导电材料之一，仅次于银和金，其电阻率低于铝。低电阻率使得铜在传递电流时能够更有效地降低电阻 - 电容延迟(RC 延迟)，信号能够更快地传输，这对于提高芯片的运行速度至关重要。在超大规模集成电路(VLSI)和超高质量(UHQ)应用中，信号传输速度的提升直接影响芯片的性能表现，而铜互连能够满足这种对高速信号传输的需求 。

其次，铜具有优异的抗电迁移能力。铜原子之间的金属键结合力较强，相比铝原子，更不容易在电子流的冲击下脱离晶格位置。在电流通过铜导线时，电子与铜原子碰撞传递的动量较难使铜原子发生移动，从而有效抑制电迁移现象。铜原子在晶格中扩散所需的激活能较高，在集成电路正常工作的温度和电流条件下，铜原子获得足够能量发生扩散迁移的概率较低，保证了铜互连结构的稳定性。研究表明，在相同电流密度(>1×10⁶ A/cm²)下，铜的电迁移寿命是铝的 10 倍以上，这大大提升了芯片的可靠性 。

再者，在成本与工艺兼容性方面，尽管铜的初始工艺成本较高，因为其集成需突破传统铝工艺的限制，需要额外的阻挡层和电镀设备等。但铜的高电导率允许使用更窄的金属线宽，随着线宽缩小，光刻层数和掩膜成本相应减少。此外，铜与 Low - K 材料的兼容性较好，其热膨胀系数与 Low - K 材料匹配，降低了封装失效风险 。

从工艺角度来看，铜互连的制造工艺也在不断发展和完善。其核心流程包括阻挡层沉积、种子层沉积、电镀填充、化学机械抛光(CMP)四大步骤。在阻挡层沉积阶段，采用物理气相沉积(PVD)制备 3 - 5 nm 厚的钽(Ta)或氮化钽(TaN)，以防止铜原子扩散至相邻的 Low - K 介质层(如 SiO₂或 SiCOH)。随后通过 PVD 沉积 10 - 20 nm 厚的铜层作为种子层，作为后续电镀的导电基底，确保电镀铜均匀填充高深宽比(>5:1)通孔。在电镀填充环节，在硫酸铜(CuSO₄)电解液中施加电流，通过添加剂(如聚乙二醇 PEG、加速剂 SPS)控制填充动力学，实现 “自底向上” 的无空隙填充。最后通过化学机械抛光，先使用含氧化铝(Al₂O₃)磨料的碱性浆液快速去除表面多余铜，再采用二氧化硅(SiO₂)磨料的酸性浆液精抛阻挡层，实现表面全局平坦化 。

当然，铜互连技术也并非完美无缺。在高温(>400℃)下，即使有 TaN 阻挡层，铜仍可能通过晶界扩散至相邻介质层，导致漏电或短路。为此，业界正在开发钌(Ru)、钴(Co)等新型阻挡层材料，或采用选择性沉积 ALD 钴封装铜表面等方法来解决这一问题。当线宽 <20 nm 时，铜的电阻率会因表面散射效应而急剧上升，出现小线宽下的性能劣化现象。在深宽比> 10:1 的通孔中，电镀铜易产生底部空隙(Void)，需结合 ALD 预填充或脉冲电镀等技术进行优化，但这也显著增加了工艺复杂度 。

随着半导体技术持续向更高集成度、更小尺寸方向发展，对互连金属的要求也将不断提高。尽管目前铜在高性能集成电路互连领域占据主导地位，但科研人员也在不断探索其他具有潜力的材料，如银的导电性更优，碳纳米管与石墨烯展现出优异的电学性能等，未来有望突破现有技术瓶颈，推动半导体互连技术迈向新高度 。

半导体芯片中用 Cu 作为互联金属，而 Al 被替代，是多种因素综合作用的结果。铜凭借其在导电性、抗电迁移能力、成本与工艺兼容性等方面的优势，更能适应芯片技术发展的需求。尽管铜互连技术还存在一些问题需要解决，但在当前阶段，它无疑为提升芯片性能发挥了关键作用，并且在未来一段时间内仍将是半导体互连领域的主流选择。