在半導體制程中，為了連接不同的電路元件，傳遞電子信號和為電路元件供電，需要使用導電金屬來形成互連結構。

曾今，鋁是半導體行業中用于這些互聯結構的主要材料。

然而，隨著半導體技術的進步和線寬尺寸的不斷縮小，導致銅成為了替代選擇。那么鋁為什么會被替代呢？

芯片互連金屬的歷史

早期的集成電路使用了金作為互連材料，尤其是在1950年代到1960年代初。金因其優越的導電性、化學穩定性和與許多半導體材料的兼容性而受到青睞。

但是由于金十分昂貴，對于商業化的大規模集成電路來說是一個顯著的問題。

在1960年代至1990年代中期，鋁成為半導體制造中最主要的互連導線材料。

1997年，IBM公布了其先進的銅互連技術，標志著銅正式開始替代鋁成為高性能集成電路的主要互連材料。

芯片互連金屬性質對比

金 (Au)

導電性: 金是優良的導電材料，其導電率僅次于銀。

化學穩定性: 金對大多數化學物質都非常穩定，不容易氧化或受到腐蝕。

黏附性: 金具有良好的黏附性，能夠與許多其他材料形成良好的界面。

問題: 其成本相對較高。

鋁 (Al)

導電性: 雖然鋁的導電性較低，但仍然比許多其他金屬都要好。

化學穩定性: 在集成電路的生產環境中，鋁相對穩定。

易加工: 鋁容易進行干刻蝕和濕刻蝕，這使其成為早期IC制造的理想選擇。

銅 (Cu)

導電性: 銅是集成電路中使用的最佳導電材料之一，僅次于銀和金。

化學穩定性: 銅容易氧化，但在制造過程中，可以通過某些方法來控制。

成本: 相對于金和其他貴金屬，銅的成本更低。

為什么銅取代了鋁？

鋁導線在長時間的電流作用下，可能會出現電遷移現象，即鋁原子在導線內部遷移，導致導線斷裂或形成空洞，這會導致集成電路的失效。隨著互連間距的縮小，鋁導線的電阻增加和導線之間的電容增加，從而增加了RC延遲，這對于高速的集成電路是不利的。

而銅具有比鋁更低的電阻率，可以更有效地傳遞電流，并可在更細的金屬線中承載更大的電流。而銅的電遷移抗性遠高于鋁，這使得銅互聯在高電流條件下更為可靠。

銅互連用哪種工藝方法？

由于銅不容易被刻蝕，因此一般不采用刻蝕的方法進行芯片互聯。較為普遍的是雙大馬士革工藝。雙大馬士革工藝是一種在種子層上，通過電化學沉積方法沉積銅的方法。

電化學沉積即電鍍，是一種速率較快的一種金屬化方法，沉積速率遠遠大于化學氣相沉積，物理氣相沉積，在集成電路，晶圓級封裝中應用廣泛。






審核編輯：劉清