在半導(dǎo)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(dǎo)電金屬來形成互連結(jié)構(gòu)。

曾今，鋁是半導(dǎo)體行業(yè)中用于這些互聯(lián)結(jié)構(gòu)的主要材料。

然而，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和線寬尺寸的不斷縮小，導(dǎo)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(yōu)越的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性和與許多半導(dǎo)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(yè)化的大規(guī)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(dǎo)體制造中最主要的互連導(dǎo)線材料。

1997年，IBM公布了其先進(jìn)的銅互連技術(shù)，標(biāo)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(zhì)對比

金 (Au)

導(dǎo)電性: 金是優(yōu)良的導(dǎo)電材料，其導(dǎo)電率僅次于銀。

化學(xué)穩(wěn)定性: 金對大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)都非常穩(wěn)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(dǎo)電性: 雖然鋁的導(dǎo)電性較低，但仍然比許多其他金屬都要好。

化學(xué)穩(wěn)定性: 在集成電路的生產(chǎn)環(huán)境中，鋁相對穩(wěn)定。

易加工: 鋁容易進(jìn)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(dǎo)電性: 銅是集成電路中使用的最佳導(dǎo)電材料之一，僅次于銀和金。

化學(xué)穩(wěn)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(dǎo)線在長時間的電流作用下，可能會出現(xiàn)電遷移現(xiàn)象，即鋁原子在導(dǎo)線內(nèi)部遷移，導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂或形成空洞，這會導(dǎo)致集成電路的失效。隨著互連間距的縮小，鋁導(dǎo)線的電阻增加和導(dǎo)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(xì)的金屬線中承載更大的電流。而銅的電遷移抗性遠(yuǎn)高于鋁，這使得銅互聯(lián)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(jìn)行芯片互聯(lián)。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(xué)沉積方法沉積銅的方法。

電化學(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于化學(xué)氣相沉積，物理氣相沉積，在集成電路，晶圓級封裝中應(yīng)用廣泛。






審核編輯：劉清