在半导体制造领域，互连材料如同电子器件的 “神经网络”，承担着连接电路元件、传输信号与供电的关键使命。随着芯片制程不断向纳米级迈进，互连材料的迭代升级成为推动半导体技术发展的重要驱动力。这篇文章介绍半导体互联材料的发展历史，互联材料的对比，从原理分析为什么Cu取代Al以及未来互联材料展望，干货满满！

一、半导体互连材料的历史演进

早期集成电路受限于技术水平，选用金作为互联材料。20 世纪 50-60 年代初，金凭借卓越的导电性（仅次于银）、化学稳定性及与半导体材料的良好兼容性，成为行业首选。但高昂的成本使其难以满足大规模商业化生产需求。

60 年代至 90 年代中期，铝凭借低成本、易加工的优势登上历史舞台。其良好的刻蚀性能（适用于干刻蚀与湿刻蚀工艺），使其成为当时 IC 制造的理想选择，在半导体行业占据主导地位长达 30 余年。

1997 年，IBM 发布先进铜互连技术，标志着铜开始逐步取代铝，成为高性能集成电路的核心互连材料，开启了半导体互连材料的新篇章。

二、三代互连材料的性能对比

三、铜取代铝的必然性

（一）性能瓶颈倒逼技术革新

随着芯片制程向纳米级发展，铝的固有缺陷愈发凸显，其中电迁移现象尤为致命。铝容易发生电迁移，主要由其自身物理化学性质与工作环境共同决定：

1. 原子结构特性

   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。当电子流经铝导线时，电子与铝原子碰撞传递动量，使铝原子顺着电子流方向移动。
   知识扩充：

   外层电子数较少：

   铝是 13 号元素，其电子排布为 2、8、3。最外层只有 3 个电子，与 8 电子稳定结构相比，电子数较少。根据元素周期律，同一周期从左到右，元素原子的最外层电子数逐渐增多，铝在第三周期中处于较靠左的位置，所以其最外层电子数相对较少。

   外层电子结合力较弱

   电子层数较多：铝原子有 3 个电子层，随着电子层数的增加，原子核对最外层电子的吸引作用会逐渐减弱。因为内层电子对外层电子有屏蔽作用，使得最外层电子感受到的有效核电荷数减小，就像在原子核对最外层电子的 “拉力” 上打了折扣，导致外层电子更容易受到外界因素的影响，结合力相对较弱。

   原子半径较大：在同一周期中，从左到右原子半径逐渐减小。铝原子半径在同周期元素中相对较大，使得最外层电子离原子核较远。根据库仑定律，电荷之间的作用力与距离的平方成反比，所以原子核对最外层电子的吸引力随着距离的增大而显著减小，这也使得铝原子外层电子的结合力较弱。

2. 晶体结构影响

   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，使得铝原子能够在导线内部移动，造成导线的断裂或空洞。

3. 高温环境加速

   集成电路工作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。

4. 电流密度集中

   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，加剧电迁移现象。

   
   

（二）铜的技术优势

1. 低电阻特性

   铜电阻率仅为铝的 60%（1.68 μΩ・cm vs 2.82 μΩ・cm），能大幅降低信号延迟，提升芯片运行速度。

2. 高电迁移抗性

• 原子结合力强

  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。

• 扩散激活能高

  铜原子在晶格中扩散所需的激活能较高，这意味着铜原子要实现迁移需要更高的能量。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 。

• 氧化膜保护

  铜在空气中会形成一层致密的氧化膜，这层氧化膜能够阻挡外部环境对铜原子的影响，同时也在一定程度上限制了铜原子的迁移。与铝的氧化膜相比，铜的氧化膜结构更加稳定，对电迁移的防护效果更好。

3. 工艺适配性

   双大马士革工艺通过 “先刻蚀沟槽后电镀填充” 的方式，解决了铜难以刻蚀的难题，同时简化了制造流程。

四、铜互连的工艺突破与挑战

双大马士革工艺成为铜互连技术的核心：先在绝缘层中刻蚀出通孔与沟槽，再通过电化学沉积（电镀）填充铜，最后经化学机械抛光（CMP）实现表面平坦化。该工艺不仅提升了互连结构完整性，还降低了缺陷率，使铜互连在先进制程中得以广泛应用。

然而，铜互连技术仍面临挑战：铜与硅的界面反应会产生电阻，需通过引入钛、镍等阻挡层解决；同时，高温环境下的长期稳定性也需进一步优化工艺参数。

五、未来展望

尽管铜已成为现代半导体互连的主流材料，但随着摩尔定律逼近物理极限，业界已开始探索下一代互连材料。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，有望在未来突破现有技术瓶颈，推动半导体互连技术迈向新高度。

从金到铝，再到铜的迭代，每一次材料革新都推动着半导体技术的跨越式发展。这场微观世界的材料革命，不仅见证了人类对技术极限的不断突破，更为未来信息技术的持续进步奠定了坚实基础。