铜对芯片制造中的重要作用

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文介绍了铜对芯片制造中的重要作用和加工工艺。  

在指甲盖大小的芯片上，数百亿晶体管需要通过比头发丝细千倍的金属线连接。当制程进入130纳米节点时，传统铝互连已无法满足需求——而铜（Cu） 的引入，如同一场纳米级的“金属革命”，让芯片性能与能效实现质的飞跃。

一、为什么是铜？——铝互连的三大困局

1997年IBM首次将铜引入芯片制造前，铝（Al）统治互连领域30年，但纳米时代暴露其致命缺陷：

特性	铝（Al）	铜（Cu）	优势提升
电阻率	2.65 μΩ·cm	1.68 μΩ·cm	降低37%
抗电迁移能力	失效电流密度<1 MA/cm²	>5 MA/cm²	提升5倍
热膨胀系数	23 ppm/℃	17 ppm/℃	更匹配硅衬底

铝的溃败：130 nm节点中，铝线电阻占RC延迟的70%，芯片频率卡在1 GHz；电流密度>10⁶ A/cm²时，铝原子被电子“吹走”，导线断裂。

二、铜互连的制造奥秘：双大马士革工艺

铜无法直接刻蚀，工程师发明了双大马士革工艺（Dual Damascene）：

工艺流程（以5 nm节点为例）：  

1. 介质层刻槽：

在Low-k材料上光刻，刻蚀出导线沟槽和通孔）；

2. 原子级防护：

沉积2 nm 钽（Ta）阻挡层（防铜扩散）；沉积1 nm 钌（Ru）种子层（增强附着力）；

3. 超填充电镀：

铜电镀液（CuSO₄ + 添加剂）中通电，实现自底向上填充；

4. 化学机械抛光：

两步抛光：先磨平铜层，再精抛阻挡层，表面起伏<0.3 nm。

三、铜在芯片中的核心作用

1. 全局互连的“电流大动脉”

高层厚铜线（M8-M10层）：厚度1-3 μm，传输时钟/电源信号（电流>10 mA）；1100℃退火后晶粒>1 μm。

2. 局部互连的“纳米导线”

低层铜线（M1-M3层）：线宽10-20 nm，连接相邻晶体管；钴包裹铜技术抑制电迁移。

3. 三维堆叠的“垂直电梯”

硅通孔（TSV）：直径5 μm深100 μm的铜柱连接上下芯片；热膨胀匹配设计，避免应力开裂。