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从铝到铜的转变：这背后有什么革命性的技术进步？
在微电子技术日益增长的需求下，铜互连的广泛使用开创了一场技术革命。与铝相比，铜的导电性能更佳，这使得整合电路（IC）能够在更窄的尺寸下运行，并减少能量消耗。自1997年IBM和摩托罗拉首次引入铜作为互连材料以来，铜互连技术已迎来了重大的工艺进步。
自从1997年引入以来，铜互连的出现改变了IC的性能。
由于铜具备更低的电阻，使用铜的IC可以在更小的范围内完成电流传输，这一点对于推动计算速度至关重要。然而，要将铜应用于微芯片中，需要面对一系列挑战，包括全新的制造技术和隔离金属层的引入，以防止铜原子对矽的潜在破坏。
模式与制程技术的变化
在过去，传统的光致阻隔和等离子刻蚀技术使得铝的模式化过程简单而顺利，而铜却无法使用这些技术。这要求科学家们重新思考金属的模式化过程，因此发展出了一种称为“加成模式”的新技术，这一技术又名“达马斯克”或“双达马斯克”制程。这种新方法通过开挖导体所在的绝缘层的沟槽，再将铜填充至沟槽内，形成所需的导体结构。
加成模式技术的引入使得铜的加工成为可能，这是一项关键的技术进步。
屏障金属的角色
屏障金属层的引入是铜互连技术中的另一个重要突破。铜的扩散性强，若不加以隔离，它会进一步损坏下方的矽材料。屏障金属必须有效地围绕铜互连，同时保持良好的导电性。这一点对维持良好的电子接触至关重要。屏障金属的厚度亦非常重要，过薄会导致霍尼玻璃效应，过厚则增大整个导体的电阻，降低性能。
对屏障金属的需求，无疑促进了更高效互连材料的持续研究。
抗电迁移性
电迁移是金属导体因电流流经而形状改变的一种现象，这一过程最终可能导致导体断裂。与铝相比，铜对电迁移的抵抗力更强，这使得铜导体能够在相同尺寸下承受更高的电流。由于几种因素的结合，铜从铝的转变为半导体设备的性能提升带来了巨大的潜力。
铜的优越抗电迁移性终于驱动了半导体行业的大规模投资。
超等构造电镀技术
随着晶片频率在2005年达到3 GHz，互连电容和电感造成了速度的限制。为了降低传输过程中的电阻和电容，从铝到铜的转变成为当务之急。伴随着低κ介电材料的进步，铜电镀的方法规定了新的加工技术，如自上而下的电镀工艺，以及增加了底部填充的需求。
在铜的电镀技术中，以自下而上的填充手法成为解决互连问题的最有效方法。
未来的展望
现在的科学家们正在努力开发新材料和制程技术，以进一步降低铜的扩散率并提高导电性。例如，铜-锗合金的使用可能成为一种不需要屏障层的替代品，显示出巨大的潜力。然而，在铜的应用和替代材料之间，微电子行业仍面临许多挑战。
随着技术的持续发展，未来的半导体产业将如何再次转变呢？
