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從鋁到銅的轉變：這背後有什麼革命性的技術進步？
在微電子技術日益增長的需求下，銅互連的廣泛使用開創了一場技術革命。與鋁相比，銅的導電性能更佳，這使得整合電路（IC）能夠在更窄的尺寸下運行，並減少能量消耗。自1997年IBM和摩托羅拉首次引入銅作為互連材料以來，銅互連技術已迎來了重大的工藝進步。
自從1997年引入以來，銅互連的出現改變了IC的性能。
由於銅具備更低的電阻，使用銅的IC可以在更小的範圍內完成電流傳輸，這一點對於推動計算速度至關重要。然而，要將銅應用於微芯片中，需要面對一系列挑戰，包括全新的製造技術和隔離金屬層的引入，以防止銅原子對矽的潛在破壞。
模式與製程技術的變化
在過去，傳統的光致阻隔和等離子刻蝕技術使得鋁的模式化過程簡單而順利，而銅卻無法使用這些技術。這要求科學家們重新思考金屬的模式化過程，因此發展出了一種稱為“加成模式”的新技術，這一技術又名“達馬斯克”或“雙達馬斯克”製程。這種新方法通過開挖導體所在的絕緣層的溝槽，再將銅填充至溝槽內，形成所需的導體結構。
加成模式技術的引入使得銅的加工成為可能，這是一項關鍵的技術進步。
屏障金屬的角色
屏障金屬層的引入是銅互連技術中的另一個重要突破。銅的擴散性強，若不加以隔離，它會進一步損壞下方的矽材料。屏障金屬必須有效地圍繞銅互連，同時保持良好的導電性。這一點對維持良好的電子接觸至關重要。屏障金屬的厚度亦非常重要，過薄會導致霍尼玻璃效應，過厚則增大整個導體的電阻，降低性能。
對屏障金屬的需求，無疑促進了更高效互連材料的持續研究。
抗電遷移性
電遷移是金屬導體因電流流經而形狀改變的一種現象，這一過程最終可能導致導體斷裂。與鋁相比，銅對電遷移的抵抗力更強，這使得銅導體能夠在相同尺寸下承受更高的電流。由於幾種因素的結合，銅從鋁的轉變為半導體設備的性能提升帶來了巨大的潛力。
銅的優越抗電遷移性終於驅動了半導體行業的大規模投資。
超等構造電鍍技術
隨著晶片頻率在2005年達到3 GHz，互連電容和電感造成了速度的限制。為了降低傳輸過程中的電阻和電容，從鋁到銅的轉變成為當務之急。伴隨著低κ介電材料的進步，銅電鍍的方法規定了新的加工技術，如自上而下的電鍍工艺，以及增加了底部填充的需求。
在銅的電鍍技術中，以自下而上的填充手法成為解決互連問題的最有效方法。
未來的展望
現在的科學家們正在努力開發新材料和製程技術，以進一步降低銅的擴散率並提高導電性。例如，銅-鍺合金的使用可能成為一種不需要屏障層的替代品，顯示出巨大的潛力。然而，在銅的應用和替代材料之間，微電子行業仍面臨許多挑戰。
隨著技術的持續發展，未來的半導體產業將如何再次轉變呢？
