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銅互連：從替代鋁到成為主流

在先進邏輯晶片中，互連技術決定晶片效能。電晶體負責訊號切換，互連線承擔電氣連線與訊號傳輸。BEOL 階段的銅互連廣泛應用之前，鋁是主流，但銅因更低電阻（1.68 μΩ·cm vs 2.67 μΩ·cm...

WEIWEI 2025年12月3日 來源: www.myzaker.com

在先進邏輯晶片中，互連技術決定晶片效能。電晶體負責訊號切換，互連線承擔電氣連線與訊號傳輸。BEOL 階段的銅互連廣泛應用之前，鋁是主流，但銅因更低電阻（1.68 μΩ·cm vs 2.67 μΩ·cm）和更強抗電遷移能力而取代鋁。銅大馬士革工藝結合化學機械拋光（CMP）解決了銅刻蝕難題，使銅互連在 90 奈米及以下工藝成為主流。

銅互連面臨的微縮瓶頸

隨著晶片線寬縮小至 10 奈米以下，銅互連電阻升高，可靠性下降，主要挑戰包括：

  1. 晶界散射加劇：晶粒尺寸減小，電子散射增加，電阻升高。
  2. 擴散與腐蝕問題：銅易擴散、需防擴散層，易腐蝕需蓋帽層，增加電阻。
  3. 電阻尺寸效應顯著：奈米線下電阻可能是塊體材料數十倍。

解決方法包括：

  • 晶粒最佳化：納秒雷射退火促進晶粒長大，減少晶界散射。
  • 輔助層最佳化：鈷（Co）襯裡與蓋帽層提升填充率和可靠性，台積電、英特爾均已應用。

下一代互連材料探索

由於銅本身特性受限，材料創新是關鍵：

  1. 單質金屬：
    • 鈷（Co）：抗電遷移、尺寸效應弱，10 奈米下效能優於銅。
    • 釕（Ru）：奈米級尺寸電阻接近銅，熔點高、可靠性強，但成本高。
    • 鉬（Mo）：低電阻，無需阻擋層，適合原子層沉積（ALD），但氧化問題需最佳化。
  3. 金屬間化合物：NiAl、CuAl、RuAl 在 <8 奈米線寬下電阻低、擴散穩定性好，適合無襯裡互連。
  4. 拓撲半金屬與二維材料：
    • 拓撲半金屬（如 MoP）保持高遷移率，尺寸縮小時效能穩定。
    • 石墨烯與非晶氮化硼（a-BN）組合可實現高效二維互連，但製備與工藝相容性仍是挑戰。

AI 賦能互連材料設計

  • 加速材料篩選：機器學習可模擬實驗，降低研發成本。
  • 最佳化多效能指標：AI 可協同預測導電性、抗電遷移性。
  • 挑戰：資料稀缺、模型黑盒化問題，需遷移學習、資料增強等方法。

產業挑戰

  • 新材料產業化需克服工藝相容、成本控制與可靠性驗證。
  • 銅互連製備技術（大馬士革工藝）與新材料相容性關鍵。
  • 材料創新與工藝最佳化協同推進，將重塑半導體制造格局。

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