在当今集成电路制造领域，铜互连工艺宛如一颗璀璨的明星，扮演着至关重要的角色。它是一种用于连接不同层电路的金属互连技术，在于通过 “大马士革”（Damascene）工艺实现铜的嵌入式填充。随着集成电路技术的飞速发展，铜互连工艺凭借其卓越的性能逐渐取代传统的铝互连工艺，成为现代集成电路制造的主流选择。
铜互连工艺的基本原理是在绝缘层上先蚀刻出沟槽或通孔，然后在其中沉积铜，通过化学机械抛光（CMP）去除多余的铜，形成嵌入式的金属线。其主要步骤如下：
- 介质沉积：在衬底上沉积一层低介电常数（low - k）材料，如氟掺杂二氧化硅（k ~ 3.7）或碳掺杂二氧化硅（k ~ 2.7）。低介电常数材料的使用可以有效减少寄生电容和信号延迟，提高电路的性能。
- 光刻与蚀刻：通过光刻胶图案化并蚀刻出沟槽或通孔，形成所需的金属连接路径。光刻技术的精度直接影响到互连结构的尺寸和形状，对于实现高精度的集成电路至关重要。
- 阻挡层与种子层沉积：在沟槽或通孔底部沉积阻挡层（如 TaN、Ta 或 Si?N?），防止铜扩散到绝缘层中。同时，在阻挡层上沉积铜种子层，作为电镀的导电基础。阻挡层的性能对于保证铜互连的可靠性起着关键作用。
- 铜电镀：在种子层上进行电镀，填充沟槽或通孔，形成铜互连结构。电镀工艺的质量直接影响到铜互连的性能和可靠性。
- 化学机械抛光（CMP）：通过 CMP 去除沟槽或通孔外多余的铜，使表面平整，便于后续工艺。CMP 工艺可以提高互连结构的平整度和表面质量，减少信号干扰。
铜互连工艺的发展历程可以追溯到 20 世纪 90 年代。当时，随着集成电路的小型化发展，传统的铝互连材料面临着电阻率高、电迁移等问题，无法满足高性能集成电路的需求。
- 引入与提出：1997 年，IBM 率先将铜互连技术引入其 100nm 制程芯片制造中，标志着铜互连时代的开始。IBM 提出的 “大马士革工艺” 成为铜互连的主要制造方法，为后续的发展奠定了基础。
- 优势与挑战：铜具有比铝低约 40% 的电阻率和更好的抗电迁移性能，成为高性能集成电路的材料。然而，铜的引入也带来了新的挑战，如铜原子在介电层中的扩散问题。为了解决这一问题，研究人员开发了阻挡层工艺，如氮化钽 / 钽（TaN/Ta）结构。
- 优化与创新：随着技术节点的缩小，铜互连的可靠性问题逐渐显现，如电迁移、漏电和击穿等。研究人员不断优化铜互连的工艺，包括改进沉积和蚀刻技术、开发新型阻挡层材料（如钌、钴等）以及探索更高效的铜沉积工艺。
- 应用与探索：随着技术进入 7nm 及以下节点，铜互连的电阻效应和尺寸效应问题日益突出，促使行业开始探索铜的替代材料，如钌、钴等。尽管如此，铜在短距离互联中仍因其成本低、性能稳定而保持优势。
铜互连工艺的应用领域广泛，涵盖了多个关键领域，推动了芯片性能的提升和集成度的提高。
- 超大规模集成电路（VLSI）制造：铜互连技术广泛应用于超大规模集成电路制造中，取代传统铝互连，因其具有更低的电阻率、更好的抗电迁移性能和更高的导热性，能够有效降低功耗和提高芯片性能。
- 先进封装技术：在先进封装技术中，如硅通孔（TSV）技术实现多层芯片的垂直互连，以及 Bump、RDL 等技术实现芯片间的电气连接，铜互连发挥着重要作用。
- 高性能计算与通信设备：在高端微处理器、存储器芯片等高性能计算设备中，铜互连技术能够支持更高的电流密度和更低的功耗，满足高速数据处理的需求。
- 功率器件与 IGBT 模块：在功率器件中，铜互连技术可以降低 IGBT 模块的功率损耗，提升散热能力，提高模块功率密度和可靠性。
- 化学机械抛光（CMP）：铜互连工艺在 CMP 技术中起着关键作用，用于去除互连结构中的多余铜层，确保表面平整度。
- 低介电常数（low - k）材料集成：与低介电常数材料结合使用，铜互连技术可以减少互连结构中的寄生电容，提高芯片性能。
- 三维集成电路（3D IC）：在三维集成电路中，铜互连技术用于实现芯片层之间的垂直互连，提高集成度和性能。
- 新型半导体材料：在氧化物半导体和柔性电子中，铜互连技术作为导电层或电极材料发挥关键作用。
铜互连工艺的关键技术步骤包括沉积、光刻与图案化、蚀刻、铜沉积、化学机械抛光（CMP）以及剥离与清洗等。
- 沉积：在硅片上依次沉积绝缘层（如 SiO?、TEOS、低 k 介质等），随后沉积阻挡层（如 TiN、TaN、SiN 等）和种子层（如 Cu/Ta），以确保铜的附着和防止扩散。
- 光刻与图案化：通过光刻技术在绝缘层上形成图案，定义通孔和沟槽的位置。光刻技术的精度直接影响到互连结构的尺寸和形状。
- 蚀刻：使用等离子体刻蚀或化学蚀刻技术，在绝缘层上形成通孔和沟槽。蚀刻工艺的质量直接影响到互连结构的性能和可靠性。
- 铜沉积：采用电镀（ECD）或化学气相沉积（CVD）等方法，在通孔和沟槽中填充铜。铜沉积工艺的质量直接影响到铜互连的性能和可靠性。
- 化学机械抛光（CMP）：去除多余的铜层，使铜层与绝缘层表面齐平。CMP 工艺可以提高互连结构的平整度和表面质量，减少信号干扰。
- 剥离与清洗：去除光刻胶和残留的阻挡层或种子层。剥离与清洗工艺可以提高互连结构的清洁度和可靠性。
铜互连材料具有优异的物理化学特性，使其成为先进集成电路中不可或缺的互连材料。
- 电阻率：铜具有较低的电阻率（约 1.67 μΩ?cm），这使其成为低电阻互连的理想选择，尤其在纳米级集成电路中，铜的低电阻率显著降低了 RC 延迟和功耗。
- 导电性：铜的导电性优异，能够有效传输电流，是未来集成电路中潜力的互连材料之一。
- 抗电迁移能力：铜相比铝具有更强的抗电迁移能力，这使其在高密度互连结构中更加可靠。
- 热稳定性：铜具有良好的热传导系数，能够有效散热，同时在高温下仍能保持较高的导电性和机械强度。
- 与衬底的附着力：铜与硅基底之间的附着力较差，容易发生剥离或扩散。为了解决这一问题，研究者开发了过渡层（如氮化钛、氮化钽等）来增强铜与衬底之间的结合力。
- 扩散阻挡性能：铜容易向硅基底扩散，影响器件性能。为此，研究者引入了多种扩散阻挡层材料，如氮化物（TaN、TiN）、金属化合物（Ru、Co）和自组装分子层（SAMs）等，以防止铜扩散。
- 化学稳定性：铜在空气中容易氧化，形成氧化铜层，这会增加接触电阻。为了防止氧化，研究者在铜互连中添加了抗氧化剂（如抗坏血酸）或使用保护性气体（如 N?）进行烧结。
- 加工性能：铜的电镀工艺成熟，尤其是在酸性硫酸铜体系中，能够实现高电流密度和均匀的铜沉积，适用于深沟槽和通孔的填充。
- 界面反应：铜与介电材料（如低介电常数材料）之间的界面反应对互连性能至关重要。研究表明，界面的粘附性和稳定性是影响铜互连可靠性的重要因素。
- 微观结构：铜的微观结构（如晶粒尺寸、织构）对互连性能有显著影响。研究表明，通过控制沉积条件（如温度、压力、气体组成）可以优化铜的微观结构，从而提高其导电性和抗电迁移能力。
铜互连工艺在先进集成电路制造中面临着电迁移和可靠性等挑战。
- 电迁移问题：随着芯片尺寸的不断缩小，铜互连的电迁移问题逐渐成为影响集成电路可靠性的关键因素之一。电迁移会导致铜原子从某些区域流失，形成空洞，增加互连电阻，阻碍电流传输，甚至引发短路或断路。为了解决电迁移问题，业界提出了多种改进措施，如优化通孔倾角、实现阻挡层的完全反溅射和改善铜表面处理，采用新型阻挡层材料（如钴、钌），以及改进互连工艺（如空气隙技术和应力缓冲层沉积）。
- 可靠性问题：铜互连的可靠性还受到铜污染和沉积问题的影响。铜污染可以通过采用氮化钽 / 钽结构来阻挡铜原子的扩散，沉积问题可以通过大马士革工艺和化学机械平坦化抛光研磨工艺来解决。此外，随着工艺节点的缩小，大马士革工艺需要精准控制沟槽尺寸并降低介质层损伤，因此业界开发了金属硬掩模层一体化刻蚀工艺。
铜互连与传统铝互连在半导体制造中具有显著的对比优势。
- 性能优势：铜的电阻率比铝低约 60%，这使得铜互连在降低互连线电阻和 RC 延迟方面具有明显优势，从而提升芯片速度和性能。此外，铜的抗电迁移能力远优于铝，其电流密度上限可达 5×10? A/cm2，而铝仅为 2×10? A/cm2，这使得铜互连在高密度集成中更加可靠。
- 工艺流程差异：铜互连通常采用大马士革工艺，通过先刻蚀介质层再填充铜的方式实现，而铝互连则采用传统的沉积和刻蚀工艺。铜互连工艺在介质层处理上更为复杂，但能够实现更精细的互连结构。
- 寄生电容与信号串扰：铜互连的寄生电容较小，信号串扰也较少，这对高速集成电路尤为重要。
- 挑战：铜互连也面临一些挑战，如 TDDB（时间相关介质击穿）问题，这在低 k 介质材料中尤为突出。尽管如此，铜互连因其在电阻、电迁移、导热等方面的综合优势，已成为先进制程集成电路中主流的互连材料。
