来源：Lam Research-Tech Brief: An Introduction to Interconnects；前段时间，我们在 Applied Materials logic 大师课里了解了最前沿的金属互连，那么金属互连工艺是怎么一步步发展的呢？我们常听闻，先进芯片内部集成数十亿个晶体管 —— 这固然是震撼人心的事实，但你是否了解：一枚指甲盖大小的大规模集成芯片，其多层堆叠结构中，互连 “导线” 总长可达约 30 英里。这类导线如同高速路网与传输管道，负责传导电子、连接晶体管及各类元器件，保障芯片整体正常运作。就好比跑车行驶速度会受高速路拥堵程度影响，芯片的性能强弱，也取决于信号与电力在这些超微型导线中的传输效率。事实上，随着芯片制程尺寸持续微缩，互连结构已然成为当前顶尖先进芯片的运行速度瓶颈。接下来，我们就详细了解一下互连技术。芯片制造的前段制程（front-end-of-line，FEOL）中，晶圆上会完成晶体管、电容等独立元器件的制备。而在后段制程（back-end-of-line，BEOL），需将各类元器件相互连通，实现信号、电源与接地的分配。芯片表面空间有限，无法通过单层布线完成全部连接，因此芯片厂商会搭建多层垂直互连结构。结构简单的集成电路仅有少数几层金属布线，而复杂高端集成电路的布线层数可达十层及以上。紧贴晶体管的互连线路尺寸极小，需适配密集排布的微型元器件，这类底层线路被称作局部互连（Local interconnects），特点是细而短。全局互连（Global interconnects） 位于上层结构，负责芯片不同电路模块之间的信号传输，通常更粗、更长，线路间距也更大。不同互连层之间的连接结构称为通孔（Vias），实现信号与电力的跨层传输。左侧为芯片剖面结构图，移除所有结构后仅保留用于集成电路连接的金属线路：2 层金属线路位于上方，通过垂直通孔与 1 层金属线路相连；1 层金属线路再经由两个通孔，与芯片底层的器件晶体管导通。右侧为完整集成电路结构示意图，全局互连堆叠于局部互连上方。数十年来，铝互连一直是行业通用标准。传统工艺会先沉积铝金属层，再通过光刻刻蚀完成线路图形化，最后沉积绝缘介质隔离导电线路。20 世纪 90 年代末，芯片行业全面改用铜互连。铜的导电性能优于铝，原理类似铜底厨具比全铝厨具导热更快。高导电铜线路大幅提升了集成电路整体性能，同时铜线路可做得更精细，适配晶体管尺寸微缩的发展趋势，且耐用性、稳定性更强。但铜互连的制备工艺复杂度大幅提升，行业为此研发了全新制造体系。铜互连工艺流程：首先沉积二氧化硅等绝缘介质材料，刻蚀形成沟槽；再利用化学电镀工艺向沟槽内填充铜金属；最后去除多余表层铜材，打磨平整，为后续制程提供平整基底。铝互连流程：铝层沉积 → 铝刻蚀 → 介质间隙填充铜互连流程：介质沉积 → 介质刻蚀 → 铜金属填充 → 多余铜材去除 长期以来，晶体管尺寸不断大幅缩小，互连线路也必须同步微缩。如今，传统铜互连工艺在制程迭代中遭遇核心阻碍，也就是 RC 挑战。电阻（Resistance, R）：表征电流通过材料横截面的难易程度，由材料原子排列方式与间距决定。电容（Capacitance, C）：表征材料储存电荷的能力。芯片运行速度与 RC 值成反比，RC 乘积越低，芯片运行速率越快，因此降低 RC 是打造高速芯片的核心目标。线路电阻越高，载流能力越弱，芯片运行速度随之下降。高电阻会阻碍电子流动，延长晶体管栅极达到开启阈值电压的充电时间。虽然制程微缩持续优化晶体管运行速度，但互连线路的高阻问题，会拖慢晶体管间的电子传输，抵消制程升级带来的性能增益。线路宽度越小，铜互连电阻呈指数级飙升；宽幅铜芯线路电阻更低，窄幅铜芯线路电阻显著升高。左侧配有一张图表，纵轴为铜线电阻（任意单位），横轴为线宽（纳米），取值范围 0 至 60 nm。曲线在约 12 nm 处处于图表高位，随后向右下方急剧下降，在线宽约 52 nm 处降至图表低位。右侧图示展示了绝缘介质中宽铜芯与窄铜芯的结构差异。电容大小取决于金属线路外围的绝缘介质材料，以及线路之间的间距。电容过高会拖慢信号传输速度，还会引发串扰（cross talk） 问题。单条线路的电压信号波动，干扰相邻线路，最终导致芯片故障。除优化线路间距外，低 k 介质材料的研发有效降低了电容。现阶段主流介质材料介电常数 k 值约为 2.5，而纯二氧化硅 k 值高达 4.2。业界虽有多种降 k 技术方案，但介电常数越低，超低 k 介质薄膜脆性越强，大幅增加量产制造难度。为突破制程限制、解决 RC 难题，行业聚焦金属材料与薄膜结构优化，持续探索技术路线，延长铜互连的使用寿命。标准铜互连线路为多层复合结构：氮化钽阻挡层（防止金属扩散至介质）+ 钽阻挡衬垫层（liner，增强薄膜结合力）+ 铜籽晶层（引导电镀填铜）+ 核心导电铜层。当前研发的重点是探索优化阻挡层、衬垫层与籽晶层结构，降低整体电阻，压缩薄膜厚度，为核心铜导线预留更多空间，适配微缩制程。- 减薄高阻阻挡层与衬垫层，但薄膜减薄存在物理极限，为保障绝缘与稳定性，单层薄膜最小厚度需维持 1.5–2 nm，沟槽两侧复合薄膜总厚度可达 3–4 nm，进一步缩减空间有限。
- 自成型阻挡层：可与铜线路周边介质自发反应成型，省去传统厚阻挡层，扩充铜线路有效截面积；
- 替代金属衬垫：钴、钌等新型材料逐步替代钽材质，与铜籽晶层结合性更佳，可实现超薄共形镀膜，杜绝线路空洞缺陷；目前，无空洞超细沟槽填铜技术已实现量产应用。
Lam Research | ALTUS® Halo Mo ALD 沉积系统
然而，在 5 nm 制程节点附近，传统铜材料将难以适配极致微缩的布线需求。未来超微缩线路，需要淘汰铜材料，采用无阻挡层新型导电金属作为替代。除金属材料升级外，介质材料革新同样是研发重点。行业终极目标是无限压低介电常数，理想极限为 k=1（空气介质）。气隙（air gaps） 技术已完成技术验证，但制备工艺复杂、生产成本高昂，难以大规模量产落地。综上，互连技术的迭代升级，将围绕新型金属材料、电路架构创新、制造工艺革新三大方向推进，持续支撑芯片向更小制程、更高运算速度发展。
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