晶圓制造為什么大馬士革(Damascene)工藝替代鋁制程工藝？

先進(jìn)制程中金屬互連層使用銅的大馬士革(Damascene)工藝，而不是用鋁制程工藝，主要原因包括銅在電學(xué)性能、制造工藝和可靠性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。原因分析如下：

1. 電阻率

銅的電阻率較低：銅的電阻率約為1.68 μΩ·cm，而鋁的電阻率約為2.82 μΩ·cm。這意味著在相同的尺寸下，銅互連會(huì)比鋁互連具有更低的電阻，從而減少信號(hào)延遲，提高芯片的工作速度。

高頻性能更好：由于銅的低電阻率，在高頻工作時(shí)，銅互連會(huì)產(chǎn)生更少的寄生效應(yīng)，從而提高高頻電路的性能。

2. 電遷移抗性

銅的電遷移抗性更強(qiáng)：電遷移是金屬原子在電流作用下的遷移現(xiàn)象，容易導(dǎo)致金屬互連斷裂或失效。銅的電遷移抗性遠(yuǎn)優(yōu)于鋁，因此在高密度和高電流密度的情況下，銅互連的可靠性更高。

3. 制造工藝

大馬士革工藝優(yōu)勢(shì)：大馬士革工藝允許在半導(dǎo)體芯片上精確地嵌入銅線。這種工藝是通過在絕緣層中刻蝕出線條或通孔，再填充銅，最后進(jìn)行平坦化處理。這種方法使得銅互連具有更好的結(jié)構(gòu)完整性和更少的缺陷。

無(wú)需復(fù)雜的阻擋層：鋁互連需要在工藝中添加復(fù)雜的阻擋層以防止擴(kuò)散，而銅在大馬士革工藝中通常只需要較薄的阻擋層，簡(jiǎn)化了制造工藝。

4. 熱穩(wěn)定性

銅的熱穩(wěn)定性更好：銅在高溫下的性能穩(wěn)定性優(yōu)于鋁，這對(duì)于制造過程中涉及的高溫工藝以及芯片在高溫環(huán)境下的可靠性至關(guān)重要。

5. 互連密度

更高的互連密度：由于銅的電阻率較低，可以在相同的電流密度下實(shí)現(xiàn)更小的線寬，從而提高互連的密度。這對(duì)于不斷縮小的制程節(jié)點(diǎn)尤為重要。

銅的大馬士革工藝在先進(jìn)制程中替代鋁制程工藝主要是因?yàn)殂~具有更低的電阻率、更好的電遷移抗性和熱穩(wěn)定性，同時(shí)大馬士革工藝提供了精確的線條定義和較高的互連密度。這些因素綜合起來，使得銅互連在高性能和高密度集成電路中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

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