晶圓制造為什么大馬士革(Damascene)工藝替代鋁制程工藝？

先進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性能、制造工藝和可靠性等方面具有顯著優(yōu)勢。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，銅互連會比鋁互連具有更低的電阻，從而減少信號延遲，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，銅互連會產(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：電遷移是金屬原子在電流作用下的遷移現(xiàn)象，容易導致金屬互連斷裂或失效。銅的電遷移抗性遠優(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：大馬士革工藝允許在半導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。

無需復雜的阻擋層：鋁互連需要在工藝中添加復雜的阻擋層以防止擴散，而銅在大馬士革工藝中通常只需要較薄的阻擋層，簡化了制造工藝。

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現(xiàn)更小的線寬，從而提高互連的密度。這對于不斷縮小的制程節(jié)點尤為重要。

銅的大馬士革工藝在先進制程中替代鋁制程工藝主要是因為銅具有更低的電阻率、更好的電遷移抗性和熱穩(wěn)定性，同時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。

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