晶圆制造为什么大马士革(Damascene)工艺替代铝制程工艺？

先进制程中金属互连层使用铜的大马士革(Damascene)工艺，而不是用铝制程工艺，主要原因包括铜在电学性能、制造工艺和可靠性等方面具有显著优势。原因分析如下：

1. 电阻率

铜的电阻率较低：铜的电阻率约为1.68 µΩ·cm，而铝的电阻率约为2.82 µΩ·cm。这意味着在相同的尺寸下，铜互连会比铝互连具有更低的电阻，从而减少信号延迟，提高芯片的工作速度。

高频性能更好：由于铜的低电阻率，在高频工作时，铜互连会产生更少的寄生效应，从而提高高频电路的性能。

2. 电迁移抗性

铜的电迁移抗性更强：电迁移是金属原子在电流作用下的迁移现象，容易导致金属互连断裂或失效。铜的电迁移抗性远优于铝，因此在高密度和高电流密度的情况下，铜互连的可靠性更高。

3. 制造工艺

大马士革工艺优势：大马士革工艺允许在半导体芯片上精确地嵌入铜线。这种工艺是通过在绝缘层中刻蚀出线条或通孔，再填充铜，最后进行平坦化处理。这种方法使得铜互连具有更好的结构完整性和更少的缺陷。

无需复杂的阻挡层：铝互连需要在工艺中添加复杂的阻挡层以防止扩散，而铜在大马士革工艺中通常只需要较薄的阻挡层，简化了制造工艺。

4. 热稳定性

铜的热稳定性更好：铜在高温下的性能稳定性优于铝，这对于制造过程中涉及的高温工艺以及芯片在高温环境下的可靠性至关重要。

5. 互连密度

更高的互连密度：由于铜的电阻率较低，可以在相同的电流密度下实现更小的线宽，从而提高互连的密度。这对于不断缩小的制程节点尤为重要。

铜的大马士革工艺在先进制程中替代铝制程工艺主要是因为铜具有更低的电阻率、更好的电迁移抗性和热稳定性，同时大马士革工艺提供了精确的线条定义和较高的互连密度。这些因素综合起来，使得铜互连在高性能和高密度集成电路中具有不可替代的优势。

欢迎交流，来信请注明（姓名+公司+岗位）