集成電路最初用鋁作為導(dǎo)體，二氧化硅作為絕緣體（電介質(zhì)），構(gòu)建一個(gè)互連層，來(lái)將多個(gè)器件連接在一起。整個(gè)互連的過程由鋁沉積在晶圓表面開始，隨后通過選擇性刻蝕形成布線圖案，沉積氧化物絕緣體，并利用化學(xué)機(jī)械平坦化 (CMP) 工藝將粗糙的表面變得平坦。

20 世紀(jì) 80 年代后期，隨著器件特征尺寸繼續(xù)縮小，越來(lái)越薄的鋁線無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需的速度和電性能，因此需要一種性能更優(yōu)的導(dǎo)電材料，以適應(yīng)繼續(xù)縮小的器件尺寸，同時(shí)保持芯片制造商預(yù)期的成本效益。多年來(lái)，該行業(yè)的發(fā)展大致遵循摩爾定律，即晶體管密度每 18 個(gè)月翻一倍。然而，由于鋁互連的電性能局限性，芯片的微縮將無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，業(yè)內(nèi)人士便開始尋找可替代材料。

人們首先想到的是銅，它具有更低的電阻率，且可實(shí)現(xiàn)更快的器件速度。此外，銅并不像鋁那樣容易發(fā)生電遷移，所以具有更高的可靠性。電遷移中，電流推動(dòng)導(dǎo)線中的金屬原子，會(huì)導(dǎo)致電阻增加，最終造成電路故障。然而，使用等離子（帶電氣體）工藝刻蝕銅的方法并不可行。由于銅不容易形成揮發(fā)性化合物，因此，通過干法刻蝕并不能輕松地將其從晶片表面除去。芯片若要實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步微縮，亟需一種合適的新導(dǎo)體，或截然不同的圖形化工藝，或兩者的組合。

業(yè)內(nèi)一直在研究其它導(dǎo)體材料，相較之下，銅的電氣特性使其成為最佳選擇。工程師開始考慮使用鑲嵌工藝，即借鑒大馬士革的珠寶行業(yè)，先在基底金屬上刻蝕圖案，再將貴金屬嵌入圖案之中。該工藝?yán)@過刻蝕銅的難題，先沉積和刻蝕電介質(zhì)材料，形成由溝槽和孔洞組成的圖案（即鑲嵌金屬的模具）。然后，僅將金屬填充到圖案中，而不是在整個(gè)晶圓表面沉積金屬膜。

1995 年左右，IBM 和 Novellus Systems（現(xiàn)已并入泛林集團(tuán)）正在合作研究適合銅的電化學(xué)沉積 (ECD) 或金屬電鍍工藝。IBM 的電鍍解決方案可實(shí)現(xiàn)從下往上鍍銅，避免高深寬比結(jié)構(gòu)中的空隙缺陷。該工藝（后被稱為 Novellus Electrofill?）被用于SABRE? 金屬電鍍機(jī)臺(tái)系列。Novellus 領(lǐng)導(dǎo)成立“大馬士革聯(lián)盟”，以解決關(guān)鍵集成問題，加快工藝的采用。

從那時(shí)起，銅就成為了首選互連材料。先進(jìn)芯片中的互連材料首尾連接可長(zhǎng)達(dá)約 30 英里。為滿足最先進(jìn)半導(dǎo)體器件的性能和可靠性要求，一些最窄（最密集）的互連層已從銅過渡到鈷，這也是由 SABRE 實(shí)現(xiàn)的。為了將銅可擴(kuò)展性應(yīng)用到 5 nm 以及更小節(jié)點(diǎn)，業(yè)內(nèi)還在積極推動(dòng)新技術(shù)和新合作。幾乎可以肯定的是，憑借高導(dǎo)電性，銅將在未來(lái) 20 年內(nèi)繼續(xù)被用于上層互連層。讓我們期待銅應(yīng)用史的下一個(gè)里程碑。