在先进逻辑芯片中，互连技术决定芯片性能。晶体管负责信号切换，互连线承担电气连接与信号传输。BEOL 阶段的铜互连广泛应用之前，铝是主流，但铜因更低电阻（1.68 μΩ·cm vs 2.67 μΩ·cm）和更强抗电迁移能力而取代铝。铜大马士革工艺结合化学机械抛光（CMP）解决了铜刻蚀难题，使铜互连在 90 纳米及以下工艺成为主流。
铜互连面临的微缩瓶颈
随着芯片线宽缩小至 10 纳米以下，铜互连电阻升高，可靠性下降，主要挑战包括：
- 晶界散射加剧：晶粒尺寸减小，电子散射增加，电阻升高。
- 扩散与腐蚀问题：铜易扩散、需防扩散层，易腐蚀需盖帽层，增加电阻。
- 电阻尺寸效应显著：纳米线下电阻可能是块体材料数十倍。
解决方法包括：
- 晶粒优化：纳秒激光退火促进晶粒长大，减少晶界散射。
- 辅助层优化：钴（Co）衬里与盖帽层提升填充率和可靠性，台积电、英特尔均已应用。
下一代互连材料探索
由于铜本身特性受限，材料创新是关键：
- 单质金属：
- 钴（Co）：抗电迁移、尺寸效应弱，10 纳米下性能优于铜。
- 钌（Ru）：纳米级尺寸电阻接近铜，熔点高、可靠性强，但成本高。
- 钼（Mo）：低电阻，无需阻挡层，适合原子层沉积（ALD），但氧化问题需优化。
- 金属间化合物：NiAl、CuAl、RuAl 在 <8 纳米线宽下电阻低、扩散稳定性好，适合无衬里互连。
- 拓扑半金属与二维材料：
- 拓扑半金属（如 MoP）保持高迁移率，尺寸缩小时性能稳定。
- 石墨烯与非晶氮化硼（a-BN）组合可实现高效二维互连，但制备与工艺兼容性仍是挑战。
AI 赋能互连材料设计
- 加速材料筛选：机器学习可模拟实验，降低研发成本。
- 优化多性能指标：AI 可协同预测导电性、抗电迁移性。
- 挑战：数据稀缺、模型黑盒化问题，需迁移学习、数据增强等方法。
产业挑战
- 新材料产业化需克服工艺兼容、成本控制与可靠性验证。
- 铜互连制备技术（大马士革工艺）与新材料兼容性关键。
- 材料创新与工艺优化协同推进，将重塑半导体制造格局。
