摘要：2025年8月，半导体工程领域的权威媒体《Semiconductor Engineering》发表文章，探讨了铜互连技术在先进制程节点（10纳米以下）面临的瓶颈以及钌（Ruthenium）等新材料崛起的趋势。 近三十年来，铜一直是芯片互连的首选材料，因其高导电

2025年8月，半导体工程领域的权威媒体《Semiconductor Engineering》发表文章，探讨了铜互连技术在先进制程节点（10纳米以下）面临的瓶颈以及钌（Ruthenium）等新材料崛起的趋势。 近三十年来，铜一直是芯片互连的首选材料，因其高导电性和可靠性。然而，随着芯片尺寸缩小到10纳米以下，铜的电阻率剧增、扩散屏障层占用空间等问题，使其性能受到严重限制。行业专家指出，铜互连的“黄金时代”可能接近尾声，钌等替代材料正成为半导体行业的新焦点，为下一代芯片设计和制造开启新篇章。

互连线对线阻的影响（图片来源于网络，侵删）；

当互连线宽缩小到10纳米以下时，铜的电阻率因电子散射效应显著增加。据三星材料科学家Jun Hwan Moon的研究，当线宽小于铜的平均自由程（约40纳米）时，电阻率较体视材料增加约10倍。 这种现象源于电子在狭窄线宽中的边界散射，导致信号延迟和功耗上升，成为芯片性能的瓶颈。

铜互连需要3至4纳米的扩散屏障层（如TaN）以防止铜离子渗入周围的SiO2或SiOCH介质。然而，在10纳米线宽下，屏障层占用实际铜导线空间的比例显著增加。例如，一个10纳米宽的互连线可能仅有2至4纳米的实际铜导体，导致导电性能进一步下降。 这种空间压缩使得铜在超小型互连中的优势逐渐丧失。

铜在高电流密度下的电迁移（electromigration）问题也日益突出，尤其在双重镶嵌（dual damascene）工艺中，铜与盖帽界面的快速扩散路径削弱了可靠性。 此外，铜的电镀沉积和化学机械抛光（CMP）工艺在超小尺寸下面临挑战，增加了制造复杂性和成本。

钌因其低电阻、短平均自由程和优异的电迁移抗性，成为铜的潜在替代者。研究表明，在17纳米以下的线宽中，钌的导电性超越铜，且无需厚重的扩散屏障层，从而释放更多导线空间。 钌的这些特性使其特别适合本地互连层（local interconnects），为5纳米及以下节点提供了性能提升的可能。

与铜相比，钌更易于蚀刻，支持更灵活的工艺整合方案，如半镶嵌（semi-damascene）技术。 例如，imec提出的半镶嵌方案通过先 patterning 介电质堆叠中的通孔（via），再沉积钌并蚀刻形成线层，显著降低了电阻和工艺复杂性。 此外，钌与铜的界面兼容性良好，可作为铜互连的衬垫材料，降低整体电阻。

尽管钌表现出色，但其沉积（如电镀）和CMP去除仍面临技术难题。钌的沉积需要特殊的化学气相沉积（CVD）或原子层沉积（ALD）工艺，且成本较高。 此外，钌在某些场景下的机械稳定性不如铜，需进一步优化工艺以确保大规模生产可行性。

行业专家认为，铜不会立即被完全取代。在20纳米以上的较宽线层中，铜仍因其成本效益和成熟工艺占据主导地位。 一种可行的过渡方案是混合互连：使用钌通孔（via）结合铜线，显著降低整体电阻。例如，imec的模拟显示，在前四层互连中使用钌通孔可将电阻降低高达60%。 这种方案通过选择性沉积技术（如自组装单分子层，SAM）优化铜与钌的界面，进一步提升性能。

除了钌，钼（Molybdenum）和铑（Rhodium）也进入行业视野。钼因其低成本和与现有镶嵌工艺的兼容性受到关注，尤其在NAND、DRAM和逻辑应用中。 铑则因低表面散射和无需屏障层的特性被IBM等公司研究，尽管其高成本和稀有性限制了广泛应用。 这些材料的选择将取决于性能、成本和制造可行性的综合平衡。

为应对互连挑战，行业还在探索新工艺和新架构。例如，背面供电（backside power delivery）通过将电源线移至晶圆背面，缓解了正面互连的拥堵问题，降低电阻-电容（RC）延迟。 此外，空气间隙（air gaps）作为低介电常数（k=1）的介质，正在被研究以进一步降低电容，尽管其制造成本和一致性仍需优化。

随着晶体管尺寸缩小，互连的RC延迟已成为芯片性能的主要瓶颈。 先进芯片中，互连线总长可达30英里，信号传输速度直接影响整体性能。 铜互连在20纳米节点开始显现问题，10纳米以下的RC延迟增幅尤为显著，促使行业加速探索替代材料和技术。

全球半导体市场预计2026年突破7000亿美元，互连技术是关键驱动力。 台积电、英特尔、三星等巨头正积极布局钌和钼等新材料，试图在3纳米及以下节点抢占先机。 同时，地缘风险推动供应链多元化，印度等新兴市场的半导体投资（如180亿美元的10个项目）为新材料研发提供了新机遇。

AI芯片和高性能计算对互连的低延迟和高带宽要求更高，推动了钌等材料的采用。 例如，华为Mate XT等折叠屏手机的AI功能依赖于高效的芯片互连，而新材料的引入将进一步提升边缘计算性能。 行业专家预测，未来互连技术将与AI和5G技术深度融合，驱动下一代智能设备的发展。

铜互连的黄金时代虽未完全落幕，但在10纳米以下节点，其局限性已不可忽视。钌以其低电阻和工艺优势崭露头角，成为替代铜的热门选择，而钼和铑等材料也在加速探索中。混合互连、背面供电和空气间隙等创新方案，为半导体行业提供了过渡路径。行业专家建议，关注半导体技术的从业者和爱好者应密切跟踪钌互连的量产进展，这不仅将重塑芯片制造格局，还将为AI、5G和折叠屏设备带来全新可能。铜的终结并非终点，而是半导体技术迈向未来的起点！

来源：万物云联网