随着半导体工艺节点不断向7nm、5nm及以下先进制程迈进，芯片内部的互连技术成为决定芯片性能、功耗和可靠性的关键因素之一，在Intel的芯片制造技术体系中，铜互连技术作为连接晶体管、实现信号传输和电力分配的核心技术，经历了多次迭代升级，为高性能计算和人工智能等领域的突破提供了坚实基础。
铜互连技术的核心优势在于其低电阻率和高电流承载能力，相较于早期铝互连技术，铜的电阻率降低约40%，能有效降低信号传输延迟和功耗，同时支持更高的集成密度，Intel在90nm工艺节点首次引入铜互连技术时，便通过双镶嵌（Dual Damascene）工艺解决了铜难于刻蚀和易污染的问题，该工艺通过先刻蚀沟槽再沉积铜的方式，实现了铜互连线和通孔（Via）的一体化成型，大幅提升了互连结构的可靠性和良率，随着工艺节点微缩，互连线的RC（电阻-电容）延迟成为限制芯片频率提升的主要瓶颈，为此Intel在65nm节点引入了低k介质材料，通过降低互连线间的介质常数来减小电容，进一步优化信号传输性能。
进入22nm及14nm FinFET时代，互连技术面临更严峻的挑战：互连线条宽缩小至数十纳米级别，铜的电子迁移效应加剧，易导致互连线失效；多层互连堆叠带来的应力效应也影响晶体管性能，针对这些问题，Intel开发了创新的钴（Co）阻挡层/衬里技术，用钴替代传统的钽（Ta）阻挡层，不仅降低了接触电阻，还提高了互连结构的抗电迁移能力，Intel还引入了“自对准多重图案化”（SADP）技术，通过光刻和刻蚀的组合工艺实现更精细的互连线条间距，突破了传统光刻设备的分辨率限制。
在10nm及以下先进制程中，Intel进一步优化了铜互连的层级结构，采用“混合键合”（Hybrid Bonding）技术实现更高密度的互连连接，支持三维堆叠芯片的高带宽数据传输，在Intel的Foveros 3D封装技术中，铜互连层通过微米级的凸点（Bump）实现芯片间的垂直互连，带宽提升高达10倍，同时降低了功耗，Intel还在7nm节点引入了“选择性镶嵌”（Selective Electroplating）工艺，通过精确控制铜的沉积位置，减少互连缺陷，进一步提升良率和可靠性。
为了应对AI和高性能计算对更高带宽和更低延迟的需求，Intel正在研究下一代互连技术，包括“光互连”和“碳纳米管互连”，光互连利用光信号替代电信号传输，有望彻底解决RC延迟问题；而碳纳米管互连凭借其优异的导电性和机械强度，可能成为后摩尔时代互连技术的备选方案，Intel已通过实验室验证了碳纳米管互连在10nm节点的可行性，其电阻率低于铜，且抗电迁移能力提升数倍。
以下是Intel铜互连技术关键演进节点的对比：
| 工艺节点 | 关键技术突破 | 性能提升 |
|---|---|---|
| 90nm | 首次引入双镶嵌铜互连 | 电阻率降低40% |
| 65nm | 低k介质材料应用 | 电容降低20%，延迟降低15% |
| 22nm/14nm | 钴阻挡层/SADP技术 | 抗电迁移能力提升3倍，线条间距缩小35% |
| 10nm | 混合键合/选择性镶嵌 | 3D互连带宽提升10倍，良率提升25% |
| 7nm及以下 | 碳纳米管互连研发 | 电阻率降低30%，抗电迁移能力提升5倍（实验室阶段） |
相关问答FAQs
Q1：铜互连技术相比铝互连有哪些核心优势？
A1：铜互连的核心优势在于低电阻率（比铝低约40%），能显著降低信号传输延迟和功耗；铜的高电流承载能力支持更高集成密度的芯片设计，铜的抗电迁移能力优于铝，可延长芯片使用寿命，通过双镶嵌等工艺，铜互连还实现了更精细的线条结构，满足先进制程的微缩需求。
Q2：Intel在铜互连技术中如何解决电迁移问题？
A2：Intel通过多重技术手段解决电迁移问题：一是采用钴（Co）阻挡层替代传统钽（Ta），降低界面电阻并增强铜原子稳定性；二是优化互连结构设计，如增加线条宽度和厚度比例；三是引入“应力工程”技术，通过 surrounding介质材料调节铜晶格结构，抑制原子迁移，在7nm及以下节点，还探索了碳纳米管等新材料,从根本上提升抗电迁移能力。
