在芯片（集成电路）中，金属层是位于晶体管（有源器件）之上，用于连接各个晶体管、电阻、电容等元件，形成完整功能电路的导电互连网络。你可以把它想象成一座超大规模立体城市的“多层高速公路系统”：在行业内通常被称为 “互连层” ，其作用远不止是简单的导线。它是现代芯片的“循环系统”和“神经系统”，对芯片的性能、功耗、可靠性和成本有着决定性的影响。

• 晶体管是城市的“建筑”（住房、商场、工厂）。

• 金属连线就是连接这些建筑的“道路、立交桥和高架桥”。

• 层间介质是道路之间的“空气和支撑结构”。

• 接触孔和通孔是连接不同层道路的“匝道和楼梯”。

  
  

  
  

二，金属层的核心作用：

1. 电气互连：将芯片上数亿甚至数百亿个晶体管按照电路设计连接起来，传递电信号和电源。

2. 供电网络：为整个芯片提供稳定、低噪声的电源（VDD）和地（GND），通常由最上层较厚的金属层专门负责。

3. 信号传输：承载数据信号在芯片内部不同功能模块（如CPU核心、缓存、I/O接口）之间高速传输。

   散热通道：一定程度上帮助芯片内部产生的热量传导出去。

   

三，金属层的材料介绍:

  主流材料：

• 铝：早期主导材料，工艺成熟、成本低，但电阻率较高，易发生电迁移问题，制约了先进制程发展。首先，其电阻率相对较高（约2.65 µΩ·cm），导致信号延迟和功耗增加；其次，铝在电流作用下易发生电迁移现象，即金属原子随电子流定向移动，从而在导线中形成空洞或小丘，最终造成电路开路或短路，可靠性下降。这些问题在进入亚微米节点后成为性能提升的主要瓶颈。

• 铜：自0.13微米节点后成为绝对主流。其电阻率显著低于铝，抗电迁移能力更强，配合双大马士革工艺，实现了更小尺寸、更高速度的互连。但需使用钽/氮化钽等阻挡层防止其扩散污染硅器件。

        为解决铝的瓶颈，自上世纪90年代末的0.13微米节点起，产业界完成了一次重大材料革命——全面转向铜互连。铜的电阻率（约1.68 µΩ·cm）显著低于铝，意味着更快的信号速度和更低的功耗。同时，铜的抗电迁移能力远优于铝，大幅提升了芯片的长期可靠性。这次转变也伴随着工艺革命：由于铜难以被干法刻蚀，业界引入了双大马士革工艺（又称镶嵌工艺），即先刻蚀介质层图形，再沉积铜并抛光。关键的是，为了防止铜原子扩散到周围的硅和介质层中造成污染，必须在铜导线周围包裹一层阻挡层/衬里，通常使用钽/氮化钽等材料。这项由IBM引领的技术已成为过去二十多年的行业标准。

  
  

  新材料：

• 钴：已局部应用于导线接触点、阻挡层或作为超薄铜线的覆盖层，以改善可靠性和填充能力。已率先在先进制程中实用化。因其在超细尺寸下具有更优的填充能力、抗电迁移性和相对较低的散射效应，常被用于局部互连层（如晶体管接触点）、铜导线的覆盖层（封盖层），或作为超薄阻挡层，以改善整体互连可靠性并降低电阻。

• 钌：作为潜在铜替代品，因其体电阻率低、无需阻挡层，有望减少导线体积和电阻，是2纳米以下节点的研究重点。是最有潜力的铜替代候选者之一。它具有较低的体电阻率，且关键特性是不易扩散，可能允许使用更薄甚至无需传统阻挡层，从而在纳米尺度下增加有效导电面积。钌的“直接刻蚀”工艺也正在研究中，可能成为大马士革工艺的替代方案。

• 钼等其他金属也在评估之中。

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