铝作为集成电路制造的互连材料，是早期应用最广泛的金属。因为金和银的价格比铝高，铜和银在硅和二氧化硅中的扩散率很高，并且铜难以用干法或者湿法刻蚀形成互连线图案，这些都限制了金、银和铜在集成电路制造中的应用。

铝作为集成电路制造的互连材料具有几方面的优点：第一点是铝能够很容易附着在氧化硅上，因为铝能与氧化硅反应形成氧化铝界面，使铝附着在氧化硅上。第二点是铝成本低廉，电阻率较低。第三点是刻蚀铝的工艺简单，可以通过干法或者湿法刻蚀形成铝互连线。第四点是淀积铝的工艺简单，可以通过CVD和PVD的方式淀积铝薄膜，利用PVD 方式淀积的铝薄膜质量会更好，并且电阻率会更低。

淀积铝的 PVD类型包括真空蒸发、电子束加热、RF溅射、磁控溅射和离子化的金属等离子体溅射。其中常用的淀积铝薄膜的技术是 RF 溅射、磁控溅射和离子化的金属等离子体溅射。

用纯铝做互连金属材料会产生两个问题：第一个是“铝穿刺”问题；第二个是电迁移问题。

“铝穿刺”是指纯铝与硅会产生相互扩散，铝会穿透有源区进入衬底，导致有源区与衬底发生穿通的现象。图3-133所示为“铝穿刺”的示意图。为了在有源区接触孔形成合金接触，淀积铝金属填充接触孔后，需要进行低温退火形成欧姆接触，欧姆接触具有较低的电阻。在形成欧姆接触的过程中，纯铝与有源区的硅直接接触，有源区的硅会向铝金属中扩散并溶解到铝中，并在有源区形成空洞，铝会填充空洞形成铝金属锥，在450°C时硅在纯铝的溶解度是0.5%，500°C时硅在纯铝的溶解度是1%。

可以有两种方法改善“铝穿刺”问题：第一种方法是利用含1%硅的铝合金材料代替纯铝材料防止硅向铝金属中扩散溶解而产生“铝穿刺”问题，因为硅在铝中的饱和溶解度大约是1%；第二种方法是淀积金属第前先预淀积一层金属层（Ti和TiN）作为阻挡层，隔离铝金属与硅，防止硅向铝金属中扩散溶解而产生“铝穿刺”，图3-134 所示为预淀积阻挡层的示意图。

电迁移是指电流流过铝互连线时，电子与铝原子发生碰撞，电子的动量会转移到铝原子，引起铝原子在电流的方向上发生移动而产生金属原子堆积，形成小丘导致互连线开路或者短路。金属铝是一种多晶材料，它由许多小的金属单晶颗粒组成，金属单晶颗粒又由金属原子组成。当电流流过铝互连线时，电子流不断沿着单晶纹理碰撞单晶颗粒和金属原子，在这个过程中电子把动量传递给单晶颗粒和金属原子，一些较小的单晶颗粒和金属原子开始松动并沿着纹理向电流的方向移动，它们会产生位移，形成空隙从而破坏铝互连线，在铝互连线损坏的区域，电子流会更加集中，电流密度会更高，这样反而加剧电子流轰击单晶颗粒以及金属原子，导致更多的单晶颗粒和金属原子位移，最终迫使铝互连线形成开路。单晶颗粒和金属原子消耗的区域形成开路，单晶颗粒和金属原子堆积的区域形成小丘，如果表面凸出的小丘足够高大，会造成相邻的金属互连线或者上下层金属线短路。图3-135所示为铝互连线电迁移的示意图。铝互连线的电迁移问题严重影响了集成电路的可靠性，电迁移会使最初能正常工作的电路受损，最终导致芯片失效。

可以有两种方法改善电迁移问题。第一种方法是利用铝铜合金代替纯铝材料做互连金属材料来改善电迁移。因为铜原子比铝原子重，它可以有效地抑制铝单晶颗粒移动，从而达到改善铝金属互连线电迁移的问题。铜的浓度越高，铝铜合金抵御电迁移的能力越强。然而高的铜浓度会使金属刻蚀过程变得困难，因铝铜合金的刻蚀气体的主要成分是氯，金属刻蚀过程中铜的刻蚀副产物是氯化铜，但是氯化铜的挥发性很低，会形成残留物影响良率。第二种方法是利用三文治结构（TiN/AI/I/TiN）改善电迁移，上下覆盖层 TiN 可以防止铝金属堆积小丘。

亚微米和深亚微米技术铝互连线的实现过程是首选淀积下表面阻挡层钛和氮化钛，然后淀积含铜0.5%~4%的铝铜合金，再淀积表面阻挡层氮化钛，最后通过光刻和刻蚀形成铝互连线。图3-136所示为铝互连线工艺过程的示意图，其中图3-136a是未淀积金属前；图3-136b是淀积Ti和TiN；图3-136c是淀积 AICu 合金；图3-136d是淀积TiN；图3-136e是金属层光刻：图3-136f是金属层刻蚀，并形成金属互连线。

随着技术的进步，电路和互连线密度不断增加，而互连线的间距变得越来越窄，互连线之间的寄生电容，以及互连线与衬底的寄生电容越来越大，电路的速度受 RC的影响变得越来越严重。

可以通过几种途径减小 RC：第一种是通过增加 ILD的厚度来减小互连线与衬底的寄生电容；第二种是增加金属互连线的层数和利用厚金属线来减小电阻，目前金属互连线的层数正在持续增加到9到10层；第三种是利用低K介质（FSG）或者超低K 介质材料代替 USG，从而减小寄生电容C；第四种是利用电阻率更低的铜代替铝铜合金作为金属互连材料，铜的电阻率比铝的电阻率小36%。例如在0.13μm 及以下的工艺技术采用铜做互连金属材料，这样可以有效地降低RC，提高电路的速度。