互连材料负责连接数以亿计的晶体管，以及芯片与外部电路，其性能直接决定了芯片的速度、功耗和可靠性。从早期的铝到现在的铜，再到未来的碳纳米管、石墨烯，互连材料的每一次升级，都是推动半导体技术向前的核心动力。

互连材料的核心使命是传输电信号 + 支撑结构集成。随着芯片制程不断突破，晶体管尺寸越来越小，数量越来越多，互连导线的宽度也跟着缩小到纳米级。这时候，互连材料的电阻率、抗电迁移能力、工艺兼容性就成了关键瓶颈。当制程进入 7nm 以下时，互连延迟已经超过晶体管开关延迟，成为制约芯片性能的主要因素 —— 简单说，芯片跑得够不够快，已经不是晶体管说了算，而是互连材料说了算。

先从最经典的铝互连说起。在 2000 年之前，铝是半导体互连的绝对主流。它的优势很明显：工艺成熟、成本低，与二氧化硅（SiO₂）介质层兼容性好，还能通过简单的刻蚀工艺形成导线。但铝的短板也致命：电阻率高达 2.7×10⁻⁸ Ω・m，抗电迁移能力弱。随着晶体管密度提升，铝导线的 RC 延迟越来越大，电迁移导致的导线断裂问题也愈发频繁 —— 这直接限制了芯片的高频性能和使用寿命。所以，当制程演进到 90nm 节点时，铝互连逐渐被铜互连取代。

铜互连的登场，堪称半导体技术的一次革命。铜的电阻率仅为 1.7×10⁻⁸ Ω・m，比铝低了近 40%，抗电迁移能力更是铝的 10 倍以上，完美解决了铝互连的痛点。但铜的应用也带来了新的工艺挑战：铜原子容易扩散到硅衬底中，导致晶体管失效。为此，工程师们开发了大马士革工艺—— 先在介质层中刻蚀出导线沟槽，再沉积阻挡层，最后填充铜并抛光。这个工艺虽然复杂，但彻底释放了铜互连的性能潜力，成为 90nm 到 3nm 制程的主流技术。目前，铜互连仍是高性能芯片的核心互连材料，支撑着 CPU、GPU 等高端器件的运行。

不过，当制程进入 3nm 及以下，铜互连也遇到了天花板。随着导线宽度缩小到 10nm 以下，铜的表面散射效应急剧增强，电阻率大幅上升，RC 延迟问题再次凸显。与此同时，先进封装技术的兴起，对互连材料提出了更高要求 —— 不仅要导电性能好，还要适配异质集成、垂直堆叠的场景。这时候，新型互连材料开始走上舞台。

第一个候选者是银。银的电阻率低至 1.6×10⁻⁸ Ω・m，是金属中导电性能最好的，抗电迁移能力也优于铜。但银的缺点很明显：容易氧化，且与现有工艺兼容性差，大规模应用还需要解决封装保护和成本问题，目前主要用于先进封装中的微凸点、键合线等场景。

更具未来潜力的是碳基材料，包括碳纳米管（CNTs）和石墨烯。碳纳米管的电阻率比铜低一个数量级，导热性能更是铜的 10 倍以上，而且几乎没有电迁移问题，是理想的超高密度互连材料。石墨烯同样具备超高导电导热性能，还能制成透明柔性的互连结构，适配柔性电子、可穿戴设备等新兴领域。不过，碳基材料的产业化还面临两大难题：一是难以大规模生长出长度均匀、排列整齐的碳纳米管；二是碳基材料与硅基工艺的集成难度大。目前，国内外科研机构和企业都在攻关这些技术，一旦突破，将为半导体技术带来新的飞跃。

除了导电材料，互连系统中的介质材料也不容忽视。传统的二氧化硅介质层介电常数较高，会增加 RC 延迟。为此，工程师们开发了低介电常数（low-k）介质材料，如多孔二氧化硅、有机聚合物等，进一步降低互连延迟。而在先进封装中，聚合物介质、玻璃介质等材料的应用，也为异质集成提供了支撑。

半导体互连材料的迭代史，就是一部突破性能瓶颈的进化史。从铝到铜，再到碳基材料，每一次材料升级都推动着芯片性能的指数级增长。随着 Chiplet 技术的普及和量子计算的发展，互连材料将不再局限于导电这一单一功能，而是朝着 “高导电、高导热、柔性化、异质兼容” 的方向发展。