半導體技術分享 | 電鍍工藝的應用

電鍍是一種常見的制造工藝，其原理是將一薄層金屬鍍在其他金屬表面上。例如，美國自1982年以來，就一直采用鍍有一薄層銅的鋅來制作一分硬幣。此外，珠寶和西式餐具的外層也經(jīng)常使用電鍍工藝，從而使其更美觀或提高耐磨性和抗腐蝕性。如今，在電子行業(yè)中，電鍍工藝還被廣泛應用于印刷電路板，連接器以及最近的半導體互連中導電金屬的沉積。

在芯片制造的過程中，需要沉積電介質（絕緣）材料層和金屬（導電）材料層。根據(jù)不同的材料類型和制作結構，技術人員會使用不同的物理和化學技術。目前，電鍍技術經(jīng)常被用來創(chuàng)建銅互連和導通孔，以此將集成電路中的元件連接在一起。而且，相比于物理氣相沉積等沉積方法，使用電鍍技術沉積的銅具有較低的電阻率和更好的填充特性。

在具體分析芯片制造過程的實例前，我們先來看一個你或許在化學課上做過的黃銅鑰匙鍍銅的基礎電鍍實驗。首先，需要將鑰匙和銅片都連接到電源上（通常是電池）。然后，把鑰匙和銅片浸沒到導電溶液中，并使它們互不接觸，從而形成一個完整的電路。隨著電流流動，離子從銅供應源處溶解轉移，并在鑰匙上沉積。最后，鑰匙被銅層完全覆蓋。

同理，這個電鍍原理還可應用到半導體工藝中。將晶圓和銅供應源放置在通常含有硫酸銅和硫酸的電鍍液中。然后，當電流作用時，銅離子開始在晶圓上沉積。由于電流能提供銅離子還原反應所需的電子，因此通過電流可以直接控制晶圓上沉積的銅量。另外，溶液溫度、溶液流動率和電鍍液的化學成分等參數(shù)都可以用來控制晶圓上沉積的銅的特性。

互連

在創(chuàng)建互連結構時，情況會更為復雜。如果層間的電介質層中出現(xiàn)銅污染，便會造成嚴重的后果。因此，為了防止這種污染，工藝過程的第一步就是沉積擴散阻擋層（Ta/TaN）。由于銅電鍍過程通常不會在電阻較高的擴散阻擋層上成核，所以可以通過使用物理氣相沉積法在阻擋層上沉積出非常薄的銅種子層。之后，采用銅電鍍來形成所需厚度的銅膜。此外，完全填充又深又窄的互連溝槽也是一個挑戰(zhàn)。如果不能很好地控制工藝過程，則會形成空洞或縫隙，降低芯片的電性能和可靠性，并影響芯片制造工藝的產(chǎn)品良率。

自下而上填充

無空洞填充可以通過銅在溝槽中自下而上的沉積實現(xiàn)。在“超填充”過程中，需要將一些化學劑添加到電鍍液中，其中，加速劑可以加速銅在溝槽底部的沉積，而抑制劑則可抑制銅在表面和側壁上形成電鍍層。除此之外，第三種稱為整平劑（leveler）的添加劑可以盡量減少填充后形成過高的銅凸塊。因此，只要選擇好正確的添加劑和合適的濃度，就能確保高質量的金屬填充效果。

封裝應用

電鍍銅和其他金屬可用于多種先進的晶圓級封裝（WLP）應用，比如形成導電凸塊、柱形凸點和再分布層，并且可用于填充硅通孔（TSVs）。雖然與后段制程 （BEOL）互連的銅填充相似，但是 WLP 和 TSV 電鍍的尺寸更大。這通常需要更長的沉積時間，甚至更高的電鍍速率，以及多個工藝步驟。另外，隨著 WLP 應用的持續(xù)發(fā)展，對高產(chǎn)率以及高均勻性系統(tǒng)的需求也可能持續(xù)增加。

不管是對于 BEOL 互連還是封裝應用，成功的電鍍方案取決于找到適合于自下而上填充的添加劑，維持電鍍液成分穩(wěn)定，并使電鍍金屬中的雜質含量減至最少。此外，新的阻擋/種子層材料和填充金屬，以及特征尺寸和深寬比的變化，都會帶來新的工藝挑戰(zhàn)。但只要正確實施電鍍過程，就可以實現(xiàn)低電阻率、無空洞和高可靠度的結構。