半导体技术分享 | 电镀工艺的应用

电镀是一种常见的制造工艺，其原理是将一薄层金属镀在其他金属表面上。例如，美国自1982年以来，就一直采用镀有一薄层铜的锌来制作一分硬币。此外，珠宝和西式餐具的外层也经常使用电镀工艺，从而使其更美观或提高耐磨性和抗腐蚀性。如今，在电子行业中，电镀工艺还被广泛应用于印刷电路板，连接器以及最近的半导体互连中导电金属的沉积。

在芯片制造的过程中，需要沉积电介质（绝缘）材料层和金属（导电）材料层。根据不同的材料类型和制作结构，技术人员会使用不同的物理和化学技术。目前，电镀技术经常被用来创建铜互连和导通孔，以此将集成电路中的元件连接在一起。而且，相比于物理气相沉积等沉积方法，使用电镀技术沉积的铜具有较低的电阻率和更好的填充特性。

在具体分析芯片制造过程的实例前，我们先来看一个你或许在化学课上做过的黄铜钥匙镀铜的基础电镀实验。首先，需要将钥匙和铜片都连接到电源上（通常是电池）。然后，把钥匙和铜片浸没到导电溶液中，并使它们互不接触，从而形成一个完整的电路。随着电流流动，离子从铜供应源处溶解转移，并在钥匙上沉积。最后，钥匙被铜层完全覆盖。

同理，这个电镀原理还可应用到半导体工艺中。将晶圆和铜供应源放置在通常含有硫酸铜和硫酸的电镀液中。然后，当电流作用时，铜离子开始在晶圆上沉积。由于电流能提供铜离子还原反应所需的电子，因此通过电流可以直接控制晶圆上沉积的铜量。另外，溶液温度、溶液流动率和电镀液的化学成分等参数都可以用来控制晶圆上沉积的铜的特性。

互连

在创建互连结构时，情况会更为复杂。如果层间的电介质层中出现铜污染，便会造成严重的后果。因此，为了防止这种污染，工艺过程的第一步就是沉积扩散阻挡层（Ta/TaN）。由于铜电镀过程通常不会在电阻较高的扩散阻挡层上成核，所以可以通过使用物理气相沉积法在阻挡层上沉积出非常薄的铜种子层。之后，采用铜电镀来形成所需厚度的铜膜。此外，完全填充又深又窄的互连沟槽也是一个挑战。如果不能很好地控制工艺过程，则会形成空洞或缝隙，降低芯片的电性能和可靠性，并影响芯片制造工艺的产品良率。

自下而上填充

无空洞填充可以通过铜在沟槽中自下而上的沉积实现。在“超填充”过程中，需要将一些化学剂添加到电镀液中，其中，加速剂可以加速铜在沟槽底部的沉积，而抑制剂则可抑制铜在表面和侧壁上形成电镀层。除此之外，第三种称为整平剂（leveler）的添加剂可以尽量减少填充后形成过高的铜凸块。因此，只要选择好正确的添加剂和合适的浓度，就能确保高质量的金属填充效果。

封装应用

电镀铜和其他金属可用于多种先进的晶圆级封装（WLP）应用，比如形成导电凸块、柱形凸点和再分布层，并且可用于填充硅通孔（TSVs）。虽然与后段制程 （BEOL）互连的铜填充相似，但是 WLP 和 TSV 电镀的尺寸更大。这通常需要更长的沉积时间，甚至更高的电镀速率，以及多个工艺步骤。另外，随着 WLP 应用的持续发展，对高产率以及高均匀性系统的需求也可能持续增加。

不管是对于 BEOL 互连还是封装应用，成功的电镀方案取决于找到适合于自下而上填充的添加剂，维持电镀液成分稳定，并使电镀金属中的杂质含量减至最少。此外，新的阻挡/种子层材料和填充金属，以及特征尺寸和深宽比的变化，都会带来新的工艺挑战。但只要正确实施电镀过程，就可以实现低电阻率、无空洞和高可靠度的结构。