電化學(xué)沉積技術(shù)在集成電路行業(yè)的應(yīng)用

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魏紅軍 謝振民

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所）

摘要：

電化學(xué)沉積技術(shù)，作為集成電路制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，它是實(shí)現(xiàn)電氣互連的基石，主要應(yīng)用于集成電路制造的大馬士革銅互連電鍍工藝和后道先進(jìn)封裝 Bump、RDL、TSV 等電鍍工藝。受 WLP、2.5D、3D、SIP 等先進(jìn)封裝技術(shù)的推動(dòng)，未來 3 年市場(chǎng)空間可達(dá) 15~20 億美元。

0 引言

電 化 學(xué) 沉 積 技 術(shù)， 簡(jiǎn) 稱 ECD（Electrical Chemical Deposition）技術(shù)，也是應(yīng)用于半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)行業(yè)的電鍍技術(shù)，作為集成電路制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，它是實(shí)現(xiàn)電氣互連的基石。電化學(xué)沉積技術(shù)主要應(yīng)用于集成電路制造的大馬士革銅互連工藝制程和后道先進(jìn)封裝 Bump、RDL、TSV 等工藝制程，也可應(yīng)用于化合物、MEMS 中深孔加工、金凸塊、金屬膜沉積等領(lǐng)域。

1 電化學(xué)沉積技術(shù)在銅互連中的應(yīng)用

隨著晶體管尺寸不斷縮小，進(jìn)入 130 nm 制程以后，鋁互連工藝已經(jīng)不能滿足集成電路集成度、速度和可靠性持續(xù)提高的需求。與鋁相比，銅的電阻率只有鋁的一半左右，較低的電阻率可以減少金屬互連的 RC 延時(shí)，可以降低器件的功耗，并且銅的電遷移特性遠(yuǎn)好于鋁，因此，銅已逐漸取代鋁成為金屬互連的主要材料。

由于銅很難進(jìn)行干法刻蝕，因此傳統(tǒng)的金屬互連工藝已不再適用，擁有鑲嵌工藝的鍍銅技術(shù)成為銅互連的主要制備工藝，業(yè)界也稱為大馬士革銅互連工藝。

首先沉積阻擋層 TaN/Ta，防止銅原子向介質(zhì)層擴(kuò)散，以免降低介質(zhì)層的絕緣屬性；之后在阻擋層上沉積銅種子層，然后進(jìn)行電鍍填充，如圖 1 所示 ；填充后多余的銅可以用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）方法去除 ；完成后沉積氧化膜，多余的氧化膜采用光刻和刻蝕工藝去除；整個(gè)過程需要不斷重復(fù)直至完成銅互連布線為止。目前銅互連層最多可達(dá) 15層以上，據(jù)臺(tái)積電報(bào)道，在其最先進(jìn)的 5 nm 芯片中，銅互連線長度可以達(dá)到 100 km。

完全填充高深寬比的互連溝槽是大馬士革互連工藝最大的挑戰(zhàn)，如圖 2 所示，如不能很好的控制電鍍工藝過程，則會(huì)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。

目前銅互連電鍍主要采用硫酸銅工藝體系，電鍍液成分主要包括硫酸、銅離子、氯離子、加速劑、抑制劑和整平劑等六種組分。如圖 3 所示，理想的填充過程是自底向上的沉積過程，這就需要鍍銅溶液中抑制劑、加速劑等不同添加劑的合理配比，達(dá)到“溝槽內(nèi)加速、溝槽口抑制”的效果，從而實(shí)現(xiàn)低電阻率、無空洞和高可靠性的銅布線結(jié)構(gòu)。

電鍍之后的銅晶粒很小，必須通過退火工藝來增加晶粒大小、降低電阻、增加電遷移可靠性以及增加 CMP 的穩(wěn)定性。但過度的退火會(huì)增加 CMP之后的缺陷，所以合適的退火方式將非常重要。

2 電化學(xué)沉積技術(shù)在先進(jìn)封裝中的應(yīng)用

隨著集成電路工藝尺寸不斷縮小，即將接近物理極限，先進(jìn)封裝技術(shù)被推向舞臺(tái)的正中央，WLP、2.5D、3D、SIP 等技術(shù)的發(fā)展成為延續(xù)摩爾定律的最佳選擇。實(shí)現(xiàn)芯片 Z 方向電氣連接的硅通孔技術(shù)（TSV），實(shí)現(xiàn)倒裝或堆疊芯片之間電氣連接和應(yīng)力緩沖的凸點(diǎn)技術(shù)（Bump），實(shí)現(xiàn)芯片 XY 平面電氣延伸和互連的金屬層重布線技術(shù)（RDL），這三者即是后摩爾時(shí)代集成電路先進(jìn)封裝技術(shù)的關(guān)鍵要素。

2.1 硅通孔技術(shù)

TSV（through silicon via）技術(shù)是穿透硅通孔技術(shù)的英文縮寫，簡(jiǎn)稱硅通孔技術(shù)，是三維集成電路中堆疊芯片實(shí)現(xiàn)互連的一種技術(shù)解決方案。它是在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，通過 Z 方向通孔實(shí)現(xiàn)芯片之間的互連。TSV 技術(shù)能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，芯片之間的互連線最短，外形尺寸最小，大大改善芯片速度和低功耗的性能。

如圖 4 所示，TSV 主要工藝流程包括硅通孔的制作，絕緣層、阻擋層、種子層的沉積，銅的電鍍填充，通過 CMP 去除多余金屬，晶圓減薄，晶圓鍵合等；在整個(gè) TSV 制造工藝中，硅通孔的鍍銅填充是目前的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一，與銅互連電鍍相似，同樣需要自底向上的沉積過程，但 TSV 電鍍的尺寸更大，通常需要更長的沉積時(shí)間，更高的電鍍速率以及多個(gè)工藝步驟。

TSV 按照集成類型的不同分為 2.5D TSV 和3D TSV，2.5D TSV 指的是硅轉(zhuǎn)接板上的 TSV，3DTSV 是指芯片上制作硅通孔，連接上下層芯片，如圖 5 所示。

TSV 是 3D 系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)深寬比為 10∶1 的 TSV 結(jié)構(gòu)，且向著更高深寬比發(fā)展。隨著工藝的提升，硅通孔的孔徑越來越小，密度越來越大，目前最先進(jìn)的TSV 工藝，可以在 1 mm 2 的芯片上制作高達(dá) 10 萬個(gè)以上硅通孔，從而支撐更高密度的芯片互連，同樣對(duì) TSV 的電鍍填充也提出了更高的工藝要求。

2.2 凸點(diǎn)技術(shù)

作為金屬凸點(diǎn)，Bump 對(duì)芯片來說起著電氣互連和應(yīng)力緩沖的作用，從 Bondwire 工藝發(fā)展到FlipChip 工藝，再到 3D 堆疊芯片工藝，Bump 至關(guān)重要。

Bump 形狀有很多種，最常見的為球狀和柱狀，也有塊狀等其它形狀。材料一般為 Cu、Au、Ni、Ag-Sn 等，有單金屬的凸點(diǎn)，也有合金凸點(diǎn)，最常用的凸點(diǎn)材料是 Cu 和 Au。

電鍍法制作凸點(diǎn)是目前最為普遍且工藝成熟的凸點(diǎn)制作方法，該方法不僅加工工序少，工藝簡(jiǎn)便易行，適于大批量生產(chǎn)，且可制作各類凸點(diǎn)，IC芯片上的 I/O 數(shù)、焊區(qū)尺寸大小及凸點(diǎn)節(jié)距均不受限。

凸點(diǎn)電鍍法制作工藝流程如圖 6 所示，先將硅片進(jìn)行鈍化，然后蒸發(fā) / 濺射 UBM 凸點(diǎn)下金屬層，接下來進(jìn)行光刻、顯影，就形成了所需的電鍍窗口，然后進(jìn)行電鍍工藝，最后去除光刻膠、刻蝕 UBM金屬層。

2.3 重布線技術(shù)

重 布 線 技 術(shù)， 簡(jiǎn) 稱 RDL（Redistribution Layer），起著 XY 平面電氣延伸和互連的作用。RDL 技術(shù)的核心是在晶圓表面沉積金屬層和介質(zhì)層并形成相應(yīng)的金屬布線圖形，對(duì)芯片的 I/O 進(jìn)行重新布局，根據(jù)后續(xù)封裝工藝需求，將其布局到新的、更為寬松的區(qū)域，并可形成面陳列排布。

在 2.5D IC 集成中，除了硅轉(zhuǎn)接板中的 TSV 技術(shù)外，RDL 技術(shù)同樣關(guān)鍵，通過 RDL 將電氣連接分布到不同的位置，從而將硅轉(zhuǎn)接板上方芯片的凸點(diǎn)和轉(zhuǎn)接板下方的凸點(diǎn)連接。

在 3D IC 集成中，對(duì)于同種芯片來說，上下堆疊直接通過 TSV 就可以完成電氣互連，對(duì)于異質(zhì)異構(gòu)芯片，則需 RDL 將芯片的 I/O 重新布局進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，從而完成芯片的互連。

在 FIWLP、FOWLP 先進(jìn)封裝中，RDL 是最為關(guān)鍵的技術(shù)，通過 RDL 將 I/O 進(jìn)行 Fan-In 或者Fan-Out，形成不同類型的封裝形式。Fan-Out 扇出型封裝有兩大分支：扇出型晶圓級(jí)封裝和扇出型面板級(jí)封裝。對(duì)于板級(jí)封裝來說，由于面板的大尺寸和更高的載具使用率，帶來遠(yuǎn)高于晶圓級(jí)封裝的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，作為其核心的 RDL 技術(shù)也得到了業(yè)界更多的關(guān)注。

隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，通過 RDL 形成的金屬布線的線寬和線間距也越來越小，從而提供更高的互連密度。目前重布線層 RDL 多采用電化學(xué)沉積的方式來完成。

3 電化學(xué)沉積工藝設(shè)備國內(nèi)外廠商情況及行業(yè)前景

國外廠商方面，前道銅互連電鍍?cè)O(shè)備主要被美國 Lam 壟斷 ；后道先進(jìn)封裝電鍍?cè)O(shè)備廠商主要包括美國 AMAT、美國 Lam、日本 EEJA、新加坡ASM 等。

國內(nèi)廠商方面，主要供應(yīng)商上海盛美，科創(chuàng)板上市公司，電鍍?cè)O(shè)備營業(yè)收入從 2018 年 1200 萬增至 2021 年 2.74 億元，2021 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，交付 20臺(tái)電鍍?cè)O(shè)備，2022 年截止 5 月獲得 31 臺(tái)批量訂單，其中前道銅互連電鍍?cè)O(shè)備最高可以用于 28 nm 工藝節(jié)點(diǎn)。

2021 年全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額突破 1 000 億美元；其中ECD設(shè)備市場(chǎng)約10億美元，受WLP、2.5D、3D、SIP 等先進(jìn)封裝技術(shù)的推動(dòng)，未來 3 年市場(chǎng)空間可達(dá) 15~20 億美元。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的決定性因素在于其生產(chǎn)設(shè)備，其產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)，歸根結(jié)底還是裝備制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，因此有“一代設(shè)備、一代工藝、一代產(chǎn)品”之說。裝備制造也正是我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)，作為芯片制造的基石，對(duì)我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈安全具有重大意義。

近幾年以來的全球芯片短缺，引發(fā)全球晶圓廠尤其國內(nèi)掀起擴(kuò)產(chǎn)潮，對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備的需求再次激增，作為上游的半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)持續(xù)增長，在行業(yè)擴(kuò)容和國產(chǎn)替代的雙重作用下，正式步入發(fā)展的“黃金時(shí)代”。

審核編輯 黃宇