金属铜因其优异的导电性、导热性、机械延展性和抗电迁移性, 在芯片制造工业中作为互连材料广泛应用. 铜互连结构的制备主要使用湿法的电化学沉积技术. 广东工业大学罗继业教授和香港应用科技研究院有限公司史训清教授针对芯片制造相关金属铜电沉积工艺, 系统介绍了金属铜电沉积调控用关键添加剂组分及其作用原理, 并详细介绍了电镀铜在芯片制造核心工艺(大马士革电镀、硅通孔、铜柱电镀及再布线层电镀)中的技术需求、工艺流程及未来技术发展趋势. 最后, 本文针对我国高端电子电镀行业的发展现状, 对金属铜电沉积调控及其在芯片制造中的应用未来发展方向进行了展望.
金属铜因其优异的导电性、导热性、机械延展性和抗电迁移性, 而逐渐取代传统互连材料金属铝, 被广泛应用于微电子器件制造领域. 1997年, IBM公司首次将电镀铜填孔技术引入其100 nm制程芯片制造中, 自此, 电镀铜作为一种高可靠性的电气互连技术在诸如大马士革铜互连(Damascene Copper Interconnects)、硅通孔(Through Silicon Via, TSV)、铜柱凸块(CopperPillar Bump)、再布线层(Redistribution Layer, RDL)等芯片制造工艺流程内得到广泛应用(如图1所示). 近年来, 随着人工智能、5G移动互联、新能源汽车、大数据等应用的蓬勃发展, 能够实现各种电子元器件高密度、高精度、高可靠性互连的电镀铜技术迎来了新的发展契机.
图1 电镀铜技术及其在现代微电子制造中的应用. (a) 酸式硫酸盐电镀铜; (b) 互连结构; (c) 终端应用
铜互连结构的制备主要使用湿法的电化学沉积技术. 酸性硫酸盐电镀铜体系因其电流效率高, 稳定性好, 功能易调控等优势而广泛应用电子电镀领域, 其镀液成分包括硫酸铜、硫酸、氯离子、以及微量的有机添加剂. 其中硫酸铜是主盐, 在镀液中提供铜源; 硫酸用以增强镀液导电性, 防止Cu2+水解并提高镀液分散能力; 氯离子既可以提高铜阳极的活性, 防止阳极钝化, 又可与其它添加剂发生协同作用, 作用十分重要. 电镀铜添加剂是一类添加到镀液中用于改善和调控铜电沉积过程的物质. 这些添加剂的使用能够起到调控铜的沉积速率、控制铜晶粒成核与生长、从而达到降低镀层粗糙度、改善铜镀层的均匀性等目的. 在电子电镀领域内, 酸性硫酸铜电镀添加剂通常根据实际需要进行复配, 通过添加剂间的协同作用调控铜的沉积进而达到所需电沉积效果. 配方中添加剂的分子结构、使用浓度及其相互作用对铜离子的还原过程起着至关重要的影响.
广东工业大学罗继业教授和香港应用科技研究院有限公司史训清教授将从电镀铜调控用添加剂体系及其芯片制造中的应用两方面入手, 系统介绍电子电镀中常用添加剂组分及其作用原理, 并以大马士革电镀、硅通孔、铜柱电镀及再布线层电镀四道核心工艺为例, 总结介绍电镀铜在芯片制造中的技术需求、工艺流程及未来技术发展趋势.