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直接能量电镀:用于互连的新型电沉积工艺

放大字体  缩小字体发布日期:2008-04-22  浏览次数:442

新型电镀工艺技术可解决传统电镀的局限。

对新产品和尖端产品不断升级需求的驱使下,电子产品的生命周期持续缩短,半导体产业面临着对创新的持续渴求。特别是对封装业而言,更小的封装、更高的性能及更低的成本成为其主要压力。

用于各种节距密度铜柱的电沉积工艺测试阵列

就互连而言,晶圆级封装(WLP)应用,例如再分布层(RDL)、凸点及穿透硅通孔(TSV),正取代像引线键和这样的传统技术。WLP结构要求厚金属或高深宽比的结构,这样像物理气相沉淀(PVD)或化学气相沉淀(CVD)这样的技术有时候很难满足要求。因此,在此类应用中,更合适的电镀技术开始兴起。

虽然电镀可获得出众的沉积速率,但电化学沉积(ECD)在生产灵活性及性能方面有一定的限制。ECD性能通常由沉积速率、均匀性、薄膜表面形态、表面形貌及剪切强度等来度量。

决定这些衡量标准的工艺参数包括化学品、温度、整流器的设置及搅拌。电镀性能在很大程度上取决于化学品的选取。化学品决定了镀液温度和输出电流。虽然类似周期性逆脉冲电镀1的技术可以提高性能,但工作时间又受到了新的限制。搅拌能影响电镀速率和均匀性。类似喷泉式液流

或垂直搓板式洗刷2的方法可增加传输量,但这种方式需远离水面发生且受限于流体性能。

一项新技术已研制成功,将ECD提升为直接能量电镀(DEP)。取代以往的机械方法,DEP采用可直接耦合到衬底的振动能。这种能量模式比简单的搅拌更加有效。通过对波形的编程可产生多种效果:表面清洗、接触焊、高深宽比结构中的增强型扩散、清除气泡或为加速电镀而减少边界层。

电镀的基本原理

电镀基于氧化还原反应。将阳极和阴极(电镀表面)连接到电源(或整流器)上,为系统提供电流。在阳极,金属离子被氧化生成阳离子,在溶液中带有正电荷(例如铜将生成Cu2+)。这些离子要么与溶液中的阴离子(SO42-)结合,要么在阴极表面还原,吸收电子以形成零价态并沉积在阴极表面。在溶液中,进行搅拌是很重要的,可以避免局部反应及电镀的不均匀。电镀速率基本取决于质量传输。在阴极表面,边界层的存在可降低表面沉积。

产生搅拌的机械技术包括喷泉式喷洒和搓板式洗刷。由于在表面上直接喷洒,喷泉式喷洒会产生湍流。搓板式洗刷会沿着表面产生剪切力,使表面上的边界层从典型的50祄降至10祄或稍大。

电镀液通常是由许多成分构成的,包括:

■作为电镀材料的金属离子

■决定电镀液的电导率的酸

■用于清洗表面的光亮剂,它具有小分子质量的分子

■在突起处抑制电镀的整平剂

■用以抑制电镀速率的抑制物或载流子,它具有大分子质量的化合物

■用于减小表面张力的润湿剂

这些化学制剂通常可控制电镀液的性能。整平剂浓度、抑制物、载流子和润湿剂对高深宽比结构中的电镀有很大影响。依赖化学试剂的缺点是这些有机材料易消耗,需要补充。

超声波基本原理

机械搅动是一种混合或分散液体的粗浅手段;其有效尺度在微米至毫米之间。然而,电镀是一种分子过程,如果能够在量子级别上影响动能,将会有相当大的优势。

影响液体动能的一种机制是振动,而产生振动的手段是使用超声波能量。振动基本上是波在介质中的传播,传播的典型频率范围在0.5KHz至10MHz之间。基于波的频率和调制方式,会以不同的模式传播。这些模式包括剪切波、纵波、瑞利波及兰姆波。每一种波都会在液体中产生不同的效果。

振动能量基本在液体中以下面的方式出现:

■引导压力——涡流、分散、混合、剪切和洗刷是以压力为基础的现象,且可用适当的波形生成。

■气穴现象——当声波产生时,首先会在源极产生压缩分子。就像一个弹簧,然后液体分开会产生一个负压。当负压超过液体的剪切限度时,就会发生气穴现象,同时形成一个气泡。气泡的大小取决于很多因素,例如温度、粘性、溶解度、气压、扩散速度、频率和功率。气泡快速破裂(皮秒)释放的能量可使微气穴中发生化学反应(声化学)。

■加热——振动的能量和爆破的气泡可在溶液中产生热量。

■表面反应——能量吸收可使超声焊接发生。

直接能量电镀

典型的超声波能量只在某一频率上工作,而且带通很窄。这种方法的缺点是气穴现象很突出,不同材料可能会产生共振,在沉淀时出现真空。然而,我们已开发了一种混合信号响应来克服标准超声波进程的局限性。通过扫描输出频率及调节时域中的信号周期,可产生混合模式及宽带响应。电镀系统由多种不同谐振和响应的材料组成。通过扫描频率,可以对宽带响应进行预编程,将所有材料的影响结合起来。

我们开发了一种系统,其物理机制是通对编程来对能量加以引导,从而获得高性能的电镀。图6所示为系统的基本原理。有两个超声源:侧向发光传感器可产生大量混频,晶圆传感器可与衬底耦合。

不同类型的波举例如下:

■可生成基带纵波,且通过波形周期的改变,可扫描整个镀槽。在产生搅拌的同时还可避免驻波问题。通过增加幅度,还可充当清洗波。

■通过混合频率,同样的波形可产生剪切波,这是一种压力波,可增强对表面的扩散而降低传播时间。

■宽带、中度能量混合模式可产生兰姆波,能够破坏边界层,提高传质。

■瑞利波也被用于在表面(取代耗尽地区)和高能区产生搅拌,实际上产生脉冲压力以抽空气泡。

在多数情况下,这些能态可代替化学方法。例如,无须依赖表面活性剂,瑞利波可使表面张力分散。

振动损伤——振动能量系统的主要关注点是对脆弱结构或层的影响。与电镀有关的脆弱结构在微机电系统(MEMS)或封装应用中是很常见的。MEMS驱动器及传感器通常在1至10kHz范围内谐振。3振动电镀不在此范围内工作,因此DEP不是本技术的主要难题。

对于半导体产业而言,比较关心的是同低k介质的兼容性。

在更高电路速度的驱动下,正在开发更低k的介电层,以降低传统氧化物介电层(氧化物的k值=3.9-4.2;低k材料<3)的介电常数。尽管有许多类型的低k材料,但大体可被分为三类:无机,有机和混合物(含碳氧化物,SiOC)。4半导体的清洗、去胶或调试过程都会对这些介电层产生负面影响。低k介电材料有两个共同特点,分别是硬度和强度(比对应的氧化物低4-20倍)及多孔性(残留可改变电性能),这使其工艺制造变得很难。

以含有低k材料为特点的超声波系统包括引线键合机和清洗器。引线键合机在焊接时要施加超声波和物理作用力。然而,有证据表明,存在可以避免介电材料损伤的工艺窗口。5,6即便是DEP能够产生的气穴压力中的最差情况(100kHz时为1000psi)7,8,也要比热压焊法产生的表面力(5000-10,000psi)低得多。此外,据报道,单芯片超声波结构已被证明对敏感结构并不产生无破坏。9DEP的宽带响应和调制模式也可为优化提供更宽的处理周期。

表面化学问题不仅局限于潮湿系统,在等离子体系统中也有所体现。后处理清洗及密封剂是此类问题的可能解决方案。一个单独的带有多种化学物质的ECD系统与传统的由镀架和镀杯组成的电镀系统相比将会有显著的优势。

边界层——一般来说,电镀工艺主要由化学品、电压偏置及温度来控制。然而,在晶圆表面,电镀受限于边界层。对于高深宽比的结构而言,可认为边界层很厚,并且带有又窄(<30祄)又深(>50祄)的结构。如果没有机械搅动,边界层可能要大于100祄。在溶液中超声波搅动会将扩散层减低到20祄,再加上合适的机械扫描能够降低至10祄。10然而,同超声波相比,DEP还有一个优点就是多频率/模式的共同工作。由于可以直接耦合至沉淀表面,因而无需很大体积。图8给出了随表面耦合系统频率变化而变化的边界层厚度。通过适当的调整,边界层可降低至1祄,而且在开口尺寸小于10祄的情况下,更快的电镀速率已成为可能。

总结

DEP解决了传统电镀的一些局限性,并且提供了灵活的技术方案。宽带波形允许不同材料及不同基板的应用,包括减薄的晶圆。

我们这项新的电镀工艺具有机械搅动无法获得的特点:降低电镀结果对化学品的依赖;可处理苛刻的晶圆布局;更快的沉淀速率;以及更多的性能,例如表面清洗。由于这是一个基于能量的系统,需一直开机以便实时监控和反馈控制。这不是一个简单的化学电镀系统,而是一个可执行智能操作的工具。

最新行业新闻2008年04月22日更新

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