半導體電鍍工藝解析

　　金鍍層具有接觸電阻低、導電性能好、可焊性好、耐腐蝕性強，因而電鍍金在集成電路制造中有著(zhù)廣泛的應用，例如：在驅動(dòng)IC封裝中普遍使用電鍍金凸塊；在CMOS/MEMS中應用電鍍金來(lái)制作開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)和各種結構等；在雷達上金鍍層作為氣橋被應用；電鍍還被用于UBM阻擋層的保護層，以及用于各種引線(xiàn)鍵合的鍵合面等等。

　　1 電鍍金工藝

　　1.1 電鍍金工藝流程集成電路中的金電鍍工藝流程：

　?、僭诠杵蠟R射鈦、鈦鎢等金屬作為黏附層，再濺射很薄的一層金作為電鍍的導電層；

②涂布光刻膠，光刻顯影出電鍍所需的圖形；

③清洗后進(jìn)行電鍍金；

④褪除光刻膠；

⑤蝕刻圖形以外的導電層；

⑥退火。

　　1.2 電鍍金原理

　　鍍金陽(yáng)極一般采用鉑金鈦網(wǎng)材料。當電源加在鉑金鈦網(wǎng)（陽(yáng)極）和硅片（陰極）之間時(shí)，溶液會(huì )產(chǎn)生電流，并形成電場(chǎng)。陽(yáng)極發(fā)生氧化反應釋放出電子，同時(shí)陰極得到電子發(fā)生還原反應。陰極附近的絡(luò )合態(tài)金離子與電子結合，以金原子的形式沉積在硅片表面。鍍液中的絡(luò )合態(tài)金離子在外加電場(chǎng)的作用，向陰極定向移動(dòng)并補充陰極附近的濃度消耗，如圖1為水平杯鍍示意圖，圖2為垂直掛鍍示意圖。電鍍的主要目的是在硅片上沉積一層致密、均勻、無(wú)孔洞、無(wú)縫隙、無(wú)其它缺陷的金。

　　1.3電鍍藥水

　　集成電路電鍍金工藝通常有兩種體系的電鍍液：氰化物體系及非氰化物體系。氰化物體系穩定性高，壽命長(cháng)，因而成本較低，但氰化物有毒性，需有嚴格的使用規范加以管理。目前集成電路制造中常見(jiàn)的氰化物電鍍金藥水是微氰體系，呈弱酸性，鍍液中金以Au（CN）-2的絡(luò )合物形式存在。主要成分為：金鹽、導電鹽、緩沖劑和添加劑。這種鍍液體系穩定，毒性較小，鍍層光亮平滑，硬度適中，耐磨性好，孔隙率低，可焊性好。非氰化物體系的以亞硫酸金鈉為常見(jiàn)的金鹽，亞硫酸根比較容易被氧化，因而較之氰化物體系，其工藝穩定要差一些。本文主要針對氰化物體系的電鍍金工藝。

　　1.4電鍍金設備

　　選擇合適的電鍍設備，將會(huì )獲得較為滿(mǎn)意的鍍層。電鍍設備可分為二類(lèi)：水平噴流式杯鍍和垂直掛鍍兩種方式。杯鍍式將晶圓覆蓋在一個(gè)杯狀的鍍槽上，電鍍以一杯一片的方式進(jìn)行。掛鍍式則是將晶圓垂直浸入鍍液中，一個(gè)鍍槽可以同時(shí)進(jìn)行多片電鍍。杯鍍式的電鍍需注意氣泡的去除，否則將會(huì )影響鍍層厚度的全片均勻性。掛鍍式則比較容易去除反應產(chǎn)生的氣泡，但需注意傾斜鍍層的產(chǎn)生。

　　1.5電鍍工藝控制

　　電鍍工藝參數的控制對鍍層性能的影響很大?，F以氰化物電體系鍍金藥水為例，詳細介紹電鍍金工藝中需要控制的幾個(gè)主要參數：

　?。?）電流密度：0.1~1.0A/dm2

　　2電流密度的提高，鍍層的表面粗糙度增加。

　?。?）溫度：40~80℃

　　鍍液溫度高于40℃后，溫度繼續升高，鍍層的粗糙度變化不是很明顯，一般是在100nm左右。隨著(zhù)溫度升高，鍍層硬度將有所下降。

　?。?）pH：5.0~7.0

　　pH對鍍層表面粗糙度的影響趨勢為：隨著(zhù)pH逐漸升高，鍍層表面粗糙度略有增加，但仍保持在100nm以下。

　　提高pH值，允許的電流密度將提高，鍍層中的金含量提高，同時(shí)鍍層的硬度和內應力將有所下降。

　?。?）金質(zhì)量濃度：8~20g/L

　　提高鍍液中金的質(zhì)量濃度，可提高電流密度范圍，提高金的沉積速度。金的質(zhì)量濃度提高，鍍層的光亮度和均勻度都有改善。

　?。?）密度

　　隨著(zhù)鍍液使用的時(shí)間逐漸延續，鍍液的密度將越來(lái)越大，鍍層的粗糙度也會(huì )越來(lái)越大。另外，鍍金液由于金鹽質(zhì)量濃度低，需要大量的導電鹽來(lái)支持電極過(guò)程的進(jìn)行，導電鹽的質(zhì)量濃度可通過(guò)鍍液的密度來(lái)反映。

　?。?）流量：10~30L/min

　　電鍍時(shí)的流量控制也很重要，因為流量的大小對鍍層的性能會(huì )有影響，如果流量太小，則離子交換速度慢，鍍層粗糙；若流量太大，金離子未來(lái)得及被還原就被帶走，這樣鍍層會(huì )變得疏松。另外，如果使用的電鍍設備是杯鍍，在電鍍過(guò)程中如果流量始終不變的話(huà)，那么停留在晶圓中間的氣泡就會(huì )一直停留在那里，容易在鍍層上形成凹孔。此時(shí)若突然改變流量，則氣泡所受到的平衡力將被破壞，氣泡的運動(dòng)狀態(tài)即可發(fā)生改變，這就是平時(shí)所講的除泡過(guò)程。所以，杯鍍設備在設計時(shí)，循環(huán)系統中采用變頻器調節流量。掛鍍的氣泡則較容易去除。此外，鍍金液應使用1μm以下的PP濾芯連續過(guò)濾。鍍金液不建議使用空氣攪拌。

　?。?）添加劑

　　添加劑能改善鍍層的表面粗糙度，但添加時(shí)應逐步進(jìn)行，總量最好不要超過(guò)5mL/L，因為添加劑的中無(wú)機成分，可能會(huì )影響金鍍層的純度，也會(huì )使鍍層的硬度增大。

　　2·鍍層性能

　　2.1鍍層厚度及均勻性

　　鍍層厚度量測設備可以分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式的量測有Profiler等儀器；非接觸式的量測有X-ray和干涉顯微鏡。

　　由于邊緣效應的影響，晶圓鍍金層邊緣厚，中間薄。一般半導體后道封裝中的引線(xiàn)鍵合和焊接工藝對within-wafer（全片均勻性）的要求是小于10%。

　　2.2鍍層表面粗糙度

　　影響鍍層表面粗糙度的因素主要有：電流密度、溫度、pH、密度、循環(huán)流量和添加劑質(zhì)量濃度。鍍層表面粗糙度應控制在100nm左右，粗糙度太大或太小對引線(xiàn)鍵合和焊接都會(huì )產(chǎn)生不良影響。因此，我們需要保證鍍層有一定的粗糙度。

　　2.3鍍層硬度

　　影響鍍層硬度的因素主要有：溫度、循環(huán)流量、添加劑質(zhì)量濃度。

　　鍍金工藝后，鍍層硬度還可以通過(guò)退火來(lái)調節。退火之前鍍層硬度大約在100HV左右，在退火條件為300℃保溫30min后，鍍層的硬度一般是在60HV左右。退火效果也受退火設備的影響。

　　2.4鍍層剪應力

　　要測量鍍層的剪切應力，鍍層厚度需要在10μm以上。一般工藝要求剪切應力大于8mg/μm2。

　　2.5鍍層的鍵合性能（可焊性）

　　常見(jiàn)的金線(xiàn)直徑為25μm，鍵合溫度為135℃，用超聲波加強鍵合。通過(guò)拉力測試評價(jià)鍵合性能，業(yè)界一般要求拉力在8cN以上。

　　集成電路制造對電鍍金的性能，如鍍層均勻性、粗糙度、硬度、剪應力、可焊性等，要求越來(lái)越高，但只要選擇合適的電鍍設備系統和恰當的電鍍藥水，且控制好相關(guān)參數，仍然可以獲得性能優(yōu)越的金鍍層以滿(mǎn)足業(yè)界需求。