半导体电镀工艺解析

　　金镀层具有接触电阻低、导电性能好、可焊性好、耐腐蚀性强，因而电镀金在集成电路制造中有着广泛的应用，例如：在驱动IC封装中普遍使用电镀金凸块；在CMOS/MEMS中应用电镀金来制作开关触点和各种结构等；在雷达上金镀层作为气桥被应用；电镀还被用于UBM阻挡层的保护层，以及用于各种引线键合的键合面等等。

　　1  电镀金工艺

　　1.1 电镀金工艺流程集成电路中的金电镀工艺流程：

　　①在硅片上溅射钛、钛钨等金属作为黏附层，再溅射很薄的一层金作为电镀的导电层；
 
②涂布光刻胶，光刻显影出电镀所需的图形；

③清洗后进行电镀金；

④褪除光刻胶；

⑤蚀刻图形以外的导电层；

⑥退火。

　　1.2  电镀金原理

　　镀金阳极一般采用铂金钛网材料。当电源加在铂金钛网（阳极）和硅片（阴极）之间时，溶液会产生电流，并形成电场。阳极发生氧化反应释放出电子，同时阴极得到电子发生还原反应。阴极附近的络合态金离子与电子结合，以金原子的形式沉积在硅片表面。镀液中的络合态金离子在外加电场的作用，向阴极定向移动并补充阴极附近的浓度消耗，如图1为水平杯镀示意图，图2为垂直挂镀示意图。电镀的主要目的是在硅片上沉积一层致密、均匀、无孔洞、无缝隙、无其它缺陷的金。

　　1.3电镀药水

　　集成电路电镀金工艺通常有两种体系的电镀液：氰化物体系及非氰化物体系。氰化物体系稳定性高，寿命长，因而成本较低，但氰化物有毒性，需有严格的使用规范加以管理。目前集成电路制造中常见的氰化物电镀金药水是微氰体系，呈弱酸性，镀液中金以Au（CN）-2的络合物形式存在。主要成分为：金盐、导电盐、缓冲剂和添加剂。这种镀液体系稳定，毒性较小，镀层光亮平滑，硬度适中，耐磨性好，孔隙率低，可焊性好。非氰化物体系的以亚硫酸金钠为常见的金盐，亚硫酸根比较容易被氧化，因而较之氰化物体系，其工艺稳定要差一些。本文主要针对氰化物体系的电镀金工艺。

　　1.4电镀金设备

　　选择合适的电镀设备，将会获得较为满意的镀层。电镀设备可分为二类：水平喷流式杯镀和垂直挂镀两种方式。杯镀式将晶圆覆盖在一个杯状的镀槽上，电镀以一杯一片的方式进行。挂镀式则是将晶圆垂直浸入镀液中，一个镀槽可以同时进行多片电镀。杯镀式的电镀需注意气泡的去除，否则将会影响镀层厚度的全片均匀性。挂镀式则比较容易去除反应产生的气泡，但需注意倾斜镀层的产生。

　　1.5电镀工艺控制

　　电镀工艺参数的控制对镀层性能的影响很大。现以氰化物电体系镀金药水为例，详细介绍电镀金工艺中需要控制的几个主要参数：

　　（1）电流密度：0.1~1.0A/dm2

　　2电流密度的提高，镀层的表面粗糙度增加。

　　（2）温度：40~80℃

　　镀液温度高于40℃后，温度继续升高，镀层的粗糙度变化不是很明显，一般是在100nm左右。随着温度升高，镀层硬度将有所下降。

　　（3）pH：5.0~7.0

　　pH对镀层表面粗糙度的影响趋势为：随着pH逐渐升高，镀层表面粗糙度略有增加，但仍保持在100nm以下。

　　提高pH值，允许的电流密度将提高，镀层中的金含量提高，同时镀层的硬度和内应力将有所下降。

　　（4）金质量浓度：8~20g/L

　　提高镀液中金的质量浓度，可提高电流密度范围，提高金的沉积速度。金的质量浓度提高，镀层的光亮度和均匀度都有改善。

　　（5）密度

　　随着镀液使用的时间逐渐延续，镀液的密度将越来越大，镀层的粗糙度也会越来越大。另外，镀金液由于金盐质量浓度低，需要大量的导电盐来支持电极过程的进行，导电盐的质量浓度可通过镀液的密度来反映。

　　（6）流量：10~30L/min

　　电镀时的流量控制也很重要，因为流量的大小对镀层的性能会有影响，如果流量太小，则离子交换速度慢，镀层粗糙；若流量太大，金离子未来得及被还原就被带走，这样镀层会变得疏松。另外，如果使用的电镀设备是杯镀，在电镀过程中如果流量始终不变的话，那么停留在晶圆中间的气泡就会一直停留在那里，容易在镀层上形成凹孔。此时若突然改变流量，则气泡所受到的平衡力将被破坏，气泡的运动状态即可发生改变，这就是平时所讲的除泡过程。所以，杯镀设备在设计时，循环系统中采用变频器调节流量。挂镀的气泡则较容易去除。此外，镀金液应使用1μm以下的PP滤芯连续过滤。镀金液不建议使用空气搅拌。

　　（7）添加剂

　　添加剂能改善镀层的表面粗糙度，但添加时应逐步进行，总量最好不要超过5mL/L，因为添加剂的中无机成分，可能会影响金镀层的纯度，也会使镀层的硬度增大。

　　2·镀层性能

　　2.1镀层厚度及均匀性

　　镀层厚度量测设备可以分为接触式和非接触式两种，接触式的量测有Profiler等仪器；非接触式的量测有X-ray和干涉显微镜。

　　由于边缘效应的影响，晶圆镀金层边缘厚，中间薄。一般半导体后道封装中的引线键合和焊接工艺对within-wafer（全片均匀性）的要求是小于10%。

　　2.2镀层表面粗糙度

　　影响镀层表面粗糙度的因素主要有：电流密度、温度、pH、密度、循环流量和添加剂质量浓度。镀层表面粗糙度应控制在100nm左右，粗糙度太大或太小对引线键合和焊接都会产生不良影响。因此，我们需要保证镀层有一定的粗糙度。

　　2.3镀层硬度

　　影响镀层硬度的因素主要有：温度、循环流量、添加剂质量浓度。

　　镀金工艺后，镀层硬度还可以通过退火来调节。退火之前镀层硬度大约在100HV左右，在退火条件为300℃保温30min后，镀层的硬度一般是在60HV左右。退火效果也受退火设备的影响。

　　2.4镀层剪应力

　　要测量镀层的剪切应力，镀层厚度需要在10μm以上。一般工艺要求剪切应力大于8mg/μm2。

　　2.5镀层的键合性能（可焊性）

　　常见的金线直径为25μm，键合温度为135℃，用超声波加强键合。通过拉力测试评价键合性能，业界一般要求拉力在8cN以上。

　　集成电路制造对电镀金的性能，如镀层均匀性、粗糙度、硬度、剪应力、可焊性等，要求越来越高，但只要选择合适的电镀设备系统和恰当的电镀药水，且控制好相关参数，仍然可以获得性能优越的金镀层以满足业界需求。