電化學沉積設備在集成電路制造中的應用及發展現狀

劉永進

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

電化學沉積設備在集成電路制造中的應用及發展現狀

劉永進

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

根據集成電路發展的趨勢，分析了電化學沉積設備在集成電路行業的應用。通過及國外各主流設備的特點及國內設備的現狀闡述，指出了國內在電化學沉積設備及技術方面，與國外水平存在巨大的差距。

電化學沉積；集成電路；應用

集成電路向“高集成度、高可靠性、高速率、低功耗”發展，制造工藝不斷變革。

（1）隨著半導體技術的發展，集成電路線條更加微細化，微結構尺寸小，僅有0.1～1 μm，而銅的電阻率比鋁小，抗電遷移能力比鋁好、擴散迅速，130 nm及以下集成電路工藝均應采用銅互聯工藝[1]。

（2）集成電路封裝向圓片級封裝（WLP）和三維疊層封裝（3D）等先進封裝方向發展，而凸點（Bump）、重分布層（RDL）、硅通孔（TSV）等均為先進封裝的關鍵工藝技術[2]。

1　設備應用

半導體晶圓電化學沉積（Electrical ChemicalDeposition，簡稱ECD）設備是半導體技術進入130nm技術節點芯片制備和集成電路圓片級封裝（Wafer Level Package，簡稱WLP）、三維疊層封裝（3D）所必需的工藝設備，主要用于集成電路芯片制作中的大馬士革銅互連工藝和晶圓封裝工藝中微凸點（Bumping）制作、銅重分布層（RDL）、硅通孔（Through Silicone Vie，簡稱TSV）填充等，是集成電路制造的關鍵工藝設備。

圖1　集成電路銅互聯

（1）銅互連工藝流程如圖3所示，晶圓級電化學薄膜沉積（ECD）設備是完成銅互聯銅填充工藝的關鍵設備。

（2）隨著封裝結構尺寸的縮小和對尺寸一致性要求的提高，印刷等工藝無法滿足使用要求，而蒸鍍、濺射等由于工藝時間太長、材料利用率低等問題也不適用于此類應用，這些工藝均主要通過電化學沉積（ECD）實現。先進封裝流程圖如圖4所示，電化學沉積（ECD）是集成電路先進封裝的關鍵工藝設備。

圖2　3D IC模型及關鍵技術

圖3　銅互連工藝流程

圖4　C2C堆疊工藝流程

2　國內外設備及技術現狀

（1） 國外主流銅互連 ECD設備主要有Lam/Novellous生產的Sabre NexT、AMAT生產的SlimCell、AMAT/Semitool生產的Raider GT，單臺售價均超過400萬美元。其中Slimcell在AMAT收購Semitool后就已經停產，只在部分Fab廠中還有使用，而Semitool后來開發的Raider GT市場認可程度不高，LAM的設備通過干接觸點技術實現了對晶圓均勻性特別是晶圓邊緣缺陷的控制。

圖5　Sabre NexT（Lam/Novellous）

（2）國外主流封裝ECD設備主要有三種，AMAT/Semitool生產的 Raider S、Tel/Nexx生產的Stratus、Lam/Novellous生產的Sabre 3D，單臺售價均超過2 000萬人民幣。其中，Raider S采用水平噴泉方式并對同一晶圓使用多個陽極獨立控制，能夠滿足微凸點和TSV制作的工藝需要，市場占有率最高；Stratus由于其占用凈化間空間少以及產能高的優點，尤其受許多封裝廠歡迎，目前主要用于微凸點及銅重分布層的生產；Lam/Novellous看到了先進封裝行業未來市場的發展前景，新開發了Sabre 3D用于封裝行業。

圖6　SlimCell(AMAT，已停產)

圖7　Raider GT（AMAT/Semitool）

圖8　Raider S(AMAT/Semitool)

圖9　Stratus（Tel/Nexx）

圖10　Sabre 3D（Lam/Novellous）

（3）國內設備方面，少數幾家單位擁有針對150 mm（6英寸）及以下尺寸晶圓的較成熟設備應用，但目前還主要集中于MEMS、MMIC、激光LD等芯片的應用，而針對200～300 mm（8～12英寸）集成電路應用的ECD設備還在開發當中。國家科技重大專項也多次支持國內相關企業進行設備研發，但是由于設備研發難度大，尤其集成電路行業對于高可靠性、高產能的高門檻，使得國內ECD設備均沒有在大尺寸集成電路產線得到應用。

3　結　論

集成電路向“高集成度、高可靠性、高速率、低功耗”發展，制造工藝不斷變革。半導體晶圓電化學沉積設備是半導體技術進入130 nm技術節點芯片制備和集成電路圓片級封裝、三維疊層封裝所必需的工藝設備，主要用于集成電路芯片制作中的大馬士革銅互聯工藝和晶圓封裝工藝中微凸點制作、銅重分布層、硅通孔填充等，是集成電路制造的關鍵工藝設備。目前由于設備研發難度大，尤其集成電路行業對于高可靠性、高產能的高門檻，使得國內ECD設備均沒有在大尺寸集成電路產線得到應用。

[1]陳智濤，李瑞偉.集成電路片內銅互連技術的發展[J].微電子學，2001，31(4)：239-241.

[2]鄧丹，吳豐順，周龍早，等.3D封裝及其最新研究進展[J].微納電子技術，2010，47(7)：443-450.

Applications in IC Manufacturing and Development Status of Electrical Chemical Deposition System

LIU Yongjin
(The 45th Research Institute of CETC，Beijing，101601)

Based on the trend of IC development，this paper analysis the applications of electrical chemical deposition system in IC chip fabrication and advanced packaging.Also，this paper describes the technical feature of foreign equipment，and points out that there is a huge gap between domestic technology and foreign countries.

Electrical chemical deposition；Integrated circuit；Applications

2016-10-27

TN304.5

A

1004-4507(2016)11-0004-04