电化学沉积设备在集成电路制造中的应用及发展现状

刘永进

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601)

电化学沉积设备在集成电路制造中的应用及发展现状

刘永进

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601)

根据集成电路发展的趋势，分析了电化学沉积设备在集成电路行业的应用。通过及国外各主流设备的特点及国内设备的现状阐述，指出了国内在电化学沉积设备及技术方面，与国外水平存在巨大的差距。

电化学沉积；集成电路；应用

集成电路向“高集成度、高可靠性、高速率、低功耗”发展，制造工艺不断变革。

（1）随着半导体技术的发展，集成电路线条更加微细化，微结构尺寸小，仅有0.1～1 μm，而铜的电阻率比铝小，抗电迁移能力比铝好、扩散迅速，130 nm及以下集成电路工艺均应采用铜互联工艺[1]。

（2）集成电路封装向圆片级封装（WLP）和三维叠层封装（3D）等先进封装方向发展，而凸点（Bump）、重分布层（RDL）、硅通孔（TSV）等均为先进封装的关键工艺技术[2]。

1　设备应用

半导体晶圆电化学沉积（Electrical ChemicalDeposition，简称ECD）设备是半导体技术进入130nm技术节点芯片制备和集成电路圆片级封装（Wafer Level Package，简称WLP）、三维叠层封装（3D）所必需的工艺设备，主要用于集成电路芯片制作中的大马士革铜互连工艺和晶圆封装工艺中微凸点（Bumping）制作、铜重分布层（RDL）、硅通孔（Through Silicone Vie，简称TSV）填充等，是集成电路制造的关键工艺设备。

图1　集成电路铜互联

（1）铜互连工艺流程如图3所示，晶圆级电化学薄膜沉积（ECD）设备是完成铜互联铜填充工艺的关键设备。

（2）随着封装结构尺寸的缩小和对尺寸一致性要求的提高，印刷等工艺无法满足使用要求，而蒸镀、溅射等由于工艺时间太长、材料利用率低等问题也不适用于此类应用，这些工艺均主要通过电化学沉积（ECD）实现。先进封装流程图如图4所示，电化学沉积（ECD）是集成电路先进封装的关键工艺设备。

图2　3D IC模型及关键技术

图3　铜互连工艺流程

图4　C2C堆叠工艺流程

2　国内外设备及技术现状

（1） 国外主流铜互连 ECD设备主要有Lam/Novellous生产的Sabre NexT、AMAT生产的SlimCell、AMAT/Semitool生产的Raider GT，单台售价均超过400万美元。其中Slimcell在AMAT收购Semitool后就已经停产，只在部分Fab厂中还有使用，而Semitool后来开发的Raider GT市场认可程度不高，LAM的设备通过干接触点技术实现了对晶圆均匀性特别是晶圆边缘缺陷的控制。

图5　Sabre NexT（Lam/Novellous）

（2）国外主流封装ECD设备主要有三种，AMAT/Semitool生产的 Raider S、Tel/Nexx生产的Stratus、Lam/Novellous生产的Sabre 3D，单台售价均超过2 000万人民币。其中，Raider S采用水平喷泉方式并对同一晶圆使用多个阳极独立控制，能够满足微凸点和TSV制作的工艺需要，市场占有率最高；Stratus由于其占用净化间空间少以及产能高的优点，尤其受许多封装厂欢迎，目前主要用于微凸点及铜重分布层的生产；Lam/Novellous看到了先进封装行业未来市场的发展前景，新开发了Sabre 3D用于封装行业。

图6　SlimCell(AMAT，已停产)

图7　Raider GT（AMAT/Semitool）

图8　Raider S(AMAT/Semitool)

图9　Stratus（Tel/Nexx）

图10　Sabre 3D（Lam/Novellous）

（3）国内设备方面，少数几家单位拥有针对150 mm（6英寸）及以下尺寸晶圆的较成熟设备应用，但目前还主要集中于MEMS、MMIC、激光LD等芯片的应用，而针对200～300 mm（8～12英寸）集成电路应用的ECD设备还在开发当中。国家科技重大专项也多次支持国内相关企业进行设备研发，但是由于设备研发难度大，尤其集成电路行业对于高可靠性、高产能的高门槛，使得国内ECD设备均没有在大尺寸集成电路产线得到应用。

3　结　论

集成电路向“高集成度、高可靠性、高速率、低功耗”发展，制造工艺不断变革。半导体晶圆电化学沉积设备是半导体技术进入130 nm技术节点芯片制备和集成电路圆片级封装、三维叠层封装所必需的工艺设备，主要用于集成电路芯片制作中的大马士革铜互联工艺和晶圆封装工艺中微凸点制作、铜重分布层、硅通孔填充等，是集成电路制造的关键工艺设备。目前由于设备研发难度大，尤其集成电路行业对于高可靠性、高产能的高门槛，使得国内ECD设备均没有在大尺寸集成电路产线得到应用。

[1]陈智涛，李瑞伟.集成电路片内铜互连技术的发展[J].微电子学，2001，31(4)：239-241.

[2]邓丹，吴丰顺，周龙早，等.3D封装及其最新研究进展[J].微纳电子技术，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