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/dm22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：5.0~7.0pH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。