電鍍工藝工程師常用核心專業術語

對于電鍍工藝工程師來說，尤其是在半導體后道工序（BEOL, Back End of Line）中負責銅互連（Copper Interconnect）的工程師，掌握一套精準的專業術語是高效溝通、解決問題和進行工藝開發的基礎。小編為你梳理一套核心常用術語，并按照化學體系、工藝過程與硬件、質量與缺陷、以及工藝整合這四個類別進行解釋。這套術語體系不僅是日常交流的語言，更代表了我們思考和分析電鍍工藝的框架。

1. 化學體系 (Plating Chemistry / Bath)

這是電鍍的“血液”，其成分的精確控制是工藝成功的基石。

• 電解液 (Electrolyte)

• • 解釋：電鍍槽中的基礎導電溶液。在銅互連工藝中，通常是硫酸銅（CuSO?）和硫酸（H?SO?）的水溶液。CuSO?提供銅離子（Cu2?）來源，H?SO?則提高溶液的導電性并穩定化學環境。

  • 工程考量：銅離子和酸的濃度是關鍵控制參數（SPC），直接影響沉積速率和薄膜電阻率。

• 添加劑 (Additives)

• • 解釋：電解液中以極低濃度（ppm級）存在的有機分子，它們是實現溝槽“無缺陷填充”的魔術師。主要分三類：

  • 工程考量：這三者的濃度配比是電鍍工藝的核心機密 (Know-how)。它們的平衡決定了填充效果。我們常說的“超級填充”或“無缺陷填充”（Superfilling / Bottom-up Filling）就是靠這三者的精妙協同作用實現的。

  1. 抑制劑 (Suppressor)：通常是聚合物大分子（如PEG）。它會吸附在晶圓表面所有區域，抑制銅的沉積。

  2. 加速劑 (Accelerator)：通常是含硫小分子（如SPS）。它會優先吸附在溝槽底部，并取代抑制劑，加速該區域的銅沉積。

  3. 整平劑 (Leveler)：通常是含氮有機物。它在電場較強的區域（如溝槽開口的拐角處和已填充區域的表面）消耗得更快，作用是抑制突出的生長，防止形成“鼓包”（Mound），獲得平坦的沉積表面。

• 氯離子 (Chloride Ion, Cl?)

• • 解釋：一個看似簡單卻至關重要的無機離子。它作為抑制劑和加速劑之間相互作用的“橋梁”，能顯著影響抑制劑的吸附效果和整體填充能力。

  • 工程考量：濃度必須嚴格控制在幾十個ppm的范圍內。過高或過低都會導致填充失敗，產生空洞（Void）。

• 鍍液老化/降解 (Bath Aging / Degradation)

• • 解釋：隨著電鍍的進行，有機添加劑會發生分解，產生副產物，導致鍍液性能衰退。

  • 工程考量：需要通過“補液”（Dosing）或“新陳代謝”（Bleed and Feed）系統來維持添加劑濃度和鍍液的穩定。定期進行鍍液分析（如CVS分析）和更換是必須的。

這是實現電鍍的物理載體和操作手段。

• 陽極 (Anode)

• • 解釋：在電鍍槽中，提供銅離子來源的電極，通常是高純度的含磷銅（Phosphorized Copper）。磷的作用是幫助陽極均勻溶解，防止其表面鈍化。

  • 工程考量：陽極的健康狀態（形狀、純度、是否鈍化）直接影響電流分布的均勻性。

• 陰極 (Cathode)

• • 解釋：被電鍍的工件，也就是我們的晶圓 (Wafer)。電流從陽極流向陰極，銅離子在陰極表面獲得電子，還原成金屬銅。

• 晶種層 (Seed Layer)

• • 解釋：在電鍍之前，通過物理氣相沉積（PVD）在晶圓表面（包括溝槽和通孔的側壁和底部）預先沉積的一層非常薄的銅層。它的作用是為后續的電鍍提供一個導電的起始表面。

  • 工程考量：晶種層的連續性和臺階覆蓋率 (Step Coverage) 至關重要。如果晶種層在溝槽側壁斷裂，電鍍時電流無法到達，就會導致致命的空洞 (Void)。這是先進節點（如28nm及以下）面臨的核心挑戰之一。

• 大馬士革/雙大馬士革工藝 (Damascene / Dual Damascene)

• • 解釋：這是銅互連制造的核心架構。先在絕緣層（Dielectric）中刻蝕出溝槽（Trench）和通孔（Via），然后用銅將其填充，最后通過化學機械拋光（CMP）去除多余的銅，使銅只留在溝槽和通孔內。雙大馬士革是同時制作通孔和它上面的金屬連線。

  • 工程考量：電鍍工程師必須深刻理解自己填充的圖形結構，因為圖形的深寬比 (Aspect Ratio) 和密度會極大地影響填充效果。

• 電流密度 (Current Density, J)

• • 解釋：施加在晶圓單位面積上的電流大小，單位通常是mA/cm2或ASD (Amperes per Square Decimeter)。這是控制沉積速率和薄膜形貌最直接的工藝參數。

  • 工程考量：我們通常采用多步電流密度配方（Recipe）。例如，先用一個低電流密度進行“成核”（Nucleation），以確保晶種層上均勻起鍍，然后用一個高電流密度進行“主填充”（Bulk Fill），以提高生產效率。

• 脈沖電鍍 (Pulse Plating)

• • 解釋：相對于直流電（DC），采用周期性的正向和反向電流脈沖進行電鍍。反向脈沖可以溶解掉一些突出或結構不佳的銅沉積，有助于獲得更致密、更平整的鍍層。

  • 工程考量：脈沖的波形、占空比（Duty Cycle）和頻率都是重要的優化參數，可以改善高深寬比結構的填充能力和薄膜微觀結構。

這是衡量工藝好壞的最終標準。

• 空洞 (Void)

• • 解釋：銅線內部的空隙，是電鍍最致命的缺陷。通常因為添加劑失衡、晶種層覆蓋不良或溝槽開口處過早“閉合”（Pinch-off）導致。

  • 工程考量：需要通過調整添加劑濃度、優化電流配方或改善前道PVD工藝來解決。失效分析（FA）中常用FIB/SEM進行切片觀察。

• 接縫 (Seam)

• • 解釋：一種特殊的空洞，形態為一條線。當溝槽從兩側向中間生長，最后在中心匯合時，如果結合不完美就會形成接縫。

  • 工程考量：雖然不一定是完全的開路，但接縫是應力集中點和電子遷移的薄弱環節，影響器件可靠性。

• 過鍍量/銅丘 (Overburden / Mound)

• • 解釋：電鍍后，在圖形區域上方沉積的多余銅的高度。銅丘是指在圖形密集區上方形成的局部過高的突起。

  • 工程考量：過鍍量需要足夠高，以確保后續CMP有足夠的研磨余量，但又不能過高，否則會增加CMP時間和成本，甚至導致CMP缺陷。這需要與CMP工程師協同優化。

• 終端效應 (Terminal Effect)

• • 解釋：由于晶圓邊緣和中心的電阻差異，導致電流在晶圓上分布不均，通常邊緣電流密度高于中心，造成邊緣鍍層厚于中心。

  • 工程考量：需要通過設計特殊的電鍍腔體、使用屏蔽環（Shield Ring）或分區陽極（Zoned Anode）來補償，以獲得優異的片內均勻性 (WIW Uniformity)。

這是將電鍍工藝置于整個芯片制造流程中考慮。

• 電遷移 (Electromigration, EM)

• • 解釋：在高電流密度下，電子流的“風”會推動金屬原子移動，長期下來會導致銅線中形成空洞（導致開路）或擠出“晶須”（導致短路）。這是互連線可靠性的首要殺手。

  • 工程考量：電鍍形成的銅晶粒大小、晶界分布和純度直接影響抗EM性能。通常晶粒尺寸更大、取向更一致（如(111)織構）、雜質更少的銅線具有更好的EM性能。

• 應力遷移 (Stress Migration, SM)

• • 解釋：由于銅和周圍的低k絕緣材料熱膨脹系數（CTE）不匹配，在后續的熱處理過程中，銅線內部會產生巨大應力，導致原子遷移形成空洞。

  • 工程考量：需要在電鍍后增加一步退火（Anneal）工藝，讓銅的晶粒再結晶、長大，釋放應力，穩定微觀結構。

• 通孔底部覆蓋 (Via Bottom Coverage)

• • 解釋：特指雙大馬士革結構中，PVD晶種層在細小通孔底部的覆蓋情況。這是最困難的覆蓋點。

  • 工程考量：覆蓋不好直接導致通孔開路 (Open Via)。這是工藝整合時，PVD和電鍍工程師需要共同面對的核心問題。

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