｜3D IC銅電鍍製程與設備

摘要：未來消費性電子產品將朝向輕、薄、短、小及多功能等方向發展，而傳統的二維導線連接技術已無法滿足高速傳輸與晶片體積等問題，將逐漸被3D IC構裝技術所取代。由於高深寬比之銅填孔製程中需要使用特殊的電鍍液及電鍍設備，且因電鍍時間相當長，因此3D TSV製程中以銅填孔（Via Filling）及接合製程占成本之最大比例。本論文將探討TSV填孔電鍍原理及目前填孔專用電鍍設備架構的設計趨勢，並針對TSV銅電鍍技術進行分析及評估，指出TSV銅填孔電鍍技術對TSV通孔製程之影響。

Abstract: Future consumer electronic products will become lighter, thinner, shorter, and smaller. The traditional 2D wiring technology cannot meet the requirements such as high-speed transmission, and small chip volume, and hence, is expected to be gradually replaced by 3D IC packaging technology.  Since high aspect ratio copper via filling process requires special electroplating solution and equipment, via filling and bonding process are the major costs for a typical 3D TSV process. This paper discusses the principle of TSV via filling technique and the design trend of electroplating equipment. Furthermore, the effect of TSV via process on the TSV copper via filling technique is explored and analyzed.

關鍵詞：矽穿孔、3D IC封裝、銅電鍍

Keywords：Through Silicon Via, TSV, 3D IC package, copper electroplating

前言
未來消費性電子產業的發展將著重於小又易攜帶之多功能產品，在此趨勢下，傳統的2D IC技術已漸漸無法達到上述要求。為了解決在2D IC技術的瓶頸，IC製造產業已從2D平面製造技術轉向3D IC製造技術，因此3D IC構裝技術已被認為是新一世代半導體技術，並將擔起未來五年半導體市場整合晶片的重要角色。而3D IC最大特點在於可讓不同矽晶片基板，利用矽穿孔（Through Silicon Via；TSV）技術進行立體堆疊整合，不但可縮短金屬導線長度及連線電阻，也能進一步減少晶片面積。對於封裝技術而言，新一代技術將藉由3D空間堆疊，以補足摩爾定律放緩的問題。多數人都同意一旦3D IC技術成熟後，在產品具有同樣性能的前提下，3D IC生產的成本會比傳統的2D方式為低。然而目前3D IC之設備及材料仍在發展階段，因此業者尚未能有效壓低成本。目前全球3D IC技術在相關的材料設備發展上，主要的著力點仍放在佔成本比重最高的銅填孔（Cu Via Filling）及接合（Bonding）兩部分，為多數廠商努力的重點。圖1為3D IC TSV製作之個別製程成本估算，其中占最大比例的為填孔（Via Filling）及接合製程。由於高深寬比電鍍須使用特殊設計之電鍍設備及鍍液，且電鍍時間往往相當長，至少需要6小時以上的電鍍時間才能完成Void Free TSV電鍍，造成填孔製程成本的提升。因此以現階段的狀況來看，如何在製程中可提供較高的產能（Throughput）與較低製孔（TSV）成本之設備與材料為各廠商發展的重點。以合乎經濟效益的方法建構TSV已成為3DIC構裝技術之關鍵主流，利用銅填充穿越矽晶片的通孔是實現3D IC的決定性因素之一，沈積晶種層與隨後的電鍍充填，也已經成為標準的TSV製程。為了完成無空隙的金屬充填，晶種層的特性及電鍍製程之化學參數都必須達到最佳化，以便加速沈積效率，達成由下而上的金屬填充[2-8]。

在電鍍設備的發展方面，目前國外主要的廠商有Novellus Systems、Semitool、應用材料（Applied Materials）、Nexx systems、Digital Matrix、日商NOVEL等幾家設備商，在槽體之設計主要可分為水平電鍍、垂直電鍍、斜面電鍍等電鍍方式。在水平電鍍設備方面，國內大多數半導體電鍍設備廠商是採用此一方式來進行電鍍製程，其設計為陽極固定平放於下方，而陰極採可旋轉之設計並平行於陽極，鍍液由下方往上方流動，平行於電場電力線之方向。此種水平電鍍之設計優點為：1.陰極夾具能進行轉動，可增加鍍液之擾動，增加電鍍沉積之均勻度。2.電鍍夾治具自動化機構容易設計。3.利用旋轉破壞陰極物件表面之電雙層效應，使金屬離子容易進入陰極。但此設計有以下幾個主要缺點：1.由於流體流動與電場之電力線呈同一方向，容易造成電力線混亂，破壞電鍍沉積之均勻度，使電鍍之微結構產生沉積變形。2.由於流體流動方向直接衝擊微結構，造成陰極物件中間與周圍之沉積速率產生差異，而形成較差之沉積共平面。3.由於鍍液直接衝擊微結構，而使氣泡被帶入微結構深孔中形成包覆空孔。4.陰極物件與陽極物件只能形成一對一沉積。

另外，日本NOVEL電鍍設備商則是主要斜面電鍍設備之代表，其設計為陽極呈現30-60度之傾斜擺放位置，而陰極亦有可旋轉之設計且平行於陽極。鍍液循環由下方沿著陰陽極中間區域而流至循環槽，其流體方向與電場電力線方向互相垂直。此斜面電鍍之設計優點為：1.陰極夾具能進行旋轉，增加鍍液之擾動，可增加電鍍沉積之均勻度。2.流體流動與電場之電力線呈垂直方向，流體流動不會造成電力線混亂，可增加電鍍沉積之均勻度與共平面。但此設計有以下幾個主要缺點：1.由於電鍍夾治具需呈30-60度之傾斜放置，故夾治具設計不易與自動化作配合。2.由於陽極呈現30-60度之傾斜擺放，故需要較大之設備空間。3.陰極物件與陽極物件只能形成一對一沉積。

電鍍設備的另一種設計為垂直電鍍，其設計為陽極垂直置於槽體之一邊，而陰極垂直置於槽體之另一邊；並於陽極外包覆一組陽極濾袋，以防止陽極殘渣進入鍍液中。鍍液循環則採由下而上再溢流至循環槽體中，其流體方向與電場電力線方向互相垂直。此設計缺點除了因電鍍夾治具無旋轉功能導致電鍍沉積均勻度差，且陰極物件表面所形成之電雙層效應需藉由外力攪拌等方式減少。由於一般電鍍廠商採用包覆式陽極濾袋，其雖然可以防止陽極殘渣進入鍍液中，但會造成陽極殘渣吸附於濾袋內部，進而影響陽極效率，並需要定期清洗更換。此外，包覆式陽極濾袋由於無法緊貼陽極，在槽體中會隨著鍍液流動而飄動，造成電力線混亂等缺點。而此垂直電鍍之設計優點為：1.流體流動方向與電場之電力線呈垂直，流體流動不會造成電力線混亂，可增加電鍍沉積之均勻度與共平面。2.電鍍夾治具設計易自動化。3.陰極物件與陽極物件能形成一對二沉積，增加電鍍單位時間的產出量。但此設計有以下幾個主要缺點：1.電鍍夾治具無法具有旋轉功能，電鍍沉積均勻度差。2.陰極物件表面所形成之電雙層效應需要藉由機械力或攪拌等方式去除。3.陰極物件表面因電鍍所產生之氣泡無法藉由陰極旋轉與鍍液接觸磨擦而去除。因此垂直式電鍍系統為改善陰極物件表面所形成之電雙層效應影響，可在陰極物件前面放置可上、下來回快速擺動之陰極遮罩，以增加陰極表面之鍍液擾動，而降低陰極電雙層效應影響。