扫码添加微信，获取更多半导体相关资料
引言
不同的电镀系统在晶片上的性能会有很大的不同。特定电镀系统的架构可以从根本上提高——或限制——其可实现的性能。
限制的一个例子是简单的湿工作台，它镀到静态晶片上。其结构限制了其均匀性，晶片内的均匀性不超过约10%。然而，当今一些更先进的电镀系统是专门为提高晶片性能而设计的。这可以使他们更容易产生一流水平的一致性。
实验
电场分布图：向反应堆系统施加电势会产生电场。该电场将阳离子(反应形成电镀金属的金属离子)推向带负电的晶片；同样，它把电子拉向带正电的阳极。离子受到的力的大小与它与电极的接近程度和施加在电极上的电流直接相关。当正离子(+)在阳极(+)产生时，它们被阳极排斥并被拉向晶片。
阳极和阴极/晶片之间的这种近似现实在电镀系统的结构中至关重要。不完全平行于其阳极的静态晶片将由于机械接近而经历固有的线性不均匀性。这个错误只能通过更紧密的机械设计来纠正。
静态晶片系统会夸大这种缺陷，而旋转圆盘系统会将这种不平等限制在径向对称上。换句话说，这种不完美的平行性将被完全征服径向考虑。这是简单的几何图形，用旋转的晶片很容易克服。因此，晶片和阳极之间的平行性是普遍重要的，因为从一侧到另一侧的距离的百分比差异将导致场的大小的类似百分比差异，从而对于给定的半径产生不同的电镀速率。
晶片上的电流密度分布
图1所示，带有负电荷的晶片将阳离子吸引向它。对于有限的阴极，电场在中心垂直于晶片表面延伸，朝向晶片边缘的角度逐渐变化。由于电场是整个带电表面的累积效应，实际上，电场也最强地朝向晶片的中心。没有考虑到质量转移、流体动力学、反应器形状或电镀术语，电镀将在中心处最快，并向晶片边缘减少。这是电场的基本行为，与其他因素无关。正如我们将看到的，还有许多额外的考虑。
如前所述，电流密度驱动沉积速率。因此，在整个晶片上产生均匀镀膜的首要考虑是确保反应器内电场的均匀分布。
图2示出了浸入电镀电解液中的晶片的一部分，准备在其上进行电镀。描绘了完整的电化学电池，包括电池电连接到晶片种子层的接触点。种子层是将电流输送到晶片所有区域所必需的。在图像中，晶片被描绘成三个有意义的区域:晶片边缘(电池在电源和晶片之间形成电接触的地方)、中间半径和晶片中心。
在晶片上每个点产生的电流密度取决于每个位置特定的电压和电阻，该电流密度必须彼此相同以实现均匀电镀。如图所示，晶片的边缘比中间半径更靠近电触点，比中心更靠近电触点。因此，晶片边缘将经历通过籽晶的电阻，该电阻低于中间半径处的电阻，该电阻低于晶片中心处的半径。这是因为电流需要穿过种子从边缘到中心移动一段距离。
然而，在应用中，我们发现电阻的实际差异非常小，实际上可以忽略不计，因为典型的种子层足够厚，其薄层电阻完全在“体薄层电阻”范围内。因此，为了产生有利于晶片上均匀电流密度的电场分布，有必要在晶片上的所有点产生相同的电压。
图2穿过晶片的电流分布
电场的累积效应意味着简单的经验设计工作可以产生名义上均匀的电场。一个先进的电镀反应器，如第四代从一类，可以设计为多种应用提供最先进的统一。为此，第四代反应器采用计算流体动力学(CFD)建模进行设计，以确保反应器内晶片位置的场高度均匀分布(图3)。电场在晶片上的均匀分布在晶片上产生均匀的电势，在闭合电路的情况下，在晶片上产生均匀分布的电流。这定义了晶片上的均匀镀层。
对电场的描述故意笼统，没有考虑到非常重要的内在和有意的操作，这些操作直接导致实际电镀步骤的均匀性。这些关键细节将在本文后面的章节中介绍。
阳离子可用性是确保金属均匀沉积必须适当处理的第二个因素。两个最重要的考虑因素是:主体中的阳离子浓度和扩散层的阳离子可用性。第一个是在浴液配方和维护领域，将简要介绍。第二种更直接地涉及均匀沉积，将在这里得到扩展研究。
整体中的阳离子浓度
半导体电镀带来了许多专门的和高度可靠的电镀化学的发展。每种方法的一个基本要求是，化学混合物应围绕有效的阳离子浓度和添加剂进行开发，以确保在实际消耗速率和镀液寿命期间的稳定性。这种质量可以从最先进的半导体电镀槽的主要供应商那里获得，本文将不详细讨论电镀化学设计的庞大知识库。然而，随着越来越多的设备类型迁移到制造ap-
在半导体工业中，围绕工业用途开发的电镀电解液经常在半导体行业中试用。适当的反应器设计提供了从工业级电镀化学产生半导体级结果的灵活性。
从已知良好的cat-离子浓度开始，支持高质量金属膜的有效镀覆，下一个考虑是在一个可靠的窗口内保持该整体浓度。该主题将在本系列第4部分中关于晶片间电镀均匀性的章节中详细介绍。现在，只要说必须保持阳离子体积浓度就足够了。
扩散层的阳离子可用性
如前所述，高质量的金属电镀要求系统在贫电子条件下运行，使得反应速率受到电子通量速率(即电流)的限制，并由此受到电子通量速率的限制。同样，按照这种思路，电子在沉积反应中起着限制试剂的作用。
鉴于这种对电子供应的实际看法，可以理解的是，对于同一组反应，阳离子充当过量试剂。然而，考虑到整个晶片上条件变化的可能性，这种情况不能在所有位置都假设。事实上，如前一节所述，在给定电镀浴的特定浓度范围内，阳离子的供应不足以确保在整个晶片表面和特定特征内始终有充足的阳离子供应。
无法做出这种假设的原因是质量传递，它只是指给定物质从一个地方到另一个地方的运动。在目前的考虑中，质量转移将被严格地认为是含水金属阳离子向晶片表面给定还原点的运动，因为这种考虑对镀覆速率和均匀性至关重要。如本节所示，有几个因素会影响整个系统的传质速率。
从最简单的角度来看，电解质本体中的良好混合是至关重要的，原因有很多，其中最重要的是保持电解质的均匀性。由于这个原因，大多数半导体反应器提供电解质的主动搅拌，重点是晶片表面的湍流。最典型的是，电解液从贮液器通过反应器再循环，从而通过沉积在反应器内耗尽的小部分电解液由保持目标浓度的充足供应补充。如前所述，浴缸的维护将在本工作的第4部分中介绍。
尽管良好的混合对于将均匀的本体溶液保持在目标浓度是必要的，但是由于在晶片上扩散差异的可能性，良好的混合不足以精确控制晶片实际表面的阳离子可用性。
扩散层
当粘性流体以一定速度流过一个表面时，它会产生一个运动轮廓，由此速度从物体的诱导速度逐渐减小到相对于实际表面的零速度,被这种效应减缓的流体层称为边界层。边界层的厚度(速度因与表面相互作用而减慢的距离)取决于流体的速度及其湍流等因素。更高的速度和更多的米拉-纳尔流产生更薄的边界层。虽然层流有助于形成较薄的边界层，但是当层流对着表面流动的时间越长，层流就会变得越湍流，如果在表面上遇到任何不规则，例如光致抗蚀剂图案的不规则。湍流虽然会产生较厚的边界层，但不太容易受到表面特征产生的涡流的影响。
为了有效电镀，希望具有尽可能薄的边界层，以尽可能靠近晶片表面提供大量浓度的阳离子。然而，物理学表明，最终会有一个基本上停滞的一定厚度的层，阳离子必须通过纯粹的扩散，这比对流和混合要慢得多。在电化学中，该层的定义术语是能斯特扩散层，它是“电极附近浓度(离子)不同于其在本体溶液中的值的区域。”
阳离子必须从均匀体浓度区域穿过停滞扩散层，到达实际晶片的表面，参与那里的阴极反应。这种运动称为扩散，为了均匀沉积，阳离子穿过扩散层所需的时间很重要。为了这篇论文的目的和它对半导体晶片上电化学沉积的实际知识的关注，考虑给定阳离子穿过扩散层的“速度”在内是恒定的就足够了
受控电镀工艺。换句话说，特定组成的阳离子以由其特定扩散系数确定的设定速度穿过扩散层。更简单地说，给定阳离子穿过扩散层所需的总时间直接取决于扩散层的厚度。
整体中的阳离子浓度
半导体电镀带来了许多专门的和高度可靠的电镀化学的发展。每种方法的一个基本要求是，化学混合物应围绕有效的阳离子浓度和添加剂进行开发，以确保在实际消耗速率和镀液寿命期间的稳定性。
在半导体工业中，围绕工业用途开发的电镀电解液经常在半导体行业中试用。适当的反应器设计提供了从工业级电镀化学产生半导体级结果的灵活性。
从已知良好的cat-离子浓度开始，支持高质量金属膜的有效镀覆，下一个考虑是在一个可靠的窗口内保持该整体浓度。该主题将在本系列第4部分中关于晶片间电镀均匀性的章节中详细介绍。现在，只要说必须保持阳离子体积浓度就足够了。
图6电压-电流密度关系
镀上一层籽晶并进行调整
●查看镀膜的轮廓，将其与上面提供的图像进行比较，并进行建议的更改。
●如果在距离边缘约10毫米处观察到厚度快速增加或快速减少，请执行以下操作:
◆厚度的快速增加可能是由于屏蔽太少，无法抵消电流拥挤造成的。如果你的系统在反应堆周围有一个“屏蔽”特征，调整它更靠近晶片。如果屏蔽不可调整，您可能需要调整电镀位置，使其更靠近屏蔽。如果你两个都没有调整，减少这种影响的选择就很少了。
◆晶片外部10毫米的快速减小可能有两个原因之一:1)浸没时捕获的气泡。要纠正这一点，请参见上面的建议。2)屏蔽过多，无法抵消电流拥挤。要纠正这种情况，请调整屏蔽，使其远离晶圆或晶圆远离屏蔽。如果两种调整都不可用，则此问题不容易纠正。