在早期的芯片中,互联导线主要使用铝。但随着工艺进步,晶体管越来越小,对导线的性能要求也越来越高。铜凭借其更低的电阻率(导电性更好)和更强的抗电迁移能力(更耐用),成功取代了铝,让芯片速度更快、功耗更低。
然而,如何在纳米尺度的芯片结构上沉积铜,是一个巨大挑战。物理气相沉积(PVD)这类“喷涂”工艺在填充深而窄的沟槽时容易产生孔洞,导致导线断裂。而电化学电镀(Electroplating) 则完美地解决了这一问题,它的过程如同给芯片进行一场精密的“纳米级电镀”:
第一步:做好准备
在需要制作导线的绝缘层(介质层,如SiO₂)上,已经通过刻蚀工艺雕刻出了设计好的沟槽和通孔。然后,需要先用PVD工艺在沟槽内壁和芯片表面均匀地沉积一层极薄的屏障层(Barrier)。这层屏障如同“保鲜膜”,防止后续的铜原子扩散到周围的绝缘材料中,破坏芯片的电学性能。
第二步:浸入蓝液
将整个晶圆浸入特殊的硫酸铜(CuSO₄)溶液中。
第三步:通电召唤
阴极(-):晶圆本身。它被接通电源的负极。
阳极(+):一个由高纯度铜制成的铜靶(Copper Target)。它被接通电源的正极。
当电路接通,电场瞬间建立。溶液中的铜离子(Cu²⁺)带正电,被负极的晶圆所吸引,纷纷向晶圆表面移动。
第四步:精准填充
在电场的作用下,铜离子到达晶圆表面的沟槽和孔洞后,会得到电子,发生还原反应,从离子状态变成金属铜原子,并从下至上、从内至外地均匀沉积在沟槽内,最终实现无孔洞的完美填充。
第五步:抛光打磨
电镀完成后,晶圆表面会覆盖一层多余的铜。接下来需要通过化学机械抛光(CMP) 工艺,将这层多余的铜磨掉并抛光平坦,只留下沟槽内那些完整的铜导线,为制作下一层电路做好准备。