与化学气相沉淀等薄膜沉积技术相比,表面电镀技术可在常温、常压下实施,更加经济实用,在半导体工业上获得了大量关注。铜具有良好的导电性和延展性,承载更强电流的同时可降低延时。单晶硅具有良好的机械、电学特性,但完整的晶格结构导致很难在其光滑表面直接镀铜。为简化通过在硅表面引入晶种层和阻挡层获得均匀铜镀层的工艺,针对铜在化学处理后的单晶硅表面直接沉积时表现的电镀特性展开了研究。在理解电镀系统基本工作原理的基础上,分析了电流导通时电极／电镀液界面的双电层结构及引起的电容效应,阐述了金属电结晶过程的主要步骤,考虑了晶面缺陷对金属原子成核及晶核生长过程的影响。为改善铜／硅界面间的附着性,提出在硅片表面制造缺陷以实现铜-硅机械互锁结构的方案。选择常用的KOH湿法蚀刻工艺在单晶硅表面制造缺陷,并借助IntelliSuite软件对三角形、八边形等不同形状的硅片在60℃、40%KOH溶液中的蚀刻结果进行了仿真。选用(100)和(111)硅片作为衬底,通过热氧化、表面刻形、BHF去除氧化层等工艺制作出表面覆盖一定图案的单晶硅电极,并使用BHF或KOH溶液腐蚀、异丙醇溶液浸没和超声波震荡等方式进行表面化学处理。使用包含Ag/AgCl参比电极的电镀系统,尝试直流、脉冲等不同的电镀方式和参数,将铜从0.01mol CuSO4+0.05mol H2SO4镀液中还原、并沉积在单晶硅表面。SEM和AFM下观察镀层的外观形貌与结构,使用Dektak对镀层轮廓进行测量,并对比不同条件下所得镀层的质量。在BHF处理过的(100)和(111)硅片表面,铜原子很难生长成连续镀层,大多以孤岛形态存在。KOH在(100)硅片表面腐蚀生成的缺陷结构增加了铜结晶位置,镀层比较均匀、连续。由于各向异性腐蚀特性,在与<110>方向错位的电极边缘生成的粗糙界面上获得了均匀、连续的镀层。被KOH处理过的(111)硅面没有显著改变形貌,但表现了生长均匀镀层的优秀能力。AFM下观察到的三角形铜晶粒以孤岛形态生长,通过不断的聚集融合生长成连续镀层,符合Volmer Weber岛生长模型。铜原子容易围绕电极的边缘位置生长,获得外延珊瑚状结构,随着电极尺寸的增加,外延结构逐渐收缩甚至消失。受困于阴极表面不断下降的金属离子浓度,阴极电位较高时外延结构在直流电镀过程中容易长大成枝晶结构,脉冲电镀可以通过脉冲关断期离子浓度的及时补充避免枝晶形成,但同时也导致了较高的电镀效率,使镀层容易脱落。电镀开始前施加的斜坡电压扫描信号在短时间内维持较高的阴极电压,增加了成核速度,有利于细化晶粒,获得均匀镀层。