8 寸CMP 設備對小尺寸鍍銅InP 晶圓的工藝開發

成 明， 趙東旭， 王云鵬， 王 飛， 范 翊， 姜 洋

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 發光學及應用國家重點實驗室，吉林 長春 130033）

1 引 言

磷化銦（InP）作為具有代表性的第二代半導體材料，具有高光電轉換效率、超高的飽和電子漂移速度、寬禁帶寬度、較強的抗輻射能力和良好的導熱性等優點，廣泛應用在探測器、激光器和傳感器等方面，在人工智能、航空航天和智能駕駛等領域都有非常大的應用潛力［1-5］。Tsushima 等利用金屬有機物化學氣相沉積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）法分別在InP/SiO2/Si 和InP/Si 襯底上制備激光二極管，以InP/SiO2/Si 為襯底的激光二極管具有更高的發光峰且半峰全寬（Full Width at Half Maximum，FWHM）值更小，這要歸功于InP/SiO2/Si襯底具有更加光滑的表面以及優秀的絕緣性［1］。Chen 等通過研究InP/SiO2界面、SiO2/SiO2界面和SiO2/Si 界面對電子遷移率的影響，當InP 與SiO2形成異質結后，整體的電子遷移率要高于其他兩種復合界面，同時InP 層的厚度也會影響整體的電子遷移率［2］。由于制備InP 晶圓的難度非常大，目前只有美國和日本可以生產6 寸及更大尺寸的InP 晶圓，而我國普遍使用2 寸InP 晶圓。使用InP 晶圓以硅通孔（Through Silicon Via，TSV）技術制備背照式紅外探測器件時，需要采用異質鍵合和Cu 互連工藝，以保證讀出電路晶圓與感光晶圓的鍵合界面不產生空洞等缺陷。也就是說，鍵合之前的晶圓表面要非常平坦光滑。化學機械拋光（Chemical Mechanical Polish，CMP）工藝可以使晶圓表面平坦光滑，保證后續的鍵合效果。

與傳統拋光技術相比，CMP 具有操作簡單、表面加工精度高、器件損傷率低和加工面積大等優點，是目前公認的表面拋光效果最好、精度最高的晶圓表面加工方法。隨著半導體芯片技術的快速發展，CMP 技術在晶圓表面處理中的應用也越來越多，因此得到不斷的優化與改進［6-17］。張康等對CMP 工藝參數進行優化，通過調整拋光頭的壓力以及晶圓的相對轉速，使加工后晶圓的表面粗糙度小于1 nm，表面不均勻度小于5%，滿足TSV 工藝對晶圓平坦度的要求［12］。王嘉偉等以GaAs 晶圓作為加工對象，優化CMP 工藝參數，當拋光頭壓力為1.16 psi、轉速為75 r/min、拋光墊轉速為80 r/min 和拋光液流量為100 mL/min 時，晶圓的表面粗糙度為0.477 nm，提高了GaAs 晶圓的鍵和質量，減少了鍵合界面的空洞［14］。Qasim 等對碲鋅鎘晶圓進行加工，通過優化CMP 的拋光頭轉速、拋光液PH值和磨料濃度等參數，在晶圓相對轉速為60 r/min、拋光液PH 值為9 和磨料（SiO2納米顆粒）質量分數為1.25%時加工得到的晶圓的平坦程度最好。使用AFM 在481 μm×361 μm 的掃描面積上獲得的Rq≈0.9 nm［17］。Zhong 等對藍寶石進行雙面CMP 加工，研究拋光壓力、拋光頭及拋光墊相對轉速和拋光時間等因素對材料的去除速率、表面粗糙度和表面形貌的影響，證明當壓力與晶圓的相對轉速逐漸增大時，藍寶石的表面粗糙度先減小后增大，最終確定拋光壓力35.37 kPa、相對轉速30 r/min 和時間50 min 為藍寶石的最佳加工參數［18］。

本文使用8 寸CMP 設備對2 寸InP 晶圓表面膜層進行減薄拋光，通過調整拋光頭和拋光墊的工藝參數以及研制自制夾具，保證加工后小尺寸InP 晶圓的表面粗糙度和平整度滿足后續加工的工藝要求。

2 工作原理

CMP 技術利用化學與機械相結合的方式進行晶圓表面減薄拋光。CMP 的主要工藝參數包括拋光頭壓力、拋光墊、拋光頭的轉速和拋光液的濃度與流量等［18-23］。Preston 方程［23］是描述CMP 過程中材料去除速率與拋光頭和拋光墊工藝參數關系的常用公式，具體如下：

式中：RMR代表被加工晶圓的去除速率；C代表Preston 系數，是一個常量；P代表晶圓受到的壓力；V代表晶圓的相對轉速。由此可知，晶圓的去除速率與受到的壓力和相對轉速成正比。圖1為CMP 設備的主要組成部分，包括拋光墊、拋光頭、拋光臺、金剛石修整盤以及拋光液和去離子水供應管。拋光墊根據表面的紋路形狀與復雜程度用于晶圓表面的粗拋和精拋。拋光液分為酸性拋光液與堿性拋光液；磨料種類包括SiO2顆粒、Al2O3顆粒和Si3N4顆粒等，粗拋磨料粒徑在50~250 nm 之間，精拋磨料粒徑在10~50 nm 之間。粗拋過程主要進行膜層的去除，而精拋過程幾乎沒有去除量，僅起到晶圓表面更加光滑的拋光作用。

圖1 CMP 的主要組成部分Fig.1 Main components of CMP

圖2 為CMP 工作原理，這里以加工Si 晶圓為例，選擇堿性拋光液，磨料為SiO2顆粒。首先，拋光頭與拋光墊同向轉動，使晶圓表面與拋光液充分接觸，生成一層很薄的可溶性硅酸鹽反應層；然后拋光頭向下施加一定的壓力，使晶圓與拋光墊緊密接觸，在拋光頭與拋光墊同向轉動的同時，拋光頭還會沿著拋光墊的邊緣到中心方向進行往返運動，以增大晶圓與拋光墊的接觸范圍；最后通過磨料的吸附作用與機械摩擦作用將產生的硅酸鹽層去除，利用流動的拋光液將去除掉的硅酸鹽等廢棄物帶離晶圓表面，不斷重復此過程，完成對晶圓的減薄拋光工作。為避免CMP 過程中產生較大顆粒及拋光墊表面異常對CMP 效果的影響，使用修整盤打磨拋光墊表面，防止多孔結構的拋光墊中殘留研磨下來的顆粒劃傷晶圓表面，保證工藝質量。

圖2 CMP 工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of CMP working principle

3 實 驗

3.1 設備與耗材

實驗過程中，等離子體增強化學氣相沉積設備（ Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD ） 型號為AMAT-PRODUCER（美國應用材料有限公司）；CMP 設備型號為HJP-200（中國電子科技集團公司第四十五研究所），晶圓加工平整度≤0.3 μm；晶圓鍵合設備型號為SynapseTMSi（日本Tokyo Electron Limited 公司），鍵合晶圓表面彎曲度（Bow 值）≤30 μm 時才能進行鍵合工藝；2 寸InP 與8 寸Si 進行晶圓鍵合后的缺陷檢測使用超聲掃描檢測設備（Auto Wafer 300，德國PVA Tepla 公司）；CMP 研磨速率監測及膜厚測試設備型號為KLA-F5X（美國KLATencor 公司）；晶圓表面形貌及粗糙度測試使用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）（Dimension FastScan，美國布魯克公司）。

主要耗材包括：酸性拋光液，磨料為SiO2顆粒（安集微電子科技（上海）有限公司）；拋光墊（湖北鼎龍化學股份有限公司）；UV 藍膜和雙面膠（無錫市恒惠膠粘制品有限公司）；樹脂環（龍達塑膠制品有限公司）；晶圓（錦州神工半導體股份有限公司）。部分InP 晶圓和Si 晶圓進行的TSV 工藝和鍍Cu 工藝均采用外協方式完成。實驗過程中使用的去離子水（Deionized Water，DIW）為實驗室自制。

3.2 CMP 實驗

3.2.1 InP 晶圓夾具設計

因為CMP 精拋過程沒有去除量，幾乎不會改變晶圓的表面形貌，因此只對粗拋過程的工藝參數進行調整。首先，使用PECVD 法在InP 晶圓表面生長一層厚度為1.3 μm 的SiO2。利用雙面膠將2 寸InP 晶圓臨時粘在8 寸Si 晶圓的中心位置，加工示意圖如圖3 所示。經過實驗，使用此結構對InP 晶圓進行加工，晶圓中心位置與邊緣位置的厚度存在明顯的差異，如圖4 所示。從圖中可以看出，晶圓的邊緣位置出現明顯的顏色變化，這是因為此處的SiO2層厚度發生明顯變化，而中心位置的顏色與初始狀態基本一致，說明此處SiO2層的厚度未發生改變。這是因為拋光墊材質較軟，當拋光頭對InP 晶圓施加一定壓力時，與晶圓接觸位置的拋光墊會發生凹陷，使晶圓的邊緣位置相較于中心位置受到的力更大，從而導致晶圓邊緣的去除量要大于中心位置的去除量。

圖3 2 寸InP 晶圓CMP 夾具設計及工作示意圖Fig.3 Fixture design and working diagram for CMP of 2 inch InP wafer

圖4 初期2 寸InP 晶圓的CMP 實際效果Fig.4 CMP actual effect of initial 2-inch InP wafer

通過技術改進，使用樹脂環作為夾具對InP晶圓進行減薄拋光工作。加工前通過UV 藍膜將樹脂環與InP 晶圓進行連接，具體操作如下：第一步，在水平的潔凈操作臺上鋪一層無塵布防止晶圓正面被桌面劃傷；第二步，將樹脂環放在無塵布上；第三步，將InP 晶圓背面向上放置在樹脂環中心位置；第四步，將帶有UV 藍膜的晶圓環放置在晶圓與樹脂環之上，通過刮膜板將樹脂環與InP 晶圓粘在UV 藍膜上，并保證粘接位置沒有氣泡；第五步，使用切膜刀片沿著樹脂環邊緣將多余的UV 藍膜割掉，完成樹脂環與晶圓的連接工作。加工完成后，將晶圓送入UV 解膠機中，消除UV 藍膜黏性，單獨取出InP 晶圓并保存，完成晶圓與樹脂環的分離工作。

如圖5 所示，對InP 晶圓進行加工時，因為有樹脂環作為支撐，與晶圓接觸位置的拋光墊不會出現明顯凹陷，晶圓邊緣與中心位置受到的壓力相同，其去除速率保持一致，因此加工后晶圓的表面粗糙度及平面度得到了提高。圖6 為InP 晶圓在新夾具下中心與邊緣位置去除速率的對比。從圖中可以看出，InP 晶圓表面的整體去除速率更加穩定，中心位置與邊緣位置的去除速率分別約為1 140×10-10/min 和1 200×10-10/min。加工后的晶圓彎曲度（Bow 值）約為0.06 μm，與晶圓的初始狀態基本一致。而使用的SynapseTMSi型晶圓鍵合機要求鍵合晶圓的Bow 值小于30 μm，遠遠大于被加工晶圓的實際Bow 值，說明使用樹脂環夾具對InP 晶圓進行減薄拋光加工后平面度滿足鍵合機的要求。另外，通過實際測量確定晶圓中心位置與邊緣位置的去除速率，根據Preston 方程，晶圓相對轉速不變，晶圓加工時中心位置與邊緣位置受到的壓力也幾乎相同，因此加工后的晶圓具有良好的平面度。

圖5 改進后的InP 晶圓夾具及CMP 工作示意圖Fig.5 Improved InP wafer fixture and CMP working diagram

圖6 InP 晶圓邊緣與中心CMP 去除速率的對比Fig.6 Comparison of CMP removal rate between edge and center of InP wafer

由于CMP 長時間不間斷工作會導致晶圓與拋光墊接觸位置的溫度變高，拋光墊不能處于一個較好且穩定的工作環境，表面微結構發生顯著改變，從而造成晶圓表面劃傷、平坦度變差和拋光墊表面損傷等情況。經過驗證，實驗使用的CMP 設備的最高持續工作時間為120 s，為保證實驗結果的穩定，這里選擇60 s 作為晶圓單次加工時間。

4 結果與討論

4.1 壓力對InP 晶圓表面形貌及粗糙度的影響

在研究CMP 的壓力對InP 晶圓表面形貌及粗糙度影響時，先將InP 晶圓表面進行TSV 工藝并沉積一層厚度為2.7 μm 的Cu 層。其他CMP工藝參數如表1 所示，拋光頭壓力作為變量X（X=17.237，20.684，24.132 kPa）。當壓力設定為17.237 kPa 時，需要連續進行15 次Cu CMP工藝，將InP 表面約2.7 μm 厚的Cu 層去除。但是，在使用AFM 對InP 晶圓表面的粗糙度及銅柱剩余情況進行檢查時發現，銅孔中的銅柱均高于InP 晶圓表面，圖7 為經過15 次Cu CMP 后InP晶圓表面Cu 柱的情況，此時晶圓的表面粗糙度Ra=0.983 nm，Dish 深度為-45 nm。InP 晶圓在以這種狀態進行后續的鍵合工藝時，會頻繁出現鍵合失敗的情況，而使用AUTO wafer 300 對鍵合成功的晶圓進行鍵合效果檢測時發現，鍵合位置出現多處較大面積的空洞，如圖8 所示。實驗分析認為，出現以上情況是因為經過多次CMP之后，Cu 柱高度超過晶圓表面過多，在后續鍵合過程中的Cu 互連階段，兩片晶圓上的Cu 柱發生擠壓。需要將鍵合后的晶圓進行解鍵，重新送入CMP 中，去除突出的銅柱。

表1 壓力為變量時CMP 磨銅工藝參數Tab.1 Process parameters for CMP copper with pressure as variable

圖7 InP 晶圓表面Cu 柱突出Fig.7 Prominent of Cu pillar on surface of InP wafer

圖8 InP 晶圓與8 寸Si 晶圓的鍵合結果Fig.8 Bonding of InP wafer with 8-inch Si wafer

當拋光頭壓力為17.237 kPa 時，由于壓力過低導致CMP 工藝次數過多，表面Cu 柱過高影響后續的鍵合效果，導致前期工藝開發進度緩慢，后期批量生產的產品質量也無法保證。

當拋光頭壓力20.684 kPa 時，需要進行7 次CMP 工藝，就可以將InP 晶圓表面的Cu 層去除，使用AFM 對InP 晶圓表面的粗糙度和銅柱狀態進行檢查，得出的Cu 柱具體情況如圖9 所示。從圖中可以看出，Cu 柱的高度略低于InP晶圓表面，此時InP 晶圓的表面粗糙度Ra=0.624 nm，Dish 深度為31.4 nm。將InP 晶圓與同樣經過TSV 工藝、鍍Cu 工藝和CMP 工藝的8 寸Si 晶圓進行鍵合。使用AUTO wafer 300 檢查鍵合效果，以及鍵合位置是否存在空洞等缺陷。與設定拋光頭壓力為17.237 kPa 時相比，壓力設定為20.684 kPa 時的CMP 次數大大減少，InP 晶圓的表面粗糙度Ra更小，這不僅提高了CMP 工藝效率，還增加了后續InP 鍵合工藝的良率。

圖9 Cu 柱低于InP 晶圓表面Fig.9 Cu pillar below surface of InP wafer

經過上述工藝實驗后，繼續提高拋光頭壓力至24.132 kPa，僅需3 次CMP 就可以將InP 表面的Cu 層去除，但在使用AFM 對InP 晶圓表面的粗糙度和銅柱進行檢查，得出如圖10 所示Cu柱的情況，插圖為InP 晶圓邊緣的Cu 柱情況。通過測量，中心位置的Cu 柱高度要高于邊緣處Cu 柱。這可能是因為，當拋光頭壓力過大時，與InP 接觸的拋光墊位置會發生凹陷，導致InP 晶圓邊緣位置比中心位置受到更多來自拋光墊的相對壓力，從而對后續的異質鍵合及Cu 柱互聯都會產生一定的影響。雖然CMP 的工藝速度得到了提高，但造成整體Cu 柱高度差較大、Cu柱無法互連等問題。因此，確定拋光頭壓力為24.132 kPa，是InP 進行CMP 表面磨銅的最佳工藝參數。

圖10 InP 晶圓中心及邊緣Cu 柱形貌Fig.10 Morphology of Cu pillars at center and edge of InP wafer

4.2 拋光頭與拋光墊的轉速對InP 晶圓表面形貌及粗糙度的影響

在研究CMP 中拋光頭與拋光墊轉速對InP表面形貌及粗糙度的影響時，InP 晶圓同樣進行了TSV 工藝及鍍Cu 工藝，其他參數如表2 所示。因為拋光頭與拋光墊的旋轉方向相同，因此存在一個相對速度。實驗證明，兩個旋轉速度的比值在0.9~1.2 時，晶圓上的每一點在拋光墊上的運動軌跡都很復雜，相同位置的運動軌跡不會重復，從而提高晶圓的減薄拋光質量，延長拋光墊的使用壽命。在拋光頭壓力為20.684 kPa 時，將拋光頭與拋光墊轉速作為變量Y和Z（Y∶Z=61∶59；93∶87；105∶102 r/min）。

表2 轉速為變量時CMP 磨銅的工藝參數Tab.2 Process parameters for CMP copper at variable speeds

當設定拋光頭與拋光墊的轉速比Y∶Z=61∶59 r/min 時，相同條件InP 晶圓表面的2.7 μm Cu 層需要連續進行10 次CMP 工藝才可去除。通過AFM 對此時的InP 晶圓表面形貌進行觀察，發現晶圓表面上的Cu 柱大部分略高于晶圓表面，且Cu 柱的形貌不規則，形狀不完整，如圖11 所示。從圖11（a）可以看出，經過CMP工藝后，Cu 柱仍高于晶圓表面且呈現鋸齒狀突出狀態。圖11（b）展現了單個Cu 柱的狀態。雖然此時CMP 中head 與pad 的轉速比值在0.9~1.2 內，但兩個部分的轉動速度比較慢，導致拋光液中的磨料顆粒在與Cu 層接觸時，不能充分去除接觸部分的Cu，導致大部分的Cu 柱略高于晶圓表面，且柱狀結構不完整。

圖11 2 寸InP 晶圓表面的AFM 圖Fig.11 AFM image of 2 inch InP wafer surface

當設定拋光頭與拋光墊的轉速為Y∶Z=93∶87 r/min 時，僅需要7 次就能將2.7 μm 的Cu層去除， InP 晶圓的表面形貌如圖12 所示。經過CMP 工藝的InP 及Si 晶圓在鍵合后，實現了2 寸InP 與8 寸Si 晶圓的異質鍵合及Cu 互連工藝，鍵合結果如圖13 所示。從圖中可以看出，2 寸InP與8 寸Si 晶圓的鍵合部分完整無碎裂且沒有空洞，滿足繼續進行后續工藝的條件。

圖12 2 寸InP 晶圓CMP 后的表面形貌Fig.12 Surface topography of 2-inch InP wafer after CMP

圖13 2 寸InP 晶圓與8 寸Si 晶圓的鍵合結果Fig.13 Bonding results of 2-inch InP wafer with 8-inch Si wafer

拋光頭與拋光墊的轉速分別為93 r/min 和87 r/min 時已經滿足CMP 工藝要求，再適當提高兩部分轉速至Y∶Z=105∶102 r/min，此時僅需要5 次拋光即可去除晶圓表面的Cu 層，但是通過對單片進行退火實驗時發現，Cu 柱無法突出實現晶圓之間的Cu 互連。圖14 為單片進行退火實驗后Cu 柱的狀態。轉速提高后，雖然CMP 工藝次數減少，但Cu 柱出現過磨的情況，在2 寸InP 與8寸Si 晶圓鍵合后，Cu 柱極有可能無法實現互連，直接影響產品良率，造成不可挽回的經濟損失。因此，當8 寸CMP 設備的拋光頭壓力為24.137 kPa，且拋光頭與拋光墊的轉速分別為93 r/min 和87 r/min 時，使用自制夾具可對小尺寸（2 寸）InP 晶圓的表面Cu 層進行減薄拋光，加工出來的晶圓符合后續的工藝要求。

圖14 InP 晶圓退火后單個Cu 柱的形貌Fig.14 Morphology of single Cu pillar after annealing of InP wafer

5 結 論

本文通過調整CMP 工藝參數及設計夾具，在拋光頭壓力為3 psi，拋光頭與拋光墊轉速分別為93 r/min 和87 r/min 時，在8 寸CMP 設備上進行2 寸InP 晶圓的減薄拋光，銅層的去除速率達到3 857×10-10/min，晶圓表面粗糙度Ra≤0.624 nm，且晶圓表面的Cu 柱形狀完好，深度保持在30 nm 左右，實現了InP 晶圓與Si 晶圓的異質鍵合和Cu 互連工藝。上述方法解決了小尺寸InP晶圓在8 寸CMP 設備上兼容性的問題，大大降低了半導體的工藝成本，避免晶圓在不同設備之間轉移過程中出現的表面污染和劃傷等問題。同時，保證了晶圓在進行表面減薄拋光工藝時所處環境的統一性，避免引入其他變量，為鍵合等后續加工提供更穩定的工藝條件，同時也為研究其他不同尺寸材料CMP 工藝的科研人員提供參考。