8 寸CMP 設(shè)備對(duì)小尺寸鍍銅InP 晶圓的工藝開(kāi)發(fā)

成 明， 趙東旭， 王云鵬， 王 飛， 范 翊， 姜 洋

（中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033）

1 引 言

磷化銦（InP）作為具有代表性的第二代半導(dǎo)體材料，具有高光電轉(zhuǎn)換效率、超高的飽和電子漂移速度、寬禁帶寬度、較強(qiáng)的抗輻射能力和良好的導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在探測(cè)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(lǐng)域都有非常大的應(yīng)用潛力［1-5］。Tsushima 等利用金屬有機(jī)物化學(xué)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(fā)光峰且半峰全寬（Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM）值更小，這要?dú)w功于InP/SiO2/Si襯底具有更加光滑的表面以及優(yōu)秀的絕緣性［1］。Chen 等通過(guò)研究InP/SiO2界面、SiO2/SiO2界面和SiO2/Si 界面對(duì)電子遷移率的影響，當(dāng)InP 與SiO2形成異質(zhì)結(jié)后，整體的電子遷移率要高于其他兩種復(fù)合界面，同時(shí)InP 層的厚度也會(huì)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(guó)和日本可以生產(chǎn)6 寸及更大尺寸的InP 晶圓，而我國(guó)普遍使用2 寸InP 晶圓。使用InP 晶圓以硅通孔（Through Silicon Via，TSV）技術(shù)制備背照式紅外探測(cè)器件時(shí)，需要采用異質(zhì)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(chǎn)生空洞等缺陷。也就是說(shuō)，鍵合之前的晶圓表面要非常平坦光滑?；瘜W(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polish，CMP）工藝可以使晶圓表面平坦光滑，保證后續(xù)的鍵合效果。

與傳統(tǒng)拋光技術(shù)相比，CMP 具有操作簡(jiǎn)單、表面加工精度高、器件損傷率低和加工面積大等優(yōu)點(diǎn)，是目前公認(rèn)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(dǎo)體芯片技術(shù)的快速發(fā)展，CMP 技術(shù)在晶圓表面處理中的應(yīng)用也越來(lái)越多，因此得到不斷的優(yōu)化與改進(jìn)［6-17］。張康等對(duì)CMP 工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整拋光頭的壓力以及晶圓的相對(duì)轉(zhuǎn)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(duì)晶圓平坦度的要求［12］。王嘉偉等以GaAs 晶圓作為加工對(duì)象，優(yōu)化CMP 工藝參數(shù)，當(dāng)拋光頭壓力為1.16 psi、轉(zhuǎn)速為75 r/min、拋光墊轉(zhuǎn)速為80 r/min 和拋光液流量為100 mL/min 時(shí)，晶圓的表面粗糙度為0.477 nm，提高了GaAs 晶圓的鍵和質(zhì)量，減少了鍵合界面的空洞［14］。Qasim 等對(duì)碲鋅鎘晶圓進(jìn)行加工，通過(guò)優(yōu)化CMP 的拋光頭轉(zhuǎn)速、拋光液PH值和磨料濃度等參數(shù)，在晶圓相對(duì)轉(zhuǎn)速為60 r/min、拋光液PH 值為9 和磨料（SiO2納米顆粒）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25%時(shí)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(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行雙面CMP 加工，研究拋光壓力、拋光頭及拋光墊相對(duì)轉(zhuǎn)速和拋光時(shí)間等因素對(duì)材料的去除速率、表面粗糙度和表面形貌的影響，證明當(dāng)壓力與晶圓的相對(duì)轉(zhuǎn)速逐漸增大時(shí)，藍(lán)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(duì)轉(zhuǎn)速30 r/min 和時(shí)間50 min 為藍(lán)寶石的最佳加工參數(shù)［18］。

本文使用8 寸CMP 設(shè)備對(duì)2 寸InP 晶圓表面膜層進(jìn)行減薄拋光，通過(guò)調(diào)整拋光頭和拋光墊的工藝參數(shù)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(xù)加工的工藝要求。

2 工作原理

CMP 技術(shù)利用化學(xué)與機(jī)械相結(jié)合的方式進(jìn)行晶圓表面減薄拋光。CMP 的主要工藝參數(shù)包括拋光頭壓力、拋光墊、拋光頭的轉(zhuǎn)速和拋光液的濃度與流量等［18-23］。Preston 方程［23］是描述CMP 過(guò)程中材料去除速率與拋光頭和拋光墊工藝參數(shù)關(guān)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(shù)，是一個(gè)常量；P代表晶圓受到的壓力；V代表晶圓的相對(duì)轉(zhuǎn)速。由此可知，晶圓的去除速率與受到的壓力和相對(duì)轉(zhuǎn)速成正比。圖1為CMP 設(shè)備的主要組成部分，包括拋光墊、拋光頭、拋光臺(tái)、金剛石修整盤以及拋光液和去離子水供應(yīng)管。拋光墊根據(jù)表面的紋路形狀與復(fù)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(guò)程主要進(jìn)行膜層的去除，而精拋過(guò)程幾乎沒(méi)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(zhuǎn)動(dòng)，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(yīng)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(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，拋光頭還會(huì)沿著拋光墊的邊緣到中心方向進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，以增大晶圓與拋光墊的接觸范圍；最后通過(guò)磨料的吸附作用與機(jī)械摩擦作用將產(chǎn)生的硅酸鹽層去除，利用流動(dòng)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(fù)此過(guò)程，完成對(duì)晶圓的減薄拋光工作。為避免CMP 過(guò)程中產(chǎn)生較大顆粒及拋光墊表面異常對(duì)CMP 效果的影響，使用修整盤打磨拋光墊表面，防止多孔結(jié)構(gòu)的拋光墊中殘留研磨下來(lái)的顆粒劃傷晶圓表面，保證工藝質(zhì)量。

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

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 設(shè)備與耗材

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備（ Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD ） 型號(hào)為AMAT-PRODUCER（美國(guó)應(yīng)用材料有限公司）；CMP 設(shè)備型號(hào)為HJP-200（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所），晶圓加工平整度≤0.3 μm；晶圓鍵合設(shè)備型號(hào)為SynapseTMSi（日本Tokyo Electron Limited 公司），鍵合晶圓表面彎曲度（Bow 值）≤30 μm 時(shí)才能進(jìn)行鍵合工藝；2 寸InP 與8 寸Si 進(jìn)行晶圓鍵合后的缺陷檢測(cè)使用超聲掃描檢測(cè)設(shè)備（Auto Wafer 300，德國(guó)PVA Tepla 公司）；CMP 研磨速率監(jiān)測(cè)及膜厚測(cè)試設(shè)備型號(hào)為KLA-F5X（美國(guó)KLATencor 公司）；晶圓表面形貌及粗糙度測(cè)試使用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）（Dimension FastScan，美國(guó)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(xué)股份有限公司）；UV 藍(lán)膜和雙面膠（無(wú)錫市恒惠膠粘制品有限公司）；樹(shù)脂環(huán)（龍達(dá)塑膠制品有限公司）；晶圓（錦州神工半導(dǎo)體股份有限公司）。部分InP 晶圓和Si 晶圓進(jìn)行的TSV 工藝和鍍Cu 工藝均采用外協(xié)方式完成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的去離子水（Deionized Water，DIW）為實(shí)驗(yàn)室自制。

3.2 CMP 實(shí)驗(yàn)

3.2.1 InP 晶圓夾具設(shè)計(jì)

因?yàn)镃MP 精拋過(guò)程沒(méi)有去除量，幾乎不會(huì)改變晶圓的表面形貌，因此只對(duì)粗拋過(guò)程的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。首先，使用PECVD 法在InP 晶圓表面生長(zhǎng)一層厚度為1.3 μm 的SiO2。利用雙面膠將2 寸InP 晶圓臨時(shí)粘在8 寸Si 晶圓的中心位置，加工示意圖如圖3 所示。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，使用此結(jié)構(gòu)對(duì)InP 晶圓進(jìn)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(xiàn)明顯的顏色變化，這是因?yàn)榇颂幍腟iO2層厚度發(fā)生明顯變化，而中心位置的顏色與初始狀態(tài)基本一致，說(shuō)明此處SiO2層的厚度未發(fā)生改變。這是因?yàn)閽伖鈮|材質(zhì)較軟，當(dāng)拋光頭對(duì)InP 晶圓施加一定壓力時(shí)，與晶圓接觸位置的拋光墊會(huì)發(fā)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(dǎo)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(shè)計(jì)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(shí)際效果Fig.4 CMP actual effect of initial 2-inch InP wafer

通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，使用樹(shù)脂環(huán)作為夾具對(duì)InP晶圓進(jìn)行減薄拋光工作。加工前通過(guò)UV 藍(lán)膜將樹(shù)脂環(huán)與InP 晶圓進(jìn)行連接，具體操作如下：第一步，在水平的潔凈操作臺(tái)上鋪一層無(wú)塵布防止晶圓正面被桌面劃傷；第二步，將樹(shù)脂環(huán)放在無(wú)塵布上；第三步，將InP 晶圓背面向上放置在樹(shù)脂環(huán)中心位置；第四步，將帶有UV 藍(lán)膜的晶圓環(huán)放置在晶圓與樹(shù)脂環(huán)之上，通過(guò)刮膜板將樹(shù)脂環(huán)與InP 晶圓粘在UV 藍(lán)膜上，并保證粘接位置沒(méi)有氣泡；第五步，使用切膜刀片沿著樹(shù)脂環(huán)邊緣將多余的UV 藍(lán)膜割掉，完成樹(shù)脂環(huán)與晶圓的連接工作。加工完成后，將晶圓送入U(xiǎn)V 解膠機(jī)中，消除UV 藍(lán)膜黏性，單獨(dú)取出InP 晶圓并保存，完成晶圓與樹(shù)脂環(huán)的分離工作。

如圖5 所示，對(duì)InP 晶圓進(jìn)行加工時(shí)，因?yàn)橛袠?shù)脂環(huán)作為支撐，與晶圓接觸位置的拋光墊不會(huì)出現(xiàn)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(duì)比。從圖中可以看出，InP 晶圓表面的整體去除速率更加穩(wěn)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(tài)基本一致。而使用的SynapseTMSi型晶圓鍵合機(jī)要求鍵合晶圓的Bow 值小于30 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被加工晶圓的實(shí)際Bow 值，說(shuō)明使用樹(shù)脂環(huán)夾具對(duì)InP 晶圓進(jìn)行減薄拋光加工后平面度滿足鍵合機(jī)的要求。另外，通過(guò)實(shí)際測(cè)量確定晶圓中心位置與邊緣位置的去除速率，根據(jù)Preston 方程，晶圓相對(duì)轉(zhuǎn)速不變，晶圓加工時(shí)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(jìn)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(duì)比Fig.6 Comparison of CMP removal rate between edge and center of InP wafer

由于CMP 長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作會(huì)導(dǎo)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(gè)較好且穩(wěn)定的工作環(huán)境，表面微結(jié)構(gòu)發(fā)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(jīng)過(guò)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)使用的CMP 設(shè)備的最高持續(xù)工作時(shí)間為120 s，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定，這里選擇60 s 作為晶圓單次加工時(shí)間。

4 結(jié)果與討論

4.1 壓力對(duì)InP 晶圓表面形貌及粗糙度的影響

在研究CMP 的壓力對(duì)InP 晶圓表面形貌及粗糙度影響時(shí)，先將InP 晶圓表面進(jìn)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(shù)如表1 所示，拋光頭壓力作為變量X（X=17.237，20.684，24.132 kPa）。當(dāng)壓力設(shè)定為17.237 kPa 時(shí)，需要連續(xù)進(jìn)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(duì)InP 晶圓表面的粗糙度及銅柱剩余情況進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，銅孔中的銅柱均高于InP 晶圓表面，圖7 為經(jīng)過(guò)15 次Cu CMP 后InP晶圓表面Cu 柱的情況，此時(shí)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(tài)進(jìn)行后續(xù)的鍵合工藝時(shí)，會(huì)頻繁出現(xiàn)鍵合失敗的情況，而使用AUTO wafer 300 對(duì)鍵合成功的晶圓進(jìn)行鍵合效果檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，鍵合位置出現(xiàn)多處較大面積的空洞，如圖8 所示。實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，出現(xiàn)以上情況是因?yàn)榻?jīng)過(guò)多次CMP之后，Cu 柱高度超過(guò)晶圓表面過(guò)多，在后續(xù)鍵合過(guò)程中的Cu 互連階段，兩片晶圓上的Cu 柱發(fā)生擠壓。需要將鍵合后的晶圓進(jìn)行解鍵，重新送入CMP 中，去除突出的銅柱。

表1 壓力為變量時(shí)CMP 磨銅工藝參數(shù)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(jié)果Fig.8 Bonding of InP wafer with 8-inch Si wafer

當(dāng)拋光頭壓力為17.237 kPa 時(shí)，由于壓力過(guò)低導(dǎo)致CMP 工藝次數(shù)過(guò)多，表面Cu 柱過(guò)高影響后續(xù)的鍵合效果，導(dǎo)致前期工藝開(kāi)發(fā)進(jìn)度緩慢，后期批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量也無(wú)法保證。

當(dāng)拋光頭壓力20.684 kPa 時(shí)，需要進(jìn)行7 次CMP 工藝，就可以將InP 晶圓表面的Cu 層去除，使用AFM 對(duì)InP 晶圓表面的粗糙度和銅柱狀態(tài)進(jìn)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(shí)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(jīng)過(guò)TSV 工藝、鍍Cu 工藝和CMP 工藝的8 寸Si 晶圓進(jìn)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(shè)定拋光頭壓力為17.237 kPa 時(shí)相比，壓力設(shè)定為20.684 kPa 時(shí)的CMP 次數(shù)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(xù)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(jīng)過(guò)上述工藝實(shí)驗(yàn)后，繼續(xù)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(duì)InP 晶圓表面的粗糙度和銅柱進(jìn)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(guò)測(cè)量，中心位置的Cu 柱高度要高于邊緣處Cu 柱。這可能是因?yàn)?，?dāng)拋光頭壓力過(guò)大時(shí)，與InP 接觸的拋光墊位置會(huì)發(fā)生凹陷，導(dǎo)致InP 晶圓邊緣位置比中心位置受到更多來(lái)自拋光墊的相對(duì)壓力，從而對(duì)后續(xù)的異質(zhì)鍵合及Cu 柱互聯(lián)都會(huì)產(chǎn)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(wú)法互連等問(wèn)題。因此，確定拋光頭壓力為24.132 kPa，是InP 進(jìn)行CMP 表面磨銅的最佳工藝參數(shù)。

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(zhuǎn)速對(duì)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(zhuǎn)速對(duì)InP表面形貌及粗糙度的影響時(shí)，InP 晶圓同樣進(jìn)行了TSV 工藝及鍍Cu 工藝，其他參數(shù)如表2 所示。因?yàn)閽伖忸^與拋光墊的旋轉(zhuǎn)方向相同，因此存在一個(gè)相對(duì)速度。實(shí)驗(yàn)證明，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)速度的比值在0.9~1.2 時(shí)，晶圓上的每一點(diǎn)在拋光墊上的運(yùn)動(dòng)軌跡都很復(fù)雜，相同位置的運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)重復(fù)，從而提高晶圓的減薄拋光質(zhì)量，延長(zhǎng)拋光墊的使用壽命。在拋光頭壓力為20.684 kPa 時(shí)，將拋光頭與拋光墊轉(zhuǎn)速作為變量Y和Z（Y∶Z=61∶59；93∶87；105∶102 r/min）。

表2 轉(zhuǎn)速為變量時(shí)CMP 磨銅的工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters for CMP copper at variable speeds

當(dāng)設(shè)定拋光頭與拋光墊的轉(zhuǎn)速比Y∶Z=61∶59 r/min 時(shí)，相同條件InP 晶圓表面的2.7 μm Cu 層需要連續(xù)進(jìn)行10 次CMP 工藝才可去除。通過(guò)AFM 對(duì)此時(shí)的InP 晶圓表面形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)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(guī)則，形狀不完整，如圖11 所示。從圖11（a）可以看出，經(jīng)過(guò)CMP工藝后，Cu 柱仍高于晶圓表面且呈現(xiàn)鋸齒狀突出狀態(tài)。圖11（b）展現(xiàn)了單個(gè)Cu 柱的狀態(tài)。雖然此時(shí)CMP 中head 與pad 的轉(zhuǎn)速比值在0.9~1.2 內(nèi)，但兩個(gè)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)速度比較慢，導(dǎo)致拋光液中的磨料顆粒在與Cu 層接觸時(shí)，不能充分去除接觸部分的Cu，導(dǎo)致大部分的Cu 柱略高于晶圓表面，且柱狀結(jié)構(gòu)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(dāng)設(shè)定拋光頭與拋光墊的轉(zhuǎn)速為Y∶Z=93∶87 r/min 時(shí)，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(jīng)過(guò)CMP 工藝的InP 及Si 晶圓在鍵合后，實(shí)現(xiàn)了2 寸InP 與8 寸Si 晶圓的異質(zhì)鍵合及Cu 互連工藝，鍵合結(jié)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(wú)碎裂且沒(méi)有空洞，滿足繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)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(jié)果Fig.13 Bonding results of 2-inch InP wafer with 8-inch Si wafer

拋光頭與拋光墊的轉(zhuǎn)速分別為93 r/min 和87 r/min 時(shí)已經(jīng)滿足CMP 工藝要求，再適當(dāng)提高兩部分轉(zhuǎn)速至Y∶Z=105∶102 r/min，此時(shí)僅需要5 次拋光即可去除晶圓表面的Cu 層，但是通過(guò)對(duì)單片進(jìn)行退火實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，Cu 柱無(wú)法突出實(shí)現(xiàn)晶圓之間的Cu 互連。圖14 為單片進(jìn)行退火實(shí)驗(yàn)后Cu 柱的狀態(tài)。轉(zhuǎn)速提高后，雖然CMP 工藝次數(shù)減少，但Cu 柱出現(xiàn)過(guò)磨的情況，在2 寸InP 與8寸Si 晶圓鍵合后，Cu 柱極有可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)互連，直接影響產(chǎn)品良率，造成不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。因此，當(dāng)8 寸CMP 設(shè)備的拋光頭壓力為24.137 kPa，且拋光頭與拋光墊的轉(zhuǎn)速分別為93 r/min 和87 r/min 時(shí)，使用自制夾具可對(duì)小尺寸（2 寸）InP 晶圓的表面Cu 層進(jìn)行減薄拋光，加工出來(lái)的晶圓符合后續(xù)的工藝要求。

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

5 結(jié) 論

本文通過(guò)調(diào)整CMP 工藝參數(shù)及設(shè)計(jì)夾具，在拋光頭壓力為3 psi，拋光頭與拋光墊轉(zhuǎn)速分別為93 r/min 和87 r/min 時(shí)，在8 寸CMP 設(shè)備上進(jìn)行2 寸InP 晶圓的減薄拋光，銅層的去除速率達(dá)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(shí)現(xiàn)了InP 晶圓與Si 晶圓的異質(zhì)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(shè)備上兼容性的問(wèn)題，大大降低了半導(dǎo)體的工藝成本，避免晶圓在不同設(shè)備之間轉(zhuǎn)移過(guò)程中出現(xiàn)的表面污染和劃傷等問(wèn)題。同時(shí)，保證了晶圓在進(jìn)行表面減薄拋光工藝時(shí)所處環(huán)境的統(tǒng)一性，避免引入其他變量，為鍵合等后續(xù)加工提供更穩(wěn)定的工藝條件，同時(shí)也為研究其他不同尺寸材料CMP 工藝的科研人員提供參考。