文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述TSV工藝中的硅晶圓減薄與銅平坦化。

硅晶圓減薄與銅平坦化作為 TSV 三維集成技術(shù)的核心環(huán)節(jié)，主要應(yīng)用于含銅 TSV 互連的減薄芯片制造流程，為該技術(shù)實(shí)現(xiàn)短互連長(zhǎng)度、小尺寸、高集成度等特性提供了重要支撐。

在微電子封裝領(lǐng)域，硅晶圓減薄的核心目標(biāo)是削減芯片襯底厚度，以此降低芯片熱阻、提升散熱效能，經(jīng)減薄后的芯片或晶圓通常僅需經(jīng)歷少量甚至無(wú)需半導(dǎo)體制造工藝。而在 TSV 三維集成技術(shù)中，硅晶圓減薄的目的不僅限于減薄襯底，更關(guān)鍵的是提供高質(zhì)量的減薄晶圓襯底，為后續(xù)半導(dǎo)體制造工藝提供穩(wěn)定支撐。

在 IC 制造后端的金屬化工藝中，銅平坦化主要用于去除金屬化互連過(guò)程中覆蓋在介質(zhì)層表面、厚度達(dá)微米級(jí)的多余銅層，以保障互連銅層的表面平整度與粗糙度 —— 這類(lèi)銅層通常處于微米尺度。反觀 TSV 三維集成技術(shù)，銅平坦化的應(yīng)用場(chǎng)景為銅 TSV 互連制作過(guò)程中的表面平整處理，其中電鍍銅填充 TSV 孔后產(chǎn)生的多余銅層厚度可達(dá)幾微米甚至幾十微米，且晶圓應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜。

更為突出的是，微電子封裝中的晶圓減薄與 IC 后端金屬化中的銅平坦化應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)單一，而 TSV 三維集成技術(shù)中的硅晶圓減薄與銅平坦化則面臨多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景。隨著 TSV 三維集成工藝的不同，減薄與平坦化的技術(shù)需求也會(huì)相應(yīng)變化，這為硅晶圓減薄與銅平坦化技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

本文將重點(diǎn)探討 TSV 三維集成技術(shù)中硅晶圓減薄與銅平坦化的技術(shù)需求、工藝原理、檢測(cè)分析方法及未來(lái)發(fā)展方向等內(nèi)容。

TSV 中的硅片減薄與銅平坦化

依據(jù)超越摩爾定律，在更小體積中整合更多功能器件，是 TSV 三維集成技術(shù)的重要發(fā)展方向。當(dāng)前，TSV 三維集成技術(shù)已在 IC、MEMS、光電子等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用突破。下面結(jié)合 TSV 三維集成在 IC、MEMS 等典型應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)硅片減薄及銅層平坦化的情況展開(kāi)分析。

在 IC 三維集成應(yīng)用里，按照 TSV 制作步驟與 IC 制造工藝順序的關(guān)系，可將 TSV 三維集成工藝分為 IC 制造前硅通孔工藝路線、制造中硅通孔工藝路線、制造后硅通孔工藝路線以及鍵合后通孔工藝。其中，IC 制造前硅通孔工藝路線的流程為：在啟動(dòng) IC 制造工藝前，先在硅晶圓上制作 TSV 盲孔與氧化層，填充多晶硅后對(duì)晶圓表面進(jìn)行平坦化處理，隨后開(kāi)展 IC 制造；完成后，將 TSV 晶圓鍵合到輔助晶圓上，對(duì)硅晶圓背面實(shí)施減薄拋光，制作背面電互連層等，最后剝離晶圓。

制造中硅通孔工藝路線的步驟是：首先完成 IC 前道工藝，也就是制作金屬 - 絕緣層 - 半導(dǎo)體（MOS）晶體管；之后加入 TSV 電互連的制作環(huán)節(jié)，此過(guò)程需對(duì)電鍍銅填充 TSV 時(shí)在硅表面形成的凹凸不平的銅層進(jìn)行去除和拋光處理；接著進(jìn)行 IC 后道金屬化工藝，將 TSV 晶圓鍵合至輔助晶圓，再對(duì)背面進(jìn)行減薄拋光。

IC 制造后硅通孔工藝路線則是先在硅晶圓上完成 IC 制造工藝，之后在 IC 硅晶圓的有源面或背面制作 TSV 互連。在有源面制作時(shí)，會(huì)涉及 TSV 硅晶圓表面銅層的去除與拋光；在背面制作時(shí)，需借助輔助晶圓固定，再進(jìn)行減薄拋光與 TSV 互連制作，這一過(guò)程也會(huì)涉及輔助晶圓固定狀態(tài)下 TSV 晶圓銅層的去除與拋光。

鍵合后通孔工藝的流程為：硅晶圓或 SOI 晶圓先完成 IC 制造工藝，隨后將兩片 IC 晶圓的有源面精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)并鍵合，對(duì)鍵合晶圓的背面進(jìn)行減薄拋光，再制作 TSV 電互連。需要特別說(shuō)明的是，若是 SOI 晶圓，背面通常會(huì)減薄至埋層。在這種應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)硅晶圓進(jìn)行減薄拋光時(shí)，要求硅與二氧化硅具備良好的拋光選擇比。

在 MEMS 應(yīng)用場(chǎng)景中，通常需要用到帶有凹坑的 TSV 晶圓，以此實(shí)現(xiàn) MEMS 器件的晶圓級(jí)集成封裝。這種情況下，需要具備對(duì)硅晶圓進(jìn)行局部區(qū)域減薄的工藝水平，也可稱(chēng)為對(duì)硅晶圓進(jìn)行選擇性減薄或腐蝕處理的工藝能力。

綜合上述對(duì) TSV 三維集成在 IC、MEMS 等典型應(yīng)用場(chǎng)景的分析，硅片減薄與銅平坦化的技術(shù)需求及對(duì)應(yīng)解決辦法已整理匯總。需要特別關(guān)注的是，采用輔助晶圓固定并減薄硅片時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)晶圓厚度不均、翹曲等問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)對(duì)硅晶圓減薄或銅平坦化的工藝質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

硅晶圓減薄

在 TSV 三維集成技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)硅晶圓進(jìn)行減薄處理的核心目標(biāo)，是獲得低損傷、低應(yīng)力、高平整度且表面粗糙度低的優(yōu)質(zhì)減薄硅晶圓，為后續(xù)半導(dǎo)體工藝的開(kāi)展提供可靠基礎(chǔ)。而在 TSV 三維 IC 集成領(lǐng)域，硅晶圓的減薄操作主要依靠機(jī)械切削減薄與硅化學(xué)機(jī)械研磨拋光工藝（chemical-mechanical-polishing，CMP）來(lái)完成。

機(jī)械切削減薄是借助機(jī)械切削手段對(duì)硅晶圓襯底實(shí)施減薄的工藝。在這一過(guò)程中，硅晶圓通常通過(guò)裝夾方式固定，其表面以特定的進(jìn)給速度與切削砂輪表面接觸，同時(shí)硅晶圓與砂輪分別進(jìn)行獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)切削作用實(shí)現(xiàn)硅襯底的去除。這種減薄方式效率較高，減薄速度大致在 10μm 每分鐘左右，但容易在硅片表面產(chǎn)生切削劃痕損傷，這類(lèi)劃痕的尺寸一般在 10μm 上下。評(píng)估機(jī)械切削減薄的質(zhì)量，可從晶圓厚度的平整程度、損傷大小、切割痕跡以及材料去除速率等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行考量。而在機(jī)械切削減薄過(guò)程中，硅晶圓與砂輪的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、接觸面積、接觸壓力、砂輪的粗糙程度以及兩者表面的平行度等參數(shù)，都對(duì)最終的減薄質(zhì)量有著決定性影響。

單純采用化學(xué)拋光時(shí)，雖能獲得較快的拋光速度，且表面損傷小、光潔度高，但存在表面平整度與平行度不理想的問(wèn)題；僅依靠機(jī)械拋光時(shí)，表面的一致性和平整度較好，不過(guò)表面損傷較深、光潔度偏低。化學(xué)機(jī)械研磨拋光工藝則綜合了這兩種拋光方式的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，既保證了較高的拋光效率，又具備表面損傷小、平整度佳等特點(diǎn)，因此成為實(shí)現(xiàn)硅晶圓拋光處理的核心技術(shù)手段。

硅 CMP 拋光的工作原理是：利用拋光液中的氧化劑、活化劑等成分與硅片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一層質(zhì)地較軟的氧化膜；之后，拋光液中的磨粒與拋光墊通過(guò)機(jī)械摩擦作用將這層氧化膜去除。通過(guò)化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨的協(xié)同配合、交替進(jìn)行，最終達(dá)成硅晶圓的平坦化與表面拋光效果。拋光墊一般采用含有聚氨基甲酸酯的聚酰纖維毯制作而成，其表面布滿細(xì)小孔洞，目的是實(shí)現(xiàn)拋光液的均勻分散。硅拋光液屬于流動(dòng)性與穩(wěn)定性?xún)?yōu)良的懸濁液，主要組成成分包括氧化劑、活化劑、pH 穩(wěn)定劑以及拋光顆粒等。其中，氧化劑的功能是與硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，活化劑主要用于改善硅表面的化學(xué)活性并提升拋光液的穩(wěn)定性，拋光顆粒則主要負(fù)責(zé)清除硅表面的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物與表面凸起。在實(shí)際應(yīng)用中，氫氧根離子常被用作氧化劑，B - 羥基乙二胺是典型的活化劑，Na?BO??10H?O 與 NaOH 的組合則常用作 pH 穩(wěn)定劑。目前，SiO?納米顆粒因硬度與硅接近、尺寸較?。?0~100nm）且均勻度高，成為主流的拋光顆粒。

在拋光過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)的拋光墊會(huì)將拋光液均勻分散開(kāi)來(lái)，硅片表面在一定壓力作用下以半接觸狀態(tài)與拋光墊進(jìn)行相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩者之間形成穩(wěn)定的液體界面。拋光液中的氫氧根離子與硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（具體反應(yīng)式此處略去），同時(shí)運(yùn)動(dòng)的拋光顆粒在壓力作用下對(duì)硅片表面進(jìn)行研磨，去除化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)硅表面的平坦化與拋光。值得注意的是，拋光墊與硅晶圓的旋轉(zhuǎn)速度、壓力等參數(shù)，會(huì)對(duì)兩者之間的液體成分與溫度產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變化學(xué)反應(yīng)的速率，而化學(xué)反應(yīng)速率又會(huì)反作用于機(jī)械研磨的去除速度。因此，精準(zhǔn)把控硅 CMP 拋光過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)與機(jī)械研磨之間的平衡，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量硅 CMP 拋光的關(guān)鍵所在。若化學(xué)腐蝕作用強(qiáng)于機(jī)械研磨作用，硅片表面會(huì)出現(xiàn)小坑、橘皮狀波紋等缺陷；反之，若機(jī)械研磨作用占據(jù)主導(dǎo)，硅片表面則會(huì)形成高損傷層。

根據(jù)拋光速率與拋光后表面質(zhì)量的不同，硅化學(xué)機(jī)械研磨拋光可劃分為粗拋光、細(xì)拋光與精拋光三個(gè)類(lèi)別。粗拋光所使用的拋光顆粒尺寸較大（50~100nm），主要用于清除機(jī)械切削后硅片表面殘留的損傷層，其拋光速率較快，去除材料的厚度通常在 20μm 以?xún)?nèi)。細(xì)拋光選用的拋光顆粒尺寸適中（30~50nm），核心作用是進(jìn)一步提高晶圓表面的平整度并降低粗糙度，去除厚度一般不超過(guò) 10μm。精拋光則采用尺寸小且均勻性高的拋光顆粒，主要用于硅晶圓表面的 “去霧” 處理，以降低表面粗糙度，不過(guò)其拋光速率相對(duì)較慢，去除厚度通常在 1μm 以下。有關(guān)硅片化學(xué)機(jī)械研磨拋光的工藝條件，已有系統(tǒng)的整理與歸納。

在拋光過(guò)程中，拋光墊的特性、拋光液的成分、拋光顆粒的大小與分散性、pH 值、壓力、轉(zhuǎn)速以及溫度等因素，都對(duì)拋光效果起著決定性作用。此外，硅晶圓材料的摻雜類(lèi)型、摻雜濃度以及晶向等特性，對(duì)拋光效果的影響也不容忽視，需要重點(diǎn)關(guān)注。評(píng)估硅晶圓減薄拋光工藝的效果與質(zhì)量，需綜合考察減薄后硅片的厚度均勻性、應(yīng)力狀態(tài)、厚度精度、表面宏微觀損傷程度、粗糙度、殘余顆粒數(shù)量以及金屬離子污染程度等多項(xiàng)指標(biāo)。尤其在 TSV 三維集成應(yīng)用中，硅減薄拋光工藝在厚度均勻性、應(yīng)力狀態(tài)、厚度精度及金屬離子污染等方面的表現(xiàn)至關(guān)重要，直接關(guān)系到 TSV 三維集成工藝的良率。

硅表面的宏微觀損傷與粗糙度，主要由硅 CMP 拋光工藝的參數(shù)所決定，如拋光液的類(lèi)型、拋光墊的特性、壓力大小、相對(duì)轉(zhuǎn)速等。而減薄硅晶圓的厚度均勻性及應(yīng)力狀態(tài)，則主要與機(jī)械切削減薄步驟相關(guān)，受到硅晶圓初始狀態(tài)、固定方式以及機(jī)械切削減薄工藝參數(shù)等多方面因素的共同影響 —— 在 TSV 三維集成應(yīng)用中，硅晶圓的初始狀態(tài)以及固定環(huán)節(jié)所引入的偏差，需要格外留意。減薄厚度精度由機(jī)械切削減薄與硅 CMP 拋光共同決定，其中硅 CMP 拋光在微調(diào)硅晶圓減薄厚度方面發(fā)揮著重要作用。硅片拋光表面的微觀損傷，多通過(guò)氧化誘導(dǎo)層錯(cuò)密度來(lái)評(píng)估；表面粗糙度則可借助光學(xué)輪廓儀、原子力顯微鏡等設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)分析。

在 TSV 三維集成應(yīng)用里，經(jīng)過(guò)減薄拋光處理的硅片厚度通常在 100μm 以下，這類(lèi)超薄硅晶圓需要臨時(shí)固定在輔助晶圓上，才能支撐后續(xù)的半導(dǎo)體工藝。這就要求將硅片厚度均勻性、應(yīng)力狀態(tài)、減薄厚度精度等指標(biāo)的測(cè)試分析，融入到 TSV 三維集成工藝過(guò)程中，以最大程度降低對(duì)整體工藝的干擾。而針對(duì)減薄拋光過(guò)程中硅片厚度均勻性、應(yīng)力狀態(tài)、減薄厚度精度等參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)方法，成為了潛在的解決途徑。

除此之外，在 TSV 三維集成應(yīng)用中，硅晶圓減薄工藝除了用于硅表面的去除拋光外，還可能用于減薄拋光硅晶圓襯底，以暴露銅 TSV 孔或 TSV 孔。這意味著在硅晶圓減薄拋光過(guò)程中，可能會(huì)涉及多種不同材料，由此便產(chǎn)生了對(duì)不同材料選擇比的調(diào)控問(wèn)題。

減薄硅晶圓的固定與去除

在 TSV 三維集成工藝中，為控制最終堆疊芯片的整體高度，單層芯片厚度需減薄至 100μm 以下，減薄后還需進(jìn)行背面工藝處理，包括絕緣層淀積、再布線層（redistribution layer，RDL）制作及微凸點(diǎn)制備等，涉及 PECVD、光刻、刻蝕、濺射、電鍍等一系列工藝步驟。電子封裝技術(shù)中常用于支撐超薄晶圓的劃片膠帶（如藍(lán)膜等），無(wú)法適用于 TSV 三維集成的背面工藝，因此需要采用新的減薄硅晶圓固定與轉(zhuǎn)移方法。

目前，臨時(shí)鍵合與解鍵合工藝是減薄硅晶圓固定與轉(zhuǎn)移的主要方式。該工藝?yán)糜袡C(jī)黏接材料將 TSV 硅晶圓鍵合到輔助晶圓上，完成 TSV 硅晶圓背面減薄、RDL 制作及微焊點(diǎn)制備后，通過(guò)解鍵合將減薄晶圓轉(zhuǎn)移至劃片膠帶上，以便進(jìn)行后續(xù)的劃片和堆疊工藝。

臨時(shí)鍵合與解鍵合應(yīng)用中所使用的有機(jī)黏接材料，通常需滿足在 200~300℃環(huán)境下保持穩(wěn)定、具備一定化學(xué)穩(wěn)定性、易于鍵合與解鍵合、鍵合強(qiáng)度良好及厚度適宜等要求。目前，主要的材料供應(yīng)商包括美國(guó) 3M 公司、BrewerScience 公司、DowCorning 公司及日本 Hitachi-Dupont 公司等。臨時(shí)鍵合的解鍵合方式主要有化學(xué)解鍵合、激光解鍵合、熱滑移解鍵合及機(jī)械剝離解鍵合等。

臨時(shí)鍵合后晶圓的厚度一致性、翹曲程度等表現(xiàn)，對(duì)后續(xù)的減薄與銅平坦化等步驟影響顯著，因此在工程應(yīng)用中通常需要對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)分析。例如，采用 Brewer Science 公司的 HT10.10 型號(hào)黏接材料對(duì) 6 英寸硅晶圓進(jìn)行臨時(shí)鍵合工藝時(shí)，其主要工藝參數(shù)如下：涂覆時(shí)轉(zhuǎn)速設(shè)定為 1000r/min，持續(xù) 40 秒；預(yù)固化階段，先將室溫從 25℃升至 120℃并保溫 2 分鐘，再升溫至 160℃繼續(xù)保溫 2 分鐘；預(yù)固化完成后，使用 EVG 公司的 CB6L 臨時(shí)鍵合機(jī)實(shí)現(xiàn)晶圓與玻璃載片的對(duì)準(zhǔn)，鍵合壓力為 4×10?Pa，鍵合溫度為 250℃，鍵合時(shí)間為 15 分鐘。為評(píng)估鍵合層厚度的均勻性，對(duì)晶圓上 9 個(gè)區(qū)域內(nèi)不同位置的厚度偏差進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示最大厚度偏差小于 10μm。

銅平坦化

在 TSV 三維集成技術(shù)的應(yīng)用中，銅平坦化技術(shù)主要服務(wù)于銅 TSV 互連的制作流程，其核心是清除表面銅層及阻擋層等物質(zhì)，打造高質(zhì)量表面，同時(shí)盡可能減少對(duì)其他表面材料的損傷及污染物殘留。這一過(guò)程主要借助銅化學(xué)機(jī)械拋光工藝完成，通常包含拋光去除銅與拋光去除阻擋層等環(huán)節(jié)。

銅拋光液的構(gòu)成成分主要有氧化劑、配位劑、抑制劑、pH 緩沖劑以及拋光顆粒等。其中，氧化劑的主要功能是加快銅的溶解速度，促使氧化反應(yīng)發(fā)生，對(duì)銅的拋光去除速率起著決定性作用，過(guò)氧化氫（H?O?）是常用的氧化劑；配位劑的作用是與銅離子發(fā)生反應(yīng)并形成化合物，進(jìn)而提高銅的去除效率，氨基乙酸乙二胺是該類(lèi)成分中的常用物質(zhì)；抑制劑能夠在銅表面形成鈍化層，從而降低金屬刻蝕速率，有助于獲得更平整的表面，5 - 氨基四唑（ATA）這類(lèi)緩蝕劑是常見(jiàn)的抑制劑；pH 緩沖劑可調(diào)節(jié)氧化劑、配位劑與抑制劑之間的反應(yīng)速率，在銅拋光過(guò)程中有著至關(guān)重要的作用；拋光顆粒主要用于清除銅 TSV 表面的反應(yīng)生成物，二氧化硅（SiO?）是常用的拋光顆粒。

評(píng)估銅 TSV 晶圓平坦化的效果與質(zhì)量，通?？蓞⒖笺~拋光去除速率、與襯底介質(zhì)去除速率的選擇比、表面宏微觀損傷程度、表面介質(zhì)上的銅殘留量、銅 TSV 表面形貌及片內(nèi)均勻性等性能指標(biāo)。而這些質(zhì)量與效果的優(yōu)劣，主要由拋光液成分、拋光墊特性、壓力及轉(zhuǎn)速等因素共同決定。

銅的化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）過(guò)程與硅的 CMP 工藝相類(lèi)似：旋轉(zhuǎn)的拋光墊持續(xù)將新鮮銅拋光液輸送至銅 TSV 硅晶圓表面，使拋光墊與銅 TSV 硅片表面之間形成穩(wěn)定的液體界面。拋光墊與硅片的旋轉(zhuǎn)速率及拋光液滴速共同決定了拋光液的更新速度，銅拋光液中的氧化劑與銅材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，拋光顆粒則對(duì)銅 TSV 硅晶圓表面的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行研磨拋光，從而實(shí)現(xiàn)平坦化與拋光處理。值得注意的是，銅 TSV 晶圓平坦化過(guò)程中涉及的拋光材料成分比硅 CMP 更為復(fù)雜，涵蓋銅層、擴(kuò)散阻擋層、介質(zhì)層等，這為合理調(diào)控不同材料的拋光速率帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。

在銅平坦化過(guò)程中，由于多種材料同時(shí)進(jìn)行拋光但各自的拋光速率存在差異，可能會(huì)導(dǎo)致銅 TSV 出現(xiàn)淺碟現(xiàn)象，這一問(wèn)題對(duì)后續(xù)工藝會(huì)產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，針對(duì)銅平坦化過(guò)程中硅片表面的相關(guān)情況，已有具體的工藝參數(shù)設(shè)置以及表面形貌、不同材料拋光速率、淺碟檢測(cè)等方面的研究與記錄。