SiC（0001）面和（000-1）面 CMP拋光對比研究

潘章杰，馮 玢，王 磊，郝建民

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300222)

SiC材料作為第三代半導體材料，具有寬帶隙、高電子飽和遷移率和優良的熱學特性，在高溫、高頻和大功率器件方面擁有很好的應用前景[1]。正晶向的碳化硅晶片，一面是硅面，另一面是碳面，分別記為（0001）和（000-1）。SiC 晶片 Si面表面劃痕和加工殘余損傷層對外延膜質量有重要影響，而C面的缺陷會大大增加晶體位錯密度[2-3]。因而，無論是 SiC 的（0001）Si面還是（000-1）C面，均要求其表面完美無缺陷，而目前CMP拋光技術是獲得這種表面的主流加工方法。但是，由于SiC材料化學穩定性好（常溫下幾乎不與其它物質發生明顯的化學反應）、硬度高（莫氏硬度9.2，僅次于金剛石），使得SiC材料CMP工藝難度較高，而且SiC材料不同的晶面具有顯著不同的拋光特性，使得該工藝更具挑戰性。山東大學陳秀芳等人研究了碳化硅Si面、C面、m面、a面的拋光特性，得出Si面材料去除速率最高，m面、a面次高，而C面材料去除速率最低且幾乎為零的結論[4]。日本Hideo Aida等人研究了SiC、GaN和藍寶石等材料的CMP工藝，發現SiC的Si面使用堿性的拋光液、C面使用酸性的拋光液更有利于提高材料去除速率，也未能給出合理的實驗解釋[5]。本文將著重研究SiC襯底（0001）Si面和（000-1）C面在CMP工藝過程中使用酸、堿性改性拋光液時表現出來的拋光去除率和表面質量的差異，并合理分析產生這種差異原因。

1 實驗

CMP拋光實驗用晶片規格為：直徑75 mm，晶向On-axis，晶型6H。實驗所用的SiC晶體材料由本單位自行研制。碳化硅晶錠經多線切割、研磨、金剛石機械粗拋光等工序處理后得到本實驗所用的晶片（見圖1）。晶片在CMP拋光實驗前表面狀態用原子力顯微鏡（AFM）檢測，如圖2所示。

圖1 實驗用SiC晶片加工總流程示意圖

圖2 CMP拋光實驗前晶片表面狀態用原子力顯微鏡（AFM）

實驗過程中采用分辨率為0.1 mg精密天平作為評價材料去除速率的手段；強光燈、微分干涉顯微鏡、掃描電鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）作為評價拋光表面質量的手段。拋光設備用的是中國電子科技集團公司第四十五研究所研制的PG710單面拋光機。另外，本實驗引入了氧化還原電位電極用來測定拋光液的氧化還原電位值（ORP值）。氧化還原電位，簡稱ORP（Oxidation-Reduction Potential），用于表征介質（包括土壤、天然水、培養基等）氧化性或還原性的相對程度[6]，實驗中將引用該值來作為拋光液綜合氧化性能的參考值。

拋光墊采用進口耐磨聚氨酯拋光墊。拋光液用粒徑為70～135 nm的堿性硅溶膠，質量分數5%～30%，添加2%～30%拋光氧化劑，添加硫酸或磷酸等作為拋光液pH調節劑拋光液流量穩定為150 ML/min。為保證實驗條件的一致性，每組實驗均采用全新的拋光墊和拋光液。實驗拋光的溫度約為25℃～45℃。拋光液pH值和拋光液ORP值為拋光進行大約15 min后進行取樣測量。其它的實驗條件見表1。

2 實驗結果與討論

采用精密天平測定晶片實驗前后質量，計算出各組實驗的材料去除率V，詳見圖3。

表1 實驗條件

圖3 各組實驗材料去除率V

晶片表面質量的檢測結果見表2。

表2 各組實驗晶片表面檢測結果

圖4 A2組實驗微分干涉顯微鏡檢測圖

圖5 未見明顯拋光缺陷的微分干涉顯微鏡圖

圖6 A1組實驗AFM檢測圖

圖7 A2組實驗AFM檢測圖

圖8 B1組實驗AFM檢測圖

圖9 B2組實驗AFM檢測圖

綜合圖3各組實驗材料去除率和表2各組實驗晶片表面檢測結果可以看出，A1組實驗用pH值為10.38拋光液拋光(0001)Si面，去除速率VSi堿在0.1 μm/h以下，部分晶片強光燈和微分干涉顯微鏡檢測可見劃痕（見圖4），AFM檢測凹凸不平，粗糙度值Ra為1.98 nm（見圖6）；A2組實驗用pH值為1.11的拋光液拋光 (0001)Si面，去除速率VSi酸在0.2～0.3 μm/h，強光燈和微分干涉顯微鏡檢測未見拋光缺陷（見圖5），AFM檢測表面平整，粗糙度值Ra為0.232 nm（見圖7）；B1組實驗用pH值為10.38拋光液拋光 (000-1)C面，去除速率VC堿在0.4～0.6 μm/h，強光燈和微分干涉顯微鏡檢測未見拋光缺陷（見圖5），AFM檢測表面較平整但有輕微劃痕，粗糙度值Ra為0.290 nm（見圖8）；B2組實驗用pH值為1.11拋光液拋光(000-1)C面，去除速率VC酸在1.4～2.2 μm/h，強光燈和微分干涉顯微鏡檢測未見拋光缺陷（見圖5），AFM檢測表面光滑，粗糙度值Ra為0.173 nm（見圖9）。

由實驗結果可知，無論是采用酸性拋光液，還是堿性拋光液進行CMP拋光，(000-1)C面拋光材料去除率 VC（VC堿=0.4～0.6 μm/h，VC酸=1.4～2.2 μm/h）總是大于 (0001)Si面的材料去除速率VSi（VSi堿=0.1 μm/h 以下，VSi酸=0.2～0.3 μm/h）。目前還未有相關文獻對這個現象作深入的研究，作者將引入B.Hornetz等人對器件制作氧化工藝SiC氧化行為進行研究得出的一些結論[7]來解釋這個現象。B.Hornetz等人認為，在相同的氧化條件下，SiC的(000-1)C面的氧化速度遠比(0001)Si氧化速度快，是因為在SiC氧化成SiO2過程中，SiC原子層與SiO2原子層之間存在著一個過渡原子層Si4C4-XO2（x≤2），這層過渡層能阻止SiC被氧化為SiO2，從而降低SiC的氧化速率。在(0001)Si面中，這層過渡層厚約1 nm，而在(000-1)C面中過渡層更薄，這也導致了C面有更快的氧化速度。一種基于熱力學的觀點認為，盡管SiC的化學惰性高，穩定性好，在常溫下基本不與其它任何物質反應，但在CMP工藝過程中，拋光墊與SiC晶體表面的粗糙峰(asperities)摩擦使得晶體表面微觀接觸區域處于局部高溫高壓狀態，促使晶片表面發生化學反應形成一層SiO2軟質層[8]。作者推斷，在CMP工藝過程中，晶片局部的高溫高壓狀態下的氧化機制與B.Hornetz等人提出的氧化機制類似，即SiC氧化成SiO2過程中，SiC原子層與SiO2原子層之間存在著一個過渡原子層，這層原子層的厚度最終決定了(0001)Si面和(000-1)C面的氧化速度，也就決定了CMP拋光材料的去除速率。在 (000-1)C面中過渡層更薄，使得C面有更快的氧化速度，也就意味著在相同的拋光液和拋光參數下，C面總是比Si面有更高的材料去除速率，即VC＞VSi。

由實驗結果可知，無論是對于硅面還是對于碳面，使用酸性拋光液的CMP工藝其材料去除速率均大于使用堿性拋光液的速率，即對于C面而言，有 VC酸＞VC堿；對于 Si面而言，有 VSi酸＞VSi堿。實驗中我們測定，商用硅溶膠拋光液氧化還原電位值（ORP值）為96 mV，經改性的酸性拋光液ORP值為1 140 mV，而堿性為450 mV，顯然，相對而言酸性拋光液有更強的綜合氧化能力，也就意味著有更高的CMP工藝材料去除速率。

最后分析晶片表面的質量。我們只在A1組實驗部分晶片發現了較嚴重的劃痕（見圖4、圖6），原因應當為VSi堿值較小，未能將損傷層徹底去除。同時在B1組實驗小部分晶片發現輕微劃痕（見圖8），原因應當為CMP工藝過程中機械作用力大于化學作用力引起。其它實驗組表面質量未發現異常。

3 結 論

綜上所述，在利用酸性和堿性改性硅溶膠對碳化硅襯底進行CMP拋光過程中，我們有以下的結論：采用酸性拋光液和堿性拋光液進行拋光，分別都有 VC＞VSi；對于(0001)Si面進行拋光，有 VSi酸＞VSi堿。對于(000-1)C 面進行拋光，有 VC酸＞VC堿；這幾個結果對于摸索獲得表面完美Si面和C面的CMP工藝有重要的意義。

[1] Yasseen AA，Zorman CA，Mehregany.Roughness Reduction of 3C-SiC Surfaces Using SiC-Based Mechanical Polishing Slurries[J].Journal of the Electrochemical Society，1999，146(1):327-330.

[2] P.Vicente，D.Chaussende.Single atomic steps on SiC polished surface[J].Technical feature，2002，15(4):46-47.

[3] J.Q.Liu，e.k.Sanchez，m.Skowronski.Surface-Damage-Induced Threading Dislocation in 6H-SiC Layers Grown by Physical Vapor transport[J].j.electronchemi.Soc，2003，150(3):223-227.

[4] Xiu-FangChen，Xian-GangXu，Xiao-Bo Hu，etc.Anisotropy of chemical mechanical polishing in silicon carbide substrates[J].Materials Science and Engineering.2007，B(142)：28-30.

[5] Hideo Aida，Toshiro Doi，Hidetoshi Takeda，etc.Ultra precision CMP for sapphire，GaN，and SiC for advanced optoelectronics[J].Current Applied Physics.2012，1:1-6.

[6] http://baike.baidu.com/view/1220528.htm

[7] B.Hornetz，H.J.Michel，and J.Halbritter.Oxidation and 6H-SiC-SiO2 interfaces[J].Science&Technology of Materials，Interfaces，and Processing.1995，A 13(3):769-771.

[8] Jiang M，Wood N O，Komanduri R.On chemo-mechanical Polishing(CMP)of silicon nitride(Si3N4)work material with various abrasives[J].Wear，1998，220:59-71.