SiC晶片不同晶面的CMP拋光效果對比研究

陳國美，倪自豐，錢善華，劉遠祥，杜春寬，周 凌，徐伊岑，趙永武

(1.無錫商業職業技術學院機電技術學院，無錫 214153；2.江南大學機械工程學院，無錫 214122)

1 引 言

近年來，半導體材料作為一種新興的產業，在高新技術和國民經濟等領域占有越來越重要的地位。碳化硅(SiC)作為最具代表性的第三代寬禁帶半導體材料，它具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導率、高載流子飽和遷移速度、低相對介電常數、耐高溫和抗輻射能力等特點，在高性能電力半導體技術領域具有巨大的應用潛力[1-2]。在實際應用中，要求SiC晶片表面超光滑、無缺陷、無損傷，表面粗糙度值達納米級以下，其表面加工的質量和精度的優劣，直接影響器件的質量和性能。然而，由于SiC單晶材料的硬度大，化學穩定性好，同時SiC單晶的壓縮強度高于其彎曲強度，材料表現為較大的硬脆性，因此造成了SiC單晶的研拋難度極大。目前，化學機械拋光(CMP)已被廣泛應用于半導體工業中的表面拋光及平坦化中，也被認為是目前實現SiC晶片全局平坦化和超光滑無損傷納米級表面的唯一有效加工方法[3]。

近年來，研究者們在SiC晶片高效CMP拋光方面做出了許多努力，旨在獲得較高的材料去除率及最小的表面損傷。Zhou等[4]使用膠體SiO2磨粒，在強堿性溶液中對Si面6H-SiC進行了CMP拋光。結果表明，當pH>11，溫度為55 ℃時，獲得最大材料去除率(<200 nm/h)，表面均方根粗糙度RMS值由2 nm降低至0.5 nm。Neslen 等[5]使用膠體SiO2磨粒，在NaOH堿性溶液中對SiC 進行了CMP拋光，研究了拋光參數的變化對拋光效果的影響。結果表明，提高晶片溫度和拋光液pH值并不能增大材料去除率，增加拋光壓力和拋光墊轉速可以在一定程度上提高材料去除率。Lee等[6]比較了單一膠體SiO2磨粒拋光液與膠體SiO2和納米金剛石組成的混合磨粒拋光液對6H-SiC晶片CMP拋光效果。結果表明，在膠體SiO2拋光液中添加硬質金剛石納米顆粒，提高了拋光表面質量，但是表面劃痕沒有完全去除。Chen等[7]采用KMnO4作為氧化劑、CeO2作為磨粒對6H-SiC的Si面進行了CMP拋光試驗研究，獲得了較高的材料去除率和較好的表面質量。Zhou等[8]采用光催化劑來增強6H-SiC晶片Si面的CMP拋光效果，材料去除率和表面粗糙度都得到了顯著地提高。Wang等[9-10]采用飛秒激光輔助增強了SiC晶片的CMP拋光效果。

2 實 驗

2.1 實驗材料

實驗原料：N-型2英寸6H-SiC單晶研磨片(北京天科合達藍光半導體有限公司)，表面粗糙度為80 nm，納米氧化鋁溶液(Al2O3，平均粒徑為100 nm，濃度為20wt%，宣城晶瑞新材料有限公司)，化學試劑為過硫酸鉀(K2S2O8，≥99%)、硝酸(aq.HNO3，70%)和氫氧化鉀(KOH，≥85%)，均為分析純。本試驗中使用K2S2O8作為氧化劑，使用HNO3和KOH調節拋光液的pH值。其他試劑均為分析純級。

拋光液的配制過程：首先，稱取一定量的K2S2O8溶于去離子水中并進行磁力攪拌；然后，將一定量的含有Al2O3磨粒的乳液加至溶液中，并添加適量的去離子水至所需體積；最后，采用HNO3或KOH調節溶液的酸堿度至需要的pH值(pH 2、4、6、8、10)并持續進行磁力攪拌10 min。

2.2 實驗過程

CMP拋光試驗在CP-4 型拋光機(美國 CETR 公司)上進行，拋光墊選用聚氨酯拋光墊(IC-1000 K-Groove)，選用金剛石修整器對拋光墊進行修整。CMP拋光試驗參數如下：拋光壓力設置為4 psi，拋光頭/拋光盤轉速設置為90/90 rpm，拋光液流量為90 mL/min，拋光時間為20 min，最后采用去離子水溶液拋光1 min，以去除拋光表面殘留的粒子。每次拋光試驗前，采用金剛石修整器對拋光墊表面進行修整，修整時間為1 min。試驗過程中，采用磁力攪拌器對拋光液進行持續攪拌，使拋光液中的粒子分散均勻，并使用蠕動泵精確控制拋光液的流量。每組拋光參數至少重復拋光三次并求其平均值。

采用超精密電子天平(Mettler Toledo AG 285，精度：0.01 mg)測量SiC晶片拋光前后的質量，通過計算獲得SiC晶片的材料去除速率，單位以nm/h表示。計算公式為：

MRR=Δm/(ρπr2t)

(1)

其中，Δm為SiC晶片拋光前后的質量之差，ρ為SiC的密度，其值為3.1 g/cm3，r為SiC晶片的半徑，其值為2.54 cm，t為拋光時間。

使用原子力顯微鏡(AFM，美國Rtec公司)，采用接觸式恒力掃描模式觀察拋光后SiC晶片表面的微觀形貌。

采用XPS分析晶片拋光表面的C、Si、O等元素摩爾濃度相對含量百分比。檢測設備為經美國RBD公司升級的美國PHI 5000 ESCA 系統。檢測條件為：Mg(hν=1253.6 eV)/Al(hν=1486.6 eV)靶，功率250 W，高壓14.0 kV，檢測角度為54°，分析室的基本壓力為5×10-8Pa。樣品的0～1100 eV的全譜和各元素的高分辨譜，通過RBD147數據采集卡和AugerScan3.21軟件進行掃描采集。其中全譜的通能為93.9 eV，高分辨譜的通能為23.5 eV或46.95 eV。以C1s=284.4 eV進行結合能校準。C元素和Si元素的高分辨譜圖用XPSPeak4.1軟件進行分峰擬合。

3 結果與討論

3.1 6H-SiC晶片不同晶面的CMP拋光效果對比

在pH 2～10范圍內，研究了拋光液(組成：K2S2O8濃度為0.05 mol/L，Al2O3磨粒濃度為2wt%)pH值對6H-SiC晶片Si面和C面材料去除率的影響，結果如圖1所示。從圖1(a)可以看出，當pH值由pH=2增加至pH=6時，6H-SiC晶片Si面的材料去除率的249 nm/h逐步增加至349 nm/h；當pH值由pH=6增加至pH=8時，材料去除率基本保持不變；然而當pH值由pH=8進一步增加至pH=10時，材料去除率下降顯著至171 nm/h。相比之下，6H-SiC晶片C面的材料去除率在pH=2時達到最大值1184 nm/h，然后隨著pH值由pH=2增加至pH=10時，材料去除率逐漸下降。

圖1 pH值對6H-SiC晶片材料去除率的影響:(a)Si面;(b)C面 Fig.1 Effect of pH value on the MRR of 6H-SiC:(a)Si-face;(b)C-face

圖2 所示為6H-SiC晶片Si面和C面經拋光液(組成：K2S2O8濃度為0.05 mol/L，Al2O3磨粒濃度為2wt%，pH值為pH=2)拋光后的表面AFM圖。由圖可知，拋光后的Si面和C面的表面均比較光滑，其粗糙度值Ra分別為0.58 nm和0.55 nm。

圖2 6H-SiC晶片拋光表面的AFM圖:(a)Si面;(b)C面 Fig.2 AFM images of the 6H-SiC polished surfaces: (a)Si-face;(b)C-face

圖3 6H-SiC晶片拋光表面的XPS全譜圖 Fig.3 XPS survey scans of the 6H-SiC polished surfaces

3.2 6H-SiC晶片不同晶面表面的的XPS分析

采用XPS全元素掃描以及高分辨掃描對6H-SiC晶片拋光后的表面進行了分析。圖3所示為6H-SiC晶片Si面和C面拋光后的XPS圖譜。從圖中可以看出，Si 2s、Si 2p、C 1s 以及 O 1s光電子所對應的峰清晰可見。Si面和C面的XPS圖譜大體相似，只是Si面上的O 1s峰強度比C面上的高，C面上的C 1s峰強度比Si面上的低。

表1比較了拋光后6H-SiC晶片Si面與C面的原子組成(%)。由表中數據可以看出，Si面與C面的原子組成存在顯著差異。拋光后，Si面的O 1s原子濃度以及C/Si和O/Si的比值比C面的高，但C面的C 1s和Si 2p原子濃度比Si面的高，且兩種表面的C/Si比值都高于其正?；瘜W計量比值1。

表1 6H-SiC晶片拋光表面的原子濃度含量Table 1 Atomic concentrations of the 6H-SiC polished surfaces /%

對拋光后6H-SiC晶片Si面和C面上的C 1s高分辨率XPS譜進行了擬合分析，如圖4所示。由圖可知，C 1s譜圖主要分為6種類型的峰，即Si-C(282.4 eV)、Si4C4-xO2(283.2 eV)、C-C/C-H(284.6 eV)、Si4C4O4(285.1 eV)、C-O(286.1 eV)和C=O(288 eV)。經拋光處理后，C面的Si-C結合能峰強度比Si面的高，這表明C面的氧化物比Si面的更易于去除，從而導致C面的材料去除率比Si面的高，這與拋光試驗結果相吻合。

圖4 6H-SiC晶片拋光表面的C 1s譜圖(a)Si面;(b)C面 Fig.4 C 1s spectra of the 6H-SiC polished surfaces(a)Si-face;(b)C-face

表2比較了拋光后6H-SiC晶片Si面和C面的C物質的相對百分比含量(%)。從表中數據可知，Si面的氧化產物含量(如Si4-C4-x-O2、Si4-C4-O4、C-O和C=O)比C面的高，這表明C面的氧化物比Si面的更易于被去除。

表2 6H-SiC晶片拋光表面的碳物質相對百分比含量Table 2 The relative proportions of carbonaceous species in the 6H-SiC polished surfaces /%

3.3 拋光機理分析

SiC晶片的材料去除過程主要是其表面在摩擦化學作用下生成氧化軟化層，隨后，在磨粒的機械作用下實現氧化軟化層的去除。由6H-SiC晶片表面的XPS分析可知，在氧化劑存在下，SiC晶片表面原子可被氧化生成Si4-C4-x-O2、Si4-C4-O4、C-O和C=O等氧化物，隨后在磨粒的機械作用下被去除。

由6H-SiC晶片Si面和C面上的原子排列可知，Si面上每個Si原子與下方三個C原子成鍵，上方有一個懸空的鍵(這些懸空鍵可與周圍的原子發生重組，也可被外部環境中的O或H原子所補償)，而C面上每個C原子與下方三個Si原子成鍵，上方也存在一個與Si面相似的懸空的鍵。氧化劑進攻C面上C原子的位阻明顯小于其進攻Si面上的C原子的位阻，從而導致了Si面和C面不同的反應活性和氧化速度，且C-端的C面會比Si-端的Si面更快地被氧化[11-12]。此外，根據Si面和C面的拋光表面的XPS分析可知，C面上的氧化物比Si面上的氧化物更容易被去除。這與6H-SiC晶片的CMP拋光試驗結果相吻合，即C面的材料去除率顯著高于Si面的材料去除率。

4 結 論

本文采用K2S2O8作為氧化劑、Al2O3納米顆粒作為磨粒，對比研究了6H-SiC晶片Si面和C面的CMP拋光效果，并利用XPS分析了不同晶面對其CMP拋光效果的影響機理。6H-SiC晶片Si面和C面的CMP拋光效果存在顯著差異，Si面的材料去除率在pH=6時達到最大值349 nm/h，相比之下，C面的材料去除率在pH=2時達到最大值1184 nm/h，但拋光后的Si面和C面的表面均比較光滑，其粗糙度值Ra分別為0.58 nm和0.55 nm。拋光后Si面和C面的XPS圖譜大體相似，但Si面與C面的原子組成存在顯著差異，Si面的O 1s原子濃度以及C/Si和O/Si的比值比C面的高，但C面的C 1s和Si 2p原子濃度比Si面的高，且兩種表面的C/Si比值都高于其正?；瘜W計量比值1。C面的Si-C結合能峰強度比Si面的高，但Si面的氧化產物含量(如Si4-C4-x-O2、Si4-C4-O4、C-O和C=O)比C面的高，這表明C面的氧化物比Si面的更易于被去除，因此C面比Si面易于獲得更高的材料去除率。