氮化鎵晶片的化學(xué)機(jī)械拋光工藝

鈕市偉， 陳 瑤， 王永光， 寇青明， 朱玉廣

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215000)

氮化鎵(GaN) 材料是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料和第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代新型半導(dǎo)體電子材料，具有大的寬能帶隙，高的電子飽和遷移率，低的介電常數(shù)，良好的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的光學(xué)性能[1-3]，GaN晶片在電力電子器件、微電子器件及光電子器件等領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，對(duì)表面加工質(zhì)量的要求非常高，GaN的晶格完整性和平整度依賴于晶片的表面加工質(zhì)量[4-6]，因此，通過對(duì)GaN材料表面平坦化，以改善GaN基器件的性能。化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)是唯一能夠有效實(shí)現(xiàn)GaN材料全局平坦化的精密表面處理技術(shù)[7-8]，并在光電子學(xué)和高功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[9-10]。Asghar等[11]利用0.3 mol/L的KMnO4，采用含有磨料Al2O3和SiO2的拋光液對(duì)GaN晶體進(jìn)行拋光時(shí)，結(jié)果表明，當(dāng)以Al2O3、SiO2作磨料時(shí)，GaN的材料去除速率分別為85 nm/h和39 nm/h；表面粗糙度分別為0.13 nm和0.07 nm。Aida等[12]采用機(jī)械拋光對(duì)GaN晶片進(jìn)行研究，證明了含SiO2磨粒的拋光液可以有效去除表面劃痕等損傷，以獲得高質(zhì)量GaN晶片表面。Murata等[13]利用鐵與H2O2溶液發(fā)生芬頓反應(yīng)后的溶液作為拋光液，然后再對(duì)GaN晶體化學(xué)刻蝕。可以看出，目前氮化鎵平坦化技術(shù)仍然存在諸多問題，例如：低的去除率和不穩(wěn)定的表面質(zhì)量，導(dǎo)致高加工成本以及低實(shí)際生產(chǎn)效率。上述研究表明：利用氧化輔助CMP方法能夠提升GaN拋光中晶體表面Ga2O3的轉(zhuǎn)化效率，從而提高材料去除速率。因此，利用過氧化氫的強(qiáng)氧化性提高GaN晶體表面Ga2O3的轉(zhuǎn)化效率，通過對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化研究，探索其材料去除基本規(guī)律。

基于此，通過對(duì)單晶 GaN 晶片的 CMP 加工技術(shù)的深入研究分析，針對(duì)氮化鎵化學(xué)機(jī)械拋光中存在的問題，借助于原子力顯微鏡(AFM)等分析儀器和納米粒子的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法，通過設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)GaN晶片CMP的影響，然后通過正交實(shí)驗(yàn)獲得一組較佳的GaN晶片CMP工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)樣品采用蘇州納維科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為GaN-T-N、直徑為50.8 mm的原始GaN晶片。拋光試驗(yàn)所用試樣尺寸為10 mm×10.5 mm×0.445 mm，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用GaN晶片F(xiàn)ig.1 The GaN used in experiment

1.2 拋光液配制

拋光液的配制：量取一定量的硅溶膠，在磁力攪拌的作用下將其緩慢加至去離子水中，得到二氧化硅懸浮液，再向懸浮液中依次加入一定量的H2O2、甘氨酸和對(duì)苯二甲酸(PTA)，同時(shí)超聲攪拌至完全溶解，最后，拋光液的 pH由有機(jī)堿及檸檬酸調(diào)節(jié)。

1.3 試驗(yàn)條件

GaN晶片CMP實(shí)驗(yàn)采用沈陽科晶設(shè)備有限公司生產(chǎn)的UNIPOL-1200S自動(dòng)壓力研磨拋光機(jī)，晶片通過雙面膠粘在專用精密夾具圓盤上，拋光墊選用聚氨酯拋光墊(IC-1000)，試驗(yàn)過程中，拋光頭的速度設(shè)定為80 r/min，拋光液的流速為20 mL/min，拋光時(shí)間為15 min。拋光后，樣品用去膠清洗劑清洗，并采用無水乙醇和去離子水超聲清10～15 min。然后通過氮?dú)飧稍飿悠酚糜诜Q重和表面質(zhì)量檢測(cè)。試驗(yàn)方案如表1所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，用磁力攪拌器連續(xù)攪拌拋光液，使拋光液中的顆粒均勻分散，用蠕動(dòng)泵精確控制拋光液的流速。

表1 CMP 試驗(yàn)方案Table 1 Experiment program of CMP

通過精度為0.000 01 g、型號(hào)為ST-E120B II的超精密電子天平測(cè)量拋光前后GaN晶片的質(zhì)量。以nm/h為單位計(jì)算GaN晶片的材料去除率(MRR)，公式如下：

(1)

式(1)中，m1為GaN晶片拋光前的質(zhì)量；m2為GaN晶片拋光后的質(zhì)量；ρ為GaN晶片的密度，其值為6.15 g/cm3；s為GaN晶片的面積，其值為1.05 cm2；t為拋光時(shí)間，其值為15 min。

采用原子力顯微鏡(AFM)測(cè)量和分析拋光后GaN晶片表面質(zhì)量。

1.4 單因素拋光實(shí)驗(yàn)

為探究拋光工藝參數(shù)對(duì)GaN晶片的材料去除速率和表面粗糙度的影響，選擇了下壓力、拋光盤轉(zhuǎn)速以及氧化劑濃度等幾個(gè)因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，在保證其他拋光參數(shù)不變的情況下，將下壓力分別設(shè)為4.69×104、9.38×104、14.1×104、18.8×104、23.5×104Pa，拋光盤轉(zhuǎn)速分別設(shè)為50、75、100、125、150 r/min，氧化劑濃度分別設(shè)為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。

1.5 正交實(shí)驗(yàn)

CMP是化學(xué)反應(yīng)成膜與機(jī)械作用除膜的重復(fù)交替進(jìn)行的過程。各種因素的相互作用不能忽略。基于單因素實(shí)驗(yàn)，需要通過正交試驗(yàn)確定GaN晶片的CMP的最佳組合。GaN材料是一種硬度高和化學(xué)惰性強(qiáng)的半導(dǎo)體材料，影響GaN應(yīng)用的主要因素是加工效率和表面質(zhì)量。因此，正交試驗(yàn)的目的是獲得高材料去除率和低表面粗糙度。尋求較優(yōu)的拋光工藝參數(shù)，進(jìn)而獲得滿足GaN材料應(yīng)用的表面。為避免實(shí)驗(yàn)次數(shù)過多，并根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)分析，選定拋光壓力、拋光盤轉(zhuǎn)速以及氧化劑濃度三個(gè)拋光工藝因素，每個(gè)因素選取三個(gè)水平，正交實(shí)驗(yàn)因素和水平如表2所示。

表2 GaN晶片CMP正交實(shí)驗(yàn)水平表Table 2 The orthogonal experiment chart in CMP of GaN

2 結(jié)果與討論

2.1 下壓力對(duì)GaN化學(xué)機(jī)械拋光的影響

下壓力對(duì)材料去除率和粗糙度的影響如圖2所示。當(dāng)下壓力為4.69×104～23.5×104Pa時(shí)，GaN晶片材料去除率隨下壓力的增加而顯著增加。但當(dāng)下壓力超過14.1×104Pa時(shí)，GaN表面粗糙度顯著增加，結(jié)果表明，下壓力過大影響CMP的機(jī)械和化學(xué)作用之間的平衡，過度的機(jī)械作用會(huì)導(dǎo)致GaN的表面損傷。當(dāng)拋光壓力為14.1×104Pa時(shí)，材料去除率達(dá)到96.66 nm/h，且粗糙度較低，表面質(zhì)量較好。因而，在GaN CMP過程中，應(yīng)選擇適中的下壓力。

圖2 下壓力對(duì)GaN材料去除率和粗糙度的影響Fig.2 Effect of downforce on removal rate and roughness of GaN materials

2.2 拋光盤轉(zhuǎn)速對(duì)GaN化學(xué)機(jī)械拋光的影響

拋光盤轉(zhuǎn)速對(duì)材料去除率和粗糙度的影響如圖3所示。由圖3可知，拋光盤轉(zhuǎn)速在50～150 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，GaN材料的去除率增加。隨著轉(zhuǎn)速的增加，GaN、磨粒和拋光墊之間的相互作用頻率增加，GaN表面的機(jī)械作用增加，單位時(shí)間的材料去除率也增加；新的拋光液以更高的速度進(jìn)入拋光墊和GaN表面。同時(shí)，拋光液可以及時(shí)帶出拋光產(chǎn)物，去除率隨之提高。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至100 r/min時(shí)，材料去除率達(dá)到 88.31 nm/h，表面粗糙度降低至0.59 nm。但是，離心力隨著轉(zhuǎn)速上升而變大，使得拋光墊上的拋光液分布不夠均勻，并且不能充分利用拋光液。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到150 r/min 時(shí)，材料去除率僅從88.31 nm/h增到 91.3 nm/h，同時(shí)表面粗糙度也隨之增大。因此，GaN CMP拋光盤轉(zhuǎn)速的最佳值為100 r/min。

圖3 拋光盤轉(zhuǎn)速對(duì)GaN材料去除率和粗糙度的影響Fig.3 Effect of polishing pad rotating speed on material removal rate and roughness of GaN materials

2.3 H2O2濃度對(duì)GaN化學(xué)機(jī)械拋光的影響

H2O2濃度對(duì)GaN材料去除率和粗糙度的影響如圖4所示。當(dāng)H2O2濃度為0.2%～0.8% 時(shí)，隨著H2O2濃度的增加，GaN材料去除率增加，當(dāng)H2O2濃度達(dá)0.8%時(shí)，材料去除率達(dá)到峰值83.96 nm/h，粗糙度達(dá)最低0.442 nm；H2O2濃度超過0.8%時(shí)，材料去除率有所下降，粗糙度也顯著增加，說明過低或過高的H2O2濃度打破了CMP機(jī)械作用與化學(xué)作用之間的平衡，H2O2濃度低，CMP機(jī)械作用大于化學(xué)作用，GaN表面存在劃痕等損傷層；H2O2濃度高，CMP化學(xué)作用大于機(jī)械作用，表面覆蓋氧化層，存在腐蝕坑，導(dǎo)致GaN表面質(zhì)量都變差，粗糙度隨之變大。因而，在GaN CMP過程中，應(yīng)選擇適宜的H2O2濃度。

圖4 H2O2濃度對(duì)GaN材料去除率和表面粗糙度的影響Fig.4 Effect of H2O2 concentration on material removal rate and roughness

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

GaN晶片CMP的正交實(shí)驗(yàn)方案如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)方案Table 3 The interactive orthogonal experimental program

通過極差法計(jì)算GaN晶片的CMP材料去除率，如表4所示。其中，Kmn表示在第n(n=A,B,C)列因子的m(m=1,2,3)水平下實(shí)驗(yàn)材料的去除率的總和；kmn表示實(shí)驗(yàn)材料在第n列因子的m水平上的平均材料去除率；Rn表示第n列因子的極差值水平，極差值越大，反映出該因子影響程度越大。

表4 極差分析數(shù)據(jù)計(jì)算表Table 4 Calculated data for range analysis

從表4可以看出，在上述試驗(yàn)因素中，對(duì)GaN晶片CMP材料去除率影響程度從高到低依次為：下壓力(A)、H2O2濃度(C)、拋光盤轉(zhuǎn)速(B)。

由正交試驗(yàn)結(jié)果確定優(yōu)化方案，以材料去除率為試驗(yàn)指標(biāo)，指標(biāo)越大越好。綜合上述極差分析結(jié)果，GaN晶片CMP的最佳工藝組合為 A2B1C2，即下壓力為14.1×104Pa，H2O2濃度為0.8%，拋光盤轉(zhuǎn)速為75 r/min。材料去除率最大為103.98 nm/h，表面粗糙度最低為0.334 nm，樣品表面如圖5所示。

圖5 正交實(shí)驗(yàn)方案6拋光后GaN晶體表面AFM圖Fig.5 AFM images of GaN surface after CMP in orthogonal experiment 6

根據(jù)因素水平的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均kn的影響，可做因素-效果趨勢(shì)圖如圖6所示。可知，下壓力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響最大，當(dāng)下壓力14.1×104Pa時(shí)，GaN晶片的材料去除率最大；H2O2濃度影響次之，拋光盤轉(zhuǎn)速影響最低，轉(zhuǎn)速從75 r/min增加至125 r/min，材料的去除率基本保持不變。

由圖6可知，因素A和因素C的k1、k2、k3變化較顯著，說明下壓力對(duì)GaN晶片CMP去除率的影響最大，H2O2濃度其次；因素 B 的k1、k2、k3變化不顯著，說明拋光盤轉(zhuǎn)速的大小對(duì)GaN晶片CMP去除率的影響相對(duì)較小。

圖6 因素-效果趨勢(shì)圖Fig.6 Factors-effects trend

3 結(jié)論

研究了利用CMP對(duì)GaN 晶體進(jìn)行拋光，在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上可以得出以下結(jié)論。

(1)下壓力、拋光盤轉(zhuǎn)速和氧化劑濃度都會(huì)對(duì)GaN晶體表面質(zhì)量有重要的影響，其中，下壓力對(duì)材料去除率的影響最大，拋光盤轉(zhuǎn)速次之，H2O2濃度最小。

(2)文章采用自制的納米SiO2拋光液能改善晶體表面質(zhì)量，同時(shí)可以提高晶體的加工效率，并且對(duì)環(huán)境無污染、對(duì)人體無害。試驗(yàn)表明：在下壓力為14.1×104Pa、轉(zhuǎn)速為75 r/min、H2O2濃度為0.8%的條件下，GaN晶片的材料去除率達(dá)最快，達(dá)到103.98 nm/h，表面粗糙度低至0.334 nm。晶片表面未有機(jī)械損傷，滿足應(yīng)用要求，對(duì)今后GaN晶體的研究具有重要的意義。