聚焦 | 克服那個碳化硅晶片拋光難題

原創(chuàng) 微安 碳化硅芯觀察 2022-03-03 20:02

小拋光，大難題   

SiC作為新一代半導(dǎo)體材料的性能優(yōu)勢明顯，但由于其屬于典型的難加工材料，實現(xiàn)SiC晶圓的高質(zhì)量與高效率加工成為了推動其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程的關(guān)鍵。SiC晶圓的生產(chǎn)過程包括拉單晶、磨外圓、切片、磨削、研磨及拋光等諸多工藝環(huán)節(jié)。

其中，拋光作為SiC晶圓生產(chǎn)鏈的最后一環(huán)，其加工后的晶圓表面質(zhì)量會直接影響所生產(chǎn)的半導(dǎo)體器件的性能。因此，拋光加工是SiC晶圓應(yīng)用于芯片制造的非常關(guān)鍵的工藝步驟。然而SiC具有的極高硬度和很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性給SiC的無損高質(zhì)量拋光帶來了極大的挑戰(zhàn)。

眾所周知，碳化硅的莫氏硬度達(dá)到9.25-9.5，用傳統(tǒng)的CMP拋光移除材料1-2μm深度，需要數(shù)十小時才能完成，不僅影響產(chǎn)能，也導(dǎo)致成本居高不下。據(jù)臺灣工研院測算，碳化硅晶圓制造成本約占售價的一半，而硅晶圓只需26%。

碳化硅晶圓與硅晶圓成本構(gòu)成對比

而傳統(tǒng)的研磨(lapping)和輪磨(grinding)，通常存在表面微細(xì)刮痕、降低元件效率、效率低和表面粗糙度不佳等缺點(diǎn)。如果SiC基片表面有殘留的損傷層，將導(dǎo)致外延層原子排列無序，影響外延層的質(zhì)量，進(jìn)而影響最終器件的性能。因此，作為SiC半導(dǎo)體器件的基片，需要控制基片表面厚度變化小于1 μm、Si面的表面粗糙度(Ra)≤0.3 nm、C面Ra ≤0.5 nm，且保證加工表面低加工損傷和殘余應(yīng)力，同時還需要基片表面具有很好的幾何完整性和性能完整性。

一般來說，SiC表面的損傷層可以通過四種方法去除：

機(jī)械拋光，簡單但會殘留劃痕，適用于初拋；

化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP），引入化學(xué)腐蝕去除劃痕，適用于精拋；

氫氣刻蝕，設(shè)備復(fù)雜，常用于HTCVD過程；

等離子輔助拋光，設(shè)備復(fù)雜，不常用。

1.選擇化學(xué)機(jī)械拋光

單純的機(jī)械拋光會產(chǎn)生劃痕，單純的化學(xué)拋光產(chǎn)生非均勻腐蝕，綜合為化學(xué)機(jī)械拋光則物美價廉。CMP的工作原理：旋轉(zhuǎn)的晶片/晶圓以一定的壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上做相對運(yùn)動，借助拋光液中納米磨料的機(jī)械研磨作用與各類化學(xué)試劑的化學(xué)作用的結(jié)合來實現(xiàn)平坦化要求。

這一過程中應(yīng)用到的材料主要包括拋光液和拋光墊。拋光墊使用后會產(chǎn)生變形，表面變得光滑，孔隙減少和被堵塞，使拋光速率下降，必須進(jìn)行修整來恢復(fù)其粗糙度，改善傳輸拋光液的能力，一般采用鉆石修整器修整。

單純的機(jī)械拋光會產(chǎn)生劃痕，單純的化學(xué)拋光產(chǎn)生非均勻腐蝕，具體如下所示：

第一，直接使用SiO2機(jī)械拋光，表面質(zhì)量通過精度300nm的Kla Tencor-10的Candela和精度0.01nm的本原公司CSPM4000型原子力顯微鏡（AFM）測量，可測出劃痕深度為9.78nm。

表面氧元素含量、穿透深度通過K-Alpha型X射線光電子能譜（XPS）儀分析：標(biāo)準(zhǔn)樣為以He+濺射標(biāo)準(zhǔn)SiO2樣品，濺射速率為25nm/min；試樣為以He+濺射SiC樣品。SiC硬度大于SiO2，所以濺射速率小于25nm/min。濺射0.25min后，氧元素信號為零，所以穿透深度小于25nm/min*0.25min=6.25nm。穿透深度小于劃痕深度，說明劃痕是機(jī)械作用產(chǎn)生的，而不是氧化作用產(chǎn)生的。

第二，同樣的，如果直接使用雙氧水拋光，反而會新增劃痕。AFM圖如下。這是因為化學(xué)腐蝕是具有各向異性的，對于表面能大的會加速腐蝕。

如果僅僅使用雙氧水浸泡，那缺陷和劃痕反而會被擴(kuò)大。浸泡后，晶片表面粗糙度從0.06nm增大為0.14nm。AFM圖如下，其中右上角為浸泡前：

2. 典型的化學(xué)機(jī)械拋光過程

知道需要化學(xué)+機(jī)械來拋光后，典型的化學(xué)機(jī)械拋光過程如下：

第一步，機(jī)械拋光。

用0.5um直徑的金剛石拋光液，拋光表面粗糙度至0.7nm。

第二步，化學(xué)機(jī)械拋光。

拋光機(jī)：AP-810型單面拋光機(jī)；

拋光壓力200g/cm2；

大盤轉(zhuǎn)速50r/min；

陶瓷盤轉(zhuǎn)速38r/min；

拋光液組成：以SiO2（30wt%、pH=10.15）為基礎(chǔ)，加入0-70wt%的雙氧水（30wt%、純優(yōu)級），最后用KOH（5wt%）、HNO3（1wt%）調(diào)節(jié)pH=8.5；

拋光液流量3L/min，循環(huán)使用。

結(jié)果如下：

事實上，各種參數(shù)是可調(diào)的，要針對晶片和機(jī)子選擇合適的條件：

可選機(jī)械拋光液為：SiO2、Al2O3、二氧化鈰；

可選化學(xué)拋光液為：高錳酸鉀、雙氧水、Pt催化劑、Fe催化劑；

可選拋光墊：尼龍、聚氨酯；

酸堿性：KOH、HNO3；

機(jī)械作用：壓力、轉(zhuǎn)速、位置、時間、溫度。

目前，業(yè)界提出了改良式的化學(xué)機(jī)械拋光制程，比如混合了膠態(tài)二氧化硅和奈米鉆石磨料，用二氧化鈦(TiO2)和氧化鈰(CeO2)做為研磨液，利用水氣大氣電漿進(jìn)行碳化硅表面氧化。

然而，這些加工制程的材料移除率(MRR)都相當(dāng)?shù)?，傳統(tǒng)材料移除率< 0.2 μm/h，相比之下，4英寸碳化硅晶圓的拋光制程需耗時≧10小時，因此產(chǎn)能沒法提升，成本下不來。為了解決效率問題，需要導(dǎo)入復(fù)合式加工概念，比如導(dǎo)入化學(xué)、振動、電化學(xué)改質(zhì)或激光加工等復(fù)合機(jī)制。

  新的解決方案  

去年，臺灣工研院有一項新發(fā)明——“超音波&電漿輔助加工技術(shù)”，它可以將4英寸碳化硅晶圓的材料移除效率提升36倍，而且加工后的表面粗度Ra僅為1-2nm，這大幅降低了薄化設(shè)備的成本。同時，碳化硅的拋光速率也提升了5倍以上，能夠?qū)⒓庸こ杀窘档?0%左右。

整個設(shè)備構(gòu)成是這樣的

據(jù)介紹，超音波輔助輪磨主要針對晶圓立式高耗數(shù)輪磨制程(>8000號)，通過導(dǎo)入超音波振動機(jī)制，來降低砂輪填塞，并增進(jìn)砂輪自銳功效。

測試對比發(fā)現(xiàn)，無超音波輔助進(jìn)給速率為2um/min，移除量約2um；而超音波輔助進(jìn)給提升至12um/min，移除量約17um，材料移除效率提升約36倍。

而且，加工完后的芯片表面粗度Ra達(dá)1-2nm，傳統(tǒng)粗拋光表面Ra約10nm，大幅降低細(xì)拋制程的加工負(fù)荷，每臺薄化設(shè)備成本也將大幅下降。

超聲波輔助輪磨加工平臺

通常，碳化硅晶圓整個拋光過程需花費(fèi)10小時左右。行業(yè)是通過添加KMnO7、KNO3等添加劑來提升拋光速度，但這對人體和環(huán)境有害，也可能造成機(jī)臺損傷。

臺灣工研院的方法是——在傳統(tǒng)CMP中搭配大面積大氣電漿系統(tǒng)。電漿輔助加工是一種電漿氧化、蝕刻的工藝，可以促使SiC晶圓表面軟化或形成氣態(tài)物種脫離表面，從而提高拋光加工制程的移除率。

測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)機(jī)械拋光，這種方式將拋光速率提升了5倍以上，有望降低30-50%加工成本。

測試場地：電漿機(jī)臺（左）、市售拋光機(jī)（右）

也是在去年，南方科技大學(xué)發(fā)表了一篇論文，介紹了最近的研究進(jìn)展：借助等離子體進(jìn)行表面改性，結(jié)合軟磨粒拋光技術(shù)實現(xiàn)SiC材料高效去除的等離子體輔助拋光(plasma-assisted polishing，PAP)技術(shù)。

PAP技術(shù)由日本大阪大學(xué)的Yamamura于2010年首次提出。機(jī)械研磨能夠?qū)崿F(xiàn)SiC的高效加工，但是由于其機(jī)械摩擦的去除本質(zhì)，不可避免地會在加工后表面產(chǎn)生劃痕及亞表面損傷。

而等離子體化學(xué)蒸發(fā)加工技術(shù)(plasma chemical vaporization machining，PCVM)的去除原理為化學(xué)反應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無損傷加工，但是其材料去除效率不高，且去除過程表現(xiàn)出各向同性，這導(dǎo)致該技術(shù)在原子尺度的平整能力較弱。PAP技術(shù)將兩者的優(yōu)勢相結(jié)合，極大地提高了SiC的加工效率，并且不會產(chǎn)生亞表面損傷。

此外，PAP技術(shù)與PCVM技術(shù)的去除方式截然不同，PAP技術(shù)中等離子體的作用僅是進(jìn)行表面改性，而材料去除過程依賴于軟磨料的摩擦作用，因此PAP技術(shù)在原子尺度具有很好的平整能力，能夠獲得較高的表面質(zhì)量。

PAP技術(shù)的原理如圖1所示，首先用等離子體輻照SiC表面;等離子體中的自由基具有強(qiáng)氧化性，與SiC表面原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硬度較低的改性層;然后用軟磨料拋光去除該改性層。隨著等離子體化學(xué)改性和軟磨料拋光去除的交替進(jìn)行，粗糙表面逐漸變平整，最終能夠獲得一個無損傷的原子級平坦表面。

圖2(a)為PAP加工設(shè)備的示意圖，該設(shè)備由獨(dú)立的等離子體發(fā)生單元和材料去除單元組成[40]。等離子體由射頻電源產(chǎn)生，加工過程中以惰性氣體作為載氣，水蒸氣或O2等能夠產(chǎn)生強(qiáng)氧化性自由基團(tuán)的氣體作為反應(yīng)氣體。圖2(b)展示了實物裝置[45]，該裝置所用的射頻電源頻率為13.56MHz，反應(yīng)氣體為水蒸氣，基于此產(chǎn)生了直徑約為8mm的等離子體。

裝置具體工作流程為:待加工樣品固定于轉(zhuǎn)臺之后，依次進(jìn)行等離子輻照表面改性和軟磨料拋光。其中等離子體輻照區(qū)域和軟磨料拋光區(qū)域與轉(zhuǎn)盤中心的距離相同，即圖2(a)中r1=r2，從而保證了軟磨料拋光區(qū)域恰為改性區(qū)域。因此使用該裝置獲得的拋光區(qū)域是一個寬度約為8mm的環(huán)形區(qū)域。

圖2(c)展示了實驗中所用的拋光墊的截面圖及掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)圖[45]，實驗中采用固結(jié)磨料拋光墊，該拋光墊可以避免由于拋光粉的團(tuán)聚或分布不均勻等原因造成的表面劃痕或拋光不均勻等現(xiàn)象的發(fā)生，并且不斷更新的磨?？梢员ＷC拋光效率穩(wěn)定，同時不會有水解層產(chǎn)生。

為了對等離子體的改性效果及改性效率等信息進(jìn)行更為深入的分析，研究采用橫截面透射電子顯微鏡(cross-sectional transmission electron microscope，XTEM)對經(jīng)等離子體改性1h(反應(yīng)氣體為水蒸氣)的SiC樣品進(jìn)行了觀察，如圖5所示。

結(jié)果表明，改性層厚度約為80nm，且結(jié)合X射線光電子能譜儀(X-ray photo electron spectroscopy，XPS)測量結(jié)果，可知該改性層的組分為硬度遠(yuǎn)小于SiC的SiO2。此外，改性層的上表面存在一定起伏，但SiO2/SiC界面呈原子級平坦。

PAP技術(shù)是通過將表面材料氧化為較軟的改性層而實現(xiàn)高效加工的。因此，有必要測量等離子體改性前后的表面硬度變化。納米壓痕儀能夠較為準(zhǔn)確地測量表面納米硬度，實驗中采用的表面改性條件及納米硬度測試條件詳見文獻(xiàn)。

圖6展示了采用納米壓痕法測得的改性前后SiC樣品的表面硬度。可以發(fā)現(xiàn)，等離子體改性后的SiC表面硬度顯著降低，從改性前的(37.4±0.5)GPa降低為(4.5±0.8)GPa，改性后的表面硬度和文獻(xiàn)中報道的使用納米壓痕方法測得的SiO2膜的硬度相近，這也從側(cè)面驗證了改性層的成分。

綜合以上實驗結(jié)果可知，當(dāng)反應(yīng)氣體為水蒸氣或O2時，等離子體都能夠?qū)崿F(xiàn)SiC表面改性，但是由于水蒸氣電離產(chǎn)生的OH自由基較O2電離產(chǎn)生的O自由基具有更強(qiáng)的氧化性，因此以水蒸氣作為反應(yīng)氣體的等離子體的改性效率更高。

此時，等離子體輻照能夠有效地將SiC表面改性為硬度較小的SiO2，改性后的表面硬度降低為改性前的0.12倍。

寫在最后：

碳化硅成本一直高居不下的主要原因主要是沒有突破晶片的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)壁壘，長晶和襯底晶圓制造是“卡脖子”核心技術(shù)，是整個產(chǎn)業(yè)鏈的共性技術(shù)問題，也是國產(chǎn)器件良率遲遲不能提高的主要原因。

今天我們從小小的拋光環(huán)節(jié)看產(chǎn)業(yè)，需要有共性的平臺去解決材料、設(shè)備、輔助工具鏈開發(fā)的問題，需要有設(shè)備企業(yè)持續(xù)投入研發(fā)、制造企業(yè)的不斷迭代，芯片產(chǎn)業(yè)鏈就是這樣需要專業(yè)分工，齊頭并進(jìn)的。從小小拋光看產(chǎn)業(yè)，與君共勉！

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