SiC（0001）面和（000-1）面 CMP抛光对比研究

潘章杰，冯 玢，王 磊，郝建民

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300222)

SiC材料作为第三代半导体材料，具有宽带隙、高电子饱和迁移率和优良的热学特性，在高温、高频和大功率器件方面拥有很好的应用前景[1]。正晶向的碳化硅晶片，一面是硅面，另一面是碳面，分别记为（0001）和（000-1）。SiC 晶片 Si面表面划痕和加工残余损伤层对外延膜质量有重要影响，而C面的缺陷会大大增加晶体位错密度[2-3]。因而，无论是 SiC 的（0001）Si面还是（000-1）C面，均要求其表面完美无缺陷，而目前CMP抛光技术是获得这种表面的主流加工方法。但是，由于SiC材料化学稳定性好（常温下几乎不与其它物质发生明显的化学反应）、硬度高（莫氏硬度9.2，仅次于金刚石），使得SiC材料CMP工艺难度较高，而且SiC材料不同的晶面具有显著不同的抛光特性，使得该工艺更具挑战性。山东大学陈秀芳等人研究了碳化硅Si面、C面、m面、a面的抛光特性，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几乎为零的结论[4]。日本Hideo Aida等人研究了SiC、GaN和蓝宝石等材料的CMP工艺，发现SiC的Si面使用碱性的抛光液、C面使用酸性的抛光液更有利于提高材料去除速率，也未能给出合理的实验解释[5]。本文将着重研究SiC衬底（0001）Si面和（000-1）C面在CMP工艺过程中使用酸、碱性改性抛光液时表现出来的抛光去除率和表面质量的差异，并合理分析产生这种差异原因。

1 实验

CMP抛光实验用晶片规格为：直径75 mm，晶向On-axis，晶型6H。实验所用的SiC晶体材料由本单位自行研制。碳化硅晶锭经多线切割、研磨、金刚石机械粗抛光等工序处理后得到本实验所用的晶片（见图1）。晶片在CMP抛光实验前表面状态用原子力显微镜（AFM）检测，如图2所示。

图1 实验用SiC晶片加工总流程示意图

图2 CMP抛光实验前晶片表面状态用原子力显微镜（AFM）

实验过程中采用分辨率为0.1 mg精密天平作为评价材料去除速率的手段；强光灯、微分干涉显微镜、扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）作为评价抛光表面质量的手段。抛光设备用的是中国电子科技集团公司第四十五研究所研制的PG710单面抛光机。另外，本实验引入了氧化还原电位电极用来测定抛光液的氧化还原电位值（ORP值）。氧化还原电位，简称ORP（Oxidation-Reduction Potential），用于表征介质（包括土壤、天然水、培养基等）氧化性或还原性的相对程度[6]，实验中将引用该值来作为抛光液综合氧化性能的参考值。

抛光垫采用进口耐磨聚氨酯抛光垫。抛光液用粒径为70～135 nm的碱性硅溶胶，质量分数5%～30%，添加2%～30%抛光氧化剂，添加硫酸或磷酸等作为抛光液pH调节剂抛光液流量稳定为150 ML/min。为保证实验条件的一致性，每组实验均采用全新的抛光垫和抛光液。实验抛光的温度约为25℃～45℃。抛光液pH值和抛光液ORP值为抛光进行大约15 min后进行取样测量。其它的实验条件见表1。

2 实验结果与讨论

采用精密天平测定晶片实验前后质量，计算出各组实验的材料去除率V，详见图3。

表1 实验条件

图3 各组实验材料去除率V

晶片表面质量的检测结果见表2。

表2 各组实验晶片表面检测结果

图4 A2组实验微分干涉显微镜检测图

图5 未见明显抛光缺陷的微分干涉显微镜图

图6 A1组实验AFM检测图

图7 A2组实验AFM检测图

图8 B1组实验AFM检测图

图9 B2组实验AFM检测图

综合图3各组实验材料去除率和表2各组实验晶片表面检测结果可以看出，A1组实验用pH值为10.38抛光液抛光(0001)Si面，去除速率VSi碱在0.1 μm/h以下，部分晶片强光灯和微分干涉显微镜检测可见划痕（见图4），AFM检测凹凸不平，粗糙度值Ra为1.98 nm（见图6）；A2组实验用pH值为1.11的抛光液抛光 (0001)Si面，去除速率VSi酸在0.2～0.3 μm/h，强光灯和微分干涉显微镜检测未见抛光缺陷（见图5），AFM检测表面平整，粗糙度值Ra为0.232 nm（见图7）；B1组实验用pH值为10.38抛光液抛光 (000-1)C面，去除速率VC碱在0.4～0.6 μm/h，强光灯和微分干涉显微镜检测未见抛光缺陷（见图5），AFM检测表面较平整但有轻微划痕，粗糙度值Ra为0.290 nm（见图8）；B2组实验用pH值为1.11抛光液抛光(000-1)C面，去除速率VC酸在1.4～2.2 μm/h，强光灯和微分干涉显微镜检测未见抛光缺陷（见图5），AFM检测表面光滑，粗糙度值Ra为0.173 nm（见图9）。

由实验结果可知，无论是采用酸性抛光液，还是碱性抛光液进行CMP抛光，(000-1)C面抛光材料去除率 VC（VC碱=0.4～0.6 μm/h，VC酸=1.4～2.2 μm/h）总是大于 (0001)Si面的材料去除速率VSi（VSi碱=0.1 μm/h 以下，VSi酸=0.2～0.3 μm/h）。目前还未有相关文献对这个现象作深入的研究，作者将引入B.Hornetz等人对器件制作氧化工艺SiC氧化行为进行研究得出的一些结论[7]来解释这个现象。B.Hornetz等人认为，在相同的氧化条件下，SiC的(000-1)C面的氧化速度远比(0001)Si氧化速度快，是因为在SiC氧化成SiO2过程中，SiC原子层与SiO2原子层之间存在着一个过渡原子层Si4C4-XO2（x≤2），这层过渡层能阻止SiC被氧化为SiO2，从而降低SiC的氧化速率。在(0001)Si面中，这层过渡层厚约1 nm，而在(000-1)C面中过渡层更薄，这也导致了C面有更快的氧化速度。一种基于热力学的观点认为，尽管SiC的化学惰性高，稳定性好，在常温下基本不与其它任何物质反应，但在CMP工艺过程中，抛光垫与SiC晶体表面的粗糙峰(asperities)摩擦使得晶体表面微观接触区域处于局部高温高压状态，促使晶片表面发生化学反应形成一层SiO2软质层[8]。作者推断，在CMP工艺过程中，晶片局部的高温高压状态下的氧化机制与B.Hornetz等人提出的氧化机制类似，即SiC氧化成SiO2过程中，SiC原子层与SiO2原子层之间存在着一个过渡原子层，这层原子层的厚度最终决定了(0001)Si面和(000-1)C面的氧化速度，也就决定了CMP抛光材料的去除速率。在 (000-1)C面中过渡层更薄，使得C面有更快的氧化速度，也就意味着在相同的抛光液和抛光参数下，C面总是比Si面有更高的材料去除速率，即VC＞VSi。

由实验结果可知，无论是对于硅面还是对于碳面，使用酸性抛光液的CMP工艺其材料去除速率均大于使用碱性抛光液的速率，即对于C面而言，有 VC酸＞VC碱；对于 Si面而言，有 VSi酸＞VSi碱。实验中我们测定，商用硅溶胶抛光液氧化还原电位值（ORP值）为96 mV，经改性的酸性抛光液ORP值为1 140 mV，而碱性为450 mV，显然，相对而言酸性抛光液有更强的综合氧化能力，也就意味着有更高的CMP工艺材料去除速率。

最后分析晶片表面的质量。我们只在A1组实验部分晶片发现了较严重的划痕（见图4、图6），原因应当为VSi碱值较小，未能将损伤层彻底去除。同时在B1组实验小部分晶片发现轻微划痕（见图8），原因应当为CMP工艺过程中机械作用力大于化学作用力引起。其它实验组表面质量未发现异常。

3 结 论

综上所述，在利用酸性和碱性改性硅溶胶对碳化硅衬底进行CMP抛光过程中，我们有以下的结论：采用酸性抛光液和碱性抛光液进行抛光，分别都有 VC＞VSi；对于(0001)Si面进行抛光，有 VSi酸＞VSi碱。对于(000-1)C 面进行抛光，有 VC酸＞VC碱；这几个结果对于摸索获得表面完美Si面和C面的CMP工艺有重要的意义。

[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.