聚焦 | 克服那個碳化硅晶片拋光難題
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晶圓的高質量與高效率加工成為了推動其產業(yè)化應用進程的關鍵。SiC晶圓的生產過程包括拉單晶、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晶圓生產鏈的最后一環(huán)，其加工后的晶圓表面質量會直接影響所生產的半導體器件的性能。因此，拋光加工是SiC晶圓應用于芯片制造的非常關鍵的工藝步驟。然而SiC具有的極高硬度和很強的化學穩(wěn)定性給SiC的無損高質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，不僅影響產能，也導致成本居高不下。據臺灣工研院測算，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成對比
而傳統(tǒng)的研磨(lapping)和輪磨(grinding)，通常存在表面微細刮痕、降低元件效率、效率低和表面粗糙度不佳等缺點。如果SiC基片表面有殘留的損傷層，將導致外延層原子排列無序，影響外延層的質量，進而影響最終器件的性能。因此，作為SiC半導體器件的基片，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：
機械拋光，簡單但會殘留劃痕，適用于初拋；
化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP），引入化學腐蝕去除劃痕，適用于精拋；
氫氣刻蝕，設備復雜，常用于HTCVD過程；
等離子輔助拋光，設備復雜，不常用。
1.選擇化學機械拋光
單純的機械拋光會產生劃痕，單純的化學拋光產生非均勻腐蝕，綜合為化學機械拋光則物美價廉。CMP的工作原理：旋轉的晶片/晶圓以一定的壓力壓在旋轉的拋光墊上做相對運動，借助拋光液中納米磨料的機械研磨作用與各類化學試劑的化學作用的結合來實現(xiàn)平坦化要求。
這一過程中應用到的材料主要包括拋光液和拋光墊。拋光墊使用后會產生變形，表面變得光滑，孔隙減少和被堵塞，使拋光速率下降，必須進行修整來恢復其粗糙度，改善傳輸拋光液的能力，一般采用鉆石修整器修整。
單純的機械拋光會產生劃痕，單純的化學拋光產生非均勻腐蝕，具體如下所示：
第一，直接使用SiO2機械拋光，表面質量通過精度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：標準樣為以He+濺射標準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，說明劃痕是機械作用產生的，而不是氧化作用產生的。
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. 典型的化學機械拋光過程
知道需要化學+機械來拋光后，典型的化學機械拋光過程如下：
第一步，機械拋光。
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，化學機械拋光。
拋光機：AP-810型單面拋光機；
拋光壓力200g/cm2；
大盤轉速50r/min；
陶瓷盤轉速38r/min；
拋光液組成：以SiO2（30wt%、pH=10.15）為基礎，加入0-70wt%的雙氧水（30wt%、純優(yōu)級），最后用KOH（5wt%）、HNO3（1wt%）調節(jié)pH=8.5；
拋光液流量3L/min，循環(huán)使用。
結果如下：
事實上，各種參數(shù)是可調的，要針對晶片和機子選擇合適的條件：
可選機械拋光液為：SiO2、Al2O3、二氧化鈰；
可選化學拋光液為：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；
機械作用：壓力、轉速、位置、時間、溫度。
目前，業(yè)界提出了改良式的化學機械拋光制程，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?shù)停瑐鹘y(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，因此產能沒法提升，成本下不來。為了解決效率問題，需要導入復合式加工概念，比如導入化學、振動、電化學改質或激光加工等復合機制。
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”，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備的成本。同時，碳化硅的拋光速率也提升了5倍以上，能夠將加工成本降低50%左右。
整個設備構成是這樣的
據介紹，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)，通過導入超音波振動機制，來降低砂輪填塞，并增進砂輪自銳功效。
測試對比發(fā)現(xiàn)，無超音波輔助進給速率為2um/min，移除量約2um；而超音波輔助進給提升至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1-2nm，傳統(tǒng)粗拋光表面Ra約10nm，大幅降低細拋制程的加工負荷，每臺薄化設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。
測試結果發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)機械拋光，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：電漿機臺（左）、市售拋光機（右）
也是在去年，南方科技大學發(fā)表了一篇論文，介紹了最近的研究進展：借助等離子體進行表面改性，結合軟磨粒拋光技術實現(xiàn)SiC材料高效去除的等離子體輔助拋光(plasma-assisted polishing，PAP)技術。
PAP技術由日本大阪大學的Yamamura于2010年首次提出。機械研磨能夠實現(xiàn)SiC的高效加工，但是由于其機械摩擦的去除本質，不可避免地會在加工后表面產生劃痕及亞表面損傷。
而等離子體化學蒸發(fā)加工技術(plasma chemical vaporization machining，PCVM)的去除原理為化學反應，能夠實現(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，這導致該技術在原子尺度的平整能力較弱。PAP技術將兩者的優(yōu)勢相結合，極大地提高了SiC的加工效率，并且不會產生亞表面損傷。
此外，PAP技術與PCVM技術的去除方式截然不同，PAP技術中等離子體的作用僅是進行表面改性，而材料去除過程依賴于軟磨料的摩擦作用，因此PAP技術在原子尺度具有很好的平整能力，能夠獲得較高的表面質量。
PAP技術的原理如圖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氧化性，與SiC表面原子發(fā)生化學反應，形成硬度較低的改性層;然后用軟磨料拋光去除該改性層。隨著等離子體化學改性和軟磨料拋光去除的交替進行，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加工設備的示意圖，該設備由獨立的等離子體發(fā)生單元和材料去除單元組成[40]。等離子體由射頻電源產生，加工過程中以惰性氣體作為載氣，水蒸氣或O2等能夠產生強氧化性自由基團的氣體作為反應氣體。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，反應氣體為水蒸氣，基于此產生了直徑約為8mm的等離子體。
裝置具體工作流程為:待加工樣品固定于轉臺之后，依次進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]，實驗中采用固結磨料拋光墊，該拋光墊可以避免由于拋光粉的團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生。
為了對等離子體的改性效果及改性效率等信息進行更為深入的分析，研究采用橫截面透射電子顯微鏡(cross-sectional transmission electron microscope，XTEM)對經等離子體改性1h(反應氣體為水蒸氣)的SiC樣品進行了觀察，如圖5所示。
結果表明，改性層厚度約為80nm，且結合X射線光電子能譜儀(X-ray photo electron spectroscopy，XPS)測量結果，可知該改性層的組分為硬度遠小于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。
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?？梢园l(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，這也從側面驗證了改性層的成分。
綜合以上實驗結果可知，當反應氣體為水蒸氣或O2時，等離子體都能夠實現(xiàn)SiC表面改性，但是由于水蒸氣電離產生的OH自由基較O2電離產生的O自由基具有更強的氧化性，因此以水蒸氣作為反應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，是整個產業(yè)鏈的共性技術問題，也是國產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)看產業(yè)，需要有共性的平臺去解決材料、設備、輔助工具鏈開發(fā)的問題，需要有設備企業(yè)持續(xù)投入研發(fā)、制造企業(yè)的不斷迭代，芯片產業(yè)鏈就是這樣需要專業(yè)分工，齊頭并進的。從小小拋光看產業(yè)，與君共勉！
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