氮化鎵晶片的CMP技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)

熊朋，王錚，陳威，史霄，楊師

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601）

氮化鎵晶片的CMP技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)

熊朋，王錚，陳威，史霄，楊師

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601）

綜述了半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）拋光技術(shù)的發(fā)展，介紹了GaN晶片化學(xué)機(jī)械平坦化（Chemical Mechanical Planarization，CMP）技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了CMP的原理和工藝參數(shù)對(duì)拋光的影響，指出了CMP亟待解決的技術(shù)和理論問(wèn)題，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

GaN晶片；化學(xué)機(jī)械拋光；拋光工藝

氮化鎵（GaN）是繼第一代半導(dǎo)體材料（Ge、Si）、第二代半導(dǎo)體材料（GaAs、InP等）之后發(fā)展起來(lái)的第三代半導(dǎo)體材料，具有大的禁帶寬度、高飽和度電子漂移速度、高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)良的特性，在高溫、高頻率、大功率、抗輻射及短波長(zhǎng)電子器件和光電集成等應(yīng)用場(chǎng)合是理想的半導(dǎo)體材料之一。GaN晶片的應(yīng)用要求晶片表面超光滑、無(wú)缺陷、無(wú)損傷，GaN的加工質(zhì)量和精度直接影響器件的性能。由于GaN本身特殊的物理和化學(xué)特性，要想獲得表面精度很高的GaN晶體非常困難［1-3］，大直徑、高質(zhì)量的單晶生長(zhǎng)技術(shù)和高精度、高效率、低成本的晶體基片加工技術(shù)是GaN晶體制備技術(shù)的關(guān)鍵和發(fā)展方向。

本文綜述了半導(dǎo)體材料GaN拋光技術(shù)的發(fā)展，介紹了GaN晶片CMP技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1　GaN晶片精密加工發(fā)展現(xiàn)狀

針對(duì)GaN材料，目前已開(kāi)發(fā)的無(wú)加工變質(zhì)層、無(wú)表面損傷的精密加工方法包括深紫外激光拋光技術(shù)、化學(xué)作用與紫外光相結(jié)合拋光技術(shù)、化學(xué)機(jī)械拋光與紫外光相結(jié)合拋光技術(shù)以及化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）。

激光拋光是一種非接觸式拋光方法，利用激光束以指定的掃描方式作用于材料表面，使表面材料在很短時(shí)間內(nèi)吸收和轉(zhuǎn)換激光能量而被去除并降低表面粗糙度的過(guò)程。肖翔等［4］采用157 nm激光對(duì)GaN進(jìn)行拋光。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，157 nm激光拋光GaN時(shí)，被刻蝕面單位面積累計(jì)輻射能量在一定范圍內(nèi)，會(huì)得到較好的表面粗糙度（約20 nm）?？梢?jiàn)這種拋光技術(shù)得到的表面粗糙度較大。

化學(xué)作用與紫外光相結(jié)合拋光技術(shù)是指在化學(xué)拋光的同時(shí)引入紫外光照射，達(dá)到增強(qiáng)拋光效果的作用。日本學(xué)者［5］研究了一種將鉑材料作為固體催化劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)紫外光照射來(lái)提高拋光效果的方法。固體催化劑鉑促進(jìn)水解反應(yīng)，在沒(méi)有加入紫外光照射時(shí)拋光速率大約為1 nm/h，而加入紫外光照射后的拋光速率達(dá)到9.6 nm/h，表明紫外光有助于提高拋光速率。

清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室［6］提出一種化學(xué)機(jī)械拋光和紫外光相結(jié)合的拋光方法。采用H2O2-SiO2為拋光漿料進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，在漿料的出口采用紫外光照射以促進(jìn)材料的氧化，從而達(dá)到提高拋光效果的目的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該拋光方法的材料去除速率達(dá)到103 nm/h，相比化學(xué)作用與紫外光相結(jié)合拋光技術(shù)的材料去除速率得到大幅提高。

目前只有CMP技術(shù)被認(rèn)為是進(jìn)行晶片平坦化、獲得超光滑無(wú)損傷表面的最有效方法，但它的材料去除機(jī)制、過(guò)程變量對(duì)晶片表面材料去除速率和非均勻性的影響等方面的許多問(wèn)題尚需進(jìn)一步研究。20世紀(jì)90年代以來(lái)，GaN晶體CMP加工及器件的研制得到研究者的極大關(guān)注。隨著對(duì)GaN晶體研究的深入，對(duì)GaN晶體CMP加工的方法得到了一定的改善：比如在特定條件下，Arjunan等人利用CMP的方法改變自由基態(tài)GaN肖特基的加工方法［7］；J.Murata等利用過(guò)氧化氫與鐵反應(yīng)，再對(duì)GaN進(jìn)行化學(xué)刻蝕加工［8］；Kim等利用HVPE法對(duì)自由態(tài)GaN基體修整的化學(xué)機(jī)械拋光等［9］。

2　晶片的CMP加工

2.1CMP技術(shù)原理

化學(xué)機(jī)械拋光原理見(jiàn)圖1。將旋轉(zhuǎn)的被拋光晶片壓在與其同方向旋轉(zhuǎn)的彈性拋光墊上，而拋光漿料在晶片與底板之間連續(xù)流動(dòng)。被拋光晶片表面的反應(yīng)產(chǎn)物被不斷地剝離，新拋光漿料補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，反應(yīng)產(chǎn)物隨拋光漿料帶走。新裸露的晶片表面又發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物再被剝離下來(lái)而循環(huán)往復(fù)，在拋光墊、磨粒和化學(xué)反應(yīng)的聯(lián)合作用下，形成超精表面。

該技術(shù)首先利用拋光液中的化學(xué)試劑與晶片表面的原子進(jìn)行一系列的氧化還原反應(yīng)，從而達(dá)到軟化晶片表面的目的。然后使用物理機(jī)械的方法去除該軟化層，使之裸露出新的表面。通過(guò)這兩步的循環(huán)交替進(jìn)行，最終達(dá)到對(duì)元件表面進(jìn)行拋光的目的。

圖1　CMP技術(shù)原理示意圖

2.2GaN晶片CMP技術(shù)

目前對(duì)于GaN材料拋光工藝的研究報(bào)道較少。經(jīng)孫強(qiáng)等［10］實(shí)驗(yàn)研究，在CMP中拋光液、加工磨粒大小、拋光壓力以及拋光時(shí)間都會(huì)對(duì)晶體表面質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響。德國(guó)和波蘭的聯(lián)合研究組采用KOH和NaOH溶液對(duì)GaN進(jìn)行拋光，所得表面的均方根粗糙度達(dá)到0.1 nm［11］。美國(guó)加州大學(xué)的研究組采用硅膠對(duì)n極性面GaN進(jìn)行拋光，表面的均方根粗糙度達(dá)到0.4 nm［12］。H.Aida等人［13］也證明了膠粒二氧化硅拋光液能有效消除表面劃痕。浙江大學(xué)孫強(qiáng)等［10］采用H2O2與鐵反應(yīng)后的液體作為拋光液進(jìn)行了GaN的拋光，實(shí)驗(yàn)表明表面粗糙度有所改善。應(yīng)磊瑩等［14］針對(duì)激光剝離所得的GaN表面，采用膠粒二氧化硅拋光液進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，實(shí)驗(yàn)表明，拋光后GaN表面均方根粗糙度達(dá)到0.3 nm，實(shí)現(xiàn)了亞納米級(jí)平整度的表面。

2.3CMP影響因素分析

2.3.1拋光液的影響

拋光液是影響CMP質(zhì)量的決定性因素。它既影響CMP化學(xué)作用過(guò)程，又影響到機(jī)械作用過(guò)程。拋光液中的化學(xué)成分，能夠調(diào)節(jié)溶液的pH值，影響氧化物表面的帶電類型和電荷量，決定表面的水合等化學(xué)反應(yīng)過(guò)程；拋光液中的磨料，在壓力作用下于基片表面摩擦，影響著反應(yīng)產(chǎn)物的去除速率。拋光液的配方是決定化學(xué)機(jī)械拋光效果的關(guān)鍵，合適的拋光液能達(dá)到化學(xué)作用和機(jī)械作用的最佳效果，拋光效率高、質(zhì)量好，而且無(wú)劃痕。GaN在室溫下不溶于水、酸和堿性溶液，實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用熔融的NaOH或KOH對(duì)GaN表面進(jìn)行加熱腐蝕處理，這是由于GaN能以非常緩慢的速度溶解在熱的堿性溶液中。南京大學(xué)顏懷躍等［15］采用KOH溶液對(duì)GaN進(jìn)行拋光，得到無(wú)劃痕的平整表面，其均方根粗糙度為0.565 nm。

2.3.2拋光墊的影響

拋光墊的性質(zhì)嚴(yán)重影響到拋光基片的表面質(zhì)量和拋光效率。拋光墊可以使拋光液有效地均勻分布，還能夠提供新補(bǔ)充進(jìn)來(lái)的拋光液，并能順利地將反應(yīng)后的拋光液及反應(yīng)物排出。拋光墊在拋光壓力的作用下會(huì)產(chǎn)生彈性變形，它將影響到局部壓力梯度的大小，而且影響拋光液中化學(xué)成分的供給和拋光產(chǎn)物的去除速率。隨著拋光時(shí)間的增加，拋光墊的某些區(qū)域會(huì)產(chǎn)生“釉化”等現(xiàn)象，使拋光效率降低。所以，為了保持拋光過(guò)程的穩(wěn)定性、均勻性和重復(fù)性，必須選擇合適的拋光墊，并對(duì)拋光墊表面的變化情況進(jìn)行合理的控制。由于拋光墊具有一定的彈性，所以它保持基片表面精度的能力較弱，拋光墊是影響基片表面形貌的主要因素之一。

2.3.3拋光壓力的影響

拋光壓力是拋光工藝中的一個(gè)重要參數(shù)，壓力越大，拋光速率越大。由于基片表面凹凸部位所受壓力的不同，導(dǎo)致去除率的差異。凸出部位去除率高，低凹部位去除率低，從而使基片表面達(dá)到平整。研究表明，高壓是拋光產(chǎn)生表面缺陷（如劃傷、彈性形變、應(yīng)力損傷）的主要來(lái)源。壓力大時(shí)，磨料劃過(guò)基片表面產(chǎn)生劃痕造成基片表面劃傷。實(shí)驗(yàn)表明，壓力為5～6.5 kPa時(shí)的表面損傷較?。?6］。

2.3.4拋光液流量的影響

拋光液流量是影響拋光速率和拋光質(zhì)量的一個(gè)重要因素，拋光液流量太小，增加了摩擦力，使溫度分布不均勻，降低了基片表面的平整度。如果增大拋光液流量，不僅使反應(yīng)物迅速脫離基片表面，更重要的是降低了摩擦產(chǎn)生的熱量，使基片表面溫度均勻性好。

2.3.5溫度的影響

由于CMP過(guò)程在某種程度上講是一個(gè)能量損耗的過(guò)程，溫度在加工過(guò)程中會(huì)上升。溫度變化主要會(huì)影響到反應(yīng)速度，但是，如果加工表面溫度發(fā)生急劇變化，同樣也會(huì)影響到晶片的機(jī)械性能［16］。另外，H.J.Kimt等［17］發(fā)現(xiàn)溫度使拋光液的pH值改變，溫度升高，拋光液的pH值會(huì)降低，還發(fā)現(xiàn)它對(duì)拋光顆粒尺寸分布有較大的影響。Wei Ye等［18］在此基礎(chǔ)上考慮到拋光墊的粗糙度影響，對(duì)CMP中溫度的上升進(jìn)行了計(jì)算仿真。

2.3.6轉(zhuǎn)速的影響

雖然增加拋光轉(zhuǎn)速，可以提高拋光速率，但如果轉(zhuǎn)速過(guò)高，不易使拋光液均勻地分布在拋光墊上，且使機(jī)械作用過(guò)強(qiáng)，造成表面損傷層增大。轉(zhuǎn)速過(guò)慢，則機(jī)械作用變?nèi)?，化學(xué)反應(yīng)速率大于機(jī)械去除產(chǎn)物速率，拋光效率較低。

2.4CMP技術(shù)研究存在的問(wèn)題

盡管CMP技術(shù)發(fā)展迅速，但CMP仍然存在很多未解決的問(wèn)題，CMP加工過(guò)程的控制仍停留在半經(jīng)驗(yàn)階段，難以保證表面的更高精度和平整度加工要求，CMP工藝的復(fù)雜性、影響因素的多樣性增加了問(wèn)題的研究難度。目前對(duì)CMP材料去除機(jī)理、CMP過(guò)程變量影響規(guī)律、CMP工藝方面的實(shí)際問(wèn)題等還沒(méi)有完全弄清楚。CMP加工性能的進(jìn)一步提高有賴于這些基本規(guī)律及工藝問(wèn)題的有效解決，歸納起來(lái)，主要問(wèn)題如下：

（1）目前基于原子尺寸的CMP模型都是從定性角度出發(fā)的，實(shí)際工藝流程下的CMP標(biāo)準(zhǔn)模型還沒(méi)有建立。盡管通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了如拋光盤(pán)硬度、顆粒尺寸分布等初始參數(shù)對(duì)拋光的影響，但仍需進(jìn)一步細(xì)化。（2）目前的原子尺寸模型是基于兩體研磨，對(duì)低k材料的CMP需考慮三體磨損。對(duì)集成度較高的芯片拋光，為保證拋光時(shí)間計(jì)算的精確性，須建立一個(gè)基于黏彈性的模型。（3）隨著低k材料的廣泛應(yīng)用，CMP模型應(yīng)基于計(jì)算流體動(dòng)力（Navier Stokes方程，拋光盤(pán)的黏彈性行為）和經(jīng)驗(yàn)方法（彎曲度和壓縮的計(jì)算）。（4）結(jié)合理論計(jì)算并運(yùn)用電學(xué)、光學(xué)、溫度等傳感器及其它檢測(cè)設(shè)備對(duì)工藝線上的CMP進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的在線檢測(cè)。（5）材料去除的機(jī)制是機(jī)械還是化學(xué)作用占主導(dǎo)需要針對(duì)不同材料進(jìn)行更深入的研究。（6）從模擬的觀點(diǎn)來(lái)看，研究拋光液的流動(dòng)是很困難的，但它是必須考慮的一個(gè)重要因素。

2.5CMP發(fā)展趨勢(shì)

近幾年來(lái)，CMP技術(shù)作為幾乎唯一的可以達(dá)到全局平坦化的表面加工技術(shù)，在芯片制造業(yè)中取得了迅速發(fā)展。與其他制造工藝相比，CMP是一種比較新的技術(shù)。但這個(gè)新興技術(shù)的出現(xiàn)始終伴隨著生產(chǎn)效率低、材料去除率隨拋光時(shí)間變化無(wú)法恒定、芯片表面的不一致性、高的缺陷率等缺點(diǎn)，針對(duì)這些問(wèn)題提出以下展望：

（1）雖然對(duì)于CMP的機(jī)理研究已經(jīng)有了大量豐富的研究成果，但由于CMP過(guò)程影響因素過(guò)多而導(dǎo)致的復(fù)雜性，CMP過(guò)程的機(jī)理研究大多只是局限于某一個(gè)側(cè)面，所得出的結(jié)論定性的多、定量的少。這些結(jié)果并不能給予優(yōu)化的指導(dǎo)。目前，CMP工藝最急需的是一種基于CMP過(guò)程機(jī)理全面、合理分析理解基礎(chǔ)上的，能夠解釋大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)模型，能夠用于指導(dǎo)CMP工藝過(guò)程的優(yōu)化。因此，CMP技術(shù)遇到的最大挑戰(zhàn)是需建立一個(gè)更全面的物理模型，從理論上指導(dǎo)CMP加工參數(shù)的優(yōu)化，建立起更為可靠的、高效的CMP過(guò)程。（2）為滿足超大規(guī)模集成電路向高集成度、多層立體結(jié)構(gòu)發(fā)展的需求，相應(yīng)的CMP漿料及機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。應(yīng)從溶膠型SiO2和其他新的磨料粒子；可溶性有機(jī)堿的絡(luò)合和緩沖特性，如何避免堿金屬離子的玷污，如何保持拋光漿液的穩(wěn)定性等方面，加強(qiáng)對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液的開(kāi)發(fā)，滿足化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)和工藝的要求。

（3）采用軟質(zhì)拋光墊，同時(shí)采用軟質(zhì)微細(xì)拋光粉，甚至比工件還要軟的磨料，結(jié)合化學(xué)作用促進(jìn)表面的界面化學(xué)反應(yīng)，提高拋光速率和表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)材料的原子級(jí)去除且不損傷材料本體表面，獲得表面變質(zhì)層和表面粗糙度極小的優(yōu)質(zhì)表面。

3　結(jié)束語(yǔ)

隨著第三代半導(dǎo)體的不斷發(fā)展，基于GaN的光學(xué)部件和電子產(chǎn)品要求也在不斷地提高，GaN晶片拋光變得越來(lái)越重要。拋光片作為外延的最佳襯底，也隨之成為研究熱點(diǎn)，未來(lái)GaN會(huì)向大尺寸、更低缺陷水平方向發(fā)展。十余年來(lái)，作為唯一的可以達(dá)到全局平面化的表面精加工技術(shù)，CMP技術(shù)的應(yīng)用取得了迅速發(fā)展，盡管CMP技術(shù)發(fā)展的速度很快，但目前對(duì)CMP技術(shù)的了解還處于定性的階段，需要解決的理論及技術(shù)問(wèn)題還很多。如人們對(duì)諸如拋光參數(shù)（壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等）對(duì)平面度的影響、拋光墊-漿料-晶片之間的相互作用、漿料化學(xué)性質(zhì)（pH值、顆粒度等）對(duì)各種CMP參數(shù)的影響及其機(jī)理了解仍然甚少，因而定量確定最佳CMP工藝、系統(tǒng)地研究CMP工藝過(guò)程參數(shù)以及建立完善的CMP理論模型，從而滿足各種超大型集成電路生產(chǎn)對(duì)CMP工藝的不斷要求，是研究CMP技術(shù)的重大課題?？傊岣甙雽?dǎo)體器件制造效率、降低制造成本、保證質(zhì)量和性能一直是半導(dǎo)體領(lǐng)域追求的目標(biāo)，對(duì)CMP技術(shù)的探索和研究將會(huì)永無(wú)止境。

［1］李忠心，魏芹芹，楊利，等.氮化鎵薄膜的研究進(jìn)展［J］.微細(xì)加工技術(shù).2003（4）：39-43.

［2］雷通，王小平，王麗軍，等.第三代半導(dǎo)體材料在LED產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展和應(yīng)用［J］.材料導(dǎo)報(bào).2009，23（1）：7-11.

［3］Hanser D，Liu L，Preble E A，et al.Fabrication and char-acterizationof native non-polar GaN substrates［J］.Journal of Crystal Growth，2008，310：3953-3956.

［4］肖翔，戴玉堂，陳賽華，等.基于157 nm激光的GaN外延片激光拋光和劃片工藝研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù).2012，31（10）：1588-1591.

［5］H Asano，S Sasakuni，K Yagi，et al.Rapid planarization method by ultraviolet light irradiation for gallium nitride using platinum catalyst［J］.Key Engineering Materials，2012，523-524：46-48.

［6］J Wang，T Wang，G Pan，et al.Mechanism of GaN CMP Based on H2O2Slurry Combined with UV Light［J］.ECS Journal of Solid State Science and Technology，2015，4（3）：112-117.

［7］ArjunanAC，SinghD.Improved free-standing GaN schottky diode characteristics using chemical mechanical polishing［J］.Applied Science，2008，255：3085-3089.

［8］Murata J，Kubota A，Yagi K，et al.Chemical planarization of GaN using hydroxyl radicals generated on a catalyst platein H2O2solution［J］.Journal of Crystal Growth，2008，310：1637-1641.

［9］Kim H M，OH J E，Kang T W.Preparation of large area free standing GaN substrates by HVPE using mechanical polishing liftoff method［J］.Materials Letters，2001，47：276-280.

［10］孫強(qiáng)，吳健，李偉.GaN晶片的CMP加工工藝研究［J］.輕工機(jī)械.2011，29（5）：48-51.

［11］JL Weyher，S Müller，I Grzegory，et al.Chemical polishing of bulk and epitaxial GaN［J］.Journal of Crystal Growth，1997，182（1/2）：17-22.

［12］Taver Nier PR，Mar Galith T，Coldren L A，et al.Chemical mechanical polishing of gallium nitride［J］.Electrochemical and Solid-StateLetters，2002，5（8）：G61.

［13］Aida H，Takeda H，Koyama K，et al.Chemical mechanical polishing of gallium nitride［J］.Journal of the Electrochemical Society，2011，158（12）：1206-1212.

［14］應(yīng)磊瑩，劉文杰，張江勇，等.激光剝離GaN表面的拋光技術(shù)［J］.半導(dǎo)體制造技術(shù).2014，39（10）：758-762.

［15］顏懷躍，修向前，劉戰(zhàn)輝，等.Chemical mechanical polishing of freestanding GaN substrates［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2009，30（2）：023003.

［16］樓飛燕.CMP中拋光液膜特性的數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

［17］Kim H J，Kim H Y，Jeong H D，et al.Skin friction and thermal phenomena in chemical mechanical polishing［J］. Journal of Materials Processing Technology，2002，130/ 131：334-338.

［18］Ye W，Zhang C H.Calculation on temperature rise of CMP process：roughness effects considered［C］.The 5thInternational Conference on Physical and Numerical Simulation of Materials Processing，Zhengzhou，China，2007.

Situation and Development Tendency of CMP for GaN Chip

XIONG Peng，WANG Zheng，CHEN Wei，SHI Xiao，YANG Shi
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 101601，China）

The development of CMP technology for GaN chip is described.The progress and problems of CMP for GaN chip are reviewed in this paper.The theory of CMP for GaN chip and the influence of technical parameters are discussed，then the future prospect of CMP is outlined.

GaN chip；CMP（Chemical mechanical planarization）；Process

TN305.2

A

1004-4507（2016）01-0010-05

2015-12-30