李穆朗

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

提高10.16,cm砷化鎵晶片單面精拋表面質(zhì)量的工藝研究

李穆朗

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

在半導(dǎo)體制造工藝中，要獲得一個(gè)平滑、光亮、無(wú)損傷層的表面，需要對(duì)半導(dǎo)體晶片進(jìn)行表面精拋。國(guó)際上主要采用化學(xué)機(jī)械混合同時(shí)拋光，獲得的晶片表面平整、光潔度好、機(jī)械損傷小。目前砷化鎵材料的拋光液配方較多，但工藝條件比較嚴(yán)格，拋光結(jié)果并不理想。從拋光轉(zhuǎn)速、拋光壓力、拋光液 3方面進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論，最終得到了一種穩(wěn)定、重復(fù)性好的10.16,cm砷化鎵單面精拋工藝。

砷化鎵 表面 化學(xué)機(jī)械拋光 異質(zhì)層 活性拋光液 磨粒 接觸力

0 引 言

在半導(dǎo)體制造工藝中，要獲得一個(gè)平滑、光亮、無(wú)損傷層的表面，需要對(duì)半導(dǎo)體晶片進(jìn)行表面精拋。國(guó)際上主要采用化學(xué)機(jī)械混合同時(shí)拋光，得到的晶片表面平整、光潔度好、機(jī)械損傷小。這是一種表面光整工藝過程，是化學(xué)腐蝕和自由磨粒拋光作用的混合，是化學(xué)腐蝕和機(jī)械摩擦作用的結(jié)合。[1]圖 1是砷化鎵拋光片化學(xué)機(jī)械拋光工藝示意圖。據(jù)報(bào)道，目前砷化鎵材料的拋光液配方較多，但工藝條件比較嚴(yán)格，而拋光結(jié)果并不理想。

針對(duì)以上問題，筆者從 2013年開始了 10.16,cm砷化鎵晶片單面精拋的研究，以獲得一種滿意的精拋新工藝。經(jīng)過兩年的試用，證明精拋工藝穩(wěn)定、重復(fù)性好、工藝條件寬松，可獲得無(wú)損傷表面。

圖1 化學(xué)機(jī)械拋光示意圖Fig.1 Schematic of chemical mechanical polishing

1 試驗(yàn)條件及設(shè)計(jì)

在實(shí)際運(yùn)行過程中，影響化學(xué)機(jī)械拋光的因素有很多，如：拋光設(shè)備、拋光速度、拋光壓力、拋光布、拋光液、施液方式、溫/濕度等。[2-4]根據(jù)筆者所在單位已有設(shè)備及環(huán)境條件，試驗(yàn)主要針對(duì)拋光盤轉(zhuǎn)速、拋光壓力、拋光液類型/流量3方面開展。

①拋光設(shè)備選取815拋光機(jī)；②精拋布為海倫精拋布(黑色)；③根據(jù)已有的 5.08,cm砷化鎵單面拋光工藝，精拋轉(zhuǎn)速的基本調(diào)整范圍為 65～75,rpm/min；④上盤壓力調(diào)節(jié)范圍為 35～45,kg；⑤精拋液為進(jìn)口NALCO2360拋光液(粒徑較大)，精拋粉為自制(粒徑較小)；⑥試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種施液方式，單孔垂直施液(見圖 1)，多孔水平施液(見圖 2)。流量調(diào)節(jié)范圍為450～550,mL/min。

圖2 多孔垂直施液示意圖Fig.2 Schematic of porous vertical fluid

2 試驗(yàn)過程

表1 為精拋試驗(yàn)主要參數(shù)。

表1 精拋試驗(yàn)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of precision polishing

3 試驗(yàn)結(jié)果

表2 為精拋試驗(yàn)燈檢結(jié)果。

表2 精拋試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Inspection resuls of precision polishing

第4組 A項(xiàng)：晶片邊緣異質(zhì)層殘留，局部劃線；B項(xiàng)：局部異質(zhì)層殘留；C項(xiàng)：淺劃線第5組 A項(xiàng)：表面質(zhì)量良好；B項(xiàng)：邊緣損傷；C項(xiàng)：劃線，損傷

表3 為精拋片表面粗糙度測(cè)試結(jié)果。

表3 精拋片表面粗糙度Tab.3 Surface roughness of precision polishing

4 分析與討論

試驗(yàn)主要研究產(chǎn)品為10.16,cm砷化鎵單面拋光片。根據(jù)化學(xué)機(jī)械拋光的主要機(jī)理，砷化鎵(GaAs)晶片化學(xué)機(jī)械拋光是氧化表面層、氧化層機(jī)械及化學(xué)去除3個(gè)過程的平衡統(tǒng)一，主要過程如下：

4.1 原理分析

首先，把拋光液中的活性部分作為精拋的準(zhǔn)備工作，拋光轉(zhuǎn)速和壓力為精拋中的表面去除提供動(dòng)力，拋光液中的磨粒作為精拋中去除的主要介質(zhì)。[5]拋光開始時(shí)，拋光液首先和晶片表面接觸，其中活性部分的化學(xué)增壓活化作用在砷化鎵晶片表面生成一層化學(xué)反應(yīng)物，而拋光液中的磨粒在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下與拋光片產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在拋光壓力的作用下，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度被加大，使磨粒在與拋光片表面上的高點(diǎn)進(jìn)行局部接觸時(shí)高速摩擦，產(chǎn)生高溫高壓，致使拋光液在這些接觸點(diǎn)與拋光片表面發(fā)生反應(yīng)，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)物。這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)物呈薄膜狀態(tài)，非常容易被磨粒去除。磨粒在一定的壓力作用下以一定的速度嵌入或接觸拋光片表面并滑移，在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生瞬時(shí)高溫高壓，可形成不同的晶體結(jié)構(gòu)。高溫使晶片材料表層的原子活動(dòng)更加劇烈，晶格中的空位增加；高壓使晶片表層的原子和磨粒原子相互作用進(jìn)一步加強(qiáng)，形成一定數(shù)量的在原子鍵鍵合作用下的雜質(zhì)原子。這些雜質(zhì)原子與晶片表層的相鄰原子也能夠建立起原子鍵，使工件表面的相鄰原子與其他原子相比處于不同的狀態(tài)，晶格被破壞，形成雜質(zhì)點(diǎn)缺陷。當(dāng)磨粒再次經(jīng)過這些點(diǎn)缺陷時(shí)，將雜質(zhì)原子與相鄰原子一同從晶片表面移除。當(dāng)拋光界面上的接觸力大于砷化鎵晶片的彈性極限值時(shí)，則產(chǎn)生表面形變，使磨粒在缺陷層下的拋光表面留下劃痕，當(dāng)接觸力不足時(shí)，拋光磨粒與晶片表面異質(zhì)層的機(jī)械摩擦不足，導(dǎo)致異質(zhì)層的不完全去除。接觸力可以通過公式計(jì)算獲得：

式中，F(xiàn)P為作用在磨粒上的力；P為拋光壓力；R為磨粒粒徑；K為填充系數(shù)。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 第1組結(jié)果分析

A項(xiàng)由于活性拋光液與拋光片表面接觸不足，依然有部分粗拋面存在拋光不均勻現(xiàn)象；在 B項(xiàng)增大施液量后，表面出現(xiàn)的藥液殘留覆蓋在晶片表面，無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)，說明流量過大，活性拋光液作用過強(qiáng)，晶片表面的異質(zhì)層太厚沒有去除干凈，需增強(qiáng)機(jī)械去除力；C項(xiàng)增加5,kg拋光壓力后有明顯改善，雖然有足夠的機(jī)械剪除力，但是晶片表面由于轉(zhuǎn)速不足，導(dǎo)致拋光片單位面積在單位時(shí)間內(nèi)接觸的磨粒數(shù)量不足，使晶片面型粗糙，產(chǎn)生ND。

4.2.2 第2組結(jié)果分析

在A項(xiàng)提高轉(zhuǎn)速，減小拋光壓力后，單位面積接觸的磨粒數(shù)量增加，雖然 ND減少，但并未完安全消除，機(jī)械剪除力依然不足；在B項(xiàng)同時(shí)提高轉(zhuǎn)速和拋光壓力以加強(qiáng)機(jī)械作用，結(jié)果如圖 3所示，晶片表面出現(xiàn)“犁溝”狀缺陷，即長(zhǎng)劃線，說明接觸力過大，磨粒的去除作用穿透了異質(zhì)層，在晶片表面造成了損傷；C項(xiàng)，試驗(yàn)希望加大拋光液流量以加強(qiáng)活性拋光液的化學(xué)作用，增加異質(zhì)層厚度，但結(jié)果說明流量過大，化學(xué)作用速率過快，機(jī)械去除無(wú)法及時(shí)將其消除。

4.2.3 第3組結(jié)果分析

根據(jù)第2組A項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，在A項(xiàng)增加5,kg壓力，以增加拋光壓力的方式增大磨粒的接觸力，提高機(jī)械剪除力，ND消失，燈檢未合格，但如圖4所示，拋光片表面粗糙度較大，測(cè)試為3,732,?；B項(xiàng)繼續(xù)增加拋光壓力，希望通過增強(qiáng)機(jī)械剪除力降低表面粗糙度，檢驗(yàn)結(jié)果顯示表面無(wú)變化；C項(xiàng)拋光壓力增至50,kg，晶片表面出現(xiàn)長(zhǎng)劃線，拋光界面上的接觸力大于砷化鎵晶片的彈性極限值時(shí)，晶片表面形變，磨粒透過異質(zhì)層在拋光面上留下了損傷。

圖3 第2組B項(xiàng)試驗(yàn)Fig.3 Item B of the second group

圖4 第3組A項(xiàng)試驗(yàn)Fig.4 Item A of the third group

4.2.4 第4組結(jié)果分析

A項(xiàng)，用粒徑較小的精拋粉水溶液代替 2360硅溶膠后，平均表面粗糙度為 1,925,?，降低約1,300,?。但表面燈檢結(jié)果相互沖突，異質(zhì)層殘留主要是機(jī)械去除作用不足，但劃線卻是由機(jī)械作用過強(qiáng)造成的，初步推測(cè)原因有兩點(diǎn)：①精拋液中磨粒聚集，分布不勻，導(dǎo)致局部去除作用過強(qiáng)；②施液方式過于集中，使活性拋光液在最接近出液口的晶片邊緣產(chǎn)生較多的異質(zhì)層。B項(xiàng)，按比例配制精拋液后，用混料機(jī)搖液 1,h，打散拋光液中聚集的磨粒，局部劃線消失，局部異質(zhì)層依然存在；C項(xiàng)，在 B項(xiàng)的試驗(yàn)基礎(chǔ)上變更施液方式為多孔水平施液，使活性拋光液的化學(xué)作用分布更均勻，邊緣異質(zhì)殘留消失，結(jié)果中出現(xiàn)如圖 5所示的淺劃線，主要是由于轉(zhuǎn)速過快，使單位面積內(nèi)接觸的磨粒過多。

4.2.5 第5組結(jié)果分析

A項(xiàng)，參考第4組C項(xiàng)，降低拋光轉(zhuǎn)速后得到的表面質(zhì)量良好，粗糙度經(jīng)測(cè)試為 1,852,?，拋光面如圖6所示；B項(xiàng)、C項(xiàng)為輔助試驗(yàn)，在此不做贅述。

圖5 第4組C項(xiàng)試驗(yàn)Fig.5 Item C of the fourth group

圖6 第5組A項(xiàng)試驗(yàn)Fig.6 Item A of the fifth group

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，可以初步確認(rèn)第 5組 A項(xiàng)試驗(yàn)的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)是最理想的。經(jīng)過兩年的應(yīng)用，并結(jié)合客戶的使用反饋，也證明該工藝拋光質(zhì)量高，可以獲得平均粗糙度為 1,750,?的拋光鏡面，且工藝穩(wěn)定、重復(fù)性好，相對(duì)目前國(guó)內(nèi)眾多砷化鎵精拋工藝有很大的優(yōu)越性。[6]■

［1］ Zantye P B，Kumar A，Sikder A K. Chemical mechanical planarization for microelectronics applications [J]. Materials Science and Engineering，2004，45(3-6)：89-220.

［2］ 湯錫松. 二氧化硅拋光片表面質(zhì)量分析中的一點(diǎn)體會(huì)[J]. 半導(dǎo)體技術(shù)，1980(6)：18-21.

［3］ 董偉. 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2012(7)：93-97.

［4］ 呂玉山，張遼遠(yuǎn)，王軍，等. 拋光墊提高化學(xué)機(jī)械拋光接觸壓強(qiáng)分布均勻性研究[J]. 兵工學(xué)報(bào). 2012，33(5)：617-622.

［5］ 方照蕊，魏昕，楊向東，等. 新型拋光墊溝槽及其在化學(xué)機(jī)械拋光中的作用研究進(jìn)展[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2012，32(2)：77-81.

［6］ 張厥宗. 硅片加工技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：1-28.

On Quality Improvement for Single Side Polishing of the 10.16 cm AsGa Wafer Surface

LI Mulang
(No.46 Research Institute of China Electronic Group Corporation，Tianjin 300220，China)

In the semiconductor manufacturing process, to get a smooth and shiny layer surface without damage, wafer surface needs to be polished. According to international practices, semiconductor wafer fine buffing mainly adopts a combined chemical and mechanical polishing process, which brings smooth surface, good polish degree and small mechanical damage. It is reported that there are lots of AsGa materials polishing solution formulas, but restricted by strict processing conditions, the polishing result is not ideal. Experiments were designed and carried out from the aspects of polishing speed, polishing pressure and polishing fluid flow and the results were discussed. Finally, a single side precision polishing process for 10.16 cm AsGa wafers, featuring stableness and good repeatability, was obtained.

AsGa；surface；chemical mechanical polishing；heterogeneous layer；active polishing liquid；abrasive paricle；contact force

G312

A

1006-8945(2016)02-0025-04

2016-01-11