等离子体抛光在消除SiC基底亚表面损伤，同时提高晶体质量的案例分享

牛津仪器

2024.1.10

作者牛津仪器

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三种开创性的计量技术证实，等离子体抛光生产工艺能够消除SiC基底中的亚表面损伤，同时提高晶体质量。

作者：格兰特·鲍德温（Grant Baldwin）和詹姆斯·萨格尔（James Sagar），牛津仪器

早在 2022 年 9 月于达沃斯举行的国际碳化硅及相关材料会议 (ICSCRM) 上，牛津仪器就推出了等离子体抛光工艺。这种基于等离子体体的替代工艺最初被认为是化学机械抛光（CMP）的替代或补充工艺，目前已引起领先的基板制造商和垂直整合设备制造商的极大关注。根据全晶圆电气测量和成品率结果（见图 1），在加工二极管和 MOSFET 过程中经过等离子体抛光的晶圆性能与行业标准 CMP 相当。

图1. 等离子体体抛光在全片器件测试中实现了高产率。

非接触式干式等离子体抛光工艺有几个主要优点，包括成本较低、减少对环境的影响以及能够去除表层下的损伤。

等离子体抛光所需的耗材非常有限，并且不产生有毒浆料，从而使操作成本降低高达85％，这是由于去除了这些工艺要求及其相关成本。没有浆料的存在还意味着没有处理问题，同时消除了通常与CMP相关的大量水的使用，使等离子体抛光更加环保。等离子体抛光使用行业标准的无毒工艺气体，使其在生产设施中的安装变得顺利。

第三个好处，即亚表面损伤的去除，是等离子体抛光的独特之处。这一巨大的优势在下文有更详细地讨论，而且无需对上游或下游工艺进行任何更改。

评估晶体质量

最初，我们构想等离子体抛光作为一种为后续外延层生长准备SiC基底的技术。然而，在进行了大量市场参与，包括对客户材料的演示之后，越来越多的机会正在出现，等离子体抛光成为解决表面和亚表面损伤问题的解决方案。

在今年在意大利索伦托举行的ICSCRM上，我们展示的数据证实了等离子体抛光可以去除亚表面损伤。为了证明这一点，我们利用我们业务多个部分的专业知识，开发了突破性的表征技术。我们对等离子体抛光去除亚表面损伤能力的验证来自于三种计量和晶体分析技术：接触共振原子力显微镜（AFM）、电子背散射衍射（即EBSD，一种基于电子显微镜的分析工具）、以及拉曼显微镜。

在深入探讨这些技术提供的见解之前，我们将简要解释等离子体抛光的工作原理及其作用。这是一种利用物理和化学机制来访问和去除亚表面损伤的技术，其效果的程度取决于室的设计、配置和工艺配方。晶圆在一个低压、受无线电频率偏置的晶圆台上，在反应器室中进行处理，从而使化学反应性的等离子体气体加速到晶圆表面。由于任何受损或有缺陷的晶体本质上都是弱键合的，这种独特形式的等离子体刻蚀能够比质量良好、键合强的晶体更快地去除劣质材料。因此，经过等离子体抛光后，剩下的是具有优异晶体学性质的更高质量材料。与之形成鲜明对比的是，尽管CMP提供了平坦化效果，但它未能以比质量良好的晶体更高的速率去除受损材料。

为了评估等离子体抛光处理的SiC的晶体质量，我们采用了一种称为接触谐振的原子力显微镜变体。通过这种技术，我们使用悬挂式的触针映射样品表面，同时测量谐振频率。通过这样的手段，我们可以获得一个以材料刚度为函数的晶体质量的度量，高频率处的尖锐峰值相当于更高的质量。

我们使用接触谐振原子力显微镜来比较未经处理的初始材料和经过等离子体抛光处理的材料的晶体质量。未经处理的初始材料在最低平均频率处有一个非常宽的峰值，表明其既没有良好的晶体质量，也没有均匀性（见图2中的红色曲线）。

图2. 采用牛津仪器的接触谐振原子力显微镜对化学机械抛光基板的四个未经处理的点（蓝色）和等离子体体抛光基板的四个点（绿色）进行了观测。

为了比较经过CMP和等离子体抛光处理的SiC，我们对每个晶圆进行了四次测量：一次使用CMP处理（蓝色），一次使用等离子体抛光处理（绿色）。由于蓝色峰比红色峰更窄，我们得出CMP相比初始基底产生了质量改善的结论。然而，这四个蓝色峰的频率明显不同，表明存在变化。与此同时，四个狭窄的绿色峰有显著的重叠，表明等离子体抛光改善了晶体质量和均匀性。

我们采用的第二种技术是电子背散射衍射，用于表征晶体结晶度和类型，深度可达几十纳米。通过这种衍射形式，我们生成了两幅有趣的图像：每个像素都有一个Kikuchi图案，以及一个图案质量图，显示了每个像素的图案质量。

对于Kikuchi图案，其质量由衍射图案的清晰度来定义。如果图案清晰，这表明晶体结构一致性高；而如果图案模糊或朦胧，这表明结构一致性差或者存在多种SiC多型。当使用电子背散射衍射时，一个无特征的、颜色明亮的图案质量图表示一个高质量、均匀的表面。

当使用扫描电子显微镜（SEM）检查预刻蚀样品和经过等离子体抛光处理的样品时，我们获得的图像实际上非常相似，主要显示地形（见图3）。这表明需要具有更多结构特异性的计量技术，以提供对亚表面发生的情况更深入的洞察。电子背散射衍射满足这一要求，提供了对亚表面晶体一致性和多型纯度的真实评估。使用这种技术研究预刻蚀样品可以产生一个带有与受损或无定形晶体相关的暗线的图案质量图。一旦应用了等离子体抛光，电子背散射衍射创建一个无特征的图案质量图，表明晶体一致性和纯度得到了改善。Kikuchi图案更加清晰且质量更高，这要归功于等离子体抛光去除了受损材料。

图3. 前等离子体抛光和后等离子体抛光刻蚀的电子背散射衍射（EBSD）图像。

牛津仪器多腔生产集群

拉曼显微镜是我们用来评估晶体质量的第三种也是最后一种SiC基片表征技术。这种显微镜对局部化学键非常敏感，可以穿透到约2毫米的深度，从而使我们能够从晶体更深处收集信息。通过比较光谱中特定的拉曼峰，我们能够评估有序和无序的类型。这是通过确定两个峰的强度比来完成的：一个峰对应SiC的4H多型，另一个峰对应无序的Si-C。

我们在获取整个SiC晶圆的拉曼光谱后制作了测得的峰值比的直方图（见图4，其中红色和绿色条形分别表示未刻蚀和等离子体抛光晶圆的测量）。绿色峰比其红色对应物更窄，且更接近零的理想比例。基于这些观察结果，我们可以得出等离子体抛光导致晶体更均匀、4H SiC浓度更高的结论，而这是器件生产的关键多型。

额外的机遇

除了替代CMP，等离子体抛光在提供极低运营成本的同时，还可以与之并存，无毒的消耗品使用或处理，以及证明了消除衬底表面损伤并提高晶体质量的能力。

成功将150mm工艺转移到200 mm晶圆

因此，考虑到所有这些优点，这种先进的SiC衬底用于外延生长的解决方案如何推进呢？对于传统的湿抛光过程可能不可行或至少不是最佳的情况下，干式Plasma Polish有无限的应用可能。例如，Plasma Polish可以矫正衬底弯曲，通过将湿清洁替换为干抛光来优化器件工艺集成，回收衬底，对于高电压器件的较厚外延层保持晶体质量，通过集成自动终点工艺控制改善重复性以及实现更薄的衬底 - 请注意，所有这些机会都同样适用于150mm和200mm的材料，这得益于我们工艺的固有可扩展性。

我们的等离子体抛光技术是宽谱功率器件生产商强大产品组合的一部分。对于高端GaN器件制造商，我们拥有已建立的市场领先的原子层刻蚀能力，可解决浅刻蚀、表面平整和缺陷减少等问题。现在，人们对将这项技术应用于解决SiC功率器件制造特定问题表现出了极大的兴趣。对于GaN MISHEMTs，我们提供具有Etchpoint技术的原子层刻蚀，与LayTec AG合作。这项技术安装在日本关键的GaN器件制造商处，能够实现对部分AlGaN凹槽的刻蚀，其关键目标深度精度达到了卓越的±0.5纳米，用于下一代E模式器件功能。

我们的另一生产解决方案是用于GaN HEMT制造。这项生产合格的技术提供高刻蚀速率，并可重复地通过Etchpoint自动切换到原子层刻蚀软着陆，以保护器件关键的底层。此外，我们提供高质量的GaN原子层沉积工艺，采用界面优化预处理，以减少和去除本征氧化物，并填充氮气空位。这一工艺在日本和美国领先的器件制造商中已经过资格认证并大量生产。