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引言
III―V族的化合物半導(dǎo)體GaAs，與Si半導(dǎo)體相比，如果能利用快6倍的電子移動(dòng)度和少的配線容量，就有利于高速化，由于是單純的晶體管的構(gòu)造，高集成化元件也是合適的。根據(jù)這樣的特征，GaAs在超高速演算元件，半導(dǎo)體激光，通信領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。以Si晶圓為代表，用于器件平坦化的CMP被積極地研究。但是，GaAs晶圓的CMP與其重要性相比，研究并不多。這是因?yàn)镚aAs晶圓的直徑還很小，使用量也不如Si，即使是現(xiàn)有的漿料也能滿足CMP特性的要求。
目前，III-V族化合物半導(dǎo)體，特別是GaAs和lnP晶圓的CMP用漿料主要使用次氯酸鈉（NaOCl）作為蝕刻劑，其鏡面加工的機(jī)理也在考察中。但是，由于對(duì)環(huán)境問題的應(yīng)對(duì)越來越多，對(duì)開發(fā)新的GaAs超精密拋光用漿料的要求越來越高。本方法的主要目的是開發(fā)對(duì)人體和機(jī)器的工作環(huán)境無害的新的GaAs CMP漿料。
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實(shí)驗(yàn)
本方法中的GaAs晶圓是Si摻雜N―type的（100）方位角。漿料的成分是具有光觸媒用銳鈦礦結(jié)晶狀的TiO2的粉末，過氧化氫使用30%濃度的溶液。為了比較加工特性，使用了GaAs晶圓專用的研磨藥品。研磨實(shí)驗(yàn)全部進(jìn)行了3次。
圖1表示實(shí)驗(yàn)裝置。圖1(a)是一般的CMP裝置的模式圖，(b)是為了調(diào)查本研究中使用的紫外線照射的影響的CMP裝置。在表面板上使用紫外線吸收少的石英，為了將紫外線通過石英直接照射到晶圓面上，在墊上開孔進(jìn)行CMP.GaAs晶圓切成10×10mm2，如圖1(b)所示均等地貼上。其他的研磨條件如表3所示。紫外線照射用波長為365nm的水銀―氙燈進(jìn)行，使用紫外線照射的平均強(qiáng)度為3500mW/cm2的LA―300UV。
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圖1 實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖
首先，我們僅使用通常在半導(dǎo)體領(lǐng)域用作氧化劑的過氧化氫對(duì)GaAs晶圓進(jìn)行了拋光。過氧化氫的濃度使用了30%的溶液。研磨前、研磨30分鐘后以及研磨60分鐘后的表面形狀如圖2所示。從圖2的形狀結(jié)果可以看出，平坦化沒有進(jìn)展，僅用過氧化氫的研磨幾乎沒有進(jìn)行。這樣的結(jié)果，用TiO2―H2O的漿料的研磨也是一樣的。
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結(jié)果和討論
最初，使用TiO2―H2O2的漿料，進(jìn)行了60分鐘的研磨。使過氧化氫的濃度從3%變化到30%。圖3顯示了研磨前的酸的蝕刻面和根據(jù)濃度變化被研磨的晶圓表面的圖像。研磨前的深蝕刻痕隨著研磨時(shí)間和濃度的增加而減少，平坦化正在進(jìn)行。特別是在15%以上的濃度的研磨表面上，蝕刻痕完全消失，被鏡面化。
對(duì)高濃度的過氧化氫漿料拋光的影響進(jìn)行了考察。特別是使用30%的過氧化氫濃度時(shí)，在20分鐘左右由于產(chǎn)生了大量的反應(yīng)氣體，顯示了沸騰狀態(tài)的樣子，容器的溫度也變得相當(dāng)高。因此，測定了研磨中供給的漿料的混合時(shí)間的溫度變化。圖4是測定的溫度變化的曲線。濃度越高，溫度上升的梯度越大，過氧化氫的濃度為30%時(shí)，20分鐘后上升到約97℃。
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圖4 TiO2-H2O2隨時(shí)間的溫度變化
圖6是用15%的過氧化氫和TiO2粉末的泥漿進(jìn)行1小時(shí)的研磨，使用AFM和WYKO進(jìn)行其表面的評(píng)價(jià)的結(jié)果。圖6(a)的表面的觀察領(lǐng)域?yàn)?μm×1μm，Z軸的長度為2nm.AFM的Ra大約為0.1 nm，P―V為1.4 nm.圖6(b)顯示了更大范圍（368μm×240μm）下的結(jié)果。在該WYKO的表面形狀測定中，Ra為0.54 nm.另外，1小時(shí)的平均研磨率為0.29μm/min.該結(jié)果與GaAs晶圓專用的研磨劑的研磨特性進(jìn)行了比較。
首先，通過XPS分析，闡明了紫外線對(duì)過氧化氫的光分解效果對(duì)GaAs表面的影響。將GaAs晶圓浸入濃度分別為3～5%的過氧化氫中，用紫外線照射5分鐘。另一個(gè)樣品在沒有紫外線照射的情況下放置5分鐘。測量了各晶圓表面的Ga3d軌道和As3d軌道的峰值變化，其分析結(jié)果如圖8所示。在沒有紫外線照射的圖8(a)和(b)的情況下，過氧化氫對(duì)晶圓表面的氧化正在進(jìn)行。表面上GaAs，Ga2O3，As2O3以及As2O5峰共存。在Ga3d的軌道的情況下，GaAs以及Ga2O3的峰顯示出大致相同的高度。
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圖8 XPS對(duì)是否只使用過氧化氫進(jìn)行紫外線照射的表面分析
基于這樣的XPS的結(jié)果，對(duì)各個(gè)濃度的研磨效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖9顯示了研磨時(shí)間的研磨量的變化以及誤差。整體上有紫外線照射的圖9(b)比(a)研磨量稍高，相對(duì)于時(shí)間的梯度也變大。特別是濃度為3%的情況下，與10%和15%的濃度相比，研磨量的差更明顯?？梢酝茰y這是因?yàn)闈舛仍礁撸c紫外線的影響相比，漿料的分解反應(yīng)產(chǎn)生的熱的影響越強(qiáng)。另外，根據(jù)本方法的結(jié)果，雖然可以看到紫外線照射的效果若干，但效率與溫度上升產(chǎn)生的效果相比較低。
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總結(jié)
在本方法中，使用新的泥漿系統(tǒng)H2O―TiO2―H2O的泥漿，對(duì)GaAs晶圓表面的研磨的可能性進(jìn)行了考察。（1）測量漿料相對(duì)于過氧化氫濃度的溫度變化，調(diào)查了研磨效率的差。根據(jù)溫度變化，研磨效率有很大的差。特別是過氧化氫濃度為15%的情況下，AFM的Ra大約為0.1 nm.與以往的漿料相比，雖然研磨速率有所下降，但可以得到更好的平滑性。（2）研究了光分解（photolysis）和光催化作用（photocatalysis）在研磨中的應(yīng)用。XPS的分析結(jié)果雖然可以看到紫外線照射的表面氧化狀態(tài)的差別，但是在實(shí)際的研磨中應(yīng)用的結(jié)果，可以看到研磨量的差別很小，而且研磨表面的平滑性沒有差別。這是因?yàn)楣夥纸猱a(chǎn)生的羥基自由基是強(qiáng)力的氧化劑，但是對(duì)GaAs晶圓表面的氧化是否有效果還不明確。