從第一代到第四代，半導體材料CMP拋光中磨料的變遷

發布時間 | 2024-08-12 11:55 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 1177

磨料金剛石碳化硅氧化硅氧化鋁

導讀：各代半導體材料的CMP拋光磨料隨著材料的進步而不斷演變。每一代磨料的選擇和技術改進不僅推動了半導體制造工藝的發展，也為新材料的應用提供了強有力的支持。

半導體制造工藝的發展歷程中，化學機械拋光(CMP)技術作為關鍵工序之一，起到了至關重要的作用。從第一代到第四代半導體材料，CMP拋光中的磨料也經歷了顯著的變遷。這些磨料不僅直接影響了拋光效果，還對晶圓的表面質量、生產效率產生了極大的影響。下面就一起梳理一下各代半導體材料中使用的CMP拋光磨料吧。

CMP拋光

半導體材料的發展

半導體材料的發展歷程，主要可分為四代：

①以硅(Si)、鍺(Ge)等元素材料為代表的第一代半導體

②以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等化合物半導體材料為代表的第二代半導體

③以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導體材料為代表的第三代半導體

④以金剛石、氧化鎵(Ga₂O₃)等超寬禁帶半導體材料為代表的第四代半導體。

這些半導體材料憑借各自的特色，在不同的應用領域中大放異彩。同時也因各自的性質，在CMP拋光工序上所使用的拋光液有所不同。

1、第一代半導體材料

第一代半導體的主要材料是“硅（Si）”。硅材料的純度高、成本低、穩定性好，使其成為半導體產業的核心材料。硅晶圓的制造技術和集成電路的發展相輔相成，推動了電子產業的迅猛發展。典型應用有二極管、晶體管、集成電路等。

硅晶圓

在第一代半導體材料的CMP拋光中，最常用的磨料是氧化鋁(Al₂O₃)和二氧化硅(SiO₂)。這些磨料具有良好的化學穩定性和適當的硬度，能夠有效地進行材料去除，同時保持表面質量。高硬度的氧化鋁能夠提供較快的去除率，但易引起表面劃痕。而SiO₂盡管去除率較低，但能夠提供更高的表面光潔度。就拋光效果而言，混合磨料和復合磨料明顯優于單一 SiO₂磨料。另外，若將兩種粒徑的SiO₂磨料混合可以提高Si的去除效率。

2、第二代半導體材料

第二代半導體材料主要包括砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)。這些材料因其有更大的禁帶寬度及電子遷移率等優點，分別在高頻和高功率應用以及光纖通信、紅外探測等領域受到重視。

InP襯底

由于GaAs材料硬度低（莫氏硬度為4.5）、脆性大、易解理，目前國際上在GaAs晶片CMP中普遍使用的是SiO₂磨料，CeO₂磨料也能取得不錯的效果。二者也可以復合使用，隆仁偉等人采用浸漬工藝成功制備出SiO₂為核心、CeO₂為外殼的包覆型復合磨料，并對GaAs進行了拋光，最終獲得了粗糙度為亞納米量級的超光滑表面，且拋光速率可達1264nm/min。

至于磷化銦（InP），它因其本身硬度低、具有毒性等缺點導致加工難度大，主要使用的也是SiO₂磨料。且磨料濃度越大，粒徑越小，去除率越大，又因為SiO₂磨料會與InP發生一定的化學反應，導致使用SiO₂磨料獲得的去除率高于使用硬度更大的Al₂O₃磨料獲得的。

3、第三代半導體材料

第三代半導體材料如氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）以其寬禁帶特性和優異的耐高壓性能，在高功率和高頻應用中發揮了重要作用。這些材料的CMP拋光需求也相應提高，對磨料的要求更為嚴格。

碳化硅襯底

如SiC因本身硬度大、脆性大、化學惰性強等特點，難以同時保證高拋光質量和高拋光速率，是典型的難加工材料。其CMP加工中可使用的磨料有SiO₂、CeO₂、Al₂O₃、金剛石等。有研究認為，由于CeO₂顆粒具有化學齒性能，能和氧化物層之間可以形成Si-O-Ce鍵，因此相比SiO₂可以得到更高的去除率。目前相關研究方向以混合磨料和復合磨料為主，如SiO₂改性金剛石磨料、納米金剛石(ND)/TiO₂、Al₂O₃混合ZrO₂磨料等。

GaN方面，由于GaN襯底上外延的GaN層表現出優于異質襯底上外延的GaN層的電子特性，因此迫切需要GaN具有原子級光滑且無損傷的表面。為了達到這樣的精度，復合磨料的研發受到重視，如Al₂O₃和硅溶膠兩種磨料的兩步拋光，膠體SiO₂和ND混合，CNT-Al₂O₃復合磨料，TiO₂/ZrO₂軟硬混合磨料等。

CMP后GaN表面的AFM圖像

4、第四代半導體材料

作為半導體領域未來的發展方向，金剛石、Ga₂O₃等第四代半導體材料因其獨特的性能和更大的應用潛力而具有重要的戰略意義。

金剛石襯底

在金剛石器件的應用中，要求金剛石具有納米級的表面精度，又因金剛石的極端硬度要求，最常使用的磨料就是金剛石微粉磨料和Al₂O₃磨料。此外也可以使用一些輔助手段協助拋光，如光催化反應和金剛石磨料的聯合作用可顯著提高單晶金剛石的去除率。

Ga₂O₃高質量的表面加工是其應用過程中必不可少的步驟。但要避免其拋光過程中出現微裂紋、劃痕等表面缺陷。2020年，C.J.Huang等人研究了鋒利磨料和鈍化磨料對Ga₂O₃的拋光效果，分析了拋光過程中不同形狀磨料的材料去除機理，其SEM圖像如下圖所示。實驗結果表明，鈍化磨料更適合用于Ga₂O₃的拋光，如硅溶膠拋光液。

鋒利磨料和鈍化磨料的SEM 圖像