從第一代到第四代，半導(dǎo)體材料CMP拋光中磨料的變遷

發(fā)布時(shí)間 | 2024-08-12 11:55 分類(lèi) | 粉體應(yīng)用技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 1270

磨料金剛石碳化硅氧化硅氧化鋁

導(dǎo)讀：各代半導(dǎo)體材料的CMP拋光磨料隨著材料的進(jìn)步而不斷演變。每一代磨料的選擇和技術(shù)改進(jìn)不僅推動(dòng)了半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，也為新材料的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支持。

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

CMP拋光

半導(dǎo)體材料的發(fā)展

半導(dǎo)體材料的發(fā)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(dǎo)體

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

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

④以金剛石、氧化鎵(Ga₂O₃)等超寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表的第四代半導(dǎo)體。

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

1、第一代半導(dǎo)體材料

第一代半導(dǎo)體的主要材料是“硅（Si）”。硅材料的純度高、成本低、穩(wěn)定性好，使其成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心材料。硅晶圓的制造技術(shù)和集成電路的發(fā)展相輔相成，推動(dòng)了電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。典型應(yīng)用有二極管、晶體管、集成電路等。

硅晶圓

在第一代半導(dǎo)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(xué)穩(wěn)定性和適當(dāng)?shù)挠捕龋軌蛴行У剡M(jìn)行材料去除，同時(shí)保持表面質(zhì)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(fù)合磨料明顯優(yōu)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(dǎo)體材料

第二代半導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)，分別在高頻和高功率應(yīng)用以及光纖通信、紅外探測(cè)等領(lǐng)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(guó)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(cuò)的效果。二者也可以復(fù)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(fù)合磨料，并對(duì)GaAs進(jìn)行了拋光，最終獲得了粗糙度為亞納米量級(jí)的超光滑表面，且拋光速率可達(dá)1264nm/min。

至于磷化銦（InP），它因其本身硬度低、具有毒性等缺點(diǎn)導(dǎo)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?yàn)镾iO₂磨料會(huì)與InP發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)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(dǎo)體材料

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

碳化硅襯底

如SiC因本身硬度大、脆性大、化學(xué)惰性強(qiáng)等特點(diǎn)，難以同時(shí)保證高拋光質(zhì)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(rèn)為，由于CeO₂顆粒具有化學(xué)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(guān)研究方向以混合磨料和復(fù)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(xiàn)出優(yōu)于異質(zhì)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(jí)光滑且無(wú)損傷的表面。為了達(dá)到這樣的精度，復(fù)合磨料的研發(fā)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(fù)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(dǎo)體材料

作為半導(dǎo)體領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向，金剛石、Ga₂O₃等第四代半導(dǎo)體材料因其獨(dú)特的性能和更大的應(yīng)用潛力而具有重要的戰(zhàn)略意義。

金剛石襯底

在金剛石器件的應(yīng)用中，要求金剛石具有納米級(jí)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(xié)助拋光，如光催化反應(yīng)和金剛石磨料的聯(lián)合作用可顯著提高單晶金剛石的去除率。

Ga₂O₃高質(zhì)量的表面加工是其應(yīng)用過(guò)程中必不可少的步驟。但要避免其拋光過(guò)程中出現(xiàn)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(duì)Ga₂O₃的拋光效果，分析了拋光過(guò)程中不同形狀磨料的材料去除機(jī)理，其SEM圖像如下圖所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)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