从第一代到第四代，半导体材料CMP抛光中磨料的变迁

发布时间 | 2024-08-12 11:55 分类 | 粉体应用技术点击量 | 860

磨料金刚石碳化硅氧化硅氧化铝

导读：各代半导体材料的CMP抛光磨料随着材料的进步而不断演变。每一代磨料的选择和技术改进不仅推动了半导体制造工艺的发展，也为新材料的应用提供了强有力的支持。

半导体制造工艺的发展历程中，化学机械抛光(CMP)技术作为关键工序之一，起到了至关重要的作用。从第一代到第四代半导体材料，CMP抛光中的磨料也经历了显著的变迁。这些磨料不仅直接影响了抛光效果，还对晶圆的表面质量、生产效率产生了极大的影响。下面就一起梳理一下各代半导体材料中使用的CMP抛光磨料吧。

CMP抛光

半导体材料的发展

半导体材料的发展历程，主要可分为四代：

①以硅(Si)、锗(Ge)等元素材料为代表的第一代半导体

②以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等化合物半导体材料为代表的第二代半导体

③以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体

④以金刚石、氧化镓(Ga₂O₃)等超宽禁带半导体材料为代表的第四代半导体。

这些半导体材料凭借各自的特色，在不同的应用领域中大放异彩。同时也因各自的性质，在CMP抛光工序上所使用的抛光液有所不同。

1、第一代半导体材料

第一代半导体的主要材料是“硅（Si）”。硅材料的纯度高、成本低、稳定性好，使其成为半导体产业的核心材料。硅晶圆的制造技术和集成电路的发展相辅相成，推动了电子产业的迅猛发展。典型应用有二极管、晶体管、集成电路等。

硅晶圆

在第一代半导体材料的CMP抛光中，最常用的磨料是氧化铝(Al₂O₃)和二氧化硅(SiO₂)。这些磨料具有良好的化学稳定性和适当的硬度，能够有效地进行材料去除，同时保持表面质量。高硬度的氧化铝能够提供较快的去除率，但易引起表面划痕。而SiO₂尽管去除率较低，但能够提供更高的表面光洁度。就抛光效果而言，混合磨料和复合磨料明显优于单一 SiO₂磨料。另外，若将两种粒径的SiO₂磨料混合可以提高Si的去除效率。

2、第二代半导体材料

第二代半导体材料主要包括砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)。这些材料因其有更大的禁带宽度及电子迁移率等优点，分别在高频和高功率应用以及光纤通信、红外探测等领域受到重视。

InP衬底

由于GaAs材料硬度低（莫氏硬度为4.5）、脆性大、易解理，目前国际上在GaAs晶片CMP中普遍使用的是SiO₂磨料，CeO₂磨料也能取得不错的效果。二者也可以复合使用，隆仁伟等人采用浸渍工艺成功制备出SiO₂为核心、CeO₂为外壳的包覆型复合磨料，并对GaAs进行了抛光，最终获得了粗糙度为亚纳米量级的超光滑表面，且抛光速率可达1264nm/min。

至于磷化铟（InP），它因其本身硬度低、具有毒性等缺点导致加工难度大，主要使用的也是SiO₂磨料。且磨料浓度越大，粒径越小，去除率越大，又因为SiO₂磨料会与InP发生一定的化学反应，导致使用SiO₂磨料获得的去除率高于使用硬度更大的Al₂O₃磨料获得的。

3、第三代半导体材料

第三代半导体材料如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）以其宽禁带特性和优异的耐高压性能，在高功率和高频应用中发挥了重要作用。这些材料的CMP抛光需求也相应提高，对磨料的要求更为严格。

碳化硅衬底

如SiC因本身硬度大、脆性大、化学惰性强等特点，难以同时保证高抛光质量和高抛光速率，是典型的难加工材料。其CMP加工中可使用的磨料有SiO₂、CeO₂、Al₂O₃、金刚石等。有研究认为，由于CeO₂颗粒具有化学齿性能，能和氧化物层之间可以形成Si-O-Ce键，因此相比SiO₂可以得到更高的去除率。目前相关研究方向以混合磨料和复合磨料为主，如SiO₂改性金刚石磨料、纳米金刚石(ND)/TiO₂、Al₂O₃混合ZrO₂磨料等。

GaN方面，由于GaN衬底上外延的GaN层表现出优于异质衬底上外延的GaN层的电子特性，因此迫切需要GaN具有原子级光滑且无损伤的表面。为了达到这样的精度，复合磨料的研发受到重视，如Al₂O₃和硅溶胶两种磨料的两步抛光，胶体SiO₂和ND混合，CNT-Al₂O₃复合磨料，TiO₂/ZrO₂软硬混合磨料等。

CMP后GaN表面的AFM图像

4、第四代半导体材料

作为半导体领域未来的发展方向，金刚石、Ga₂O₃等第四代半导体材料因其独特的性能和更大的应用潜力而具有重要的战略意义。

金刚石衬底

在金刚石器件的应用中，要求金刚石具有纳米级的表面精度，又因金刚石的极端硬度要求，最常使用的磨料就是金刚石微粉磨料和Al₂O₃磨料。此外也可以使用一些辅助手段协助抛光，如光催化反应和金刚石磨料的联合作用可显著提高单晶金刚石的去除率。

Ga₂O₃高质量的表面加工是其应用过程中必不可少的步骤。但要避免其抛光过程中出现微裂纹、划痕等表面缺陷。2020年，C.J.Huang等人研究了锋利磨料和钝化磨料对Ga₂O₃的抛光效果，分析了抛光过程中不同形状磨料的材料去除机理，其SEM图像如下图所示。实验结果表明，钝化磨料更适合用于Ga₂O₃的抛光，如硅溶胶抛光液。

锋利磨料和钝化磨料的SEM 图像