碳化硅晶圆的化学机械抛光

4H-SiC晶片的性能及制造

4H 硅化碳（4H-SiC）是一种具有高功率、高频率、高温度和抗辐射等优异性能的半导体材料，对于未来的电子器件有着重要的应用前景12。与硅（Si）基的高功率器件相比，基于 4H-SiC 的高功率器件具有更高的功率密度、更低的功耗和更小的尺寸3。如图 1 所示，基于 4H-SiC 的器件已经成功应用于电动汽车、铁路、不间断电源（UPS）、高压电网和 5G 通信等领域。例如，东芝开发的 G2020 系列基于 4H-SiC 的 UPS 的功率转换效率达到了 98.2%1。丰田在混合动力汽车的直流转换器中用 4H-SiC 的肖特基势垒二极管取代了 Si 基的 PIN 二极管，使能量损失减少了 30%，转换效率提高了 0.5%。三菱电机公司在 N700S 新干线地铁的牵引逆变器中装配了 4H-SiC 的功率模块，使系统的开关损失和体积分别减少了 55% 和 40-65%。4H-SiC 的应用前景促进了对高质量 4H-SiC 晶片的需求。由于 4H-SiC 晶片的表面质量显著影响了外延生长的质量，无论是 4H-SiC 的同质外延还是氮化镓（GaN）的异质外延，都会影响最终器件的质量，因此 4H-SiC 晶片的表面加工对于 4H-SiC 在半导体行业的成功至关重要。

为了提高 4H-SiC 晶片的表面质量和加工效率，研究人员已经探索了各种方法。

4H-SiC晶片的性能及制造

碳化硅的性能

Si 和 C 之间的键合如图 2a 所示。 SiC的键长和结合能分别为约1.89 Å和约289 kJ mol⁻¹ 。它们使碳化硅具有极高的硬度和很强的化学稳定性。 SiC有200多种同质多晶型，其中3C-、4H-和6H-SiC较为常见。 13 3C-、4H-和6H-SiC的结构如图2b所示。字母 A、B 和 C 表示六方密堆积结构中 Si-C 双层占据的位置。 3C-、4H-和6H-SiC的SiC双层的堆叠顺序分别为ABC、ABCB和ABCACB。图 2c 显示了六方 4H-SiC 的晶向和晶面。 方向为[0001]和 的面通常分别称为Si面和C面注意修改，因为这个里面缺一点东西。 ~ 面和 面~通常分别表示为a面和m面。对于4H-SiC，沿c轴的电子迁移率高于垂直于c轴的电子迁移率。此外，4H-SiC 衬底的 Si 面上的阶梯流生长模式和 p 型掺杂均得到增强。 15, 16 因此，4H-SiC衬底的同质外延常常生长在Si面上。鉴于此，4H-SiC晶圆Si面的CMP技术引起了高度关注。

鉴于 Si 和 C 之间的键相同，3C-、4H- 和 6H-SiC 具有相似的机械和化学性能。然而，由于Si-C双层的堆叠顺序不同，3C-、4H-和6H-SiC的电性能彼此不同。 如图3所示，4H-SiC的临界电场、带隙能、饱和电子速度和电子迁移率均优于3C-和6H-SiC，这使得4H-SiC成为碳化硅的理想多晶型物，适用于高功率、高频和高温电子器件的应用。 18 因此，我们在本次综述中重点关注 4H-SiC CMP 的改进。值得注意的是，早期的工作主要涉及6H-SiC的CMP。

晶圆制造（4H-SiC）

如图4所示，4H-SiC晶圆的加工流程主要包括线锯、倒圆、研磨、研磨和CMP。首先，在多线锯切过程中将 4H-SiC 晶锭切成晶圆。然后将每个 4H-SiC 晶圆安装在研磨卡盘上。轮廓修圆轮根据产品规格对晶圆边缘进行修圆。

随后进行对晶圆进行减薄。晶圆还经过一系列研磨工艺，以增加表面的平行度并消除线锯引起的表面/亚表面损伤。

最后，使用 CMP 来提高平坦度并实现晶圆的原子级光滑表面。

CMP工艺是控制4H-SiC晶圆表面质量的关键步骤，而其他步骤主要是为了消除线锯引起的损伤并快速降低4H SiC晶圆的厚度。 CMP成本占4H-SiC晶圆总加工成本的30%~40%。 4H-SiC晶圆Si面或C面的CMP需要3-5小时。

4H-SiC晶圆化学机械抛光（CMP）的现状和挑战

传统CMP

CMP系统主要由三部分组成：抛光液、抛光垫以及包含抛光头、抛光板等部件的抛光机。

在典型的 CMP 工艺中，晶圆被粘合到抛光头的底部。具有特定功能的抛光浆不断滴落在抛光垫表面。

晶片、抛光液、抛光垫在一定的压力下紧密接触，并随抛光头和抛光盘一起旋转。在相对运动过程中，晶片表面与抛光液发生化学反应。

通过抛光浆、抛光垫和晶片中的磨料之间的机械相互作用去除反应产物。最终通过化学反应和机械去除过程的循环实现晶圆的全局和局部平坦化。

4H-SiC晶圆CMP去除机理如图7所示。 抛光液中的氧化剂首先氧化4H-SiC，在表面形成Si-C-O的过渡氧化态4H-SiC。该氧化物的硬度比4H-SiC低，这保证了它可以被浆料中的磨料通过机械作用去除。基于氧化和机械去除的循环，实现了4H-SiC晶圆的平坦化。

化学机械抛光（CMP）是一种通过同时施加化学和机械的作用，实现高效、低损的材料去除和表面改善的工艺技术。CMP 在 4H 硅化碳（4H-SiC）晶片的平整化方面有着重要的应用，对于提高 4H-SiC 晶片的表面质量和加工效率，促进 4H-SiC 在半导体行业的应用具有重要的意义。为了提高 CMP 的性能，研究人员已经探索了各种化学、机械和化学机械协同的改进方法，包括：

化学改进方法

化学改进方法主要是通过选择或设计合适的抛光液，来提高 4H-SiC 的化学反应速率，从而增加 CMP 的材料去除率和表面质量。抛光液的主要成分包括氧化剂、缓冲剂、络合剂、表面活性剂和磨料等。根据不同的氧化剂，抛光液可以分为碱性、酸性和中性三种类型。一些典型的化学改进方法有：

• • Fenton-Like-Reaction：在酸性抛光液中添加 Fe²⁺ 和 H₂O₂，形成 Fenton-Like-Reaction，产生 ·OH 自由基，加速 4H-SiC 的氧化反应，提高 CMP 的材料去除率。

• • 特殊气体气氛：在抛光过程中引入特殊气体，如 O₂、N₂、CO₂ 等，改变抛光液的 pH 值和氧化还原电位，影响 4H-SiC 的化学反应，提高 CMP 的材料去除率和表面质量。

• • 预处理：在 CMP 之前对 4H-SiC 晶片进行预处理，如热氧化、湿氧化、氮化、氢化等，改变 4H-SiC 晶片的表面氧化层的厚度和性质，影响 4H-SiC 的化学反应，提高 CMP 的材料去除率和表面质量 。

• • 光催化辅助 CMP：在 CMP 过程中施加光照，如紫外光、可见光等，激发抛光液中的光催化剂，如 TiO₂、ZnO 等，产生光催化反应，加速 4H-SiC 的氧化反应，提高 CMP 的材料去除率和表面质量 。

• • 催化剂蚀刻：在 CMP 过程中添加催化剂，如铜、银、铂等，促进 4H-SiC 的氧化反应，提高 CMP 的材料去除率和表面质量 。

机械改进方法

机械改进方法主要是通过选择或设计合适的抛光垫，来提高 4H-SiC 的机械磨损速率，从而增加 CMP 的材料去除率和表面质量。抛光垫的主要参数包括材料、形貌、硬度、厚度、孔隙率、弹性模量等。一些典型的机械改进方法有：

• • Single-Abrasive Slurry：在抛光液中添加单一种类的磨料，如 SiO₂、Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、SiC 等，提供机械磨损作用，加速 4H-SiC 的材料去除，同时也可以抑制 4H-SiC 的表面氧化层的再生，增强 4H-SiC 的化学反应 。

• • 混合磨料浆料：在抛光液中添加两种或多种不同的磨料，如 SiO₂+Al₂O₃、SiO₂+CeO₂、SiO₂+ZrO₂、SiO₂+SiC 等，利用不同磨料的粒径、硬度、密度、化学活性等差异，实现 4H-SiC 的多级磨损，提高 CMP 的材料去除率和表面质量 。

• • Core–Shell Abrasive：在抛光液中添加由两种或多种不同材料构成的核壳结构的磨料，如 SiO₂@Al₂O₃、SiO₂@CeO₂、SiO₂@ZrO₂、SiO₂@SiC 等，利用核壳结构的特殊性质，如可控的粒径、表面电荷、化学活性等，实现 4H-SiC 的定向磨损，提高 CMP 的材料去除率和表面质量 。

• • fixed or Semi-Fixed Abrasive：在抛光垫上固定或半固定磨料，如 SiO₂、Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、SiC 等，减少抛光液的使用，降低 CMP 的成本和环境影响，同时提高 CMP 的材料去除率和表面质量 。

化学-机械协同改进方法

化学-机械协同改进方法主要是通过调节抛光参数，来优化 4H-SiC 的化学反应和机械磨损的协同作用，从而增加 CMP 的材料去除率和表面质量。抛光参数的主要影响因素包括压力、速度、温度、时间等。一些典型的化学-机械协同改进方法有：

• • 电化学机械抛光：在 CMP 过程中施加电场，如直流电、交流电、脉冲电等，改变 4H-SiC 的电化学性质，促进 4H-SiC 的氧化反应，提高 CMP 的材料去除率和表面质量 。

• • 等离子体辅助抛光：在 CMP 过程中施加等离子体，如氧气等离子体、氮气等离子体、氢气等离子体等，改变 4H-SiC 的表面氧化层的厚度和性质，影响 4H-SiC 的化学反应，提高 CMP 的材料去除率和表面质量。

• • 其他协同方法：在 CMP 过程中施加其他物理或化学的作用，如磁场、超声波、激光、酶等，调节 4H-SiC 的化学反应和机械磨损的协同效应，提高 CMP 的材料去除率和表面质量。

参考文献

文献：Chemical–Mechanical Polishing of 4H Silicon Carbide Wafers

作者：Wantang Wang, Xuesong Lu, Xinke Wu, Yiqiang Zhang, Rong Wang, Deren Yang, Xiaodong Pi

(1) Chemical–Mechanical Polishing of 4H Silicon Carbide Wafers. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/admi.202202369.

(2) Wiley Online Library. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202001222.

(3) Wiley Interdisciplinary Reviews - Wiley Online Library. https://wires.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/wat2.1633.