半导体碳化硅SiC的湿法氧化 2

1.2 双氧水

双氧水(H2O2)作为常用的绿色氧化剂，凭借其氧化性强，分解产物无毒等优势在 CMP 领域得到了广泛运用。H2O2 作为氧化剂提高 4H-SiC 晶片材料去除速率的原理为

如式(1)所示，在室温下，H2O2 通常可以分解为 H2O 和 O2。根据式(2)，在 CMP 过程中， H2O2 还会由于外界压力、晶片和抛光垫之间的摩擦力以及摩擦运动所产生的瞬态热而分解 为羟基自由基。4H-SiC 晶片表面会在羟基自由基和氧气的作用下被氧化为质地更软、更易 被去除的 SiO2（公式(3)），并与碱性环境下大量存在的 OH-反应生成可溶性的 SiO3 2−（公式 (4)）。因此，这也解释了为什么 H2O2 的加入会显著提高 4H-SiC 晶片的 MRR。Pan 等使用 浓度为 0~10.5%的 H2O2 作为氧化剂，平均粒径为 100 nm 的胶体 SiO2 为磨料，利用氢氧 化钾(KOH)和单乙醇胺(MEA)调节抛光液 pH 值，使用聚氨酯抛光垫进行 1 h 的抛光实验。实验结果表明，当抛光浆料中不含 H2O2 时，4H-Si 的 Si 面的 MRR 几乎为 0 nm/h；当 H2O2 含量为 6%及更高时，MRR 稳定在 105 nm/h。值得注意的是，当浆料成分为 30%硅溶胶、 6% H2O2和 0.6% KOH 的最优配比时，使用原子力显微镜(AFM)在 1μm×1μm 的区域内可 以清晰地观察到原子台阶结构（见图 3），台阶高度均匀（约 0.25 nm）,对应于 6H-SiC 晶体 中单层 Si 和 C 原子的厚度，这种原子台阶结构证实了 CMP 的去除机理是以化学反应为主。原子台阶也是衡量半导体碳化硅 CMP 效果的一个重要指标，Zhou 等专门研究了原子台 阶对 SiC CMP 的影响。研究发现，位于原子台阶边缘的原子比台阶平面上的原子拥有更强 的化学活性，因此，原子台阶宽度会影响 CMP 的材料去除速率，台阶宽度越小，台阶密度 越大，单位面积上位于台阶边缘的原子也就越多，去除速率越高。偏 8°离轴的 SiC 晶圆的 MRR 是顺轴（偏 0°）SiC 晶圆的两倍，因为其拥有更小的台阶宽度和更大的台阶密度。

1.3 其他氧化剂 

与 KMnO4和 H2O2相似，次氯酸钠(NaClO)也具有较强的氧化性，特别是在碱性条件下， NaClO 表现出更强的氧化性，因此也被作为氧化剂应用于碱性 SiO2 体系中。研究人员对比 了 SiO2 胶体分别在 NaClO 和 H2O2 作为氧化剂时对 4H-SiC 衬底晶圆 Si 面的抛光效果， 实验结果显示采用 10% NaClO（体积分数）和 3%H2O2（体积分数）获得的材料去除速率分 别为 0.073 μm/h 和 0.035 μm/h。进一步向含 NaClO 和 SiO2 胶体的抛光液中加入金刚石 硬质磨料（粒径 0.1μm），MRR 显著增加到 0.92μm/h，并获得了 Ra=0.52 nm 的表面粗糙 度。在另一项研究中，向粒径为 25 nm 的金刚石颗粒和 KOH 改性的 SiO2 胶体中加入 NaClO 氧化剂，材料去除量从加入氧化剂前的 0.07 mg/h 提高至加入后的 0.3 mg/h，推测 NaClO 不仅参与了 SiC 表面的氧化反应，同时增强了 SiO2 胶体与 SiC 表面的化学反应，形 成了更厚的氧化层。