栅极介质和掺杂浓度对下一代CMOS技术中Si叉形片场效应晶体管（Si fork-sheet FET）性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Impact of gate dielectric and doping concentration on the Si fork-sheet FET for next generation CMOS technology

本研究采用Ag@AgCl光催化-Fenton混合系统，通过调节反应参数并利用ORP量化催化性能，揭示了表面氧化与材料去除的机理。实验表明，H2O2浓度、催化剂比例、浓度及光强变化导致催化性能和MRR先升后降，而Ra先降后升。研究结果为单晶SiC的CMP工艺优化提供了依据。

　　

黄子荣|吴启元|李惠龙|胡达|卢家斌

广东工业大学机电工程学院，中国广州510006

摘要

为了提高单晶碳化硅（SiC）化学机械抛光（CMP）中的化学反应效率，本研究采用了一种Ag@AgCl光催化-Fenton混合体系。通过调节反应参数并利用氧化还原电位（ORP）来量化催化性能，阐明了表面氧化和材料去除的机制。结果表明，在紫外光照射下，随着H₂O₂浓度的增加，该混合体系的催化性能最初提高然后趋于平稳；而随着光催化剂比例、催化剂浓度和光强度的增加，其催化性能先达到峰值后下降。SiC的粗糙度（Ra）在这四种参数的作用下先减小后增大。材料去除率（MRR）随H₂O₂和催化剂浓度的增加而提高，但随着光催化剂比例和光强度的增加而达到峰值后下降。这些发现为单晶SiC的光催化-Fenton混合CMP技术的发展提供了宝贵的见解。

引言

单晶SiC作为一种第三代半导体材料，由于其具有高电压耐受性、热稳定性、优异的高频性能和低能耗特性，在包括新能源汽车动力系统、5G通信基站和光伏能源基础设施在内的多个工业领域得到了广泛应用[1,2]。为了满足电子器件性能和外延薄膜生长的严格要求，单晶SiC必须具有极其光滑的表面，完全不存在机械损伤和结构缺陷[3,4]。然而，在单晶SiC抛光过程中同时实现高效加工和优异的表面质量仍是一个重大的技术挑战，这主要是由于该材料具有超高硬度、显著的脆性和化学惰性[5,6]。CMP被认为是实现半导体材料全局平坦化最有效的技术之一。最终的表面质量受到化学和机械作用的共同影响[7,8]。在此过程中，首先通过化学反应在工件表面生成一层较软且附着力较低的氧化层，随后通过磨料颗粒将其机械去除[4,9]。因此，化学反应速率是影响CMP加工效率和抛光效果的关键因素。

在单晶SiC的CMP过程中，羟基自由基（·OH）由于其高氧化还原电位（2.8 V）有效地促进了SiC表面氧化层的形成，从而提高了材料去除率（MRR）。这一特性使得羟基自由基成为单晶SiC加工中的关键氧化剂[7,[10], [11], [12]]。在单晶SiC晶片的Si面加工过程中，Zhou等人[13]通过Fenton反应催化生成了·OH，诱导了SiC表面的氧化反应，使得MRR显著提高。Yan等人[14]系统研究了工艺参数（pH值、H₂O₂浓度、TiO₂浓度和光强度）对单晶SiC紫外光催化CMP的协同作用机制。实验结果表明，紫外光催化反应速率越高，MRR越大，表面粗糙度越低。Wang等人[15]在光催化辅助的单晶SiC CMP中引入了氧化锆（ZrO₂），他们的研究表明，在紫外光条件下，ZrO₂表面光生电子-空穴对促进了H₂O₂的分解，生成了更多的·OH，从而提高了SiC表面的氧化反应速率。这一过程使MRR从334 nm/h提高到了694 nm/h，优于不含ZrO₂的对照组。Lu等人[16]开发了一种结合紫外光催化和Fenton反应的单晶SiC混合CMP工艺，他们的研究显示，与单独的Fenton CMP和紫外光催化CMP相比，光催化-Fenton混合CMP的MRR分别提高了44.1%和22.4%。Xiong等人[17]在单晶金刚石的紫外光催化-Fenton混合抛光中证明了光催化和Fenton反应之间的协同作用产生了更高浓度的·OH，从而提高了加工效率。

在光催化-Fenton混合反应体系中，光催化剂是实现协同效应的关键要素，其催化性能决定了·OH的生成，进而调节了CMP中的化学氧化速率。传统的金属氧化物半导体TiO₂作为一种紫外光催化剂，由于其低成本、高化学稳定性和环保性而被广泛应用于各种领域。然而，其狭窄的光谱响应范围限制了其在可见光（VL）下的应用[18]。光催化剂Ag@AgX（X=Cl, Br）通过银纳米粒子的局域表面等离子体共振（LSPR）效应将其光吸收范围扩展到了可见光区域[19]，而Ag@AgCl则通过调节能带结构和优化界面电荷转移，进一步增强了其光催化性能[20]。

在我们的初步工作中，制备了光催化剂Ag@AgCl，并通过光催化-Fenton混合反应的CMP实验验证了其可行性[21]。本研究探讨了化学反应参数（包括光照条件、H₂O₂浓度、催化剂比例、催化剂浓度和光强度）对抛光浆液ORP的影响机制，阐明了光催化-Fenton混合反应体系中催化性能的变化规律，并系统分析了这些参数对单晶SiC CMP的影响机制。未来的工作将重点优化抛光工艺。

部分内容摘录

Ag@AgCl光催化-Fenton反应原理

Fenton反应（由方程式（1）、（2）表示）被认为是最有效的氧化反应之一。在此过程中，催化剂Fe²⁺与H₂O₂反应生成·OH，同时产生Fe³⁺，Fe³⁺再与H₂O₂反应再生Fe²⁺，从而形成一个循环的铁离子系统。然而，Fe²⁺的再生速率远远低于其消耗速率，因此由于Fe²⁺浓度的限制，·OH的生成效率受到限制[11,22]。

光照条件的影响

图6显示了不同光照条件下反应溶液的ORP结果。在所有三种光照条件下，反应溶液的ORP在10分钟后稳定在特定范围内。紫外光条件下的ORP值最高（峰值：440 mV），约为430 mV；可见光条件下的ORP值居中（峰值：392 mV），约为380 mV；而在黑暗条件下的ORP值最低（峰值：366 mV），约为360 mV。

结论

本研究通过在不同化学参数下测量反应溶液的ORP来表征了混合体系的催化性能，并进一步探讨了其对单晶SiC抛光的影响。主要结论如下：

(1) Ag@AgCl将其光吸收范围扩展到了可见光区域，从而能够在可见光和紫外光下进行光催化活动。此外，当与Fenton体系结合形成混合体系时，其效果显著增强

CRediT作者贡献声明

黄子荣：撰写——原始草稿、软件开发、方法论设计、数据分析。吴启元：软件开发、实验研究、数据管理。李惠龙：撰写——审稿与编辑、数据管理。胡达：撰写——审稿与编辑、数据管理。卢家斌：撰写——审稿与编辑、资金筹集、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本文得到了国家自然科学基金（编号：52175385和52475434）和广东省基础与应用基础研究基金（编号：2023A1515010923）的支持。