隨著集成電路技術的不斷進步，芯片尺寸的微型化趨勢日益顯著，在有限的芯片空間內提升可操作性和功能集成度變得尤為重要，這就對硅片上用作層間介質（ILD）的二氧化硅（SiO₂）全局平坦化提出了更高的要求。化學機械拋光技術(CMP)作為唯一能兼顧局部和全局平坦化的方法，成為硅片表面平坦化處理的首選方案。而二氧化鈰(CeO₂)則由于具有優異的物理化學性能、較高的拋光精度以及對Si片的低污染性已取代了傳統的氧化鐵拋光粉，成為ILDCMP工藝中的關鍵拋光材料。然而，晶圓逐漸大尺寸化，單純的氧化鈰拋光粉也已經難以滿足需求，因此，研發高效、高質量的鈰基復合拋光磨料具有一定科學意義和實際應用價值。

ILDCMP拋光過程（來源：贏偉泰科）

當前，鈰基復合拋光磨料研究較多的種類有摻雜型和包覆型。其中摻雜型主要用于提升拋光速率，而包覆型則可以獲得很好的拋光效果。

一、摻雜型氧化鈰復合磨料

Cook認為，利用氧化鈰磨料進行CMP拋光過程中，磨料表面的Ce³⁺位點會產生氧空位，這些氧空位可以在與水反應形成羥基。當該顆粒隨后撞擊二氧化硅表面時，撞擊產生的壓力和溫度上升導致磨粒與二氧化硅表面發生縮合反應生成硅酸鹽，而后硅酸鹽會被磨料從基體表面剝離并帶走。因此，CeO₂磨料表面Ce³⁺濃度會影響到CMP工藝的效率，向CeO₂中摻雜３價稀土和金屬離子可以促進Ce⁴⁺向Ce³⁺的轉化，并伴隨氧空位的生成，進而提高CeO₂的摩擦化學活性，加速拋光表面軟化層的動態形成和去除。

Ce⁴⁺向Ce³⁺轉化后生成氧空位

二氧化鈰拋光機理

當前，CeO₂的摻雜主要以鑭元素為主。陳潔等人通過XPS實驗和DFT計算，得到原始CeO₂的氧空位形成能（E_vac）為每個空位3.27eV，而La／CeO₂的氧空位形成能（E_vac）可以大幅降低至1.10eV，促使Ce³⁺含量升高，氧空位的生成。此外，氧化鑭的少量摻雜還可在一定程度上降低鈰基拋光粉的一次粒度，避免高純氧化鈰煅燒后粒度過大，造成拋光工件表面劃痕。

值得一提的是，在鑭等三價金屬元素摻雜的基礎上，再通過摻雜少量氟離子，可引發氧化鈰晶格參數的改變和晶型的變化，并改善拋光粉粒子形貌，對材料的拋光速率會有提升的作用。

二、包覆型氧化鈰復合磨料

與其他磨料相比，CeO₂硬度低、化學反應活性高、去除率高，但是不規則的形貌和易團聚的特性也容易造成表面損傷，且成本偏高，因此可作為一些軟質磨粒的外殼，形成具有核殼結構的包覆型復合磨料。這樣既能利用內核控制磨料的形貌尺寸，提高其水溶性和分散性，又能夠獲得所需的CeO₂表面及其高效拋光特性，同時減少CeO₂用量，降低生產成本。

包覆型復合磨料根據內核的材料類型不同，分為無機內核和有機內核兩種：

1、無機內核：主要以SiO₂內核為主。SiO₂雖然拋光速率不理想，但具有分散穩定性好、尺寸分布窄、價格低廉等優點，以其作為內核材料，以CeO₂作為外殼，可得到呈球形的SiO₂/CeO₂復合磨料，使拋光速率和拋光質量得到兼顧。不過，SiO₂作為一種無機顆粒，仍然具有常規無機顆粒的剛性力學特性，限制了其進一步消除機械損傷和缺陷，可考慮采用具有特殊孔道結構的介孔二氧化硅納米顆粒作為內核，進一步降低復合磨粒的硬度，有效減少機械損傷。

SiO₂/CeO₂復合磨料微觀形貌

2、有機內核：以聚苯乙烯PS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、介孔氧化硅、碳球等低彈性模量的材料作為內核，得到非剛性的CeO₂核殼磨料。這類磨料借助內核的支撐和緩沖，在拋光過程中增加磨料與晶圓表面的接觸面積，減小接觸應力，避免造成嚴重的拋光劃痕和磨損。此外，內核的球形度高、分散性好、尺寸可控、粒徑均一等特點，也有助于合成高質量的鈰基復合磨料，解決CeO₂納米球形貌不規則、易團聚、尺寸分布寬等難題。

聚苯乙烯PS/CeO₂復合磨料微觀形貌

小結

在CMP領域目前研究的最核心問題是解決拋光質量與拋光效率之間的矛盾，CeO₂作為一種性能優異的拋光材料，可通過摻雜鑭等金屬元素，促進Ce⁴⁺向Ce³⁺的轉化，提升拋光速率。也可做為復合磨粒的外殼，以SiO2或低彈性模量的有機材料作為內核，獲得形貌規則、硬度較小的復合磨料，提升拋光質量。不過，目前的CeO2復合磨料制備的工業化生產仍然較難實現，后續應必須從工業化角度研究CeO₂復合磨料的制備技術，加速研究成果的推廣與應用，滿足半導體領域芯片微型化和高效加工的需求。

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