隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，芯片尺寸的微型化趨勢(shì)日益顯著，在有限的芯片空間內(nèi)提升可操作性和功能集成度變得尤為重要，這就對(duì)硅片上用作層間介質(zhì)（ILD）的二氧化硅（SiO₂）全局平坦化提出了更高的要求。化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)(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(yōu)異的物理化學(xué)性能、較高的拋光精度以及對(duì)Si片的低污染性已取代了傳統(tǒng)的氧化鐵拋光粉，成為ILDCMP工藝中的關(guān)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(jīng)難以滿足需求，因此，研發(fā)高效、高質(zhì)量的鈰基復(fù)合拋光磨料具有一定科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

ILDCMP拋光過程（來源：贏偉泰科）

當(dāng)前，鈰基復(fù)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(fù)合磨料

Cook認(rèn)為，利用氧化鈰磨料進(jìn)行CMP拋光過程中，磨料表面的Ce³⁺位點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生氧空位，這些氧空位可以在與水反應(yīng)形成羥基。當(dāng)該顆粒隨后撞擊二氧化硅表面時(shí)，撞擊產(chǎn)生的壓力和溫度上升導(dǎo)致磨粒與二氧化硅表面發(fā)生縮合反應(yīng)生成硅酸鹽，而后硅酸鹽會(huì)被磨料從基體表面剝離并帶走。因此，CeO₂磨料表面Ce³⁺濃度會(huì)影響到CMP工藝的效率，向CeO₂中摻雜３價(jià)稀土和金屬離子可以促進(jìn)Ce⁴⁺向Ce³⁺的轉(zhuǎn)化，并伴隨氧空位的生成，進(jìn)而提高CeO₂的摩擦化學(xué)活性，加速拋光表面軟化層的動(dòng)態(tài)形成和去除。

Ce⁴⁺向Ce³⁺轉(zhuǎn)化后生成氧空位

二氧化鈰拋光機(jī)理

當(dāng)前，CeO₂的摻雜主要以鑭元素為主。陳潔等人通過XPS實(shí)驗(yàn)和DFT計(jì)算，得到原始CeO₂的氧空位形成能（E_vac）為每個(gè)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(jià)金屬元素?fù)诫s的基礎(chǔ)上，再通過摻雜少量氟離子，可引發(fā)氧化鈰晶格參數(shù)的改變和晶型的變化，并改善拋光粉粒子形貌，對(duì)材料的拋光速率會(huì)有提升的作用。

二、包覆型氧化鈰復(fù)合磨料

與其他磨料相比，CeO₂硬度低、化學(xué)反應(yīng)活性高、去除率高，但是不規(guī)則的形貌和易團(tuán)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(zhì)磨粒的外殼，形成具有核殼結(jié)構(gòu)的包覆型復(fù)合磨料。這樣既能利用內(nèi)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(shí)減少CeO₂用量，降低生產(chǎn)成本。

包覆型復(fù)合磨料根據(jù)內(nèi)核的材料類型不同，分為無機(jī)內(nèi)核和有機(jī)內(nèi)核兩種：

1、無機(jī)內(nèi)核：主要以SiO₂內(nèi)核為主。SiO₂雖然拋光速率不理想，但具有分散穩(wěn)定性好、尺寸分布窄、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，以其作為內(nèi)核材料，以CeO₂作為外殼，可得到呈球形的SiO₂/CeO₂復(fù)合磨料，使拋光速率和拋光質(zhì)量得到兼顧。不過，SiO₂作為一種無機(jī)顆粒，仍然具有常規(guī)無機(jī)顆粒的剛性力學(xué)特性，限制了其進(jìn)一步消除機(jī)械損傷和缺陷，可考慮采用具有特殊孔道結(jié)構(gòu)的介孔二氧化硅納米顆粒作為內(nèi)核，進(jìn)一步降低復(fù)合磨粒的硬度，有效減少機(jī)械損傷。

SiO₂/CeO₂復(fù)合磨料微觀形貌

2、有機(jī)內(nèi)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(nèi)核，得到非剛性的CeO₂核殼磨料。這類磨料借助內(nèi)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(yīng)力，避免造成嚴(yán)重的拋光劃痕和磨損。此外，內(nèi)核的球形度高、分散性好、尺寸可控、粒徑均一等特點(diǎn)，也有助于合成高質(zhì)量的鈰基復(fù)合磨料，解決CeO₂納米球形貌不規(guī)則、易團(tuán)聚、尺寸分布寬等難題。

聚苯乙烯PS/CeO₂復(fù)合磨料微觀形貌

小結(jié)

在CMP領(lǐng)域目前研究的最核心問題是解決拋光質(zhì)量與拋光效率之間的矛盾，CeO₂作為一種性能優(yōu)異的拋光材料，可通過摻雜鑭等金屬元素，促進(jìn)Ce⁴⁺向Ce³⁺的轉(zhuǎn)化，提升拋光速率。也可做為復(fù)合磨粒的外殼，以SiO2或低彈性模量的有機(jī)材料作為內(nèi)核，獲得形貌規(guī)則、硬度較小的復(fù)合磨料，提升拋光質(zhì)量。不過，目前的CeO2復(fù)合磨料制備的工業(yè)化生產(chǎn)仍然較難實(shí)現(xiàn)，后續(xù)應(yīng)必須從工業(yè)化角度研究CeO₂復(fù)合磨料的制備技術(shù)，加速研究成果的推廣與應(yīng)用，滿足半導(dǎo)體領(lǐng)域芯片微型化和高效加工的需求。

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