中國粉體網訊 隨著集成電路技術的發展，由于特征尺寸的減小和高密度器件的實現，集成電路材料層之間的平坦度變得越來越關鍵，對半導體制程中的超精密表面處理效率和表面質量的要求也越來越高。
01.磨料：半導體拋光的關鍵材料
當前，化學機械拋光技術（CMP）是唯一可以實現全局平坦化的關鍵技術。
具體來說，目前CMP主要應用于半導體制造過程中對基體材料硅晶片的拋光、淺槽隔離、銅互連、High-k絕緣層金屬柵極(HKMG)先進晶體管制造、鰭式場效應晶體管(FinFET)、局部連接的高級觸點、高級邏輯器件中的高遷移率溝道材料、高級動態隨機存儲器中的埋入式字線晶體管結構等，對于不同的多層材料的表面平坦化均有良好的效果。
半導體制造工藝流程及CMP所處環節
CMP技術是通過拋光液和待拋光材料之間的化學、機械協同作用使得材料去除并獲得表面全局平坦化，因此，拋光液對CMP性能的影響重大。拋光液是超細固體研磨材料和化學添加劑的混合物，為均勻分散的乳白色膠體，起到研磨、腐蝕溶解等作用，主要原料包括研磨顆粒、化學添加劑、pH值調節劑等組成。其中磨粒主要通過微切削、劃擦等方式承擔著CMP拋光中機械作用。
化學機械拋光示意圖
據了解，CMP拋光材料在半導體材料中價值量占比達7%，拋光液在CMP拋光材料成本中占比達49%，而磨料約占拋光液成本的50%-70%。
從成本占比就可以看出磨料在半導體制程中有多重要，當前，最常用的磨料主要有SiO2、CeO2、Al2O3三種。
02.氧化鈰，拋光粉之王
鈰是鑭系元素的第二個元素，也是地球上第25個最豐富的元素，它幾乎與銅儲量一樣豐富。
圖片來源：天驕清美
在自然狀態下，氧化鈰（CeO2）是最常見、最穩定的鈰氧化物。氧化鈰通常呈現為一種立方螢石晶體結構，空間群為Fm3m。Ce的價電子層結構是4f15d16s2，外層電子和內部電子間能量差很小，因此，氧化鈰有三價和四價兩種價態形式。在外部環境的影響下，Ce3+和Ce4+可以相互轉化，并伴隨著氧空位的形成和消失，基于這種性質，氧化鈰具有較強的反應活性，氧化鈰磨粒能在工件表面生成易于去除的化學齒，以獲得優異的拋光性能。
總結來說：氧化鈰作為磨料有如下幾方面優勢：
（1）氧化鈰中的四價鈰具有強氧化作用，對拋光物質有較強的化學作用；
（2）氧化鈰的硬度比硅片硬度略小，在拋光過程中既不會對硅片材料造成明顯的機械損傷，又可以得到較為光滑、潔凈的平面；
（3）拋光速度和效率較快，一般拋光速率可提高3～4倍；
（4）氧化鈰的晶形和活性較好，粒度小而均勻，用量少且使用壽命長；
（5）氧化鈰拋光液清潔、無污染，易于處理。
這些優勢讓氧化鈰贏得了“拋光粉之王”的美譽。
在半導體制程中，氧化鈰拋光液主要應用在STI和ILD中，制程越高使用越多，且用于先進封裝的拋光液磨料只能是氧化鈰。氧化鈰價格遠高于氧化硅，固含量遠低于氧化硅，因此市場價值最高。氧化鈰的核心是提純難度大、粒徑影響拋光效果，因此納米級氧化鈰的制備及應用是當前研究熱點之一，未來前景廣闊，市場及成長空間較大。
03.二氧化硅，最最最常用
納米SiO2由于其優異的穩定性、耐溫性及懸浮性，廣泛應用于化學機械拋光領域，從形貌上可以分為球形與非球形。
圖片來源：河北硅研
球形納米SiO2磨料
球形納米SiO2磨料是半導體襯底晶圓精拋的主要磨料，其CMP后晶圓表面粗糙度明顯優于非球形納米SiO2磨料，而傳統球形納米SiO2磨料的CMP速率已無法滿足現階段加工需求，因此，迫切需要對球形磨料進行性能改進。目前國內外主流趨勢是對磨料進行介孔或摻雜處理，以此提高晶圓的拋光速率，使其具有更高的加工效率。
非球形納米SiO2磨料
非球形納米SiO2磨料由于其形貌的不規則性，因此比表面積較大，拋光速率高于球形磨料。目前已成功制備的不規則形狀磨料包括花瓣形、啞鈴形、橢圓形、棒形、繭形、柱形等多種形狀。但由于非球形磨料一般表面帶有棱角，在CMP中易對晶圓表面造成劃傷，導致晶圓表面粗糙度升高，表面平整度變差。
整體來說，SiO2具有良好的穩定性和分散性，不會引入金屬陽離子污染，其硬度與單質硅接近，對基底材料造成的刮傷、劃痕較少，適合用于軟金屬、硅等材料的拋光，是目前應用最廣泛的拋光液磨料。
04.氧化鋁，效率高
氧化鋁具有多種晶型,已經發現的有10余種，其中常見的為α、β、γ等。其中α-Al2O3為白色晶體，呈菱形六面體狀，剛玉結構，高溫穩定晶型，具有比表面低、結構緊密、活性低等特點，是同質異晶體中最為穩定的晶型，具有良好的機電性能。在化學機械拋光中使用的氧化鋁磨料，常選用硬度大、性能穩定、不溶于水、不溶于酸堿的α-Al2O3。
圖片來源：廣州匯富研究院
作為化學機械拋光磨料，氧化鋁的形狀、尺寸大小都直接影響著拋光效果。當采用高純亞微米級球形氧化鋁粉作為化學機械拋光液磨粒時，去除率高、拋光快、拋光面不易產生微細劃痕、光潔度高，可用于精密光學器件、石英晶體和半導體單晶等高精尖產品的加工。因此，亞微米級球形氧化鋁的制備方法成為人們研究的熱點。
小結
氧化鋁、氧化鈰、二氧化硅具備各自的優缺點，是目前最常用的三種拋光液磨料。此外，隨著碳化硅為代表的第三代半導體的崛起，金剛石等超硬磨粒得到了業界的廣泛關注，正在快速加入“最受歡迎”的陣營。
參考來源：
[1]夏超.納米氧化鈰拋光液的制備與性能研究
[2]戴蒙姣.氧化鈰磨粒的可控制備及其拋光性能研究
[3]趙曉媛.氧化鋁系化學機械拋光磨料的制備及顆粒分級
（中國粉體網/山川）
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