随着集成电路技术的不断进步，芯片尺寸的微型化趋势日益显著，在有限的芯片空间内提升可操作性和功能集成度变得尤为重要，这就对硅片上用作层间介质（ILD）的二氧化硅（SiO₂）全局平坦化提出了更高的要求。化学机械抛光技术(CMP)作为唯一能兼顾局部和全局平坦化的方法，成为硅片表面平坦化处理的首选方案。而二氧化铈(CeO₂)则由于具有优异的物理化学性能、较高的抛光精度以及对Si片的低污染性已取代了传统的氧化铁抛光粉，成为ILDCMP工艺中的关键抛光材料。然而，晶圆逐渐大尺寸化，单纯的氧化铈抛光粉也已经难以满足需求，因此，研发高效、高质量的铈基复合抛光磨料具有一定科学意义和实际应用价值。

ILDCMP抛光过程（来源：赢伟泰科）

当前，铈基复合抛光磨料研究较多的种类有掺杂型和包覆型。其中掺杂型主要用于提升抛光速率，而包覆型则可以获得很好的抛光效果。

一、掺杂型氧化铈复合磨料

Cook认为，利用氧化铈磨料进行CMP抛光过程中，磨料表面的Ce³⁺位点会产生氧空位，这些氧空位可以在与水反应形成羟基。当该颗粒随后撞击二氧化硅表面时，撞击产生的压力和温度上升导致磨粒与二氧化硅表面发生缩合反应生成硅酸盐，而后硅酸盐会被磨料从基体表面剥离并带走。因此，CeO₂磨料表面Ce³⁺浓度会影响到CMP工艺的效率，向CeO₂中掺杂３价稀土和金属离子可以促进Ce⁴⁺向Ce³⁺的转化，并伴随氧空位的生成，进而提高CeO₂的摩擦化学活性，加速抛光表面软化层的动态形成和去除。

Ce⁴⁺向Ce³⁺转化后生成氧空位

二氧化铈抛光机理

当前，CeO₂的掺杂主要以镧元素为主。陈洁等人通过XPS实验和DFT计算，得到原始CeO₂的氧空位形成能（E_vac）为每个空位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，氧化镧的少量掺杂还可在一定程度上降低铈基抛光粉的一次粒度，避免高纯氧化铈煅烧后粒度过大，造成抛光工件表面划痕。

值得一提的是，在镧等三价金属元素掺杂的基础上，再通过掺杂少量氟离子，可引发氧化铈晶格参数的改变和晶型的变化，并改善抛光粉粒子形貌，对材料的抛光速率会有提升的作用。

二、包覆型氧化铈复合磨料

与其他磨料相比，CeO₂硬度低、化学反应活性高、去除率高，但是不规则的形貌和易团聚的特性也容易造成表面损伤，且成本偏高，因此可作为一些软质磨粒的外壳，形成具有核壳结构的包覆型复合磨料。这样既能利用内核控制磨料的形貌尺寸，提高其水溶性和分散性，又能够获得所需的CeO₂表面及其高效抛光特性，同时减少CeO₂用量，降低生产成本。

包覆型复合磨料根据内核的材料类型不同，分为无机内核和有机内核两种：

1、无机内核：主要以SiO₂内核为主。SiO₂虽然抛光速率不理想，但具有分散稳定性好、尺寸分布窄、价格低廉等优点，以其作为内核材料，以CeO₂作为外壳，可得到呈球形的SiO₂/CeO₂复合磨料，使抛光速率和抛光质量得到兼顾。不过，SiO₂作为一种无机颗粒，仍然具有常规无机颗粒的刚性力学特性，限制了其进一步消除机械损伤和缺陷，可考虑采用具有特殊孔道结构的介孔二氧化硅纳米颗粒作为内核，进一步降低复合磨粒的硬度，有效减少机械损伤。

SiO₂/CeO₂复合磨料微观形貌

2、有机内核：以聚苯乙烯PS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、介孔氧化硅、碳球等低弹性模量的材料作为内核，得到非刚性的CeO₂核壳磨料。这类磨料借助内核的支撑和缓冲，在抛光过程中增加磨料与晶圆表面的接触面积，减小接触应力，避免造成严重的抛光划痕和磨损。此外，内核的球形度高、分散性好、尺寸可控、粒径均一等特点，也有助于合成高质量的铈基复合磨料，解决CeO₂纳米球形貌不规则、易团聚、尺寸分布宽等难题。

聚苯乙烯PS/CeO₂复合磨料微观形貌

小结

在CMP领域目前研究的最核心问题是解决抛光质量与抛光效率之间的矛盾，CeO₂作为一种性能优异的抛光材料，可通过掺杂镧等金属元素，促进Ce⁴⁺向Ce³⁺的转化，提升抛光速率。也可做为复合磨粒的外壳，以SiO2或低弹性模量的有机材料作为内核，获得形貌规则、硬度较小的复合磨料，提升抛光质量。不过，目前的CeO2复合磨料制备的工业化生产仍然较难实现，后续应必须从工业化角度研究CeO₂复合磨料的制备技术，加速研究成果的推广与应用，满足半导体领域芯片微型化和高效加工的需求。

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