中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，由于特征尺寸的減小和高密度器件的實(shí)現(xiàn)，集成電路材料層之間的平坦度變得越來(lái)越關(guān)鍵，對(duì)半導(dǎo)體制程中的超精密表面處理效率和表面質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。
01.磨料：半導(dǎo)體拋光的關(guān)鍵材料
當(dāng)前，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP）是唯一可以實(shí)現(xiàn)全局平坦化的關(guān)鍵技術(shù)。
具體來(lái)說(shuō)，目前CMP主要應(yīng)用于半導(dǎo)體制造過程中對(duì)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(jìn)晶體管制造、鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)、局部連接的高級(jí)觸點(diǎn)、高級(jí)邏輯器件中的高遷移率溝道材料、高級(jí)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器中的埋入式字線晶體管結(jié)構(gòu)等，對(duì)于不同的多層材料的表面平坦化均有良好的效果。
半導(dǎo)體制造工藝流程及CMP所處環(huán)節(jié)
CMP技術(shù)是通過拋光液和待拋光材料之間的化學(xué)、機(jī)械協(xié)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(duì)CMP性能的影響重大。拋光液是超細(xì)固體研磨材料和化學(xué)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(xué)添加劑、pH值調(diào)節(jié)劑等組成。其中磨粒主要通過微切削、劃擦等方式承擔(dān)著CMP拋光中機(jī)械作用。
化學(xué)機(jī)械拋光示意圖
據(jù)了解，CMP拋光材料在半導(dǎo)體材料中價(jià)值量占比達(dá)7%，拋光液在CMP拋光材料成本中占比達(dá)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(dǎo)體制程中有多重要，當(dāng)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(gè)元素，也是地球上第25個(gè)最豐富的元素，它幾乎與銅儲(chǔ)量一樣豐富。
圖片來(lái)源：天驕清美
在自然狀態(tài)下，氧化鈰（CeO2）是最常見、最穩(wěn)定的鈰氧化物。氧化鈰通常呈現(xiàn)為一種立方螢石晶體結(jié)構(gòu)，空間群為Fm3m。Ce的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)是4f15d16s2，外層電子和內(nèi)部電子間能量差很小，因此，氧化鈰有三價(jià)和四價(jià)兩種價(jià)態(tài)形式。在外部環(huán)境的影響下，Ce3+和Ce4+可以相互轉(zhuǎn)化，并伴隨著氧空位的形成和消失，基于這種性質(zhì)，氧化鈰具有較強(qiáng)的反應(yīng)活性，氧化鈰磨粒能在工件表面生成易于去除的化學(xué)齒，以獲得優(yōu)異的拋光性能。
總結(jié)來(lái)說(shuō)：氧化鈰作為磨料有如下幾方面優(yōu)勢(shì)：
（1）氧化鈰中的四價(jià)鈰具有強(qiáng)氧化作用，對(duì)拋光物質(zhì)有較強(qiáng)的化學(xué)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(huì)對(duì)硅片材料造成明顯的機(jī)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(zhǎng)；
（5）氧化鈰拋光液清潔、無(wú)污染，易于處理。
這些優(yōu)勢(shì)讓氧化鈰贏得了“拋光粉之王”的美譽(yù)。
在半導(dǎo)體制程中，氧化鈰拋光液主要應(yīng)用在STI和ILD中，制程越高使用越多，且用于先進(jìn)封裝的拋光液磨料只能是氧化鈰。氧化鈰價(jià)格遠(yuǎn)高于氧化硅，固含量遠(yuǎn)低于氧化硅，因此市場(chǎng)價(jià)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(jí)氧化鈰的制備及應(yīng)用是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一，未來(lái)前景廣闊，市場(chǎng)及成長(zhǎng)空間較大。
03.二氧化硅，最最最常用
納米SiO2由于其優(yōu)異的穩(wěn)定性、耐溫性及懸浮性，廣泛應(yīng)用于化學(xué)機(jī)械拋光領(lǐng)域，從形貌上可以分為球形與非球形。
圖片來(lái)源：河北硅研
球形納米SiO2磨料
球形納米SiO2磨料是半導(dǎo)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(yōu)于非球形納米SiO2磨料，而傳統(tǒng)球形納米SiO2磨料的CMP速率已無(wú)法滿足現(xiàn)階段加工需求，因此，迫切需要對(duì)球形磨料進(jìn)行性能改進(jìn)。目前國(guó)內(nèi)外主流趨勢(shì)是對(duì)磨料進(jìn)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(guī)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(guī)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(duì)晶圓表面造成劃傷，導(dǎo)致晶圓表面粗糙度升高，表面平整度變差。
整體來(lái)說(shuō)，SiO2具有良好的穩(wěn)定性和分散性，不會(huì)引入金屬陽(yáng)離子污染，其硬度與單質(zhì)硅接近，對(duì)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(yīng)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(jīng)發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，高溫穩(wěn)定晶型，具有比表面低、結(jié)構(gòu)緊密、活性低等特點(diǎn)，是同質(zhì)異晶體中最為穩(wěn)定的晶型，具有良好的機(jī)電性能。在化學(xué)機(jī)械拋光中使用的氧化鋁磨料，常選用硬度大、性能穩(wěn)定、不溶于水、不溶于酸堿的α-Al2O3。
圖片來(lái)源：廣州匯富研究院
作為化學(xué)機(jī)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(dāng)采用高純亞微米級(jí)球形氧化鋁粉作為化學(xué)機(jī)械拋光液磨粒時(shí)，去除率高、拋光快、拋光面不易產(chǎn)生微細(xì)劃痕、光潔度高，可用于精密光學(xué)器件、石英晶體和半導(dǎo)體單晶等高精尖產(chǎn)品的加工。因此，亞微米級(jí)球形氧化鋁的制備方法成為人們研究的熱點(diǎn)。
小結(jié)
氧化鋁、氧化鈰、二氧化硅具備各自的優(yōu)缺點(diǎn)，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(dǎo)體的崛起，金剛石等超硬磨粒得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，正在快速加入“最受歡迎”的陣營(yíng)。
參考來(lái)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(xué)機(jī)械拋光磨料的制備及顆粒分級(jí)
（中國(guó)粉體網(wǎng)/山川）
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