CN102382576A

CN102382576A - 超声波雾化型碱性抛光液

Info

Publication number: CN102382576A
Application number: CN2011103546860A
Authority: CN
Inventors: 李庆忠; 翟靖
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2012-03-21

Abstract

一种超声波雾化型碱性抛光液，其制备方法如下：（1）取质量份数为8~15份的白碳黑，加入8倍白碳黑质量的去离子水，充分搅拌后使之成为粥状，不产生沉淀；（2）加入pH值调节剂稀释液，边加入边搅拌，使其pH值达到9.5；（3）加入1~5份的表面活性剂，持续搅拌，使之充分溶解；（4）加入70~135份的硅溶胶，搅拌至溶液澄清无絮状物，加入pH值调节剂稀释液，不断搅拌，使溶液pH值为10；（5）加入5~10份的氧化剂，再次加入pH值调节剂稀释液，调整pH值达到10~12；（6）加入去离子水，使整个体系质量份数达到300份，即得本超声波雾化型碱性抛光液。本发明在进行硅片抛光时，耗损量不足10ml/min，具有良好的抛光效果。

Description

超声波雾化型碱性抛光液

技术领域

本发明涉及机械抛光液技术领域，尤其是涉及一种使用超声波雾化来施液的抛光液。

背景技术

目前，集成电路已经成为信息产业和高新技术产业的核心技术，也是推动国民经济和社会信息化的关键技术，整个集成电路产业的发展非常迅速。其芯片特征尺寸不断缩小，从微米到纳米尺度逐渐减小，以满足集成电路高速化、高集成化、高密度化和高性能化方向发展的要求。随着硅片的刻线宽度越来越小，光刻机的焦深将变得越来越短，硅晶片或薄膜层上极其微小的高度差异都会使IC的布线图案发生变形、扭曲、错位，结果导致绝缘层的绝缘能力达不到要求或金属连线错乱而出现废品。改进的唯一办法就是提高硅晶片刻蚀层的全局平面度和微观表面质量。因此，为了得到准确的光刻图案，在多层布线立体结构中，要求在整个硅晶片表面内各部分的高低差越来越小，即要求保证每层全局平坦化，这是实现多层布线的关键，通常要求每层的全局平整度不大于特征尺寸的2/3。为满足日益发展的硬脆晶体高精度超光滑表面对平坦化加工技术提出的要求，必须寻求一种兼顾全局与局部平整度的有效的平坦化加工技术。而化学机械抛光（chemical mechanical polishing，下简称CMP）也称为化学机械研磨技术，其工艺便是目前最有效、最成熟的平坦化技术。化学机械平坦化技术由于对加工表面优越的整体平坦化能力，而称为最有前途的超大规模集成电路金属化层的平坦化技术。

CMP是利用由微小磨粒和化学溶液混合而成的浆料与工件表面发生系列化学反应来改变工件表面的化学键，生成容易去除的低剪切强度产物，再通过高分子抛光垫的机械作用，从工件表面去除极薄的一层材料，从而获得高精度低粗糙度无损伤光滑表面。化学机械抛光技术所采用的设备及消耗品包括：CMP设备、抛光液、抛光垫、后清洗设备、抛光终点检测设备等。材料表面平坦化的精度取决于抛光液，因而抛光液是影响CMP全面平坦化质量的决定性因素，它既影响化学作用过程，又影响机械作用过程。在化学机械抛光时，首先是存在于工件表面和抛光垫之间的抛光液中的氧化剂等与工件表面的原子进行氧化反应，在工件表面产生一层氧化薄膜，然后由漂浮在抛光液中的磨粒通过机械作用将这层氧化薄膜去除，使工件表面重新裸露出来，再进行氧化反应，这样在化学作用过程和机械作用过程的交替进行中完成工件表面抛光。化学机械抛光关键技术之一就是选择或配制一种实现化学机械抛光高质量、高效率的抛光液，而抛光液研究的最终目标是找到化学作用和机械作用的最佳结合，以正确获得去除速率高、平面度好、无缺陷、膜厚均匀性好及选择性高的浆料，同时还要兼顾易清洗性、对设备的腐蚀性、废料的处理费用及安全性。

超声精细雾化CMP的工作原理为：抛光液经由超声波雾化器被雾化成索太尔直径为5~15μm的均匀微米级液粒，在负压作用下进入抛光界面。抛光时，要保证工作台周围处于负压状态并且防止抛光雾液的扩散和吸附，故需要对抛光机和抛光界面进行密封。在箱体内壁与转轴之间和抛光盘与箱体内壁的上端之间进行密封，并在工作台周围安装有机玻璃罩。在此密封装置中，部分空气由出气孔抽离，致使密封罩内气压低于外部大气压，使得抛光雾液从喷嘴处快速进入此密封罩，并强吸附在抛光垫上。在抛光界面，抛光雾液中的化学物质与硅片发生化学反应，并通过抛光雾液中磨粒的机械磨削作用将反应物去除，即在化学反应和机械磨削的交替作用下，形成超光滑精密表面。

从现阶段看，降低生产成本成为提高集成电路产品竞争力的关键，集成电路制造成本居高不下最主要的原因之一就是抛光液的过量使用，SpeedFam-IPEC研究表明，CMP工艺中耗材的支出占60~80%，而抛光液的支出又占耗材的60~80%。普通铜抛光液价格为$40/gallon，一般CMP抛光机每台需要200毫升/min；此外，传统CMP过程中大量抛光废液的排放使一些有害的化学试剂进入自然，不利于IC产业向着绿色环保的方向发展。

国外对SiO₂抛光浆料研究得比较成熟，但是其抛光液配方基本处于保密状态，只有少数文献公布了其成果，而关于适用于雾化的抛光液的研究尚处于空白。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本申请人提供了一种超声波雾化型碱性抛光液。本发明在进行硅片抛光时，耗损量不足10ml/min，具有良好的抛光效果。

本发明的技术方案如下：

一种超声波雾化型碱性抛光液，其制备方法如下：

（1）取质量份数为8~15份的白碳黑，加入8倍白碳黑质量的去离子水，充分搅拌后使之成为粥状，不产生沉淀；

（2）向步骤（1）所得产物中加入pH值调节剂稀释液，边加入边搅拌，使其pH值达到9.5；

（3）向步骤（2）所得产物中加入1~5份的表面活性剂，持续搅拌，使之充分溶解；

（4）向步骤（3）所得产物中加入70~135份的硅溶胶，搅拌至溶液澄清无絮状物，加入pH值调节剂稀释液，不断搅拌，使溶液pH值为10；

（5）向步骤（4）所得产物中加入5~10份的氧化剂，再次加入pH值调节剂稀释液，调整pH值达到10~12；

（6）向步骤（5）所得产物中加入去离子水，使整个体系质量份数达到300份，即得本超声波雾化型碱性抛光液。

所述白碳黑的粒径为12~17nm，所述硅溶胶中硅的粒径为8~12nm。所述硅溶胶中硅的质量分数为40.2%。所述pH值调节剂为不含金属离子、且溶于水的胺类有机碱的水溶液，为浓度为99wt%的乙二胺、二乙醇胺、三乙胺、三乙醇胺、乙醇胺水溶液中的至少一种。所述pH值调节剂稀释液的制备方法为：向所述pH值调节剂中加入体积为所述pH值调节剂2倍的去离子水。所述表面活性剂为非离子型表面活性剂，为烷基酚聚氧乙烯醚NP-4~NP-13。所述氧化剂为碱性条件下可以反应的过氧化物，为过氧化氢或过硫酸铵。

本发明有益的技术效果在于：

1、提高了抛光液的利用率，节省了大量抛光液，不但降低了IC生产成本，而且减轻了抛光液废液对环境的污染。

2、抛光后，硅片的表面无明显划痕，且表面粗糙度参数比抛光前有所降低；其材料去除率较高，材料的抛光效果良好。

3、抛光液不腐蚀污染设备，易于清洗。

附图说明

图1为实施例2所得抛光液经超声精细雾化CMP前后硅片的表面形貌；

图中：（a）为抛光前、（b）为抛光后硅片的表面形貌。

具体实施方式

实施例1

向13.86g粒径为12~17nm的白碳黑中加入110.88g去离子水，搅拌成粥状；加入三乙胺稀释液（原三乙胺水溶液的浓度为99wt%，稀释液向其中加入两倍三乙胺水溶液体积的去离子水），边加入边搅拌，使其pH值达到9.5；再加入4.5g烷基酚聚氧乙烯醚NP-7不断搅动并混合均匀；再向此溶液中加入70g硅的质量分数为40.2%的硅溶胶（硅的粒径为8~12nm），搅拌至溶液澄清无絮状物；加入三乙胺稀释液，不断搅拌，使溶液pH=10；然后将9g过氧化氢加入此混合溶液中并搅拌；再加入三乙胺，不断搅拌并测量溶液pH值，使pH=10，最后加入去离子水，使溶液达到300g。

使用效果：把抛光液倒入雾化器中，进行雾化抛光实验，抛光5min，再进行1min的水抛，抛光后用去离子水冲洗，干燥。测得硅片的去除率达到458nm/min，晶片表面光洁，表面粗糙度可以达到3.17nm。

实施例2

向9.8g粒径为12~17nm的白碳黑中加入78.4g去离子水，搅拌成粥状；加入乙二胺稀释液（原乙二胺水溶液的浓度为99wt%，稀释液向其中加入两倍乙二胺水溶液体积的去离子水），边加入边搅拌，使其pH值达到9.5；再加入1.5g聚氧乙烯脂肪酸酯NP-7不断搅动并混合均匀；再向此溶液中加入125g硅的质量分数为40.2%的硅溶胶（硅的粒径为8~12nm），搅拌至溶液澄清无絮状物；加入乙二胺稀释液，不断搅拌，使溶液pH=10；然后将6g过硫酸铵加入此混合溶液中并搅拌；再加入乙二胺稀释液，不断搅拌并测量溶液pH值，使pH=12，最后加入去离子水，使溶液达到300g。

使用效果：把抛光液倒入雾化器中，进行雾化抛光实验，抛光5min，再进行1min的水抛，抛光后用去离子水冲洗，干燥。测得硅片的去除率达到490nm/min，晶片表面光洁，粗糙度参数值由抛光前的5.44 nm降至2.72nm，如图1所示。

上述的材料去除率是采用测量抛光前后的晶片质量，根据密度和晶片直径间接算出去除的介质层厚度的方法。这种方法的最大特点是测量简便，可以快速得出去除率的大小。计算公式为：

Figure 2011103546860100002DEST_PATH_IMAGE001

其中，MRR为材料去除率（nm/min），M₀和M₁分别为抛光前、后硅片的质量（g），p为二氧化硅片的密度（g/cm³），S₁为硅片表面的面积（cm²），t为抛光时间（min）。

上述实例对于适用于精细雾化CMP的一种碱性抛光液进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定的范围举出若干的例子，因此不脱离本发明总体构思下的变化和修改，属于本发明的保护范围内。

Claims

1.一种超声波雾化型碱性抛光液，其特征在于其制备方法如下：

2.根据权利要求1所述的超声波雾化型碱性抛光液，其特征在于所述白碳黑的粒径为12~17nm，所述硅溶胶中硅的粒径为8~12nm。

3.根据权利要求1所述的超声波雾化型碱性抛光液，其特征在于所述硅溶胶中硅的质量分数为40.2%。

4.根据权利要求1所述的超声波雾化型碱性抛光液，其特征在于所述pH值调节剂为不含金属离子、且溶于水的胺类有机碱的水溶液，为浓度为99wt%的乙二胺、二乙醇胺、三乙胺、三乙醇胺、乙醇胺水溶液中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的超声波雾化型碱性抛光液，其特征在于所述pH值调节剂稀释液的制备方法为：向所述pH值调节剂中加入体积为所述pH值调节剂2倍的去离子水。

6.根据权利要求1所述的超声波雾化型碱性抛光液，其特征在于所述表面活性剂为非离子型表面活性剂，为烷基酚聚氧乙烯醚NP-4~NP-13。

7.根据权利要求1所述的超声波雾化型碱性抛光液，其特征在于所述氧化剂为碱性条件下可以反应的过氧化物，为过氧化氢或过硫酸铵。