CN102796460A

CN102796460A - 一种二氧化硅基cmp抛光液及其制备方法

Info

Publication number: CN102796460A
Application number: CN2012103178825A
Authority: CN
Inventors: 高桂花; 张兰田
Original assignee: Safety (tianjin) Technology Co Ltd
Current assignee: Safety (tianjin) Technology Co Ltd
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: CN102796460B

Abstract

本发明提供一种应用于超大规模集成电路硅衬底及层间介质全局平坦化的二氧化硅基CMP抛光液及其制备方法。抛光液中含有重量百分比为10～50％的纳米二氧化硅研磨料，0.1～10％的分散剂，0.1～10％的润湿剂，0.1～10％的螯合剂，0.01～1％的pH调节剂，其余为去离子水。该抛光液是通过用表面活性剂改性，强力机械搅拌，高剪切研磨以及超声波分散等手段，克服了纳米级磨料颗粒极易絮凝、团聚问题进行制备的。由于磨料的粒度分布窄，范围可选择，抛光速率容易调控，抛光液为碱性，不腐蚀设备，损伤少、易清洗、不污染环境。可以用于超大规模集成电路硅衬底、层间电介质、浅沟槽隔离绝缘体、导体和镶嵌金属的化学机械抛光。

Description

一种二氧化硅基CMP抛光液及其制备方法

技术领域

本发明涉及CMP（化学机械抛光）抛光液，特别涉及一种应用于超大规模集成电路硅衬底及层间介质全局平坦化的二氧化硅基CMP抛光液及其制备方法。

背景技术

随着超大规模集成电路器件特征尺寸的减小和集成度的提高，要求作为硅衬底或层间介质表面平均粗糙度Ra和平均波纹度Wa均应＜1nm,为此，CMP抛光液必须做到高速率、低损伤、高选择性和容易清洗。为了提高品竞争能力，在满足这些要求的同时还必须千方百计降低生产成本，降低能源消耗和环境污染。但是对于二氧化硅基CMP抛光液的制造过程而言，公知的制备方法多是通过晶体生长法，即先将水玻璃原料溶解于水中，通过离子交换树脂将硅酸钠中的钠离子交换出来，得到SiO₂晶种。并在一定的工艺条件下，让SiO₂颗粒长大到需要的粒度大小及分布，再经过超滤、浓缩制得成品。例如，美国专利US 4356107 公开的高温高压法在130-370℃的高压容器中制得40nm左右的硅溶胶。此方法采用的设备投资大，生产成本高，安全隐患也多。用该专利提供的方法生产的产品还存在着金属离子含量高，易吸附，难清洗等问题。美国专利US 3440174、 US 3673104、 US 3947376公开的在常压条件制备大粒径硅溶胶的方法，反应时间长，能耗特别大。中国专利CN 1155514A 公开的大颗粒纳米SiO₂硅溶胶的制造方法，虽然也在常压下进行，但粒度分散性较大，且反应时间长达24小时，最后还须用微孔膜滤除小于20nm的颗粒，最终产品含有多种金属杂质离子。可见通过简化工艺流程提高操作的专业化程度来保证产品质量是当今需要解决的重要课题。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的问题，本发明提供一种二氧化硅基CMP抛光液及其制备方法。通过直接采用专业化企业以及规模化生产的指定规格纳米二氧化硅粉体作为抛光液的磨料，在通过分散剂表面改性，运用高速机械搅拌，高剪切研磨和超声波分散等技术手段把纳米微粒特有的大比表面积及由于小尺寸效应，量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致的表面自由能高，热力学状态不稳定，极易凝聚成团的SiO₂粉体稳定地分散到纳米级，制备出市场适用的CMP抛光液。可以用于超大规模集成电路硅衬底、层间电介质、浅沟槽隔离绝缘体、导体和镶嵌金属的化学机械抛光。

本发明采取的技术方案是：一种二氧化硅基CMP抛光液，其特征在于：抛光液中含有重量百分比为10～50％的纳米二氧化硅研磨料，0.1～10％的分散剂，0.1～10％的润湿剂，0.1～10％的螯合剂，0.01～1％的PH调节剂，其余为去离子水。

本发明所述的一种二氧化硅基CMP抛光液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（一）. 按照比例先将分散剂、润湿剂、螯合剂溶于去离子水中搅拌至完全溶解；

（二）.加PH调节剂调节溶液PH值；

（三）.按照比例边搅拌边加入纳米二氧化硅研磨料；

（四）.将搅拌均匀的溶液通过研磨机进行研磨；

（五）.最后再经超声波进行分散，即制得成品。

超声波分散时间为30～60分钟。

本发明通过加入表面活性剂作为分散剂降低磨料粒子表面活性和自由能，防止自发凝聚成团；利用高速机械搅拌使磨料粒子在液体中分散的更均匀；对液体进行高剪切力研磨，破坏掉已生成聚团；对液体进行超声波分散，防止磨料颗粒沉降，提高分散稳定性。

本发明与现有技术相比有以下优点：

1.由于选用指定规格的纳米二氧化硅研磨料粒度分布窄，抛光速率容易调控，平坦化效率高。

2.工艺流程简化,生产设备减少,成本降低。

3.研磨料利用率高，浪费少，加工表面容易清洗。

4.抛光液呈碱性（PH ≈10），不腐蚀设备。

5.节约了能源，环境污染减小。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。本发明所采用的纳米二氧化硅粉体、分散剂、润湿剂、螯合剂以及PH调节剂均为常规市售工业品及分析纯或者化学纯化学试剂。

二氧化硅基CMP抛光液中的纳米二氧化硅研磨料选用专业公司生产的纳米二氧化硅粉体。纳米二氧化硅粉体的平均粒径为10～180nm。纳米二氧化硅粉体可以由气相化学反应法、沉淀法、溶胶-凝胶法和微乳液法等方法制得。

分散剂是非离子表面活性剂，选用脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯基醇酰胺及聚醚类化合物中的任意一种。

润湿剂选用高级脂肪酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐、甲醇、乙醇及异丙醇中的任意一种或两种。高级脂肪酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐属于阴离子表面活性剂。

螯合剂选用柠檬酸铵、乙二胺四乙酸胺、四（2-羟乙基）乙二胺、羧甲基纤维素及水溶性丙烯酸聚酯树脂中的任意一种或两种。

PH调节剂选用氨水、三乙醇胺、四甲基氢氧化铵中的任意一种或两种混合物。二氧化硅基CMP抛光液PH值为8～12。

实施例1：配制100克二氧化硅基CMP抛光液

取70克去离子水，在强烈搅拌下依次加入2克脂肪醇聚氧乙烯（9）醚分散剂，0.6克脂肪酸盐和0.4克乙醇，0.5克四（2-羟乙基）乙二胺螯合剂及0.5克羧甲基纤维素；搅拌至均匀透明，使固体完全溶解，并用三乙醇胺调节溶液PH值到10左右，再缓缓向溶液中加入15克粒径为20～30nm的纳米二氧化硅粉体，边加入边剧烈地搅拌，在搅拌过程中，可根据溶液总量适当加入少量去离子水，并将溶液中的固体颗粒簇团捣碎，继续搅拌均匀，最后再进行超声分散30分钟，即制得成品。

稳定性测试：将制得的抛光液注入50ml玻璃比色管中，至液面与管最上部的刻度持平；然后于室温下静置24小时，观察液体分水程度，上层清液的厚度为4.4mm（以上层清液的厚度不得超过5mm为合格）。

Zeta电位测试：采用JS94F型微电泳仪测试抛光液中磨料颗粒的表面Zeta电位，其绝对值为58mv（其绝对值应在50～70mv为合格）。

实施例2：配制200克二氧化硅基CMP抛光液

先取170克去离子水，在强烈的搅拌下依次加入4克聚氧乙烯基醇酰胺分散剂，2克甲醇，0.8克乙二胺四乙酸二胺螯合剂及1.2克羧甲基纤维素，搅拌至均匀透明，使固体完全溶解，并用四甲基氢氧化铵调节溶液PH值近似等于10，再缓缓向溶液中加入20克粒径为60～80nm的纳米二氧化硅粉体，边加入边剧烈地搅拌，在搅拌过程中，可根据溶液总量适当加入少量去离子水，并将溶液中的固体颗粒簇团捣碎，继续搅拌均匀，最后再进行超声分散40分钟，即制得成品。

稳定性测试：将制得的抛光液注入到50ml比色管中，直到管中的液面与管最上面的刻度线持平，然后于室温下静置24小时，观察液体分水程度，上层清液厚度为4.5mm（以上层清液的厚度不得超过5mm为合格）。

Zeta电位测试：采用JS94F型微电泳仪测试抛光液中磨料颗粒的表面Zeta电位，其绝对值为60mv（其绝对值应在50～70mv为合格）。

实施例3 ：配制500克二氧化硅基CMP抛光液

先取360克去离子水，在强烈的搅拌下依次加入8克脂肪酸聚氧乙烯酯，5克乙醇，3克柠檬酸铵螯合剂及6克羧甲基纤维素，搅拌至均匀透明，使固体完全溶解，并用氨水和三乙醇胺混合液调节溶液PH值近似等于10，再缓缓向溶液中加入120克粒径为100～120nm的纳米二氧化硅粉体，边加入边剧烈地搅拌，在搅拌过程中，可根据溶液总量适当加入少量去离子水，并将溶液中的固体颗粒簇团捣碎，继续搅拌均匀，最后再进行超声分散50分钟，即制得成品。

稳定性测试：将制得的抛光液注入到50ml比色管中，直到管内液面与管上面的刻度线持平，然后于室温下静置24小时，观察溶液分水程度，上层清液厚度为4.8mm（以上层清液的厚度不得超过5mm为合格）。

Zeta电位测试：采用JS94F型微电泳仪测试抛光液中磨料颗粒表面的Zeta电位，其绝对值为62mv（其绝对值应在50～70mv为合格）。

以上实施例适用于二氧化硅基CMP抛光液的小剂量配制，在加PH调节剂调节溶液PH值时，通过采用滴管滴入即可达到调节溶液PH值近似等于10的要求，同时在向溶液中加入纳米二氧化硅粉体时，边加入边剧烈地搅拌，并将溶液中的固体颗粒簇团捣碎。如果形成大规模生产，则按照比例边搅拌边加入纳米二氧化硅粉体，将搅拌均匀的溶液通过研磨机进行研磨，即可达到要求。

Claims

1.一种二氧化硅基CMP抛光液，其特征在于：抛光液中含有重量百分比为10～50％的纳米二氧化硅研磨料，0.1～10％的分散剂，0.1～10％的润湿剂，0.1～10％的螯合剂，0.01～1％的PH调节剂，其余为去离子水。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化硅基CMP抛光液，其特征在于：所述的纳米二氧化硅研磨料选用纳米二氧化硅粉体。

3.根据权利要求1所述的一种二氧化硅基CMP抛光液，其特征在于：所述的分散剂选用脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯基醇酰胺及聚醚类化合物中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种二氧化硅基CMP抛光液，其特征在于：所述的润湿剂选用脂肪酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐、甲醇、乙醇及异丙醇中的任意一种或两种。

5.根据权利要求1所述的一种二氧化硅基CMP抛光液，其特征在于：所述的螯合剂选用柠檬酸铵、乙二胺四乙酸胺、四（2-羟乙基）乙二胺、羧甲基纤维素及水溶性丙烯酸聚酯树脂中的任意一种或两种。

6.根据权利要求1所述的一种二氧化硅基CMP抛光液，其特征在于：所述的PH调节剂选用氨水、三乙醇胺、四甲基氢氧化铵中的任意一种或两种混合物。

7.根据权利要求2所述的一种二氧化硅基CMP抛光液，其特征在于：所述的纳米二氧化硅粉体的平均粒径为10～180nm。

8.根据权利要求1所述的一种二氧化硅基CMP抛光液，其特征在于：所述的抛光液的PH值为8～12。

9.根据权利要求1 所述的一种二氧化硅基CMP抛光液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（二）.加PH调节剂调节溶液PH值；

（三）.按照比例边搅拌边加入纳米二氧化硅研磨料；

（四）.将搅拌均匀的溶液通过研磨机进行研磨；

（五）.最后再经超声波进行分散，即制得成品。

10. 根据权利要求9所述的一种二氧化硅基CMP抛光液的制备方法，其特征在于：超声波分散时间为30～60分钟。