CN1153823C - 用于机械化学抛光低介电常数聚合物类绝缘材料层的组合物 - Google Patents
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Abstract
一种用于机械化学抛光低介电常数聚合物类绝缘材料层的组合物，包含阳离子化的胶态氧化硅的酸性水悬浮液，该悬浮液中含有彼此非硅氧键合的个体化的胶态氧化硅微粒和作为悬浮介质的水，对低介电常数聚合物类绝缘材料层的机械化学抛光方法和用于机械化学抛光低介电常数聚合物类绝缘材料层的研磨剂。
Description
本发明涉及一种用于机械化学抛光低介电常数聚合物类绝缘材料层的组合物。
硅片上的电子器件必须通过互连金属轨道彼此连接以构成所需电路。每个金属互连平层(level)必须是电绝缘的。为此，每个平层被密封在介电层中。
集成电路的互连金属轨道通常是按照下列步骤通过金属活性离子蚀刻来制造的：借助于电子束或离子束溅射沉积一层约厚10-12m的铝或铝合金膜；然后通过光刻法，接着是活性离子蚀刻(RIE)将互连电路的图案转印在上面。然后用介电层覆盖如此确定的轨道，该介电层通常是氧化硅类，最常见地通过原硅酸四乙酯(TEOS)的气相分解而得到。随后通过机械化学抛光使该层平面化。
为了降低由这种电介质引起的电容，解决问题的途径之一是使用具有低介电常数的材料。最好选择N.H.Hendricks-Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，vol.443，1997 p 3-14和L.Peters-Semi Conductor International-Sept.1998，p.64-74中列举的那些。
保留的主要种类是：
-氟化聚(芳醚)如Flare，
-聚(芳醚)如PAE-2，
-氟化聚酰亚胺，
-二氢倍半硅氧烷(hydridosilsequioxanes)和烷基倍半硅氧烷(alkylsilsesquioxane)，
-双苯并环丁烯如Cyclotene，
-聚(对苯二亚甲基)如ParyleneN和聚(α，α，α’，α’-四氟-对苯二亚甲基)如ParyleneF，
-全氟环丁烯的芳香醚聚合物，
-芳香烃如SiLk。
为了能够被集成化在微电子互连加工过程中，这些具有低介电常数的聚合物必须基本上满足下列标准：
-填充宽度大于0.35pm的沟槽，
-玻璃转换温度大于400℃，
-低吸湿度(＜1％)，
-高热稳定性(在450℃小于1％/h)
-对金属层和其他介电层有优异的粘附性。
此外，沉积的聚合物层随后必须能通过机械化学抛光被平面化。
Y.L.Wang等人在Thin Solid Films，(1997)，308-309，p.550-554中使用研磨剂溶液抛光烷基硅氧烷层，该溶液含有碱性介质(pH＝10.2)中的热解法二氧化硅微粒，或酸性介质(pH＝3.3-4.6)中的氧化锆微粒。
G.R.Yang等人在J.Of Electronic Materials，Vol.26，N°8，1997，p.935-940中研究了用含有酸性或碱性介质中的氧化铝微粒的不同研磨剂溶液抛光后得到的ParyleneN层的表面质量。无论使用哪种研磨剂溶液，得到的抛光速度都低。
J.M.Neirynck等在Mater.Res.Soc.Symp.Proc.，1995，vol.381，p.229-235中尝试使用含有碱性介质或酸性介质中的氧化铝微粒的研磨剂溶液抛光三种具有低介电常数的聚合物，Parylene，苯并环丁烯(BCB)和氟化聚酰亚胺。
目前，将低介电常数的聚合物层并入微电子互连加工中主要遇到的问题是这种材料在通过机械化学抛光进行平面化的过程中未表现出应有的性能。对这一阶段的控制仍较差，特别是在抛光速度和抛光表面的表面状态方面。
出人意外地发现，使用含有彼此未通过硅氧键键合的胶态氧化硅微粒的阳离子化胶态氧化硅的酸性水悬浮液，就能让低介电常数聚合物类的绝缘材料层，特别是SiL型的材料层进行抛光，并且在抛光速度、抛光的均匀性和抛光表面的表面状态方面都得到很好的兼顾效果。
因此，本申请的一个目的是提供一种用于机械化学抛光低介电常数聚合物类绝缘材料层的组合物，其特征在于所述抛光组合物包括阳离子化胶态氧化硅的酸性水悬浮液，该悬浮液含有彼此并非硅氧键键合的个体化的胶态氧化硅微粒和作为悬浮介质的水。
“阳离子化胶态氧化硅的酸性水悬浮液”的意思是表面被三或四价金属氧化物如氧化铝、氧化铬、氧化镓、氧化钛或氧化锆改性的胶态氧化硅的酸性水悬浮液，具体公开在“The Chemistry of Silica-R.K.Iier-WileyInterscience(1979)”p.410-411。
在实施本发明的优选条件下，含有彼此非硅氧键合的胶态氧化硅颗粒的阳离子化胶态氧化硅酸性水悬浮液是得自含有约50重量％羟基氯化铝的溶液，其中在搅拌下加入借助钠和pH约9稳定的碱性硅溶胶。这样就得到了pH在3.5-4间的阳离子化胶态氧化硅微粒的稳定悬浮液。
在本申请中，“具有低介电常数的SiL型聚合物类绝缘材料”是指如PH.Towsend等人在Mat.Res.Soc.Symp.Proc.1997，476，p.9-17中公开的材料。这种材料是由粘度为30厘泊的低聚物溶液构成的，其聚合不需要催化剂并且不会导致形成水。聚合网是一种不含氟的芳香烃。其介电常数是2.65，其玻璃转换温度大于490℃并且其折射率为1.63。
在实施本发明的优选条件下：前述胶态氧化硅水悬浮液被三或四价金属氧化物如氧化铝、氧化铬、氧化镓、氧化钛或氧化锆，特别是氧化铝阳离子化。
实施本发明的其他优选条件是：用于机械化学抛光的上述组合物的pH在1-6间，优选2-4。
实施本发明的其他优选条件还有：上述抛光组合物含有彼此非硅氧键合的阳离子化胶态氧化硅微粒，其直径范围在3-250nm，优选10-50nm。
本发明的另一目的是一种具有低介电常数的聚合物类绝缘材料层的机械化学抛光方法，其中所述绝缘材料层的磨蚀通过使用含有研磨剂的织物摩擦该层来进行，该方法的特征在于该研磨剂含有阳离子化胶态氧化硅的酸性水悬浮液，该悬浮液含有彼此非硅氧键合的个体化的胶态氧化硅微粒和作为悬浮介质的水。
本发明的另一目的是一种尤其适用于机械化学抛光具有低介电常数的聚合物类绝缘材料层的研磨剂，包括浸渍了阳离子化胶态氧化硅的酸性水悬浮液的织物，该悬浮液含有彼此非硅氧键合的个体化的其直径在3-250nm范围内、pH在1-6范围内的胶态氧化硅微粒和作为悬浮介质的水。
实施上述研磨剂组合物的优选条件也适用于上述本发明的其他主题。
参考下列实施例可更好地理解本发明的精神，其目的仅供说明本发明的优越性。
实施例1：研磨剂组合物1
研磨剂组合物1由胶态氧化硅的酸性水悬浮液构成，含有彼此非硅氧键合且被前述的羟基氯化铝阳离子化的胶态氧化硅微粒，具有下列特征：
-水悬浮液的pH：3.5
-胶态氧化硅基本颗粒的平均直径：50nm
-胶态氧化硅的重量浓度：30％
得到本发明的研磨剂组合物1。
实施例2：用研磨剂组合物1进行机械化学抛光的实施例
在200mm直径的硅片上离心沉积10000厚的SiL。然后在二次硬化过程中450℃下聚合该层。
然后在下列抛光条件下在PRESI 2000抛光机上抛光该硅片：
-施加压力 0.5daN/cm2
-转台速度 30rpm
-磁头速度 42rpm
-磨蚀温度 10℃
-磨蚀速度 100cm3/mn
-织物 来自Rodel Products的IC 1400 AI
在抛光前后通过使用椭圆偏光测量仪硅片上17个点测量SiLK的厚度来确定抛光速度和不均匀性。
这种研磨剂组合物1得到下列结果：
-SiLK抛光速度4000/mn
-光学显微镜下观察不到刮痕。
实施例3：研磨剂组合物2
研磨剂组合物2与研磨剂组合物1相似，但胶态氧化硅的重量浓度为15％。
这样得到本发明的研磨剂组合物2。
实施例4：用研磨剂组合物2完成机械化学抛光的实施例
使用与实施例2同样的抛光参数，这种研磨剂组合物2得到下列结果：
-SiLK抛光速度6000/mn
-光学显微镜下观察不到刮痕。
相对于实施例2，尽管活性成分的浓度为二分之一，仍然记录到SiLK抛光速度的提高。
实施例5：研磨剂组合物3
研磨剂组合物3是由胶态氧化硅的酸性水悬浮液构成，该组合物含有彼此非硅氧键合且被前述的羟基氯化铝阳离子化的胶态氧化硅微粒，具有下列特征：
-水悬浮液的pH：3.5
-胶态氧化硅基本颗粒的平均直径：25nm
-胶态氧化硅的重量浓度：4.4％。
如此得到本发明的研磨剂组合物3。
实施例6：用研磨剂组合物3进行机械化学抛光的实施例
使用与实施例2同样的抛光参数，这种研磨剂组合物3得到下列结果：
-SiLK抛光速度3560/mn
-光学显微镜下观察不到刮痕。
比较实施例1：
该研磨剂组合物是由胶态氧化硅的酸性水悬浮液构成，该组合物含有彼此非硅氧键合的胶态氧化硅微粒，其特征如下：
-水悬浮液的pH：2.5
-胶态氧化硅基本颗粒的平均直径：50nm
-胶态氧化硅的重量浓度：30％。
使用与实施例2同样的抛光参数，这种研磨剂组合物产生下列结果：
-SiLK抛光速度14/mn。
这种低速度妨碍了使用这种组合物抛光低介电常数聚合物类的层。
因此，可以看到使用阳离子化胶态氧化硅的酸性水悬浮液相对于使用胶态氧化硅的酸性水悬浮液的益处。
比较实施例2：
该研磨剂组合物是由胶态氧化硅的碱性水悬浮液构成，该组合物含有彼此非硅氧键合的胶态氧化硅微粒，其特征如下：
-水悬浮液的pH：10.8
-胶态氧化硅基本颗粒的平均直径：50nm
-胶态氧化硅的重量浓度：30％。
使用与实施例2同样的抛光参数，这种研磨剂组合物产生下列结果：
-SiLK抛光速度62/mn。
这种低速度妨碍了使用这种组合物抛光低介电常数聚合物类的层。
因此，可以看到使用阳离子化胶态氧化硅的酸性水悬浮液相对于使用胶态氧化硅的碱性水悬浮液的益处。
Claims (10)
1.一种用于机械化学抛光具有低介电常数的聚合物类绝缘材料层的组合物，其特征在于所述抛光组合物包括阳离子化胶态氧化硅的酸性水悬浮液，该悬浮液含有彼此非硅氧键合的个体化胶态氧化硅微粒和作为悬浮介质的水。
2.根据权利要求1的用于机械化学抛光的组合物，其特征在于该胶态氧化硅酸性水悬浮液被铝、铬、镓、钛、锆阳离子化。
3.根据权利要求2的用于机械化学抛光的组合物，其特征在于该胶态氧化硅酸性水悬浮液被羟基氯化铝阳离子化。
4.根据权利要求1-3中任一项的用于机械化学抛光的组合物，其特征在于所述组合物的pH在1-6范围内。
5.根据权利要求4的用于机械化学抛光的组合物，其特征在于所述组合物的pH范围在2-4。
6.根据权利要求1-3中任一项的用于机械化学抛光的组合物，其特征在于所述组合物包含彼此非硅氧键合的直径为3-250nm的个体化氧化硅微粒。
7.根据权利要求6的用于机械化学抛光的组合物，其特征在于所述组合物包含彼此非硅氧键合的直径为10-50nm的个体化氧化硅微粒。
8.一种低介电常数聚合物类绝缘材料层的机械化学抛光方法，其中所述绝缘材料层的磨蚀通过使用含有研磨剂的织物摩擦该层来进行，该方法的特征在于该研磨剂含有阳离子化胶态氧化硅的酸性水悬浮液，该悬浮液含有彼此非硅氧键合的个体化的胶态氧化硅微粒和作为悬浮介质的水。
9.根据权利要求8的机械化学抛光方法，其特征在于低介电常数聚合物类绝缘材料是芳香烃型。
10.一种用于机械化学抛光低介电常数聚合物类绝缘材料层的研磨剂，其中包含浸渍了阳离子化胶态氧化硅的酸性水悬浮液的织物，该悬浮液含有彼此非硅氧键合的直径为3-250nm、pH在1-6范围内的个体态氧化硅微粒和作为悬浮介质的水。
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