CN1887997A

CN1887997A - 超大规模集成电路多层布线SiO2介质的纳米SiO2磨料抛光液

Info

Publication number: CN1887997A
Application number: CN 200610014298
Authority: CN
Inventors: 刘玉岭; 孙鸣
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology; Hebei Polytechnic University
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2007-01-03

Abstract

本发明涉及一种超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液。该抛光液的组分及重量％如下：磨料：二氧化硅水溶胶固含量：20－45，复合碱：0.5－5.5，渗透剂：1.0－10，表面活性剂：1.0－10，螯合剂：0.5－10，余量：去离子水；将上述各组分逐级混合，搅拌均匀即可。该抛光液的配制主要以小粒径球形纳米无定形SiO₂水溶胶作为基本磨料，利用氢氧化钾与多羟多胺有机碱形成的复合碱共同调节抛光液pH值范围至10.5－13.5，且复合碱中有效成分的水解产物能够与SiO₂介质发生化学反应，抛光液中的渗透剂与FA/O表面活性剂强化抛光液的表面质量传递作用。该抛光液抛光效率高、周期短、成本低、污染小。

Description

超大规模集成电路多层布线SiO2介质的纳米SiO2磨料抛光液

技术领域

本发明涉及用于微电子加工领域中的化学机械抛光液，特别涉及一种超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液。

背景技术

当前，集成电路制造业飞速发展，成为推动国民经济和社会信息化发展最主要的高新技术之一。IC集成度已达到数亿器件/片。IC互连工艺多层布线已达到十几层，IC中的元器件趋于更小特征尺寸，结构微细化、薄膜化和多层立体布线高聚集化。为实现IC布线多层立体化并满足高分辨的光刻曝光精度，互连工艺中每一层二氧化硅(SiO₂)介质薄膜几乎都需要平坦化。SiO₂介质薄膜平坦化程度与微形貌差是制约IC中的元器件趋于更小特征尺寸，结构微细化、薄膜化和多层立体布线高聚集化发展的关键影响因素。

由于器件尺寸的不断缩小，光学光刻设备焦深的减小，要求晶片表面可接受分辨率的平整度达到纳米级。类似的金属化和介质层淀积的工艺步骤引起了晶片表面的变化，特别是当图形层数增加时，变化更为突出。金属层数增加，芯片须十分平坦才能达到刻蚀要求。未抛光表面的形貌差将随金属层数量的增加而迅速增加。现在的光刻机步进器使用大数值孔径的镜头，焦深很小，正是这种小的焦深推动了全局平面化的发展。解决办法只有改进片子的平整度，减小形貌差。传统的平面化技术，如只能提供局部平面化，不能做到全局平面化。化学机械抛光既可以得到完美的表面，又可以得到较高的抛光速率，而且能够减少缺陷，还可以通过提高表面平整度来提高套刻精度，从而达到减小特征尺寸提高集成度的目的。化学机械抛光得到的平整度比其它方法高两个数量级，是能够实现全局平面化的唯一方法。因此，近几年来化学机械抛光技术已成为超大规模集成电路制备中最关键的技术之一。

由于SiO₂介质中硅是+4价，常温下化学性质稳定，不能发生氧化还原的化学反应，能与水发生极缓慢的水合反应。关于SiO₂介质的化学机械抛光，国际上研究一直认为是以机械研磨为主，化学作用方面因为是水合作用效果相对较微弱属于慢过程，抛光速率较低。为提高抛光速率，目前国际上一般采取增大磨料粒径的方法，但由于磨料粘度大、粒径大，易造成划伤，且抛光液及抛光产物在表面吸附，难于清洗。因此，抛光后SiO₂介质表面状态不理想，粗糙度较高，有待改善。而且现有国际SiO₂介质抛光液产品的浓度较低，抛光后片子容易产生塌边，造成废片率过高。

目前国外已有的SiO₂介质水溶胶抛光液的成型产品，主要以KOH、NH₄OH作为pH调节剂，pH范围主要在10.5-11.0，但其组成都未公开而属于保密技术。仅从常用产品的使用效果进行分析有如下结果：美国SYTONOX-K二氧化硅水溶胶抛光液产品，pH值为10.2，固含量为30.0wt％，比重1.205g/cm³。与其它国外产品一样存在粘度大，不易清洗等弊端。此外，国外已有的商用SiO₂介质水溶胶抛光液普遍价格较昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种组分合理、制备简单，具有强碱性、高浓度、小粒径、高活性等特性的超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液。

为实现上述目的本发明所采用的实施方式如下

一种超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液，其特征在于抛光液的组分及重量％如下：

磨料：二氧化硅水溶胶固含量：20-45，

复合碱：0.5-5.5，

渗透剂：1.0-10，

表面活性剂：1.0-10，

螯合剂：0.5-10，

余量：去离子水；

将上述各组分逐级混合，搅拌均匀即可。

所述的抛光液基本磨料的粒径为15-30nm硅溶胶水溶液，磨料粒径分散度为±2.5nm。

所述的复合碱由KOH与胺碱组成，KOH∶胺碱＝1∶1-1∶10。

所述的胺碱是不含金属离子，且溶解于水的多羟多胺类有机碱，选用二羟乙基乙二胺、三乙醇胺、四羟乙基乙二胺之一。

所述的渗透剂是聚氧乙烯仲烷基醇醚(JFC)与O类，均具有较强的渗透能力，如HJFC或O-20(C_12-18H_25-37-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₇₀-H)。

所述的表面活性剂是非离子表面活性剂-Oπ系列、O系列、OS系列，具有高活性，如Oπ-10((C₁₀H₂₁-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₁₀-H)，O-20(C_12-18H_25-37-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₇₀-H)，OS-15的一种或一种以上。

所述的螯合剂是其不含金属离子，溶解于水，能与多种金属离子螯合成环，尤其以螯合环数≥5的胺碱螯合效果较好，河北工业大学微电子所自行研制FA/O螯合剂，其有效成分是乙二胺四乙酸四羟乙基乙二胺，具有13个以上螯合环，溶解于水，能与多种金属离子形成极稳定的螯合物，螯合效果显著。

所述的抛光液pH值为10.5-13.5。

本发明打破了国外单纯以含金属K⁺较多的氢氧化钾或挥发性较强的氨水作为pH调节剂的方式，另辟蹊径，提出了以少量氢氧化钾与不含金属离子的胺碱为组合的复合碱作为新型pH调节剂的模式，并且复合碱中氢氧化钾与胺碱的有效成分能够发挥一剂多用的作用，除了缓冲pH值稳定pH值变化外，一方面能够与SiO₂介质发生连锁化学反应，将其转化为易溶性硅酸盐与具有大分子量的胺盐形式，在CMP条件下使产物较容易脱离抛光介质表面，并在一定程度上增强了产物的溶解度。另一方面，复合碱中的胺碱成分能够与重金属离子络合，形成络合物，减少重金属离子在介质表面的吸附与聚集。综合而言总体上增强了抛光液的化学作用。所研制抛光液中添加的有效渗透剂兼有润滑剂作用，渗透力较强，有良好的起泡力和消泡力，能极大地降低抛光液的表面张力，使本抛光液具有良好的渗透性，使抛光液很容易渗透到介质与抛光垫之间，具有减小磨料与抛光表面之间的摩擦作用，有效的降低机械划伤，提高SiO₂介质表面的完美度。良好的渗透性促使抛光液及时均匀的作用于介质与抛光垫之间，保证其化学作用的连贯性与一致性，并发挥其冷却作用，防止SiO₂介质表面热应力的积累与梯度分布的不均性。所研制抛光液中添加的有效表面活性剂是非离子活性剂，具有增强抛光液的润滑铺展作用，能够使活性剂分子优先吸附在SiO₂介质表面，并能阻止抛光产物的再沉积，表面活性剂的物理吸附-解吸效应使介质表面抛光后易清洗，有利于SiO₂介质的清洗；另一方面，抛光过程中，随着介质表面凸处的逐渐去除，液面局部不断变形，产生吸附量和表面压的不均匀，吸附分子将自动地从液膜密度大处附带抛光液流向密度小处，从而对液膜的变形和损伤进行修复，在一定程度上，也促使介质表面凸处去除速率加快、低处去除速率延缓，进而整体上改善抛光速率与介质平整度。在此基础上，公开一种化学作用强、易清洗、有良好的渗透与表面润滑作用，能明显降低SiO₂介质表面粗糙度并有效提高表面平整度的新型SiO₂介质化学机械抛光液的配制技术。

本发明中各组分的作用分别为：

胺碱是一种有机醇，例如二羟乙基乙二胺。二羟乙基乙二胺，溶于水和醇，微溶于醚；极具吸湿性、强碱性。其为高分子有机物，分子量：M＝186，其分子式为：

具有低毒，无雾，易清洗，用量是单胺的1/2，效力高等特性。二羟乙基乙二胺的作用是：

1、一部分二羟乙基乙二胺用以调整pH值，具有较宽的pH调节范围。

2、缓冲性极强，能有效稳定pH值，稳定抛光速率，能有效避免pH值突变引起抛光液成分凝聚与沉淀，局部去除速率均匀，能得到较高的平行度。

3、一部分二羟乙基乙二胺可与SiO₂水合层表面反应，并放热加速反应。

该反应产物分子很大，在压力、磨料和抛光布的摩擦作用下，很容易地脱离介质表面，加速机械去除，提高去除速率。

一部分二羟乙基乙二胺与金属离子反应，生成络合物。即：

可以有效减少金属离子在SiO₂介质表面的玷污。

渗透剂兼有润滑剂作用，渗透力较强，有良好地起泡力和消泡力，能极大的降低抛光液的表面张力，使本抛光液具有良好的渗透性，使抛光液很容易渗透到介质与抛光垫之间，具有减小磨料与抛光表面之间的摩擦作用，有效的降低机械划伤，提高SiO₂介质表面的完美度。良好的渗透性促使抛光液及时均匀的作用于介质与抛光垫之间，保证其化学作用的连贯性与一致性，并发挥其冷却作用，防止SiO₂介质表面热应力的积累与梯度分布的不均性。

所用表面活性剂是非离子活性剂，具有增强抛光液的润滑铺展作用，能够使活性剂分子优先吸附在SiO₂介质表面，并能阻止抛光产物的再沉积，表面活性剂的物理吸附-解吸效应使介质表面抛光后易清洗，有利于SiO₂介质的清洗；另一方面，抛光过程中，随着介质表面凸处的逐渐去除，液面局部不断变形，产生吸附量和表面压的不均匀，吸附分子将自动地从液膜密度大处附带抛光液流向密度小处，从而对液膜的变形和损伤进行修复，在一定程度上，也促使介质表面凸处去除速率加快、低处去除速率延缓，进而整体上改善抛光速率与介质平整度。

去离子水按实际抛光要求稀释硅溶胶水溶液，以满足实际生产需要。

螯合剂FA/O是由河北工业大学研制并生产，具有优良去除金属离子的性能，尤其是可以明显去除Cu离子。

本发明的有益效果和优点是：

为了克服上述难题，进一步研究增强SiO₂介质化学机械抛光液与SiO₂介质化学作用的问题成为研制新型SiO₂介质化学机械抛光液重点，申请人经过长期研究，总结出：以易清洗，小粒径，低粒径分散度的纳米二氧化硅溶胶为磨料，以避免划伤和沾圬。并且抛光液中的硅溶胶浓度较高，有效避免了抛光后片子表面的塌边现象。利用氢氧化钾与多羟多胺有机碱形成的复合碱共同调节抛光液pH值范围至10.5-13.5，且复合碱中有效成分的水解产物能够与SiO₂介质发生化学反应，进一步加强抛光液的化学作用，抛光液中的渗透剂与FA/O表面活性剂强化抛光液的表面质量传递作用。在加工过程中，该抛光液在实现磨料机械研磨作用与水合化学作用基础上，主要利用复合碱及其产物与SiO₂介质发生连锁化学反应，将其转化为易溶性硅酸盐与具有大分子量的胺盐形式，增强化学作用。在此基础上结合具体加工工艺，有效解决了目前氧化物化学机械抛光中存在的表面划伤、颗粒吸附难以清洗、金属离子沾污等问题，达到了高完美、高平整、高光洁的CMP工艺水平。

1、将现有以KOH(或氨水)为pH值调节剂的碱性SiO₂介质抛光液改进为以KOH与胺碱有效混合的复合碱作为抛光液pH调节剂，从根本上转变了以往SiO₂介质抛光以机械磨除为主，水合化学作用为辅的传统模式，通过胺碱的水解产物与SiO₂介质的化学反应，在CMP条件下使反应产物转换为可溶性硅酸盐和具有大分子量的胺盐形式，加快产物的去除，增强了化学作用，使SiO₂介质抛光能够实现化学机械作用的动态平衡。

2、实现了13.5＞pH＞10.5强碱环境下，抛光液不凝聚，SiO₂水溶胶磨料不溶解，稳定性好。

3、加入非离子活性剂与螯合剂后，增强了抛光液的活性，实现了CMP条件下高pH值、高浓度、小粒径SiO₂水溶胶为基本磨料的SiO₂介质化学机械抛光，有效减少了抛光产生的蚀坑、塌边，达到低粗糙度、高抛光速率、高平整、高光洁的抛光效果。

4、渗透、润滑和冷却作用显著，抛光后SiO₂介质表面划伤、粗糙度等明显下降。

5、成本价格较低，有利于取代进口SiO₂介质抛光液。

6、高抛光效率，有效缩短加工周期，提高生产效率。

7、低污染、利于环保。

具体实施方式

以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式详述如下：

实施例1

配制1375g SiO₂磨料抛光液。

向1000g 15nm粒径、粒径分散度为±2.5nm的50wt％SiO₂水溶胶溶液中加入40gJFC、40gFA/O I型活性剂、50gFA/O螯合剂搅拌并混合均匀；并在生产加工前向上述混合液中加入30g二羟乙基乙二胺搅拌均匀，然后将15g KOH用200g去离子水稀释后加入到上述混合液中，搅拌均匀；所配抛光液的pH值在10.5-13.5。

实施例2

配制1495g SiO₂磨料抛光液。

向1000g20nm粒径、粒径分散度为±2.5nm的40wt％SiO₂水溶胶溶液中加入40gJFC、40gFA/O I型活性剂、50gFA/O螯合剂搅拌并混合均匀；并在生产加工前向上述混合液中加入40g三乙醇胺搅拌均匀，然后将25gKOH用300g去离子水稀释后加入到上述混合液中，搅拌均匀；所配抛光液的pH值在10.5-13.5。

实施例3

配制1555g SiO₂磨料抛光液。

向1000g 25nm粒径、粒径分散度为±2.5nm的45wt％SiO₂水溶胶溶液中加入60g HJFC或O-20(C_12-18H_25-37-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₇₀-H)，加入45gOπ-10((C₁₀H₂₁-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₁₀-H)、O-20(C_12-18H_25-37-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₇₀-H)、OS-15的一种或一种以上表面活性剂，加入50gFA/O螯合剂搅拌并混合均匀；并在生产加工前向上述混合液中加入80g四羟乙基乙二胺搅拌均匀，然后将20gKOH用300g去离子水稀释后加入到上述混合液中，搅拌均匀；所配抛光液的pH值在10.5-13.5。

上述参照实施例对超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液，其特征在于抛光液的组分及重量％如下：

磨料：二氧化硅水溶胶固含量：20-45，

复合碱：0.5-5.5，

渗透剂：1.0-10，

表面活性剂：1.0-10，

螯合剂：0.5-10，

余量：去离子水；

将上述各组分逐级混合，搅拌均匀即可。

2、根据权利要求1所述的超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液，其特征在于：所述的抛光液基本磨料的粒径为15-30nm硅溶胶水溶液，磨料粒径分散度为±2.5nm。

3、根据权利要求1所述的超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液，其特征在于：所述的复合碱由KOH与胺碱组成，KOH∶胺碱＝1∶1-1∶10。

4、根据权利要求3所述的超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液，其特征在于：所述的胺碱是不含金属离子，且溶解于水的多羟多胺类有机碱，选用二羟乙基乙二胺、三乙醇胺、四羟乙基乙二胺之一。

5、根据权利要求1所述的超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液，其特征在于：所述的渗透剂是聚氧乙烯仲烷基醇醚(JFC)与0类，如HJFC或0-20(C_12-18H_26-37-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₇₀-H)。

6、根据权利要求1所述的超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液，其特征在于：所述的表面活性剂是非离子表面活性剂-Oπ系列、O系列、OS系列，如0π-10((C₁₀H₂₁-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₁₀-H)，0-20(C_12-18H_26-37-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)70-H)，OS-15的一种或一种以上。

7、根据权利要求1所述的超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液，其特征在于：所述的螯合剂是不含金属离子、且溶解于水，能与多种金属离子螯合成环，具有13个以上螯合环的FA/O螫合剂。

8、根据权利要求1所述的超大规模集成电路多层布线SiO₂介质的纳米SiO₂磨料抛光液，其特征在于：所述的抛光液pH值为10.5-13.5。