含硅有机化合物在延长化学机械抛光液中研磨颗粒稳定性中的应用的制作方法
【专利摘要】含硅有机化合物在延长化学机械抛光液中研磨颗粒稳定性中的应用。本发明通过硅烷偶联剂实现了在高离子强度下的化学机械抛光液的分散稳定性。加入了该硅烷偶联剂的抛光液中的研磨颗粒可以长时间的保持分散稳定。
【专利说明】含硅有机化合物在延长化学机械抛光液中研磨颗粒稳定性 中的应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种含硅有机化合物在延长化学机械抛光液中研磨颗粒稳定性中的 应用。
【背景技术】
[0002] 随着半导体技术的不断发展，以及大规模集成电路互连层的不断增加，导电层和 绝缘介质层的平坦化技术变得尤为关键。二十世纪80年代，由IBM公司首创的化学机械抛 光（CMP)技术被认为是目前全局平坦化的最有效的方法。
[0003] 化学机械抛光（CMP)由化学作用、机械作用以及这两种作用结合而成。它通常由 一个带有抛光垫的研磨台，及一个用于承载芯片的研磨头组成。其中研磨头固定住芯片，然 后将芯片的正面压在抛光垫上。当进行化学机械抛光时，研磨头在抛光垫上线性移动或是 沿着与研磨台一样的运动方向旋转。与此同时，含有研磨颗粒的浆液被滴到抛光垫上，并因 离心作用平铺在抛光垫上。芯片表面在机械和化学的双重作用下实现全局平坦化。
[0004] 目前，化学机械抛光液（CMP)所用的研磨颗粒通常采用二氧化硅，包括硅溶胶 (colloidal silica)和气相二氧化娃（fumed silica)。它们本身是固体，但是在水溶液中 可以均匀分散，不沉降，甚至可以保持1至3年的长期稳定性。
[0005] 研磨颗粒在水相中的稳定性(不沉降）可以用双电层理论解释一由于每一个颗粒 表面带有相同的电荷，它们相互排斥，不会产生凝聚。
[0006] 双电层理论源于1879年，Helmholtz研究胶体运动时，最早提出双电层模型。这 个模型如同一个平板电容器，认为固体表面带有某种电荷，介质带有另一种电荷，两者平 行，且相距很近，1910和1913年，Gouy和Chapman先后作出改进，提出了一个扩散双电层模 型。这个模型认为，介质中的反离子不仅受固体表面离子的静电吸引力、整齐地排列在表面 附近，而且还要受热运动的影响，使其离开表面，无规则地分散在介质中。这便形成扩散双 电层结构。1924年，Stern进一步改进了扩散双电层模型，Stern认为扩散层应分成两个部 分：第一部分包括吸附在表面的一层离子，形成一个内部紧密的双电层，称为Stern层；第 二部分才是Gouy-Chapman扩散层。两层中的离子是相互平衡的。Stern双电层模型可视 为由Helmholtz模型和Gouy -Chapman模型组合而成。按照Stern模型，胶体离子在运动 时，在切动面上会产生Zeta电势。Zeta电势是胶体稳定性的一个重要指标，因为胶体的稳 定是与粒子间的静电排斥力密切相关的。Zeta电势的降低会使静电排斥力减小，致使粒子 间的van der Waals吸引力占优，从而引起胶体的聚沉和破坏。
[0007] 胶体的稳定性除了受zeta电势的影响，还受其他许多因素的影响。例如，受温度 的影响，在较高温度下，颗粒无规则热运动加剧，相互碰撞的几率增加，会加速凝聚；例如， 受PH值影响，在强碱性、强酸性条件下比中性稳定，其中碱性最稳定，PH值4-7区间最不 稳定；例如，受表面活性剂种类的影响，有些表面活性可以起到分散剂的作用，提高稳定性， 而有些表面活性剂会降低纳米颗粒表面电荷，减小静电排斥，加速沉降。在表面活性剂中， 通常阴离子型表面活性剂有利于纳米颗粒的稳定性，而阳离子型表面活性剂容易降低稳定 性；再例如，和添加剂的分子量有关，太长的聚合物长链有时会缠绕纳米颗粒，增加分散液 的粘度，加速颗粒凝聚。因此，硅溶胶的稳定性受多反面因素的影响。
[0008] 美国专利60142706和美国专利09609882公开了含有硅烷偶联剂的抛光液和抛光 方法。其中硅烷偶联剂起到改变多种材料的抛光速度以及改善表面粗糙度的作用。这两篇 专利并没有发现：在高离子强度（>〇. lmol/Kg)时，硅烷偶联剂可以起到对抗高离子强度的 作用、稳定纳米颗粒。因为通常在含有非常高的离子强度时(例如含有大于>〇. 2mol/Kg钾 离子)，硅溶胶颗粒的双电层会被大幅压缩，静电排斥力减小，迅速形成凝胶、破坏稳定性。 除此之外，通过试验还发现，硅烷偶联剂并非在全部浓度范围，而是在某个特定浓度范围区 间内才能起到稳定剂的作用，过高的硅烷偶联剂浓度反而会加速纳米颗粒的沉降。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是如何在高离子强度下，延长化学机械抛光液中研磨 颗粒的稳定性和分散度。
[0010] 本发明公开一种方法，采用含硅的有机化合物，在高电解质离子强度时，能够稳定 研磨颗粒，从而生产高倍浓缩的产品。
[0011] 该含硅的有机化合物可以用下述通式表示：
[0012] 通式：
【权利要求】
1. 一种含硅的有机化合物在延长含有电解质离子的化学机械抛光液中研磨颗粒稳定 性中的应用，其中所述电解质离子的离子强度大于或等于0. lmol/Kg，其特征在于，所述含 硅的有机化合物为自由分散在水相中，或已经和研磨颗粒之间通过化学键相连。
2. 如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述含硅的有机化合物具有如下分子结构：
其中，所述R为不能水解的取代基；D是连接在R上的有机官能团；A，B为相同的或不同 的可水解的取代基或羟基；C是可水解基团或羟基，或不可水解的烷基取代基；D为氨基、巯 基、环氧基、丙稀酸基、乙稀基、丙稀醜氧基或脈基。
3. 如权利要求2所述的应用，其特征在于，所述含硅的有机化合物中R为烷基，且所述 烷基碳链上的碳原子被氧、氮、硫、膦、卤素、硅等其他原子继续取代；A，B和C分别为氯基、 甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基或羟基。
4. 如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述含硅的有机化合物为3-氨基丙基三乙 氧基硅烷(商品名1(!1-550)，￥-(2,3-环氧丙氧基）丙基三甲氧基硅烷(商品名1(!1-560)， Y _ (甲基丙稀醜氧）丙基二甲氧基娃烧(商品名ΚΗ-570)，γ -疏丙基二乙氧基娃烧(商品 名KH-580 )，γ -巯丙基三甲氧基硅烷(商品名ΚΗ-590 )，Ν-(β -氨乙基）-γ -氨丙基甲基二 甲氧基硅烷(商品名KH-602)，Y-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷(商品名ΚΗ-792)中的一种或 多种。
5. 如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述含硅的有机化合物的浓度为质量百分 比 0. 01% ?1%。
6. 如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述含硅的有机化合物的浓度为质量百分 比 0. 05% ?0. 5%。
7. -种稳定的化学机械抛光液，其特征在于，含有二氧化硅研磨颗粒、含硅的有机化合 物、以及含有大于或等于〇. lmol/Kg的离子强度的电解质离子，其中所述含硅的有机化合 物为自由分散在水相中，或已经和研磨颗粒之间通过化学键相连。
8. 如权利要求7所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述含硅的有机化合物具有如 下分子结构：
其中，R为不能水解的取代基；D是连接在R上的有机官能团；A，B为相同的或不同的可 水解的取代基或轻基；C是可水解基团或轻基，或不可水解的烧基取代基；D为氣基、疏基、 环氧基、丙烯酸基、乙烯基、丙烯酰氧基或脲基。
9. 如权利要求8所述化学机械抛光液，其特征在于，所述含硅的有机化合物中R为烷 基，且所述烷基碳链上的碳原子被氧、氮、硫、膦、卤素、硅等其他原子继续取代；A，B和C分 别为氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基或羟基。
10. 如权利要求7所述化学机械抛光液，其特征在于，所述含娃的有机化合物为娃烧偶 联剂。
11. 如权利要求10所述化学机械抛光液，其特征在于，所述含硅的有机化合物为3-氨 基丙基二乙氧基娃烧(商品名ΚΗ-550)，γ-(2, 3_环氧丙氧基）丙基二甲氧基娃烧(商品名 KH-560)，Y-(甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷(商品名KH-570)，Y-巯丙基三乙氧基硅 烷(商品名KH-580)，Y-巯丙基三甲氧基硅烷(商品名ΚΗ-590)，Ν-(β-氨乙基）-γ-氨丙 基甲基二甲氧基硅烷(商品名KH-602)，Y-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷(商品名ΚΗ-792)中 的一种或多种。
12. 如权利要求7所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述含硅的有机化合物的浓度 为质量百分比0.01%?1%。
13. 如权利要求7所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述含硅的有机化合物的浓度 为质量百分比〇. 05%?0. 5%。
14. 如权利要求7所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述二氧化硅研磨颗粒的浓度 为质量百分比1%?50%。
15. 如权利要求7所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述二氧化硅研磨颗粒质量百 分比16%?50%。
16. 如权利要求7所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述大于或等于0. lmol/Kg的 离子强度的电解质离子是金属离子和非金属离子。
17. 如权利要求16所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述的电解质离子是钾离子。
18. 如权利要求7所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述化学机械抛光液的pH值为 2 至 12。
【文档编号】C09G1/02GK104371552SQ201310354653
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年8月14日 优先权日:2013年8月14日
【发明者】高嫄, 王晨, 何华锋, 周文婷 申请人:安集微电子（上海）有限公司