一种线状纳米二氧化硅溶胶及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及CMP技术抛光领域，特别是涉及一种线状纳米二氧化硅溶胶及其制备 方法。
【背景技术】
[0002] 为满足庞大的半导体市场需求和应对消费者对产品性能越来越高的要求，半导体 器件运行速度越来越快，存储容量也越来越高，芯片特征尺寸和集成度一直沿着美国英特 尔公司创始人G.Moore提出的摩尔定律飞速发展。驱使着加工工艺向着更高的电流密度、 更高的时钟频率和更多的互连层转移。由于器件尺寸的缩小，光学光刻设备焦深的减小，要 求晶片表面可接受的分辨率的平整度达到纳米级。为解决这一问题，能够实现全局平坦化 的化学机械抛光（ChemicalMechanicalPolishing，CMP)技术，一举成为半导体制造重要 关键工艺之一。CMP技术在实行过程中，抛光垫和晶圆片作相对转动，抛光液在两者之间流 动，以此达到全局平坦化的目的。
[0003] 自1980s年IBM引入CMP技术以来，CMP在半导体制造过程中的应用越来越广泛。 在CMP工艺的诸多应用中，氧化硅介电材料抛光一直占据着很重要的位置。据2010年市场 咨询公司Linx调查显示，氧化硅介电材料抛光约占据了超过20%的市场份额。因氧化硅 质硬、呈化学惰性（仅与HF和强碱反应）、在抛光中主要以机械去除为主，半导体厂中通常 采用20wt%甚至更高浓度的二氧化娃抛光液、4-6psi的高抛光压力对二氧化娃薄膜进行 抛光，然而也仅仅能达到约lOOnm/min的去除速率。因此，如何优化抛光液以降低抛光液浓 度、机械压力，从而达到提高氧化硅去除速率的同时降低抛光液成本和能耗，一直受到半导 体界所关注。
[0004] 为加快氧化硅去除速率，很多研宄人员做出了很多有益的尝试。早在1990年，L.M Cook在他的文章（LeeECook.J.Non-Cryst.Solids, 120, 152-171，1990.)中提到了使用 邻苯二酚促进剂，可通过邻苯二酚与氧化硅去除产物（原硅酸）之间的配位来加快氧化硅 的抛光；而在专利CN101463226中，安集微电子有限公司宋伟红等人声称使用含1-4个氮 原子的杂环化合物以及衍生物，氧化硅去除速率可由40nm/min提高到约90nm/min。在安集 微电子有限公司的另一篇专利（CN101638557)中，陈国栋等人揭示在抛光液中使用碳原 子数目为2-8的多元羧酸（盐）和一取代有机膦酸（盐）作为速率增助剂，也可促进氧化 硅的抛光。以酒石酸钾为例，他们的数据显示氧化硅去除速率可由270nm/min进一步提高 到 310nm/min〇
[0005] 以上专利均通过在抛光液中添加各种螯合剂、促进剂来提高抛光速率，这样做的 问题在于这些化学物质易粘附在芯片晶圆上，给后续的清洗工艺带来麻烦。人们开始寻找 添加剂较少的抛光液，其中研磨颗粒为煅烧二氧化硅（fumedsilica)的抛光液可显著提高 抛光速率，因二氧化硅经过煅烧晶化后，硬度大幅度上升，与晶圆的机械作用增强。然而，其 缺点也是显著的：正是因为煅烧二氧化硅硬度太大，易在晶圆上留下不可修复的划痕缺陷， 这是不能容忍的。
[0006] 如何将高抛光速率与低表面缺陷、低污染结合到一起，是今后CMP抛光液研宄的 主要方向。
【发明内容】
[0007] 本发明是为了克服现有技术中的不足，提供一种线状二氧化硅溶胶及其制备方 法，制得的溶胶颗粒为线状，长度为100?200nm，摩擦系数大，抛光效率高。经验证，使用本 发明的硅溶胶可将抛光速率提升20%以上，同时抛光片较少有划痕产生。
[0008] 本发明为实现上述目的，本发明第一方面提供一种线状二氧化硅溶胶，包括液体 介质和溶胶颗粒，所述溶胶颗粒为线状二氧化硅颗粒。
[0009] 所述的线状二氧化硅溶胶，其特征是：所述二氧化硅胶体粒子经扫描电镜观察呈 明显线形，长度为100?200nm，分布较为均匀（图1)。液体介质是水，pH为8?10。 [0010] 优选的，所述溶胶颗粒为长度150nm的线状二氧化硅颗粒。
[0011] 本发明第二方面提供所述线状二氧化硅溶胶的制备方法，包括如下步骤：
[0012] 1)以正硅酸乙酯（TEOS)作为硅源，将其与醇类溶剂按比例混合；
[0013] 2)在步骤1制得的溶液中加入酸性溶液进行混合；
[0014] 3)将步骤2所得溶液在常温、常压下持续搅拌1?3h，并密封陈化24?72h;
[0015] 4)将步骤3所得溶液离心分散清洗，离心速度为2000?lOOOOrpm，离心时间为 15 ?60min;
[0016] 5)将步骤4所得溶液撇去上清液，下部浑浊液与上清液等量的超纯水混合，超声 20 ?60min;
[0017] 6)将步骤5所得溶液重复步骤4、步骤5,直到溶液中残余有机碳含量在IOOOppm 以下，pH值为6. 5?7.5;
[0018] 7)在步骤6所得溶液中加入碱性稳定剂调节pH为8. 5?10. 5,制得线形二氧化 硅溶胶。
[0019] 优选的，步骤1)中，正硅酸乙酯与醇类溶剂的体积比为1:30?1:80。更优选为 1:50〇
[0020] 优选的，步骤1)中，所述醇类溶剂选自液体单醇类溶剂中的任意一种。更优选的， 所述醇类溶剂选自甲醇、乙醇、单丙醇、1-丁醇或正戊醇中的任意一种。最优选的，所述醇类 溶剂为无水乙醇。
[0021] 优选的，步骤2)中，酸性溶液为盐酸，硫酸，硝酸，甲酸，乙酸，柠檬酸，草酸中的一 种或两种。
[0022] 优选的，步骤2)中，酸性溶液pH为4?6。更优选的，酸性溶液pH为5?6。
[0023] 优选的，步骤2)中，酸性溶液与步骤1所得溶液体积比为1:50?1:100。更优选 的，酸性溶液与步骤1所得溶液体积比为1:70?1:80。
[0024] 优选的，步骤3)中，搅拌时间为1?I. 5h，陈化时间为24?48h。
[0025] 优选的，步骤4)中，离心速度为3000?6500rpm，离心时间为15?35min。
[0026] 优选的，步骤5)中，超声时间为40?60min。
[0027] 优选的，步骤7)中，pH为9. 5?10. 0。
[0028] 优选的，步骤7)中，碱性稳定剂为无机碱或有机碱。更优选的，碱性稳定剂为氢氧 化钠，氢氧化钾，氨水，三乙胺中的任意一种或两种的组合。
[0029] 本发明第三方面提供所述线形二氧化硅溶胶在CMP抛光领域中的用途。
[0030] 优选的，所述用途具体为：所述线形二氧化硅溶胶在制备抛光剂中的用途。
[0031] 本发明第四方面提供了一种抛光剂，所述抛光剂中含有前述线形二氧化硅溶胶。
[0032] 在抛光剂中，所述线性二氧化硅溶胶作为研磨颗粒，产生机械作用去除被抛物。抛 光不同的物质可以有不同的抛光剂配方，但所述抛光剂都可以采用本发明的线状二氧化硅 溶胶做研磨颗粒。
[0033] 本产品的有益效果是：本产品的有益效果是：通过特选的酸性溶液与处理方法， 形成线状二氧化硅溶胶。由于二氧化硅胶体颗粒为线状，其在芯片上的拖曳面积比单一球 状的粒子要显著增大，故而能够提高抛光速率。同时，由于线状二氧化硅颗粒自身有一定的 柔软度，对芯片的损伤也较煅烧二氧化硅较小。使用本发明的线状纳米二氧化硅颗粒作为 CMP研磨颗粒，能有效提高抛光速率与降低表面损伤。