專利名稱：超大規(guī)模集成電路多層布線SiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于微電子加工領(lǐng)域中的化學機械拋光液，特別涉及一種超大規(guī)模集成電路多層布線SiO2介質(zhì)的納米SiO2磨料拋光液。
背景技術(shù)：
當前，集成電路制造業(yè)飛速發(fā)展，成為推動國民經(jīng)濟和社會信息化發(fā)展最主要的高新技術(shù)之一。IC集成度已達到數(shù)億器件/片。IC互連工藝多層布線已達到十幾層，IC中的元器件趨于更小特征尺寸，結(jié)構(gòu)微細化、薄膜化和多層立體布線高聚集化。為實現(xiàn)IC布線多層立體化并滿足高分辨的光刻曝光精度，互連工藝中每一層二氧化硅(SiO2)介質(zhì)薄膜幾乎都需要平坦化。SiO2介質(zhì)薄膜平坦化程度與微形貌差是制約IC中的元器件趨于更小特征尺寸，結(jié)構(gòu)微細化、薄膜化和多層立體布線高聚集化發(fā)展的關(guān)鍵影響因素。
由于器件尺寸的不斷縮小，光學光刻設備焦深的減小，要求晶片表面可接受分辨率的平整度達到納米級。類似的金屬化和介質(zhì)層淀積的工藝步驟引起了晶片表面的變化，特別是當圖形層數(shù)增加時，變化更為突出。金屬層數(shù)增加，芯片須十分平坦才能達到刻蝕要求。未拋光表面的形貌差將隨金屬層數(shù)量的增加而迅速增加。現(xiàn)在的光刻機步進器使用大數(shù)值孔徑的鏡頭，焦深很小，正是這種小的焦深推動了全局平面化的發(fā)展。解決辦法只有改進片子的平整度，減小形貌差。傳統(tǒng)的平面化技術(shù)，如只能提供局部平面化，不能做到全局平面化?；瘜W機械拋光既可以得到完美的表面，又可以得到較高的拋光速率，而且能夠減少缺陷，還可以通過提高表面平整度來提高套刻精度，從而達到減小特征尺寸提高集成度的目的?；瘜W機械拋光得到的平整度比其它方法高兩個數(shù)量級，是能夠?qū)崿F(xiàn)全局平面化的唯一方法。因此，近幾年來化學機械拋光技術(shù)已成為超大規(guī)模集成電路制備中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。
由于SiO2介質(zhì)中硅是+4價，常溫下化學性質(zhì)穩(wěn)定，不能發(fā)生氧化還原的化學反應，能與水發(fā)生極緩慢的水合反應。關(guān)于SiO2介質(zhì)的化學機械拋光，國際上研究一直認為是以機械研磨為主，化學作用方面因為是水合作用效果相對較微弱屬于慢過程，拋光速率較低。為提高拋光速率，目前國際上一般采取增大磨料粒徑的方法，但由于磨料粘度大、粒徑大，易造成劃傷，且拋光液及拋光產(chǎn)物在表面吸附，難于清洗。因此，拋光后SiO2介質(zhì)表面狀態(tài)不理想，粗糙度較高，有待改善。而且現(xiàn)有國際SiO2介質(zhì)拋光液產(chǎn)品的濃度較低，拋光后片子容易產(chǎn)生塌邊，造成廢片率過高。
目前國外已有的SiO2介質(zhì)水溶膠拋光液的成型產(chǎn)品，主要以KOH、NH4OH作為pH調(diào)節(jié)劑，pH范圍主要在10.5-11.0，但其組成都未公開而屬于保密技術(shù)。僅從常用產(chǎn)品的使用效果進行分析有如下結(jié)果美國SYTONOX-K二氧化硅水溶膠拋光液產(chǎn)品，pH值為10.2，固含量為30.0wt％，比重1.205g/cm3。與其它國外產(chǎn)品一樣存在粘度大，不易清洗等弊端。此外，國外已有的商用SiO2介質(zhì)水溶膠拋光液普遍價格較昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供一種組分合理、制備簡單，具有強堿性、高濃度、小粒徑、高活性等特性的超大規(guī)模集成電路多層布線SiO2介質(zhì)的納米SiO2磨料拋光液。
為實現(xiàn)上述目的本發(fā)明所采用的實施方式如下一種超大規(guī)模集成電路多層布線SiO2介質(zhì)的納米SiO2磨料拋光液，其特征在于拋光液的組分及重量％如下磨料二氧化硅水溶膠固含量20-45，復合堿0.5-5.5，滲透劑1.0-10，表面活性劑1.0-10，螯合劑0.5-10，余量去離子水；將上述各組分逐級混合，攪拌均勻即可。
所述的拋光液基本磨料的粒徑為15-30nm硅溶膠水溶液，磨料粒徑分散度為±2.5nm。
所述的復合堿由KOH與胺堿組成，KOH∶胺堿＝1∶1-1∶10。
所述的胺堿是不含金屬離子，且溶解于水的多羥多胺類有機堿，選用二羥乙基乙二胺、三乙醇胺、四羥乙基乙二胺之一。
所述的滲透劑是聚氧乙烯仲烷基醇醚(JFC)與O類，均具有較強的滲透能力，如HJFC或O-20(C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)。
所述的表面活性劑是非離子表面活性劑-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(C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)，OS-15的一種或一種以上。
所述的螯合劑是其不含金屬離子，溶解于水，能與多種金屬離子螯合成環(huán)，尤其以螯合環(huán)數(shù)≥5的胺堿螯合效果較好，河北工業(yè)大學微電子所自行研制FA/O螯合劑，其有效成分是乙二胺四乙酸四羥乙基乙二胺，具有13個以上螯合環(huán)，溶解于水，能與多種金屬離子形成極穩(wěn)定的螯合物，螯合效果顯著。
所述的拋光液pH值為10.5-13.5。
本發(fā)明打破了國外單純以含金屬K+較多的氫氧化鉀或揮發(fā)性較強的氨水作為pH調(diào)節(jié)劑的方式，另辟蹊徑，提出了以少量氫氧化鉀與不含金屬離子的胺堿為組合的復合堿作為新型pH調(diào)節(jié)劑的模式，并且復合堿中氫氧化鉀與胺堿的有效成分能夠發(fā)揮一劑多用的作用，除了緩沖pH值穩(wěn)定pH值變化外，一方面能夠與SiO2介質(zhì)發(fā)生連鎖化學反應，將其轉(zhuǎn)化為易溶性硅酸鹽與具有大分子量的胺鹽形式，在CMP條件下使產(chǎn)物較容易脫離拋光介質(zhì)表面，并在一定程度上增強了產(chǎn)物的溶解度。另一方面，復合堿中的胺堿成分能夠與重金屬離子絡合，形成絡合物，減少重金屬離子在介質(zhì)表面的吸附與聚集。綜合而言總體上增強了拋光液的化學作用。所研制拋光液中添加的有效滲透劑兼有潤滑劑作用，滲透力較強，有良好的起泡力和消泡力，能極大地降低拋光液的表面張力，使本拋光液具有良好的滲透性，使拋光液很容易滲透到介質(zhì)與拋光墊之間，具有減小磨料與拋光表面之間的摩擦作用，有效的降低機械劃傷，提高SiO2介質(zhì)表面的完美度。良好的滲透性促使拋光液及時均勻的作用于介質(zhì)與拋光墊之間，保證其化學作用的連貫性與一致性，并發(fā)揮其冷卻作用，防止SiO2介質(zhì)表面熱應力的積累與梯度分布的不均性。所研制拋光液中添加的有效表面活性劑是非離子活性劑，具有增強拋光液的潤滑鋪展作用，能夠使活性劑分子優(yōu)先吸附在SiO2介質(zhì)表面，并能阻止拋光產(chǎn)物的再沉積，表面活性劑的物理吸附-解吸效應使介質(zhì)表面拋光后易清洗，有利于SiO2介質(zhì)的清洗；另一方面，拋光過程中，隨著介質(zhì)表面凸處的逐漸去除，液面局部不斷變形，產(chǎn)生吸附量和表面壓的不均勻，吸附分子將自動地從液膜密度大處附帶拋光液流向密度小處，從而對液膜的變形和損傷進行修復，在一定程度上，也促使介質(zhì)表面凸處去除速率加快、低處去除速率延緩，進而整體上改善拋光速率與介質(zhì)平整度。在此基礎(chǔ)上，公開一種化學作用強、易清洗、有良好的滲透與表面潤滑作用，能明顯降低SiO2介質(zhì)表面粗糙度并有效提高表面平整度的新型SiO2介質(zhì)化學機械拋光液的配制技術(shù)。
本發(fā)明中各組分的作用分別為胺堿是一種有機醇，例如二羥乙基乙二胺。二羥乙基乙二胺，溶于水和醇，微溶于醚；極具吸濕性、強堿性。其為高分子有機物，分子量M＝186，其分子式為 具有低毒，無霧，易清洗，用量是單胺的1/2，效力高等特性。二羥乙基乙二胺的作用是1、一部分二羥乙基乙二胺用以調(diào)整pH值，具有較寬的pH調(diào)節(jié)范圍。
2、緩沖性極強，能有效穩(wěn)定pH值，穩(wěn)定拋光速率，能有效避免pH值突變引起拋光液成分凝聚與沉淀，局部去除速率均勻，能得到較高的平行度。
3、一部分二羥乙基乙二胺可與SiO2水合層表面反應，并放熱加速反應。
該反應產(chǎn)物分子很大，在壓力、磨料和拋光布的摩擦作用下，很容易地脫離介質(zhì)表面，加速機械去除，提高去除速率。
一部分二羥乙基乙二胺與金屬離子反應，生成絡合物。即
可以有效減少金屬離子在SiO2介質(zhì)表面的玷污。
滲透劑兼有潤滑劑作用，滲透力較強，有良好地起泡力和消泡力，能極大的降低拋光液的表面張力，使本拋光液具有良好的滲透性，使拋光液很容易滲透到介質(zhì)與拋光墊之間，具有減小磨料與拋光表面之間的摩擦作用，有效的降低機械劃傷，提高SiO2介質(zhì)表面的完美度。良好的滲透性促使拋光液及時均勻的作用于介質(zhì)與拋光墊之間，保證其化學作用的連貫性與一致性，并發(fā)揮其冷卻作用，防止SiO2介質(zhì)表面熱應力的積累與梯度分布的不均性。
所用表面活性劑是非離子活性劑，具有增強拋光液的潤滑鋪展作用，能夠使活性劑分子優(yōu)先吸附在SiO2介質(zhì)表面，并能阻止拋光產(chǎn)物的再沉積，表面活性劑的物理吸附-解吸效應使介質(zhì)表面拋光后易清洗，有利于SiO2介質(zhì)的清洗；另一方面，拋光過程中，隨著介質(zhì)表面凸處的逐漸去除，液面局部不斷變形，產(chǎn)生吸附量和表面壓的不均勻，吸附分子將自動地從液膜密度大處附帶拋光液流向密度小處，從而對液膜的變形和損傷進行修復，在一定程度上，也促使介質(zhì)表面凸處去除速率加快、低處去除速率延緩，進而整體上改善拋光速率與介質(zhì)平整度。
去離子水按實際拋光要求稀釋硅溶膠水溶液，以滿足實際生產(chǎn)需要。
螯合劑FA/O是由河北工業(yè)大學研制并生產(chǎn)，具有優(yōu)良去除金屬離子的性能，尤其是可以明顯去除Cu離子。
本發(fā)明的有益效果和優(yōu)點是為了克服上述難題，進一步研究增強SiO2介質(zhì)化學機械拋光液與SiO2介質(zhì)化學作用的問題成為研制新型SiO2介質(zhì)化學機械拋光液重點，申請人經(jīng)過長期研究，總結(jié)出以易清洗，小粒徑，低粒徑分散度的納米二氧化硅溶膠為磨料，以避免劃傷和沾圬。并且拋光液中的硅溶膠濃度較高，有效避免了拋光后片子表面的塌邊現(xiàn)象。利用氫氧化鉀與多羥多胺有機堿形成的復合堿共同調(diào)節(jié)拋光液pH值范圍至10.5-13.5，且復合堿中有效成分的水解產(chǎn)物能夠與SiO2介質(zhì)發(fā)生化學反應，進一步加強拋光液的化學作用，拋光液中的滲透劑與FA/O表面活性劑強化拋光液的表面質(zhì)量傳遞作用。在加工過程中，該拋光液在實現(xiàn)磨料機械研磨作用與水合化學作用基礎(chǔ)上，主要利用復合堿及其產(chǎn)物與SiO2介質(zhì)發(fā)生連鎖化學反應，將其轉(zhuǎn)化為易溶性硅酸鹽與具有大分子量的胺鹽形式，增強化學作用。在此基礎(chǔ)上結(jié)合具體加工工藝，有效解決了目前氧化物化學機械拋光中存在的表面劃傷、顆粒吸附難以清洗、金屬離子沾污等問題，達到了高完美、高平整、高光潔的CMP工藝水平。
1、將現(xiàn)有以KOH(或氨水)為pH值調(diào)節(jié)劑的堿性SiO2介質(zhì)拋光液改進為以KOH與胺堿有效混合的復合堿作為拋光液pH調(diào)節(jié)劑，從根本上轉(zhuǎn)變了以往SiO2介質(zhì)拋光以機械磨除為主，水合化學作用為輔的傳統(tǒng)模式，通過胺堿的水解產(chǎn)物與SiO2介質(zhì)的化學反應，在CMP條件下使反應產(chǎn)物轉(zhuǎn)換為可溶性硅酸鹽和具有大分子量的胺鹽形式，加快產(chǎn)物的去除，增強了化學作用，使SiO2介質(zhì)拋光能夠?qū)崿F(xiàn)化學機械作用的動態(tài)平衡。
2、實現(xiàn)了13.5＞pH＞10.5強堿環(huán)境下，拋光液不凝聚，SiO2水溶膠磨料不溶解，穩(wěn)定性好。
3、加入非離子活性劑與螯合劑后，增強了拋光液的活性，實現(xiàn)了CMP條件下高pH值、高濃度、小粒徑SiO2水溶膠為基本磨料的SiO2介質(zhì)化學機械拋光，有效減少了拋光產(chǎn)生的蝕坑、塌邊，達到低粗糙度、高拋光速率、高平整、高光潔的拋光效果。
4、滲透、潤滑和冷卻作用顯著，拋光后SiO2介質(zhì)表面劃傷、粗糙度等明顯下降。
5、成本價格較低，有利于取代進口SiO2介質(zhì)拋光液。
6、高拋光效率，有效縮短加工周期，提高生產(chǎn)效率。
7、低污染、利于環(huán)保。
具體實施例方式
以下結(jié)合較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提供的具體實施方式
詳述如下實施例1配制1375g SiO2磨料拋光液。
向1000g 15nm粒徑、粒徑分散度為±2.5nm的50wt％SiO2水溶膠溶液中加入40gJFC、40gFA/O I型活性劑、50gFA/O螯合劑攪拌并混合均勻；并在生產(chǎn)加工前向上述混合液中加入30g二羥乙基乙二胺攪拌均勻，然后將15g KOH用200g去離子水稀釋后加入到上述混合液中，攪拌均勻；所配拋光液的pH值在10.5-13.5。
實施例2配制1495g SiO2磨料拋光液。
向1000g20nm粒徑、粒徑分散度為±2.5nm的40wt％SiO2水溶膠溶液中加入40gJFC、40gFA/O I型活性劑、50gFA/O螯合劑攪拌并混合均勻；并在生產(chǎn)加工前向上述混合液中加入40g三乙醇胺攪拌均勻，然后將25gKOH用300g去離子水稀釋后加入到上述混合液中，攪拌均勻；所配拋光液的pH值在10.5-13.5。
實施例3配制1555g SiO2磨料拋光液。
向1000g 25nm粒徑、粒徑分散度為±2.5nm的45wt％SiO2水溶膠溶液中加入60g HJFC或O-20(C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)，加入45gOπ-10((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、O-20(C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)、OS-15的一種或一種以上表面活性劑，加入50gFA/O螯合劑攪拌并混合均勻；并在生產(chǎn)加工前向上述混合液中加入80g四羥乙基乙二胺攪拌均勻，然后將20gKOH用300g去離子水稀釋后加入到上述混合液中，攪拌均勻；所配拋光液的pH值在10.5-13.5。
上述參照實施例對超大規(guī)模集成電路多層布線SiO2介質(zhì)的納米SiO2磨料拋光液進行的詳細描述，是說明性的而不是限定性的，可按照所限定范圍列舉出若干個實施例，因此在不脫離本發(fā)明總體構(gòu)思下的變化和修改，應屬本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超大規(guī)模集成電路多層布線SiO2介質(zhì)的納米SiO2磨料拋光液，其特征在于拋光液的組分及重量％如下磨料二氧化硅水溶膠固含量20-45，復合堿0.5-5.5，滲透劑1.0-10，表面活性劑1.0-10，螯合劑0.5-10，余量去離子水；將上述各組分逐級混合，攪拌均勻即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大規(guī)模集成電路多層布線SiO2介質(zhì)的納米SiO2磨料拋光液，其特征在于所述的拋光液基本磨料的粒徑為15-30nm硅溶膠水溶液，磨料粒徑分散度為±2.5nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大規(guī)模集成電路多層布線SiO2介質(zhì)的納米SiO2磨料拋光液，其特征在于所述的復合堿由KOH與胺堿組成，KOH∶胺堿＝1∶1-1∶10。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超大規(guī)模集成電路多層布線SiO2介質(zhì)的納米SiO2磨料拋光液，其特征在于所述的胺堿是不含金屬離子，且溶解于水的多羥多胺類有機堿，選用二羥乙基乙二胺、三乙醇胺、四羥乙基乙二胺之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大規(guī)模集成電路多層布線SiO2介質(zhì)的納米SiO2磨料拋光液，其特征在于所述的滲透劑是聚氧乙烯仲烷基醇醚(JFC)與0類，如HJFC或0-20(C12-18H26-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大規(guī)模集成電路多層布線SiO2介質(zhì)的納米SiO2磨料拋光液，其特征在于所述的表面活性劑是非離子表面活性劑-Oπ系列、O系列、OS系列，如0π-10((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)，0-20(C12-18H26-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)，OS-15的一種或一種以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大規(guī)模集成電路多層布線SiO2介質(zhì)的納米SiO2磨料拋光液，其特征在于所述的螯合劑是不含金屬離子、且溶解于水，能與多種金屬離子螯合成環(huán)，具有13個以上螯合環(huán)的FA/O螫合劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大規(guī)模集成電路多層布線SiO2介質(zhì)的納米SiO2磨料拋光液，其特征在于所述的拋光液pH值為10.5-13.5。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超大規(guī)模集成電路多層布線SiO
文檔編號H01L21/768GK1887997SQ200610014298
公開日2007年1月3日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者劉玉嶺, 孫鳴 申請人:河北工業(yè)大學