一種硅拋光組合物、制備方法及其應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種硅拋光組合物、制備方法及其應(yīng)用，所述硅拋光組合物以納米二氧化硅膠體為主要拋光組分，并添加有哌嗪類物質(zhì)和含有呋喃環(huán)的水溶性有機弱酸作為助劑。本發(fā)明專利技術(shù)的硅拋光組合物中同時添加哌嗪類物質(zhì)和含有呋喃環(huán)的水溶性有機弱酸作為穩(wěn)定性助劑，可有效抑制磨料團聚，延長拋光液的儲存時間和使用壽命，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有明顯優(yōu)勢。具有明顯優(yōu)勢。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種硅拋光組合物、制備方法及其應(yīng)用


[0001]本專利技術(shù)涉及化學機械拋光
，尤其涉及一種硅拋光組合物、制備方法及其應(yīng)用。

技術(shù)介紹

[0002]硅是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，對實現(xiàn)人類全球信息化發(fā)揮了不可替代的作用。高純單晶硅在集成電路制造中主要被用作襯底材料，在其表面經(jīng)過光刻、離子注入、沉積等工藝形成含有源極、柵極、漏極的上億個晶體管，構(gòu)成整個芯片的“基石”。隨著VLSI、ULSI、SLSI級別集成電路的出現(xiàn)，芯片的集成度不斷增加，特征尺寸不斷減小，因此也對襯底晶圓提出了更高的要求。
[0003]單晶硅襯底的制備方法有冶煉提純和外延生長兩種，其中冶煉提純以石英砂為原料，經(jīng)過提純拉晶、切片等工藝加工成硅片，具有成本低，生產(chǎn)規(guī)模大等優(yōu)點，是現(xiàn)階段制造集成電路單晶硅襯底的主要方法。拋光是其中必不可少的一道工藝，通過拋光可以有效去除硅片切割過程中產(chǎn)生的表面損傷層，提高表面質(zhì)量，而化學機械拋光(CMP)技術(shù)則被認為是目前晶圓全局平坦化的最有效方法。化學機械拋光技術(shù)就是依靠拋光過程中的化學作用、機械作用以及兩種作用的結(jié)合進行表面拋光。在硅片拋光過程中，硅片與拋光液中的化學助劑發(fā)生反應(yīng)，表面形成軟質(zhì)層，軟質(zhì)層在磨料和拋光墊的機械作用下剝離去除，因此拋光液對硅片表面的拋光質(zhì)量具有重要影響。
[0004]由于二氧化硅和硅的莫氏硬度均為7，而且二氧化硅還具有粒度細，拋光后晶圓表面損傷層較薄及氧化誘生層錯(OSF)小等優(yōu)點，因此目前納米級二氧化硅膠體成為了硅片拋光液的主要磨料，另外拋光液中還添加有速率促進劑、pH調(diào)節(jié)劑、表面活性劑、保濕劑等成分。然而，由于納米SiO2粒徑小、比表面積大且表面能高，在高倍濃縮(15～40)時，拋光液的電導(dǎo)率較大，體系中的納米氧化硅顆粒處于高離子強度下，表面雙電層被壓縮，zeta電位下降，顆粒之間有相互吸引團聚以降低表面能的趨勢，這會使拋光液變質(zhì)失效。
[0005]韓國專利申請KR1020050067846A提出在硅拋光液中加入十二烷基硫酸鈉、十二烷基醚硫酸鈉等陰離子表面活性劑，通過物理吸附作用增強硅溶膠顆粒表面的負電荷，增大顆粒間斥力，實現(xiàn)提高拋光液的儲存穩(wěn)定性。然而陰離子表面活性劑的吸附也使得硅溶膠顆粒和硅片之間斥力增大，同時表面活性劑也明顯減弱了磨料和襯底之間的滑動摩擦力，降低了拋光過程中的機械作用，導(dǎo)致拋光速率下降。另外，這些物質(zhì)也會引入鈉離子，容易造成拋光硅片表面金屬離子污染。
[0006]中國專利申請CN201811627080.8、CN201110002321.1分別提出向硅拋光液加入3
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氨基丙基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷等硅烷偶聯(lián)劑，通過給硅溶膠顆粒表面接枝帶有磺酸基的有機物，來提高拋光液的儲存穩(wěn)定性，同時減少拋光表面硅溶膠顆粒的殘留，然而由于納米SiO2表面分子層的接枝包覆減弱了其對硅酸根離子等反應(yīng)產(chǎn)物的吸附和運載作用，對拋光速率也會產(chǎn)生明顯不利影響。美國專利US20210375631A1、加拿大專利CA2936498C則是提出制備高穩(wěn)定性硅溶膠的方法，進而有利于制造出高穩(wěn)定性拋光液，但
這一方法成本較高，在硅片拋光液領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用價值不大。
[0007]在拋光液組分研究方面，中國專利申請CN111378384 A提出采用4％～10％的哌嗪和單乙醇胺發(fā)揮協(xié)同作用拋光硅片，而專利CN104046246B則選擇哌嗪類衍生物作為拋光金屬鎢的腐蝕抑制劑，這些專利提出哌嗪可以作為拋光過程中的速率促進劑或抑制劑，主要機理是哌嗪類物質(zhì)的堿性和與被拋光材料表面的吸附性。還有專利CN104099026B提到了采用哌嗪或哌嗪衍生物與碳酸胍作為速率促進劑，兩者發(fā)揮協(xié)同作用提升對硅片的拋光速率，而且哌嗪衍生物，如哌嗪鹽酸鹽可能還具有防止組合物沉淀的作用。但該專利僅提到濃縮組合物在21℃下能夠保持兩周不沉淀，在實際生產(chǎn)使用過程中，拋光組合物往往不是制備后短期就使用的，其存儲的時間可能會達到幾個月甚至一年，因此不僅要求組合物在存儲過程中不發(fā)生沉淀，而且要避免因磨料團聚導(dǎo)致的平均粒徑增大，以防止拋光速率的一致性發(fā)生變化。因此，現(xiàn)有技術(shù)中即使加入哌嗪類物質(zhì)作為拋光組合物的穩(wěn)定劑，但僅依靠添加這一類物質(zhì)，拋光組合物的穩(wěn)定性還遠遠達不到應(yīng)用的水平。
[0008]因此，仍舊需要一種新的硅拋光組合物，通過化學配方調(diào)控的角度實現(xiàn)減弱硅溶膠磨料團聚的趨勢，提高拋光液的儲存穩(wěn)定性和循環(huán)拋光性能，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足。

技術(shù)實現(xiàn)思路

[0009]為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)提供了一種硅拋光組合物，通過向拋光組合物中添加哌嗪類物質(zhì)和含有呋喃環(huán)的水溶性有機弱酸作為穩(wěn)定劑，可有效抑制磨料團聚，延長拋光液的儲存時間和循環(huán)使用性能。
[0010]本專利技術(shù)的另一目的在于提供這種硅拋光組合物的制備方法。
[0011]本專利技術(shù)的再一目的在于提供這種硅拋光組合物在硅片化學機械拋光中的應(yīng)用。
[0012]為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案如下：
[0013]一種硅拋光組合物，包括納米二氧化硅膠體、哌嗪類物質(zhì)、含有呋喃環(huán)的水溶性有機弱酸、速率促進劑、pH調(diào)節(jié)劑、表面活性劑、任選的保濕劑和抑菌劑，去離子水。
[0014]在一個優(yōu)選的實施方案中，所述硅拋光組合物各組分的質(zhì)量百分含量為：納米二氧化硅膠體2.5～40wt％、哌嗪類物質(zhì)0.2～3.5wt％、含有呋喃環(huán)的水溶性有機弱酸0.01～1.4wt％、速率促進劑1～15wt％、pH調(diào)節(jié)劑0.1～4wt％、表面活性劑0.005～1.5wt％、保濕劑0～2.5wt％、抑菌劑0～1.0wt％，余量為去離子水。
[0015]在一個更優(yōu)選的實施方案中，所述硅拋光組合物各組分的質(zhì)量百分含量為：納米二氧化硅膠體5～25wt％、哌嗪類物質(zhì)0.5～2.5wt％、含有呋喃環(huán)的水溶性有機弱酸0.075～0.75wt％、速率促進劑3～10wt％、酸性pH調(diào)節(jié)劑1.0～2.5wt％、表面活性劑0.01～0.5wt％、保濕劑0.1～1.0wt％、抑菌劑0.05～0.1wt％，余量為去離子水。
[0016]在一個具體的實施方案中，所述含有呋喃環(huán)的水溶性有機弱酸和哌嗪類物質(zhì)的質(zhì)量比為0.05～0.4。
[0017]在一個具體的實施方案中，所述納米二氧化硅膠體的平均粒徑為25
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100nm，原料濃度為30
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50wt％。
[0018]在一個具體的實施方案中，所述哌嗪類物質(zhì)選自哌嗪、1
?
甲基哌嗪、2
?
甲基哌嗪、1
?
甲酰基哌嗪、2
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氧代哌嗪、2
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乙氧基哌嗪、1,4
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二甲基哌嗪、2,6
?
二甲基哌嗪、1
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乙基哌
嗪、N
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氨乙基哌嗪、N
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(2
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羥乙基)哌嗪、1
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乙酰基哌嗪、N
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異丙基哌嗪、1
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烯丙基本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種硅拋光組合物，其特征在于，包括納米二氧化硅膠體、哌嗪類物質(zhì)、含有呋喃環(huán)的水溶性有機弱酸、速率促進劑、pH調(diào)節(jié)劑、表面活性劑、任選的保濕劑和抑菌劑，去離子水。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅拋光組合物，其特征在于，各組分的質(zhì)量百分含量為：納米二氧化硅膠體2.5～40wt％、哌嗪類物質(zhì)0.2～3.5wt％、含有呋喃環(huán)的水溶性有機弱酸0.01～1.4wt％、速率促進劑1～15wt％、pH調(diào)節(jié)劑0.1～4wt％、表面活性劑0.005～1.5wt％、保濕劑0～2.5wt％、抑菌劑0～1.0wt％，余量為去離子水；優(yōu)選地，各組分的質(zhì)量百分含量為：納米二氧化硅膠體5～25wt％、哌嗪類物質(zhì)0.5～2.5wt％、含有呋喃環(huán)的水溶性有機弱酸0.075～0.75wt％、速率促進劑3～10wt％、酸性pH調(diào)節(jié)劑1.0～2.5wt％、表面活性劑0.01～0.5wt％、保濕劑0.1～1.0wt％、抑菌劑0.05～0.1wt％，余量為去離子水；更優(yōu)選地，所述含有呋喃環(huán)的水溶性有機弱酸和哌嗪類物質(zhì)的質(zhì)量比為0.05～0.4。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅拋光組合物，其特征在于，所述納米二氧化硅膠體的平均粒徑為25
?
100nm，原料濃度為30
?
50wt％。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅拋光組合物，其特征在于，所述哌嗪類物質(zhì)選自哌嗪、1
?
甲基哌嗪、2
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甲基哌嗪、1
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甲酰基哌嗪、2
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氧代哌嗪、2
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乙氧基哌嗪、1,4
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二甲基哌嗪、2,6
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二甲基哌嗪、1
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乙基哌嗪、N
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氨乙基哌嗪、N
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(2
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羥乙基)哌嗪、1
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乙酰基哌嗪、N
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異丙基哌嗪、1
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烯丙基哌嗪、N
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叔丁基哌嗪、1
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(3
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甲氧基丙基)哌嗪、1
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(2
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二甲基氨基乙基)哌嗪、1
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(3
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氨丙基)
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甲基哌嗪、1
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(2
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嘧啶基)哌嗪、1
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(2
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糠酰)哌嗪、1
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(2
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四羥糠酰基)哌嗪、1
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(2
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吡啶基)哌嗪、1
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(3
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吡啶基)哌嗪、1
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(4
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吡啶基)哌嗪中的至少任一種，優(yōu)選為哌嗪、1
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甲基哌嗪、1
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乙基哌嗪、1
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烯丙基哌嗪、1
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(2
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嘧啶基)哌嗪、1
?
(2
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糠酰)哌嗪、1
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(4
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吡啶基)哌嗪中的任一種。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅拋光組合物，其特征在于，所述含有呋喃環(huán)的水溶性有機弱酸選自2
?
...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王永東，衛(wèi)旻嵩，卞鵬程，徐賀，王慶偉，李國慶，王瑞芹，崔曉坤，
申請(專利權(quán))人：萬華化學集團電子材料有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：