[發明專利]改性二氧化硅溶膠及其制備方法和應用

無效

• 申請號: 200710043556.9
• 申請日: 2007-07-06
• 公開（公告）號: CN101338082A
• 公開（公告）日: 2009-01-07
• 發明（設計）人: 陳國棟;宋偉紅;姚穎;宋成兵
• 申請（專利權）人: 安集微電子（上海）有限公司
• 主分類號: C09C1/28
• 分類號: C09C1/28;C09C3/08;C09G1/18
• 代理公司: 上海翰鴻律師事務所
• 代理人: 李佳銘

技術領域

本發明涉及一種改性二氧化硅溶膠及其制備方法，以及在拋光液中的應用。

背景技術

顧名思義，化學機械拋光(CMP)的拋光液對半導體器件的拋光機理是：拋光液中的各組分通過化學機械作用去除半導體器件中的金屬和非金屬，從而進一步起到平坦化的效果。CMP拋光液主要由三部分組成：磨料、化學試劑和分散介質。常見的分散介質為水或醇類物質，如乙醇、甲醇、甘油等。化學試劑是CMP拋光液中最為重要的組分，這些化學試劑按照功能可以分為絡合劑(或速率增助劑)、緩蝕劑、氧化劑、表面活性劑、流變調節劑和pH值調節劑等。CMP拋光液的另一個重要的組分是磨料，這些磨料為無機粒子和有機聚合物顆粒。

用作CMP拋光液的磨料可以有很多種，大多為氧化物顆粒或有機顆粒，例如二氧化硅、氧化鋁、二氧化鋯、氧化鈰、氧化鐵、聚苯乙烯顆粒和/或他們的混合物等。這些顆粒具有不同的硬度和表面化學特性，從而對半導體器件各基材的拋光效果也各不相同，其中氧化鋁和二氧化硅是使用最多的拋光磨料。

二氧化硅根據制備方法可以分為氣相二氧化硅、沉淀型二氧化硅和二氧化硅溶膠。氣相二氧化硅和沉淀型二氧化硅多為二氧化硅粒子的聚集體，其產品多為二氧化硅粉末，這兩種二氧化硅應用于CMP拋光液中時，往往需要大量的能量來分散二氧化硅粒子。與前兩種二氧化硅相比，二氧化硅溶膠具有分散均勻、粒徑可控、表面功能基團較多的優點，近年來已經逐漸成為CMP拋光液的最主要的磨料。

大部分二氧化硅溶膠粒子的粒徑為5-150nm，其分散介質為水、乙醇或其他有機溶劑。二氧化硅粒子表面富含羥基基團，羥基基團數目達到3-8#/nm²，因此二氧化硅粒子具有較強的親水性和極性，能夠穩定分散在水中。二氧化硅粒子表面的羥基基團具有較強的活性，在較高的pH值下能夠產生電離，也能夠與一些化學物質反應。

利用一些化學物質與二氧化硅粒子表面的羥基基團反應，從而改變二氧化硅粒子的表面化學特性，這種處理方式稱為二氧化硅的化學改性。硅烷偶聯劑是最為常用的二氧化硅粒子改性劑，其改性反應活性大、反應條件溫和。硅烷偶聯劑內帶有硅氧烷基團，能夠與二氧化硅粒子表面的羥基基團發生水解縮聚反應，從而使硅烷偶聯劑上的有機鏈段接枝在二氧化硅粒子表面，改變二氧化硅粒子表面的極性。

對拋光液的磨料進行特殊處理，以期望得到特殊的拋光性能，已有部分專利揭示了這方面的研究。如專利文獻US6646348公開了一種硅烷偶聯劑作為拋光液的組分，該硅烷偶聯劑水解后形成低聚物與拋光液中的磨料及其他化學試劑相混合，能夠獲得較低的TEOS和Ta的拋光速率，并獲得較好的拋光表面。專利文獻US6656241公開了一種二氯二甲基硅烷改性的二氧化硅聚集體，并應用于Cu拋光液，二氧化硅聚集體經過改性處理能夠很好地分散在拋光液中，而且Cu和Ta的拋光速率與選擇比受到改性處理的影響。專利US6582623公開了一種改性磨料的拋光液，將硅烷偶聯劑直接與磨料分散體相混合，然后配置成拋光液，可以應用于拋光W、Cu等各種晶圓表面。

發明內容

本發明的目的是公開一種能夠對拋光液的拋光性能產生顯著影響的改性二二氧化硅溶膠。

本發明的改性二氧化硅溶膠中，二氧化硅的表面鍵合了含環氧基基團的硅烷偶聯劑。所述的含環氧基基團的硅烷偶聯劑可選自γ-縮水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-縮水甘油氧基丙基二甲氧基硅烷、γ-縮水甘油氧基丙基三乙氧基硅烷、γ-縮水甘油氧基丙基二乙氧基硅烷或γ-縮水甘油氧基丙基氯化硅烷等，較佳的為γ-縮水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷。

本發明中，所述的改性二氧化硅溶膠的粒徑較佳的為10～500nm，更佳的為10～150nm。

本發明另一目的是公開一種本發明的改性二氧化硅溶膠的制備方法，其包括如下步驟：將二氧化硅溶膠、表面活性劑、以及含有環氧基基團的硅烷偶聯劑混合后，進行改性反應即可。

本發明的方法中，所述的含環氧基基團的硅烷偶聯劑可選自γ-縮水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-縮水甘油氧基丙基二甲氧基硅烷、γ-縮水甘油氧基丙基三乙氧基硅烷、γ-縮水甘油氧基丙基二乙氧基硅烷或γ-縮水甘油氧基丙基氯化硅烷等，較佳的為γ-縮水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷。所述的含有環氧基團的硅烷偶聯劑的用量較佳的為二氧化硅溶膠的質量百分比0.02～1％，更佳的為0.2～0.5％。