高硬度硅溶胶在化学机械抛光液cmp中的应用

河北工业大学李薇薇等人利用异丙醇胺溶液作为硅溶胶体系的pH 值调节剂，并采用新工艺制备出新型高硬度硅溶胶，这种高硬度硅溶胶配制成抛光液之后，满足了硅晶圆化学机械抛光（CMP）既要高抛光速率，又要高抛光质量的要求。

半导体行业快速发展，对集成电路的集成度和精度要求不断提升，对衬底材料硅晶圆的表面加工精度要求也越来越高。硅晶圆加工不但要达到高的加工效率，更要达到高的表面质量，因此各种加工工艺尤其是化学机械平坦化工艺面临着极大的挑战。

硅晶圆衬底的表面粗糙度会影响器件或集成电路的性能。表面粗糙度越小，生长出来的外延层缺陷越少，质量就越好；同时，对于光刻和刻蚀工艺就比较容易进行，有利于后期的线宽控制。下图为原子力显微镜检测CMP后的硅晶圆表面粗糙度，由图可以看出，通过化学机械抛光处理后，硅片表面平整度好。

化学机械平坦化工艺是实现表面完美性的重要手段，决定了衬底最终的质量，而在化学机械平坦化工艺中起重要作用的是抛光液。

抛光液中普遍采用纳米二氧化硅水溶胶（简称硅溶胶）作为研磨料。张雷等通过化学沉淀法对硅溶胶进行铈锆改性，研究了不同铈锆掺杂量的CeO2/ZrO2 硅溶胶复合磨料对蓝宝石的抛光效果。王丹等研究了球形和非球形硅溶胶的尺寸和形状及其对蓝宝石和铝合金镀镍（Al-NiP）硬盘基板的抛光效果，发现非球形硅溶胶显示出明显更高的材料去除率。魏震等介绍了硅烷偶联剂KH550 在酸性条件下对硅溶胶进行表面改性的方法以及对硅片上SiO2 的抛光效果。Li Xu 等介绍了一种基于新型催化剂（SoFeIII）的胶体二氧化硅对蓝宝石的化学机械抛光方法。

综上所知，表面改性硅溶胶在化学机械平坦化工艺中得到广泛应用。国内上海新安纳电子科技有限公司在这方面走在前列，是国内最早一批独立开发出蓝宝石抛光液替代进口的企业。

李薇薇等人创造性的利用异丙醇胺溶液作为pH 稳定剂，配合恒液面聚合生长法工艺优化制备新型高硬度硅溶胶。

硅溶胶制备过程中未经干燥脱水，故硬度适中，用于集成电路硅晶圆的CMP 工艺时，去除速率偏低，因此为实现高质量、高效率的CMP 加工，需要提升硅溶胶的硬度及研磨性能。

李薇薇等人对恒液面聚合生长法制备硅溶胶的工艺进行了研究，明确制备工艺对胶体性能的影响因素，通过改进工艺提升硅溶胶的硬度、保形性和耐磨性等参数。上图为高硬度硅溶胶的TEM图。在传统离子交换法制备硅溶胶过程中，pH 值的稳定至关重要，在稳定的pH 值环境中，胶体粒径的增长比较均匀，生长过程中一致性好，能够提升胶体的内部结构致密性和均一性。李薇薇等人采用离子交换法制备活性硅酸，在合成硅溶胶的过程中通过加入异丙醇胺溶液作为pH 稳定剂配合工艺优化，提高了硅溶胶颗粒结构的致密性和硬度，用其作为硅衬底晶圆CMP 中的研磨料，可以提高去除速率和表面质量。李薇薇等人提出的新型高硬度硅溶胶是指其在CMP 中提供的机械作用，也就是硅溶胶作为磨料在CMP 中表现出来的材料去除率，耐磨性、保形性、循环性等综合能力。

经化学机械抛光对比实验表明，该新型高硬度硅溶胶作为化学机械抛光磨料，材料去除速率快，抛光液使用寿命长，抛光后的硅晶圆表面质量好，且较为稳定，将其作为抛光液磨料有很大的实用价值。