[发明专利]一种硅溶胶及其制备方法

说明书

本发明涉及半导体化学机械抛光技术领域，具体公开一种结构致密且粒径均一的硅溶胶及其制备方法。本发明的硅溶胶，二氧化硅胶体粒子分散在液体溶剂中，二氧化硅胶体粒子的真实密度为2.1～2.2g/cm³，二氧化硅胶体粒子表面的硅烷醇基密度为1.0‑3.0个/nm²，真实密度高，硅烷醇基含量低，是一种高纯、粒径均一的硅溶胶。

技术领域

本发明涉及半导体化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种结构致密且粒径均一的硅溶胶及其制备方法。

背景技术

集成电路及半导体器件主要由隔离结构、晶体管、金属层与介电层堆叠而成,在每一层结构堆叠前，需要对原有结构进行平坦化处理，得到全局平坦化的平面。因此，在集成电路制造加工过程中，会涉及到很多材料的抛光、减薄或者平坦化处理，其中应用最多的就是化学机械抛光。自90年代首次将化学机械研磨(Chemical-Mechanical Polishing，CMP)技术成功应用到64Mb DRAM的生产中以来，CMP技术得到了快速发展，尤其在先进制程的工艺，CMP所使用的材料和工艺面临着挑战。抛光液作为CMP最重要的、必不可少的辅助材料之一，在很大程度上决定着CMP的质量。此前在较高线宽下影响不大的缺陷如表面微划伤、微型凹凸等都严重地影响着更低线宽集成电路的性能和成品率，造成这些微缺陷的主要原因还是由于抛光粒子粒径不均匀造成。

由于半导体用CMP抛光液技术壁垒高，市场集中度极高，中国市场的高端产品主要被日美企业所垄断。从技术分析来看，决定CMP质量的主要因素之一是高纯、高稳硅溶胶磨料，因此，我国集成电路行业要想摆脱国外的“卡脖子”，就必须自主研发高纯、粒径均一的二氧化硅溶胶，这是我国大规模集成电路飞速发展的迫切需要。

目前CMP用硅溶胶磨料有两种制备路线，分别为水玻璃法和硅酸酯水解法。其中美国Nalco(CN 1281490C、CN 102164854B)，日本Nissan(CN105960378B、CN 105960378B)，上海新安纳CN 111017935A采用了水玻璃法，该方法以水玻璃为原料，通过采用离子交换树脂除钠离子法等金属离子法制备硅溶胶。由于该方法在制备硅溶胶过程中，以硅酸钠和氢氧化钠溶液为成核剂，都不可避免的有金属离子且无法完全除去，所以该方法制备出的硅溶胶仍含有少量的钠离子，虽然有报道了相关技术解决该问题，但将最后的金属离子含量降至10PPM或十万分之一以下已经是非常困难。这些杂质离子在抛光过程中会慢慢渗透到介电层降低有效介电常数或者到达晶体管水平而损坏器件。所以，由水玻璃生产的硅溶胶主要用在对杂质含量不甚敏感的半导体衬底材料的粗抛光上，而后面的尤其是先进制程有局限性。

目前，制备硅溶胶最先进的方法是硅酸酯水解法，然而在硅酸酯水解法中存在以下问题：硅酸酯水解速度快，采用水解法制备的二氧化硅胶体粒子内部残留大量的未水解的烷氧基，在二氧化硅胶体粒子内部会残留细孔或硅烷醇基。因此，所制备的硅溶胶真实密度低且表面硅烷醇基含量高，难以得到致密性高的二氧化硅胶体粒子，其作为CMP抛光液中研磨颗粒使用时，具有研磨速度较低的缺点。同时，由于水与这些有机硅烷一般不互溶，虽然可在体系中加入甲醇或者乙醇使硅烷与水变得互溶以加速水解聚合反应，但是依旧未能彻底解决水解体系相容性问题，易导致硅酸酯水解时自成核形成胶粒颗粒，形成胶状低聚物。当胶状低聚物含量过高时，其作为CMP抛光液中研磨颗粒使用时，易产生颗粒聚集或凝胶导致划痕等缺陷的产生。

如上所述，以往公开的硅溶胶制造技术中，因不能得到致密的、金属离子含量低且粒径分布均一的硅溶胶，其作为CMP抛光液中研磨颗粒使用时存在一定的缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种结构致密且粒径均一的的硅溶胶及其制备方法。

为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：