Сравнительный анализ водных суспензий оксида церия и модифицирующих добавок для процесса химико-механической планаризации пластин с мелкощелевой изоляцией

В работе проведен сравнительный физико-химический анализ промышленных водных суспензий абразивных частиц оксида церия, применяемых в процессах химико-механической планаризации (ХМП) пластин с мелкощелевой изоляцией (ХМП STI). Методами ИК-спектроскопии и динамического светорассеяния показано, что суспензия оксида церия (образец 1) (pH ≈ 6) со средним размером частиц 120 нм дополнительно содержит полиакриловую кислоту (ПАК) и второй неионогенный полимер, предположительно полиакриламид (ПААМ), что создает условия для электростатической и пространственной стабилизации частиц абразива. Показано, что перевод суспензии (образец 1) в кислую область значений pH 3–1,5 приводит к бимодальному распределению частиц абразива по размерам, где, наряду с агрегатами размером от 1200 до 4000 нм, появляются частицы диаметром 45–30 нм.
Суспензия (образец 2) (pH ≈ 3,5) со средним размером частиц 100–120 нм не содержит поликарбоксилатов, а её стабильность обусловлена присутствием низкомолекулярной глутаминовой кислоты. Исходя из известного поведения рассматриваемых суспензий в процессе ХМП STI кремниевых пластин, сформулирована роль и механизм работы входящих в них модифицирующих добавок.

1. Srinivasan R., Dandu P.V., Babu S.V. Shallow Trench Isolation Chemical Mechanical Planarization: A Review // Journal of the Electrochemical Society. 2015. Vol. 164, N11. P. 5029–5039. DOI: 10.1149/2.0071511jss.

2. Steigerwald J.M. Murarka S.P., Gutmann R.J. Chemical Mechanical Planarization of Microelectronic Materials. New York: John Wiley & Sons, 2008. 337 р. ISBN 978-0-471-13827-7. DOI: 10.1002/9780470286404.

3. Oliver M.R. Chemical-Mechanical Planarization of Semiconductor Materials. New York: Springer-Verlag, 2004. 428 р. ISBN: 978-3-540-20251-0. DOI: 10.1007/978-3-662-10046-3.

4. Raghavan S., Keswani M., Jia R. Particulate Science and Technology in the Engineering of Slurries for Chemical Mechanical Planarization // KONA Powder and Particle Journal. 2008. Vol. 26. P. 94–105. DOI: 10.14356/kona.2008009.

5. Basim G., Vakarelski I., Moudgil B. Role of Interaction Forces in Controlling the Stability and Polishing Performance of CMP Slurries // Journal of Colloid and Interface Science. 2003. Vol. 263, N2. P. 506–515. DOI: 10.1016/s0021-9797(03)00273-9.

6. Гольдштейн Р.В., Осипенко Н.М. Химико-механическое полирование. Часть 1. Основные закономерности: обзор // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2011. С. 26–42. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/himiko-mehanicheskoe-polirovanie-chast-1-osnovnye-zakonomernosti-obzor (дата обращения: 03.02.2026).

7. Zantye P.B., Kumar A., Sikder A.K. Chemical Mechanical Planarization for Microelectronics Applications // Materials Science and Engineering R. 2004. Vol. 45. P. 89–220. DOI: 10.1016/j.mser.2004.06.002.

8. Tian Y.B., Zhong Z.W., Ng J.H. Effects of Chemical Slurries on Fixed Abrasive Chemical-mechanical Polishing of Optical Silicon Substrates // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2013. Vol. 14, N11. P. 1447–1454. DOI: 10.1007/s12541-013-0195-7.

9. Liang H, Kaufman F, Sevilla R, Anjur S. Wear phenomena in chemical mechanical polishing // Wear. 1997. Vol. 211, N2, Р. 271-279. DOI: 10.1016/s0043-1648(97)00124-2.

10. Manivannan R., Ramanathan S. Role of Abrasives in High Selectivity STI CMP Slurries // Microelectronic Engineering. 2008. Vol. 85. P. 1748–1753. DOI: 10.1016/j.mee.2008.04.031.

11. Cook L.M., Chemical processes in glass polishing // Journal of Non-Crystalline Solids. 1990. Vol. 120. Р. 152–171. DOI: 10.1016/0022-3093(90)90199-9.

12. Hu Y., Gutmann, R. J., Chow, T. P. Silicon Nitride Chemical Mechanical Polishing Mechanisms// Journal of the Electrochemical Society. 1998. Vol. 145, N11. Р. 3919–3925. DOI: 10.1149/1.1838883.

13. America W.G., Babu S.V. Slurry Additive Effects on the Suppression of Silicon Nitride Removal during CMP // Electrochemical and Solid-State Letters. 2004. Vol. 7, N12. Р. 327–330. DOI: 10.1149/1.1814491.

14. Kim S.K., Sohn H.M., Paik U., Katoh T., Park J.G. CMP Characteristics of Plasma-Enhanced Tetraethylorthosilicate and Chemically Vapor-Deposited Si3N4 Films with Ceria Slurries // Japanese Journal of Applied Physics. 2004. Vol. 43. P. 7434–7438. DOI: 10.1143/jjap.43.7434.

15. Dandu P.R.V., Peethala B.C., Amanapu H. P., Babu S.V. Silicon Nitride Film Removal during CMP Using Cria-Based Dispersions // Journal of the Electrochemical Society. 2011. Vol. 158, N8. P. 763–769. DOI: 10.1149/1.3596181.

16. Grover G.S., Mueller B.L. Chemical-mechanical polishing slurry for polishing tungsten. Патент US 5759917. Заявл. 27.06.1995. Опубл. 02.06.1998.

17. Grover G.S., Mueller B.L., Wang S. Chemical mechanical polishing composition and process. Патент US 6689692. Заявл. 21.12.2001. Опубл. 10.02.2004.

18. Grover G.S., Mueller B.L., Wang S. Chemical mechanical polishing compositions for metal and associated materials and method of using same. Патент US 6984588. Заявл. 28.03.2003. Опубл. 10.01.2006.

19. Srinivasan R., Babu S.V., America W.G., Her Y.S. Chemical mechanical polishing slurries for copper and associated materials. Патент US 6627107. Заявл. 19.10.2001. Опубл. 30.09.2003.

20. Srinivasan R., Babu S.V., America W.G., Her Y.S. Chemical mechanical polishing slurries and cleaners containing sarcosine. Патент US 6468910. Заявл. 19.10.2001. Опубл. 22.10.2002.

21. Srinivasan R., Babu S.V., America W.G., Her Y.S. Chemical mechanical polishing slurries for copper and associated materials. Патент US 6627107. Заявл. 19.10.2001. Опубл. 08.04.2003.

22. Srinivasan R., Babu S.V., America W.G., Her Y.S. Chemical mechanical polishing slurries and cleaners containing ascorbic acid. Патент US 6491843. Заявл. 19.10.2001. Опубл. 17.12.2002.

23. Carter P.W., Johns T.P. Slurry Chemistry Effects on Oxide and Tantalum Chemical Mechanical Polishing // Electrochemical and Solid-State Letters. 2005. Vol. 8, N8. P. G218–G220. DOI: 10.1149/1.1945368.

24. Kido T., Ichikawa K. Polishing method and polishing composition. Патент US 6436835. Заявл. 28.09.2000. Опубл. 20.08.2002.

25. Leininger A.L. Principles of Biochemistry. New Delhi: CBS Publishers, 1984. 107 p. ISBN: 978-047-108-9710.

26. Katoh T., Kang H.G., Paik U., Park J.G. Novel ceria abrasive with polymer core and ceria shell for improved shallow trench isolation chemical mechanical planarization // Japanese Journal of Applied Physics. 2003. Vol. 42, N 3. P. 1150–1153. DOI: 10.1143/jjap.42.1150.

27. Kim S.Y., Lee S., Paik U., Katoh T., Park J.G. Effect of ceria abrasives with different shapes and sizes for STI CMP // Journal of Materials Research. 2003. Vol. 18, N9. P. 2163–2171. DOI: 10.1557/JMR.2003.0302.

28. Pan G., Kato T, Lee W., Jeon H. Paik Surfactant Effect on Oxide-to-Nitride Removal Selectivity of Nano-abrasive Ceria Slurry for Chemical Mechanical Polishing// Japanese Journal of Applied Physics. 2003. Vol. 42, N8А. Р 5420–5425. DOI: 10.1143/JJAP.42.5420.

29. Kim S., Seo., Kim J. H., Paik Un. Adsorption behavior of anionic polyelectrolyte for chemical mechanical polishing // Journal of Colloid and Interface Science. 2008. Vol. 319, N1. Р. 48–52. DOI: 10.1016/j.jcis.2007.10.052.

30. Seo, J., Moon, J., Moon, S., & Paik, U. (2015). Interpolymer complexes of poly(acrylic acid) and poly(ethylene glycol) for low dishing in STI CMP // Applied Surface Science. 2015. Vol. 353. P. 499–505. DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.06.063.

31. Coutinho C.A., Gupta V. K., Borkar R.V., Santos J.P., Khan S.A., Lu X. Novel ceria–polymer microcomposites for chemical mechanical polishing // Applied Surface Science. 2008. Vol. 255, N5. P. 3090–3096. DOI: 10.1016/j.apsusc.2008.08.101.

32. Praveen B.V.S., Manivannan R., Umashankar T.D., Cho B.J., Park J.G., Ramanathan S. Abrasive and Additive Interactions in High Selectivity STI CMP Slurries // Microelectronic Engineering. 2014. Vol. 114. Р. 98–104. DOI: 10.1016/j.mee.2013.10.004.

33. Pettersson A., Marino G., Pursiheimo A., Rosenholm J.B. Electrosteric stabilization of Al2O3, ZrO2, and 3Y–ZrO₂ suspensions: effect of dissociation and type of polyelectrolyte // Journal of Colloid and Interface Science. 2000. Vol. 228, N1. P. 73–81. DOI: 10.1006/jcis.2000.6931.

34. Saraf S., Swami A., Singh A., Kumbhar A., Patil K. Understanding the Adsorption Interface of Polyelectrolyte Coating on Redox Active Nanoparticles Using Soft Particle Electrokinetics and Its Biological Activity // ACS Applied Materials & Interfaces. 2014. Vol. 6, N8. P. 5472–5482. DOI: 10.1021/am405341j.