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JP2002158194A - Slurry for chemical mechanical polishing and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

Slurry for chemical mechanical polishing and method of manufacturing semiconductor device

Info

Publication number
JP2002158194A
JP2002158194A JP2000352443A JP2000352443A JP2002158194A JP 2002158194 A JP2002158194 A JP 2002158194A JP 2000352443 A JP2000352443 A JP 2000352443A JP 2000352443 A JP2000352443 A JP 2000352443A JP 2002158194 A JP2002158194 A JP 2002158194A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
slurry
organic compound
polishing
chemical mechanical
mechanical polishing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000352443A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Fukugaku Minami
学 南幅
Hiroyuki Yano
博之 矢野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2000352443A priority Critical patent/JP2002158194A/en
Publication of JP2002158194A publication Critical patent/JP2002158194A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長時間研磨しても研磨速度が著しく低下せ
ず、絶縁膜に損傷を与えない処理を行うことができるC
MP方法を提供する。 【解決手段】 溶媒と、この溶媒に分散した研磨粒子と
を有するスラリに、少なくとも1種類の弗素有機化合物
を添加してウエハなどの半導体基板表面の被研磨面にC
MP処理を施す。スラリには研磨粒子としてAl、C
u、Si等を主成分とする酸化物、炭化物又は窒化物も
しくはこれらの混合物や混晶物を用いる。弗素有機化合
物は、界面活性剤、界面活性作用を有し、疎水部及び親
水部を有する試薬もしくは弗化剤などを含んでいる。被
研磨膜は金属膜或いはこれらの積層膜又はこれらの合
金、窒化物、ホウ化物、酸化物から選ばれた材料の膜で
ある。研磨面と研磨パッドとの摩擦が小さく、研磨面の
スクラッチを低減し、剥がれを小さくすることが可能に
なる。Cu削れ速度も時間の経過に対して一定である。
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a C capable of performing a process that does not significantly lower a polishing rate even after long polishing and does not damage an insulating film.
An MP method is provided. SOLUTION: At least one kind of fluorine organic compound is added to a slurry having a solvent and abrasive particles dispersed in the solvent, and C is added to the surface to be polished on the surface of a semiconductor substrate such as a wafer.
Perform MP processing. Al, C as abrasive particles in slurry
Oxides, carbides or nitrides containing u, Si or the like as main components, or mixtures or mixed crystals thereof are used. The fluorine organic compound contains a surfactant, a reagent having a surface active action, a reagent having a hydrophobic portion and a hydrophilic portion, a fluorinating agent, and the like. The film to be polished is a metal film, a laminated film thereof, or a film of a material selected from alloys, nitrides, borides, and oxides thereof. Friction between the polishing surface and the polishing pad is small, so that scratches on the polishing surface can be reduced and peeling can be reduced. The Cu scraping speed is also constant over time.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、DRAMや高速ロ
ジックLSIに搭載される半導体基板にAl、Cu、W
などのダマシン配線を形成するための化学的機械的研磨
(CMP:Chemical Mechanical Polishing )用スラリ
及びこのスラリを用いた半導体装置の製造方法に関する
ものである。
The present invention relates to a semiconductor substrate mounted on a DRAM or a high-speed logic LSI.
The present invention relates to a slurry for chemical mechanical polishing (CMP) for forming a damascene wiring such as the above, and a method for manufacturing a semiconductor device using the slurry.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体装置の製造技術では、LS
Iの高性能化に伴い、配線の微細化、高密度化及び多層
化が急速に進んでいる。また、デザインルールがシュリ
ンクされていくばかりではなく、新しい材料の導入も活
発に行われている。例えば、配線材料にはCuを主成分
とするものや有機系や多孔質など低誘電率系の層間絶縁
膜などの開発が進んでいる。とくに、CMP技術は、配
線もしくは接続配線を絶縁膜に埋め込み形成するデュア
ルダマシンプロセスに適用すると工程数が削減でき、さ
らに、ウエハ最表面の凸凹を緩和することにより、リソ
グラフィプロセスのフォーカスマージンを確保すること
もできる。また、CMP技術は、Cuなどドライエッチ
ングが困難である材料で配線を形成することも可能であ
るため、欠かすことのできない重要技術となっている。
2. Description of the Related Art In recent years, in semiconductor device manufacturing technology, LS
With the increase in performance of I, finer wiring, higher density, and multi-layered wiring are rapidly progressing. Not only are design rules shrinking, but new materials are being actively introduced. For example, as a wiring material, development of a material containing Cu as a main component, an interlayer insulating film of a low dielectric constant such as an organic or porous material, and the like are progressing. In particular, when the CMP technique is applied to a dual damascene process in which a wiring or a connection wiring is buried in an insulating film, the number of steps can be reduced, and the focus margin of the lithography process can be secured by reducing unevenness on the outermost surface of the wafer. You can also. In addition, the CMP technique is an indispensable important technique because it is possible to form a wiring using a material such as Cu which is difficult to dry-etch.

【0003】現在のメタルダマシン配線プロセスでは、
スループットを向上させるために高研磨速度が望まれ、
また、高性能配線を形成するためには、配線などのメタ
ル部や層間絶縁膜などの低エロージョン(Erosio
n)及び配線などのメタル部や層間絶縁膜などの低スク
ラッチが達成できるCMPプロセスが望まれている。C
MP方法では配線などに対するオーバーポリッシングが
原因で発生するディッシング(Dishing)による
メタルロス及び絶縁膜に対するオーバーポリッシングで
生じるシニング(Thinning)によるメタルロス
が起き易く、これらを合わせてエロージョンという。C
MP特性は、主として、スラリと研磨パッドにより決ま
るものと発明者等は考えている。研磨パッドは、低エロ
ージョンを得るために、ある程度の堅さは必要である。
現在、Rodel社で市販されているハードPad(I
C1000−Pad)よりも柔らかいものではエロージ
ョンを制御することはどんなスラリを用いても困難であ
ると考えている。しかしながら、前記ハードPadで
は、低エロージョンは実現できるが、スラリ中に含まれ
る粗大粒子、過度の凝集体によるスクラッチあるいはス
クラッチに起因する膜剥がれを無くすことは難しく、し
たがって、現状では低エロージョンと低スクラッチ化は
トレードオフの関係にある。
In the current metal damascene wiring process,
High polishing rate is desired to improve throughput,
Further, in order to form a high-performance wiring, low erosion (Erosio) such as a metal part of a wiring or an interlayer insulating film is required.
n) There is a demand for a CMP process that can achieve low scratches on metal parts such as wiring and interlayer insulating films. C
In the MP method, metal loss due to dishing caused by overpolishing of wiring and the like and metal loss due to thinning caused by overpolishing of an insulating film easily occur. These are collectively referred to as erosion. C
The inventors consider that the MP characteristics are mainly determined by the slurry and the polishing pad. The polishing pad needs some hardness to obtain low erosion.
Hard Pad (I) currently marketed by Rodel
It is considered that it is difficult to control erosion with a material softer than C1000-Pad) using any slurry. However, although the hard Pad can achieve low erosion, it is difficult to eliminate coarse particles contained in the slurry, scratches due to excessive agglomerates or film peeling due to scratches, and therefore, at present, low erosion and low scratch Has a trade-off relationship.

【0004】したがって、低エロージョン及び低スクラ
ッチの両方を実現するためには、前記ハードPadを用
いてもスクラッチの生じないようにスラリ側の改善を図
る必要がある。一般的にスラリをデザインする時には研
磨面の表面状態、とくに表面に形成される変質層あるい
は保護膜と、それを研磨する研磨粒子の2つに注目する
必要がある。変質層あるいは保護膜は、メタルの酸化
物、錯化物などから形成されるものであるが、これら
は、高研磨速度、低エロージョン、保護膜が形成された
表面を有するメタル部のスクラッチに対しては重要な要
素である。また、ダマシン配線を形成する際には層間絶
縁膜に対してもケアしなければならない。すなわち、低
研磨速度、低エロージョン、低スクラッチであることが
望ましい。
[0004] Therefore, in order to realize both low erosion and low scratch, it is necessary to improve the slurry side so that no scratch occurs even when the hard pad is used. In general, when designing a slurry, it is necessary to pay attention to the surface state of the polished surface, in particular, an altered layer or a protective film formed on the surface and abrasive particles for polishing the surface. The deteriorated layer or the protective film is formed from a metal oxide, a complex compound, or the like. However, these materials have a high polishing rate, a low erosion, and a scratch on the metal portion having a surface on which the protective film is formed. Is an important factor. When forming a damascene wiring, care must be taken for the interlayer insulating film. That is, low polishing rate, low erosion, and low scratch are desirable.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】前述のように、現在の
LSIなどの半導体装置の製造分野においてCMPは必
須のプロセスである。とくに、配線を形成する工程にお
いて、従来のRIE(Reactive Ion Ething) プロセスで
は、極めて難しいCuの加工及び1μm以上の厚膜のメ
タル、とくにアルミニウム(Al)の加工といった次世
代LSIには欠かせない配線構造の形成が対応できなく
なってきている。これらを解決するために、CMPを用
いた層間絶縁膜に配線を埋め込むダマシン配線プロセス
の研究・開発が急速に進んでいる。現在のCMP技術の
課題は、トレードオフの関係にある高研磨速度と低エロ
ージョンを両立することにあり、本発明はこの課題を解
決するものである。従来の半導体装置の製造技術におい
て、RIE(Reactive Ion Etching)プロセスでは解決する
ことの難しいRIE加工が困難なCuやTiなどの材料
の加工は、配線歩留まりが確保できなくなってきてい
る。RIEの場合、配線スペースが小さくなるほど削り
難くくなり削り残りが生じ、配線間がショ−トする。製
造コストダウンのための工程数削減の要求に対して、R
IEは、絶縁膜の平坦化、ビア(via)ホールの形成
といった具合に、1つ1つ積み重ねて多層化していくた
めに工程数削減が困難であるなどの問題がある。
As described above, CMP is an essential process in the field of manufacturing semiconductor devices such as current LSIs. In particular, in the process of forming wiring, the conventional RIE (Reactive Ion Ething) process is indispensable for the next generation LSI such as extremely difficult processing of Cu and processing of a metal having a thickness of 1 μm or more, particularly aluminum (Al). Wiring structures cannot be formed. In order to solve these problems, research and development of a damascene wiring process for embedding wiring in an interlayer insulating film using CMP is rapidly progressing. The problem of the current CMP technology is to achieve both a high polishing rate and low erosion, which are in a trade-off relationship, and the present invention solves this problem. In the conventional semiconductor device manufacturing technology, in the processing of a material such as Cu or Ti, which is difficult to solve by the RIE (Reactive Ion Etching) process, the wiring yield cannot be secured. In the case of RIE, the smaller the wiring space becomes, the harder it becomes to cut, and the uncut portion is left, resulting in a short wiring. In response to the demand for reducing the number of processes to reduce manufacturing costs, R
The IE has a problem that it is difficult to reduce the number of steps because it is stacked one by one to form a multilayer, such as flattening of an insulating film and formation of a via hole.

【0006】これらのことを解決するために、現在、C
MPを用いた埋め込み配線(ダマシン配線)プロセスの
研究・開発が急速に進められている。現在のメタルを被
研磨膜とするCMP、すなわち、メタルCMPの主な課
題は、(1)研磨速度の向上、(2)エロージョンの抑
制、(3)欠陥の低減、(4)スラリのCMP特性及び
研磨粒子の分散状態の安定化などがあげられる。(1)
は、スループットを向上するために必要である。とく
に、1μmを超える厚膜のメタルを研磨する場合には、
研磨速度の時間依存性が生じる。一般的には研磨速度は
時間と共に減少傾向にある。膜厚2μmを3分程度で、
且つ1stステッププロセスで行えれば理想的である。
(2)は、配線の形成すら難しくなってきている状況の
中で配線抵抗の値やバラツキを小さく抑えなけれればな
らない。とくに、LSIの動作スピードが配線のRC遅
延に律速されるためエロージョンで生じるメタルロスに
よる配線抵抗の上昇を防がなければならない。(3)
は、配線信頼性や歩留まりにかかわり、(4)は、プロ
セスコストを低減するためには、安定した特性を長時間
維持できれば頻繁にスラリ交換をしなくて済むためスラ
リコストを抑えることができる。
In order to solve these problems, at present, C
Research and development of a buried wiring (damascene wiring) process using MP is being rapidly promoted. The main problems of current CMP using metal as a film to be polished, that is, metal CMP, are (1) improvement of polishing rate, (2) suppression of erosion, (3) reduction of defects, and (4) CMP characteristics of slurry. And stabilization of the dispersed state of the abrasive particles. (1)
Is necessary to improve throughput. In particular, when polishing a metal having a thickness of more than 1 μm,
The polishing rate is time dependent. Generally, the polishing rate tends to decrease with time. With a film thickness of 2 μm in about 3 minutes,
It is ideal if it can be performed by the first step process.
In the case (2), it is necessary to reduce the value and variation of the wiring resistance in a situation where even the formation of the wiring is becoming difficult. In particular, since the operating speed of the LSI is limited by the RC delay of the wiring, it is necessary to prevent an increase in wiring resistance due to metal loss caused by erosion. (3)
(4) relates to wiring reliability and yield. (4) In order to reduce the process cost, if the stable characteristics can be maintained for a long period of time, the slurry need not be frequently replaced, so that the slurry cost can be suppressed.

【0007】これら一連の問題点を解決する手段の1つ
として、スラリ中に界面活性剤を添加する方法がある。
しかし、従来技術の疎水部にアルキル基を有する界面活
性剤では、(1)と(2)、(3)、(4)は、トレー
ドオフの関係にありCMP特性を劣化させずに安定化を
図るのは困難であり、未だ実用化までには至っていな
い。この原因は、アルキル基の界面活性力によるところ
が大きいと考えられる。一方、Cu、Alダマシン配線
のライナやバリアメタルにはTi、Ta、V、Nbなど
を主成分とした材料が用いられている。これらは、HF
以外の酸には不溶であるためCMPする際には適当な反
応剤がない。したがって、ケミカルプアなメカニカル主
体のCMPとなってしまう。通常、削れ難い膜を削り続
けると剥がれが生じ易い。Taなどは削り難くく、且つ
硬い材料であるため、剥がれた場合に研磨面を激しく傷
をつけてしまう。また、HFは取り扱いが難しく、研磨
粒子であるシリカが溶けてしまう。アルミナは溶けない
が次世代の多層配線には欠かせない低誘電率化絶縁膜
(Low−K膜)の研磨レートが速すぎてしまうといっ
た問題があるので実用的ではない。本発明は、このよう
な事情によりなされたものであり、長時間研磨しても研
磨速度が著しく低下せず、絶縁膜に損傷を与えない処理
を行うことができるCMP方法を提供する。
As one of means for solving these series of problems, there is a method of adding a surfactant to a slurry.
However, in the prior art surfactants having an alkyl group in the hydrophobic part, (1) and (2), (3), and (4) have a trade-off relationship and stabilize without deteriorating the CMP characteristics. It is difficult to achieve, and it has not yet been put to practical use. It is considered that this is largely due to the surfactant activity of the alkyl group. On the other hand, a material containing Ti, Ta, V, Nb or the like as a main component is used for a liner or a barrier metal of a Cu or Al damascene wiring. These are HF
Since it is insoluble in acids other than the above, there is no suitable reactant for CMP. Therefore, it is a chemical-poor mechanical-based CMP. Normally, peeling is likely to occur if the film that is difficult to scrape is continuously scraped. Since Ta and the like are hard to cut and are hard materials, when they are peeled off, they will severely damage the polished surface. Further, HF is difficult to handle, and silica as abrasive particles is dissolved. Alumina does not melt, but it is not practical because there is a problem that the polishing rate of a low dielectric constant insulating film (Low-K film), which is indispensable for next-generation multilayer wiring, is too high. The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a CMP method capable of performing processing without significantly lowering the polishing rate even after long polishing and without damaging the insulating film.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、溶媒と、この
溶媒に分散した研磨粒子とを有するスラリに、少なくと
も1種類の弗素有機化合物を添加してウエハなどの半導
体基板表面の被研磨面にCMP処理を施すことを特徴と
している。スラリには研磨粒子としてAl、Cu、S
i、Cr、Ti、C、Feの少なくとも1つを主成分と
する酸化物、炭化物及び窒化物あるいはこれらの混合物
や混晶物を用いることができる。弗素有機化合物は、界
面活性剤、界面活性作用を有し、疎水部及び親水部を有
する試薬もしくは弗化剤などを含んでいる。前記絶縁膜
はシラン系ガス、TEOS系ガスを用いて形成された無
機質の絶縁膜、また、これらに誘電率を低くすることを
目的として弗素(F)を含んだSiO2 を主成分とする
絶縁膜や、有機系多孔質膜のように、柔らかく、脆く、
はがれ易く、疎水性を有するような誘電率ε(比誘電
率)が3以下のLow−K膜に対してもダメージをほと
んど与えることがない。被研磨膜は、Cu、Al、W、
Ti、Mo、Nb、Ta、V、Ru、Agから選ばれた
材料からなる膜或いはこれらの積層膜、もしくはこれら
を主成分とする合金、窒化物、ホウ化物、酸化物から選
ばれた材料の膜である。研磨面と研磨パッドとの摩擦が
小さく、研磨面のスクラッチを低減し、剥がれを小さく
することが可能になる。
According to the present invention, there is provided a polishing method for a surface of a semiconductor substrate such as a wafer by adding at least one kind of fluorine organic compound to a slurry having a solvent and abrasive particles dispersed in the solvent. Is subjected to a CMP process. The slurry contains Al, Cu, S as abrasive particles.
Oxides, carbides and nitrides containing at least one of i, Cr, Ti, C and Fe as a main component, or a mixture or a mixed crystal thereof can be used. The fluorine organic compound contains a surfactant, a reagent having a surface active action, a reagent having a hydrophobic portion and a hydrophilic portion, a fluorinating agent, and the like. The insulating film is an inorganic insulating film formed by using a silane-based gas or a TEOS-based gas, or an insulating film mainly composed of SiO 2 containing fluorine (F) for the purpose of lowering the dielectric constant. Soft and brittle, like membranes and organic porous membranes
Even a Low-K film having a dielectric constant ε (relative dielectric constant) of 3 or less that is easily peeled and has hydrophobicity is hardly damaged. The film to be polished is Cu, Al, W,
Of a film made of a material selected from Ti, Mo, Nb, Ta, V, Ru, and Ag or a laminated film thereof, or a material selected from an alloy, a nitride, a boride, and an oxide containing these as a main component It is a membrane. Friction between the polishing surface and the polishing pad is small, so that scratches on the polishing surface can be reduced and peeling can be reduced.

【0009】即ち、本発明の化学的機械的研磨用スラリ
は、溶媒と、この溶媒に分散した研磨粒子と、少なくと
も1種類の弗素有機化合物とを備えることを特徴として
いる。前記弗素有機化合物は、疎水基としてフルオロメ
チル基、ペルフルオロアルキル基を分子内に有している
ようにしても良い。前記弗素有機化合物は、求電子弗素
化として用いられる弗素を含有しているようにしても良
い。前記弗素有機化合物は、ペルフルオロアルキルベダ
イン、ペルフルオロアルキルエチレンオキシド付加物、
ペルフルオロアルキルオリゴマ、ペルフルオロアルキル
カルボン酸塩、ペルフルオロアルキル第四級アンモニウ
ム塩、フルオロベンゼン系中間体、ベンゼントリフルオ
リド系中間体、脂肪族系中間体、N−フルオロピリジニ
ウム塩、N−フルオロピロリドン、N−フルオロ−N−
アルキル−アレーンスルホンアミド、FClO3 、CF
3 COOF、CH3 COOFのすくなくともいずれかで
あるようにしても良い。前記弗素有機化合物は、アルキ
ル基、芳香環、複素芳香環のいずれかを含むようにして
も良い。前記弗素有機化合物は、官能基としてアニオ
ン、カチオン、非イオン性若しくは両性のいずれかを少
なくとも有しているようにしても良い。前記弗素有機化
合物濃度は、0.001wt%〜0.5wt%であるよ
うにしても良い。
That is, the slurry for chemical mechanical polishing of the present invention is characterized by comprising a solvent, abrasive particles dispersed in the solvent, and at least one kind of fluorine organic compound. The fluorine organic compound may have a fluoromethyl group or a perfluoroalkyl group as a hydrophobic group in the molecule. The fluorine organic compound may contain fluorine used for electrophilic fluorination. The fluorine organic compound is a perfluoroalkylbedine, a perfluoroalkylethylene oxide adduct,
Perfluoroalkyl oligomer, perfluoroalkyl carboxylate, perfluoroalkyl quaternary ammonium salt, fluorobenzene intermediate, benzenetrifluoride intermediate, aliphatic intermediate, N-fluoropyridinium salt, N-fluoropyrrolidone, N- Fluoro-N-
Alkyl-arene sulfonamide, FCIO 3 , CF
At least one of 3 COOF and CH 3 COOF may be used. The fluorine organic compound may include any of an alkyl group, an aromatic ring, and a heteroaromatic ring. The fluorine organic compound may have at least one of an anion, a cation, a nonionic or an amphoteric as a functional group. The concentration of the fluorine organic compound may be 0.001 wt% to 0.5 wt%.

【0010】前記研磨粒子として、Al、Cu、Si、
Cr、Ce、Ti、C、Feから選択された少なくとも
1つの元素を主成分とする酸化物、炭化物もしくは窒化
物、或いはこれらの混合物、混晶物であるようにしても
良い。酸化剤として、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリ
ウム、過酸化水素水、硝酸第二鉄、硝酸第二アンモニウ
ムセリウムから選ばれた少なくとも1つをさらに含むよ
うにしても良い。添加剤として、キナルジン酸、キノリ
ン酸、ニコチン酸、ピコリン酸、マロン酸、シュウ酸、
コハク酸、グリシン、アラニン、トリプトファンの少な
くとも1つを含むようにしても良い。本発明の半導体装
置の製造方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜表面
に配線溝を形成する工程と、前記配線溝内部を含む前記
絶縁膜上に金属膜を堆積させる工程と、前記金属膜表面
を上記のスラリを用いて化学的機械的研磨を行い、前記
配線溝に埋め込まれた前記金属膜以外の金属膜を除去す
る工程とを備えたことを特徴としている。
As the abrasive particles, Al, Cu, Si,
It may be an oxide, carbide or nitride containing at least one element selected from Cr, Ce, Ti, C and Fe as a main component, or a mixture or mixed crystal thereof. The oxidizing agent may further include at least one selected from ammonium persulfate, potassium persulfate, aqueous hydrogen peroxide, ferric nitrate, and ceric ammonium nitrate. As additives, quinaldic acid, quinolinic acid, nicotinic acid, picolinic acid, malonic acid, oxalic acid,
It may contain at least one of succinic acid, glycine, alanine and tryptophan. The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a wiring groove on a surface of an insulating film formed on a semiconductor substrate; a step of depositing a metal film on the insulating film including the inside of the wiring groove; Removing the metal film other than the metal film embedded in the wiring groove by subjecting the film surface to chemical mechanical polishing using the above slurry.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して発明の実施
の形態を説明する。まず、図1を参照して第1の実施例
を説明する。本発明は、疎水部にフルオロアルキル基を
有する界面活性剤を化学的機械的研磨用スラリに加える
ことにより、アルキル基を有する界面活性剤を用いたの
では得られなかった、(1)研磨速度の向上、(2)エ
ロージョンの抑制、(3)ポリッシング欠陥の低減、
(4)スラリのCMP特性及び分散状態の安定化などを
達成することができる。フルオロアルキル基を有する界
面活性剤は、アルキル基と比較して、高い界面活性特性
を示し、且つ少量でその効果を発揮する。この実施例で
は、半導体基板上に配線溝を形成した絶縁膜にライナ及
びCu膜を積層形成し、まずライナをストッパ−として
Cuを研磨し(1stステップ)、次いで、ライナの不
要部分を除去する(2ndステップ)2ステッププロセ
スでCMP処理を行う。そして、Cuを研磨する(Cu
タッチアップ)1stステップでCMPスラリにペルフ
ルオロアルキルエチレンオキシドノニオン界面活性剤を
添加して安定したプロセスの達成を期する。弗素有機化
合物は、界面活性剤、界面活性作用を有し親水部及び疎
水部を含む試薬もしくは弗化剤などを含んでいる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, a first embodiment will be described with reference to FIG. The present invention could not be obtained by using a surfactant having an alkyl group by adding a surfactant having a fluoroalkyl group in a hydrophobic part to a slurry for chemical mechanical polishing. (1) Polishing rate Improvement, (2) suppression of erosion, (3) reduction of polishing defects,
(4) The CMP characteristics of the slurry and the dispersion state can be stabilized. Surfactants having a fluoroalkyl group exhibit higher surface-active properties than alkyl groups and exhibit their effects in small amounts. In this embodiment, a liner and a Cu film are laminated on an insulating film having a wiring groove formed on a semiconductor substrate. Cu is polished using the liner as a stopper (first step), and then unnecessary portions of the liner are removed. (2nd step) The CMP process is performed in a two-step process. Then, Cu is polished (Cu
Touch-up) In the first step, a perfluoroalkylethylene oxide nonionic surfactant is added to the CMP slurry to achieve a stable process. The fluorine organic compound contains a surfactant, a reagent having a surface active action and containing a hydrophilic part and a hydrophobic part, or a fluorinating agent.

【0012】図1は、Cuデュアルダマシン配線形成を
説明する製造工程断面図である。まず、半導体素子(図
示しない)を形成したシリコンなどの半導体基板100
上にシリコン酸化膜などから形成された絶縁膜101を
形成する。絶縁膜101の表面には配線が形成される深
さ600nmの配線溝104及び半導体基板100とコ
ンタクトを取るための深さ500nmのコンタクト孔1
05が配線溝104の底面に開孔する。次に、TaNラ
イナ102を200nm程度スパッタリングにより堆積
させ、Cu膜103を1200nm程度シード層をスパ
ッタリングにより、残りをメッキ法により堆積させる
(図1(a))。配線溝104及びコンタクト孔105
の内部には、TaNライナ102及びCu膜103が埋
め込まれる。次に、Cu膜103の不要部分をCMP処
理により除去する(図1(b))。この1stステップ
ではTaNライナ101でストップさせる。
FIG. 1 is a manufacturing process sectional view for explaining the formation of a Cu dual damascene wiring. First, a semiconductor substrate 100 made of silicon or the like on which a semiconductor element (not shown) is formed.
An insulating film 101 made of a silicon oxide film or the like is formed thereon. A wiring groove 104 having a depth of 600 nm where a wiring is formed and a contact hole 1 having a depth of 500 nm for making contact with the semiconductor substrate 100 are formed on the surface of the insulating film 101.
05 is opened in the bottom surface of the wiring groove 104. Next, a TaN liner 102 is deposited by sputtering to a thickness of about 200 nm, a Cu film 103 is deposited to a thickness of about 1200 nm by a seed layer by sputtering, and the remainder is deposited by plating (FIG. 1A). Wiring groove 104 and contact hole 105
Are embedded with a TaN liner 102 and a Cu film 103. Next, unnecessary portions of the Cu film 103 are removed by a CMP process (FIG. 1B). In the first step, the TaN liner 101 is stopped.

【0013】ここでは従来のスラリを用い、このスラリ
に酸化剤として過硫酸アンモニウム(1wt%)、酸化
抑制剤としてキナルジン酸(0.5wt%)、研磨粒子
としてアルミナ(0.5wt)を純水などの溶媒に加
え、スラリpHを水酸化カリウム水溶液で9.2にコン
トロールする。このコントロールしたスラリを用い、ス
ラリフロー:200cc、研磨パッドにIC1000/
SUBA400(ロデール社の商品名)、荷重(D
F):300g/cm2 、トップリング(TR)回転
数:100rpm、ターンテーブル(TT)回転数:1
00rpmの条件で200秒CMP処理を行なう。次
に、本発明の弗素有機化合物を含むスラリを用いてTa
Nライナ102の不要部分を除去するタッチアップ(2
ndステップ)を行う(図1(c))。このタッチアッ
プは、配線の仕上げ工程であるため不要なメタルの完
全除去、配線部及び絶縁膜上の傷の除去、配線部及
び絶縁膜上のパーティクル、腐食を誘発するような酸な
どを除去しなくてはならない、など難しい工程である。
[0013] Here, a conventional slurry is used, and ammonium persulfate (1 wt%) as an oxidizing agent, quinaldic acid (0.5 wt%) as an oxidation inhibitor, and alumina (0.5 wt) as polishing particles are added to the slurry. And the pH of the slurry is controlled at 9.2 with an aqueous solution of potassium hydroxide. Using this controlled slurry, slurry flow: 200 cc, IC1000 /
SUBA400 (trade name of Rodale), load (D
F): 300 g / cm 2 , top ring (TR) rotation speed: 100 rpm, turntable (TT) rotation speed: 1
The CMP process is performed for 200 seconds under the condition of 00 rpm. Next, using the slurry containing the fluorine organic compound of the present invention, Ta was used.
Touch-up for removing unnecessary parts of N liner 102 (2
nd step) (FIG. 1C). Since this touch-up is a finishing process of wiring, it completely removes unnecessary metal, removes scratches on wiring and insulating film, particles on wiring and insulating film, and acids that induce corrosion. It is a difficult process that must be done.

【0014】まず、Cu膜103/TaNライナ/絶縁
膜101と,異なった材料をバランス良く研磨する必要
がある。TaNは耐薬品性に優れているためケミカルよ
りもメカニカルでの研磨力を強める。この場合、研磨粒
子濃度は高めに設定される。即ち、5wt%程度が一般
的である。これによりが達成されるが、研磨粒子濃度
が高くなると、供給タンク中で研磨粒子が凝集し易くな
る。さらに、スラリ中に酸、イオンなどが存在すると、
塩析効果により、凝集が加速され研磨粒子同士が固まっ
てしまい、再分散しない状態(ハードケーキ化)となり
易い。しかし、粗大な粒子が混入したスラリでの研磨と
なるため傷を取るどころか逆に傷をつけてしまう。そし
て、は達成されない。さらに、ハードケーキ化した場
合、研磨に寄与するスラリ中の研磨粒子濃度が低下して
しまうため、レートバランスがくずれて研磨自体ができ
なくなってしまう。粒子の凝集、ハードケーキ化を防ぐ
ためには、界面活性剤の添加が有効であるが、従来のア
ルキル基を含む場合には、高濃度で添加しなければ効果
が小さくなる。分散効果を高めようとすると研磨レート
バランスが崩れてしまい研磨できない問題がある。ま
た、界面活性剤の添加はに対しても非常に有効であ
る。つまり、タッチアップでは界面活性剤がキーであ
る。
First, it is necessary to polish the Cu film 103 / TaN liner / insulating film 101 and a different material in a well-balanced manner. Since TaN is excellent in chemical resistance, it enhances mechanical polishing power more than chemical. In this case, the abrasive particle concentration is set higher. That is, about 5 wt% is generally used. This is achieved, but as the abrasive particle concentration increases, the abrasive particles tend to agglomerate in the supply tank. Furthermore, if there are acids, ions, etc. in the slurry,
Agglomeration is accelerated by the salting-out effect, and the abrasive particles tend to harden, so that a state in which the abrasive particles do not redisperse (hard cake) is likely to occur. However, since the polishing is performed with the slurry in which the coarse particles are mixed, not only the scratches but also the scratches are made. And is not achieved. Further, when the hard cake is formed, the concentration of the abrasive particles in the slurry contributing to the polishing decreases, so that the rate balance is lost and the polishing itself cannot be performed. The addition of a surfactant is effective in preventing the aggregation of particles and the formation of a hard cake. However, when a conventional alkyl group is contained, the effect is reduced unless it is added at a high concentration. If the dispersion effect is to be enhanced, there is a problem that the polishing rate balance is lost and polishing cannot be performed. The addition of a surfactant is also very effective. That is, the surfactant is the key in touch-up.

【0015】本発明の弗素系有機化合物であるフルオロ
アルキル基を有する界面活性剤をスラリに用いると、従
来のアルキル基の界面活性剤に対し、少量で分散効果が
高められるので狙いの研磨レートバランスを保つことが
できる。図2は、本発明のスラリの界面活性剤を添加し
た効果を説明する特性図であり、図2(a)が従来のア
ルキル鎖を有する界面活性剤をスラリを用いてCMPを
行ったときの特性図、図2(b)が本発明弗素系化合物
を加えたスラリを用いてCMPを行ったときの特性図で
ある。いずれの特性図にもCu研磨速度−界面活性剤濃
度曲線(−■−)及び粗大粒子数−界面活性剤曲線(−
◆−)が示されている。横軸が界面活性剤濃度(wt
%)を表し、縦軸がCu研磨速度(nm/min)及び
粗大粒子数(個/ml)を表している。Cuの研磨速度
を200mn/min以上、粗大粒子数(3次粒子径:
1μm以上)5000個/ml以下、Cu腐食防止の条
件を満たす界面活性剤濃度は、従来の場合存在しない
が、本発明では0.001〜0.5wt%と広い範囲で
使用できる。
When a surfactant having a fluoroalkyl group, which is a fluorine-based organic compound of the present invention, is used in a slurry, the dispersion effect can be improved with a small amount compared to the conventional surfactant having an alkyl group, so that a desired polishing rate balance can be achieved. Can be kept. FIG. 2 is a characteristic diagram illustrating the effect of adding a surfactant to the slurry of the present invention. FIG. 2 (a) shows the results when CMP is performed using a conventional surfactant having an alkyl chain using the slurry. FIG. 2B is a characteristic diagram when CMP is performed using a slurry to which the fluorine compound of the present invention is added. The Cu polishing rate-surfactant concentration curve (-■-) and the number of coarse particles-surfactant curve (-
◆-) is shown. The horizontal axis is the surfactant concentration (wt
%), And the vertical axis represents the Cu polishing rate (nm / min) and the number of coarse particles (particles / ml). When the polishing rate of Cu is 200 mn / min or more, the number of coarse particles (tertiary particle diameter:
A surfactant concentration satisfying the condition of preventing Cu corrosion (1 μm or more) of 5000 particles / ml does not exist in the conventional case, but can be used in a wide range of 0.001 to 0.5 wt% in the present invention.

【0016】例えば、酸化剤として過酸化水素:1wt
%、キノリン酸:0.1wt%、研磨粒子としてシリ
カ:3wt%を純水などの溶媒に加えたスラリ中にペル
フルオロアルキルエチレンオキシド系界面活性剤(ノニ
オン)を0.025wt%添加してCMP用スラリと
し、これを用いて、スラリフロー:200cc/mi
n、研磨パッド:ポリテックス(Politex)(ロ
デール社の商品名)、DF:300g/cm2 、TR回
転数:52rpm、TT回転数:50rpmの条件で8
0秒間CMP処理を行った。その結果、不要メタルを完
全に除去することができた。その結果、配線幅0.2μ
m、長さ10mの配線歩留まりは、100%であり
(1)は、達成されて、欠陥(傷、粒子残り)も10個
/1ウエハ以下であり、(2)、(3)も達成された。
勿論、残留粒子も完全に除去されている。Cuの腐食も
観測されなかった。また、2週間は安定にプロセスを実
施することができた。これは界面活性剤により、研磨粒
子が安定分散し、ハードケーキ化を防止することができ
たことによる。さらに、エロージョンを小さく押さえら
れる効果も確認されている。この実施例においてエロー
ジョンを配線幅50μm、配線被覆率80%で40nm
に抑えられた。従来技術では85nmであった。
For example, hydrogen peroxide: 1 wt.
%, Quinolinic acid: 0.1 wt%, silica as abrasive particles: 3 wt% in a solvent such as pure water, and 0.025 wt% of a perfluoroalkylethylene oxide-based surfactant (nonion) added to the slurry for CMP. And using this, slurry flow: 200 cc / mi
n, polishing pad: Polytex (trade name of Rodale), DF: 300 g / cm 2 , TR rotation speed: 52 rpm, TT rotation speed: 50 rpm
The CMP process was performed for 0 seconds. As a result, unnecessary metal could be completely removed. As a result, the wiring width 0.2 μm
The yield of wiring with a length of 10 m and a length of 10 m is 100%. (1) is achieved, defects (scratch, remaining particles) are less than 10 pieces / wafer, and (2) and (3) are also achieved. Was.
Of course, residual particles have also been completely removed. No corrosion of Cu was observed. In addition, the process was able to be performed stably for two weeks. This is because the surfactant stably dispersed the abrasive particles and prevented hard cake formation. Furthermore, the effect of suppressing erosion small has been confirmed. In this embodiment, erosion was performed at a wiring width of 50 μm and a wiring coverage of 80% at 40 nm.
Was suppressed. In the prior art, it was 85 nm.

【0017】従来技術のアルキル基を有する界面活性剤
を用いた場合、研磨レートバランスを保ち、研磨粒子の
凝集化を防止することが難しい。しかし、本発明によれ
ば、0.001wt%以上の弗素系有機化合物を添加す
ることによりこのような問題を解決することができた。
この実施例では、弗素系有機化合物として弗素系のノニ
オン(非イオン性)界面活性剤を用いて説明したが、研
磨粒子の電位と同電位の親水部を有する弗素系界面活性
剤を用いても同様の効果が得られる。
When a surfactant having an alkyl group according to the prior art is used, it is difficult to maintain a polishing rate balance and prevent agglomeration of abrasive particles. However, according to the present invention, such a problem could be solved by adding 0.001 wt% or more of the fluorine-based organic compound.
In this embodiment, a fluorine-based nonionic (nonionic) surfactant has been described as the fluorine-based organic compound. However, a fluorine-based surfactant having a hydrophilic portion having the same potential as the potential of the abrasive particles may be used. Similar effects can be obtained.

【0018】次に、図3及び図4を参照して第2の実施
例を説明する。図4は、Cuダマシン配線形成を説明す
る製造工程断面図である。この実施例ではCu厚膜をC
MPする際にペルフルオロオリゴマを添加したスラリを
用いて安定したプロセスが達成されるCuダマシン配線
を形成する。LSIなどの半導体装置の製造工程の中で
1μm以上の厚膜のCuを研磨するプロセスがあるが、
研磨速度の低下が問題となっている(図3参照)。図3
は、CMP処理における研磨時間とCu削れ量との関係
を示す特性図であり、横軸が研磨時間(秒)、縦軸がC
u削れ量(nm)を表している。実線が本発明のCMP
特性を示す特性線であり、点線が従来のCMP特性を示
す特性線である。例えば、60秒の研磨では500nm
削れるが、一気に120秒研磨すると、800nmしか
削れない。60〜120秒の削れ量が300nmと減少
してしまうのである。これは、研磨中に生成される反応
物、スラリ成分(主として研磨粒子)が研磨パッドに付
着してメズマリを生じるためと考えられる。したがっ
て、各々の適度な親水化処理が必要となってくる。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process for explaining formation of a Cu damascene wiring. In this embodiment, the Cu thick film is C
A Cu damascene wiring in which a stable process is achieved is formed by using a slurry to which a perfluorooligomer is added during MP. Although there is a process of polishing Cu having a thickness of 1 μm or more in a manufacturing process of a semiconductor device such as an LSI,
The problem is that the polishing rate decreases (see FIG. 3). FIG.
Is a characteristic diagram showing the relationship between the polishing time in the CMP process and the amount of Cu scraping. The horizontal axis represents the polishing time (second), and the vertical axis represents the C time.
u represents the shaved amount (nm). The solid line is the CMP of the present invention.
This is a characteristic line showing characteristics, and the dotted line is a characteristic line showing conventional CMP characteristics. For example, for polishing for 60 seconds, 500 nm
It can be cut, but if it is polished for 120 seconds at a stretch, only 800 nm can be cut. The shaving amount for 60 to 120 seconds is reduced to 300 nm. It is considered that this is because reactants and slurry components (mainly abrasive particles) generated during polishing adhere to the polishing pad to cause mess. Therefore, each of them requires an appropriate hydrophilic treatment.

【0019】また、有機系の低誘電率化(Low−K)
材料の絶縁膜を用いてCuダマシン配線を形成する場合
には、無機質の絶縁膜を取り扱う時以上に欠陥、剥れに
対し注意が必要である。また、有機系の絶縁膜は疎水性
である場合が多い。そして、半導体基板表面が疎水性の
場合、パーティクルが付着し易い問題もある。したがっ
て、絶縁膜表面、反応生成物、スラリ成分、研磨パッド
表面の親水化がポイントとなる。次に、図4を参照して
膜厚のCu膜に対してCMPを行う際のプロセスフロー
を説明する。まず、シリコンなどの半導体基板200上
にシリコン酸化膜などの絶縁膜201を形成する。この
絶縁膜201の表面に深さ800nmの配線溝204を
パターン形成する。ここで絶縁膜201は、有機系絶縁
膜であり、柔らかく、脆く、剥がれ易い膜である。ま
た、絶縁膜201自体は疎水性である。次いで、TaN
ライナ202を10nm及びCu膜203を1400n
m順次堆積させる。Cu膜203は、シード層をスパッ
タリング法で形成し、残りをメッキにより形成する(図
4(a))。
Further, lowering the dielectric constant of an organic system (Low-K)
When a Cu damascene wiring is formed using an insulating film made of a material, attention must be paid to defects and peeling more than when an inorganic insulating film is handled. In addition, the organic insulating film is often hydrophobic. When the surface of the semiconductor substrate is hydrophobic, there is also a problem that particles easily adhere. Therefore, the point is to make the insulating film surface, the reaction product, the slurry component, and the polishing pad surface hydrophilic. Next, a process flow when performing CMP on a Cu film having a film thickness will be described with reference to FIG. First, an insulating film 201 such as a silicon oxide film is formed on a semiconductor substrate 200 such as silicon. A wiring groove 204 having a depth of 800 nm is formed on the surface of the insulating film 201 by patterning. Here, the insulating film 201 is an organic insulating film, and is a soft, brittle, and easily peelable film. Further, the insulating film 201 itself is hydrophobic. Then, TaN
10 nm for the liner 202 and 1400 n for the Cu film 203
m are sequentially deposited. As for the Cu film 203, a seed layer is formed by a sputtering method, and the rest is formed by plating (FIG. 4A).

【0020】次に、Cu膜203及びTaNライナ20
2の配線溝204に埋め込まれた部分を除く不要部分を
CMP処理により除去する(図4(b))。この実施例
では1度にCMP方法による研磨を完了させる1ステッ
ププロセスを用いている。スラリ成分は、酸化剤:過硫
酸アンモニウム(1wt%)、酸化抑制剤:キナルジン
酸(0.5wt%)、研磨粒子:コロイダルシリカ(1
wt%)、アラニン(0.3wt%)、調整剤などを純
水などの溶媒に添加し、弗素系有機化合物である界面活
性剤としてペルフルオロオリゴマ(0.025wt%)
を加え、水酸化カリウム水溶液によりpHを9にコント
ロールする。そして、スラリフロー:200cc/mi
n、研磨パッド:IC1000/SUBA400、D
F:300g/cm2 、TR回転数:100rpm、T
T回転数:100rpmの条件で、150秒間CMP処
理を行った。本発明では、150秒のCMP処理により
ウエハ全面の不要なメタルを研磨することができた。し
かし、従来のアルキル基を有する界面活性剤を用いた場
合には、300秒のCMPを行っても不要メタルを完全
に除去することはできなかった(図3参照)。
Next, the Cu film 203 and the TaN liner 20
Unnecessary parts other than the part embedded in the second wiring groove 204 are removed by the CMP process (FIG. 4B). In this embodiment, a one-step process for completing polishing by the CMP method at one time is used. The slurry components were: oxidizing agent: ammonium persulfate (1 wt%), oxidation inhibitor: quinaldic acid (0.5 wt%), abrasive particles: colloidal silica (1
wt%), alanine (0.3 wt%), a modifier and the like are added to a solvent such as pure water, and a perfluorooligomer (0.025 wt%) is used as a surfactant which is a fluorine-based organic compound.
And the pH is controlled at 9 with an aqueous solution of potassium hydroxide. And slurry flow: 200cc / mi
n, polishing pad: IC1000 / SUBA400, D
F: 300 g / cm 2 , TR rotation speed: 100 rpm, T
The CMP process was performed for 150 seconds under the condition of T rotation speed: 100 rpm. In the present invention, unnecessary metal on the entire surface of the wafer can be polished by the CMP process for 150 seconds. However, when a conventional surfactant having an alkyl group was used, unnecessary metals could not be completely removed even after 300 seconds of CMP (see FIG. 3).

【0021】従来技術でメタルを除去しきれなかったの
は、反応生成物及び研磨パッド表面の親水化が不充分で
あったため、研磨パッド表面に削れカスがたまり、めず
まりが生じやすい状態となっているとこと、さらに、界
面活性剤が研磨パッド上に蓄積されて、見かけ上研磨中
の界面活性剤濃度が高くなることによるものと考えられ
る。研磨パッド表面の親水化あるいは疎水性材料の親水
化は、とくに電気的に中性である場合、電気的引力が働
かないため、削れカス(例えば、シリカはマイナス
(−)に帯電し、Cu錯体はプラス(+)に帯電してい
る)がスムーズに研磨面から排出される。本発明では、
欠陥及びスクラッチについても、有機系絶縁膜や多孔質
絶縁膜のように、柔らかく、脆く、剥がれ易い膜に対し
てもダメージを与えること無く、且つ研磨中の摩擦(テ
ーブルモータのトルクセンサ電流値)も小さいことから
剥がれに対しても有利な方向であると推測される。さら
に、界面活性剤は、酸化したCuを保護するためCuの
腐食防止効果が期待できるが,本発明の弗素系有機化合
物においても、0.001wt%以上添加することによ
り、その効果が確認された。
The reason that the metal could not be completely removed by the conventional technique is that the reaction product and the polishing pad surface were insufficiently hydrophilized, so that the polishing pad surface was left with shavings and the state in which the polishing pad was likely to be clogged. This is considered to be due to the fact that the surfactant is accumulated on the polishing pad, and the surfactant concentration apparently increases during polishing. When the surface of the polishing pad is made hydrophilic or the hydrophobic material is made hydrophilic, particularly when the material is electrically neutral, electric attraction does not work. Is positively (+) charged) is smoothly discharged from the polished surface. In the present invention,
As for defects and scratches, soft, brittle and easily peelable films like organic insulating films and porous insulating films are not damaged, and friction during polishing (torque sensor current value of table motor) Is small, it is presumed that this is also an advantageous direction for peeling. Further, the surfactant can be expected to have an effect of preventing corrosion of Cu because it protects oxidized Cu, but the effect was also confirmed by adding 0.001 wt% or more of the fluorine-based organic compound of the present invention. .

【0022】ここでは、0.5wt%以上の弗素系有機
化合物を添加すると、表面保護膜の削れ易さに影響が現
れて研磨速度が著しく低下する。その原因は保護膜の界
面活性剤の割合が増えることによるものと考えられる。
したがって、界面活性剤の使用濃度は0.5wt%以下
とすることが望ましい。この実施例では、弗素系有機化
合物として弗素系ノニオン(非イオン性)界面活性剤を
用い説明したが、研磨粒子の電位と同電位の親水部を有
する弗素系界面活性剤を用いても、同様の効果が得られ
る。
Here, when the fluorine-based organic compound is added in an amount of 0.5 wt% or more, the easiness of shaving of the surface protective film appears, and the polishing rate is significantly reduced. The cause is considered to be that the ratio of the surfactant in the protective film increases.
Therefore, it is desirable that the concentration of the surfactant used is 0.5 wt% or less. In this example, a fluorine-based nonionic (nonionic) surfactant was described as the fluorine-based organic compound. However, the same applies to the case where a fluorine-based surfactant having a hydrophilic portion having the same potential as the potential of the abrasive particles is used. The effect of is obtained.

【0023】次に、第3の実施例を説明する。この実施
例では弗素化剤を用いて、TaNを研磨する方法につい
て説明する。そして、第1の実施例と同様に、Cuダマ
シン配線形成のタッチアップ工程に適用する。従来技術
で述べたように、Taのケミカル力を効かせたCMP
は、不活性であるがために難しい。しかし、弗素のみに
対しては極めて活性である。発明者は、この弗素に注目
したものである。即ち、本発明ではTaNの弗化を目的
としている。弗化剤としてはフルオロピリジンを用い
る。フルオロピリジンは、Taの弗化によりFが解離し
た後、ピリジンがCuに吸着してCu表面を保護するた
めにCuとTaが共存する場合に適した有機系化合物で
ある。スラリ成分は、フルオロピリジン(0.2wt
%)、シリカ(0.5wt%)を塩化エチレン溶媒に溶
かしたものを用いた。研磨条件は、スラリフロー:20
0cc/min、研磨パッド:IC1000/SUBA
400、DF:300g/cm2 、TR回転数:100
rpm、TT回転数:100rpmの条件で45秒間C
MP処理を行った。
Next, a third embodiment will be described. In this embodiment, a method of polishing TaN using a fluorinating agent will be described. Then, similarly to the first embodiment, the present invention is applied to a touch-up process for forming a Cu damascene wiring. As described in the prior art, CMP utilizing Ta's chemical power
Is difficult because it is inert. However, it is extremely active only for fluorine. The inventor paid attention to this fluorine. That is, the present invention aims at fluorination of TaN. Fluoropyridine is used as the fluorinating agent. Fluoropyridine is an organic compound suitable for the case where Cu and Ta coexist in order to protect the Cu surface after pyridine is adsorbed on Cu after F is dissociated by fluorination of Ta. The slurry component is fluoropyridine (0.2wt
%) And silica (0.5 wt%) dissolved in an ethylene chloride solvent. The polishing conditions were as follows: slurry flow: 20
0 cc / min, polishing pad: IC1000 / SUBA
400, DF: 300 g / cm 2 , TR rotation speed: 100
rpm, TT rotation speed: C for 45 seconds under the condition of 100 rpm
MP processing was performed.

【0024】これにより、研磨粒子主体でのメカニカル
リッチなCMPを行わなくてもよいので、研磨粒子濃度
を低減することができる。スクラッチ及び剥れ耐性の観
点からは有利な方向である。また、従来技術ではタッチ
アップの際には粗大粒子によるスクラッチの回避及びメ
カニカル効率を良くするために摩擦の大きなソフトパッ
ドにより研磨を行う必要があった。しかし、本発明によ
り研磨粒子濃度を低くしたスラリを用いるのでハードパ
ッドの使用も可能になるのでエロージョンを抑制すると
いった観点からは大変大きなメリットがある。
[0024] This eliminates the need for mechanically rich CMP mainly using abrasive particles, so that the concentration of abrasive particles can be reduced. This is an advantageous direction from the viewpoint of scratch and peel resistance. Further, in the prior art, at the time of touch-up, it was necessary to perform polishing with a soft pad having large friction in order to avoid scratches due to coarse particles and improve mechanical efficiency. However, since a slurry having a low concentration of abrasive particles is used according to the present invention, a hard pad can be used, which is a great advantage from the viewpoint of suppressing erosion.

【0025】次に、図5を参照して第4の実施例を説明
する。図5は、Alダマシン配線形成を説明する製造工
程断面図である。この実施例ではピリジン環にフルオロ
メチル基と、官能基としてスルホン酸を有する化合物を
用いてAlのCMPを行う方法について説明する。弗素
系有機化合物の役割は、フルオロメチル基の疎水性とス
ルホン酸の親水性を利用して、Al表面の保護膜形成
と、研磨粒子の研磨パッドへの固定(即ち、アンカー効
果)とを狙うものである。アンカー効果とは、研磨粒子
を研磨パッドに固定化することにより、研磨効率(研磨
速度)を向上させることをいう。まず、シリコンなどの
半導体基板300上にシリコン酸化膜などの絶縁膜30
1を形成する。この絶縁膜301表面に深さ300nm
の配線溝304をパターニングする。ここで、絶縁膜3
01は、有機系膜のように、柔らかく、脆く、剥がれ易
い膜である。次に、Nbライナ302を15nm及びA
l膜303を800nm程度スパッタリングにより堆積
する(図5(a))。
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a manufacturing process sectional view for explaining the formation of an Al damascene wiring. In this example, a method of performing Al CMP using a compound having a fluoromethyl group on a pyridine ring and a sulfonic acid as a functional group will be described. The role of the fluorine-based organic compound is to form a protective film on the Al surface and fix the abrasive particles to the polishing pad (that is, anchor effect) by utilizing the hydrophobicity of the fluoromethyl group and the hydrophilicity of the sulfonic acid. Things. The anchor effect refers to improving polishing efficiency (polishing speed) by fixing polishing particles to a polishing pad. First, an insulating film 30 such as a silicon oxide film is formed on a semiconductor substrate 300 such as silicon.
Form one. The surface of the insulating film 301 has a depth of 300 nm.
The wiring groove 304 is patterned. Here, the insulating film 3
01 is a soft, brittle and easily peelable film such as an organic film. Next, the Nb liner 302 is
An l film 303 is deposited by sputtering to a thickness of about 800 nm (FIG. 5A).

【0026】次に、不要なAl膜303及びNbライナ
302を一気にCMPにより研磨し除去する。この実施
例に用いられる本発明のスラリ成分は、酸化剤:過硫酸
アンモニウム(2wt%)、酸化抑制剤(表面保護膜形
成):キノリン酸(0.6wt%)、フルオロピリジン
塩(0.5wt%)、研磨粒子:アルミナ(3wt%)
を純水などの溶媒に加えて得られる。スラリのpHは、
5にコントロールされている。アルミナは、+に帯電さ
れているのでピリジンに配位しているスルホン基(−に
帯電)に付く。スラリ中では疎水性の強い研磨粒子群が
形成されると予想される。そして、このスラリを用い
て、スラリフロー:200cc/min、研磨パッド:
IC1000/SUBA400、DF:300g/cm
2 、TR回転数:100rpm、TT回転数:100r
pmの条件で150秒間のCMP処理を行った(図5
(b))。この実施例のスラリが研磨時、研磨パッド
(ターンテーブル)上に供給されると研磨パッドが疎水
性であるため、疎水性の粒子群とよくなじむことにな
る。その結果、本発明ではAlの研磨速度500nm/
minが得られる。
Next, unnecessary portions of the Al film 303 and the Nb liner 302 are polished and removed by CMP at a stretch. The slurry component of the present invention used in this example includes an oxidizing agent: ammonium persulfate (2 wt%), an oxidation inhibitor (formation of a surface protective film): quinolinic acid (0.6 wt%), and a fluoropyridine salt (0.5 wt%). ), Abrasive particles: alumina (3 wt%)
Is added to a solvent such as pure water. The pH of the slurry is
Controlled at 5. Alumina is attached to a sulfone group (charged to-) which is coordinated to pyridine because it is charged to +. It is expected that highly hydrophobic abrasive particles are formed in the slurry. Then, using this slurry, a slurry flow: 200 cc / min and a polishing pad:
IC1000 / SUBA400, DF: 300 g / cm
2 , TR rotation speed: 100 rpm, TT rotation speed: 100 r
The CMP process was performed for 150 seconds under the condition of pm (FIG. 5).
(B)). When the slurry of this embodiment is supplied onto a polishing pad (turntable) during polishing, the polishing pad is hydrophobic, so that it is well compatible with hydrophobic particles. As a result, in the present invention, the polishing rate of Al was 500 nm /
min is obtained.

【0027】一方、従来技術であるフルオロメチル基が
無く、ピリジンスルホン酸を用いた場合は、研磨速度が
220nm/minと小さい。本発明は、研磨速度が2
倍以上向上するのでプロセス時間が短縮される。また、
研磨粒子が効率良く働くため研磨粒子の低濃度化が可能
となり、その結果、研磨面に生じるスクラッチ減及び残
留粒子減が期待される。また、スラリコストの低減とい
った利点もある。また、Al表面に吸着したピリジン
は、Alの腐食防止の効果があり、さらには、エロージ
ョンを小さく抑える効果があることが確認された。この
実施例では、弗素系有機化合物の親水部にアニオンを用
いているが、研磨粒子の電位と逆電位の親水部を有する
フッ素系界面活性剤を用いても、同様の効果が得られる。
On the other hand, when pyridinesulfonic acid is used without a fluoromethyl group as in the prior art, the polishing rate is as low as 220 nm / min. In the present invention, the polishing rate is 2
The process time is shortened by more than twice as much. Also,
Since the abrasive particles work efficiently, it is possible to reduce the concentration of the abrasive particles, and as a result, it is expected that scratches and residual particles generated on the polished surface are reduced. In addition, there is an advantage that the slurry cost is reduced. Further, it was confirmed that pyridine adsorbed on the Al surface had an effect of preventing corrosion of Al and further had an effect of suppressing erosion. In this embodiment, an anion is used for the hydrophilic portion of the fluorine-based organic compound. However, the same effect can be obtained by using a fluorine-based surfactant having a hydrophilic portion having a potential opposite to that of the abrasive particles.

【0028】なお、前述の実施例は一例にすぎず、本発
明は、これらに限定されるものではない。例えば、弗素
系界面活性剤は、アニオン、カチオン、非イオン性(ノ
ニオン)であってもよい。またこれらを混合して使用し
てもよい。弗化剤及びフルオロピリジン塩についても、
これらを混合して使用してもよいし、弗素系界面活性剤
あるいはアルキル鎖などの界面活性剤との併用も可能で
ある。研磨時の荷重(DF)、トップリング(TR)及
びターンテーブル(TT)の回転数などに関しても、適
宜、変更可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形可能である。
The above-described embodiments are merely examples, and the present invention is not limited to these embodiments. For example, the fluorosurfactant may be anionic, cationic, non-ionic (nonionic). These may be used as a mixture. Regarding the fluorinating agent and the fluoropyridine salt,
These may be used as a mixture, or may be used in combination with a fluorine-based surfactant or a surfactant such as an alkyl chain. The load (DF) at the time of polishing, the number of rotations of the top ring (TR) and the turntable (TT), and the like can also be appropriately changed. In addition, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

【0029】次に、図6を参照して本発明を実施するC
MP処理について説明する。本発明のスラリを用いてC
MP処理を実施するCMP装置は、回転可能な研磨盤
(ターンテーブル(TT))1が取り付けられている。
研磨盤1上にはシリコンなどのウエハを研磨する研磨パ
ッド2が張り付けられている。ウエハは、研磨パッド2
と対向する位置に配置され、真空又は水張りにより吸着
盤(トップリング(TR))3に取り付けられた吸着布
及びテンプレートに固定されている。トップリング(T
R)3は、駆動シャフト4に接続され、駆動シャフト4
は、モーターにより回転される。トップリング3に固定
されたウエハと研磨パッド2の間にはスラリが供給され
る。このようにしてウエハのCMPが行われる。図6
は、上記スラリを用いて実際にウエハをCMP処理する
CMP装置の斜視図である。例えば、約30回転/分で
回転する研磨盤1に張り付けられた研磨パッド2に、例
えば、約30回転/分で回転する駆動シャフト4に取り
付けられたトップリング3に固定されたウエハを所定の
荷重(DF)で押し付け、スラリタンクより導出された
スラリ供給パイプ38から供給されるスラリを加工点に
滴下しながらCMP研磨を行う。
Next, referring to FIG.
The MP processing will be described. Using the slurry of the present invention, C
A CMP apparatus that performs an MP process is provided with a rotatable polishing board (turntable (TT)) 1.
A polishing pad 2 for polishing a wafer made of silicon or the like is attached on the polishing board 1. The wafer is a polishing pad 2
And is fixed to a suction cloth and a template attached to a suction plate (top ring (TR)) 3 by vacuum or water filling. Top ring (T
R) 3 is connected to the drive shaft 4
Is rotated by a motor. A slurry is supplied between the wafer fixed to the top ring 3 and the polishing pad 2. Thus, the CMP of the wafer is performed. FIG.
FIG. 2 is a perspective view of a CMP apparatus that actually performs a CMP process on a wafer using the slurry. For example, a wafer fixed to a top ring 3 attached to a drive shaft 4 rotating at a speed of about 30 revolutions / minute is mounted on a polishing pad 2 attached to a polishing board 1 rotating at a speed of about 30 revolutions / minute. Pressing is performed with a load (DF), and CMP polishing is performed while slurry supplied from a slurry supply pipe 38 derived from a slurry tank is dropped onto a processing point.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上、本発明は、弗素有機化合物を含有
するスラリを用いてCMP行うので高研磨速度が達成さ
れ、且つ研磨レートバランスを保ちながら研磨粒子の安
定した分散化が可能になるというCMP特性が改善さ
れ、さらにエロージョンの少ない高性能のメタルダマシ
ン配線を形成することができる。
As described above, according to the present invention, since CMP is performed using a slurry containing a fluorine organic compound, a high polishing rate can be achieved, and a stable dispersion of abrasive particles can be achieved while maintaining a polishing rate balance. A high-performance metal damascene wiring with improved CMP characteristics and less erosion can be formed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施例のスラリを用いたCMP方法を説
明する半導体装置の製造工程断面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device manufacturing process illustrating a CMP method using a slurry according to a first embodiment.

【図2】スラリ中の界面活性剤濃度と研磨粒子の分散性
及び研磨レートバランスとの関係を示す特性図。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between a surfactant concentration in a slurry, a dispersibility of abrasive particles, and a polishing rate balance.

【図3】CMP処理におけるCu削れ量と研磨時間との
関係を示す特性図。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between a Cu shaving amount and a polishing time in a CMP process.

【図4】第1の実施例のスラリを用いたCMP方法を説
明する半導体装置の製造工程断面図。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a semiconductor device manufacturing process illustrating a CMP method using a slurry of the first embodiment.

【図5】第1の実施例のスラリを用いたCMP方法を説
明する半導体装置の製造工程断面図。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor device manufacturing process illustrating a CMP method using a slurry of the first embodiment.

【図6】本発明のCMP方法を説明するCMP装置の部
分斜視図。
FIG. 6 is a partial perspective view of a CMP apparatus illustrating a CMP method of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・研磨盤(ターンテーブルTT)、 2・・・
研磨パッド、3・・・トップリング、 4・・・駆動
シャフト、38・・・スラリ供給パイプ、100、20
0、300・・・半導体基板、101、201、301
・・・絶縁膜、102、202・・・TaNライナ、
103、203・・・Cu膜、104、204、30
4・・・配線溝、 105・・・コンタクト孔、30
2・・・Nbライナ、 303・・・Al膜。
1 ... polishing machine (turntable TT), 2 ...
Polishing pad, 3 ... top ring, 4 ... drive shaft, 38 ... slurry supply pipe, 100, 20
0, 300: semiconductor substrate, 101, 201, 301
... insulating film, 102, 202 ... TaN liner,
103, 203 ... Cu film, 104, 204, 30
4 ... wiring groove, 105 ... contact hole, 30
2 ... Nb liner, 303 ... Al film.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 溶媒と、この溶媒に分散した研磨粒子
と、少なくとも1種類の弗素有機化合物とを備えたこと
を特徴とする化学的機械的研磨用スラリ。
1. A slurry for chemical mechanical polishing comprising a solvent, abrasive particles dispersed in the solvent, and at least one fluorine organic compound.
【請求項2】 前記弗素有機化合物は、疎水基として、
フルオロメチル基、ペルフルオロアルキル基を分子内に
有していることを特徴とする請求項1に記載の化学的機
械的研磨用スラリ。
2. The method according to claim 1, wherein the fluorine organic compound is
The slurry for chemical mechanical polishing according to claim 1, wherein the slurry has a fluoromethyl group and a perfluoroalkyl group in the molecule.
【請求項3】 前記弗素有機化合物は、求電子弗素化と
して用いられる弗素を含有していることを特徴とする請
求項1又は請求項2に記載の化学的機械的研磨用スラ
リ。
3. The slurry for chemical mechanical polishing according to claim 1, wherein the fluorine organic compound contains fluorine used for electrophilic fluorination.
【請求項4】 前記弗素有機化合物は、ペルフルオロア
ルキルベダイン、ペルフルオロアルキルエチレンオキシ
ド付加物、ペルフルオロアルキルオリゴマ、ペルフルオ
ロアルキルカルボン酸塩、ペルフルオロアルキル第四級
アンモニウム塩、フルオロベンゼン系中間体、ベンゼン
トリフルオリド系中間体、脂肪族系中間体、N−フルオ
ロピリジニウム塩、N−フルオロピロリドン、N−フル
オロ−N−アルキル−アレーンスルホンアミド、FCl
3 、CF3 COOF、CH3COOFのすくなくとも
いずれかであることを特徴とする請求項1乃至請求項3
のいずれかに記載の化学的機械的研磨用スラリ。
4. The fluorine organic compound is a perfluoroalkylbedine, a perfluoroalkylethylene oxide adduct, a perfluoroalkyl oligomer, a perfluoroalkyl carboxylate, a perfluoroalkyl quaternary ammonium salt, a fluorobenzene-based intermediate, a benzenetrifluoride-based compound. Intermediate, aliphatic intermediate, N-fluoropyridinium salt, N-fluoropyrrolidone, N-fluoro-N-alkyl-arene sulfonamide, FCl
4. The method according to claim 1, wherein at least one of O 3 , CF 3 COOF and CH 3 COOF is selected.
The slurry for chemical mechanical polishing according to any one of the above.
【請求項5】 前記弗素有機化合物は、アルキル基、芳
香環、複素芳香環のいずれかを含むことを特徴とする請
求項1乃至請求項4のいずれかに記載の化学的機械的研
磨用スラリ。
5. The slurry for chemical mechanical polishing according to claim 1, wherein the fluorine organic compound contains any one of an alkyl group, an aromatic ring, and a heteroaromatic ring. .
【請求項6】 前記弗素有機化合物は、官能基としてア
ニオン、カチオン、非イオン性若しくはアニオン及びカ
チオンの両性のいずれかを少なくとも有していることを
特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の化
学的機械的研磨用スラリ。
6. The organic compound according to claim 1, wherein the fluorine organic compound has at least one of an anion, a cation, a nonionic, and an amphoteric of an anion and a cation as a functional group. The slurry for chemical mechanical polishing according to any one of the above.
【請求項7】 前記弗素有機化合物濃度は、0.001
wt%〜0.5wt%であることを特徴とする請求項1
乃至請求項6のいずれかに記載の化学的機械的研磨用ス
ラリ。
7. The concentration of the fluorine organic compound is 0.001.
2. The composition according to claim 1, wherein the content is in the range of 0.5 wt% to 0.5 wt%.
The slurry for chemical mechanical polishing according to claim 6.
【請求項8】 酸化剤として、過硫酸アンモニウム、過
硫酸カリウム、過酸化水素水、硝酸第二鉄、硝酸第二ア
ンモニウムセリウムから選ばれた少なくとも1つをさら
に含むことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれ
かに記載の化学的機械的研磨用スラリ。
8. The method according to claim 1, wherein the oxidizing agent further comprises at least one selected from ammonium persulfate, potassium persulfate, aqueous hydrogen peroxide, ferric nitrate, and ceric ammonium cerium. A slurry for chemical mechanical polishing according to claim 7.
【請求項9】 添加剤として、キナルジン酸、キノリン
酸、ニコチン酸、ピコリン酸、マロン酸、シュウ酸、コ
ハク酸、グリシン、アラニン、トリプトファンの少なく
とも1つを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項8
のいずれかに記載の化学的機械的研磨用スラリ。
9. The method according to claim 1, wherein the additive contains at least one of quinaldic acid, quinolinic acid, nicotinic acid, picolinic acid, malonic acid, oxalic acid, succinic acid, glycine, alanine and tryptophan. Claim 8
The slurry for chemical mechanical polishing according to any one of the above.
【請求項10】 半導体基板上に形成された絶縁膜表面
に配線溝を形成する工程と、 前記配線溝内部を含む前記絶縁膜上に金属膜を堆積させ
る工程と、 前記金属膜表面を請求項1乃至請求項10のいずれかに
記載されたスラリを用いて化学的機械的研磨を行い、前
記配線溝に埋め込まれた前記金属膜以外の金属膜を除去
する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造
方法。
10. A step of forming a wiring groove on a surface of an insulating film formed on a semiconductor substrate; a step of depositing a metal film on the insulating film including the inside of the wiring groove; A step of performing chemical mechanical polishing using the slurry according to any one of claims 1 to 10 to remove a metal film other than the metal film embedded in the wiring groove. Semiconductor device manufacturing method.
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