JP2001031953A - Polishing agent for metallic film - Google Patents

Polishing agent for metallic film

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JP2001031953A
JP2001031953A JP11205377A JP20537799A JP2001031953A JP 2001031953 A JP2001031953 A JP 2001031953A JP 11205377 A JP11205377 A JP 11205377A JP 20537799 A JP20537799 A JP 20537799A JP 2001031953 A JP2001031953 A JP 2001031953A
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JP
Japan
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polishing
film
abrasive
agent
metal
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JP11205377A
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Japanese (ja)
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Hiroshi Kato
寛 加藤
Kazuhiko Hayashi
和彦 林
Naoto Mochizuki
直人 望月
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Tokuyama Corp
Original Assignee
Tokuyama Corp
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  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a polishing agent used to polish a metallic film at a high polishing speed without causing scratches and dishing, which agent comprises abrasive grains, a corrosion inhibitor, a persulfate-type oxidizing agent, and water, is substantially free from an organic acid which forms a complex with a metal, and has a specified pH value. SOLUTION: This polishing agent has an adjusted pH of 3-7. The abrasive grains are desirably silica having a specific surface area of 20-350 m2/g and are desirably used in a concentration of 0.1-30 wt.% based on the polishing agent. The corrosion inhibitor is desirably benzotriazole and is desirably used in a content of 10-1,000 ppm. The persulfate-type oxidizing agent is desirably ammonium persulfate and is used in an amount of, desirably, 0.1-10 wt.%. The polishing agent is useful when used in a process comprising: forming an insulation film having a recess for metal wiring on the surface of a semiconductor substrate, forming a metallic film on it through a barrier film in such a manner that it may fill the recess, and removing part of the metallic film and the barrier film by polishing to form a leveled surface on the insulation film and that part of the metallic film which remains in the recess.

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】本発明は新規な研磨剤に関す
る。詳しくは、金属膜の研磨特性に優れ、且つ金属膜の
溶解特性が低く抑えられた研磨剤を提供する。
[0001] The present invention relates to a novel abrasive. Specifically, the present invention provides an abrasive having excellent polishing characteristics of a metal film and low dissolution characteristics of the metal film.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体デバイスの高集積化に伴って、配
線技術は益々微細化かつ多層化の方向に進んでいる。そ
して、上記配線技術の多層化により半導体基板表面の段
差は大きくなり、その結果、その上に形成される配線の
加工精度や信頼性を低下させ、微細化を妨げるという問
題を有する。
2. Description of the Related Art Along with the high integration of semiconductor devices, wiring technology has been increasingly miniaturized and multilayered. The multi-layered wiring technology increases the level difference on the surface of the semiconductor substrate. As a result, there is a problem in that the processing accuracy and reliability of wiring formed thereon are reduced, and miniaturization is hindered.

【0003】上記の多層化による問題点を解決するため
に、配線パターンや電極等(以下、配線等という)が形
成された層を平坦化し、その上にさらに配線等を形成す
る技術が開発されている。即ち、半導体基板の表面に金
属配線用の凹部を有する絶縁膜を形成し、その上にバリ
ア膜を介して該凹部を埋めるように金属膜を形成した
後、凹部以外に存在する金属膜及びバリア膜を研磨によ
って除去して絶縁膜と凹部に存在する金属膜との平坦化
された面を形成する方法である。上記技術において、バ
リア膜は、金属膜として用いるアルミニウムや銅または
タングステンが絶縁膜中に拡散するのを防止したり、該
金属膜と半導体基板との密着性を良くする機能を有する
ものであり、一般に、窒化チタンや窒化タンタルなどが
使用される。
In order to solve the above-mentioned problems caused by the multi-layering, a technique has been developed in which a layer on which wiring patterns, electrodes, etc. (hereinafter, referred to as wirings, etc.) are formed is flattened, and further wirings, etc. are formed thereon. ing. That is, an insulating film having a concave portion for metal wiring is formed on a surface of a semiconductor substrate, and a metal film is formed thereon so as to fill the concave portion via a barrier film. In this method, the film is removed by polishing to form a flattened surface of the insulating film and the metal film present in the concave portion. In the above technique, the barrier film has a function of preventing aluminum, copper, or tungsten used as a metal film from diffusing into the insulating film, and improving the adhesion between the metal film and the semiconductor substrate, Generally, titanium nitride or tantalum nitride is used.

【0004】上記研磨方法は、高い研磨性能を実現する
ため、機械的な研磨とそれを促進するような化学反応と
を併用する方法が採られる。この方法は、化学機械研磨
(以下、CMPと略記する)法と呼ばれ、金属膜、絶縁
膜、バリア膜等の研磨対象に応じて使用する研磨剤の組
成が種々提案されている。上記研磨剤の一般的な組成
は、研磨砥粒と薬剤とよりなる。研磨砥粒の種類や薬剤
の種類、更には各種の添加剤を加えることによって、各
種の研磨剤が提案されている。
In order to realize high polishing performance, the above-mentioned polishing method employs a method in which mechanical polishing is used in combination with a chemical reaction which promotes the polishing. This method is called a chemical mechanical polishing (hereinafter, abbreviated as CMP) method, and various compositions of polishing agents to be used according to a polishing target such as a metal film, an insulating film, and a barrier film have been proposed. The general composition of the above-mentioned abrasive is composed of abrasive grains and a chemical. Various types of abrasives have been proposed by adding types of abrasive grains, types of chemicals, and various additives.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところが、CMP法に
おいては、一般的に、薬剤により研磨対象の金属が溶解
し、配線として残したい絶縁膜表面の凹部を埋めた金属
までが薄くなる現象(以下、この現象をディッシングと
いう)が発生し易くなる。ディッシングが起こると配線
不良が発生し易くなるため、ディッシングの発生をでき
る限り抑える必要がある。一方、銅などの金属膜の腐食
を抑えるためには、ベンゾトリアゾール等の防食剤の添
加が効果的であることが知られている。しかしながら、
従来の研磨剤ではディッシングを完全には抑えきれず、
また、ディッシングを抑えるために、前記ベンゾトリア
ゾールなどの、いわゆる防食剤を多量に添加すると、金
属膜の研磨速度が低下し過ぎて実用上問題となる場合も
ある。
However, in the CMP method, generally, the metal to be polished is dissolved by a chemical, and the metal that fills the recesses on the surface of the insulating film which is to be left as wiring is thinned (hereinafter referred to as a phenomenon). This phenomenon is called dishing). When dishing occurs, a wiring failure easily occurs. Therefore, it is necessary to suppress the occurrence of dishing as much as possible. On the other hand, it is known that the addition of an anticorrosive such as benzotriazole is effective for suppressing corrosion of a metal film such as copper. However,
Dishing cannot be completely suppressed with conventional abrasives.
Further, if a large amount of a so-called anticorrosive agent such as the above-mentioned benzotriazole is added to suppress dishing, the polishing rate of the metal film is excessively reduced, which may cause a practical problem.

【0006】以上のように、研磨速度、ディッシングの
問題を両立させることは難しく、問題の解決が待たれて
いた。
As described above, it is difficult to achieve both the problem of polishing speed and the problem of dishing, and the solution of the problem has been awaited.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、特定の
条件下に防食剤と特定の酸化剤とを併用した研磨剤が、
金属膜を高い研磨速度で研磨でき、且つディッシングを
ほぼ完全に抑えられることを見い出し、本発明を提案す
るに至った。
Means for Solving the Problems The present inventors have made intensive studies to solve the above problems. As a result, under certain conditions, abrasives using a combination of anticorrosive and specific oxidizing agent,
The present inventors have found that a metal film can be polished at a high polishing rate and that dishing can be almost completely suppressed, and the present invention has been proposed.

【0008】即ち、本発明は、研磨砥粒、防食剤、過硫
酸塩系酸化剤及び水よりなり、金属と錯体を形成し得る
有機酸を実質的に含まず、且つpHが3〜7の範囲に調
整されたことを特徴とする金属膜用研磨剤である。
That is, the present invention provides a polishing composition comprising abrasive grains, an anticorrosive, a persulfate-based oxidizing agent and water, containing substantially no organic acid capable of forming a complex with a metal and having a pH of 3 to 7. An abrasive for a metal film, which is adjusted to a range.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る研磨剤につい
て詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the abrasive according to the present invention will be described in detail.

【0010】本発明の金属膜用研磨剤が研磨の対象とす
る金属膜としては、アルミニウム膜、銅膜、タングステ
ン膜などが挙げられる。中でも、銅膜に対して本発明は
特に有効である。
The metal film to be polished by the metal film polishing agent of the present invention includes an aluminum film, a copper film and a tungsten film. Among them, the present invention is particularly effective for a copper film.

【0011】本発明に用いる研磨砥粒は、特に限定され
ない。シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、窒化ケ
イ素、炭化ケイ素等を使用することができる。上記の中
でもシリカを砥粒に用いた場合には、研磨剤が安定で、
しかもスクラッチの少ない研磨ができるなどの特徴があ
り、好適である。
The abrasive grains used in the present invention are not particularly limited. Silica, alumina, ceria, zirconia, silicon nitride, silicon carbide and the like can be used. Among the above, when using silica for abrasive grains, the abrasive is stable,
In addition, it is advantageous in that it can be polished with less scratches.

【0012】上記のシリカとしては、公知のものを特に
制限なく用いることができる。例えば、火炎中で四塩化
ケイ素やシラン系ガスを燃焼させて製造されるヒューム
ドシリカ、アルコキシシランを原料に用いて加水分解し
て製造されるゾル−ゲルシリカ(以下、高純度コロイダ
ルシリカともいう)、珪酸ソーダを原料にして鉱酸で中
和して製造される沈殿法シリカ、同じく珪酸ソーダを原
料にしてオストワルド法で製造されるコロイダルシリカ
などが挙げられる。
As the silica, known silica can be used without any particular limitation. For example, fumed silica produced by burning silicon tetrachloride or a silane-based gas in a flame, or sol-gel silica produced by hydrolysis using alkoxysilane as a raw material (hereinafter also referred to as high-purity colloidal silica) And precipitated silica produced by using sodium silicate as a raw material and neutralized with a mineral acid, and colloidal silica produced by using the sodium silicate as a raw material by the Ostwald process.

【0013】また、上記シリカの比表面積は特に限定さ
れないが、20〜350m2/gの範囲が特に好適であ
る。即ち、比表面積が20m2/gよりも小さくなる
と、シリカ粒子が沈降し易くなる傾向にある。一方、比
表面積が350m2/gよりも大きい場合、研磨剤の安
定性等に問題が生じる場合もある。
The specific surface area of the silica is not particularly limited, but is preferably in the range of 20 to 350 m 2 / g. That is, when the specific surface area is smaller than 20 m 2 / g, the silica particles tend to settle easily. On the other hand, if the specific surface area is larger than 350 m 2 / g, there may be a problem in the stability of the abrasive.

【0014】本発明の金属膜用研磨剤における上記シリ
カの濃度は0.1〜30重量%の範囲が良く、特に、
0.1〜20重量%の範囲が最適である。シリカの濃度
が0.1重量%よりも小さいと、金属膜の研磨速度が低
下し、30重量%よりも大きい場合には、研磨剤がゲル
化するなど研磨剤の安定性が低下する場合がある。
The concentration of the silica in the metal film polishing slurry of the present invention is preferably in the range of 0.1 to 30% by weight.
The range of 0.1 to 20% by weight is optimal. When the concentration of silica is less than 0.1% by weight, the polishing rate of the metal film is reduced. When the concentration is more than 30% by weight, the stability of the polishing agent such as gelling of the polishing agent is reduced. is there.

【0015】本発明では防食剤を用いることが極めて重
要である。防食剤の種類としては、公知のものが制限無
く使用できる。代表例を例示すると、ベンゾトリアゾー
ル、イミダゾール、ベンゾイミダゾール、ベンゾチアゾ
ール、2−アミノチアゾール及びそれらの誘導体などが
挙げられる。これらの中でもベンゾトリアゾールが好適
である。
In the present invention, it is extremely important to use an anticorrosive. Known types of anticorrosives can be used without limitation. Representative examples include benzotriazole, imidazole, benzimidazole, benzothiazole, 2-aminothiazole and derivatives thereof. Among them, benzotriazole is preferred.

【0016】金属用研磨剤における上記防食剤の含有量
は、10〜1000ppmの範囲、好ましくは30〜2
50ppmの範囲、更に好ましくは30〜150ppm
の範囲が好適である。10ppm未満の場合は、防食効
果が小さすぎて金属膜が溶解し易い場合がある。また、
1000ppmを越えると研磨速度が大幅に低下する場
合がある。
The content of the anticorrosive in the metal polishing agent is in the range of 10 to 1000 ppm, preferably 30 to 2 ppm.
50 ppm, more preferably 30 to 150 ppm
Is suitable. If it is less than 10 ppm, the anticorrosion effect may be too small to easily dissolve the metal film. Also,
If it exceeds 1000 ppm, the polishing rate may be significantly reduced.

【0017】研磨砥粒にシリカ、過硫酸塩系酸化剤に過
硫酸アンモニウム、防食剤にベンゾトリアゾールを使用
した場合には、ベンゾトリアゾールの含有量は50〜1
00ppmの範囲が、ディッシングをほぼ完全に抑えつ
つ、しかも、防食剤を添加しない場合に比べて研磨速度
の低下も殆ど無く、極めて良好な範囲と言える。
When silica is used for the abrasive grains, ammonium persulfate is used for the persulfate oxidizing agent, and benzotriazole is used for the anticorrosive, the benzotriazole content is 50 to 1
The range of 00 ppm can be said to be an extremely favorable range while almost completely suppressing dishing and hardly lowering the polishing rate as compared with the case where no anticorrosive agent is added.

【0018】本発明において、酸化剤として過硫酸塩系
酸化剤を用いることが極めて重要である。即ち、他の酸
化剤、例えば過酸化水素や硝酸第二鉄などを用いても本
発明の研磨剤と同様の優れた性能を発揮することはでき
ない。例えば、過硫酸塩系酸化剤の代わりに過酸化水素
を用いた場合には、研磨速度が極端に低下し、本発明の
目的を達成するとことができない。該過硫酸塩の構造を
以下に示す。
In the present invention, it is extremely important to use a persulfate oxidizing agent as the oxidizing agent. That is, even if another oxidizing agent such as hydrogen peroxide or ferric nitrate is used, the same excellent performance as the polishing agent of the present invention cannot be exhibited. For example, when hydrogen peroxide is used instead of the persulfate-based oxidizing agent, the polishing rate is extremely reduced, and the object of the present invention cannot be achieved. The structure of the persulfate is shown below.

【0019】[0019]

【化1】 上記過硫酸塩系酸化剤の具体的な代表例を例示すると、
過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウ
ム等が挙げられる。それらの中でも、本発明の研磨剤は
半導体デバイスの製造工程で主に使用されるため、N
a、K等のアルカリ金属を含まず、さらに工業的にも入
手が容易な過硫酸アンモニウムが好適に採用される。
Embedded image Illustrating specific representative examples of the above persulfate oxidizing agent,
Examples thereof include ammonium persulfate, potassium persulfate, and sodium persulfate. Among them, the abrasive of the present invention is mainly used in the manufacturing process of a semiconductor device,
Ammonium persulfate, which does not contain alkali metals such as a and K, and which is easily available industrially, is preferably used.

【0020】本発明において、研磨剤中の上記過硫酸塩
系酸化剤の添加量は、研磨剤中に0.1〜10重量%の
範囲、好ましくは0.5〜6重量%の範囲が好適であ
る。0.1重量%未満では金属膜の研磨速度が低い場合
がある。10重量%を超えると研磨速度が高くなり過ぎ
て研磨速度の制御が難しくなる傾向があり、更に濃度の
高い酸化剤を使用することは危険性の面でも問題があ
り、また廃水処理の負担が増えるなどの問題が生じるこ
とも懸念される。
In the present invention, the amount of the above-mentioned persulfate-based oxidizing agent in the abrasive is in the range of 0.1 to 10% by weight, preferably 0.5 to 6% by weight in the abrasive. It is. If it is less than 0.1% by weight, the polishing rate of the metal film may be low. If it exceeds 10% by weight, the polishing rate tends to be too high to make it difficult to control the polishing rate, and the use of a high-concentration oxidizing agent is problematic in terms of danger, and the burden of wastewater treatment is reduced. There is a concern that problems such as an increase will occur.

【0021】本発明の研磨剤は、金属膜に対する研磨速
度が研磨剤中に添加する過硫酸塩系酸化剤の濃度にほぼ
比例する傾向にあるため、該酸化剤の濃度を上記範囲内
で自由に設定することにより所望の研磨速度を得ること
ができるという特徴をも有している。
In the polishing agent of the present invention, the polishing rate for the metal film tends to be almost proportional to the concentration of the persulfate oxidizing agent added to the polishing agent. Also, by setting to, a desired polishing rate can be obtained.

【0022】ところで、本発明の金属膜用研磨剤は上記
の要件に加えて、金属と錯体を形成し得る有機酸を含ま
ないことが極めて重要である。従来知られている金属膜
用研磨には、シュウ酸、酒石酸、フタル酸、コハク酸と
いった有機酸を含むものがほとんどであった。これら
は、有機酸と金属膜表面の金属酸化物や金属イオンが錯
体を形成することによって、保護膜を形成するようにし
たものや、溶解を促進したり、研磨し易くするために添
加している。このときの酸化剤には過酸化水素を用いた
ものが多い。これに対して、本発明者らは、酸化剤とし
て過硫酸塩系酸化剤を用いた場合には、金属と錯体を形
成し得る有機酸を実質的に存在させないことにより、高
い金属膜の研磨速度を実現し、且つ金属膜の溶解性も低
く抑えられることを見い出した。
Incidentally, in addition to the above requirements, it is extremely important that the metal film polishing agent of the present invention does not contain an organic acid capable of forming a complex with a metal. Most of the conventionally known polishing methods for metal films contain organic acids such as oxalic acid, tartaric acid, phthalic acid and succinic acid. These are those that form a protective film by forming a complex between the organic acid and the metal oxide or metal ion on the surface of the metal film, or are added to promote dissolution or facilitate polishing. I have. At this time, the oxidizing agent often uses hydrogen peroxide. On the other hand, the present inventors have found that when a persulfate-based oxidizing agent is used as an oxidizing agent, the polishing of a high metal film can be performed by substantially eliminating the presence of an organic acid capable of forming a complex with a metal. It has been found that the speed can be realized and the solubility of the metal film can be kept low.

【0023】また本発明の研磨剤のpHは3〜7の範囲
に調整することが重要である。即ち、pHが3未満また
は7を超えた場合は、研磨剤がゲル化等によって不安定
になる場合や金属膜のディッシングが起こり易くなる。
特に、研磨砥粒にシリカ、防食剤にベンゾトリアゾー
ル、酸化剤に過硫酸アンモニウムを使用した場合には、
研磨剤のpHは3〜5の範囲が好適である。
It is important to adjust the pH of the abrasive of the present invention to a range of 3-7. That is, when the pH is less than 3 or more than 7, the abrasive becomes unstable due to gelation or the like, and dishing of the metal film easily occurs.
In particular, when silica is used for abrasive grains, benzotriazole is used as an anticorrosive, and ammonium persulfate is used as an oxidizing agent,
The pH of the abrasive is preferably in the range of 3 to 5.

【0024】本発明において研磨剤のpHを上記範囲に
調整するために、酸やアルカリを適量添加しても良い。
なお、酸としては無機酸の如き金属と錯体を形成しない
酸を使用するのが好ましい。例えば、過硫酸塩系酸化剤
として過硫酸アンモニウムを使用した場合には、pH調
整剤として酸には硫酸、アルカリにはアンモニアを使用
することが好ましい。本発明においては、上記のよう
に、研磨剤中のイオン種をできる限り少なくすることが
研磨の再現性や研磨剤の安定性を向上せしめるために有
効である。なお、研磨砥粒に高純度のフュームドシリカ
や高純度のコロイダルシリカを使用した場合には、防食
剤と過硫酸塩系酸化剤のみにより研磨剤のpHを上記範
囲に調整することも可能であり、好適である。
In the present invention, an appropriate amount of acid or alkali may be added in order to adjust the pH of the abrasive to the above range.
It is preferable to use an acid that does not form a complex with a metal, such as an inorganic acid, as the acid. For example, when ammonium persulfate is used as a persulfate-based oxidizing agent, it is preferable to use sulfuric acid as an acid and ammonia as an alkali as a pH adjuster. In the present invention, as described above, it is effective to reduce the ionic species in the polishing slurry as much as possible in order to improve the reproducibility of polishing and the stability of the polishing slurry. When high-purity fumed silica or high-purity colloidal silica is used for the abrasive grains, the pH of the polishing agent can be adjusted to the above range only with the anticorrosive and the persulfate-based oxidizing agent. Yes, it is preferred.

【0025】本発明の金属膜用研磨剤の使用において、
各成分の添加順序は特に制限されるものではなく、使用
時、即ち、研磨時に全成分が含まれていれば良い。しか
し、一般に、酸化剤は水溶液にしたり、室温で放置して
おいたりすると徐々に分解して、その酸化力が低下する
場合が多いので使用時に添加することが望ましい。した
がって、研磨砥粒と防食剤と水よりなる研磨剤を準備し
ておき、使用時に過硫酸塩系酸化剤を添加することが望
ましい。
In the use of the metal film abrasive of the present invention,
The order of addition of each component is not particularly limited, and it is sufficient that all components are included at the time of use, that is, at the time of polishing. However, in general, the oxidizing agent often decomposes gradually when converted to an aqueous solution or left at room temperature, and its oxidizing power often decreases. Therefore, it is desirable to add the oxidizing agent at the time of use. Therefore, it is desirable to prepare an abrasive composed of abrasive grains, an anticorrosive, and water, and to add a persulfate oxidizing agent when used.

【0026】なお、これまでに述べてきた、研磨砥粒、
防食剤、過硫酸塩系酸化剤の各濃度は、主に研磨剤とし
て使用する時の最適な濃度範囲を述べており、上述した
濃度よりも高いものを製造して、使用時に純水で希釈し
て使用しても何ら問題はない。即ち、実使用時の濃度よ
りも数倍に高めた研磨砥粒と防食剤を含む研磨剤を準備
しておき、使用時に純水で数倍に希釈し、更に適量の過
硫酸塩系酸化剤を添加して使用しても良い。
The abrasive grains, which have been described above,
Each concentration of the anticorrosive and the persulfate oxidizer mainly describes the optimum concentration range when used as an abrasive, and the one with a higher concentration than the above is manufactured and diluted with pure water when used. There is no problem to use it. That is, an abrasive containing abrasive grains and an anticorrosive agent several times higher than the concentration at the time of actual use is prepared, diluted several times with pure water at the time of use, and an appropriate amount of a persulfate-based oxidizing agent is used. May be added for use.

【0027】ところで、研磨剤を使用した半導体デバイ
スの製造は、半導体基板表面に絶縁膜、バリア膜及び金
属膜を所定のパターンで積層し、これを研磨することに
よって行われる。
The manufacture of a semiconductor device using an abrasive is performed by laminating an insulating film, a barrier film, and a metal film on a semiconductor substrate surface in a predetermined pattern and polishing the laminated film.

【0028】上記半導体基板は、ICやLSIなどの半
導体デバイスに使用されるシリコン基板が代表的である
が、ゲルマニウムや化合物半導体などの半導体基板も使
用される。
The above-mentioned semiconductor substrate is typically a silicon substrate used for semiconductor devices such as ICs and LSIs, but a semiconductor substrate such as germanium or a compound semiconductor is also used.

【0029】また、絶縁膜とは配線層間の電気的分離に
用いられるものであって、絶縁性のものであれば特に制
限はない。一般には、酸化シリコン膜(プラズマ−TE
OS膜やSOG膜と呼ばれているものなど)や有機SO
G膜等が使用される。
The insulating film is used for electrical isolation between wiring layers, and is not particularly limited as long as it is insulating. Generally, a silicon oxide film (plasma-TE
OS film and SOG film) and organic SO
A G film or the like is used.

【0030】更に、バリア膜は配線用金属の絶縁膜中へ
の拡散を防止すると共に、金属膜の絶縁膜への密着性を
良くするために絶縁膜と金属膜の間に形成される薄膜で
あって、タンタル膜、窒化タンタル膜、チタン膜、窒化
チタン膜、窒化タングステン膜などが挙げられる。中で
も、窒化チタン膜や窒化タンタル膜が好適である。
Further, the barrier film is a thin film formed between the insulating film and the metal film in order to prevent the diffusion of the wiring metal into the insulating film and to improve the adhesion of the metal film to the insulating film. In addition, a tantalum film, a tantalum nitride film, a titanium film, a titanium nitride film, a tungsten nitride film, and the like can be given. Among them, a titanium nitride film and a tantalum nitride film are preferable.

【0031】更にまた、金属膜は、配線パターンや電極
を形成するための配線材料であり、アルミニウム膜、銅
膜、タングステン膜などが挙げられる。本発明の金属用
研磨剤は、特に、銅膜に対して顕著な効果を発揮する。
Further, the metal film is a wiring material for forming a wiring pattern and an electrode, and examples thereof include an aluminum film, a copper film, and a tungsten film. The metal abrasive of the present invention exerts a remarkable effect particularly on a copper film.

【0032】上記半導体デバイス製造のための研磨にお
いて、本発明の金属用研磨剤は、使用する研磨砥粒の比
表面積(平均粒子径)と研磨砥粒の濃度を変えることに
よって、バリア膜に対する金属膜の選択比の異なる二種
類の研磨剤を提供することができる。
In the above-mentioned polishing for producing a semiconductor device, the metal polishing slurry of the present invention can be used to change the specific surface area (average particle diameter) of the abrasive grains to be used and the concentration of the abrasive grains so that the metal abrasive for the barrier film can be formed. Two types of polishing agents having different film selectivity can be provided.

【0033】即ち、本発明によれば、比表面積が20〜
350m2/gの範囲の研磨砥粒、防食剤、過硫酸塩系
酸化剤よりなることを特徴とする金属膜用研磨剤(以
下、研磨剤Aという)と上記研磨剤Aの中から選択され
た、比表面積が60〜150m 2/gの範囲の研磨砥
粒、防食剤、過硫酸塩系酸化剤よりなることを特徴とす
る金属膜用研磨剤(以下、研磨剤Bという)が提供され
る。
That is, according to the present invention, the specific surface area is 20 to
350mTwo/ G range abrasive grains, anticorrosive, persulfate
An abrasive for metal films, comprising an oxidizing agent (hereinafter referred to as an abrasive).
Below, referred to as abrasive A) and the above-mentioned abrasive A
The specific surface area is 60-150m Two/ G range polishing
Granules, anticorrosive, persulfate oxidizer
(Hereinafter, referred to as abrasive B) is provided.
You.

【0034】上記研磨剤Aは、バリア膜に対する金属膜
の選択比が高い研磨剤であり、研磨剤Bは金属膜と共に
バリア膜も高い研磨速度で研磨できる研磨剤である。
The polishing agent A is a polishing agent having a high selectivity of the metal film to the barrier film, and the polishing agent B is a polishing agent capable of polishing the barrier film together with the metal film at a high polishing rate.

【0035】バリア膜に対して金属膜をより高い選択比
で研磨するためには、上記研磨剤A中の研磨砥粒の濃度
はなるべく低いことが望ましく、具体的には10重量%
以下が好適である。なお、比表面積が60〜150m2
/gの範囲の研磨砥粒を使用する場合は、更に研磨剤A
中の研磨砥粒の濃度を下げた方が好ましく、具体的には
5重量%以下が好適である。
In order to polish the metal film with a higher selectivity to the barrier film, it is desirable that the concentration of the abrasive grains in the polishing agent A is as low as possible, specifically, 10% by weight.
The following are preferred. The specific surface area is 60 to 150 m 2.
/ G of abrasive grains, the abrasive A
It is preferable to lower the concentration of the abrasive grains in the medium, and specifically, to be 5% by weight or less.

【0036】また、金属膜と共にバリア膜も高い研磨速
度で研磨するためには、上記研磨剤B中の研磨砥粒の濃
度はなるべく高いことが望ましく、具体的には5重量%
以上、好ましくは10重量%以上がさらに好適である。
In order to polish the barrier film together with the metal film at a high polishing rate, it is desirable that the concentration of the abrasive grains in the polishing agent B is as high as possible, specifically, 5% by weight.
More preferably, it is more preferably 10% by weight or more.

【0037】本発明の金属用研磨剤を使用した研磨方法
は、特に制限されるものではないが、好適な研磨方法を
例示すれば下記の方法が挙げられる。
The polishing method using the metal polishing agent of the present invention is not particularly limited, but the following method can be mentioned as an example of a preferable polishing method.

【0038】即ち、半導体基板表面に金属配線用の凹部
を有する絶縁膜を形成し、その上にバリア膜を介して該
凹部を埋めるように金属膜を形成した後、金属膜及びバ
リア膜を研磨することにより除去して絶縁膜と凹部に存
在する金属膜との平坦化された面を形成するに際し、研
磨剤Aによって上記金属膜の研磨を選択的に行った後、
金属膜とバリア膜とを同時に研磨することを特徴とする
研磨方法(以下、研磨方法1という)、半導体基板表面
に金属配線用の凹部を有する絶縁膜を形成し、その上に
バリア膜を介して該凹部を埋めるように金属膜を形成し
た後、金属膜及びバリア膜を研磨することにより除去し
て絶縁膜と凹部に存在する金属膜との平坦化された面を
形成するに際し、研磨剤Bによって上記金属膜を研磨
し、連続して金属膜とバリア膜とを同時に研磨すること
を特徴とする研磨方法(以下、研磨方法2という)が代
表的である。
That is, an insulating film having a concave portion for metal wiring is formed on the surface of a semiconductor substrate, and a metal film is formed thereon so as to fill the concave portion via a barrier film, and then the metal film and the barrier film are polished. In forming a flattened surface of the insulating film and the metal film present in the concave portions by removing the metal film, after selectively performing polishing of the metal film with the polishing agent A,
A polishing method characterized by simultaneously polishing a metal film and a barrier film (hereinafter, referred to as polishing method 1); forming an insulating film having a concave portion for metal wiring on a semiconductor substrate surface; After the metal film is formed so as to fill the concave portion by polishing, the metal film and the barrier film are removed by polishing to form a flat surface of the insulating film and the metal film present in the concave portion. A typical polishing method (hereinafter referred to as polishing method 2) is characterized in that the metal film is polished by B and the metal film and the barrier film are polished simultaneously and continuously.

【0039】上記研磨方法1を採用する金属配線の形成
方法を二段研磨法、上記研磨方法2を採用する金属配線
の形成方法を一段研磨法とも言う。
The method of forming the metal wiring employing the above-described polishing method 1 is also referred to as a two-step polishing method, and the method of forming the metal wiring employing the above-described polishing method 2 is referred to as a single-step polishing method.

【0040】上記研磨方法1において、第一段研磨とし
て研磨剤Aによって上記金属膜の研磨を選択的に行った
後、バリア膜と金属膜との同時研磨をおこなう、第2段
目の研磨が行われるが、この研磨に使用する研磨剤とし
ては、金属膜に対してバリア膜を同等以上の研磨速度で
研磨できる公知の研磨剤を使用することができる。ま
た、第二段研磨には、上記の他、上記研磨剤Bやシリカ
を10〜200g/lの濃度で分散した水よりなる研磨
剤(以下、研磨剤Cという)も使用することができる。
In the polishing method 1, the metal film is selectively polished with the polishing agent A as the first-stage polishing, and then the barrier film and the metal film are simultaneously polished. As the polishing agent used for the polishing, a known polishing agent that can polish a barrier film at a polishing rate equal to or higher than that of a metal film can be used. In addition, in the second stage polishing, in addition to the above, an abrasive made of water in which the above-mentioned abrasive B or silica is dispersed at a concentration of 10 to 200 g / l (hereinafter, referred to as abrasive C) can be used.

【0041】また、仕上げのため、前記研磨方法1及び
研磨方法2で研磨した後、次いで、前記研磨剤Cを使用
して、金属膜、バリア膜及び絶縁膜を同時研磨する研磨
方法(以下、研磨方法3という)を採用することもでき
る。
For finishing, the polishing method 1 and the polishing method 2 are followed by polishing, and then the polishing method for simultaneously polishing the metal film, the barrier film and the insulating film using the polishing agent C (hereinafter referred to as “polishing method”). Polishing method 3) can also be employed.

【0042】研磨方法1について、図1に従って詳細に
説明する。
The polishing method 1 will be described in detail with reference to FIG.

【0043】前記半導体基板表面に形成される絶縁膜に
設けられる凹部Aは、配線等を形成するために絶縁膜上
に形成される溝や接続孔である。
The recess A provided in the insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate is a groove or a connection hole formed on the insulating film for forming a wiring or the like.

【0044】先ず、(a)上記凹部Aを有する絶縁膜2
上に順次積層された金属膜4を(b)本発明の研磨剤A
を使用して研磨することにより、バリア膜3の存在する
位置で研磨を停止させる(第一段研磨)。
First, (a) the insulating film 2 having the concave portion A
The metal film 4 sequentially laminated on the upper surface is formed by (b) the polishing agent A of the present invention.
Then, polishing is stopped at the position where the barrier film 3 exists (first-stage polishing).

【0045】第一段研磨においては、本発明の研磨剤A
を用いることにより、スクラッチやディッシングの発生
を抑えながらバリア膜に対して金属膜を選択的に除去で
きるため、バリア膜と金属膜とよりなる平坦な表面を形
成することができる。このときのバリア膜に対する金属
膜の選択比(金属膜/バリア膜研磨速度比)は、5以上
が好ましく、更に好ましくは10以上が好適である。
In the first stage polishing, the polishing agent A of the present invention is used.
By using, the metal film can be selectively removed from the barrier film while suppressing the occurrence of scratching and dishing, so that a flat surface composed of the barrier film and the metal film can be formed. At this time, the selection ratio of the metal film to the barrier film (metal film / barrier film polishing rate ratio) is preferably 5 or more, and more preferably 10 or more.

【0046】次いで、(c)バリア膜と金属膜を同時研
磨する(第二段研磨)。
Next, (c) the barrier film and the metal film are simultaneously polished (second-stage polishing).

【0047】更に、必要に応じて、研磨剤Cを使用して
金属膜、バリア膜及び絶縁膜を同時研磨する(以下、仕
上げ研磨という)。
Further, if necessary, the metal film, the barrier film and the insulating film are simultaneously polished using the polishing agent C (hereinafter referred to as finish polishing).

【0048】第一段研磨において研磨剤Aで金属膜を除
去した後の被研磨面には、バリア膜と凹部に埋められた
金属膜が露出した状態で存在する。
After the removal of the metal film with the polishing agent A in the first-stage polishing, the barrier film and the metal film buried in the concave portions are present in an exposed state on the surface to be polished.

【0049】第二段研磨に用いる研磨剤Cは、該被研磨
面からバリア膜を除去する必要があるため、金属膜に対
してバリア膜を同等以上の研磨速度で研磨することが望
ましく、バリア膜に対する金属膜の選択比(金属膜/バ
リア膜研磨速度比)が1以下のものが好ましく、さらに
好ましくは0.7以下であることが好ましい。
Since the polishing agent C used in the second-stage polishing needs to remove the barrier film from the surface to be polished, it is desirable to polish the barrier film at a polishing rate equal to or higher than that of the metal film. The selectivity of the metal film to the film (metal film / barrier film polishing rate ratio) is preferably 1 or less, more preferably 0.7 or less.

【0050】上記選択比が1を超えるとバリア膜よりも
金属膜が研磨されすぎる場合があり、ディッシング特性
が低下する可能性がある。
If the selectivity exceeds 1, the metal film may be polished too much more than the barrier film, and the dishing characteristics may be reduced.

【0051】本発明において、研磨剤Cは、シリカ粒子
と水よりなる研磨剤が好ましく、さらに比表面積が10
〜100m2/gの範囲のシリカ粒子を用いた場合に
は、バリア膜の研磨速度が高いため好ましい。さらに好
ましくは、ゾル−ゲル法などの液相中で合成され、且つ
乾燥工程を経ずに製造されたシリカ粒子を用いることが
好ましい。
In the present invention, the polishing agent C is preferably a polishing agent comprising silica particles and water.
The use of silica particles in the range of 100 to 100 m 2 / g is preferable because the polishing rate of the barrier film is high. More preferably, it is preferable to use silica particles synthesized in a liquid phase such as a sol-gel method and produced without passing through a drying step.

【0052】即ち、液相中で合成されたシリカ粒子は分
散性に優れており、且つ粒子の形状が球状で軟らかいた
め、研磨の際に研磨対象のスクラッチの発生が非常に少
ないという特徴がある。
That is, the silica particles synthesized in the liquid phase are excellent in dispersibility, and have a feature that the generation of scratches to be polished during polishing is very small because the particles are spherical and soft. .

【0053】なお、半導体基板上に形成するバリア膜の
厚みは、一般的に100〜500オングストロームの範
囲にあることが多いため、研磨剤Cのバリア膜に対する
研磨速度は50〜1000オングストローム/minの
範囲、好ましくは200〜500オングストローム/m
inの範囲にある方が制御し易く、バリア膜の除去に要
する時間は2分以内、好ましくは1分以内であることが
さらに好ましい。
Since the thickness of the barrier film formed on the semiconductor substrate is generally in the range of 100 to 500 angstroms, the polishing rate of the polishing agent C to the barrier film is 50 to 1000 angstroms / min. Range, preferably 200-500 angstroms / m
In the range of “in”, the control is easy, and the time required for removing the barrier film is preferably 2 minutes or less, more preferably 1 minute or less.

【0054】上記研磨速度が50オングストローム/m
in未満では生産性が低下する場合があり、1000オ
ングストローム/min以上ではバリア膜のみならず、
その下部の絶縁膜または配線の金属膜まで研磨してしま
う場合があり、所望の位置で研磨を停止することが難し
くなり、制御性が低下する場合がある。
The polishing rate is 50 angstroms / m.
If it is less than in, productivity may decrease, and if it is more than 1000 Å / min, not only barrier film but also
In some cases, the lower part of the insulating film or the metal film of the wiring may be polished, and it may be difficult to stop polishing at a desired position, and controllability may be reduced.

【0055】かかる研磨特性を達成するため、研磨剤C
中のシリカ粒子の濃度としては1〜20重量%の範囲が
好ましい。バリア膜の研磨においてはシリカ粒子の機械
的作用によって研磨する場合が多いため、シリカ粒子の
濃度を変えることにより、上記の所望の研磨速度に制御
することができる。
In order to achieve such polishing characteristics, an abrasive C
The concentration of the silica particles therein is preferably in the range of 1 to 20% by weight. Since the polishing of the barrier film is often performed by the mechanical action of silica particles, the desired polishing rate can be controlled by changing the concentration of the silica particles.

【0056】また、研磨剤Cは、pHが5〜9の範囲、
好ましくは6〜8の範囲にある場合には、金属膜と絶縁
膜とをほぼ同じ研磨速度で研磨できる傾向があり、好適
である。研磨剤のpHが5未満では金属膜の研磨速度
が、9を超えると絶縁膜の研磨速度が、バリア膜の研磨
速度と比較してそれぞれ著しく高くなる場合がある。そ
のような場合には、金属膜や絶縁膜にディッシングが発
生し易くなり、半導体基板表面の平坦性が低下する場合
がある。また、pHが5未満または9を超えた場合に
は、金属膜が腐食し易くなる傾向にある。
The polishing agent C has a pH in the range of 5 to 9,
When the thickness is preferably in the range of 6 to 8, the metal film and the insulating film tend to be polished at almost the same polishing rate, which is preferable. If the pH of the polishing agent is less than 5, the polishing rate of the metal film may exceed 9, and the polishing rate of the insulating film may be significantly higher than the polishing rate of the barrier film. In such a case, dishing easily occurs in the metal film or the insulating film, and the flatness of the semiconductor substrate surface may be reduced. When the pH is less than 5 or more than 9, the metal film tends to be easily corroded.

【0057】上記で説明したように、シリカと水よりな
る研磨剤Cで研磨することによって、半導体基板の表面
を高度に平坦に仕上げることが可能である。
As described above, the surface of the semiconductor substrate can be highly flattened by polishing with the polishing agent C composed of silica and water.

【0058】研磨剤Cには、本発明の金属膜用研磨剤の
構成成分である防食剤や酸化剤などを極少量添加した
り、界面活性剤や水溶性高分子などの添加剤を加えるこ
ともできる。また、金属膜表面の仕上がり状態を向上さ
せるために、トリエタノールアミン等のアミン類あるい
はアミン塩を少量添加することも好ましい態様である。
To the polishing agent C, a very small amount of an anticorrosive or an oxidizing agent, which is a component of the polishing agent for a metal film of the present invention, or an additive such as a surfactant or a water-soluble polymer may be added. Can also. It is also a preferred embodiment to add a small amount of an amine such as triethanolamine or an amine salt in order to improve the finished state of the metal film surface.

【0059】また、バリア膜と金属膜との研磨、即ち、
第二段研磨に次いで、必要に応じて、仕上げ研磨が行わ
れる。かかる研磨に使用される研磨剤は、金属膜、バリ
ア膜及び絶縁膜をほぼ等しい研磨速度で研磨できること
が好ましい。特に好ましくは、絶縁膜に対する金属膜と
バリア膜との選択比(金属膜/絶縁膜研磨速度比及びバ
リア膜/絶縁膜研磨速度比)は、好ましくは、0.3〜
3、さらに好ましくは0.5〜2、特に、0.8〜1.
2である。
Further, polishing of the barrier film and the metal film, that is,
Subsequent to the second-stage polishing, finish polishing is performed as necessary. The polishing agent used for such polishing is preferably capable of polishing a metal film, a barrier film, and an insulating film at substantially the same polishing rate. Particularly preferably, the selectivity (metal film / insulating film polishing rate ratio and barrier film / insulating film polishing rate ratio) between the metal film and the barrier film with respect to the insulating film is preferably from 0.3 to 0.3.
3, more preferably 0.5-2, especially 0.8-1.
2.

【0060】上記範囲を超えると、どちらかの膜が選択
的に研磨され、ディッシングが発生し易くなる。
If it exceeds the above range, either one of the films is selectively polished, and dishing easily occurs.

【0061】上記研磨剤は、公知の研磨剤より上記選択
比のものを選択して使用しても良いし、研磨剤Cの中か
ら、上記選択比のものを選択して使用しても良い。後者
の場合、第二段研磨と仕上げ研磨を連続して行うことが
でき好ましい。
As the above-mentioned abrasive, one having the above-mentioned selection ratio may be selected from known abrasives, or one having the above-mentioned selection ratio from among the abrasives C may be used. . In the latter case, the second stage polishing and the final polishing can be performed continuously, which is preferable.

【0062】次に、研磨方法2について、図2に従って
詳細に説明する。
Next, the polishing method 2 will be described in detail with reference to FIG.

【0063】前記半導体基板表面に形成される絶縁膜に
設けられる凹部Aは、配線等を形成するために絶縁膜上
に形成される溝や接続孔である。
The recess A provided in the insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate is a groove or a connection hole formed on the insulating film for forming a wiring or the like.

【0064】(a)上記凹部Aを有する絶縁膜2上に順
次積層されたバリア膜3及び金属膜4を(b)本発明の
研磨剤Bを使用して金属膜4を研磨し、連続して金属膜
4とバリア膜3とを同時に研磨する。
(A) The barrier film 3 and the metal film 4 sequentially laminated on the insulating film 2 having the concave portion A are polished using the polishing agent B of the present invention. Then, the metal film 4 and the barrier film 3 are simultaneously polished.

【0065】上記研磨においては、本発明の研磨剤Bを
用いることにより、スクラッチやディッシングの発生を
抑えながら金属膜とバリア膜を同時に除去できるため、
極めて効率良く絶縁膜と凹部に存在する金属膜との平坦
化された面を形成することができる。即ち、前述した二
段研磨法では二種類の研磨剤を準備し、二回の研磨を行
わなければならないのに対して、本方法では一種類の研
磨剤と一回の研磨で目的とする研磨が終了するという特
徴を有している。
In the above polishing, the use of the polishing agent B of the present invention makes it possible to simultaneously remove the metal film and the barrier film while suppressing the occurrence of scratching and dishing.
It is possible to extremely efficiently form a flat surface of the insulating film and the metal film present in the concave portion. That is, in the two-stage polishing method described above, two types of polishing agents must be prepared and polishing must be performed twice, whereas in the present method, the desired polishing can be performed by one type of polishing agent and one polishing. Is terminated.

【0066】更に必要に応じて、前述した一段研磨法で
詳述した仕上げ研磨を施すこともできる。即ち、金属
膜、バリア膜及び絶縁膜を同時研磨することによって、
更に表面状態に優れた研磨面を得ることもできる。
Further, if necessary, the finish polishing described in detail in the above-described one-step polishing method can be performed. That is, by simultaneously polishing the metal film, the barrier film and the insulating film,
Further, a polished surface having an excellent surface condition can be obtained.

【0067】上述の一段研磨法及び二段研磨法は、研磨
すべき半導体デバイス等の被研磨物の種類、形状等によ
って使い分ければ良い。
The above-described one-step polishing method and two-step polishing method may be properly used depending on the type and shape of the object to be polished such as a semiconductor device to be polished.

【0068】[0068]

【作用】本発明では、有機酸を実質的に含まず、また過
酸化水素以外の特定の酸化剤と防食剤を併用することに
よって金属膜の保護作用と溶解作用(研磨)の両立を可
能とした。それは、過硫酸アンモニウムを代表とする過
硫酸塩系酸化剤と防食剤の組み合わせである。過硫酸ア
ンモニウムは酸化剤として金属膜を酸化させるが、本系
では溶解した金属イオンは硫酸塩となって溶解している
ものと考えられる。例えば、金属膜として銅を用いた場
合は、硫酸銅の形で溶解しているものと考えられる。こ
のとき、防食剤の存在が必須であり、防食剤がない場合
は金属膜の溶解が止まらないが、防食剤を適量添加する
ことによって、研磨速度と溶解性のバランスのとれた研
磨剤を提供することが可能である。
According to the present invention, it is possible to achieve both a protective action and a dissolving action (polishing) of a metal film by using a specific oxidizing agent other than hydrogen peroxide and an anticorrosive agent substantially without an organic acid. did. It is a combination of a persulfate-based oxidizing agent represented by ammonium persulfate and an anticorrosive. Ammonium persulfate oxidizes the metal film as an oxidizing agent, but in this system, the dissolved metal ions are considered to be dissolved as sulfates. For example, when copper is used as the metal film, it is considered that copper is dissolved in the form of copper sulfate. At this time, the presence of an anticorrosive is essential, and if there is no anticorrosive, the dissolution of the metal film does not stop. However, by adding an appropriate amount of the anticorrosive, a polishing agent having a balanced polishing rate and solubility is provided. It is possible to

【0069】[0069]

【発明の効果】以上の説明より理解されるように、本発
明の金属用研磨剤によれば、スクラッチの発生を抑えつ
つ実用的な研磨速度で金属膜を研磨可能で、さらに金属
膜に対する溶解性が極めて低いという特徴を有する。
As will be understood from the above description, according to the metal polishing slurry of the present invention, it is possible to polish a metal film at a practical polishing rate while suppressing the generation of scratches, and further, it is possible to dissolve the metal film in the metal film. It has the characteristic that the property is extremely low.

【0070】また、本発明の研磨剤は、半導体基板表面
に金属配線用の凹部を有する絶縁膜を形成し、その上に
バリア膜を介して該凹部を埋めるように金属膜を形成し
た後、金属膜及びバリア膜を研磨することにより除去し
て絶縁膜と凹部に存在する金属膜との平坦化された面を
形成するのに適している。
Further, the abrasive of the present invention forms an insulating film having a concave portion for metal wiring on the surface of a semiconductor substrate, and forms a metal film on the insulating film via a barrier film so as to fill the concave portion. The metal film and the barrier film are removed by polishing to form a flattened surface of the insulating film and the metal film present in the concave portion.

【0071】従って、本発明の金属用研磨剤を使用する
ことによって、極めて平坦性の高い半導体基板表面を得
ることができる。
Therefore, by using the metal abrasive of the present invention, a very flat semiconductor substrate surface can be obtained.

【0072】[0072]

【実施例】以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明
するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限され
るものではない。 (研磨試験)銅(Cu)膜あるいは窒化タンタル(Ta
N)膜あるいは酸化シリコン(SiO2)膜が表面に形
成された4インチのシリコンウェハを用いて研磨試験を
行った。研磨パッドにはロデール製のIC1000/S
UBA400を用い、加工圧力300g/cm2、定盤
回転数40rpm、研磨剤の滴下速度80ml/min
の条件で研磨試験を行い、研磨速度を求めた。 (溶解性試験)Cu膜が表面に形成されたシリコンウェ
ハを用いて溶解性の試験を行った。研磨剤中に試験片を
浸漬し、それらの入った容器を50℃に保持された恒温
振盪器中に入れた。10分後に恒温振盪器から取出した
後、直ちにウエハを研磨剤中から純水中に移し、表面に
残存する研磨剤を洗い流した。浸漬前後のCu膜の膜厚
変化から研磨剤に対するCu膜の溶解速度を求めた。な
お、Cu膜の溶解速度が10オングストローム/min
以下のときは、膜厚測定の精度の問題から、10オング
ストローム/min以下と表記した。 実施例1 各種のシリカとベンゾトリアゾール(以下、BTAと略
記する)と水と過硫酸アンモニウムを所定量混合し、シ
リカ濃度が2、7、14重量%、BTAの濃度が100
ppm、過硫酸アンモニウムの濃度が1重量%の研磨剤
を数種類調整した。シリカには、比表面積が30または
75m2/gの高純度コロイダルシリカと比表面積が5
0〜200m2/gの範囲にある数種類のヒュームドシ
リカを用いた。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples. (Polishing test) Copper (Cu) film or tantalum nitride (Ta)
A polishing test was performed using a 4-inch silicon wafer having an N) film or a silicon oxide (SiO 2 ) film formed on the surface. The polishing pad is Rodel IC1000 / S
Using UBA400, processing pressure 300 g / cm 2 , platen rotation speed 40 rpm, dropping rate of abrasive 80 ml / min
The polishing test was performed under the following conditions to determine the polishing rate. (Solubility test) A solubility test was performed using a silicon wafer having a Cu film formed on the surface. The test pieces were immersed in an abrasive, and the container containing them was placed in a thermostatic shaker maintained at 50 ° C. Ten minutes later, the wafer was taken out of the constant temperature shaker, and the wafer was immediately transferred from the abrasive into pure water to wash away the abrasive remaining on the surface. From the change in the thickness of the Cu film before and after the immersion, the dissolution rate of the Cu film in the abrasive was determined. In addition, the dissolution rate of the Cu film is 10 angstroms / min.
In the following cases, due to the problem of the accuracy of the film thickness measurement, it is described as 10 Å / min or less. Example 1 Various silica, benzotriazole (hereinafter abbreviated as BTA), water and ammonium persulfate were mixed in predetermined amounts, and the silica concentration was 2, 7, 14% by weight, and the BTA concentration was 100.
Several types of abrasives having a concentration of 1 ppm by weight of ammonium persulfate were adjusted. Silica includes high-purity colloidal silica having a specific surface area of 30 or 75 m 2 / g and a specific surface area of 5
Several types of fumed silica ranging from 0 to 200 m2 / g were used.

【0073】研磨試験の結果を表1に示した。Table 1 shows the results of the polishing test.

【0074】上記結果からわかるように、本発明の金属
膜用研磨剤は、シリカの比表面積が30〜350m2
gの範囲及びシリカの濃度が2〜14重量%の範囲で、
実用的な2000オングストローム/min以上の研磨
速度で研磨可能で、また、金属膜の溶解速度も低いこと
がわかった。従って、本発明の金属膜用研磨剤において
は、シリカの比表面積としては20〜350m2/gの
範囲、シリカの濃度としては0.1〜30重量%の範囲
が好適である。
As can be seen from the above results, the abrasive for a metal film of the present invention has a silica having a specific surface area of 30 to 350 m 2 /
g and the concentration of silica in the range of 2 to 14% by weight,
It was found that polishing was possible at a practical polishing rate of 2000 Å / min or more, and the dissolution rate of the metal film was low. Therefore, in the polishing agent for metal films of the present invention, the specific surface area of silica is preferably in the range of 20 to 350 m 2 / g, and the silica concentration is preferably in the range of 0.1 to 30% by weight.

【0075】TaN膜の研磨速度は、シリカの種類や濃
度によって依存したものの、100〜500オングスト
ローム/minの範囲であった。したがって、どの条件
でもTaN膜に対するCu膜の選択比(Cu/TaN)
は5以上であった。更に、シリカの種類や濃度を選択す
ることによって、10以上の選択比を容易に出すことが
できることもわかった。
The polishing rate of the TaN film was in the range of 100 to 500 Å / min, depending on the type and concentration of silica. Therefore, the selectivity ratio of the Cu film to the TaN film under any conditions (Cu / TaN)
Was 5 or more. Furthermore, it was also found that a selection ratio of 10 or more can be easily obtained by selecting the type and concentration of silica.

【0076】一方、シリカの比表面積が60〜150m
2/gの範囲でシリカの濃度が5重量%以上のときは、
TaN膜の研磨速度は400オングストローム/min
以上と高いため、Cu膜とTaN膜を同時に研磨する一
段研磨法に適していることがわかった。
On the other hand, the specific surface area of silica is 60 to 150 m
When the concentration of silica is 5% by weight or more in the range of 2 / g,
The polishing rate of the TaN film is 400 Å / min.
Because of the above, it was found that the method was suitable for the single-step polishing method for simultaneously polishing the Cu film and the TaN film.

【0077】参考のためにSiO2膜の研磨速度も調べ
たが、80m2/g以上のシリカを用いた場合には、S
iO2膜の研磨速度は100オングストローム/min
以下と極めて低く、SiO2膜をストッパー膜とするプ
ロセスには極めて好適であることがわかった。
For reference, the polishing rate of the SiO 2 film was also examined. When silica of 80 m 2 / g or more was used, S
The polishing rate of the iO 2 film is 100 Å / min.
This was extremely low, and was found to be extremely suitable for a process using an SiO 2 film as a stopper film.

【0078】[0078]

【表1】 実施例2及び比較例1 BTAの濃度を0〜500ppmの範囲で変化させた以
外は、実施例1のNo.1と同様にして研磨剤を調製
し、試験した。
[Table 1] Example 2 and Comparative Example 1 No. 1 of Example 1 except that the concentration of BTA was changed in the range of 0 to 500 ppm. An abrasive was prepared and tested as in 1.

【0079】試験の結果を表2に示した。尚、No.1
は比較例である。
Table 2 shows the test results. In addition, No. 1
Is a comparative example.

【0080】Cu膜の研磨速度はBTAの濃度に強く依
存し、BTAの濃度が高くなるにしたがってCu膜の研
磨速度が低下することがわかった。
It has been found that the polishing rate of the Cu film strongly depends on the BTA concentration, and the polishing rate of the Cu film decreases as the BTA concentration increases.

【0081】一方、Cu膜の溶解速度はBTAの添加の
有無に強く依存した。即ち、無添加の場合は500オン
グストローム/min以上と全く溶解を抑えることはで
きなかったが、BTAを少量でも添加すると劇的に溶解
が抑制でき、BTAの濃度を上げるとCu膜の溶解速度
はより低下する傾向を示した。
On the other hand, the dissolution rate of the Cu film strongly depends on the presence or absence of BTA. That is, in the case of no addition, the dissolution could not be suppressed at all at 500 Å / min or more, but the dissolution could be suppressed drastically by adding even a small amount of BTA, and the dissolution rate of the Cu film was increased by increasing the concentration of BTA. It showed a tendency to decrease.

【0082】以上のようなCu膜の研磨速度と溶解速度
を勘案すると、防食剤の添加量としては、10〜100
0ppmの範囲が好適であることがわかった。
Considering the polishing rate and dissolution rate of the Cu film as described above, the amount of the anticorrosive added is 10 to 100.
A range of 0 ppm has been found to be suitable.

【0083】なお、金属膜の溶解速度が100オングス
トローム/min以上では、研磨後の金属膜のディッシ
ングが大きくなることや金属膜の表面荒れが発生するこ
となどが懸念されるため、100オングストローム/m
in未満であることが望ましい。
If the dissolution rate of the metal film is 100 Å / min or more, there is a concern that dishing of the metal film after polishing becomes large and the surface of the metal film may be roughened.
Desirably less than in.

【0084】[0084]

【表2】 実施例3および比較例2 過硫酸アンモニウムの代わりに各種の酸化剤を添加した
以外は、実施例1のNo.1と同様にして研磨剤を調製
し、試験した。
[Table 2] Example 3 and Comparative Example 2 The procedure of Example 1 was repeated except that various oxidizing agents were added instead of ammonium persulfate. An abrasive was prepared and tested as in 1.

【0085】試験の結果を表3に示した。尚、No.
3、4は比較例である。
Table 3 shows the results of the test. In addition, No.
3 and 4 are comparative examples.

【0086】酸化剤に過硫酸アンモニウムと過硫酸カリ
ウムを使用した場合、Cu膜は約4000オングストロ
ーム/min以上の高い研磨速度を示したが、それ以外
の酸化剤を使用した場合は、Cu膜の研磨速度は100
0オングストローム/min以下と、低いことがわかっ
た。
When ammonium persulfate and potassium persulfate were used as the oxidizing agents, the Cu film showed a high polishing rate of about 4000 Å / min or more, but when other oxidizing agents were used, the polishing of the Cu film was stopped. Speed is 100
It was found to be as low as 0 Å / min or less.

【0087】[0087]

【表3】 実施例4および比較例3 過硫酸アンモニウムの濃度を0〜4重量%の範囲で変化
させた以外は、実施例1のNo.1と同様にして研磨剤
を調製し、試験した。
[Table 3] Example 4 and Comparative Example 3 No. 1 of Example 1 except that the concentration of ammonium persulfate was changed in the range of 0 to 4% by weight. An abrasive was prepared and tested as in 1.

【0088】試験の結果を表4に示した。尚、No.1
は比較例である。
Table 4 shows the results of the test. In addition, No. 1
Is a comparative example.

【0089】過硫酸アンモニウムを添加しなかった場合
は、Cu膜をほとんど研磨できないことがわかった。過
硫酸アンモニウムを添加すれば、2000オングストロ
ーム/min以上の実用的な研磨速度を容易に出せるこ
とがわかった。
It was found that when ammonium persulfate was not added, the Cu film could hardly be polished. It was found that a practical polishing rate of 2000 Å / min or more can be easily obtained by adding ammonium persulfate.

【0090】Cu膜の研磨速度は過硫酸アンモニウムの
濃度に比例する傾向を示し、過硫酸アンモニウムの濃度
を変えることによって所望の研磨速度が得られることが
わかった。一方、TaN膜やSiO2膜の研磨速度は、
過硫酸アンモニウムの濃度にほとんど依存しないことが
わかった。なお、Cu膜の溶解速度は過硫酸アンモニウ
ムの濃度にはほとんど依存せず、10オングストローム
/min前後と、低かった。
The polishing rate of the Cu film tends to be proportional to the concentration of ammonium persulfate, and it has been found that a desired polishing rate can be obtained by changing the concentration of ammonium persulfate. On the other hand, the polishing rate of the TaN film or SiO 2 film is
It was found that it hardly depends on the concentration of ammonium persulfate. The dissolution rate of the Cu film hardly depended on the concentration of ammonium persulfate, and was as low as about 10 angstroms / min.

【0091】[0091]

【表4】 実施例5及び比較例4 本発明の金属膜用研磨剤が、金属と錯体を形成し得る有
機酸を含んでいるときの影響を検討した。実施例1のN
o.1の研磨剤に、各種の有機酸を約3000ppm添
加し、アンモニアを用いて研磨剤のpHを5〜7の範囲
に調整し、試験した。
[Table 4] Example 5 and Comparative Example 4 The effect when the metal film abrasive of the present invention contained an organic acid capable of forming a complex with a metal was examined. N of Example 1
o. About 3000 ppm of various organic acids were added to the polishing agent No. 1, and the pH of the polishing agent was adjusted to a range of 5 to 7 using ammonia and tested.

【0092】試験の結果を表5に示した。尚、No.2
〜5は比較例である。
Table 5 shows the results of the test. In addition, No. 2
-5 are comparative examples.

【0093】有機酸を含まないNo.1の実施例におい
ては、Cu膜を4000オングストローム/min以上
の研磨速度で研磨できるのに対して、シュウ酸等のCu
と錯体を形成し得る有機酸を含むものは実用的な研磨速
度が出せないことがわかった。
No. 3 containing no organic acid In the first embodiment, the Cu film can be polished at a polishing rate of 4000 Å / min or more, while the Cu film such as oxalic acid can be polished.
It was found that a material containing an organic acid capable of forming a complex cannot produce a practical polishing rate.

【0094】[0094]

【表5】 実施例6及び比較例5 硫酸あるいはアンモニアを添加し、研磨剤のpHを2〜
8の範囲に調整した以外は、実施例1のNo.1と同様
にして研磨剤を調製し、試験した。
[Table 5] Example 6 and Comparative Example 5 Sulfuric acid or ammonia was added to adjust the pH of the abrasive to 2
8 of Example 1 except that the range was adjusted to the range of No. 8. An abrasive was prepared and tested as in 1.

【0095】試験の結果を表6に示した。尚、No.
1、6は比較例である。
The results of the test are shown in Table 6. In addition, No.
Reference numerals 1 and 6 are comparative examples.

【0096】pHが3〜7の範囲にある場合、Cu膜の
溶解速度は10オングストローム/min前後と十分低
かったが、pHが3未満あるいは7を越えると溶解速度
が100オングストローム/min以上と上昇したり、
研磨速度が低下したりすることがわかった。
When the pH was in the range of 3 to 7, the dissolution rate of the Cu film was sufficiently low at around 10 angstroms / min, but when the pH was less than 3 or more than 7, the dissolution rate increased to 100 angstroms / min or more. Or
It was found that the polishing rate was reduced.

【0097】よって、本発明の金属膜用研磨剤は、pH
が3〜7の範囲が好適であることがわかった。
Therefore, the polishing slurry for metal films of the present invention has a pH
Was found to be preferably in the range of 3 to 7.

【0098】[0098]

【表6】 実施例7 実施例1のNo.1の研磨剤(第一の研磨剤)を用い
て、二段研磨法への適用を検討した。なお、比表面積が
30m2/gの高純度コロイダルシリカと水を所定量混
合し、シリカの濃度が7重量%の中性(pH6.8)の
研磨剤を調製し、第二の研磨剤として使用した。
[Table 6] Example 7 No. 1 in Example 1. The application to the two-stage polishing method was studied using the first abrasive (first abrasive). A high-purity colloidal silica having a specific surface area of 30 m 2 / g and a predetermined amount of water are mixed to prepare a neutral (pH 6.8) abrasive having a silica concentration of 7% by weight. used.

【0099】シリコンウエハ表面に形成されたSiO2
膜上に幅100μmの配線用溝が100μmの間隔で形
成され、その上に厚さ約200オングストロームのTa
N膜と厚さ約1.2μmのCu膜が順次積層されたTE
Gウエハを用いて、そのシリコンウエハ表面をまず第一
の研磨剤で約3分間研磨した。その結果、SiO2膜の
配線溝以外の部分の上にあるCu膜が除去され、TaN
膜と配線溝のCu膜が露出した状態となった。続いて、
第二の研磨剤で約1分間研磨を行ったところ、TaN膜
が除去され、配線溝以外の部分のSiO2膜と配線溝の
Cu膜が露出した状態になった。研磨後のシリコンウエ
ハ表面を電子顕微鏡で観察したところ、スクラッチやデ
ィッシングは全く見られず、配線溝以外の部分のSiO
2膜と配線溝のCu膜の表面にはほとんど段差は無く、
平坦な表面が形成されていることが確認できた。
SiO 2 formed on silicon wafer surface
Wiring grooves having a width of 100 μm are formed on the film at intervals of 100 μm, and a Ta film having a thickness of about 200 angstroms is formed thereon.
TE in which an N film and a Cu film having a thickness of about 1.2 μm are sequentially laminated
Using a G wafer, the silicon wafer surface was first polished for about 3 minutes with a first abrasive. As a result, the Cu film on the portion of the SiO 2 film other than the wiring groove is removed, and the TaN
The film and the Cu film in the wiring groove were exposed. continue,
After polishing for about 1 minute with the second abrasive, the TaN film was removed, and the SiO 2 film in portions other than the wiring grooves and the Cu film in the wiring grooves were exposed. When the surface of the polished silicon wafer was observed with an electron microscope, no scratch or dishing was observed, and the SiO
There is almost no step on the surface of the Cu film of the 2 film and the wiring groove,
It was confirmed that a flat surface was formed.

【0100】なお、参考のために第一の研磨剤と第二の
研磨剤のCu膜、TaN膜、SiO 2膜に対するそれぞ
れの研磨速度を表7に示した。これからもわかるよう
に、ここで用いた第一の研磨剤は金属膜を効率良く研磨
可能であることがわかる。また、第二の研磨剤はバリア
膜を効率良く研磨可能であることがわかる。
For reference, the first abrasive and the second abrasive
Abrasive Cu film, TaN film, SiO TwoEach against the membrane
The polishing rates are shown in Table 7. As you can see
In addition, the first abrasive used here efficiently polished the metal film
It turns out that it is possible. The second abrasive is a barrier
It can be seen that the film can be efficiently polished.

【0101】以上の結果より、本発明の研磨剤は、金属
膜を選択的に研磨可能で、引き続き第二の研磨剤を用い
て金属膜とバリア膜を同時研磨することによって平坦な
半導体基板を形成する二段研磨法に適していることがわ
かった。
From the above results, the polishing agent of the present invention can selectively polish a metal film, and subsequently can polish a flat semiconductor substrate by simultaneously polishing a metal film and a barrier film using a second polishing agent. It was found that it was suitable for the two-stage polishing method to be formed.

【0102】[0102]

【表7】 実施例8 実施例1のNo.10の研磨剤(研磨剤1)を用いて一
段研磨法への適用を検討した。なお、比表面積が30m
2/gの高純度コロイダルシリカと水を所定量混合し、
シリカの濃度が3重量%の中性(pH7.1)の研磨剤
を調製し、仕上げ研磨剤として使用した。
[Table 7] Example 8 No. 1 of Example 1. The application to the single-stage polishing method using 10 abrasives (abrasive 1) was studied. The specific surface area is 30m
A predetermined amount of 2 / g high-purity colloidal silica and water are mixed,
A neutral (pH 7.1) abrasive having a silica concentration of 3% by weight was prepared and used as a finishing abrasive.

【0103】シリコンウエハ表面に形成されたSiO2
膜上に幅100μmの配線用溝が100μmの間隔で形
成され、その上に厚さ約200オングストロームのTa
N膜と厚さ約1.2μmのCu膜が順次積層されたTE
Gウエハを用いて、そのシリコンウエハ表面を、研磨剤
1を用いて約4分間研磨した。その結果、SiO2膜配
線溝以外の部分の上にあるCu膜及びTaN膜が研磨除
去され、配線溝のCu膜が露出した状態となった。続い
て、仕上げ研磨剤で約1分間研磨を行った。
SiO 2 formed on silicon wafer surface
Wiring grooves having a width of 100 μm are formed on the film at intervals of 100 μm, and a Ta film having a thickness of about 200 angstroms is formed thereon.
TE in which an N film and a Cu film having a thickness of about 1.2 μm are sequentially laminated
Using the G wafer, the surface of the silicon wafer was polished with the polishing agent 1 for about 4 minutes. As a result, the Cu film and the TaN film on portions other than the SiO 2 film wiring groove were polished and removed, and the Cu film in the wiring groove was exposed. Subsequently, polishing was performed for about 1 minute with a finishing abrasive.

【0104】研磨後のシリコンウエハ表面を電子顕微鏡
で観察したところ、スクラッチやディッシングは全く見
られず、配線溝以外の部分のSiO2膜と配線溝のCu
膜の表面にはほとんど段差は無く、平坦な表面が形成さ
れていることが確認できた。
[0104] When a silicon wafer surface after polishing was observed by an electron microscope, scratches and dishing was not observed at all, the SiO 2 film and the wiring groove in the portion other than the wiring grooves Cu
There was almost no step on the surface of the film, and it was confirmed that a flat surface was formed.

【0105】なお、参考のために研磨剤1と仕上げ研磨
剤のCu膜、TaN膜、SiO2膜に対するそれぞれの
研磨速度を表8に示した。これからもわかるように、こ
こで用いた研磨剤1は金属膜ならびにバリア膜も効率良
く研磨でき、また、仕上げ研磨剤は、金属膜、バリア
膜、絶縁膜をほぼ同じ研磨速度で研磨できることがわか
る。
For reference, Table 8 shows the respective polishing rates of the polishing agent 1 and the finishing polishing agent with respect to the Cu film, the TaN film, and the SiO 2 film. As can be seen, the polishing agent 1 used here can efficiently polish the metal film and the barrier film, and the finish polishing agent can polish the metal film, the barrier film, and the insulating film at almost the same polishing rate. .

【0106】以上の結果より、本発明の研磨剤は、金属
膜を研磨した後、連続してバリア膜をも研磨可能な一段
研磨法に適していることがわかった。
From the above results, it was found that the polishing slurry of the present invention is suitable for the one-step polishing method in which the metal film is polished and then the barrier film can be continuously polished.

【0107】[0107]

【表8】 [Table 8]

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

【図1】本発明の研磨剤を用いた研磨方法の代表的な態
様を示す概略図
FIG. 1 is a schematic view showing a typical embodiment of a polishing method using the polishing agent of the present invention.

【図2】本発明の研磨剤を用いた研磨方法の代表的な態
様を示す概略図
FIG. 2 is a schematic view showing a typical embodiment of a polishing method using the polishing agent of the present invention.

【符号の説明】 A 凹部 1 半導体基板 2 絶縁膜 3 バリア膜 4 金属膜[Explanation of Symbols] A recess 1 semiconductor substrate 2 insulating film 3 barrier film 4 metal film

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 研磨砥粒、防食剤、過硫酸塩系酸化剤及
び水よりなり、金属と錯体を形成し得る有機酸を実質的
に含まず、且つpHが3〜7の範囲に調整されたことを
特徴とする金属膜用研磨剤。
1. A polishing composition comprising abrasive grains, an anticorrosive, a persulfate-based oxidizing agent, and water, substantially free of an organic acid capable of forming a complex with a metal, and having a pH adjusted to a range of 3 to 7. An abrasive for metal films.
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