JP4684121B2 - Chemical mechanical polishing abrasive and substrate polishing method - Google Patents

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Description

本発明は、特に半導体デバイスの配線形成工程の研磨に適した化学機械研磨用研磨剤と、それを用いる基板の研磨方法とに関する。   The present invention relates to an abrasive for chemical mechanical polishing particularly suitable for polishing a wiring formation process of a semiconductor device, and a method for polishing a substrate using the same.

近年、半導体集積回路(以下LSIと記す)の高集積化、高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。化学機械研磨(以下CMPと記す)法もその一つであり、LSI製造工程、特に多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、埋め込み配線形成において頻繁に利用される技術である。この技術は、例えば米国特許第4944836号公報に開示されている。   In recent years, new microfabrication techniques have been developed along with higher integration and higher performance of semiconductor integrated circuits (hereinafter referred to as LSIs). The chemical mechanical polishing (hereinafter referred to as CMP) method is one of them, and is a technique frequently used in the LSI manufacturing process, particularly in the multilayer wiring formation process, planarization of the interlayer insulating film, metal plug formation, and buried wiring formation. . This technique is disclosed in, for example, US Pat. No. 4,944,836.

また、最近はLSIを高性能化するために、配線材料として銅又は銅合金の利用が試みられている。しかし、銅又は銅合金は従来のアルミニウム合金配線の形成で頻繁に用いられたドライエッチング法による微細加工が困難である。そこで、あらかじめ溝を形成してある絶縁膜上に銅又は銅合金薄膜を堆積して埋め込み、溝部以外の銅又は銅合金の薄膜をCMPにより除去して埋め込み配線を形成する、いわゆるダマシン法が主に採用されている。この技術は、例えば特許文献1に開示されている。   Recently, in order to improve the performance of LSIs, the use of copper or copper alloys as wiring materials has been attempted. However, it is difficult to finely process copper or a copper alloy by a dry etching method frequently used in forming a conventional aluminum alloy wiring. Therefore, a so-called damascene method is mainly used in which a copper or copper alloy thin film is deposited and embedded on an insulating film in which a groove is formed in advance, and a copper or copper alloy thin film other than the groove is removed by CMP to form a buried wiring. Has been adopted. This technique is disclosed in Patent Document 1, for example.

銅又は銅合金等の金属CMPの一般的な方法は、円形の研磨定盤(プラテン)上に研磨パッドを貼り付け、研磨パッド表面を研磨剤で浸し、基板の金属膜を形成した面を押し付けて、その裏面から所定の圧力(以下研磨圧力と記す)を加えた状態で研磨定盤を回し、研磨剤と金属膜の凸部との機械的摩擦によって凸部の金属膜を除去するものである。   A general method of metal CMP such as copper or copper alloy is to apply a polishing pad on a circular polishing platen (platen), immerse the polishing pad surface with an abrasive and press the surface on which the metal film of the substrate is formed Then, the polishing platen is turned with a predetermined pressure (hereinafter referred to as polishing pressure) applied from the back surface, and the metal film on the convex portion is removed by mechanical friction between the abrasive and the convex portion of the metal film. is there.

CMPに用いられる研磨剤は、一般には酸化剤及び砥粒からなっており、必要に応じてさらに酸化金属溶解剤、保護膜形成剤が添加される。このCMP用研磨剤によるCMPの基本的なメカニズムは、まず、酸化剤によって金属膜表面を酸化し、その酸化層を砥粒によって削り取るというものであると考えられている。凹部の金属表面の酸化層は研磨パッドにあまり触れず、砥粒による削り取りの効果が及ばないので、CMPの進行とともに凸部の金属層が除去されて基板表面は平坦化される。この詳細については非特許文献1に開示されている。   The polishing agent used for CMP is generally composed of an oxidizing agent and abrasive grains, and a metal oxide dissolving agent and a protective film forming agent are further added as necessary. It is considered that the basic mechanism of CMP by this CMP abrasive is to first oxidize the metal film surface with an oxidizing agent and scrape the oxidized layer with abrasive grains. Since the oxide layer on the metal surface of the recess does not touch the polishing pad so much and the effect of scraping off by the abrasive grains does not reach, the metal layer of the projection is removed and the substrate surface is flattened with the progress of CMP. This detail is disclosed in Non-Patent Document 1.

CMPによる研磨速度を速めるには、酸化金属溶解剤を添加することが有効であるとされている。これは、砥粒によって削り取られた金属酸化物の粒を研磨剤に溶解(以下エッチングと記す)させてしまうと、砥粒による削り取りの効果が増すためであるためであると解釈できる。しかし、酸化金属溶解剤を添加すると、凹部の金属膜表面の酸化層もエッチング(溶解)されてしまい、金属膜表面が露出すると、酸化剤によって金属膜表面がさらに酸化される。これが繰り返されると、凹部の金属膜のエッチングが進行してしまう。このため研磨後に埋め込まれた金属配線の表面中央部分が皿のように窪む現象(以下、ディシングと記す)が発生し、平坦化効果が損なわれる。   In order to increase the polishing rate by CMP, it is considered effective to add a metal oxide dissolving agent. It can be interpreted that this is because if the metal oxide particles scraped by the abrasive grains are dissolved in the abrasive (hereinafter referred to as etching), the effect of scraping by the abrasive grains increases. However, when the metal oxide solubilizer is added, the oxide layer on the surface of the metal film in the recess is also etched (dissolved), and when the metal film surface is exposed, the metal film surface is further oxidized by the oxidant. If this is repeated, etching of the metal film in the recesses proceeds. For this reason, the phenomenon that the central portion of the surface of the metal wiring embedded after polishing is depressed like a dish (hereinafter referred to as “dicing”) occurs, and the planarization effect is impaired.

これを防ぐため、CMP用金属研磨剤には、さらに保護膜形成剤が添加される。保護膜形成剤は金属膜表面の酸化層上に保護膜を形成し、酸化層の研磨剤中への溶解を防止するものである。この保護膜には、砥粒により容易に削り取ることが可能であり、かつ、CMPによる研磨速度を低下させないことが望まれる。   In order to prevent this, a protective film forming agent is further added to the CMP metal abrasive. The protective film forming agent forms a protective film on the oxide layer on the surface of the metal film and prevents dissolution of the oxide layer in the abrasive. It is desired that this protective film can be easily scraped off by abrasive grains and that the polishing rate by CMP is not reduced.

銅又は銅合金のディッシングや研磨中の腐食を抑制し、信頼性の高いLSI配線を形成するために、酸化金属溶解剤としてグリシン等のアミノ酢酸又はアミド硫酸を用い、さらに保護膜形成剤としてベンゾトリアゾール(以下、BTAと記す)を用いたCMP用研磨剤が提唱されている。この技術は、例えば特許文献2に記載されている。   In order to suppress corrosion during dishing or polishing of copper or copper alloy and to form highly reliable LSI wiring, aminoacetic acid or amide sulfuric acid such as glycine is used as a metal oxide dissolving agent, and benzoic acid is used as a protective film forming agent. An abrasive for CMP using triazole (hereinafter referred to as BTA) has been proposed. This technique is described in Patent Document 2, for example.

銅又は銅合金のダマシン配線形成やタングステン等のプラグ配線の形成といった金属埋め込み形成においては、埋め込み部分以外に形成される層間絶縁膜である二酸化シリコン膜の研磨速度が、金属膜の研磨速度に近いと、層間絶縁膜ごと配線の厚みが薄くなるシニングと呼ばれる現象が発生する。その結果、配線抵抗の増加やパターン密度等により抵抗のばらつきが生じる。このため、CMP用研磨剤には、研磨される金属膜に対して二酸化シリコン膜の研磨速度が十分小さいという特性が要求される。そこで、酸の解離により生ずる陰イオンにより二酸化シリコンの研磨速度の抑制を図るため、研磨剤のpHをpKa−0.5よりも大きくする方法が提唱されている。この技術は、例えば特許文献3に記載されている。   In metal buried formation such as damascene wiring formation of copper or copper alloy or plug wiring such as tungsten, the polishing rate of the silicon dioxide film, which is an interlayer insulating film formed other than the embedded portion, is close to the polishing rate of the metal film. As a result, a phenomenon called thinning occurs in which the thickness of the wiring is reduced along with the interlayer insulating film. As a result, resistance variation occurs due to an increase in wiring resistance, pattern density, or the like. For this reason, the polishing agent for CMP is required to have a characteristic that the polishing rate of the silicon dioxide film is sufficiently small with respect to the metal film to be polished. Therefore, in order to suppress the polishing rate of silicon dioxide by anions generated by acid dissociation, a method of increasing the pH of the polishing agent to be higher than pKa-0.5 has been proposed. This technique is described in Patent Document 3, for example.

一方、配線の銅又は銅合金等の下層には、層間絶縁膜中への銅拡散防止のためにバリア層として、タンタル、タンタル合金、窒化タンタル、その他のタンタル化合物等が形成される。したがって、銅又は銅合金を埋め込む配線部分以外では、露出したバリア層をCMPにより取り除く必要がある。しかし、これらのバリア層を構成する導体は、銅又は銅合金に比べ硬度が高いために、銅又は銅合金用の研磨材料の組み合わせでは十分な研磨速度が得られない場合が多い。そこで、銅又は銅合金を研磨する第1工程と、バリア層導体を研磨する第2工程からなる2段研磨方法が検討されている。   On the other hand, tantalum, a tantalum alloy, tantalum nitride, other tantalum compounds, and the like are formed as a barrier layer to prevent copper diffusion into the interlayer insulating film in a lower layer such as copper or copper alloy of the wiring. Therefore, it is necessary to remove the exposed barrier layer by CMP except for the wiring portion in which copper or a copper alloy is embedded. However, since the conductors constituting these barrier layers have higher hardness than copper or copper alloys, a combination of polishing materials for copper or copper alloys cannot often provide a sufficient polishing rate. Therefore, a two-step polishing method comprising a first step of polishing copper or a copper alloy and a second step of polishing the barrier layer conductor has been studied.

第2工程であるバリア層のCMPでは、銅又は銅合金埋め込み配線部のディシングを防止する必要があり、銅又は銅合金の研磨速度及びエッチング速度を抑制するために、研磨剤のpHを小さくすることはマイナス効果であると考えられていた。
特開平2−278822号公報 ジャーナル・オブ・エレクトロケミカルソサエティ誌(Journal of Electrochemical Society)第138巻11号(1991年発行)3460〜3464頁 特開平8−83780号公報 特許第2819196号公報
In the second step, CMP of the barrier layer, it is necessary to prevent the copper or copper alloy embedded wiring portion from being diced, and the pH of the polishing agent is decreased in order to suppress the polishing rate and etching rate of copper or copper alloy. That was considered a negative effect.
JP-A-2-278822 Journal of Electrochemical Society, Vol. 138, Issue 11 (1991), pages 3460-3464 JP-A-8-83780 Japanese Patent No. 2819196

バリア層として用いられるタンタル、タンタル合金及びタンタル化合物(窒化タンタルなど)は、化学的に安定でエッチングが難しく、硬度が高いために機械的な研磨も銅及び銅合金ほど容易ではない。このため、砥粒の硬度を上げると、銅又は銅合金に研磨キズが発生して電気特性不良の原因になる場合がある。また、砥粒の粒子濃度を高くすると、二酸化シリコン膜の研磨速度が大きくなってしまい、シニングが発生するという問題がある。   Tantalum, tantalum alloys, and tantalum compounds (such as tantalum nitride) used as the barrier layer are chemically stable and difficult to etch, and have high hardness, so mechanical polishing is not as easy as copper and copper alloys. For this reason, when the hardness of the abrasive grains is increased, polishing flaws may occur in copper or a copper alloy, which may cause electrical characteristics defects. Further, when the particle concentration of the abrasive grains is increased, there is a problem that the polishing rate of the silicon dioxide film increases and thinning occurs.

本発明は、銅又は銅合金配線におけるディシング、シニング及び研磨キズの発生を抑制し、低砥粒濃度においてバリア層の高速研磨を実現し、信頼性の高い金属膜の埋め込みパターンを形成することができるCMP用研磨剤と、それを用いる基板の研磨方法とを提供することを目的とする。   The present invention suppresses the occurrence of dicing, thinning and polishing flaws in copper or copper alloy wiring, realizes high-speed polishing of the barrier layer at a low abrasive concentration, and forms a highly reliable embedded pattern of a metal film. An object of the present invention is to provide a CMP polishing agent and a method for polishing a substrate using the same.

本発明者らは、この目的を達成するため鋭意検討した結果、バリア層として用いられる導体であるタンタル、タンタル合金及びタンタル化合物の研磨が、研磨剤のpHが低く、かつ、酸化剤の濃度が低い場合、容易に進行することを見出し、本発明に至った。本発明では、これらの導体の酸化剤、金属表面に対する保護膜形成剤、酸及び水を含有する研磨剤であって、pHが3以下であり、かつ、酸化剤の濃度が0.01〜3重量%である第1の化学機械研磨用研磨剤が提供される。この第1の研磨剤は、さらに砥粒を含んでいてもよい。   As a result of intensive studies to achieve this object, the present inventors have found that polishing of tantalum, tantalum alloy and tantalum compound, which are conductors used as a barrier layer, has a low pH of the polishing agent and a concentration of the oxidizing agent. When it was low, it was found that it proceeded easily, leading to the present invention. In the present invention, an oxidizing agent for these conductors, a protective film forming agent for the metal surface, an abrasive containing acid and water, the pH is 3 or less, and the concentration of the oxidizing agent is 0.01 to 3 A first chemical mechanical polishing abrasive that is weight percent is provided. The first abrasive may further contain abrasive grains.

バリア層を研磨する際に砥粒の硬度を上げると、銅合金に研磨キズが発生して電気特性不良の原因になることがあり、砥粒の粒子濃度を高くすると二酸化シリコン膜の研磨速度が大きくなりシニングが発生することがあるという問題があった。   Increasing the hardness of the abrasive grains when polishing the barrier layer may cause polishing flaws in the copper alloy and cause electrical characteristics defects. Increasing the abrasive grain concentration increases the polishing rate of the silicon dioxide film. There has been a problem that it becomes large and thinning may occur.

本発明者らは、バリア層として用いられるタンタルやタンタル合金及び窒化タンタルやその他のタンタル化合物の研磨が低pH領域かつ低酸化剤濃度領域で容易に進行することを見出した。しかもこのようなCMP用研磨剤を用いた場合は、酸化剤濃度が十分低い領域であるために、一般に低pH領域で問題になる銅及び銅合金のエッチング速度の増加による配線のディシングも問題とならないことがわかった。   The present inventors have found that polishing of tantalum, a tantalum alloy, tantalum nitride, and other tantalum compounds used as a barrier layer easily proceeds in a low pH region and a low oxidizing agent concentration region. In addition, when such an abrasive for CMP is used, the oxidant concentration is a sufficiently low region, so that wiring dicing due to an increase in the etching rate of copper and copper alloy, which is generally a problem in a low pH region, is also a problem. I knew it would n’t be.

また、本発明者等は、バリア層導体として用いられるタンタル、タンタル合金又はタンタル化合物の研磨において、砥粒粒径が大きすぎると、バリア層の研磨速度が低下してしまい、二酸化シリコンの研磨速度が増加してしまうこと、さらに、砥粒粒径が小さくても、粒径分布の標準偏差が小さすぎると二酸化シリコンの研磨速度が増加してしまうことを見出した。この現象は、pHが低く、かつ、酸化剤濃度が低い研磨剤でタンタル、タンタル合金又はタンタル化合物を研磨する際に顕著である。   Further, the inventors of the present invention have found that when polishing the tantalum, tantalum alloy or tantalum compound used as the barrier layer conductor, if the abrasive grain size is too large, the polishing rate of the barrier layer decreases, and the polishing rate of silicon dioxide It was found that the polishing rate of silicon dioxide increases if the standard deviation of the particle size distribution is too small even if the abrasive grain size is small. This phenomenon is remarkable when polishing tantalum, a tantalum alloy, or a tantalum compound with an abrasive having a low pH and a low oxidizing agent concentration.

このような研磨剤を用いた場合は、酸化剤濃度が十分低い領域であるために、一般に低pH領域で問題になる銅又は銅合金のエッチング速度の増加による配線のディシングも問題とならず、砥粒濃度が低いためにエロージョンも少ないことがわかった。   When such an abrasive is used, since the oxidant concentration is a sufficiently low region, wiring dicing due to an increase in the etching rate of copper or copper alloy, which is generally a problem in a low pH region, does not become a problem. It was found that the erosion was small due to the low abrasive concentration.

そこで本発明では、導体の酸化剤、金属表面に対する保護膜形成剤、酸及び水を含有する研磨剤であって、砥粒を含み、当該砥粒の平均粒径が50nm以下であり、粒径分布の標準偏差値が5nmより大きい研磨剤が提供される。   Therefore, in the present invention, a conductor containing an oxidizing agent, a protective film forming agent for a metal surface, an abrasive containing acid and water, including abrasive grains, the average grain size of the abrasive grains is 50 nm or less, An abrasive with a standard deviation value of distribution greater than 5 nm is provided.

なお、この本発明の研磨剤は、pHが3以下であり、かつ、酸化剤の濃度が0.01〜3重量%であることが望ましい。研磨剤を低pHかつ低酸化剤濃度にすることにより、銅又は銅合金の配線におけるディシング、シニング及び研磨キズの発生を抑制し、低砥粒濃度でバリア層の高い研磨速度を実現することができる。   In addition, as for this abrasive | polishing agent of this invention, it is desirable that pH is 3 or less and the density | concentration of an oxidizing agent is 0.01 to 3 weight%. By making the polishing agent at a low pH and a low oxidizing agent concentration, it is possible to suppress the occurrence of dishing, thinning and polishing scratches in the copper or copper alloy wiring, and to realize a high polishing rate of the barrier layer at a low abrasive concentration. it can.

本発明のCMP用研磨剤は、さらに水溶性高分子を含むことができ、その場合の酸化剤の濃度は、0.01〜1.5重量%であることが好ましい。水溶性高分子には、ポリアクリル酸もしくはその塩、ポリメタクリル酸もしくはその塩、ポリアミド酸及びその塩、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドンからなる群から選ばれた少なくとも1種が好ましい。   The CMP abrasive | polishing agent of this invention can contain a water-soluble polymer further, and it is preferable that the density | concentration of the oxidizing agent in that case is 0.01 to 1.5 weight%. The water-soluble polymer is preferably at least one selected from the group consisting of polyacrylic acid or a salt thereof, polymethacrylic acid or a salt thereof, polyamic acid and a salt thereof, polyacrylamide, polyvinyl alcohol, and polyvinylpyrrolidone.

酸は、有機酸であることが好ましく、マロン酸、リンゴ酸、酒石酸、グリコール酸及びクエン酸から選ばれた少なくとも1種であることがより好ましい。   The acid is preferably an organic acid, and more preferably at least one selected from malonic acid, malic acid, tartaric acid, glycolic acid and citric acid.

導体の酸化剤は、過酸化水素、硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸、オゾン水より選ばれた少なくとも1種であることが好ましい。   The conductor oxidizing agent is preferably at least one selected from hydrogen peroxide, nitric acid, potassium periodate, hypochlorous acid, and ozone water.

保護膜形成剤は、ベンゾトリアゾール(BTA)及びその誘導体から選ばれた少なくとも1種(以下、BTA類と記す)であることが好ましい。   The protective film forming agent is preferably at least one selected from benzotriazole (BTA) and derivatives thereof (hereinafter referred to as BTAs).

砥粒は、シリカ、アルミナ、セリア、チタニア、ジルコニア、ゲルマニア、炭化珪素より選ばれた少なくとも1種であることが好ましく、平均粒径50nm以下のコロイダルシリカ又はコロイダルアルミナが本発明に好適である。砥粒の平均粒径は30nm以下であることが特に好ましく、粒径分布の標準偏差が10nm以上であることが特に好ましい。砥粒濃度は、0.05〜10重量%であることが好ましく、0.1〜5重量%がさらに好ましく、0.2〜3重量%であることが特に好ましい。コロイダルシリカは、シリコンアルコキシドの加水分解により製造したものが好ましいが、珪酸ナトリウムを原料として製造したものも使用できる。   The abrasive is preferably at least one selected from silica, alumina, ceria, titania, zirconia, germania, and silicon carbide, and colloidal silica or colloidal alumina having an average particle size of 50 nm or less is suitable for the present invention. The average particle size of the abrasive grains is particularly preferably 30 nm or less, and the standard deviation of the particle size distribution is particularly preferably 10 nm or more. The abrasive concentration is preferably 0.05 to 10% by weight, more preferably 0.1 to 5% by weight, and particularly preferably 0.2 to 3% by weight. The colloidal silica is preferably one produced by hydrolysis of silicon alkoxide, but one produced using sodium silicate as a raw material can also be used.

本発明のCMP用研磨剤は、タンタル又は窒化タンタルと銅(銅合金を含む)との研磨速度比(Ta/Cu、TaN/Cu)が1よりも大きく、かつタンタル又は窒化タンタルと二酸化シリコン膜との研磨速度比(Ta/SiO、TaN/SiO)が10より大きいことが好ましい。 The polishing slurry for CMP of the present invention has a polishing rate ratio (Ta / Cu, TaN / Cu) of tantalum or tantalum nitride and copper (including a copper alloy) greater than 1, and tantalum or tantalum nitride and a silicon dioxide film. And the polishing rate ratio (Ta / SiO 2 , TaN / SiO 2 ) is preferably larger than 10.

本発明のCMP用研磨剤を用いた研磨に適する導体(半導体を含む)としては、銅、銅合金、酸化銅及びそれらのバリア層(銅原子の拡散を防ぐための層)を構成するタンタル、タンタル合金、タンタル化合物(窒化タンタルなど)といったものが挙げられる。そこで、本発明では、この本発明のCMP用研磨剤を用いてタンタル、タンタル合金及びタンタル化合物(窒化タンタルなど)を含むバリア層を研磨する研磨方法、ならびに、本発明のCMP用研磨剤を用いて、配線層(銅、銅合金及び/又はそれらの酸化物)と、そのバリア層(銅原子の拡散を防ぐための層)とを含む面を研磨する研磨方法が提供される。   Conductors (including semiconductors) suitable for polishing using the CMP polishing slurry of the present invention include copper, copper alloys, copper oxides, and tantalums that constitute their barrier layers (layers for preventing the diffusion of copper atoms), Examples include tantalum alloys and tantalum compounds (such as tantalum nitride). Therefore, in the present invention, a polishing method for polishing a barrier layer containing tantalum, a tantalum alloy and a tantalum compound (such as tantalum nitride) using the CMP polishing slurry of the present invention, and the CMP polishing slurry of the present invention are used. Thus, there is provided a polishing method for polishing a surface including a wiring layer (copper, copper alloy and / or oxide thereof) and a barrier layer (a layer for preventing diffusion of copper atoms).

本発明の研磨剤は、表面に二酸化シリコンの凹部を有する基板上にバリア層及び銅又は銅合金を含む金属膜を形成・充填した基板を研磨対象とする場合に好適である。このような基板は、例えば、図1に示すようにシリコンウエハ10(図1(a))の表面に二酸化シリコン膜11を形成し(図1(b))、この表面に所定のパターンのレジスト層12を形成して(図1(c))、ドライエッチングにより二酸化シリコン膜11に凹部13を形成してレジスト層12を除去し(図1(d))、二酸化シリコン膜11表面とシリコンウエハ10の露出箇所とを覆うように、蒸着、CVDなどによりタンタルなどのバリア金属を成膜してバリア層14を形成し(図1(e))、その表面に銅などの金属を蒸着、めっき又はCVDにより成膜して配線層15とすることにより得られる(図1(f))。 The abrasive | polishing agent of this invention is suitable when the board | substrate which formed and filled the barrier layer and the metal film containing a copper or copper alloy on the board | substrate which has the recessed part of a silicon dioxide on the surface is suitable for grinding | polishing object. For example, as shown in FIG. 1, a silicon dioxide film 11 is formed on the surface of a silicon wafer 10 ( FIG. 1A ) as shown in FIG. 1 (FIG. 1B), and a resist having a predetermined pattern is formed on this surface. A layer 12 is formed (FIG. 1C), a recess 13 is formed in the silicon dioxide film 11 by dry etching to remove the resist layer 12 ( FIG. 1D ), and the surface of the silicon dioxide film 11 and the silicon wafer. The barrier layer 14 is formed by depositing a barrier metal such as tantalum by vapor deposition or CVD so as to cover the exposed portion 10 (FIG. 1E), and a metal such as copper is vapor deposited and plated on the surface thereof. Alternatively, it is obtained by forming a film by CVD to form the wiring layer 15 (FIG. 1 (f)).

この基板を、配線層(銅及び/又は銅合金)/バリア層の研磨速度比が十分大きい銅及び銅合金用研磨剤を用いてCMPすると、基板の凸部(すなわち二酸化シリコン11が設けられた箇所)のバリア層14が表面に露出し、凹部に配線層(銅又は銅合金膜)15が残された所望の導体パターンが得られる(図1(g))。   When this substrate was subjected to CMP using a polishing agent for copper and a copper alloy having a sufficiently large polishing rate ratio of wiring layer (copper and / or copper alloy) / barrier layer, a convex portion of the substrate (that is, silicon dioxide 11 was provided). A desired conductor pattern is obtained in which the barrier layer 14 is exposed on the surface and the wiring layer (copper or copper alloy film) 15 is left in the recess (FIG. 1G).

この基板を、さらにバリア層14及び配線層15を両方研磨することのできるCMP用研磨剤を用いて研磨すると、図1(h)に示すように、二酸化シリコン11が表面に露出した半導体基板が得られる。   When this substrate is further polished using a CMP abrasive capable of polishing both the barrier layer 14 and the wiring layer 15, a semiconductor substrate with the silicon dioxide 11 exposed on the surface is obtained as shown in FIG. can get.

本発明の第1のCMP用研磨剤は、導体の酸化剤、金属表面に対する保護膜形成剤、酸及び水を含有する研磨剤であって、pHが3以下であり、かつ酸化剤の濃度が0.01〜3重量%になるように調整したものである。必要に応じて、水溶性高分子、砥粒を添加してもよい。   The first polishing slurry for CMP of the present invention is a polishing agent containing a conductor oxidizing agent, a protective film forming agent for a metal surface, an acid and water, having a pH of 3 or less, and an oxidizing agent concentration. It is adjusted to be 0.01 to 3% by weight. If necessary, a water-soluble polymer and abrasive grains may be added.

CMP用研磨剤のpHが3を超えて大きいと、タンタル、タンタル合金及び/又はタンタル化合物の研磨速度が小さい。pHは、酸の添加量により調整することができる。またアンモニア、水酸化ナトリウム、テトラメチルアンモニウムハイドライド等のアルカリ成分の添加によっても調整可能である。   When the pH of the polishing slurry for CMP is higher than 3, the polishing rate of tantalum, tantalum alloy and / or tantalum compound is low. The pH can be adjusted by the amount of acid added. It can also be adjusted by adding alkali components such as ammonia, sodium hydroxide, tetramethylammonium hydride.

また、導体の酸化剤の濃度が0.15重量%付近でタンタル、タンタル合金及び/又はタンタル化合物の研磨速度が極大になる。酸化剤によりタンタル、タンタル合金、タンタル化合物等の導体膜表面に、機械的に研磨されやすい一次酸化層が形成され、高い研磨速度が得られる。   In addition, the polishing rate of tantalum, a tantalum alloy and / or a tantalum compound becomes maximum when the concentration of the oxidant in the conductor is around 0.15% by weight. A primary oxide layer that is easily mechanically polished is formed on the surface of the conductor film such as tantalum, tantalum alloy, and tantalum compound by the oxidizing agent, and a high polishing rate can be obtained.

一般に、pHが3より小さい場合には、銅又は銅合金膜のエッチング速度が大きく、保護膜形成剤でのエッチング抑制は困難である。しかし、本発明では、酸化剤の濃度が十分低いため、保護膜形成剤によるエッチング抑制が可能である。酸化剤の濃度が3重量%を超えて大きいと、銅又は銅合金のエッチング速度が大きくなりディシング等が発生しやすくなるだけでなく、タンタル、タンタル合金、窒化タンタル、その他のタンタル化合物等の導体膜表面に、一次酸化層よりも研磨されにくい二次酸化層が形成されるために研磨速度が低下する。酸化剤の濃度が0.01重量%未満であると、酸化層が十分形成されないために研磨速度が小さくなり、タンタル膜の剥離等が発生することもある。   In general, when the pH is smaller than 3, the etching rate of the copper or copper alloy film is high, and it is difficult to suppress the etching with the protective film forming agent. However, in the present invention, since the concentration of the oxidizing agent is sufficiently low, the etching suppression by the protective film forming agent is possible. If the concentration of the oxidant exceeds 3% by weight, the etching rate of copper or copper alloy increases, and not only does dishing easily occur, but also conductors such as tantalum, tantalum alloy, tantalum nitride, and other tantalum compounds. Since a secondary oxide layer that is harder to polish than the primary oxide layer is formed on the film surface, the polishing rate decreases. When the concentration of the oxidizing agent is less than 0.01% by weight, the oxide layer is not sufficiently formed, so that the polishing rate becomes low, and the tantalum film may be peeled off.

なお、本発明の第1のCMP用研磨剤は、さらに砥粒を含んでいてもよく、分散安定性が高く、研磨傷の発生数が少ないよう、その平均粒径は100nm以下であることが望ましく、50nm以下であることが特に好ましい。   The first CMP polishing slurry of the present invention may further contain abrasive grains, and the average particle size may be 100 nm or less so that the dispersion stability is high and the number of polishing scratches is small. It is desirably 50 nm or less.

また、本発明の第2のCMP用研磨剤は、導体の酸化剤、金属表面に対する保護膜形成剤、酸及び水を含有するCMP用研磨剤であって、さらに平均粒径が50nm以下、かつ、粒径分布の標準偏差が5nmより大きい砥粒を含むものである。この第2の研磨剤も、pHが3以下、かつ、導体の酸化剤の濃度が0.01〜3重量%になるように調整することが好ましい。必要に応じて、水溶性高分子を添加してもよい。砥粒の平均粒径が30nm以下であり、その粒径分布の標準偏差が10nmより大きい砥粒は、本発明に特に好適である。平均粒径が50nmを超えて大きいとバリア層膜の研磨速度が小さく二酸化シリコン膜の研磨速度が大きい。また、平均粒径が50nm以下であっても、粒径分布の標準偏差が5nm未満であると二酸化シリコン膜の研磨速度が大きくなる傾向が見られる。   The second polishing slurry for CMP of the present invention is a polishing slurry for CMP containing a conductor oxidizing agent, a protective film-forming agent for metal surfaces, an acid and water, and further has an average particle size of 50 nm or less, and Abrasive grains having a standard deviation of the particle size distribution larger than 5 nm are included. This second abrasive is also preferably adjusted so that the pH is 3 or less and the concentration of the conductor oxidizing agent is 0.01 to 3% by weight. A water-soluble polymer may be added as necessary. Abrasive grains having an average grain size of 30 nm or less and a standard deviation of the grain size distribution of more than 10 nm are particularly suitable for the present invention. When the average particle size is larger than 50 nm, the polishing rate of the barrier layer film is small and the polishing rate of the silicon dioxide film is high. Even when the average particle size is 50 nm or less, if the standard deviation of the particle size distribution is less than 5 nm, the polishing rate of the silicon dioxide film tends to increase.

本発明の第1又は第2のCMP用研磨剤における導体の酸化剤の濃度は、水溶性高分子を含有する場合には、0.01〜1.5重量%とすることが望ましい。水溶性高分子は、タンタル、タンタル合金、タンタル化合物、又は、その酸化膜表面に吸着するために、高い研磨速度が得られる酸化剤濃度範囲が小さくなる。また、水溶性高分子は、特に窒化タンタル膜、窒化チタン等の窒化化合物膜の表面に吸着しやすいために、窒化タンタル膜、窒化チタン等の窒化化合物膜の研磨速度が小さくなると考えられる。一方、水溶性高分子は、金属の表面保護膜形成効果を持ち、ディシングやシニング等の平坦化特性を向上させる。   In the first or second CMP polishing slurry of the present invention, the concentration of the conductor oxidizing agent is preferably 0.01 to 1.5% by weight when it contains a water-soluble polymer. Since the water-soluble polymer is adsorbed on the surface of tantalum, tantalum alloy, tantalum compound, or its oxide film, the oxidant concentration range in which a high polishing rate can be obtained becomes small. Further, since the water-soluble polymer is particularly easily adsorbed on the surface of a nitride compound film such as a tantalum nitride film or titanium nitride, it is considered that the polishing rate of the nitride compound film such as a tantalum nitride film or titanium nitride is reduced. On the other hand, the water-soluble polymer has the effect of forming a metal surface protective film and improves planarization characteristics such as dishing and thinning.

本発明における導体の酸化剤としては、過酸化水素(H)、硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸、オゾン水等が挙げられ、その中でも過酸化水素が特に好ましい。基板が集積回路用素子を含むシリコン基板である場合、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン化物などによる汚染は望ましくないので、不揮発成分を含まない酸化剤が望ましい。ただし、オゾン水は組成の時間変化が激しいので過酸化水素が最も適している。ただし、適用対象の基板が半導体素子を含まないガラス基板などである場合は不揮発成分を含む酸化剤であっても差し支えない。 Examples of the conductor oxidizing agent in the present invention include hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), nitric acid, potassium periodate, hypochlorous acid, ozone water, etc. Among them, hydrogen peroxide is particularly preferable. When the substrate is a silicon substrate including an integrated circuit element, contamination by alkali metal, alkaline earth metal, halide, or the like is not desirable, and thus an oxidizing agent that does not include a nonvolatile component is desirable. However, hydrogen peroxide is most suitable because ozone water has a severe compositional change over time. However, if the substrate to be applied is a glass substrate that does not include a semiconductor element, an oxidant that includes a nonvolatile component may be used.

本発明において用いる酸としては、ギ酸又は有機酸(酢酸、プロピオン酸、吉草酸、2−メチル酪酸、n−ヘキサン酸、3,3−ジメチル酪酸、2−エチル酪酸、4−メチルペンタン酸、n−ヘプタン酸、2−メチルヘキサン酸、n−オクタン酸、2−エチルヘキサン酸、安息香酸、グリコール酸、サリチル酸、グリセリン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、マレイン酸、フタル酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸等)が好ましく、さらに、これらのアンモニウム塩等の塩、硫酸、硝酸、アンモニア、アンモニウム塩類、例えば過硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、塩化アンモニウム、クロム酸等又はそれらの混合物等を用いることができる。これらの中では、実用的なCMP研磨速度が得られるという点でマロン酸、リンゴ酸、酒石酸、グリコール酸及びクエン酸が好ましい。   Examples of the acid used in the present invention include formic acid or organic acids (acetic acid, propionic acid, valeric acid, 2-methylbutyric acid, n-hexanoic acid, 3,3-dimethylbutyric acid, 2-ethylbutyric acid, 4-methylpentanoic acid, n -Heptanoic acid, 2-methylhexanoic acid, n-octanoic acid, 2-ethylhexanoic acid, benzoic acid, glycolic acid, salicylic acid, glyceric acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, Maleic acid, phthalic acid, malic acid, tartaric acid, citric acid, etc.), and salts such as ammonium salts, sulfuric acid, nitric acid, ammonia, ammonium salts such as ammonium persulfate, ammonium nitrate, ammonium chloride, chromic acid, etc. A mixture thereof can be used. Among these, malonic acid, malic acid, tartaric acid, glycolic acid, and citric acid are preferable in that a practical CMP polishing rate can be obtained.

本発明における保護膜形成剤は、ベンゾトリアゾール(BTA)、BTA誘導体(例えばBTAのベンゼン環の一つの水素原子をメチル基で置換したものであるトリルトリアゾール、カルボキシル基等で置換したものであるベンゾトリアゾール4−カルボン酸、そのメチル、エチル、プロピル、ブチル及びオクチルエステルなど)、ナフトトリアゾール、ナフトトリアゾール誘導体又はこれらを含む混合物の中から選ばれる。   The protective film forming agent in the present invention is benzotriazole (BTA), a BTA derivative (for example, tolyltriazole obtained by substituting one hydrogen atom of a benzene ring of BTA with a methyl group, benzoate substituted with a carboxyl group or the like. Triazole 4-carboxylic acid, its methyl, ethyl, propyl, butyl and octyl esters), naphthotriazole, naphthotriazole derivatives or mixtures containing these.

本発明において用いる水溶性高分子としては、例えば、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アンモニウム塩、ポリアクリル酸ナトリウム塩、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸アンモニウム塩、ポリメタクリル酸ナトリウム塩、ポリアクリルアミド等のカルボキシル基を持つモノマーを基本構成単位とするポリマー又はその塩、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン等のビニル基を持つモノマーを基本構成単位とするポリマーが挙げられる。ただし、適用する基板が半導体集積回路用シリコン基板などの場合はアルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン化物等による汚染は望ましくないため、酸もしくはそのアンモニウム塩が望ましい。基板がガラス基板等である場合はその限りではない。これらの水溶性高分子を添加することにより、保護膜形成剤によるエッチング抑止効果によりディシング特性を向上させることができる。   Examples of the water-soluble polymer used in the present invention include polyacrylic acid, polyacrylic acid ammonium salt, polyacrylic acid sodium salt, polymethacrylic acid, polymethacrylic acid ammonium salt, polymethacrylic acid sodium salt, and polyacrylamide. Examples thereof include a polymer having a monomer having a group as a basic structural unit or a salt thereof, and a polymer having a monomer having a vinyl group such as polyvinyl alcohol and polyvinylpyrrolidone as a basic structural unit. However, when the substrate to be applied is a silicon substrate for a semiconductor integrated circuit or the like, contamination with an alkali metal, an alkaline earth metal, a halide, or the like is not desirable. Therefore, an acid or an ammonium salt thereof is desirable. This is not the case when the substrate is a glass substrate or the like. By adding these water-soluble polymers, the dishing characteristics can be improved due to the effect of inhibiting etching by the protective film forming agent.

また、本発明では、タンタル又は窒化タンタルと銅(銅合金を含む)との研磨速度比(Ta/Cu、TaN/Cu)が1よりも大きく、かつタンタル又は窒化タンタルと二酸化シリコンとの研磨速度比(Ta/SiO、TaN/SiO)が10より大きいCMP用研磨剤が提供される。 In the present invention, the polishing rate ratio (Ta / Cu, TaN / Cu) of tantalum or tantalum nitride and copper (including a copper alloy) is larger than 1, and the polishing rate of tantalum or tantalum nitride and silicon dioxide. An abrasive for CMP having a ratio (Ta / SiO 2 , TaN / SiO 2 ) greater than 10 is provided.

前述したように、本発明では、CMP用研磨剤のpHを3より小さくし、低酸化剤濃度とすることにより(酸化剤の濃度が0.15重量%付近で)、バリア層として用いられるタンタルやタンタル合金及び窒化タンタルやその他のタンタル化合物の研磨速度が極大になること、pHが3より小さいと銅及び銅合金膜のエッチング速度が大きくなるが、酸化剤濃度が十分に低いため保護膜形成剤での抑制が可能であること、二酸化シリコンの研磨速度が小さくなる平均粒径50nmのコロイダルシリカ、コロイダルアルミナなどの砥粒を用いれば、タンタル又は窒化タンタルと銅(銅合金を含む)との研磨速度比(Ta/Cu、TaN/Cu)を1よりも大きくし、かつ、タンタル又は窒化タンタルと二酸化シリコンとの研磨速度比(Ta/SiO、TaN/SiO)を10より大きくすることができる。 As described above, in the present invention, tantalum used as a barrier layer is obtained by reducing the pH of the polishing slurry for CMP to less than 3 (low oxidizing agent concentration is around 0.15% by weight). The polishing rate of tantalum alloy, tantalum alloy, tantalum nitride, and other tantalum compounds is maximized. If the pH is less than 3, the etching rate of copper and copper alloy film increases, but the protective layer is formed because the oxidant concentration is sufficiently low. If abrasive grains such as colloidal silica and colloidal alumina having an average particle diameter of 50 nm that reduce the polishing rate of silicon dioxide are possible, it is possible to suppress tantalum or tantalum nitride and copper (including copper alloys). The polishing rate ratio (Ta / Cu, TaN / Cu) is larger than 1, and the polishing rate ratio between tantalum or tantalum nitride and silicon dioxide (Ta / S) O 2, TaN / SiO 2) to may be greater than 10.

本発明のCMP用研磨剤の砥粒としては、シリカ、アルミナ、セリア、チタニア、ジルコニア、ゲルマニア、炭化珪素等の無機物砥粒、ポリスチレン、ポリアクリル、ポリ塩化ビニル等の有機物砥粒のいずれでもよいが、研磨剤中での分散安定性がよく、CMPにより発生する研磨傷(スクラッチ)の発生数の少ない、平均粒径が50nm以下のコロイダルシリカ、コロイダルアルミナが好ましい。平均粒径は、バリア層の研磨速度がより大きくなり、二酸化シリコンの研磨速度がより小さくなる30nm以下がより好ましく、20nm以下が特に好ましい。コロイダルシリカとしては、例えばシリコンアルコキシドの加水分解又は珪酸ナトリウムのイオン交換により製造されたものを用いることができ、コロイダルアルミナとしては、例えば硝酸アルミニウムの加水分解により製造されたものを用いることができる。   As abrasive grains of the abrasive for CMP of the present invention, any of inorganic abrasive grains such as silica, alumina, ceria, titania, zirconia, germania and silicon carbide, and organic abrasive grains such as polystyrene, polyacryl and polyvinyl chloride may be used. However, colloidal silica and colloidal alumina having good dispersion stability in an abrasive, a small number of polishing scratches (scratches) generated by CMP, and an average particle diameter of 50 nm or less are preferable. The average particle size is more preferably 30 nm or less, and particularly preferably 20 nm or less, in which the polishing rate of the barrier layer becomes larger and the polishing rate of silicon dioxide becomes smaller. As the colloidal silica, for example, one produced by hydrolysis of silicon alkoxide or ion exchange of sodium silicate can be used, and as the colloidal alumina, for example, one produced by hydrolysis of aluminum nitrate can be used.

第1又は第2のCMP用研磨剤における砥粒の添加量は、全重量に対して0.01重量%から10重量%であることが好ましく、0.05重量%から5重量%の範囲であることがより好ましい。この配合量が0.01重量%未満では砥粒を含まない場合の研磨速度と有意差がなく、10重量%を超えると、それ以上加えてもCMPによる研磨速度の向上は見られない。   The addition amount of the abrasive grains in the first or second CMP polishing agent is preferably 0.01% by weight to 10% by weight with respect to the total weight, and is in the range of 0.05% by weight to 5% by weight. More preferably. If the blending amount is less than 0.01% by weight, there is no significant difference from the polishing rate when no abrasive grains are contained, and if it exceeds 10% by weight, no improvement in the polishing rate by CMP is observed even when more than 10% by weight is added.

本発明のCMP用研磨剤は、銅、銅合金、酸化銅及びそれらのバリア層(例えば、タンタル、タンタル合金、タンタル化合物(窒化タンタルなど))といった導体(半導体を含む)の研磨に特に好適である。   The CMP polishing slurry of the present invention is particularly suitable for polishing conductors (including semiconductors) such as copper, copper alloys, copper oxides, and their barrier layers (eg, tantalum, tantalum alloys, tantalum compounds (such as tantalum nitride)). is there.

本発明の研磨剤における酸の配合量は、導体の酸化剤、酸、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水の総量100gに対して、0.0001〜0.05molとすることが好ましく、0.001〜0.01molとすることがより好ましい。この配合量が0.05molを超えると、銅又は銅合金のエッチングが増加する傾向がある。   The blending amount of the acid in the abrasive of the present invention is preferably 0.0001 to 0.05 mol with respect to 100 g of the total amount of the conductor oxidizing agent, acid, protective film forming agent, water-soluble polymer and water, More preferably, it is 0.001 to 0.01 mol. When this compounding quantity exceeds 0.05 mol, there exists a tendency for the etching of copper or a copper alloy to increase.

本発明の研磨剤における保護膜形成剤の配合量は、導体の酸化剤、酸、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水の総量100gに対して、0.0001〜0.01molとすることが好ましく、0.0005〜0.005molとすることがより好ましい。この配合量が0.0001mol未満では、銅又は銅合金のエッチングが増加する傾向があり、0.01molを超えても効果に変わりがない。   The blending amount of the protective film forming agent in the abrasive of the present invention is 0.0001 to 0.01 mol with respect to 100 g of the total amount of the conductor oxidizing agent, acid, protective film forming agent, water-soluble polymer and water. Is more preferable, and 0.0005 to 0.005 mol is more preferable. If this amount is less than 0.0001 mol, the etching of copper or copper alloy tends to increase, and even if it exceeds 0.01 mol, the effect remains unchanged.

本発明では水溶性高分子を添加することもでき、水溶性高分子の配合量は、導体の酸化剤、酸、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水の総量100gに対して、0.001〜0.5重量%とすることが好ましく、0.01〜0.2重量%とすることがより好ましい。この配合量が0.001重量%未満では、エッチング抑制において保護膜形成剤との併用効果が現れない傾向があり、0.5重量%を超えると、CMPによる研磨速度が低下する傾向がある。   In the present invention, a water-soluble polymer can also be added, and the amount of the water-soluble polymer is 0. It is preferable to set it as 001-0.5 weight%, and it is more preferable to set it as 0.01-0.2 weight%. If the blending amount is less than 0.001% by weight, the combined effect with the protective film forming agent tends not to appear in etching suppression, and if it exceeds 0.5% by weight, the polishing rate by CMP tends to decrease.

本発明のCMP用研磨剤を用いた基板の研磨方法は、CMP用研磨剤を研磨定盤上の研磨パッドに供給し、被研磨面と接触させて被研磨面と研磨パッドを相対運動させて研磨する研磨方法である。研磨する装置としては、被研磨面を有する半導体基板等を保持するホルダーと研磨パッドを貼り付けた(回転数が変更可能なモータ等を取り付けてある)研磨定盤を有する一般的な研磨装置が使用できる。研磨パッドとしては、一般的な不織布、発泡ポリウレタン、多孔質フッ素樹脂などが使用でき、特に制限がない。研磨条件には制限はないが、研磨定盤の回転速度は基板が飛び出さないように200rpm以下の低回転が好ましい。被研磨面(被研磨膜)を有する半導体基板の研磨パッドへの押しつけ圧力が9.8〜98.1KPa(100〜1000gf/cm)であることが好ましく、研磨速度のウエハ面内均一性及びパターンの平坦性を満足するためには、9.8から49.0KPa(100〜500gf/cm)であることがより好ましい。研磨している間、研磨パッドにはCMP用研磨剤をポンプ等で連続的に供給する。この供給量に制限はないが、研磨パッドの表面が常に研磨剤で覆われていることが好ましい。研磨終了後の半導体基板は、流水中でよく洗浄後、スピンドライヤ等を用いて半導体基板上に付着した水滴を払い落としてから乾燥させることが好ましい。 In the polishing method for a substrate using the CMP polishing slurry of the present invention, the CMP polishing slurry is supplied to the polishing pad on the polishing surface plate, and is brought into contact with the surface to be polished to move the surface to be polished and the polishing pad relative to each other. A polishing method for polishing. As an apparatus for polishing, there is a general polishing apparatus having a polishing surface plate with a holder for holding a semiconductor substrate having a surface to be polished and a polishing pad attached (a motor etc. capable of changing the number of rotations is attached). Can be used. As the polishing pad, a general nonwoven fabric, foamed polyurethane, porous fluororesin, or the like can be used, and there is no particular limitation. The polishing conditions are not limited, but the rotation speed of the polishing surface plate is preferably a low rotation of 200 rpm or less so that the substrate does not jump out. The pressure applied to the polishing pad of the semiconductor substrate having the surface to be polished (film to be polished) is preferably 9.8 to 98.1 KPa (100 to 1000 gf / cm 2 ). In order to satisfy the flatness of the pattern, it is more preferably 9.8 to 49.0 KPa (100 to 500 gf / cm 2 ). During polishing, a polishing slurry for CMP is continuously supplied to the polishing pad by a pump or the like. Although there is no restriction | limiting in this supply amount, it is preferable that the surface of a polishing pad is always covered with the abrasive | polishing agent. The semiconductor substrate after polishing is preferably washed in running water and then dried after removing water droplets adhering to the semiconductor substrate using a spin dryer or the like.

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
(1)化学機械研磨用研磨剤の調製
表1に示すように、酸0.4重量%、砥粒(ただし参考例1は添加せず、実施例2〜8、参考例9は1重量部、実施例10〜11、参考例12〜13は1重量%)、水溶性高分子0.05重量部(ただし実施例4,6,7のみ)、及び、保護膜形成剤(BTA)0.2重量%に、水(参考例、実施例28、参考例9では98.85重量部、実施例10〜11、参考例12〜13では97.9重量%)を加えて溶解し、さらに導体の酸化剤として過酸化水素水(試薬特級、30%水溶液)を加えて得られたものをCMP用研磨剤とした。なお、砥粒は、テトラエトキシシランのアンモニア溶液中での加水分解により作製した平均粒径20〜60nmのコロイダルシリカを添加した。また、使用したリンゴ酸及びグリコール酸のpKaはそれぞれ3.2である。
Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples. The present invention is not limited by these examples.
(1) Preparation of Chemical Mechanical Polishing Abrasive As shown in Table 1, 0.4% by weight of acid, abrasive grains (however, Reference Example 1 was not added, Examples 2 to 8 and Reference Example 9 were 1 part by weight) Examples 10 to 11 and Reference Examples 12 to 13 are 1% by weight), 0.05 part by weight of a water-soluble polymer (however, only Examples 4, 6, and 7), and protective film forming agent (BTA) 0. 2% by weight of water ( Reference Example 1 , Examples 2 to 8, Reference Example 9 is 98.85 parts by weight, Examples 10 to 11 and Reference Examples 12 to 13 are 97.9% by weight) and dissolved. Further, a product obtained by adding hydrogen peroxide water (reagent special grade, 30% aqueous solution) as an oxidant for the conductor was used as an abrasive for CMP. In addition, the colloidal silica with an average particle diameter of 20-60 nm produced by the hydrolysis in the ammonia solution of tetraethoxysilane was added to the abrasive grain. The pKa of malic acid and glycolic acid used is 3.2, respectively.

Figure 0004684121
Figure 0004684121
(ただし、表中の実施例1は参考例1、実施例9は参考例9、実施例12は参考例12、実施例13は参考例13である。)(However, Example 1 in the table is Reference Example 1, Example 9 is Reference Example 9, Example 12 is Reference Example 12, and Example 13 is Reference Example 13.)

(2)研磨
得られたCMP用研磨剤を用いてCMPを実施した。研磨条件はつぎの通りである。
基板:
厚さ200nmのタンタル膜を形成したシリコン基板
厚さ100nmの窒化タンタル膜を形成したシリコン基板
厚さ1μmの二酸化シリコン膜を形成したシリコン基板
厚さ1μmの銅膜を形成したシリコン基板
研磨パッド:独立気泡を持つ発泡ポリウレタン樹脂
研磨圧力:250gf/cm
基板と研磨定盤との相対速度:18m/分
(2) Polishing CMP was performed using the obtained polishing slurry for CMP. The polishing conditions are as follows.
substrate:
Silicon substrate with a 200 nm thick tantalum film Silicon substrate with a 100 nm thick tantalum nitride film Silicon substrate with a 1 μm thick silicon dioxide film Silicon substrate polishing pad with a 1 μm thick copper film: Independent Foamed polyurethane resin with bubbles Polishing pressure: 250 gf / cm 2
Relative speed between substrate and polishing surface plate: 18m / min

(3)研磨品評価項目
CMPを実施した研磨品につき、つぎの各項目について評価した。
CMPによる研磨速度:
膜のCMP前後での膜厚差を電気抵抗値から換算して求めた。
エッチング速度:
25℃、100rpmで攪拌した化学機械研磨用研磨剤への浸漬前後の銅層厚差を電気抵抗値から換算して求めた。
ディシング量:
二酸化シリコン中に深さ0.5μmの溝を形成して、公知のスパッタ法によってバリア層として厚さ50nmの窒化タンタル膜を形成し、同様にスパッタ法により銅膜を形成して公知の熱処理によって埋め込んだシリコン基板を基板として用いて2段研磨を行い、触針式段差計で配線金属部幅100μm、絶縁膜部幅100μmが交互に並んだストライプ状パターン部の表面形状から、絶縁膜部に対する配線金属部の膜減り量を求めた。銅用の1段目研磨剤としては、窒化タンタルに対する銅の研磨速度比が十分大きい銅及び銅合金用の研磨剤を使用して研磨した。1段研磨後に、絶縁膜部上にバリア層が露出した状態で測定したディシング量が、50nmになるように基板サンプルを作製し、絶縁膜部でバリア層がなくなるまで上記化学機械研磨用研磨剤を用いて2段研磨した。
シニング量:
上記ディシング量評価用基板に形成された配線金属部幅45μm、絶縁膜部幅5μmが交互に並んだ総幅2.5mmのストライプ状パターン部の表面形状を触針式段差計により測定し、ストライプ状パターン周辺の絶縁膜フィールド部に対するパターン中央付近の絶縁膜部の膜減り量を求めた。1段研磨後に、絶縁膜部上にバリア層が露出した状態で測定したシニング量が、20nmになるように基板サンプルを作製し、絶縁膜部でバリア層がなくなるまで上記化学機械研磨用研磨剤を用いて2段研磨した。
(3) Polished Product Evaluation Items The following items were evaluated for the polished products subjected to CMP.
Polishing rate by CMP:
The film thickness difference before and after CMP of the film was calculated from the electric resistance value.
Etching rate:
The copper layer thickness difference before and after immersion in the chemical mechanical polishing abrasive stirred at 25 ° C. and 100 rpm was calculated from the electrical resistance value.
Dishing amount:
A groove having a depth of 0.5 μm is formed in silicon dioxide, a tantalum nitride film having a thickness of 50 nm is formed as a barrier layer by a known sputtering method, and a copper film is similarly formed by a sputtering method, followed by a known heat treatment. Two-step polishing is performed using the embedded silicon substrate as a substrate, and the surface shape of the stripe pattern portion in which the wiring metal portion width of 100 μm and the insulating film portion width of 100 μm are alternately arranged by a stylus type step meter The amount of film reduction in the wiring metal part was determined. As the first-stage polishing agent for copper, polishing was performed using a polishing agent for copper and copper alloy having a sufficiently high polishing rate ratio of copper to tantalum nitride. After the first stage polishing, a substrate sample is prepared so that the amount of dishing measured with the barrier layer exposed on the insulating film portion is 50 nm, and the chemical mechanical polishing abrasive is used until the barrier layer disappears in the insulating film portion. Was polished in two steps.
Thinning amount:
The surface shape of the stripe pattern part having a total width of 2.5 mm in which the wiring metal part width of 45 μm and the insulating film part width of 5 μm are alternately formed on the substrate for evaluating the amount of dicing is measured with a stylus-type step gauge. The amount of film reduction of the insulating film portion near the center of the pattern with respect to the insulating film field portion around the pattern was determined. After the first stage polishing, a substrate sample was prepared so that the thinning amount measured with the barrier layer exposed on the insulating film portion was 20 nm, and the chemical mechanical polishing abrasive until the barrier layer disappeared in the insulating film portion. Was polished in two steps.

(4)評価結果
各実施例におけるCMPによる研磨速度を表2に示した。また、ディシング量及びシニング量を表3に示した。
(4) Evaluation Results Table 2 shows the polishing rate by CMP in each example. In addition, Table 3 shows the amount of dishing and the amount of thinning.

Figure 0004684121
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(ただし、表中の実施例1は参考例1、実施例9は参考例9、実施例12は参考例12、実施例13は参考例13である。)(However, Example 1 in the table is Reference Example 1, Example 9 is Reference Example 9, Example 12 is Reference Example 12, and Example 13 is Reference Example 13.)

Figure 0004684121
Figure 0004684121
(ただし、表中の実施例1は参考例1、実施例9は参考例9、実施例12は参考例12、実施例13は参考例13である。)(However, Example 1 in the table is Reference Example 1, Example 9 is Reference Example 9, Example 12 is Reference Example 12, and Example 13 is Reference Example 13.)

上記例1〜13は、いずれも良好なディシング及びシニング特性が得られた。特に、酸化剤濃度が0.01〜3重量%でpHが3以下である参考例、実施例2〜6は、タンタルや窒化タンタルの研磨速度が大きく、ディシング量、シニング量が小さく特に好ましい。また、実施例10,11では、バリア層導体であるタンタル、窒化タンタル膜の研磨速度が大きく、二酸化シリコン膜の研磨速度が比較的小さいので、良好なディシング及びシニング特性が得られる。 In all of Examples 1 to 13, good dishing and thinning characteristics were obtained. In particular, Reference Example 1 and Examples 2 to 6 having an oxidizing agent concentration of 0.01 to 3% by weight and a pH of 3 or less are particularly preferable because the polishing rate of tantalum and tantalum nitride is large, and the amount of dishing and thinning is small. . In Examples 10 and 11, the polishing rate of the tantalum and tantalum nitride films, which are the barrier layer conductors, is high, and the polishing rate of the silicon dioxide film is relatively low. Therefore, good dishing and thinning characteristics can be obtained.

特に、水溶性高分子を用い、酸化剤の濃度が0.01〜1.5重量%の範囲にある実施例4,6は、それより酸化剤の添加量が多い実施例7(1.8重量%)に比べて、ディシング量、シニング量が小さく良好である。なお、水溶性高分子を用いた場合は酸化剤の濃度を0.01〜1.5重量%とすることが好ましく、それより添加量の多いと、タンタルや窒化タンタルの研磨速度が小さくなる傾向にあり、シニング量が大きくなる。   In particular, Examples 4 and 6 in which a water-soluble polymer is used and the concentration of the oxidizing agent is in the range of 0.01 to 1.5 wt. Compared to the weight%), the amount of dishing and the amount of thinning are small and good. In the case of using a water-soluble polymer, the concentration of the oxidizing agent is preferably 0.01 to 1.5% by weight, and if the amount added is larger than that, the polishing rate of tantalum or tantalum nitride tends to decrease. Therefore, the amount of thinning increases.

また、酸化剤の濃度が3重量%以下であり、pHが3以下である実施例2は、酸化剤の濃度が3重量%を超える実施例8に比べて銅のエッチング速度が遅く、また、pHが3を超える参考例9に比べてタンタルや窒化タンタルの研磨速度が速く、ディシング量、シニング量が小さいため好ましい。 Further, Example 2 in which the concentration of the oxidizing agent is 3% by weight or less and the pH is 3 or less has a slower etching rate of copper as compared with Example 8 in which the concentration of the oxidizing agent exceeds 3% by weight. Compared with Reference Example 9 having a pH of more than 3, the polishing rate of tantalum or tantalum nitride is high, and the amount of dishing and thinning is small, which is preferable.

実施例10,11は、砥粒の粒径が大きい参考例12に比べてバリア層膜(特にタンタル膜)の研磨速度が速く、二酸化シリコン膜の研磨速度が小さいため、ディシング及びシニング特性の点で優れている。また、実施例10,11は、粒度分布標準偏差の小さい参考例13に比べて、バリア層膜(特にタンタル膜)の研磨速度は同等であるが、二酸化シリコン膜の研磨速度が小さいためディシング及びシニング特性が優れている。 In Examples 10 and 11, the polishing rate of the barrier layer film (particularly the tantalum film) is higher and the polishing rate of the silicon dioxide film is lower than that of Reference Example 12 in which the grain size of the abrasive grains is large. Is excellent. In Examples 10 and 11, the polishing rate of the barrier layer film (particularly the tantalum film) is equivalent to that of Reference Example 13 having a small standard deviation of the particle size distribution. Excellent thinning characteristics.

上述のように、本発明によれば、バリア層として用いられるタンタル、タンタル合金、タンタル化合物等を効率的に研磨することができ、かつ、銅又は銅合金配線のディシング、シニング、研磨キズ発生を抑制し、信頼性の高い金属膜の埋め込みパターン形成することができる。   As described above, according to the present invention, tantalum, tantalum alloy, tantalum compound, etc. used as a barrier layer can be efficiently polished, and copper or copper alloy wiring can be diced, thinned, and polished. It is possible to suppress and form a highly reliable embedded pattern of a metal film.

図1は、実施例における基板研磨工程を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory view showing a substrate polishing step in the embodiment.

Claims (17)

少なくともタンタル、タンタル合金、タンタル化合物からなる群より選択される一種類以上のバリア層を研磨するための、pHが3以下の化学機械研磨用研磨剤であって、
砥粒と、導体の酸化剤と、金属表面に対する保護膜形成剤と、酸と、水とを含み、上記砥粒の平均粒径が50nm以下であり、上記砥粒の粒径分布の標準偏差値が5nmより大きい化学機械研磨用研磨剤。
A polishing agent for chemical mechanical polishing having a pH of 3 or less for polishing at least one kind of barrier layer selected from the group consisting of at least tantalum, a tantalum alloy, and a tantalum compound,
Abrasive grain, conductor oxidant, protective film forming agent for metal surface, acid, and water, the average grain size of the abrasive grains is 50 nm or less, and the standard deviation of the grain size distribution of the abrasive grains Chemical mechanical polishing abrasive with a value greater than 5 nm.
上記導体の酸化剤の濃度が0.01〜3重量%である、請求項1記載の化学機械研磨用研磨剤。 The chemical mechanical polishing abrasive according to claim 1, wherein the conductor has an oxidizing agent concentration of 0.01 to 3 wt%. 上記砥粒が、シリカ、アルミナ、セリア、チタニア、ジルコニア及びゲルマニアより選ばれた少なくとも1種である、請求項1または2に記載の化学機械研磨用研磨剤。   The abrasive for chemical mechanical polishing according to claim 1 or 2, wherein the abrasive is at least one selected from silica, alumina, ceria, titania, zirconia and germania. 上記砥粒が、コロイダルシリカ又はコロイダルアルミナである請求項3に記載の化学機械研磨用研磨剤。   The abrasive for chemical mechanical polishing according to claim 3, wherein the abrasive grains are colloidal silica or colloidal alumina. 上記砥粒の配合量が、0.1〜5重量%である請求項1〜4のいずれかに記載の化学機械研磨用研磨剤。   The compounding quantity of the said abrasive grain is 0.1 to 5 weight%, The chemical mechanical polishing abrasive | polishing agent in any one of Claims 1-4. 水溶性高分子をさらに含有する請求項1〜5のいずれかに記載の化学機械研磨用研磨剤。   The abrasive for chemical mechanical polishing according to any one of claims 1 to 5, further comprising a water-soluble polymer. 上記水溶性高分子が、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸塩、ポリアミド酸、ポリアミド酸塩、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール及びポリビニルピロリドンからなる群から選ばれた少なくとも1種である請求項6記載の化学機械研磨用研磨剤。   The water-soluble polymer is at least one selected from the group consisting of polyacrylic acid, polyacrylate, polymethacrylic acid, polymethacrylate, polyamic acid, polyamidate, polyacrylamide, polyvinyl alcohol and polyvinylpyrrolidone. The abrasive for chemical mechanical polishing according to claim 6. 上記導体の酸化剤の濃度が0.01〜1.5重量%である、請求項6又は7記載の化学機械研磨用研磨剤。   The chemical mechanical polishing abrasive according to claim 6 or 7, wherein the conductor has an oxidizing agent concentration of 0.01 to 1.5 wt%. 上記酸が、有機酸である請求項1〜8のいずれかに記載の化学機械研磨用研磨剤。   The chemical mechanical polishing abrasive according to any one of claims 1 to 8, wherein the acid is an organic acid. 上記酸が、マロン酸、リンゴ酸、酒石酸、グリコール酸及びクエン酸から選ばれた少なくとも1種である請求項9記載の化学機械研磨用研磨剤。   The chemical mechanical polishing abrasive according to claim 9, wherein the acid is at least one selected from malonic acid, malic acid, tartaric acid, glycolic acid and citric acid. 上記保護膜形成剤が、ベンゾトリアゾール又はその誘導体から選ばれた少なくとも1種である請求項1〜10のいずれかに記載の化学機械研磨用研磨剤。   The chemical mechanical polishing abrasive according to any one of claims 1 to 10, wherein the protective film forming agent is at least one selected from benzotriazole or a derivative thereof. 上記導体の酸化剤が、過酸化水素、硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸及びオゾン水より選ばれた少なくとも1種である請求項1〜11のいずれかに記載の化学機械研磨用研磨剤。   The chemical mechanical polishing polishing according to any one of claims 1 to 11, wherein the conductor oxidizing agent is at least one selected from hydrogen peroxide, nitric acid, potassium periodate, hypochlorous acid, and ozone water. Agent. 上記導体が、銅、銅合金、銅酸化物及び銅合金酸化物のうちの少なくともいずれかを含む請求項1〜12のいずれかに記載の化学機械研磨用研磨剤。   The abrasive | polishing agent for chemical mechanical polishing in any one of Claims 1-12 in which the said conductor contains at least any one of copper, a copper alloy, a copper oxide, and a copper alloy oxide. 上記導体が、銅原子の拡散を防ぐためのバリア層である請求項1〜12のいずれかに記載の化学機械研磨用研磨剤。   The abrasive for chemical mechanical polishing according to any one of claims 1 to 12, wherein the conductor is a barrier layer for preventing diffusion of copper atoms. タンタルと銅又は銅合金との研磨速度比(Ta/Cu)が1よりも大きく、窒化タンタルと銅又は銅合金との研磨速度比(TaN/Cu)が1よりも大きく、タンタルと二酸化シリコンとの研磨速度比(Ta/SiO)が10より大きく、窒化タンタルと二酸化シリコンとの研磨速度比(TaN/SiO)が10より大きい、請求項1〜14のいずれかに記載の化学機械研磨用研磨剤。 The polishing rate ratio (Ta / Cu) between tantalum and copper or copper alloy is greater than 1, the polishing rate ratio between tantalum nitride and copper or copper alloy (TaN / Cu) is greater than 1, and tantalum and silicon dioxide The chemical mechanical polishing according to claim 1, wherein the polishing rate ratio (Ta / SiO 2 ) is greater than 10 and the polishing rate ratio between tantalum nitride and silicon dioxide (TaN / SiO 2 ) is greater than 10. Abrasive. 請求項1〜14のいずれかに記載の化学機械研磨用研磨剤を用いてタンタル、タンタル合金、タンタル化合物を含むバリア層を研磨する基板の研磨方法。   A method for polishing a substrate, comprising polishing a barrier layer containing tantalum, a tantalum alloy, and a tantalum compound using the chemical mechanical polishing abrasive according to claim 1. 請求項1〜14のいずれかに記載の化学機械研磨用研磨剤を用いて、配線層及びバリア層を含む面を研磨する基板の研磨方法。   A method for polishing a substrate, comprising polishing a surface including a wiring layer and a barrier layer using the chemical mechanical polishing abrasive according to claim 1.
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