JPH10163142A - タングステンの研磨用組成物 - Google Patents

タングステンの研磨用組成物

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JPH10163142A
JPH10163142A JP32064496A JP32064496A JPH10163142A JP H10163142 A JPH10163142 A JP H10163142A JP 32064496 A JP32064496 A JP 32064496A JP 32064496 A JP32064496 A JP 32064496A JP H10163142 A JPH10163142 A JP H10163142A
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polishing
iron
iii
polishing composition
film
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JP32064496A
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Kazushi Kodama
玉 一 志 児
Sanetoki Itou
東 真 時 伊
Satoshi Suzumura
村 聡 鈴
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Fujimi Inc
Original Assignee
Fujimi Inc
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  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 タングステン膜の研磨速度が大きく、スクラ
ッチおよび、ディッシングの発生が少なく、適度な選択
比およびその他の基本的な研磨性能を有し、かつ保存時
の経時変化が小さくて安定性が良好である、タングステ
ン膜の研磨用組成物の提供。 【解決手段】 二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化
セリウム、窒化ケイ素、および酸化ジルコニウムからな
る群より選ばれる研磨材および水を含んでなるタングス
テン膜の研磨用組成物であって、さらにこの組成物中に
溶存している鉄(III)化合物を含んでなることを特
徴とする、タングステン膜の研磨用組成物。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体、フォトマ
スク、および合成樹脂等各種工業製品またはその部材の
研磨に使用される研磨用組成物に関し、特に半導体産業
等におけるデバイスウェーハの表面平坦化加工に好適な
研磨用組成物に関するものである。
【0002】さらに詳しくは、本発明は、従来よりCM
P技術(詳細後記)が適用されている配線材料である金
属、特にタングステン膜、の研磨において研磨速度が大
きく、優れた研磨表面を形成することができると同時
に、高度なデバイス形成技術に適用可能な研磨用組成物
に関するものである。
【0003】
【従来の技術】近年のコンピューターを始めとする所謂
ハイテク製品の進歩は目覚ましく、これに使用される部
品、例えばULSI、は年々高集積化・高速化の一途を
たどっている。これに伴い、半導体装置のデザインルー
ルは年々微細化が進み、デバイス製造プロセスでの焦点
深度は浅くなり、パターン形成面に要求される平坦性は
厳しくなってきている。
【0004】また、配線の微細化による配線抵抗の増大
に対処するため、デバイスの多層化による配線長の短縮
が行われているが、形成されたパターン表面の段差が多
層化の障害として問題化してきている。
【0005】このような微細化および多層化を行うに当
たっては、そのプロセス中で段差を取り除くための所望
表面の平坦化を行うことが必要であり、この手法とし
て、これまではスピンオングラス、レジストエッチバッ
クおよびその他の平坦化法が用いられていた。
【0006】しかし、これらの手法では、部分的な平坦
化は可能であるが、次世代のデバイスに要求されるグロ
ーバルプレナリゼーション(完全平坦化)を達成するこ
とは困難な状況であり、現在では機械的ないし物理的研
磨と化学的研磨とを組み合わせたメカノケミカル研磨加
工による平坦化(Chemical Mechanical Polishing、以
下「CMP」という)が検討されるようになってきてい
る。
【0007】一方、CMP加工技術は配線材料であるタ
ングステン、タングステンまたは銅膜およびポリシリコ
ン膜等、層間絶縁膜である二酸化ケイ素膜などの平坦化
や、素子分離およびその他への適用が検討されている。
【0008】配線材料の平坦化を実施するに当たっての
技術課題は、平坦化加工する面を研磨による取代の過不
足なく均一に仕上げること、かつ所定の取代で研磨を終
了させることである。一般的には研磨対象である金属膜
の下層に二酸化ケイ素膜を配し、二酸化ケイ素膜をスト
ッパーとして研磨が行われることが多い。これに際して
用いられる研磨剤としては、金属膜を効率よく加工する
ことができ、一方、二酸化ケイ素膜に対してはこれを研
磨しない研磨剤が好適であることが理解できる。
【0009】一般的に、二酸化ケイ素膜に対して配線材
料である金属膜がどれだけ研磨され易いかを表す指標と
して、研磨剤により金属膜が研磨される速度と、二酸化
ケイ素膜が研磨される速度との比である選択的研磨速度
比(以下、「選択比」という)が用いられる。これは、
研磨剤により金属膜が研磨される速度を二酸化ケイ素膜
のそれで除することで求められる。
【0010】この選択比の定義によれば、研磨剤が二酸
化ケイ素膜を研磨する速度は一定でも、金属膜を研磨す
る速度が大きい程、また、金属膜を研磨する速度が一定
でも、二酸化ケイ素膜を研磨する速度が小さい程、選択
比は高くなる。勿論、二酸化ケイ素膜を研磨する速度が
0に近く、かつ、金属膜を研磨する速度がより大きい研
磨剤が要求されていることは言うまでもない。
【0011】しかし、金属膜を研磨する速度が大きくて
も、二酸化ケイ素膜を研磨する速度が大きいものは、い
くら選択比が高くても必要とされない。むしろ二酸化ケ
イ素膜は研磨を止めるストッパーであるため、金属膜を
研磨する速度がやや小さくても、選択比が高く、かつ二
酸化ケイ素膜を研磨する速度がより0に近いものの方が
実用的である。
【0012】さらに、この選択比があまりに高すぎる
と、ディッシング(Dishing)の問題が発生しやすくな
る。ディッシングとは、例えば金属配線を表面に有する
ウェーハを研磨する際、研磨により金属配線部表面がウ
ェーハ表面全体よりも過剰に研磨、またはエッチングさ
れることにより、金属配線部にくぼみが発生することを
いう。このディッシングは金属配線部の断面積を減らす
ために、電気抵抗の増大を起こしたり、配線の断線の原
因となりうる。なお、ここでエッチングとは、金属膜部
分が研磨剤組成物により化学的に浸食されることをい
う。
【0013】本発明者らは、配線材料である金属膜の研
磨において、金属膜を研磨する速度が大きく、かつ研磨
面の表面状態の優れた被研磨物が得られると同時に、比
較的選択比が高い研磨用組成物として、過硫酸アンモニ
ウム、二酸化ケイ素、および水を含む研磨用組成物を見
出している(特開平6−313164号)。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この組成物
は、タングステン膜に対するエッチング作用が強いため
にディッシングが発生しやすい傾向にあった。また、金
属膜を研磨する速度が大きいために選択比は比較的高い
ものの、二酸化ケイ素膜を研磨する速度も大きいために
改良の余地があった。
【0015】一般に、タングステン膜の研磨には、酸化
アルミニウム、過酸化水素および水を含む研磨用組成物
が使用されている。しかし、過酸化水素は空気中で自然
分解するために安定性が極めて悪く、これを使用した研
磨用組成物は、調製後短時間しかその性能を安定に維持
することができず、その組成物が充填されている容器も
数日〜数週間で膨張などの変化をする。また、タングス
テン膜を研磨する速度が十分ではないと同時に選択比も
小さく、さらに研磨された表面にスクラッチが発生する
という問題もあった。
【0016】また、一般に、ウェーハ上の金属膜は約5
00〜6000nmの厚さで成膜されているのに対し、
一般的な研磨用組成物の金属膜を研磨する速度は数百n
m/分である。このため、金属膜を研磨する速度が大き
すぎる研磨用組成物は、研磨開始後、ごく短時間で金属
膜を除去してしまう。二酸化ケイ素膜上に金属膜を堆積
させたウェーハを研磨用組成物で研磨する場合には、金
属膜が除去された直後に的確に研磨を終了しなければ、
ストッパーである二酸化ケイ素膜にまで研磨が及んでし
まう。ほとんどの場合、研磨用組成物の二酸化ケイ素膜
を研磨する速度も0ではないため、金属膜が除去されて
なお研磨が継続されれば、二酸化ケイ素膜さえも研磨さ
れて、極端な場合には除去されてしまう。このことから
もわかるように、CMP加工技術において終点検出は非
常に重要であり、終点を的確に検出可能な範囲、すなわ
ちプロセスにあった研磨速度を有した研磨用組成物が求
められていた。
【0017】なお、例えば二酸化ケイ素膜の上に金属膜
を堆積させた膜付ウェーハを研磨する場合、部分的に二
酸化ケイ素膜が露出した時点で金属膜の研磨を終了する
必要がある。この時点を「終点」といい、この終点を見
つけ出すことを「終点検出」という。終点検出の方法に
ついては種々検討が行なわれており、例えば研磨中、研
磨定盤下からレーザー光をウェーハにあてて残存膜厚を
測定する方法およびその他が提案されているが、どれも
十分な実用域に達していないのが現状である。このた
め、研磨用組成物の有する研磨速度から、ある一定厚さ
の金属膜を除去するのに必要な時間を算出し、この時間
内研磨を行なうことで終点とする方法が一般的である。
【0018】本発明は前記の課題を解決するためになさ
れたもので、半導体基盤表面上に施された配線材料であ
るタングステン膜をCMP加工技術により平坦化させる
のに用いられる研磨用組成物に従来より求められてい
た、タングステン膜の研磨速度が大きく、スクラッチお
よび、ディッシングの発生が少なく、適度な選択比およ
びその他の基本的な研磨性能を有し、かつ保存時の経時
変化が小さくて安定性が良好な研磨用組成物を提供する
ことを目的とするものである。
【0019】
【課題を解決するための手段】
[発明の概要] <要旨>本発明のタングステン膜の研磨用組成物は、二
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化セリウム、窒化ケ
イ素、および酸化ジルコニウムからなる群より選ばれる
研磨材、鉄(III)化合物、ならびに水を含んでなる
こと、を特徴とするものである。
【0020】<効果>本発明の研磨用組成物は、タング
ステン膜の研磨速度が大きく、スクラッチおよび、ディ
ッシングの発生が少なく、適度な選択比およびその他の
基本的な研磨性能を有し、かつ保存時の経時変化が小さ
くて安定性が良好である。
【0021】[発明の具体的説明] <研磨材>本発明の研磨用組成物の成分の中で主研磨材
として用いるのに適当な研磨材とは、二酸化ケイ素、酸
化アルミニウム、酸化セリウム、窒化ケイ素、および酸
化ジルコニウムからなる群より選ばれる。また、これら
の中から複数のものを選んで併用してもよい。
【0022】二酸化ケイ素には、コロイダルシリカ、フ
ュームドシリカ、およびその他の、製造法や性状の異な
るものが多種存在する。
【0023】酸化アルミニウムにも、α−アルミナ、δ
−アルミナ、θ−アルミナ、κ−アルミナ、およびその
他の形態的に異なる物がある。また製造法からフューム
ドアルミナと呼ばれるものもある。
【0024】酸化セリウムには、酸化数から3価のもの
と4価のもの、また結晶系から見て、六方晶系、等軸晶
系、および面心立方晶系のものがある。
【0025】窒化ケイ素は、α−窒化ケイ素、β−窒化
ケイ素、アモルファス窒化ケイ素、およびその他の形態
的に異なる物がある。
【0026】酸化ジルコニウムは、結晶系から見て、単
斜晶系、正方晶系、および非晶質のものがある。また、
製造法からフュームドジルコニアと呼ばれるものもあ
る。
【0027】本発明の組成物には、これらのものを任意
に、必要に応じて組み合わせて、用いることができる。
その組み合わせ方や使用する割合は特に限定されない。
【0028】上記の研磨材は、砥粒としてメカニカルな
作用により被研磨面を研磨するものである。このうち二
酸化ケイ素の粒径は、BET法により測定した平均粒子
径で一般に0.005〜0.5μm、好ましくは0.0
1〜0.2μm、である。また、酸化アルミニウム、窒
化ケイ素、および酸化ジルコニウムの粒径は、BET法
により測定した平均粒子径で一般に0.01〜10μ
m、好ましくは0.05〜3μm、である。さらに、酸
化セリウムの粒径は、走査電子顕微鏡により観察される
平均粒子径で、一般に0.01〜10μm、好ましくは
0.05〜3μm、である。
【0029】これらの研磨材がここに示した範囲を超え
ると、研磨された表面の表面粗さが大きかったり、スク
ラッチが発生したりするなどの間題があり、逆に、ここ
に示した範囲よりも小さいと研磨速度が極端に小さくな
ってしまい実用的でない。
【0030】研磨用組成物中の研磨材の含有量は、通
常、組成物全量に対して一般に0.1〜50重量%、好
ましくは1〜25重量%、である。研磨材の含有量が余
りに少ないと研磨速度が小さくなり、逆に余りに多いと
均一分散が保てなくなり、かつ組成物粘度が過大となっ
て取扱いが困難となることがある。
【0031】また、鉄(III)化合物は、研磨促進剤
として、ケミカルな作用により研磨作用を促進するもの
である。使用する鉄(III)化合物は、組成物中に溶
存していることが必要であり、鉄塩であることが好まし
い。さらに、この鉄塩は、有機酸鉄塩または無機酸鉄塩
のいずれであってもよい。用いる鉄(III)化合物
は、本発明の効果を損なわないものであれば特に限定さ
れないが、具体的には、硫酸アンモニウム鉄(II
I)、過塩素酸鉄(III)、塩化鉄(III)、硫酸
鉄(III)、クエン酸鉄(III)、クエン酸アンモ
ニウム鉄(III)、およびシュウ酸アンモニウム鉄
(III)からなる群から選ばれることが好ましい。こ
れらの鉄(III)化合物は任意の割合で併用してもよ
い。
【0032】さらに、本発明の組成物において、配合す
る鉄化合物として鉄(II)化合物を用いることもでき
る。この場合には、鉄(II)化合物は組成物中で酸化
されて3価とされる。この酸化反応は、さらなる酸化剤
の添加によるものであってもよいし、空気中の酸素によ
るものであってもよい。
【0033】本発明の研磨用組成物の鉄(III)化合
物の含有量は、それぞれの化合物の効果により異なる
が、研磨用組成物の全量に対して、好ましくは0.01
〜40重量%、さらに好ましくは0.05〜20重量
%、である。鉄(III)化合物の添加量を増量するこ
とで、本発明の効果がより強く発現する傾向があるが、
過度に多いと、改良の度合いが小さくなり、経済的なデ
メリットが生じることもある。
【0034】<研磨用組成物>本発明の研磨用組成物
は、一般に上記の各成分、すなわち二酸化ケイ素、酸化
アルミニウム、酸化セリウム、窒化ケイ素、および酸化
ジルコニウムからなる群より選ばれる研磨材を所望の含
有率で水に混合し、分散させ、さらに鉄(III)化合
物を溶解させることにより調製する。これらの成分を水
中に分散または溶解させる方法は任意であり、例えば、
翼式撹拌機で撹拌したり、超音波分散により分散させ
る。また、これらの混合順序は任意であり、研磨材の分
散と、鉄(III)化合物の溶解のどちらを先に行って
もよく、また同時に行ってもよい。
【0035】また、上記の研磨用組成物の調製に際して
は、製品の品質保持や安定化を図る目的や、被加工物の
種類、加工条件およびその他の研磨加工上の必要に応じ
て、各種の公知の添加剤をさらに加えてもよい。
【0036】すなわち、さらなる添加剤の好適な例とし
ては、(イ)セルロース類、例えばセルロース、カルボ
キシメチルセルロース、およびヒドロキシエチルセルロ
ース、(ロ)水溶性アルコール類、例えばエタノール、
プロパノール、およびエチレングリコール、(ハ)界面
活性剤、例えばアルキルベンゼンスルホン酸ソーダおよ
びナフタリンスルホン酸のホルマリン縮合物、(ニ)有
機ポリアニオン系物質、例えばリグニンスルホン酸塩、
およびボリアクリル酸塩、(ホ)無機塩類、例えば硫酸
アンモニウム、塩化マグネシウム、酢酸カリウム、およ
び硝酸アルミニウム、(ヘ)水溶性高分子(乳化剤)
類、例えばポリビニルアルコール、(ト)酸化チタニウ
ム、例えばチタニア、フュームドチタニア、およびその
他、が挙げられる。
【0037】本発明の研磨用組成物は、その主要成分の
添加によりpHが7以下となるのが普通である。各種の
補助添加剤の添加により研磨用組成物のpHは変動する
が、本発明の効果を発現させるためにはpHが7以下で
あることが好ましい。従って、研磨用組成物のpHが7
を超えるときには、酸などの添加によりpHを調整する
ことが好ましい。
【0038】本発明の研磨用組成物が研磨する対象とな
るタングステン膜は、半導体基盤表面上に施された配線
用のタングステン膜である。このタングステン膜を形成
するタングステンは、配線用に用いられるものであれば
いかなるものであってもよく、例えば、金、銀、白金、
銅、亜鉛、タングステン、およびその他、が配合された
ものであってもよい。
【0039】また、本発明の研磨用組成物は、比較的高
濃度の原液として調製して貯蔵または輸送などをし、実
際の研磨加工時に希釈して使用することもできる。前述
の好ましい濃度範囲は、実際の研磨加工時のものとして
記載したのであり、このような使用方法をとる場合、貯
蔵または輸送などをされる状態においてはより高濃度の
溶液となることは言うまでもない。
【0040】なお、本発明の研磨用組成物がタングステ
ン膜の平坦化において、スクラッチやディッシングなど
の表面欠陥の発生が少なく、タングステン膜を研磨する
速度が大きく、また、研磨用組成物として安定性に優れ
る理由について、機構的な解明は行っていないが、以下
のように推察される。
【0041】スクラッチの発生が少ない理由に関して
は、鉄(III)化合物の鉄イオンによる研磨材粒子間
の適度な凝集/分散状態が、過度に大きな凝集物の発生
を防ぐためであると考えられる。また、ディッシングの
発生が少ない理由に関しては鉄(III)イオンはタン
グステン膜に対して、適度にエッチング作用をするため
と考えられる。さらに、タングステン膜を研磨する速度
が大きいことの理由に関しては、鉄(III)イオンに
よりタングステン膜が化学的変化を受けてもろくなり、
研磨材のメカニカルな作用による研磨効果を受けやすく
なるためと考えられる。
【0042】上述のようにして調製された本発明の研磨
用組成物は、安定性が優れており、かつ、スクラッチや
その他の表面欠陥、ならびにディッシングの発生が少な
いことより、半導体デバイス、フォトマスク、合成樹脂
およびその他の研磨に使用可能であるが、タングステン
膜の研磨速度が大きく、適度な選択比を有していること
から、半導体産業におけるデバイスウェーハ上のタング
ステン膜の平坦化において好適である。
【0043】以下は、本発明の研磨用組成物を例を用い
て具体的に説明するものである。なお、本発明は、その
要旨を超えない限り、以下に説明する諸例の構成に限定
されない。
【0044】
【発明の実施の形態】
<研磨用組成物の内容および調製>まず、研磨材とし
て、コロイダルシリカ(一次粒径0.035μm)、酸
化アルミニウム、酸化セリウム、窒化ケイ素、および酸
化ジルコニウム(それぞれ一次粒径0.2μm)を撹拌
機を用いてそれぞれ水に分散させて、研磨材濃度10重
量%のスラリーを調製した。次いでこのスラリーに表1
に記載した鉄(III)化合物を各々0.1mol/リ
ットル添加して、実施例1〜9および比較例1〜4の試
料を調製した。
【0045】<研磨試験>次に、これらの試料による研
磨試験を行った。被加工物としては、スパッタリング法
によりタングステン膜を成膜した6インチ・シリコンウ
ェーハおよび熱酸化法により二酸化ケイ素膜を成膜した
6インチ・シリコンウェーハ(いずれも外径約150m
m)の基盤を使用し、それぞれタングステン膜および二
酸化ケイ素膜の膜付き面を研磨した。
【0046】研磨は片面研磨機(定盤径570mm)を
使用して行った。研磨機の定盤には不織布タイプの研磨
パッド(フジミインコーポレーテッド製SurfinI
II−1)を貼り付け、まずタングステン膜付ウェーハ
を装填して2分間研磨し、次にウェーハを二酸化ケイ素
膜付ウェーハに取り換えて同様に2分間研磨した。
【0047】研磨条件は、加工圧力490g/cm2
定盤回転数30rpm、研磨剤組成物供給量150cc
/分、ウェーハ回転数30rpmとした。
【0048】研磨後、ウェーハを順次洗浄、乾燥した
後、研磨によるウェーハの膜厚減を49点測定すること
により、各試験別に研磨速度を求めた。
【0049】さらに、タングステン膜が研磨される速度
を二酸化ケイ素膜のそれで除することにより、選択比を
求めた。
【0050】スクラッチについては、研磨後、ウェーハ
を洗浄・乾燥し、暗室内にてスポットライトをあて、目
視でスクラッチの有無を判定した。その基準は下記の通
りである。 ◎:スクラッチは目視確認されない。 ○:スクラッチはほとんど目視確認されない △:スクラッチはいくらか目視確認されるが、問題とな
らないレベルである。 ×:スクラッチはかなり目視確認され、問題となるレベ
ルである。
【0051】また、ディッシングの評価のために代用特
性としてエッチング速度を測定した。エッチング速度
は、タングステン膜付きウェーハを一定時間、各研磨用
組成物に浸漬し、浸漬前後の膜厚の変化を測定し、それ
を浸漬時間で除することで求めた。ここでエッチング速
度の大きいものほどディッシングが発生することは明ら
かであろう。このようにしてエッチング速度を測定し、
下記の基準により評価した。 ◎:エッチング速度0.5nm/分未満 ○:エッチング速度0.5〜1nm/分 △:エッチング速度1〜10nm/分 ×:エッチング速度10nm/分超 得られた結果は、表1に示すとおりであった。
【0052】
【表1】
【0053】表1に示した結果から、本発明の研磨用組
成物は、タングステン膜を研磨する速度が大きく、また
スクラッチおよびディッシングの両方について、優れた
結果を示している。
【0054】なお、表1には記載しなかったが、これら
の試験で用いた試料の研磨済加工面を目視で評価したと
ころ、実施例、比較例ともに、スクラッチ以外の表面欠
陥は見出されなかった。また、本発明の研磨用組成物
は、調製後1カ月静置した場合においても、容器の膨張
や組成物の色調変化など、組成物中成分の分解などによ
ると考えられる変化は一切認められなかった。
【発明の効果】本発明の研磨用組成物は、タングステン
膜を研磨する速度が大きく、研磨済加工面にディッシン
グ、スクラッチおよびその他の表面欠陥の発生が少な
く、さらに保存時の安定性が良好であることは、[発明
の概要]の項に前記したとおりである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴 村 聡 愛知県西春日井郡西枇杷島町地領二丁目1 番地の1 株式会社フジミインコーポレー テッド内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化セ
    リウム、窒化ケイ素、および酸化ジルコニウムからなる
    群より選ばれる研磨材および水を含んでなるタングステ
    ン膜の研磨用組成物であって、さらにこの組成物中に溶
    存している鉄(III)化合物を含んでなることを特徴
    とする、タングステン膜の研磨用組成物。
  2. 【請求項2】鉄(III)化合物が、鉄塩である、請求
    項1に記載の研磨用組成物。
  3. 【請求項3】鉄(III)化合物が有機酸鉄塩である、
    請求項2に記載の研磨用組成物。
  4. 【請求項4】鉄(III)化合物が無機酸鉄塩である、
    請求項2に記載の研磨用組成物。
  5. 【請求項5】鉄(III)化合物が、クエン酸鉄(II
    I)、クエン酸アンモニウム鉄(III)、およびシュ
    ウ酸アンモニウム鉄(III)からなる群から選ばれ
    る、請求項3に記載の研磨用組成物。
  6. 【請求項6】鉄(III)化合物が、硫酸アンモニウム
    鉄(III)、過塩素酸鉄(III)、塩化鉄(II
    I)、および硫酸鉄(III)からなる群より選ばれ
    る、請求項4に記載の研磨用組成物。
  7. 【請求項7】鉄(III)化合物の含有量が、研磨材の
    重量を基準にして0.01〜40重量%である、請求項
    1〜6のいずれか1項に記載の研磨用組成物。
JP32064496A 1996-12-02 1996-12-02 タングステンの研磨用組成物 Pending JPH10163142A (ja)

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