KR20110009834A - Etching formulations for isotropic copper etching - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A wet etching composition for isotropic copper etching is provided to avoid surface roughening of a copper layer and to remove copper at a very high etch rate. CONSTITUTION: A wet etching composition for isotropic copper etching comprises (a) a complexing agent selected from the group consisting of dimaines, triamines, and tetraamines, and (b) an aqueous solution including an oxidizing agent. The etching composition has pH of 5-12 and can etch copper. A method for etching a copper-containing part of a semiconductor substrate comprises the steps of: accommodating a semiconductor substrate including exposed copper region which is partly manufactured; and etching copper on the substrate by contacting the wet etching solution and the substrate.

Description

등방성 구리 식각을 위한 식각 조성물 {ETCHING FORMULATIONS FOR ISOTROPIC COPPER ETCHING}Etching composition for isotropic copper etching {ETCHING FORMULATIONS FOR ISOTROPIC COPPER ETCHING}

발명의 분야Field of invention

본 발명은 구리의 식각방법에 관련된다. 보다 특수하게는, 본 발명은 반도체 기판 상의 구리를 등방성 식각하기 위한 방법에 관련된다. The present invention relates to a method of etching copper. More particularly, the present invention relates to a method for isotropic etching of copper on a semiconductor substrate.

배경기술Background

구리와 구리 합금은 반도체 제작 분야에서 전도성 재료로서 널리 사용된다. 구리는 높은 전기 전도성과 우수한 전기이동 내성으로 인해 종종, 알루미늄과 같은 다른 금속들보다 전도체로서 바람직하다. 이러한 이점들 때문에, 구리가 채워진(copper-filled) 라인 및 비어(via)들은 현재, 가령, 집적 회로에서 반도체 소자 요소들을 연결하는 전도 경로(conducting paths)로서 어디에서나 찾아볼 수 있다. Copper and copper alloys are widely used as conductive materials in the field of semiconductor fabrication. Copper is often preferred as a conductor over other metals such as aluminum because of its high electrical conductivity and good electrophoretic resistance. Because of these advantages, copper-filled lines and vias are now found everywhere, for example as conducting paths connecting semiconductor device elements in an integrated circuit.

그러나, 반도체 소자들을 제작하는 동안 구리의 가공은 일련의 문제점들을 나타낸다. 구리는 플라즈마 식각되기에 용이하지 않기 때문에, 구리-함유 소자들은 통상 다마신 공정(damascene processing)을 사용하여 제작될 필요가 있다. 다마신 공정에서, 구리는 비어(via) 및 트렌치와 같은, 사전-형성되고 리세스된 다마신 특징부들의 패턴을 가지는 인레이(inlay)로서 기판 위에 증착된다. 리세스된 특징부들의 패턴은 통상적으로 포토리소그래피 기법에 의해 형성된다. 리세스된 특징부들이 형성된 후, 구리가 전체적으로 증착되어, 구리는 리세스된 특징부들을 채우고, 또한 필드 영역(field region) 위에 두루 과적층(overburdenlayer)을 형성하는데, 여기서 필드 영역은 구리를 증착하기 전의 기판의 상부 평면을 의미한다. 후속적으로, 과적층은 화학적 기계적 연마 (CMP)와 같은 평탄화 기법에 의해 제거되고, 구리가 채워진 전도성 경로들의 패턴을 가지는 평탄화된 기판이 생성된다.However, the processing of copper during the fabrication of semiconductor devices presents a series of problems. Since copper is not easy to plasma etch, copper-containing devices typically need to be fabricated using damascene processing. In a damascene process, copper is deposited on the substrate as an inlay with a pattern of pre-formed and recessed damascene features, such as vias and trenches. The pattern of recessed features is typically formed by photolithography techniques. After the recessed features are formed, copper is deposited entirely so that the copper fills the recessed features and also forms an overburdenlayer over the field region, where the field region deposits copper. It means the upper plane of the board | substrate before following. Subsequently, the overlaid is removed by a planarization technique such as chemical mechanical polishing (CMP), resulting in a planarized substrate having a pattern of conductive paths filled with copper.

다양한 반도체 소자 제작 단계들에서 효과적인 구리 제거 방법이 필요하지만, 종래의 습식 구리 식각 기술들은 일반적으로 반도체 소자 제작 공정들로 성공적으로 통합될 수 없었기 때문에 널리 도입되지 못했다. 종래의 식각 화학에 있어서 중요한 결점들 중 하나에는 식각의 비등방성이 포함된다. 비등방성 식각은 구리를 특정한 한 방향으로 선택적으로 식각하거나, 하나의 유형의 입자 배향으로 선택적으로 식각하여, 결과적으로 구리 표면의 조화(roughening), 피팅(pitting), 및 입자 경계에 따라 구리를 균일하지 않게 제거하는 결과를 가져온다. 많은 경우에 있어서, 이러한 결점은 통상적으로 깨끗하고, 매끄러우며 등방성인 구리의 제거를 필요로 하는 반도체 제작에 있어서 허용될 수 없다. While effective copper removal methods are needed in various semiconductor device fabrication steps, conventional wet copper etching techniques have not been widely introduced because they generally cannot be successfully integrated into semiconductor device fabrication processes. One of the major drawbacks of conventional etching chemistry includes the anisotropy of etching. Anisotropic etching selectively etches copper in one particular direction, or selectively etches in one type of grain orientation, resulting in uniform copper along roughening, pitting, and grain boundaries of the copper surface. To get rid of it. In many cases, this drawback is typically unacceptable in semiconductor fabrication requiring removal of clean, smooth and isotropic copper.

요약summary

본 발명은 등방성 구리 식각을 위한 조성물, 그리고 등방성 식각 조성물을 사용하여 구리를 등방성으로 제거하는 방법을 제공함으로써 상기 문제점들을 해결한다. 이들 조성물들은 실질적인 표면 조화를 일으키지 않고 매우 높은 식각 속도 (예컨대, 약 1,000 Å/분 이상의 속도)로 구리를 제거하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 구체예들에서, 식각된 구리 표면의 표면 조도(surface roughness)를 증가시키지 않고(식각시 표면 반사도 감소에 따른 결손으로 판단함) 1,000Å의 구리를 제거할 수 있는 용액이 제공된다. 다른 구체예들에서, 표면 조도는 미미한 정도로만 증가된다 (예컨대, 구리 1,000 Å가 식각될 때 표면 반사도를 초기 약 20% 미만 감소시키는 정도).The present invention solves these problems by providing a composition for isotropic copper etching, and a method for isotropically removing copper using an isotropic etching composition. These compositions can be used to remove copper at very high etching rates (eg, rates of about 1,000 m 3 / min or more) without causing substantial surface roughness. For example, in some embodiments, a solution is provided that can remove 1,000 kPa of copper without increasing the surface roughness of the etched copper surface (determined by a deficiency due to a decrease in surface reflectivity during etching). do. In other embodiments, the surface roughness is only increased to a slight extent (eg, to reduce surface reflectance less than about 20% initially when 1,000 kPa of copper is etched).

한 양태에서, 제공되는 식각 조성물은 (a) 디아민, 트리아민, 및 테트라아민으로 구성된 그룹에서 선택된 두자리, 세자리, 또는 네자리 착화제(complexing agent); 및 (b) 산화제(oxidizing agent)를 포함하는 수용액을 포함한다. 상기 용액은 약 5 내지 12, 더욱 통상적으로는 약 6 내지 10의 pH를 가진다. 몇몇 구체예에서 수용액은 그 외 다른 성분들, 가령, 예를 들면, pH 조정제(pH adjustor)를 포함할 수도 있다.In one aspect, provided etching compositions comprise (a) a bidentate, tridentate, or tetradentate complexing agent selected from the group consisting of diamines, triamines, and tetraamines; And (b) an aqueous solution comprising an oxidizing agent. The solution has a pH of about 5-12, more typically about 6-10. In some embodiments the aqueous solution may comprise other components, such as, for example, a pH adjustor.

적절한 산화제에는 과산화물, 과망간산염, 과황산염 및 오존 용액이 포함되 나, 이에 제한되는 것은 아니다. 많은 구체예에서 과산화수소 (H2O2)가 바람직한 산화제이다. Suitable oxidants include, but are not limited to, peroxides, permanganate, persulfate and ozone solutions. In many embodiments hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is the preferred oxidant.

몇몇 구체예에서, 조성물에서 사용되는 착화제는 디아민이다. 적절한 두자리 디아민의 예에는 에틸렌디아민 (EDA, H2NCH2CH2NH2) 및 N-메틸에틸렌디아민 (H3CNHCH2CH2NH2)이 포함된다.In some embodiments, the complexing agent used in the composition is diamine. Examples of suitable bidentate diamines include ethylenediamine (EDA, H 2 NCH 2 CH 2 NH 2 ) and N-methylethylenediamine (H 3 CNHCH 2 CH 2 NH 2 ).

몇몇 구체예에서, 착화제는 트리아민, 예컨대, 세자리 트리아민, - 디에틸렌트리아민 (H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2)이다. In some embodiments, the complexing agent is a triamine, such as tridentate triamine, diethylenetriamine (H 2 NCH 2 CH 2 NHCH 2 CH 2 NH 2 ).

또한 다른 구체예에서, 착화제는 테트라아민, 가령, 트리스(2-아미노에틸)아민 (N(CH2CH2NH2)3)이다. 몇몇 구체예에서 식각 용액은 디아민, 트리아민, 및 테트라아민으로 구성된 그룹에서 선택된 폴리아민의 혼합물을 포함할 수도 있다.In another embodiment, the complexing agent is tetraamine, such as tris (2-aminoethyl) amine (N (CH 2 CH 2 NH 2 ) 3 ). In some embodiments the etching solution may comprise a mixture of polyamines selected from the group consisting of diamines, triamines, and tetraamines.

한 특수한 구체예에서, 식각 조성물은 에틸렌디아민, 과산화수소, 및, 선택적으로, pH 조정제 (예컨대, 황산)을 포함하며, 약 6 내지 10의 pH를 가진다.In one particular embodiment, the etching composition comprises ethylenediamine, hydrogen peroxide, and, optionally, a pH adjuster (eg, sulfuric acid) and has a pH of about 6-10.

또다른 양태에서, 부분적으로 제작된 반도체 기판 중 구리를 함유하는 부분을 식각하는 방법이 제공된다. 이 방법은 다양한 공정들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 이 방법은 과적된 구리를 식각하기 위해, 구리가 채워진 비어(via)들에 리세스를 만들기 위해, 식각-및-캡핑(etching-and-capping) 공정 등에서 사용될 수 있다. 이 방법은 (a) 노출된 구리 영역을 포함하는 부분적으로 제작된 반도체 기판을 수용하는 단계; 및 (b) 약 5 내지 12 범위의 pH의 습식 식각 용액과 기판을 접 촉시킴에 의해, 기판 상에 있는 구리를 식각하는 단계를 포함하는데, 여기서 상기 식각 용액은 (i) 디아민, 트리아민 및 테트라아민으로 구성된 그룹에서 선택된 두자리, 세자리, 또는 네자리 착화제; 및 (ii) 산화제를 포함한다. 식각 용액은 상기 조성을 가질 수 있으며, 바람직하게는 높은 속도로 구리를 등방성 식각할 수 있다.In another aspect, a method of etching a portion containing copper in a partially fabricated semiconductor substrate is provided. This method can be used in a variety of processes. For example, this method can be used in etching-and-capping processes, etc., to etch overloaded copper, to create recesses in the copper filled vias. The method includes (a) receiving a partially fabricated semiconductor substrate comprising exposed copper regions; And (b) etching the copper on the substrate by contacting the substrate with a wet etching solution at a pH in the range of about 5 to 12, wherein the etching solution comprises (i) diamine, triamine and Bidentate, tridentate, or tetradentate complexing agents selected from the group consisting of tetraamines; And (ii) an oxidizing agent. The etching solution may have the above composition, and preferably copper isotropically etched at a high rate.

식각 용액은 수많은 방법들을 사용하여 기판 상에 전달될 수 있는데, 이러한 방법들에는 침적, 분사, 스핀 온 컨택트(spin on contact) 등이 포함된다. 몇몇 구체예에서는, 기판 위에 용액을 분사하는 것이 바람직하다.The etching solution can be delivered on the substrate using a number of methods, including deposition, spraying, spin on contact, and the like. In some embodiments, it is desirable to spray the solution onto the substrate.

본 발명의 상기 특징들과 그 외 다른 특징들, 그리고 이점들은 첨부된 도면을 참고하여 이하에서 더욱 상세히 설명될 것이다. The above and other features, and advantages of the present invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings.

바람직한 구체예의 상세한 설명DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

상기 언급한 바와 같이, 본 발명은 구리를 등방성 식각하기 위한 조성물과 방법을 제공한다. 제공되는 조성물은 부분적으로 제작된 반도체 기판 상의 구리를 식각, 가령, 과적된 구리를 식각하고, 구리가 채워진 비어(via)들에 리세스를 만드는 등에 있어 특히 유용하다.As mentioned above, the present invention provides compositions and methods for isotropic etching of copper. The provided compositions are particularly useful for etching copper on partially fabricated semiconductor substrates, such as etching overloaded copper, making recesses in copper filled vias, and the like.

본 출원에서 사용되는 "구리"는 구리 금속 및 이의 합금, 그리고 유기 화합물(가령, 구리 도금동안 통상적으로 사용되는 평탄제, 촉진제 및 감속제)로 침적된 구리 금속을 의미한다. 제공되는 조성물들은 또한 그 외 다른 구리-함유 재료들, 가령, 구리 산화물 및 구리 수산화물을 비롯한 산화된 구리 화학종도 식각할 수 있 음을 유의하여야 한다. As used herein, "copper" refers to copper metals deposited with copper metals and alloys thereof, and with organic compounds (such as planarizers, accelerators, and moderators commonly used during copper plating). It is to be noted that the provided compositions can also etch other copper-containing materials, such as oxidized copper species, including copper oxides and copper hydroxides.

본 출원에서 사용되는 "반도체 기판"은 반도체 재료 (예컨대, Si 웨이퍼 또는 다이)를 함유하는 기판들을 가공하는 임의의 단계에 있는 기판들을 의미한다. 반도체 기판은 기판 위에 증착된 다양한 재료들 (예컨대, 유전체 및 전도체)을 포함할 수 있다.As used herein, "semiconductor substrate" means substrates in any stage of processing substrates containing semiconductor material (eg, Si wafer or die). The semiconductor substrate can include various materials (eg, dielectrics and conductors) deposited over the substrate.

"등방성 식각"이란 모든 방향에서 실질적으로 유사한 속도로 구리를 제거하는 것 및/또는 모든 입자 배향들에서 실질적으로 유사한 속도로 구리를 제거하는 것을 의미한다. 몇몇 실시예에서, 등방성 식각은 식각하는 동안 구리의 표면 조화가 거의 또는 전혀 없는 것으로 특징지어진다. 표면 조화는 식각 이전과 특정 양의 구리 (예컨대, 1,000Å)가 제거된 후의 표면 반사도를 측정함으로써 측정될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 제공되는 식각 조성물들은 구리가 1,000Å식각될 때 반사도를 약 20% 미만으로 초기 감소시키는 것으로 특징지어진다. 몇몇 구체예에서, 반사도의 초기 감소는 약 15% 미만, 가령, 약 10% 미만, 예컨대, 5% 또는 그 미만이다."Isotropic etching" means removing copper at substantially similar rates in all directions and / or removing copper at substantially similar rates in all particle orientations. In some embodiments, isotropic etching is characterized by little or no surface roughening of copper during etching. Surface roughness can be measured by measuring the surface reflectivity before etching and after a certain amount of copper (eg, 1,000 kPa) has been removed. In some embodiments, provided etching compositions are characterized by an initial reduction in reflectivity to less than about 20% when copper is etched 1,000 ns. In some embodiments, the initial decrease in reflectivity is less than about 15%, such as less than about 10%, such as 5% or less.

구리의 식각은 산화제와 착화제를 함유하는 특정 조성물을 사용하여 등방성으로 이루어질 수 있다. 뜻밖에도 상당한 피팅 또는 조화없는 등방성 균일 식각이 필요한 경우 착화제의 성질이 특히 중요함을 발견하였다. 약 5-12, 바람직하게는 약 6-10의 pH 범위에서 높은 식각 속도 (예컨대, 약 1,000Å/분 이상, 바람직하게는 약 2,000Å/분 이상)를 제공하는 식각 조성물이 개발되었다. 특히, 몇몇 구체예에서 식각은 상이한 크기의 리세스된 특징부들 (또는 구리가 채워진 라인들) 내부에서 실질적으로 동일한 속도로 일어난다. 더욱이, 리세스된 특징부들 내부에서 상이한 표면들은 실질적으로 동일한 속도로 식각되는데, 예컨대, 형성된 리세스된 특징부들의 모퉁이들에서의 식각은 특징부 바닥들에서의 식각과 동일한 속도로 일어난다. 몇몇 구체예에서, 상기 조성물들을 사용한 식각은 또한 웨이퍼 전체에 걸쳐 균일하게 일어나며, 웨이퍼의 중심부와 가장자리 부분들 간에 식각 속도의 변화가 거의 없다. The etching of copper can be made isotropic using certain compositions containing oxidizing agents and complexing agents. Unexpectedly, the properties of the complexing agent have been found to be particularly important when significant fitting or unbalanced isotropic uniform etching is required. Etch compositions have been developed that provide high etch rates (eg, at least about 1,000 kPa / min, preferably at least about 2,000 kPa / min) in the pH range of about 5-12, preferably about 6-10. In particular, in some embodiments the etching occurs at substantially the same rate inside recessed features (or copper filled lines) of different sizes. Moreover, different surfaces within the recessed features are etched at substantially the same speed, for example, etching at the corners of the formed recessed features occurs at the same speed as etching at the feature bottoms. In some embodiments, etching using the compositions also occurs uniformly throughout the wafer, with little change in etching rate between the center and edge portions of the wafer.

대조적으로, 종래의 구리 식각 조성물, 예컨대, 약 5 미만의 낮은 pH를 가지는 식각 조성물들은 통상적으로 비-등방성 거동을 보이며, 보다 작은 특징부들 내부에서의 식각 속도는 보다 큰 특징부들 내부에서의 식각 속도보다 실질적으로 더 크다. 또한, 종래의 식각 조성물을 사용하면 높은 피팅 및 표면 조도가 관찰된다. In contrast, conventional copper etching compositions, such as those having low pH of less than about 5, typically exhibit anisotropic behavior, and the etch rate inside smaller features is greater than the etch rate inside larger features. Substantially larger than. In addition, using a conventional etching composition, high fitting and surface roughness are observed.

본 출원에 기재된 통상적이지 않은 등방성 식각 거동은 구리 표면에서 일어나는 속도-제한 반응에 원인이 된다. 특정 이론에 제한되고자 하는 것은 아니지만, 약 6-12의 pH 범위에서, 구리 산화물이 구리 표면에서 형성되고 구리 식각 조성물의 착화제에 의해 즉시 용해되어 제거되는 것이 가능하다. 유리하게는, 몇몇 구체예에서, 본 출원에 기재된 식각 조성물들은 구리 표면 상에 존재하는 구리 산화물 층을 형성하지 않지만, 그 대신 5,000Å의 식각 후 높은 반사도 [예컨대, (Si 표면에 비해) 120% 더 큰 반사도를 가지며, 구리가 1,000Å 식각될 때 약 10% 미만으로 반사도가 감소하는]를 가지는 매끄럽고 산화물이 없는 구리 표면을 제공함을 주목하여야 한다 . 그러므로, 식각 반응 동안 산화물이 형성되는 경우, 이 산화물은 즉각적으로 그 자리에서 제거되어, 추가적인 산화물 제거 작업을 필요로 하지 않게 된다. Unusual isotropic etching behavior described in this application is responsible for the rate-limiting reactions occurring at the copper surface. Without wishing to be bound by any theory, it is possible that in the pH range of about 6-12, copper oxide is formed on the copper surface and immediately dissolved and removed by the complexing agent of the copper etching composition. Advantageously, in some embodiments, the etching compositions described herein do not form a copper oxide layer present on the copper surface, but instead have a high reflectivity (eg, relative to Si surface) 120% after etching of 5,000 kPa. It should be noted that it provides a smooth, oxide-free copper surface with greater reflectivity, with the reflectivity reduced to less than about 10% when copper is etched 1,000 Å. Therefore, when oxides are formed during the etching reaction, these oxides are immediately removed in place, eliminating the need for additional oxide removal work.

식각은 보통 비-입자 특이성을 띠는데, 예컨대, 식각은 임의의 특수한 입자 배향 하나에서만 또는 특수한 입자 경계에서만 실질적으로 높은 속도로 발생하는 것은 아니며, 그러므로, 바람직하지 않은 사면(facet)을 생성하지 않는다. 식각 속도는 특징부 크기와 피치(pitch)와 무관하다. 더욱이, 상기 식각 조성물들은 피팅과 표면 조도를 감소시킬 수 있으며 높은 반사도를 가지는 매끄럽고 산화물이 없는 표면을 제공할 수 있다. Etching is usually non-particle specific, for example, etching does not occur at a substantially high rate at only one particular particle orientation or only at a particular particle boundary and therefore does not produce undesirable facets. . Etch rate is independent of feature size and pitch. Moreover, the etching compositions can reduce the fitting and surface roughness and provide a smooth, oxide free surface with high reflectivity.

한 구체예에 따르면, 상기 조성물은 산화제 (예컨대, 과산화물, 과황산염, 과망간산염, 오존 용액 등) 및 디아민, 트리아민, 또는 테트라아민인 두자리, 세자리 또는 네자리 착화제를 포함한다. 몇몇 구체예에서 과산화수소는 용해도가 높고 비용이 적게 들므로 바람직한 산화제이다. According to one embodiment, the composition comprises an oxidizing agent (eg, peroxide, persulfate, permanganate, ozone solution, etc.) and a bidentate, tridentate or tetradentate complexing agent which is diamine, triamine, or tetraamine. In some embodiments, hydrogen peroxide is a preferred oxidant because of its high solubility and low cost.

착화제의 성질은 특히 중요함이 발견되었다. 예를 들면, 암모니아와 같은 간단한 한자리 리간드 및 에틸렌 디아민 테트라아세트산 (EDTA)과 같은 카르복실레이트가 풍부한 거대한 여러자리 리간드는 낮은 식각 속도를 제공하고 표면 산화물을 형성함이 발견되었다. 몇몇 구체예에서, 제공되는 습식 식각 용액들은 4 보다 큰 덴티시티를 가지는 리간드들(가령, EDTA), 그리고 암모니아와 그의 염들이 실질적으로 없다.The nature of the complexing agent has been found to be particularly important. For example, it has been found that simple monodentate ligands such as ammonia and large multidentate ligands rich in carboxylates such as ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA) provide low etching rates and form surface oxides. In some embodiments, the wet etch solutions provided are substantially free of ligands having a density greater than 4 (eg, EDTA), and ammonia and salts thereof.

뜻밖에도, 두자리, 세자리 및 네자리의 디아민, 트리아민, 및 테트라아민이 탁월한 식각 속도, 등방성 거동, 낮은 표면 조도를 제공하며, 잔여 표면 산화물이 전혀 없음이 밝혀졌다. 다양한 두자리, 세자리 및 네자리의 아민들이 사용될 수 있 다. 이들 아민들은 질소에서 유도화되거나 (예컨대, N-알킬 치환될 수 있음) 또는 다른 위치에서 유도화되거나, 유도화되지 않을 수도 있다. 예에는 에틸렌디아민 (EDA, H2NCH2CH2NH2), N-메틸에틸렌디아민 (CH3NHCH2CH2NH2), 디에틸렌트리아민 (H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2), 및 트리스(2-아미노에틸)아민 (N(CH2CH2NH2)3)이 포함된다. 두자리, 세자리 및 네자리 아민들의 혼합물들 또한 식각 조성물에 사용될 수 있다. Unexpectedly, two, three and four digit diamines, triamines, and tetraamines have been found to provide excellent etching rates, isotropic behavior, low surface roughness, and no residual surface oxides. Various bidentate, tridentate and tetradental amines can be used. These amines may be derivatized at nitrogen (eg may be N-alkyl substituted) or at other positions or may not be derivatized. Examples include ethylenediamine (EDA, H 2 NCH 2 CH 2 NH 2 ), N-methylethylenediamine (CH 3 NHCH 2 CH 2 NH 2 ), diethylenetriamine (H 2 NCH 2 CH 2 NHCH 2 CH 2 NH 2 ), And tris (2-aminoethyl) amine (N (CH 2 CH 2 NH 2 ) 3 ). Mixtures of bidentate, tridentate and tetradentary amines may also be used in the etching composition.

유리하게는, 제공되는 식각 조성물들은 매우 높은 식각 속도를 제공하며, 매우 높은 반사도를 가지는 매끄러운 금속 표면들을 생성한다. 또한, 몇몇 구체예에서, 폴리아민들은 원하는 pH를 생성하기 위한, 값비쌀 수 있는 염기성 pH 조정제를 어떠한 양으로도 또는 상당량으로도 필요로 하지 않는다. 폴리아민을 포함하는 전형적인 식각 조성물들의 예에는 약 6-10의 pH, 폴리아민 (예컨대, EDA) 및 H2O2를 가지는 조성물이 포함된다. 다른 구체예에서, 테트라알킬암모늄 하이드록사이드와 같은 염기성 pH 조정제가 조성물에 첨가될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 식각 조성물들은 pH를 낮추기 위해 황산 (H2SO4)과 같은 산성 pH 조정제를 포함한다. (제공되는 조성물이 작용하는) pH 5 이상에서 산성 pH 조정제는 식각 용액에서 주로 염으로서 존재할 것임을 이해하여야 한다. 그러므로, 예를 들면, "황산을 포함하는 식각 용액"이라는 용어는 요구되는 pH를 위하여 적절한 짝염기를 포함하는 용액으로서 해석되어야 한다.하나의 대표적인 식각 조성물은 에틸렌디아민, 과산화수소 및, 선택적으로 황산을 포함하는 조성물인데, 조성물의 pH는 약 6 내지 10이다. 식각 용액들은 일반적으로 다양한 첨가 성분들(예컨대, 계면활성제, 부식저해제 등)을 함유 할 수 있지만, 몇몇 구체예에서 식각 용액들은 본질적으로, 물, 디아민, 트리아민, 및 테트라아민으로 구성된 그룹에서 선택된 두자리, 세자리 또는 네자리 착화제; 산화제, 및 선택적으로 pH 조정제로 구성된다.Advantageously, the etching compositions provided provide very high etching rates and produce smooth metal surfaces with very high reflectivity. In addition, in some embodiments, the polyamines do not require any or significant amounts of expensive basic pH adjusters to produce the desired pH. Examples of typical etching compositions comprising polyamines include compositions having a pH of about 6-10, polyamines (eg, EDA), and H 2 O 2 . In other embodiments, basic pH adjusters such as tetraalkylammonium hydroxides can be added to the composition. In some embodiments, the etching compositions include an acidic pH adjuster such as sulfuric acid (H 2 SO 4 ) to lower the pH. It should be understood that above pH 5 (where the provided composition acts), the acidic pH adjuster will be present primarily as a salt in the etching solution. Thus, for example, the term “etch solution comprising sulfuric acid” should be interpreted as a solution containing an appropriate base base for the required pH. One representative etching composition includes ethylenediamine, hydrogen peroxide and, optionally, sulfuric acid. Wherein the pH of the composition is about 6-10. The etching solutions may generally contain various additive ingredients (eg, surfactants, inhibitors, etc.), but in some embodiments the etching solutions are essentially selected from the group consisting of water, diamines, triamines, and tetraamines. Double, three or four-digit complexing agents; Oxidizing agent, and optionally pH adjusting agent.

본 발명의 조성물의 또다른 유리한 특징은 높은 pH에서 식각이 급속하게 소강(quenched) (즉, 식각 속도가 감소) 될 수 있다는 점이다. 예를 들면, 식각이 공정 중에 특정 시간에서 소강될 필요가 있는 경우, 식각제의 pH를 예컨대 약 10-12 보다 크게 증가시키기 위해 염기성 pH 조정제가 시스템으로 공급될 수 있다. 상기 식각 조성물에 관한 식각 속도는 높은 pH에서 감소하며 식각은 적절한 pH 조정제 (예컨대, OH-함유 조정제)를 도입함으로써 높은 pH에서 소강될 수 있다. 적절한 염기성 pH 조정제들에는 테트라알킬암모늄 하이드록사이드, 가령, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 (TMAH)가 포함된다.Another advantageous feature of the compositions of the invention is that the etching can be rapidly quenched (ie, the etching rate is reduced) at high pH. For example, if the etching needs to be quenched at a certain time in the process, a basic pH adjuster may be supplied to the system to increase the pH of the etchant, eg, greater than about 10-12. The etching rate for the etching composition decreases at high pH and the etching can be quenched at high pH by introducing an appropriate pH adjuster (eg, OH-containing adjuster). Suitable basic pH adjusters include tetraalkylammonium hydroxides such as tetramethylammonium hydroxide (TMAH).

제공되는 식각 조성물들은 연마 입자들을 전혀 함유하지 않으며 금속을 제거하는 동안 패드를 사용한 기계적 표면 연마에 의존하지 않는다는 점에서 화학적 기계적 연마 용액 또는 슬러리들과 구별되는 수용액이다. 그러므로, 제공되는 식각방법들에서, 예를 들면, (연마제가 용액에 존재하거나, 연마제가 패드에 지지 또는 고정되어 있거나, 패드에 또는 용액에 존재하지 않는) 패드들은, 식각 용액을 기판위에 분사함에 의해 간단히 이루어질 수 있다. 많은 구체예들에서, 분사는 기판 위에 식각 조성물을 전달하는 바람직한 방법이다. 한 대표적인 실시예에서, 식각 용액은 주위 온도에서 표면 전체에 걸쳐 분사 라인을 생성하는 노즐 (소위 "팬-노즐")로부터 (예컨대, 약 20-200 rpm의 속도로) 회전되는 회전 기판 위로 분사된 다. 일반적으로, 식각 속도를 증가시키기 위하여 보다 높은 온도가 사용될 수 있다. 몇몇 예에서, 식각 용액을 도포하기 위한 장치는 많은 EBR [가장자리 사면(bevel) 제거] 또는 SRD (스핀 린스 드라이어)에 사용되는 장치들을 포함한다. 적절한 장치 및 이 장치를 사용하는 방법들의 예는 2001년 10월 30일 공개된 Mayer등의 US 특허 제 6,309,981호, 및 2003년 7월 1일 공개된 Mayer등의 US 특허 제 6,586,342호에 상세히 기재되어 있다. The etch compositions provided are aqueous solutions which distinguish themselves from chemical mechanical polishing solutions or slurries in that they do not contain abrasive particles at all and do not rely on mechanical surface polishing with a pad during metal removal. Therefore, in the etching methods provided, for example, pads (with the polishing agent present in the solution, the abrasive supported or fixed to the pad, or not in the pad or in the solution), can be used to spray the etching solution onto the substrate. It can be done simply by In many embodiments, spraying is the preferred method of delivering the etching composition onto the substrate. In one exemplary embodiment, the etching solution is injected onto a rotating substrate that is rotated (eg, at a speed of about 20-200 rpm) from a nozzle (so-called "fan-nozzle") that produces a spray line across the surface at ambient temperature. All. In general, higher temperatures may be used to increase the etching rate. In some instances, the device for applying the etching solution includes devices used in many EBRs (bevel removal) or SRD (spin rinse dryer). Examples of suitable devices and methods of using the devices are described in detail in US Pat. No. 6,309,981 to Mayer et al., Published October 30, 2001, and US Pat. No. 6,586,342 to Mayer et al., Published 1 July 2003. have.

상기 식각 조성물들은 반도체 공정 동안 다양한 환경에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 조성물들은 노출된 유전체의 존재하에서 구리 라인들에 리세스들을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 더욱이, 상기 조성물들은 확산 장벽재료 (예컨대, 탄탈륨 및/또는 탄탈륨 니트라이드)의 존재하에서 구리를 선택적으로 식각하기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 과적물을 부분적으로 또는 완전히 제거하기 위하여 식각 조성물들은 과적된 구리를 포함하는 기판 위에 전달된다.The etching compositions can be used in a variety of environments during semiconductor processing. For example, the compositions can be used to form recesses in copper lines in the presence of an exposed dielectric. Moreover, the compositions can be used to selectively etch copper in the presence of diffusion barrier materials (eg tantalum and / or tantalum nitride). In another example, the etching compositions are transferred onto a substrate comprising overloaded copper to partially or completely remove the overload.

본 출원에 기재된 등방성 식각을 위한 조성물의 사용은 상기 언급된 응용분야에 제한되지 않으며, 구리의 등방성 식각이 필요한 어떠한 분야에서라도 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 상기 조성물과 방법들은 약 400 nm 미만의 두께를 가진 구리가 채워진 특징부들을 가진 반도체 소자들을 제작하는 동안 사용하기에 특히 유리하지만, 집적 회로(IC) 제작 이외에도 널리 다양한 분야에서 사용할 수 있다.It is to be understood that the use of the composition for isotropic etching described in the present application is not limited to the above-mentioned applications, and can be used in any field where isotropic etching of copper is required. The compositions and methods are particularly advantageous for use during the fabrication of semiconductor devices with copper filled features having a thickness of less than about 400 nm, but can be widely used in a variety of fields besides integrated circuit (IC) fabrication.

구리 식각 방법이 반도체 가공에서 사용될 때, 이 방법은 (a) 구리 영역을 포함하는 반도체 기판을 제공하는 단계 및 (b) 상기 구리 영역을 본 출원에 기재된 식각 조성물과 접촉시키는 단계를 포함한다. 몇몇 구체예에서, 초기의 식각 주기 후, 식각 반응은 식각 용액의 pH를 증가시킴으로써 (예컨대, 염기성 pH 조정제를 첨가함으로써) 소강된다 (즉, 식각 속도가 감소되거나 반응이 중단됨).When a copper etching method is used in semiconductor processing, the method includes (a) providing a semiconductor substrate comprising a copper region and (b) contacting the copper region with the etching composition described in the present application. In some embodiments, after the initial etching cycle, the etching reaction is quenched by increasing the pH of the etching solution (eg, by adding a basic pH adjuster) (ie, the etching rate is reduced or the reaction is stopped).

도 1A-1C는 상기 제공되는 식각 방법들이 사용될 수 있는 다마신 구조들의 대표적인 횡단면도를 제공한다. 도 1A는 포매되고 구리가 채워진 리세스된 특징부(111)를 가지는 기판(101)을 포함하는 구조물 (예컨대, 유전체)을 도시한다. 과적된 구리층(109)이 기판의 필드 영역 위에 존재한다. 얇은 컨포멀(conformal) 확산 장벽층(105) (예컨대, 탄탈륨 및 탄탈륨 니트라이드 중 적어도 하나)은 구리 영역들 (109 및 111)과 기판 영역(101) 사이에 존재한다. 한 구체예에서, 과적된 구리층(109)은 기판을 본 출원에서 제공되는 등방성 습식 식각 용액과 접촉시킴으로써 완전히 또는 부분적으로 식각될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 습식 식각 이전 또는 이후에 평탄화 작업, 가령, CMP 또는 전기평탄화(electroplanarization) 작업이 수행된다. 1A-1C provide representative cross-sectional views of damascene structures in which the etching methods provided above can be used. 1A shows a structure (eg, a dielectric) comprising a substrate 101 having embedded and copper filled recessed features 111. An overloaded copper layer 109 is present over the field region of the substrate. A thin conformal diffusion barrier layer 105 (eg, at least one of tantalum and tantalum nitride) is present between the copper regions 109 and 111 and the substrate region 101. In one embodiment, the overlaid copper layer 109 may be fully or partially etched by contacting the substrate with the isotropic wet etching solution provided in this application. In some embodiments, planarization operations, such as CMP or electroplanarization operations, are performed before or after wet etching.

도 1B는 과적된 구리를 제거한 후 얻어진 기판을 보여준다. 확산 장벽층(105)은 필드 영역에 노출되고, 구리층(111)은 구리가 채워진 리세스된 특징부의 상부에서 노출된다. 몇몇 구체예에서, 본 출원에서 제공되는 등방성 식각 용액들은, 선택적으로 확산 장벽층(105)의 존재하에서 (확산 장벽층을 식각하지 않고) 기판 위로 전달되어 구리층(111) 내부에 리세스를 형성하고 도 1C에 도시된 구조물을 생성할 수 있는데, 도 1C는 구리가 채워진 층(111)의 상부 부분에 리세스가 형 성된 것을 도시하고 있다. 다음으로, 몇몇 구체예에서 이러한 리세스는, 예를 들면, 무전해 증착에 의한 캡 (예컨대, 코발-함유 캡)을 사용하여 채워질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이렇게 캡처리된 구리 연결부(interconnects)들을 필요로 하는데, 왜냐하면 이러한 연결부들은 연결부들의 전기이동 성질을 개선시키기 때문이다. 1B shows the substrate obtained after removing the deposited copper. The diffusion barrier layer 105 is exposed to the field region and the copper layer 111 is exposed on top of the recessed features filled with copper. In some embodiments, the isotropic etching solutions provided herein are transferred over the substrate (without etching the diffusion barrier layer), optionally in the presence of the diffusion barrier layer 105 to form a recess inside the copper layer 111. And the structure shown in FIG. 1C, which shows that a recess is formed in the upper portion of the copper-filled layer 111. Next, in some embodiments such recesses may be filled using, for example, a cap (eg, a cobalt-containing cap) by electroless deposition. In some embodiments, these captured copper interconnects are needed because these interconnects improve the electrophoretic properties of the interconnects.

본 출원에서 제공되는 등방성 식각 조성물들은 상기 논의된 예들 (예컨대, 식각-및-캡핑)에서 사용되는 것에 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 제공되는 등방성 조성물은 다마신 공정 흐름에서 그리고 그 외 다른 공정에서의 다양한 환경에서 (예컨대, 대부분의 환경에서 과적된 구리 식각) 사용될 수 있다. 예를 들면, 제공되는 식각제들은 반도체 기판의 가장자리 영역으로부터 또는 기판의 배면으로부터 불필요한 구리를 제거하기 위해 사용될 수 있다. It is to be understood that the isotropic etching compositions provided herein are not limited to those used in the examples discussed above (eg, etch-and-capping). The isotropic compositions provided may be used in a variety of environments (eg, copper etched in most environments) in damascene process flows and in other processes. For example, provided etchantes can be used to remove unwanted copper from the edge region of the semiconductor substrate or from the backside of the substrate.

제공되는 식각 조성물들 및 방법들에 관한 실험은 이하에서 상세히 설명된다. Experiments with the provided etching compositions and methods are described in detail below.

실험Experiment

구리 Copper 식각Etching 조성물 중의  In the composition 리간드들Ligands 비교 compare

먼저 블랭킷 코팅된 구리 필름층이 증착된 후, 다양한 습식 식각 조성물을 사용하여 식각되었다. 480 nm의 파장에서의 식각 전 및 식각 후에 구리 표면의 반사도를 측정하여, 실리콘 표면에 대한 백분율로 제공하였다. 구리를 등방성 식각하는 능력에 관해 다음의 수용액들이 실험되었다:A blanket coated copper film layer was first deposited and then etched using various wet etching compositions. The reflectivity of the copper surface was measured before and after etching at a wavelength of 480 nm, giving a percentage of the silicon surface. The following aqueous solutions were tested for the ability to isotropically etch copper:

(a) 에틸렌디아민 (0.066M), H2O2 (1.06 M), pH 8.9, 20℃(a) ethylenediamine (0.066M), H 2 O 2 (1.06 M), pH 8.9, 20 ° C.

이 용액은 4600Å/분의 매우 높은 식각 속도를 보였으며, 또한 탁월한 등방성 거동을 보여주었다. 식각 후 6900Å의 구리가 제거되었을 때, 구리 표면의 반사도는 131% 이었다 (식각 전 134%).The solution showed a very high etch rate of 4600 mm 3 / min and also showed excellent isotropic behavior. When 6900Å of copper was removed after etching, the reflectivity of the copper surface was 131% (134% before etching).

(b) 글리신 (0.066M), H2O2 (1.06 M), pH 8.9, 20℃.(b) glycine (0.066 M), H 2 O 2 (1.06 M), pH 8.9, 20 ° C.

이 용액은 1580Å/분의 식각 속도 및 등방성 거동을 보인다. 식각 속도는 EDA에 비해 낮다. 식각 후 1053Å의 구리가 제거되었을 때, 구리 표면의 반사도는 140%였다 (식각 전 134%). This solution shows an etch rate and isotropic behavior of 1580 kPa / min. The etching rate is low compared to EDA. When 1053 μs of copper was removed after etching, the reflectivity of the copper surface was 140% (134% before etching).

(c) 과황산 암모늄 (0.066M), 과산화수소 없음, pH 2.6, 20℃.(c) ammonium persulfate (0.066M), no hydrogen peroxide, pH 2.6, 20 ° C.

낮은 pH (산성)의 이 식각 용액은 1849 Å/분의 식각 속도를 보여주지만, 식각 후 높은 조도의 구리 표면이 수득되었다. 식각 후 1849Å의 구리가 제거되었을 때, 구리 표면의 반사도는 61%에 불과했다 (식각 전 134%). 매트 연마(matt finish)는 관찰되지 않았다. This etching solution of low pH (acidic) showed an etching rate of 1849 dl / min, but a high roughness copper surface was obtained after etching. When 1849Å of copper was removed after etching, the reflectivity of the copper surface was only 61% (134% before etching). Matt finish was not observed.

(d) 아세트산 암모늄 (0.066M), H2O2 (1.06 M), pH 3.6, 20℃.(d) ammonium acetate (0.066 M), H 2 O 2 (1.06 M), pH 3.6, 20 ° C.

낮은 pH의 이 식각 용액은 1163 Å/분의 식각 속도를 보였으나, 식각하는 동안 그리고 식각 후 적/갈색의 구리 산화물 표면필름이 수득되었다. 식각 후 1163Å의 구리가 제거되었을 때, 구리 표면의 반사도는 8.8%에 불과했다 (식각 전 134%).This low pH etching solution showed an etch rate of 1163 dl / min, but a red / brown copper oxide surface film was obtained during and after etching. When 1163Å of copper was removed after etching, the reflectivity of the copper surface was only 8.8% (134% before etching).

(e) 과황산 암모늄 (0.066M), 과산화수소 없음, pH 8.9, 20℃.(e) Ammonium persulfate (0.066M), no hydrogen peroxide, pH 8.9, 20 ° C.

이 식각 용액은 613 Å/분의 식각 속도를 보였으나, 식각 후 적갈색 산화물을 보유한 구리 표면이 수득되었다. 식각 후 429Å의 구리가 제거되었을 때, 구리 표면의 반사도는 52%였다 (식각 전 134%).This etching solution showed an etching rate of 613 kPa / min, but after etching, a copper surface with reddish brown oxide was obtained. When 429 kV of copper was removed after etching, the reflectivity of the copper surface was 52% (134% before etching).

(f) 수산화 암모늄 (0.066M), H2O2 (1.06 M), pH 8.9, 20℃.(f) ammonium hydroxide (0.066 M), H 2 O 2 (1.06 M), pH 8.9, 20 ° C.

이 식각 용액은 단지 53 Å/분의 식각 속도를 보였으나, 식각 후 적갈색 산화물을 보유한 구리 표면이 수득되었다. 식각 후 53Å의 구리가 제거되었을 때, 구리 표면의 반사도는 68%였다 (식각 전 134%).This etching solution showed an etching rate of only 53 kW / min, but a copper surface with reddish brown oxide was obtained after etching. When 53 구리 of copper was removed after etching, the reflectivity of the copper surface was 68% (134% before etching).

(g) EDTA (0.066M), H2O2 (1.06 M), pH 8.9, 20℃.(g) EDTA (0.066 M), H 2 O 2 (1.06 M), pH 8.9, 20 ° C.

에틸렌디아민테트라아세트산 (EDTA)을 함유하는 이 식각 용액은 단지 5 Å/분의 식각 속도를 보였다. 식각 후 5Å의 구리가 제거되었을 때, 구리 표면의 반사도는 135%였으며 (식각 전 134%), 이는 표면과의 상호작용이 거의 없음 (즉, 금속 제거 또는 필름 형성이 거의 없음)을 나타낸다.This etching solution containing ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) showed an etching rate of only 5 kPa / min. When 5 μs of copper was removed after etching, the reflectivity of the copper surface was 135% (134% before etching), indicating little interaction with the surface (ie, little metal removal or film formation).

(h) 시트르산 (0.066M), H2O2 (1.06 M), pH 8.9, 20℃.(h) citric acid (0.066 M), H 2 O 2 (1.06 M), pH 8.9, 20 ° C.

이 식각 용액은 뚜렷한 식각을 전혀 보이지 않는다. This etching solution shows no obvious etching at all.

(i) 옥살산 (0.066M), H2O2 (1.06 M), pH 8.9, 20℃.(i) Oxalic acid (0.066 M), H 2 O 2 (1.06 M), pH 8.9, 20 ° C.

이 식각 용액 또한 뚜렷한 식각을 전혀 보이지 않는다. This etching solution also shows no obvious etching at all.

(j) 아세트산 암모늄 (0.066M), H2O2 (1.06 M), pH 9.6, 20℃.(j) ammonium acetate (0.066 M), H 2 O 2 (1.06 M), pH 9.6, 20 ° C.

이 식각 용액은 429 Å/분의 식각 속도를 보였으나, 식각 후 적갈색 산화물 을 보유한 구리 표면이 수득되었다. 식각 후 429Å의 구리가 제거되었을 때, 구리 표면의 반사도는 13%였다 (식각 전 134%).This etching solution showed an etching rate of 429 dl / min, but after etching, a copper surface with reddish brown oxide was obtained. When 429 μs of copper was removed after etching, the reflectivity of the copper surface was 13% (134% before etching).

식각 화학물질들에 대한 식각 속도의 의존성을 도시하는 막대 그래프가 도 2에 도시되어 있다. A bar graph showing the dependence of the etching rate on the etching chemicals is shown in FIG. 2.

상기 실험예들로부터, 오직 EDA와 글리신만이 높은 식각 속도와 등방성 거동을 제공함을 알 수 있다. 수산화 암모늄과 암모늄 염들은 구리 표면위에 산화물 증착물을 형성하거나 높은 표면 조도를 초래한다. EDTA, 시트르산 및 옥살산은 뚜렷한 식각 속도를 보이지 않는다. EDA는 글리신에 비해 상당히 높은 식각 속도를 제공하므로 글리신에 비해 우수하다. From the above experiments, it can be seen that only EDA and glycine provide high etching rate and isotropic behavior. Ammonium hydroxide and ammonium salts form oxide deposits on the copper surface or result in high surface roughness. EDTA, citric acid and oxalic acid do not show distinct etch rates. EDA is superior to glycine because it provides a significantly higher etch rate than glycine.

EDAEDA Wow HH 22 OO 22 를 함유하는 Containing 식각Etching 용액들 Solutions

구리 필름은 EDA (4 g/L, 0.067 M), 및 H2O2 (120 g/L의 30% H2O2 , , 또는 약 1.9 M)를 함유하는 식각 용액을 기판 위로 분사함으로써 식각되었다. 용액의 pH는 8.9였으며; 온도는 20℃였다. 약 4,600 Å/분의 식각 속도가 관찰되었다. 7,000Å의 구리가 제거된 후, 반사도는 122% 였다 (식각 전 125%의 반사도와 비교).Cu film was etched by spraying onto the substrate to the etching solution containing EDA (4 g / L, 0.067 M), and H 2 O 2 (120 g / L 30% H 2 O 2, in, or about 1.9 M) . The pH of the solution was 8.9; The temperature was 20 ° C. An etching rate of about 4,600 mA / min was observed. After 7,000 kPa of copper was removed, the reflectivity was 122% (compared to 125% reflectivity before etching).

도 3은 식각된 구리의 양의 분사 식각 시간에 대한 의존성을 도시한다. 약 120초 동안 약 9,000Å가 제거되었음을 알 수 있다. 식각된 구리의 양은 분사 식각 시간에 선형적으로 종속한다. 3 shows the dependence of the amount of etched copper on the injection etch time. It can be seen that about 9,000 ms has been removed in about 120 seconds. The amount of etched copper is linearly dependent on the spray etch time.

또 다른 실험에서 구리 식각 식각 속도의 pH 의존성이 연구되었다. 식각 속도 대 pH 의존성에 관한 플롯이 도 4에 도시되어 있다. 2 g/L (0.033 M)의 EDA 및 30 g/L의 30% H2O2 (9 g/L, 또는 0.47M)를 함유하는 식각 용액이 사용되었다. pH는 수정되지 않은 EDA/과산화물 혼합물의 pH 값으로부터 pH를 증가시키거나 감소시킬 필요성에 따라 H2SO4 또는 TMAH을 사용하여 조정되었다. 7 미만의 pH값에서, 구리 표면은 거칠어지고 매트 표면 반사를 가지며, 줄무늬들(streaks) 또는 소용돌이들(swirls)을 가지며, 일반적으로 외형에 있어서 균일하지 않음이 관찰되었다. 높은 pH (11 이상)에서 표면을 통과하여 감쇄한 식각 속도는 비교적 변화없는 것으로 나타났다 (반사성/매끄러움). EDA 식각에 바람직한 pH는 약 7 내지 약 10.5, 더욱 전형적으로는 약 8.5 내지 10이었음을 알았다.In another experiment, the pH dependence of the copper etch rate was studied. Plots for etch rate versus pH dependence are shown in FIG. 4. An etching solution containing 2 g / L (0.033 M) of EDA and 30 g / L of 30% H 2 O 2 (9 g / L, or 0.47 M) was used. The pH was adjusted using H 2 SO 4 or TMAH as needed to increase or decrease the pH from the pH value of the unmodified EDA / peroxide mixture. At pH values below 7, it has been observed that the copper surface has a rough, matte surface reflection, has streaks or swirls, and is generally not uniform in appearance. The etching rate attenuated through the surface at high pH (above 11) appeared to be relatively unchanged (reflective / smooth). It was found that the preferred pH for EDA etching was about 7 to about 10.5, more typically about 8.5 to 10.

도 5는 8.9의 고정된 pH에서 EDA (0.067M) 및 H2O2 (10-40 g/L)를 함유하는 용액에 관하여 H2O2 농도에 따른 식각 속도 의존성을 도시한다. 식각 속도는 H2O2 의 양이 증가함에 따라 서서히 증가한다. 5 is H 2 O 2 with respect to the solution containing the EDA (0.067M) and H 2 O 2 (10-40 g / L) at a fixed pH of 8.9 Etch rate dependence on concentration is shown. The etching rate gradually increases as the amount of H 2 O 2 increases.

도 6은 pH 8.9에서 EDA (0-8 g/L) 및 H2O2 (1 M)을 함유하는 용액에 관하여 EDA의 농도에 따른 식각 속도 의존성을 도시한다. 식각 속도는 EDA 농도에 매우 의존적이며 농도가 증가함에 따라 거의 선형 방식으로 증가함을 알 수 있다.FIG. 6 shows the etching rate dependence on the concentration of EDA with respect to a solution containing EDA (0-8 g / L) and H 2 O 2 (1 M) at pH 8.9. It can be seen that the etching rate is highly dependent on the EDA concentration and increases in a nearly linear manner as the concentration increases.

표 2는 EDA 및 과산화수소를 함유하는 식각 용액들에 관한 반사성의 변화 (등방성 거동의 측정)를 도시하는데, 이 때 EDA 농도는 1 내지 8 g/L 범위이고, 과산화수소 농도는 약 10 내지 약 40 g/L이고 pH 값은 7 내지 11.6이다. 모든 경우에서 반사도 값은 15% 이상만큼 감소하지 않았음을 알 수 있다.Table 2 shows the change in reflectivity (measurement of isotropic behavior) for etching solutions containing EDA and hydrogen peroxide, where the EDA concentration ranges from 1 to 8 g / L, and the hydrogen peroxide concentration is about 10 to about 40 g. / L and the pH value is 7 to 11.6. It can be seen that in all cases the reflectivity value did not decrease by more than 15%.

표 2. EDA를 포함하는 상이한 용액들로 식각 후 수득된 구리 표면 조도.Table 2. Copper surface roughness obtained after etching with different solutions including EDA.

EDA 농도(g/L)EDA concentration (g / L) H2O2 농도 (g/L)H2O2 concentration (g / L) pH pH % 반사도 변화/(1000Å)% Reflectivity change / (1000Hz) 1One 39.639.6 8.98.9 11.111.1 22 9.99.9 77 5.45.4 22 9.99.9 8.18.1 3.93.9 22 9.99.9 8.98.9 2.82.8 22 9.99.9 10.310.3 14.414.4 22 9.99.9 11.611.6 14.214.2 44 9.99.9 8.98.9 1.41.4 44 19.819.8 8.98.9 0.670.67 44 39.639.6 8.98.9 0.340.34 88 39.639.6 8.98.9 2.82.8

아미노기를 함유하는 다른 Other containing amino groups 착화제를Complexing agents 가지는  Branch 식각Etching 용액들 Solutions

상이한 착화제를 함유하는 많은 용액들이 실험되었다. pH는 TMAH 또는 H2SO4를 사용하여 8.9 또는 8.8로 조정되었다.Many solutions containing different complexing agents have been tested. pH was adjusted to 8.9 or 8.8 using TMAH or H 2 SO 4 .

(a) N-메틸에틸렌디아민 (0.066M), H2O2 (1.00 M), pH 8.9, 20℃. (a) N-methylethylenediamine (0.066M), H 2 O 2 (1.00 M), pH 8.9, 20 ° C.

이 용액은 1575 Å/분의 상당한 식각 속도 및 등방성 거동을 보인다. 식각 후 1575Å의 구리가 제거될 때 구리 표면의 반사도는 127% 였다 (식각 전 134%). This solution shows a significant etch rate and isotropic behavior of 1575 dl / min. When 1575 구리 of copper was removed after etching, the reflectivity of the copper surface was 127% (134% before etching).

(b) 사르코신 (0.066M), H2O2 (1.00 M), pH 8.9, 20℃. (b) sarcosine (0.066M), H 2 O 2 (1.00 M), pH 8.9, 20 ° C.

이 용액은 11.5 Å/분의 식각 속도를 보인다.This solution has an etch rate of 11.5 dl / min.

(c) 타우린 (0.066M), H2O2 (1.00 M), pH 8.9, 20℃. (c) taurine (0.066M), H 2 O 2 (1.00 M), pH 8.9, 20 ° C.

이 용액은 12 Å/분의 식각 속도를 보인다.This solution shows an etching rate of 12 mW / min.

(d) 에탄올아민 (0.066M), H2O2 (1.00 M), pH 8.9, 20℃. (d) ethanolamine (0.066M), H 2 O 2 (1.00 M), pH 8.9, 20 ° C.

이 용액은 뚜렷한 식각을 보이지 않는다. This solution shows no obvious etching.

도 1A-1C는 다마신 구조의 일부분의 횡단면도에 관한 도식적 설명을 나타내며 등방성 구리 식각이 사용될 수 있는 대표적인 공정을 도시하고 있다. 1A-1C show a schematic representation of a cross-sectional view of a portion of a damascene structure and illustrate representative processes in which isotropic copper etching may be used.

도 2는 상이한 식각 화학물질들에 관한 구리 식각 속도를 보여주는 실험적 막대 그래프이다. 2 is an experimental bar graph showing copper etch rates for different etch chemistries.

도 3은 EDA와 과산화수소를 함유하는 식각 용액에 관하여 분사 식각 시간에 대한 식각된 구리의 양의 의존성을 도시하는 실험적 플롯이다. FIG. 3 is an experimental plot showing the dependence of the amount of etched copper on spray etch time with respect to an etching solution containing EDA and hydrogen peroxide.

도 4는 EDA와 과산화수소를 함유하는 식각 용액에 관한 구리 식각 속도의 pH 의존성을 도시한 실험적 플롯이다. FIG. 4 is an experimental plot showing the pH dependence of the copper etch rate for etching solutions containing EDA and hydrogen peroxide.

도 5는 EDA와 과산화수소를 함유하는 식각 용액에 있어서 과산화수소 농도에 대한 구리 식각 속도의 의존성을 도시하는 실험 플롯이다.5 is an experimental plot showing the dependence of the copper etch rate on the hydrogen peroxide concentration in the etching solution containing EDA and hydrogen peroxide.

도 6은 EDA와 과산화수소를 함유하는 식각 용액에 있어서 EDA 농도에 대한 구리 식각 속도의 의존성을 설명하는 실험적 플롯이다.FIG. 6 is an experimental plot illustrating the dependence of the copper etch rate on the concentration of EDA in an etching solution containing EDA and hydrogen peroxide.

Claims (27)

(a) 디아민, 트리아민, 및 테트라아민으로 구성된 그룹에서 선택된 두자리, 세자리, 또는 네자리 착화제(complexing agent); 및(a) a bidentate, tridentate, or tetradentate complexing agent selected from the group consisting of diamines, triamines, and tetraamines; And (b) 산화제(b) oxidizing agent 를 포함하는 수용액을 포함하는 습식 식각 조성물(wet etching formulation)로서, As a wet etching formulation comprising an aqueous solution comprising a, 상기 식각 조성물은 5 내지 12의 pH를 가지며 구리를 식각할 수 있는The etching composition has a pH of 5 to 12 and can etch copper 습식 식각 조성물.Wet etching composition. 제 1항에 있어서, 상기 조성물은 pH 조정제(pH adjustor)를 추가로 포함함을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.The wet etching composition of claim 1, wherein the composition further comprises a pH adjustor. 제 1항에 있어서, 상기 조성물은 1,000Å/분 이상의 식각 속도로 구리를 식각할 수 있음을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.The wet etching composition of claim 1, wherein the composition is capable of etching copper at an etching rate of 1,000 Pa / min or more. 제 1항에 있어서, 상기 조성물은 식각된 구리 영역의 표면 조도(surface roughness)를 증가시키지 않고, 기판으로부터 구리를 1,000Å 이상 제거할 수 있음을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.The wet etching composition of claim 1, wherein the composition is capable of removing at least 1,000 μs of copper from the substrate without increasing the surface roughness of the etched copper regions. 제 1항에 있어서, 산화제는 과산화수소 (H2O2)를 포함함을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.The wet etching composition of claim 1, wherein the oxidant comprises hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). 제 1항에 있어서, 착화제는 디아민을 포함함을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.The wet etching composition of claim 1, wherein the complexing agent comprises diamine. 제 6항에 있어서, 디아민은 에틸렌디아민 (H2NCH2CH2NH2) 및 N-메틸에틸렌디아민 (H3CNHCH2CH2NH2) 중 적어도 하나임을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.The wet etching composition of claim 6, wherein the diamine is at least one of ethylenediamine (H 2 NCH 2 CH 2 NH 2 ) and N-methylethylenediamine (H 3 CNHCH 2 CH 2 NH 2 ). 제 1항에 있어서, 착화제는 트리아민을 포함함을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.The wet etching composition of claim 1, wherein the complexing agent comprises triamine. 제 8항에 있어서, 트리아민은 디에틸렌트리아민((H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2)임을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.The wet etching composition of claim 8, wherein the triamine is diethylenetriamine ((H 2 NCH 2 CH 2 NHCH 2 CH 2 NH 2 ). 제 1항에 있어서, 착화제는 테트라아민을 포함함을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.The wet etching composition of claim 1, wherein the complexing agent comprises tetraamine. 제 10항에 있어서, 테트라아민은 트리스(2-아미노에틸)아민 (N(CH2CH2NH2)3)임을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.The wet etching composition of claim 10, wherein the tetraamine is tris (2-aminoethyl) amine (N (CH 2 CH 2 NH 2 ) 3 ). 제 1항에 있어서, 수용액은 에틸렌디아민과 과산화수소를 포함함을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.The wet etching composition of claim 1, wherein the aqueous solution comprises ethylenediamine and hydrogen peroxide. 제 12항에 있어서, 수용액은 6 내지 10의 pH를 가짐을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.13. The wet etching composition of claim 12, wherein the aqueous solution has a pH of 6 to 10. 제 12항에 있어서, 수용액은 pH 조정제를 추가로 포함함을 특징으로 하는, 습식 식각 조성물.13. The wet etching composition of claim 12, wherein the aqueous solution further comprises a pH adjuster. 다음 단계들을 포함하는, 구리 영역을 함유하는 부분적으로 제작된 반도체 기판의 구리-함유 부분을 식각하는 방법:A method of etching a copper-containing portion of a partially fabricated semiconductor substrate containing a copper region, comprising the following steps: (a) 노출된 구리 영역을 포함하는 부분적으로 제작된 반도체 기판을 수용하는 단계; 및(a) receiving a partially fabricated semiconductor substrate comprising exposed copper regions; And (b) 5 내지 12 범위의 pH의 습식 식각 용액과 상기 기판을 접촉시킴으로써 기판 위의 구리를 식각하는 단계, 여기서 상기 식각 용액은 (i) 디아민, 트리아민 및 테트라아민으로 구성된 그룹에서 선택된 두자리, 세자리, 또는 네자리 착화제; 및 (ii) 산화제를 포함함.(b) etching the copper on the substrate by contacting the substrate with a wet etching solution having a pH in the range of 5 to 12, wherein the etching solution comprises (i) a bidentate selected from the group consisting of diamines, triamines and tetraamines, Tridentate or tetradentate complexing agents; And (ii) an oxidizing agent. 제 15항에 있어서, 습식 식각 용액은 pH 조정제를 추가로 포함함을 특징으로 하는방법.The method of claim 15, wherein the wet etching solution further comprises a pH adjuster. 제 15항에 있어서, 착화제는 디아민을 포함함을 특징으로 하는 방법.The method of claim 15, wherein the complexing agent comprises a diamine. 제 15항에 있어서, 디아민은 에틸렌 디아민 또는 N-메틸에틸렌디아민으로 구성된 그룹에서 선택됨을 특징으로 하는 방법..The method of claim 15, wherein the diamine is selected from the group consisting of ethylene diamine or N-methylethylenediamine. 제 15항에 있어서, 습식 식각 용액은 에틸렌디아민과 과산화수소를 포함함을 특징으로 하는 방법.The method of claim 15, wherein the wet etching solution comprises ethylenediamine and hydrogen peroxide. 제 19항에 있어서, 습식 식각 용액은 pH 조정제를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법..20. The method of claim 19, wherein the wet etching solution further comprises a pH adjuster. 제 20항에 있어서, 습식 식각 용액은 6 내지 10의 pH를 가짐을 특징으로 하는 방법. The method of claim 20, wherein the wet etching solution has a pH of 6 to 10. 제 15항에 있어서, 착화제는 트리아민 및 테트라아민으로 구성된 그룹에서 선택됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 15, wherein the complexing agent is selected from the group consisting of triamines and tetraamines. 제 15항에 있어서, 식각된 구리 영역은 과적된 구리를 포함함을 특징으로 하는 방법. The method of claim 15, wherein the etched copper region comprises overloaded copper. 제 15항에 있어서, 구리는 1,000 Å/분 이상의 속도로 식각됨을 특징으로 하는 방법. The method of claim 15, wherein the copper is etched at a rate of at least 1,000 kW / min. 제 15항에 있어서, 식각은 실질적으로 등방성임을 특징으로 하는 방법. The method of claim 15, wherein the etching is substantially isotropic. 제 15항에 있어서, 습식 식각 용액의 pH를 증가시킴으로써 식각 공정을 소강(quenching)시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법. The method of claim 15, further comprising quenching the etching process by increasing the pH of the wet etching solution. 제 26항에 있어서, 습식 식각 용액의 pH를 증가시키는 단계는 습식 식각 용액에 염기성 pH-조정제를 첨가하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법. 27. The method of claim 26, wherein increasing the pH of the wet etching solution comprises adding a basic pH-adjusting agent to the wet etching solution.
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