KR20200143144A - 슬러리 조성물 및 이를 이용한 집적회로 소자의 제조 방법 - Google Patents

슬러리 조성물 및 이를 이용한 집적회로 소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

슬러리 조성물은 탄소 동소체 및 그 유도체로부터 선택되는 물질로 이루어지는 부식 방지제와, 산화제를 포함한다. 집적회로 소자의 제조 방법에서는 기판 상에 서로 다른 금속을 포함하는 제1 금속막 및 제2 금속막을 형성하고, 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막이 노출된 연마 대상면을 상기 슬러리 조성물을 이용하여 연마한다.

Description

슬러리 조성물 및 이를 이용한 집적회로 소자의 제조 방법 {Slurry composition and method of manufacturing integrated circuit device using the same}
본 발명의 기술적 사상은 슬러리 조성물 및 이를 이용한 집적회로 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 금속 배선 형성을 위한 CMP(chemical mechanical polishing)용 슬러리 조성물 및 이를 이용한 집적회로 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
전자 기술의 발달로 인해, 집적회로 소자의 다운-스케일링(down-scaling)이 급속도로 진행되고 있으며, 집적회로 소자에 포함되는 금속 배선층들의 선폭 및 피치도 미세화되고 있다. 이에 따라, 금속 배선층들을 포함하는 배선 구조의 물리적 손상을 최소화하여 집적회로 소자의 수명 및 신뢰성을 개선할 필요가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 이종의 금속을 포함하는 복수의 금속막을 연마하는 데 있어서 상기 복수의 금속막 각각의 양호한 연마 속도를 유지하면서 상기 복수의 금속막 중 특정 금속막에서의 갈바닉 부식(Galvanic corrosion)으로 인한 연마 손실을 방지할 수 있는 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 금속 배선 패턴을 형성하기 위하여 이종의 금속을 포함하는 복수의 금속막을 연마하는 데 있어서 상기 복수의 금속막 각각의 양호한 연마 속도를 유지하면서 상기 복수의 금속막 중 특정 금속막에서의 갈바닉 부식으로 인한 연마 손실을 방지함으로써 금속 배선 패턴의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 집적회로 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 슬러리 조성물은 탄소 동소체(carbon allotropes) 및 그 유도체로부터 선택되는 물질로 이루어지는 부식 방지제와, 산화제를 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 양태에 따른 슬러리 조성물은 제1 금속을 포함하는 제1 금속막과, 상기 제1 금속과 다른 제2 금속을 포함하는 제2 금속막을 포함하는 금속 함유 구조물을 연마하기 위한 CMP(chemical mechanical polishing)용 슬러리 조성물로서, 상기 슬러리 조성물은 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막 중 어느 하나의 선택된 금속막의 표면에 선택적으로 부착되어 상기 선택된 금속막의 부식을 억제하기 위한 부식 방지제와, 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막 각각을 산화시키기 위한 산화제를 포함하고, 상기 부식 방지제는 탄소 동소체 및 그 유도체로부터 선택되는 물질로 이루어진다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 양태에 따른 슬러리 조성물은 이종의 금속을 포함하는 복수의 금속막을 연마하기 위한 슬러리 조성물로서, 상기 슬러리 조성물은 상기 슬러리 조성물의 총 중량을 기준으로 0 중량%보다 크고 15 중량%보다 적은 양으로 포함된 연마 입자와, 산소 원자를 함유하는 친수성 기를 포함하도록 산화 처리된 탄소 동소체로 이루어지고, 상기 슬러리 조성물의 총량을 기준으로 1 ppm 내지 5000 ppm의 양으로 포함된 부식 방지제와, 상기 슬러리 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 5 중량%의 양으로 포함된 산화제와, 물을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 집적회로 소자의 제조 방법에서는 기판 상에 서로 다른 금속을 포함하는 제1 금속막 및 제2 금속막을 형성하는 단계와, 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막이 노출된 연마 대상면을 슬러리 조성물을 이용하여 연마하는 단계를 포함하고, 상기 슬러리 조성물은 탄소 동소체 및 그 유도체로부터 선택되는 물질로 이루어지는 부식 방지제와, 산화제를 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 양태에 따른 집적회로 소자의 제조 방법에서는 기판 상에 층간절연막을 형성한다. 상기 층간절연막에 홀을 형성한다. 제1 금속을 포함하고, 상기 홀의 내부 및 외부에서 상기 층간절연막을 덮는 금속 라이너를 형성한다. 상기 제1 금속과 다른 종류인 제2 금속을 포함하고, 상기 홀의 내부 및 외부에서 상기 금속 라이너를 덮는 메인 배선층을 형성한다. 상기 메인 배선층의 일부를 제거하여 상기 메인 배선층의 주위에서 상기 금속 라이너의 일부를 노출시킨다. 상기 금속 라이너 및 상기 메인 배선층이 노출된 연마 대상면을 슬러리 조성물을 이용하여 연마한다. 상기 슬러리 조성물은 탄소 동소체 및 그 유도체로부터 선택되는 물질로 이루어지는 부식 방지제와, 산화제를 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 양태에 따른 집적회로 소자의 제조 방법에서는 기판 상에 서로 다른 금속을 포함하는 제1 금속막 및 제2 금속막을 형성한다. 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막이 노출된 연마 대상면을 슬러리 조성물을 이용하여 연마한다. 상기 슬러리 조성물은 산소 원자를 함유하는 친수성 기를 포함하도록 산화 처리된 탄소 동소체로 이루어지고, 상기 슬러리 조성물의 총량을 기준으로 1 ppm 내지 5000 ppm의 양으로 포함된 부식 방지제와, 상기 슬러리 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 5 중량%의 양으로 포함된 산화제와, 물을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 슬러리 조성물에 의하면, 이종의 금속을 포함하는 복수의 금속막을 연마하는 데 있어서 상기 복수의 금속막 각각의 양호한 연마 속도를 유지하면서 상기 복수의 금속막 중 특정 금속막에서의 갈바닉 부식으로 인한 연마 손실을 방지함으로써 금속 배선 패턴의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 집적회로 소자의 제조 방법에 의하면, 부식 방지제로서 탄소 동소체 및 그 유도체로부터 선택되는 물질을 포함하는 슬러리 조성물을 사용함으로써, 연마 공정 후 얻어지는 연마된 표면에서 글로벌 평탄화도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 연마 장치의 일부 구성을 개략적으로 도시한 일부 절결 사시도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 슬러리 조성물에 포함되는 부식 방지제로 사용될 수 있는 산화 그래핀의 개략적인 구조를 예시한 도면이다.
도 3a는 Ru 박막에 대하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 예에 따른 슬러리 조성물을 적용한 경우의 전기화학 임피던스 측정(electrochemical impedance spectroscopy: EIS) 실험 데이터를 비교예와 함께 나타낸 그래프이다.
도 3b는 Cu 박막에 대하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 예에 따른 슬러리 조성물을 적용한 경우의 전기화학 임피던스 측정 실험 데이터를 비교예와 함께 나타낸 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 슬러리 조성물을 Ru 박막에 인가한 경우에 얻어진 GIXRD(grazing incidence angle x-ray diffraction) 분석 결과를 비교예와 함께 나타낸 스펙트럼이다.
도 4b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 슬러리 조성물을 Cu 박막에 인가한 경우에 얻어진 GIXRD 분석 결과를 비교예와 함께 나타낸 스펙트럼이다.
도 5는 연마 공정시 연마 대상막에 가해지는 압력과, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 슬러리 조성물 내에 포함된 부식 방지제의 함량이 연마 속도에 미치는 영향을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 연마 공정시 연마 대상막에 가해지는 압력과, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 슬러리 조성물 내에 포함된 부식 방지제의 종류가 연마 속도에 미치는 영향을 비교예와 함께 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 집적회로 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 연마 장치의 일부 구성을 개략적으로 도시한 일부 절결 사시도이다.
도 1을 참조하면, 연마 장치(10)는 기판(W)의 표면에 대하여 CMP(chemical mechanical polishing)을 수행하는 데 사용될 수 있다. 도 1에는 회전형 연마 장치(10)가 예시되어 있다.
연마 장치(10)는 플레이튼(12)과, 플레이튼(12)의 상면에 부착된 연마 패드(14)를 포함한다. 플레이튼(12)은 축(12A)을 중심으로 회전 가능하도록 설치될 수 있다. 연마 패드(14)는 지지층(14A) 및 연마층(14B)을 포함할 수 있다. 지지층(14A)은 연마 패드(14)를 연마 장치(10)의 플레이튼(12)에 부착될 수 있도록 지지하는 역할을 할 수 있다.
기판(W)은 예를 들면 금속, 절연층 등의 연마 대상막이 형성되어 있는 웨이퍼일 수 있다. 기판(W)은 반도체 소자를 형성하기 위한 기판, TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)를 형성하기 위한 기판, 유리 기판, 세라믹 기판, 폴리머 기판 등 다양한 기판으로 이루어질 수 있다.
연마 장치(10)는 연마 패드(14) 상에 본 발명의 기술적 사상에 의한 슬러리 조성물(20)을 공급하기 위한 노즐(16)과, 기판(W)이 로딩될 수 있는 헤드(30)를 포함한다. 헤드(30)는 회전 가능하게 구성될 수 있다. 헤드(30)는 헤드(30)에 로딩된 기판(W)이 플레이튼(12)에 대향하도록 위치된 상태에서 회전하면서 플레이튼(12)을 향해 기판(W)을 가압하도록 구성될 수 있다. 도 1에는 1 개의 헤드(30)만 도시되어 있으나, 연마 패드(14) 상에는 복수의 헤드(30)가 배치될 수 있다.
슬러리 조성물(20)은 탄소 동소체(carbon allotropes) 및 그 유도체로부터 선택되는 물질로 이루어지는 부식 방지제와, 산화제와, 물을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 슬러리 조성물(20)은 기판(W) 상에 포함된 이종(異種)의 금속을 포함하는 금속막을 동시에 연마하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 이종의 금속을 포함하는 금속막은 서로 다른 금속으로 이루어지는 제1 금속막과 제2 금속막을 포함할 수 있다. 상기 산화제는 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막 각각을 산화시킬 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 부식 방지제는 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막 중 갈바닉 부식에 더 취약한 양극의 금속막의 표면에 선택적으로 부착되어 상기 양극의 금속막이 과도하게 부식되는 것을 억제하는 물질로 이루어질 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 부식 방지제는 카르복실기, 카르보닐기, 에폭시기，히드록시기, 히드로퍼옥시기, 퍼옥시기, 이소시아네이트기, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 친수성 기를 포함하도록 산화 처리된 탄소 동소체로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 부식 방지제는 산화 그래핀, 산화 처리된 3 차원 탄소 구조체, 풀러레놀(fullerenol), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 슬러리 조성물에 포함되는 부식 방지제로서 사용될 수 있는 산화 그래핀의 개략적인 구조를 예시한 도면이다.
도 2에는 단층(monolayer) 산화 그래핀의 구조가 예시되어 있으나, 본 발명의 기술적 사상은 도 2에 예시한 바에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 부식 방지제를 구성하는 산화 그래핀은 반데르발스(Van der Waals) 인력에 의해 응집되어 약 수십 내지 수백 nm의 번들 형상으로 존재할 수도 있다. 상기 부식 방지제로서 산화 그래핀을 사용하는 경우, 시트(sheet) 형상의 2 차원 구조를 가지는 산화 그래핀이 연마 대상막에 포함된 복수의 금속막들 중 특정한 금속막을 선택적으로 패시베이션(passivation)할 수 있다. 또한, 산화 그래핀은 카르복실기, 히드록시기 등과 같은 친수성 작용기가 풍부하여 금속 양이온과의 흡착력이 높다. 산화 그래핀에 포함된 친수성 작용기들은 산화 그래핀의 물에 대한 용해도를 높이는 역할을 할 수 있으며, 연마 공정 중에 산화 그래핀이 슬러리 조성물에 내에 있는 양이온들과 흡착할 수 있도록 작용할 수 있다. 예를 들면, Cu 이온은 다른 금속에 비해 산화 그래핀과 비교적 용이하게 흡착할 수 있다. 따라서, 산화 그래핀은 Cu 막 표면에 흡착하여 상기 Cu 막을 패시베이션할 수 있다. 또한, 산화 그래핀은 연마 공정 후 세정에 의한 제거가 용이하여 연마 공정에 유리하게 적용될 수 있다.
상기 부식 방지제로서 산화 처리된 3 차원 탄소 구조체를 사용하는 경우, 상기 3 차원 탄소 구조체는 탄소 나노튜브(nanotube), 탄소 나노선(nanowire), 탄소 나노로드(nanorod), 탄소 나노니들(nanoneedle), 및 탄소 나노입자(nanoparticle) 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotubes: SWCNTs), 이중벽 탄소 나노튜브(double-walled carbon nanotubes: DWCNTs), 또는 다중벽 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotubes: MWCNTs)일 수 있다.
슬러리 조성물(20)에 탄소 동소체 및 그 유도체로부터 선택되는 물질로 이루어지는 부식 방지제가 포함됨으로써, 기판(W) 상의 이종의 금속막 각각에 대하여 양호한 연마 속도를 유지하면서 갈바닉 부식에 취약한 금속막의 과도한 부식을 효과적으로 억제할 수 있다. 상기 부식 방지제는 위에서 예시한 물질들 중에서 선택되는 1 종의 물질을 단독으로 사용할 수도 있고, 2 종 이상의 물질을 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 부식 방지제는 슬러리 조성물(20)의 총량을 기준으로 약 1 ppm 내지 약 5000 ppm의 양으로 포함될 수 있다. 슬러리 조성물(20)에서 상기 부식 방지제의 함량이 약 1 ppm 미만이면, 기판(W)의 연마면에서 노출되는 이종의 금속을 포함하는 복수의 금속막을 동시에 연마할 때 상기 복수의 금속막 각각의 양호한 연마 속도를 유지하기 어려울 수 있으며 상기 복수의 금속막 중 특정 금속막에서 갈바닉 부식으로 인한 연마 손실이 발생될 수 있다. 슬러리 조성물(20)에서 상기 부식 방지제의 함량이 약 5000 ppm을 초과하면, 기판(W)의 연마면에서 노출되는 이종의 금속을 포함하는 복수의 금속막을 동시에 연마할 때 상기 이종의 금속막 중 갈바닉 부식에 취약한 특정 금속막에서의 부식을 선택적으로 방지하기 위한 선택비가 저하될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 부식 방지제로서 사용 가능한 산화 그래핀은 약 0 nm 보다 크고 약 30 nm 이하인 범위 내에서 선택되는 평균 두께, 예를 들면 약 10 nm 이하의 평균 두께를 가질 수 있다. 산화 그래핀의 두께가 너무 크면, 기판(W) 상의 연마 대상막 중 갈바닉 부식에 취약한 금속막의 과도한 부식을 효과적으로 억제하는 데 한계가 있을 수 있다.
상기 산화제는 기판(W) 상에 있는 이종의 금속을 포함하는 복수의 금속막 각각을 산화시킴으로써 상기 복수의 금속막 각각의 연마 속도를 향상시키는 역할을 할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 산화제로서 과요오드산염, 과산화수소, 질산 화합물, 과할로겐산, 유기 과산화물, 과망간산 화합물, 중크롬산 화합물, 과황산염, 과탄산염, 헤테로 폴리산 등을 사용할 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 과요오드산염은 과요오드산 나트륨, 과요오드산 칼륨, 또는 과요오드산일 수 있다. 상기 질산 화합물은 질산 또는 질산 철일 수 있다. 상기 과할로겐산은 과염소산일 수 있다. 상기 유기 과산화물은 과아세트산, 과벤조산, 또는 터트(tert)-부틸히드로퍼옥시드일 수 있다. 상기 과망간산 화합물은 과망간산칼륨일 수 있다. 상기 중크롬산 화합물은 중크롬산칼륨일 수 있다. 상기 과황산염은 과황산나트륨, 과황산칼륨, 또는 과황산암모늄일 수 있다. 상기 과탄산염은 과탄산나트륨 또는 과탄산칼륨일 수 있다. 그러나, 상기 산화제로서 사용될 수 있는 물질의 종류가 상기 예시한 바에 한정되는 것은 아니다. 상기 산화제는 1 종의 물질을 단독으로 사용할 수도 있고, 2 종 이상의 물질을 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 산화제는 슬러리 조성물(20)의 총 중량을 기준으로 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 슬러리 조성물(20) 내에서 상기 산화제의 함량이 약 0.1 중량% 미만이면, 기판(W) 상의 금속막들의 산화가 충분하지 않아서 연마 속도가 너무 느려질 수 있으며, 약 5 중량%를 초과하면, 기판(W) 상의 금속막들의 산화가 너무 과도하여 연마 대상면에 리세스가 형성되거나 거칠기가 열화되어 원하는 형상의 결과물이 얻어지기 어려울 수 있다.
슬러리 조성물(20)에 포함되는 물은 순수(deionized water)일 수 있다. 슬러리 조성물(20)에 포함되는 물의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 슬러리 조성물(20) 내에서 상기 부식 방지제 및 상기 산화제를 포함하는 주요 구성들과 함께 잔량으로서 포함될 수 있다.
슬러리 조성물(20)은 연마 입자를 더 포함할 수 있다.
상기 연마 입자는 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 금속 산화물은 실리카, 세리아, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 바륨 티타니아, 게르마니아, 망가니아, 및 마그네시아 중에서 선택되는 적어도 1 종의 물질로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 금속 산화물은 유기물 또는 무기물로 코팅된 금속 산화물, 또는 콜로이달 상태의 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 상기 연마 입자는 구형(spherical shape), 각형(角形), 침상형(needle shape), 또는 판상형 형상을 가질 수 있다.
상기 연마 입자는 약 10 nm 내지 약 300 nm의 평균 입경을 가질 수 있다. 상기 연마 입자의 평균 입경이 약 10 nm 미만인 경우, 연마 대상막의 연마 속도가 감소할 수 있다. 상기 연마 입자의 평균 입경이 약 300 nm를 초과하는 경우, 연마 대상면의 표면 결함을 억제하는 측면 및 연마 속도를 제어하는 측면에서 불리할 수 있다.
슬러리 조성물(20)에 연마 입자가 포함되는 경우, 상기 연마 입자는 슬러리 조성물(20)의 총 중량을 기준으로 0 중량%보다 크고 약 15 중량%보다 적은 양으로 포함될 수 있다. 일 예에서, 상기 연마 입자는 슬러리 조성물(20)의 총 중량을 기준으로 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에 의한 슬러리 조성물(20)은 비교적 적은 함량의 연마 입자를 포함하는 경우에도 연마 대상막에 대한 우수한 연마 성능을 발휘할 수 있다.
슬러리 조성물(20)은 약 7 내지 약 11의 범위 내에서 선택되는 pH를 가질 수 있다. 예를 들면, 슬러리 조성물(20)은 약 9 내지 약 10의 범위 내에서 선택되는 pH를 가질 수 있다.
슬러리 조성물(20)은 슬러리 조성물(20)의 pH를 조절하기 위한 pH 조절제를 더 포함할 수 있다. 상기 pH 조절제는 암모니아, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화마그네슘, 수산화루비듐, 수산화세슘, 탄산수소나트륨, 탄산나트륨, 트리에탄올아민, 트로메타민(tromethamine), 나이아신아마이드(niacinamide), 질산, 황산, 인산, 염산, 아세트산, 시트르산, 글루타르산, 글루콜산, 포름산, 젖산, 말산, 말론산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 타르타르산, AMP(ammonium methyl propanol), TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide), 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으나, 상기 예시한 바에 한정되는 것은 아니다. 슬러리 조성물(20) 내에서 상기 pH 조절제는 슬러리 조성물(20)에서 요구되는 pH를 조절하는 데 필요한 양만큼 포함될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
슬러리 조성물(20)은 연마 가속제를 더 포함할 수 있다. 상기 연마 가속제는 상기 산화제의 산화 능력을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 연마 가속제는 유기산, 아미노산, 킬레이트제, 고분자 유기산, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 유기산은 포름산(formic acid), 피콜리닉산(picolinic acid), 니코틴산(nicotinic acid), 이소니코틴산(isonicotinic acid), 퓨자릭산(fusaric acid), 디니코틴 산(dinicotinic acid), 디피코니릭산(dipiconilic acid), 루티디닉산(lutidinic acid), 퀴노릭산(quinolic acid), 글루탐산(glutamic acid), 알라닌(alanine), 글리신(glycine), 시스틴(cystine), 히스티딘(histidine), 아스파라긴(asparagine), 구아니딘(guanidine), 히드라진(hydrazine), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 아세트산(acetic acid), 벤조산(benzoic acid), 옥살산(oxalic acid), 숙신산(succinic acid), 말산(malic acid), 말레산(maleic acid), 말론산(malonic acid), 시트르산(citric acid), 젖산(lactic acid), 트리카발산(tricarballyic acid), 타르타르산(tartaric acid), 아스파트산(aspartic acid), 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 수베르산(suberic acid), 푸마르산(fumaric acid), 프탈산(phthalic acid), 피리딘카르복실산(pyridinecarboxylic acid), 및 이들의 염 중에서 선택될 수 있다. 상기 아미노산은 글루탐산, 알라닌, 글리신, 아르기닌, N-메틸글리신, 에틸글리신, 리신, 및 아스파트산 중에서 선택될 수 있다. 상기 킬레이트제는 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA), 니트릴로트리아세트산(NTA), 이미노디아세트산(IDA), 및 퀴놀린산(QNA) 중에서 선택될 수 있다. 상기 고분자 유기산으로서 폴리아크릴산(PAA)을 사용할 수 있다.
상기 연마 가속제는 슬러리 조성물(20)의 총 중량을 기준으로 약 0.01 중량% 내지 약 10 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 슬러리 조성물(20) 내에서 상기 연마 가속제의 함량이 약 0.01 중량% 미만이면, 상기 연마 가속제에 의한 산화 능력 향상 효과가 미약할 수 있다. 약 10 중량%를 초과하는 경우에는 연마 대상면의 표면 결함이 발생될 수 있다.
슬러리 조성물(20)은 분산 안정제를 더 포함할 수 있다. 상기 분산 안정제는 슬러리 조성물(20) 내에 포함된 부식 방지제 및/또는 연마 입자들의 분산 안정성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
상기 분산 안정제는 비이온성 고분자 또는 양이온성 유기 화합물을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 분산 안정제는 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 글리콜디스테아레이트(glycol distearate), 글리콜 모노스테아레이트(glycol monostearate), 글리콜 폴리머레이트(glycol polymerate), 글리콜 에테르(glycol ether)류,　알킬아민(alkylamine)을 포함하는 알코올(alcohol)류, 폴리머레이트에테르(polymerate ether)를 포함하는 화합물, 비닐 피롤리돈(vinyl pyrrolidone), 셀룰로스(cellulose)류, 에톡실레이트(ethoxylate) 계열의 화합물을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 분산 안정제는 디에틸렌 글리콜 헥사데실 에테르(diethylene glycol hexadecyl ether), 데카에틸렌 글리콜 헥사데실 에테르(decaethylene glycol hexadecyl ether), 디에틸렌 글리콜 옥타데실 에테르(diethylene glycol octadecyl ether), 에이코사에틸렌 글리콜 옥타데실 에테르(eicosaethylene glycol octadecyl ether), 디에틸렌글리콜 올레일 에테르(diethylene glycol oleyl ether), 데카에틸렌 글리콜 올레일 에테르(decaethylene glycol oleyl ether), 데카에틸렌글리콜 옥타데실 에테르(decaethylene glycol octadecyl ether), 노닐페놀 폴리에틸렌글리콜 에테르(nonylphenol polyethylene glycol ether), 에틸렌디아민 테트라키스(에톡시레이트-블록-프로폭시레이트)테트롤(ethylenediamine tetrakis(ethoxylate-block- propoxylate) tetrol), 에틸렌디아민 테트라키스(프로폭실레이트-블록-에톡시레이트) 테트롤(ethylenediamine tetrakis(propoxylate-block-ethoxylate) tetrol), 폴리에틸렌-블록-폴리(에틸렌글리콜)(polyethylene-block-poly(ethylene glycol)), 폴리옥시에틸렌 이소옥틸페닐 에테르(polyoxyethylene isooctylphenyl ether), 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐 에테르(polyoxyethylene octylphenyl ether), 폴리옥시에틸렌 트리데실 에테르(polyoxyethylene tridecyl ether), 폴리옥시에틸렌 솔비탄 테트라올리에이트(polyoxyethylene sorbitan tetraoleate), 폴리옥시에틸렌 솔비톨 헥사올리에이트(polyoxyethylene sorbitol hexaoleate), 폴리에틸렌글리콜 솔비탄 모노라우레이트(polyethylene glycol sorbitan monolaurate), 폴리옥시에틸렌 솔비탄 모놀라우레이트(polyoxyethylene sorbitan monolaurate), 솔비탄 모노팔미테이트(sorbitan monopalmitate), 에프에스-300 비이온성 플루오로서팩턴트(FS-300 nonionic fluorosurfactant), 에프에스엔 비이온성 플루오로서팩턴트(FSN nonionic fluorosurfactant), 에프에스오 비이온성 에톡실레이티드 플루오로서팩턴트(FSO nonionic ethoxylated fluorosurfactant), 비닐 피롤리돈(vinyl pyrrolidone), 2,4,7,9,-테트라메틸-5-데신-4,7-디올 에톡실레이트(2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol ethoxylate), 8-메틸-1-노나놀-프로폭시레이트-블록-에톡시레이트(8-methyl-1-nonanol propoxylate-block-ethoxylate), 알릴 알코올 1,2-부톡시레이트-블록-에톡시레이트(allyl alcohol 1,2-butoxylate-block-ethoxylate), 폴리옥시에틸렌 브랜치드 노닐사이클로헥실 에테르(polyoxyethylene branched nonylcyclohexyl ether), 및 폴리옥시에틸렌 이소옥틸사이클로헥실 에테르(polyoxyethylene isooctylcyclohexyl ether) 중에서 선택될 수 있으나, 상기 예시한 바에 한정되는 것은 아니다.
상기 분산 안정제는 슬러리 조성물(20)의 총 중량을 기준으로 약 0.001 중량% 내지 약 1.0 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 슬러리 조성물(20) 내에서 상기 분산 안정제의 함량이 약 1.0 중량%를 초과하는 경우에는 연마 효율 및/또는 분산 안정성에 악영향을 미칠 수 있다.
슬러리 조성물(20)은 계면활성제를 더 포함할 수 있다. 상기 계면활성제는 슬러리 조성물(20)의 연마 대상면에 대한 접촉각을 감소시키고, 연마 대상면에서 균일한 연마 속도가 유지될 수 있도록 도와주는 역할을 할 수 있다.
상기 계면활성제는 비이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제, 음이온계 계면활성제, 또는 양성 계면활성제로 이루어질 수 있다. 상기 계면활성제는 슬러리 조성물(20)의 총 중량을 기준으로 약 0.001 중량% 내지 약 0.5 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 슬러리 조성물(20) 내에서 상기 계면활성제의 함량이 약 0.5 중량%를 초과하는 경우에는 다량의 거품 발생으로 인해 연마 공정의 효율을 저하시킬 수 있다.
슬러리 조성물(20)은 소포제를 더 포함할 수 있다. 상기 소포제는 기판(W)의 연마 공정 중에 슬러리 조성물(20)에서 거품이 발생되는 것을 억제하는 역할을 할 수 있다.
상기 소포제로서, 실리콘계 소포제 또는 비실리콘계 소포제를 사용할 수 있다. 상기 실리콘계 소포제로는 C1-C5의 폴리디알킬실록산을 함유하는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 비실리콘계 소포제는 C1-C5의 폴리알킬렌글리콜을 함유하는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 소포제의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 상기 계면활성제의 사용량에 따라 적절히 조절하여 사용할 수 있다.
슬러리 조성물(20)은 레벨링제(leveling agent)를 더 포함할 수 있다. 상기 레벨링제는 연마 대상면에서의 요철을 저감시키는 역할을 할 수 있다.
상기 레벨링제는 염화암모늄, 라우릴황산암모늄, 폴리에틸렌글리콜, 폴리옥시에틸렌알킬에테르황산트리에탄올아민, 폴리비닐피롤리돈, 및 폴리아크롤레인으로부터 선택될 수 있다.
상기 레벨링제는 슬러리 조성물(20)의 총 중량을 기준으로 약 0.1 중량% 내지 약 1.0 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 슬러리 조성물(20) 내에서 상기 레벨링제의 함량이 약 1.0 중량%를 초과하는 경우에는 연마 대상면의 물리적 손상을 유발하거나, 연마 공정의 효율을 저하시킬 수 있다.
슬러리 조성물(20)은 유기 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 유기 용매는 연마 대상막 중 금속막의 젖음성(wettability)을 향상시켜 금속막의 연마 속도를 더욱 향상시키는 역할을 할 수 있다.
상기 유기 용매는 물과 혼합 가능한 물질로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 유기 용매는 글리콜류, 글리콜류의 유도체, 알코올류, 및 탄산에스테르류로부터 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 유기 용매는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 트리프로필렌글리콜, 메탄올, 에탄올, 프로판올, n-부탄올, n-펜탄올, n-헥산올, 이소프로판올, 3-메톡시-3-메틸-1-부탄올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 디메틸포름아미드, n-메틸피롤리돈, 아세트산에틸, 및 락트산에틸로부터 선택될 수 있으나, 상기 예시한 바에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기 용매는 슬러리 조성물(20)의 총 중량을 기준으로 약 0.1 중량% 내지 약 50 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 슬러리 조성물(20) 내에서 상기 유기 용매의 함량이 약 50 중량%를 초과하면, 인화 가능성이 높아지는 등 연마 공정의 안전성에 악영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 슬러리 조성물(20)은 연마 대상면에서 이종의 금속을 포함하는 복수의 금속막을 연마하는 데 있어서 상기 복수의 금속막 각각의 양호한 연마 속도를 유지하면서 상기 복수의 금속막 중 특정 금속막에서의 갈바닉 부식으로 인한 연마 손실을 방지할 수 있다.
다음에, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 슬러리 조성물의 기능 및 효과를 비교예와 함께 평가한 예들을 설명한다.
평가예 1: 슬러리 조성물의 선택적 부식 방지 효과 평가
연마 대상막에 포함된 복수의 금속막의 임피던스 측정을 통하여 연마 대상막에 포함된 복수의 금속막 중 갈바닉 부식에 취약한 특정 금속막에 대한 선택적인 부식 방지 효과를 평가하였다.
본 평가를 위하여, 본 발명의 기술적 사상에 의한 슬러리 조성물(예 1)과, 비교예에 따른 슬러리 조성물(비교예 1)을 준비하였다. 예 1의 슬러리 조성물에는 부식 방지제로서 100 ppm의 산화 그래핀과, 산화제로서 2 wt%의 NaIO4와, 순수가 포함되었다. 또한, NaOH를 이용하여 예 1의 슬러리 조성물의 pH를 9로 하였다. 비교예 1에 따른 슬러리 조성물은 100 ppm의 산화 그래핀 대신 100 ppm의 BTA(benzotriazole)을 포함하는 것을 제외하고 예 1의 슬러리 조성물과 동일한 조성을 가졌다.
본 평가에서, 임피던스 측정을 위한 전기화학 셀은 통상적인 전기화학 시스템인 삼전극 셀을 이용하였다. 작업 전극(working electrode)으로서 실리콘(Si) 웨이퍼 위에 루테늄(Ru) 박막과 구리(Cu) 박막을 형성하였고, 상대 전극(counter electrode)으로서 백금(Pt) 코일을 사용하고, 기준 전극(reference electrode)으로서 Ag/AgCl이 용존된 KCl 전해액을 사용하였다. 전해액 내 노출된 Ru 박막 및 Cu 박막의 넓이는 각각 0.25 cm2 이었다.
도 3a는 Ru 박막에 대하여 예 1의 슬러리 조성물을 적용한 경우("GO")와, 비교예 1에 따른 슬러리 조성물을 적용한 경우("BTA") 각각의 전기화학 임피던스 측정(electrochemical impedance spectroscopy: EIS) 실험 데이터를 나타낸 그래프이다. 도 3b는 Cu 박막에 대하여 예 1의 슬러리 조성물을 적용한 경우("GO")와, 비교예 1에 따른 슬러리 조성물을 적용한 경우("BTA")의 EIS 실험 데이터를 나타낸 그래프이다.
EIS 측정은 전극 표면의 전기화학적 거동을 보는 대표적인 방법 중 하나이다. 임피던스 측정 결과 얻어진 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)에서 나타나는 반원의 크기가 클수록 전기화학 반응 속도가 느린 것을 의미한다.
도 3a에서, Ru 박막은 BTA의 경우에 나이퀴스트 플롯에서 나타나는 반원의 지름이 1.6 kΩ이고, GO의 경우에 나이퀴스트 플롯에서 나타나는 반원의 지름이 0.7 kΩ이었다. 이와 같은 결과로부터, BTA의 경우에 비해 GO의 경우가 Ru 박막 표면에서 전기화학 반응이 더 빠르게 일어날 수 있는 가능성을 확인하였다.
도 3b에서, Cu 박막의 경우는, Ru 박막의 경우와 달리, BTA의 경우에 나이퀴스트 플롯에서 나타나는 반원의 지름이 6.4 kΩ이고, GO의 경우에 나이퀴스트 플롯에서 나타나는 반원의 지름이 16. 9 kΩ이었다. 이와 같은 결과로부터, GO의 경우가 Cu 박막의 전기화학 반응을 더욱 효과적으로 방어한다는 것을 알 수 있다.
도 3a 및 도 3b의 결과로부터, GO의 경우에는 BTA의 경우에 비해 Cu 박막을 보호하기 위한 패시베이션 효과가 더 크면서도, Ru 박막과 Cu 박막 중 Cu 박막을 선택적으로 보호하는 효과는 GO의 경우가 더 유리하다는 것을 확인할 수 있다.
평가예 2: GIXRD (grazing incidence angle x-ray diffraction) 분석 평가
본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 슬러리 조성물을 Si 웨이퍼 위에 형성된 Cu 박막 및 Ru 박막 상에 인가하였을 때 상기 슬러리 조성물 내에 포함된 부식 방지제가 Cu 박막 및 Ru 박막 표면에 잔류되어 있거나 Cu 박막 및 Ru 박막 위에 보호막을 형성하고 있는지에 대하여 다음과 같이 표면 분석을 진행하였다.
본 평가를 위하여, 본 발명의 기술적 사상에 의한 슬러리 조성물들(예 2-1 및 예 2-2)과, 비교예에 따른 슬러리 조성물(비교예 2)을 준비하였다.
예 2-1의 슬러리 조성물 100 mL 내에는 부식 방지제로서 2.174 mg의 산화 그래핀과, 산화제로서 6.522 mg의 NaIO4와, 347.8 mg의 NaOH와, 전해질 및 pH 버퍼로서 123.5 mg의 Na2SO4와, 잔량의 순수가 포함되었다. 예 2-2의 슬러리 조성물은 NaIO4를 포함하지 않는 것을 제외하고 예 2-1의 제1 슬러리 조성물과 동일하였다. 비교예 2의 슬러리 조성물은 산화 그래핀을 포함하지 않는 것을 제외하고 예 2-1의 제1 슬러리 조성물과 동일하였다. 예 2-1의 슬러리 조성물과 예 2-2의 슬러리 조성물의 평가 결과로부터, 슬러리 조성물에서 산화제의 포함 여부에 따른 차이를 확인할 수 있다.
도 4a는 Ru 박막에 예 2-1의 슬러리 조성물을 인가한 경우("Ru-GO-NaIO4"), Ru 박막에 예 2-2의 슬러리 조성물을 인가한 경우("Ru-GO"), Ru 박막에 비교예 2의 슬러리 조성물을 인가한 경우("Ru-NaIO4"), 및 Ru 박막에 대하여 아무런 처리를 하지 않은 경우("Ru") 각각에 대한 GIXRD 분석 결과를 나타낸 스펙트럼이다.
도 4a의 결과에서는 Ru 및 Si의 결정 구조에 해당하는 피크들이 모든 경우에서 관찰되고, 산화 그래핀 및 Ru 산화물에 해당되는 피크는 관찰되지 않았다. 예 2-1 및 비교예 2와 같이 산화제 NaIO4를 포함하는 슬러리 조성물의 경우에도 Ru에 해당하는 피크의 크기 감소는 관찰되나, Ru 산화물에 해당하는 피크는 관찰되지 않았다. 이는 산화제에 의해 생성된 RuO2·H2O 가 비정질(amorphous) 구조로 되어있기 때문이다. RuO2 결정 구조는 200 ℃ 이상의 온도에서 수 시간 동안 RuO2·H2O를 어닐링해야 얻어지므로, 도 4a의 결과에서는 Ru 산화물에 해당하는 피크는 관찰되지 않은 것이다. 따라서, 도 4a의 결과로부터는 RuO2의 존재를 명확하게 확인할 수 없으며, 어닐링 과정을 거쳐 RuO2 결정이 형성된 후에만 XRD로 확인이 가능하다. 그러나, 예 2-1 및 비교예 2와 같이 산화제 NaIO4를 포함하는 슬러리 조성물의 경우에 Ru의 피크들의 인텐시티(intensity)가 감소된 결과로부터 RuO2가 생성되었다는 것을 간접적으로 확인할 수 있다. 또한, 도 4a의 결과에서는 산화 그래핀의 피크도 관찰되지 않는다. 이는 산화 그래핀과 Ru와의 상호작용이 매우 적었거나 산화 그래핀이 물에 용해되어 씻겨나갔기 때문에 Ru 표면에서 관찰되지 않았던 것으로 판단할 수 있다.
도 4b는 Cu 박막에 예 2-1의 슬러리 조성물을 인가한 경우("Cu-GO-NaIO4"), Cu 박막에 예 2-2의 슬러리 조성물을 인가한 경우("Cu-GO"), Cu 박막에 비교예 2의 슬러리 조성물을 인가한 경우("Cu-NaIO4"), 및 Cu 박막에 대하여 아무런 처리를 하지 않은 경우("Cu") 각각에 대한 GIXRD 분석 결과를 나타낸 스펙트럼이다.
도 4b의 결과에서는 Cu에 해당되는 피크들이 도 4a에 나타난 Ru의 경우에 비해 크게 나타났다. 이는 평가에 사용된 Cu 박막의 두께가 Ru 박막의 두께보다 더 컸기 때문이다.
도 4b에서 예 2-1 및 비교예 2와 같이 산화제 NaIO4를 포함하는 슬러리 조성물의 경우, Cu2O의 피크가 산화제를 포함하지 않는 경우들보다 더 크다. 이와 같은 결과로부터, 산화제에 의해 Cu2O가 생성되었다는 것을 알 수 있다. 또한, 예 2-1과 같이 산화제 및 산화 그래핀을 함께 포함하는 슬러리 조성물을 사용한 경우에는 비교예 2와 같이 산화 그래핀은 포함하지 않고 산화제만 포함하는 슬러리 조성물을 사용한 경우에 비해 Cu2O 피크가 감소한 것을 볼 수 있다. 이는 산화 그래핀이 Cu 박막 표면의 산화를 억제했기 때문이라고 판단할 수 있다. 또한, Cu 박막 표면에서 산화 그래핀이 관찰되지 않는 이유는, 산화 그래핀이 Cu 박막의 Cu 이온과 함께 착물(complex)을 형성하는 경우에도 산화 그래핀은 산화환원 및 연마 과정에만 개입하고 슬러리 조성물에 포함된 순수에 용해되어 씻겨나갔기 때문이라고 판단할 수 있다.
또한, 도 4b에서 예 2-1 및 비교예 2와 같이 산화제 NaIO4를 포함하는 슬러리 조성물의 경우, 2θ가 13 도 및 25 도인 부분들에서 새로운 피크가 나타나는데, 이는 산화제에 의해 Cu(IO3)2 및 Cu(IO4)2 화합물이 생성되었기 때문인 것으로 해석할 수 있다. 즉, 2θ가 13 도 및 25 도인 부분들에서 나타나는 피크들은 Cu(IO3)2 및 Cu(IO4)2 에 해당하는 것이라고 추정할 수 있다.
평가예 3: 연마 속도 평가
본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 슬러리 조성물을 사용하여 연마 대상막에 포함된 복수의 금속막을 연마하고, 상기 복수의 금속막 각각의 연마 속도를 평가하였다.
본 평가를 위하여, 본 발명의 기술적 사상에 의한 슬러리 조성물들(예 3 및 예 4)과, 비교예에 따른 슬러리 조성물(비교예 3)을 준비하였다. 예 3의 슬러리 조성물에는 부식 방지제로서 100 ppm의 산화 그래핀과, 산화제로서 2 wt%의 NaIO4와, 연마 입자로서 2 wt%의 실리카와, 순수가 포함되어 있다. 예 4의 슬러리 조성물은 25 ppm의 산화 그래핀을 포함하는 것을 제외하고, 예 3의 슬러리 조성물과 동일하다. 또한, NaOH를 이용하여 예 3 및 예 4의 슬러리 조성물의 pH를 9로 하였다. 비교예 3의 조성물은 산화 그래핀 대신 BTA을 포함하는 것을 제외하고 예 3의 슬러리 조성물과 동일하다.
예 3 및 비교예 3의 슬러리 조성물을 사용하여 Cu 막과 Ru 막 각각에 대하여 1.5 psi의 연마 압력을 인가하면서 연마하고, 이 때 Cu 막과 Ru 막 각각의 연마에 의한 제거율을 측정하였다. 그 결과, 예 3의 경우는 Cu 막의 제거율이 562 Å/min이고, Ru 막의 제거율이 350 Å/min이었다. 반면, 비교예 3의 경우는 Cu 막의 제거율이 1040 Å/min이고, Ru 막의 제거율이 332 Å/min이었다. 즉, Cu 막의 제거율은 예 3의 경우가 비교예 3의 경우의 약 절반 수준이고, Ru 막의 제거율은 예 3의 경우와 비교예 3의 경우가 유사한 수준이었다. 이와 같은 결과로부터, 슬러리 조성물에서 부식 방지제로서 사용된 산화 그래핀과 BTA의 차이가 Ru 막의 연마에 의한 제거율에 미치는 영향은 거의 없다는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 산화 그래핀은 금속 양이온들과 결합하여 착물을 형성하는 성질이 있다는 점을 고려할 때, 상기 평가 결과로부터, 산화 그래핀은 Ru 보다는 Cu에 더 강하게 흡착하여 착물을 형성한다는 것을 알 수 있다. 즉, 산화 그래핀은 Ru 이온에 비해 Cu 이온과 더 강하게 결합하여 산화 그래핀과 Cu와의 착물을 형성하고, 이와 같이 형성된 착물은 Cu 막이 연마되는 것을 방해하는 역할을 하여 Cu 막의 연마 속도가 감소된 것이라고 판단할 수 있다.
도 5는 연마 공정시 연마 대상막에 가해지는 압력과, 예 3 및 예 4의 슬러리 조성물 내에 포함된 부식 방지제의 함량이 연마 속도에 미치는 영향을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
압력과 부식 방지제 함량의 연마 속도에 대한 영향을 평가하기 위하여, 예 3 및 예 4의 슬러리 조성물을 사용하여 Cu 막과 Ru 막 각각에 대하여 1.0 psi 및 3.0 psi의 연마 압력을 인가하면서 연마하고, 이때 Cu 막과 Ru 막 각각의 연마에 의한 제거율을 측정하였다.
도 5의 결과에 따르면, 예 3의 슬러리 조성물을 사용한 경우는 연마 압력이 1.0 psi일 때 Cu 막의 제거율과 Ru 막의 제거율의 차이가 매우 작은 수준이며, 3.0 psi인 경우에는 1.0 psi인 경우에 비해 Cu 막 및 Ru 막의 연마 속도가 약 1.5 배 증가하였다. 또한, 예 4의 슬러리 조성물을 사용한 경우, 즉 산화 그래핀의 함량이 예 3의 경우에 비해 0.25 배 낮아진 경우, 연마 압력이 1.0 psi 및 3.0 psi일 때 Cu 막의 제거율과 Ru 막의 제거율의 차이가 매우 작은 수준인 것으로 확인되었다. 도 5의 결과로부터, 산화 그래핀의 함량이 비교적 낮은 수준에서도 산화 그래핀에 의한 Cu 막의 선택적 보호 효과를 충분히 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 연마 공정시 연마 대상막에 가해지는 압력과, 예 3 및 예 4의 슬러리 조성물 내에 포함된 부식 방지제의 종류가 연마 속도에 미치는 영향을 비교예 3과 함께 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
연마 대상막에 가해지는 압력과, 슬러리 조성물 내에 포함된 부식 방지제의 종류가 연마 속도에 미치는 영향을 평가하기 위하여, 연마 압력 1.0 psi 및 3.0 psi 각각의 경우에, 부식 방지제로서 100 ppm의 산화 그래핀을 포함하는 예 3의 슬러리 조성물과, 부식 방지제로서 25 ppm의 산화 그래핀을 포함하는 예 4의 슬러리 조성물과, 부식 방지제로서 100 ppm의 BTA를 포함하는 비교예 3의 슬러리 조성물을 사용하여 Cu 막을 연마하였다.
도 6의 결과에서, 예 3 및 예 4의 슬러리 조성물을 사용한 경우, 연마 압력이 1.0 psi인 경우보다 3.0 psi인 경우에 Cu 막의 연마 속도가 약 1.5 배 증가한 것을 확인할 수 있다. 반면, 비교예 3의 슬러리 조성물을 사용한 경우, 연마 압력이 1.0 psi로부터 3.0 psi로 증가되었을 때 Cu 막의 연마 속도가 약 2 배 증가하였다. 이는 BTA가 일정 압력 이내에서는 Cu 표면에 흡착하여 패시베이션 막을 형성하였다가, 압력이 높아지면 상기 패시베이션 막이 압력에 의해 Cu 막으로부터 떨어져 나와 Cu 막에 대한 패시베이션 능력이 저하되는 것을 의미한다.
집적회로 소자에 필요한 다양한 배선 패턴을 형성하기 위한 복수의 금속막을 포함하는 웨이퍼의 연마 대상면을 연마하는 데 있어서, 상기 연마 대상면에서 상기 복수의 금속막의 형성 밀도에 따라 가해지는 압력이 달라질 수 있다. 이 경우, 연마 공정시 웨이퍼 상의 위치에 따라 연마 대상면에 가해지는 압력에 따른 패시베이션 능력의 편차가 커지게 되면 고단차 영역의 부식 가능성이 높아질 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 슬러리 조성물에 따르면, 부식 방지제로서 탄소 동소체 및 그 유도체로부터 선택되는 물질을 포함하고, 상기 부식 방지제에 의해 상기 복수의 금속막 중 부식에 취약한 특정 금속막이 선택적으로 패시베이션될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 슬러리 조성물을 사용하는 경우에는 BTA를 포함하는 슬러리 조성물을 사용하는 경우에 비해 연마 공정 후 얻어지는 웨이퍼 표면에서 글로벌 평탄화도가 향상될 수 있다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 집적회로 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 7a를 참조하면, 기판(100) 상에 제1 식각 저지막(112) 및 하부 절연막(114)을 형성하고, 하부 절연막(114) 및 제1 식각 저지막(112)을 관통하여 기판(100)의 도전 영역(도시 생략)에 전기적으로 연결 가능한 하부 도전막(120)을 형성한다.
기판(100)은 Si 또는 Ge와 같은 반도체, 또는 SiGe, SiC, GaAs, InAs, 또는 InP와 같은 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 기판(100)은 게이트 구조물, 불순물 영역, 콘택 플러그 등과 같은 회로 소자들(도시 생략)을 포함할 수 있다.
제1 식각 저지막(112)은 하부 절연막(114)과는 다른 식각 선택비를 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제1 식각 저지막(112)은 실리콘 질화막, 탄소 도핑된 실리콘 질화막, 탄소 도핑된 실리콘 산화질화막, 금속 질화막, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 하부 절연막(114)은 실리콘 산화물 계열의 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 하부 절연막(114)은 PEOX(plasma enhanced oxide), TEOS(tetraethyl orthosilicate), BTEOS(boro TEOS), PTEOS(phosphorous TEOS), BPTEOS(boro phospho TESO), BSG(boro silicate glass), PSG(phospho silicate glass), BPSG(boro phospho silicate glass), 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
하부 도전막(120)은 금속막과 상기 금속막을 포위하는 도전성 배리어막을 포함할 수 있다. 상기 금속막은 Cu, W, Al, Co, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 도전성 배리어막은 Ta, TaN, Ti, TiN, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 하부 도전막(120)은 기판(100)에 형성된 도전 영역, 예를 들면 트랜지스터의 소스/드레인 영역(도시 생략) 또는 게이트 전극(도시 생략)에 연결될 수 있다.
하부 절연막(114) 상에 제2 식각 저지막(122) 및 층간절연막(124)을 형성하고, 층간절연막(124) 및 제2 식각 저지막(122)을 관통하여 하부 도전막(120)을 노출시키는 홀(MH)을 형성한다.
제2 식각 저지막(122) 및 층간절연막(124)에 대한 보다 구체적인 구성은 제1 식각 저지막(112) 및 하부 절연막(114)에 대하여 설명한 바와 대체로 동일하다. 예시적인 실시예들에서, 층간절연막(124)은 하부 절연막(114)을 구성하는 절연막보다 더 낮은 유전율을 가지는 절연막으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 층간절연막(124)은 약 2.2 내지 약 2.4의 초저유전상수 (ultra low dielectric constant K)를 가지는 ULK (ultra low K) 막으로 이루어질 수 있다. 상기 ULK 막은 예를 들면 SiOCN 막, SiOC 막, SiCOH 막, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
층간절연막(124)에 홀(MH)을 형성하기 위하여, 서로 다른 식각 선택비를 가지는 복수의 식각 마스크 패턴을 이용하여 층간절연막(124) 및 제2 식각 저지막(122)을 건식 식각할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 층간절연막(124)의 홀(MH) 내에 도전성 배리어막(132) 및 금속 라이너(134)를 차례로 형성한다. 도전성 배리어막(132) 및 금속 라이너(134)는 각각 홀(MH)의 내부 및 외부에서 층간절연막(124)의 표면들을 컨포멀하게 덮도록 형성될 수 있다.
도전성 배리어막(132)은 Ta, TaN, Ti, TiN, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 금속 라이너(134)는 도전성 배리어막(132)에 포함된 금속과는 다른 금속을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 금속 라이너(134)는 Cu, Co, Ru, Ta, Ti, W, Mo, Ni, Mn, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
도전성 배리어막(132) 및 금속 라이너(134)를 형성하기 위하여 PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), 또는 이들의 조합으로 이루어지는 공정을 이용할 수 있다.
도 7c를 참조하면, 도 7b의 결과물 상에서 홀(MH)을 채우는 메인 배선층(136)을 형성한다. 메인 배선층(136)은 홀(MH)의 내부 및 외부에서 금속 라이너(134)를 덮도록 형성될 수 있다.
메인 배선층(136)은 금속 라이너(134)에 포함된 금속과는 다른 금속을 포함할 수 있다. 금속 라이너(134) 및 메인 배선층(136)은 서로 다른 일함수를 가지는 금속으로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 메인 배선층(136)은 Cu, Co, Ru, Ta, Ti, W, Mo, Ni, Mn, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 예를 들면, 금속 라이너(134)는 Ru로 이루어지고, 메인 배선층(136)은 Cu로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7d를 참조하면, 도 7c의 결과물에서 메인 배선층(136)의 일부를 제거하여 금속 라이너(134) 중 일부를 노출시킨다. 메인 배선층(136)의 일부를 제거한 후, 메인 배선층(136)의 주위에서 금속 라이너(134)의 일부가 노출될 수 있다. 금속 라이너(134) 중 메인 배선층(136)의 주위에서 노출되는 부분은 홀(MH)의 외부에서 층간절연막(124)의 상면을 덮는 부분일 수 있다.
금속 라이너(134)의 일부가 노출될 때까지 메인 배선층(136)의 일부를 제거하기 위하여 제1 연마 공정을 수행할 수 있다. 상기 제1 연마 공정은 제1 슬러리 조성물을 이용하는 CMP 공정을 포함할 수 있다. 상기 제1 슬러리 조성물은 특별히 제한되는 것은 아니며, 메인 배선층(136)을 구성하는 금속을 제거할 수 있다면 어떠한 것이라도 제한 없이 사용될 수 있다. 제1 슬러리 조성물은 메인 배선층(136)을 구성하는 금속에 대하여 비교적 큰 연마 속도를 제공할 수 있는 조성물로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제1 슬러리 조성물은 실리카로 이루어지는 연마 입자와 과산화수소로 이루어지는 산화제를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7e를 참조하면, 도 7d의 결과물을 제2 슬러리 조성물을 이용하여 연마하여 층간절연막(124)의 상면을 노출시킨다. 그 결과, 층간절연막(124)의 홀(MH) 내부를 채우는 도전성 배리어막(132), 금속 라이너(134), 및 메인 배선층(136)을 포함하는 복수의 배선 패턴(WP)이 얻어질 수 있다.
상기 제2 슬러리 조성물은 도 7d를 참조하여 설명한 제1 슬러리 조성물과는 다른 조성을 가질 수 있다. 상기 제2 슬러리 조성물은 도 1을 참조하여 슬러리 조성물(20)에 대하여 설명한 바와 동일한 구성을 가질 수 있다.
제2 슬러리 조성물을 이용하여 층간절연막(124)의 상면이 노출될 때까지 금속 라이너(134) 및 메인 배선층(136)이 노출된 연마 대상면을 연마하는 동안, 도전성 배리어막(132) 및 금속 라이너(134) 중 층간절연막(124)의 상면을 덮는 부분들과, 메인 배선층(136)의 일부가 연마에 의해 제거될 수 있다. 이 과정에서, 상기 제2 슬러리 조성물을 이용하여 금속 라이너(134)의 일부와 메인 배선층(136)의 일부가 동시에 연마될 수 있으며, 이때 금속 라이너(134)의 연마 속도와 메인 배선층(136)의 연마 속도는 대략 동일하거나 유사할 수 있다. 층간절연막(124)의 상면 위에서 금속 라이너(134)가 제거되고 도전성 배리어막(132)이 노출된 후, 도전성 배리어막(132)의 일부와 메인 배선층(136)의 다른 일부가 동시에 연마될 수 있으며, 이때 도전성 배리어막(132)의 연마 속도와 메인 배선층(136)의 연마 속도는 대략 동일하거나 유사할 수 있다. 층간절연막(124)의 상면이 노출된 후, 층간절연막(124)의 홀(MH) 내부를 채우는 도전성 배리어막(132), 금속 라이너(134), 및 메인 배선층(136)을 포함하는 복수의 배선 패턴(WP)이 얻어질 수 있다.
일반적으로, 서로 다른 종류의 금속으로 이루어지는 복수의 금속막이 기판 상의 연마 대상면에서 함께 노출되어 슬러리 조성물에 접촉할 때 갈바닉 효과가 발생될 수 있다. 상기 갈바닉 효과는 서로 다른 종류의 두 금속이 가까이 있을 때 상기 두 금속의 전위차로 인해 전압이 발생하여 전류가 흐르며 전기가 발생하는 현상을 의미한다. 이와 같이 전기적으로 접촉하고 있는 서로 다른 종류의 두 금속은 이들 사이의 계면에서의 일함수의 차이에 의해 활성이 크고 낮은 전위를 가지는 금속이 양극으로 작용하고, 상대적으로 활성이 낮고 높은 전위를 가지는 금속이 음극으로 작용하게 된다. 이때, 상기 두 금속이 부식성 용액으로 이루어지는 슬러리 조성물에 노출될 때 상기 두 금속간의 전위차로 인해 상기 두 금속에서 부식이 발생되어 갈바닉 부식이 발생될 수 있다. 이때, 활성이 큰 양극의 금속은 단독으로 존재할 때보다 빠른 속도로 부식되고, 활성이 낮은 음극의 금속은 비교적 느린 속도로 부식이 진행될 수 있다. 통상의 슬러리 조성물을 사용하여 금속 라이너(134) 및 메인 배선층(136)이 노출된 연마 대상면을 연마할 때, 메인 배선층(136)에서 갈바닉 부식에 의해 연마 속도가 과도하게 커질 수 있으며, 그에 따라 메인 배선층(136)의 연마 속도와 금속 라이너(134)의 연마 속도의 불균형으로 인해, 연마 공정 후 기판(100) 상의 연마면에서의 평탄화도가 열화되고 배선 패턴(WP)의 신뢰성이 저하될 수 있다.
특히, 금속 라이너(134) 및 메인 배선층(136) 중 하나는 귀금속으로 이루어지고 다른 하나는 귀금속이 아닌 다른 금속으로 이루어지는 경우, 귀금속은 대체로 화학 물질에 안정적인 특성을 가지므로 산화되기 비교적 어렵다. 따라서, 슬러리 조성물에는 귀금속을 산화시키기 위한 강산화제가 포함될 수 있고, 이 경우 금속 라이너(134)와 메인 배선층(136)과의 연마 속도 차이가 현저히 커질 수 있다. 예를 들면, 금속 라이너(134)는 Ru 막으로 이루어지고, 메인 배선층(136)은 Cu 막으로 이루어지는 경우, Ru 막 및 Cu 막의 연마 속도의 차이는 연마 후 얻어지는 배선 패턴에서 디싱(dishing) 또는 부식이 유발되어 저항 증가 또는 저항 불균일을 초래할 수 있다.
상기한 바와 같은 통상의 경우와 달리, 본 발명의 기술적 사상에 의한 슬러리 조성물(20)(도 1 참조)은 부식 방지제로서 탄소 동소체 및 그 유도체로부터 선택되는 물질, 예를 들면 산화 그래핀을 포함하므로, 슬러리 조성물(20)을 이용하여 금속 라이너(134) 및 메인 배선층(136)이 함께 노출된 연마 대상면을 연마할 때, 금속 라이너(134) 및 메인 배선층(136) 각각에 대하여 향상된 연마 속도를 제공하면서, 금속 라이너(134) 및 메인 배선층(136) 중 활성이 큰 양극으로 작용하게 되는 부분에서의 갈바닉 부식으로 인한 연마 손실을 효과적으로 방지함으로써, 연마 공정 후 복수의 배선 패턴(WP)이 얻어진 결과물에서 연마된 표면의 평탄화도가 향상될 수 있으며, 결과적으로 신뢰성이 향상된 복수의 배선 패턴(WP)이 얻어질 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
20: 슬러리 조성물, 132: 도전성 배리어막, 134: 금속 라이너, 136: 메인 배선층.

Claims (20)

  1. 탄소 동소체(carbon allotropes) 및 그 유도체로부터 선택되는 물질로 이루어지는 부식 방지제와,
    산화제를 포함하는 슬러리 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부식 방지제는 카르복실기, 카르보닐기, 에폭시기，히드록시기, 히드로퍼옥시기, 퍼옥시기, 이소시아네이트기, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 친수성 기를 포함하는 슬러리 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부식 방지제는 산화 그래핀, 산화 처리된 3 차원 탄소 구조체, 풀러레놀(fullerenol), 또는 이들의 조합으로 이루어지는 슬러리 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부식 방지제는 상기 슬러리 조성물의 총량을 기준으로 1 내지 5000 ppm의 양으로 포함된 슬러리 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부식 방지제는 0 nm 보다 크고 30 nm 이하인 범위 내에서 선택되는 평균 두께를 가지는 산화 그래핀으로 이루어지는 슬러리 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는 과요오드산염으로 이루어지는 슬러리 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    7 내지 11의 범위 내에서 선택되는 pH를 가지는 슬러리 조성물.
  8. 제1 금속을 포함하는 제1 금속막과, 상기 제1 금속과 다른 제2 금속을 포함하는 제2 금속막을 포함하는 금속 함유 구조물을 연마하기 위한 CMP(chemical mechanical polishing)용 슬러리 조성물로서,
    상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막 중 어느 하나의 선택된 금속막의 표면에 선택적으로 부착되어 상기 선택된 금속막의 부식을 억제하기 위한 부식 방지제와,
    상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막 각각을 산화시키기 위한 산화제를 포함하고,
    상기 부식 방지제는 탄소 동소체 및 그 유도체로부터 선택되는 물질로 이루어지는 슬러리 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 부식 방지제는 산화 그래핀, 산화 처리된 3 차원 탄소 구조체, 풀러레놀, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 슬러리 조성물.
  10. 제8항에 있어서,
    금속 산화물로 이루어지는 연마 입자를 더 포함하는 슬러리 조성물.
  11. 기판 상에 서로 다른 금속을 포함하는 제1 금속막 및 제2 금속막을 형성하는 단계와,
    상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막이 노출된 연마 대상면을 슬러리 조성물을 이용하여 연마하는 단계를 포함하고,
    상기 슬러리 조성물은 탄소 동소체 및 그 유도체로부터 선택되는 물질로 이루어지는 부식 방지제와, 산화제를 포함하는 집적회로 소자의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 금속막 및 제2 금속막은 Cu, Co, Ru, Ta, Ti, W, Mo, Ni, Mn, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 서로 다른 금속을 포함하는 집적회로 소자의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 연마 대상면을 슬러리 조성물을 이용하여 연마하는 단계에서, 상기 부식 방지제는 산화 그래핀, 산화 처리된 3 차원 탄소 구조체, 풀러레놀, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 집적회로 소자의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 연마 대상면을 슬러리 조성물을 이용하여 연마하는 단계에서, 상기 부식 방지제는 카르복실기, 카르보닐기, 에폭시기，히드록시기, 히드로퍼옥시기, 퍼옥시기, 이소시아네이트기, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 친수성 기를 가지는 탄소 동소체로 이루어지는 집적회로 소자의 제조 방법.
  15. 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계와,
    상기 층간절연막에 홀을 형성하는 단계와,
    제1 금속을 포함하고, 상기 홀의 내부 및 외부에서 상기 층간절연막을 덮는 금속 라이너를 형성하는 단계와,
    상기 제1 금속과 다른 종류인 제2 금속을 포함하고, 상기 홀의 내부 및 외부에서 상기 금속 라이너를 덮는 메인 배선층을 형성하는 단계와,
    상기 메인 배선층의 일부를 제거하여 상기 메인 배선층의 주위에서 상기 금속 라이너의 일부를 노출시키는 단계와,
    상기 금속 라이너 및 상기 메인 배선층이 노출된 연마 대상면을 슬러리 조성물을 이용하여 연마하는 단계를 포함하고,
    상기 슬러리 조성물은 탄소 동소체 및 그 유도체로부터 선택되는 물질로 이루어지는 부식 방지제와, 산화제를 포함하는 집적회로 소자의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 금속 라이너 및 상기 메인 배선층은 Cu, Co, Ru, Ta, Ti, W, Mo, Ni, Mn, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 서로 다른 금속을 포함하는 집적회로 소자의 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 부식 방지제는 산화 그래핀, 산화 처리된 3 차원 탄소 구조체, 풀러레놀, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 집적회로 소자의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 금속 라이너는 Ru을 포함하고,
    상기 메인 배선층은 Cu를 포함하고,
    상기 부식 방지제는 산화 그래핀을 포함하는 집적회로 소자의 제조 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 연마 대상면을 슬러리 조성물을 이용하여 연마하는 단계에서, 상기 슬러리 조성물은 7 내지 11의 범위 내에서 선택되는 pH를 가지는 집적회로 소자의 제조 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 연마 대상면을 슬러리 조성물을 이용하여 연마하는 단계는 상기 슬러리 조성물을 이용하여 상기 금속 라이너의 일부와 상기 메인 배선층의 일부를 동시에 연마하는 단계를 포함하는 집적회로 소자의 제조 방법.
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Families Citing this family (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113802122B (zh) * 2021-09-13 2024-02-27 万华化学集团电子材料有限公司 一种减少点腐蚀的钨插塞化学机械抛光液及其应用

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7161247B2 (en) 2004-07-28 2007-01-09 Cabot Microelectronics Corporation Polishing composition for noble metals
KR101011318B1 (ko) 2005-10-12 2011-01-28 히다치 가세고교 가부시끼가이샤 Ｃｍｐ용 연마액 및 연마 방법
US20080105652A1 (en) 2006-11-02 2008-05-08 Cabot Microelectronics Corporation CMP of copper/ruthenium/tantalum substrates
US20080148649A1 (en) 2006-12-21 2008-06-26 Zhendong Liu Ruthenium-barrier polishing slurry
JP4521058B2 (ja) * 2008-03-24 2010-08-11 株式会社Ａｄｅｋａ 表面改質コロイダルシリカおよびこれを含有するｃｍｐ用研磨組成物
CN102782066B (zh) 2010-02-22 2015-04-15 巴斯夫欧洲公司 含铜、钌和钽层的基材的化学-机械平坦化
US8906123B2 (en) * 2010-12-29 2014-12-09 Air Products And Chemicals Inc. CMP slurry/method for polishing ruthenium and other films
US20180079989A1 (en) 2013-12-23 2018-03-22 The Texas A&M University System Nanosheet compositions and their use in lubricants and polishing slurries
US9299585B2 (en) 2014-07-28 2016-03-29 Rohm And Haas Electronic Materials Cmp Holdings, Inc. Method for chemical mechanical polishing substrates containing ruthenium and copper
US10253216B2 (en) 2016-07-01 2019-04-09 Versum Materials Us, Llc Additives for barrier chemical mechanical planarization
US20180273802A1 (en) 2017-03-21 2018-09-27 Fujimi Incorporated Polishing composition using amino acids
CN107604367A (zh) 2017-08-25 2018-01-19 华东理工大学 一种氨基酸‑氧化石墨烯复合缓蚀剂及其应用
CN107880784A (zh) * 2017-12-04 2018-04-06 苏州市宽道模具机械有限公司 一种高性能抛光液及其制备方法

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