CN115584262A - 一种化学蚀刻组合物及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种化学蚀刻组合物，包括磷酸、硅烷化合物和去离子水。本发明中的蚀刻组合物，能够相对于氧化物膜选择性地蚀刻氮化物膜，操作窗口大，在蚀刻过程中能够保持稳定的蚀刻速率，在化学蚀刻领域具有广阔的使用前景。

Description

一种化学蚀刻组合物及其应用
技术领域
本发明涉及化学蚀刻技术领域，具体涉及一种化学蚀刻组合物及其应用。
背景技术
在半导体制造工艺中，氮化物层与氧化物层已经被用作一些堆叠结构的绝缘层，其中作为代表性的是氮化硅层(SiNx)和氧化硅层(SiO2)，可以被独立或者相互交替堆叠形成绝缘层；也可以用作硬质掩膜以形成金属互连的导电图案。采用湿法蚀刻工艺来去除氮化物层，蚀刻剂的选择性是一个重要考虑因素。理想的蚀刻剂需要具备对被蚀刻层的蚀刻速率远大于对其他层的蚀刻速率的高选择性。
针对上述技术问题，现有技术提供了多种解决方案。如CN103160282B提供一种蚀刻组合物，含有甲硅烷基磷酸酯化合物、磷酸以及去离子水。但该蚀刻组合物对氧化膜LP-TEOS选择性一般；且可能存在再增长问题。US9368647B提出一种化学蚀刻组合物，含有硅烷化合物，但仍需要额外添加铵离子。CN110157434A公开一种绝缘层蚀刻剂组合物，包括第一硅烷化合物和第二硅烷化合物，其中所述第一硅烷化合物包括通过连接基与硅原子结合的磷酸可溶性基团，所述第二硅烷化合物具有比所述第一硅烷化合物的水溶解性低的水溶解性，但该蚀刻剂组合物对氮化硅及氧化硅的蚀刻选择性不佳。
因而，需要一种高选择性蚀刻组合物，相对于氧化物膜选择性地蚀刻氮化物膜，并且操作窗口大，在蚀刻过程中能够保持稳定的蚀刻速率，使蚀刻过程更加稳定可控。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种化学蚀刻组合物及其应用，不仅相对于氧化物膜选择性地蚀刻氮化物膜，并且操作窗口大，在蚀刻过程中能够保持稳定的蚀刻速率，使蚀刻过程更加稳定可控。
具体的，所述化学蚀刻组合物包括磷酸、硅烷化合物和去离子水。
优选的，包括磷酸、硅烷化合物和去离子水。
优选的，所述磷酸的质量百分比含量为68wt％-94.9wt％。
优选的，所述磷酸的质量百分比含量为76.5wt％-90wt％。
优选的，所述硅烷化合物的质量百分比含量为0.1wt％-10wt％
优选的，所述硅烷化合物的质量百分比含量为0.5wt％-6wt％。
优选的，所述去离子水的质量百分比含量为5wt％-31.9wt％。
优选的，所述硅烷化合物为：
通式1：
Figure BDA0003147471060000021
和/或通式2：
Figure BDA0003147471060000022
其中，所述R1-R3选自氢原子、羟基、C1-C4烷基、C1-C4烷氧基、C1-C4胺基烷基、C1-C4胺基烷氧基、C2-C4酰基、C2-C4酰氧基中的一种或多种；
所述R4选自含N或O或S杂原子基团；
所述R5选自羟基取代的C1-C4烷基、氟或氯或溴取代的C1-C4烷基、C2-C4烯基、C2-C4炔基、C2-C4酰基、C1-C4羧基、C1-C4磺基、C1-C4砜基、C2-C4酯基、异氰酸基C1-C4烷基、脲基C1-C4烷基、胍基C1-C4烷基、二硫代碳酸基C1-C4烷基、甲基丙烯酰氧基C1-C4烷基、磷酸酯基C1-C4烷基、氧杂或氮杂C3-C5环烷基、琥珀酸酐基C1-C4烷基、铵盐基C1-C4烷基、芳基；
所述R6选自氟甲基、氯甲基、溴甲基、C1-C6羧基、C1-C6磺基、C1-C6砜基、C2-C6酯基、异氰酸基C4-C6烷基、脲基C4-C6烷基、胍基C4-C6烷基、二硫代碳酸基C1-C6烷基、甲基丙烯酸基C4-C6烷基、C1-C6磷酸酯基、琥珀酸酐基C1-C6烷基、C2-C4酰氯基、铵盐基C4-C6烷基；所述x为0-4中任一整数。
优选的，所述硅烷化合物选自硅基硼酸酯化合物、硅基磷酸酯化合物、甲基丙烯酰氧丙基三(三甲基硅氧烷基)硅烷、甲基丙烯酰氧丙基三(三乙基硅氧烷基)硅烷中的一种或多种。
优选的，所述硅基硼酸酯化合物选自三(三甲基硅烷)硼酸酯、三(三甲氧基硅烷)硼酸酯、三(三乙基硅烷)硼酸酯、三(三乙氧基硅烷)硼酸酯中的一种或多种；
所述硅基磷酸酯化合物选自三(三甲基硅烷)亚磷酸酯、三(三甲氧基硅烷)亚磷酸酯、三(三乙基硅烷)亚磷酸酯、三(三乙氧基硅烷)亚磷酸酯、三(三甲基硅烷)磷酸酯、三(三甲氧基硅烷)磷酸酯、三(三乙基硅烷)磷酸酯、三(三乙氧基硅烷)磷酸酯、二乙基磷酰乙基三甲氧基硅烷、二乙基磷酰乙基三乙氧基硅烷、二乙基磷酰丙基三甲氧基硅烷、二乙基磷酰丙基三乙氧基硅烷、二丙基磷酰乙基三甲氧基硅烷、二丙基磷酰乙基三乙氧基硅烷、三-(羟基硅基)丙甲基磷酸甲酯、三-(羟基硅基)丙甲基磷酸乙酯、三-(羟基硅基)丙甲基磷酸酯铵盐、三-(羟基硅基)丙甲基磷酸甲酯、三-(羟基硅基)丙乙基磷酸乙酯、三-(羟基硅基)丙乙基磷酸酯铵盐、三-(羟基硅基)丙甲基磷酸苄酯、三-(羟基硅基)丙乙基磷酸苄酯中的一种或多种。
优选的，所述硅烷化合物还包括权利要求7至权利要求9中任一所述的硅烷化合物与无机酸的反应产物；
其中，所述无机酸选自磷酸、硫酸、硝酸、硼酸、偏磷酸、亚磷酸、焦磷酸、聚磷酸、硅酸、氢氟酸、盐酸、高氯酸中的一种或多种。
优选的，还包括无机硅化物、表面活性剂、分散剂或腐蚀抑制剂中的一种或多种。
优选的，所述无机硅化物包括纳米二氧化硅、纳米氮化硅粉、硅酸、硅酸盐、卤化硅中的一种或多种；所述表面活性剂包含阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和非离子型表面活性剂。
本发明的另一方面，提供一种将以上任一所述的化学蚀刻组合物用于提高氮化硅与氧化氮蚀刻选择比的应用方法。
采用了上述技术方案后，与现有技术相比，本发明中的化学蚀刻组合物能够选择性去除氮化硅并使得氧化硅蚀刻速率最小化的蚀刻组合物，解决氧化硅再生长的问题，同时避免了在基底形成颗粒，操作窗口较大，在半导体高温蚀刻工艺中具有良好的应用前景。
附图说明
图1为符合本发明的一个化学蚀刻组合物的蚀刻速率测试结果折线图；
图2为符合本发明的一个化学蚀刻组合物的蚀刻速率测试结果折线图。
具体实施方式
结合下述具体实施例及附图，以详细阐述本发明的技术方案。应当注意的是，本发明的实施例具有较佳的技术效果，但并非是对本发明做任何形式的限制，任何熟悉该技术领域的技术人员可能利用上述公开的技术方案作出变化及修饰为等同有效的实施例。但凡并未脱离本发明技术方案的实质内容的，依据本发明的技术实质对以上实施例作出任何修改或等同变化的，仍属于本发明技术方案的范围内。
表1给出了本发明实施例1-90及对比例1-5的蚀刻组合物的组分及含量配比。按表中所给配方，将各个组分混合均匀。
表1：本发明实施例1-90和对比例1-5的组分及含量
Figure BDA0003147471060000031
Figure BDA0003147471060000041
Figure BDA0003147471060000051
Figure BDA0003147471060000061
Figure BDA0003147471060000071
Figure BDA0003147471060000081
Figure BDA0003147471060000091
配置上述蚀刻组合物之后，进一步测试实施例1-90及对比例1-5的蚀刻组合物对不同材料的蚀刻性质。
其中，对氮化硅的蚀刻速率
Figure BDA0003147471060000092
的测试步骤如下：将蚀刻组合液置于反应器中加热至160℃。然后将氮化硅膜放置在其中蚀刻10min，然后通过非金属膜厚测试仪测量蚀刻前后厚度变化来计算蚀刻速率。
对氧化硅的蚀刻速率
Figure BDA0003147471060000093
的测试步骤如下：将蚀刻组合液置于反应器中加热至160℃。然后将氧化硅膜放置在其中蚀刻60min，然后通过椭偏仪测量蚀刻前后厚度变化来计算蚀刻速率。
蚀刻选择比(氮化硅/氧化硅)：为氮化硅的蚀刻速率相对于氧化硅的蚀刻速率的蚀刻选择比。
检测结果如表2所示。
表2实施例1-90及对比例1-5的测试结果
Figure BDA0003147471060000101
Figure BDA0003147471060000111
Figure BDA0003147471060000121
Figure BDA0003147471060000131
从表2的检测结果可以看出：本发明的组合物可以选择性地蚀刻去除氮化硅，同时对氮化硅蚀刻速率最小化，而且操作窗口较大。具体而言：实施例68、80和81与对比例3、4可知，由硼酸或磷酸与硅烷化合物中的一种或多种进行反应所制备得到的一种或多种硅基无机酸化合物比单一添加二乙基磷酰乙基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷具有更好的蚀刻选择性。由实施例78和实施例79可知，添加适量无机硅化物可以增加溶液中的硅含量，降低对氧化硅的蚀刻，从而能够有效增加组合物的蚀刻选择性。此外，由实施例80与对比例5可知，硅烷化合物的总含量大于权利要求所述的范围时，将会降低组合物的蚀刻选择性，即，本发明中的蚀刻组合物对硅烷化合物的含量具有选择性。通过对比例2的检测结果可知，仅使用磷酸和无机酸时，蚀刻组合物对氮化硅和氧化硅的蚀刻速率都保持在较高的水平，无法对这两种材料选择性蚀刻；相较于实施例40，选用相同的无机酸与硅烷化合物共同使用时，由于无机酸和硅烷化合物进行化学反应生成硅基无机酸化合物，该化合物作为有效成分能够有效控制蚀刻组合物对氮化硅及氧化硅的蚀刻选择比。
另外，为了更进一步说明本发明蚀刻组合物的蚀刻稳定性，保持相同的实验条件及实验温度，在不同时间下，本发明的蚀刻组合液对氮化硅和氧化硅的蚀刻速率及对两者的蚀刻选择比如表3所示。
表3实施例68及实施例89的测试结果
Figure BDA0003147471060000132
Figure BDA0003147471060000141
图1、图2分别为实施例68中的蚀刻组合物的蚀刻速率随着时间变化的折线图。结合表3中的数据，及图1、图2可知，实施例68、实施例89的蚀刻组合物对氮化硅和氧化硅的蚀刻速率及对两者的蚀刻选择比具有较好的稳定性。具体而言，两个实施例中的蚀刻组合物对氮化硅的蚀刻速率一直保持在较高的水平：实施例68中的蚀刻组合物对氮化硅的蚀刻速率总体稳定保持在
Figure BDA0003147471060000142
以上，在测试初始(即，时间为0)，实施例68中的蚀刻组合物就具优异的蚀刻速率及蚀刻选择比，随着时间增长其蚀刻速率波动较小，对氧化硅的蚀刻速率一直稳定低于
Figure BDA0003147471060000143
蚀刻组合物对氮化硅及氧化硅的蚀刻选择比也一直稳定在980以上，因此，该蚀刻组合物不仅具有优异的选择比，该选择比还十分稳定。
根据上述实施例及其性质可知，本发明中的化学蚀刻组合物对氮化硅及氧化硅材料具有优异的选择比，且具有良好的稳定性，使蚀刻速度保持稳定，以便于实际生产过程中的控制和管理。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种化学蚀刻组合物，其特征在于，
包括磷酸、硅烷化合物和去离子水。
2.如权利要求1所述的化学蚀刻组合物，其特征在于，
所述磷酸的质量百分比含量为68wt％-94.9wt％。
3.如权利要求2所述的化学蚀刻组合物，其特征在于，
所述磷酸的质量百分比含量为76.5wt％-90wt％。
4.如权利要求1所述的化学蚀刻组合物，其特征在于，
所述硅烷化合物的质量百分比含量为0.1wt％-10wt％。
5.如权利要求4所述的化学蚀刻组合物，其特征在于，
所述硅烷化合物的质量百分比含量为0.5wt％-6wt％。
6.如权利要求1所述的化学蚀刻组合物，其特征在于，
所述去离子水的质量百分比含量为5wt％-31.9wt％。
7.如权利要求1所述的化学蚀刻组合物，其特征在于，
所述硅烷化合物为：
通式1：
Figure FDA0003147471050000011
和/或通式2：
Figure FDA0003147471050000012
其中，所述R1-R3选自氢原子、羟基、C1-C4烷基、C1-C4烷氧基、C1-C4胺基烷基、C1-C4胺基烷氧基、C2-C4酰基、C2-C4酰氧基中的一种或多种；
所述R4选自含N或O或S杂原子基团；
所述R5选自羟基取代的C1-C4烷基、氟或氯或溴取代的C1-C4烷基、C2-C4烯基、C2-C4炔基、C2-C4酰基、C1-C4羧基、C1-C4磺基、C1-C4砜基、C2-C4酯基、异氰酸基C1-C4烷基、脲基C1-C4烷基、胍基C1-C4烷基、二硫代碳酸基C1-C4烷基、甲基丙烯酰氧基C1-C4烷基、磷酸酯基C1-C4烷基、氧杂或氮杂C3-C5环烷基、琥珀酸酐基C1-C4烷基、铵盐基C1-C4烷基、芳基；
所述R6选自氟甲基、氯甲基、溴甲基、C1-C6羧基、C1-C6磺基、C1-C6砜基、C2-C6酯基、异氰酸基C4-C6烷基、脲基C4-C6烷基、胍基C4-C6烷基、二硫代碳酸基C1-C6烷基、甲基丙烯酸基C4-C6烷基、C1-C6磷酸酯基、琥珀酸酐基C1-C6烷基、C2-C4酰氯基、铵盐基C4-C6烷基；
所述x为0-4中任一整数。
8.如权利要求1所述的化学蚀刻组合物，其特征在于，
所述硅烷化合物选自硅基硼酸酯化合物、硅基磷酸酯化合物、甲基丙烯酰氧丙基三(三甲基硅氧烷基)硅烷、甲基丙烯酰氧丙基三(三乙基硅氧烷基)硅烷中的一种或多种。
9.如权利要求8所述的化学蚀刻组合物，其特征在于，
所述硅基硼酸酯化合物选自三(三甲基硅烷)硼酸酯、三(三甲氧基硅烷)硼酸酯、三(三乙基硅烷)硼酸酯、三(三乙氧基硅烷)硼酸酯中的一种或多种；
所述硅基磷酸酯化合物选自三(三甲基硅烷)亚磷酸酯、三(三甲氧基硅烷)亚磷酸酯、三(三乙基硅烷)亚磷酸酯、三(三乙氧基硅烷)亚磷酸酯、三(三甲基硅烷)磷酸酯、三(三甲氧基硅烷)磷酸酯、三(三乙基硅烷)磷酸酯、三(三乙氧基硅烷)磷酸酯、二乙基磷酰乙基三甲氧基硅烷、二乙基磷酰乙基三乙氧基硅烷、二乙基磷酰丙基三甲氧基硅烷、二乙基磷酰丙基三乙氧基硅烷、二丙基磷酰乙基三甲氧基硅烷、二丙基磷酰乙基三乙氧基硅烷、三-(羟基硅基)丙甲基磷酸甲酯、三-(羟基硅基)丙甲基磷酸乙酯、三-(羟基硅基)丙甲基磷酸酯铵盐、三-(羟基硅基)丙甲基磷酸甲酯、三-(羟基硅基)丙乙基磷酸乙酯、三-(羟基硅基)丙乙基磷酸酯铵盐、三-(羟基硅基)丙甲基磷酸苄酯、三-(羟基硅基)丙乙基磷酸苄酯中的一种或多种。
10.如权利要求1所述的化学蚀刻组合物，其特征在于，
所述硅烷化合物还包括权利要求7至权利要求9中任一所述的硅烷化合物与无机酸的反应产物；
其中，所述无机酸选自磷酸、硫酸、硝酸、硼酸、偏磷酸、亚磷酸、焦磷酸、聚磷酸、硅酸、氢氟酸、盐酸、高氯酸中的一种或多种。
11.如权利要求1所述的化学蚀刻组合物，其特征在于，
还包括无机硅化物、表面活性剂、分散剂或腐蚀抑制剂中的一种或多种。
12.如权利要求11所述的化学蚀刻组合物，其特征在于，
所述无机硅化物包括纳米二氧化硅、纳米氮化硅粉、硅酸、硅酸盐、卤化硅中的一种或多种；
所述表面活性剂包含阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和非离子型表面活性剂。
13.一种将权利要求1-12中任一所述的化学蚀刻组合物用于提高氮化硅与氧化氮蚀刻选择比的应用方法。
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