KR100330582B1 - 알루미늄 금속막용 에칭 용액 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 TFT-LCD의 게이트 및 소스/드레인 어레이 형성 공정에서 다층 구조의 Al 금속막, 특별하게는 Al-Nd/Mo 의 이중층으로 된 Al 금속막의 에칭 시에, 상부층 및 하부층을 동시에 단일 단계로 에칭할 수 있게 해주는 에칭 용액에 관한 것으로, 40 ~ 70 중량%의 인산 (H3PO4), 5 ~ 20 중량%의 질산 (HNO3), 10 ~ 20중량%의 아세트산 및 100 중량%가 되게 하는 양의 물을 포함하고, 조성물 전체 중량을 기준으로 0.01 ~ 0.05 중량%의 첨가제를 포함함다.
Description
본 발명은 TFT-LCD 의 TFT 어레이 형성 공정에서 다층 구조의 Al 금속막의 에칭시에 사용되는 에칭 용액에 관한 것이다. 더욱 특별하게는, 본 발명은 TFT-LCD의 게이트 및 소스/드레인 어레이 형성 공정에서 Al-Nd/Mo 의 이중층으로 된 Al 금속막의 에칭 시에, 상부층 및 하부층을 동시에 단일 단계로 에칭할 수 있게 해주는 에칭 용액에 관한 것으로, 상기 에칭 용액은 특정 비율의 인산, 질산, 아세트산, 첨가제 및 물의 혼합 용액이다.
에칭 공정은, 반도체 제조 공정에서, 기판이나 웨이퍼 위의 박막 위에 레지스트 도포한 후, 노광 및 현상 단계 등을 거쳐 패턴을 형성시킨 후, 필요한 부분만 남기고 필요없는 부분의 박막을 화학적 또는 물리적 반응으로 제거하는 공정을 의미하며, 일반적으로 플라즈마 등을 이용한 건식 에칭 공정 또는 에칭 용액을 사용하는 습식공정이 사용된다.
플라즈마 등을 이용하는 건식 공정은, 습식 공정에 비해 에칭 제어력이 우수하고, 종점 검출이 용이하며, 이방성 프로파일을 수득할 수 있고 및 공정 폐액이 적다는 장점을 가지고 있어, 최근 들어 이에 대해 많이 연구되고 있다. 그러나, 습식 공정은 건식 공정에 비해 선택성이 높고, 대량 처리가 가능하므로 생산성이 높고, 장치 등의 비용이 매우 저렴하며, 에칭 도중 오염과 손상에 의한 반도체 장치의 열화가 적다는 이점을 가지고 있다.
TFT-LCD (thin film transistor-liquid crystal display)는 반도체 장치의 하나로서, 전자 팔목시계, 전자 계산기 및 기타 문자도형표시장치 등에 사용되는 액정 표시 소자를 의미하며, 특히 최근들어 TFT-LCD 는 노트북 PC 응용을 시작으로 모니터 등 다른 응용분야로 그 비중이 점차 증대되고 있으며, 현재는 생산성 증대와 저가격화가 관건으로, 이를 위해 제조 공정의 단순화와 수율 향상의 관점에서 많은 노력이 요구되고 있다.
TFT-LCD 패널의 제조는 일반적으로, 첫째, 픽셀 단위의 신호를 인가하는 스위칭 소자를 형성하는 TFT 어레이 공정, 둘째, 색상을 구현하기 위한 컬러 RGB 어레이를 형성하는 Color Filter 공정, 및 셋째, TFT 기판과 컬러 필터 기판 사이에 액정 셀을 형성하는 액정 공정으로 나누어진다.
상기 첫 번째 TFT 어레이 공정은 기판 위에 금속 배선을 형성하는 다른 실리콘 반도체의 배선 형성 공정과 유사하며, 보통 박막증착-사진 (레지스트 도포, 정렬, 노광 및 현상)-에칭의 단위 공정 단계로 이루어지고, 개개의 단위 공정 전후에 결과 및 이상 여부를 확인하기 위한 검사와 청정도를 유지하기 위한 세정을 포함한다.
구체적으로, TFT-LCD의 게이트 및 소스/드레인 어레이 공정에서, 유리 기판 상에 금속막을 스퍼터링법 등으로 형성시키고, 포토레지스트를 코팅하고, 노광하고, 현상하여 비노광 부분의 포토 레지스트를 제거한 다음, 포토레지스트가 없는 부분의 금속막을 에칭함으로써 형성된다.
TFT-LCD의 게이트 및 소스/드레인 배선 물질로서는, TFT-LCD의 동작에서 중요한 게이트 배선의 RC Delay를 작게 하기 위하여 저항이 작은 Al 이 주로 이용되었으나, 순수한 Al 은 화학물질에 대한 내성이 약하고 후속 공정에서 배선 결함 문제를 야기할 수도 있으므로 Al 합금 형태로 사용되거나, Al 또는 Al 합금층 위에 또다른 금속층을 가지는 다층 (multi layer)의 적층 구조가 적용된다.
일반적으로, Al 또는 Al 합금으로 된 금속박막은, 공정 가스 (Cl2, BCl3, SF6, CF4, CHF3)를 이용한 플라즈마를 사용하여 건식 에칭하거나 인산, 질산, 아세트산 및 물로 구성된 에칭 용액을 이용하여 30~45 ℃에서 습식 에칭된다. 상기 습식 에칭 용액의 일반적인 조성비의 한 예는 72% 인산, 2% 질산, 10% 아세트산 및 16%의 물이다.
TFT-LCD의 게이트 및 소스/드레인 어레이의 형성 시에, 후속 공정에서 적층되는 상부막들의 Step Coverage 향상을 위하여 상기 에칭 공정 시에 Taper 각 구현 및 프로파일 (등방성 또는 이방성, 그리고 습각후의 단면)은 중요한 공정 관리의 항목으로 중시되고 있다.
그러나, 최근 들어, 더욱 우수한 품질을 달성하기 위해 금속막을 복수층으로 하는 경우가 많으나, TFT-LCD의 게이트 및 소스/드레인 배선용 금속막을 복수층으로 구성할 경우에는, 습식 에칭에 의해서는 이들 층들간의 에칭 속도의 차이에 의해 우수한 프로파일을 수득하는 것이 어려운 상황이다. 또한 건식 공정만으로 에칭할 경우에는 생산성의 저하, 비용의 상승, 제품 손상 발생 가능성의 상승 등의 문제점이 발생한다.
따라서, TFT-LCD 등의 반도체 장치의 배선을 형성하기 위한 금속막을 다중층 구조로 할 경우에는, 습식 공정과 건식 공정을 함께 적용함으로써 서로의 단점을 보완하는 것이 일반적이다.
예를 들면, 도 1에 나타낸 바처럼, TFT-LCD 의 게이트 및 소스/드레인 어레이 배선용 금속막으로서 Al-Nd 하부층 및 Mo 상부층으로 된 이중막을 사용할 수 있다. Al-Nd/Mo 이중막을, 상술한 기존의 Al 에칭 용액(인산, 질산, 초산 및 물의 혼합액)을 사용하여 에칭하면, 상부 Mo 층의 에칭 속도가 Al 합금층의 에칭 속도보다 작기 때문에, 상부 Mo 층이 하부 Al-Nd 층의 외부로 돌출되는 단면을 갖게 되는 불량한 프로파일을 나타낸다. 이러한 불량한 프로파일로 인해, 후속 공정에서 단차 Coverage (하부 단차의 경사면을 얼마나 잘 덮느냐를 나타내는 양)가 불량하게 되고 상부층이 경사면에서 단선되든가 또는 상하부 금속이 단락이 일어날 확률이 커지며 주요한 불량이 될 수 있다.
따라서, Al-Nd/Mo 이중막을 게이트 및 소스/드레인 배선 재료로 사용하는 경우에는, 1차로 기존의 Al 에칭 용액으로 습식 에칭하고, 2차로, 에칭 속도의 차이로 인해 미처 에칭되지 못하고 하부층 바깥으로 돌출된 상부층을 다시 건식 에칭하여 바람직한 프로파일을 수득하는 것이 일반적이다.
그러나 이러한 습식 및 건식 에칭 공정을 모두 사용하는 것은, 공정이 복잡하여 생산성 및 비용적인 측면에서 불리할 뿐만 아니라, 제품 손상 등의 문제점이 여전히 잔존한다.
기존의 습식 에칭에서의 기술적인 문제로, 가공 재료에 대응한 에칭 용액 및 그 조성을 최적화하는 것, 가공 재료 및 레지스트와의 접착성을 높이는 것, 균일성이 좋은 에칭 용액의 혼합 및 온도 제어 등이 있고 이들에 대해서는 많은 연구가 진행되고 있지만, 이중층 금속막의 습식 에칭에 대해서는, 에칭 속도가 상이한 두가지 물질의 에칭을 조성비 한정에 의해 동일하게 조절하는 것은 상식적으로 불가능한 것으로 받아들여지고 있고, 또 이를 구현한 예도 거의 보고된 바가 없었다.
그러나, 본 발명자들은 인산, 질산, 아세트산 및 물로 된 기존의 Al 에칭 용액에서 이들 산들의 조성비를 특정하게 변화시킬 경우, 놀랍게도, Al-Nd 하부층 및Mo 상부층으로 된 게이트 어레이 배선용 금속막을 우수한 프로파일을 가지도록 에칭할 수 있고, 이에 따라 상기 에칭 공정을 단일 공정에 의해서 행해질 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
도 1은 습식 및 건식 에칭을 동시에 사용하는 기존의 에칭 공정의 문제점을 Al-Nd/Mo 이중층을 예로 들어 설명하는 도면이며,
도 2는 본 발명에 따른 에칭 용액을 사용하는 에칭 공정을 설명하는 도면이며,
도 3은 기존의 Al 에칭 용액으로 Al-Nd/Mo 이중층을 습식 에칭한 후의 프로파일을 보여주는 사진이며,
도 4는 본 발명에 따른 Al 에칭 용액으로 Al-Nd/Mo 이중층을 습식 에칭한 후의 프로파일을 보여주는 사진이다.
본 발명의 목적은 TFT-LCD 의 Al 배선 형성시에 복수층, 특별하게는 Al 또는 Al 합금 및 다른 금속의 이중층으로 된 박막의 에칭을 단일 공정으로 행할 수 있도록 해주는 에칭 용액을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 에칭 용액은 40 ~ 70 중량%의 인산 (H3PO4), 5 ~ 20 중량%의 질산 (HNO3), 10 ~ 20중량%의 아세트산 CH3COOH) 및 100 중량%가 되게 하는 양의 물을 포함하고 필요에 따라 조성물 전체 중량을 기준으로 0.01 ~ 0.05 중량%의 첨가제를 포함한다. 본 발명에 따른 에칭 용액은, 바람직하게는 50 ~ 60 중량%의 인산, 5~10 중량%의 질산, 11 ~ 15 중량%의 아세트산 및 100 중량%가 되게 하는 양의 물 및 필요에 따라 0.01~0.03 중량%의 첨가제를 포함한다.
이하에, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
반도체 장치, 특히 TFT-LCD 장치에서, 배선을 형성하는 금속으로서 주로 Al 또는 Al합금을 사용하며, 이러한 Al 금속막의 에칭 용액으로서 질산, 인산, 아세트산 및 물의 혼합 용액을 사용한다.
질산은 Al 과 반응하여 알루미늄 옥시드를 형성하고, 인산과 물은 이 물질을 분해시킨다. 이때, 물은 에칭 용액을 희석하는 역할도 한다. 아세트산은 반응속도 등을 조절하기 위해 완충제로서 사용되는데, 질산의 분해속도를 조절하며, 일반적으로 분해속도를 감소시킨다.
하부층 및 상부층의 이중층으로 된 금속막을 동시에 에칭하기 위해서는 하기 수학식에 따라 계산되는 에칭 속도 (E/R, Etching rate)가 비슷하게 되도록 에칭 용액의 조성비를 조절해야 한다.
하부층이 Al-Nd 합금이고 상부층이 Mo 금속일 경우에, Mo 층의 에칭속도는 Al-Nd 합금층의 에칭 속도보다 느리기 때문에, Mo의 에칭 속도에 직접적인 영향을 주는 질산의 함량을 증가시킨다. 그러나 질산의 함량이 15 중량%를 초과하면, 상부층 및 하부층으로 된금속막과 다른 층들 사이의 선택비가 줄어들기 때문에 바람직하지 않다.
또한 Al-Nd 합금층의 에칭 속도를 상대적으로 감소시키기 위해 인산의 함량은 감소시키고 반면에 아세트산의 함량을 증가시켰다. 인산의 함량이 40 중량% 이하로 감소하면 질산과 알루미늄과 반응하여 형성된 알루미늄 옥사이드가 제대로 분해되지 않아 에칭 속도가 전체적으로 감소하게 되고, 생산성이 저하된다. 반면 인산의 함량이 70 중량%를 초과하면, Al-Nd 합금층의 에칭 속도가 증대되어, 질산 함량의 증가에 의한 Mo 층의 에칭 속도의 증가 효과를 감쇄하게 된다.
하부 Al-Nd 층 및 상부 Mo 층의 에칭 속도의 차이는 질산과 인산의 함량의 조절 외에도 아세트산의 함량 조절에 의해 더욱 효과적으로 감소시킬 수 있다.
이상과 같은 방식으로 에칭 용액의 각성분비를 조절하였고, 인산 (H3PO4), 질산(HNO3) 및 아세트산의 중량비가 (40 ~ 70) : (5 ~ 20) : (10 ~ 20) 일 경우, 바람직하게는 상기 중량비가 (50~60) : (5~10) : (10 ~ 15)일 경우, 상부 Mo 층과 하부 Al-Nd 층의 에칭 속도의 차이가 최소화되었으며, 그 결과 상부 Mo 층이 하부 Al-Nd 합금층의 바깥 부위로 돌출되는 현상을 해결할 수 있었다. 물은 상기 혼합물을 100 중량%가 되는 양으로 사용하며, 일반적으로 0~30 중량% 이다.
본 발명에서 사용되는 인산, 질산, 아세트산, 및 물은 반도체 공정용으로 사용가능한 순도의 것이 바람직하며, 시판되는 것을 사용하거나, 공업용 등급을 당업계에 통상적으로 공지된 방법에 따라 정제하여 사용할 수 있다. 반도체 공정용 물은 일반적으로 초순수 (ultra pure water)이다.
본 발명에서 사용되는 첨가제는 에칭 용액에 통상적으로 사용되는 성분으로서 특별히 한정되는 것은 아니며, 일반적으로 계면활성제, 금속이온 봉쇄제 등을 언급할 수 있다. 계면활성제는 에칭 용액의 점도를 저하시켜 에칭 균일성을 증가시키기 위해 첨가되며, 불소계 계면활성제가 바람직하게 사용된다.
본 발명에 따른 에칭 용액은, 하부층으로 Al 금속 또는 다른 Al 합금을 사용하고 상부층으로 Mo 이외의 다른 금속을 사용한 경우에도 적용될 수 있다.
본 발명의 에칭 용액을 사용하여 금속막을 에칭하는 공정은 당업계 주지의 방법에 따라 행해질 수 있으며, 침지, 흘리기 등을 예시할 수 있다. 에칭 공정시의 온도는 일반적으로 20~50℃, 바람직하게는 30~45℃ 이며, 적정 공정 온도는 다른 공정 조건 및 요인에 의해 필요에 따라 정해진다.
본 발명의 이점은, 기존의 습식-건식 2단계 에칭 공정을 하나의 습식 에칭 공정만 으로 행해질 수 있어 공정이 단순해졌으며, 따라서 비용 및 생산성의 관점에서도 매우 유리하다는 것이다.
본 발명의 또다른 이점은, 기존의 Al 에칭 용액과 동일한 구성성분, 즉 질산, 인산, 아세트산 및 첨가제를 사용하며, 단지 그 조성비만이 특정하게 한정된다는 점이다. 따라서, 에칭 용액의 제조시에 원료의 구입 및 정제 등이 비교적 용이하며, 취급상의 주의점 등에 대해서도 통상 주지된 바와 같다는 것이다.
본 발명의 또다른 이점은, 플라즈마 등의 건식 에칭을 사용하지 않기 때문에, 오염과 손상에 의한 반도체장치의 열화가 적다는 것이다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명되나, 이들로 본 발명이 한정되지는 아니한다.
실시예에서 에칭된 금속막의 프로파일은 단면 SEM (Hitachi사 제품, 모델명 S-4200)을 사용하여 검사하였으며, 이의 결과는 다음과 같이 표시한다.
◎ : 양호, 상부 Mo층이 하부 Al-Nd 층으로부터 0.2~0.5 ㎛ 정도 들어간 프로파일을 보여줌.
○ : 보통, 상부 Mo층이 하부 Al-Nd 층으로부터 0 ~ 0.2 ㎛ 정도 들어간 프로파일을 보여줌.
× : 불량, 상부 Mo층이 하부 Al-Nd 층의 바깥으로 돌출된 프로파일을 보여줌.
실시예 1
반도체 공정용 등급인 인산, 질산, 아세트산 및 첨가제 (불소계 계면활성제 등)를 57/7/15/0.01의 중량비로 혼합하고 전체 100 중량%가 되는 양으로 물로 희석하여 에칭 용액을 제조한다. 에칭 시험은, 통상적인 방법에 따라 유리 기판상에 박막 스퍼터링법을 사용하여 Al-Nd/Mo 이중층 및 포토 레지스트로 배선 패턴을 형성시킨 시험편을 상기 에칭 용액에 침지하여 금속막을 에칭한다.
단면 SEM (Hitachi사 제품, 모델명 S-4200)을 사용하여 상기 에칭된 시험편의 금속막 프로파일을 검사하였으며, 상부 Mo층의 위쪽이 하부 Al-Nd 층의 위쪽을 기준으로 0.3㎛ 정도 들어간 프로파일을 보여주었으며, 전체적으로 매끄러운 기울기의 단차를 보여 주었다.
도 3은 실시예 1 에서 수득된 우수한 프로파일을 보여주는 사진이다.
실시예 2~9
인산, 질산, 아세트산 및 첨가제를 표 1에 나타낸 바와 같은 비율로 사용함을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 에칭 용액을 제조하고 에칭 시험을 행한다.
단면 SEM을 사용하여 상기 에칭된 시험편의 금속막 프로파일을 검사하였으며, 상부 Mo층이 하부 Al-Nd 층으로부터 0.2~0.5 ㎛ 정도 들어간 프로파일을 보여주었다.
결과는 표 1에 기재한다.
비교예 1~3
표 1에 나타낸 바와 같은 비율로 인산, 질산, 아세트산 및 첨가제를 사용하고 전체100 중량%가 되는 양으로 물로 희석하여 에칭 용액을 제조하고, 실시예 1~9에서와 동일하게에칭 시험을 행한다.
단면 SEM 을 사용하여 상기 에칭된 시험편의 금속막 프로파일을 검사한다. 이의결과를 표 1에 기재한다.
| 실시예번호 | 조성 (중량%)*H3PO4/HNO3/CH3CO2H/첨가제 | 결과 | 비고 |
| 1 | 57/7/15/0.01 | ◎ | |
| 2 | 60/10/12/0.02 | ◎ | |
| 3 | 58/10/13/0.02 | ◎ | |
| 4 | 60/7/11/0/02 | ◎ | |
| 5 | 55/7/11/0/02 | ◎ | |
| 6 | 69/6/10/0.02 | ○ | |
| 7 | 50/6/15/0.01 | ○ | |
| 8 | 55/10/10/0.01 | ○ | |
| 9 | 40/9/15/0.01 | ○ | |
| 1 (비교) | 72/2/10/0 | x | 기존 용액 |
| 2 (비교) | 68/5/10/0 | x | 기존 용액 |
| 3 (비교) | 60/3/7/0 | x | 기존 용액 |
| * 100 중량%가 되게 물로 희석함 |
상기 표 1에서 알 수 있는 바처럼, 본 발명에 따른 에칭 용액을 이용하여 Al-Nd/Mo 이중층을 에칭할 경우, 상부 Mo 층이 하부 Al-Nd 층으로부터 0.2~0.5 ㎛ 정도 들어간 프로파일을 나타내었으며, 이것은 기존 에칭 용액으로 수득되는 프로파일보다 단차 덮임 (Step Coverage)이 매우 우수한 결과를 보여준다.
또한, 실시예 1~9의 에칭 용액을 사용하여 에칭한 경우, 기존의 습식-건식 2단계 공정에 의해 에칭된 배선에 비해, 에칭된 배선 패턴의 균일성이 우수할 뿐만 아니라 이물, 전여물, 긁힘(scratch), 라인 연결 (line short, bridge), 단선 (line open), 금속부식 (metal corrosion), 금속변색 (metal discolor), 오정렬(misalign)의 품질 요인에 관해서도, 기존의 에칭 용액보다 더불량한 결과를보여주지는 않았다.
본 발명의 에칭 용액을 이용하여 Al-Nd/Mo 이중층을 에칭할 경우, 추가의 건식 에칭이 필요하지 않을 정도로 우수한 프로파일을 수득할 수 있으며, 따라서 두 단계로 진행하던 기존의 2단계 공정에 비하여 매우 간편하고 경제적으로 에칭을 행할 수 있다.
Claims (3)
- 40 ~ 70 중량%의 인산 (H3PO4), 5 ~ 20 중량%의 질산 (HNO3), 10 ~ 20중량%의 아세트산 및 100 중량%가 되게 하는 양의 물을 포함하고, 조성물 전체 중량을 기준으로 0.01 ~ 0.05 중량%의 첨가제를 포함할 수 있음을 특징으로 하는, 반도체 장치에서 하부 Al-Nd 합금층 및 상부 Mo 금속층의 이중층 구조로 된 금속막용 에칭 용액.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 50 ~ 60 중량%의 인산, 5~10 중량%의 질산, 11 ~ 15 중량%의 아세트산을 포함함을 특징으로 하는 에칭 용액.
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| JPH1192966A (ja) * | 1997-09-22 | 1999-04-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | エッチング液濃度制御装置 |
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1999
- 1999-09-22 KR KR1019990041119A patent/KR100330582B1/ko active IP Right Grant
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