KR102371075B1 - 알루미늄계 금속막용 식각 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인산, 질산 및 지방족 디올 화합물을 포함하는 알루미늄계 금속막용 식각 조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 식각 조성물은 알루미늄계 금속막의 식각 시에 40° 이하의 낮은 테이퍼 각도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 상부 금속층에 대한 데미지를 억제할 수 있다.
Description
본 발명은 알루미늄계 금속막용 식각 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 테이퍼 각도를 유지하면서도 포토레지스트와 상부 금속층의 계면에 무기산이 침투하여 발생하는 상부 금속층에 대한 데미지를 억제할 수 있는 식각 조성물에 관한 것이다.
반도체 장치에서 기판 위에 금속 배선을 형성하는 과정은 통상적으로 스퍼터링에 의한 금속막 형성공정, 포토레지스트 도포, 노광 및 현상에 의한 선택적인 영역에서의 포토레지스트 형성공정, 및 식각 공정으로 구성되고, 개별적인 단위 공정 전후의 세정 공정 등을 포함한다. 이러한 식각 공정은 포토레지스트 마스크를 사용하여 선택적인 영역에 금속막을 남기는 공정을 의미하며, 통상적으로 플라즈마 등을 이용한 건식 식각 또는 식각 용액을 사용하는 습식 식각이 사용된다.
이러한 반도체 장치에서, 박막 트랜지스터(TFT)의 배선재료로서 일반적으로 사용되는 금속은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로서, 순수한 알루미늄은 화학물질에 대한 내성이 약하고 후속 공정에서 배선 결함 문제를 야기할 수 있으므로 알루미늄 합금 형태로 사용되거나, 알루미늄 또는 알루미늄 합금막 위에 또 다른 금속막, 예컨대 몰리브덴, 크롬, 텅스텐, 주석 등의 금속막을 갖는 다층막의 적층 구조가 적용될 수 있다.
예컨대, Mo/Al-Nd 이중막의 경우 통상 인산이 주성분인 식각 조성물로 식각할 수 있으나, 상기 식각 조성물을 사용하여 알루미늄계 금속막을 식각할 경우, 테이퍼 각도가 50°이상으로 높게 나타날 수 있다[대한민국 공개특허 제10-2009-0095181호]. 또한, 처리매수가 증가함에 따라 포토레지스트와 상부 금속층의 계면에 무기산이 침투하여 상부 금속층에 대한 데미지가 발생하여 국부적인 크랙이 발생하는 문제가 있다.
따라서, 낮은 테이퍼 각도를 유지하면서도 포토레지스트와 상부 금속층의 계면에 무기산이 침투하여 발생하는 상부 금속층에 대한 데미지를 억제할 수 있는 알루미늄계 금속막용 식각 조성물의 개발이 필요하다.
본 발명의 한 목적은 낮은 테이퍼 각도를 유지하면서도 포토레지스트와 상부 금속층의 계면에 무기산이 침투하여 발생하는 상부 금속층에 대한 데미지를 억제할 수 있는 알루미늄계 금속막용 식각 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 식각 조성물을 이용하여 형성된 알루미늄계 금속 배선을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 알루미늄계 금속 배선을 포함하는 박막 트랜지스터 어레이 기판을 제공하는 것이다.
한편으로, 본 발명은 인산, 질산 및 지방족 디올 화합물을 포함하는 알루미늄계 금속막용 식각 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 알루미늄계 금속막용 식각 조성물은 초산을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 알루미늄계 금속막용 식각 조성물은 조성물 전체 중량에 대하여 인산 56 내지 70 중량%, 질산 2 내지 12 중량% 및 지방족 디올 화합물 0.01 내지 3 중량%를 포함하며, 조성물의 전체 중량이 100 중량%가 되도록 잔량의 물을 포함할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명은 상기 알루미늄계 금속막용 식각 조성물을 이용하여 형성된 알루미늄계 금속 배선을 제공한다.
또 다른 한편으로, 본 발명은 상기 알루미늄계 금속 배선을 포함하는 박막 트랜지스터 어레이 기판을 제공한다.
본 발명에 따른 식각 조성물은 알루미늄계 금속막의 식각 시에 40° 이하의 낮은 테이퍼 각도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 처리매수가 증가하더라도 포토레지스트와 상부 금속층의 계면에 무기산이 침투하여 발생하는 상부 금속층에 대한 데미지를 억제할 수 있어 공정 마진을 확보할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시형태는 인산(A), 질산(B) 및 지방족 디올 화합물(C)을 포함하는 알루미늄계 금속막용 식각 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 알루미늄계 금속막은 막의 구성성분 중에 알루미늄이 포함되는 것으로서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 단일막; 및 알루미늄막 및 알루미늄 합금막 중에서 선택되는 하나 이상의 막과 몰리브덴막 및 몰리브덴 합금막 중에서 선택되는 하나 이상의 막을 포함하는 다층막을 포함한다.
상기 알루미늄 합금은 알루미늄과, 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 텅스텐(W) 및 인듐(In) 중에서 선택되는 하나 이상의 금속의 합금을 의미하며, 알루미늄의 질화물 또는 알루미늄의 산화물도 포함하는 개념이다. 특히, 알루미늄에 네오디뮴이 합금된 Al-Nd이 사용될 수 있다.
상기 몰리브덴 합금은 몰리브덴과, 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 텅스텐(W) 및 인듐(In) 중에서 선택되는 하나 이상의 금속의 합금을 의미하며, 몰리브덴의 질화물 또는 몰리브덴의 산화물도 포함하는 개념이다.
상기 다층막의 예로는, 몰리브덴/알루미늄막, 몰리브덴/알루미늄 합금막, 몰리브덴 합금/알루미늄 합금막 등의 2중막; 몰리브덴/알루미늄/몰리브덴막, 몰리브덴/알루미늄 합금/몰리브덴막, 몰리브덴 합금/알루미늄 합금/몰리브덴 합금막 등의 3중막 등을 들 수 있다. 상기 몰리브덴/알루미늄막은 알루미늄층과 상기 알루미늄층 상에 형성된 몰리브덴층을 포함하는 것을 의미하고, 그의 역도 포함한다. 상기 몰리브덴/알루미늄 합금막은 알루미늄 합금층과 상기 알루미늄 합금층 상에 형성된 몰리브덴층을 포함하는 것을 의미하며, 그의 역도 포함한다. 상기 몰리브덴 합금/알루미늄 합금막은 알루미늄 합금층과 상기 알루미늄 합금층 상에 형성된 몰리브덴 합금층을 포함하는 것을 의미하고, 그의 역도 포함한다. 상기 몰리브덴/알루미늄/몰리브덴막은 몰리브덴층, 상기 몰리브덴층 상에 형성된 알루미늄층 및 상기 알루미늄층 상에 형성된 몰리브덴층을 포함하는 것을 의미하며, 상기 몰리브덴/알루미늄 합금/몰리브덴막은 몰리브덴층, 상기 몰리브덴층 상에 형성된 알루미늄 합금층 및 상기 알루미늄 합금층 상에 형성된 몰리브덴층을 포함하는 것을 의미하고, 상기 몰리브덴 합금/알루미늄 합금/몰리브덴 합금막은 몰리브덴 합금층, 상기 몰리브덴 합금층 상에 형성된 알루미늄 합금층 및 상기 알루미늄 합금층 상에 형성된 몰리브덴 합금층을 포함하는 것을 의미한다.
특히, 본 발명의 식각 조성물은 알루미늄막 및 알루미늄 합금막 중에서 선택되는 하나 이상의 막과 몰리브덴막 및 몰리브덴 합금막 중에서 선택되는 하나 이상의 막을 포함하는 다층막에 적용될 수 있다.
상기 알루미늄막 및 알루미늄 합금막은 그 두께가 2,000 내지 6,000, 바람직하게는 4,000 내지 5,000Å의 범위일 수 있고, 상기 몰리브덴막 및 몰리브덴 합금막은 그 두께가 50 내지 300Å, 바람직하게는 100 내지 200Å의 범위일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시형태에 따른 식각 조성물의 구성성분들에 대해 보다 상세히 설명한다.
인산(A)
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 인산(H3PO4)은 주해리제로 사용되는 성분으로, 알루미늄계 금속막을 해리시키는 역할을 한다.
상기 인산은 조성물 전체 중량에 대하여 56 내지 70 중량%, 바람직하게는 60 내지 70 중량%로 포함될 수 있다. 상기 인산의 함량이 56 중량% 미만인 경우에는 알루미늄계 금속막의 식각 속도가 저하될 수 있으며 잔사가 발생하여 불량을 야기할 수 있고, 70 중량%를 초과할 경우에는 알루미늄계 금속막의 식각 속도가 지나치게 빨라질 수 있으며 과식각으로 인하여 후속 공정에 문제를 발생시킬 수 있다.
질산(B)
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 질산(HNO3)은 알루미늄계 금속막의 식각에 영향을 미치는 주산화제로 사용되는 성분이다.
상기 질산은 조성물 전체 중량에 대하여 2 내지 12 중량%, 바람직하게는 5 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 상기 질산의 함량이 2 중량% 미만인 경우에는 알루미늄계 금속막의 식각 속도가 저하되어 식각 균일성이 불량해지고 얼룩이 발생할 수 있으며, 12 중량%를 초과할 경우에는 상부의 포토레지스트에 크랙(crack)이 발생하여 식각 조성물이 침투하여 후속 공정에 문제가 발생할 수 있다.
지방족
디올
화합물(C)
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 지방족 디올 화합물은 상부 금속층에 대한 데미지 억제제로서, 처리매수가 증가함에 따라 포토레지스트와 상부 금속층, 예컨대 몰리브덴층의 계면에 무기산이 침투하여 발생하는 상부 금속층에 대한 데미지를 억제하는 역할을 한다.
본 명세서에서 사용되는 지방족 디올 화합물은 2개의 히드록시기를 갖는 탄화수소 화합물을 의미한다. 즉, 상기 지방족 디올 화합물은 탄화수소 골격 내에 헤테로 원자를 갖지 않는다.
상기 지방족 디올 화합물은 바람직하게는 C2-C8의 지방족 디올 화합물, 더욱 바람직하게는 C2-C5의 지방족 디올 화합물을 포함한다.
구체적으로, 상기 지방족 디올 화합물로는 에틸렌디올, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상의 혼합물로 사용될 수 있다.
상기 지방족 디올 화합물은 조성물 전체 중량에 대하여 0.01 내지 3 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 2 중량%로 포함될 수 있다. 상기 지방족 디올 화합물의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우 처리매수가 증가함에 따라 상부 금속층에 데미지가 발생할 수 있고, 3 중량%를 초과할 경우 테이퍼 각도가 높아질 수 있다.
초산(D)
본 발명의 일 실시형태에 따른 알루미늄계 금속막용 식각 조성물은 보조 산화제로서 초산(CH3COOH)을 추가로 포함할 수 있다.
상기 초산은 조성물 전체 중량에 대하여 5 내지 15 중량%, 바람직하게는 8 내지 13 중량%로 포함될 수 있다. 상기 초산의 함량이 5 중량% 미만인 경우 식각 속도가 불균일해져 잔사가 발생할 수 있으며, 15중량%를 초과할 경우 과식각이 발생하여 금속 배선이 단락될 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시형태에 따른 식각 조성물은 조성물의 전체 중량이 100 중량%가 되도록 잔량의 물을 포함할 수 있다. 본 발명에서, 상기 물은 특별히 한정하지 않으나, 탈이온수가 바람직하고, 물 속에 이온이 제거된 정도를 보여주는 물의 비저항값이 18㏁·㎝ 이상인 탈이온수가 보다 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 식각 조성물은 상기한 성분들 이외에도, 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 첨가제, 예를 들어 금속 이온 봉쇄제, 부식 방지제 등을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 식각 조성물에 사용되는 상기 성분들은 통상적으로 공지된 방법에 의해서 제조가 가능하며, 반도체 공정용의 순도를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 식각 조성물은 알루미늄계 금속막의 식각 시에 40° 이하의 낮은 테이퍼 각도를 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 식각 조성물은 처리매수가 증가하더라도 포토레지스트와 상부 금속층의 계면에 무기산이 침투하여 발생하는 상부 금속층에 대한 데미지를 억제하여 국부적인 크랙을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 식각 조성물은 조명장치 또는 표시장치용 박막 트랜지스터 어레이 기판에 포함되는 게이트 전극, 게이트 배선, 소스/드레인 전극, 데이터 배선 등의 제조 시에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 상술한 식각 조성물을 이용하여 형성된 알루미늄계 금속 배선에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 알루미늄계 금속 배선은 상술한 식각 조성물을 이용하여 당해 분야에 통상적으로 알려진 식각 공정, 예컨대 기판상에 알루미늄계 금속막을 형성하는 단계; 상기 알루미늄계 금속막 상에 포토레지스트 막을 형성한 후 패턴화하는 단계; 및 상술한 식각 조성물을 이용하여 상기 알루미늄계 금속막을 식각하는 단계를 포함하는 식각 공정을 수행함으로써 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 상술한 알루미늄계 금속 배선을 포함하는 박막 트랜지스터(thin film transistor) 어레이 기판에 관한 것이다. 일례로, 본 발명의 박막 트랜지스터 어레이 기판은 조명장치 또는 표시장치용 박막트랜지스터 어레이 기판일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 박막 트랜지스터 어레이 기판은 당해 분야의 통상적인 공정, 예컨대 a) 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계; b) 상기 게이트 전극을 포함한 기판 상에 게이트 절연층을 형성하는 단계; c) 상기 게이트 절연층 상에 반도체층을 형성하는 단계; 및 d) 상기 반도체층 상에 소스/드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하는 공정에 있어서, 상기 a) 단계 및/또는 d) 단계에서 기판 또는 반도체층 상에 알루미늄계 금속막을 형성하고 상술한 식각 조성물로 상기 알루미늄계 금속막을 식각하여 각각의 전극을 형성함으로써 제조될 수 있다.
상기 조명장치는 OLED 조명장치, LED 조명장치 등일 수 있고, 상기 표시장치는 액정표시장치 또는 OLED 표시장치 등일 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
이하, 실시예, 비교예 및 실험예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예, 비교예 및 실험예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.
실시예
1 내지 7 및
비교예
1 내지 4:
하기 표 1에 나타낸 바와 같이 각 성분들을 혼합하고, 전체 100 중량%가 되도록 잔량의 물을 추가하여 식각 조성물을 제조하였다(단위: 중량%).
| 인산 | 질산 | 초산 | 1,3-프로판디올 | 1,2-프로판디올 | 에틸렌디올 | 1,4-부탄디올 | TEG | DEG | 1-프로판올 | |
| 실시예1 | 61 | 9 | - | 1.5 | - | - | - | - | - | - |
| 실시예2 | 60 | 7 | 10 | 1.2 | - | - | - | - | - | - |
| 실시예3 | 62 | 7 | - | 1.0 | - | - | - | - | - | - |
| 실시예4 | 61 | 8 | 11 | 0.5 | - | - | - | - | - | - |
| 실시예5 | 62 | 7 | - | - | 1.0 | - | - | - | - | - |
| 실시예6 | 62 | 7 | - | - | - | 1.0 | - | - | - | - |
| 실시예7 | 62 | 7 | - | - | - | - | 1.0 | - | - | - |
| 비교예1 | 61 | 8 | - | - | - | - | - | 1.0 | - | - |
| 비교예2 | 62 | 9 | - | - | - | - | - | - | 1.0 | - |
| 비교예3 | 60 | 8 | - | - | - | - | - | - | - | 1.0 |
| 비교예4 | 61 | 8 | 10 | - | - | - | - | 1.5 | - | - |
실험예
1:
제조된 식각 조성물의 식각 성능을 평가하기 위하여, 유리기판 상에 Al을 증착시킨 다음 Mo을 증착시켜 Mo/Al(200Å/4,000Å) 이중막을 형성한 후, 포토리소그래피 공정을 진행하여 패턴을 형성시킨 다음 식각 공정을 진행하였다.
이때, 식각 공정은 분사식 식각 방식의 실험장비(모델명: ETCHER(TFT), SEMES사)를 이용하였고, 식각 공정시 식각 조성물의 온도는 약 40℃ 내외로 하였다. 식각 시간은 식각 온도에 따라서 다를 수 있으나, 통상 110초 정도로 진행하였다.
(1)
테이퍼
각도
식각 후 Mo/Al 막의 식각 단면을 SEM(S-4700, Hitachi사)을 사용하여 관찰하고, 테이퍼 각도를 측정하였다. 테이퍼 각도는 식각된 금속막 사면의 기울기로 정의한다.
(2) 상부
몰리브덴막
데미지
식각 후 몰리브덴막의 상면을 SEM(S-4700, Hitachi사)을 사용하여 관찰하여 데미지 발생 여부를 측정하였다. 이때, 데미지 발생 여부는 처리매수를 증가시켜 식각 조성물 내에 알루미늄 및 몰리브덴이 1,000 ppm의 농도(Al:Mo의 비율, 20:1)로 용출된 후에 수행하였다.
측정된 식각 물성에 대한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 테이퍼 각도(°) | 상부 몰리브덴막 데미지 | |
| 실시예1 | 32.5 | 없음 |
| 실시예2 | 33.3 | 없음 |
| 실시예3 | 34.2 | 없음 |
| 실시예4 | 31.2 | 없음 |
| 실시예5 | 34.5 | 없음 |
| 실시예6 | 33.2 | 없음 |
| 실시예7 | 34.5 | 없음 |
| 비교예1 | 33.5 | 있음 |
| 비교예2 | 32.5 | 있음 |
| 비교예3 | 34.7 | 있음 |
| 비교예4 | 31.8 | 있음 |
상기 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 지방족 디올 화합물을 포함하는 실시예 1 내지 7의 식각 조성물을 사용하여 알루미늄계 금속막을 식각한 경우, 테이퍼 각도가 낮을 뿐만 아니라, 알루미늄 및 몰리브덴이 1,000 ppm의 농도(Al:Mo의 비율, 20:1)로 용출된 후에도 상부 몰리브덴막에 대한 데미지가 발생하지 않는 것을 확인하였다. 반면, 지방족 디올 화합물을 포함하지 않는 비교예 1 내지 4의 식각 조성물은 알루미늄 및 몰리브덴이 1,000 ppm의 농도(Al:Mo의 비율, 20:1)로 용출된 후에 상부 몰리브덴막에 대한 데미지가 발생하는 것을 확인하였다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (9)
- 조성물 전체 중량에 대하여 인산 56 내지 70 중량%, 질산 2 내지 12 중량% 및 지방족 디올 화합물 0.01 내지 3 중량%를 포함하고, 조성물의 전체 중량이 100 중량%가 되도록 잔량의 물을 포함하며,
알루미늄막 및 알루미늄 합금막 중에서 선택되는 하나 이상의 막과 몰리브덴막 및 몰리브덴 합금막 중에서 선택되는 하나 이상의 막을 포함하는 다층막을 식각하기 위한 알루미늄계 금속막용 식각 조성물. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 지방족 디올 화합물은 C2-C8의 지방족 디올 화합물을 포함하는 알루미늄계 금속막용 식각 조성물.
- 제3항에 있어서, 상기 지방족 디올 화합물은 에틸렌디올, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올 및 1,4-부탄디올로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 알루미늄계 금속막용 식각 조성물.
- 제1항에 있어서, 초산 5 내지 15 중량%를 추가로 포함하는 알루미늄계 금속막용 식각 조성물.
- 삭제
- 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄계 금속막용 식각 조성물을 이용하여 형성된 알루미늄계 금속 배선.
- 제7항에 따른 알루미늄계 금속 배선을 포함하는 박막 트랜지스터 어레이 기판.
- 제8항에 있어서, 조명장치 또는 표시장치용인 박막트랜지스터 어레이 기판.
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