KR20060048588A - 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물 - Google Patents

포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구리 및 구리를 주성분으로 하는 합금, 각종 저유전율막을 갖는 반도체 장치의 제조공정에 있어서, 드라이에칭 후 및 애싱 후에 잔류하는 포토레지스트(photoresist) 잔류물 및 폴리머 잔류물을 제거하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물을 제공한다. 더욱 구체적으로는, 적어도 1종의 불소화합물과 적어도 1종의 유기산과 적어도 1종의 유기아민과 물을 함유하고, 상기 조성물의 pH가 4~7이며, 물 이외의 성분의 합계 함유량이 조성물 전체에 대해서 0.3~30 질량%인 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물을 제공한다.
잔류물 제거 조성물, 포토레지스트, 드라이에칭, 애싱

Description

포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물{Composition for removing photoresist residue and polymer residue}
본 발명은 드라이에칭 후 및 애싱 후에 잔류하는 잔류물을 제거하기 위하여 사용하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물에 관한 것이다.
최근, 반도체 회로소자의 미세화, 고성능화에 의한 소자 구조의 미세화에 수반하여 새로운 배선 재료나 층간 절연막 재료가 채용되게 되었다. 예를 들면, 배선저항, 배선간 용량의 저감을 목적으로, 구리 및 구리를 주성분으로 하는 합금(이하 “구리합금”이라 한다)이 새로운 배선 재료로서 사용되게 되었다. 구리배선은 층간 절연막에 배선 패턴으로서 형성한 트렌치에 스퍼터링(sputtering)이나 전해 도금을 이용하여 구리를 채운 후, 불필요한 구리막 부분을 화학적 기계연마(CMP) 등을 이용하여 제거하는 상감공정(damascene process) 등에 의해 형성된다. 구리합금에 대해서도 상감공정과 유사한 공정에 의한 배선에 사용되는 예가 있다.
  
또한, 새로운 층간 절연막 재료로서 저유전율(이하 "low-k"라 한다) 재료인 아릴에테르화합물로 대표되는 유기막, HSQ(Hydrogen Silsesquioxane) 및 MSQ(Methyl Silsesquioxane)로 대표되는 실록산막, 및 다공질 실리카막의 도입이 검토되고 있다. 
그런데, 상술한 구리, 구리합금 및 각종 저유전율막은 종래의 재료인 알루미늄, 알루미늄합금 및 실리콘 산화막과 비교하면 내약품성이 낮은 것으로 밝혀져 있다. 또한, 새로운 재료인 각종 저유전율막은 종래의 재료인 실리콘 산화막과는 화학적 조성이 다른 것이므로, 반도체 장치의 제조공정은 종래와는 다른 조건으로 수행되고 있다.
반도체 장치의 제조공정에 있어서, 종래부터 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 기판 상에 성막(成膜)한 층간 절연막이나 배선 재료막을 패터닝하는 드라이에칭이 수행되고 있다. 이러한 드라이에칭의 후처리는 레지스트 패턴을 애싱 처리에 의해 회화(灰化) 제거한 후, 처리표면에 일부 잔류하는 포토레지스트 잔류물 등을 레지스트 잔류물 제거액에 의해 한층 더 제거하는 것이 일반적이다. 여기서 포토레지스트 잔류물이란 드라이에칭 및 애싱 처리 후에 기판 표면에 잔류하는 포토레지스트, 반사 방지막 등의 유기 화합물의 불완전 회화물을 의미하고, 폴리머 잔류물이란, 피에칭 재료 벽면에 부생성물로서 잔류하는, 드라이에칭 시에 있어서의 에칭 가스 유래의 탄화불소의 퇴적물, 배선 금속과 에칭 가스의 화합물 등의 사이드 월 폴리머(측벽 보호막, 래빗이어라고도 불린다) 및 비아홀(via hole) 측면 및 저면에 잔류하는 유기금속 폴리머 및 금속산화물을 의미한다.
 
층간 절연막이 상술한 아릴에테르화합물로 대표되는 유기계 저유전율막인 경우, 층간 절연막을 패터닝할 때의 에칭가스로서는 일반적으로 질소와 수소의 혼합 가스 또는 질소와 헬륨의 혼합가스를 이용한다. 이들 에칭가스는 에칭 시에 유기계 저유전율막과 같이 유기화합물로 이루어지는 포토레지스트도 동시에 에칭하기 때문에, 에칭가스의 선택비가 상기 유기계 저유전율막보다 작은 무기재료(산화실리콘, 질화실리콘 등)를 마스크로서 사용하는 경우가 있다.
  
층간 절연막이 애싱처리에 의해 변성되기 쉬운 MSQ로 대표되는 실록산막인 경우에도, 상기 유기계 저유전율막의 경우와 같이, 유기화합물로 이루어지는 포토레지스트가 에칭되어 버리기 때문에, 이 대신 에칭가스의 선택비가 실록산막으로 이루어지는 저유전율막보다 작은 무기재료를 마스크로 하여 드라이에칭을 실시하는 경우가 있다.
이에 의해, 저유전율막으로 이루어지는 층간 절연막을 선택비가 당해 저유전율막보다 작은 무기재료를 마스크로서 드라이에칭하는 경우, 먼저 층간 절연막상에 형성된 무기 마스크층을 포토레지스트 마스크를 이용하여 드라이에칭하고, 애싱 처 리에 의해 포토레지스트를 회화제거하여 무기 마스크 패턴을 얻는다. 나아가, 이 무기 마스크를 이용하여 층간 절연막을 드라이에칭한다.
이러한 제조 공정을 이용하여 층간 절연막을 드라이에칭한 후의 기판 표면에는 주로 폴리머 잔류물이 잔류하고, 포토레지스트, 반사방지막 등의 유기화합물의 불완전 회화물인 포토레지스트 잔류물이 잔류하지는 않는다.
한편, 다층 배선을 형성하는 경우에는 하층의 금속배선 패턴을 피복하는 플라즈마 TEOS를 형성한 후, 배선간, 배선 패턴을 덮는 저유전율층을 형성하여 배선간 용량을 저감한 후, 이 층 위에 플라즈마 TEOS에 의한 캡층을 형성하고, CMP로 평탄화한 후, 포토레지스트를 이용한 포토리소그래피법으로 텅스텐 플러그용의 비아홀을 형성하여 수행한다(특허문헌 1 참조). 이 경우에는 표면에 포토레지스트 잔류물, 비아홀 속에 폴리머 잔류물이 잔류하기 때문에 이들의 제거가 필요하다. 이 때문에, 플라즈마 TEOS로 형성된 산화실리콘에 대한 부식성이 없는 조성물이 요구되고 있다.
구리, 구리합금 또는 각종 저유전율막 등의 새로운 재료를 사용하는 반도체 장치의 제조공정에 있어서, 종래의 포토레지스트 잔류물 제거 조성물을 적용할 수 없는 문제가 발생하고 있다. 예를 들면, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 실리콘 산화막을 갖는 기판상에 생기는 포토레지스트 잔류물의 제거에 사용되는 종래의 대표 적인 포토레지스트 잔류물 제거 조성물은 알칸올아민, 제4급 암모늄화합물을 함유하기 때문에, 내부식성이 낮은 구리 및 구리합금을 부식시키고, 나아가 각종 low-k막의 에칭 및 구조의 변화를 일으킨다.
그리고, 구리, 구리합금 또는 low-k막을 갖는 기판상에 생기는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물을 제거하는 새로운 형태의 잔류물 제거 조성물로서 이하의 5 종류가 보고되어 있다.
1) 알칸올아민과 부식방지제로서 질소를 함유하는 화합물과 물을 함유하는 조성물: 알칸올아민은 N-메틸아미노에탄올 또는 모노에탄올아민이고, 부식방지제는 요산, 아데닌, 카페인, 퓨린 등이 예시되어 있다(특허문헌 2 참조).
2) 지방족 폴리카본산과 글리옥실산 등의 환원성 물질과 물을 함유하는 조성물: 지방족 폴리카본산은 수산, 말론산, 주석산, 사과산, 호박산 또는 구연산이며, 환원성 물질은 글리옥실산, 아스코빈산, 글루코오스 또는 맨노오스가 예시되어 있다(특허문헌 3 참조).
3) 1종 또는 2종 이상의 불소화합물과 1종 또는 2종 이상의 글리옥실산 등과 물을 함유하는 조성물: 불소화합물은 불화암모늄이고, 글리옥실산 등은 글리옥실산, 아스코빈산, 글루코오스, 프룩토오스, 락토오스 또는 맨노오스가 예시되어 있 다(특허문헌 4 참조).
4) 불화암모늄 등의 불소화합물, 수용성 유기용제, 완충제, 물, 염기성 화합물을 함유하는 조성물: 염기성 화합물은 암모니아수, 알코올아민류, 히드록실아민류, 폴리 알킬렌 폴리아민류, 피페라진류, 모폴린류가 예시되어 있다(특허문헌 5 참조).
5) 불화수소산과 금속을 포함하지 않는 염기와의 염, 수용성 유기용제, 유기산 및 무기산, 물을 함유하는 조성물: 유기산은 개미산, 초산, 수산, 주석산, 구연산 등이 예시되어 있다(특허 문헌 6 참조).
그러나, 상기의 1)~5)의 각 조성물은 이하의 문제가 있었다.
1)의 조성물은 알칸올아민의 함유량이 조성물의 40~90 질량%를 차지하고 있어 환경부하가 매우 크다.
2)의 조성물은 25 ℃, 10분간의 침지(浸漬)로 포토레지스트 잔류물을 제거할 수 있다는 것이 해당 특허문헌 3의 실시예에 따라 개시되고 있다. 그러나, 최근 많이 사용되고 있는 단시간의 처리가 필요한 매엽식(枚葉式) 세정장치에 이용하는 데는 제거능력이 반드시 충분하지 않다.
3)의 조성물은 본원의 비교예에 나타낸 바와 같이, MSQ 등의 실록산막으로 이루어지는 저유전율막의 드라이에칭 및 애싱 시에 생성되는 MSQ 표면 변질층의 에 칭 속도가 지극히 빠르다. 이 때문에, 이 조성물을 이용하는 경우, 의도하는 에칭 치수보다도 실제 에칭 치수가 확대될 우려가 있다. 또, 본 조성물은 유기성분을 용해하는 성분을 함유하지 않기 때문에, 포토레지스트 잔류물 또는 유기성분을 많이 함유하는 폴리머 잔류물 등의 제거가 불충분한 경우가 있다. 나아가, 본 조성물을 세정장치 내에서 순환사용하는 경우, 웨이퍼 처리 매수가 많아지게 되면 수분의 증발에 의한 농축, 처리에 의한 각 성분의 소비 및 린스액 혼입에 의한 희석 등에 의해 조성물 각 성분의 함량이 변화하여 목적하는 특성을 얻을 수 없다. 
4)의 조성물은 유기용제, 알칼리성 화합물을 함유하기 때문에, 유기성분에 대한 용해성을 가지며, 또 완충제를 함유하고 있기 때문에, 순환사용 시에 조성물 각 성분의 함량의 변화에 대해 각 특성이 변화하지 않도록 고려되고 있지만, 1)의 조성물과 같이 유기용제의 함유량이 조성물의 50 질량% 이상을 차지하고 있어 폐수처리 부하가 매우 크다.
5)의 조성물은 유기용제를 함유하기 때문에, 유기성분에 대한 용해성을 가지고 있지만, 4)의 조성물과 같이 유기용제의 함유량이 조성물의 50 질량% 이상을 차지하고 있어 폐수처리 부하가 매우 크다.
  
<특허문헌 1> 일본특개 2000-306999호 공보
<특허문헌 2> 일본특개 2002-99101호 공보
<특허문헌 3> 일본특개 2003-167360호 공보
<특허문헌 4> 일본특개 2003-280219호 공보
<특허문헌 5> 일본특개 2003-241400호 공보
<특허문헌 6> 일본특개 2004-94203호 공보
이에, 본 발명자들은 상기 문제에 대하여 연구를 수행하던 중에 적어도 1종의 불소화합물과 적어도 1종의 유기산과 적어도 1종의 유기아민과 물을 함유하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물에 대하여 pH를 약산성에서 중성으로 설정함으로써, 상기의 과제를 한번에 해결할 수 있음을 알아내고, 한층 더 연구를 진행시켜 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 드라이에칭 후 및 애싱 후의 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물을 층간 절연막의 가공 치수를 변화시킴 없이 제거할 수 있다는 것과 동시에, 순환사용 시의 조성변화에 대해서 잔류물 제거특성이 변화하지 않고, 한편 환경부하가 억제된 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 드라이에칭 후 및 애싱 후의 반도체 기판에 잔류하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물을 제거하는 조성물에 있어서, 적어도 1종의 불소화합물과 적어도 1종의 유기산과 적어도 1종의 유기아민 과 물을 함유하고, 상기 조성물의 pH가 4~7이며, 물 이외의 성분의 합계 함유량이 조성물 전체에 대해서 0.3~30 질량%인 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 적어도 1종의 부식방지제를 더 함유하는 상기 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물에 관한 것이다.
나아가, 본 발명은 부식방지제가 글리옥실산, 글루코오스, 프룩토오스 및 맨노오스로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종인 상기 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 부식방지제가 글리옥실산인 상기 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물에 관한 것이다.
나아가, 본 발명은 불소화합물이 불화암모늄인 상기 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 유기산이 수산, 주석산, 구연산, 말론산 및 사과산으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종인 상기 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물에 관한 것이다.
나아가, 본 발명은 유기아민이 알칸올아민류, 시클로헥실아민류, 모폴린류, 피페리딘류 및 피페라진류로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종인 상기 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 계면활성제로서 비이온형 계면활성제, 음이온형 계면활성제 및 불소계 계면활성제를 적어도 1종 함유하는 상기 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물에 관한 것이다.
나아가, 본 발명은 배선 재료로서 구리 또는 구리합금, 및 층간 절연막 재료로서 저유전율(low-k)막을 갖는 기판에 이용하는 상기 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물을 사용하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물의 제거방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본원 명세서에 있어서, 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물이란, 포토레지스트를 마스크로 하여 드라이에칭을 수행하고 애싱을 더 수행한 후 의 반도체 기판이나, 무기재료를 마스크로 하여 드라이에칭을 수행한 후의 반도체 기판에 잔류하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물을 제거하기 위해서 이용하는 조성물 등을 의미한다.  
본 발명의 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물은 불소화합물을 함유하기 때문에, 드라이에칭 후 및 애싱 후에 잔류하는 실리콘을 함유하는 잔류물에 대하여 높은 제거성을 가진다. 본 발명의 잔류물 제거 조성물은 유기산과 유기아민의 각 성분의 종류, 농도, 비율을 최적화함으로써, 조성물을 소정의 pH로 조정하고, 한편 각 성분의 희석, 농축 등의 농도 변화에 대해서 pH를 일정하게 유지한다. 조성물 중의 불소화합물, 예를 들면 불화암모늄은 아래의 식과 같이 수용액 중에서 HF2 를 해리한다.
H+2NH4F →HF2 +2NH4
HF2 의 농도는 용액의 pH에 의존하고, pH가 낮아지면 HF2 농도가 높아지고, pH가 높아지면 HF2 농도가 낮아진다. pH가 낮아지면 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물에 대한 에칭 효과가 높아지지만, pH가 너무 낮아지면 절연막 재료나 그 변질층까지 에칭되어 버린다. 한편, pH가 너무 높아지면 잔류물 제거성이 불충분하 게 되고, 또 구리가 부식되는 경우가 있다. 본 발명의 잔류물 제거 조성물은 HF2 농도를 에칭의 최적범위로 조정하기 위하여, 유기산과 유기아민에 의해 조성물의 pH를 4~7로 설정한다.
유기아민은 유기성분을 많이 함유하는 잔류물에 대해서도 높은 제거성을 갖는다. 게다가 부식방지제를 함유함으로써, 금속재료의 부식을 방지할 수 있다. 특히, 환원성 물질인 글리옥실산은 잔류물 제거 조성물을 이용하여 처리되는 기판 표면에 금속재료가 노출되고 있는 경우에도, 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물과 구리 등의 금속재료간 전자교환을 제어하여 금속재료의 부식을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물은 유기산을 함유함으로써, 배선 재료로서 사용하는 구리를 부식시키지 않고, 드라이에칭 후 및 애싱 후에 비아홀 저부에 잔류한다, 주로 구리산화물을 성분으로 하는 폴리머 잔류물에 대해서 높은 제거성을 갖는다.
본 발명의 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물은 층간 절연막의 드라이에칭 후 및 애싱 후에 잔류하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물을 제거하기 위해서 사용하고, 적어도 1종의 불소화합물과 적어도 1종의 유기산과 적어도 1종의 유기아민과 물을 함유하는 수용액으로 구성된다.
본 발명에 이용되는 불소화합물은 불화수소산, 또는 암모늄, 아민 등의 불화물염이고, 불화물염으로는 불화암모늄, 산성불화암모늄, 메틸아민불화수소염, 에틸아민불화수소염, 프로필아민불화수소염, 불화테트라메틸암모늄, 불화테트라에틸암모늄, 에탄올아민불화수소염, 메틸에탄올아민불화수소염, 디메틸에탄올불화수소염, 트리에틸렌디아민불화수소염 등이 예시된다. 그 중에서 금속불순물 함유량이 낮고, 용이하게 입수할 수 있는 불화암모늄이 특히 바람직하다. 
구리 또는 구리합금으로 이루어지는 배선상의 층간 절연막 등을 드라이에칭 하는 경우, 에칭 벽면 및 저부에 잔류하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물은 구리의 산화물, 포토레지스트 재료, 산화실리콘 등의 무기 마스크 재료, 층간 절연막 재료 및 에칭가스 등이 혼합된 반응 생성물을 함유한다. 다만, 이들 잔류물은 드라이에칭 대상재료나 드라이에칭 조건, 애싱 조건 등의 프로세스 조건에 따라 조성이 다른데, 예를 들면, 층간 절연막이 HSQ, MSQ 등인 경우는 실리콘을 많이 함유하는 잔류물이 남고, 포토레지스트 마스크를 사용하거나 에칭가스 유래의 탄화불소를 에칭 벽면에 퇴적하는 프로세스 조건의 경우는 유기성분을 많이 함유하는 잔류물이 남는다.
조성물 중에 포함되는 불소화합물은 실리콘을 많이 함유하는 폴리머 잔류물을 용해하고, 포토레지스트 잔류물을 단시간에 박리한다. 불소화합물의 함유량은 드라이에칭 대상재료, 프로세스 조건 및 잔류물 제거성으로부터 적절히 결정할 수 도 있지만, 조성물 전체에 대해 바람직하게는 0.1~3 질량%이며, 더욱 바람직하게는 0.2~2 질량%이다. 불소화합물의 함유량이 너무 낮은 경우에는 잔류물 제거성이 불충분하고, 너무 높은 경우에는 실리콘계의 층간 절연막 변질층뿐만 아니라 층간 절연막 자체 및 배선 재료를 부식시킨다.
조성물 중에 포함되는 부식방지제는 주로 구리의 부식을 방지한다. 부식방지제로서는 소르비톨, 카테콜, 벤조트리아졸, 글리옥실산, 아스코빈산, 글루코오스, 프룩토오스, 락토오스, 맨노오스 등을 사용할 수가 있다. 이들 부식방지제 가운데 당알코올(소르비톨 등), 방향족 히드록시화합물(카테콜 등), 방향족 질소함유화합물(벤조트리아졸 등) 등의 부식방지제는 예를 들면, 불소화합물, 수용성 아민화합물, 지방족 폴리카본산 등의 포토레지스트 잔류물 제거성분 및 물과 함께 포토레지스트 잔류물 제거 조성물 중에 첨가할 수 있다. 이들 부식방지제는 구리표면에 불용성 킬레이트 화합물의 피막을 형성하고, 포토레지스트 잔류물 제거성분과 금속과의 접촉을 억제하여 부식을 방지한다고 생각된다.
한편, 글리옥실산, 아스코빈산, 당류(글루코오스, 프룩토오스, 락토오스, 맨 노오스 등) 등의 부식방지제는 환원성 물질이기 때문에, 잔류물 제거 조성물의 산화 환원 전위를 제어함으로써, 잔류물 제거 조성물과 각종 금속간의 전자교환을 제어하여 부식을 방지한다고 생각된다. 수용액 중의 금속의 부식은 수용액의 pH, 산화 환원 전위, 온도, 킬레이트제의 유무 및 수용액 중에 공존하는 다른 금속에 의해 영향을 받고, 그 중에서도 용액의 pH 및 산화 환원 전위가 중요한 인자가 된다. 이들 인자를 제어함으로써 수용액 중의 금속의 부식을 방지할 수 있다고 생각된다. 본 발명에 사용되는 부식 방지제로는 글리옥실산, 아스코빈산, 당류(글루코오스, 프룩토오스, 락토오스, 맨노오스 등) 등이 부식방지성, 잔류물 제거성이 우수하다는 점 때문에 바람직하다. 이들 가운데 아스코빈산은 수용액 중에서 서서히 분해되기 때문에, 글리옥실산 및 당류(글루코오스, 프룩토오스, 락토오스, 맨노오스 등)가 안정성의 관점에서 보다 바람직하다. 특히, 글리옥실산은 당류(글루코오스, 프룩토오스, 락토오스, 맨노오스 등)보다 산성도가 높고, 소량의 첨가에 의해 잔류물을 제거하는 데 충분한 양의 HF2 를 생성할 수 있기 때문에 더욱 바람직하다.
부식방지제의 함유량은 드라이에칭 대상재료 및 프로세스 조건, 잔류물 제거성, 배선 재료 및 층간 절연막 재료에 대한 부식 억제능력, 경제성, 나아가 침전물 및 결정 생성 유무의 관점으로부터 적절히 결정할 수도 있지만, 조성물 전체에 대해 바람직하게는 0.01~1 질량%이며, 특히 바람직하게는 0.03~0.3 질량%이다. 부식방지제의 함유량이 너무 낮은 경우에는, 잔류물 제거성 및 구리 부식방지성이 불충분하고, 너무 높은 경우에는 실리콘계 층간 절연막의 변질층뿐만 아니라 층간 절연막 자체를 부식시킨다.
본 발명에 사용하는 유기산은 카본산, 술폰산, 포스폰산 등의 통상의 유기산이 될 수도 있는데, 바람직하게는 개미산, 초산, 프로피온산, 낙산, 아크릴산, 메타크릴산, 수산, 글리콜산, 말론산, 말레인산, 주석산, 구연산, 사과산 등의 카본 산이 예시된다. 그 중에서도 수산, 말론산, 주석산, 구연산 및 사과산이 더욱 바람직하다.
유기산은 구리산화물 등의 금속 산화물을 많이 함유하는 잔류물을 용해한다. 유기산의 함유량은 드라이에칭 대상재료, 프로세스 조건 및 잔류물 제거성(조성물의 pH)으로부터 적절히 결정할 수도 있는데, 조성물 전체에 대해 바람직하게는 약 0.1~20 질량%이며, 특히 바람직하게는 약 1~10 질량%이다. 유기산의 함유량이 너무 낮은 경우에는 잔류물 제거성이 불충분하고, 너무 높은 경우에는 실리콘계 층간 절연막의 변질층뿐만 아니라 층간 절연막 자체 및 배선 재료를 부식시킨다.
본 발명에 사용하는 유기아민으로서는 모노에탄올아민, 모노프로판올아민, 이소프로판올아민, N-메틸에탄올아민, N-에틸에탄올아민, N-부틸에탄올아민, N,N-디에틸에탄올아민, N,N-부틸에탄올아민, N-메틸프로판올아민, N,N-디메틸프로판올아민, N,N-디에틸프로판올아민, 디글리콜아민, 디에탄올아민, 디프로판올아민, 디이소프로판올아민, 트리에탄올아민, 트리프로판올아민, 트리이소프로판올아민 등의 알칸올아민류, 시클로헥실아민, N-알킬시클로헥실아민 등의 시클로헥실아민류, 모폴린, 알킬모폴린 등의 모폴린류, 피페리딘, 알킬피페리딘 등의 피페리딘류, 피페라진, 알킬피페라진 등의 피페라진류가 예시된다. 그 중에서도 반도체 제조 공정용으로서 비교적 고순도의 것을 얻을 수 있는 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 디글리콜아민, 모폴린, 피페리딘 및 피페라진이 바람직하다.
유기아민은 유기성분을 많이 함유하는 잔류물을 용해하는 성분으로서, 조성물 중에 포함된다. 유기아민의 함유량은, 조성물 전체에 대해 바람직하게는 약 0.1~15 질량%이며, 더욱 바람직하게는 약 0.5~10 질량%이며, 가장 바람직하게는 약 1~5 질량%이다. 유기아민의 함유량이 너무 낮은 경우에는 유기성분을 많이 함유하는 잔류물의 제거성이 불충분하고, 너무 높은 경우에는 실리콘을 많이 함유하는 잔류물의 제거성이 불충분하게 된다.
본 발명의 잔류물 제거 조성물은 유기아민 이외의 수용성 유기용매를 사용하지 않고 수용액으로 구성된다. 물 이외의 성분의 합계 함유량은 조성물 전체에 대해 0.3~30 질량%이고, 바람직하게는 0.3~20 질량%이며, 특히 바람직하게는 3~15 질량%이다. 유기용매나 다량의 유기아민은 내(耐)부식성이 낮은 배선 재료의 구리 및 구리합금, low-k막 등을 부식시키는 문제가 있다. 본 발명의 잔류물 제거 조성물은 유기용매를 사용하지 않고, 소량의 물 이외의 성분으로 충분한 효과를 얻을 수 있기 때문에, 상기 부식의 문제가 없으며 환경부하가 작다.
잔류물 제거 조성물의 pH는 4~7이며, 바람직하게는 5~7이다. 이에 의해 조성물 중의 HF2 농도를 에칭의 최적범위로 조정할 수 있다. 또한, 조성물 중의 유기산과 유기아민의 완충효과에 의해, 각 성분의 농도변동에 대해서 조성물의 pH를 일정하게 유지할 수 있고, 이에 의해 매엽식 세정장치로 제거액을 순환사용하는 경우 에 잔류물 제거성, 내부식성 등의 특성을 변화시키지 않으면서 제거액의 라이프 타임을 장기화할 수 있다.
나아가, 플라즈마 TEOS를 갖는 기판에 대해서도 조성물의 pH를 최적화함으로써, 절연막 재료나 그 변질층과 같이 플라즈마 TEOS가 HF2 에 의해 에칭되지 않도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 잔류물 제거 조성물은 low-k막과 같은 발수성 막에 대해서 친수성을 갖도록 하기 위해, 조성물 중에 계면활성제를 함유시킬 수 있다. 계면활성제는 폴리옥시알킬렌알킬에테르형, 폴리옥시알킬렌알킬페닐에테르형 등의 비이온형 계면활성제, 알킬벤젠술폰산형 및 그 염, 알킬인산에스테르형, 폴리옥시알킬렌알킬페닐에테르술폰산 및 그 염, 폴리옥시알킬렌알킬에테르술폰산 및 그 염 등의 음이온형 계면활성제, 불소계 계면활성제 등이 바람직하다. 계면활성제의 농도는 바람직하게는 0.0001~10 질량%, 특히 바람직하게는 0.001~5 질량%이다. 계면활성제의 농도가 낮은 경우에는 low-k막에 대한 친수성이 저하되고, 또한 높은 경우에는 농도에 대해 대응하는 효과를 기대할 수 없다.
이하, 본 발명의 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물에 대해, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 본 발명이 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1~43, 비교예 1~8>
포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물의 조제 방법
(1) 표 1에 나타내는 투입량에 대응하여 무게를 측정한 소정의 유기산을, 투입량에 대응하여 무게를 측정한 초순수(超純水)에 투입하고, 균일한 상태로 혼합될 때까지 교반했다(용액 A).
(2) 표 1에 나타내는 투입량에 대응하여 무게를 측정한 소정의 유기아민을 용액 A 중에 투입하고, 균일한 상태로 혼합될 때까지 교반했다(용액 B).
(3) 표 1에 나타내는 투입량에 대응하여 무게를 측정한 소정의 불소화합물 및 글리옥실산을 용액 B 중에 투입하고, 균일한 상태로 혼합될 때까지 교반했다.
잔류물 제거성 및 부식성 평가 1(잔류물 제거 조성물의 조성 변화에 의한 영향)
실리콘 웨이퍼 위에 탄탈(Ta)을 장벽 메탈로 사용한 구리 상감 배선, 층간 절연막(SiOC계 low-k막)을 차례로 성막하고, 층간 절연막 위에 도포, 노광, 현상한 포토레지스트를 마스크로 하여 드라이에칭을 실시하여 비아홀을 형성한 후, 애싱에 의해 포토레지스트의 제거를 실시하고, 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물이 생성된 웨이퍼를 얻었다. 그 웨이퍼를 각 잔류물 제거 조성물 중에 25℃, 90초간 침지처리하고, 초순수로 유수(流水) 린스처리, 건조한 후, 전자현미경으로 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물의 제거성 및 구리 및 low-k막에 대한 부식성을 확 인했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
제거액조성(질량%) pH 제거성*1 부식성
구리표면 비아측벽 구리*2 low-k막*3
비교예1 NMEA*4 95 요산 1 - ×
비교예2 수산 3.4 글리옥실산 0.03 - ×
비교예3 HF 0.05 - ×
비교예4 NH4F 0.5 - × ×
비교예5 NH4F 0.2 글리옥실산 0.03 - ×
비교예6 NH4F 0.2 글리옥실산 0.09 - ×
비교예7 NH4F 0.5 DMAc*5 66 ADA*6 3 암모니아 0.2 - × ×
비교예8 NH4F 0.1 DMSO*7 21 DGME*8 49 MDP*9 5 - ×
DEEA*10 3 수산 1
실시예1 NH4F 0.2 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페라진 1.5 5.5
실시예2 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페라진 1.5 5.6
실시예3 NH4F 2 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페라진 1.5 6.0
실시예4 NH4F 0.5 글루코오스 0.2 구연산 2 피페라진 1.5 5.9
실시예5 NH4F 0.2 글리옥실산 0.1 구연산 2 피페라진 1.5 5.9
실시예6 NH4F 0.5 글리옥실산 0.03 구연산 2 피페라진 1.5 6.3
실시예7 NH4F 0.5 글리옥실산 0.3 구연산 2 피페라진 1.5 5.1
실시예8 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 1 피페라진 1.5 6.0
실시예9 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 5 피페라진 1.5 -
실시예10 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 10 피페라진 1.5 -
실시예11 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페라진 1 5.2
실시예12 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페라진 5 -
실시예13 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 주석산 2 피페라진 1.5 5.4
실시예14 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 말론산 2 피페라진 1.5 5.4
실시예15 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 사과산 2 피페라진 1.5 5.6
실시예16 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 MEA 1.5 5.4
실시예17 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 DEA 1.5 5.5
실시예18 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 TEA 1.5 5.7
실시예19 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 DGA 1.5 5.5
실시예20 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 CHA*11 1.5 5.7
실시예21 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 CHA*11 1 5.4
실시예22 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 5 CHA*11 5 -
실시예23 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 모폴린 1.5 5.3
실시예24 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 모폴린 1 5.0
실시예25 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 5 모폴린 5 -
실시예26 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페리딘 1.5 6.0
실시예27 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페리딘 1 5.7
실시예28 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 5 피페리딘 5 -
*1: ◎ 양호, △ 일부 남아있음, × 제거불가
*2: ◎ 부식없음, ○ 거의 부식없음, △ 약간의 표면거침 발생, × 에칭 발생
*3: ◎ 부식없음, ○ 거의 부식없음, △ 약간의 표면거침 발생, × 에칭 발생
*4: N-틸모노에탄올아민 *5: 디메틸아세트아민
*6: N-(2-아세트아미드)이미노이초산 *7: 디메틸술폭시드
*8: 디에틸렌글리콜모노메틸에테르 *9: 메틸렌디포스폰산
*10: N,N-디에틸에탄올아민 *11: 시클로헥실아민
실시예 1~28의 조성물은 잔류물 제거성 및 내부식성이 모두 양호하고, 특히 유기아민에 피페라진, 모폴린 또는 피페리딘을 사용한 예에서는 구리에 대한 부식을 전혀 볼 수 없었다. 이에 대해, 비교예 1~8의 조성물은 구리표면 또는 비아측벽의 잔류물의 제거성이 불량이거나, 구리 또는 low-k막의 내부식성이 불량인 것을 알았다. 또, 글리옥실산을 사용한 실시예 2와 글루코오스를 사용한 실시예 4에서는, 실시예 2가 실시예 4보다 pH가 약간 낮아지고, 양쪽 실시예 모두 동등하게 양호한 잔류물 제거성 및 내부식성을 나타냈다.
잔류물 제거성 및 부식성 평가 2(잔류물 제거 조성물의 조성 변화에 의한 영향)
실리콘 웨이퍼 위에 탄탈을 장벽 메탈로 사용한 구리 상감 배선, 층간 절연막(MSQ계 다공질 low-k막)을 차례로 성막하고, 층간 절연막 위에 도포, 노광, 현상한 포토레지스트를 마스크로 하여 드라이에칭을 실시하고, 비아홀을 형성한 후, 애싱에 의해 포토레지스트의 제거를 실시하여 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물이 생성된 웨이퍼를 얻었다. 그 웨이퍼를 각 잔류물 제거 조성물 중에 25℃, 90초간 침지처리하고, 초순수로 유수 린스 처리, 건조한 후, 전자현미경으로 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물의 제거성, 및 구리 및 low-k막에 대한 부식성을 확인하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
제거액조성(질량%) pH 제거성*1 부식성
구리표면 비아측벽 구리*2 low-k막*3
실시예29 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페라진 1.5 5.6
실시예30 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 주석산 2 피페라진 1.5 5.4
실시예31 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 말론산 2 피페라진 1.5 5.4
실시예32 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 사과산 2 피페라진 1.5 5.6
실시예33 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페라진 1 5.2
실시예34 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 5 피페라진 5 -
실시예35 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 CHA*4 1.5 5.7
실시예36 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 CHA*4 1 5.4
실시예37 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 5 CHA*4 5 -
실시예38 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 모폴린 1.5 5.3
실시예39 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 모폴린 1 5.0
실시예40 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 5 모폴린 5 -
실시예41 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페리딘 1.5 6.0
실시예42 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페리딘 1 5.7
실시예43 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 5 피페리딘 5 -
*1: ◎ 양호, △ 일부 남아있음, × 제거불가
*2: ◎ 부식없음, ○ 거의 부식없음, △ 약간의 표면거침 발생, × 에칭 발생 또는 성분의 침투
*3: ◎ 부식없음, ○ 거의 부식없음, △ 약간의 표면거침 발생, × 에칭 발생
*4: 시클로헥실아민
표 2에서 보는 바와 같이, 실시예 29~43의 조성물의 잔류물 제거성 및 내부식성은 모두 양호하다는 것을 알 수 있다. 또한, 유기아민의 함유량이 낮기 때문에 다공질화한 low-k막의 성능을 악화시키는 일이 없었다.
잔류물 제거성 및 부식성 평가 3(희석 또는 농축에 의한 영향)
실리콘 웨이퍼 위에 탄탈을 장벽 메탈로 사용한 구리 상감 배선, 층간 절연막(MSQ계 다공질 low-k막)을 차례로 성막하고, 층간 절연막 위에 도포, 노광, 현상한 포토레지스트를 마스크로 하여 드라이에칭을 실시하고, 비아홀을 형성한 후, 애싱에 의해 포토레지스트의 제거를 실시하여, 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물이 생성된 웨이퍼를 얻었다. 그 웨이퍼를 잔류물 제거 조성물(NH4F 0.5 질량%, 글리옥실산 0.2 질량%, 구연산 2.0 질량% 및 피페라진 1.5 질량%)의 각 함유성분의 함유량을 각각 0.5, 0.7, 1.3 및 1.5배로 변화시킨 잔류물 제거 조성물 중에 25℃, 90초간 침지처리하고, 초순수로 유수 린스 처리, 건조한 후, 전자현미경으로 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물의 제거성, 및 구리 및 low-k막에 대한 부식성을 확인하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.
제거액조성(질량%) pH 제거성*1 부식성
구리표면 비아측벽 구리*1 low-k막
실시예29 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페라진 1.5 5.6
실시예44 각성분의 함유량×0.5 5.6
실시예45 각성분의 함유량×0.7 5.6
실시예46 각성분의 함유량×1.3 5.6
실시예47 각성분의 함유량×1.5 5.6
표 3으로부터, 본 발명의 잔류물 제거 조성물을 0.5~1.5배로 희석 또는 농축했을 경우에 대해서도 조성물의 pH는 변하지 않고, 잔류물 제거성 및 내부식성이 양호하다는 것을 알 수 있었다.
플라즈마 TEOS의 에칭량의 평가
실리콘 웨이퍼 위에 플라즈마 TEOS를 성막한 웨이퍼를 준비하고, 간섭식 막두께측정장치(나노매트릭스사제 NanoSpecAFT)로 플라즈마 TEOS의 막두께를 측정하였다. 계속하여 이 웨이퍼를 각 잔류물 제거 조성물 중에 투입하고, 25℃, 30분간 무교반 상태로 침지처리하여, 초순수로 유수 린스 처리, 건조하였다. 그 후, 다시 간섭식 막두께측정장치로 막두께를 측정하고, 잔류물 제거 조성물 처리 전후의 플라즈마 TEOS의 막두께 변화로부터 에칭량을 산출했다. 그 결과를 표 4에 나타내었다.
제거액조성(질량%) pH 플라즈마TEOS 에칭량(Å/30분)
실시예48 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페라진 1.5 5.6 10 ↓
실시예30 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 주석산 2 피페라진 1.5 5.4 10 ↓
실시예31 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 말론산 2 피페라진 1.5 5.4 10 ↓
실시예32 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 사과산 2 피페라진 1.5 5.6 10 ↓
실시예33 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페라진 1 5.2 15
실시예34 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 5 피페라진 5 - 10 ↓
실시예35 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 CHA*1 1.5 5.7 10 ↓
실시예36 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 CHA*1 1 5.4 10 ↓
실시예37 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 5 CHA*1 5 - 10 ↓
실시예38 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 모폴린 1.5 5.3 13
실시예39 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 모폴린 1 5.0 17
실시예40 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 5 모폴린 5 - 10 ↓
실시예41 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페리딘 1.5 6.0 10 ↓
실시예42 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 2 피페리딘 1 5.7 10 ↓
실시예43 NH4F 0.5 글리옥실산 0.2 구연산 5 피페리딘 5 - 13
*1: 시클로헥실아민
본 발명의 잔류물 제거 조성물에 의한 플라즈마 TEOS막에 대한 에칭량은 모두 17Å/30분 이하(표 4의 10↓은 검출한계 10 Å 이하를 나타낸다)이고, 플라즈마 TEOS막에 대한 부식이 작은 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물에 의하면, 금속의 부식이나 층간 절연막의 드라이에칭 및 애싱에 대하여 에칭 표면에 생기는 변질층의 에칭 및 층간 절연막 자체의 에칭을 억제하면서 드라이에칭 후 및 애싱 후에 잔류하는 잔류물을 충분히 제거할 수 있다. 그 때문에, 에칭에 의한 가공 형상을 유지한 상태로 에칭 표면으로부터 잔류물을 제거할 수 있다. 또한, 수용성 유기용매를 이용하지 않고, 수용액으로서 구성되기 때문에 환경부하를 억제할 수 있다.

Claims (10)

  1. 드라이에칭 후 및 애싱 후의 반도체 기판에 잔류하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물을 제거하는 조성물에 있어서, 적어도 1종의 불소화합물과 적어도 1종의 유기산과 적어도 1종의 유기아민과 물을 함유하고, 상기 조성물의 pH가 4~7이고, 물 이외의 성분의 합계 함유량이 조성물 전체에 대해서 0.3~30 질량%인 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 조성물은 적어도 1종의 부식방지제를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 부식방지제는 글리옥실산, 글루코오스, 프룩토오스 및 맨노오스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 부식방지제는 글리옥실산인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불소화합물은 불화암모늄인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기산은 수산, 주석산, 구연산, 말론산 및 사과산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기아민은 알칸올아민류, 시클로헥실아민류, 모폴린류, 피페리딘류 및 피페라진류로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 계면활성제로서 비이온형 계면활성제, 음이온형 계면활성제 및 불소계 계면활성제를 적어도 1종 함유하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 배선 재료로서 구리 또는 구리합금, 및 층간 절연막 재료로서 저유전율(low-k)막을 갖는 기판에 이용하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물 제거 조성물을 사용하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 잔류물 및 폴리머 잔류물의 제거 방법.
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