KR20090061756A - 식각액 조성물 및 이를 이용한 금속 패턴의 형성 방법 - Google Patents

식각액 조성물 및 이를 이용한 금속 패턴의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인산(H3PO4), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH), 황산(H2SO4), 및 물을 포함하는 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 및 다층막의 식각액 조성물 및 이를 이용한 금속 패턴의 형성 방법에 관한 것이다.
알루미늄, 몰리브덴, 식각, 대형 패널

Description

식각액 조성물 및 이를 이용한 금속 패턴의 형성 방법{Etchant composition and method for fabricating metal pattern}
본 발명은 반도체 장치에서 금속막의 습식 식각용으로 사용되는 식각액 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 및 다층막을 식각하기 위한 새로운 형태의 식각액 조성물 및 이를 이용한 금속 패턴의 형성 방법에 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 공정에 의한 단계로 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, TFT-LCD의 배선재료로서 일반적으로 사용되는 금속은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로서, 순수한 알루미늄은 화학물질에 대한 내 성이 약하고 후속 공정에서 배선 결합 문제를 야기할 수 있으므로 알루미늄 합금 형태로 사용되거나, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 층 위에 또 다른 금속 층, 예컨대 몰리브덴, 크롬, 텅스텐, 주석 등의 금속층을 갖는 다층의 적층 구조가 적용될 수 있다. 　　
예컨대, Mo/Al 이중막의 경우 통상 인산-주성분 알루미늄 식각액으로 식각할 수 있으나, 두 층간의 식각 속도 차이로 인하여 몰리브덴 오버행(overhang)이 발생하므로 후속공정으로 이러한 오버행을 건식 식각하는 것으로 알려져 있다.　
이와 같이, TFT-LCD 등의 반도체 장치의 배선을 형성하기 위한 금속막을 다중 층 구조로 할 경우에는 습식 공정과 건식 공정을 함께 적용함으로써 서로의 단점을 보완하는 것이 일반적이다.
Mo/Al 이중막을 종래 기술에 의한 알루미늄 식각액으로 습식 식각할 경우, 상부 몰리브덴 층의 식각 속도가 알루미늄 합금 층의 식각 속도보다 작기 때문에 상부 몰리브덴 층이 하부 Al 층의 외부로 돌출되는 단면을 갖게 되는 불량한 프로파일이 나타난다. 　이러한 불량한 프로파일로 인해 후속 공정에서 단차 커버리지(coverage)가 불량하게 되고 상부 층이 경사면에서 단선되든가 또는 상하부 금속이 단락 될 확률이 커지게 된다. 　이러한 경우, 1 차로 알루미늄 식각 용액으로 습식 식각하고, 2 차로 식각 속도의 차이로 인해 미처 식각 되지 못하고 하부 층 바깥으로 돌출된 상부 층을 다시 건식 식각하는 2 단계 공정을 적용하는 것이 일반적이나, 공정이 복잡하여 생산성 및 비용적인 측면에서 불리하며, 제품 손상 등의 문제점이 존재한다.　
이러한 종래 기술에 대응하여, 본 출원인에 의해 출원된 특허출원 제 1999-41119 호 (공개번호 제 2001-28729 호) 는 인산-주성분 식각액을 개시하고 있으며, 인산, 질산 및 아세트산의 조성비를 특정하게 변화시킴으로써, 상부 몰리브덴 층이 하부 알루미늄 합금 층의 외부로 돌출되는 단면을 갖게 되는 불량 프로파일이 없어지고, 추가의 건식 식각이 필요하지 않을 정도로 우수한 프로파일을 수득할 수 있으므로, 2 단계 공정의 종래 기술에 비해 매우 간단하고 경제적으로 식각을 행할 수 있었다. 　
그러나, 금속막질의 형태가 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 및/또는 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금으로 이루어진 단일막 및 다층막 등 막질이 다양해지고 유리기판의 크기가 커짐에 따라 기존의 제품으로는 균일한 테이퍼 각을 형성 하는 데는 한계가 있다.　
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 대형 패널에서 부분적인 식각 시간 차이에 의한 균일성 저하 및 이로 인한 얼룩현상 발생 문제, 상부나 하부 금속의 식각 불량 문제, 및 경사각 불량 문제가 발생하지 않는 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 및 다층막의 식각액 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 인산(H3PO4), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH), 황산(H2SO4), 및 물을 포함하는 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 및 다층막의 식각액 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은
기판 상에 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 또는 다층막을 형성하는 공정; 및
상기 공정에서 형성된 단일막 또는 다층막을 본 발명의 식각액 조성물을 사용하여 식각하는 공정을 포함하는 금속 패턴의 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 식각액 조성물에 의하면, 종래의 식각액에서 문제점으로 부각되던, 대형 패널에서 부분적인 식각 시간 차이에 의한 균일성 저하 및 이로 인한 얼룩현상 문제, 상부나 하부 금속의 식각 불량 문제, 및 경사각 불량 문제의 발생 없이 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 및 다층막을 식각하는 것이 가능하다.
본 발명은 인산(H3PO4), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH), 황산(H2SO4), 및 물을 포함하는 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 및 다층막의 식각액 조성물에 관한 것이다.
본 발명에서 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속은 이들의 합금을 포함하는 개념이다. 본 발명에서 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 및 다층막이란 그 형태가 다양하다. 예를 들면, Mo/Al-Nd 이중막의 경우, 몰리브덴 막을 상부 막으로 하고 Al-Nd 막을 하부 막으로 하거나, 그의 역도 가능하며, Mo-W/Al-Nd 이중막의 경우는 Mo-W 합금막을 상부막으로 하고, Al-Nd합금막을 하부막으로 사용하는 것이다. Mo/Al/Mo, Mo/Al-Nd/Mo 삼중막의 경우, 몰리브덴 막을 상하부 막으로 하고 순수한 알루미늄 또는 Al-Nd막을 중간 막으로 사용하는 것이다. 또한 본 막질의 구성에서 몰리브덴의 경우 텅스텐 등의 금속과의 합금형태로도 사용될 수 있다. 또한 Al, Al-Nd, Mo, Mo-W 등의 단일막의 형태로도 사용되고 있다.
이하에서 본 발명을 보다 상세히 설명한다.　
본 발명의 식각액 조성물 중 인산(H3PO4)은 금속 산화물을 분해시키는 역할을 하며, 인산의 함량은 조성물 총 중량에 대하여 56 ~ 70 중량%인 것이 바람직하다. 상기 인산이 56 중량% 미만으로 포함되는 경우, 식각 속도가 6500Å/min 이상 되지 않아 금속층을 충분히 식각할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 70 중량%를 초과하는 경우, 인산의 점성에 의하여 포토레지스트의 화학적 젖음성이 강해지며, 포토레지스트의 끝단이 위로 말리는 리프팅(Lifting)현상이 부분적으로 발생할 수 있으며, 따라서 포토레지스트와 접해 있는 금속층의 식각이 가속화 되어 리프팅 현상이 발생 하지 않은 영역과 사이드 에칭(side etching) 및 테이퍼각의 차이가 발생할 수 있다. 또한, 이러한 차이는 후속 공정에서 얼룩으로 발생하여 문제가 될 수 있다.
본 발명의 식각액 조성물 중 질산(HNO3)은 Al 등 금속과 반응하여 산화물을 형성하며, 상기 인산과 더불어 식각속도, 사이드 에칭 및 테이퍼각을 조절하는 역할을 수행한다. 질산의 함량은 조성물 총 중량에 대하여 2 ~ 9 중량%인 것이 바람 직하다. 질산이 2 중량% 미만으로 포함될 경우, 식각이 안되거나 충분한 식각속도가 발휘되기 어려우며, 또한 9 중량%를 초과할 경우 포토레지스트의 과도한 리프팅 현상에 의해서 필링 오프(peeling off) 현상이 발생할 수 있다. 또한, 후속공정에 의한 금속막의 단락 및 과도한 식각에 의한 금속막의 면적이 감소되어 전극으로서 역할 수행이 어렵게 될 수 있다.
본 발명의 식각액 조성물 중 아세트산(CH3COOH)은 반응 속도 등을 조절하기 위한 완충제로 작용하여 질산의 분해속도를 조절 및 감소시키는 역할을 한다. 상기 아세트산의 조성비는 조성물의 총 중량에 대하여 5 ~ 15 중량%가 바람직하다. 상기 아세트산의 함량이 5 중량% 미만이면 기판의 균일성이 저하되고, 15 중량% 초과하면 거품이 많이 발생하게 되어 에칭이 불균일하게 되거나, 특히, 기판에 미세하게 패터닝 된 박막트랜지스터의 소오스 전극과 드레인 전극 사이의 영역에 아세트산으로 인한 거품이 정체되어 있어, 본 발명의 식각액이 접촉되지 못하여 충분한 식각이 이루어 지지 않을 수 있다.
본 발명의 식각액 조성물 중 황산(H2SO4)은 질산과 유사하게 금속막에서 산화물을 형성할 수 있으므로, 황산을 첨가하는 경우 질산의 농도변화에 따른 식각 프로파일의 변화를 최소화할 수 있다. 상기 황산은 조성물 총 중량에 대하여 0.5 내지 5 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 황산이 0.5 중량% 미만으로 포함 되는 경우, 식각이 안되거나 충분한 식각속도가 발휘되기 어려우며, 또한 5 중량%를 초과할 경우 포토레지스트의 과도한 리프팅 현상에 의해서 필링 오프(peeling off) 현상이 발생할 수 있다.
본 발명의 식각액 조성물 중 물은 식각액 조성물을 희석시키는 역할을 하며, 특별히 한정되는 것은 아니나, 탈이온수가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 물 속에 이온이 제거된 정도를 보여주는 물의 비저항 값이 18 ㏁/㎝ 이상인 탈이온수를 사용할 수 있다. 상기 물의 함량은 조성물 총 중량에 대하여 1 ~ 36.5 중량%로 포함되며 상기 다른 구성 성분들의 함량에 따라 조절된다.
본 발명에서 사용되는 인산, 질산, 아세트산, 황산 및 물은 반도체 공정용으로 사용가능 한 순도의 것을 사용하는 것이 바람직하며, 시판되는 것을 사용하거나, 공업용 등급을 당업계에 통상적으로 공지된 방법에 따라 정제하여 사용할 수 있다. 반도체 공정용 물은 일반적으로 초순수(ultra pure water)를 사용한다.
본 발명의 식각액 조성물은 조성물 총 중량에 대하여, 인산 56 ~ 70 중량%, 질산 2 ~ 9 중량%, 아세트산 5 ~ 15 중량%, 황산 0.5 ~ 5 중량%, 및 물 1 ~ 36.5 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 식각액 조성물에는 전술한 성분 이외에 통상의 첨가제를 더 첨가할 수 있으며, 첨가제로는 계면 활성제, 금속 이온 봉쇄제, 및 부식 방지제 등을 사용할 수 있다.
계면 활성제는 표면장력을 저하시켜 식각의 균일성을 증가시키는 역할을 한다. 이러한 계면 활성제로는 식각액에 견딜 수 있고 상용성이 있는 형태의 계면 활성제가 바람직하다. 그 예로는 임의의 음이온성, 양이온성, 양쪽 이온성 또는 비이온성 계면 활성제 등을 들 수 있다. 또한, 계면 활성제로서 불소계 계면 활성제를 사용할 수 있다.
상기 첨가제는 이에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 효과를 더욱 양호하게 하기 위하여, 당 업계에 공지되어 있는 여러 다른 첨가제들을 선택하여 첨가할 수 있다.
또한, 본 발명은
기판 상에 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 또는 다층막을 형성하는 공정; 및
상기 공정에서 형성된 단일막 또는 다층막을 본 발명의 식각액 조성물을 사용하여 식각하는 공정을 포함하는 금속 패턴의 형성 방법에 관한 것이다.
상기 금속 패턴의 형성 방법은 액정표시장치용 TFT 어레이 기판의 제조 분야 등에서 유용하게 사용될 수 있다.
상기에서 식각액 조성물을 이용하여 금속 단일막 또는 다층막을 식각하는 공정은 당 기술분야에 알려져 있는 방법으로 수행할 수 있으며, 예컨대 침지, 흘리기 등의 방법이 있다. 식각 공정시의 온도는 예컨대 20 ~ 50 ℃, 바람직하게는 30 ~ 45 ℃로 할 수 있으나, 이 범위에 한정되지 않고 당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 다른 공정 조건 및 요인에 의해 필요에 따라 적당한 식각 공정 조건을 정할 수 있다.
본 발명에 따른 식각액 조성물을 이용하여 금속막을 식각하는 경우, 대면적의 금속막 또는 다층의 금속막에 사용하는 경우에도 종래 습식-건식 2단계 식각 공정 대신에 1단계의 습식 식각 공정만으로도 균일한 식각 프로파일을 얻을 수 있으므로, 비용 및 생산성의 관점에서 매우 유리하다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 9: 식가액 조성물의 제조 및 식각 특성 시험
Mo 단일막, Mo/Al-Nd 이중막, 및 Mo/Al/Mo 삼중막 기판을 준비하였다. 인산, 질산, 아세트산, 황산, 및 물을 표 1에 기재된 조성비로 함유하는 식각액을 180 kg이 되도록 제조하였다. 　분사식 식각 방식의 실험장비 (KDNS사 제조, 모델명: ETCHER(TFT)) 내에 제조된 식각액을 넣고 온도를 40℃로 세팅하여 가온 한 후, 온도가 40±0.5℃에 도달하면 식각 공정을 수행하였다. 오버에치(O/E: Over Etch)를 패드부분의 EPD(End Point Detection)를 기준으로 하여 30%를 주어 실시하였다. 　기판을 넣고 분사를 시작하여 식각이 다 되면 꺼내어 탈이온수로 세정한 후, 열풍건조장치를 이용하여 건조하고, 포토 레지스트(PR) 박리기(stripper)를 이용하여 포토 레지스트를 제거하였다. 　세정 및 건조 후 전자주사현미경 (SEM; HITACHI사 제조, 모델명: S-4700)을 이용하여 식각 프로파일을 경사각, 편측 CD (critical dimension) 손실, 식각 잔류물 등으로 평가하였다. 　그 결과를 표 1 에 나타었으며, 도 1, 도2, 도3 에 도시한 바와 같이 각각 Mo, Mo/Al-Nd, Mo/Al/Mo 모두에 대하여 식각 특성이 우수함을 확인하였다.
실시예 번호 금속막 종류 식각액 조성물 조성(중량%) (인산/질산/아세트산/황산/물) 평가 잔사여부
1 Mo 57/5/15/1/22 ○ 없음
2 62/3/13/2/20 ◎ 없음
3 65/5/8/4/18 ○ 없음
4 Mo/Al-Nd 60/8/8/3/21 ◎ 없음
5 65/7/10/1/17 ○ 없음
6 68/5/8/2/17 ◎ 없음
7 Mo/Al/Mo 65/5/8/2/20 ○ 없음
8 65/5/9/0.5/20.5 ◎ 없음
9 70/3/9/1/17 ◎ 없음
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 식각액 조성물을 이용하여 몰리브덴단일막을 식각한 후, 전체적인 표면을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 4에 따른 식각액 조성물을 이용하여 몰리브덴/알루미늄-네오디뮴 이중막을 식각한 후, 전체적인 표면을 관찰한 전자주사현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 7에 따른 식각액 조성물을 이용하여 몰리브덴/알루미늄/몰리브덴 삼중막을 식각한 후, 전체적인 표면을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.

Claims (6)

  1. 인산(H3PO4), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH), 황산(H2SO4), 및 물을 포함하는 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 및 다층막의 식각액 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄계 금속이 알루미늄 또는 알루미늄 합금이고, 몰리브덴계 금속이 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금인 것을 특징으로 하는 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 및 다층막의 식각액 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서, 인산(H3PO4) 56 ~ 70 중량%, 질산(HNO3) 2 ~ 9 중량%, 아세트산(CH3COOH) 5 ~ 15 중량%, 황산(H2SO4) 0.5 ~ 5 중량%, 및 물 1 ~ 36.5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 및 다층막의 식각액 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 식각액 조성물은 계면 활성제, 금속 이온 봉쇄제, 및 부식 방지제 중에서 하나 이상의 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 및 다층막의 식각액 조성물.
  5. 기판 상에 알루미늄계 금속 및 몰리브덴계 금속 중 하나 이상의 금속으로 이루어지는 단일막 또는 다층막을 형성하는 공정; 및
    상기 공정에서 형성된 단일막 또는 다층막을 청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 한 항의 식각액 조성물을 사용하여 식각하는 공정을 포함하는 금속 패턴의 형성 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 금속 패턴이 액정표시장치용 TFT 어레이 기판 상에 형성되는 것임을 특징으로 하는 금속 패턴의 형성 방법.
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