KR20170137310A - 식각용 조성물의 성능 평가 방법 - Google Patents

식각용 조성물의 성능 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 식각용 조성물의 성능 평가 방법에 관한 것으로서, 상기 식각용 조성물의 성능 평가 방법은 인산 수용액을 포함하는 식각용 조성물을 준비하는 단계, 상기 식각용 조성물을 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막이 들어 있는 평가 용기에 투입하는 단계, 상기 식각용 조성물의 온도를 100 내지 170 ℃의 고온으로 유지하면서 상기 식각용 조성물의 식각 성능을 측정하는 단계를 포함한다.
상기 식각용 조성물의 성능 평가 방법은 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 식각을 위한 고온 인산 공정에 사용되는 식각용 조성물의 식각 성능 평가시 실제 고온 인산 공정에 적용된 결과에 보다 근접하고 정확한 평가 결과를 얻을 수 있다.

Description

식각용 조성물의 성능 평가 방법{PERFORMANCE EVALUATION METHOD FOR ETCHING COMPOSITION}
본 발명은 식각용 조성물의 성능 평가 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 식각을 위한 고온 인산 공정에 사용되는 식각용 조성물의 식각 성능 평가시 실제 고온 인산 공정에 적용된 결과에 보다 근접하고 정확한 평가 결과를 얻을 수 있는 식각용 조성물의 성능 평가 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에 있어서, 실리콘 산화막(SiO2) 등의 산화막 및 실리콘질화막(SiNx) 등의 질화막은 대표적인 절연막으로 각각 단독으로, 또는 1층 이상의 막들이 교대로 적층되어 사용된다. 또한, 이러한 산화막 및 질화막은 금속 배선 등의 도전성 패턴을 형성하기 위한 하드마스크로도 이용된다.
상기 질화막을 제거하기 위한 습식 식각 공정에서는 일반적으로 인산(phosphoric acid)과 탈이온수(deionized water)의 혼합물이 사용되며, 이들 혼합물은 고온 인산 공정이라 알려진 공정에 주로 이용된다. 상기 고온 인산 공정은 상기 혼합물을 약 100 내지 170 ℃의 고온으로 가열하여 식각을 진행하게 되는데, 고온으로 가열된 인산은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막을 식각하는데 용이하다. 상기 고온 인산 공정을 통한 실리콘 질화막의 식각 속도는 약 50 내지 70 Å/min이며, 상기 실리콘 열산화막의 식각 속도는 약 2 내지 5 Å/min으로 알려져 있다.
상기 인산을 가열하여 고온 인산으로 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 식각 평가를 진행함에 있어 고온의 인산을 제어하고 평가 방법을 개선하여 보다 정확하고 우수한 평가 결과를 도출할 수 있는 평가 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 식각을 위한 고온 인산 공정에 사용되는 식각용 조성물의 식각 성능 평가시 실제 고온 인산 공정에 적용된 결과에 보다 근접하고 정확한 평가 결과를 얻을 수 있는 식각용 조성물의 성능 평가 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 인산 수용액을 포함하는 식각용 조성물을 준비하는 단계, 상기 식각용 조성물을 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막이 들어 있는 평가 용기에 투입하는 단계, 상기 식각용 조성물의 온도를 100 내지 170 ℃의 고온으로 유지하면서 상기 식각용 조성물의 식각 성능을 측정하는 단계를 포함하며, 상기 식각 성능을 측정하는 단계는 상기 식각용 조성물에 물을 보충하면서 이루어지는 것인 식각용 조성물의 성능 평가 방법을 제공한다.
상기 물은 상기 식각용 조성물의 끊는점이 100 내지 170 ℃ 사이에서 유지되도록 하는 양 만큼 보충될 수 있다.
상기 물은 상기 인산 수용액에서 상기 인산의 농도가 80 내지 90 %((인산 중량)/(물 중량)X100)가 되도록 하는 양 만큼 보충될 수 있다.
상기 물은 상기 식각용 조성물에서 증발된 물의 양 만큼 보충될 수 있다.
상기 평가 용기에 환류 냉각기(reflux condenser)를 설치하여, 상기 식각용 조성물의 식각 성능을 측정하는 단계에서 증발된 물이 환류되도록 할 수 있다.
상기 평가 용기는 석영(quartz)으로 이루어질 수 있다.
상기 물은 탈이온수(deionized water, DIW)일 수 있다.
상기 식각용 조성물은 상기 식각용 조성물 전체 중량에 대하여 상기 인산 수용액을 50 내지 100 중량%로 포함할 수 있다.
본 발명의 식각용 조성물의 성능 평가 방법은 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 식각을 위한 고온 인산 공정에 사용되는 식각용 조성물의 식각 성능 평가시 실제 고온 인산 공정에 적용된 결과에 보다 근접하고 정확한 평가 결과를 얻을 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 식각용 조성물의 성능 평가 방법은 인산 수용액을 포함하는 식각용 조성물을 준비하는 단계(S10), 상기 식각용 조성물을 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막이 들어 있는 평가 용기에 투입하는 단계(S20), 상기 식각용 조성물의 온도를 100 내지 170 ℃의 고온으로 유지하면서 상기 식각용 조성물의 식각 성능을 측정하는 단계(S30)를 포함한다.
우선, 인산 수용액을 포함하는 식각용 조성물을 준비한다(S10).
상기 인산 수용액을 포함하는 식각용 조성물은 인산 수용액을 포함하는 것이면 종래 일반적으로 사용되는 식각용 조성물 중 어느 것이나 사용 가능하다.
상기 인산 수용액을 포함하는 식각용 조성물은 상기 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막의 높은 식각 선택비를 얻을 수 있다. 상기 인산은 상기 식각용 조성물 내에 수소 이온을 제공하여 식각을 촉진시키는 역할을 할 수 있다.
이때, 상기 인산 수용액은 농도가 80 내지 90 %((인산 중량)/(물 중량)X100)일 수 있다. 상기 인산 수용액의 농도가 상기 범위 내인 경우 높은 선택비를 얻을 수 있다.
상기 인산 수용액의 함량은 상기 식각용 조성물 총 중량에 대하여 70 내지 99 중량%, 바람직하게 70 내지 90 중량%, 더욱 바람직하게 75 내지 85 중량%일 수 있다. 상기 인산 수용액이 70 중량% 미만으로 포함되는 경우 실리콘 질화막이 용이하게 제거되지 않을 수 있고 파티클 발생 우려가 있으며, 99 중량%를 초과하여 포함되는 경우 실리콘 질화막에 대한 높은 선택비를 얻을 수 없다.
상기 인산 수용액은 그 용매로서 물 또는 탈이온수 등을 포함할 수 있다.
상기 식각용 조성물은 상기 식각용 조성물 전체에 대하여 암모늄계 화합물을 0.01 내지 20 중량%로 더 포함할 수 있다. 상기 식각용 조성물이 상기 암모늄계 화합물을 더 포함하는 경우 상기 식각용 조성물을 장기간 사용에도 에칭 속도 저하 및 선택도 변화가 발생하지 않으며, 식각 속도를 일정하게 유지하는 효과가 있다.
상기 암모늄계 화합물이 0.01 중량% 미만으로 첨가되는 경우 장기간 사용시 선택도를 유지하는 효과가 감소하고, 20 중량% 초과로 첨가되는 경우 질화막과 실리콘 산화막의 식각 속도가 변화하게 되어 선택도가 변화될 수 있다.
상기 암모늄계 화합물은 암모니아수, 암모늄클로라이드, 암모늄아세트산, 암모늄인산염, 암모늄과옥시이황산염, 암모늄황산염, 암모늄불산염에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 암모늄계 화합물은 상기 화합물에 한정되는 것은 아니고 암모늄 이온을 갖고 있는 모든 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 암모늄계 화합물은 NH4와 HCl을 함께 사용할 수도 있다.
상기 식각용 조성물은 상기 식각용 조성물 전체에 대하여 불소계 화합물을 0.01 내지 1 중량%로 더 포함할 수 있다. 상기 불소계 화합물이 0.01 중량% 미만으로 첨가되는 경우 질화막의 식각 속도가 작아져 질화막 제거가 용이하지 않을 수 있으며, 1 중량%을 초과하는 경우 질화막의 식각 속도가 크게 향상되지만, 산화막 또한 식각되는 단점이 있다.
상기 불소계 화합물은 불화수소, 불화암모늄, 불화수소암모늄에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 불화수소암모늄을 사용하는 것이 장기간 사용시 선택도 유지하기 때문에 좋다.
한편, 상기 식각용 조성물은 식각 성능을 향상시키기 위하여 당업계에서 통상적으로 사용되는 임의의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제로는 계면활성제, 금속 이온 봉쇄제, 부식 방지제 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 식각용 조성물을 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막이 들어 있는 평가 용기에 투입한다(S20).
상기 실리콘 질화막은, 예컨대 SiN막, SiON막 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 산화막은, 예컨대 SOD(Spin On Dielectric)막, HDP(High Density Plasma)막, 열산화막(thermal oxide), BPSG(Borophosphate Silicate Glass)막, PSG(Phospho Silicate Glass)막, BSG(Boro Silicate Glass)막, PSZ(Polysilazane)막, FSG(Fluorinated Silicate Glass)막, LP-TEOS(Low Pressure Tetra Ethyl Ortho Silicate)막, PETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyl Ortho Silicate)막, HTO(High Temperature Oxide)막, MTO(Medium Temperature Oxide)막, USG(Undopped Silicate Glass)막, SOG(Spin On Glass)막, APL(Advanced Planarization Layer)막, ALD(Atomic Layer Deposition)막, PE-산화막(Plasma Enhanced oxide), O3-TEOS(O3-Tetra Ethyl Ortho Silicate)막 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 일 이상의 막일 수 있다.
상기 평가 대상 막은 상기 실리콘 질화막과 상기 실리콘 산화막이 교대로 적층되거나, 혼재되어 있을 수도 있고, 그 구조가 한정되는 것은 아니다.
상기 평가 용기는 바람직하게 석영(quartz)으로 이루어질 수 있다.
화학 평가시 주로 사용되는 비이커 등의 평가 용기는 붕규산 유리(파이렉스 등)로 이루어져 있는데, 상기 유리 계열로 이루어진 평가 용기에 상기 인산 수용액을 담고 가열하는 경우 상기 인산이 SiO2를 식각하는 특성 때문에 상기 평가 용기가 식각되어 정확한 평가 결과를 도출할 수 없다.
구체적으로, 상기 인산 수용액을 포함하는 식각용 조성물을 상기 유리 계열로 이루어진 평가 용기에 넣고 가열하여 약 3시간 동안 정체시키면 용액 내에 실리콘 농도가 증가하여 실리콘 산화막의 식각이 일어나지 않게 된다. 즉, 상기 실리콘 산화막의 식각 속도가 0 Å/min이 된다. 이는 고온의 인산이 실리콘을 식각하는 고유 특성 때문이며, 평가 하고자 하는 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막뿐만 아니라 평가 용기 또한 실리콘으로 이루어져 있기 때문에 발생하는 문제이다.
따라서, 상기 평가 용기로 석영(quartz)으로 이루어진 평가 용기를 사용하면, 상기 문제점을 상당히 개선시킬 수 있으며, 보다 정확한 평가 결과를 도출할 수 있다.
상기 식각용 조성물을 상기 평가 용기에 투입하는 방법은 상기 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막에 상기 식각용 조성물을 분사하거나, 상기 식각용 조성물에 상기 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막을 침지시켜 이루어질 수 있고, 상기 식각용 조성물의 투입하는 방법이 이에 한정되는 것은 아니고, 당업계에 주지된 습식 식각 방법이면 어느 것이나 적용 가능하다.
마지막으로, 상기 식각용 조성물의 온도를 100 내지 170 ℃의 고온으로 유지하면서 상기 식각용 조성물의 식각 성능을 측정한다(S30).
상기 온도는 실제 고온 인산 공정에서 식각시 행해지는 온도이다. 상기 온도를 유지하기 위하여, 상기 평가 용기를 항온조 혹은 오일 배쓰(Bath)에 침지하여 온도를 상승 및 유지시킬 수 있다.
이때, 상기 식각용 조성물의 온도를 100 내지 170 ℃의 고온으로 유지하면, 상기 식각용 조성물 내의 상기 인산 수용액이 끊게 되고, 상기 인산 수용액 내의 물의 증발하면서 상기 인산의 농도가 점차 높아지게 되고, 이에 따라 상기 식각용 조성물의 끊는점도 지속적으로 증가하게 된다.
구체적으로, 농도가 85 %인 인산 수용액은 약 157 ℃에서 끓게 되는데, 일반적인 방법을 통해 식각용 조성물의 성능 평가를 진행할 경우, 지속적으로 증발하는 물로 인해 용액 내 인산 농도가 점차 높아지게 되고, 이에 따라 끓는점도 지속적으로 증가하게 된다.
따라서, 상기 식각 성능을 측정하는 단계는 상기 식각용 조성물에 물을 보충하면서 이루어질 수 있다.
상기 물은 상기 식각용 조성물의 끊는점이 100 내지 170 ℃ 사이에서 유지되도록 하는 양 만큼 보충될 수 있고, 또는 상기 인산 수용액에서 상기 인산의 농도가 80 내지 90 %((인산 중량)/(물 중량)X100)가 되도록 하는 양 만큼 보충될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 물은 상기 식각 성능을 측정하는 단계에서 증발된 물의 양 만큼 보충될 수 있다. 이를 위하여, 바람직하게는 상기 평가 용기에 환류 냉각기(reflux condenser)를 설치하여, 상기 식각용 조성물의 식각 성능을 측정하는 단계에서 증발된 물이 환류되도록 하면, 증발로 손실되는 물이 없어 더욱 정확하게 평가를 진행할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[실험예 1: 공정 온도 변화 측정]
(비교예 1)
85 중량%의 인산 수용액을 포함하는 식각용 조성물을 제조하고, 이를 Pyrex 비이커에 넣고, 오일 Bath에서 157 ℃로 60분간 가열시킨 후, 공정 온도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(비교예 2)
상기 비교예 1에서 상기 Pyrex 비이커 대신에 Quartz Bath를 맨틀을 이용하여 가열한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 1)
상기 비교예 1에서 상기 Pyrex 비이커 대신에 Quartz Bath를 맨틀을 이용하여 환류냉각기를 연결하고 가열한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 2)
상기 실시예 1과 같은 조건에서, 60 분간 가열한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 3)
상기 실시예 1과 같은 조건에서, 120 분간 가열한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 4)
상기 실시예 1과 같은 조건에서, 180 분간 가열한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 초기 공정 온도(℃) 가열 시간(분) 가열 후 공정 온도(℃)
비교예 1 157 30 180.0
비교예 2 157 30 185.0
실시예 1 157 30 157.0
실시예 2 157 60 157.1
실시예 3 157 120 157.2
실시예 4 157 180 157.2
상기 표 1을 참고하면, 상기 비교예 1은 Pyrex 비이커를 이용하여 오일 Bath에서 가열시킴에 따라 약 30분이 지난 후 상기 식각용 수용액의 끓는점은 157 ℃에서 180 ℃까지 증가함을 알 수 있고, 상기 비교예 2에서 Quartz Bath를 맨틀을 이용하여 환류 냉각기가 없이 가열할 경우에도 30 분 가열시 157 ℃에서 185 ℃로 그 끓는점이 증가하는 것을 알 수 있다.
한편, 상기 실시예 1에서는 Quartz Bath를 맨틀을 이용하여 환류 냉각기를 연결하고 가열함에 따라 30 분 가열시 그 끊는점이 157 ℃에서 유지되는 것을 알 수 있고, 상기 실시예 2에서는 상기 실시예 1과 같은 조건으로 60 분간 가열시 그 끊는점이 157 ℃에서 157.1 ℃로 약 0.1 ℃ 증가하였으며, 상기 실시예 3에서는 상기 실시예 1과 같은 조건으로 120 분간 가열시 그 끊는점이 157 ℃에서 157.2 ℃로 약 0.2 ℃ 증가하였으며, 상기 실시예 4에서는 상기 실시예 1과 같은 조건으로 180분간 가열시 그 끊는점이 157 ℃에서 157.2 ℃로 약 0.2 ℃ 증가하였음을 알 수 있다.
[실험예 2: 식각 성능 측정]
상기 비교예 1의 실험 조건에서 가열 시간을 0 분, 60 분, 120 분 및 180 분(비교예 1-1 내지 1-4)으로 변화시키면서 평가 대상막에 대한 식각 성능을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
또한, 상기 실시예 1의 실험 조건에서 가열 시간을 60 분, 120 분 및 180 분(실시예 1-1 내지 1-3)으로 변화시키면서 평가 대상막에 대한 식각 성능을 측정하였 고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
이때, 상기 평가 대상막으로는 열산화막(thermal oxide, ThO)와 Low Pressure Tetra Ethyl Ortho Silicate 막(LP-TEOS)을 사용하였다.
실시예 공정
온도
(℃)		 가열 시간
(분)		 질화막
식각속도
(Å/min)		 산화막 식각속도(Å/min) 선택비
ThOx 1) LP-TEOS2) ThOx 1) LP-TEOS2)
비교예 1-1 157 0 57.23 1.56 3.65 36.69 15.68
비교예 1-2 157 60 56.85 0.50 0.35 113.70 162.43
비교예 1-3 157 120 55.42 0.10 0.05 554.20 1108.40
비교예 1-4 157 180 55.16 0.01 0.01 5516.00 5516.00
실시예 1-1 157 60 57.12 1.58 3.65 36.15 15.65
실시예 1-2 157 120 57.23 1.56 3.62 36.69 15.81
실시예 1-3 157 180 57.28 1.56 3.65 36.72 15.69
상기 표 2를 참고하면, 상기 비교예의 경우 실리콘 산화막의 에칭 속도가 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 이는 인산 수용액이 상기 Pyrex Bath를 식각하여 용액 내 실리콘 농도가 증가하여 실리콘 산화막의 식각 속도가 현저히 감소하였음을 의미한다.
상기 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (8)

  1. 인산 수용액을 포함하는 식각용 조성물을 준비하는 단계,
    상기 식각용 조성물을 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막이 들어 있는 평가 용기에 투입하는 단계,
    상기 식각용 조성물의 온도를 100 내지 170 ℃의 고온으로 유지하면서 상기 식각용 조성물의 식각 성능을 측정하는 단계를 포함하며,
    상기 식각 성능을 측정하는 단계는 상기 식각용 조성물에 물을 보충하면서 이루어지는 것인 식각용 조성물의 성능 평가 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물은 상기 식각용 조성물의 끊는점이 100 내지 170 ℃ 사이에서 유지되도록 하는 양 만큼 보충되는 것인 식각용 조성물의 성능 평가 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 물은 상기 인산 수용액에서 상기 인산의 농도가 80 내지 90 %((인산 중량)/(물 중량)X100)가 되도록 하는 양 만큼 보충되는 것인 식각용 조성물의 성능 평가 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 물은 상기 식각용 조성물에서 증발된 물의 양 만큼 보충되는 것인 식각용 조성물의 성능 평가 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 평가 용기에 환류 냉각기(reflux condenser)를 설치하여,
    상기 식각용 조성물의 식각 성능을 측정하는 단계에서 증발된 물이 환류되도록 하는 것인 식각용 조성물의 성능 평가 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 평가 용기는 석영(quartz)으로 이루어진 것인 식각용 조성물의 성능 평가 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 물은 탈이온수(deionized water, DIW)인 것인 식각용 조성물의 성능 평가 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 식각용 조성물은 상기 식각용 조성물 전체 중량에 대하여 상기 인산 수용액을 50 내지 100 중량%로 포함하는 것인 식각용 조성물의 성능 평가 방법.
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