KR20200026258A - 결정질 물질의 표면에서 비결정질 부동태화 층을 제거하기 위한 세정용 화학적 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아세트산을 포함하는 약산, 메탄설폰산을 포함하는 비-산화성 강산, 불산, 및 물을 포함하는, 기판(1A, 1B, 4)으로부터 상기 기판(1A, 1B, 4)의 에칭으로부터 생성된 에칭 잔사를 포함하는 부동태화 층(2)을 제거하기에 적합한 세정용 화학적 조성물에 관한 것으로서, 상기 약산의 함량은 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 20 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게는 50 중량% 내지 80 중량%이고, 상기 비-산화성 강산의 함량은 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 5 중량% 내지 50 중량%, 바람직하게는 15 중량% 내지 50 중량%이고, 상기 불산의 함량은 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 0.2 중량% 내지 2 중량%이고, 및 상기 물의 함량은 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 2 중량% 내지 20 중량%이다. 본 발명의 다른 목적은 기판(1A, 1B, 4)으로부터 상기 기판(1A, 1B, 4)의 에칭으로부터 생성된 에칭 잔사를 포함하는 부동태화 층(2)을 제거하기 위한 세정 방법에 관한 것으로서, 전술한 조성물에 따른 세정용 화학적 조성물을 제공하는 단계; 상기 기판(1A, 1B, 4)으로부터 상기 부동태화 층(2)을 제거하기에 충분한 시간 동안 상기 세정용 화학적 조성물을 상기 부동태화 층(2)과 접촉시키는 단계;를 포함한다.

Description

결정질 물질의 표면에서 비결정질 부동태화 층을 제거하기 위한 세정용 화학적 조성물
본 발명은 그 산화된 형태의 금속 또는 반도체 물질로 구성되는 비결정질 표면 층을 용해시켜서, 해당 조성물에 노출될 수 있는 다른 물질들을 포함하는 층에 관해 선택적으로 제거되도록 하는 세정용 화학적 조성물에 관한 것이다. 문제의 조성물은 특히 미세전자공학에서 매우 빈번하게 사용되는 플라즈마 에칭 방법의 실행으로부터 생성된 비결정질 부동태화 층을 제거하는데 적합하다.
건식-경로(dry-path) 에칭 방법의 실행은 정의된 물질의 층, 예를 들면, 금속의 층을 이온 플라즈마에 노출시켜 상기 층을 에칭하는, 즉 상기 층의 일부 소정 구역을 침식하여 상기 구역에서 물질이 국소 제거되도록 하는 단계를 수반한다. 3가지 주요 타입의 건식 에칭, 즉 이온 빔 에칭(두문자어 'IBE'), 반응성 이온 에칭(두문자어 'RIE'), 및 가스 화학적 침식에 의한 에칭이 존재한다. 3가지 모두는 이온 플라즈마의 형성으로부터 기인한다. 상기 공정 동안, 플라즈마 상태의 가스는 상기 에칭되는 물질을 고체 상태로부터 가스 상태로 전환시켜 없어질 수 있도록, 즉 에칭되는 물질의 층으로부터 제거될 수 있도록 한다.
플라즈마 에칭은, 배타적인 것은 아니지만, 특히 집적 회로를 제조하기 위하여 기본 장치를 생성하고 이들을 서로 연결하기 위해 다양한 층 위에 연속적으로 증착 및 에칭하는 단계를 필요로 하는 미세전자공학 장치를 제조하는 맥락에서 사용된다. 이러한 전자 장치는 특히 금속 층 및 반도체 물질 층 사이에 배열된 옥사이드 층으로부터 형성된 금속 옥사이드 반도체(MOS) 트랜지스터, 또는 도전성 물질의 2개의 층 사이에 배열된 절연체 층으로부터 형성된 금속-절연체-금속(MIM) 캐패시터(capacitor)이다. 기술적인 이유로 상기 절연체의 유전 상수 값은 가능한 높아야 한다. 그 결정질 형태의 탄탈룸 펜타옥사이드(Ta2O5), 하프늄 디옥사이드(HfO2) 및 지르코늄 디옥사이드(ZrO2)와 같은 물질들은 상기 캐패시터의 형성을 위해 사용되며, "높은-k 물질"로 알려져 있다.
플라즈마 에칭을 수행하면 주로 에칭된 층의 측벽 또는 측면에 증착되는 에칭 잔사(residue)의 형성이 야기된다. 상기 에칭 잔사는 에칭되는 층 또는 층들과 플라즈마 이온의 상호작용으로부터 생성되는 그 산화된 형태의 금속 또는 반도체 물질로 구성되는 비결정질 표면 층의 형태를 취한다.
상기 에칭 잔사는, 예를 들면, 에칭 "웰(well)"의 내측 표면, 또는 패턴의 외측 표면에 증착될 수 있으며, 후자는 에칭된 구역의 양측에 위치된 비-에칭된 구역에 해당한다. 따라서, 이들은 플라즈마 에칭에 대한 장벽(barrier)을 제공하는 부통태화 층을 형성한다.
상기 부동태화 층은 낮은 휘발성의 에칭 생성물의 재-증착에 의해, 또는 에칭 잔사를 형성할 수 있는 중합 가스의 플라즈마의 도입에 의해 형성된다. 부동태화 층의 형성을 위한 몇 가지 물리화학적 메커니즘이 구분될 수 있으며, 이들 중 다음의 반복되는 메커니즘이 있다.
제1 메커니즘에 따르면, 상기 플라즈마 이온은 에칭되는 층과 반응하여 패턴의 측면의 에칭되는 표면에 반응성 층을 형성한다. 제2 메커니즘에 따르면, 상기 플라즈마 이온과 에칭되는 층의 반응으로부터 생성된 휘발성 에칭 생성물이 상기 패턴의 측면에 증착된 후, 화학적 환경과 반응하여, 예를 들면, 산화에 의해 부동태화 층을 형성한다. 제3 메커니즘에 따르면, 상기 잔사는 플라즈마에 의해 직접 생성되고, 반응성 층의 수반없이 패턴의 측면에 직접 증착된다.
또한, 플라즈마 에칭은 상대적으로 비등방성(anisotropy)이라는 이점을 가지며, 에칭의 다수는 플라즈마 이온의 흐름 방향, 즉 에칭되는 기판의 층에 실질적으로 수직인 방향을 향한다.
그럼에도 불구하고, 이온의 방향성 흐름으로부터 에칭의 비등방성이 기인하지만, 등방성 에칭 메커니즘의 화학적 본성으로 인한 수평 에칭 속도(lateral etching rate)를 무시할 수 없다.
상기 수평 에칭 속도는 2가지 성분의 결과물이다: 기판의 측면의 수평 에칭 및 측면의 보호성 부동태화 층의 형성. 결과적으로, 상기 부동태화 층의 형성을 조절함으로써, 플라즈마 이온 흐름의 방향으로의 에칭을 최대화하고 상기 플라즈마 이온 흐름의 방향과 실질적으로 수직인 수평 에칭을 최소화하는 것이 가능하다. 실제로, 상기 플라즈마 에칭 방법은 기판의 측면에 그 깊이가 얕고 조절되는 부동태화 층을 형성하는데 최적화된다.
모든 경우에 있어서, 조절되는지 여부와 무관하게, 상기 부동태화 층은 에칭되는 층 상에서 바로 플라즈마의 작용으로부터 생성되며, 에칭 후에는 없어질 필요가 있다.
이를 위하여, 화학적 조성물이 상기 에칭 잔사와 접촉하여 기판으로부터 이를 화학적으로 침식 및 제거하는 습식 경로 화학적 세정(wet path chemical cleaning)을 사용하는 것이 알려져 있다. 이러한 타입의 세정은 특히 상대적으로 실행하기 쉽기 때문에 폭넓게 사용된다. 실제로, 이것은 상기 화학적 조성물을 충분한 시간 동안 기판과 접촉하게 하여 상기 부동태화 층을 기판으로부터 제거하는 것을 보장하는 것을 수반하며, 그 세정 시간은 제거되는 층의 본성 및 두께와 화학적 조성물에 의존한다. 예를 들면, 이것은 기판을 화학적 조성물의 욕조(bath)에 담그거나, 적합한 지지체 상에서 기판이 회전할 때 상기 조성물을 상기 기판 위로 역학적으로 제공하는 것을 수반할 수 있다. 결과적으로, 많은 기판을 동시에 처리하는 것이 가능하다. 이것은 상당한 시간 절약과 산업적 생산 비용에 있어서의 현저한 감소를 나타낸다.
상기 화학적 조성물은 제거되는 부동태화 층의 구성 물질, 및 상기 조성물에 의해 침식되어서는 안되는 보호되어야 할 층의 물질에 따라 선택된다. 상기 부동태화 층이 저-휘발성 에칭 생성물의 재-증착에 의해 수득될 때(특히 상기 제1 및 제2 메커니즘의 경우에 해당함), 상기 화학적 조성물의 선택은 또한 상기 에칭된 층의 구성 물질에 의존하게 될 것이다.
따라서, 상기 에칭 잔사는 효과적으로 침식시키고 세정 동안에 접촉할 수 있는 다른 물질들에 관해서는 선택적인 화학적 조성물을 사용하는 것이 필요하다.
플라즈마 에칭 후에 기판의 화학적 세정을 위해 불산을 사용하는 것이 알려져 있다. 보다 일반적으로, 불산은 금속 옥사이드 및 반도체의 습식 에칭용으로 널리 사용되며, 금속 옥사이드 및 비결정질 반도체를 매우 효과적으로 용해시킨다. 결정질 격자에 따라 정돈된 결정질 구조와 대조적으로, 비결정질 구조는 조직화되지 않은 원자 구조에 해당함이 명시되어야 한다. 상기 결정질 격자는 구조에 강성(rigidity)을 부여하며, 비결정질 구조보다도 특히 불산에 대한 화학적 침식에 훨씬 더 저항성을 갖게 한다.
또한, 불산 및 아세트산을 포함하는 조성물이 불산 단독의 조성물보다도 비결정질 금속 옥사이드를 훨씬 더 효과적으로 침식시키는 것이 관찰되어 왔다. 상기 주제와 관련하여, 문헌 US 2016/0163533은 불산, 아세트산과 같은 유기산 및 물에 기초한 조성물이 실리콘은 침식하지 않으면서 실리콘 기판 상의 탄탈룸 옥사이드 층은 효과적으로 침식되게 함을 기술한다.
상기 화학적 조성물은 소정의 금속 또는, 예를 들면, 실리콘과 같은 반도체 물질에 관해 선택성을 나타내면서, 비결정질 금속 산화물의 침식에는 효과적이다.
그러나, 상기 조성물 중 어느 것도 알루미늄을 보호하지는 않으며, 따라서 상기 화학적 조성물과 접촉하는 알루미늄 층은 침식되고 상기 비결정질 금속 산화물 층과 함께 제거된다.
따라서, 본 발명의 목적은 알루미늄 및 구리에 관해 부동태화 층이 선택적으로 제거되게 하는 세정용 화학적 조성물을 제공함으로써 종래기술의 결점을 극복하는 것이다. 달리 말하면, 상기 제공된 화학적 조성물은 상기 알루미늄 및 구리는 보호하면서 상기 부동채화 층은 침식시킨다.
본 발명의 목적은 특히 하나 이상의 그 구성 층을 플라즈마 에칭한 후 층 또는 층들의 스택(stack)으로 형성된 기판을 세정하기 위한 화학적 조성물을 제공하는 것으로서, 상기 조성물은 에칭되는 기판의 층 또는 층들과 플라즈마 이온의 상호작용에 의해 형성된 부동태화 층이 알루미늄 및 구리에 관해 선택적으로 제거되게 한다.
상기 목적을 위하여, 제1 측면에 따르면, 본 발명은 기판으로부터 상기 기판의 에칭으로부터 생성된 에칭 잔사를 포함하는 부동태화 층을 제거하기에 적합한 세정용 화학적 조성물을 제공하며, 상기 조성물은 다음을 포함하는 것을 주요 특징으로 한다:
- 아세트산을 포함하는 약산으로서, 상기 약산 함량은 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 20 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게는 50 중량% 내지 80 중량%이고,
- 메탄설폰산을 포함하는 비-산화성 강산으로서, 상기 비-산화성 강산 함량은 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 5 중량% 내지 50 중량%, 바람직하게는 15 중량% 내지 50 중량%이고,
- 불산으로서, 그 함량은 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 0.2 중량% 내지 2 중량%이고,
- 물로서, 그 함량은 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 2 중량% 내지 20 중량%이다.
한 구현예에 따르면, 상기 화학적 조성물은 단독으로 또는 본질적으로 상기 약산, 강산, 불산 및 물로 구성된다.
한 구현예에 따르면, 상기 강산은 염산을 더욱 포함한다.
본 발명의 다른 목적은 알루미늄 및 구리에 관해 선택적으로 부동태화 층을 제거하게 하는 기판의 세정 방법을 제공하는 것으로서, 전술한 화학적 조성물이 사용된다.
상기 목적을 위하여, 제2 측면에 따르면, 본 발명은 기판으로부터 상기 기판의 에칭으로부터 생성된 에칭 잔사를 포함하는 부동태화 층을 제거하기 위한 세정 방법을 제공하며, 상기 방법은 다음의 단계를 포함하는 것을 주요 특징으로 한다.
- 상기 조성물에 따른 세정용 화학적 조성물을 제공하는 단계,
- 상기 세정용 화학적 조성물을 상기 부동태화 층과 충분한 시간 동안 접촉시켜 상기 기판으로부터 상기 부동태화 층을 제거하는 단계.
다른 측면에 따르면, 상기 제공된 세정 방법은 다음의 상이한 특징들을 단독으로 또는 기술적으로 가능한 이들의 조합으로 나타낸다:
- 사용된 세정용 화학적 조성물은 60 중량% 내지 80 중량%의 농도를 갖는 메탄설폰산으로부터 제조된다;
- 사용된 세정용 화학적 조성물은 30 중량% 내지 40 중량%의 농도를 갖는 염산으로부터 제조된다;
- 상기 접촉 기간 단계 이전에, 기판의 층 또는 층들의 스택을 플라즈마 에칭하는 단계로서, 상기 부동태화 층은 상기 기판의 층 또는 층들의 스택의 층들 중 적어도 하나와 플라즈마 이온의 상호작용에 의해 야기된다;
- 상기 부동태화 층과의 접촉 기간 동안, 상기 화학적 조성물은 20℃ 내지 40℃, 바람직하게는 20℃ 내지 30℃의 온도이다;
- 상기 부동태화 층은 다음의 화학적 원소 중 하나 이상을 포함한다: 탄탈룸, 하프늄, 지르코늄;
- 에칭되는 기판의 층 또는 에칭되는 기판의 층들의 스택의 구성 물질은 다음의 물질 중 하나 이상으로부터 선택된다: 금속, 금속 옥사이드, 반도체 물질, 반도체 물질의 옥사이드;
- 에칭되는 기판의 층 또는 에칭되는 기판의 층들의 스택의 구성 물질은 알루미늄 및/또는 구리를 포함한다.
상기 제공된 화학적 조성물 및 세정 방법은 특히, 비배타적으로, 미세전자공학 부품 제조의 맥락에서 부동태화 층의 제거에 적용된다.
본 발명에 있어서 용어 "부동태화 층"은 (1 이상의 산화 수를 갖는) 그 산화된 형태의 금속 및/또는 반도체 물질로 구성되고, 불소, 염소, 인, 황, 산소, 질소 또는 탄소와 같이 상기 금속 및/또는 반도체 물질의 양이온(들)과 연결된 몇 개의 화학적 원소를 포함할 수 있는, 자연적으로 또는 인공적으로(예를 들면, 플라즈마 에칭 후에 수득된 잔사의 경우) 형성된 비결정질 층을 나타낸다.
상기 기판은 적어도 2가지 상이한 물질로 구성되는 층 또는 층들의 스택으로 형성된다. 상기 기판 층의 구성 물질은 금속 및 반도체 물질이고, 이것은 (1 이상의 산화 수를 갖는) 그 산화된 형태로 존재할 수 있다. 이것은 높은 유전 상수, 소위 "높은-k" 물질과 같은 절연 물질, 예컨대 그 결정질 형태의 탄탈룸 펜타옥사이드(Ta2O5), 하프늄 디옥사이드(HfO2) 및 지르코늄 디옥사이드(ZrO2)일 수 있다. 상기 기판의 하나 이상의 구성 층은 플라즈마 에칭되고(이하, "기판의 에칭된 층"으로 나타냄), 이후 상기 에칭된 기판은 본 발명의 조성물로 세정되어 상기 에칭된 층의 측면을 덮는 부동태화 층을 제거한다.
본 발명의 다른 이점 및 특징들은 제한적인 것이 아니라 예시로서 제공된 다음의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조하여 파악할 때 명확해질 것이다.
도 1은 아세트산, 메탄설폰산, 불화암모늄 및 물을 포함하는 본 발명의 한 구현예에 따른 화학적 조성물 내에 존재하는 물 함량의 함수로서 알루미늄 및 실리콘의 열적 산화물 제거의 상대적인 속도를 보여주는 그래프이다.
도 2는 아세트산, 메탄설폰산, 불화암모늄 및 물을 포함하는 본 발명의 한 구현예에 따른 화학적 조성물 내에 존재하는 불소 함량의 함수로서 알루미늄 및 실리콘의 열적 산화물 제거의 상대적인 속도를 보여주는 그래프이다.
도 3 및 도 4는 메탄설폰산과 비교하여 2가지 상이한 불화암모늄 함량에 대하여, 아세트산, 메탄설폰산, 불화암모늄 및 물을 포함하는 본 발명의 한 구현예에 따른 화학적 조성물 내에 존재하는 메탄설폰산 함량의 함수로서 알루미늄 및 실리콘의 열적 산화물 제거의 상대적인 속도를 보여주는 그래프이다.
도 5는 그 측면에 몇 가지 물질 층뿐만 아니라 탄탈룸이 풍부한 에칭 잔사를 포함하는, 플라즈마 에칭 후의 알루미늄 "패드"의 도해이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 한 구현예에 따른 화학적 조성물로 세정함으로써 에칭 잔사를 제거한 전후의 도 5에 나타낸 알루미늄 패드의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 7은 그 측면에 몇 가지 물질 층뿐만 아니라 에칭 잔사를 포함하는, 플라즈마 에칭 후의 Ta2O5-기반의 MIM 캐패시터의 도해이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 한 구현예에 따른 화학적 조성물로 세정함으로써 에칭 잔사를 제거한 전후의 도 7에 나타낸 MIM 캐패시터의 투과 및 주사 전자 현미경 사진이다.
도 9는 플라즈마 에칭 후의 실리콘 옥사이드 기판의 도해로서, 웰의 측벽은 에칭 잔사에 의해 덮여 있다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 한 구현예에 따른 화학적 조성물로 세정함으로써 에칭 잔사를 제거한 전후의 도 9에 나타낸 기판의 주사 전자 현미경 사진이다.
본 발명의 세정용 화학적 조성물은 기판의 부동태화 층이 알루미늄 및 구리에 관해 선택적으로 효과적으로 제거되게 한다. 특히, 이것은 기판의 하나 이상의 구성 층을 플라즈마 에칭한 후에 상기 기판이 세정되게 한다.
상기 화학적 조성물은 약산으로 구성된 용매 내에 불산을 포함한다. 상기 불산은 상기 부동태화 층의 산화된 형태의 금속 및 반도체 물질이 용해될 수 있게 한다.
상기 불산은 유리하게는 상기 조성물의 중량과 비교하여 0.2 중량% 내지 2 중량%의 함량으로 상기 조성물 내에 존재한다. 0.2 중량% 이하의 함량인 경우, 불산에 의한 산화된 금속 및 반도체 물질의 용해가 감소되고, 이는 상기 부동태화 층의 제거를 제한한다. 2 중량% 이상의 함량인 경우, 상기 기판의 에칭된 층에 대한, 특히 알루미늄 및 구리와 같은 금속에 대한 불산의 공격성이 보다 현저하여 조절이 어렵게 되고, 따라서 에칭된 층이 잘 보호되기가 더욱 어렵다.
상기 불산은 플루오르화 수소(HF) 및/또는, 예를 들면, 암모늄 염과 같은 다른 공지된 불소 공급원으로부터 유래될 수 있다.
상기 약산은 바람직하게는 아세트산, 포름산 및 이들의 혼합물로부터 선택되며, 상기 조성물의 총 중량과 비교하여 20 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게는 50 중량% 내지 80 중량%의 함량으로 상기 조성물 내에 존재한다. 상기 포름산 및 아세트산은 상기 불산 및 그의 염, 예컨대 암모늄 염이 효과적으로 용매화되게 한다.
상기 약산이 아세트산 및 포름산의 혼합물일 때, 상기 조성물 내의 그 각각의 함량은 상기 조성물 내의 약산의 함량이 전술한 것과 같이 되도록 조정된다.
상기 불산은 바람직하게는 메탄설폰산, 염산 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 비-산화성 강산에 의해 산성화된다.
메탄설폰산은 그 물리적 안정성(증기 압이 매우 낮음) 및 많은 금속과 안정한 착물을 형성하는 능력으로 인해 바람직하다.
상기 비-산화성 강산은 유리하게는 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 5 중량% 내지 50 중량%, 바람직하게는 15 중량% 내지 50 중량%의 함량으로 상기 조성물 내에 존재한다. 5 중량% 이하의 함량은 에칭된 층, 특히 알루미늄 및 구리와 같은 금속의 보호에 있어서 심각한 감소를 초래한다. 50 중량% 이상의 함량일 경우, 상기 조성물은 보다 점성이 되며, 이는 상기 조성물에 의한 기판의 습윤성을 현저하게 감소시키고, 따라서 상기 부동태화 층의 침식의 측면과 상기 에칭된 층의 보호의 측면에서 상기 조성물의 유효성을 감소시킨다.
상기 비-산화성 강산이 메탄설폰산 및 염산의 혼합물일 때, 상기 조성물 내의 그 각각의 함량은 상기 조성물 내의 비-산화성 강산의 함량이 전술한 것과 같이 되도록 조정된다.
상기 메탄설폰산은 60% 내지 80 중량%의 농도를 갖고, 상기 염산은 30% 내지 40 중량%의 농도를 갖는다.
상기 조성물 내의 아세트산과 메탄설폰산, 아세트산과 염산, 포름산과 메탄설폰산, 및 포름산과 염산의 혼합물은 모두 본 발명의 맥락과 부합하며, 모두 상기 에칭된 층, 특히 알루미늄 및 구리와 같은 금속에 관해 상기 부동태화 층이 선택적으로 제거되게 한다.
상기 화학적 조성물은 대안적으로 상기 용매 내에 불산의 용해를 촉진하기 위하여 물을 포함한다. 또한, 물은 기판의 표면이 수화되도록 하며, 따라서 상기 부동태화 층의 표면을 수화시켜서 상기 조성물의 유효성을 개선한다.
상기 조성물 내에 물이 존재할 때, 그 함량은 상기 조성물의 중량과 비교하여 20 중량% 이하인 것이 바람직하다. 20 중량% 이상의 함량은 불산 함량이 너무 많은 경우와 동일한 효과를 나타내며, 즉 상기 에칭된 층에 대한 불산의 공격성이 보다 현저하여 조절이 어렵게 되고, 결과적으로 상기 에칭된 층은 잘 보호되기가 더욱 어렵다.
상기 조성물의 중량과 비교하여 2 중량% 이상인 물 함량은 또한 기판의 만족스러운 수화가 달성되게 한다.
비-산화성 강산 및 불산만을 포함하고, 아마도 물을 포함하는 조성물은 상기 기판의 불량한 습윤성을 야기한다. 이것은 특히 약산이 없이 메탄설폰산 및 불산을 포함하는 조성물의 경우에 그러하다. 약산의 존재는 상기 기판의 만족스러운 습윤성이 달성되게 하여 상기 기판의 부동태화 층이 최적으로 제거되게 한다.
약산으로서 아세트산, 강산으로서 메탄설폰산, 불산 및 가능하게는 물을 포함하는 조성물은 상기 기판이 효과적으로 젖게 한다. 또한, 아세트산 및 메탄설폰산이 조합 존재하면, 부식의 원인이 되는 [HF2]- 이온이 반응 매체로부터 크게 감소되거나 심지어 없어지게 한다.
본 발명의 세정 방법에 따르면, 전술한 화학적 조성물은 상기 기판의 부동태화 층이 제거되게 하기에 충분한 시간 동안 상기 부동태화 층과 접촉한다. 이를 위하여, 예를 들면, 상기 기판은 소정의 시간 동안 상기 화학적 조성물의 욕조에 담궈질 수 있다. 상기 조성물은 상기 에칭된 층에 관해 선택적으로 상기 부동태화 층을 침식시킨다. 달리 말하면, 상기 조성물에 의한 상기 에칭된 층의 침식은 상기 부동태화 층의 측면에서 무시할 만하다.
이미 전술한 것과 같이, 상기 에칭된 층이 알루미늄 또는 구리를 함유할 때, 상기 조성물에 의한 후자의 침식은 상기 부동태화 층의 경우와 비교할 때만 무시할 만하다.
상기 에칭된 층이 함유하는 잠재적으로 산화되는 결정질 금속 및/또는 결정질 반도체 물질의 경우에도 동일하게 적용된다. 그 결정질 격자는 그 구조에 강성을 부여하고, 비결정질 구조를 갖는 동일한 물질과 비교하여 특히 불산 및 본 발명의 조성물에 의한 화학적 침식에 훨씬 더 저항성을 갖게 한다.
상기 부동태화 층과 접촉할 때, 상기 화학적 조성물은 유리하게는 20℃ 내지 40℃, 바람직하게는 20℃ 내지 30℃의 온도가 된다. 따라서, 상기 화학적 조성물과 상기 부동태화 층의 반응의 동역학은 주위 온도와 비교하여 증대되고, 이는 상기 세정 방법을 위한 실행 시간이 감소되게 한다.
특히 상기 에칭된 층은 다음 원소들 중 하나를 포함한다: 알루미늄, 구리, 티타늄, 및 탄탈룸, 하프늄, 및 지르코늄.
실시예
I. 알루미늄 및 열적 SiO 2 에칭 속도에 대한 불산 , 메탄설폰산 및 물 함량의 영향
기판의 표면에 형성된 (매우 고온에서 어닐링된 결과물인) 200 옹스트롬 두께의 열적 산화실리콘(SiO2)의 층을 포함하는 실리콘으로 만들어진 기판 또는 "웨이퍼"를 제공한다. 상기 기판은 열적 SiO2의 층에 물리적 기상 증착(두문자어 'PVD')에 의해 증착된 550 옹스트롬 두께의 알루미늄(Al)의 층으로 덮여 있다.
실시예 I.1, I.2 및 I.3 각각에 대하여, 2 센티미터 × 2 센티미터의 빌렛(billet)을 절단한 후, 이를 다양한 조성물 내에서 수 분 동안 부드럽게 교반하면서 침지시킨다. 이후, 상기 빌렛을 제거한 후, 적어도 1분 동안 탈이온수에서 격렬하게 린스하고, 이후 압축 공기를 이용해 건조시킨다.
이후, 상기 알루미늄 및 SiO2의 에칭 속도를 다음의 방법을 이용해 결정한다:
- 알루미늄의 에칭 속도는 Lucas Labs 302 4 점 측정 장치를 이용한 4 점 측정에 의해 결정한다. 상기 공지된 방법은 제1 쌍의 점들 사이에 전류를 통과시키는 단계 및 제2 쌍의 점들 사이의 전압을 측정하는 단계를 수반한다. 따라서, 이것은 상기 샘플을 상기 조성물 내에 침지시킨 전후에 상기 알루미늄 층의 전기 저항이 측정되게 하고, 이로부터 제거된 알루미늄 층의 깊이를 추론하게 한다. 잔여 알루미늄의 깊이를 결정하고 이로부터 에칭 속도를 추론하기 위하여 상기 샘플의 침지 전후에 평균 5 저항 제곱 값이 수득된다.
- SiO2의 에칭 속도는 박막 NanoCalc 반사계 모델인 오션 옵틱스 반사계를 이용한 반사측정을 이용해 결정한다. 상기 공지된 방법은 상기 샘플을 상기 조성물 내에 침지시킨 전후에 SiO2 층의 두께를 추론하고 이로부터 제거된 SiO2 층의 두께를 추론하기 위하여 상기 SiO2 층으로 신호를 보낸 후 반송 신호를 분석하는 단계를 수반한다. 잔여 SiO2의 깊이를 결정하기 위하여 상기 샘플의 침지 전후에 평균 5 반사측정 값이 수득된다.
상기 에칭 속도는 실험적으로 선택된 참조 조성물을 이용해 수득된 참조 에칭 속도에 관해 표현된다는 점에서 상대적이다.
I.1. 물 함량의 영향
도 1은 초기에 74 중량%의 아세트산, 23 중량%의 메탄설폰산(농도 70%), 1.2 중량%의 불화암모늄 및 1.8 중량%의 물을 함유하는 조성물(도 1의 그래프의 가로축의 포인트 0)에 첨가된 물의 양(질량%)의 함수로서 알루미늄 및 SiO2의 상대적 에칭 속도를 보여준다(단위-부재 비).
상기 조성물에 물을 첨가하면 알루미늄의 상대적 애칭 속도에 현저한 증가를 초래함이 관찰된다. 초기 조성물과 비교하여, 상기 알루미늄의 에칭 속도는 10% 물에서는 3.5배, 20% 물에서는 7.8배, 및 40% 물에서는 16.2배이다.
SiO2의 에칭 속도 또한 증가하지만, 그 정도는 훨씬 약하다. 이것은 10% 물에서는 1.5배, 30% 물에서는 1.7배, 및 40% 물에서는 2.2배이다.
결과적으로, 알루미늄 및 SiO2의 만족한 보호를 유지하기 위해서는 20 중량% 이하의 물 함량이 상기 조성물 내에서 유지되어야 한다.
I.2. 불산 함량의 영향
도 2는 아세트산, 메탄설폰산 및 물의 조성물에서 상대적 불소 농도(질량%)의 함수로서 알루미늄 및 SiO2의 상대적 에칭 속도를 보여주며(단위-부재 비), 상기 메탄설폰산 및 물 함량은 각각 33 중량% 및 9.9 중량%로 고정되고, 상기 아세트산 함량은 상기 불소 함량에 따라 변한다.
불소의 증가는 SiO2의 상대적 에칭 속도에서 급격한 증가를 초래하며, SiO2는 0.5% 및 1% 불산 간에 2.5배이다.
불소의 증가는 알루미늄의 상대적 에칭 속도에서 약간의 감소를 초래하며, 알루미늄은 0.5% 및 1% 불산 간에 0.9배이다.
결과적으로, SiO2의 만족한 보호를 유지하기 위해서는 2 중량% 이하의 불산 함량이 상기 조성물 내에서 유지되어야 한다.
I.3. 메탄설폰산 함량의 영향
도 3 및 도 4는 아세트산, 불산 및 물의 조성물에서 메탄설폰산의 상대적 농도(질량%)의 함수로서 알루미늄 및 SiO2의 상대적 에칭 속도를 보여주며(단위-부재 비), 이때,
- 도 3에서, 상기 불산 및 물 함량은 각각 0.89 중량% 및 10 중량%로 고정되고, 상기 아세트산 함량은 상기 메탄설폰산 함량에 따라 변한다.
- 도 4에서, 상기 불산 및 물 함량은 각각 0.65 중량% 및 8.7 중량%로 고정되고, 상기 아세트산 함량은 상기 메탄설폰산 함량에 따라 변한다.
도 3에서, 메탄설폰산이 0.7%까지 증가하면 알루미늄의 상대적 에칭 속도에서 급격한 감소를 초래하여서 2.2에서 0.7로 그 비가 변화되고, 이후 1.4%까지는 0.6의 비로 조금 감소함을 볼 수 있다. SiO2의 상대적 에칭 속도의 경우, 0.7% 메탄설폰산 함량부터 실질적으로 일정하게 유지된다.
도 4에서, 메탄설폰산이 증가하면 알루미늄의 상대적 에칭 속도에서 급격한 감소를 초래하여서, 0% 및 1% 메탄설폰산 간에 1.9에서 1의 비로 변화됨을 볼 수 있다. SiO2의 상대적 에칭 속도는 약간 감소하며, 0% 및 1% 메탄설폰산 간에 1.1에서 1의 비로 변화한다.
결과적으로, 메탄설폰산의 첨가는 상기 알루미늄의 보호를 현저하게 개선하기 위해 사용될 수 있다.
II.1. 플라즈마 에칭 후 알루미늄 연결 패드의 세정
물질의 층들의 스택을 포함하는 실리콘 기판을 제공하며, 여기서 알루미늄 연결 패드는 플라즈마 에칭되고, 패드 중 하나인 1A는 도 5에 개략적으로 도시된다. 실제로, 이러한 패드는 기판의 많은 다른 상호연결 레벨에 기초하는 마지막 연결 레벨에 해당한다. 상기 패드(1A)의 치수는 길이가 약 2 마이크로미터 × 그 기저에서의 폭이 2 마이크로미터이다. 이것은 물리적 기상 증착(두문자어 'PVD')에 의해 증착된 1 마이크로미터 두께를 갖는 탄탈룸 및 탄탈룸 나이트레이트의 층(Ta/TaN), 티타늄의 층(Ti) 및 알루미늄의 층(Al)을 연속해서 포함한다.
상기 패드의 다양한 구성 층을 에칭 가스를 이용한 플라즈마 에칭에 의해 동시에 에칭하여 상기 패드의 측면에 잔사(2)를 생성한다. 상기 에칭 잔사(2)는 상기 에칭된 층들의 상이한 원소로부터 형성되며, 상기 에칭의 충격을 감소시키는 부동태화 층을 형성한다. 상기 에칭 잔사의 화학적 조성은 다음과 같다: TawTixAlyOz, 여기서 w, x, y, z는 다양한 화학적 원소의 화학양론적 지수이다.
플라즈마 에칭 후 수득된 구조물로부터 각각 복수의 패드를 포함하는 2 센티미터 × 2 센티미터 빌렛을 다이아몬드 팁을 이용해 잘라낸다.
상기 알루미늄 패드 빌렛을 등가의 불소 농도를 갖는 2가지 혼합물 내에 침지시킨다:
- 아세트산 내에 1 중량%의 불산을 포함하는 혼합물,
- 74 중량%의 아세트산, 23 중량%의 메탄설폰산(농도 70%), 1.2 중량%의 불화암모늄, 및 1.8 중량%의 물을 포함하는, 본 발명의 한 구현예에 따른 조성물에 해당하는 혼합물.
주위 온도에서 부드럽게 교반하면서 3분 동안 침지하고 건조시킨 후, 상기 빌렛을 주사 전자 현미경 하에 관찰하여 상기 세정의 효과를 평가한다.
수득된 이미지는 도 6b 및 도 6c에 나타나 있다. 도 6a는 참조물로서 작용하며, 세정 전의 빌렛을 보여준다.
도 6a에서, 상기 부동태화 층(2)은 불균일한 표면을 포함하기 때문에 가시적이며, 상기 패드의 측면을 덮고 있음을 볼 수 있다. 상기 Ti 및 Ta/TaN 층에서 상기 패드의 아래 부분을 덮는 부동태화 층의 일부는 Ti 및 Ti가 더 풍부한 반면, 상기 Al 층에서 상기 패드의 윗 부분을 덮는 부동태화 층의 일부는 Al이 더 풍부하다.
도 6b에서, 상기 부동태화 층(2)은 여전히 존재함을 볼 수 있으며, 이는 상기 혼합물이 충분히 효과적이지 않음을 나타낸다. 또한, 상기 패드의 윗 부분에서 알루미늄의 구멍(3)은 상기 알루미늄의 국소적인 부식을 나타내며(상기 현상은 "피팅"으로 알려져 있음), 이는 상기 혼합물이 알루미늄에 대해 너무 공격적임을 나타낸다.
도 6c에서, 더 이상 부동태화 층(2)이 없음을 관찰할 수 있으며, 상기 부동태화 층은 세정 동안에 본 발명의 조성물에 의해 완전히 제거되었다. 따라서, 아세트산 및 불산의 혼합물에 메탄설폰산을 첨가하면 세정뿐만 아니라 알루미늄의 보호 효과를 매우 증가시킨다.
Ti 및 Ta/TaN의 층에 대한 침식은 그 결정질 구조로 인해 무시할 만하다.
상기 알루미늄 및 열적 SiO2의 에칭 속도는 그 상세한 내용이 실시예 (I)에 개시된 프로토콜에 따라 4 점 측정 및 반사측정에 의해 결정하였으며, 알루미늄의 경우 분 당 17 옹스트롬이고 열적 SiO2의 경우 분 당 12 옹스트롬이다. 상기 매우 작은 손실은 상기 패드의 외형이 시각적으로 변하지 않고 남아 있다는 사실에 의해 확인된다.
II.2. 플라즈마 에칭 후 Ta 2 O 5 -기반의 MIM 캐패시터의 세정
물질의 층들의 스택을 포함하는 기판을 제공하며, 여기서 MIM 캐패시터는 플라즈마 에칭되고, MIM 캐패시터 중 하나인 참조번호 1B는 도 7에 개략적으로 도시된다. MIM 캐패시터(1B)는 패드의 형태를 취하며, 그 치수는 폭이 약 5 마이크로미터 × 그 기저에서의 길이가 3 마이크로미터이다. 이것은 물리적 기상 증착에 의해 상기 기판에 증착된 600 옹스트롬의 두께를 갖는 알루미늄(Al)의 층과, 그 위의 티타늄 나이트레이트(TiN)의 층, 상기 TiN 층 상에 배열된 탄탈룸 펜타옥사이드의 층(Ta2O5)(높은 유전 상수 절연 물질), 및 상기 Ta2O5의 층 상에 배열된 실리콘 나이트라이드의 층(SiN)을 포함한다.
상기 알루미늄 연결 패드와 유시한 방식으로, 상기 MIM 캐패시터의 다양한 구성 층을 에칭 가스를 이용한 플라즈마 에칭에 의해 동시에 에칭하여 상기 MIM 측면에 잔사(2)를 생성한다. 상기 에칭 잔사(2)는 상기 에칭된 층들의 상이한 원소로부터 형성되며, 상기 에칭의 충격을 감소시키는 부동태화 층을 형성한다. 상기 에칭 잔사의 화학적 조성은 다음과 같다: TavAlwTiyNxSiyOz, 여기서 v, w, x, y, z는 다양한 화학적 원소의 화학양론적 지수이다.
플라즈마 에칭 후 수득된 구조물로부터 각각 복수의 MIM을 포함하는 2 센티미터 × 2 센티미터 빌렛을 다이아몬드 팁을 이용해 잘라낸다.
상기 MIM 빌렛을 실시예 II.A에서 알루미늄 패드에 대해 사용된 조성물과 동일한 구성 및 함량을 갖는 본 발명의 한 구현예에 따른 조성물 내에 침지시킨다. 상기 조성물은 74 중량%의 아세트산, 23 중량%의 메탄설폰산(농도 70%), 1.2 중량%의 불화암모늄, 및 1.8 중량%의 물을 포함한다.
주위 온도에서 부드럽게 교반하면서 3분 동안 침지하고 건조시킨 후, 상기 빌렛을 주사 전자 현미경 하에 관찰하여 상기 세정의 효과를 평가한다.
수득된 이미지는 도 8b에 나타나 있다. 도 8a는 참조물로서 작용하며, 세정 전의 빌렛을 보여준다.
도 8a에서, 상기 부동태화 층(2)은 투명한 필름의 형태로 가시적이며, 그 전체 길이에 걸쳐서 상기 MIM 캐패시터의 측면을 덮고 있음을 볼 수 있다.
도 8b에서, 더 이상 부동태화 층(2)이 없음을 관찰할 수 있으며, 상기 부동태화 층은 세정 동안에 본 발명의 조성물에 의해 완전히 제거되었다. 또한, 알루미늄의 침식에 대한 가시적인 징후도 없다.
도 8c는 집속 이온 빔(FIB) 프로브를 갖는 투과 전자 현미경을 이용하여 관찰된 빌렛을 나노미터 규모로 보여준다. 알루미늄 또는 TiN 및 Ta2O5 중 어느 것의 수축도 관찰되지 않으며, 단지 SiN의 매우 작은 수축만이 관찰된다.
따라서, 상기 조성물은 상기 알루미늄에 관해 선택적으로 상기 부동태화 층의 침식 및 제거를 초래하였다. TiN, Ta2O5, 및 SiN의 층들에 대한 침식은 그 결정질 구조로 인해 무시할 만하다.
Ta2O5의 층을 높은 유전 상수 물질인 하프늄 디옥사이드(HfO2) 및 지르코늄 디옥사이드(ZrO2)로 교체하면 동일한 결과가 얻어지며, 즉 존재하는 MIM 구조 내의 HfO2 또는 ZrO2의 해당 층은 본 발명의 조성물에 의해 침식되지 않는다.
상기 알루미늄의 에칭 속도는 그 상세한 내용이 실시예 (I)에 개시된 프로토콜에 따라 4 점 측정에 의해 결정하였으며, 분 당 17 옹스트롬이다. 상기 매우 작은 손실은 상기 패드의 외형이 시각적으로 변하지 않고 남아 있다는 사실에 의해 확인된다.
III. 플라즈마 에칭 후 웰의 세정
SiO2 층의 일부를 선택적으로 제거하기 위하여, 약 3 마이크로미터 두께의 SiO2의 층을 포함하고 에칭 마스크로 작용하는 광수지(5)로 덮인 실리콘(Si)으로 만들어진 기판을 제공한다. 상기 구조물은 도 9에 개략적으로 도시된다. SiO2를 플라즈마 에칭하면 상기 에칭 웰(4)의 측벽에 부동태화 층(2)을 형성하게 된다.
에칭 가스의 조성은 다음과 같다: CxFy, 여기서 x 및 y는 다양한 화학적 원소의 화학양론적 지수이다.
상기 부동태화 층을 형성하는 에칭 잔사(2)의 조성은 다음과 같다: SiwAlxOyFz, 여기서 x, y 및 z는 다양한 화학적 원소의 화학양론적 지수이다.
58.8 중량%의 아세트산, 40 중량%의 메탄설폰산(농도 70%), 및 1.2 중량%의 불화암모늄을 포함하는 화학적 조성물을 이용해 상기 구조물의 세정을 수행하여 상기 웰의 부동태화층을 제거한다.
알루미늄으로 만들어진 연결 패드(1A)가 상기 구조물에 연결되며, 세정 동안에 상기 조성물에 노출된다. 따라서, 상기 패드의 알루미늄을 침식하지 않으면서 상기 웰(4)로부터 상기 부동태화 층(2)을 제거하는 것이 필요하다.
2 센티미터 × 2 센티미터 빌렛을 상기 구조물로부터 잘라내고, 상기 조성물 내에 침지시킨다.
주위 온도에서 부드럽게 교반하면서 2분 동안 침지하고 건조시킨 후, 상기 수지(5)를 무기 화합물의 불활성 용액을 이용해 제거하고, 상기 빌렛을 주사 전자 현미경을 이용해 관찰하여 상기 세정의 효과를 평가한다.
수득된 이미지는 도 10b 및 도 10c에 나타나 있다. 도 10a는 참조물로서 작용하며, 세정 전의 빌렛을 보여준다.
도 10a에서, 상기 부동태화 층(2)은 상기 웰(4)의 측벽을 덮고 있음을 볼 수 있다. 이것은 SiO2의 측벽 및 그 상부 수지의 측벽을 덮고 있다.
도 10b에서, 상기 수지(5)의 제거 후, SiO2의 측면에 더 이상 부동태화 층(2)이 없고, 상기 부동태화 층은 세정 동안에 본 발명의 조성물에 의해 완전히 제거되었음을 관찰할 수 있다. 또한, SiO2의 침식에 대한 가시적인 징후도 없다.
도 10c는 알루미늄으로 만들어진 패드(1A)에 집중한다. 알루미늄의 침식에 대한 가시적인 징후가 없음을 볼 수 있다.
상기 알루미늄(패드 1A) 및 SiO2(웰 4)의 에칭 속도는 그 상세한 내용이 실시예 (I)에 개시된 프로토콜에 따라 4 점 측정 및 반사측정에 의해 결정하였으며, 각각 알루미늄의 경우 분 당 12 옹스트롬이고 SiO2의 경우 분 당 10 옹스트롬이며, 따라서 2분 내에 약 24 옹스트롬, 즉 0.0024 마이크로미터 깊이의 알루미늄, 및 20 옹스트롬, 또는 0.0020 마이크로미터 깊이의 SiO2이 제거되었다. 상기 매우 작은 손실은 상기 패드 및 웰의 외형이 시각적으로 변하지 않고 남아 있다는 사실에 의해 확인된다.
참고문헌
US2016/0163533

Claims (10)

  1. 아세트산을 포함하는 약산, 메탄설폰산을 포함하는 비-산화성 강산, 불산, 및 물을 포함하는, 기판(1A, 1B, 4)으로부터 상기 기판(1A, 1B, 4)의 에칭으로부터 생성된 에칭 잔사를 포함하는 부동태화 층(2)을 제거하기에 적합한 세정용 화학적 조성물로서,
    - 상기 약산의 함량은 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 20 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게는 50 중량% 내지 80 중량%이고,
    - 상기 비-산화성 강산의 함량은 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 5 중량% 내지 50 중량%, 바람직하게는 15 중량% 내지 50 중량%이고,
    - 상기 불산의 함량은 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 0.2 중량% 내지 2 중량%이고, 및
    - 상기 물의 함량은 상기 화학적 조성물의 중량과 비교하여 2 중량% 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 화학적 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 강산은 염산을 추가로 포함하는 화학적 조성물.
  3. 기판(1A, 1B, 4)으로부터 상기 기판(1A, 1B, 4)의 에칭으로부터 생성된 에칭 잔사를 포함하는 부동태화 층(2)을 제거하기 위한 세정 방법으로서,
    - 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 세정용 화학적 조성물을 제공하는 단계;
    - 상기 기판(1A, 1B, 4)으로부터 상기 부동태화 층(2)을 제거하기에 충분한 시간 동안 상기 세정용 화학적 조성물을 상기 부동태화 층(2)과 접촉시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 세정용 화학적 조성물은 60 중량% 내지 80 중량%의 농도를 갖는 메탄설폰산으로부터 제조되는 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 세정용 화학적 조성물은 30 중량% 내지 40 중량%의 농도를 갖는 염산으로부터 제조되는 방법.
  6. 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 단계 이전에, 기판(1A, 1B, 4)의 층 또는 층들의 스택의 층들 중 적어도 하나와 플라즈마 이온의 상호작용에 의해 상기 부동태화 층(2)이 생성되는 기판(1A, 1B, 4)의 층 또는 층들의 스택을 플라즈마 에칭하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부동태화 층(2)과 접촉하는 기간 동안, 상기 화학적 조성물은 20℃ 내지 40℃, 바람직하게는 20℃ 내지 30℃의 온도인 방법.
  8. 청구항 3 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부동태화 층(2)은 탄탈룸, 하프늄, 및 지르코늄의 화학적 원소들 중 하나 이상을 포함하는 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 기판(1A, 1B, 4)의 에칭된 층 또는 에칭된 층들의 스택의 구성 물질은 금속, 금속 옥사이드, 반도체 물질, 및 반도체 물질의 옥사이드 중 하나 이상의 물질로부터 선택되는 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 기판(1A, 1B, 4)의 에칭된 층 또는 에칭된 층들의 스택의 구성 물질은 알루미늄 및/또는 구리를 포함하는 방법.
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