KR102749433B1 - Etching solution for silicon nitride layer and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 질화막 식각 용액 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 실리콘 질화막 식각 용액 중 화학식 1로 표시되는 트랜스(trans) 구조의 화합물은 식각 조건 하에서 실리콘 산화막과의 결합을 증가시킴으로써 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 속도를 낮출 수 있는 실리콘 질화막 식각 용액 및 이의 제조방법을 제공하기 위함이다.The present invention relates to a silicon nitride film etching solution and a method for producing the same, and more specifically, to a silicon nitride film etching solution and a method for producing the same, wherein a compound having a trans structure represented by chemical formula 1 in the silicon nitride film etching solution can lower the etching rate of a silicon nitride film compared to a silicon oxide film by increasing bonding with a silicon oxide film under etching conditions.
Description
본 발명은 실리콘 질화막 식각 용액 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 실리콘 질화막의 식각시 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비를 향상시키는 것이 가능한 실리콘 질화막 식각 용액 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon nitride film etching solution and a method for producing the same, and more specifically, to a silicon nitride film etching solution capable of improving the etching selectivity for a silicon nitride film compared to a silicon oxide film when etching the silicon nitride film, and a method for producing the same.
현재 실리콘 질화막과 실리콘 산화막을 식각하는 방법으로는 여러가지가 있는데 건식 식각법과 습식 식각법이 주로 사용되는 방법이다.Currently, there are several methods for etching silicon nitride and silicon oxide films, but dry etching and wet etching are the most commonly used methods.
건식 식각법은 통상적으로 기체를 이용한 식각법으로서 등방성이 습식 식각법보다 뛰어나다는 장점이 있으나 습식 식각법보다 생산성이 많이 떨어지고 고가의 방식이라는 점에서 습식 식각법이 널리 이용되고 있는 추세이다.Dry etching is an etching method that typically uses gas and has the advantage of superior isotropy compared to wet etching. However, since it is less productive and more expensive than wet etching, wet etching is increasingly being used.
일반적으로 습식 식각법으로는 식각 용액으로서 인산을 사용하는 방법이 잘 알려져 있다. 이 때, 실리콘 질화막의 식각을 위해 순수한 인산만 사용할 경우 소자가 미세화됨에 따라 실리콘 질화막뿐만 아니라 실리콘 산화막까지 식각됨에 따라 각종 불량 및 패턴 이상이 발생되는 등의 문제가 발생할 수 있기 때문에 실리콘 산화막에 보호막을 형성하여 실리콘 산화막의 식각 속도를 더욱 낮출 필요가 있다.In general, a wet etching method using phosphoric acid as an etching solution is well known. At this time, if only pure phosphoric acid is used to etch the silicon nitride film, problems such as various defects and pattern abnormalities may occur as the silicon nitride film as well as the silicon oxide film are etched as the device becomes miniaturized. Therefore, it is necessary to form a protective film on the silicon oxide film to further reduce the etching speed of the silicon oxide film.
본 발명은 실리콘 산화막에 대한 식각 속도를 낮춰 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비를 향상시키는 것이 가능한 실리콘 질화막 식각 용액을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to provide a silicon nitride film etching solution capable of lowering the etching rate for a silicon oxide film and improving the etching selectivity for a silicon nitride film compared to a silicon oxide film.
또한, 본 발명은 고온에서 수행되는 식각 공정에서 식각 속도가 안정적으로 유지되고 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비가 저하되지 않는 실리콘 질화막 식각 용액을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention aims to provide a silicon nitride film etching solution in which an etching rate is stably maintained in an etching process performed at high temperature and the etching selectivity for a silicon nitride film compared to a silicon oxide film is not reduced.
아울러, 본 발명은 상술한 실리콘 질화막 식각 용액의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention aims to provide a method for manufacturing the above-described silicon nitride film etching solution.
상술한 기술적 과제의 해결을 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 실리콘 질화막 식각 용액은 인산 수용액 및 하기의 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.In order to solve the above-described technical problem, according to one aspect of the present invention, a silicon nitride film etching solution includes a phosphoric acid aqueous solution and a compound represented by the following chemical formula 1.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
상기 화학식 1에서,In the above chemical formula 1,
X1 내지 X3는 각각 독립적으로 C1-C20 알콕시, 하이드록시기 및 할로겐으로부터 선택되며, R1 내지 R3는 각각 독립적으로 수소, C1-C20 알킬기, C6-C12 사이클로알킬, 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함하는 C2-C10 헤테로알킬, C2-C10 알케닐, C2-C10 알키닐, C1-C10 할로알킬, C1-C10 아미노알킬, 아릴, 헤테로아릴, 아르알킬 및 할로겐으로부터 선택된다. X 1 to X 3 are each independently selected from C 1 -C 20 alkoxy, a hydroxy group and a halogen, and R 1 to R 3 are each independently selected from hydrogen, a C 1 -C 20 alkyl group, a C6-C12 cycloalkyl, a C2-C10 heteroalkyl comprising at least one heteroatom, a C 2 -C 10 alkenyl, a C 2 -C 10 alkynyl, a C 1 -C 10 haloalkyl, a C 1 -C 10 aminoalkyl, aryl, heteroaryl, aralkyl and halogen.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 실리콘 화합물 전구체와 물을 혼합하여 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액에 수산화물을 첨가하여 실리콘 화합물을 합성하는 단계, (b) 상기 (a) 단계에서 합성된 실리콘 화합물의 수용액을 제1 유기 용매로 추출한 후 상기 제1 유기 용매를 제거하는 단계, (c) 상기 (b) 단계의 결과물과 제2 유기 용매를 혼합하여 환류(reflux)시키는 단계, (d) 상기 (c) 단계의 결과물을 30 ℃ 내지 -40 ℃ 의 온도 범위로 낮춰 결정화된 고체 화합물을 분리하는 단계 및 (e) 상기 (d) 단계의 고체 화합물을 인산 수용액과 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계를 포함하는 실리콘 질화막 식각 용액의 제조방법이 제공된다.In addition, according to another aspect of the present invention, a method for producing a silicon nitride film etching solution is provided, including the steps of: (a) mixing a silicon compound precursor and water to prepare a mixed solution, and then adding a hydroxide to the mixed solution to synthesize a silicon compound, (b) extracting an aqueous solution of the silicon compound synthesized in step (a) with a first organic solvent and then removing the first organic solvent, (c) mixing the resultant of step (b) with a second organic solvent and refluxing, (d) lowering the temperature of the resultant of step (c) to a temperature range of 30° C. to -40° C. to separate a crystallized solid compound, and (e) mixing the solid compound of step (d) with an aqueous phosphoric acid solution to prepare a mixed solution.
본 발명에 따른 실리콘 질화막 식각 용액 중 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 식각 조건 하에서 실리콘 산화막과의 결합을 증가시킴으로써 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 속도를 낮출 수 있다.Among the silicon nitride film etching solutions according to the present invention, the compound represented by the chemical formula 1 can lower the etching rate for a silicon nitride film compared to a silicon oxide film by increasing bonding with the silicon oxide film under etching conditions.
이 때, 본원에서 사용되는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물과 실리콘 산화막과 하이드록시기(-OH)와의 반응성이 증가됨으로써, 우수한 실리콘 산화막의 보호층(passivation layer)으로서의 역할을 수행할 수 있다. At this time, the reactivity between the compound represented by the chemical formula 1 used in the present invention and the silicon oxide film and the hydroxyl group (-OH) increases, so that it can play a role as an excellent passivation layer of the silicon oxide film.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 용액을 이용한 실리콘 질화막 제거 공정을 개략적으로 나타낸 단면도이다, Figure 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a silicon nitride film removal process using an etching solution according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.The advantages and features of the present invention, and the method for achieving them, will become clear with reference to the embodiments described below. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and these embodiments are provided only to make the disclosure of the present invention complete and to fully inform a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs of the scope of the invention, and the present invention is defined only by the scope of the claims.
이하, 본 발명에 따른 실리콘 질화막 식각 용액 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, a silicon nitride film etching solution and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described in detail.
<실리콘 <silicon 질화막Nitride film 식각Etching 용액>Solution>
본 발명의 일 측면에 따르면, 인산 수용액 및 하기의 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 실리콘 질화막 식각 용액이 제공된다.According to one aspect of the present invention, a silicon nitride film etching solution is provided, which comprises a phosphoric acid aqueous solution and a compound represented by the following chemical formula 1.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
상기 화학식 1에서, In the above chemical formula 1,
X1 내지 X3는 각각 독립적으로 C1-C20 알콕시, 하이드록시기 및 할로겐으로부터 선택되며, R1 내지 R3는 각각 독립적으로 수소, C1-C20 알킬기, C6-C12 사이클로알킬, 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함하는 C2-C10 헤테로알킬, C2-C10 알케닐, C2-C10 알키닐, C1-C10 할로알킬, C1-C10 아미노알킬, 아릴, 헤테로아릴, 아르알킬 및 할로겐으로부터 선택된다. X 1 to X 3 are each independently selected from C 1 -C 20 alkoxy, a hydroxy group and a halogen, and R 1 to R 3 are each independently selected from hydrogen, a C 1 -C 20 alkyl group, a C6-C12 cycloalkyl, a C2-C10 heteroalkyl comprising at least one heteroatom, a C 2 -C 10 alkenyl, a C 2 -C 10 alkynyl, a C 1 -C 10 haloalkyl, a C 1 -C 10 aminoalkyl, aryl, heteroaryl, aralkyl and halogen.
또한, 상기 화학식 1에서, X1 내지 X3 중 두 개는 입체 화학 구조상 트랜스(trans) 형태를 나타낸다. Additionally, in the chemical formula 1, two of X 1 to X 3 represent a trans form in terms of stereochemical structure.
본원에서 Ca-Cb 작용기는 a 내지 b 개의 탄소 원자를 갖는 작용기를 의미한다. 예를 들어, Ca-Cb 알킬은 a 내지 b 개의 탄소 원자를 갖는, 직쇄 알킬 및 분쇄 알킬 등을 포함하는 포화 지방족기를 의미한다. 직쇄 또는 분쇄 알킬은 이의 주쇄에 10개 이하(예를 들어, C1-C10의 직쇄, C3-C10의 분쇄), 바람직하게는 4개 이하, 보다 바람직하게는 3개 이하의 탄소 원자를 가진다. As used herein, the C a -C b functional group means a functional group having a to b carbon atoms. For example, C a -C b alkyl means a saturated aliphatic group including straight-chain alkyl and branched alkyl having a to b carbon atoms. Straight-chain or branched alkyl has 10 or fewer carbon atoms in its main chain (e.g., straight chain of C 1 -C 10 , branched chain of C 3 -C 10 ), preferably 4 or fewer, more preferably 3 or fewer.
구체적으로, 알킬은 메틸, 에틸, n-프로필, i-프로필, n-뷰틸, s-뷰틸, i-뷰틸, t-뷰틸, 펜트-1-일, 펜트-2-일, 펜트-3-일, 3-메틸뷰트-1-일, 3-메틸뷰트-2-일, 2-메틸뷰트-2-일, 2,2,2-트리메틸에트-1-일, n-헥실, n-헵틸 및 n-옥틸일 수 있다.Specifically, alkyl can be methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, n-butyl, s-butyl, i-butyl, t-butyl, pent-1-yl, pent-2-yl, pent-3-yl, 3-methylbut-1-yl, 3-methylbut-2-yl, 2-methylbut-2-yl, 2,2,2-trimethyleth-1-yl, n-hexyl, n-heptyl and n-octyl.
본원에서 알콕시는 -O-(알킬)기와 -O-(비치환된 사이클로알킬)기 둘 다를 의미하는 것으로, 하나 이상의 에터기 및 1 내지 10 개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분쇄 탄화 수소이다.As used herein, alkoxy refers to both an -O-(alkyl) group and an -O-(unsubstituted cycloalkyl) group, and is a straight-chain or branched hydrocarbon having one or more ether groups and 1 to 10 carbon atoms.
구체적으로, 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 이소프로폭시, n-뷰톡시, tert-뷰톡시, sec-뷰톡시, n-펜톡시, n-헥속시, 1,2-다이메틸뷰톡시, 사이클로프로필옥시, 사이클로뷰틸옥시, 사이클로펜틸옥시, 사이클로헥실옥시 등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. Specifically, it includes, but is not limited to, methoxy, ethoxy, propoxy, isopropoxy, n-butoxy, tert-butoxy, sec-butoxy, n-pentoxy, n-hexoxy, 1,2-dimethylbutoxy, cyclopropyloxy, cyclobutyloxy, cyclopentyloxy, cyclohexyloxy, and the like.
본원에서 사이클로알킬(cycloalkyl) 또는 헤테로 원자를 포함하는 사이클로알킬(heterocycloalkyl)은 달리 정의되지 않는 한 각각 알킬 또는 헤테로 알킬의 고리형 구조로 이해될 수 있을 것이다.In the present invention, unless otherwise defined, cycloalkyl or cycloalkyl containing a hetero atom (heterocycloalkyl) may be understood as a cyclic structure of alkyl or heteroalkyl, respectively.
사이클로알킬의 비제한적인 예로는 사이클로펜틸, 사이클로헥실, 1-사이클로헥세닐, 3-사이클로헥세닐 및사이클로헵틸 등이 있다.Non-limiting examples of cycloalkyls include cyclopentyl, cyclohexyl, 1-cyclohexenyl, 3-cyclohexenyl, and cycloheptyl.
헤테로 원자를 포함하는 사이클로알킬의 비제한적인 예로는 1-(1,2,5,6-테트라하이드로피리딜), 1-피페리디닐, 2-피페리디닐, 3-피페리디닐, 4-모르포리닐, 3-모르포리닐, 테트라하이드로퓨란-2-일, 테트라하드로퓨란-3-일, 테트라하이드로티엔-2-일, 테트라하이드로티엔-3-일, 1-피페라지닐 및 2-피페라지닐 등이 있다.Non-limiting examples of cycloalkyls containing hetero atoms include 1-(1,2,5,6-tetrahydropyridyl), 1-piperidinyl, 2-piperidinyl, 3-piperidinyl, 4-morpholinyl, 3-morpholinyl, tetrahydrofuran-2-yl, tetrahydrofuran-3-yl, tetrahydrothien-2-yl, tetrahydrothien-3-yl, 1-piperazinyl, and 2-piperazinyl.
또한, 사이클로알킬 또는 헤테로 원자를 포함하는 사이클로알킬은 여기에 사이클로알킬, 헤테로 원자를 포함하는 사이클로알킬, 아릴 또는 헤테로아릴이 접합되거나 공유결합으로 연결된 형태를 가질 수 있다.Additionally, a cycloalkyl or a cycloalkyl containing a hetero atom may have a form in which a cycloalkyl, a cycloalkyl containing a hetero atom, an aryl or a heteroaryl is bonded or covalently linked thereto.
본원에서 아릴은 달리 정의되지 않는 한, 단일 고리 또는 서로 접합 또는 공유결합으로 연결된 다중 고리(바람직하게는 1 내지 4개의 고리)를 포함하는 불포화 방향족성 고리를 의미한다. 아릴의 비제한적인 예로는 페닐, 바이페닐, o- 터페닐(terphenyl), m-터페닐, p-터페닐, 1-나프틸, 2-나프틸, 1-안트릴(anthryl), 2-안트릴, 9-안트릴, 1-페난트레닐(phenanthrenyl), 2-페난트레닐, 3--페난트레닐, 4--페난트레닐, 9-페난트레닐, 1-피레닐, 2-피레닐 및 4-피레닐 등이 있다.As used herein, unless otherwise defined, aryl means an unsaturated aromatic ring comprising a single ring or multiple rings (preferably 1 to 4 rings) joined to each other by fusion or covalent bonds. Non-limiting examples of aryl include phenyl, biphenyl, o-terphenyl, m-terphenyl, p-terphenyl, 1-naphthyl, 2-naphthyl, 1-anthryl, 2-anthryl, 9-anthryl, 1-phenanthrenyl, 2-phenanthrenyl, 3-phenanthrenyl, 4-phenanthrenyl, 9-phenanthrenyl, 1-pyrenyl, 2-pyrenyl, and 4-pyrenyl.
본원에서 헤테로 아릴은 상기에서 정의된 아릴 내 하나 이상의 탄소원자가 질소, 산소 또는 황과 같은 비탄소 원자로 치환된 작용기를 의미한다.As used herein, heteroaryl refers to a functional group in which one or more carbon atoms in the aryl defined above are replaced with a non-carbon atom such as nitrogen, oxygen or sulfur.
본원에서 아르알킬은 아릴이 알킬의 탄소에 치환된 형태의 작용기로서, -(CH2)nAr의 총칭이다. 아르알킬의 예로서, 벤질(-CH2C6H5) 또는 페네틸(-CH2CH2C6H5) 등이 있다.In this application, aralkyl is a functional group in which aryl is substituted on the carbon of alkyl, and is a general term for -(CH 2 ) n Ar. Examples of aralkyl include benzyl (-CH 2 C 6 H 5 ) or phenethyl (-CH 2 CH 2 C 6 H 5 ).
본원에서 할로겐은 플루오로(-F), 클로로(-Cl), 브로모(-Br) 또는 요오도(-I)을 의미하며, 할로알킬은 상술한 할로겐으로 치환된 알킬을 의미한다. 예를 들어, 할로메틸은 메틸의 수소 중 적어도 하나가 할로겐으로 대체된 메틸(-CH2X, -CHX2또는 -CX3)을 의미한다.As used herein, halogen means fluoro (-F), chloro (-Cl), bromo (-Br), or iodo (-I), and haloalkyl means alkyl substituted with the above-mentioned halogen. For example, halomethyl means methyl (-CH 2 X, -CHX 2 or -CX 3 ) where at least one of the hydrogens of methyl is replaced with halogen.
일반적으로, 첨가제로 사용되는 실리콘 화합물은 인산 수용액으로부터 실리콘 산화막을 보호하는 효과가 있는 반면, 식각 후에 발생되는 실리콘 불순물과 실리콘 화합물이 결합하여 파티클이 형성되어 실리콘 기판을 오염시키는 문제가 있다.In general, silicon compounds used as additives have the effect of protecting silicon oxide films from phosphoric acid aqueous solutions, but there is a problem in that silicon compounds and silicon impurities generated after etching combine to form particles, which contaminate the silicon substrate.
실리콘 원자에 친수성 작용기가 결합된 형태의 실란 화합물은 물과의 반응에 의해 저온에서 쉽게 분해되어, 실리콘-하이드록시기(-Si-OH)를 형성할 수 있다. 실리콘-하이드록시기는 중합에 의해 실리콘 원자와 산소 원자가 교대로 결합하여 랜덤한 사슬 구조를 형성한 실록산(-Si-O-Si-)기를 생성하게 된다. 실록산기를 포함하는 실란 화합물은 결과적으로 실록산기가 반복하여 중합된 실리콘계 파티클로서 성장 및 석출되어 보관 안정성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.Silane compounds in which a hydrophilic functional group is bonded to a silicon atom can be easily decomposed at low temperatures by reaction with water, forming a silicon-hydroxyl group (-Si-OH). The silicon-hydroxyl group forms a siloxane (-Si-O-Si-) group in which silicon atoms and oxygen atoms alternately bond through polymerization to form a random chain structure. Silane compounds containing siloxane groups eventually grow and precipitate as silicon particles in which the siloxane groups are repeatedly polymerized, which causes a problem in that storage stability is reduced.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 질화막 식각 용액은 파티클 생성을 억제하기 위해해 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.A silicon nitride film etching solution according to one embodiment of the present invention includes a compound represented by the following chemical formula 1 to suppress particle generation.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
상기 화학식 1에서, In the above chemical formula 1,
X1 내지 X3는 각각 독립적으로 C1-C20 알콕시, 하이드록시기 및 할로겐으로부터 선택되며, R1 내지 R3는 각각 독립적으로 수소, C1-C20 알킬기, C6-C12 사이클로알킬, 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함하는 C2-C10 헤테로알킬, C2-C10 알케닐, C2-C10 알키닐, C1-C10 할로알킬, C1-C10 아미노알킬, 아릴, 헤테로아릴, 아르알킬 및 할로겐으로부터 선택된다. X 1 to X 3 are each independently selected from C 1 -C 20 alkoxy, a hydroxy group and a halogen, and R 1 to R 3 are each independently selected from hydrogen, a C 1 -C 20 alkyl group, a C6-C12 cycloalkyl, a C2-C10 heteroalkyl comprising at least one heteroatom, a C 2 -C 10 alkenyl, a C 2 -C 10 alkynyl, a C 1 -C 10 haloalkyl, a C 1 -C 10 aminoalkyl, aryl, heteroaryl, aralkyl and halogen.
여기서, 본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 고리 형태를 나타냄으로써, 고온에 도달하기 전까지 화합물 구조를 유지하게 한다. 이에 따라, 실리콘-하이드록시기가 중합에 의해 실록산(-Si-O-Si-) 화합물로 변화하는 현상을 감소시킴으로써, 파티클 생성을 억제할 수 있다.Here, the compound represented by the chemical formula 1 of the present invention exhibits a ring form, thereby maintaining the compound structure until reaching a high temperature. Accordingly, by reducing the phenomenon in which the silicon-hydroxyl group changes into a siloxane (-Si-O-Si-) compound through polymerization, particle generation can be suppressed.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 질화막 식각 용액은 실리콘 산화막의 하이드록시기(-OH)와의 반응성을 증가시켜, 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비를 높이기 위해 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.In addition, a silicon nitride film etching solution according to one embodiment of the present invention includes a compound represented by chemical formula 1 to increase the reactivity with a hydroxyl group (-OH) of a silicon oxide film, thereby increasing the etching selectivity for a silicon nitride film compared to a silicon oxide film.
구체적으로, 실리콘 질화막 식각 용액에 포함된 화학식 1로 표시되는 화합물은 실리콘 산화막의 하이드록시기(-OH)와의 SN2(Bimolecular Nucleophilic Substitution) 반응에 의해 실리콘 산화막의 보호층(passivation layer)을 형성한다. 즉, 실리콘 산화막의 보호층(passivation layer)을 충분히 형성하기 위해서는 상기 화합물과 하이드록시기(-OH)와의 SN2 반응성을 증가시켜야 한다. 구체적으로, 상기 화합물 구조가 불안정할수록 하이드록시기(-OH)와의 SN2 반응성이 증가될 수 있는 바, 상기 화합물 구조의 안정성 정도에 따라 상기 화합물과 상기 하이드록시기(-OH)와의 반응성이 결정될 수 있다.Specifically, the compound represented by Chemical Formula 1 included in the silicon nitride film etching solution forms a passivation layer of the silicon oxide film through an SN2 (Bimolecular Nucleophilic Substitution) reaction with a hydroxyl group (-OH) of the silicon oxide film. That is, in order to sufficiently form the passivation layer of the silicon oxide film, the SN2 reactivity of the compound with the hydroxyl group (-OH) must be increased. Specifically, as the compound structure becomes more unstable, the SN2 reactivity with the hydroxyl group (-OH) may increase, and thus the reactivity of the compound with the hydroxyl group (-OH) may be determined depending on the degree of stability of the compound structure.
실리콘 질화막 식각 용액에 첨가제로 사용될 수 있는 고리형 화합물은 입체화학 구조상 시스(cis) 또는 트랜스(trans) 형태를 나타낼 수 있다. Cyclic compounds that can be used as additives in silicon nitride film etching solutions can exhibit cis or trans forms in terms of stereochemical structure.
일예로, 시스 형태의 화합물은 식각 조건 하에 하기 반응식 1에 따라 반응이 진행될 수 있다.For example, a compound in the form of cis can undergo a reaction according to the following reaction scheme 1 under etching conditions.
[반응식 1][Reaction Formula 1]
상기 반응식 1과 같이, 시스 형태의 화합물은 식각 조건 하에서 인산 수용액과 반응하여 하이드록시기(-OH)에 양이온이 첨가될 수 있다. 양이온 첨가에 의해 하이드록시기(-OH)는 -OH2 + 을 나타내며, 분자 내의 하이드록시기(-OH) 및 -OH2 + 와의 SN2 반응이 진행될 수 있다. As shown in the above reaction scheme 1, a cis-form compound can react with a phosphoric acid aqueous solution under etching conditions, and a cation can be added to the hydroxyl group (-OH). By adding the cation, the hydroxyl group (-OH) exhibits -OH 2+ , and an SN2 reaction can proceed between the hydroxyl group ( -OH ) and -OH 2+ within the molecule.
다만, 시스 형태의 화합물은 이탈기인 -OH2 +와 친핵체인 하이드록시기(-OH)가 축방향(axial)으로 배열되어 있지 않다. 즉, 시스 형태의 화합물의 모든 하이드록시기(-OH)는 이탈기인 -OH2 +와 수평방향(equatorial)으로만 배열되어 있는 바, 시스 형태의 화합물은 분자 내의 하이드록시기(-OH) 및 -OH2 + 와의 SN2 반응이 진행되기가 어렵다.However, in the cis form of compounds , the leaving group -OH 2+ and the nucleophile hydroxyl group (-OH) are not arranged axially. That is, all the hydroxyl groups (-OH) in the cis form of compounds are arranged only in the equatorial direction with the leaving group -OH 2+ , making it difficult for the SN2 reaction to proceed between the hydroxyl group (-OH) and -OH 2+ in the molecule in the cis form of compounds.
여기서, 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물은 분자 내의 하이드록시기(-OH) 및 -OH2 + 와의 SN2 반응이 진행될 수 있다.Here, the compound represented by the chemical formula 1 of the present invention can undergo an SN2 reaction with the hydroxyl group (-OH) and -OH 2+ within the molecule.
일예로, 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 화합물로 표시될 수 있다.For example, the compound represented by chemical formula 1 of the present invention can be represented by a compound represented by chemical formula 2 or chemical formula 3 below.
[화학식 2][Chemical formula 2]
[화학식 3][Chemical Formula 3]
상기 화학식 2 및 화학식 3에서, R1 내지 R3는 각각 독립적으로 수소, C1-C20 알킬기, C6-C12 사이클로알킬, C6-C30 아릴, 및 할로겐으로부터 선택된다. In the above chemical formulas 2 and 3, R 1 to R 3 are each independently selected from hydrogen, a C 1 -C 20 alkyl group, a C6-C12 cycloalkyl, a C6-C30 aryl, and halogen.
또한, 일예로, 상기 화학식 2로 표시되는 트랜스 형태의 화합물은 식각 조건 하에 하기 반응식 2에 따라 반응이 진행될 수 있다.In addition, as an example, a trans form compound represented by the chemical formula 2 may undergo a reaction according to the following reaction formula 2 under etching conditions.
[반응식 2][Reaction Formula 2]
상기 반응식 2와 같이, 본 발명의 트랜스 형태의 화합물은 시스 형태의 화합물과 동일하게 식각 조건 하에서 인산 수용액과 반응하여 하이드록시기(-OH)에 양이온이 첨가될 수 있다. As shown in the above reaction scheme 2, the trans form compound of the present invention can react with an aqueous phosphoric acid solution under etching conditions in the same manner as the cis form compound, so that a cation is added to the hydroxyl group (-OH).
다만, 본 발명의 트랜스 형태의 화합물은 시스 형태의 화합물과 달리 이탈기인 -OH2 +와 친핵체인 하이드록시기(-OH)가 축방향(axial)으로 배열되어 있다. 이에 따라, 상기 트랜스 형태의 화합물은 분자 내의 하이드록시기(-OH) 및 -OH2 + 와의 SN2 반응으로 인해 불안정한 Si-O-Si 구조를 형성하게 된다.However, in the trans form of the compound of the present invention, unlike the cis form of the compound , the leaving group -OH 2+ and the nucleophile hydroxyl group ( -OH) are arranged in the axial direction. Accordingly, the trans form of the compound forms an unstable Si-O-Si structure due to the SN2 reaction between the hydroxyl group (-OH) and -OH 2+ within the molecule.
여기서, 상기 트랜스 형태의 화합물은 분자 내에 불안정한 Si-O-Si 구조가 형성됨에 따라, 실리콘 산화막 표면의 하이드록시기(-OH)와의 SN2 반응성이 증가될 수 있다.Here, the compound in the trans form can have increased SN2 reactivity with the hydroxyl group (-OH) on the surface of the silicon oxide film as an unstable Si-O-Si structure is formed within the molecule.
구체적으로, 상기 불안정한 Si-O-Si 구조를 포함하는 화합물과 실리콘 산화막 표면의 하이드록시기(-OH)는 하기 반응식 3에 따라 반응이 진행될 수 있다.Specifically, a compound including the above-mentioned unstable Si-O-Si structure and a hydroxyl group (-OH) on the surface of a silicon oxide film can react according to the following reaction formula 3.
[반응식 3][Reaction Formula 3]
상기 반응식 3과 같이, 상기 불안정한 Si-O-Si 구조를 포함하는 화합물은 높은 결합각 스트레인(angle strain)을 나타낸다. 이에 따라, 상기 화합물은 실리콘 산화막 표면의 하이드록시기(-OH)와의 SN2 반응성이 증가되며, 실리콘 산화막 표면의 하이드록시기(-OH)과 용이하게 결합될 수 있다. As shown in the above reaction scheme 3, the compound including the unstable Si-O-Si structure exhibits a high bond angle strain. Accordingly, the compound has increased SN2 reactivity with the hydroxyl group (-OH) on the surface of the silicon oxide film, and can easily bond with the hydroxyl group (-OH) on the surface of the silicon oxide film.
즉, 실리콘 산화막 표면의 하이드록시기(-OH)와 결합된 상기 화합물은 실리콘 산화막의 보호층(passivation layer)을 형성하여, 실리콘 산화막에 대한 식각 속도를 낮춤으로써 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비를 향상시킬 수 있다.That is, the compound combined with the hydroxyl group (-OH) on the surface of the silicon oxide film forms a passivation layer of the silicon oxide film, thereby lowering the etching rate for the silicon oxide film, thereby improving the etching selectivity for the silicon nitride film compared to the silicon oxide film.
상술한 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 첨가제는 실리콘 질화막 식각 용액 중 50 내지 200,000 ppm으로 존재하는 것이 바람직하다. 여기서, 첨가제의 함량은 실리콘 질화막 식각 용액 중 용해된 첨가제의 양으로서, ppm의 단위로서 나타낸 것이다. 예를 들어, 실리콘 질화막 식각 용액 중 첨가제가 5,000 ppm으로 존재한다는 것은 실리콘 질화막 식각 용액 중 용해된 첨가제가 5,000 ppm인 것을 의미할 것이다. 실리콘 질화막 식각 용액 중 첨가제가 50 ppm 미만으로 존재할 경우, 식각 조건 하에서 첨가제의 양이 충분하지 못해 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비의 증가 효과가 미비할 수 있다. 반면, 실리콘 질화막 식각 용액 중 첨가제가 200,000ppm을 초과할 경우, 실리콘 질화막 식각 용액 내 첨가제의 포화농도 증가로 인해 다량의 실리콘계 파티클로 생성되는 문제가 발생할 수 있다. The additive including the compound represented by the chemical formula 1 described above is preferably present in the silicon nitride film etching solution at 50 to 200,000 ppm. Here, the content of the additive is the amount of the additive dissolved in the silicon nitride film etching solution, expressed in units of ppm. For example, if the additive is present at 5,000 ppm in the silicon nitride film etching solution, it will mean that the dissolved additive in the silicon nitride film etching solution is 5,000 ppm. If the additive is present in the silicon nitride film etching solution at less than 50 ppm, the amount of the additive may not be sufficient under etching conditions, and thus the effect of increasing the etching selectivity for the silicon nitride film relative to the silicon oxide film may be insignificant. On the other hand, if the additive in the silicon nitride film etching solution exceeds 200,000 ppm, a problem of generating a large amount of silicon-based particles may occur due to an increase in the saturation concentration of the additive in the silicon nitride film etching solution.
또한, 상기 첨가제 중 상술한 화학식 1로 표시되는 트랜스 화합물의 함량은 50 %이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 첨가제 중 화학식 1로 표시되는 트랜스 화합물의 함량은 90 %이상인 것이 바람직하다. 상기 첨가제 중 화학식 1로 표시되는 함량이 50 %미만으로 존재할 경우, 식각 조건 하에서 실리콘 산화막 표면의 하이드록시기(-OH)와의 반응성이 감소될 수 있다. 이에 따라, 실리콘 산화막의 보호층을 충분히 형성할 수 없으며, 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비의 증가 효과가 미비할 수 있다. 즉, 첨가제 중 화학식 1로 표시되는 트랜스 화합물의 함량비율이 높을수록 실리콘 산화막의 보호층을 충분히 형성하여 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비를 향상시킬 수 있다.In addition, it is preferable that the content of the trans compound represented by the chemical formula 1 among the additives is 50% or more. More preferably, the content of the trans compound represented by the chemical formula 1 among the additives is 90% or more. When the content represented by the chemical formula 1 among the additives is less than 50%, the reactivity with the hydroxyl group (-OH) on the surface of the silicon oxide film under etching conditions may decrease. Accordingly, the protective layer of the silicon oxide film cannot be sufficiently formed, and the effect of increasing the etching selectivity for the silicon nitride film compared to the silicon oxide film may be minimal. That is, the higher the content ratio of the trans compound represented by the chemical formula 1 among the additives, the more the protective layer of the silicon oxide film can be sufficiently formed, thereby improving the etching selectivity for the silicon nitride film compared to the silicon oxide film.
본 발명에 따른 실리콘 질화막 식각 용액의 식각 대상인 실리콘 기판은 적어도 실리콘 산화막(SiOx)을 포함하는 것이 바람직하며, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 동시에 포함할 수 있다. 또한. 실리콘 산화막과 실리콘 질화막이 동시에 포함된 실리콘 기판의 경우, 실리콘 산화막과 실리콘 질화막이 교대로 적층되거나 서로 다른 영역에 적층된 형태일 수 있다.The silicon substrate, which is the etching target of the silicon nitride film etching solution according to the present invention, preferably includes at least a silicon oxide film (SiO x ), and may include a silicon oxide film and a silicon nitride film at the same time. In addition, in the case of a silicon substrate including a silicon oxide film and a silicon nitride film at the same time, the silicon oxide films and the silicon nitride films may be alternately laminated or may be laminated in different areas.
여기서, 실리콘 산화막은 용도 및 소재의 종류 등에 따라 SOD (Spin On Dielectric)막, HDP (High Density Plasma)막, 열산화막(thermal oxide), BPSG (Borophosphate Silicate Glass)막, PSG (Phospho Silicate Glass)막, BSG (BoroSilicate Glass)막, PSZ (Polysilazane)막, FSG (Fluorinated Silicate Glass)막, LP-TEOS (Low Pressure TetraEthyl Ortho Silicate)막, PETEOS (Plasma Enhanced Tetra Ethyl Ortho Silicate)막, HTO (High TemperatureOxide)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)또는 O3-TEOS (O3-Tetra Ethyl Ortho Silicate) 등으로 언급될 수 있다.Here, the silicon oxide film is classified into SOD (Spin On Dielectric) film, HDP (High Density Plasma) film, thermal oxide film, BPSG (Borophosphate Silicate Glass) film, PSG (Phospho Silicate Glass) film, BSG (BoroSilicate Glass) film, PSZ (Polysilazane) film, FSG (Fluorinated Silicate Glass) film, LP-TEOS (Low Pressure TetraEthyl Ortho Silicate) film, PETEOS (Plasma Enhanced Tetra Ethyl Ortho Silicate) film, HTO (High Temperature Oxide) film, MTO (Medium Temperature Oxide) film, USG (Undopped Silicate Glass) film, SOG (Spin On Glass) film, APL (Advanced Planarization Layer) film, ALD (Atomic Layer Deposition) film, PE-oxide film (Plasma Enhanced oxide) or O It can be mentioned as 3 -TEOS (O 3 -Tetra Ethyl Ortho Silicate).
여기서, 인산 수용액은 실리콘 질화막을 식각함과 동시에 식각 용액의 pH를 유지시켜 식각 용액 내 존재하는 다양한 형태의 실리콘 화합물이 실리콘계 파티클로 변화하는 것을 억제하는 성분이다.Here, the phosphoric acid aqueous solution is a component that etches the silicon nitride film while maintaining the pH of the etching solution, thereby suppressing various forms of silicon compounds present in the etching solution from changing into silicon particles.
일 실시예에 있어서, 실리콘 질화막 식각 용액 100 중량부에 대하여 인산 수용액은 60 내지 90 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.In one embodiment, it is preferable that the phosphoric acid aqueous solution is included in an amount of 60 to 90 parts by weight per 100 parts by weight of the silicon nitride film etching solution.
실리콘 질화막 식각 용액 100 중량부에 대하여 인산 수용액의 함량이 60 중량부 미만인 경우, 실리콘 질화막의 식각 속도가 저하되어 실리콘 질화막이 충분히 식각되지 않거나 실리콘 질화막의 식각의 공정 효율성이 저하될 우려가 있다.If the content of the phosphoric acid aqueous solution is less than 60 parts by weight per 100 parts by weight of the silicon nitride film etching solution, there is a concern that the etching speed of the silicon nitride film may decrease, so that the silicon nitride film may not be sufficiently etched or the process efficiency of the etching of the silicon nitride film may decrease.
반면, 실리콘 질화막 식각 용액 100 중량부에 대하여 인산 수용액의 함량이 90 중량부를 초과할 경우, 실리콘 질화막의 식각 속도의 증가량에 비해 실리콘 산화막의 식각 속도의 증가량이 커져 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비가 저하될 수 있으며, 실리콘 산화막의 식각에 따른 실리콘 기판의 불량이 야기될 수 있다.On the other hand, if the content of the phosphoric acid aqueous solution exceeds 90 parts by weight per 100 parts by weight of the silicon nitride film etching solution, the increase in the etching rate of the silicon oxide film is greater than the increase in the etching rate of the silicon nitride film, so that the etching selectivity for the silicon nitride film may decrease compared to the silicon oxide film, and defects in the silicon substrate may occur due to the etching of the silicon oxide film.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 질화막 식각 용액은 첨가제를 사용함에 따라 저하되는 실리콘 질화막의 식각 속도를 보상함과 동시에 전체적인 식각 공정의 효율을 향상시키기 위해 불소-함유 화합물을 더 포함할 수 있다.A silicon nitride film etching solution according to one embodiment of the present invention may further include a fluorine-containing compound to compensate for the etching rate of the silicon nitride film that is reduced due to the use of an additive while improving the efficiency of the overall etching process.
본원에서 불소-함유 화합물은 불소 이온을 해리시킬 수 있는 임의의 형태의 화합물을 모두 지칭한다.As used herein, the term “fluorine-containing compound” refers to any form of compound capable of dissociating fluorine ions.
일 실시예에 있어서, 불소-함유 화합물은 불화수소, 불화암모늄, 중불화암모늄 및 불화수소암모늄으로부터 선택되는 적어도 하나이다.In one embodiment, the fluorine-containing compound is at least one selected from hydrogen fluoride, ammonium fluoride, ammonium difluoride, and ammonium bifluoride.
또한, 다른 실시예에 있어서, 불소-함유 화합물은 유기계 양이온과 불소계 음이온이 이온 결합된 형태의 화합물일 수 있다.Additionally, in another embodiment, the fluorine-containing compound may be a compound in which an organic cation and a fluorine anion are ionically bonded.
예를 들어, 불소-함유 화합물은 알킬암모늄과 불소계 음이온이 이온 결합된 형태의 화합물일 수 있다. 여기서, 알킬암모늄은 적어도 하나의 알킬기를 가지는 암모늄으로서 최대 네 개의 알킬기를 가질 수 있다. 알킬기에 대한 정의는 전술한 바 있다.For example, the fluorine-containing compound may be a compound in which an alkylammonium and a fluorine anion are ionically bonded. Here, the alkylammonium is an ammonium having at least one alkyl group and may have up to four alkyl groups. The definition of the alkyl group is as described above.
또 다른 예에 있어서, 불소-함유 화합물은 알킬피롤리움, 알킬이미다졸리움, 알킬피라졸리움, 알킬옥사졸리움, 알킬티아졸리움, 알킬피리디니움, 알킬피리미디니움, 알킬피리다지니움, 알킬피라지니움, 알킬피롤리디니움, 알킬포스포니움, 알킬모포리니움 및 알킬피페리디니움으로부터 선택되는 유기계 양이온과 플루오로포스페이트, 플루오로알킬-플루오로포스페이트, 플루오로보레이트 및 플루오로알킬-플루오로보레이트으로부터 선택되는 불소계 음이온이 이온 결합된 형태의 이온성 액체일 수 있다.In another example, the fluorine-containing compound may be an ionic liquid in which an organic cation selected from alkylpyrrolium, alkylimidazolium, alkylpyrazolium, alkyloxazolium, alkylthiazolium, alkylpyridinium, alkylpyrimidinium, alkylpyridazinium, alkylpyrazinium, alkylpyrrolidinium, alkylphosphonium, alkylmorpholinium, and alkylpiperidinium is ionically bonded to a fluorine anion selected from fluorophosphate, fluoroalkyl-fluorophosphate, fluoroborate, and fluoroalkyl-fluoroborate.
실리콘 질화막 식각 용액 중 불소-함유 화합물로서 일반적으로 사용되는 불화수소 또는 불화암모늄에 비하여 이온성 액체 형태로 제공되는 불소-함유 화합물은 높은 끓는점 및 분해 온도를 가지는 바, 고온에서 수행되는 식각 공정 중 분해됨에 따라 식각 용액의 조성을 변화시킬 우려가 적다는 이점이 있다.Compared to hydrogen fluoride or ammonium fluoride, which are commonly used as fluorine-containing compounds in silicon nitride film etching solutions, fluorine-containing compounds provided in the form of ionic liquids have high boiling points and decomposition temperatures, and thus have the advantage of being less likely to change the composition of the etching solution due to decomposition during the etching process performed at high temperatures.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 실리콘 질화막 식각 용액을 사용하여 수행되는 반도체 소자의 제조 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device is provided, which is performed using the above-described silicon nitride film etching solution.
본 제조 방법에 따르면, 적어도 실리콘 질화막(SIxNy)을 포함하는 실리콘 기판 상에서 상술한 식각 용액을 사용하여 실리콘 질화막에 대한 선택적인 식각 공정을 수행함으로써 반도체 소자를 제조하는 것이 가능하다.According to the present manufacturing method, it is possible to manufacture a semiconductor device by performing a selective etching process on a silicon nitride film using the above-described etching solution on a silicon substrate including at least a silicon nitride film (SI x N y ).
반도체 소자의 제조에 사용되는 실리콘 기판은 실리콘 질화막(SIxNy)을 포함하거나, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 동시에 포함할 수 있다. 또한. 실리콘 산화막과 실리콘 질화막이 동시에 포함된 실리콘 기판의 경우, 실리콘 산화막과 실리콘 질화막이 교대로 적층되거나 서로 다른 영역에 적층된 형태일 수 있다.A silicon substrate used in the manufacture of semiconductor devices may include a silicon nitride film (SI x N y ) or may include a silicon oxide film and a silicon nitride film at the same time. In addition, in the case of a silicon substrate including a silicon oxide film and a silicon nitride film at the same time, the silicon oxide films and the silicon nitride films may be alternately laminated or may be laminated in different areas.
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 NAND 소자의 제조 공정에 적용될 수 있다. 보다 구체적으로, NAND 형성을 위한 적층 구조체 중 실리콘 산화막에 대한 손실 없이 실리콘 질화막을 선택적으로 제거가 요구되는 공정 단계에서 상술한 식각 용액을 사용함으로써 수행될 수 있다.The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention can be applied to a manufacturing process of a NAND device. More specifically, in a process step where selective removal of a silicon nitride film without loss of a silicon oxide film is required among the laminated structures for forming a NAND, the process can be performed by using the etching solution described above.
일예로, 도 1은 본 발명에 따른 식각 용액을 이용한 실리콘 질화막 제거 공정을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. As an example, FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a silicon nitride film removal process using an etching solution according to the present invention.
도 1을 참조하면, 실리콘 기판(10) 상에 실리콘 질화막(11)과 실리콘 산화막(12)이 교대로 적층된 적층 구조체(20) 위에 마스크 패턴층(30)을 형성한 후, 이방성 식각 공정을 통해 트렌치(50)가 형성된다. Referring to Fig. 1, a mask pattern layer (30) is formed on a laminated structure (20) in which a silicon nitride film (11) and a silicon oxide film (12) are alternately laminated on a silicon substrate (10), and then a trench (50) is formed through an anisotropic etching process.
또한, 도 1을 참조하면, 적층 구조체(20) 내에 형성된 트렌치(50) 영역을 통해 본 발명에 따른 식각 용액이 투입되며, 이에 따라 실리콘 질화막(11)이 식각되고, 실리콘 산화막(12)과 마스크 패턴층(30)만 남게된다.In addition, referring to FIG. 1, an etching solution according to the present invention is injected through a trench (50) region formed in a laminated structure (20), whereby the silicon nitride film (11) is etched, leaving only the silicon oxide film (12) and the mask pattern layer (30).
즉, 본 발명은 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비가 향상된 식각 용액을 사용함으로써, 적층 구조체(20) 내 실리콘 산화막(12)의 식각을 최소화하며 충분한 시간 동안 실리콘 질화막(11)을 완전하고 선택적으로 제거할 수 있다. 이후, 실리콘 질화막(11)이 제거된 영역에 게이트 전극을 형성하는 단계가 포함된 후속 공정을 통해 반도체 소자를 제조할 수 있다.That is, the present invention uses an etching solution having an improved etching selectivity for a silicon nitride film compared to a silicon oxide film, thereby minimizing the etching of a silicon oxide film (12) in a laminated structure (20) and completely and selectively removing a silicon nitride film (11) for a sufficient period of time. Thereafter, a semiconductor device can be manufactured through a subsequent process including a step of forming a gate electrode in an area where the silicon nitride film (11) has been removed.
<실리콘 <silicon 질화막Nitride film 식각Etching 용액의 제조방법>Method for preparing solution>
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 실리콘 화합물 전구체와 물을 혼합하여 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액에 수산화물을 첨가하여 실리콘 화합물을 합성하는 단계, (b) 상기 (a) 단계에서 합성된 실리콘 화합물의 수용액을 제1 유기 용매로 추출한 후 상기 제1 유기 용매를 제거하는 단계, (c) 상기 (b) 단계의 결과물과 제2 유기 용매를 혼합하여 환류(reflux)시키는 단계, (d) 상기 (c) 단계의 결과물을 30 ℃ 내지 -40 ℃ 의 온도 범위로 낮춰 결정화된 고체 화합물을 분리하는 단계, 및 (e) 상기 (d) 단계의 고체 화합물을 인산 수용액과 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계를 포함하는 실리콘 질화막 식각 용액의 제조방법이 제공된다.According to one aspect of the present invention, a method for producing a silicon nitride film etching solution is provided, including the steps of: (a) mixing a silicon compound precursor and water to prepare a mixed solution, and then adding a hydroxide to the mixed solution to synthesize a silicon compound, (b) extracting an aqueous solution of the silicon compound synthesized in step (a) with a first organic solvent, and then removing the first organic solvent, (c) mixing the resultant product of step (b) with a second organic solvent and refluxing, (d) lowering the temperature of the resultant product of step (c) to a temperature range of 30° C. to -40° C. to separate a crystallized solid compound, and (e) mixing the solid compound of step (d) with an aqueous phosphoric acid solution to prepare a mixed solution.
먼저, 본 발명의 제조방법은 (a) 실리콘 화합물 전구체와 물을 혼합하여 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액에 수산화물을 첨가하여 실리콘 화합물을 합성하는 단계를 포함한다. First, the manufacturing method of the present invention includes the step of (a) mixing a silicon compound precursor and water to prepare a mixture, and then adding hydroxide to the mixture to synthesize a silicon compound.
상기 실리콘 화합물 전구체는 실리콘 화합물 전구체는 트리알콕시실란(trialkoxysilane) 화합물인 것이 바람직하다. 일예로, 상기 트리알콕시실란 화합물은 3-(2-Aminoethylamino)propyltrimethoxysilane, Allyltrimethoxysilane 및 3-(Trimethoxysilyl)propyl Acrylate 로부터 선택될 수 있다. 상기 수산화물은 수산화이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별히 제한되지 않으며, 일예로, LiOH, NaOH, KOH, Be(OH)2, Mg(OH)2, 또는 Ca(OH)2 일 수 있다.The above silicon compound precursor is preferably a trialkoxysilane compound. For example, the trialkoxysilane compound may be selected from 3-(2-Aminoethylamino)propyltrimethoxysilane, Allyltrimethoxysilane, and 3-(Trimethoxysilyl)propyl Acrylate. The hydroxide is not particularly limited as long as it is a compound capable of providing hydroxide ions, and may be, for example, LiOH, NaOH, KOH, Be(OH) 2 , Mg(OH) 2 , or Ca(OH) 2 .
또한, 상기 실리콘 화합물 전구체:수산화물의 당량비는 2:1 내지 1:5 일 수 있다. 바람직하게는 상기 실리콘 화합물 전구체:수산화물의 당량비는 1:1 일 수 있다. Additionally, the equivalent ratio of the silicon compound precursor:hydroxide may be 2:1 to 1:5. Preferably, the equivalent ratio of the silicon compound precursor:hydroxide may be 1:1.
다음으로, 본 발명의 제조방법은 (b) 상기 (a) 단계에서 합성된 실리콘 화합물의 수용액을 제1 유기 용매로 추출한 후 상기 제1 유기 용매를 제거하는 단계를 포함한다.Next, the manufacturing method of the present invention includes the step (b) of extracting an aqueous solution of the silicon compound synthesized in step (a) with a first organic solvent and then removing the first organic solvent.
보다 구체적으로 (a) 단계에 의해 합성된 실리콘 화합물은 물과 혼합하여, 실리콘 화합물의 수용액을 제조하며, 제1 유기 용매로 추출할 수 있다. 일예로, 상기 제1 유기 용매는 에틸아세테이트(ethyl acetate), 디클로로메탄(dichloromethane), 클로로폼(chloroform), 헥산(Hexane), 톨루엔(Toluene) 및 에테르(ether)로부터 선택될 수 있다. More specifically, the silicon compound synthesized by step (a) can be mixed with water to prepare an aqueous solution of the silicon compound, and extracted with a first organic solvent. For example, the first organic solvent can be selected from ethyl acetate, dichloromethane, chloroform, hexane, toluene, and ether.
상기 실리콘 화합물의 수용액은 제1 유기 용매에 의해 추출된 후, 상기 제1 유기 용매를 제거한다. 상기 제1 유기 용매를 제거하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 일예로 제1 유기 용매는 회전 증발기(Rotary Evaporator)를 이용하여 제거할 수 있다. The aqueous solution of the above silicon compound is extracted with a first organic solvent, and then the first organic solvent is removed. The method for removing the first organic solvent is not particularly limited, and for example, the first organic solvent can be removed using a rotary evaporator.
다음으로, 본 발명의 제조방법은 (c) 상기 (b) 단계의 결과물과 제2 유기용매를 혼합하여 환류(reflux)시키는 단계를 포함한다.Next, the manufacturing method of the present invention includes a step (c) of mixing the resultant product of step (b) with a second organic solvent and refluxing the mixture.
보다 구체적으로 (b) 단계에 의해 추출된 실리콘 화합물과 제2 유기 용매를 혼합하여 고온에서 환류시킬 수 있다. (c) 단계에서는 제2 유기 용매에 상기 (b) 단계에 의해 추출된 시스 입체화학을 나타내는 실리콘 화합물 및 트랜스 입체화학을 나타내는 실리콘 화합물 모두 용해될 수 있다. 상기 제2 유기 용매의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 일예로 헥센(hexane), 벤젠(benzene), 또는 아이소프로필메틸에터(isopropyl methyl ether)일 수 있다.More specifically, the silicon compound extracted by step (b) and the second organic solvent can be mixed and refluxed at a high temperature. In step (c), both the silicon compound exhibiting cis stereochemistry and the silicon compound exhibiting trans stereochemistry extracted by step (b) can be dissolved in the second organic solvent. The type of the second organic solvent is not particularly limited, and may be, for example, hexene, benzene, or isopropyl methyl ether.
다음으로, 본 발명의 제조방법은 (d) 상기 (c) 단계의 결과물을 30 ℃ 내지 -40 ℃ 의 온도 범위로 낮춰 결정화된 고체 화합물을 분리하는 단계를 포함한다.Next, the manufacturing method of the present invention includes a step of (d) lowering the resultant of step (c) to a temperature range of 30° C. to -40° C. to separate a crystallized solid compound.
보다 구체적으로 (c) 단계에 의해 비극성 용매에 용해된 시스 및 트랜스 입체화학을 나타내는 실리콘 화합물을 30 ℃ 내지 -40 ℃의 저온의 온도 범위로 낮춰 결정화된 고체 화합물을 분리할 수 있다. 여기서, 저온으로 변화되더라도 시스 입체화학을 나타내는 실리콘 화합물은 여전히 비극성 용매에 용해되어 있는 반면, 트랜스 입체화학을 나타내는 실리콘 화합물은 결정화되어 고체 화합물로 존재할 수 있다. 이에 따라, 결정화된 고체 화합물인 트랜스 입체화학을 나타내는 실리콘 화합물은 시스 입체화학을 나타내는 실리콘 화합물과 분리할 수 있다.More specifically, by step (c), the silicon compound exhibiting cis and trans stereochemistry dissolved in a nonpolar solvent can be lowered to a low temperature range of 30° C. to -40° C. to separate the crystallized solid compound. Here, even when the temperature is changed to low, the silicon compound exhibiting cis stereochemistry is still dissolved in the nonpolar solvent, whereas the silicon compound exhibiting trans stereochemistry can be crystallized and exist as a solid compound. Accordingly, the silicon compound exhibiting trans stereochemistry, which is a crystallized solid compound, can be separated from the silicon compound exhibiting cis stereochemistry.
다음으로, 본 발명의 제조방법은 (e) 상기 (d) 단계의 고체 화합물을 인산 수용액과 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계를 포함한다.Next, the manufacturing method of the present invention includes a step (e) of mixing the solid compound of step (d) with an aqueous phosphoric acid solution to prepare a mixed solution.
인산 수용액은 식각 용액의 pH를 유지시켜 식각 용액 내 존재하는 실리콘 화합물이 실리콘계 파티클로 변화하는 것을 억제할 수 있다. 일예로, 상기 인산 수용액은 혼합 용액 100 중량부에 대하여 60 내지 90 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.The phosphoric acid aqueous solution can maintain the pH of the etching solution and suppress the silicon compound present in the etching solution from changing into silicon particles. For example, it is preferable that the phosphoric acid aqueous solution is included in an amount of 60 to 90 parts by weight per 100 parts by weight of the mixed solution.
상술한 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 식각 용액을 사용할 경우, 인산 수용액에 의한 실리콘 산화막 식각 속도를 낮추며, 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비를 향상시킬 수 있다.When using an etching solution manufactured according to the manufacturing method of the present invention described above, the etching speed of a silicon oxide film using a phosphoric acid aqueous solution can be reduced, and the etching selectivity for a silicon nitride film compared to a silicon oxide film can be improved.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention are presented. However, the embodiments described below are only intended to specifically illustrate or explain the present invention, and the present invention should not be limited thereto.
실시예Example
식각Etching 용액의 제조Preparation of solution
실시예Example 11
인산 85 중량%, 첨가제 50ppm 및 잔량의 물을 혼합하여 실리콘 질화막 식각 용액을 제조하였다. 상기 첨가제에는 하기의 시스 형태의 화합물 1 및 트랜스 형태의 화합물 2가 포함되어 있으며, 상기 화합물 1 및 화합물 2의 함량비는 9:1이다.A silicon nitride film etching solution was prepared by mixing 85 wt% phosphoric acid, 50 ppm additive, and the balance of water. The additive includes the following cis form of compound 1 and trans form of compound 2, and the content ratio of compound 1 and compound 2 is 9:1.
[화합물 1][Compound 1]
[화합물 2][Compound 2]
실시예Example 22
실시예 1의 화합물 1 및 화합물 2의 함량비는 7:3인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실리콘 질화막 식각 용액을 제조하였다.A silicon nitride film etching solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that the content ratio of compounds 1 and 2 of Example 1 was 7:3.
실시예Example 33
실시예 1의 화합물 1 및 화합물 2의 함량비는 5:5인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실리콘 질화막 식각 용액을 제조하였다.A silicon nitride film etching solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that the content ratio of compounds 1 and 2 of Example 1 was 5:5.
실시예Example 44
실시예 1의 화합물 1 및 화합물 2의 함량비는 3:7인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실리콘 질화막 식각 용액을 제조하였다.A silicon nitride film etching solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that the content ratio of compounds 1 and 2 of Example 1 was 3:7.
실시예Example 55
실시예 1의 화합물 1 및 화합물 2의 함량비는 1:9인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실리콘 질화막 식각 용액을 제조하였다.A silicon nitride film etching solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that the content ratio of compounds 1 and 2 of Example 1 was 1:9.
비교예Comparative example 11
첨가제에 실시예 1의 화합물 1만을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실리콘 질화막 식각 용액을 제조하였다.A silicon nitride film etching solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that only compound 1 of Example 1 was included in the additive.
실험예Experimental example
각 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에 따른 조성을 가지는 실리콘 질화막 식각 용액을 175℃에서 500 Å 두께의 실리콘 산화막(thermal oxide layer) 및 실리콘 질화막을 가열된 식각 용액에 침지시켜 10분간 식각하였다. A silicon nitride film etching solution having a composition according to each of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 was used to etch a 500 Å thick silicon oxide film (thermal oxide layer) and a silicon nitride film by immersing them in the heated etching solution at 175°C for 10 minutes.
식각 전 및 식각 후 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막의 두께는 엘립소미트리(Nano-View, SE MG-1000; Ellipsometery)를 이용하여 측정하였으며, 식각 속도는 식각 전 및 식각 후 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막의 두께 차이를 식각 시간(10분)으로 나누어 산출한 수치이다.The thickness of the silicon oxide and silicon nitride films before and after etching was measured using ellipsometry (Nano-View, SE MG-1000; Ellipsometery), and the etching rate was calculated by dividing the difference in thickness of the silicon oxide and silicon nitride films before and after etching by the etching time (10 minutes).
실리카 형상을 달리한 실리콘 질화막 식각 용액을 사용하여 측정된 식각 속도는 하기의 표 1 에 나타내었다.The etching rates measured using silicon nitride film etching solutions with different silica shapes are shown in Table 1 below.
식각 속도(/min)Silicon oxide film
Etching rate ( /min)
식각 속도(/min)Silicon nitride film
Etching rate ( /min)
(실리콘 질화막 식각 속도/ 실리콘 산화막 식각 속도)Etch selectivity
(Silicon nitride film etching rate/Silicon oxide film etching rate)
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 5의 실리콘 질화막 식각 용액은 비교예 1의 실리콘 질화막 식각 용액에 비해 실리콘 산화막에 대한 식각 속도를 낮출 수 있으며, 이에 따라 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비가 향상됨을 확인할 수 있다.As shown in Table 1 above, the silicon nitride film etching solutions of Examples 1 to 5 can lower the etching rate for the silicon oxide film compared to the silicon nitride film etching solution of Comparative Example 1, and accordingly, it can be confirmed that the etching selectivity for the silicon nitride film compared to the silicon oxide film is improved.
특히, 상기 표 1에 나타난 바와 같이, 첨가제 중 트랜스 형태의 화합물의 함량비가 높을 수록 실리콘 산화막에 대한 식각 속도를 더욱 낮출 수 있으며, 이에 따라, 실리콘 산화막 대비 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비가 더욱 향상됨을 확인할 수 있다.In particular, as shown in Table 1 above, the higher the content ratio of the trans-form compound among the additives, the more the etching rate for the silicon oxide film can be reduced, and accordingly, it can be confirmed that the etching selectivity for the silicon nitride film compared to the silicon oxide film is further improved.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Above, one embodiment of the present invention has been described, but those skilled in the art will be able to modify and change the present invention in various ways by adding, changing, deleting or adding components, etc., within the scope that does not depart from the spirit of the present invention described in the claims, and this will also be considered to be included within the scope of the rights of the present invention.
10 : 실리콘 기판 11 : 실리콘 질화막
12 : 실리콘 산화막 20 : 적층 구조체
30 : 마스크 패턴층 50 : 트렌치10: Silicon substrate 11: Silicon nitride film
12: Silicon oxide film 20: Laminated structure
30: Mask pattern layer 50: Trench
Claims (10)
하기의 화학식 1로 표시되는 화합물;을 포함하는
실리콘 질화막 식각 용액:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
X1 내지 X3는 각각 하이드록시기이고,
상기 X1 내지 X3 중 두 개는 입체 화학 구조상 트랜스(trans) 형태를 나타내고,
R1 내지 R3는 각각 독립적으로 수소, C1-C20 알킬기, C6-C12 사이클로알킬, 아릴 및 할로겐으로부터 선택된다.
Phosphoric acid aqueous solution; and
A compound represented by the following chemical formula 1; comprising:
Silicon nitride film etching solution:
[Chemical Formula 1]
In the above chemical formula 1,
X 1 to X 3 are each a hydroxy group,
Two of the above X 1 to X 3 exhibit a trans form in stereochemical structure,
R 1 to R 3 are each independently selected from hydrogen, a C 1 -C 20 alkyl group, a C 6 -C 12 cycloalkyl, aryl, and halogen.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 실리콘 질화막 식각 용액:
[화학식 2]
[화학식 3]
상기 화학식 2 및 화학식 3에서, R1 내지 R3는 각각 독립적으로 수소, C1-C20 알킬기, C6-C12 사이클로알킬, C6-C30 아릴 및 할로겐으로부터 선택된다.
In the first paragraph,
A silicon nitride film etching solution characterized in that the compound represented by the chemical formula 1 is a compound represented by the following chemical formula 2 or chemical formula 3:
[Chemical formula 2]
[Chemical Formula 3]
In the above chemical formulas 2 and 3, R 1 to R 3 are each independently selected from hydrogen, a C 1 -C 20 alkyl group, a C 6 -C 12 cycloalkyl, a C 6 -C 30 aryl, and halogen.
상기 실리콘 질화막 식각 용액 중 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 첨가제는 50 내지 200,000 ppm으로 포함되는 것을 특징으로 하는
실리콘 질화막 식각 용액.
In the first paragraph,
The additive containing the compound represented by the chemical formula 1 in the silicon nitride film etching solution is characterized in that it is contained in an amount of 50 to 200,000 ppm.
Silicon nitride film etching solution.
상기 실리콘 질화막 식각 용액은 불화수소, 불화암모늄, 중불화암모늄 및 불화수소암모늄으로부터 선택되는 적어도 하나의 불소-함유 화합물을 더 포함하는,
실리콘 질화막 식각 용액.
In the first paragraph,
The above silicon nitride film etching solution further comprises at least one fluorine-containing compound selected from hydrogen fluoride, ammonium fluoride, ammonium bifluoride and ammonium bifluoride.
Silicon nitride film etching solution.
상기 실리콘 질화막 식각 용액은 유기계 양이온과 불소계 음이온이 이온 결합된 형태를 가지는 불소-함유 화합물을 더 포함하는,
실리콘 질화막 식각 용액.
In the first paragraph,
The above silicon nitride film etching solution further contains a fluorine-containing compound having an organic cation and a fluorine anion in an ionic bonded form.
Silicon nitride film etching solution.
하기 구조의 화합물 1; 및
하기 구조의 화합물 2;를 포함하고,
상기 화합물 1 및 화합물 2는 1 : 9 ~ 9 : 1의 비율로 혼합되는,
실리콘 질화막 식각 용액:
[화합물 1]
[화합물 2]
.
Phosphoric acid solution;
Compound 1 having the following structure; and
Compound 2 having the following structure;
The above compounds 1 and 2 are mixed in a ratio of 1:9 to 9:1.
Silicon nitride film etching solution:
[Compound 1]
[Compound 2]
.
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