JPH10310872A - シリカ系厚膜被膜形成方法 - Google Patents
シリカ系厚膜被膜形成方法Info
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Abstract
いシリカ系厚膜被膜を効率よく形成する方法を提供す
る。 【解決手段】 トリアルコキシシランの酸加水分解生成
物を含有する有機溶剤溶液からなる塗布液を基板上に塗
布、乾燥して塗膜を形成し、その塗膜表面に酸化性雰囲
気下で紫外線を照射したのち、さらに前記塗布液を塗布
する操作を1回以上繰り返して所要の膜厚とし、次いで
この塗膜を不活性雰囲気中、350〜500℃において
熱処理することにより膜厚2000Å以上のシリカ系被
膜を形成させる。
Description
素子などの製造に必要な平坦化膜、層間絶縁膜、保護
膜、配向膜、多層レジスト法の中間膜などに用いられる
シリカ系被膜を、塗膜間の密着性のよい厚膜に、かつピ
ンホールが生じることなく、効率よく形成させる方法に
関するものである。
要とされる平坦化膜、層間絶縁膜、保護膜、配向膜、多
層レジスト法の中間膜にはシリカ系被膜が多用されてい
る。このようなシリカ系被膜を得るには気相成長法や塗
布法がある。気相成長法は、特殊な装置を用いて基板表
面にシリカを蒸着させ成長させる方法であり、高価な装
置を必要とする上、大量生産される半導体素子、液晶素
子の製造においてはスループットが低いなどの欠点を有
している。一方、塗布法は、アルコキシシランの加水分
解物を有機溶剤に溶解した塗布液を基板上に塗布するこ
とによりシリカ系被膜を形成するものである。この塗布
法は高価な装置を必要とせず、スループットにも優れる
ためこれまで広く利用されている。
膜の形成用塗布液としては、例えばテトラアルコキシシ
ランをアルコールを主体とする有機溶媒に溶解し、加水
分解して得た塗布液やモノアルキルトリアルコキシシラ
ンなどの低級アルキル基を有するアルコキシシランを加
水分解して得た塗布液が提案されており(特開昭63−
241076号公報)、これまでサブミクロン(約0.
8μm)、ハーフミクロン(約0.5μm)の微細パタ
ーンによって製造される4メガディーラム、16メガデ
ィーラムの半導体素子の製造においては、実用上十分に
満足しうるものであった。
ラム、1ギガディーラムとより集積度の高い半導体素子
の量産が必要とされ、それに伴いパターンもより微細に
なり0.35μm以下のものが要求されるようになって
きた。ところで、このような超微細化が進むと、前記ア
ルコキシシランを加水分解して得た塗布液から得られる
シリカ系被膜では、上層膜との密着性が不良になり、ま
た金属配線層の腐食や、配線同士の短絡を生じ、素子の
信頼性が低下するし、また、0.35μm以下の超微細
パターンを完全に埋めることができず、いわゆる「す」
が発生するなど様々な問題を生じる。
の作成に用いるために先にトリアルコキシシランの低濃
度溶液から、高加水分解反応を行うことにより得られる
シリカ系被膜形成用塗布液を提案したが(特願平7−2
98736号)、この塗布液は、一回塗布操作で得られ
る塗膜の膜厚がほぼ1000Åにすぎず、所要の膜厚を
得るには塗布操作を数回繰り返さなければならないとい
う欠点がある。そして、このような塗布操作の繰り返し
を行うことは、作業時間が長くなる上に、塗膜と塗膜間
の密着性を欠き、「はじき」によるピンホールを生じる
という欠点を伴う。
事情のもとで、塗膜間の密着性に優れ、かつピンホール
のない厚膜のシリカ系被膜を、効率よく形成する方法を
提供することを目的としてなされたものである。
密着性に優れ、かつピンホールのないシリカ系厚膜被膜
を効率よく形成する方法について鋭意研究を重ねた結
果、トリアルコキシシランの酸加水分解生成物を含む塗
布液を基板上に塗布、乾燥後、その表面に酸化性雰囲気
下で紫外線を照射し、表面をSi−H結合からSi−O
H結合に変化させたのち、さらに該塗布液を塗布する操
作を1回以上繰り返し、次いで不活性雰囲気中、特定の
温度で熱処理することにより、その目的を達成しうるこ
とを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至
った。
膜を形成するに当り、トリアルコキシシランの酸加水分
解生成物を含有する有機溶剤溶液からなる塗布液を基板
上に塗布、乾燥して塗膜を形成し、その塗膜表面に酸化
性雰囲気下で紫外線を照射したのち、さらに前記塗布液
を塗布する操作を1回以上繰り返して所要の膜厚とする
工程、及びこのようにして得た塗膜を不活性雰囲気中、
350〜500℃において熱処理することにより膜厚2
000Å以上のシリカ系被膜を形成させる工程を含むシ
リカ系厚膜被膜形成方法、並びに基板上にシリカ系被膜
を形成するに当り、トリアルコキシシランを有機溶剤溶
液中、酸触媒の存在下で加水分解処理して、溶媒除去後
の被膜形成成分が、熱重量測定において重量増加を示す
塗布液を調製する工程、次にこの塗布液を基板上に塗
布、乾燥して塗膜を形成し、その塗膜表面に酸化性雰囲
気下で紫外線を照射したのち、さらに前記塗布液を塗布
する操作を1回以上繰り返して所要の膜厚とする工程、
及びこのようにして得た塗膜を不活性雰囲気中、350
〜500℃において熱処理することにより膜厚2000
Å以上のシリカ系被膜を形成させる工程を含むシリカ系
厚膜被膜形成方法を提供するものである。
基板に塗布し、シリカ系被膜を形成する際に、紫外光を
含むインコヒーレント光を照射する方法が提案されてい
る(特許第2561979号)。しかしながら、この方
法は、急速熱処理により水素シルセスキオキサン樹脂溶
液をシリカ系被膜に転化する方法、すなわち、被膜全体
のSi−H結合を壊し、Si−OH結合に変化させる方
法である。
Si−H結合をなるべく残存させるべく、被膜表面のみ
をSi−H結合から、Si−OH結合に変化させ、これ
により塗膜間の密着性を向上させ、ピンホールの発生を
防ぐものである。したがって、目的において全く異なる
技術である。
厚膜被膜を形成させるための塗布液として、トリアルコ
キシシランの酸加水分解生成物を含有する有機溶剤溶液
が用いられる。前記トリアルコキシシランとしては、例
えばトリメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリプ
ロポキシシラン、トリブトキシシラン、ジエトキシモノ
メトキシシラン、モノメトキシジプロポキシシラン、ジ
ブトキシモノメトキシシラン、エトキシメトキシプロポ
キシシラン、モノエトキシジメトキシシラン、モノエト
キシジプロポキシシラン、ブトキシエトキシプロポキシ
シラン、ジメトキシモノプロポキシシラン、ジエトキシ
モノプロポキシシラン、モノブトキシジメトキシシラン
などを挙げることができる。これらの中で実用上好まし
い化合物は、トリメトキシシラン、トリエトキシシラ
ン、トリプロポキシシラン、トリブトキシシランであ
り、中でも特にトリメトキシシラン、トリエトキシシラ
ンが好ましい。これらのトリアルコキシシランは単独で
用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよ
い。
く、様々な溶剤を用いることができるが、特にアルキレ
ングリコールジアルキルエーテルが好ましい。このもの
を用いることにより、低級アルコールを溶媒として用い
た従来方法におけるトリアルコキシシランのH−Si基
の分解反応や中間に生成するシラノールの水酸基がアル
コキシ基に置換する反応を抑制することができ、ゲル化
を防止することができる。
テルとしては、例えばエチレングリコールジメチルエー
テル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレン
グリコールジプロピルエーテル、エチレングリコールジ
ブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテ
ル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレ
ングリコールジプロピルエーテル、ジエチレングリコー
ルジブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエ
ーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロ
ピレングリコールジプロピルエーテル、プロピレングリ
コールジブチルエーテルなどのアルキレングリコールの
ジアルキルエーテル類を挙げることができる。これらの
中で好ましいのはエチレングリコール又はプロピレング
リコールのジアルキルエーテル特にジメチルエーテルで
ある。これらの有機溶剤は、単独で用いてもよいし2種
以上組み合わせて用いてもよい。その使用量について
は、トリアルコキシシランの1モルに対し、通常10〜
30モル倍量の割合で用いられる。
剤中に前記トリアルコキシシランの酸加水分解生成物を
含有するものであるが、特に、溶媒除去後の被膜形成成
分が、熱重量測定(TG)において、重量増加を示すも
のが好ましい。また、このような塗布液は、赤外吸収ス
ペクトルにおいて、通常3000cm-1付近にピークを
有していない。従来の塗布液、例えば特開平4−216
827号公報記載の塗布液の場合は熱重量測定に際し、
重量減少を示すし、赤外吸収スペクトルにおいて、30
00cm-1付近にピークを有し、残存アルコキシ基が存
在していることを示している。
法により、好ましく調製することができる。まず、前記
アルキレングリコールジアルキルエーテル中に、トリア
ルコキシシランを、SiO2換算で1〜5重量%、好ま
しくは2〜4重量%の濃度になるように溶解する。これ
は反応系におけるSiO2換算濃度が多くなりすぎると
ゲル化が起こり保存安定性が劣化するおそれがあるから
である。その詳細な原因については不明であるが、反応
系におけるSiO2換算濃度が小さい方が加水分解の反
応がゆるやかに進み、H−Si基が分解されにくいこと
から、ラダー構造を形成しやすいためであると思われ
る。
せて加水分解を行うが、この水は、トリアルコキシシラ
ン1モルに対し2.5〜3.0モル、好ましくは2.8
〜3.0モルの範囲内の量で用いることが加水分解度を
高めるために、有利である。この範囲より少なすぎると
保存安定性は高くなるものの、加水分解度が低くなり加
水分解物中の有機基の含有量が多くなり、被膜形成時の
ガスの発生が起こりやすくなるし、また、多すぎると保
存安定性が悪くなる。
触媒の存在下で行われるが、その際に用いる酸触媒とし
ては、従来、この種のシラン系被膜形成用塗布液製造に
慣用されている有機酸又は無機酸を用いることができ
る。この有機酸の例としては、酢酸、プロピオン酸、酪
酸などを、また無機酸の例としては、塩酸、硝酸、硫
酸、リン酸などを挙げることができるが、特に硝酸が好
ましい。
が、通常1〜200ppm、好ましくは、1〜40pp
mの範囲になるように加えるか、又は酸と加える水を混
合し、酸水溶液として加えて、加水分解させる。
で完了する。また、室温から70℃を超えない温度で、
アルコキシシラン化合物を含むアルキレングリコールジ
アルキルエーテルの中から選ばれる少なくとも1種の溶
媒に水と酸触媒を滴下して反応させることにより、短い
反応時間で反応を完了させることもできる。
を用いずアルキレングリコールジアルキルエーテルの中
から選ばれる少なくとも1種を用いたとしてもアルコキ
シシランの加水分解においてはアルコキシ基に相当する
アルコールが必ず生成してくるので、反応系からこの生
成してくるアルコールを除去しなければならない。具体
的には、アルコールを塗布液中15重量%以下、好まし
くは8重量%以下まで除去する。アルコール分は少なけ
れば少ないほど好ましく、アルコール分が15重量%を
超えて残存していると、H−Si基と生成したアルコー
ルが反応し、RO−Si基が生成し、クラック限界が低
下するし、被膜形成時にガスが発生し、前記したトラブ
ルの原因となる。アルコールの除去方法としては、真空
度30〜300mmHg、好ましくは、50〜200m
mHg、温度20〜50℃で2〜6時間減圧蒸留する方
法が好適である。
して調製した塗布液を基板上に塗布、乾燥して塗膜を形
成する。この際用いる基板としては特に制限はなく、形
成されるシリカ被膜の用途に応じて適宜選ばれる。例え
ばシリコンウエーハ上にアルミニウムなどの金属配線層
を有するもの(層間絶縁膜)、シリコンウエーハ上に金
属配線層とその上にプラズマCVD法などによる層間絶
縁膜を有するもの(平坦化膜)、多層レジスト法におけ
る下層レジスト(中間膜)、ガラス基板上にクロム層を
有するもの(位相シフタ材料)、ガラス基板上にITO
(インジウムチンオキシド)などの透明導電膜を有する
もの(保護膜、配向膜)などを用いることができる。な
お、上記かっこ内は形成されるシリカ被膜の用途を示
す。
法としては、例えばスプレー法、スピンコート法、ディ
ップコート法、ロールコート法など、任意の方法を用い
ることができるが、半導体素子製造には、通常スピンコ
ート法が用いられる。また、乾燥処理は、塗布液中の溶
媒が揮散して塗膜が形成されればよく、その手段、温
度、時間などについては特に制限はないが、一般的に
は、80〜300℃程度のホットプレート上で1〜6分
間程度加熱すればよい。好ましくは、3段階以上、段階
的に昇温するのが有利である。具体的には、大気中又は
窒素などの不活性ガス雰囲気下、80〜120℃程度の
ホットプレート上で30秒〜2分間程度第1回目の乾燥
処理を行ったのち、130〜220℃程度で30秒〜2
分間程度第2回目の乾燥処理を行い、さらに230〜3
00℃程度で30秒〜2分間程度第3回目の乾燥処理を
行う。このように3段階以上、好ましくは3〜6段階程
度の段階的な乾燥処理を行うことにより、形成された塗
膜の表面が均一なものとなる。
の表面に、酸化性雰囲気下、例えば大気中において、紫
外線(波長10〜400nm)、好ましくは180〜2
60nm領域の遠紫外線を含む紫外線を10秒〜3分間
程度、好ましくは30秒〜1分間照射する。
の発生にはあまり影響を与えないので、特に限定されな
いが、高すぎると目的とするシリカ系被膜に必要なSi
−H結合が破壊され、SiO2となるので、通常、室温
〜250℃が好ましい。すなわち、乾燥処理後、基板を
一旦室温まで下げても差しつかえないし、乾燥後そのま
まホットプレート上で紫外線照射処理しても差しつかえ
ない。本発明においては、このような紫外線の照射によ
りSi−H結合を有するシリカ系塗膜の表面にのみSi
−OH結合を生じさせる。そして、この水酸基の存在に
より上層に設けられるシリカ系塗膜との密着性を向上さ
せることができ、ピンホールの発生を防ぐことができ
る。
塗布する操作を1回以上繰り返して所要の膜厚とする。
なお、塗布液の塗布操作を複数回繰り返す場合は、前記
のようにして紫外線照射処理を施した塗膜上に塗布液を
塗布することが必要である。
膜厚に形成された塗膜を、窒素などの不活性ガス雰囲気
中、350〜500℃の範囲の温度において熱処理す
る。この温度が350℃未満では、熱処理が不十分で、
ち密なシリカ系被膜が得られないし、500℃を超える
と被膜中のSi−H結合が破壊され、やはり、ち密な被
膜が得られない。このようにして、膜厚が2000Å以
上のシリカ系被膜が形成される。上限は特に制限はない
が、今のところ8000Å程度である。
の固形分濃度や塗布方法などに左右され、また塗布操作
を繰り返せば繰り返すほど、得られる被膜の膜厚は厚く
なるので、目的に応じて、所要の膜厚が得られるよう
に、塗布液、塗布方法、塗布操作の繰り返し回数を適宜
調整すればよい。しかし、過度に繰り返し回数が多くな
ると、スループットが落ちるので、一回の塗布により得
られる被膜の膜厚がなるべく厚くなるように調製した塗
布液を用い、塗布操作の繰り返し回数をできだけ少なく
して、所要の膜厚が得られるようにするのが有利であ
る。最も実用的には、塗布液を塗布する操作は1回で行
うのがよい。
優れ、かつピンホールのない膜厚2000Å以上のシリ
カ系厚膜被膜を効率よく形成することができる。本発明
方法で形成されたシリカ系厚膜被膜は、例えばシリコン
ウエーハ上に設けられたアルミニウムなどの金属配線層
上の層間絶縁膜、金属配線層と該金属配線層上に設けら
れたプラズマCVD法などの層間絶縁膜上の平坦化膜、
多層レジスト法における下層レジストと上層レジストの
間に設けられる中間膜、ガラス基板上に設けられたクロ
ム層上の位相シフタ材料、液晶素子製造の際のガラス基
板上に設けられたITOなどの透明導電膜上の保護膜、
液晶の配向性を向上させるための配向膜などとして有用
である。
明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定され
るものではない。
9g(0.45モル)をエチレングリコールジメチルエ
ーテル802.0g(9.0モル)に溶解し、かき混ぜ
た。次いで、これに純水24.3g(1.35モル)と
濃硝酸5ppmを混合したものを、ゆっくりかき混ぜな
がら滴下したのち、約3時間かき混ぜ、その後室温で6
日間静置させて溶液を得た。この溶液を120〜140
mmHg、40℃にて1時間減圧濃縮し、固形分濃度8
重量%、エタノールの濃度1重量%の塗布液を調製し
た。
0g(0.024モル)のトリエトキシシラン、12.
2gのイソプロパノール、4.0gのn‐ブタノール及
び5%塩酸水溶液の1滴を含む0.33g(0.018
モル)の水を混ぜて溶液とし、この溶液を撹拌しそして
60〜75℃に加熱した。この撹拌溶液を30分間この
温度に保ち、次いで冷却し溶液を得た。
布液を乾燥機中140℃で60分間乾燥させ、溶媒を揮
散させ、固形物(乾燥物)を得た。この固形物をかき集
め粉末状にしたものをアルミニウムパンに入れ、40〜
800℃まで毎分10℃で昇温し熱重量測定(TG)と
示差熱分析測定(DTA)を行った。その結果を図2
(参考例1対応)、図3(特開平4−216827号公
報の例9対応)にそれぞれ示す。なお、下の曲線はDT
A曲線、上の曲線はTG曲線である。
た塗布液の乾燥物は360℃付近で重量増加が始まり、
800℃昇温後4%の重量増加が認められた。一方、特
開平4−216827号公報の例9で得た塗布液の乾燥
物は800℃昇温後9.3%の重量減少が認められた。
に金属配線層、該配線層上にCVD法による絶縁膜を設
けた段差1.0μmのパターンを有する基板上に、スピ
ンナーにより2000rpmで10秒間塗布し、次いで
ホットプレート上で100℃で1分間、200℃で1分
間、300℃で1分間ずつ順次乾燥させ塗膜を得た。こ
の塗布時(as Coat)、100℃における乾燥
時、200℃における乾燥時、300℃における乾燥時
における赤外吸収スペクトルを図1に示す。これより塗
布から300℃までの乾燥においては、840cm-1付
近と2250cm-1付近のSi−Hに起因するピークが
強く現われていることが分かる。 (2) 次いで、基板温度を室温まで下げ、(1)で得
た塗膜に、紫外線照射処理装置Deep UVプロセッ
サー(日本電池社製)を用いて、大気中185〜254
nmの遠紫外線を含む紫外線を1分間照射した。 (3) 次に、参考例1で得た塗布液を(2)の紫外線
照射後の塗膜上にスピンナーにより2000rpmで1
0秒間塗布し、次いでホットプレート上で100℃で1
分間、200℃で1分間、300℃で1分間ずつ順次乾
燥させた。 (4) この乾燥塗膜を、窒素雰囲気中にて450℃で
30分間熱処理し、シリカ系被膜を得た。この際の膜厚
は5000Åであった。また、(3)工程の後で、かつ
(4)工程前に光学顕微鏡によりピンホールの有無を観
察したところ、ピンホールはなく密着性は良好であっ
た。また、この熱処理後の赤外吸収スペクトルを図1に
示す。これより塗布から熱処理後においても840cm
-1付近と2250cm-1付近のSi−Hに起因するピー
クが現われていることが分かる。
い塗膜を得たのち、さらに(2)及び(3)の操作を繰
り返し、最後に(4)の工程を行いシリカ系被膜を得
た。このときの膜厚は7500Åであった。また、それ
ぞれ(3)工程の後に光学顕微鏡によりピンホールの有
無を観察したところ、ともにピンホールはなく密着性は
良好であった。
ったこと以外は、実施例1と同様にして、シリカ系被膜
を得た。この際の膜厚は5000Åであった。また、
(3)工程の後で、かつ(4)工程前に光学顕微鏡によ
りピンホールの有無を観察したところ、ピンホールが発
生しており、密着性は不良であった。
ったこと以外は、実施例2と同様にして、シリカ系被膜
を得た。この際の膜厚は7500Åであった。また、そ
れぞれ(3)工程の後に光学顕微鏡によりピンホールの
有無を観察したところ、ピンホールが発生しており、密
着性は不良であった。
収スペクトル図。
線及びTG曲線。
線及びTG曲線。
Claims (3)
- 【請求項1】 基板上にシリカ系被膜を形成するに当
り、トリアルコキシシランの酸加水分解生成物を含有す
る有機溶剤溶液からなる塗布液を基板上に塗布、乾燥し
て塗膜を形成し、その塗膜表面に酸化性雰囲気下で紫外
線を照射したのち、さらに前記塗布液を塗布する操作を
1回以上繰り返して所要の膜厚とする工程、及びこのよ
うにして得た塗膜を不活性雰囲気中、350〜500℃
において熱処理することにより膜厚2000Å以上のシ
リカ系被膜を形成させる工程を含むシリカ系厚膜被膜形
成方法。 - 【請求項2】 基板上にシリカ系被膜を形成するに当
り、トリアルコキシシランを有機溶剤溶液中、酸触媒の
存在下で加水分解処理して、溶媒除去後の被膜形成成分
が、熱重量測定において重量増加を示す塗布液を調製す
る工程、次にこの塗布液を基板上に塗布、乾燥して塗膜
を形成し、その塗膜表面に酸化性雰囲気下で紫外線を照
射したのち、さらに前記塗布液を塗布する操作を1回以
上繰り返して所要の膜厚とする工程、及びこのようにし
て得た塗膜を不活性雰囲気中、350〜500℃におい
て熱処理することにより膜厚2000Å以上のシリカ系
被膜を形成させる工程を含むシリカ系厚膜被膜形成方
法。 - 【請求項3】 溶媒除去後の被膜形成成分が熱重量測定
において重量増加を示す塗布液が、トリアルコキシシラ
ンをSiO2換算1〜5重量%の濃度でアルキレングリ
コールジアルキルエーテル中に溶解し、この溶液中にト
リアルコキシシラン1モル当り2.5〜3.0モルの水
を加え、酸触媒の存在下に加水分解処理したのち、生成
したアルコールの含有量を15重量%以下に調整した溶
液である請求項2記載のシリカ系厚膜被膜形成方法。
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