JP2739902B2 - 酸化ケイ素系被膜形成用塗布液 - Google Patents
酸化ケイ素系被膜形成用塗布液Info
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-
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- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
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Description
形成用塗布液、さらに詳しくは、本発明は、厚膜でもク
ラックが発生せず、かつ密着性、均質性、緻密性及び絶
縁性に優れる無機系の酸化ケイ素系被膜を、半導体基
板、ガラス板、金属板、セラミックス板などの基板上に
形成することができ、半導体素子や液晶表示素子などに
おける層間絶縁膜、平坦化膜、保護膜の形成や、多層レ
ジスト法用積層材及び位相シフタ材などとして好適に用
いられる保存安定性に優れた酸化ケイ素系被膜形成用塗
布液に関するものである。
て、高累積化、高速化、多機能化のための多層配線技術
に関する高度の要求がなされるようになってきた。例え
ば、半導体デバイスの製造においては、基板上に配線パ
ターンや絶縁膜を形成することが必要であるが、この
際、基板上にしばしば段差を生じ、このような段差をも
つ基板上にさらに配線パターンなどを形成しようとする
と、段差により微細配線パターンの正確な形成が妨げら
れるため、段差をなくす平坦化処理が不可欠となってい
る。
坦化処理技術としては、スピンオングラス法(SOG
法)が一般に実用化されている。このSOG法として、
アルコールを主体とする有機溶媒中にテトラアルコキシ
シランを溶解して調製した塗布液を段差を有する基板表
面に塗布し、段差の凹部を埋め、かつ全面を覆うべく塗
布したのち、熱処理により酸化ケイ素系被膜を形成させ
て平坦化する方法がある。
キシシランを用いているため、得られる被膜が完全な無
機質の被膜となって特性の信頼性が高いものの、塗布液
の粘性が不足するので、1回の塗布操作でせいぜい0.
4μmの厚さの被膜が得られるにすぎず、表面の段差を
平坦化するのに十分な膜厚とならないし、また十分な膜
厚とするには、塗布操作を多数回繰り返す必要がある
が、そうすると得られる被膜はクラックが生じたり、基
板との密着性が不十分であるという欠点がある。
出願人は、先にアルキル基を一部導入したアルコキシシ
ランを用いた酸化ケイ素系被膜形成用塗布液を提案した
(特開昭63−241076号公報)。このものはテト
ラアルコキシシランにモノアルキルトリアルコキシシラ
ンやジアルキルジアルコキシシランを組み合わせて得ら
れたものであって、加水分解後にまだ有機基が残存する
ために、適度の粘性を有し、1回の塗布操作で1μm又
はそれ以上の厚膜を付与しうるとともに、前者のテトラ
アルコキシシランから得られる塗布液を用いる場合に比
べて、塗布、焼成により得られた被膜にクラックが発生
しにくくなる。
するアルコキシシランを用いる方法では、導入されたア
ルキル基が、のちの酸素プラズマ処理中に損傷を受けや
すく、膜減りやクラックが発生するという新たな問題を
生じ、またこの酸素プラズマ処理によるクラックを防止
しようとするとエッチバック工程が必要となり、製造プ
ロセスが増えるためにスループットが悪くなるのを免れ
ない。
従来技術が有する欠点を克服し、厚膜でも平坦化性に優
れ、塗布、焼成後被膜としたときにクラックを発生する
ことがなく、また酸素プラズマ処理後も膜減りがなく、
クラックを発生することがない、密着性、均質性、緻密
性及び絶縁性に優れる被膜を形成することができ、半導
体素子や液晶表示素子などにおける層間絶縁膜、平坦化
膜、保護膜などの形成に好適に用いられる保存安定性に
優れた酸化ケイ素系被膜形成用塗布液を提供することを
目的としてなされたものである。
ましい性質を有する塗布液を開発すべく鋭意研究を重ね
た結果、2種類のシラン化合物の加水分解液から成る塗
布液により、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。
アルキル基又はフェニル基、a、b及びcは、0≦a≦
3、0≦b≦3、0≦c≦3であって、かつa+b+c
=3の条件を満たす整数である)で表わされる少なくと
も1種の化合物、及び(B)一般式(II) Si(OR4)d(OR5)e(OR6)f(OR7)g …(II) (式中のR4、R5、R6及びR7は、それぞれ炭素数1〜
4のアルキル基又はフェニル基、d、e、f及びgは、
0≦d≦4、0≦e≦4、0≦f≦4、0≦g≦4であ
って、かつd+e+f+g=4の条件を満たす整数であ
る)で表わされる少なくとも1種の化合物を有機溶剤に
溶かし、酸触媒の存在下に加水分解し、かつアルコール
含有量を15重量%以下に調整した溶液から成る酸化ケ
イ素系被膜形成用塗布液を提供するものである。
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、トリフェニル
オキシシラン、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、モノエトキシジフェニルオキシシラン、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、ブトキシプロ
ポキシフェニルオキシシラン、モノブトキシジフェニル
オキシシラン、モノブトキシジメトキシシラン、ジメト
キシモノフェニルオキシシラン、ジエトキシモノフェニ
ルオキシシランなどが挙げられる。これらの中で実用上
好ましいのは、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、トリ
フェニルオキシシランであり、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。
は、例えばテトラメトキシシラン、テトラエトキシシラ
ン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、
テトラフェニルオキシシラン、モノメトキシトリエトキ
シシラン、モノメトキシトリプロポキシシラン、モノメ
トキシトリブトキシシラン、モノメトキシトリフェニル
オキシシラン、モノメトキシジエトキシモノプロポキシ
シラン、モノメトキシジエトキシモノブトキシシラン、
モノエトキシトリメトキシシラン、モノエトキシトリプ
ロポキシシラン、モノエトキシトリブトキシシラン、モ
ノエトキシトリフェニルオキシシラン、モノエトキシジ
メトキシモノプロポキシシラン、モノエトキシジメトキ
シモノブトキシシラン、モノエトキシジプロポキシモノ
ブトキシシラン、モノプロポキシトリメトキシシラン、
モノプロポキシトリエトキシシラン、モノブトキシトリ
メトキシシラン、モノブトキシトリエトキシシラン、モ
ノフェニルオキシトリエトキシシラン、モノフェニルオ
キシトリブトキシシランなどが挙げられる。これらの中
で実用上好ましいのは、テトラメトキシシラン、テトラ
エトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブト
キシシラン、テトラフェニルオキシシランであり、中で
も特にテトラメトキシシラン、テトラエトキシシランが
好ましい。
は、モル比で、1:9〜9:1、好ましくは1:4〜
2:1の範囲で選ばれる。この範囲を逸脱するとクラッ
クが発生しやすくなり、また保存安定性が低下する。
成分を溶解するために用いられる有機溶媒としては、例
えばメチルアルコール、エチルアルコール、プロピルア
ルコール、ブチルアルコールのような一価アルコール、
エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレ
ングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、
ヘキサントリオールのような多価アルコール、エチレン
グリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモ
ノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエ
ーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエ
チレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリ
コールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノ
プロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエ
ーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プ
ロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレング
リコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコール
モノブチルエーテルのような多価アルコールのモノエー
テル類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチルのような
エステル類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイ
ソアミルケトンのようなケトン類、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、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
メチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチル
エーテルのような多価アルコールの水酸基をすべてアル
キルエーテル化した多価アルコールエーテル類などが挙
げられる。これらの中で多価アルコールの水酸基をすべ
てアルキルエーテル化した多価アルコールエーテル類が
好適である。
し、2種以上を組み合わせて用いてもよく、その使用量
は、前記(A)成分と(B)成分のシラン化合物の合計
1モル当り、10〜30モルの範囲とするのが好まし
い。
れた(A)成分と(B)成分の溶液は、これに水を加え
酸触媒の存在下加水分解される。この酸触媒としては、
従来慣用されている有機酸、無機酸いずれも使用でき
る。有機酸としては、例えば酢酸、プロピオン酸、酪酸
のような有機カルボン酸などが挙げられる。無機酸とし
ては、例えば塩酸、硝酸、硫酸、リン酸のような鉱酸な
どが挙げられ、特に硝酸、リン酸が好ましい。
シラン化合物の合計1モル当り、1.5〜4.0モルの
範囲とするのが好ましい。酸触媒は水を加えたのち加え
てもよいし、水と混合して酸水溶液として加えてもよ
い。酸触媒の使用量は、上記加水分解系中のその濃度が
300〜800ppm、特に400〜600ppmの範
囲になるように調製される。加水分解反応は、通常5〜
100時間程度で完了する。反応時間を短縮させるに
は、80℃を超えない加熱温度で上記シラン化合物の混
合物を含む有機溶媒に水と酸触媒を滴下するのがよい。
ままでも使用できるが、塗布液中の固形分濃度(近似的
には塗布液中のSiO2換算濃度)の調整のため、希釈
溶媒で希釈してから使用してもよい。この希釈溶媒とし
ては、前記した有機溶媒を用いるのが好ましい。特に有
利な塗布液は、それに含有されるケイ素化合物が水素原
子を有するものであって、その調製には、溶媒として用
いたアルコールあるいは(A)成分と(B)成分の加水
分解反応により生成するアルコールの量を、塗布液全量
当り、15重量%以下とすることが重要であり、過剰の
場合には減圧蒸留で余分のアルコールを除去する必要が
ある。この減圧蒸留は、真空度30〜300mmHg、
好ましくは50〜200mmHg、温度20〜50℃で
2〜6時間行うのが好ましい。このアルコール量が15
重量%を超えて残存していると、H−Si基とアルコー
ルが反応して、RO−Si基を生成しやすいため、塗布
液がゲル化を生じやすくなり、保存安定性が悪くなった
り、1μm程度の厚膜としたときにクラックが発生す
る。したがって、アルコール分を少なくする上でも、前
記有機溶剤としては、多価アルコールの水酸基をすべて
エーテル化した多価アルコールエーテル類が好ましい。
ついては、その構造中に水素原子が残存しやすいので、
1μm程度の厚膜としてもクラックが発生しにくく、ま
たアルキル基が存在しないため酸素プラズマ処理によっ
ても膜減りやクラックが起こりにくいので、エッチバッ
ク工程を要しなくとも平坦化できる。
室温で長期間放置しても酸化ケイ素系被膜を形成する
が、該塗布液を固体表面上に塗布し、乾燥させて塗膜を
形成させたのち、空気中にて350℃以上の温度範囲で
焼成することにより、優れた物性を有する酸化ケイ素系
被膜が形成される。さらに、この焼成において水蒸気を
付与することにより、SiO結合が進行し、より物性の
優れた酸化ケイ素系被膜が形成される。このようにして
形成された酸化ケイ素系被膜は、厚膜にしてもクラック
が発生せず、かつ密着性、均質性、緻密性及び絶縁性に
優れている。
は、保存安定性に優れるとともに、厚膜でもクラックが
発生せず、かつ密着性、均質性、緻密性及び絶縁性に優
れる酸化ケイ素系被膜を形成することができ、半導体素
子や液晶表示素子などにおける層間絶縁膜、平坦化膜、
保護膜の形成や多層レジスト法用積層材として好適に用
いられる。また、形成される被膜が均質性に優れている
ため、光の散乱が抑制され、LSI用のマスク上に形成
する位相シフタ材としても有用である。
明する。
シシラン208g(1モル)を混合し、エチレングリコ
ールジメチルエーテル1932g(21.4モル)を加
えかきまぜた。次いで、純水90g(5モル)と濃硝酸
400μlを混合したものを、ゆっくりかきまぜながら
滴下したのち、約6時間かきまぜ、その後室温で3日間
静置させて溶液を得た。この溶液を150mmHg、4
0℃で4時間減圧蒸留し、固形分濃度12重量%、アル
コール濃度10重量%の塗布液を調製した。
シシラン152g(1モル)を混合し、エチレングリコ
ールジエチルエーテル1876g(15.9モル)を加
えかきまぜた。次いで、純水90g(5モル)と濃硝酸
320μlを混合したものを、ゆっくりかきまぜながら
滴下したのち、約6時間かきまぜ、その後室温で3日間
静置させて溶液を得た。この溶液を150mmHg、4
0℃で4時間減圧蒸留し、固形分濃度12重量%、アル
コール濃度10重量%の塗布液を調製した。
シシラン208g(1モル)を混合し、プロピレングリ
コールジメチルエーテル2770g(26.6モル)を
加えかきまぜた。次いで、純水108g(6モル)と濃
硝酸800μlを混合したものを、ゆっくりかきまぜな
がら滴下したのち、約6時間かきまぜ、その後室温で2
日間静置させて溶液を得た。この溶液を150mmH
g、40℃で4時間減圧蒸留し、固形分濃度12重量
%、アルコール濃度5重量%の塗布液を調製した。
シシラン208g(1モル)を混合し、エチレングリコ
ールジメチルエーテル1038g(11.5モル)を加
えかきまぜた。次いで、純水90g(5モル)と濃硝酸
600μlを混合したものを、ゆっくりかきまぜながら
滴下したのち、約6時間かきまぜ、その後室温で3日間
静置させて塗布液を調製した。この塗布液の固形分濃度
は8重量%、アルコール濃度は21重量%であった。
219gを加え、次いで純水72g(4モル)、濃硝酸
200μlを滴下させたのち、約6時間かきまぜ、その
後室温で10日間静置させて得られる溶液を塗布液とし
た。なお、この塗布液の固形分濃度は12重量%であっ
た。
トラメトキシシラン152g(1モル)を混合し、イソ
プロピルアルコール600gを加え、次いで純水126
g(7モル)と濃硝酸53μlをゆっくり滴下させたの
ち、約6時間かきまぜ、その後室温で5日間静置させて
得られる溶液を塗布液とした。なお、この塗布液の固形
分濃度は12重量%であった。
コンウエハー上にアルミニウムの1.0μmの段差パタ
ーンを有する基板に、スピンナーにより3000rpm
で30秒間塗布し、次いで窒素雰囲気中にて450℃で
30分間熱処理し得られる被膜の平坦化性、段差パター
ン内部の膜厚、段差パターン内部のクラックの有無をS
EM(走査型電子顕微鏡)写真の観察により評価した。
また、各製造例で調製した塗布液の保存安定性として、
室温で各塗布液を保存した場合にゲル化を生じるまでの
期間を求めた。これらの平坦化性、膜厚、クラックの有
無、保存安定性についての結果を表1に示す。
コールジエチルエーテル548g(6.1モル)を加え
かきまぜた。次いで、純水54g(3モル)と濃硝酸3
20μlを混合したものを、ゆっくりかきまぜながら滴
下したのち、約6時間かきまぜ、その後室温で3日間静
置させて溶液を得た。この溶液を150mmHg、40
℃で4時間減圧蒸留し、固形分濃度12重量%、アルコ
ール濃度10重量%の塗布液を調製した。この塗布液を
4インチシリコンウエハー上に塗布したところ、表面あ
れ(くもり)が発生し、また、この溶液はまもなくゲル
化し、実用には供し得ないものであった。
上にスピンコーターを用い3000rpmで20秒間塗
布した。その後、ホットプレート上で80℃で1分間、
続いて150℃に昇温し1分間、さらに200℃に昇温
し1分間の仮焼成を行い、次いで窒素雰囲気中、450
℃で30分間本焼成を行った。この塗布液の塗布、仮焼
成、本焼成の一連の操作を数回繰り返して、クラックが
発生する膜厚(クラック限界)を調べた。また、得られ
た酸化ケイ素系被膜のクラック発生の一つの要因である
仮焼成から本焼成に至るまでの膜厚の収縮率(シュリン
ク率)Aを次式から算出した。 [(200℃で仮焼成後の膜厚−450℃で本焼成後の膜厚)/200℃で仮焼 成後の膜厚]×100 シュリンク率が小さいほどクラックが発生しにくいとい
える。また、得られた酸化ケイ素系被膜の膜の緻密性を
調べるために、本焼成後に0.1%フッ酸水溶液中に2
5℃で30分間浸せきさせ、ウエットエッチングレート
を調べた。ウエットエッチングレートが小さいほど緻密
な膜が形成されているといえる。なお、シュリンク率
A、ウエットエッチングレートについては、塗布仮焼
成、本焼成の一連の処理1回の操作により得られた被膜
について調べた。これらのクラック限界、シュリンク率
A、ウエットエッチングレートの結果を表2に示す。
例5と同様にして、クラック限界、シュリンク率A、ウ
エットエッチングレートについて調べた。これらの結果
を表2に示す。
例5と同様にして、クラック限界、シュリンク率A、ウ
エットエッチングレートについて調べた。これらの結果
を表2に示す。
上にスピンコーターを用い3000rpmで20秒間塗
布した。その後、ホットプレート上で80℃で1分間、
続いて150℃に昇温し1分間、さらに200℃に昇温
し1分間の仮焼成を行い、次いで窒素雰囲気中、450
℃で30分間本焼成を行った。その後、プラズマ処理装
置OPM−EM1000(東京応化工業社製)を用い
て、圧力1.0Torr、処理時間60分間の条件で、
酸素プラズマを照射した。酸素プラズマ照射前後の膜厚
の差より、酸素プラズマによる膜厚の収縮率(シュリン
ク率)Bを求めた。また、酸素プラズマ処理後の酸化ケ
イ素系被膜の緻密性を調べるために、酸素プラズマ照射
前後に0.1%フッ酸水溶液中に25℃で30分間浸せ
きさせ、ウエットエッチングレートを調べた。これらの
シュリンク率B、ウエットエッチングレートの結果を表
3に示す。
例6と同様にして、シュリンク率B、ウエットエッチン
グレートについて調べた。これらの結果を表3に示す。
例6と同様にして、シュリンク率B、ウエットエッチン
グレートについて調べた。これらの結果を表3に示す。
Claims (4)
- 【請求項1】 (A)一般式 HSi(OR1)a(OR2)b(OR3)c (式中のR1、R2及びR3は、それぞれ炭素数1〜4の
アルキル基又はフェニル基、a、b及びcは、0≦a≦
3、0≦b≦3、0≦c≦3であって、かつa+b+c
=3の条件を満たす整数である)で表わされる少なくと
も1種の化合物、及び(B)一般式 Si(OR4)d(OR5)e(OR6)f(OR7)g (式中のR4、R5、R6及びR7は、それぞれ炭素数1〜
4のアルキル基又はフェニル基、d、e、f及びgは、
0≦d≦4、0≦e≦4、0≦f≦4、0≦g≦4であ
って、かつd+e+f+g=4の条件を満たす整数であ
る)で表わされる少なくとも1種の化合物を有機溶剤に
溶かし、酸触媒の存在下に加水分解し、かつアルコール
含有量を15重量%以下に調整した溶液から成る酸化ケ
イ素系被膜形成用塗布液。 - 【請求項2】 (A)成分と(B)成分の配合割合がモ
ル比で1:9〜9:1である請求項1記載の酸化ケイ素
系被膜形成用塗布液。 - 【請求項3】 有機溶剤がアルキレングリコールジアル
キルエーテルである請求項1又は2記載の酸化ケイ素系
被膜形成用塗布液。 - 【請求項4】 アルキレングリコールジアルキルエーテ
ルがエチレングリコールジメチルエーテルである請求項
3記載の酸化ケイ素系被膜形成用塗布液。
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