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JP4284083B2 - 多孔質シリカ膜の形成方法 - Google Patents

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JP4284083B2 JP2003032189A JP2003032189A JP4284083B2 JP 4284083 B2 JP4284083 B2 JP 4284083B2 JP 2003032189 A JP2003032189 A JP 2003032189A JP 2003032189 A JP2003032189 A JP 2003032189A JP 4284083 B2 JP4284083 B2 JP 4284083B2
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多孔質シリカ膜の形成方法に関する。多孔質シリカ膜は、優れた低比誘電率特性から半導体用絶縁膜として、また、優れた低屈折率特性からディスプレイ分野での低屈折率光学膜として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
加水分解性のアルコキシシラン化合物と水-アルコール系の溶媒と孔形成材料とを用いた混合溶液を基板上で焼成処理して得られる多孔質シリカ膜は、ＬＳＩなどの銅配線の層間絶縁膜用途で半導体用材料として、また、透明導電膜に積層した際の内部発光の高効率取り出しを可能とするディスプレイ用材料として有望である。さらに、太陽電池などにおいて、外部からの入射光に対する反射防止など新規用途への応用も可能である。
【０００３】
このように多孔質シリカ膜が着目されるのは、ゾル-ゲル法による湿式工程の簡便さに加え、２．５以下の低比誘電率特性や低屈折率特性によるものである。（例えば、非特許文献１及び２参照。）
【０００４】
しかしながら、その一方で、多孔質構造ゆえ機械的な強度不足が不安視される。例えば、半導体プロセスにおいて、銅デュアルダマシン（象嵌細工）配線構造の形成のため化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を行う際や、ボンディング装置により高速のワイヤボンディングを行う際に、構造上の強度不足から多孔質膜が破壊されることがある。そして、多孔質膜の実用化を阻む要因は、こうした強度不足や、空孔内への水分吸着による絶縁性能劣化のおそれにあるとされる。また、ディスプレイ分野においても、多孔質膜の強度不足対策として、その強度を補うための補強層を中間層として積層構造に追加することがある。このような対策は多層構造の簡素化要求に逆行するものであるため、多孔質シリカ膜の強度不足は、その膜厚縮小や表面平坦化の追求と並んで重要な問題となっている。
【０００５】
【非特許文献１】
H.Hanahata, S.Matsuno, M.Miyammoto, T.Ioka and T.Tanabe, 「アドバンストメタリゼーション カンファレンス予稿集（Proc.Advanced metallization Conf.）」, 2000年,p.103
【非特許文献２】
K.Suzuki, Y.Nakata, I.Sugiura, T.Owada, S.Fukuyama and E.Yano, 「アドバンスト メタリゼーション カンファレンス予稿集（Proc.Advanced metallization Conf.）」, 2001年,p.4
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑み、従来指摘されてきた強度不足を解消するような機械的強度を備えた多孔質シリカ膜を形成する方法を提供することを課題としている。この場合に求められる強度は、例えば、半導体分野やディスプレイ分野における実用化水準に合致することを想定している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の多孔質シリカ膜の形成方法は、加水分解性のアルコキシシラン化合物と水とアルコールと界面活性剤とを用い、この際に、界面活性剤としてＤｕ Ｎｏｕｙ法表示により０．１重量％濃度及び２５℃において４５ｍＮ／ｍ以上の表面張力を備えた１種類以上の非イオン性界面活性剤を用い、この非イオン性界面活性剤とアルコキシシラン化合物と水-アルコール系溶媒とを混合して成る混合溶液を基板上に塗布した後に、この混合溶液中の界面活性剤を分解または燃焼するものとした。
【０００８】
これにより、ゾル-ゲル法などの湿式処理を経た後、上記した界面活性剤の分解や燃焼のための焼成処理などを行って形成される多孔質シリカ膜は、表面張力の大きな界面活性剤の液晶を鋳型として多数の空孔を生成するので空隙強度が改善される。そして、このような空孔が多数形成された膜全体においても強度が向上し、形成される多孔質シリカ膜は充分な機械的強度を備えることができる。なお、上記中のＤｕ Ｎｏｕｙ法は、種々の表面張力測定法の中で輪環法による静的測定法に分類されるものである。
【０００９】
この場合、前記非イオン界面活性剤として、下記示性式［化１］で表されるポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン縮合物を用いるものとする。
ＯＨ（ＣＨ ２ ＣＨ ２ Ｏ）ｘ（ＣＨ（ＣＨ ３ ）ＣＨ ２ Ｏ）ｙ（ＣＨ ２ ＣＨ ２ Ｏ）ｘＨ
・・・［化１］
（示性式［化１］中、ｘ及びｙは、それぞれ、１≦ｘ≦１８５及び５≦ｙ≦７０を満たす整数を示す。）
このような縮合物は骨格の長い直鎖構造であり、臨界ミセル濃度以上のある濃度では様々な形態の液晶を作る。この液晶を鋳型として形成される多孔質シリカ膜中の空孔は長手方向が極端に長い構造で形成される。また、空孔間に存在するシリカ壁の厚さも均一となるため応力が加わった時、応力集中がなく高強度の構造となる。
【００１０】
上記した混合溶液は、アルコキシシラン化合物１モルに対して、水８〜５０モル及び上記［化１］で示されるポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン縮合物０．１〜０．５モルの混合比としたものを好適例とする。
また、さらに好ましくは、上記した混合溶液に、下記［化２］で示されるジメチルジアルコキシシラン化合物０．０５〜０．５モルを添加したもの、即ち、アルコキシシラン化合物１モルに対して、水８〜５０モル及びポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン縮合物（［化１］）０．１〜０．５モル、ジメチルジアルコキシシラン化合物（［化２］）０．０５〜０．５モルの混合比としたものを用いることができる。
Ｓｉ（ＣＨ ３ ） ２ （ＯＲ） ２ ・・・［化２］
（示性式［化２］中、置換基Ｒはメチル基またはエチル基を示す。）
【００１１】
上記の混合溶液を用いて形成される多孔質シリカ膜は、この混合溶液中の界面活性剤の分解または燃焼により、虫食穴状空孔構造となることが断面透過式電子顕微鏡で観察されるにもかかわらず、ヘキサゴナル構造などの周期構造の多孔質膜に劣らない強度を備えることが判明した。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の多孔質シリカ材料の形成方法は、多孔質シリカ材の前駆体たるアルコキシシラン化合物溶液を酸加水分解またはアルカリ加水分解して得られる溶液を加熱処理して、この前駆体溶液中の溶媒や水、酸またはアルカリ触媒などを蒸発させ、その後、界面活性剤を分解させ、取り除くことで多孔質シリカ材料を得る。
【００１３】
また、上記の加熱処理前に、多孔質シリカ材料の前駆体溶液を基板上にスピンコート等により塗布して材料の形成を行うと、このような形成方法は基板上の多孔質シリカ膜の成膜工程となる。
【００１４】
多孔質シリカ材料の前駆体としてはテトラエトキシシラン（以下ＴＥＯＳとも言う。）のようなシリコンアルコキシドが用いられる。加水分解の触媒としては、酸によるものでもアルカリによるものであってもよく、酸加水分解による場合、硝酸や塩酸などの無機酸、ギ酸などの有機酸を用いることができ、また、アルカリ加水分解による場合はアンモニア等を用いることができる。
【００１５】
界面活性剤としては、上記[化１]で示すポリオキシエチレン-ポリオキシプロピレン縮合物などの非イオン性界面活性剤を用いることが好ましく、この界面活性剤が分解するにつれて、得られるシリカ材料内に多数の空隙部分が生じ、上記のように基板上に成膜される場合には、かくして多孔質化された薄膜構造が形成される。
【００１６】
そして、この界面活性剤の分解または燃焼により、薄膜構造が虫食穴状空孔構造に形成されることが断面透過式電子顕微鏡で観察確認されているが、それにもかかわらず、この薄膜構造は、ヘキサゴナル構造などの周期構造の多孔質膜に劣らない強度を備えることが判明した。
【００１７】
上記前駆体溶液に用いる物質の使用量は、前駆体たるアルコキシシラン化合物１モルに対して、水８〜５０モル、及び上記ポリオキシエチレン-ポリオキシプロピレン縮合物０．１〜０．５モルを添加したものが望ましい。また、このような混合組成溶液に、上記[化２]で示されるジメチルジアルコキシシラン化合物０．０５〜０．５モルを添加したもの、即ち、アルコキシシラン化合物１モルに対して、水８〜５０モル及びポリオキシエチレン-ポリオキシプロピレン縮合物（[化１]）０．１〜０．５モル、ジメチルジアルコキシシラン化合物（[化２]）０．０５〜０．５モルの混合比としたものをさらなる好適例とすることができる。
【００１８】
上記したように、多孔質シリカ材料の前駆体溶液を半導体基板上に通常のスピンコート法などの塗布方法により塗布した後は、ついで公知の赤外線加熱炉などを用いて加熱処理し、水−アルコール系溶媒、酸またはアンモニア、及び界面活性剤、その他の物質などを蒸発させ、多孔質シリカ膜を形成する。この場合の加熱処理条件は、前記溶媒及び酸またはアンモニアなどを蒸発させることができ多孔質膜を得ることができる条件であれば、特に制限はない。
【００１９】
なお、比誘電率の低い多孔質膜を得るためには、好ましくは、空気中で５０〜３５０℃程度の温度で処理して主として溶媒を蒸発させ、次いで、界面活性剤その他の有機物質などを蒸発させることのできる温度（例えば、２５０〜５００℃）で、得られる多孔質膜の構造が破壊されない時間の間熱処理すればよい。
【００２０】
このようにして得られる多孔質シリカ膜は、顕著な低比誘電率特性と低屈折率特性と高い強度を示し、半導体プロセスやディスプレイ分野において、十分実用的な機械的強度を持つ層間絶縁膜を得ることができる。
【００２１】
また、本発明では、多孔質シリカ材料の前駆体として好ましくはＴＥＯＳなどのアルコキシシラン化合物を用いている。このものでは、界面活性剤の種類や添加量を調整して、例えば空隙率６０％以上の低比誘電率の層間絶縁膜を作製することが可能であり、空隙率が高くなるに従って、例えば８０％程度に達すると、絶縁膜を構成する材料の物性の比誘電率に対する寄与は少なくなり、空気が支配的になるため、非常に比誘電率の小さい層間絶縁膜が得られるのである。また、アルコキシシラン化合物の替りに加水分解可能なアルコキシドを用いても、アルコキシシラン化合物の場合と同様に多孔質膜を作製することができる。このようなアルコキシドとしては、例えば、Ｔｉ(ＯＣ3Ｈ7)4、Ｚｒ(ＯＣ4Ｈ9)4などの周期表４Ａ族に属するチタン、ジルコニウムなどのアルコキシドが用いられ得る。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００２３】
[実施例１] ＴＥＯＳとして１モルとＨ2Ｏとして１１モルと非イオン性界面活性剤として、
ＯＨ（ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）（ＣＨ（ＣＨ3）ＣＨ2Ｏ）15（ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）Ｈ・・・[化３]
[化３]で示される平均分子量９４４のＬ３１とを、エタノール中強酸性環境下室温で攪拌して均一にした透明混合溶液を作成した。このときの、Ｄｕ Ｎｏｕｙ法による上記Ｌ３１の表面張力は４６．９ｍＮ／ｍであった（０．１重量％濃度及び２５℃）。ここで、該溶液中のＴＥＯＳ１モルに対する上記Ｌ３１の添加量を０．２５、０．３１、０．４５及び０．７３モルの４種類に調整したものを用意し、それぞれ塗布液とした。
【００２４】
半導体シリコン基板上に、各塗布液を２５００ｒｐｍでスピンコートした後、公知の赤外線加熱炉を用いて、該基板を、初めに大気雰囲気下１３０℃で１時間、次に、空気中４００℃で１時間、それぞれ焼成処理した。これらの処理に要する条件、即ち、温度条件、昇温時間及び保持時間は、特に制限されるものではなく、これにより得られる多孔質シリカ膜の膜質性能を損なわない条件範囲であれば良い。また、最後に、ヘキサメチルジシラザン（以下ＨＭＤＳとも言う。）をＮ2中に含有させた混合蒸気を、１ｋＰａで公知の赤外線加熱炉に導入して４００℃で３０分間熱処理をして多孔質シリカ膜が疎水性を備えるようにした。
【００２５】
このようにして得られた各塗布液による多孔質シリカ膜について、１ＭＨｚ設定時の水銀プローブ法による比誘電率とナノインデンテーション法による弾性率及び硬度をそれぞれ測定したところ、下記[表１]に示す結果が得られた。
【００２６】
【表１】
Figure 0004284083
【００２７】
[表１]から明らかなように、Ｌ３１の添加量が多くなると形成される多孔質シリカ膜の比誘電率が低下することが分る。一方、添加量が大きくなると、溶液の表面張力及び粘度が増大するため基板への塗布が困難になり、特に８〜１２インチウェハ等の大面積基板上へ多孔質シリカ膜を均一に塗布形成することが困難になる。
【００２８】
また、[実施例１]により得られた多孔質シリカ膜の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真の一例（Ｌ３１／ＴＥＯＳ＝０．７３）を図１（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００２９】
図１の写真より、比誘電率の実測値から多孔質シリカ膜の空隙率は４０％以上であると推測されるにもかかわらず、ＳＥＭ写真からは空孔が観測されず、数ｎｍオーダーの微小空孔が形成されていることが分る。
【００３０】
[比較例１〜３]従来の多孔質シリカ膜（ＪＳＲ社製ＬＫＤ５１０９、旭化成社製ＡＬＣＡＰ-Ｓ５１００及び富士通社製Ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃａ）と、Ｌ３１のモル比０．７３における[実施例１]とを比較したところ下記[表２]に示す結果が得られた。なお、[実施例１]中の屈折率の測定には、分光エリプソメトリにて波長６３３ｎｍでの屈折率の値を用い、[比較例１]において弾性率及び硬度に実測値を用いた以外は文献公表値を用いている。
【００３１】
【表２】
Figure 0004284083
【００３２】
[表２]から、本発明により形成される多孔質シリカ膜は、従来例のものより低比誘電率及び低屈折率を有するにもかかわらず、高い弾性率を備えると共に硬度においても遜色のないものであることが分る。
【００３３】
[実施例２] ＴＥＯＳとして０．８５モルとＨ2Ｏとして１１モルとジメチルジメトキシシラン（以下、ＤＭＤＭＯＳとも言う。）として０．１５モルと非イオン性界面活性剤として０．０１７モルの
Figure 0004284083
[化４]で示される平均分子量４６４３のＰ１０３とを、エタノール中強酸性環境下室温で攪拌して均一にした透明混合溶液を作成した。その後、この混合溶液に、[化３]で示されるＬ３１として０．１１モルを混合して均一な混合溶液を作成した。このときの、Ｄｕ Ｎｏｕｙ法による上記Ｐ１０３の表面張力は３４．４ｍＮ／ｍであった（０．１重量％濃度及び２５℃）。
【００３４】
この混合溶液を塗布液として、[実施例１]と同様の条件で、多孔質シリカ膜を形成し、比誘電率と弾性率及び硬度とをそれぞれ測定したところ、下記[表３]に示す結果が得られた。
【００３５】
[比較例５] [化３]で示されるＬ３１の替りに、[化４]で示されるＰ１０３として０．０５３モルをさらに用いた以外は、[実施例２]と同様にして塗布液を作成した。これにより多孔質シリカ膜を形成し、比誘電率と弾性率及び硬度とをそれぞれ測定したところ、下記[表３]に示す結果が得られた。
【００３６】
【表３】
Figure 0004284083
【００３７】
[表３]から、Ｌ３１を加えて形成した多孔質シリカ膜は、Ｐ１０３のみで形成したものと比較して、同等の比誘電率を示しながら、機械的強度が２倍以上に向上することが分る。
【００３８】
また、[実施例２]により得られた多孔質シリカ膜の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図２（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００３９】
図２の写真より、[実施例２]により得られる多孔質シリカ膜は[実施例１]のものより平滑性に優れていることが分る。また、[実施例１]の場合と同様に空孔が観測されず、数ｎｍオーダーの微小空孔が形成されていることが分る。
【００４０】
[実施例３] ＴＥＯＳとして０．８５モルとＨ2Ｏとして１１モルとジメチルジエトキシシラン（以下、ＤＭＤＥＯＳとも言う。）として０．１５モルと非イオン性界面活性剤として０．１２モルの
Figure 0004284083
[化５]で示される平均分子量２３００のＰ４５とを、エタノール中強酸性環境下室温で攪拌して均一にした透明混合溶液を作成した。このときの、Ｄｕ Ｎｏｕｙ法による上記Ｐ４５の表面張力は４６．３ｍＮ／ｍであった（０．１重量％濃度及び２５℃）。
【００４１】
この混合溶液を塗布液として、半導体シリコン基板上に１２００ｒｐｍでスピンコートした後、公知の赤外線加熱炉を用いて、該基板を、空気中４００℃で１時間焼成処理した。なお、４００℃までの昇温時間は１５分とした。これらの処理に要する条件、即ち、温度条件、昇温時間及び保持時間は、特に制限されるものではなく、これにより得られる多孔質シリカ膜の膜質性能を損なわない条件範囲であれば良い。また、最後に、ＨＭＤＳをＮ2中に含有させた混合蒸気を、１ｋＰａで公知の赤外線加熱炉に導入して４００℃で１時間熱処理をして多孔質シリカ膜が疎水性を備えるようにした。
【００４２】
このようにして得られた多孔質シリカ膜に対して、[実施例１]中の[表２]と同様の条件で、比誘電率、屈折率、弾性率及び硬度をそれぞれ測定したところ、下記[表４]に示す結果が得られた。
【００４３】
なお、上記塗布液中にＤＭＤＥＯＳを添加しない場合は、得られる多孔質シリカ膜が２次元の六方細密構造（Ｈｅｘａｇｏｎａｌ配列）の空孔構造となり、比誘電率が上昇してしまうことが分っている。
【００４４】
[比較例６〜８]従来の多孔質シリカ膜（ＪＳＲ社製ＬＫＤ５１０９、旭化成社製ＡＬＣＡＰ-Ｓ５１００及び富士通社製Ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃａ）の各物性を下記[表４]に示す。なお、 [比較例６]において弾性率及び硬度に実測値を用いた以外は文献公表値を用いている。
【００４５】
【表４】
Figure 0004284083
【００４６】
[表４]から、本発明により形成される多孔質シリカ膜は、従来例のものと同等の比誘電率を示しながら、低屈折率、高弾性率及び高硬度を達成していることが分る。
【００４７】
また、[実施例３]により得られた多孔質シリカ膜に関し、表面及び断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図３（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００４８】
図３の写真より、[実施例３]により得られる多孔質シリカ膜は[実施例１]及び[実施例２]の場合と同様に空孔が観測されず、ＳＥＭ観察による検出限界以下の数ｎｍオーダーの微小空孔が形成されていることが分る。
【００４９】
そこで、[実施例３]により得られた多孔質シリカ膜に関し、表面及び断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を図４（ａ）及び（ｂ）に示す。ここで、観察試料に対して、膜中の空孔にＲｕＯ4を充填する染色法を用い、空孔が暗点として示されている。
【００５０】
図４の写真より、[実施例３]により得られる多孔質シリカ膜は、２〜４ｎｍ径の空孔がＷｏｒｍ-Ｈｏｌｅ状（虫食穴状）に連結しながら均一に分散する空孔構造を備えていることが分る。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、表面張力が比較的大きい非イオン性界面活性剤を添加することにより、機械的強度に優れた多孔質シリカ膜が形成される。また、その形成方法は、湿式法と焼成処理とを経る簡便なものである。
【００５２】
また、上記界面活性剤に加え、ジメチルジアルコキシシラン化合物を添加することにより、虫食穴状空孔構造でありながら、ヘキサゴナル構造などの周期構造のものに劣らない強度を備えた多孔質シリカ膜が得られる。
【００５３】
そして、このようにして形成される多孔質シリカ膜は、低比誘電率及び低屈折率を維持した機械的強度に優れたものであるため、半導体分野における低比誘電率の層間絶縁膜やディスプレイ分野における低屈折率膜として実用上の要求水準に合致したものとなり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）[実施例１]で形成される多孔質シリカ膜のＳＥＭ写真
【図２】（ａ）（ｂ）[実施例２]で形成される多孔質シリカ膜のＳＥＭ写真
【図３】（ａ）（ｂ）[実施例３]で形成される多孔質シリカ膜のＳＥＭ写真
【図４】（ａ）（ｂ）[実施例３]で形成される多孔質シリカ膜のＴＥＭ写真

Claims (5)

  1. 加水分解性のアルコキシシラン化合物と水とアルコールと界面活性剤とを用いる多孔質シリカ膜の形成方法において、前記界面活性剤として、ＤｕＮｏｕｙ法表示により０．１重量％濃度及び２５℃において４５ｍＮ／ｍ以上の表面張力を備えた１種類以上の非イオン性界面活性剤を用い、該非イオン性界面活性剤と前記アルコキシシラン化合物と水とアルコールとを混合して成る混合溶液を基板上に塗布した後に、該混合溶液中の前記界面活性剤を分解または燃焼する多孔質シリカ膜の形成方法であって、前記非イオン界面活性剤は、
    ＯＨ（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｘ（ＣＨ（ＣＨ３）ＣＨ２Ｏ）ｙ（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｘＨ
    ・・・［化１］
    （示性式［化１］ 中、ｘ及びｙは、それぞれ、１≦ｘ≦１８５及び５≦ｙ≦７０を満たす整数を示す。）
    ［化１］で表されるポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン縮合物から成ることを特徴とする多孔質シリカ膜の形成方法。
  2. 前記混合溶液の混合比を、前記アルコキシシラン化合物１モルに対して、前記水８〜５０モル及び前記［化１］で示されるポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン縮合物０．１〜０．５モルとしたことを特徴とする請求項１に記載の多孔質シリカ膜の形成方法。
  3. 前記混合溶液に、さらに、
    Ｓｉ（ＣＨ３）２（ＯＲ）２ ・・・［化２］
    （示性式［化２］中、置換基Ｒはメチル基またはエチル基を示す。）
    ［化２］で示されるジメチルジアルコキシシラン化合物０．０５〜０．５モルを添加したことを特徴とする請求項２に記載の多孔質シリカ膜の形成方法。
  4. 前記界面活性剤として、前記非イオン性界面活性剤にさらに陽イオン性または非イオン性界面活性剤を混合して成る混合界面活性剤を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多孔質シリカ膜の形成方法。
  5. 前記界面活性剤の分解または燃焼により、断面透過式電子顕微鏡で観察可能な虫食穴状空孔構造のシリカ膜として形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多孔質シリカ膜の形成方法。
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