CN101516970A - 有机硅树脂组合物和沟槽隔离的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及有机硅树脂,其特征在于:由下述示性式(1)表示:(H2SiO)n(Si1.5)m(SiO2)k(1);(式(1)中,n、m和k分别为数,n+m+k=1时,n为0.05以上,m超过0但为0.95以下,k为0~0.2),该树脂在120℃下为固态。本发明的有机硅树脂适合在用于形成长宽比较大的沟槽隔离的组合物中使用。

Description

有机硅树脂组合物和沟槽隔离的形成方法
技术领域
本发明涉及用于形成高纯度二氧化硅膜的有机硅树脂组合物以及使用该有机硅树脂组合物的沟槽隔离的形成方法。
背景技术
对于分离将多个元件高密度地集成而形成的半导体装置的元件间的技术,已知有沟槽隔离。沟槽隔离结构主要是通过干法蚀刻在硅基板上挖沟槽,在其中埋入SiO2,最后通过化学机械研磨法(CMP)使其平坦而形成。该沟槽隔离与通过LOCOS(硅的局部氧化)法形成的隔离相比,不会使起因于鸟嘴(bird beak)等的工艺的隔离尺寸增加,因此适合元件的高集成化。
上述结构的沟槽隔离通常按照“初めての半導体プロセス”(前田和夫著,(株)工业调查会,2001年,166~173页)所述的方法等形成。常规的沟槽隔离形成法首先是通过化学气相生长(CVD法)法,在硅基板的上面层合二氧化硅(SiO2)膜和作为氧化掩模的氮化硅(Si3N4)膜。
接着,通过常规的光刻法,用抗蚀剂在氮化硅膜的上面形成具有沟槽图案的蚀刻掩模,通过反应性离子蚀刻等各向异性蚀刻,以贯穿氮化硅膜和氧化硅膜的状态在硅基板上形成沟槽。然后例如通过热氧化法或化学气相生长法在沟槽的内壁形成氧化硅膜,接着,例如通过化学气相生长法在沟槽的内部和氮化硅膜的上面形成氧化硅堆积层。然后,通过化学机械研磨法(CMP)使埋入部分平坦化,形成沟槽隔离。
但是,通过上述形成方法形成的沟槽隔离中,即使通过化学气相生长法在沟槽内部形成覆盖较好的含有二氧化硅的绝缘体,如果沟槽的长宽比(沟槽深度/沟槽宽度)为1以上,则形成的二氧化硅的内部产生局部的气孔。因此,进行之后的热处理步骤时,可能会出现因产生的气孔膨胀而破坏沟槽隔离的情形。
为此,作为局部的气孔发生较少的二氧化硅堆积层的形成方法,采用将臭氧和四乙氧基硅烷(TEOS)的混合气体用作反应气体的化学气相生长法。但是该方法中,在上述长宽比为2以上的沟槽内部形成的二氧化硅堆积层上产生局部的气孔。由该化学气相生长法形成的二氧化硅堆积层比由其它化学气相生长法形成的二氧化硅堆积层的密度低,因此难以形成含有高电阻的二氧化硅的绝缘体。
另外,上述方法中均需要高成本的真空系统装置,因此存在成本上的问题,此外,由于原料为气态,因此有因装置的污染或杂质而导致的成品率降低等需要解决的问题。
近年来,人们提出了使用高分子量液态二氢化硅聚合物作为涂布型的二氧化硅前体的方法(日本特开2007-45859号公报)。该技术是使用高分子量的液态物作为二氧化硅前体,其中,所述高分子量的液态物是将从H2SiCl2的水解缩合产物中除去低沸点成分而得到的作为蒸馏残渣的液态物、或者H2SiCl2的水解缩合物用无机酸进行氧化分支而得到的。日本特开2007-45859号公报中记载:实施例中,使用重均分子量超过500,000的超高分子量的二氧化硅前体时,可得到良好的结果,但所述含有超高分子量的涂布型组合物容易产生涂布不均,具有难以确保所得二氧化硅膜的膜厚的均匀性的缺点。
发明内容
本发明鉴于上述状况而设,其目的在于提供用于形成不含有有机成分的高纯度的二氧化硅膜的组合物,同时提供使用该组合物形成长宽比大的沟槽隔离的方法。
本发明的又一目的在于提供与使用CVD法或溅射法等真空系统的方法不同、通过简单的操作或装置、以高成品率或高的形成速度形成沟槽隔离的形成方法。
根据本发明,本发明的上述目的和优点的第一方面通过有机硅树脂来实现,该有机硅树脂由下述示性式(1)表示,在120℃下为固态:
(H2SiO)n(HSiO1.5)m(SiO2)k    (1)
(式(1)中,n、m和k分别为数,n+m+k=1时,n为0.05以上,m超过0但为0.95以下,k为0~0.2)。
根据本发明,本发明的上述目的和优点的第二方面通过有机硅树脂的制备方法来实现,该方法是制备上述有机硅树脂的方法,是在有机溶剂中、在碱性或中性条件下,使下述式(2)所示的硅化合物缩合:
Figure A20078003446100061
(式(2)中,x表示3~25的整数)。
根据本发明,本发明的上述目的和优点的第三方面通过有机硅树脂的制备方法来实现,该方法是制备上述有机硅树脂的方法,是在有机溶剂和水的存在下,使下述式(3)所示的硅化合物反应:
H2SiX2    (3)
(式(3)中,X为卤素原子或酰氧基)。
根据本发明,本发明的上述目的和优点的第四方面通过有机硅树脂组合物来实现,该有机硅树脂组合物含有上述有机硅树脂和有机溶剂。
根据本发明,本发明的上述目的和优点的第五方面通过二氧化硅膜的形成方法来实现,该方法是涂布上述有机硅树脂组合物,形成涂膜,对该涂膜实施选自热处理和光处理的至少一种的处理,由此将该涂膜变换为二氧化硅的膜。
根据本发明,本发明的上述目的和优点的第六方面通过沟槽隔离的形成方法来实现,该方法是在具有沟槽的硅基板上涂布上述有机硅树脂组合物,填充沟槽内,形成涂膜,对该涂膜实施选自热处理和光处理的至少一种的处理,由此至少使沟槽内的填充部变换为二氧化硅。
本发明的其它目的和优点根据以下说明可以明确。
附图简述
图1是合成例1得到的有机硅树脂(环状聚硅氧烷)的1H-NMR谱图。
图2是合成例1得到的与上述相同的有机硅树脂的29Si-NMR谱图。
图3是合成例2得到的有机硅树脂(聚合后的聚硅氧烷)的1H-NMR谱图。
图4是合成例2得到的与上述同样的有机硅树脂的29Si-NMR谱图。
图5是合成例11得到的与上述同样的有机硅树脂的29Si-NMR谱图。
图6是实施例10的表示沟槽内部的埋入截面的扫描式电子显微镜(SEM)照片。
实施发明的最佳方式
以下,详述本发明。
<有机硅树脂>
本发明的有机硅树脂由上述(1)的示性式表示。其结构可以是直链状、支链状、环状、笼状等结构。
由上述(1)的示性式所示的本发明的有机硅树脂中,当n+m+k=1时,n为0.05以上,m超过0但为0.95以下,k为0~0.2。n优选为0.2以上,更优选为0.2~0.5。n小于0.05时,将本发明的有机硅树脂溶解于溶剂中、作为组合物使用时,对溶剂的溶解性不足,特别是采用旋涂的涂布法时,容易产生条纹(striation)等的成膜异常。另外m超过0但为0.95以下,优选为0.1~0.8,更优选为0.5~0.8。m比0.95大时,在将本发明的有机硅树脂溶解于溶剂中制成组合物时,其保存稳定性差,存在保存中容易发生凝胶化的现象。k为0~0.2,优选为0.1以下,特别优选为0。k比0.2大时,将本发明的有机硅树脂溶解于溶剂中制成组合物时,其保存稳定性差,存在保存中容易发生凝胶化的现象。
本发明的有机硅树脂的分子量(是指经凝胶渗透色谱(GPC)测定的、经聚苯乙烯换算的重均分子量。以下也相同)优选为200~500,000,更优选为1,000~100,000,进一步优选为2,000~50,000。
本发明的有机硅树脂可溶解于常用的有机溶剂。为此如后所述,可以制备含有本发明的有机硅树脂和有机溶剂的组合物,适合用作涂布型的二氧化硅前体。
本发明的有机硅树脂在120℃下为固态。因此,将本发明的有机硅树脂溶解于溶剂中制成的组合物涂布在基板上后,如果先除去溶剂,则除去溶剂后的涂膜物理性稳定,因此与以往已知的二氧化硅前体(大多数在除去溶剂后仍为液体状)相比,在接下来进行的至加热步骤或光照射步骤为止的操作性方面具有很大优点。
并且,本发明的有机硅树脂,其Si-OH含量相对于Si-O键的总量优选为5%以下,更优选为3%以下。其中,Si-O键的总量是指Si-O-Si中所含的Si-O键和Si-OH中所含的Si-O键的总量。有机硅树脂中Si-OH键超过上述比例存在时,则存在有机硅树脂或者含有该有机硅树脂的有机硅树脂组合物的保存稳定性不足的情形,另外,对使用所述有机硅树脂得到的二氧化硅膜施加压缩应力,则膜容易产生裂隙,但本发明的有机硅树脂不会发生上述问题。该Si-OH含量可由对有机硅树脂测定的29Si-NMR谱的积分值求出。
<有机硅树脂的制备方法>
如上所述,本发明的有机硅树脂优选通过以下的任意方法制备。
方法(A):在有机溶剂中、在碱性或中性条件下使上述式(2)所示的硅化合物缩合的方法。
方法(B):在有机溶剂和水的存在下,使上述式(3)所示的硅化合物反应的方法。
以下,对上述方法依次进行说明。
方法(A)
用于制备本发明的有机硅树脂的第1优选方法是在有机溶剂中、在碱性或中性条件下使上述式(2)所示的硅化合物进行缩合的方法。
上述式(2)中,x优选为3~15,更优选为3~8。
方法(A)中使用的上述式(2)所示的硅化合物可通过在有机溶剂中将二氯硅烷水解、缩合来合成。水解、缩合时,除有机溶剂和水以外,可以加入催化剂等第3成分。
其中,可以使用的溶剂只要是不与上述式(2)所示的硅合物和有机硅树脂成分以及任意加入的第3成分反应即可,没有特别限定,例如有:卤化烃溶剂、烃溶剂、醚溶剂、极性溶剂等。上述卤化烃溶剂优选氯化烃溶剂,例如有二氯甲烷、氯仿、四氯化碳等;
上述烃溶剂例如有:正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、癸烷、二环戊烷、苯、甲苯、二甲苯、均三甲苯、均四甲苯、茚、四氢化萘、十氢化萘、角鲨烷等;
上述醚溶剂例如有:二乙醚、二丙醚、二丁醚、乙基丁基醚、乙基戊基醚、乙基己基醚、二己醚、二辛醚、乙二醇二甲醚、乙二醇二乙醚、乙二醇甲基乙基醚、二甘醇二甲醚、二甘醇二乙醚、二甘醇甲基乙基醚、双(2-甲氧基乙基)醚、对二噁烷、四氢呋喃等;
上述极性溶剂例如有:碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙腈等。其中,从该溶液的稳定性角度考虑,优选氯化烃溶剂、醚溶剂或烃溶剂。
用于二氯硅烷水解的水量相对于1mol二氯硅烷优选为0.5mol以上但低于5mol,更优选为0.5~3mol,进一步优选为0.9~1.5mol。若水添加量低于0.5%mol,则残留有未反应的氯化合物,不优选。本反应中使用的水量是除明确地添加到反应体系中的水之外,还考虑了二氯硅烷、溶剂、其它第3成分、气氛、使用装置等反应体系中存在或可能混入的所有的水分的值。
二氯硅烷的水解、缩合反应优选在-78至100℃、更优选在-20至50℃的温度下,优选进行0.5~3小时。
上述式(2)所示的硅化合物在室温下为稳定的化合物,但在室温下应用时,优选在上述例举的溶剂的溶液状态下应用、保存,在无溶剂状态下应用、保存时,优选在0℃以下进行。
上述式(2)所示的硅化合物可以蒸馏纯化,优选蒸馏纯化后供给下阶段的反应。通过蒸馏,可以进行脱金属、脱卤素等。若上述式(2)所示的硅化合物含有金属、卤素等杂质,则在保存中进行凝胶化,可能无法获得本发明的有机硅树脂。对上述式(2)所示的硅化合物进行蒸馏纯化时,优选通过蒸馏得到的纯化物也在溶液状态下保管。蒸馏时的减压度优选为常压(1.013×105Pa)以下,蒸馏时的加温温度也优选200℃以下。特别优选的蒸馏条件为5×101~1×104Pa,30~90℃。
上述(1)的示性式所示的本发明的有机硅树脂可以在有机溶剂中、在碱性条件至中性条件下,使上述式(2)所示的硅化合物缩合来生成。
在碱性条件下进行本缩合反应时,可以使用碱催化剂。碱催化剂可以是任意的无机碱和有机碱。无机碱例如有:氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钡、碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸钾等。
有机碱例如有:正己基胺、正庚基胺、正辛基胺、正壬基胺、正癸基胺、环己基胺等直链状、支链状或环状一烷基胺;
二正丁基胺、二正戊基胺、二正己基胺、二正庚基胺、二正辛基胺、二正壬基胺、二正癸基胺、环己基甲基胺、二环己基胺等直链状、支链状或环状的二烷基胺;
三乙胺、三正丙基胺、三正丁基胺、三正戊基胺、三正己基胺、三正庚基胺、三正辛基胺、三正壬基胺、三正癸基胺、环己基二甲胺、二环己基甲基胺、三环己基胺等直链状、支链状或环状的三烷基胺;
苯胺、N-甲基苯胺、N,N-二甲基苯胺、2-甲基苯胺、3-甲基苯胺、4-甲基苯胺、4-硝基苯胺、二苯基胺、三苯基胺、萘胺等芳族胺;
乙二胺、N,N,N′,N′-四甲基乙二胺、四亚甲基二胺、1,6-己二胺、4,4′-二氨基二苯基甲烷、4,4′-二氨基二苯基醚、4,4′-二氨基二苯甲酮、4,4′-二氨基二苯基胺、2,2-双(4-氨基苯基)丙烷、2-(3-氨基苯基)-2-(4-羟基苯基)丙烷、2-(4-氨基苯基)-2-(3-羟基苯基)丙烷、2-(4-氨基苯基)-2-(4-羟基苯基)丙烷、1,4-双[1-(4-氨基苯基)-1-甲基乙基]苯、1,3-双[1-(4-氨基苯基)-1-甲基乙基]苯等二胺;
咪唑、苯并咪唑、4-甲基咪唑、4-甲基-2-苯基咪唑等咪唑;
吡啶、2-甲基吡啶、4-甲基吡啶、2-乙基吡啶、4-乙基吡啶、2-苯基吡啶、4-苯基吡啶、2-甲基-4-苯基吡啶、烟碱、烟酸、烟酰胺、喹啉、4-羟基喹啉、8-羟基喹啉、吖啶等吡啶;哌嗪、1-(2-羟基乙基)哌嗪等哌嗪,除此之外还有吡嗪、吡唑、哒嗪、喹喔啉(キノザリン)、嘌呤、吡咯烷、哌啶、吗啉、4-甲基吗啉、1,4-二甲基哌嗪、1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷等其它含氮杂环化合物等。
这些碱催化剂可以单独或将2种以上混合使用。
这些碱催化剂的使用量是相对于100重量份上述式(2)所示的硅化合物优选为0.01重量份以下。
上述式(2)所示的硅化合物在缩合时所使用的有机溶剂只要不与上述式(2)所示的硅化合物和生成的有机硅树脂成分以及任意使用的碱催化剂反应即可,没有特别限定。例如可以是二氯甲烷、氯仿、四氯化碳等氯化烃溶剂;
正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、癸烷、二环戊烷、苯、甲苯、二甲苯、均四甲苯、茚、四氢化萘、十氢化萘、角鲨烷等烃溶剂;
二乙醚、二丙醚、二丁醚、乙基丁基醚、乙基戊基醚、乙基己基醚、乙二醇二甲醚、乙二醇二乙醚、乙二醇甲基乙基醚、二甘醇二甲醚、二甘醇二乙醚、二甘醇甲基乙基醚、双(2-甲氧基乙基)醚、对二噁烷、四氢呋喃等醚溶剂;
碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙腈等极性溶剂等。其中,从该溶液的稳定性的角度考虑,优选氯化烃溶剂、醚溶剂或烃溶剂。
溶剂的使用量相对于100重量份所使用的上述式(2)所示的硅化合物优选为100~10,000重量份。
本缩合反应可在-50℃至200℃的温度范围内进行,优选在0℃~100℃下反应。缩合反应的时间优选为0.5~3小时。
上述方法(A)通过控制水的添加量可以使上述式(1)中的n、m和k的值为所希望的值。例如如果减少水的添加量,则可以使n的值更大;如果增加水的添加量,则可以使m的值更大。
方法(B)
本发明的用于制备有机硅树脂的第二优选方法是在有机溶剂和水的存在下,使上述式(3)所示的硅化合物反应的方法。反应时可以根据需要加入催化剂等第3成分。
上述式(3)中的X的酰氧基例如有乙酰氧基等。上述式(3)中的X优选为卤素原子,特别优选为氯原子。
其中,可使用的溶剂有醚溶剂、芳族烃溶剂等,作为其具体例子,醚溶剂例如有:二乙醚、二丁醚、二己醚等;
芳族烃溶剂例如有:苯、甲苯、二甲苯、均三甲苯等。
反应中所使用的水的量是相对于1mol上述式(3)所示的化合物优选为5~25mol,更优选为5~15mol。本反应中使用的水的量是除添加的水之外,还考虑了上述式(3)所示的化合物、溶剂、其它第3成分、气氛、使用装置等反应体系中存在或可能混入的所有的水分的值。
方法(A)中的由二氯硅烷获得上述式(2)所示的硅化合物的水解、缩合反应、以及方法(B)中的由上述式(3)所示的硅化合物获得上述(1)的示性式所示的有机硅树脂的反应均为类似的水解、缩合反应,但通过控制水的添加量可以发生所需的反应。例如即使使用相同的二氯硅烷作为起始原料时,若相对于1mol二氯硅烷,水的添加量低于5mol,则可优先获得上述式(2)所示的硅化合物;偌该值为5mol以上,则可优先获得上述(1)的示性式所示的有机硅树脂。
上述方法(B)适合在为了获得上述式(1)中n+m+k=1时、n为0.5以上、m超过0但为0.3以下、k为0~0.2的示性式所示的有机硅树脂时采用。
<有机硅树脂组合物>
如上所述,本发明的有机硅树脂组合物含有上述(1)的示性式所示的有机硅树脂和有机溶剂,还可以根据需要任意含有其它成分。
有机硅树脂可以以上述式(1)中的n、m和k的值以及分子量相等的单一物质的形式含有,也可以以其中1种以上的值不同的2种以上化学种类的混合物的形式含有。
上述其它成分例如有:下述式(4)所示的有机硅化合物、胶体状二氧化硅、金属氧化物的微粉末、表面活性剂等。
(HSiO1.5)j    (4)
(式(4)中,j为8、10、12、14和16中的任意整数)。
上述式(4)所示的有机硅化合物可以用于调节本发明的组合物的硅含量浓度或调节组合物粘度而使用。本发明的有机硅树脂组合物含有上述式(4)所示的有机硅化合物时,其含量相对于100重量份有机硅树脂为30重量份以下,更优选为20重量份以下。
上述胶体状二氧化硅可用于调节有机硅树脂组合物的动态粘弹性特性。本发明的有机硅树脂组合物含有胶体状二氧化硅时,其含量相对于100重量份有机硅树脂优选为30重量份以下,更优选为20重量份以下。胶体状二氧化硅优选以可用于本发明的有机硅树脂的溶剂的形式、以分散于后述的有机溶剂中的状态添加。
上述金属氧化物的微粉末可用于防止有机硅树脂组合物的凝胶化、或提高粘度、或者提高所得二氧化硅膜的耐热性、耐化学试剂性、硬度、与基板的贴合性、以及防静电。可使用的金属氧化物的种类例如有氧化铝、氧化锆、氧化钛等。微粉末的粒径是其数均直径优选为10~50nm。本发明的有机硅树脂组合物含有金属氧化物的微粉末时,其含量相对于100重量份有机硅树脂优选为20重量份以下,更优选为10重量份以下。
上述表面活性剂可以是阳离子系、阴离子系、双离子系或非离子系。其中,非离子系表面活性剂使有机硅树脂组合物与基板的湿润性(濡れ性)更为良好,可以使涂膜的均涂性更为良好,防止产生颗粒状的涂膜,防止发生橘皮样的涂膜等,因此可优选使用。所述非离子性表面活性剂例如有:具有氟化烷基或全氟烷基的氟系表面活性剂、或具有氧烷基的聚醚烷基系表面活性剂。
上述氟系表面活性剂例如有:エフトツプEF301、エフトツプEF303、エフトツプEF352(新秋田化成(株)制备)、メガフアツクF171、メガフアツクF173(大日本油墨(株)制备)、アサヒガ一ドAG710(旭硝子(株)制备)、フロラ一ドFC-170C、フロラ一ドFC430、フロラ一ドFC431(住友3M(株)制备)、サ一フロンS-382、サ一フロンSC101、サ一フロンSC102、サ一フロンSC103、サ一フロンSC104、サ一フロンSC105、サ一フロンSC106(旭硝子(株)制备)、BM-1000、BM-1100(B.M-Chemie公司制备)、Schsego-Fluor(Schwegmann公司制备)、C9F19CONHC12H25、C8F17SO2NH-(C2H4O)6H、C9F17O(プルロニツクL-35)C9F17、C9F17O(プルロニツクP-84)C9F17、C9F17O(テトロニツク704)(C9F17)2等。(其中,プルロニツクL-35:旭电化工业(株)制备,聚氧丙烯/聚氧乙烯嵌段共聚物,平均分子量1,900;プルロニツクP-84:(株)ADEKA制备,聚氧丙烯/聚氧乙烯嵌段共聚物,平均分子量4,200;テトロニツク704:(株)ADEKA制备,N,N,N,′N′-四(聚氧丙烯/聚氧乙烯嵌段共聚物,平均分子量5,000)。
上述聚醚烷基系表面活性剂例如有:聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烯丙基醚、聚氧乙烯烷基酚醚、聚氧乙烯脂肪酸酯、失水山梨糖醇脂肪酸酯、聚氧乙烯失水山梨糖醇脂肪酸酯、聚氧乙烯氧丙烯嵌段聚合物等。这些聚醚烷基系表面活性剂的具体例子有:エマルゲン105、エマルゲン430、エマルゲン810、エマルゲン920、レオド一ルSP-40S、レオド一ルTW-L120、エマノ一ル3199、エマノ一ル4110、エキセルP-40S、ブリツジ30、ブリツジ52、ブリツジ72、ブリツジ92、アラツセル20、エマゾ一ル320、ツイ一ン20、ツイ一ン60、マ一ジ45(均为(株)花王制备)、ノニボ一ル55(三洋化成(株)制备)等。
上述以外的非离子性表面活性剂例如有:聚氧乙烯脂肪酸酯、聚氧乙烯失水山梨糖醇脂肪酸酯、聚氧化烯烃嵌段共聚物等,具体有ケミスタツト2500(三洋化成工业(株)制备)、SN-EX9228(サンノプコ(株)制备,ノナ一ル530)(东邦化学工业(株)制备)等。上述表面活性剂的用量相对于100重量份有机硅树脂优选为10重量份以下,特别优选为0.1~5重量份。其中,超过10重量份,则所得的有机硅树脂组合物容易发泡,同时容易发生热变色,不优选。
本发明的有机硅树脂组合物中使用的有机溶剂只要可以溶解或分散上述(1)的示性式所示的有机硅树脂以及任意使用的其它成分、且不与它们反应即可,没有特别限定。所述有机溶剂例如有烃溶剂、醚溶剂、极性溶剂等,其具体例子如下:烃溶剂例如有正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、癸烷、二环戊烷、苯、甲苯、二甲苯、均三甲苯、茚、四氢化萘、十氢化萘、角鲨烷等;
醚溶剂例如有:二乙醚、二丙醚、二丁醚、乙基丁基醚、乙基戊基醚、乙基己基醚、二己醚、二辛醚、乙二醇二甲醚、乙二醇二乙醚、乙二醇甲基乙基醚、二甘醇二甲醚、二甘醇二乙醚、二甘醇甲基乙基醚、双(2-甲氧基乙基)醚、对二噁烷、四氢呋喃等;
极性溶剂例如有:碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙腈等。其中,从所得有机硅树脂组合物的稳定性角度考虑,优选醚溶剂或烃溶剂。这些有机溶剂可以单独或以2种以上的混合物的形式使用。有机溶剂的使用量可根据所需二氧化硅膜的膜厚适当调整,优选相对于100重量份有机硅树脂为100,000重量份以下,特别优选为400~50,000重量份。若有机溶剂的用量超过100,000重量份,则有涂布液的成膜困难的情形,不优选。本发明的有机硅树脂组合物优选不含有水。
本发明的有机硅树脂组合物中,固形成分浓度(有机硅树脂组合物的溶剂以外的成分相对于组合物总量所占的比例)优选为0.1~25%(重量),更优选为2~20%(重量)。
本发明的有机硅树脂组合物的氯含量优选为5ppm以下,更优选为1ppm以下。从形成中氧化硅膜的绝缘性的角度考虑,用于形成二氧化硅膜的组合物优选氯含量少。但是,为合成二氧化硅的前体组合物而使用的原料化合物大多具有氯原子,降低组合物中的氯含量在以往是很困难的。本发明中,通过采用上述(A)的方法作为所含的有机硅树脂的合成方法,可以容易地实现上述的氯含量。
如上所述,本发明的有机硅树脂组合物可适合用于二氧化硅膜的形成以及沟槽隔离的形成。
<二氧化硅膜的形成方法>
本发明的二氧化硅膜的形成方法可以是在基板上涂布上述有机硅树脂组合物,形成涂膜,对该涂膜实施选自热处理和光处理的至少一种的处理,将该涂膜变换为二氧化硅的膜来进行。
上述基板例如有:硅基板、玻璃基板、玻璃/环氧基板、合成树脂制的基板等。构成合成树脂制的基板的材料例如有:聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚(环烯烃)或其氢化添加物等。
对有机硅树脂组合物在基板上的涂布方法没有特别限定,例如可采用旋涂、喷涂、幕涂、棒涂、印刷法、喷墨涂布等方法。在半导体用途中优选旋涂法。对涂布环境没有特别限定,例如可在氮、氩、氦等惰性气氛中,在含有氢的还原性气体气氛中,在常规的空气气氛中等氧化性气氛中等适当的环境下进行涂布。
涂布后,优选通过加热除去溶剂,由此可在基板上形成涂膜。该加热处理优选在40~300℃、更优选在50~200℃的温度下,优选进行0.5~300分钟、更优选1~30分钟。除去溶剂后的涂膜的膜厚优选为1~10,000nm,更优选为5~800nm。
上述热处理可以使用热板、烘箱等常规的加热装置来进行。热处理温度优选为100~1,000℃,更优选为200~900℃,进一步优选为300~800℃。热处理时间优选为1~300分钟,更优选为5~120分钟,进一步优选为10~60分钟。若处理温度比100℃低,则膜密度降低,存在有机硅树脂膜的二氧化硅膜化反应不充分的情形,而处理温度比1,000℃高时,所得二氧化硅膜会产生裂隙,不优选。此外,若处理时间比1分钟短,则有氧化反应不充分的情形,而超过300分钟则无需进行长时间加热处理。热处理优选在氮等惰性气氛中或空气中等氧化性气氛中进行。也可以将在氮中以一定温度进行的热处理与在空气中以一定温度进行的热处理组合来进行。
上述光处理时,除可使用可见光、紫外线、远紫外线等之外,也可以使用低压或高压汞灯或氘灯;氩、氪、氙等稀有气体的放电光;YAG激光、氩激光、二氧化碳激光、XeF、XeCl、XeBr、KrF、KrCl、ArF、ArCl等的准分子激光等作为光源。这些光源优选使用10~5,000W的输出功率,100~1,000W左右即足够。这些光的波长只要可以稍被组合物或涂膜中的有机硅树脂吸收即可,没有特别限定,优选170~600nm。照射量优选为0.1~1,000J/cm2,更优选为1~100J/cm2。光照射处理时的优选气氛根据照射的光的波长而不同,为波长低于220nm的光时,优选在氮中等惰性气氛中进行,波长为220nm以上时,优选在空气中等氧化性气氛中进行。
上述热处理和光处理可以结合使用。这种情况下,两种处理可以依次进行也可以同时进行。将两种处理同时进行时的温度优选为室温~500℃,处理时间为0.1~60分钟左右。
优选可形成膜厚为1~9,000nm,更优选可形成膜厚为3~700nm的二氧化硅膜。通过本发明的方法形成的二氧化硅膜与通过以往已知的方法形成的氧化膜相比,膜应力方面优异,适合用于层间绝缘膜、硬质涂层材料、玻璃涂层材料等用途。
<沟槽隔离的形成方法>
本发明的沟槽隔离的形成方法是通过在具有沟槽的硅基板上涂布上述有机硅树脂组合物,填充在沟槽内,形成涂膜,对该涂膜实施选自热处理和光处理的至少一种的处理,至少将沟槽内的填充部变换为二氧化硅来进行。
在硅基板上形成沟槽的方法可以采用公知的方法,例如在基板上堆积由掩模氮化膜/衬垫(pad)氧化膜形成的绝缘膜,接着将其蚀刻成图案状的方法等。沟槽宽度优选为30~100,000nm,更优选为50~50,000nm。沟槽的长宽比(将沟槽的深度除以沟槽的宽度所得的值)优选为50以下,更优选为10以下。以往已知的沟槽隔离的形成方法中,若沟槽的长宽比为2以上,则有沟槽埋入部的二氧化硅的密度不足,埋入部的电阻率不足,或者沟槽埋入部产生气孔的情形,有成品率低的问题,但本发明的沟槽隔离的形成方法中,即使是具有长宽比为2以上、进一步优选为2.5以上、特别是3以上的沟槽的基板,埋入部也不会产生气孔,具有可埋入高密度的二氧化硅的优点。
要形成的具有沟槽的硅基板的涂膜的面可以是平面也可以是有高低差的非平面,对其形态没有特别限定。
在具有沟槽的硅基板上涂布本发明的有机硅树脂组合物时的气氛与上述本发明的二氧化硅膜的形成方法时相同。在具有沟槽的硅基板上涂布本发明的有机硅树脂组合物时,是以使沟槽内被上述有机硅树脂组合物填充的形式进行涂布。用于实现上述方案的涂布的涂布方法可以例举与二氧化硅膜的形成方法中的涂布方法同样的方法,其中优选旋涂法或喷涂法。
涂布后优选通过加热除去溶剂,在基板上形成涂膜。该加热处理优选在40~300℃、更优选在50~200℃的温度下,优选进行0.5~300分钟、更优选进行1~30分钟。除去溶剂后的涂膜的膜厚(基板中被称为沟槽以外的部分所形成的膜的厚度)优选为5~10,000nm,更优选为25~500nm。
接着,对如上形成的涂膜进行选自热处理和光处理的至少一种的处理,至少将沟槽内的填充部变换为二氧化硅。该热处理和光处理可按照与上述本发明的二氧化硅膜形成方法时同样进行。其中,沟槽隔离的形成中,同时进行热处理和光处理时的处理时间为0.1~30分钟左右。
通过光照射进行有机硅树脂向二氧化硅的变换时,通过使用具有所需图案的掩模等方法,对涂膜的一部分进行选择性光照射,由此可以只在任意的部分形成沟槽隔离。
本发明的沟槽隔离的形成方法具有以下优点:与具有沟槽的基板的面积或形状无关,并且沟槽的长宽比高时,也可以用没有局部性的气孔的、高密度二氧化硅埋入沟槽内。通过本发明的方法形成的沟槽隔离适合用于制备要求高可靠性的电子装置。
实施例
以下通过实施例详述本发明。本发明并不受这些实施例的任何限定。
I.通过方法(A)合成有机硅树脂并进行评价
合成例1
<上述式(2)所示的硅化合物的合成例>
在500mL的四颈烧瓶中装设双电容器、空气导入管、温度计和隔膜,在氮气氛中加入200mL二氯甲烷。将该反应体系用干冰/丙酮浴冷却至-60℃,然后用针筒注入18.7g(185mmol)液化的H2SiCl2,在相同温度(-60℃)下用3分钟滴加3.16mL(175mmol)蒸馏水,然后用2小时将反应体系的温度升温至室温。进一步保持在室温下搅拌1小时。然后将反应液转移至分液漏斗,将二氯甲烷层用100mL蒸馏水清洗5次,用硫酸镁干燥,然后过滤,由此获得含有硅化合物(2-1)的溶液。对于含有该硅化合物(2-1)的溶液进行1H-NMR和29Si-NMR的测定。在1H-NMR测定(图1)中,在4.8ppm~4.6ppm的区域中观察到来自Si-H2的多个峰,除此之外并未观察到来自溶剂以外的峰。在29Si-NMR测定(图2)中,在-46.9ppm、-48.6ppm和-48.9ppm处观察到来自[SiH2O]结构的峰,在其它的位置未观察到峰。
接着,将含有上述硅化合物(2-1)的溶液在常压下加温至40℃,馏去二氯甲烷,将液体浓缩至约15mL。接着将该浓缩液在66.6Pa(0.5mmHg)的压力下升温至80℃,进行减压蒸馏,由此得到11.4g含有硅化合物(2-1)的蒸馏液。蒸馏残余物为1.7g。对这里所得的蒸馏液进行1H-NMR和29Si-NMR以及GC-MS的测定。在1H-NMR测定中,在4.8ppm~4.6ppm、主要是4.7ppm~4.6ppm的区域中观察到来自Si-H2的峰。由在4.8ppm~4.6ppm的区域中出现的来自Si-H2的峰、和来自二氯甲烷的峰的积分比表明:该蒸馏液中溶解了55%(重量)硅化合物(2-1)。在29Si-NMR测定中,在-46.9ppm、-48.6ppm和-48.9ppm处观察到来自[SiH2O]结构的峰,在其它位置未观察到峰。在GC-MS的分析中,检测出[SiH2O]4:m/z 183(M+-H)、[SiH2O]5:m/z 229(M+-H)、[SiH2O]6:m/z 275(M+-H)、[SiH2O]7:m/z 321(M+-H)。
对于硅化合物(2-1),通过29Si-NMR测定缩合度时,确认到硅化合物(2-1)是缩合度(上述式(2)中的x的值)为4~7的化合物的混合物。
合成例2
<上述(1)的示性式所示的有机硅树脂的合成例>
在大气中,向50mL茄形烧瓶中加入5g含有上述合成例1所得的硅化合物(2-1)的蒸馏液(含有55%(重量)的硅化合物(2-1))和5g二氯甲烷,在室温下搅拌。然后将三乙胺溶解于二氯甲烷中,制成浓度0.1%(重量)的溶液,向5.9mL该溶液中进一步加入0.02g蒸馏水,将所得混合溶液用3分钟滴加到上述茄形烧瓶中,然后在室温下搅拌14小时。之后向反应液中加入1%(重量)草酸水溶液,中止反应。将反应液转移至分液漏斗,加入30mL正丁基醚进行萃取,再次向有机层中加入1%(重量)草酸水溶液进行分液,再将有机层用蒸馏水洗涤3次,然后馏去溶剂,用正丁基醚进行3次通过减压馏去进行的溶剂置换操作,由此得到27g均匀透明的、含有有机硅树脂(1-1)的正丁基醚溶液。
对于含有该有机硅树脂(1-1)的正丁基醚溶液进行1H-NMR、29Si-NMR的测定。在1H-NMR测定(图3)中,在4.8ppm~4.6ppm的区域中观察到来自Si-H2的宽峰,在4.5ppm~4.3ppm区域中观察到来自Si-H的宽峰,双方的积分比为62∶38。而在29Si-NMR测定(图4)中,在-47ppm至-51ppm区域中观察到H2Si(-O)2的峰,以及在-80ppm至-87ppm的区域中观察到HSi(-O)3的峰,双方的积分比为43∶57。
对于该含有有机硅树脂(1-1)的正丁基醚溶液,通过气体燃烧吸收法的离子色谱分析测定溶液中的氯浓度时,溶液中的氯浓度为测定法的检测下限1ppm以下。
取少量该含有有机硅树脂(1-1)的正丁基醚溶液,通过减压馏去溶剂时,得到白色的固态物。将该固态物加热至120℃,但固体未熔融。
对于该有机硅树脂(1-1),通过GPC测定的、经聚苯乙烯换算的重均分子量为10,000。
上述得到的含有有机硅树脂(1-1)的正丁基醚溶液在室温(25℃)下静置过夜保存时,外观上未见变化,保存稳定性良好。
合成例3
<上述式(2)所示的硅化合物的合成例>
在500mL的四颈烧瓶中装设双电容器、空气导入管、温度计和隔膜,在氮气氛中加入200mL甲苯。将该反应体系用干冰/丙酮浴冷却至-60℃,然后用针筒注入24.3g(240mmol)液化的H2SiCl2,在相同温度(-60℃)下用3分钟滴加4.10mL(228mmol)蒸馏水,然后用2小时升温至室温。进一步在室温下搅拌1小时。然后将反应液转移至分液漏斗,将甲苯层用100mL蒸馏水清洗5次,用硫酸镁干燥,然后过滤,由此获得含有硅化合物(2-2)的溶液。接着,对该含有硅化合物(2-2)的溶液进行1H-NMR的测定时,在4.8ppm~4.6ppm的区域中观察到来自Si-H2的多个峰,除此之外并未观察到来自溶剂以外的峰。
接着,对该含有硅化合物(2-2)的溶液以2.0×104Pa(150mmHg)、在80℃下,进一步以66.6Pa(0.5mmHg)升温至80℃,进行减压蒸馏,由此得到198g含有硅化合物(2-2)的蒸馏液。蒸馏残余物为3.1g。对于该含有硅化合物(2-2)的蒸馏液进行1H-NMR测定时,在4.8ppm~4.7ppm的区域中观察到来自Si-H2的峰。由在4.8ppm~4.7ppm区域中出现的来自Si-H2的峰、和来自甲苯的峰的积分比表明:该蒸馏液中溶解了3.0%(重量)硅化合物(2-2)。
通过29Si-NMR对硅化合物(2-2)测定缩合度时,确认到硅化合物(2-2)是缩合度为3~7的化合物的混合物。
合成例4
<上述(1)的示性式所示的有机硅树脂的合成例>
在大气中,取50g上述合成例3得到的含有硅化合物(2-2)的蒸馏液(含有3.0%(重量)硅化合物(2-2))加入到50mL茄形烧瓶中,在室温中搅拌,同时,将1%(重量)三乙胺溶解于甲苯中,向所得0.33mL溶液中进一步加入0.01g蒸馏水,将所得混合溶液用3分钟时间滴加到上述茄形烧瓶中,然后在室温下进一步搅拌16小时。
然后向反应液中加入1%(重量)草酸水溶液,中止反应。将反应液转移至分液漏斗,加入30mL正丁基醚进行萃取,向有机层中加入1%(重量)草酸水溶液进行分液,然后将有机层用蒸馏水洗涤3次。之后馏去溶剂,使用正丁基醚进行3次通过减压馏去进行的溶剂置换操作,由此得到14.3g均匀透明的、含有有机硅树脂(1-2)的正丁基醚溶液。
对该含有有机硅树脂(1-2)的正丁基醚溶液进行1H-NMR和29Si-NMR的测定。在1H-NMR测定中,在4.8ppm~4.6ppm的区域中观察到来自Si-H2的宽峰,在4.5ppm~4.3ppm的区域中观察到来自Si-H的宽峰,双方的积分比为68∶32。在29Si-NMR测定中,在-47ppm至-51ppm区域中观察到H2Si(-O)2的峰,以及在-80ppm至-87ppm的区域中观察到HSi(-O)3的峰,双方的积分比为51∶49。
对于含有有机硅树脂(1-2)的正丁基醚溶液,通过气体燃烧吸收法的离子色谱分析测定溶液中的氯浓度时,得知溶液中的氯浓度为测定法的检测下限1ppm以下。
取少量该含有有机硅树脂(1-2)的正丁基醚溶液,通过减压馏去溶剂时,得到白色的固态物。将该固态物加热至120℃,但固体未熔融。
对于该有机硅树脂(1-2),通过GPC测定的、经聚苯乙烯换算的重均分子量为40,000。
对这里得到的含有有机硅树脂(1-2)的正丁基醚溶液,通过ICP-MS进行金属含量分析。分析结果如表1所示。金属含量的单位为ppb,“ND”表示该金属含量为装置测定下限以下。
表1
  测定元素   Li   Na   Mg   Al   K   Ca   Fe   Zn   Cu   Cr   Mn   Ni
  金属含量   ND   2.2   1.6   0.6   0.3   1.9   0.6   0.3   ND   0.1   ND   0.5
上述得到的含有有机硅树脂(1-2)的正丁基醚溶液在室温下静置过夜保存时,外观未见变化,保存稳定性良好。
合成例5
<上述式(2)所示的硅化合物的合成例>
在500mL的四颈烧瓶中装设双电容器、空气导入管、温度计和隔膜,在氮气氛中加入200mL正丁基醚。将该反应体系用干冰/丙酮浴冷却至-60℃,然后用针筒注入24.3g(240mmol)液化的H2SiCl2,在相同温度(-60℃)下用3分钟滴加4.10mL(228mmol)蒸馏水,然后用2小时升温至室温。进一步在室温下搅拌1小时。然后将反应液转移至分液漏斗,将正丁基醚层用100mL蒸馏水清洗5次,接着用硫酸镁干燥,然后过滤,由此获得含有硅化合物(2-3)的溶液。对该含有硅化合物(2-3)的溶液进行1H-NMR测定时,在4.8ppm~4.6ppm的区域中观察到来自Si-H2的多个峰,除此之外并未观察到来自溶剂以外的峰。
接着,对含有硅化合物(2-3)的溶液以2.0×104Pa(150mmHg)、在80℃下,进一步以66.6Pa(0.5mmHg)升温至80℃,进行减压蒸馏,由此得到213g含有硅化合物(2-3)的蒸馏液。蒸馏残余物为3.7g。对于该含有硅化合物(2-3)的蒸馏液进行1H-NMR测定时,在4.8ppm~4.7ppm的区域中观察到来自Si-H2的峰。由在4.8ppm~4.7ppm区域中出现的来自Si-H2的峰、和来自正丁基醚的峰的积分比表明:该蒸馏液中溶解了2.7%(重量)硅化合物(2-3)。
通过29Si-NMR对硅化合物(2-3)测定缩合度时,确认到硅化合物(2-3)是缩合度为3~7的化合物的混合物。
合成例6
<上述(1)的示性式所示的有机硅树脂的合成例>
在大气中,取55g上述合成例5得到的含有硅化合物(2-3)的蒸馏液(含有2.7%(重量)硅化合物(2-3))加入到50mL茄形烧瓶中,在室温中搅拌,同时,将1%(重量)三乙胺溶解于正丁基醚中,向所得0.33mL溶液中进一步加入0.005g蒸馏水,将所得混合溶液用3分钟时间滴加到上述茄形烧瓶中,然后在室温下搅拌16小时。
然后向反应液中加入1%(重量)草酸水溶液,中止反应。将反应液转移至分液漏斗,加入30mL正丁基醚进行萃取,向有机层中加入1%(重量)草酸水溶液进行分液,然后用蒸馏水洗涤3次,馏去溶剂。接着使用正丁基醚进行3次通过减压馏去进行的溶剂置换操作,由此得到13.8g均匀透明的、含有有机硅树脂(1-3)的正丁基醚溶液。
对该含有有机硅树脂(1-3)的正丁基醚溶液进行1H-NMR和29Si-NMR的测定。在1H-NMR测定中,在4.8ppm~4.6ppm的区域中观察到来自Si-H2的宽峰,在4.5ppm~4.3ppm的区域中观察到来自Si-H的宽峰,双方的积分比为68∶32。在29Si-NMR测定中,在-47ppm至-51ppm区域中观察到H2Si(-O)2的峰,和在-80ppm至-87ppm的区域中观察到HSi(-O)3的峰,双方的积分比为51∶49。
对于该含有有机硅树脂(1-3)的正丁基醚溶液,通过气体燃烧吸收法的离子色谱分析测定溶液中的氯浓度时,得知溶液中的氯浓度为测定法的检测下限1ppm以下。
取少量该含有有机硅树脂(1-3)的正丁基醚溶液,通过减压馏去溶剂时,得到白色的固态物。将该固态物加热至120℃,但固体未熔融。
对于该有机硅树脂(1-3),通过GPC测定的、经聚苯乙烯换算的重均分子量为8,000。
上述得到的含有有机硅树脂(1-3)的正丁基醚溶液在室温下静置过夜保存时,外观未见变化,保存稳定性良好。
合成例7
<上述式(2)所示的硅化合物的合成例>
在1L的四颈烧瓶中装设双电容器、空气导入管、温度计和隔膜,在氮气氛中加入400mL正丁基醚。将该反应体系用干冰/丙酮浴冷却至-20℃,然后用针筒注入84g(820mmol)液化的H2SiCl2,在相同温度(-20℃)下用60分钟滴加14.8mL(820mmol)蒸馏水,然后搅拌1小时。将反应液转移至分液漏斗,用400mL蒸馏水清洗4次,用硫酸镁干燥正丁基醚层,然后过滤,由此获得含有硅化合物(2-4)的溶液。对该含有硅化合物(2-4)的溶液进行1H-NMR和29Si-NMR的测定时,在1H-NMR测定中,在4.8ppm~4.6ppm的区域中观察到来自Si-H2的多个峰,除此之外并未观察到来自溶剂以外的峰。在29Si-NMR测定中,在-40ppm至-60ppm区域中观察到来自[H2SiO]的多个峰,并未观察到除此之外的峰。
接着,以6.66×103Pa(50mmHg)对含有硅化合物(2-4)的溶液升温至50℃,进行减压蒸馏,由此得到422g含有硅化合物(2-4)的蒸馏液。蒸馏残余物为15.0g。对于该含有硅化合物(2-4)的蒸馏液进行1H-NMR测定时,在4.8ppm~4.7ppm的区域中观察到来自Si-H2的峰。由在4.8ppm~4.7ppm区域中出现的来自Si-H2的峰、和来自正丁基醚的峰的积分比表明:该蒸馏液中溶解了4.8%(重量)硅化合物(2-4)。
通过29Si-NMR对硅化合物(2-4)测定缩合度时,确认到硅化合物(2-4)是缩合度为3~7的化合物的混合物。
合成例8
<上述(1)的示性式所示的有机硅树脂的合成例>
在大气中,向300mL装备了温度计和滴液漏斗的三颈烧瓶中加入125g上述合成例7得到的含有硅化合物(2-4)的蒸馏液(含有4.8%(重量)硅化合物(2-4)),向其中混合33g正丁基醚和20g丙二醇一乙基醚乙酸酯,在0℃下搅拌,同时,将三乙胺溶解于正丁基醚中,使浓度为0.1%(重量),将1.32mL所得溶液和0.70g(38mmol)蒸馏水以及20g丙二醇一乙醚乙酸酯用10分钟时间滴加到上述三颈烧瓶中,然后进一步搅拌2小时。
之后,向反应液中加入1.76g含有0.1%(重量)草酸的正丁基醚溶液,中止反应。将反应液转移至分液漏斗,用蒸馏水洗涤4次后,用MgSO4干燥有机层,然后进行过滤,通过旋转蒸发器馏去溶剂,由此得到40g均匀透明的、含有15%(重量)有机硅树脂(1-4)的正丁基醚溶液。
对于该含有有机硅树脂(1-4)的正丁基醚溶液进行1H-NMR和29Si-NMR的测定。在1H-NMR测定中,在4.8ppm~4.6ppm的区域中观察到来自Si-H2的宽峰,在4.5ppm~4.3ppm的区域中观察到来自Si-H的宽峰。在29Si-NMR测定中,在-47ppm至-51ppm区域中观察到H2Si(-O)2的峰,以及在-80ppm至-87ppm的区域中观察到HSi(-O)3的峰,双方的积分比为40∶60。Si-OH键含量相对于Si-O键的总量为2.7%。
对于含有有机硅树脂(1-4)的正丁基醚溶液,通过气体燃烧吸收法的离子色谱分析测定溶液中的氯浓度时,得知氯浓度为测定法的检测下限1ppm以下。
取少量该含有有机硅树脂(1-4)的正丁基醚溶液,通过减压馏去溶剂时,得到白色的固态物。将该固态物加热至120℃,但固体未熔融。
对于该有机硅树脂(1-4),通过GPC测定的、经聚苯乙烯换算的重均分子量为10,000。
上述得到的含有有机硅树脂(1-4)的正丁基醚溶液在室温下静置过夜保存时,外观未见变化,保存稳定性良好。
合成例9
<上述(1)的示性式所示的有机硅树脂的合成例>
在大气中,向300mL装备了温度计和滴液漏斗的三颈烧瓶中加入125g上述合成例7得到的含有硅化合物(2-4)的蒸馏液(含有4.8%(重量)硅化合物(2-4)),再向其中加入33g正丁基醚和20g丙二醇一乙基醚乙酸酯,在0℃下搅拌,同时,将三乙胺溶解于正丁基醚中,使浓度为0.1%(重量),将1.32mL所得溶液和0.82g(45mmol)蒸馏水以及20g丙二醇一乙醚乙酸酯用10分钟时间滴加到上述三颈烧瓶中,然后进一步搅拌2小时。
之后,向反应液中加入1.76g含有0.1%(重量)草酸的正丁基醚溶液,中止反应。将反应液转移至分液漏斗,用蒸馏水洗涤4次后,用MgSO4干燥有机层,进行过滤,然后通过旋转蒸发器馏去溶剂,由此得到40g均匀透明的、含有15%(重量)有机硅树脂(1-5)的正丁基醚溶液。
对于该含有有机硅树脂(1-5)的正丁基醚溶液进行1H-NMR和29Si-NMR的测定。在1H-NMR测定中,在4.8ppm~4.6ppm的区域中观察到来自Si-H2的宽峰,在4.5ppm~4.3ppm的区域中观察到来自Si-H的宽峰。在29Si-NMR测定中,在-47ppm至-51ppm区域中观察到H2Si(-O)2的峰,以及在-80ppm至-87ppm的区域中观察到HSi(-O)3的峰,双方的积分比为30∶70。Si-OH键含量相对于Si-O键的总量为2.5%。
对于有机硅树脂-正丁基醚溶液(M),通过气体燃烧吸收法的离子色谱分析测定溶液中的氯浓度时,得知氯浓度为测定法的检测下限1ppm以下。
取少量该含有有机硅树脂(1-5)的正丁基醚溶液,通过减压馏去溶剂时,得到白色的固态物。将该固态物加热至120℃,但固体未熔融。
对于该有机硅树脂(1-5),通过GPC测定的、经聚苯乙烯换算的重均分子量为30,000。
上述得到的含有有机硅树脂(1-5)的正丁基醚溶液在室温下静置过夜保存时,外观未见变化,保存稳定性良好。
合成例10
<上述(1)的示性式所示的有机硅树脂的合成例>
在大气中,向300mL装备了温度计和滴液漏斗的三颈烧瓶中加入125g上述合成例7得到的含有硅化合物(2-4)的蒸馏液(含有4.8%(重量)硅化合物(2-4)),向其中混合33g正丁基醚和20g丙二醇一乙基醚乙酸酯,在0℃下搅拌,同时,将三乙胺溶解于正丁基醚中,使浓度为0.1%(重量),将1.32mL所得溶液和0.94g(52mmol)蒸馏水以及20g丙二醇一乙醚乙酸酯用10分钟时间滴加到上述三颈烧瓶中,然后进一步搅拌2小时。
之后,向反应液中加入1.76g含有0.1%(重量)草酸的正丁基醚溶液,中止反应。将反应液转移至分液漏斗,用蒸馏水洗涤4次,然后用MgSO4干燥有机层,进行过滤,然后通过旋转蒸发器馏去溶剂,由此得到40g均匀透明的、含有15%(重量)有机硅树脂(1-6)的正丁基醚溶液。
对于该含有有机硅树脂(1-6)的正丁基醚溶液进行1H-NMR和29Si-NMR的测定。在1H-NMR测定中,在4.8ppm~4.6ppm的区域中观察到来自Si-H2的宽峰,在4.5ppm~4.3ppm的区域中观察到来自Si-H的宽峰。在29Si-NMR测定中,在-47ppm至-51ppm区域中观察到H2Si(-O)2的峰,以及在-80ppm至-87ppm的区域中观察到HSi(-O)3的峰,双方的积分比为20∶80。Si-OH键含量相对于Si-O键的总量为2.5%。
对于有机硅树脂-正丁基醚溶液(N),通过气体燃烧吸收法的离子色谱分析测定溶液中的氯浓度时,得知氯浓度为测定法的检测下限1ppm以下。
取少量该含有有机硅树脂(1-6)的正丁基醚溶液,通过减压馏去溶剂时,得到白色的固态物。将该固态物加热至120℃,但固体未熔融。
对于该有机硅树脂(1-6),通过GPC测定的、经聚苯乙烯换算的重均分子量为100,000。
上述得到的含有有机硅树脂(1-6)的正丁基醚溶液在室温下静置过夜保存时,外观未见变化,保存稳定性良好。
比较合成例1
<有机硅树脂的比较合成例>
在大气中,在50mL茄形烧瓶中加入50g上述合成例3所得的含有硅化合物(2-2)的蒸馏液(含有3.0%(重量)硅化合物(2-2)),在2.0×104Pa(150mmHg)的压力下、在80℃下馏去甲苯,制成无溶剂,然后在80℃下搅拌4小时,由此得到15.0g有机硅树脂(R-1)。将其溶解于正丁基醚中,制成含有10%(重量)有机硅树脂(R-1)的正丁基醚溶液。
对于该含有10%(重量)有机硅树脂(R-1)的溶液进行1H-NMR和29Si-NMR的测定时,在1H-NMR测定中,在4.8ppm~4.6ppm的区域中只观察到可能来自Si-H2的宽峰。在29Si-NMR测定中,在-47ppm至-51ppm区域中只观察到可能来自H2Si(-O)2的峰。
将上述得到的含有有机硅树脂(R-1)的正丁基醚溶液在室温下静置过夜保存时,外观未见变化,保存稳定性良好。
比较合成例2
<有机硅树脂的比较合成例>
在氮气氛中,向安装有滴液漏斗的1,000mL的三颈烧瓶中加入350mL正己烷、40mL甲醇、20mL浓硫酸和48.6g(0.3mol)无水氯化铁,在冰冷却下,将25g(0.185mol)三氯硅烷溶解于200mL正己烷所得的溶液用10小时滴加到上述三颈烧瓶中。滴加结束后,进一步在室温下搅拌2小时,然后将反应液转移至分液漏斗中,加入正丁基醚,将有机层用100mL蒸馏水洗涤5次,然后用氯化钙和碳酸钾干燥有机层,然后过滤并馏去溶剂,进一步使用正丁基醚进行3次通过减压馏去进行的溶剂置换操作,由此得到90g均匀透明的、含有有机硅树脂(R-2)的正丁基醚溶液。
对于该含有有机硅树脂(R-2)的溶液进行1H-NMR和29Si-NMR的测定时,在1H-NMR测定中,在4.7ppm~4.2ppm的区域中只观察到来自Si-H的宽峰。在29Si-NMR测定中,在-80ppm至-87ppm区域中只观察到可能来自HSi(-O)3的峰。
将上述得到的含有有机硅树脂(R-2)的正丁基醚溶液在室温下静置过夜保存时,外观未见变化,保存稳定性良好。
<沟槽隔离的形成例>
实施例1
将作为有机硅树脂组合物的上述合成例2得到的含有有机硅树脂(1-1)的正丁基醚溶液在具有宽130nm、长宽比为3的沟槽的硅基板上以转数2,000rpm进行旋涂。将涂布后的基板在空气中、在设定为150℃的热板上加热处理10分钟,除去溶剂,形成涂膜。涂膜是未观察到表面涂布不均或杂质的均匀的涂膜。接着,对于形成了该涂膜的基板在空气中、在热板上以500℃进行30分钟的热处理,进行沟槽图案的埋入。
所得膜中,埋入到沟槽内的部分的ESCA谱中,只检测出硅和氧原子,完全未观察到碳等有机成分,得知是高纯度的氧化硅膜。另外通过SIMS分析得知,硅原子与氧原子的比为1∶2,证明是具有SiO2组成的二氧化硅膜。进一步通过扫描式电子显微镜(SEM)确认沟槽内部的埋入状态时,沟槽内部完全被埋入,不存在局部的沟、孔、裂隙等气孔,未见成膜异常。
实施例2~6
实施例1中,分别使用上述合成例4、6、8、9或10得到的含有有机硅树脂(1-2)、(1-3)、(1-4)、(1-5)或(1-6)的正丁基醚溶液代替含有有机硅树脂(1-1)的溶液,以此作为有机硅树脂组合物,除此之外与实施例1同样实施,形成涂膜,进一步与实施例1同样地进行热处理,由此进行沟槽图案的埋入。
各实施例所得的涂膜均未观察到表面涂布不均或杂质,为均匀的涂膜。
各实施例所得的膜中,埋入到各沟槽内的部分的ESCA谱中,均只检测出硅和氧原子,完全未观察到碳等有机成分,得知是高纯度的氧化硅膜。另外通过SIMS分析得知,在任何实施例中,硅原子与氧原子的比均为1∶2,证明是具有SiO2组成的二氧化硅膜。进一步确认沟槽内部的埋入状态时,在任何实施例中,沟槽内部完全被埋入,不存在局部的沟、孔、裂隙等气孔,未见成膜异常。
比较例1
实施例1中,使用上述比较合成例1得到的含有有机硅树脂(R-1)的正丁基醚溶液代替含有机硅树脂(1-1)的溶液,以此作为有机硅树脂组合物,除此之外与实施例1同样,尝试在具有沟槽的基板上旋涂有机硅树脂组合物。但是,含有有机硅树脂(R-1)的溶液在基板上发生表面涂布不均,无法获得均匀的涂膜。
比较例2
实施例1中,使用上述比较合成例2得到的含有有机硅树脂(R-2)的正丁基醚溶液代替含有机硅树脂(1-1)的溶液,以此作为有机硅树脂组合物,除此之外与实施例1同样,尝试在具有沟槽的基板上旋涂有机硅树脂组合物。但是,在由含有有机硅树脂(R-2)的溶液形成的涂膜中观察到杂质,为不均匀的涂膜。
实施例7
在实施例3(所使用的有机硅树脂组合物是含有有机硅树脂(1-3)的溶液)中,使涂膜的热处理条件为800℃、30分钟,除此之外与实施例3同样实施,进行沟槽图案的埋入。
所得的膜中,埋入到沟槽内的部分的ESCA谱中,只检测出硅和氧原子,完全未观察到碳等有机成分,得知是高纯度的氧化硅膜。进一步通过SIMS分析得知,硅原子与氧原子的比为1∶2,证明是具有SiO2组成的二氧化硅膜。通过SEM确认沟槽内部的埋入状态时,在沟槽内部完全被埋入,不存在局部的沟、孔、裂隙等气孔,未见成膜异常。
对所得膜进一步使用菲利普公司制造的斜入射X射线分析装置(型号“X′Pert MRD”),通过卢瑟福背散射法(RBS)测定其膜密度时,为2.10g/cm3。形成该膜的硅基板在室温下、在0.5%稀氟酸水溶液中浸泡1分钟,测定膜的蚀刻速度,结果为5.9nm/分钟。
实施例8
在实施例3(所使用的有机硅树脂组合物是含有有机硅树脂(1-3)的溶液)中,使涂膜的热处理条件为1,000℃、30分钟,除此之外与实施例3同样实施,进行沟槽图案的埋入。
所得的膜中,埋入到沟槽内的部分的ESCA谱中,只检测出硅和氧原子,完全未观察到碳等有机成分,得知是高纯度的氧化硅膜。进一步通过SIMS分析得知,硅原子与氧原子的比为1∶2,证明是具有SiO2组成的二氧化硅膜。通过SEM确认沟槽内部的埋入状态时,在沟槽内部完全被埋入,不存在局部的沟、孔、裂隙等气孔,未见成膜异常。
进一步与实施例7同样地测定所得膜的膜密度和蚀刻速度,分别为2.20g/cm3和3.2nm/分钟。
实施例9
实施例1中,使用上述合成例6得到的含有有机硅树脂(1-3)的正丁基醚溶液代替含有有机硅树脂(1-1)的溶液,以此作为有机硅树脂组合物,除此之外与实施例1同样实施,形成涂膜。
将该具有涂膜的基板在热板上加热至450℃,同时以20mW/cm2的条件照射30分钟波长172nm的紫外线,由此进行沟槽图案的埋入。
所得的膜中,埋入到沟槽内的部分的ESCA谱中,只检测出硅和氧原子,完全未观察到碳等有机成分,得知是高纯度的氧化硅膜。进一步通过SIMS分析得知,硅原子与氧原子的比为1∶2,证明是具有SiO2组成的二氧化硅膜。通过SEM确认沟槽内部的埋入状态时,在沟槽内部完全被埋入,不存在局部的沟、孔、裂隙等气孔,未见成膜异常。
进一步与实施例7同样地测定所得膜的膜密度和蚀刻速度,分别为2.23g/cm3和2.5nm/分钟。
II.通过方法(B)合成有机硅树脂并进行评价
<上述(1)的示性式所示的有机硅树脂的合成例>
合成例11
在500mL的四颈烧瓶中装设双电容器、空气导入管、温度计和隔膜,加入200g二丁基醚。将该反应体系用干冰/丙酮浴冷却至-60℃,然后用针筒注入20g(0.19mmol)液化的H2SiCl2。在该状态下升温至0℃附近,然后缓慢添加43g(2.3mol)(该期间,反应体系的温度升高至室温附近)水。保持在室温下搅拌2小时。然后用800g水清洗有机层,用硫酸镁干燥,滤除硫酸镁,然后用旋转蒸发器浓缩,由此获得含有15%(重量)有机硅树脂(1-7)的溶液。对该溶液进行29Si-NMR分析的结果,是在-42ppm至-50ppm处观察到归属H2Si(-O)2的峰,以及在-80ppm至-84ppm处观察到归属HSi(-O)3的峰,H2Si(-O)2峰和HSi(-O)3峰的面积比为62∶38。此时的29Si-NMR谱如图5所示。由29Si-NMR谱的积分值得到的Si-OH键含量相对于Si-O键的总量为2.5%。
取少量该含有有机硅树脂(1-7)的溶液,通过减压馏去溶剂时,得到白色的固态物。将该固态物加热至120℃,但固体未熔融。
对于该有机硅树脂(1-7),通过GPC测定的、经聚苯乙烯换算的重均分子量为7,000。
合成例12
合成例11中,使用28g(0.19mol)H2Si(OC(O)CH3)2代替H2SiCl2,除此之外与合成例11同样,得到含有15%(重量)有机硅树脂(1-8)的溶液。测定该含有有机硅树脂(1-8)的溶液的29Si-NMR谱时,H2Si(-O)2峰和HSi(-O)3峰的面积比为80∶20。由29Si-NMR谱的积分值得知:Si-OH键含量相对于Si-O键的总量为2.7%。
取少量该含有有机硅树脂(1-8)的溶液,通过减压馏去溶剂时,得到白色的固态物。将该固态物加热至120℃,但固体未熔融。
对于该有机硅树脂(1-8),通过GPC测定的、经聚苯乙烯换算的重均分子量为5,000。
<有机硅树脂的比较合成例>
比较合成例3
合成例11中,使用28g(0.19mol)H2Si(OEt)2代替H2SiCl2,除此之外与合成例11同样,得到含有15%(重量)有机硅树脂(R-3)的溶液。测定该含有有机硅树脂(R-3)的溶液的29Si-NMR谱时,在-40至-50ppm处只观察到H2Si(-O)2峰。由29Si-NMR谱中未观察到Si-OH键。
比较合成例4
合成例11中,使用22.6g(0.19mol)MeHSiCl2代替H2SiCl2,除此之外与合成例11同样,得到含有15%(重量)有机硅树脂(R-4)的溶液。测定该含有有机硅树脂(R-4)的溶液的29Si-NMR谱时,分别观察到H2Si(-O)2峰和HSi(-O)3峰,其面积比为70∶30。由29Si-NMR谱的积分值得知:Si-OH键含量相对于Si-O键的总量为2.9%。
比较合成例5
合成例11中,使用22.4g(0.15mol)H2Si(OEt)2和6.24g(0.038mol)HSi(OEt)3的混合物代替H2SiCl2,除此之外与合成例11同样,得到含有15%(重量)有机硅树脂(R-5)的溶液。测定该含有有机硅树脂(R-5)的溶液的29Si-NMR谱时,在-42至-50ppm处观察到归属H2Si(-O)2的峰,以及在-80至-84ppm处观察到归属HSi(-O)3的峰,H2Si(-O)2峰与HSi(-O)3峰的面积比为62∶38。Si-OH键含量相对于Si-O键的总量为12.4%。
<沟槽隔离的形成例>
实施例10
将作为有机硅树脂组合物的上述合成例11得到的含有有机硅树脂(1-7)的溶液在具有宽130nm、长宽比为3的沟槽的硅基板上以转数2,000rpm进行旋涂。将涂布后的基板在空气中、在设定为150℃的热板上加热处理10分钟,除去溶剂,形成涂膜。涂膜是未观察到表面涂布不均或杂质的均匀的涂膜。接着,对于形成了该涂膜的基板在空气中、在热板上以500℃进行30分钟的热处理,进行沟槽图案的埋入。
所得膜中,埋入到沟槽内的部分的ESCA谱中,只检测出硅和氧原子,完全未观察到碳等有机成分,得知是高纯度的氧化硅膜。另外通过SIMS分析得知,硅原子与氧原子的比为1∶2,证明是具有SiO2组成的二氧化硅膜。进一步通过扫描式电子显微镜(SEM)确认沟槽内部的埋入状态时,沟槽内部完全被埋入,不存在局部的沟、孔、裂隙等气孔,未见成膜异常。该SEM像如图6所示。
通过Tenchor公司制造的应力仪测定该二氧化硅膜的内部应力时,为80MPa的压缩应力。
实施例11
实施例10中,使用具有宽100nm、长宽比为7的沟槽的硅基板作为基板,除此之外与实施例10同样进行沟槽图案的埋入。通过扫描式电子显微镜观察埋入状态时,未观察到局部的沟、孔、裂隙等的气孔,可以确认为没有成膜异常的良好的埋入性。
实施例12
实施例10中,使用上述合成例12得到的含有有机硅树脂(1-8)的溶液作为有机硅树脂组合物,除此之外与实施例10同样实施,进行沟槽图案的埋入。
所得的膜中,埋入到沟槽内的部分的ESCA谱中,只检测出硅和氧原子,得知是硅氧化膜。进一步由于该硅的2p轨道的能量为104eV,由此得知是具有SiO2组成的二氧化硅膜。与实施例10同样,通过SEM确认沟槽埋入状态时,沟槽内部完全被埋入,未观察到局部的沟、孔、裂隙等气孔,未见成膜异常。
比较例3
实施例10中,使用上述比较合成例3得到的含有有机硅树脂(R-3)的溶液作为有机硅树脂组合物,除此之外与实施例10同样,在具有沟槽的基板上形成涂膜。但是,由含有有机硅树脂(R-3)的溶液形成的涂膜上观察到部分表面涂布不均,并且观察到波纹状的膜厚不均,膜厚的均匀性较差。
<二氧化硅膜的形成例>
实施例13
将作为有机硅树脂组合物的上述合成例11得到的含有有机硅树脂(1-7)的溶液在比电阻为1mΩcm的低电阻硅基板上以转数2,000rpm进行旋涂。将涂布后的基板在空气中、在设定为150℃的热板上加热处理10分钟,除去溶剂,形成涂膜。涂膜是未观察到表面涂布不均或杂质的均匀的涂膜。接着,对于形成了该涂膜的基板在空气中、在热板上以500℃进行30分钟的热处理,在基板上形成二氧化硅膜。
通过真空蒸镀法在所得二氧化硅膜上掩模蒸镀铝,在低电阻硅膜和铝之间通入电流,评价二氧化硅膜的绝缘性时,绝缘破坏电压为13MV/cm,显示优异的绝缘性。
比较例4
实施例13中,使用上述比较合成例4得到的含有有机硅树脂(R-4)的溶液,除此之外与实施例13同样实施,在基板上形成膜。
对于该膜进行ESCA分析时,除硅原子和氧原子之外还检测出碳。测定该膜的内部应力时,为30MPa的拉伸应力。
通过真空蒸镀法在所得膜上掩模蒸镀铝,在低电阻硅膜和铝之间通入电流,评价绝缘性时,绝缘破坏电压为8MV/cm。
比较例5
实施例13中,使用上述比较合成例5得到的含有有机硅树脂(R-5)的溶液,除此之外与实施例13同样实施,在基板上形成膜。
对于该膜进行ESCA分析时,只检测出硅原子和氧原子,未检测出碳等有机成分。测定该膜的内部应力时,为30MPa的压缩应力。
但是,通过真空蒸镀法在所得膜上掩模蒸镀铝,在低电阻硅膜和铝之间通入电流,评价绝缘性时,绝缘破坏电压为8MV/cm。

Claims (10)

1.有机硅树脂,其特征在于:该有机硅树脂由下述示性式(1)表示,在120℃下为固态:
(H2SiO)n(HSiO1.5)m(SiO2)k    (1)
式(1)中,n、m和k分别为数,n+m+k=1时,n为0.05以上,m超过0但为0.95以下,k为0~0.2。
2.权利要求1所述的有机硅树脂,其中,上述式(1)中,k=0。
3.权利要求1或2所述的有机硅树脂,其中,由对上述有机硅树脂测定的29Si-NMR谱的积分值求出的Si-OH键含量相对于Si-O键的总量为5%以下。
4.权利要求1或2所述的有机硅树脂的制备方法,其特征在于:该方法是在有机溶剂中、在碱性或中性条件下,使下述式(2)所示的硅化合物缩合:
Figure A2007800344610002C1
式(2)中,x表示3~25的整数。
5.权利要求1或2所述的有机硅树脂的制备方法,其特征在于:该方法是在有机溶剂和水的存在下,使下述式(3)所示的硅化合物反应:
H2SiX2    (3)
式(3)中,X为卤素原子或酰氧基。
6.有机硅树脂组合物,其特征在于:该组合物含有权利要求1或2所述的有机硅树脂和有机溶剂。
7.权利要求7所述的有机硅树脂组合物,其特征在于:该组合物中的氯含量为5ppm以下。
8.二氧化硅膜的形成方法,其特征在于:该方法是在基板上涂布权利要求6所述的有机硅树脂组合物,形成涂膜,对该涂膜实施选自热处理和光处理的至少一种的处理,由此将该涂膜变换为二氧化硅的膜。
9.沟槽隔离的形成方法,其特征在于:该方法是在具有沟槽的硅基板上涂布权利要求6所述的有机硅树脂组合物,填充沟槽内,形成涂膜,对该涂膜实施选自热处理和光处理的至少一种的处理,由此至少使沟槽内的填充部变换为二氧化硅。
10.权利要求9所述的沟槽隔离的形成方法,其中,具有沟槽的硅基板为具有宽30~100,000nm、且长宽比为2~50的沟槽的基板。
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