JP2000106363A - 不溶性コ―ティングの形成方法 - Google Patents

不溶性コ―ティングの形成方法

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JP2000106363A JP11195448A JP19544899A JP2000106363A JP 2000106363 A JP2000106363 A JP 2000106363A JP 11195448 A JP11195448 A JP 11195448A JP 19544899 A JP19544899 A JP 19544899A JP 2000106363 A JP2000106363 A JP 2000106363A
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ニコラス ブレマー ジェフリー
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リウ ヨウファン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低い誘電率及び優れた機械的特性を有する不
溶性コーティングを形成する方法を提供すること。 【解決手段】 (A)ハイドロジェンシルセスキオキサ
ン樹脂を含むコーティング組成物で基材をコーティング
して基材上に可溶性ハイドロジェンシルセスキオキサン
樹脂コーティングを形成すること;(B)まず、前記ハ
イドロジェンシルセスキオキサン樹脂コーティングを3
25℃〜350℃の温度で15分間〜1時間の時間加熱
すること;(C)その後、50〜80%の規格化された
SiH結合密度を有する不溶性セラミック状コーティン
グが生成するのに十分な時間不活性環境中で400℃〜
450℃の温度で前記コーティングを加熱すること;を
含む基材上に不溶性コーティングを形成する方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ハイドロジェンシ
ルセスキオキサン樹脂(H樹脂)から低誘電性コーティ
ングを製造する方法に関する。この方法は、H樹脂のコ
ーティングを基材上に適用し、続いて、前記コーティン
グをまず325℃〜350℃の温度で15分間〜1時間
加熱し、その後に、規格化されたSiH結合密度が50
〜80%になるまで400℃〜450℃の温度で加熱す
ることにより前記コーティングを硬化させることを含
む。この硬化プロセスによって、驚くべきことに、低い
誘電率及び優れた機械的特性を有する膜が製造される。
【0002】
【従来の技術】電子基板上にセラミック又はセラミック
状コーティングを製造するためにH樹脂を使用すること
は当該技術分野で周知である。H樹脂を硬化させてそれ
らのコーティングを製造するための方法が多数開発され
てきた。周知の熱加工及び硬化条件(すなわち、3つの
シリアルホットプレートの各々で1分間保持し、続いて
窒素雰囲気で満たされた炉内で1時間保持する)では、
2.9〜3.0の誘電率が通常達成される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】2.9〜3.0の誘電
率を有するコーティングは0.25ミクロン以上の電子
デバイスに適する。しかしながら、より小さな(すなわ
ち0.13〜0.18ミクロンの)デバイス構造物に対
してはかなり低い誘電率(Dk)を有するコーティング
が必要である。H樹脂を硬化させて、コーティングの形
態にあるより低い誘電率を有するものを製造する方法が
幾つか提案されている。しかしながら、それらの方法は
往々にして、低Dkコーティングを製造するのに困難で
費用のかかる加工を必要とする。例えば、米国特許第
5,441,765号明細書には、H樹脂からのコーテ
ィングの製造方法であって、硬化したコーティングのD
kが2.8〜4.5方法が開示されている。その明細書
に開示されている特許発明に係る方法は、H樹脂をデバ
イス上に適用し、そのコーティングされたデバイスをS
i−O含有セラミックコーティングが生成するのに十分
な時間加熱し、その後、Si−O含有セラミックコーテ
ィングを水素ガスを含むアニーリング雰囲気に暴露する
ことを含む。
【0004】米国特許第5,547,703号明細書に
も、低Dkコーティングの製造方法が教示されている。
その方法は、H樹脂を電子基板上に適用すること;アン
モニア及び湿気中で加熱すること;その後、無水アンモ
ニア中で加熱すること;最後に酸素中で加熱してコーテ
ィングをアニールすることを含む。前記方法により製造
されるコーティングのDkは2.42〜4.92の間で
あると報告されている。
【0005】
【課題を解決するための手段】我々は、意外にも、H樹
脂の熱加工によって、誘電率が2.7〜2.9のコーテ
ィングが生じることを見いだした。この熱加工は、32
5℃〜350℃の温度でまず加熱し、その後に、規格化
されたSiH結合密度が50〜80%になるまで400
℃〜450℃の温度で加熱することによりH樹脂を硬化
させることを含む。
【0006】本発明の目的は、H樹脂を硬化させて誘電
率が2.7〜2.9であるコーティングを製造する方法
を提供することである。
【0007】本発明は、H樹脂から誘電率が2.7〜
2.9である不溶性セラミック状コーティングを製造す
る方法に関する。この方法は、H樹脂を基材上に適用
し、基材上の前記H樹脂をまず325℃〜350℃の温
度で15分間〜1時間加熱し、規格化されたSiH結合
密度が50〜80%になるまで400℃〜450℃の温
度でさらに加熱することを含む。結果として得られるコ
ーティングは、2.9以下、好ましくは2.7〜2.9
の誘電率を有する。コーティングは、半導体デバイス上
の中間層絶縁コーティングとして有用である。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明において有用なH樹脂に
は、式:HSi(OH)x (OR)y z/2 (式中、各
Rは独立に、酸素を解してケイ素に結合している場合に
は加水分解可能な置換基を形成している有機基又は置換
有機基であり、xは0〜2、yは0〜2、zは1〜3、
x+y+zは3である)により表される単位を含むヒド
リドシロキサン樹脂が包含される。Rの例には、メチ
ル、エチル、プロピル、ブチル等のようなアルキル;フ
ェニルのようなアリール;並びにアリル又はビニルのよ
うなアルケニルが包含される。これらの樹脂は実質的に
完全に縮合した(HSiO3/ 2 n (式中、nは8以上
の値である)であっても、ほんの一部加水分解したもの
(すなわち、幾つかのSi−ORを含むもの)及び/又
は部分的に縮合したもの(すなわち、幾つかのSi−O
Hを含むもの)であってよい。
【0009】樹脂の構造に特に制限はない。H樹脂の構
造は、概して、はしご型として知られているもの、かご
型として知られているもの、又はこれらの混合物であっ
てもよい。樹脂はヒドロキシル基、トリオルガノシロキ
シ基、ジオルガノハイドロジェンシロキシ基、トリアル
コキシ基、ジアルコキシ基等のような末端基を含んでよ
い。その構造式により表されるわけではないが、樹脂
は、0又は2個の水素原子が結合している少数(例え
ば、10%未満)のケイ素原子及び/又は少数のSiC
基、例えばCH3 SiO3/2 又はHCH3 SiO2/2
含んでもよい。
【0010】上記H樹脂及びそれらの製造方法は当該技
術分野で周知である。例えば、米国特許第3,615,
272号明細書には、ベンゼンスルホン酸水和物加水分
解媒体中でトリクロロシランを加水分解し、次に、得ら
れた樹脂を水又は硫酸水溶液で洗浄することを含む方法
による実質的に完全に縮合したH樹脂(100〜300
ppmまでのシラノールを含みうる)の製造が教示され
ている。同様に、米国特許第5,010,159号明細
書には、アリールスルホン酸水和物加水分解媒体中でヒ
ドリドシランを加水分解して樹脂を形成し、次のその樹
脂を中和剤に接触させることを含む方法が教示されてい
る。
【0011】他のヒドリドシロキサン樹脂、例えば、米
国特許第4,999,397号明細書に記載されている
ようなもの;米国特許第5,210,160号明細書に
記載されているようなもの、アルコキシシラン又はアシ
ルオキシシランを酸性アルコール系加水分解媒体中で加
水分解することにより生成するもの;特開昭59−17
8749号公報、特開昭60−86017号公報;及び
特開昭63−107122号公報に記載されているよう
なもの;又は他の等価なヒドリドシロキサンも本発明に
おいて同様に作用する。
【0012】本発明の好ましい態様において、上記H樹
脂の特定の分子量画分を本発明の方法に使用することも
できる。そのような画分及びそれらの調製方法は米国特
許第5,063,267号及び第5,416,190号
明細書に教示されている。好ましい画分はポリマー化学
種の少なくとも75%が1200を超える分子量を有す
るものからなり、より好ましい画分はポリマー化学種の
少なくとも75%が1200〜100,000の間の数
平均分子量を有するものからなる。
【0013】H樹脂は、コーティングの団結性に悪影響
を及ぼすこともコーティングの誘電率を増加させること
もない限り、他の成分を含んでもよい。周知の添加剤に
は、米国特許第4,822,697号明細書に記載され
ているようなH触媒の硬化速度及び/又は硬化度を増加
させる白金、ロジウム又は銅触媒のような触媒が包含さ
れる。
【0014】前記H樹脂と組み合わせてセラミック酸化
物前駆体を使用してもよい。本発明において有用なセラ
ミック酸化物前駆体には、溶液に溶解され、加水分解さ
れ、その後に比較的低温で熱分解してセラミック酸化物
を形成することができる、アルミニウム、チタン、ジル
コニウム、タンタル、ニオブ及び/又はバナジウムのよ
うな種々の金属の化合物並びにホウ素若しくはリンの化
合物のような種々の非金属化合物が包含される。本発明
において有用なセラミック酸化物前駆体は米国特許第
4,808,653号、第5,008,320号及び第
5,290,394号明細書に記載されている。
【0015】H樹脂は典型的には溶剤分散体として基材
に適用される。使用することができる溶剤には、H樹脂
を溶解し、結果として得られるコーティングに影響を及
ぼさずに均質液体混合物を形成する任意の物質又はそれ
らの混合物が包含される。これらの溶剤には、エチルア
ルコール又はイソプロピルアルコールのようなアルコー
ル;ベンゼン又はトルエンのような芳香族炭化水素;n
−ヘプタン、ドデカン又はノナンのようなアルカン;メ
チルイソブチルケトンのようなケトン;エステル;グリ
コールエーテル;又は線状ジメチルポリシロキサン(例
えば、ヘキサメチルジシロキサン、オクタメチルジシロ
キサン及びこれらの混合物)及び環状ジメチルポリシロ
キサンが包含される。溶剤は、適用に望ましい濃度にH
樹脂を溶解させるのに十分な量で存在する。典型的に
は、溶剤は、H樹脂と溶剤の合計量を基準にして20〜
99.9重量%、好ましくは70〜95重量%の量で存
在する。
【0016】H樹脂を基材に適用するための特定の方法
には、限定するわけではないが、スピンコーティング、
浸漬コーティング、スプレーコーティング、フローコー
ティング、スクリーン印刷等が包含される。好ましい適
用方法はスピンコーティングである。溶剤が使用される
場合には、コーティングされた基材から溶剤を蒸発させ
て基材上にH樹脂膜を付着させる。周囲環境への暴露に
よる単純な自然乾燥、真空の適用又は穏やかな加熱(<
50℃)、又は硬化プロセスの初期段階中の蒸発のよう
な任意の適切な蒸発手段を用いることができる。スピン
コーティングが用いられる場合には、回転によって溶剤
が除去されるため、追加の乾燥方法は最低限に抑えられ
る。
【0017】基材への適用に続き、H樹脂膜を、まず3
25℃〜350℃の温度で加熱し、その後に400℃〜
450℃の温度で加熱することにより硬化させ、規格化
されたSiH結合密度が50〜80%、好ましくは50
〜70%である不溶性セラミック状コーティングにす
る。「規格化されたSiH結合密度」とは、任意の溶剤
の除去後ではあるが加熱して硬化させる前の基材上の未
だ硬化していないH樹脂膜中のSiHを基準にした不溶
性セラミック状コーティング中のSiHの量を意味す
る。「不溶性セラミック状コーティング」とは、基材上
にH樹脂を付着させる際に使用する溶剤又はH樹脂の適
用に有用なものであるとして先に述べた通りの任意の溶
剤に実質的に可溶性でないコーティングを意味する。不
溶性セラミック状コーティングは、アモルファスシリカ
(SiO2 )物質、並びに炭素、シラノール(SiO
H)及び/又は水素を完全に含まないわけではないアモ
ルファスシリカ状物質を含む。
【0018】H樹脂は、まず、硬化環境を安定化させる
のに十分で且つその環境を不活性なものにするのに十分
な時間、325℃〜350℃の温度で加熱される。40
0〜450℃温度までのランピングの間及び400〜4
50℃の温度での加熱の間に10ppmを超えるレベル
の酸素が存在すると、酸化及び不溶性セラミック状コー
ティング中の極性基の形成が起こり、その結果として高
い誘電率がもたらされる。樹脂の若干の網状構造化がこ
の最初の加熱相の間に起こるが、望ましい誘電率及び機
械的特性を備えた不溶性セラミック状コーティングを製
造するには不十分である。好ましくは、ハイドロジェン
シルセスキオキサンコーティングは15分間〜1時間、
325℃〜350℃の温度で加熱される。必要な時間
は、H樹脂膜を加熱することに用いられる手段に依存す
るであろう。
【0019】325℃〜350℃の温度で加熱後、温度
を400℃〜450℃、好ましくは425℃〜450℃
までランピングする。H樹脂は、SiH結合密度が50
〜80%である不溶性セラミック状膜が生じるのに十分
な時間、典型的には15分間〜1時間その温度に保たれ
る。不溶性セラミック状コーティング中のSiHの量が
多いと、不適切な機械的特性を有する膜が生じる。熱対
流炉、急速熱加工、ホットプレート又は輻射の使用のよ
うな任意の加熱方法を本発明において使用することがで
きる。熱対流炉の使用が好ましい。
【0020】H樹脂でコーティングされた基材が325
℃〜350℃で加熱される環境は、窒素、アルゴン、ヘ
リウムのような任意の環境、又は空気、過酸化物及びオ
ゾンのような酸素を含む環境のような環境であることが
できる。しかしながら、不活性環境は、400℃〜45
0℃までのランピング前に確立されねばならない。「不
活性環境」とは、10ppm未満の酸素を含む環境を意
味する。
【0021】不溶性セラミック状コーティング中のSi
Hのより少ない量は、典型的にはデバイスにおけるコー
ティングの高い機械的特性及び高い団結性に関係があ
る。しかしながら、SiHを望ましい範囲に減少させる
のに必要な条件(すなわち、高い加熱温度)は、コーテ
ィングの誘電特性を強める。本発明の方法の2段階加熱
によって、高い機械的特性と低い誘電率の両方が得られ
る。本発明に方法により製造される不溶性コーティング
は2.9以下、好ましくは2.7〜2.9のDkを有す
る。
【0022】上記方法によって、基材上に薄い(2.5
μm未満の)不溶性セラミック状コーティングが製造さ
れる。好ましくは、コーティングは0.5〜1.2μm
の厚さを有する。このコーティングは、種々の基材の不
整表面を滑らかにするものであって、密着性に優れる。
【0023】本発明の方法により製造される不溶性セラ
ミック状コーティングは電子基板に特に有用である。
「電子基板」とは、フォーカルプレーンアレイ、光電子
デバイス(opto-electronic device)、光起電力セル、
オプティカルデバイス、トランジスター様デバイス、3
Dデバイス、絶縁体上シリコン型デバイス(silicon-on
-insulator devices)及び超格子デバイス(super latt
ice device)を包含する半導体部品の生産に使用するこ
とを意図したシリコン系デバイス及びガリウム−ヒ素系
デバイスを包含する。
【0024】電子基板はむきだしであっても(すなわ
ち、パッシベーションなし)、1次パッシベーションを
有していても、むきだしであっても1層以上のライナー
層で被覆されていてもよい1層以上の金属被覆層を含ん
でいても良い。そのような1次パッシベーション及びラ
イナーは、シリカ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、オキシ窒
化ケイ素、オキシ炭化ケイ素、P2 5 −SiO2 系ガ
ラス(PSG)、B2 3 −P2 5 −SiO2 系ガラ
ス(BPSG)等のようなセラミックコーティングであ
ることができる。1次パッシベーション及びライナー並
びにそれらの作製方法は当該技術分野で周知である。本
発明により製造されるコーティングは、任意の金属被覆
の適用前にウェハーに適用されてよい。コーティングは
中間絶縁層として金属被覆上に適用されるか又は最上層
のパッシベーションコーティングとして適用され、デバ
イスの形成が完了する。
【0025】所望であれば、不溶性コーティング上に追
加のコーティングを適用してよい。追加のコーティング
には、例えば、アモルファスSiC:H、ダイアモン
ド、窒化ケイ素の堆積(すなわち、CVD、PECVD
等)により形成されるSi2 Oコーティング、ケイ素含
有コーティング、ケイ素と炭素を含有するコーティン
グ、ケイ素と窒素を含有するコーティング、ケイ素と酸
素と窒素を含有するコーティング、ケイ素と窒素と炭素
を含有するコーティング及び/又はダイアモンド様コー
ティングが包含されうる。そのようなコーティングの適
用方法は当該技術分野で周知である。
【0026】追加のコーティングの適用方法は厳密では
なく、そのようなコーティングは典型的には、熱化学気
相成長(thermal chemical vapor deposition ;TCV
D)、光化学気相成長、プラズマ促進型化学気相成長
(plasma enhanced chemical vapor deposition ;PE
CVD)、電子サイクロトロン共鳴(ECR)及びジェ
ット気相成長(jet vapor deposition)のような化学気
相成長技術により適用される。スパッタリング又は電子
ビーム蒸発のような物理的気相成長技術によっても追加
のコーティングを適用できる。これらの方法は、熱又は
プラズマの形態にあるエネルギーを気化した化学種に加
えて望ましい反応を引き起こすか又は材料の固体試料に
エネルギーを集中させて材料の堆積を引き起こすことを
伴う。
【0027】本明細書に教示した本発明を当業者が理解
し、本発明の価値を十分に認めることができるように以
下の実施例を示す。
【0028】
【実施例】金属−絶縁体−半導体(MIS)コンデンサ
ーに対して誘電率測定を実施することによって転化され
たコーティングの誘電率を求めた。MISコンデンサー
は、不溶性コーティングの薄膜でコーティングされた低
抵抗率(ρ≦0.025Ωcm)シリコンウェハー上に
約0.15μmのアルミニウム電極を堆積させることに
より形成した。シャドウマスクを使用して直径が3〜1
0mmのアルミニウム電極ドットを形成した。Hewlett-
Packard (登録商標)4194A インピーダンスアナライザ
ーを使用して0.1〜1000kHzの周波数範囲にわ
たって同じ直径の電極ドット間のインピーダンス測定を
行った。インピーダンスデータを直列RLCモデルにフ
ィッティングさせることにより等価な並列キャパシタン
ス及び誘電率を計算した。インピーダンスを表面ドット
電極間で特性化したため、誘電率の算出に2倍の誘電体
厚を用いた。
【0029】硬化後の残留SiH含有量(%)をFTI
Rにより求めた。このFTIR法では、Nicolet (登録
商標)5SXBフーリエ変換赤外分光分析計を使用した。透
過サンプリング操作モードを用いた。コーティング組成
物によるウェハーのスピンコーティングの前に、剥き出
しのシリコンウェハーに対してバックグラウンドスペク
トルを集めた。不溶性膜を有するウェハーのスペクトル
からバックグラウンドを差し引いて不溶性膜のみのスペ
クトルを得た。波数2260cm-1に位置するピーク
は、転化された膜中のSiH結合密度を示すものであ
る。膜厚当たりのスパンピーク面積に対する膜厚当たり
のこのピーク面積の比を定量化し、規格化されたSiH
結合密度を求めた。例1 米国特許第3,615,272号明細書の記載に従って
調製されたH樹脂(HSiO3/2 n を22重量%の濃
度でメチルイソブチルケトン中に含むコーティング組成
物をSEMIX (登録商標)6132U スピンコーターにより2
枚の試料ウェハーに約5000Åの硬化前厚さにコーテ
ィングし、続いて150℃、200℃及び350℃でそ
れぞれ1分間、3つの窒素パージされた開口式ホットプ
レートにより逐次ベーキングを行った。次にウェハーを
石英環状炉内で窒素雰囲気中で350℃に加熱した。ウ
ェハーを350℃に30分間保ち、次に窒素雰囲気中で
450℃にさらに加熱した。ウェハーを450℃に30
分間保ち、次に窒素中で室温に冷却した。第1のウェハ
ーのDkは2.81であった。第2のウェハーのDkは
2.83であった。第3のウェハーの規格化されたSi
H含有量は58%であった。
【0030】例2 例1に記載した手順を用いて試料ウェハーをH樹脂でコ
ーティングした。ウェハーを350℃に加熱し、表1に
記載の環境中で30分間そのままにしておいた。次に温
度を硬化温度までランピングし、さらに30分間その温
度のままにしておいた。結果及び加工条件を表1に示
す。
【0031】
【表1】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨウファン リウ アメリカ合衆国,ミシガン 48640,ミッ ドランド,サマーセット ドライブ 6000

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (A)ハイドロジェンシルセスキオキサ
    ン樹脂を含むコーティング組成物で基材をコーティング
    して基材上に可溶性ハイドロジェンシルセスキオキサン
    樹脂コーティングを形成すること; (B)まず、前記ハイドロジェンシルセスキオキサン樹
    脂コーティングを325℃〜350℃の温度で15分間
    〜1時間加熱すること; (C)その後、50〜80%の規格化されたSiH結合
    密度を有する不溶性セラミック状コーティングが生じる
    のに十分な時間不活性環境中で400℃〜450℃の温
    度で前記コーティングを加熱すること;を含む基材上に
    不溶性コーティングを形成する方法。
  2. 【請求項2】 前記コーティング組成物がさらに溶剤を
    含み、その溶剤を蒸発させて基材上にハイドロジェンシ
    ルセスキオキサン樹脂コーティングを形成する請求項1
    記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記ハイドロジェンシルセスキオキサン
    樹脂が式:HSi(OH)x (OR)y z/2 (式中、
    各Rは独立に、酸素原子を介してケイ素に結合している
    場合には加水分解可能な置換基を形成している有機基又
    は置換有機基であり、xは0〜2、yは0〜2、zは1
    〜3、x+y+zは3である)により表される単位を有
    する樹脂である請求項1記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記ハイドロジェンシルセスキオキサン
    樹脂が式:(HSiO3/2 n (式中、nは少なくとも
    8の値である)により表される樹脂である請求項1記載
    の方法。
  5. 【請求項5】 基材がスピンコーティングによりコーテ
    ィングされる請求項1記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記コーティング組成物がそのコーティ
    ング組成物の重量を基準にして20〜99.9重量%の
    溶剤を含む請求項2記載の方法。
  7. 【請求項7】 溶剤が、アルコール、芳香族炭化水素、
    アルカン、ケトン、エステル、グリコールエーテル及び
    ジメチルポリシロキサンからなる群から選ばれる請求項
    2記載の方法。
  8. 【請求項8】 基材が電子基板である請求項1記載の方
    法。
  9. 【請求項9】 工程(C)での加熱が、50〜70%の
    規格化されたSiH結合密度及び2.7〜2.9の誘電
    率を有する不溶性セラミック状コーティングが生じるの
    に十分な時間不活性環境中で425℃〜450℃の温度
    で行われる請求項1記載の方法。
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