JP2008114195A - 平坦化塗布方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
配線パターンが形成された半導体ウェーハ等のパターン間の段差を埋めて平坦化するための塗装方法を提供する。
【解決手段】
基板Ｗ上には複数の配線パターン１が形成されており、それらの間隙が段差となっている。この段差のある基板Ｗを不揮発分濃度の高い塗布液で処理して大まかな厚さの塗膜２を得る（ａ）。次に、不揮発分濃度の低い塗布液で、段差に残った窪みの埋め込み処理を行う。この場合、低濃度の塗布液は頭頂部１ａに溜まることなく低い段差部へ流動して塗膜３を形成する（ｂ）。
【選択図】図２

Description

本発明は、配線パターンが形成された半導体ウェーハやガラス基板などの基板表面に形成される配線パターン間の段差（間隙）を埋める平坦化塗布方法に関する。

従来から半導体ウェーハ表面に形成された配線パターン間の段差を絶縁性塗膜（ＳＯＧ：スピンオンガラス）で埋めた後、その上に層間絶縁膜を形成し、さらにこの上に配線加工を行って三次元回路を形成している。ここで、上層の配線加工を容易にするには、層間絶縁膜を平坦に形成することが必須であり、そのための様々な提案がなされている。

配線パターンの間隙を絶縁性塗膜で埋める場合、従来は同じ仕様の塗布液を２度塗りしていた。しかし、この方法では、配線パターンの間隙を完全に埋めようとすると、どうしてもパターン頭頂部にも塗布液が厚く付着してしまって、この上に形成する層間絶縁膜の平坦性が不足するという問題があった。

その例を図４（ａ）および（ｂ）に示す。基板Ｗ上には、配線パターン１００が形成されており、それらの間隙が段差となっている。この段差のある基板Ｗを塗布液で処理して図４（ａ）に示すように塗膜１０１を得る。この段階では配線パターン１００の頭頂部１００ａには殆ど塗膜は付着していないが段差も平坦化されていない。

そこで、さらに段差を埋めるために２回目の塗布を行い、図４（ｂ）に示すように塗膜１０２を形成すると、頭頂部１００ａにも、かなりの厚さの塗膜が付着してしまう。頭頂部１００ａに付着した塗膜が厚いと、この上に形成する層間絶縁膜の平坦性も悪化し、積層回路の形成に支障がでる。

また、配線パターン間の段差をＨＤＰ（High Density Plasma）による堆積物で埋め、配線パターン上の堆積物はＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）で削って平坦化し、その後にプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）で層間絶縁膜を形成する方法も実施されている。

また、特許文献１には、互いに粘性が異なる複数の液体を基板に塗布するための塗布装置が開示されている。具体的には、配線パターン間の段差の配置に対応して、互いに粘性が異なる複数の液体による塗布を行うことで、基板の段差を効果的に解消することができるとしている。
特開２００３−２３０８６０号公報

配線パターン間の段差をＨＤＰによる堆積物で埋め、配線パターン上の堆積物はＣＭＰで削って平坦化し、その後にプラズマＣＶＤで層間絶縁膜を形成する方法では、十分な平坦化が可能であるが、ＨＤＰやＣＭＰの使用は、高額な装置が必要でコスト高となるし、また簡易な方法でもない、さらにこれらの使用によるエネルギーの大量消費および堆積物の研削による原料の無駄等の問題がある。
また、特許文献１の塗布装置では、パターン頭頂部へ塗布液が厚く付着する問題を効果的に防ぐことはできない。

上記課題を解決すべく第１発明は、不揮発分濃度が異なる塗布液（例えばＳＯＧやフォトレジスト）を少なくとも２種類用意し、先ず不揮発分濃度の高い塗布液を先に基板のパターン形成面に塗布し、基板を回転させてパターン間の段差内に塗布液を残すとともにパターン頭頂部に塗布液が残らないように塗布し、次いで、濃度の低い塗布液を塗布し、基板を回転させて段差内に残されている濃度の高い塗布液からなる塗膜の上に濃度の低い塗布液を残すとともにパターン頭頂部に塗布液が残らないように塗布するようにした。

また、第２発明は第１の発明とは逆に最初に用いる塗布液を不揮発分濃度の低い塗布液（低濃度のもの）とし、最後に用いる塗布液を不揮発分濃度の高い塗布液（高濃度のもの）とした。

前記基板の回転は、遠心力によって塗布液を均一に拡散せしめる回転式の塗布装置を用いればよいが、この回転式の塗布装置のうちでも、回転カップ式塗布装置が好ましい。回転カップ式塗布装置によればカップ内に乱流が生じにくく且つカップ内を減圧空間にすることができ、塗布液の乾燥を短時間で行うことができる。

本発明の塗布方法の対象となる基板の例としては典型的には、半導体ウェーハが挙げられるが、その他、カラーフィルタ用のガラス基板等にも適用可能である。また、使用する塗布液については、ＳＯＧ（シリカ系無機又は有機塗膜形成成分を含む溶液）、フォトレジスト塗布液等、従来公知の塗布液を使用することができる。

本発明の方法では不揮発分濃度の異なる２種以上の塗布液を使用するが、この不揮発分濃度の異なる塗布液とは、上記塗膜形成成分および必要に応じて添加される他の添加剤、顔料、感光剤、充填剤、界面活性剤等、最終的に乾燥して得られる塗膜に残る成分（不揮発分）の含有量を変化させた２種以上の塗布液を意味する。

塗布液の具体的な不揮発分濃度としては、例えば２種のＳＯＧ塗布液を使用する場合、高濃度液として６〜２０質量パーセント、更には９〜１５質量パーセント、低濃度液として３〜１２質量パーセント、更には４〜９質量パーセントの塗布液を使用することが好ましい。
また、フォトレジスト塗布液を使用する場合には、高濃度液として３０〜７０質量パーセント、更には４０〜６０質量パーセント、低濃度液として１０〜４０質量パーセント、更には２０〜４０質量パーセントの塗布液を使用することが好ましい。

本発明の平坦化塗布方法において、不揮発分濃度の高い液と濃度の低い液の使用順序には特に制限はなく、必要に応じて適宜決定することができる。一般的な配線基板の製造でＳＯＧを用いる場合は、高濃度塗布液で段差の殆どを埋めておき、残った窪みを低濃度塗布液によって平坦化することが好ましい。

一方、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）のような超微細加工を要する半導体や、厚膜用の配線基板を製造し、フォトレジストを使用する場合には、低濃度塗布液で段差隅部にエアが入らないように埋めておき、次に高濃度塗布液で基板全体の平坦化を調整することが勧められる。
なお、基板表面に形成されたパターン間の段差は、通常、１００〜３００ｎｍであるが、本発明はこの段差が大きい、３００〜１０００ｎｍ、好ましくは４００〜８００ｎｍであるほどその効果に優れる。

第１発明の平坦化塗布方法によれば、高濃度の塗布液を用いた先の塗布で大まかに段差の殆どを埋め、低濃度の塗布液を用いる後の塗布で平坦化を図るため、微調整が可能である。その結果、配線パターンの頭頂部への塗膜付着量を大幅に減らすことができ、頭頂部の研削工程を省いても十分に平坦な絶縁膜を得ることができる。

また第２発明の平坦化塗布方法によれば、低濃度の塗布液を用いた先の塗布で段差内にエアが残らないようにすることができ、高濃度の塗布液を用いる後の塗布で平坦化を図ることができる。この場合、高濃度の塗布液を用いても既に段差はある程度埋まっているので、使用する塗布液の量は少なくなり、配線パターンの頭頂部への塗膜付着量も減少する。

以下に本発明に係る平坦化塗布方法を、一般的な配線基板に適用する場合について説明する。
図１は本発明の塗布方法に用いる回転カップ式塗布装置であり、この塗布装置はアウターカップ１１内にスピンナー１２によって回転せしめられるインナーカップ１３が配置され、インナーカップ１３内には基板Ｗを固定するチャック１４が配置され、更にアウターカップ１１及びインナーカップ１３の上面はそれぞれ蓋体１５，１６で閉じることが可能とされ、更にインナーカップ１３には排気孔１７が形成されている。

蓋体１５，１６を用いて密閉するときは、完全密閉でも、非完全密閉でもよい。図１は排気口１７を設けた非完全密閉タイプである。完全密閉タイプは排気口１７がなく、基板上への回転による気流の影響を低減し、主に回転による遠心力が働く回転カップ式塗布装置である。

図２（ａ）および（ｂ）は、前記回転カップ式塗布装置を用いて本発明の平坦化塗布方法が実施された配線基板の断面図であり、基板Ｗ上には複数の配線パターン１が形成されており、それらの間隙が段差となっている。この段差のある基板Ｗを不揮発分濃度の高い塗布液で回転塗布、乾燥処理して図２（ａ）に示すように大まかな厚さの塗膜２を得る。この段階までは図４（ａ）に示した従来例とほぼ同じであり、配線パターン１の頭頂部１ａには殆ど塗膜が付着していない。

次に、図２（ｂ）に示すように不揮発分濃度の低い塗布液で、段差に残った窪みの埋め込み処理を行う。この場合、低濃度の塗布液は頭頂部１ａに溜まることなく低い段差部へ流動して塗膜３を形成する。

本発明の塗布方法によって形成される塗膜の種類に制限はないが、好ましい例としてＳＯＧ膜を挙げることができる。高濃度塗布液は不揮発分濃度１０〜１５重量％、低濃度塗布液は不揮発分濃度１〜８重量％が好ましい。これらのＳＯＧ（スピンオングラス）系のシリカ系材料を使用すれば、上記回転カップ式塗布装置を使用してスピンコート法で容易に図２（ｂ）に示したような平坦化絶縁膜の形成を行うことができ好ましい。

図３は、本発明の平坦化塗布方法によって形成された配線基板の一例を示す断面図である。基板Ｗ上に設けられた複数の配線パターン１によって形成された段差は、高濃度塗布液からの塗膜と低濃度塗布液からの塗膜が一体化した複層ＳＯＧ膜４によって平坦化されている。しかも、配線パターン１の頭頂部１ａには、塗膜はほとんど付着しないため、従来のＣＭＰによる研磨をおこなうことなく、プラズマＣＶＤによる層間絶縁膜５を形成することができる。

以下に、詳細な実施例および比較例を示す。
（実施例１）
配線パターンが、高さ（段差）５５０ｎｍ、間隔１８０ｎｍで複数立設されている基板を使用し、これを図１で示したと同様の回転カップ式塗布装置に装着して、塗布液による平坦化処理を行った。第１液として、不揮発分濃度１２質量％のＳＯＧ塗布液、第２液として、第１液を溶剤で不揮発分濃度６質量％に希釈したＳＯＧ塗布液を使用した。処理条件は、第１液では、回転数５００ｒｐｍで塗布し、８０℃→１５０℃→２００℃（合計３分）で焼き付けた。得られた塗膜は、約４００ｎｍの厚さであった。
次に、第２液を、第１液と同様の条件で塗布し焼き付けた。その結果、配線パターンの頭頂部には塗膜が殆どなく塗膜最高部と最低部の差はわずか９ｎｍであった。

（比較例１）
第２液に代えて、２回目の塗布も第１液を使用した以外は実施例１と同様にして平坦化処理を行った。この結果、配線パターンの頭頂部に塗膜が厚く付着したため、塗膜最高部と最低部の差は２５ｎｍとなった。

本発明の平坦化塗布方法は、半導体ウェーハやガラス基板の表面を効率的に平坦化することができるためＳＯＧ液、フォトレジスト液或いはカラーフィルタ用の塗布液を塗布する際に利用可能である。

本発明に係るＳＯＧ膜形成のための回転カップ式塗布装置を示す断面図 （ａ）および（ｂ）は本発明の平坦化塗布方法が実施された配線基板の断面図 本発明に係る平坦化塗布方法によって形成される配線基板の一例を示す断面図 従来の平坦化塗布方法の一例を示す配線基板の断面図

符号の説明

１…配線パターン、１ａ…配線パターン頭頂部、２、３…塗膜、４…複層ＳＯＧ膜、５…層間絶縁膜、１１…アウターカップ、１２…スピンナー、１３…インナーカップ、１４…チャック、１５，１６…蓋体、１７…排気孔、Ｗ…基板。

Claims (4)

1. 基板表面に形成されたパターン間の段差を埋めて平坦化する塗布方法であって、不揮発分濃度が異なる塗布液を少なくとも２種類用意し、先ず不揮発分濃度の高い塗布液を先に塗布し、基板を回転させて段差内に塗布液を残すとともにパターン頭頂部に塗布液が残らないように塗布し、次いで、濃度の低い塗布液を塗布し、基板を回転させて段差内に残されている濃度の高い塗布液からなる塗膜の上に濃度の低い塗布液を残すとともにパターン頭頂部に塗布液が残らないように塗布することを特徴とする平坦化塗布方法。
2. 基板表面に形成されたパターン間の段差を埋めて平坦化する塗布方法であって、不揮発分濃度が異なる塗布液を少なくとも２種類用意し、先ず不揮発分濃度の低い塗布液を先に塗布し、基板を回転させて段差内に塗布液を残すとともにパターン頭頂部に塗布液が残らないように塗布し、次いで、濃度の高い塗布液を塗布し、基板を回転させて段差内に残されている濃度の低い塗布液からなる塗膜の上に濃度の高い塗布液を残すとともにパターン頭頂部に塗布液が残らないように塗布することを特徴とする平坦化塗布方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の平坦化塗布方法において、前記基板の回転はカップ内に基板をセットしカップ上面を蓋体で閉じ、回転による遠心力によってカップ内が減圧状態になる回転カップ式塗布装置を用いることを特徴とする平坦化塗布方法。
4. 請求項３に記載の平坦化塗布方法において、前記カップ上面を蓋体で完全密閉して閉じることを特徴とする平坦化塗布方法。

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