JP3228714B2 - シリカ系被膜及びその製造方法 - Google Patents

シリカ系被膜及びその製造方法

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JP3228714B2 JP00636999A JP636999A JP3228714B2 JP 3228714 B2 JP3228714 B2 JP 3228714B2 JP 00636999 A JP00636999 A JP 00636999A JP 636999 A JP636999 A JP 636999A JP 3228714 B2 JP3228714 B2 JP 3228714B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
製造に際し、段差を有する基板の表面を平坦化して微細
なパターンを正確に形成させるためのシリカ系被膜及び
その製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、超LSIのような半導体デバイス
の製造分野において、高累積化、高速化、多機能化など
の要求にこたえるために、パターン形成のち密化に関す
る技術が必要になってきた。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
ることが必要になるが、この際、基板上に段差を生じる
と、この上にさらに配線パターンを形成させる場合、こ
の段差により正確な配線パターンの形成が妨げられるた
め、このような段差をなくす平坦化処理が不可欠にな
る。
【0003】従来、このような基板上の段差をなくす平
坦化処理のための、最も実用的な方法としては、スピン
オングラス法(SOG法)、すなわち、アルコールを主
体とする有機溶剤中にアルコキシシランを溶解し、加水
分解して塗布液を調製し、この塗布液を段差を有する基
板表面に塗布して、段差を形成している凹部分を埋める
とともに、全面を被覆し、熱処理してシリカ系被膜を形
成させ平坦化する方法が知られている。
【0004】そして、このSOG法に用いられる塗布液
においては、これまでアルコキシシランとして、テトラ
エトキシシランのようなテトラアルコキシシランやモノ
メチルトリエトキシシランのようなモノアルキルトリア
ルコキシシランが用いられていた。しかし、このような
アルコキシシランを加水分解して得られるシリカ系被膜
は、最近の微細な配線パターンに追随するには、平坦化
性やクラック限界すなわちクラック発生のない最大膜厚
が必ずしも十分ではない上に、酸素プラズマ処理の際の
膜減りやクラック発生を免れず、これを防止するにはス
ループットの劣化をもたらすエッチバック処理を施さな
ければならないという欠点がある。
【0005】その後、このような欠点を克服するため
に、トリエトキシシランとテトラエトキシシランとの共
加水分解物を用いたシリカ系被膜形成用塗布液が提案さ
れているが(特開平7−97548号公報)、これは平
坦化性、クラック限界をかなり向上させ、またエッチバ
ック処理も不要であるという利点を有するものの、現在
要求される半導体デバイスの高集積化のためのより微細
化したパターン形成用としては、まだ不十分で、さらに
高度の改善が望まれている。
【0006】ところで、これまでのシリカ系被膜形成用
塗布液については、塗布後、熱処理の際にアルコキシシ
ラン中の有機基がガス化して、基板やその上に形成され
た配線パターンとの密着性を低下させたり、金属配線層
の腐食の原因となる上に、ガスの揮散による膜収縮を伴
い、クラックの発生、被膜の均一性低下をもたらすた
め、できる限り有機基の残存率を少なくすることが1つ
の重要な課題となっていた。
【0007】他方、このシリカ系被膜形成用塗布液は、
調製後保存しているうちに、加水分解が進行し、品質が
変化するという欠点がある。このような欠点を改善する
ために、低級アルコールに対し、SiO2換算濃度6.
6〜7.5重量%という比較的高濃度でトリアルコキシ
シランを溶解し、トリアルコキシシランの等モル以下の
水を加えて加水分解して得たセラミックスコーティング
用先駆物質ポリマーを用いることが提案されている(特
開平4−216827号公報)。
【0008】このものは、トリアルコキシシランに対す
る水の添加量を少なくし、加水分解度を低くするととも
に、溶剤としてエタノール、イソプロパノール、ブタノ
ールのような低級アルコールを用いることによって、保
存安定性を向上させたものであるが、加水分解度が低い
ため有機基残存率が高く、被膜形成時にガスの発生が多
くなり、前記したようなトラブルを生じるし、このガス
の発生を少なくするために加水分解度を上げようとすれ
ば、低級アルコールを溶剤としていることによりゲル化
が起きやすくなるという欠点がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来のシリカ系被膜形成時に伴う欠点を克服し、熱処理
時のガス発生に起因するトラブルのない、しかも現在要
求されている微細配線パターンの形成に十分に対応でき
る新規なシリカ系被膜を提供することを目的としてなさ
れたものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、シリカ系
被膜の改良について種々検討を重ねた結果、アルコキシ
シランとしてトリアルコキシシランを有機溶剤中で低濃
度の溶液として過剰量の水と反応させたのち、反応生成
物中のアルコール濃度を低く調整することにより、加水
分解度を高め、形成に際しガス発生が少ないシリカ系被
膜が得られることを見出し、この知見に基づいて本発明
をなすに至った。
【0011】すなわち、本発明は、赤外吸収スペクトル
において、3000cm-1付近のピークを有さず、かつ
熱重量測定に際し、重量増加を示すトリアルコキシシラ
ンの酸加水分解生成物を焼成してなるシリカ系被膜を提
供するものである。
【0012】また、本発明方法に従えばこのシリカ系被
膜は、トリアルコキシシランをSiO2換算1〜5重量
%の濃度でアルキレングリコールジアルキルエーテルの
ような有機溶剤中に溶解し、この溶液にトリアルコキシ
シラン1モル当り2.5〜3.0モルの水を加え、酸触
媒の存在下、加水分解したのち、反応混合物中の反応に
より生成したアルコールの含有量を15重量%以下に調
整した塗布液を基板に塗布し、該塗布液中の有機溶剤を
除去して、赤外吸収スペクトルにおいて3000cm-1
付近のピークを有さず、かつ熱重量測定に際し、重量増
加を示す物性をもつ塗布膜を形成させ、この塗布膜を焼
成することによって製造することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】この際用いるトリアルコキシシラ
ンとしては、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、
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、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、モノブトキシジ
メトキシシランなどを挙げることができる。これらの中
で実用上好ましい化合物は、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。
【0014】このトリアルコキシシランは、SiO2
算濃度1〜5重量%、好ましくは2〜4重量%で用いる
ことが必要である。これは反応系におけるSiO2換算
濃度が多くなりすぎるとゲル化が起こり保存安定性が劣
化するからである。その詳細な原因については不明であ
るが、反応系におけるSiO2換算濃度が小さい方が加
水分解の反応がゆるやかに進み、H−Si基が分解され
にくいことから、ラダー構造を形成しやすいためではな
いかと考えられる。
【0015】次に溶剤としては、有機溶剤、特に塗布液
の保存安定性を高めるためにアルキレングリコールジア
ルキルエーテルを用いることが必要である。このものを
用いることにより、低級アルコールを溶剤として用いた
従来方法におけるトリアルコキシシランのH−Si基の
分解反応や中間に生成するシラノールの水酸基がアルコ
キシ基に置換する反応を抑制することができ、ゲル化を
防止することができる。
【0016】このアルキレングリコールジアルキルエー
テルとしては、例えば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、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ジエチルエーテル、ジエチレ
ングリコールジプロピルエーテル、ジエチレングリコー
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プロピルエーテル、プロピレングリ
コールジブチルエーテルなどのアルキレングリコールの
ジアルキルエーテル類を挙げることができる。これらの
中で好ましいのはエチレングリコールのジアルキルエー
テル特にジメチルエーテルである。これらの有機溶剤
は、単独で用いてもよいし2種以上組み合わせて用いて
もよい。その使用量については、アルコキシシランの1
モルに対し、10〜30モル倍量の割合で用いられる。
【0017】本発明方法においては、トリアルコキシシ
ランに水を反応させて加水分解を行うが、この水は、ト
リアルコキシシラン1モルに対し2.5〜3.0モル、
好ましくは2.8〜3.0モルの範囲内の量で用いるこ
とが加水分解度を高めるために、必要である。この範囲
より少なすぎると保存安定性は高くなるものの、加水分
解度が低くなり加水分解物中の有機基の含有量が多くな
り、被膜形成時のガスの発生が起こるし、また、多すぎ
ると保存安定性が悪くなる。
【0018】本発明方法における加水分解は酸触媒の存
在下で行われるが、その際に用いる酸触媒としては、従
来、この種のシラン系被膜形成用塗布液製造に慣用され
ている有機酸又は無機酸を用いることができる。この有
機酸の例としては、酢酸、プロピオン酸、酪酸などを、
また無機酸の例としては、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸な
どを挙げることができるが、特に硝酸が好ましい。
【0019】この場合、酸触媒を塗布液中の酸の濃度
が、1〜200ppm、好ましくは、1〜40ppmの
範囲になるように酸触媒を加えるか、又は酸と加える水
を混合し、酸水溶液として加えて、加水分解させる。
【0020】加水分解反応は、通常5〜100時間程度
で完了する。また、60〜70℃を超えない加熱温度
で、アルコキシシラン化合物を含むアルキレングリコー
ルジアルキルエーテルの中から選ばれる少なくとも1種
の溶剤に水と酸触媒を滴下して反応させることにより、
短い反応時間で反応を完了させることもできる。
【0021】本発明方法においては、溶剤としてアルコ
ールを用いずアルキレングリコールジアルキルエーテル
の中から選ばれる少なくとも1種を用いたとしてもアル
コキシシランの加水分解においてはアルコキシ基に相当
するアルコールが必ず生成してくるので、反応系からこ
の生成してくるアルコールを除去しなければならない。
具体的には、アルコールを塗布液中15重量%以下、好
ましくは8重量%以下まで除去しておくことが必要であ
る。アルコール分が15重量%を超えて残存している
と、H−Si基と生成したアルコールが反応し、RO−
Si基が生成し、クラック限界が低下するし、被膜形成
時にガスが発生し、前記したトラブルの原因となる。
【0022】アルコールの除去方法としては、真空度3
0〜300mmHg、好ましくは、50〜200mmH
g、温度20〜50℃で2〜6時間減圧蒸留する方法が
好適である。本発明においては、このようにして得られ
た塗布液中の加水分解生成物、すなわち溶剤除去後の被
膜形成成分が熱重量測定(TG)に際し、重量増加を示
し、かつ赤外吸収スペクトルにおいて3000cm-1
近にピークを有しないという物性をもつことに特徴があ
り、このような特徴をもつ塗布膜を焼成することによ
り、所望の性質をもつシリカ系被膜を得ることができ
る。従来の塗布液例えば特開平4−216827号公報
記載の塗布液の場合は熱重量測定に際し、重量減少を示
すし、赤外吸収スペクトルにおいて、3000cm-1
近にピークを有し、残存アルコキシ基が存在しているこ
とを示している。
【0023】以上のようにして調製された塗布液は、こ
の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、
濃縮あるいはアルキレングリコールジアルキルエーテル
溶剤で希釈してから使用してもよい。その固形分濃度
は、使用目的により適宜調整されるが、通常5〜25重
量%である。
【0024】
【発明の効果】本発明のシリカ系被膜は、平坦化性に優
れ、クラック限界が高いという長所を有している。ま
た、被膜形成時にガスの発生が少ないため、上層膜の密
着性の低下や金属配線層の腐食がないし、また膜収縮が
小さく、均一性に優れた被膜が得られる。
【0025】
【実施例】次に、実施例によって、本発明をさらに詳細
に説明する。
【0026】参考例1 SiO2換算濃度3重量%のトリエトキシシラン73.
9g(0.45モル)をエチレングリコールジメチルエ
ーテル799.0g(8.87モル)に溶解し、かきま
ぜた。次いで、純水24.2g(1.34モル)と濃硝
酸5ppm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3時間かきまぜ、その後室温で6日間
静置させて溶液を得た。この溶液を120〜140mm
Hg、40℃において1時間減圧蒸留し、固形分濃度8
重量%、エタノール濃度3重量%の塗布液を調製した。
【0027】参考例2 SiO2換算濃度2重量%のトリエトキシシラン73.
9g(0.45モル)をエチレングリコールジメチルエ
ーテル1251.9g(13.9モル)に溶解し、かき
まぜた。次いで、純水24.2g(1.34モル)と濃
硝酸5ppm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3時間かきまぜ、その後室温で8日
間静置させて溶液を得た。この溶液を120〜140m
mHg、40℃において2時間減圧蒸留し、固形分濃度
10重量%、エタノール濃度1重量%の塗布液を調製し
た。
【0028】比較参考例1 トリエトキシシラン129.6g(0.79モル)とテ
トラメトキシシラン60.1g(0.40モル)を混合
し、エチレングリコールジメチルエーテル662.7g
(7.36モル)を加えかきまぜた。次いで、純水3
5.6g(2.0モル)と濃硝酸333ppm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3
時間かきまぜ、その後室温で5日間静置させて溶液を得
た。この溶液を120〜140mmHg、40℃におい
て1時間減圧蒸留し、固形分濃度8重量%、アルコール
濃度8重量%の塗布液を調製した。
【0029】比較参考例2 SiO2換算濃度6.6重量%のトリエトキシシラン7
3.9g(0.45モル)をエチレングリコールジメチ
ルエーテル310.9g(3.45モル)に溶解し、か
きまぜた。次いで、純水24.2g(1.34モル)と
濃硝酸5ppm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3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120〜140
mmHg、40℃において1時間減圧蒸留し、固形分濃
度8重量%、エタノール濃度8重量%の塗布液を調製し
た。
【0030】比較参考例3 SiO2換算濃度6.6重量%のトリエトキシシラン7
3.9g(0.45モル)をエチレングリコールジメチ
ルエーテル323g(3.58モル)に溶解し、かきま
ぜた。次いで、純水12.1g(0.67モル)と濃硝
酸5ppm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3時間かきまぜ、その後室温で5日間
静置させて溶液を得た。この溶液を120〜140mm
Hg、40℃において1時間減圧蒸留し、固形分濃度8
重量%、エタノール濃度7重量%の塗布液を調製した。
【0031】比較参考例4 SiO2換算濃度3重量%のトリエトキシシラン73.
9g(0.45モル)をエタノール799.0g(1
7.8モル)に溶解し、かきまぜた。次いで、純水2
4.2g(1.34モル)と濃硝酸5ppm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3時
間かきまぜ、その後室温で6日間静置させて溶液を得
た。この溶液を120〜140mmHg、40℃におい
て1時間減圧蒸留し、固形分濃度8重量%の塗布液を調
製した。
【0032】比較参考例5 SiO2換算濃度8重量%のトリエトキシシラン73.
9g(0.45モル)をエチレングリコールジメチルエ
ーテル239.4g(2.66モル)に溶解し、かきま
ぜた。次いで、純水24.2g(1.34モル)と濃硝
酸5ppm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3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。
【0033】実施例1 表1に示す各参考例で調製した塗布液を4インチシリコ
ンウエーハ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2000rpmで
10秒間塗布し、次いでホットプレート上で80℃で1
分間、150℃で1分間、200℃で1分間乾燥させた
のち、空気中にて400℃で30分間焼成し被膜を得
た。この塗布、乾燥、焼成の操作を複数回繰り返し、得
られた被膜の平坦化性、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SEM(走査型電子顕
微鏡)写真の観察により評価した。また、各参考例で調
製した塗布液の保存安定性として、室温にて各塗布液を
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。なお、膜厚は塗布回数に応
じた累積膜厚である。
【0034】
【表1】
【0035】実施例2 表1に示す各参考例で調製した塗布液を4インチシリコ
ンウエーハにスピンナーにより4000rpmで10秒
間塗布し、次いでホットプレート上で80℃で1分間、
150℃で1分間、200℃で1分間乾燥させ、表2に
示す膜厚の被膜を得た(これを「初期膜厚」と称す)。
次いで、空気中400℃にて30分間焼成し、表2に示
す膜厚の被膜を得た(これを「最終膜厚」と称す)。こ
れらの膜厚の関係より、酸化ケイ素系被膜の収縮率(シ
ュリンク率)を次式から算出した。 [(初期膜厚−最終膜厚)/初期膜厚]×100 また、得られた酸化ケイ素系被膜のち密性を調べるため
に、焼成後に0.1%フッ酸水溶液中に25℃で5分間
浸せきさせ、単位時間当りの膜減量をエッチングレート
(Å/min)として調べた。これらのシュリンク率、
エッチングレートの結果を表2に示す。
【0036】
【表2】
【0037】実施例3 参考例1と比較参考例1で調製した塗布液をシリコンウ
エーハ上にスピンナーにより2000rpmで10秒間
塗布し、次いでホットプレート上で80℃で1分間、1
50℃で1分間、200℃で1分間乾燥させ、次いで窒
素中400℃にて30分間焼成し、膜厚4200Åの被
膜を得た。この被膜のガス発生の度合いを見るために昇
温脱離ガス分析装置[EMD−WA1000,電子科学
(株)社製]を用いて50〜600℃まで昇温した際に
発生するガスについて調べた。その結果を図1(参考例
1対応)と図2(比較参考例1対応)にそれぞれ示す。
各ピークはガスの発生があったことを示すものであるた
め、参考例1で得た塗布液は比較参考例1で得たものよ
り被膜形成時の有機ガスの発生量が少ないことが分か
る。このことよりガス発生による金属配線層の腐食が起
こらず、膜収縮が小さくなるためクラックも起こらなく
なる。各図中のMは質量、Zは電荷を示す記号であり、
M/Zの15はCH3、18はH2O、28はC24又は
CO、44はCO2にそれぞれ相当する。
【0038】実施例4 特開平4−216827号公報の例9と同様にして4.
0g(0.024モル)のトリエトキシシラン、12.
2gのイソプロパノール、4.0gのn‐ブタノール及
び5%塩酸水溶液の1滴を含む0.33g(0.018
モル)の水を混ぜて溶液とし、この溶液を撹拌しそして
60〜75℃に加熱した。この撹拌溶液を30分間この
温度に保ち、次いで冷却し溶液を得た。
【0039】参考例1で得た塗布液と上記塗布液を乾燥
機中140℃で60分間乾燥させ、溶剤を揮散させ、固
形物(乾燥物)を得た。この固形物をかき集め粉末状に
したものをアルミニウムパンに入れ、40〜800℃ま
で毎分10℃で昇温し熱重量測定(TG)と示差熱分析
測定(DTA)を行った。その結果を図3(参考例1対
応)、図4(特開平4−216827号公報の例9対
応)にそれぞれ示す。なお、下の曲線はDTA曲線、上
の曲線はTG曲線である。
【0040】この結果より、参考例1で得た塗布液の乾
燥物は360℃付近で重量増加が始まり、800℃昇温
後4%の重量増加が認められた。一方、特開平4−21
6827号公報の例9で得た塗布液の乾燥物は800℃
昇温後9.3%の重量減少が認められた。これは、参考
例1で得た塗布液の加水分解度が高く、残存するアルコ
キシ基がほとんどなく、H−Si基のHがOに代わった
ため重量増加があったことを裏付けるものである。それ
に対し、特開平4−216827号公報の例9で得た塗
布液は加水分解度が低く、残存アルコキシ基が多いた
め、重量減少が起こっていることを示している。
【0041】実施例5 参考例1で得た塗布液と実施例4で得た塗布液を4イン
チシリコンウエーハにそれぞれ2000Åの被膜を形成
し、次いで乾燥機中140℃で30分間乾燥させ、溶剤
を揮散させ、塗膜を得た。この塗膜の赤外吸収スペクト
ルを測定した結果を図5(参考例1対応)、図6(特開
平4−216827号公報の例9対応)に示す。
【0042】この結果より、図5では3000cm-1
辺にスペクトルが現れず、アルコキシ基に起因するC−
Hの伸縮振動による吸収がないことが認められた。一
方、図6では3000cm-1近辺にC−Hの伸縮振動に
よる吸収が認められた。これによって、本発明の塗布液
は加水分解度が高く、残存するアルコキシ基がほとんど
ないのに対し、特開平4−216827号公報の例9で
得た塗布液は加水分解度が低く残存アルコキシ基が存在
していることが分る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 参考例1で得た塗布液の加熱温度とガス発生
量との関係を示すグラフ。
【図2】 比較参考例1で得た塗布液の加熱温度とガス
発生量との関係を示すグラフ。
【図3】 本発明の塗布液から得た固形物のDTA曲線
及びTG曲線。
【図4】 従来の塗布液から得た固形物のDTA曲線及
びTG曲線。
【図5】 本発明における塗膜の赤外吸収スペクトル。
【図6】 従来の塗膜の赤外吸収スペクトル。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−330908(JP,A) 特開 平7−97548(JP,A) 特開 平4−216827(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/312 H01L 21/316 C09D 183/04 C08G 77/00 - 77/62

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 赤外吸収スペクトルにおいて、3000
    cm-1付近のピークを有さず、かつ熱重量測定に際し、
    重量増加を示すトリアルコキシシランの酸加水分解生成
    物を焼成してなるシリカ系被膜。
  2. 【請求項2】 トリアルコキシシランをSiO2換算1
    〜5重量%の濃度で有機溶剤中に溶解し、この溶液にト
    リアルコキシシラン1モル当り2.5〜3.0モルの水
    を加え、酸触媒の存在下、加水分解したのち、反応混合
    物中の反応により生成したアルコールの含有量を15重
    量%以下に調整した塗布液を基板に塗布し、次いで該塗
    布液中の有機溶剤を除去して、赤外吸収スペクトルにお
    いて3000cm-1付近のピークを有さず、かつ熱重量
    測定に際し、重量増加を示す物性の塗布膜を形成させ、
    この塗布膜を焼成することを特徴とするシリカ系被膜の
    製造方法。
  3. 【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2記載のシリカ系被膜の製造
    方法。
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