JP6437405B2 - 回転塗布方法および電子部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明による実施形態は、回転塗布方法および電子部品の製造方法に関する。

半導体装置等の電子部品において、基板上方に厚い膜を形成する場合がある。例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、マイクロメートルオーダーの膜厚の絶縁膜を基板上に形成する場合がある。しかし、下地の表面に段差がある場合、ＣＶＤ法では、成膜された膜の平坦性が悪くなる。より膜の平坦性を向上するために、微粒子膜を基板上方に形成し、その微粒子膜に高分子溶液を塗布し、熱処理により微粒子膜および高分子溶液を固める手法がある。しかし、微粒子膜を厚く形成すると、高分子溶液が微粒子膜の底部まで浸透しないまま固まってしまったり、あるいは、高分子溶液が微粒子膜に局所的にしか浸透しないまま固まってしまう場合がある。

米国特許３９６７０６０９号明細書

平坦性の良好な比較的厚い膜を形成することができる回転塗布方法および電子部品の製造方法を提供する。

本実施形態による回転塗布方法は、下地材料上に第１材料膜を形成することを具備する。第１材料膜の上面上に第２材料膜の溶液を供給しながら下地材料を回転させて第１材料膜の上面上に溶液を滞留させる。下地材料の回転を停止または１０ｒｐｍ以下に減速する。下地材料の回転を停止してから第１期間の経過後、下地材料を回転させて、または、下地材料の回転を減速してから第１期間の経過後、増速させて第１材料膜の上面上にある溶液を振り落とす。第１材料膜は微粒子膜または多孔質膜である。

本実施形態による塗布装置１００の構成の一例を示す図。 本実施形態による回転塗布方法の一例を示す断面図。 本実施形態による回転塗布方法の一例を示す断面図。 本実施形態による第２材料膜４０の溶液の塗布方法を示すグラフ。 本実施形態の変形例による回転塗布方法の一例を示す断面図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

図１は、本実施形態による塗布装置１００の構成の一例を示す図である。塗布装置１００は、ステージ２と、モータ４と、塗布液供給部５と、コントローラ３と、コータカップ１５とを備えている。

ステージ２は、基板としてのウェハ１を載置して、該ウェハ１を水平に保持する。ステージ２には、バキューム源８が真空ライン９を介して接続されている。ステージ２に載置されたウェハ１は、バキューム源８によってステージ２上に真空吸着されている。

モータ４は、鉛直方向に延伸する回転軸７を中心としてステージ２をウェハ１とともに回転駆動する。モータ４は、コントローラ３の制御を受けてステージ２およびウェハ１の回転速度を変更することができる。

塗布液供給部５は、ステージ２に載置されたウェハ１の上面上に塗布液を供給する。塗布液供給部５は、塗布液供給源５ａからの塗布液をウェハ１の上面の中心部に吐出可能に構成されている。塗布液の供給量は、コントローラ３によって制御される。

コントローラ３は、モータ４および塗布液供給部５等の塗布装置１００内の構成の動作を制御する。

コータカップ１５は、ステージ２の周囲を取り囲むように設けられており、ウェハ１の回転によって、ウェハ１の表面から略水平方向へ飛散してくる塗布液を捕捉する。

塗布液は、平坦化材料、または、埋め込み材料でよい。例えば、塗布液は、フォトレジスト、反射防止材料、フォトレジスト保護材料、レジストパターンシュリンク材料、液浸露光用保護材料、ポリイミド、ＳＯＧ、ｌｏｗ−ｋ材料、ゾルゲル材料等でよい。

図２（Ａ）〜図３（Ｂ）は、本実施形態による回転塗布方法の一例を示す断面図である。図２（Ａ）〜図３（Ｂ）では、下地材料１０に形成されたトレンチ１１内に絶縁膜を形成する工程を示している。

まず、図２（Ａ）に示すように、下地材料１０上にトレンチ１１が形成されている。下地材料１０は、例えば、ウェハ１、あるいは、ウェハ１上に形成された材料膜でよい。トレンチ１１は、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法等を用いて、下地材料１０を選択的にエッチングすることによって形成される。

下地材料１０上には、ストッパ膜２０が形成されている。ストッパ膜２０は、例えば、シリコン窒化膜等の絶縁膜であり、後述するＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程においてストッパとして機能する。

次に、図２（Ｂ）に示すように、トレンチ１１内および下地材料１０上に、第１材料膜３０を形成する。第１材料膜３０は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Mechanical Polishing）法によって下地材料１０上に堆積してもよく、あるいは、塗布法によって下地材料１０上に塗布してもよい。第１材料膜３０の形成方法は、特に限定しない。第１材料膜３０は、後述する第２材料膜の溶液が浸透可能（染み込み可能）なように微粒子材料または多孔質材料で形成されている。第１材料膜３０として微粒子材料の成分は、例えば、金属酸化物でもよく、ポリスチレンビーズ等の有機物でもよい。微粒子材料の粒径は、約数ｎｍ〜数μｍである。微粒子材料は、様々な粒径を混合した材料であってもよい。また、微粒子材料の形状は、球形であってもよく、多面体形状であってもよく、不定形であってもよい。さらに、第１材料膜３０としての多孔質材料は、第２材料膜の溶液が内部へ流れ込むことができるような隙間のある材料で形成される。多孔質材料の孔の形は、円形（球形）、多角形（多面体形状）、不定形のいずれでもよい。

次に、図３（Ａ）に示すように、下地材料１０を回転させ、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜の上面上に供給する。第２材料膜４０の溶液は、高分子材料を含んだ溶液であり、例えば、ＳＯＧ(Spin On Glass)の塗布液であってもよい。第２材料膜４０の高分子材料は、無機材料であってもよく、有機材料であってもよい。また、第２材料膜４０の溶液は、高分子材料を揮発性の溶媒に溶解させた溶液でもよい。溶媒は、例えば、プロピレングリコールモノメチルエーテルやプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等である。このような第２材料膜４０の溶液は、粘度が比較的低く、溶媒が蒸発しやすいので、下地材料１０の回転によって乾燥しやすい。即ち、第２材料膜４０の溶液は第１材料膜３０に充分に浸透する前に第１材料膜３０の端部から流れ落ち、乾燥してしまう。

ここで、第２材料膜４０の溶液の塗布方法について説明する。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、本実施形態による第２材料膜４０の溶液の塗布方法を示すグラフである。図４（Ａ）は、塗布液供給部５からの第２材料膜４０の溶液の吐出速度を示す。吐出速度は、単位時間当たりの吐出量である。図４（Ｂ）は、ステージ２（下地材料１０）の回転速度を示す。回転速度は、単位時間当たりの回転数である。グラフの横軸は時間を示す。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、まず、ｔ１において、ステージ２を回転させ、下地材料１０および第１材料膜３０を回転させる。ｔ２〜ｔ３の期間Ｔ１（例えば、約１〜２秒）において、第１回転速度Ｎ１で下地材料１０および第１材料膜３０を回転させながら、第２材料膜４０の溶液を吐出速度Ｖ１で第１材料膜３０の上面上に供給する（第１スピン）。これにより、第１材料膜３０の上面全体を第２材料膜４０の溶液で濡らす。このとき、第１回転速度Ｎ１は、例えば、約１０００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍである。第２材料膜４０の溶液の粘度にも依るが、下地材料１０の回転速度が約３０００ｒｐｍを超えると、ステージ２や下地材料１０とコータカップ１５との間の気体の流れによって第１材料膜３０上の第２材料膜４０の溶液が下地材料１０の中心部に押し戻される場合がある。このような場合、第１材料膜３０の上面端部に第２材料膜４０の溶液を行き渡らせることができず、第１材料膜３０の上面全面を第２材料膜４０の溶液で濡らすことができなくなってしまう。従って、第１回転速度Ｎ１は、例えば、約３０００ｒｐｍ以下であることが好ましい。一方、第１回転速度Ｎ１が遅すぎると、第２材料膜４０の溶液が、局所的に流れてしまう場合があり、やはり、第１材料膜３０の上面全体に第２材料膜４０の溶液を行き渡らせることができない。従って、第１回転速度Ｎ１は、例えば、約１０００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍであることが好ましい。

尚、第１スピンにおいて、第２材料膜４０の溶液の吐出期間は、ｔ２〜ｔ４において実行されているが、期間Ｔ１に適合させてもよい。即ち、第２材料膜４０の溶液の吐出は、ｔ３において停止してもよい。さらに、第１材料膜３０の上面全体を第２材料膜４０の溶液で濡らすことができれば、第２材料膜４０の溶液の吐出は、ｔ３以前において停止してもよい。これにより、第２材料膜４０の溶液の吐出量を節約することができる。

次に、ｔ５〜ｔ６の期間Ｔ２（例えば、約４〜５秒）において、第２回転速度Ｎ２で下地材料１０および第１材料膜３０を回転させながら、第２材料膜４０の溶液を吐出速度Ｖ２で第１材料膜３０の上面上に供給する（第２スピン）。第２回転速度Ｎ２は、第１回転速度Ｎ１よりも遅く、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜３０の上面全体に滞留させる。溶液の滞留は、溶液が表面端部から流れ落ちないように、表面張力等を利用して溶液を表面上に溜めておくことである。第２回転速度Ｎ２は、例えば、約１００ｒｐｍ〜３００ｒｐｍである。第２材料膜４０の溶液の粘度にも依るが、下地材料１０の回転速度が約１００ｒｐｍ〜３００ｒｐｍにおいて、第２材料膜４０の溶液は、第１材料膜３０の上面から流れ落ちることなく、第１材料膜３０の上面に滞留させることができる。また、期間Ｔ１の第１スピンにおいて、第１材料膜３０の上面全体は既に第２材料膜４０の溶液で濡れているので、第２スピンにおいて第１材料膜３０の上面全体に亘って第２材料膜４０の溶液を比較的容易に滞留させることができる。尚、期間Ｔ２（第２スピンの時間）を短時間にするために、吐出速度Ｖ２は、吐出速度Ｖ１よりも大きいことが好ましい。しかし、第１材料膜３０の上面全体に第２材料膜４０の溶液を滞留させることができる限りにおいて、吐出速度Ｖ２は、吐出速度Ｖ１以下であってもよい。

また、第２スピンにおいて、第２材料膜４０の溶液の吐出期間は、ｔ４〜ｔ６において実行されているが、期間Ｔ２に適合させてもよい。即ち、第２材料膜４０の溶液の吐出は、ｔ５において開始し、ｔ６において停止してもよい。さらに、第１材料膜３０の上面に第２材料膜４０の溶液を滞留させることができればよく、第２材料膜４０の溶液の吐出は、ｔ６以前において停止してもよい。これにより、第２材料膜４０の溶液の吐出量を節約することができる。

次に、ｔ７〜ｔ８の期間Ｔ３において、下地材料１０および第１材料膜３０の回転を停止し、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜３０の上面上に滞留させたままとする。期間Ｔ３は、例えば、約数十秒〜１分である。期間Ｔ３において、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜３０へ浸透させるとともに、第２材料膜４０の溶液の溶媒を蒸発させてその溶液の粘度を上昇させる。期間Ｔ３は、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜３０の内部全体に浸透させ、かつ、第２材料膜４０の溶液を所定の粘度にするように設定される。尚、上記溶媒の蒸発を促進するために、下地材料１０を加熱したり、あるいは、第２材料膜４０の溶液に送風してもよい。この場合、ステージ２は、ヒータ（図示せず）を備え、あるいは、ステージ２近傍に送風機（図示せず）が配置される。あるいは、下地材料１０および第１材料膜３０の回転を完全に停止するのではなく、極低速、例えば１０ｒｐｍ以下で回転させてもよい。

ステージ２および下地材料１０の回転を停止または極低速してから期間（第１期間）Ｔ３の経過後、ｔ９〜ｔ１０の期間Ｔ４において、ステージ２および下地材料１０を再度回転または増速させて第１材料膜３０の上面上にある第２材料膜４０の溶液を遠心力で振り落とす（第３スピン）。このとき、ステージ２および下地材料１０は第３回転速度Ｎ３で回転する。第３回転速度は、期間Ｔ３において粘度の上昇した第２材料膜４０の溶液を遠心力で第１材料膜３０の上面上から振り落とすために、少なくとも第２回転速度Ｎ２よりも速い回転速度である。第３回転速度は、例えば、約３００ｒｐｍ以上である。第３スピンによって、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜３０の上面上から振り落とすことによって、第２材料膜４０の膜厚を調節することができる。それとともに、第２材料膜４０の上面の平坦性を向上させることができる。

尚、第３回転速度は、第２回転速度Ｎ２よりも速い回転速度であるが、第１回転速度Ｎ１より遅くてもよく、第１回転速度Ｎ１より速くても構わない。第２材料膜４０の溶液の粘度が上昇しているため、第３回転速度が第１回転速度Ｎ１より速くても、第２材料膜４０の溶液は、第１スピン時のように振り落とされず、或る程度第１材料膜３０上に留まり、第２材料膜４０の膜厚の調節が可能となる。

その後、ｔ１１において、ステージ２を停止させることによって、図３（Ａ）に示すように、第２材料膜４０は所定の膜厚に形成され、かつ、その上面が平坦になる。

第２材料膜４０の溶液を回転塗布した後、図３（Ｂ）に示すように、ＣＭＰ法を用いて、第２材料膜４０および第１材料膜３０の上部を研磨する。このとき、ストッパ膜２０をストッパとして用いて研磨する。これにより、トレンチ１１内に第１材料膜３０および第２材料膜４０からなる絶縁膜が形成される。第２材料膜４０は第１材料膜３０の底部まで浸透しているので、良質な絶縁膜として形成される。

尚、期間Ｔ４の第３スピンにおいて、下地材料１０の端部および裏面に、第２材料膜４０の溶液を溶解させる洗浄液（例えば、シンナー等）を供給してもよい。これにより、下地材料１０の端部における第２材料膜４０を除去することができる（エッジカット）。また、下地材料１０の裏面に付着した第２材料膜４０も除去することができる（バックリンス）。

また、図４（Ａ）の破線で示すように、期間Ｔ４の第３スピンの初期段階において、第２材料膜４０の溶液を再度吐出してもよい。即ち、第３スピンにおいて、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜３０の上面に供給し、次に、供給を停止してから一定時間回転を続け、その後、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜３０の上面上から振り落としてもよい。このようにして、第２材料膜４０の膜厚を調節し、あるいは、第２材料膜４０の平坦性をさらに良好にしてもよい。また、期間Ｔ４における溶液の追加吐出では、Ｎ３と異なる回転速度で行ってもよい。

以上のように、本実施形態による塗布方法は、第１材料膜３０の上面上に第２材料膜４０の溶液を滞留させてから、下地材料１０の回転を一旦停止させる。これにより、第１材料膜３０が比較的厚くても、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜３０の底部まで充分に浸透させることができる。その結果、比較的厚い材料膜３０、４０をトレンチ１１内にあるいは下地材料１０の上面上に形成することができる。

ＳＯＧ等に用いられる第２材料膜４０の溶液は、粘度が比較的低く、溶媒が蒸発しやすいので、下地材料１０の回転によって乾燥しやすい。従って、第２材料膜４０を滞留させる期間Ｔ３を設けることなく、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜３０上に単数または複数のスピンで回転塗布しようとすると、第２材料膜４０の溶液は第１材料膜３０に充分に浸透する前に第１材料膜３０の端部から流れ落ち、乾燥してしまう。従って、第１材料膜３０および第２材料膜４０を用いて、良質な膜厚の厚い材料膜を形成することが困難である。

これに対し、本実施形態によれば、第１材料膜３０の上面上に第２材料膜４０の溶液を滞留させる期間Ｔ３を設けているので、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜３０の底部まで充分に浸透させることができる。その結果、第１材料膜３０および第２材料膜４０を用いて、膜厚の厚い材料膜を形成することができる。

また、第１材料膜３０の上面上に第２材料膜４０の溶液を滞留させたまま下地材料１０の回転を停止させている期間Ｔ３において、第２材料膜４０の溶液の粘度を調節することができる。これにより、所定期間Ｔ３の経過後に、下地材料１０を再度回転させて第２材料膜４０の溶液を振り落とすときに、第２材料膜４０の溶液の粘度は高くなっているので、第２材料膜４０の膜厚の調節が容易となる。尚且つ、第２材料膜４０の平坦化も容易にすることができる。

さらに、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜３０に浸透させている期間、第１材料膜３０の上面上に第２材料膜４０の溶液は滞留しており、第２材料膜４０の溶液の供給は停止している。従って、第２材料膜４０の溶液の節約に繋がる。

（変形例）
図５は、本実施形態の変形例による回転塗布方法の一例を示す断面図である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示す工程を経た後、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、下地材料１０を回転させ、第２材料膜４０の溶液を第１材料膜の上面上に供給する。その後、期間Ｔ３において、第１材料膜３０の上面上に第２材料膜４０の溶液を滞留させたまま下地材料１０の回転を停止させる。さらに、期間Ｔ４において、再度、下地材料１０を回転させる。

ここで、上記実施形態では、期間Ｔ４の工程を経た後の第２材料膜４０の上面は、第１材料膜３０の上面よりも高い位置にある。これに対し、本変形例では、図５に示すように、第２材料膜４０の上面は、下地材料１０の上面Ｆ１０よりも高くかつ第１材料膜３０の上面よりも低い位置にある。第２材料膜４０の高さ（膜厚）は、図４における待機時間Ｔ３や回転速度Ｎ３を調節することによって変えることができる。すなわち、待機時間Ｔ３を短くしたり、回転速度Ｎ３を速くすれば、高さ（膜厚）を低くすることができる。このように、第２材料膜４０の上面が第１材料膜３０の上面よりも低い位置にあることによって、第２材料膜４０を形成した後のクラック発生の危険を軽減させることができる。また、第２材料膜４０の上面が第１材料膜３０の上面よりも低い位置にあっても、図３（Ｂ）を参照して説明したように、ＣＭＰ法で第１材料膜３０および第２材料膜４０の上部は、ストッパ膜２０まで研磨されるため、差し支えない。

本変形例のその他の構成および工程は上記実施形態のそれらと同様でよい。これにより、本変形例は、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

上記実施形態は、立体型半導体メモリの周辺領域などを絶縁材料で充填する際に用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００・・・塗布装置、２・・・ステージ、３・・・コントローラ、４・・・モータ、５・・・塗布液供給部、８・・・バキューム源、９・・・真空ライン、１５・・・コータカップ、１０・・・下地材料、１１・・・トレンチ、２０・・・ストッパ膜、３０・・・第１材料膜、４０・・・第２材料膜

Claims (6)

1. 下地材料上に第１材料膜を形成し、
   前記第１材料膜の上面上に第２材料膜の溶液を供給しながら前記下地材料を回転させて前記第１材料膜の上面上に前記溶液を滞留させ、
   前記下地材料の回転を停止または１０ｒｐｍ以下に減速し、
   前記下地材料の回転を停止してから第１期間の経過後、前記下地材料を回転させて、または、前記下地材料の回転を減速してから第１期間の経過後、増速させて前記第１材料膜の上面上にある前記溶液を振り落とす、ことを具備した回転塗布方法であって、
   前記第１材料膜は微粒子膜または多孔質膜である回転塗布方法。
2. 前記溶液の滞留前に、第１回転速度で前記下地材料を回転させながら前記第１材料膜の上面上に前記溶液を供給して前記第１材料膜の上面全体を前記溶液で濡らし、
   前記溶液の滞留時に、前記第１材料膜の上面上に前記溶液を供給しながら前記第１回転速度よりも遅い第２回転速度で前記下地材料を回転させて前記第１材料膜の上面全体に前記溶液を滞留させる、請求項１に記載の回転塗布方法。
3. 前記溶液を振り切るときに、前記第２回転速度よりも速い第３回転速度で前記下地材料を回転させる、請求項２に記載の回転塗布方法。
4. 前記溶液を振り切るときに、前記第１材料膜の上面上に前記溶液を供給し、該溶液の供給を停止してから一定時間回転させた後に前記溶液を振り切る、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転塗布方法。
5. 前記第１材料膜の上面上にある前記溶液を振り落とした後、熱処理することによって前記第１材料膜内に浸透した前記溶液を固めることをさらに具備した請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転塗布方法。
6. 下地材料上に第１材料膜を形成し、
   前記第１材料膜の上面上に第２材料膜の溶液を供給しながら前記下地材料を回転させて前記第１材料膜の上面上に前記溶液を滞留させ、
   前記下地材料の回転を停止または１０ｒｐｍ以下に減速し、
   前記下地材料の回転を停止してから第１期間の経過後、または前記下地材料の回転を減速してから第１期間の経過後、増速、前記下地材料を回転させて前記第１材料膜の上面上にある前記溶液を振り切る、ことを具備した電子部品の製造方法であって、
   前記第１材料膜は微粒子膜または多孔質膜である製造方法。

Images