JP7489869B2 - Method for forming silicon film - Google Patents
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Description
本開示は、シリコン膜の形成方法に関するものである。 This disclosure relates to a method for forming a silicon film.
半導体集積回路装置のコンタクトホールやラインの埋め込み、素子や構造を形成するための薄膜には、シリコン、例えば、アモルファスシリコンが使用されている。シリコンの形成方法として、例えば、特許文献1には、複数の溶媒を含む混合溶媒にシランポリマーを溶解させたシランポリマー溶液を基板に塗布し、加熱することによってシリコン膜を形成する方法が記載されている。
Silicon, for example amorphous silicon, is used to fill contact holes and lines in semiconductor integrated circuit devices and to form thin films for forming elements and structures. For example,
本開示は、下地膜を有する基板に密着性よくシリコン膜を形成することができる技術を提供する。 This disclosure provides a technology that can form a silicon film with good adhesion on a substrate having an undercoat film.
本開示の一態様によるシリコン膜の形成方法は、下地膜を有する基板にポリシラザン溶液を塗布して第1塗布膜を形成する第1塗布工程と、前記第1塗布膜を加熱する第1加熱工程と、加熱された前記第1塗布膜にシランポリマー溶液を塗布して第2塗布膜を形成する第2塗布工程と、前記第1塗布膜及び前記第2塗布膜を加熱する第2加熱工程とを含む。 A method for forming a silicon film according to one aspect of the present disclosure includes a first coating step of coating a substrate having an undercoat film with a polysilazane solution to form a first coating film, a first heating step of heating the first coating film, a second coating step of coating the heated first coating film with a silane polymer solution to form a second coating film, and a second heating step of heating the first coating film and the second coating film.
本開示によれば、下地膜を有する基板に密着性よくシリコン膜を形成することができるという効果を奏する。 The present disclosure has the effect of being able to form a silicon film with good adhesion on a substrate having an undercoat film.
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態により開示技術が限定されるものではない。 Various embodiments will be described in detail below with reference to the drawings. Note that the disclosed technology is not limited to the following embodiments.
ところで、下地膜を有する基板にシランポリマー溶液を塗布して塗布膜を形成する場合、下地膜に対するシランポリマー溶液の濡れ性が低いため、形成される塗布膜と下地膜との密着性が確保されない場合がある。塗布膜と下地膜との密着性が確保されない状態で、塗布膜を加熱すると、塗布膜から形成されるシリコン膜と下地膜との密着性が確保されないおそれがある。このため、下地膜を有する基板に密着性よくシリコン膜を形成することが期待されている。 However, when a coating film is formed by applying a silane polymer solution to a substrate having an undercoat film, the wettability of the silane polymer solution to the undercoat film is low, so adhesion between the coating film and the undercoat film may not be ensured. If the coating film is heated in a state in which adhesion between the coating film and the undercoat film is not ensured, there is a risk that adhesion between the silicon film formed from the coating film and the undercoat film will not be ensured. For this reason, it is expected that a silicon film with good adhesion will be formed on a substrate having an undercoat film.
[一実施形態に係るシリコン膜の形成方法の流れの一例]
図1は、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法の流れの一例を示すフローチャートである。
[Example of flow of silicon film forming method according to one embodiment]
FIG. 1 is a flowchart showing an example of the flow of a silicon film forming method according to an embodiment.
まず、基板を提供する(ステップS100)。例えば、下地膜を有する基板を提供する。次に、下地膜を有する基板にポリシラザン溶液を塗布して第1塗布膜を形成する第1塗布工程を実行する(ステップS101)。次に、第1塗布膜を加熱する第1加熱工程を実行する(ステップS102)。次に、加熱された第1塗布膜にシランポリマー溶液を塗布して第2塗布膜を形成する第2塗布工程を実行する(ステップS103)。次に、第1塗布膜及び第2塗布膜を加熱する第2加熱工程を実行する(ステップS104)。これが、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法の流れの一例である。以下、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法の各工程の詳細を説明する。 First, a substrate is provided (step S100). For example, a substrate having an undercoat film is provided. Next, a first coating step is performed in which a polysilazane solution is applied to the substrate having the undercoat film to form a first coating film (step S101). Next, a first heating step is performed in which the first coating film is heated (step S102). Next, a second coating step is performed in which a silane polymer solution is applied to the heated first coating film to form a second coating film (step S103). Next, a second heating step is performed in which the first coating film and the second coating film are heated (step S104). This is an example of the flow of the silicon film forming method according to one embodiment. Below, each step of the silicon film forming method according to one embodiment will be described in detail.
<第1塗布工程>
第1塗布工程において、下地膜を有する基板にポリシラザン溶液を塗布して第1塗布膜を形成する。
<First Coating Step>
In the first coating step, a polysilazane solution is coated on a substrate having an undercoat film to form a first coating film.
(下地膜を有する基板)
下地膜を有する基板は、特に限定されず、半導体集積回路装置を製造するにあたって、さらにシリコン膜を形成すべき任意の基板を用いてよい。かかる基板としては、例えば、シリコン基板;ガラス基板;ITOなどの透明電極;金、銀、銅、パラジウム、ニッケル、チタン、アルミニウム、タングステン等の金属基板;プラスチック基板;及びこれらの複合材料からなる基板が挙げられる。
(Substrate with Undercoat Film)
The substrate having the undercoat film is not particularly limited, and any substrate on which a silicon film is to be formed in the manufacture of a semiconductor integrated circuit device may be used. Examples of such substrates include silicon substrates, glass substrates, transparent electrodes such as ITO, metal substrates such as gold, silver, copper, palladium, nickel, titanium, aluminum, and tungsten, plastic substrates, and substrates made of composite materials thereof.
一実施形態において、下地膜は、シリコン酸化膜である。下地膜は、表面パターンを有していてもよく、表面パターンを有していなくてもよい。 In one embodiment, the undercoat film is a silicon oxide film. The undercoat film may or may not have a surface pattern.
(ポリシラザン)
ポリシラザンは、図2に示すように、シリコン(Si)-窒素(N)結合を持つシラン系化合物である。図2は、ポリシラザンの分子構造の一例を示す図である。ポリシラザンは、大気の酸素濃度よりも低い酸素濃度の雰囲気の下で加熱されることによりシリコン膜に変換され得る。
(Polysilazane)
Polysilazane is a silane-based compound having a silicon (Si)-nitrogen (N) bond, as shown in Fig. 2. Fig. 2 is a diagram showing an example of the molecular structure of polysilazane. Polysilazane can be converted into a silicon film by heating in an atmosphere with an oxygen concentration lower than that of the air.
(ポリシラザン溶液)
ポリシラザン溶液は、ポリシラザンを溶媒に溶解させて調整することができる。溶媒としては、ポリシラザンを溶解させ得る限り特に限定されない。ポリシラザン溶液は、基板の下地膜に対する濡れ性がシランポリマー溶液よりも高い。下地膜を有する基板にポリシラザン溶液を塗布することにより、密着性よく第1塗布膜(ポリシラザン膜)を形成することが可能となる。
(Polysilazane solution)
The polysilazane solution can be prepared by dissolving polysilazane in a solvent. The solvent is not particularly limited as long as it can dissolve polysilazane. The polysilazane solution has higher wettability with respect to the undercoat film of the substrate than the silane polymer solution. By applying the polysilazane solution to the substrate having the undercoat film, it is possible to form a first coating film (polysilazane film) with good adhesion.
(ポリシラザン溶液の塗布)
ポリシラザン溶液を基板に塗布する方法としては、例えば、スピンコート法、ロールコート法、カーテンコート法、ディップコート法、スプレー法、インクジェット法等が挙げられる。中でも、基板にシリコン膜を成膜性よく形成し得る観点から、スピンコート法によりポリシラザン溶液を塗布することが好ましい。
(Application of polysilazane solution)
Examples of methods for applying the polysilazane solution to the substrate include spin coating, roll coating, curtain coating, dip coating, spraying, inkjet printing, etc. Among these, from the viewpoint of forming a silicon film on the substrate with good film-forming properties, it is preferable to apply the polysilazane solution by spin coating.
スピンコート法による塗布の条件は特に限定されず、ポリシラザンの分子サイズや溶液濃度、所望するシリコン膜の厚さを考慮して、適宜決定してよい。例えば、メインスピンの回転数は100~5,000rpm、回転時間は1~20秒間の範囲としてよい。 The conditions for application by the spin coating method are not particularly limited, and may be appropriately determined taking into consideration the molecular size of polysilazane, the solution concentration, and the desired thickness of the silicon film. For example, the rotation speed of the main spin may be in the range of 100 to 5,000 rpm, and the rotation time may be in the range of 1 to 20 seconds.
ポリシラザン溶液の塗布量は、ポリシラザンの分子サイズや溶液濃度、基板の寸法及び構造、所望するシリコン膜の厚さ等を考慮して、適宜決定してよい。また、後述のようにポリシラザン溶液の塗布を2回以上行う場合、各塗布量は同じでも異なってもよい。 The amount of polysilazane solution to be applied may be determined appropriately taking into consideration the molecular size and solution concentration of polysilazane, the dimensions and structure of the substrate, the desired thickness of the silicon film, etc. Furthermore, when applying the polysilazane solution two or more times as described below, the amount of each application may be the same or different.
基板へのポリシラザン溶液の塗布は、1回のみ行ってもよく、2回以上行ってもよい。シリコン膜の形成に先立ち、第1塗布膜(ポリシラザン膜)を形成する一実施形態に係るシリコン膜の形成方法によれば、ポリシラザン溶液の塗布回数によらず、基板の下地膜とシリコン膜との密着性を確保することができる。 The polysilazane solution may be applied to the substrate once or twice or more. According to one embodiment of the method for forming a silicon film in which a first coating film (polysilazane film) is formed prior to the formation of the silicon film, adhesion between the substrate's base film and the silicon film can be ensured regardless of the number of times the polysilazane solution is applied.
<第1加熱工程>
第1加熱工程において、第1塗布膜を加熱する。これにより、第1塗布膜(ポリシラザン膜)を適度に固化することができる。
<First heating step>
In the first heating step, the first coating film is heated, whereby the first coating film (polysilazane film) can be appropriately solidified.
第1加熱工程における第1塗布膜の加熱の条件は、特に限定されない。特に、溶媒の低沸点成分を除去して第1塗布膜を適度に固化する観点から、第1加熱工程は、第2加熱工程における第1塗布膜及び第2塗布膜の加熱を実行するための温度よりも低い温度で実行されることが好ましい。例えば、第2加熱工程が300~500℃の温度範囲にて実行される場合、第1加熱工程は、100~200℃の温度範囲にて実行されることが好ましい。 The conditions for heating the first coating film in the first heating step are not particularly limited. In particular, from the viewpoint of removing the low boiling point components of the solvent and appropriately solidifying the first coating film, it is preferable that the first heating step is performed at a temperature lower than the temperature for heating the first coating film and the second coating film in the second heating step. For example, when the second heating step is performed in a temperature range of 300 to 500°C, it is preferable that the first heating step is performed in a temperature range of 100 to 200°C.
また、第1加熱工程において、第1塗布膜を加熱することにより、第1塗布膜と基板の下地膜との界面にシリコン窒化膜を形成する。すなわち、第1塗布膜(ポリシラザン膜)が加熱されると、ポリシラザンから窒素(N)が脱離する。そして、脱離後の窒素(N)は、基板の下地膜(シリコン酸化膜)へ引き寄せられ、下地膜の表面のシリコンと結合する。これにより、第1塗布膜と下地膜との界面にシリコン窒化膜が形成される。第1塗布膜と下地膜との界面にシリコン窒化膜が形成されることにより、シリコン窒化膜を介して第1塗布膜と下地膜との密着を補強することが可能となる。 In addition, in the first heating step, the first coating film is heated to form a silicon nitride film at the interface between the first coating film and the base film of the substrate. That is, when the first coating film (polysilazane film) is heated, nitrogen (N) is released from the polysilazane. The released nitrogen (N) is then attracted to the base film (silicon oxide film) of the substrate and bonds with silicon on the surface of the base film. This forms a silicon nitride film at the interface between the first coating film and the base film. By forming a silicon nitride film at the interface between the first coating film and the base film, it is possible to reinforce the adhesion between the first coating film and the base film via the silicon nitride film.
<第2塗布工程>
第2塗布工程において、加熱された第1塗布膜にシランポリマー溶液を塗布して第2塗布膜を形成する。
<Second Coating Step>
In the second coating step, a silane polymer solution is applied to the heated first coating film to form a second coating film.
(シランポリマー溶液)
シランポリマー溶液は、分子中に6~8員の単環式飽和炭素環を含み沸点が160℃未満である第1の溶媒と分子中に飽和炭素環又は部分飽和炭素環を含み沸点が160℃以上である第2の溶媒を含む混合溶媒にシランポリマーを溶解させた溶液である。
(Silane polymer solution)
The silane polymer solution is a solution in which a silane polymer is dissolved in a mixed solvent containing a first solvent having a 6- to 8-membered monocyclic saturated carbon ring in its molecule and a boiling point of less than 160° C., and a second solvent having a saturated or partially saturated carbon ring in its molecule and a boiling point of 160° C. or higher.
(混合溶媒)
-第1の溶媒-
第1の溶媒は、分子中に6~8員の単環式飽和炭素環を含み沸点が160℃未満である。第1の溶媒を用いることにより、広範な分子サイズのシランポリマーを用いてシランポリマー溶液を調製することが可能となる。なお、本明細書において、「沸点」は、大気圧下での沸点を意味する。
(Mixed Solvent)
-First Solvent-
The first solvent contains a 6- to 8-membered monocyclic saturated carbon ring in the molecule and has a boiling point of less than 160° C. By using the first solvent, it becomes possible to prepare a silane polymer solution using silane polymers of a wide range of molecular sizes. In this specification, the "boiling point" means the boiling point under atmospheric pressure.
シランポリマーの溶解性、特に分子サイズの大きなシランポリマーを溶解させ得る観点から、第1の溶媒は、分子中に6~8員の単環式飽和炭素環を1個含むことが好ましく、分子中に7員又は8員の単環式飽和炭素環を1個含むことがより好ましい。 From the viewpoint of the solubility of the silane polymer, particularly the ability to dissolve a silane polymer with a large molecular size, the first solvent preferably contains one 6- to 8-membered monocyclic saturated carbon ring in the molecule, and more preferably contains one 7- or 8-membered monocyclic saturated carbon ring in the molecule.
6~8員の単環式飽和炭素環は、シランポリマーの溶解性を阻害しない限りにおいて、置換基を有していてもよい。置換基は特に限定されず、例えば、炭素原子数1~4のアルキル基(好ましくは炭素原子数1~3、より好ましくは炭素原子数1又は2)が挙げられる。置換基の数は限定されず、複数の置換基を有する場合、それらは互いに同一でも異なってもよい。 The 6- to 8-membered monocyclic saturated carbocyclic ring may have a substituent, so long as it does not inhibit the solubility of the silane polymer. The substituent is not particularly limited, and examples thereof include an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (preferably having 1 to 3 carbon atoms, more preferably having 1 or 2 carbon atoms). The number of substituents is not limited, and when multiple substituents are present, they may be the same or different.
第1の溶媒としては、例えば、シクロヘキサン(81℃)、シクロヘプタン(112℃)、シクロオクタン(151℃)、メチルシクロヘキサン(101℃)、エチルシクロヘキサン(132℃)、ジメチルシクロヘキサン(120~130℃)、n-プロピルシクロヘキサン(157℃)、イソプロピルシクロヘキサン(155℃)、トリメチルシクロヘキサン(136~145℃)、メチルエチルシクロヘキサン(148℃)が挙げられる(括弧内は沸点)。 Examples of the first solvent include cyclohexane (81°C), cycloheptane (112°C), cyclooctane (151°C), methylcyclohexane (101°C), ethylcyclohexane (132°C), dimethylcyclohexane (120-130°C), n-propylcyclohexane (157°C), isopropylcyclohexane (155°C), trimethylcyclohexane (136-145°C), and methylethylcyclohexane (148°C) (boiling points are in parentheses).
中でも、広範な分子サイズのシランポリマーを溶解させ得る観点から、第1の溶媒は、好ましくは炭素原子数6~8のシクロアルカン、より好ましくは炭素原子数7又は8のシクロアルカン、特に好ましくは炭素原子数8のシクロアルカンである。したがって特に好適な一実施形態において、第1の溶媒はシクロオクタンである。 Among these, from the viewpoint of being able to dissolve silane polymers of a wide range of molecular sizes, the first solvent is preferably a cycloalkane having 6 to 8 carbon atoms, more preferably a cycloalkane having 7 or 8 carbon atoms, and particularly preferably a cycloalkane having 8 carbon atoms. Therefore, in a particularly preferred embodiment, the first solvent is cyclooctane.
第1の溶媒の沸点の下限は、後述する第2の溶媒との組み合わせにおいてシリコン膜の成膜性に優れることから、好ましくは100℃以上、より好ましくは110℃以上、120℃以上、又は130℃以上である。 The lower limit of the boiling point of the first solvent is preferably 100°C or higher, more preferably 110°C or higher, 120°C or higher, or 130°C or higher, since this provides excellent silicon film forming properties when combined with the second solvent described below.
-第2の溶媒-
第2の溶媒は、分子中に飽和炭素環又は部分飽和炭素環を含み沸点が160℃以上である。第1の溶媒と組み合わせて第2の溶媒を用いることにより、広範な分子サイズのシランポリマーからシリコン膜を成膜性よく形成することが可能となる。本明細書において、「部分飽和炭素環」とは、不飽和炭素環の二重結合のうち少なくとも1個の二重結合を除く任意の個数の二重結合を水素化により単結合に変換した炭素環をいう。
-Second Solvent-
The second solvent contains a saturated or partially saturated carbon ring in the molecule and has a boiling point of 160° C. or higher. By using the second solvent in combination with the first solvent, it becomes possible to form a silicon film from a silane polymer having a wide range of molecular sizes with good film-forming properties. In this specification, the term "partially saturated carbon ring" refers to a carbon ring in which any number of double bonds, except for at least one double bond, of the double bonds of an unsaturated carbon ring are converted to single bonds by hydrogenation.
広範な分子サイズのシランポリマー、とりわけ、成膜が困難とされていた分子サイズの大きなシランポリマーからシリコン膜を成膜性よく形成し得る観点から、第2の溶媒は、分子中に8~12員の飽和炭素環又は部分飽和炭素環を1個含むことが好ましい。飽和炭素環又は部分飽和炭素環は、第1の溶媒との組み合わせにおいて、広範な分子サイズのシランポリマーから特に成膜性よくシリコン膜を形成し得る観点から、多環式の飽和炭素環又は部分飽和炭素環であることが好ましく、二環式の飽和炭素環又は部分飽和炭素環であることがより好ましい。第2の溶媒が分子中に多環式の部分飽和炭素環を含む場合、多環を構成する少なくとも1つの環は飽和炭素環構造を有する(すなわち、不飽和度が0である)ことが好ましい。例えば、第2の溶媒が分子中に二環式の部分飽和炭素環を含む場合、二環の一方の環が飽和炭素環構造を有し他方の環が不飽和炭素環構造を有することが好ましい。 From the viewpoint of being able to form a silicon film with good film-forming properties from silane polymers of a wide range of molecular sizes, particularly from silane polymers of large molecular sizes that have been considered difficult to form into a film, it is preferable that the second solvent contains one 8-12 membered saturated carbon ring or partially saturated carbon ring in the molecule. From the viewpoint of being able to form a silicon film with particularly good film-forming properties from silane polymers of a wide range of molecular sizes in combination with the first solvent, the saturated carbon ring or partially saturated carbon ring is preferably a polycyclic saturated carbon ring or partially saturated carbon ring, and more preferably a bicyclic saturated carbon ring or partially saturated carbon ring. When the second solvent contains a polycyclic partially saturated carbon ring in the molecule, it is preferable that at least one ring constituting the polycycle has a saturated carbon ring structure (i.e., the degree of unsaturation is 0). For example, when the second solvent contains a bicyclic partially saturated carbon ring in the molecule, it is preferable that one ring of the bicycle has a saturated carbon ring structure and the other ring has an unsaturated carbon ring structure.
中でも、第1の溶媒との組み合わせにおいて、広範な分子サイズのシランポリマーから特に成膜性よくシリコン膜を形成し得る観点から、第2の溶媒は、分子中に多環式飽和炭素環を含むことが好ましく、二環式飽和炭素環を含むことが特に好ましい。 In particular, from the viewpoint of being able to form a silicon film with particularly good film-forming properties from silane polymers of a wide range of molecular sizes in combination with the first solvent, it is preferable for the second solvent to contain a polycyclic saturated carbon ring in the molecule, and it is particularly preferable for the second solvent to contain a bicyclic saturated carbon ring.
第2の溶媒において、飽和炭素環又は部分飽和炭素環は、シリコン膜の成膜性を阻害しない限りにおいて、置換基を有していてもよい。置換基は特に限定されず、例えば、炭素原子数1~4のアルキル基(好ましくは炭素原子数1~3、より好ましくは炭素原子数1又は2)が挙げられる。置換基の数は限定されず、複数の置換基を有する場合、それらは互いに同一でも異なってもよい。 In the second solvent, the saturated or partially saturated carbon ring may have a substituent, so long as it does not inhibit the film-forming properties of the silicon film. The substituent is not particularly limited, and examples thereof include an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (preferably having 1 to 3 carbon atoms, more preferably having 1 or 2 carbon atoms). The number of substituents is not limited, and when multiple substituents are present, they may be the same or different.
第2の溶媒としては、例えば、デカヒドロナフタレン(デカリン)(193℃)、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン(テトラリン)(207℃)、メチルデカヒドロナフタレン(210℃)、ジメチルデカヒドロナフタレン(224℃)、エチルデカヒドロナフタレン(226℃)、イソプロピルデカヒドロナフタレン(241℃)が挙げられる(括弧内は沸点)。 Examples of the second solvent include decahydronaphthalene (decalin) (193°C), 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene (tetralin) (207°C), methyldecahydronaphthalene (210°C), dimethyldecahydronaphthalene (224°C), ethyldecahydronaphthalene (226°C), and isopropyldecahydronaphthalene (241°C) (boiling points are in parentheses).
中でも、第1の溶媒との組み合わせにおいて、広範な分子サイズのシランポリマーから特に成膜性よくシリコン膜を形成し得る観点から、第2の溶媒は、好ましくは炭素原子数8~12のビシクロアルカン、より好ましくは炭素原子数10~12のビシクロアルカン、特に好ましくは炭素原子数10のビシクロアルカンである。したがって特に好適な一実施形態において、第2の溶媒はデカヒドロナフタレンである。 In particular, from the viewpoint of being able to form a silicon film with particularly good film-forming properties from silane polymers of a wide range of molecular sizes in combination with the first solvent, the second solvent is preferably a bicycloalkane having 8 to 12 carbon atoms, more preferably a bicycloalkane having 10 to 12 carbon atoms, and particularly preferably a bicycloalkane having 10 carbon atoms. Therefore, in a particularly preferred embodiment, the second solvent is decahydronaphthalene.
第1の溶媒との組み合わせにおいて広範な分子サイズのシランポリマーから成膜性よくシリコン膜を形成し得る観点から、第2の溶媒の沸点は、第1の溶媒の沸点より20℃以上高いことが好ましく、30℃以上高いことがより好ましく、40℃以上高いことがさらに好ましい。第2の溶媒の沸点の上限は、第1の溶媒との組み合わせにおいて混合溶媒を調製し得る限り特に限定されないが、通常、250℃以下、240℃以下などとし得る。 From the viewpoint of being able to form a silicon film with good film-forming properties from a silane polymer of a wide range of molecular sizes in combination with the first solvent, the boiling point of the second solvent is preferably at least 20°C higher than the boiling point of the first solvent, more preferably at least 30°C higher, and even more preferably at least 40°C higher. The upper limit of the boiling point of the second solvent is not particularly limited as long as a mixed solvent can be prepared in combination with the first solvent, but it can usually be 250°C or lower, 240°C or lower, etc.
広範な分子サイズのシランポリマーから特に成膜性よくシリコン膜を形成し得る観点から、混合溶媒において、第1の溶媒の体積を1としたとき、第2の溶媒の体積は、好ましくは2以下、より好ましくは1以下、さらに好ましくは0.7以下、又は0.5以下である。特に、第1の溶媒の体積を1としたとき、第2の溶媒の体積が0.5以下である混合溶媒を用いると、重量平均分子量(Mw)が100,000を超えるような分子サイズが非常に大きいシランポリマーを用いる場合であっても、成膜性よくシリコン膜を形成することが可能となる。 From the viewpoint of being able to form a silicon film with particularly good film-forming properties from silane polymers of a wide range of molecular sizes, in the mixed solvent, when the volume of the first solvent is taken as 1, the volume of the second solvent is preferably 2 or less, more preferably 1 or less, and even more preferably 0.7 or less, or 0.5 or less. In particular, when a mixed solvent is used in which the volume of the second solvent is 0.5 or less when the volume of the first solvent is taken as 1, it becomes possible to form a silicon film with good film-forming properties even when a silane polymer with a very large molecular size, such as a weight average molecular weight (Mw) exceeding 100,000, is used.
混合溶媒中に第2の溶媒が少量でも入っていれば、混合溶媒を用いる利点を享受し得る。例えば、混合溶媒において、第1の溶媒の体積を1としたとき、第2の溶媒の体積は0.001以上であってよく、好ましくは0.005以上、より好ましくは0.01以上、0.02以上、又は0.03以上である。本明細書において、第1の溶媒と第2の溶媒の体積比は、室温下における第1の溶媒の体積と第2の溶媒の体積を基準として算出した値である。 The advantage of using a mixed solvent can be enjoyed if the mixed solvent contains even a small amount of the second solvent. For example, when the volume of the first solvent in the mixed solvent is 1, the volume of the second solvent may be 0.001 or more, preferably 0.005 or more, more preferably 0.01 or more, 0.02 or more, or 0.03 or more. In this specification, the volume ratio of the first solvent to the second solvent is a value calculated based on the volume of the first solvent and the volume of the second solvent at room temperature.
(シランポリマー)
シランポリマーは、加熱によってシリコン膜を形成できる限り特に限定されず、例えば、光重合性のシラン化合物に光照射して得られた従来公知の方法により製造したシランポリマー(好ましくはポリジヒドロシラン)を用いてよい。本開示の一態様によるシリコン膜の形成方法によれば、従来、成膜が困難であった分子サイズが極めて大きいシランポリマーをはじめとする広範な分子サイズのシランポリマーからシリコン膜を形成し得る。そのため、シランポリマーの製造に際して、光照射の条件等の選択許容範囲が広がるという利点も享受し得る。
(Silane polymer)
The silane polymer is not particularly limited as long as it can form a silicon film by heating, and for example, a silane polymer (preferably polydihydrosilane) produced by a conventionally known method obtained by irradiating a photopolymerizable silane compound with light may be used. According to the method for forming a silicon film according to one aspect of the present disclosure, a silicon film can be formed from a wide range of molecular sizes of silane polymers, including silane polymers with extremely large molecular sizes that have been difficult to form into a film in the past. Therefore, when producing a silane polymer, it is also possible to enjoy the advantage of a wider range of selection allowance for light irradiation conditions, etc.
一実施形態において、本開示の一態様によるシリコン膜の形成方法は、第2塗布工程の前に、光重合性のシラン化合物に光照射してシランポリマーを調製する工程を含んでもよい。 In one embodiment, the method for forming a silicon film according to one aspect of the present disclosure may include a step of irradiating a photopolymerizable silane compound with light to prepare a silane polymer prior to the second application step.
光重合性のシラン化合物としては、例えば、鎖状シラン化合物、環状シラン化合物、かご状シラン化合物が挙げられる。中でも、光重合性に優れるため、環状シラン化合物が好ましい。環状シラン化合物としては、例えば、シクロトリシラン、シクロテトラシラン、シクロペンタシラン、シクロヘキサシラン、シクロヘプタシラン、ネオペンタシラン、トリシラン等の1個の環状シラン構造を有する環状シラン化合物;1,1’-ビシクロブタシラン、1,1’-ビシクロペンタシラン、1,1’-ビシクロヘキサシラン、1,1’-ビシクロヘプタシラン、スピロ[2,2]ペンタシラン、スピロ[3,3]ヘプタシラン、スピロ[4,4]ノナシラン等の2個の環状シラン構造を有する環状シラン化合物;これら環状シラン化合物において、水素原子の一部又は全部がシリル基やハロゲン原子に置換したシラン化合物等が挙げられる。 Examples of photopolymerizable silane compounds include chain silane compounds, cyclic silane compounds, and cage silane compounds. Among them, cyclic silane compounds are preferred because of their excellent photopolymerizability. Examples of cyclic silane compounds include cyclic silane compounds having one cyclic silane structure, such as cyclotrisilane, cyclotetrasilane, cyclopentasilane, cyclohexasilane, cycloheptasilane, neopentasilane, and trisilane; cyclic silane compounds having two cyclic silane structures, such as 1,1'-bicyclobutasilane, 1,1'-bicyclopentasilane, 1,1'-bicyclohexasilane, 1,1'-bicycloheptasilane, spiro[2,2]pentasilane, spiro[3,3]heptasilane, and spiro[4,4]nonasilane; and silane compounds in which some or all of the hydrogen atoms in these cyclic silane compounds have been replaced with silyl groups or halogen atoms.
特に、高純度にて合成し易い観点から、シクロペンタシラン、シクロヘキサシラン、シクロヘプタシランが好ましく、シクロヘキサシランがより好ましい。したがって一実施形態において、本開示の一態様によるシリコン膜の形成方法は、シクロヘキサシランに光照射してシランポリマーを調製する工程を含んでもよい。 In particular, from the viewpoint of ease of synthesis at high purity, cyclopentasilane, cyclohexasilane, and cycloheptasilane are preferred, and cyclohexasilane is more preferred. Therefore, in one embodiment, the method for forming a silicon film according to one aspect of the present disclosure may include a step of irradiating cyclohexasilane with light to prepare a silane polymer.
光照射は、従来公知の任意の条件にて実施することができる。例えば、照射波長は300~420nm、照射時間は0.1秒間~600分間の範囲とし得る。 Light irradiation can be carried out under any conventionally known conditions. For example, the irradiation wavelength can be in the range of 300 to 420 nm, and the irradiation time can be in the range of 0.1 seconds to 600 minutes.
一実施形態に係るシリコン膜の形成方法によれば、広範な分子サイズのシランポリマーを用いて、密着性よくシリコン膜を形成し得る。したがって、第2塗布工程で用いるシランポリマーの重量平均分子量(Mw)は特に限定されず、例えば、1,000~500,000の範囲であってよい。ここで、本明細書において、シランポリマーについていう「重量平均分子量」は、ゲルパーミエ-ションクロマトグラフィ(GPC)で測定したポリスチレン換算の重量平均分子量である。 According to one embodiment of the method for forming a silicon film, a silicon film with good adhesion can be formed using silane polymers with a wide range of molecular sizes. Therefore, the weight average molecular weight (Mw) of the silane polymer used in the second coating step is not particularly limited, and may be in the range of, for example, 1,000 to 500,000. Here, in this specification, the "weight average molecular weight" of the silane polymer is the weight average molecular weight in terms of polystyrene measured by gel permeation chromatography (GPC).
特定の混合溶媒を用いる一実施形態に係るシリコン膜の形成方法によれば、従来、成膜が困難であった分子サイズの大きなシランポリマーからシリコン膜を形成することができる。例えば、重量平均分子量(Mw)が、5,000以上、10,000以上、20,000以上、30,000以上、50,000以上、70,000以上、80,000以上、90,000以上、又は100,000以上のシランポリマーからシリコン膜を形成することができる。分子サイズの大きなシランポリマーは、低濃度でもシリコン膜を形成し得る傾向にあり、特定の混合溶媒を用いる一実施形態に係るシリコン膜の形成方法は、均一な厚さの薄層のシリコン膜の形成に著しく寄与するものである。 According to the method for forming a silicon film of one embodiment using a specific mixed solvent, it is possible to form a silicon film from a silane polymer with a large molecular size, which has been difficult to form into a film in the past. For example, a silicon film can be formed from a silane polymer with a weight average molecular weight (Mw) of 5,000 or more, 10,000 or more, 20,000 or more, 30,000 or more, 50,000 or more, 70,000 or more, 80,000 or more, 90,000 or more, or 100,000 or more. Silane polymers with a large molecular size tend to be able to form a silicon film even at low concentrations, and the method for forming a silicon film of one embodiment using a specific mixed solvent contributes significantly to the formation of a thin layer of silicon film with a uniform thickness.
シランポリマーの重量平均分子量(Mw)の上限は、シリコン膜をよりいっそう成膜性よく形成し得る観点から、好ましくは450,000以下、400,000以下、350,000以下、又は300,000以下である。 From the viewpoint of being able to form a silicon film with even better film-forming properties, the upper limit of the weight average molecular weight (Mw) of the silane polymer is preferably 450,000 or less, 400,000 or less, 350,000 or less, or 300,000 or less.
(シランポリマー溶液の調整)
シランポリマー溶液は、上記混合溶媒にシランポリマーを溶解させて調製することができる。特定の混合溶媒を用いる一実施形態に係るシリコン膜の形成方法では、広範な分子サイズのシランポリマーを用いてシランポリマー溶液を調製することができる。
(Preparation of silane polymer solution)
The silane polymer solution can be prepared by dissolving a silane polymer in the above-mentioned mixed solvent. In the method for forming a silicon film according to an embodiment using a specific mixed solvent, the silane polymer solution can be prepared using a silane polymer having a wide range of molecular sizes.
シランポリマー溶液のシランポリマーの濃度(以下、単に「溶液濃度」ともいう。)は、シランポリマーの分子サイズにもよるが、例えば、30体積%以下の範囲において調整することができる。薄いシリコン膜を形成する観点から、該溶液濃度は、好ましくは20体積%以下、より好ましくは10体積%以下、さらに好ましくは5体積%以下である。従来、溶液濃度が低くなると、基板の全面にシリコン膜を形成することが困難になる傾向にあった。これに対し、特定の混合溶媒を用いることにより、溶液濃度が低い場合にも、基板の全面にシリコン膜を形成することが可能である。分子サイズの大きなシランポリマー(低濃度でもシリコン膜を形成し得る)を利用し得るという利点も相俟って、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法によれば、極めて薄いシリコン膜を基板の全面に形成することができる。一実施形態に係るシリコン膜の形成方法においては、成膜性の悪化なしに、溶液濃度を、4体積%以下、3体積%以下、又は2体積%以下にまで低くすることができる。溶液濃度の下限は特に限定されないが、シリコン膜の成膜性の観点から、通常、0.1体積%以上、0.3体積%以上、0.5体積%以上などとし得る。本明細書において、シランポリマー溶液のシランポリマーの濃度は、室温下における混合溶媒の体積とシランポリマーの体積を基準として算出した値である。 The concentration of the silane polymer in the silane polymer solution (hereinafter, simply referred to as the "solution concentration") can be adjusted, for example, in the range of 30% by volume or less, depending on the molecular size of the silane polymer. From the viewpoint of forming a thin silicon film, the solution concentration is preferably 20% by volume or less, more preferably 10% by volume or less, and even more preferably 5% by volume or less. Conventionally, when the solution concentration is low, it tends to be difficult to form a silicon film on the entire surface of the substrate. In contrast, by using a specific mixed solvent, it is possible to form a silicon film on the entire surface of the substrate even when the solution concentration is low. Combined with the advantage of being able to use a silane polymer with a large molecular size (which can form a silicon film even at a low concentration), the method for forming a silicon film according to one embodiment allows an extremely thin silicon film to be formed on the entire surface of the substrate. In the method for forming a silicon film according to one embodiment, the solution concentration can be reduced to 4% by volume or less, 3% by volume or less, or 2% by volume or less without deterioration of the film forming property. The lower limit of the solution concentration is not particularly limited, but from the viewpoint of the film-forming properties of the silicon film, it can usually be 0.1 vol.% or more, 0.3 vol.% or more, 0.5 vol.% or more, etc. In this specification, the concentration of the silane polymer in the silane polymer solution is a value calculated based on the volume of the mixed solvent and the volume of the silane polymer at room temperature.
特定の混合溶媒を用いる一実施形態に係るシリコン膜の形成方法によれば、温和な環境下(好ましくは室温、大気圧下)において、混合溶媒にシランポリマーを混合し、撹拌することで、容易に所定濃度のシランポリマー溶液を調製できる。 According to one embodiment of the method for forming a silicon film using a specific mixed solvent, a silane polymer solution of a predetermined concentration can be easily prepared by mixing and stirring the mixed solvent with a silane polymer in a mild environment (preferably at room temperature and atmospheric pressure).
シランポリマー溶液は、シリコン膜の成膜性を阻害しない限りにおいて、他の成分を含んでもよい。斯かる他の成分としては、例えば、ドーパント、表面張力調節剤等が挙げられる。ドーパントしては、n型、p型のシリコン膜を形成するにあたって従来使用される公知のドーパントを使用してよい。表面張力調節剤としては、フッ素系、シリコン系等の従来公知の表面張力調節剤を使用してよい。 The silane polymer solution may contain other components as long as they do not inhibit the film-forming properties of the silicon film. Examples of such other components include dopants and surface tension regulators. As the dopant, a known dopant that is conventionally used in forming n-type and p-type silicon films may be used. As the surface tension regulator, a known conventional surface tension regulator such as a fluorine-based or silicon-based one may be used.
(シランポリマー溶液の塗布)
シランポリマー溶液を基板に塗布する方法としては、例えば、スピンコート法、ロールコート法、カーテンコート法、ディップコート法、スプレー法、インクジェット法等が挙げられる。中でも、基板にシリコン膜を成膜性よく形成し得る観点から、スピンコート法によりシランポリマー溶液を塗布することが好ましい。
(Application of silane polymer solution)
Examples of methods for applying the silane polymer solution to the substrate include spin coating, roll coating, curtain coating, dip coating, spraying, inkjet printing, etc. Among these, from the viewpoint of forming a silicon film on the substrate with good film-forming properties, it is preferable to apply the silane polymer solution by spin coating.
スピンコート法による塗布の条件は特に限定されず、シランポリマーの分子サイズや溶液濃度、所望するシリコン膜の厚さを考慮して、適宜決定してよい。例えば、メインスピンの回転数は100~5,000rpm、回転時間は1~20秒間の範囲としてよい。 The conditions for application by the spin coating method are not particularly limited, and may be appropriately determined taking into consideration the molecular size of the silane polymer, the solution concentration, and the desired thickness of the silicon film. For example, the rotation speed of the main spin may be in the range of 100 to 5,000 rpm, and the rotation time may be in the range of 1 to 20 seconds.
シランポリマー溶液の塗布量は、シランポリマーの分子サイズや溶液濃度、基板の寸法及び構造、所望するシリコン膜の厚さ等を考慮して、適宜決定してよい。また、後述のようにシランポリマー溶液の塗布を2回以上行う場合、各塗布量は同じでも異なってもよい。 The amount of silane polymer solution to be applied may be determined appropriately taking into consideration the molecular size and solution concentration of the silane polymer, the dimensions and structure of the substrate, the desired thickness of the silicon film, etc. Furthermore, when applying the silane polymer solution two or more times as described below, the amount of each application may be the same or different.
第1塗布膜へのシランポリマー溶液の塗布は、1回のみ行ってもよく、2回以上行ってもよい。上述のとおり、特定の混合溶媒を用いる一実施形態に係るシリコン膜の形成方法によれば、低濃度のシランポリマー溶液を用いて薄いシリコン膜を基板の全面に形成することができる。したがって、低濃度のシランポリマー溶液を基板に2回以上塗布して所望の厚さのシリコン膜を形成することも可能である。分子サイズの大きなシランポリマーを利用し得るという利点も相俟って、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法によれば、極めて薄いシリコン膜を基板の全面に精度良く形成することができる。 The application of the silane polymer solution to the first coating film may be performed only once, or may be performed two or more times. As described above, according to the method for forming a silicon film of one embodiment using a specific mixed solvent, a thin silicon film can be formed over the entire surface of the substrate using a low-concentration silane polymer solution. Therefore, it is also possible to form a silicon film of a desired thickness by applying the low-concentration silane polymer solution to the substrate two or more times. Combined with the advantage of being able to use a silane polymer with a large molecular size, according to the method for forming a silicon film of one embodiment, an extremely thin silicon film can be formed over the entire surface of the substrate with high precision.
<第2加熱工程>
第2加熱工程において、第1塗布膜及び第2塗布膜を加熱する。これにより、第1塗布膜(ポリシラザン膜)及び第2塗布膜(シランポリマー膜)をシリコン膜に変換することができる。上述のとおり、第1加熱工程において第1塗布膜と基板の下地膜との界面にシリコン窒化膜が形成されているので、第2加熱工程において第1塗布膜及び第2塗布膜から変換されるシリコン膜と基板の下地膜との界面にシリコン窒化膜を残存させることができる。シリコン膜と基板の下地膜との界面に残存するシリコン窒化膜によって、シリコン膜と下地膜との密着を補強することが可能となる。
<Second heating step>
In the second heating step, the first coating film and the second coating film are heated. This allows the first coating film (polysilazane film) and the second coating film (silane polymer film) to be converted into a silicon film. As described above, since a silicon nitride film is formed at the interface between the first coating film and the base film of the substrate in the first heating step, the silicon nitride film can be left at the interface between the silicon film converted from the first coating film and the base film of the substrate in the second heating step. The silicon nitride film remaining at the interface between the silicon film and the base film of the substrate can reinforce the adhesion between the silicon film and the base film.
第2加熱工程における第1塗布膜及び第2塗布膜の加熱の条件は特に限定されず、ポリシラザン及びシランポリマーからシリコン膜を形成するにあたって従来使用される条件を採用してよい。例えば、アモルファス状のシリコン膜(アモルファスシリコン膜)を形成する場合、第2加熱工程は、300~500℃の温度範囲にて実行されることが好ましい。 The conditions for heating the first and second coating films in the second heating step are not particularly limited, and may be the conditions conventionally used for forming a silicon film from polysilazane and silane polymer. For example, when forming an amorphous silicon film, the second heating step is preferably performed in the temperature range of 300 to 500°C.
一実施形態に係るシリコン膜の形成方法は、第1塗布膜(ポリシラザン膜)の酸化を抑制するため、酸素濃度が低い雰囲気の下で、一連の工程を実行することが好ましい。一実施形態において、第1塗布工程、第1加熱工程、第2塗布工程及び第2加熱工程は、大気の酸素濃度よりも低い酸素濃度の雰囲気の下で実行される。また、第2加熱工程は、第1塗布工程、第1加熱工程及び第2塗布工程を実行する際の酸素濃度よりも低い酸素濃度の雰囲気の下で実行されることが好ましい。例えば、第1塗布工程、第1加熱工程及び第2塗布工程は、50ppm以下の酸素濃度の雰囲気の下で実行され、第2加熱工程は、1ppm以下の酸素濃度の雰囲気の下で実行されてもよい。また、第1塗布膜の酸化をより効率的に抑制する観点から、第1塗布工程、第1加熱工程、第2塗布工程及び第2加熱工程は、下地膜を有する基板が大気暴露されない状態で、実行されることが好ましい。これにより、第1塗布膜の酸化を抑制して形成されるシリコン膜の膜質を向上させることが可能となる。さらに、第1塗布膜にシランポリマー溶液を塗布して第2塗布膜を形成する一実施形態に係るシリコン膜の形成方法によれば、第2塗布膜によって第1塗布膜を封止することができ、第1塗布膜の酸化をより効率的に抑制することができる。 In one embodiment of the method for forming a silicon film, in order to suppress oxidation of the first coating film (polysilazane film), it is preferable to perform a series of steps under an atmosphere with a low oxygen concentration. In one embodiment, the first coating step, the first heating step, the second coating step, and the second heating step are performed under an atmosphere with an oxygen concentration lower than the oxygen concentration of the atmosphere. In addition, it is preferable that the second heating step is performed under an atmosphere with an oxygen concentration lower than the oxygen concentration when the first coating step, the first heating step, and the second coating step are performed. For example, the first coating step, the first heating step, and the second coating step may be performed under an atmosphere with an oxygen concentration of 50 ppm or less, and the second heating step may be performed under an atmosphere with an oxygen concentration of 1 ppm or less. In addition, from the viewpoint of more efficiently suppressing oxidation of the first coating film, it is preferable that the first coating step, the first heating step, the second coating step, and the second heating step are performed in a state where the substrate having the undercoat film is not exposed to the atmosphere. This makes it possible to improve the film quality of the silicon film formed by suppressing oxidation of the first coating film. Furthermore, according to one embodiment of the method for forming a silicon film, in which a silane polymer solution is applied to a first coating film to form a second coating film, the first coating film can be sealed by the second coating film, and oxidation of the first coating film can be more efficiently suppressed.
[一実施形態において形成されるシリコン膜の一例]
図3A~図3Eは、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法により形成されるシリコン膜の一例について説明するための図である。
[An example of a silicon film formed in an embodiment]
3A to 3E are diagrams for explaining an example of a silicon film formed by the silicon film forming method according to an embodiment.
図3A~図3Eに示す基板Wは、図示しない半導体基板(シリコン基板)上に形成されたシリコン酸化膜(下地膜の一例)201を有する。シリコン酸化膜201は、表面パターンを有する。まず、ステップS100でシリコン酸化膜201を有する基板Wを提供する(図3A参照)。次に、ステップS101の第1塗布工程において、基板Wにポリシラザン溶液を塗布して図3Bに示すポリシラザン膜(第1塗布膜の一例)202を形成する。第1塗布工程において濡れ性の高いポリシラザン溶液を用いて塗布を行うことにより、シリコン酸化膜201の表面パターンをポリシラザン膜202で良好に埋め込むことができる。次に、ステップS102の第1加熱工程において、ポリシラザン膜202を加熱する。ポリシラザン膜202を加熱することにより、ポリシラザン膜202を適度に固化するとともに、ポリシラザン膜202と基板Wのシリコン酸化膜201との界面にシリコン窒化膜202a(図3C参照)を形成することができる。次に、ステップS103の第2塗布工程において、加熱されたポリシラザン膜202にシランポリマー溶液を塗布してシランポリマー膜(第2塗布膜の一例)203を形成する(図3D)。これにより、ポリシラザン膜202が酸素に晒されないようにシランポリマー膜203によってポリシラザン膜202を封止することができる。次に、ステップS104の第2加熱工程において、ポリシラザン膜202及びシランポリマー膜203を加熱する。ポリシラザン膜202及びシランポリマー膜203を加熱することにより、ポリシラザン膜202及びシランポリマー膜203をシリコン膜204に変換することができる(図3E参照)。ここで、ステップS102の第1加熱工程においてポリシラザン膜202と基板Wのシリコン酸化膜201との界面にシリコン窒化膜202a(図3C参照)が形成されている。このため、シリコン膜204を形成する際に、シリコン膜204とシリコン酸化膜201との界面にシリコン窒化膜202aを残存させることができる。結果として、シリコン窒化膜202aを介してシリコン膜204とシリコン酸化膜201とを強固に密着させることができる。
The substrate W shown in Figures 3A to 3E has a silicon oxide film (an example of a base film) 201 formed on a semiconductor substrate (silicon substrate) not shown. The
このように、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法は、第1塗布膜と基板の下地膜との界面にシリコン窒化膜が形成された状態で、第1塗布膜及び第2塗布膜を加熱してシリコン膜を形成する。このため、一実施形態によれば、下地膜を有する基板に密着性よくシリコン膜を形成することができる。 In this way, in one embodiment of the method for forming a silicon film, a silicon film is formed by heating the first coating film and the second coating film in a state where a silicon nitride film is formed at the interface between the first coating film and the base film of the substrate. Therefore, according to one embodiment, a silicon film can be formed with good adhesion to a substrate having a base film.
[密着性の改善]
図4は、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法により形成されるシリコン膜の密着性の改善について説明するための図である。図4は、表面パターンの無いシリコン酸化膜(下地膜)を有する基板にシリコン膜を形成した場合の実験結果を示している。図4の(a)は、比較例に係るシリコン膜の形成方法を用いてシリコン膜を形成した結果であり、図4の(b)は、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法を用いてシリコン膜を形成した結果である。比較例に係るシリコン膜の形成方法では、下地膜としてシリコン酸化膜を有する基板にシランポリマー溶液を塗布して塗布膜を形成した後に加熱を行った。
[Improvement of adhesion]
4 is a diagram for explaining the improvement of the adhesion of the silicon film formed by the silicon film forming method according to one embodiment. FIG. 4 shows the experimental results when a silicon film is formed on a substrate having a silicon oxide film (undercoat film) without a surface pattern. FIG. 4(a) shows the result of forming a silicon film using the silicon film forming method according to the comparative example, and FIG. 4(b) shows the result of forming a silicon film using the silicon film forming method according to one embodiment. In the silicon film forming method according to the comparative example, a silane polymer solution is applied to a substrate having a silicon oxide film as an undercoat film to form a coating film, and then heating is performed.
図4の(a)に示すように、比較例に係るシリコン膜の形成方法を用いた場合、基板の一部の領域のみにシリコン膜が形成されている(図4の(a)中の白色部分)。これに対して、図4の(b)に示すように、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法を用いた場合、基板のほぼ全面にシリコン膜が形成されている(図4の(b)中の白色部分)。 As shown in FIG. 4A, when the silicon film forming method according to the comparative example is used, a silicon film is formed only on a partial area of the substrate (white area in FIG. 4A). In contrast, as shown in FIG. 4B, when the silicon film forming method according to the embodiment is used, a silicon film is formed on almost the entire surface of the substrate (white area in FIG. 4B).
比較例に係るシリコン膜の形成方法によりシリコン膜を形成した場合、シリコン酸化膜(下地膜)に対する濡れ性の低いシランポリマー溶液を基板に直接塗布するため、形成される塗布膜とシリコン酸化膜との密着性が低下する。このため、塗布膜から形成されるシリコン膜とシリコン酸化膜との密着性が低下する。これに対して、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法においては、シリコン酸化膜(下地膜)に対する濡れ性の高いポリシラザン溶液を基板に塗布して第1塗布膜を形成した後に第1塗布膜にシランポリマー溶液を塗布して第2塗布膜を形成する。このため、形成される第1塗布膜及び第2塗布膜とシリコン酸化膜との密着性が確保される。これにより、第1塗布膜及び第2塗布膜から形成されるシリコン膜とシリコン酸化膜との密着性の低下を抑制することができる。 When a silicon film is formed by the silicon film forming method according to the comparative example, the silane polymer solution with low wettability to the silicon oxide film (base film) is directly applied to the substrate, so the adhesion between the formed coating film and the silicon oxide film is reduced. As a result, the adhesion between the silicon film formed from the coating film and the silicon oxide film is reduced. In contrast, in the silicon film forming method according to one embodiment, a polysilazane solution with high wettability to the silicon oxide film (base film) is applied to the substrate to form a first coating film, and then a silane polymer solution is applied to the first coating film to form a second coating film. As a result, the adhesion between the first and second coating films formed and the silicon oxide film is ensured. This makes it possible to suppress the decrease in adhesion between the silicon film formed from the first and second coating films and the silicon oxide film.
図5は、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法を用いてシリコン膜を形成した後の基板の表面をXPS分析した分析結果を示す図である。図6は、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法を用いてシリコン膜を形成した後の基板の表面をSIMS分析した分析結果を示す図である。図7は、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法を用いてシリコン膜を形成した後の基板の表面をTEM-EDX分析した分析結果を示す図である。図5~図7において、縦軸は、原子濃度を示す。また、図5及び図6において、横軸は、基板上の膜の表面からの深さを示す。また、図7において、横軸は、基板の底面からの距離を示す。XPS分析、SIMS分析及びTEM-EDX分析では、基板上の膜の元素組成を確認することができる。 Figure 5 shows the results of an XPS analysis of the surface of a substrate after a silicon film is formed using the silicon film forming method according to one embodiment. Figure 6 shows the results of a SIMS analysis of the surface of a substrate after a silicon film is formed using the silicon film forming method according to one embodiment. Figure 7 shows the results of a TEM-EDX analysis of the surface of a substrate after a silicon film is formed using the silicon film forming method according to one embodiment. In Figures 5 to 7, the vertical axis indicates atomic concentration. In Figures 5 and 6, the horizontal axis indicates the depth from the surface of the film on the substrate. In Figure 7, the horizontal axis indicates the distance from the bottom surface of the substrate. The elemental composition of the film on the substrate can be confirmed by XPS analysis, SIMS analysis, and TEM-EDX analysis.
図5~図7の分析結果は、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法を用いて形成されたシリコン膜とシリコン酸化膜(下地膜)との界面に窒素(N)及びシリコン(Si)を含む膜(つまり、シリコン窒化膜)が残存していることを示している。すなわち、図5~図7の分析結果は、一実施形態に係るシリコン膜の形成方法を用いてシリコン膜を形成することにより、シリコン窒化膜を介してシリコン膜とシリコン酸化膜(下地膜)とを強固に密着させることができることを示している。 The analysis results in Figures 5 to 7 show that a film containing nitrogen (N) and silicon (Si) (i.e., a silicon nitride film) remains at the interface between the silicon film formed using the silicon film formation method of one embodiment and the silicon oxide film (underlying film). In other words, the analysis results in Figures 5 to 7 show that by forming a silicon film using the silicon film formation method of one embodiment, the silicon film and the silicon oxide film (underlying film) can be firmly adhered to each other via the silicon nitride film.
[第2加熱工程における酸素濃度の範囲]
ここで、第2加熱工程における酸素濃度の範囲を評価するための実験を行った。実験では、第2塗布膜であるシランポリマー膜が形成された評価基板が用いられた。実験では、酸素濃度を変えて評価基板に対し第2加熱工程を行い、形成されるシリコン膜中の酸素の原子濃度を調べた。図8は、酸素濃度を変えて評価基板に対し一実施形態に係る第2加熱工程を行った後の基板の表面をSIMS分析した分析結果を示す図である。図8において、縦軸は、形成されるシリコン膜中の酸素の原子濃度を示し、横軸は、評価基板上の膜の表面からの深さを示す。図8中、破線は、評価基板に対し50ppmの酸素濃度の雰囲気の下で第2加熱工程を行った結果を示す(比較例1)。実線は、評価基板に対し1ppm以下の酸素濃度の雰囲気の下で第2加熱工程を行った結果を示す(実施例1)。なお、形成されるシリコン膜中の酸素の原子濃度が低いほど、シリコン膜の膜質が良いと言える。
[Oxygen concentration range in the second heating step]
Here, an experiment was conducted to evaluate the range of oxygen concentration in the second heating step. In the experiment, an evaluation substrate on which a silane polymer film, which is the second coating film, was formed was used. In the experiment, the second heating step was performed on the evaluation substrate with different oxygen concentrations, and the atomic concentration of oxygen in the silicon film formed was examined. FIG. 8 is a diagram showing the analysis result of SIMS analysis of the surface of the substrate after the second heating step according to one embodiment was performed on the evaluation substrate with different oxygen concentrations. In FIG. 8, the vertical axis indicates the atomic concentration of oxygen in the silicon film formed, and the horizontal axis indicates the depth from the surface of the film on the evaluation substrate. In FIG. 8, the dashed line indicates the result of performing the second heating step on the evaluation substrate under an atmosphere with an oxygen concentration of 50 ppm (Comparative Example 1). The solid line indicates the result of performing the second heating step on the evaluation substrate under an atmosphere with an oxygen concentration of 1 ppm or less (Example 1). It can be said that the lower the atomic concentration of oxygen in the silicon film formed, the better the film quality of the silicon film.
図8に示すように、50ppmの酸素濃度の場合、1ppm以下の酸素濃度の場合と比較して、約18nmの深さまでのシリコン膜中の酸素の原子濃度が増加している。図8の結果から、第2加熱工程を1ppm以下の酸素濃度の雰囲気の下で実行することで、第2塗布膜(シランポリマー膜)から得られるシリコン膜の酸化を抑制できることが分かった。したがって、形成されるシリコン膜の膜質を向上させる観点から、第2加熱工程は、1ppm以下の酸素濃度の雰囲気の下で実行されることが好ましい。 As shown in FIG. 8, when the oxygen concentration is 50 ppm, the oxygen atomic concentration in the silicon film is increased to a depth of about 18 nm compared to when the oxygen concentration is 1 ppm or less. From the results in FIG. 8, it was found that by performing the second heating step in an atmosphere with an oxygen concentration of 1 ppm or less, oxidation of the silicon film obtained from the second coating film (silane polymer film) can be suppressed. Therefore, from the viewpoint of improving the film quality of the silicon film formed, it is preferable to perform the second heating step in an atmosphere with an oxygen concentration of 1 ppm or less.
[実施形態の効果]
上記実施形態に係るシリコン膜の形成方法は、第1塗布工程と、第1加熱工程と、第2塗布工程と、第2加熱工程とを含む。第1塗布工程において、下地膜を有する基板にポリシラザン溶液を塗布して第1塗布膜を形成する。第1加熱工程において、第1塗布膜を加熱する。第2塗布工程において、加熱された第1塗布膜にシランポリマー溶液を塗布して第2塗布膜を形成する。第2加熱工程において、第1塗布膜及び第2塗布膜を加熱する。このため、実施形態によれば、下地膜を有する基板に密着性よくシリコン膜を形成することができる。
[Effects of the embodiment]
The method for forming a silicon film according to the above embodiment includes a first coating step, a first heating step, a second coating step, and a second heating step. In the first coating step, a polysilazane solution is applied to a substrate having an undercoat film to form a first coated film. In the first heating step, the first coated film is heated. In the second coating step, a silane polymer solution is applied to the heated first coated film to form a second coated film. In the second heating step, the first coated film and the second coated film are heated. Therefore, according to the embodiment, a silicon film can be formed with good adhesion to a substrate having an undercoat film.
また、第1加熱工程は、第2加熱工程における第1塗布膜及び第2塗布膜の加熱を実行するための温度よりも低い温度で実行されてもよい。このため、実施形態によれば、第1塗布膜から溶媒の低沸点成分を除去して第1塗布膜を適度に固化することができ、第1塗布膜と第1塗布膜に塗布される第2塗布膜との密着性を向上させることができる。 The first heating step may be performed at a temperature lower than the temperature for heating the first coating film and the second coating film in the second heating step. Therefore, according to the embodiment, the low boiling point component of the solvent can be removed from the first coating film to appropriately solidify the first coating film, and the adhesion between the first coating film and the second coating film applied to the first coating film can be improved.
また、第1塗布工程、第1加熱工程、第2塗布工程及び第2加熱工程は、大気の酸素濃度よりも低い酸素濃度の雰囲気の下で実行されてもよい。また、第2加熱工程は、第1塗布工程、第1加熱工程及び第2塗布工程を実行する際の酸素濃度よりも低い酸素濃度の雰囲気の下で実行されてもよい。また、第1塗布工程、第1加熱工程及び第2塗布工程は、50ppm以下の酸素濃度の雰囲気の下で実行され、第2加熱工程は、1ppm以下の酸素濃度の雰囲気の下で実行されてもよい。また、第1塗布工程、第1加熱工程、第2塗布工程及び第2加熱工程は、下地膜を有する基板が大気暴露されない状態で、実行されてもよい。このため、実施形態によれば、第1塗布膜の酸化を抑制して、形成されるシリコン膜の膜質を向上させることができる。 The first coating step, the first heating step, the second coating step, and the second heating step may be performed in an atmosphere with an oxygen concentration lower than the oxygen concentration of the atmosphere. The second heating step may be performed in an atmosphere with an oxygen concentration lower than the oxygen concentration when the first coating step, the first heating step, and the second coating step are performed. The first coating step, the first heating step, and the second coating step may be performed in an atmosphere with an oxygen concentration of 50 ppm or less, and the second heating step may be performed in an atmosphere with an oxygen concentration of 1 ppm or less. The first coating step, the first heating step, the second coating step, and the second heating step may be performed in a state where the substrate having the undercoat film is not exposed to the atmosphere. Therefore, according to the embodiment, oxidation of the first coating film can be suppressed, and the film quality of the silicon film formed can be improved.
また、第1加熱工程において、第1塗布膜を加熱することにより、第1塗布膜と基板の下地膜との界面にシリコン窒化膜を形成してもよい。このため、実施形態によれば、シリコン窒化膜を介して第1塗布膜と下地膜との密着を補強することで、第1塗布膜から変換されるシリコン膜と下地膜との密着性を向上させることができる。 In addition, in the first heating step, a silicon nitride film may be formed at the interface between the first coating film and the base film of the substrate by heating the first coating film. Therefore, according to the embodiment, the adhesion between the first coating film and the base film is reinforced via the silicon nitride film, thereby improving the adhesion between the silicon film converted from the first coating film and the base film.
また、下地膜は、シリコン酸化膜であってもよい。このため、実施形態によれば、下地膜としてシリコン酸化膜を有する基板に密着性よくシリコン膜を形成することができる。 The base film may also be a silicon oxide film. Therefore, according to the embodiment, a silicon film can be formed with good adhesion on a substrate having a silicon oxide film as a base film.
また、シランポリマー溶液は、分子中に6~8員の単環式飽和炭素環を含み沸点が160℃未満である第1の溶媒と分子中に飽和炭素環又は部分飽和炭素環を含み沸点が160℃以上である第2の溶媒を含む混合溶媒にシランポリマーを溶解させた溶液であってもよい。このため、実施形態によれば、広範な分子サイズのシランポリマーから密着性よくシリコン膜を形成することができる。 The silane polymer solution may be a solution in which a silane polymer is dissolved in a mixed solvent containing a first solvent having a 6- to 8-membered monocyclic saturated carbon ring in the molecule and a boiling point of less than 160°C, and a second solvent having a saturated or partially saturated carbon ring in the molecule and a boiling point of 160°C or higher. Therefore, according to the embodiment, a silicon film with good adhesion can be formed from silane polymers of a wide range of molecular sizes.
今回開示された各実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形体で省略、置換、変更されてもよい。 The embodiments disclosed herein should be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The above embodiments may be omitted, substituted, or modified in various ways without departing from the scope and spirit of the appended claims.
W 基板
201 シリコン酸化膜
202 ポリシラザン膜
202a シリコン窒化膜
203 シランポリマー膜
204 シリコン膜
Claims (10)
前記第1塗布膜を加熱する第1加熱工程と、
加熱された前記第1塗布膜にシランポリマー溶液を塗布して第2塗布膜を形成する第2塗布工程と、
前記第1塗布膜及び前記第2塗布膜を加熱する第2加熱工程と
を含み、
前記第1塗布工程、前記第1加熱工程、前記第2塗布工程及び前記第2加熱工程は、大気の酸素濃度よりも低い酸素濃度の雰囲気の下で実行される
シリコン膜の形成方法。 a first coating step of coating a substrate having an undercoat film with a polysilazane solution to form a first coating film;
a first heating step of heating the first coating film;
a second coating step of coating the heated first coating film with a silane polymer solution to form a second coating film;
a second heating step of heating the first coating film and the second coating film,
The first coating step, the first heating step, the second coating step, and the second heating step are performed in an atmosphere having an oxygen concentration lower than the oxygen concentration of the air.
A method for forming a silicon film.
前記第2加熱工程における前記第1塗布膜及び前記第2塗布膜の加熱を実行するための温度よりも低い温度で実行される、請求項1に記載のシリコン膜の形成方法。 The first heating step includes:
2. The method for forming a silicon film according to claim 1, wherein the method is performed at a temperature lower than a temperature for performing heating of the first coating film and the second coating film in the second heating step.
前記第2加熱工程は、1ppm以下の酸素濃度の雰囲気の下で実行される、請求項3に記載のシリコン膜の形成方法。 the first coating step, the first heating step, and the second coating step are performed in an atmosphere having an oxygen concentration of 50 ppm or less;
4. The method of forming a silicon film according to claim 3 , wherein the second heating step is performed in an atmosphere having an oxygen concentration of 1 ppm or less.
前記第1塗布膜を加熱する第1加熱工程と、a first heating step of heating the first coating film;
加熱された前記第1塗布膜にシランポリマー溶液を塗布して第2塗布膜を形成する第2塗布工程と、a second coating step of coating the heated first coating film with a silane polymer solution to form a second coating film;
前記第1塗布膜及び前記第2塗布膜を加熱する第2加熱工程とa second heating step of heating the first coating film and the second coating film;
を含み、Including,
前記第1塗布工程、前記第1加熱工程、前記第2塗布工程及び前記第2加熱工程は、下地膜を有する前記基板が大気暴露されない状態で、実行されるThe first coating step, the first heating step, the second coating step, and the second heating step are performed in a state where the substrate having an undercoat film is not exposed to the atmosphere.
シリコン膜の形成方法。A method for forming a silicon film.
前記第1塗布膜を加熱する第1加熱工程と、a first heating step of heating the first coating film;
加熱された前記第1塗布膜にシランポリマー溶液を塗布して第2塗布膜を形成する第2塗布工程と、a second coating step of coating the heated first coating film with a silane polymer solution to form a second coating film;
前記第1塗布膜及び前記第2塗布膜を加熱する第2加熱工程とa second heating step of heating the first coating film and the second coating film;
を含み、Including,
前記第1加熱工程において、前記第1塗布膜を加熱することにより、前記第1塗布膜と前記基板の下地膜との界面にシリコン窒化膜を形成するIn the first heating step, the first coating film is heated to form a silicon nitride film at the interface between the first coating film and the base film of the substrate.
シリコン膜の形成方法。A method for forming a silicon film.
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