JPH09134909A

JPH09134909A - 薄膜形成用回転塗布装置、半導体装置、及び薄膜の形成方法

Info

Publication number: JPH09134909A
Application number: JP29287295A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Hirasawa; 茂樹平澤; Hiroki Nezu; 広樹根津; Tadashi Ohashi; 直史大橋; Hiroyuki Maruyama; 裕之丸山; Yoko Saito; 洋子斎藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-11-10
Filing date: 1995-11-10
Publication date: 1997-05-20

Abstract

(57)【要約】【課題】薄膜形成用回転塗布装置及び薄膜の形成方法に
おいて、表面に凹凸パターンのある基板上に平坦な薄膜
を高い生産効率で形成することを可能にする。【解決手段】半導体ウエハ１を回転させながら塗布材料
を少量滴下し、遠心力によって滴下した塗布材料を薄膜
状に広げる。そして、塗布材料１０中の溶媒の蒸発工程
初期に排気ポンプ８から溶媒を吸引して蒸発速度を大き
くし、半導体ウエハ１表面の凹凸に対応する塗布材料１
０表面の凹凸を生じさせる。塗布材料１０表面に凹凸が
できることにより、塗布材料１０が流動しやすくなる。
所定時間後、排気ポンプ８からの吸引を止めて溶媒の蒸
発速度を小さくすると、塗布材料１０が流動しやすくな
っているため、速やかに薄膜表面が平坦化し、その塗布
材料１０の乾燥稠密化によってほぼ平坦な薄膜が形成さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固形成分を含む塗
布材料の回転塗布及び乾燥緻密化によって基板上に薄膜
を形成する薄膜形成用回転塗布装置に係わり、特に、半
導体ウエハ上に多層配線の絶縁膜やフォトレジスト膜な
どを平坦に形成するのに好適な薄膜形成用回転塗布装
置、及び薄膜の形成方法、及び塗布材料の回転塗布及び
乾燥緻密化によって絶縁膜が形成された半導体装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板（以下、適宜、半導体ウエハ
という）上に多層配線の絶縁膜やフォトレジスト膜など
を形成する際には、半導体基板上の配線の凹凸パターン
の影響を受けて膜の表面にも凹凸がでやすい。しかし、
形成された膜にエッチング等の後処理を施す際には、凹
凸（高低差）が少ない方がその処理が容易に行え、さら
に後の工程において高精度な積層を行うことができる。

【０００３】このような要求に答えるために、配線によ
る凹凸パターンのある半導体ウエハ上に形成する膜を、
塗布材料の回転塗布及び乾燥緻密化によって形成する技
術が開発された。これは、溶媒と固形成分とを混合した
塗布材料を回転する半導体ウエハに塗布し、その塗布材
料を遠心力によって半導体ウエハ全面に一様に広げ、塗
布材料中の溶媒を蒸発させて半導体ウエハ上に上記固形
成分の薄膜を形成する技術である。このような膜の平坦
化をねらった技術には、例えば特公平６−６６２５５号
公報に記載のように、回転塗布装置内に溶媒を導入し、
半導体ウエハの周囲を溶媒蒸気雰囲気に保った状態で塗
布材料を回転塗布することにより、塗布材料の乾燥稠密
化を極力遅くして長時間の流動と乾燥を行わせるものが
あった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記特公平６−６６２
５５号公報に記載の従来技術は、塗布材料の乾燥及び流
動のためにかける時間を十分に長くとることができるな
らば、膜の平坦化のために非常に有効な手段であるが、
生産効率が低く、短時間の膜の形成が要求される場合に
は利用できなかった。

【０００５】本発明の目的は、表面に凹凸パターンのあ
る基板上に平坦な薄膜を高い生産効率で形成することが
可能な薄膜形成用回転塗布装置、及び薄膜の形成方法、
及びそのような薄膜形成用回転塗布装置または薄膜の形
成方法で絶縁膜が形成された半導体装置を提供すること
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、溶媒と固形成分とを混合した塗布
材料を回転する基板上に塗布し、前記塗布材料を遠心力
によって前記基板全面に一様に広げ、溶媒を蒸発させて
前記基板上に前記固形成分の薄膜を形成する薄膜形成用
回転塗布装置において、前記溶媒の蒸発工程の初期にお
ける溶媒の蒸発速度を大きくし、前記溶媒の蒸発工程の
途中から溶媒の蒸発速度を小さくする蒸発速度制御手段
を有することを特徴とする薄膜形成用回転塗布装置が提
供される。

【０００７】上記のように構成した本発明においては、
溶媒の蒸発工程の初期における溶媒の蒸発速度を大きく
することにより、基板表面に凹凸がある場合にその凹凸
パターンに対応して塗布材料の表面に凹凸が生じる。こ
れは塗布材料中の溶媒の蒸発割合が一定であることによ
る。そして、溶媒の蒸発工程の途中から溶媒の蒸発速度
を小さくした時には、塗布材料表面に生じた凹凸が大き
くなっているため、塗布材料の表面張力によって凸部の
塗布材料が凹部へと流動しやすくなり、その流量の大き
くすることが可能となり、最終的には薄膜表面の平坦化
が速やかに進む。

【０００８】また、溶媒の蒸発工程の初期に溶媒の蒸発
速度を大きくすることで、塗布材料中の固形成分の濃化
が進む。そして、固形成分の濃度がある程度高くなった
状態で溶媒の蒸発速度を小さくすれば、多くの固形成分
が移動し、効率的に固形成分の移動が行える。

【０００９】以上のことから、基板上に平坦な薄膜を高
い生産効率で形成することが可能となる。

【００１０】上記薄膜形成用回転塗布装置において好ま
しくは、蒸発速度制御手段に、基板を囲む容器と、その
容器内の溶媒の蒸気を排気する排気手段と、上記容器内
からの排気速度を制御する流量制御手段とを備えるよう
にする。上記流量制御手段は、上記溶媒の蒸発工程の初
期における排気速度を大きくし、上記溶媒の蒸発工程の
途中から排気速度を小さくするかあるいは排気を中止す
るように排気速度を制御する。

【００１１】また、蒸発速度制御手段に、溶媒の蒸発工
程の初期に基板を所定速度で回転させながら上記溶媒を
蒸発させ、その溶媒の蒸発工程の途中から基板の回転速
度を小さくするかあるいは回転を止める回転制御手段を
備えてもよい。

【００１２】また、前述の目的を達成するため、本発明
によれば、半導体基板上に配線と絶縁膜とを多層に形成
した半導体集積回路を有する半導体装置であって、前記
絶縁膜が溶媒と固形成分とを混合した塗布材料の前記半
導体基板上への一様な回転塗布及び乾燥緻密化によって
形成された半導体装置において、前記絶縁膜が、前記塗
布材料の乾燥緻密化工程の初期における溶媒の蒸発速度
を大きくし、その溶媒の蒸発工程の途中から溶媒の蒸発
速度を小さくすることにより形成されたことを特徴とす
る半導体装置が提供される。

【００１３】上記半導体装置の絶縁膜は、好ましくは、
塗布材料の回転塗布及び乾燥緻密化工程の初期にその塗
布材料の膜の厚さが１μｍ〜２μｍになったときに回転
を止め、それ以後は回転しない状態で乾燥稠密化するこ
とにより形成される。

【００１４】また、好ましくは、半導体基板上の配線に
起因して生じる乾燥稠密後の絶縁膜の凹凸の最大値が
０．５μｍ以下である。

【００１５】さらに、前述の目的を達成するため、本発
明によれば、溶媒と固形成分とを混合した塗布材料を回
転する基板上に塗布し、前記塗布材料を遠心力によって
前記基板全面に一様に広げ、溶媒を蒸発させて前記基板
上に前記固形成分の薄膜を形成する薄膜の形成方法にお
いて、前記溶媒の蒸発工程の初期における溶媒の蒸発速
度を大きくし、前記溶媒の蒸発工程の途中から溶媒の蒸
発速度を小さくすることを特徴とする薄膜の形成方法が
提供される。

【００１６】また、上記薄膜の形成方法において、塗布
材料を構成する溶媒を、蒸発速度が異なる２種類以上の
溶媒を混合することで構成してもよい。このように蒸発
速度が異なる２種類以上の溶媒を混合すると、溶媒の蒸
発工程の初期に蒸発速度の速い方の溶媒が急速に蒸発
し、溶媒の蒸発工程の途中からは蒸発速度の遅い方の溶
媒がゆっくりと蒸発するため、前記薄膜の形成方法を実
施することが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態につい
て、図１から図９を参照しながら説明する。

【００１８】図１は本実施形態による薄膜形成用回転塗
布装置の垂直断面図である。図１において、半導体ウエ
ハ１は回転板２に取付けられ、半導体ウエハ１と回転板
２はモータ４の回転が回転軸３を介して伝えられること
により回転する。半導体ウエハ１の周囲にはケース５が
あり、さらにケース５の上部には塗布材料を滴下するた
めのノズル６が、ケース５の周囲には排気ダクト７があ
り、排気ダクト７は排気ダクトパイプ７ａを介して排気
ポンプ８に接続されている。排気ダクトパイプ７ａには
排気量制御バルブ９が設けられている。半導体ウエハ１
は、例えばシリコン製で直径が２００ｍｍ、厚さが１ｍ
ｍであり、半導体ウエハ１の上面とケース５との空間層
は例えば５〜１０ｍｍと比較的狭くなっている。また、
ノズル６から滴下される塗布材料は、例えば濃度が１０
〜２０％のシリコン化合物の固形成分を、例えばメタノ
ール、イソプロピルアルコール等の溶媒液に溶かしたも
のである。

【００１９】以上のように構成された薄膜形成用回転塗
布装置の動作を次に説明する。まず、ケース５の上部を
外し、新しい半導体ウエハ１を回転板２上に真空吸着法
等を利用して固定し、ケース５の上部を取り付ける。次
に、モータ４により、回転軸３を介して回転板２と半導
体ウエハ１を（例えば１０００〜５０００ｒｐｍの回転
速度で）高速回転する。そして、回転する半導体ウエハ
１の表面中央にノズル６より塗布材料を少量滴下する。
半導体ウエハ１は回転しているため、遠心力によって塗
布材料は半導体ウエハ１の全表面に薄膜状に広がる。

【００２０】排気ポンプ８より吸引を行うと、塗布材料
中の溶媒が半導体ウエハ１の周囲のケース５との間の空
間層から蒸発し、ケース５の内部の溶媒蒸気が排気ポン
プ８より吸引される。ここで、溶媒の蒸発工程の初期
（例えば、始めの２〜１０秒間）には排気量制御バルブ
９を大きく開いておき、溶媒の蒸発速度を大きくする。

【００２１】続いて、溶媒の蒸発工程の途中からは排気
量制御バルブ９を閉じ、ケース５の内部に溶媒蒸気を満
たし、溶媒の蒸発速度を小さくし蒸発を抑制する。つま
り、溶媒の蒸発速度の切り換えを行う。この時、半導体
ウエハ１の上面とケース５との空間層は比較的狭くなっ
ており、すぐにその空間層に溶媒蒸気が充満するため、
そのことによる溶媒の蒸発の抑制効果は大きい。また、
この溶媒の蒸発速度を小さくした工程においては、モー
タ４の回転を止め半導体ウエハの回転を止めて溶媒を蒸
発させる。

【００２２】上記の状態でしばらく溶媒を蒸発させ、薄
膜（絶縁膜）の乾燥稠密化を行う。薄膜の乾燥稠密化が
完了すると、ケース５の上部を外し、薄膜を形成した半
導体ウエハ１を取り出す。なお、溶媒の蒸発速度を小さ
くした工程で半導体ウエハ１を回転させたままであって
も良い。もし回転させながら溶媒を蒸発させていた場合
には、薄膜の乾燥稠密化完了後、モータ４の回転を止め
てからケース５の上部を外して半導体ウエハ１を取り出
す。

【００２３】上記のような動作を行った場合における、
半導体ウエハ１表面の塗布材料の形状変化を図２〜図４
の垂直断面図を用いて説明する。但し、半導体ウエハ１
表面には配線等に起因した微小パターン（例えば、ピッ
チが１０〜５００μｍで段差が１μｍの２次元の凹凸の
繰り返し）が形成されているものとし、図２〜図４で
は、いずれも垂直方向と水平方向の比率を変え、特に垂
直方向の寸法を誇張してある。図２は、回転塗布によっ
て半導体ウエハ１の全表面に塗布材料１０が広がった直
後の状態を示す。図２の状態での膜厚は例えば２〜５μ
ｍであり、膜厚が比較的厚いためその表面は表面張力に
よってすぐに平面となっているが、その後の溶媒の蒸発
によって塗布材料１０の層の乾燥収縮が進む。本実施形
態では溶媒の蒸発工程初期の蒸発速度を大きくするた
め、図３に示すように、微小パターンのうちの凹部１１
に対応する塗布材料１０の表面が凹状となり、凸部１２
に対応する塗布材料１０の表面が凸状となる。これは塗
布材料１０中の溶媒の蒸発割合が一定であることによ
る。

【００２４】次に、溶媒の蒸発工程の途中から溶媒の蒸
発速度を小さくすると、塗布材料１０の表面に生じた凹
凸が大きくなっているため、塗布材料１０の表面張力に
よって凸部１２の位置の塗布材料が図中矢印１３で示す
ように凹部１１の方へと流動しやすくなり、最終的には
薄膜表面の平坦化が速やかに進む。そして、最終的に
は、図４に示すように塗布材料１０中の溶媒がすべて蒸
発し、固形成分だけが残り、薄膜表面はほとんど平坦に
なる。

【００２５】次に、凹凸パターンのある基板上の塗布材
料の流動と形状変化をコンピュータにより解析した結果
を以下で説明する。まず、この解析の際の計算方法を示
す。塗布材料が塗布された基板の垂直断面において、図
５に示すように水平方向の座標をｘ，垂直方向の座標を
ｚと定義し、ある程度溶媒の蒸発が進んで表面に凹凸が
できた状態の塗布材料１０の薄膜表面のｚ座標をｚ₁、
基板表面のｚ座標をｚ₀とすると、その時の膜厚は（ｚ₁
−ｚ₀）であり、表面張力と粘性力による流動、及び蒸
発に起因した収縮による形状変化は次式で計算される。

【００２６】

【数１】

【００２７】ここで、ｔは時間、σは表面張力、μは粘
性係数、Ｃは蒸発による収縮速度である。塗布材料１０
の溶媒濃度をＮとすると、この溶媒濃度Ｎ、粘性係数
μ、蒸発による収縮速度Ｃは溶媒の蒸発によって次式の
ように時間変化する。

【００２８】

【数２】

【００２９】

【数３】

【００３０】

【数４】

【００３１】ここで、μ₀は初期粘性係数、Ｃ₀は初期収
縮速度、Ｎ₀は初期の塗布材料１０の溶媒濃度である。
また、単位時間当たりの塗布材料１０の流量（流動速
度）Ｑは式（１）の右辺第１項の最初の演算子を除いた
部分であり、次式で表される。

【００３２】

【数５】

【００３３】これらの式を利用して、本実施形態による
単位時間当たりの塗布材料の流量（流動速度）、及び従
来技術（特公平６−６６２５５号公報に記載の技術に準
ずる）による単位時間当たりの塗布材料１０の流量（流
動速度）を計算した結果を、乾燥稠密化の経過時間に対
する変化として図６に示す。但し、初期粘性係数μ_０を
０．００１５ｋｇ／ｍｓ、初期表面張力σ₀を０.０２７
Ｎ／ｍ、凸部１２の高さを０.９μｍ、凸部１２の幅を
３００μｍ、凹部１１の幅を２００μｍ、凸部１２上の
初期膜厚を３μｍ、初期固形成分を２０％（最終膜厚が
０.６μｍとなる）、蒸発時間を４０ｓとした。また、
本実施形態における初期収縮速度を０.２４μｍ／ｓと
し、１０秒後からは溶媒の蒸発速度を切り換え収縮速度
をその１／４とした。さらに、従来技術における初期収
縮速度は０.１２μｍ／ｓとし、最後までその初期速度
が一定であるとした。

【００３４】図６において、実線Ａは本実施形態による
塗布材料の流動速度であり、破線Ｂは従来技術による塗
布材料の流動速度で溶媒の排気量の制御を行わない場合
である。乾燥稠密化を開始した時には塗布材料の薄膜表
面が平面であるため流量が小さく、時間の経過と共に次
第に薄膜表面に凹凸が生じて流量が大きくなる。本実施
形態では乾燥稠密化の初期から塗布材料の薄膜表面の凹
凸が大きくなるため、乾燥稠密化初期からすぐに流量
（流動速度）が大きくなり、この過程全体を通して塗布
材料の流量の大きい状態とすることができる。一方、従
来技術では、乾燥稠密化を開始してから流量（流動速
度）が大きくなるまでの立上がり時間が長くかかり、も
し乾燥稠密化に時間を十分かけられない場合には流量の
積算量が小さく、従って塗布材料表面の凹凸を小さくす
ることができず、最終的な薄膜表面に生ずる凹凸が大き
くなってしまう。この計算結果によると、本実施形態に
よる最終的な薄膜表面に生じる凹凸が従来技術に対して
０.１μｍ低減する。

【００３５】また、溶媒の蒸発工程の初期に溶媒の蒸発
速度を大きくすることで、塗布材料１０中の固形成分の
濃化が進み、固形成分の濃度がある程度高くなった状態
で溶媒の蒸発速度を小さくすることができるため、多く
の固形成分を効率的に移動できる。

【００３６】なお、蒸発速度を小さくするタイミングが
早すぎる場合には固形成分の濃度が薄いために多くの塗
布材料を移動させなくてはならなくなり、逆に蒸発速度
を小さくするタイミングが遅すぎる場合には溶媒量が少
ないため流動しにくくなるため、固形成分の移動を効率
的に行うためには溶媒の蒸発速度を切り換えるタイミン
グを種々の条件を考慮して適切に決定することが重要で
ある。

【００３７】図７は、半導体ウエハ１の回転停止時、即
ち溶媒の蒸発速度の切り換え時の膜厚を横軸にとり、乾
燥稠密化後の最終的な薄膜表面に生じる高低差（凹凸）
を、４種類の（溶媒の蒸発による）収縮速度に対して計
算した結果を示す図である。なお、この図における収縮
速度は半導体ウエハ１の回転停止時の値である。また、
塗布材料１０の流動によって最終的に凸部１２上で膜厚
が薄く、凹部１１上で厚くなるが、図中最終膜厚とは上
記のことを考慮した半導体ウエハ１表面全体の平均的な
最終膜厚のことである。さらに、半導体ウエハ１表面の
凹凸形状として、図５及び図６で説明したように３００
μｍの幅の凸部１２と２００μｍの幅の凹部１１が繰り
返されるとした（これらの前提条件は以下、図８、図９
でも同様とする。）図７からわかるように、半導体ウエ
ハ１の回転停止時の膜厚が１〜２μｍの時に最終的な薄
膜表面の高低差（凹凸）が最も小さくなる。

【００３８】図８は、塗布材料の物性値である表面張力
と粘性係数の比を、基準値、基準値の２倍、基準値の５
倍と変えた場合に対して最終的な薄膜表面の高低差（凹
凸）を計算した結果を示す図である。図８からわかるよ
うに、塗布材料の表面張力を大きくし粘性係数を小さく
した上で本実施形態を適用すれば、最終的な薄膜表面の
高低差（凹凸）を０．５μｍ程度まで低減することが可
能となる。

【００３９】このようにして回転塗布及び乾燥緻密化の
工程だけで最終的な薄膜表面の高低差（凹凸）を可視光
の波長のオーダである０．５μｍ以下にすることができ
れば、半導体装置製造工程のうちの絶縁膜形成プロセス
に続く縮小露光パターン転写プロセスにおいて、半導体
ウエハ１上の薄膜表面に回路パターンを光転写する際
に、光の干渉や散乱によるピントぼけがなくなり精度よ
く転写することが可能となる。従って、半導体装置製造
工程における不良率低減に効果が大きい。

【００４０】図９は、３種類の最終膜厚（乾燥稠密化完
了後の平均膜厚）に対する最終的な薄膜表面の高低差
（凹凸）を計算した結果を示す図である。半導体ウエハ
１の回転停止時の膜厚、最終膜厚（乾燥稠密化完了後の
平均膜厚）、及び溶媒の蒸発速度を適切な条件にするこ
とにより、最終的な薄膜表面の高低差（凹凸）を０．３
５μｍと、図８で説明した場合よりもさらに低減するこ
とが可能である。さらに、適切な条件を選定すれば、最
終的な薄膜表面の高低差（凹凸）を上記よりも小さくす
ることも可能である。

【００４１】以上のような本実施形態によれば、塗布材
料１０中の溶媒の蒸発工程初期に排気量制御バルブ９を
開いて排気ポンプ８から溶媒を吸引するので、蒸発速度
が大きくなり、半導体ウエハ１表面の配線による凹凸パ
ターンに対応して塗布材料１０表面に凹凸が生じる。従
って、溶媒の蒸発工程の途中より排気ポンプ８からの吸
引を止めて蒸発速度を小さくした時に、凸部１２に対応
する塗布材料１０が凹部１１の方へと流動しやすくな
り、その流量を大きくすることが可能となり、速やかに
薄膜表面を平坦化することができる。

【００４２】また、溶媒の蒸発工程の初期に蒸発速度を
大きくするので、塗布材料１０中の固形成分の濃化が進
んだ状態で多くの固形成分を移動させることができ、効
率的に固形成分の移動が行える。

【００４３】以上のことから、半導体ウエハ１０上に平
坦な薄膜（絶縁膜）を高い生産効率で形成することがで
きる。

【００４４】次に、本発明の第２の実施形態について、
図１０から図１２を参照しながら説明する。

【００４５】図１０は本実施形態による薄膜形成用回転
塗布装置の垂直断面図である。図１０において、半導体
ウエハ２１は回転板２２に取付けられ、回転板２２と半
導体ウエハ２１周囲を囲むケース２５とが一体となって
おり、半導体ウエハ２１、回転板２２、ケース２５は、
モータ２４の回転が回転軸２３を介して伝えられること
により一緒に回転する。ケース２５の上部には塗布材料
を滴下するためのノズル２６が、ケース２５の周囲には
排気口２７が設けられている。

【００４６】そして半導体ウエハ２１を回転させ、その
回転する半導体ウエハ２１の表面中央にノズル２６より
塗布材料を少量滴下すると、遠心力によって塗布材料は
半導体ウエハ２１の全表面に薄膜状に広がる。その後、
塗布材料から溶媒が蒸発し、乾燥稠密化が始まるが、そ
の際にも引き続きモータ２４を回転させ、半導体ウエハ
２１の回転を継続させる。この場合、半導体ウエハ２１
の回転によって半導体ウエハ２１の上面とケース２５と
の間の空気層に流れが生じるため、溶媒の蒸気は排気口
２７から流出し、蒸発速度が大きくなり、また遠心力に
よって膜厚が一定となるため、配線の凹凸に起因して塗
布材料の表面に凹凸が生じる。

【００４７】しばらく半導体ウエハ２１を回転させて溶
媒を蒸発させた後、半導体ウエハ２１の回転を止め、溶
媒の蒸発速度の切り換えを行う。これにより、半導体ウ
エハ２１の上面とケース２５との間の空気層の流れが小
さくなって溶媒の蒸発速度が小さくなり、塗布材料が半
導体ウエハ２１上で第１の実施形態と同様に流動しなが
らゆっくり乾燥稠密化する。その結果、最終的な薄膜表
面はほとんど平坦となる。

【００４８】なお、本実施形態の場合、蒸発工程の初期
の段階で排気ポンプによる吸引を行わないため、第１の
実施形態ほどには溶媒の蒸発が盛んにはならないもの
の、回転による空気層の流れによって溶媒の蒸発速度は
大きくできる。また、溶媒の蒸発速度の切り換え時に回
転を止めるのではなく、回転速度を小さく（例えば初期
の半分以下）にしてもよい。

【００４９】上記のような薄膜の形成過程における単位
時間当たりの凸部から凹部への塗布材料の流量（流動速
度）の計算結果を、乾燥稠密化の経過時間に対する変化
として図１１に示す。また、図１２に、図１１の計算結
果に基づく膜厚分布の時間変化を断面図で示す。但し、
図１１及び図１２における経過時間は、半導体ウエハ２
１の回転停止後、即ち溶媒の蒸発速度の切り換え後の時
間である。溶媒の蒸発工程の初期の回転によって塗布材
料の表面に半導体ウエハ２１上の配線の凹凸に対応する
凹凸が生じているため、半導体ウエハ２１の回転停止後
すぐの流量が非常に大きく、その結果最終的な薄膜表面
が平坦になる。この計算例によると、最終的な薄膜表面
に生じる高低差（凹凸）が０．５μｍとなり、従来技術
による場合の計算結果である０．７μｍに対して０．２
μｍ低減する。

【００５０】以上のような本実施形態によれば、溶媒の
蒸発工程の初期段階で半導体ウエハ２１を回転させ、所
定時間後に半導体ウエハ２１の回転を止めるので、溶媒
の蒸発工程の初期に蒸発速度を大きくし、半導体ウエハ
２１の回転停止後に蒸発速度を小さくすることができ
る。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

【００５１】次に、本発明の第３の実施形態について、
図１３を参照しながら説明する。

【００５２】図１３は本実施形態による薄膜形成用回転
塗布装置の垂直断面図である。基本的な構成は第１の実
施形態の図１と同様であるが、回転板２ａには円板２ｂ
が取り外し可能なように数カ所で取り付けられており、
円板２ｂは半導体ウエハ１に近接している。なお、図１
３では、図１と同等の部材には同じ符号を付してある。
回転板２ａと円板２ｂで挟まれた空間の外周部は取付部
材２ｃを除いて外部に開放されている。

【００５３】本実施形態では、円板２ｂを外した状態で
半導体ウエハ１を回転板２に取り付け、塗布材料を半導
体ウエハ１の上に少量滴下し、その後円板２ｂを回転板
２ａに取り付け、円板２ｂと半導体ウエハ１を回転板２
ａと一緒に回転させる。それ以後の動作は、第１の実施
形態と同様であり、同様の効果が得られる。

【００５４】次に、本発明の第４の実施形態について、
図１４を参照しながら説明する。

【００５５】本実施形態で使用する薄膜形成用回転塗布
装置は、図１の装置と同様である。但し、排気量制御バ
ルブ９は常時開としておき、全工程において閉じる必要
はない。あるいは、本実施形態で使用する限りは排気量
制御バルブ９はなくてもよい。そして、塗布材料の溶媒
として蒸発速度が速い第１の溶媒（例えばメタノール
等）とそれに比較して蒸発速度が遅い（例えば半分以下
の蒸発速度の）第２の溶媒（例えばエチレングリコール
等）の混合液を用いる。また、排気ポンプ８により、乾
燥稠密化の工程全体を通して常に排気を続けておく。な
お、塗布材料の溶媒を２種類の溶媒の混合液とするので
なく、３種類以上の溶媒の混合液としてもよい。

【００５６】上記のような塗布材料を半導体ウエハ１に
滴下して全面に薄膜状に広げた場合、図１４に示すよう
に、まず蒸発速度が速い第１の溶媒（図中Ｃ）が急速に
蒸発し、塗布材料の表面に凹凸が生じる。その結果、塗
布材料の表面張力によってその塗布材料が流動しやすく
なる。その後、蒸発速度が遅い第２の溶媒（図中Ｄ）が
蒸発するが、この第２の溶媒は蒸発速度が遅いために塗
布材料の流動と共に乾燥稠密化がゆっくりと進み、最終
的な薄膜表面がほとんど平坦となる。このように、本実
施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得ら
れる。

【００５７】

【実施例】次に、本発明の一実施例について、図１５か
ら図１８を参照しながら説明する。

【００５８】図１５〜図１８は半導体ウエハの表面部分
を拡大した垂直断面図である。図１５において、半導体
ウエハ５１にトランジスタ素子５２が形成され、そのト
ランジスタ素子５２からの配線５３が形成されている。
本実施例では半導体ウエハ５１上部に絶縁膜と上層配線
を形成する工程を説明する。

【００５９】まず、プラズマＣＶＤ装置により酸化シリ
コン膜５４を形成する（図１６参照）。次に、前述の実
施形態のいずれかによってシリコン化合物の塗布膜（絶
縁膜）６０を形成する。ここまでの工程が終了した状態
を図１６に示す。次に、図１７に示すように、フッ化炭
素系ガスによりエッチングを行い、塗布膜６０の表面を
平坦にする。ここで、前述の実施形態によって形成した
塗布膜６０は、その表面の高低差（凹凸）が小さく、平
坦に近いため、上記エッチングを行う際には配線５３間
の凹部（スペース部分）にのみ塗布膜６０を残し、それ
以外の塗布膜６０を完全に除去し、表面を完全な平坦に
することが容易に行える。

【００６０】次に、図１８に示すように、プラズマＣＶ
Ｄ装置により酸化シリコン膜５５を形成し、フォトマス
クを用いたエッチングにより配線接続穴５６を開け、ス
パッタ装置によりその上層の配線５７を形成する。本発
明の実施形態によれば、酸化シリコン膜５５を形成する
前の表面を図１７のように平坦にすることができるた
め、酸化シリコン膜５５を平坦に形成することが可能と
なり、さらにその結果、配線穴５６を開けるためのフォ
トマスクを精度良く形成できる。これらのことから、多
層配線を高精度に形成することができ、接続信頼性を向
上して不良率低減に寄与することができる。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、塗布材料中の溶媒の蒸
発工程初期に蒸発速度を大きくし、溶媒の蒸発工程の途
中から蒸発速度を小さくするので、塗布材料を凸部から
凹部へ流しやすくすることができ、その流量を大きくす
ることができ、速やかに薄膜表面を平坦化することがで
きる。

【００６２】また、溶媒の蒸発工程の初期に蒸発速度を
大きくするので、塗布材料中の固形成分の濃化が進んだ
状態で多くの固形成分を移動させることができ、効率的
に固形成分の移動が行える。

【００６３】以上のことから、半導体ウエハ上に平坦な
薄膜（絶縁膜）を高い生産効率で形成することができ
る。従って、半導体装置の微細多層構造を高い生産効率
で製造することが可能となり、不良率低減にも寄与でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による薄膜形成用回転
塗布装置の垂直断面図である。

【図２】半導体ウエハ表面の塗布材料の形状変化を示す
図であって、回転塗布によって半導体ウエハの全表面に
塗布材料が広がった直後の状態を示す図である。

【図３】図２に続いて、半導体ウエハ上の凹凸に対応し
て塗布材料の表面に凹凸ができた状態を示す図である。

【図４】図３に続いて、塗布材料中の溶媒がすべて蒸発
し、固形成分だけが残った状態を示す図である。

【図５】基板上の塗布材料の流動と形状変化を計算する
ために用いる断面図であって、種々の寸法を定義する図
である。

【図６】単位時間当たりの塗布材料の流量の計算結果を
示す図である。

【図７】半導体ウエハの回転停止時の膜厚、乾燥稠密化
後の最終的な薄膜表面に生じる高低差（凹凸）、溶媒の
蒸発による収縮速度の関係の計算結果を示す図である。

【図８】塗布材料の表面張力と粘性係数の比の変化に対
し、最終的な薄膜表面の高低差（凹凸）を計算した結果
を示す図である。

【図９】３種類の最終膜厚（乾燥稠密化完了後の平均膜
厚）に対する最終的な薄膜表面の高低差（凹凸）を計算
した結果を示す図である。

【図１０】本発明の第２の実施形態による薄膜形成用回
転塗布装置の垂直断面図である。

【図１１】図１０の薄膜形成用回転塗布装置薄膜を用い
た薄膜の形成過程における単位時間当たりの凸部から凹
部への塗布材料の流量（流動速度）の計算結果を示す図
である。

【図１２】図１１の計算結果に基づく膜厚分布の時間変
化を示す断面図である。

【図１３】本発明の第３の実施形態による薄膜形成用回
転塗布装置の垂直断面図である。

【図１４】本発明の第４の実施形態を説明する図であっ
て、塗布材料に含まれる２種類の溶媒の蒸発量の時間変
化を示す図である。

【図１５】本発明の一実施例を示す図であって、トラン
ジスタ素子及び配線が形成された半導体ウエハの表面部
分を拡大した垂直断面図である。

【図１６】図１５に示す半導体ウエハにプラズマＣＶＤ
装置によって酸化シリコン膜を形成し、さらに本発明の
実施形態のいずれかによってシリコン化合物の塗布膜
（絶縁膜）を形成した状態を示す図である。

【図１７】図１６に続いて、フッ化炭素系ガスによりエ
ッチングを行い、塗布膜の表面を平坦にした状態を示す
図である。

【図１８】図１７に続いて、プラズマＣＶＤ装置により
酸化シリコン膜を形成し、フォトマスクを用いたエッチ
ングにより配線接続穴を開け、スパッタ装置によりその
上層の配線を形成した状態を示す図である。

【符号の説明】

１半導体ウエハ２，２ａ回転板２ｂ円板２ｃ取付部材３回転軸４モータ５ケース６ノズル７排気ダクト７ａ排気ダクトパイプ８排気ポンプ９排気量制御バルブ１０塗布材料１１凹部１２凸部２１半導体ウエハ２２回転板２３回転軸２４モータ２５ケース２６ノズル２７排気口５１半導体ウエハ５２トランジスタ素子５３配線５４酸化シリコン膜５５酸化シリコン膜５６配線接続穴５７配線６０塗布膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/316 Ｂ０５Ｃ 11/08 21/768 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５６４Ｃ // Ｂ０５Ｃ 11/08 ５６４Ｄ 21/90 Ｑ (72)発明者丸山裕之東京都青梅市今井町2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者斎藤洋子茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶媒と固形成分とを混合した塗布材料を
回転する基板上に塗布し、前記塗布材料を遠心力によっ
て前記基板全面に一様に広げ、前記溶媒を蒸発させて前
記基板上に前記固形成分の薄膜を形成する薄膜形成用回
転塗布装置において、前記溶媒の蒸発工程の初期における前記溶媒の蒸発速度
を大きくし、前記溶媒の蒸発工程の途中から前記溶媒の
蒸発速度を小さくする蒸発速度制御手段を有することを
特徴とする薄膜形成用回転塗布装置。
【請求項２】請求項１記載の薄膜形成用回転塗布装置
において、前記蒸発速度制御手段は、前記基板を囲む容
器と、前記容器内の前記溶媒の蒸気を排気する排気手段
と、前記溶媒の蒸発工程の初期における排気速度を大き
くし前記溶媒の蒸発工程の途中から排気速度を小さくす
るかあるいは排気を中止するように前記容器内からの排
気速度を制御する流量制御手段とを備えることを特徴と
する薄膜形成用回転塗布装置。
【請求項３】請求項１記載の薄膜形成用回転塗布装置
において、前記蒸発速度制御手段は、前記溶媒の蒸発工
程の初期に前記基板を所定速度で回転させながら前記溶
媒を蒸発させ前記溶媒の蒸発工程の途中から前記基板の
回転速度を小さくするかあるいは回転を止める回転制御
手段を備えることを特徴とする薄膜形成用回転塗布装
置。
【請求項４】半導体基板上に配線と絶縁膜とを多層に
形成した半導体集積回路を有する半導体装置であって、
前記絶縁膜が溶媒と固形成分とを混合した塗布材料の前
記半導体基板上への一様な回転塗布及び乾燥緻密化によ
って形成された半導体装置において、前記絶縁膜は、前記塗布材料の乾燥緻密化工程の初期に
おける前記溶媒の蒸発速度を大きくし、前記溶媒の蒸発
工程の途中から前記溶媒の蒸発速度を小さくすることに
より形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】請求項４記載の半導体装置において、前
記絶縁膜は、前記塗布材料の回転塗布及び乾燥緻密化工
程の初期にその塗布材料の膜の厚さが１μｍ〜２μｍに
なったときに回転を止め、それ以後は回転しない状態で
乾燥稠密化することにより形成されたことを特徴とする
半導体装置。
【請求項６】請求項４記載の半導体装置において、前
記半導体基板上の配線に起因して生じる乾燥稠密後の前
記絶縁膜の凹凸の最大値が０．５μｍ以下であることを
特徴とする半導体装置。
【請求項７】溶媒と固形成分とを混合した塗布材料を
回転する基板上に塗布し、前記塗布材料を遠心力によっ
て前記基板全面に一様に広げ、前記溶媒を蒸発させて前
記基板上に前記固形成分の薄膜を形成する薄膜の形成方
法において、前記溶媒の蒸発工程の初期における前記溶媒の蒸発速度
を大きくし、前記溶媒の蒸発工程の途中から前記溶媒の
蒸発速度を小さくすることを特徴とする薄膜の形成方
法。
【請求項８】請求項７記載の薄膜の形成方法におい
て、前記塗布材料を構成する前記溶媒を、蒸発速度が異
なる２種類以上の溶媒を混合することにより構成するこ
とを特徴とする薄膜の形成方法。