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発明の名称 膜形成用組成物、絶縁膜およびその製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−70520(P2007−70520A)
公開日 平成19年3月22日(2007.3.22)
出願番号 特願2005−260495(P2005−260495)
出願日 平成17年9月8日(2005.9.8)
代理人 【識別番号】100105647
【弁理士】
【氏名又は名称】小栗 昌平
発明者 高橋 和敬
要約 課題
半導体素子などにおける層間絶縁膜として使用するのに適した、面状が良好なシリコーン系膜が形成可能な、しかも誘電率特性、膜強度に優れた膜を形成できる組成物、該組成物から形成される絶縁膜、および、その製造方法を提供することを目的とする。

解決手段
ケイ素含有化合物の加水分解物およびその部分縮合物の少なくともいずれか、有機溶媒、SP値12以上の溶媒を含有する膜形成用組成物であって、SP値12以上の溶媒の量が該膜形成用組成物中0.1質量%以上20質量%未満の範囲であることを特徴とする膜形成用組成物、該組成物から形成される絶縁膜、および、その製造方法を提供する。
特許請求の範囲
【請求項1】
ケイ素含有化合物の加水分解物およびその部分縮合物の少なくともいずれか、有機溶媒、SP値12以上の溶媒を含有する膜形成用組成物であって、SP値12以上の溶媒の量が該膜形成用組成物中0.1質量%以上20質量%未満の範囲であることを特徴とする膜形成用組成物。
【請求項2】
該ケイ素含有化合物が分子中に二つ以上のSi−C結合を含むことを特徴とする請求項1に記載の膜形成用組成物。
【請求項3】
該ケイ素含有化合物が分子中にSi−CH2−Si結合を含むことを特徴とする請求項2に記載の膜形成用組成物。
【請求項4】
該SP12以上の溶媒を0.5質量%〜10質量%含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の膜形成用組成物。
【請求項5】
該SP12以上の溶媒が水であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の膜形成用組成物。
【請求項6】
減圧でアルコール及び水を除去する工程、及びSP12以上の溶媒を一定量添加する工程を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の膜形成用組成物の製造方法。
【請求項7】
請求項1〜5のいずれかの膜形成用組成物を基板に塗布し加熱して得られた絶縁膜。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、膜形成用組成物に関し、さらに詳しくは、半導体素子などにおける層間絶縁膜材料として、均一な厚さを有する塗膜が形成可能な、しかも、誘電率特性、膜強度などに優れた絶縁膜を形成できる組成物、該絶縁膜の形成方法および絶縁膜に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、半導体素子などにおける層間絶縁膜として、気相成長(CVD)法などの真空プロセスで形成されたシリカ(SiO2)膜が多用されている。そして、近年、より均一な層間絶縁膜を形成することを目的として、SOG(Spin on Glass)膜と呼ばれるテトラアルコキシランの加水分解生成物を主成分とする塗布型の絶縁膜も使用されるようになっている。また、半導体素子などの高集積化に伴い、有機SOGと呼ばれるポリオルガノシロキサンを主成分とする低誘電率の層間絶縁膜が開発されている。
【0003】
しかし、無機材料の膜の中で最も低い誘電率を示すCVD−SiO2膜でも、誘電率は約4程度である。また、低誘電率CVD膜として最近検討されているSiOF膜の比誘電率は約3.3〜3.5であるが、この膜は吸湿性が高く、使用しているうちに誘電率が上昇するという問題がある。
【0004】
かかる状況下、絶縁性、耐熱性、耐久性に優れた絶縁膜材料として、オルガノポリシロキサンに高沸点溶剤や熱分解性化合物を添加して空孔を形成し、誘電率を下げる方法が知られている。しかしながら、上記のような多孔質膜では、多孔化することにより誘電率特性が下がっても、機械強度が低下すること、吸湿による誘電率増加がおこることなどが問題になっていた。また、互いに連結した空孔が形成されるため、配線に用いられた銅が、絶縁膜中に拡散することなどが問題となっていた。
【0005】
一方、直鎖アルキル基でケイ素原子を連結した化合物を用いて製造した絶縁膜(特許文献1参照)、環状化合物を用いて製造した絶縁膜(非特許文献1参照)などが検討されているが、機械強度および誘電率の点での改良が更に求められている。
また、品質にバラツキがなく、安定して、機械強度及び誘電率に優れる絶縁膜を提供できる膜形成用組成物が求められている。
【0006】
【特許文献1】特開平1−313528号公報
【非特許文献1】サイエンス(Science)、2003年、第302巻、第266頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記問題点を解決するための組成物、該組成物を用いた絶縁膜の製造方法、およびこれを用いて製造された絶縁膜に関し、さらに詳しくは、半導体素子などにおける層間絶縁膜として使用するのに適した、面状が良好なシリコーン系膜が形成可能な、しかも誘電率特性、膜強度に優れた膜を形成できる組成物、該組成物から形成される絶縁膜、および、その製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的は、下記の構成により達成されることが見出された。
【0009】
(1)ケイ素含有化合物の加水分解物およびその部分縮合物の少なくともいずれか、有機
溶媒、SP値12以上の溶媒を含有する膜形成用組成物であって、SP値12以上の溶媒の量が該膜形成用組成物中0.1質量%以上20質量%未満の範囲であることを特徴とする膜形成用組成物。
(2)該ケイ素含有化合物が分子中に二つ以上のSi−C結合を含むことを特徴とする上記(1)に記載の膜形成用組成物。
【0010】
(3)該ケイ素含有化合物が分子中にSi−CH2−Si結合を含むことを特徴とする上記(2)に記載の膜形成用組成物。
(4)該SP12以上の溶媒を0.5質量%〜10質量%含むことを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の膜形成用組成物。
【0011】
(5)該SP12以上の溶媒が水であることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかに記載の膜形成用組成物。
(6)減圧でアルコール及び水を除去する工程、及びSP12以上の溶媒を一定量添加する工程を含むことを特徴とする上記(1)〜(5)のいずれかに記載の膜形成用組成物の製造方法。
(7)上記(1)〜(5)のいずれかの膜形成用組成物を基板に塗布し加熱して得られた絶縁膜。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、半導体素子などにおける層間絶縁膜として使用するのに適した、誘電率特性に優れ、強度が高い絶縁膜を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
本発明において、低誘電率の絶縁膜とは、ULSIの高集積化に伴う多層配線に起因する配線遅延を防止するために配線間に埋め込まれる膜を言い、具体的には、比誘電率が2.6以下である膜を言う。
【0014】
本発明のポリオルガノシロキサンをベースポリマーとして含有する組成物を、浸漬またはスピンコート法などにより、シリコンウエハなどの基材に塗布すると、例えば、微細パターン間の溝を充分に埋めることができ、加熱により、有機溶剤の除去と架橋反応を行なうと、ガラス質または巨大高分子、またはその混合物を膜形成することができる。得られる膜は、低誘電率、高強度の絶縁体を形成することができる。
【0015】
以下、本発明に用いられる化合物について詳述する。
本発明において、ケイ素含有化合物の加水分解物の縮合物とは、該化合物が加水分解の後に発生したシラノール基による縮合生成物であり、部分縮合物とは、前記シラノール基がすべて縮合している必要はなく、一部が縮合したもの、縮合の程度が異なっているものの混合物などを包含した概念である。
【0016】
ケイ素含有化合物としては、例えば、一般式(I)または(II)で表される化合物を挙げることができる。
【0017】
【化1】


【0018】
一般式(I)において、R1〜R4は、各々独立に、水素原子または置換基を表す。
1〜R4のうち少なくとも2つは、加水分解性基である。
【0019】
1〜R4で表される置換基の例としては、ハロゲン原子(フッ素原子、塩素原子、臭素原子、または沃素原子)、直鎖、分岐、環状のアルキル基(好ましくは炭素数1〜10、例えば、メチル、t−ブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル等)、アルケニル基(好ましくは炭素数2〜10のビニル、プロペニル等)、アルキニル基(好ましくは炭素数2〜10、エチニル、フェニルエチニル等)、アリール基(好ましくは炭素数6〜20、フェニル、1−ナフチル、2−ナフチル等)、アシル基(好ましくは炭素数2〜10、ベンゾイル等)、アルコキシ基(炭素数1〜10、好ましくはメトキシ、エトキシ、i−プロポキシ、t−ブトキシ等)、シリルオキシ基(好ましくは炭素数3〜10、トリメチルシリルオキシ、トリエチルシリルオキシ、t−ブチルジメチルシリルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素数6〜20、フェノキシ等)、アシルオキシ基(好ましくは炭素数2〜10、アセチルオキシ、エチルカルボニルオキシ等)、水酸基等が好ましい。
特に好ましい置換基は、塩素原子、炭素数1〜5の直鎖、分岐、環状のアルキル基、炭素数2〜5のアルケニル基、炭素数2〜5のアルキニル基、炭素数1〜5のアルコキシ基である。
これらの置換基はさらに別の置換基で置換されていてもよい。
【0020】
1〜R4としての加水分解性基としては、ハロゲン原子、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシルオキシ基、シリルオキシ基などが挙げられる。R1〜R4として好ましいのは、置換もしくは無置換のアルコキシ基(例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、メトキシエトキシ基など)であり、最も好ましいのは、炭素数1〜5の無置換のアルコキシ基である。
【0021】
一般式(I)で表されるケイ素含有化合物の具体例としては、メチルトリエトキシシラン、テトラエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン等が挙げられる。
【0022】
また、ケイ素含有化合物としては一般式(II)で表される化合物を挙げることができる。
【0023】
【化2】


【0024】
一般式(II)において、R5及びR6は、独立に、水素原子または置換基を表す。
mは2以上の整数を表し、nは0以上の整数を表す。
1は、−O−、−S−、−Si(R7)(R8)−もしくは−C(R9)(R10)−を表す。
2は、−Si(R7)(R8)−もしくは−C(R9)(R10)−を表す。
ここで、R7、R8、R9及びR10は、各々独立に、水素原子または置換基を表す。
隣り合う原子上に存在するR7〜R10の二つは一緒になって隣り合う原子間の結合を形成し、結果として隣り合う原子間の二重結合を形成してもよい。
1、X2、R5、R6、R7、R8、R9及びR10の各々について、複数存在するとき、それらは同じでも異なっていてもよい。二つ以上のR5〜R10が、連結して環を形成、あるいは、一般式(II)で表される化合物の多量体を形成してもよい。
ただし、一般式(II)で表される化合物は、R5〜R10として、少なくとも二つの加水分解性基を有する。
【0025】
7〜R10で表される置換基の例としては、ハロゲン原子(フッ素原子、塩素原子、臭素原子、または沃素原子)、直鎖、分岐、環状のアルキル基(好ましくは炭素数1〜10、例えば、メチル、t−ブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル等)、アルケニル基(好ましくは炭素数2〜10、例えば、ビニル、プロペニル等)、アルキニル基(好ましくは炭素数2〜10、例えば、エチニル、フェニルエチニル等)、アリール基(好ましくは炭素数6〜20、例えば、フェニル、1−ナフチル、2−ナフチル等)、アシル基(好ましくは炭素数2〜10、例えば、ベンゾイル等)、アルコキシ基(好ましくは炭素数1〜10、例えば、メトキシ、エトキシ、i−プロポキシ、t−ブトキシ等)、シリルオキシ基(好ましくは炭素数3〜10、例えば、トリメチルシリルオキシ、トリエチルシリルオキシ、t−ブチルジメチルシリルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素数6〜20、例えば、フェノキシ等)、アシルオキシ基(好ましくは炭素数2〜10、例えば、アセチルオキシ、エチルカルボニルオキシ等)、水酸基等が好ましい。
さらに好ましい置換基は塩素原子、炭素数1〜5の直鎖、分岐、環状のアルキル基、炭素数2〜5のアルケニル基、炭素数2〜5のアルキニル基、炭素数1〜5のアルコキシ基である。
これらの置換基はさらに別の置換基で置換されていてもよい。
【0026】
一般式(II)で表される化合物は、R5〜R10として少なくとも二つの加水分解性基を有する。例えば、R5及びR6の一つずつが加水分解性基であってもよいし、R5を二つ有する場合、二つのR5が加水分解性基であってもよい。
5〜R10としての加水分解性基としては、ハロゲン原子、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシルオキシ基、シリルオキシ基などが挙げられる。R1〜R6として好ましいのは、置換もしくは無置換のアルコキシ基(例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、メトキシエトキシ基など)であり、最も好ましいのは、炭素数1〜5の無置換のアルコキシ基である。
一般式(II)で表される化合物として、加水分解性基を3つ以上有することが好ましく、加水分解性基数の上限は好ましくは20である。
なお、R5〜R10のうちの2種以上の置換位置で加水分解性基が存在することが好まし
い。
【0027】
5〜R10で表される置換基は、同じあるいは異なる置換基同士それぞれが連結して多量体あるいは環を形成してもよい。形成される環は、5〜8員環が好ましく、5〜6員環がより好ましい。
【0028】
mは2以上の整数を表し、好ましくは2〜4を表す。
nは0以上の整数を表し、好ましくは0〜1を表す。
【0029】
以下に、一般式(II)の具体例を示すが、これらに限定されるものではない。
【0030】
【化3】


【0031】
【化4】


【0032】
【化5】


【0033】
【化6】


【0034】
【化7】




【0035】
本発明で使用する化合物の分子量は200〜1000が好ましく、250〜900がより好ましい。
【0036】
本発明で使用する化合物は、シリコンの化学において広く知られた技法を使用して容易に調製することができ、例えば、Tetrahedron Letters,34巻、13号、2111頁(1993年)等に記載されている方法により合成できる。
【0037】
本発明の絶縁膜形成用組成物は、これらの一般式(I)及び一般式(II)で表される化合物を単独で使用しても、あるいは2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
【0038】
上記シラン化合物を加水分解、縮合させる際に、化合物1モル当たり0.5〜150モ
ルの水を用いることが好ましく、1〜100モルの水を加えることが特に好ましい。添加する水の量が0.5モル以下であると膜の耐クラック性が劣る場合があり、150モルを越えると加水分解および縮合反応中のポリマーの析出やゲル化が生じる場合がある。
【0039】
本発明の組成物を製造するに際しては、シラン化合物を加水分解、縮合させる際に、塩基触媒、酸触媒、金属キレート化合物を使用することが好ましい。
【0040】
(塩基触媒)
塩基触媒としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、ピリジン、ピロール、ピペラジン、ピロリジン、ピペリジン、ピコリン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、ジメチルモノエタノールアミン、モノメチルジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ジアザビシクロオクタン、ジアザビシクロノナン、ジアザビシクロウンデセン、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイド、テトラプロピルアンモニウムハイドロオキサイド、テトラブチルアンモニウムハイドロオキサイド、アンモニア、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ペンチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、N,N−ジメチルアミン、N,N−ジエチルアミン、N,N−ジプロピルアミン、N,N−ジブチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、シクロヘキシルアミン、トリメチルイミジン、1−アミノ−3−メチルブタン、ジメチルグリシン、3−アミノ−3−メチルアミンなどを挙げることができ、アミンあるいはアミン塩が好ましく、有機アミンあるいは有機アミン塩が特に好ましく、アルキルアミン、テトラアルキルアンモニウムハイドロオキサイドが最も好ましい。これらのアルカリ触媒は1種あるいは2種以上を同時に使用しても良い。
【0041】
(金属キレート化合物)
金属キレート化合物としては、例えば、トリエトキシ・モノ(アセチルアセトナート)チタン、トリ−n−プロポキシ・モノ(アセチルアセトナート)チタン、トリ−i−プロポキシ・モノ(アセチルアセトナート)チタン、トリ−n−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)チタン、トリ−sec−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)チタン、トリ−t−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)チタン、ジエトキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン、ジ−n−プロポキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン、ジ−i−プロポキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン、ジ−n−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン、ジ−sec−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン、ジ−t−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン、モノエトキシ・トリス(アセチルアセトナート)チタン、モノ−n−プロポキシ・トリス(アセチルアセトナート)チタン、モノ−i−プロポキシ・トリス(アセチルアセトナート)チタン、モノ−n−ブトキシ・トリス(アセチルアセトナート)チタン、モノ−sec−ブトキシ・トリス(アセチルアセトナート)チタン、モノ−t−ブトキシ・トリス(アセチルアセトナート)チタン、テトラキス(アセチルアセトナート)チタン、トリエトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)チタン、トリ−n−プロポキシ・モノ(エチルアセトアセテート)チタン、トリ−i−プロポキシ・モノ(エチルアセトアセテート)チタン、トリ−n−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)チタン、トリ−sec−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)チタン、トリ−t−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)チタン、ジエトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)チタン、ジ−n−プロポキシ・ビス(エチルアセトアセテート)チタン、ジ−i−プロポキシ・ビス(エチルアセトアセテート)チタン、ジ−n−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)チタン、ジ−sec−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)チタン、ジ−t−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)チタン、モノエトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)チタン、モノ−n−プロポキシ・トリス(エチルアセトアセテート)チタン、モノ−i−プロポキシ・
トリス(エチルアセトアセテート)チタン、モノ−n−ブトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)チタン、モノ−sec−ブトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)チタン、モノ−t−ブトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)チタン、テトラキス(エチルアセトアセテート)チタン、モノ(アセチルアセトナート)トリス(エチルアセトアセテート)チタン、ビス(アセチルアセトナート)ビス(エチルアセトアセテート)チタン、トリス(アセチルアセトナート)モノ(エチルアセトアセテート)チタンなどのチタンキレート化合物;トリエトキシ・モノ(アセチルアセトナート)ジルコニウム、トリ−n−プロポキシ・モノ(アセチルアセトナート)ジルコニウム、トリ−i−プロポキシ・モノ(アセチルアセトナート)ジルコニウム、トリ−n−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)ジルコニウム、トリ−sec−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)ジルコニウム、トリ−t−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)ジルコニウム、ジエトキシ・ビス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、ジ−n−プロポキシ・ビス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、ジ−i−プロポキシ・ビス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、ジ−n−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、ジ−sec−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、ジ−t−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、モノエトキシ・トリス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、モノ−n−プロポキシ・トリス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、モノ−i−プロポキシ・トリス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、モノ−n−ブトキシ・トリス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、モノ−sec−ブトキシ・トリス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、モノ−t−ブトキシ・トリス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、テトラキス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、トリエトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、トリ−n−プロポキシ・モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、トリ−i−プロポキシ・モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、トリ−n−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、トリ−sec−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、トリ−t−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ジエトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ジ−n−プロポキシ・ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ジ−i−プロポキシ・ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ジ−n−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ジ−sec−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ジ−t−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノエトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノ−n−プロポキシ・トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノ−i−プロポキシ・トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノ−n−ブトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノ−sec−ブトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノ−t−ブトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、テトラキス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノ(アセチルアセトナート)トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ビス(アセチルアセトナート)ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、トリス(アセチルアセトナート)モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウムなどのジルコニウムキレート化合物;トリス(アセチルアセトナート)アルミニウム、トリス(エチルアセトアセテート)アルミニウムなどのアルミニウムキレート化合物;などを挙げることができ、好ましくはチタンまたはアルミニウムのキレート化合物、特に好ましくはチタンのキレート化合物を挙げることができる。これらの金属キレート化合物は、1種あるいは2種以上を同時に使用しても良い。
【0042】
(酸触媒)
酸触媒としては、例えば、例えば、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、リン酸、ホウ酸、シュウ酸などの無機酸;酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、シュウ酸、マレイン酸、メチルマロン酸、アジピン酸、セバシン酸、没食子酸、酪酸、メリット酸、アラキドン酸、シキミ酸、2−エチル
ヘキサン酸、オレイン酸、ステアリン酸、リノール酸、リノレイン酸、サリチル酸、安息香酸、p−アミノ安息香酸、p−トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、モノクロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、ギ酸、マロン酸、スルホン酸、フタル酸、フマル酸、クエン酸、酒石酸、コハク酸、フマル酸、イタコン酸、メサコン酸、シトラコン酸、リンゴ酸、グルタル酸の加水分解物、無水マレイン酸の加水分解物、無水フタル酸の加水分解物などの有機酸を挙げることができ、有機カルボン酸をより好ましい例として挙げることができる。これらの酸触媒は、1種あるいは2種以上を同時に使用してもよい。
【0043】
上記触媒及びキレート化合物の使用量は、総量として、一般式(I)又は(II)で表される化合物などのシラン化合物1モルに対して、通常、0.00001〜10モル、好ましくは0.00005〜5モルである。使用量が上記範囲内であれば、反応中のポリマーの析出やゲル化の恐れが少ない。また、本発明において、シラン化合物を加水分解、縮合するときの温度は通常0〜100℃、好ましくは10〜90℃である。時間は通常5分〜40時間、好ましくは10分〜20時間である。
【0044】
本発明の膜形成用組成物には絶縁膜の諸性能(誘電率、機械強度、塗布性、密着性等)を損なわない範囲で、シリコン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤、ハイブリッド系界面活性剤などの添加剤を添加してもよく、シリコン系界面活性剤を添加することが好ましい。
【0045】
ここでシリコン系界面活性剤とは、少なくとも1原子のSi原子を含む界面活性剤の意である。シリコン系界面活性剤は、いかなるシリコン系界面活性剤でもよく、アルキレンオキシド及びジメチルシロキサンを含む構造であることが好ましい。下記化学式を含む構造であることが更に好ましい。
【0046】
【化8】



【0047】
式中Rは水素原子または炭素原子数1〜5のアルキル基であり、xは1〜20の整数であり、m、nはそれぞれ独立に2〜100の整数である。複数のx及びRはそれぞれ同じでも異なっていてもよい。
【0048】
本発明に使用するシリコン系界面活性剤としては、例えばBYK306、BYK307(ビックケミー社製)、SH7PA、SH21PA、SH28PA、SH30PA(東レ・ダウコーニング・シリコーン社製)、TroysolS366(トロイケミカル社製)等を挙げることができる。
【0049】
本発明で使用するシリコン系界面活性剤は、一種類でも良いし、二種類以上でも良い。また、シリコン系界面活性剤以外の界面活性剤と併用しても良い。併用する界面活性剤としては、例えば、シリコン系界面活性剤以外のノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活
性剤、カチオン系界面活性剤、両面界面活性剤、ポリアルキレンオキシド系界面活性剤、含フッ素界面活性剤などを挙げることができる。
シリコン系界面活性剤の添加量は、膜形成用組成物(塗布液)の全量に対して0.01質量%以上1質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以上0.5質量%以下であることが更に好ましい。
【0050】
(SP値12以上の溶媒)
本発明の膜形成用組成物は、SP値12以上の溶媒を0.1質量%以上20%質量%未満含有する。SP値は、Federの推算法で規定するものとする。計算方法は、例えば、SP値基礎・応用と計算方法、2005.3.31に記載されている。
【0051】
SP値12以上の溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒド、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、ニトロメタンなどが挙げられる。
【0052】
本発明のSP値12以上の溶媒は、加水分解前、加水分解途中、加水分解後のいずれのタイミングに添加してもよく、加水分解後に添加することが好ましく、加水分解後減圧で生成アルコールと水を留去した後に、SP値12以上の溶媒を、膜形成用組成物中0.1質量%以上20%質量%未満となるような所定量を添加することが好ましい。
【0053】
本発明の膜形成用組成物は、ケイ素含有化合物の加水分解物およびその部分縮合物を、SP値12以上の溶媒とともに、有機溶媒(SP値12未満)に溶解し、塗布液として支持体上に塗布する。
ここで有機溶媒としては、エチレンジクロライド、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、2−ヘプタノン、メチルイソブチルケトン、γ−ブチロラクトン、メチルエチルケトン、ジメチルイミダゾリジノン、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、2−メトキシエチルアセテート、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、イソプロパノール、エチレンカーボネート、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸メチル、乳酸エチル、メトキシプロピオン酸メチル、エトキシプロピオン酸エチル、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、ピルビン酸プロピル、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、テトラヒドロフラン、ジイソプロピルベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン等が好ましく、これらの溶剤を単独あるいは混合して使用する。
【0054】
上記の中でも、好ましい有機溶媒としてはプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル、2−ヘプタノン、シクロヘキサノン、γ−ブチロラクトン、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、エチレンカーボネート、酢酸ブチル、乳酸メチル、乳酸エチル、メトキシプロピオン酸メチル、エトキシプロピオン酸エチル、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、メチルイソブチルケトン、キシレン、メシチレン、ジイソプロピルベンゼンを挙げることができる。
【0055】
このようにして得られる本発明の組成物の全固形分濃度は、好ましくは、2〜30質量%であり、使用目的に応じて適宜調整される。組成物の全固形分濃度が2〜30質量%で
あると、塗膜の膜厚が適当な範囲となり、塗布液の保存安定性もより優れるものである。
【0056】
このようにして得られる本発明の膜形成用組成物を、シリコンウエハ、SiO2 ウエハ、SiNウエハなどの基材に塗布する際には、スピンコート、浸漬法、ロールコート法、スプレー法などの塗装手段が用いられる。
【0057】
この際の膜厚は、乾燥膜厚として、1回塗りで厚さ0.05〜1.5μm程度、2回塗りでは厚さ0.1〜3μm程度の塗膜を形成することができる。その後、常温で乾燥するか、ホットプレート、オーブン、ファーネスなどを使用して加熱することによって、ガラス質または巨大高分子、またはその混合物の絶縁膜を形成することができる。
この際、加熱雰囲気としては、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、真空下、などで行うことができるが、焼成温度の最高値が300℃以上430℃以下の条件で焼成することが好ましい。焼成時間は通常1分〜20時間であるが、15分〜10時間が好ましい。
【0058】
より具体的には、本発明の膜形成用組成物を、例えばスピンコート法により、基板(通常は金属配線を有する基板)上に塗布し、予備熱処理を行うことにより溶媒を乾燥させるとともに、膜形成組成物に含まれるシロキサンをある程度架橋させ、次いで300℃以上430℃以下の温度で最終熱処理(アニール)を行うことにより低誘電率の絶縁膜を形成できる。
【0059】
この方法により、誘電率の低い絶縁膜、すなわち、比誘電率が2.6以下、好ましくは2.4以下の絶縁膜を得ることができる。
【0060】
このようにして得られる層間絶縁膜は、絶縁性に優れ、塗布膜の均一性、誘電率特性、塗膜の耐クラック性、塗膜の表面硬度に優れることから、LSI、システムLSI、DRAM、SDRAM、RDRAM、D−RDRAMなどの半導体素子用層間絶縁膜、半導体素子の表面コート膜などの保護膜、多層配線基板の層間絶縁膜、液晶表示素子用の保護膜や絶縁防止膜などの用途に有用である。
【実施例】
【0061】
以下、実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明する。なお、実施例中の部および%は、特記しない限り、それぞれ質量部および質量%であることを示している。
【0062】
〔比誘電率〕
フォーディメンジョンズ社製水銀プローブ及び横川ヒューレットパッカード製のHP4285ALCRメーターを用いて1MHzにおける容量値から算出した。測定温度25℃。
〔膜強度〕
MTSシステムズ社製Nano Indenter SA2でヤング率を測定した。測定温度25℃。
〔水分定量〕
京都電子工業社製カールフィッシャー水分計MKC−510Nにケトン用脱水溶媒を用いて、減圧による水分除去を確認した。
なお、反応で生成するエタノールは、水より揮発しやすいため、水分除去時にはエタノールも除去されている。
【0063】
実施例及び比較例で用いた化合物の構造を下記に示す。
【0064】
【化9】


【0065】
〔比較例1〕
メチルトリエトシキシラン10.7g、テトラエトキシシラン15.8g、プロピレングリコールモノメチルエーテル118gの混合溶液に、0.16M硝酸18.9mLを添加し、60℃で40分間反応させた後、減圧下で生成エタノール及び水を留去し、分子量725のポリプロピレングリコールを5.8g添加することにより組成物(I−1−1)を得た。
得られた組成物(I−1−1)を0.1ミクロンのテトラフルオロエチレン製フィルターでろ過した後、8インチシリコンウエハー上にスピンコートし、この塗膜を窒素気流下ホットプレート上で110℃で60秒加熱した後200℃で60秒加熱して、更に窒素置換した400℃オーブン中で1時間加熱した。得られた膜厚0.25ミクロンの絶縁膜の比誘電率は2.4であった。また、ヤング率は6.0GPaであった。
【0066】
〔実施例1〕
メチルトリエトシキシラン10.7g、テトラエトキシシラン15.8g、プロピレングリコールモノメチルエーテル118gの混合溶液に、0.16M硝酸18.9mLを添加し、60℃で40分間反応させた後、減圧下で生成エタノール及び水を留去し、分子量725のポリプロピレングリコールを5.8g添加後、水3mL添加することにより組成物(I−1−2)を得た。
得られた組成物(I−1−2)を0.1ミクロンのテトラフルオロエチレン製フィルターでろ過した後、8インチシリコンウエハー上にスピンコートし、この塗膜を窒素気流下ホットプレート上で110℃で60秒加熱した後200℃で60秒加熱して、更に窒素置換した400℃オーブン中で1時間加熱した。得られた膜厚0.25ミクロンの絶縁膜の比誘電率は2.4であった。また、ヤング率は7.8GPaであった。
【0067】
〔実施例2〕
メチルトリエトシキシラン10.7g、テトラエトキシシラン15.8g、プロピレングリコールモノメチルエーテル118gの混合溶液に、0.16M硝酸18.9mLを添加し、60℃で40分間反応させた後、減圧下で生成エタノール及び水を留去し、分子量725のポリプロピレングリコールを5.8g添加後、水0.3mL添加することにより組成物(I−1−3)を得た。
得られた組成物(I−1−3)を0.1ミクロンのテトラフルオロエチレン製フィルターでろ過した後、8インチシリコンウエハー上にスピンコートし、この塗膜を窒素気流下ホットプレート上で110℃で60秒加熱した後200℃で60秒加熱して、更に窒素置換した400℃オーブン中で1時間加熱した。得られた膜厚0.25ミクロンの絶縁膜の比誘電率は2.4であった。また、ヤング率は7.2GPaであった。
【0068】
〔実施例3〕
メチルトリエトシキシラン10.7g、テトラエトキシシラン15.8g、プロピレングリコールモノメチルエーテル118gの混合溶液に、0.16M硝酸18.9mLを添加し、60℃で40分間反応させた後、減圧下で生成エタノール及び水を留去し、分子量725のポリプロピレングリコールを5.8g添加後、水19mL添加することにより組成物(I−1−4)を得た。
得られた組成物(I−1−4)を0.1ミクロンのテトラフルオロエチレン製フィルターでろ過した後、8インチシリコンウエハー上にスピンコートし、この塗膜を窒素気流下ホットプレート上で110℃で60秒加熱した後200℃で60秒加熱して、更に窒素置換した400℃オーブン中で1時間加熱した。得られた膜厚0.25ミクロンの絶縁膜の比誘電率は2.4であった。また、ヤング率は7.5GPaであった。
【0069】
〔比較例2〕
メチルトリエトシキシラン10.7g、テトラエトキシシラン15.8g、プロピレングリコールモノメチルエーテル118gの混合溶液に、0.16M硝酸18.9mLを添加し、60℃で40分間反応させた後、減圧下で生成エタノール及び水を留去し、分子量725のポリプロピレングリコールを5.8g添加後、水37mL添加することにより組成物(I−1−5)を得た。
得られた組成物(I−1−5)を0.1ミクロンのテトラフルオロエチレン製フィルターでろ過した後、8インチシリコンウエハー上にスピンコートし、この塗膜を窒素気流下ホットプレート上で110℃で60秒加熱した後200℃で60秒加熱して、更に窒素置換した400℃オーブン中で1時間加熱した。得られた膜厚0.25ミクロンの絶縁膜の塗布面状にムラが発生した。
【0070】
〔実施例4〕
メチルトリエトシキシラン10.7g、テトラエトキシシラン15.8g、プロピレングリコールモノメチルエーテル118gの混合溶液に、0.16M硝酸18.9mLを添加し、60℃で40分間反応させた後、減圧下で生成エタノール及び水を留去し、分子量725のポリプロピレングリコールを5.8g添加後、エタノール3mL添加することにより組成物(I−1−6)を得た。
得られた組成物(I−1−6)を0.1ミクロンのテトラフルオロエチレン製フィルターでろ過した後、8インチシリコンウエハー上にスピンコートし、この塗膜を窒素気流下ホットプレート上で110℃で60秒加熱した後200℃で60秒加熱して、更に窒素置換した400℃オーブン中で1時間加熱した。得られた膜厚0.25ミクロンの絶縁膜の比誘電率は2.4であった。また、ヤング率は7.1GPaであった。
【0071】
〔比較例3〕
化合物A−1を10.2g、テトラエトキシシラン15.8g、プロピレングリコールモノメチルエーテル118gの混合溶液に、0.16M硝酸18.9mLを添加し、60℃で30分間反応させた後、減圧下で生成エタノール及び水を留去し、分子量725のポリプロピレングリコールを5.8g添加することにより組成物(I−2−1)を得た。
得られた組成物(I−2−1)を0.1ミクロンのテトラフルオロエチレン製フィルターでろ過した後、8インチシリコンウエハー上にスピンコートし、この塗膜を窒素気流下ホットプレート上で110℃で60秒加熱した後200℃で60秒加熱して、更に窒素置換した400℃オーブン中で1時間加熱した。得られた膜厚0.25ミクロンの絶縁膜の比誘電率は2.8であった。また、ヤング率は5.1GPaであった。
【0072】
〔実施例5〕
化合物A−1を10.2g、テトラエトキシシラン15.8g、プロピレングリコールモノメチルエーテル118gの混合溶液に、0.16M硝酸18.9mLを添加し、60℃で30分間反応させた後、減圧下で生成エタノール及び水を留去し、分子量725のポ
リプロピレングリコールを5.8g添加後、水3mL添加することにより組成物(I−2−2)を得た。
得られた組成物(I−2−2)を0.1ミクロンのテトラフルオロエチレン製フィルターでろ過した後、8インチシリコンウエハー上にスピンコートし、この塗膜を窒素気流下ホットプレート上で110℃で60秒加熱した後200℃で60秒加熱して、更に窒素置換した400℃オーブン中で1時間加熱した。得られた膜厚0.25ミクロンの絶縁膜の比誘電率は2.4であった。また、ヤング率は7.9GPaであった。
【0073】
〔比較例5〕
化合物A−2を7.9g、テトラエトキシシラン15.8g、プロピレングリコールモノメチルエーテル118gの混合溶液に、0.16M硝酸18.9mLを添加し、25℃で30分間反応させた後、減圧下で生成エタノール及び水を留去し、分子量725のポリプロピレングリコールを5.8g添加することにより組成物(I−3−1)を得た。
得られた組成物(I−3−1)を0.1ミクロンのテトラフルオロエチレン製フィルターでろ過した後、8インチシリコンウエハー上にスピンコートし、この塗膜を窒素気流下ホットプレート上で110℃で60秒加熱した後200℃で60秒加熱して、更に窒素置換した400℃オーブン中で1時間加熱した。得られた膜厚0.25ミクロンの絶縁膜の比誘電率は3.5であった。また、ヤング率は7.4GPaであった。
【0074】
〔実施例6〕
化合物A−2を7.9g、テトラエトキシシラン15.8g、プロピレングリコールモノメチルエーテル118gの混合溶液に、0.16M硝酸18.9mLを添加し、25℃で30分間反応させた後、減圧下で生成エタノール及び水を留去し、分子量725のポリプロピレングリコールを5.8g添加後、水3mL添加することにより組成物(I−3−2)を得た。
得られた組成物(I−3−2)を0.1ミクロンのテトラフルオロエチレン製フィルターでろ過した後、8インチシリコンウエハー上にスピンコートし、この塗膜を窒素気流下ホットプレート上で110℃で60秒加熱した後200℃で60秒加熱して、更に窒素置換した400℃オーブン中で1時間加熱した。得られた膜厚0.25ミクロンの絶縁膜の比誘電率は2.4であった。また、ヤング率は11GPaであった。
【0075】
表1における溶媒添加量(質量%)は、反応における硝酸水溶液の水も含めて除去し、シラン化合物におけるエトキシ基は反応によりO1/2となるして算出したものである。
【0076】
【表1】


【0077】
本発明による絶縁膜は、誘電率が低く、強度が高いことがわかる。




 

 


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