特許 6034705 平坦化方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6034705

(24)【登録日】2016年11月4日

(45)【発行日】2016年11月30日

(54)【発明の名称】平坦化方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/312 20060101AFI20161121BHJP

   H05K 3/22 20060101ALI20161121BHJP

   C09D 7/06 20060101ALI20161121BHJP

   C09D 201/00 20060101ALI20161121BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/312 M

   H05K3/22 B

   H01L21/312 C

   H01L21/312 D

   H01L21/312 A

   C09D7/06

   C09D201/00

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-11868(P2013-11868)

(22)【出願日】2013年1月25日

(65)【公開番号】特開2014-143341(P2014-143341A)

(43)【公開日】2014年8月7日

【審査請求日】2015年7月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000102739

【氏名又は名称】エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】生津 英夫

【審査官】 小川 将之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１５３５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５１３６７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０１５５３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０６８６４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３１２

Ｈ０５Ｋ ３／２２

Ｈ０１Ｌ ３３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面に形成された凹凸を有する基板の表面に第１高分子から構成された第１樹脂膜を形成して前記第１樹脂膜で前記凹凸の凹部を充填して前記樹脂膜の表面を平坦にする第１工程と、
前記第１樹脂膜の上に第２高分子から構成された第２樹脂膜を形成する第２工程と、
前記第１樹脂膜および前記第２樹脂膜が形成された前記基板の雰囲気を大気圧を超える圧力として前記凹凸の凹部における前記第１樹脂膜と基板表面との間の気泡を構成している気体分子を前記第１樹脂膜に拡散させて気泡を消失させる第３工程と
を備え、
前記第２高分子は、前記第１高分子より気体の透過係数が小さいことを特徴とする平坦化方法。

【請求項2】

請求項１記載の平坦化方法において、
前記第２工程では、シート状または板状の前記第２樹脂膜を前記第１樹脂膜の上に載置することを特徴とする平坦化方法。

【請求項3】

請求項１記載の平坦化方法において、
前記第２工程では、塗布することで前記第１樹脂膜の上に前記第２樹脂膜を形成することを特徴とする平坦化方法。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の平坦化方法において、
前記第３工程の後で、前記第１樹脂膜および前記第２樹脂膜が形成された前記基板を加熱する第４工程を備えることを特徴とする平坦化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、下地の段差を低減して平坦化する平坦化方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＬＳＩ（Large Scale Integration）などでは、回路のダウンサイジング化・集積化のために、パターンの微細化が推進され、既に３０ｎｍ以下の寸法のパターンが形成されるようになってきている。このような微細なパターンを高い寸法精度，位置精度で形成するためには、平坦な下地の上に形成することが必要となる。このために、微細なパターンを形成する基板の表面に形成されている段差を低減する平坦化の技術が重要となる。

【0003】

平坦化には種々の方法があるが、有機高分子からなる樹脂を塗布することで、段差部を埋めて平坦な表面を形成する手法が一般に用いられている。塗布して形成した樹脂膜は、層間絶縁膜として用いることができる。例えば、対象となる基板の上に有機高分子からなる樹脂の溶液を滴下して供給し、よく知られたスピン塗布法により所望とする膜厚の塗布膜（樹脂膜）を形成することで、表面が平坦化された状態を得る。

【0004】

しかしながら、近年では、下地の段差部の幅が非常に狭くなり、段差により形成される凹部の全てを、塗布した樹脂で埋め尽くすことができず、凹部の底部に気泡からなるボイドが形成されるという問題が発生している。

【0005】

例えば、図２Ａに示すように、基板２０１の表面の凹部２０２を平坦化する場合、スピン塗布法により有機高分子からなる樹脂の溶液を塗布することで、樹脂膜２０３を形成し、樹脂膜２０３の表面を平坦な状態とすることができる。しかしながら、凹部２０２の底部の隅と、形成された樹脂膜２０３との間に気泡２０４が閉じ込められてしまう。また、場合によっては、凹部２０２の樹脂膜２０３中にも気泡が存在する問題が生じる。

【0006】

このような気泡が存在していると、後工程で加わる熱により気泡が膨張し、形成されている樹脂膜に亀裂を発生させるなどの大きな問題となる。このため、上述したような気泡の発生を抑制・防止する技術が求められている。

【0007】

気泡の発生を防止して平坦化のための樹脂膜を形成するために、例えば、減圧下で基板の上に樹脂膜を形成する方法が考えられる。気泡の原因となる気体が減少していれば、気泡の発生が防止できる。しかしながら、減圧環境で有機材料の溶液を塗布するためには、溶媒の気化を制御するなどの特別な機構を備える特別な装置が必要となる。また、この技術においても、完全に気泡をなくすことが困難である。

【0008】

また、樹脂膜を塗布して形成した後、樹脂膜を形成した基板を加圧容器に導入し、容器内を大気圧より高い圧力状態とし、この状態で加熱して樹脂膜を硬化させる方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法では、高い圧力の気体により、形成されている樹脂膜の表面を基板側に強く押し付けることで、凹部内に形成された気泡を押しつぶすようにしている。この方法によれば、プレス機などにより圧力を加える方法に比較し、基板に対する損傷が発生し難いなどの特徴を有する。しかしながら、この方法においても、気泡を完全に消失させることができない。

【0009】

また、シートフィルム上に形成した樹脂膜を、加圧して転写することで、気泡の発生を抑制して転写した樹脂膜で基板の段差を平坦化する技術が提案されている（特許文献２参照）。この技術では、まず、シートフィルム上に樹脂を塗布して樹脂膜を形成し、加熱および減圧環境下で、基板の表面にシートフィルムの樹脂膜形成面を当接させて圧着し、この後、シートフィルムを離型するようにしている。ただし、この技術では、離型し易いシートフィルムを用いる必要があり、また、このようなシートフィルムの上に樹脂膜を均一に形成する必要があるため、用いることができる材料が限定される。また、樹脂膜を形成するという条件を求めるために、多くの時間を要するという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開平０１−２０７９３５号公報

【特許文献2】特開２００２−３０５１９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

以上に説明したように、従来の技術では、基板表面の段差を気泡がない状態で樹脂膜を用いて平坦化することができないという問題があった。

【0012】

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、基板表面の段差を気泡がない状態で樹脂膜を用いて平坦化できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明に係る平坦化方法は、表面に形成された凹凸を有する基板の表面に第１高分子から構成された第１樹脂膜を形成して第１樹脂膜で凹凸の凹部を充填して樹脂膜の表面を平坦にする第１工程と、第１樹脂膜の上に第２高分子から構成された第２樹脂膜を形成する第２工程と、第１樹脂膜および第２樹脂膜が形成された基板の雰囲気を大気圧を超える圧力として凹凸の凹部における第１樹脂膜と基板表面との間の気泡を構成している気体分子を第１樹脂膜に拡散させて気泡を消失させる第３工程とを備え、第２高分子は、第１高分子より気体の透過係数が小さいものとする。

【0014】

上記平坦化方法において、第２工程では、シート状または板状の第２樹脂膜を第１樹脂膜の上に載置すればよい。また、第２工程では、塗布することで第１樹脂膜の上に第２樹脂膜を形成してもよい。

【0015】

上記平坦化方法において、第３工程の後で、第１樹脂膜および第２樹脂膜が形成された基板を加熱する第４工程を備えるようにしてもよい。

【発明の効果】

【0016】

以上説明したことにより、本発明によれば、基板表面の段差が、気泡がない状態で樹脂膜を用いて平坦化できるようになるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1A】図１Ａは、本発明の実施の形態における平坦化方法の途中工程の状態を模式的に示す断面図である。

【図1B】図１Ｂは、本発明の実施の形態における平坦化方法の途中工程の状態を模式的に示す断面図である。

【図1C】図１Ｃは、本発明の実施の形態における平坦化方法の途中工程の状態を模式的に示す断面図である。

【図1D】図１Ｄは、本発明の実施の形態における平坦化方法の途中工程の状態を模式的に示す断面図である。

【図2A】図２Ａは、従来の平坦化方法における途中工程の状態を模式的に示す断面図である。

【図2B】図２Ｂは、従来の平坦化方法における途中工程の状態を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の実施の形態における平坦化方法の途中工程の状態を模式的に示す断面図である。この平坦化方法は、まず、図１Ａに示すように、基板１０１を用意する。基板１０１の表面には、凹部１０２などの凹凸（段差）が形成されている。次に、図１Ｂに示すように、基板１０１の表面に第１高分子から構成された第１樹脂膜１０３を形成する（第１工程）。

【0019】

第１樹脂膜１０３は、例えば、第１樹脂膜１０３を構成する第１高分子の溶液を基板１０１の表面に滴下して供給し、よく知られたスピン塗布法により形成することができる。形成した第１樹脂膜１０３により、凹部１０２は充填され、基板１０１の表面の凹凸が第１樹脂膜１０３により吸収されて第１樹脂膜１０３の表面は平坦な状態となる。このように、第１樹脂膜１０３を形成することで、凹凸のある基板１０１の表面が平坦化できる。しかしながら、凹部１０２の底部などには気泡１０４が形成されてしまう。

【0020】

次に、図１Ｃに示すように、第１樹脂膜１０３の上に第２高分子から構成された第２樹脂膜１０５を形成する（第２工程）。第２樹脂膜１０５は、例えば塗布により形成すればよい。ここで、第２高分子は、第１高分子より透過係数が小さいものとする。このようにして、第１樹脂膜１０３の上に第２樹脂膜１０５を形成した後、これらが形成された基板１０１の雰囲気を大気圧を超える圧力とする（第３工程）。この気体加圧により第１樹脂膜１０３に対して第２樹脂膜１０５を介して圧力を加えることで、凹部１０２内の気泡１０４を消失させることができる。このような高圧気体による圧力１０６は、第２樹脂膜１０５の表面全域に均一に加わる。このため、基板１０１へのダメージは少ない。

【0021】

ここで、上述した気体加圧による樹脂膜への圧力印加で、凹部内における気泡の消失について説明する。まず、第１樹脂膜１０３のみを形成した状態で気体加圧を行っても、気泡１０４を消失させることができない。これは、次に示すことによるものと考えられる。

【0022】

まず、加圧による気泡の消失は、気体分子が樹脂膜の中を拡散していくことによるものと考えられる。従って、気体が拡散し易い大きな透過係数を有する高分子から樹脂膜を形成した場合、効率的に気泡を消失させることが期待できる。しかしながら、前述したような大きな透過係数を有する高分子から樹脂膜は、気体加圧によっても、表面側から気体が侵入して拡散し、気泡が形成されている箇所に達するため、気泡を消失させることができない。

【0023】

ところで、高分子（高分子材料）から構成された樹脂膜への気体の拡散は、まず、樹脂膜の表面に溶解し、溶解した気体の分子が樹脂膜中の高分子鎖間隙を拡散していくことで起こる。樹脂膜における気体の透過係数Ｐは、上述した溶解の度合いを示す溶解度係数Ｓと拡散係数Ｄの積（Ｐ＝Ｓ×Ｄ）により求められる。

【0024】

例えば、樹脂膜における気体のバリア性を高めるためには、樹脂膜における気体の溶解度係数と拡散係数を小さくすればよいことになる。一般には、樹脂膜中の気体分子の拡散は、高分子鎖の間隙が大きいほど速くなる。また、高分子鎖の運動性が高いほど、気体分子の拡散が起き易くなる。以下の表１に、各高分子における酸素の透過係数を示す。

【0025】

【表1】

【0026】

例えば、水素結合や双極子相互作用などにより高分子鎖の凝集力が高まるような置換基を導入して高分子鎖間を狭め、また、高分子鎖の運動性を抑制した高分子では、透過係数が小さい。また、高分子の１次構造だけではなく、結晶構造などの高次構造も、気体透過性に関与している。

【0027】

前述したように、透過係数の大きな高分子より構成した樹脂膜では、気泡の気体分子も拡散し易い状態であるが、気体加圧による気体分子も拡散・透過し易いため、気体加圧では、気泡を消失させ難い状態となる。一方、透過係数の小さな高分子より構成した樹脂膜では、気体加圧による気体分子の透過を抑制できるが、気泡の気体分子も拡散し難いものとなり、気泡を消失させ難いものとなる。

【0028】

これらに対し、実施の形態によれば、まず、基板１０１に接して形成される第１樹脂膜１０３は、気体が拡散し易い比較的透過係数が大きな第１高分子から構成する。加えて、第１樹脂膜１０３の上に第１樹脂膜１０３を被覆して形成する第２樹脂膜１０５は、気体が拡散し難い比較的透過係数が小さな第２高分子から構成する。このようにすることで、気体加圧による気体分子は、第２樹脂膜１０５を拡散・透過し難い状態となり、凹部１０２内の気泡１０４による気体分子は、第１樹脂膜１０３を拡散し易い状態となる。

【0029】

この結果、実施の形態によれば、まず、気体加圧による圧力１０６を、気泡１０４の形成領域に気体加圧による気体分子が到達し難い状態で、効率的に第２樹脂膜１０５を介して第１樹脂膜１０３に加えることができる。加えて、気泡１０４においては、接して形成されている第１樹脂膜１０３に、気泡１０４を構成している気体分子が拡散し易い状態となっている。これらのことにより、実施の形態によれば、気泡１０４を効率的に消失させることができる。気体加圧を実施した後で加熱してもよく、気体加圧と加熱とを同時に行ってもよい。加熱により第１樹脂膜１０３を硬化させれば、第１樹脂膜１０３を固定化することができる。

【0030】

ここで、第２高分子は、透過係数が１桁以上であることが好ましい。また、実使用状態では、第２樹脂膜１０５が不要な場合、上述したように気泡１０４を消失させた後、第２樹脂膜１０５を除去すればよい。例えば、第１樹脂膜１０３は溶解せず、第２樹脂膜１０５を選択的に溶解させる溶剤を用いることで、第２樹脂膜１０５を選択的に除去できる。

【0031】

ところで、基板表面の凹凸による段差を平坦化するために樹脂膜を形成する場合、一般に、前述したように、塗布によって高分子による樹脂膜を形成している。これは、材料となる高分子が溶解（分散）した溶液（塗布液）の流動性を利用することで段差の平坦化を行い、平坦化の状態が得られた後、溶媒を気化させて高分子の流動性を抑制して固着させ、表面が平坦化された樹脂膜を形成しているためである。

【0032】

しかしながら、高分子が溶剤に溶解している状態など高分子が溶剤を含んでいる状態では、気体の溶解性は格段に高くなり、気体の拡散透過性は大きくなる。この状態では、前述したように、気泡の消去は実施し易いものとなるが、気体加圧による気体の拡散・透過も起き易くなる。一方で、溶剤を完全に除いた状態では、高分子の粘性が高いと、高分子の流動がおき難く、凹部に対する樹脂膜の充填性が低下し、気泡がより発生し易い状態となり、気泡の除去（消失）がし難い状態となる。

【0033】

これに対し、基板表面への樹脂膜（第１樹脂膜）の形成では、より多く溶剤が含まれた状態とし、このようにして形成した第１樹脂膜の上に第２樹脂膜を形成すればよい。このとき、第２樹脂膜の形成（塗布）で用いる第２溶剤の沸点を、第１樹脂膜の形成に用いる第１溶剤の沸点より低いものとする。

【0034】

このように構成し、第１樹脂膜の上に第２樹脂膜を形成した後、第２溶剤が気化する程度の温度に加熱して第２溶剤を選択的に気化させ、第１溶剤は残るようにすれば、まず、基板に接して形成されて気泡に直接接する第１樹脂膜においては、より多くの溶剤が含まれて気体の拡散が起き易い状態にすることができる。また、溶剤が除かれている第２樹脂膜においては、気体加圧による気体の拡散・透過が抑制された状態とすることができる。この状態で、気体加圧を行えば、より効率的に気泡を消失させることができる。

【0035】

また、シート状（板状）の第２樹脂膜を第１樹脂膜の上形成するようにしてもよい。例えば、第２高分子から構成したシートフィルムを、第１樹脂膜の上に載置すればよい。この場合、シートフィルムは厚さ１００μｍを超えるものとなり、気体の拡散・透過をより防ぐことができるようになる。また、シートフィルムにおいては、溶剤が含まれていないため、第１樹脂膜の上にシートフィルムを形成した後、加熱の温度条件に制限がなくなる。

【0036】

また、シートフィルムを表面エネルギーの小さな樹脂から構成した場合、第１樹脂膜からの離型性が向上するので、加熱処理などをして第１樹脂膜を固定化した後、シートフィルムのみを除去することが容易に行えるようになる。例えば、フッ素樹脂やフッ素化樹脂、具体的には、テトラフルオロエチレンやエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂のフィルムを用いればよい。フッ素原子が表面に存在するフィルムでは、表面エネルギーが小さくなり、他の部材（第１樹脂）との密着性が弱くなるので、離型性が向上する。他の例として、表面を水素が覆う状態となる炭化水素系樹脂でもよい。

【0037】

［実施例１］
以下、実施例を用いて説明する。はじめに実施例１にいて説明する。

【0038】

まず、複数の凹部を備えるなどの表面に段差を有するシリコン基板の上に、ポリジメチルシロキサン（高分子）からなるシリコーン樹脂膜（第１樹脂膜）を、公知のスピン塗布法により形成した。形成したシリコーン樹脂膜は、膜厚２μｍである。次に、公知のゾルゲル法により、シリカ／ＰＶＡ膜（第２樹脂膜）を、シリコーン樹脂膜の上にシリコーン樹脂膜の表面を覆って形成した。

【0039】

次に、シリコーン樹脂膜およびシリカ／ＰＶＡ膜を形成したシリコン基板を、所定の高圧処理装置の高圧容器内に搬入し、高圧容器を密閉状態とし、高圧容器内に窒素を圧入して高圧容器内の圧力を５ＭＰａとした（気体加圧）。このようにして基板の雰囲気の圧力を大気圧を超える５ＭＰａにまで到達させた後、シリコン基板を１００℃程度に加熱処理し、この後、高圧容器を大気圧にまで減圧し、高圧容器内よりシリコン基板を搬出した。この結果、シリコン基板は、段差部に気泡が残ることなくシリコーン樹脂膜が充填され、平坦化された状態が得られた。

【0040】

［実施例２］
次に、実施例２について説明する。

【0041】

まず、複数の凹部を備えるなどの表面に段差を有するシリコン基板の上に、よく知られたフォトレジスト（高分子）からなるレジスト膜（第１樹脂膜）を、公知のスピン塗布法により形成した。用いたフォトレジストは、東京応化株式会社製の「ＯＦＰＲ−８００」である。次に、大気圧状態の室内で、ＥＴＦＥシート（第２樹脂膜）を、レジスト膜の上にレジスト膜の表面を覆って形成した。用いたＥＴＦＥシートは、厚さ５０μｍである。

【0042】

次に、レジスト膜を形成し、この上にＥＴＦＥシートを貼り付けたシリコン基板を、所定の高圧処理装置の高圧容器内に搬入し、高圧容器を密閉状態とし、高圧容器内に窒素を圧入して高圧容器内の圧力を５ＭＰａとした（気体加圧）。このようにして基板の雰囲気の圧力を大気圧を超える５ＭＰａにまで到達させた後、シリコン基板を１２０℃程度にまで徐々に昇温して熱処理をし、この後、高圧容器を大気圧にまで減圧し、高圧容器内よりシリコン基板を搬出した。この後、ＥＴＦＥシートを離型（剥離）した。この結果、シリコン基板は、段差部に気泡が残ることなくレジスト膜が充填され、平坦化された状態が得られた。

【0043】

［実施例３］
次に、実施例３にいて説明する。

【0044】

まず、複数の凹部を備えるなどの表面に段差を有するシリコン基板の上に、架橋剤を含有したエポキシ樹脂（高分子）からなるエポキシ樹脂膜（第１樹脂膜）を、公知のスピン塗布法により形成した。エポキシ樹脂をシリコン基板の上に滴下して供給した後、基板を所定の回転数で所定の時間回転させることで、シリコン基板の表面にエポキシ樹脂膜が形成できる。次に、板厚１ｍｍのテフロン（登録商標）板をエポキシ樹脂膜の表面に押し付け、エポキシ樹脂膜の上にエポキシ樹脂膜の表面を覆ってテフロン板を貼り付けた。

【0045】

次に、エポキシ樹脂膜を形成してテフロン板を貼り付けたシリコン基板を、所定の高圧処理装置の高圧容器内に搬入し、高圧容器を密閉状態とし、高圧容器内に窒素を圧入して高圧容器内の圧力を５ＭＰａとした（気体加圧）。このようにして基板の雰囲気の圧力を大気圧を超える５ＭＰａにまで到達させた後、シリコン基板を１２０℃程度にまで徐々に昇温して熱処理をし、この後、高圧容器を大気圧にまで減圧し、高圧容器内よりシリコン基板を搬出した。この後、テフロン板を離型（剥離）した。この結果、シリコン基板は、段差部に気泡が残ることなくエポキシ樹脂膜が充填され、平坦化された状態が得られた。

【0046】

以上に説明したように、第１高分子から構成された第１樹脂膜と、第１高分子より透過係数が小さい第２高分子から構成された第２樹脂膜とを用いるようにしたので、基板表面の段差を気泡がない状態で樹脂膜を用いて平坦化できるようになる。

【0047】

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

【符号の説明】

【0048】

１０１…基板、１０２…凹部、１０３…第１樹脂膜、１０４…気泡、１０５…第２樹脂膜、１０６…圧力。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2A】

【図2B】