JP2009088118A - 絶縁膜形成用組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】低誘電性、耐熱性、耐薬品性およびＣＭＰに耐え得る高い機械強度を有し、さらに、上層として無機系絶縁膜層が設けられた場合に密着性が高い絶縁被膜を形成することができる組成物の提供。
【解決手段】ポリフェニレンを含む絶縁膜形成用組成物であって、形成した絶縁膜中における前記ポリフェニレンの炭素原子数（Ｃ）および酸素原子数（Ｏ）が、Ｏ／（Ｃ＋Ｏ）≧０．０５０の関係を満たす、絶縁膜形成用組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は電子デバイスなどに用いられる誘電率、機械強度、耐熱性等の膜特性が良好な絶縁膜を形成することができる絶縁膜形成用組成物に関する。
近年の半導体集積回路（ＩＣ）の高集積化、多機能化、高性能化の進行に伴い、回路抵抗や配線間容量が増大し、消費電力や遅延時間の増大を招いている。中でも遅延時間の増大は半導体集積回路の信号速度低下やクロストーク発生の要因となるため、この遅延時間を減少させて半導体集積回路の高速化を図るべく、配線抵抗や寄生容量の低減が求められている。そして、寄生容量を低減するための具体策の一つとして、配線の周辺を低誘電性の絶縁膜で被覆することが試みられている。また、当該絶縁膜には実装基板製造時の薄膜形成工程やチップ接続、ピン付け等の後工程に耐え得る優れた耐熱性やウェットプロセスに耐え得る耐薬品性が求められている。さらに、近年はＡｌ配線から低抵抗のＣｕ配線が導入されつつあり、これに伴いＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）による平坦化が一般的となっており、このプロセスに耐え得る高い機械強度が求められている。
このような配線周辺を被覆する絶縁膜として、従来は二酸化ケイ素(ＳｉＯ2、ｋ＝３．９)が適用されてきた。しかし、現在は絶縁膜の低誘電率化に向け、比較的膜構造を制御し易く低誘電率化が図り易いスピン塗布型絶縁膜の適用が検討されている。
例えば、特許文献１、２には、ポリフェニレン系有機ポリマーを主体とする塗布型低誘電率絶縁膜形成用材料が記載されている。
特開２０００−１９１７５２号公報 特表２００６−５２５４１３号公報
このようなポリフェニレン系有機ポリマーを主体とする絶縁膜を半導体集積回路の積層構造に適用する場合、ＣＶＤ法または塗布法によって形成される二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、カーボン含有酸化ケイ素（ＳｉＯＣ）、チッ化ケイ素（ＳｉＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）といった無機系絶縁膜がその上層に設けられることが多い。この際、上層の無機系絶縁膜との密着性が良好であることが必要である。密着性が不十分であると、例えばその後に続くＣＭＰ研磨プロセス時にポリフェニレン系有機ポリマー層と無機系絶縁膜層との界面にて膜剥がれを生じるなどの問題を起こす懸念があるからである。したがって、前記ポリフェニレン系有機ポリマー材料は、上層に無機系絶縁膜が設けられた場合に、それと密着性が高いものであることが好ましい。
本発明は上記のような課題を解決することを目的とするものである。すなわち、本発明は低誘電性、耐熱性、耐薬品性およびＣＭＰに耐え得る高い機械強度を有し、さらに、上層に無機系絶縁膜層が設けられた場合であっても、それと密着性が高い絶縁被膜を形成することができる組成物を提供するものである。
本発明者は上記のような問題点を解決することを目的として鋭意検討を行った。
そして、ポリフェニレンを含む絶縁膜形成用組成物であって、形成した絶縁膜中における前記ポリフェニレンの炭素原子数および酸素原子数が特定の関係を満たす絶縁膜形成用組成物が、上記の問題点を解決することを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は以下の（１）〜（６）である。
（１）ポリフェニレンを含む絶縁膜形成用組成物であって、形成した絶縁膜中における前記ポリフェニレンの炭素原子数（Ｃ）および酸素原子数（Ｏ）が、Ｏ／（Ｃ＋Ｏ）≧０．０５０の関係を満たす、絶縁膜形成用組成物。
（２）前記ポリフェニレンが、ジエン基を有する化合物とジエノフィル基を有する化合物との間のディールスアルダー反応によって形成された化合物である、上記（１）に記載の絶縁膜形成用組成物。
（３）前記ジエン基を有する化合物におけるジエン基の数、および前記ジエノフィル基を有する化合物におけるジエノフィル基の数のいずれか、または両方が２以上である、上記（２）に記載の絶縁膜形成用組成物。
（４）前記ジエン基を有する化合物および／または前記ジエノフィル基を有する化合物がエーテル基を有しており、かつ、前記ジエン基を有する化合物が有するエーテル基の数と、前記ジエノフィル基を有する化合物が有するエーテル基の数との合計数が４以上である、上記（２）または（３）に記載の絶縁膜形成用組成物。
（５）前記エーテル基がメトキシ基、フェニルエーテル基またはトリフルオロメチルエーテル基である、上記（４）に記載の絶縁膜形成用組成物。
（６）前記エーテル基がメトキシ基である、上記（５）に記載の絶縁膜形成用組成物。
本発明の絶縁膜形成用組成物によれば、低誘電性、耐熱性、耐薬品性およびＣＭＰに耐え得る高い機械強度を有し、さらに、上層として無機系絶縁膜層が設けられた場合に、それと密着性が高い絶縁被膜を形成することができる組成物を提供することができる。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明は、ポリフェニレンを含む絶縁膜形成用組成物であって、形成した絶縁膜中における前記ポリフェニレンの炭素原子数（Ｃ）および酸素原子数（Ｏ）が、Ｏ／（Ｃ＋Ｏ）≧０．０５０の関係を満たす、絶縁膜形成用組成物である。
このような組成物を、以下では「本発明の組成物」ともいう。
＜ポリフェニレン＞
初めに、本発明の組成物が含むポリフェニレン（以下、「本発明のポリフェニレン」ともいう。）について説明する。
本発明のポリフェニレンは、本発明の組成物によって形成した絶縁膜中における炭素原子数（Ｃ）および酸素原子数（Ｏ）が、Ｏ／（Ｃ＋Ｏ）≧０．０５０の関係を満たすポリフェニレンであれば、特に限定されない。
以下では「Ｏ／（Ｃ＋Ｏ）」を「ポリフェニレン中酸素含有割合」ともいう。また、本発明の組成物によって形成できる絶縁膜を「本発明の絶縁膜」ともいう。
ポリフェニレン中酸素含有割合は、０．０５５以上であることが好ましく、０．０６０以上であることがより好ましい。また、０．２００以下であることが好ましく、０．１５０以下であることがより好ましく、０．１００以下であることがさらに好ましい。
本発明の組成物において、ポリフェニレン中酸素含有割合は、次に示す方法で測定した値と定義する。ポリフェニレンは高分子であることから、ある程度の分子量分布を持っており、実際にポリフェニレン中酸素含有割合を計算で求めることは容易でないからである。
まず、対象となるポリフェニレンのみを高純度シクロヘキサノンに完全に溶解させて、キャスティング液を得る。次に、このキャスティング液をシリコンウェハー上にスピン塗布した後、１１０℃で６０秒間、ホットプレート上でベークする。そして、２００℃で６０秒間、ホットプレート上でベークし、さらに３５０℃で５分間、低酸素濃度（酸素濃度１００ｐｐｍ未満）雰囲気のホットプレートにてキュアすることで膜厚１００ｎｍのポリフェニレンからなる絶縁膜を得る。ここで膜厚は光学干渉式膜厚測定機にて測定した値とする。
次に、得られたポリフェニレンからなる絶縁膜について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いて絶縁膜に含まれる炭素原子数（（Ｃ）ａｔｍ％）および酸素原子数（（Ｏ）ａｔｍ％）を測定する。なお、ＸＰＳ測定時におけるＸ線源はＡｌ−Ｋα線を使用し、Ｘ線入射角は４５°とする。
このような方法でポリフェニレン中酸素含有割合を求める。
本発明のポリフェニレンは、さらに、少なくとも１種のジエン基を有する化合物と、少なくとも１種のジエノフィル基を有する化合物との間のディールスアルダー反応を伴って形成されるポリフェニレンであることが好ましい。ここでジエン基は特に限定されないが、シクロペンタジエノンであることが好ましい。また、ジエノフィル基は特に限定されず、例えばエチレン基、アセチレン基、ニトリル基が挙げられるが、アセチレン基であることが好ましい。
また、本発明のポリフェニレンにおいて、前記ジエン基を有する化合物におけるジエン基の数が２以上であることが好ましく、３以上であることがより好ましい。
また、前記ジエノフィル基を有する化合物におけるジエノフィル基の数が２以上であることが好ましく、３以上であることがより好ましい。
また、前記ジエン基を有する化合物におけるジエン基の数、および前記ジエノフィル基を有する化合物におけるジエノフィル基の数の両方が２以上であることが好ましく、３以上であることがより好ましい。
また、本発明のポリフェニレンにおいて、前記ジエン基を有する化合物および／または前記ジエノフィル基を有する化合物がエーテル基を有しており、かつ、前記ジエン基を有する化合物が有するエーテル基の数と、前記ジエノフィル基を有する化合物が有するエーテル基の数との合計数が４以上であることが好ましく、５個以上有するものであることがより好ましい。ここでエーテル基の種類は限定されず、本発明の組成物によって絶縁膜を形成する際のポリフェニレンの硬化反応過程で脱離したり、または他官能基・環境中の水分等と反応することのない不活性なものであればよいが、メトキシ基、フェニルエーテル基またはトリフルオロメチルエーテル基であることが好ましく、メトキシ基であることがより好ましい。また、１つのポリフェニレン中における複数のエーテル基は、全て同種のものであってもよいし、異種のものであってもよい。
ポリフェニレン中酸素含有割合は、ディールスアルダー反応に関わる各化合物が有するエーテル酸素原子の数量を変更することによって調整することができる。
本発明のポリフェニレンは、以下の式（Ｉ）〜式（ＩＶ）で示されるオリゴマーまた
はポリマーであることが好ましい。
式（Ｉ）：[Ａ]W [Ｂ]T [Ｅ]V
式（Ｉ）中、Ａは下式の構造を有し、
Figure 2009088118
Ｂは下式の構造を有し、
Figure 2009088118
Ｅは下式の構造のいずれか１つ以上を有する末端基である。
Figure 2009088118
ここでＭは単結合であり、ｙは３以上の整数であり、ｐはモノマーユニット中の未反応アセチレン基の数であり、ｒはモノマーユニット中の反応したアセチレン基の数より１少ない数であり、ｐ＋ｒ＝ｙ−１である。また、Ｗは０〜１，０００の整数であり、Ｔは０〜１，０００の整数であり、Ｖは２以上の整数である。
また、式（Ｉ）中、Ｒ1およびＲ2はそれぞれ独立して、Ｈまたは未置換もしくは不活性置換した芳香族部分である。また、Ａｒ1、Ａｒ2およびＡｒ3はそれぞれ独立して、未置換または不活性置換した芳香族部分である。
ここで、「芳香族部分」とはフェニル、多芳香族および縮合芳香族部分などである。
また、「不活性置換した」とは、置換基がシクロペンタジエノンとアセチレン重合反応に対して本質的に不活性であり、マイクロエレクトロニクスデバイス中において硬化したポリマーの使用条件で環境中の物質、例えば水と容易に反応しないことを意味する。このような置換基としては、例えばＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、−ＣＦ3、−ＯＣＨ3、−ＯＣＦ3、−ＯＰｈ、炭素数１〜８のアルキル、および炭素数３〜８のシクロアルキルが挙げられ、中でも−ＯＣＨ3、−ＯＣＦ3または−ＯＰｈであることが好ましい。不活性なエーテル基で置換した芳香族部分が含まれると、ポリフェニレン中の酸素含有割合を０．０５０以上とすることが容易だからである。
また、「不活性置換した芳香族部分」の具体例としては、以下のものが挙げられる。
Figure 2009088118
ここで、Ｍｅはメチル基を意味する。
また、「未置換芳香族部分」の具体例としては、以下のものが挙げられる。
Figure 2009088118
上式中、Ｚは連結基を表わし、例えば−Ｏ−、−Ｓ−、アルキレン、−ＣＦ2-、−ＣＨ2−、−Ｏ−ＣＦ2−、ペルフルオロアルキル、ペルフルオロアルコキシなどが挙げられる。
このような式（Ｉ）で示されるオリゴマーまたはポリマーは、次に示す式（ａ）：ビスシクロペンタジエノン、および式（ｂ）：３個以上のアセチレン基を含む芳香族アセチレンを反応させることにより製造することができる。ここで所望により、式（ｃ）：２個の芳香族アセチレン部分を含む多官能性化合物をも反応させてもよい。
Figure 2009088118
Figure 2009088118
Figure 2009088118
なお、式（ａ）〜式（ｃ）中のＲ1、Ｒ2、Ａｒ1、Ａｒ2、Ａｒ3およびｙは、上記の式（Ｉ）におけるものと同じ意味である。
次に、式（ＩＩ）で示されるオリゴマーまたはポリマーについて説明する。
本発明のポリフェニレンは、以下の式（ＩＩ）で示されるオリゴマーまたはポリマー
であることが好ましい。
Figure 2009088118
式（ＩＩ）中のＲ1、Ｒ2、Ａｒ1およびＡｒ2は、上記の式（Ｉ）におけるものと同じ意味である。また、Ｘは１〜１，０００の整数であり、１〜５０の整数であることが好ましく、１〜１０の整数であることがより好ましい。
式（ＩＩ）で示されるオリゴマーまたはポリマーは、次に示す式（ｄ）：ビスシクロペンタジエノンとジアセチレンとの反応により製造することができる。
Figure 2009088118
式（ｄ）中のＲ1、Ｒ2、Ａｒ1およびＡｒ2は、上記の式（Ｉ）におけるものと同じ意味である。
式（ｄ）のビスシクロペンタジエノンとジアセチレンとの反応によって、式（ＩＩ）で示されるオリゴマーまたはポリマーを得る際は、ビスシクロペンタジエノン：ジアセチレンをモル比で、１：１〜１：３、好ましくは１：１〜１：２として反応させることが好ましい。
次に、式（ＩＩＩ）で示されるオリゴマーまたはポリマーについて説明する。
本発明のポリフェニレンは、以下の式（ＩＩＩ）で示されるオリゴマーまたはポリマーであることが好ましい。
Figure 2009088118
式（ＩＩＩ）中のＡｒ4はＡｒ1、Ａｒ2およびＡｒ3と同様に、芳香族部分または不活性置換した芳香族部分であり、Ｒ1およびＲ2は上記の式（Ｉ）におけるものと同じ意味であり、Ｘは上記の式（ＩＩ）におけるものと同じ意味である。
式（ＩＩＩ）で示されるオリゴマーまたはポリマーは、次の式（ｅ）で示す多官能性化合物におけるアセチレン基とシクロペンタジエノン基との反応により製造される。
Figure 2009088118
式（ｅ）中のＲ1およびＲ2は、上記の式（Ｉ）におけるものと同じ意味である。また、Ａｒ4は、上記の式（ＩＩＩ）におけるものと同じ意味である。
次に、式（ＩＶ）で示されるオリゴマーまたはポリマーについて説明する。
本発明のポリフェニレンは、以下の式（ＩＶ）で示されるオリゴマーまたはポリマーであることが好ましい。
Figure 2009088118
式（ＩＶ）中のＲ1およびＲ2は、上記の式（Ｉ）におけるものと同じ意味であり、Ａｒ4は、上記の式（ＩＩＩ）におけるものと同じ意味であり、Ｘは上記の式（ＩＩ）におけるものと同じ意味である。
式（ＩＶ）で示されるオリゴマーまたはポリマーは、次の式（ｆ）で示す多官能性化合物におけるアセチレン基とシクロペンタジエノン基との反応により製造される。
Figure 2009088118
式（ｆ）中のＲ1およびＲ2は、上記の式（Ｉ）におけるものと同じ意味であり、Ａｒ4は、上記の式（ＩＩＩ）におけるものと同じ意味である。
ここで、上記の式（Ｉ）、式（ＩＩ）、式（ＩＩＩ）および式（ＩＶ）に記載したポリフェニレンの前駆体である式（ａ）、式（ｄ）のビスシクロペンタジエノン、式（ｅ）および式（ｆ）、すなわちシクロペンタジエノン部分を有する化合物は、従来の方法を用いてベンジルとベンジルケトンとの縮合により製造することができる。例えば、KumarらのMacromolecules,1995,28,124-130、Ogliaruso らのJ.Org.Chem.,1965,30,3354、OgliarusoらのJ.Org.Chem.,1963,28,2725および米国特許第4,400,540号に記載されている方法が挙げられる。
また、上記の式（Ｉ）、式（ＩＩ）、式（ＩＩＩ）および式（ＩＶ）に記載したポリフェニレンの前駆体である式（ｂ）および式（ｃ）、（ｄ）のジアセチレン、式（ｅ）ならびに式（ｆ）、すなわち芳香族アセチレン部分を含む化合物は、従来の方法によって製造可能である。すなわち芳香族化合物をハロゲン化し、次いでパラジウム系錯体に代表されるアリールエチニル化触媒の存在下において適当な置換アセチレンと前記のハロゲン化芳香族化合物を反応させることで、芳香族アセチレン部分を含む化合物を得ることができる。
本発明の組成物に含まれるポリフェニレンについて、前駆体となるジエノフィル基を有する化合物と、ジエンを有する化合物とがポリマー化してポリフェニレンが生成する反応について、一般的に知られている反応機構を以下に記述する。上記に説明した式（ＩＩ）で示されるオリゴマーまたはポリマーを代表例として挙げれば、その製造過程は、下記式（ｇ）に示す化学反応式で表されるものと一般的に考えられている。
Figure 2009088118
式（ｇ）中、Ｒ1およびＲ2は、上記の式（Ｉ）におけるものと同じ意味である。また、Ａｒ1およびＡｒ2は、上記の式（ＩＩＩ）におけるものと同じ意味である。
式（ｇ）には表れていないが、用いるポリフェニレン前駆体（後に定義を示す。）および反応条件によっては、形成された本発明のポリフェニレンであるオリゴマーまたはポリマーにカルボニル架橋された物質が含まれる場合がある。この場合、さらに加熱すると、このカルボニル架橋された物質は本質的にすべて芳香族環に転化されると考えられる。１種以上のアセチレン含有モノマーを用いると、示された構造からはブロックが形成することが示唆されるが、形成されたオリゴマーおよびポリマーはランダムになると考えられる。シクロペンタジエノンとアセチレン基の間のディールズアルダー反応が起こり、フェニル化された環にパラまたはメタ結合を形成すると考えられる。
本発明のポリフェニレンは、このような式（Ｉ）〜式（ＩＶ）で示されるオリゴマー
またはポリマーであることが好ましい。
本発明のポリフェニレンの本発明の組成物中における含有率は、本発明の組成物に含まれる全固形成分中の割合として５０〜９０質量％であることが好ましく、７０〜９５質量％であることがより好ましく、８０〜１００質量％であることがさらに好ましい。
なお本明細書において、本発明の組成物に含まれる全固形成分とは有機溶剤を除いた全成分を指す。
次に、本発明の組成物を構成するその他の成分について説明する。
本発明の組成物は、本発明のポリフェニレンの少なくとも一部を溶解する有機溶剤を含む。
前記有機溶剤としては、例えば１−メトキシー２−プロパノール、プロパノール、アセチルアセトン，シクロヘキサノン、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、酢酸ブチル，乳酸メチル、乳酸エチル、γ−ブチロラクトン、アニソール、メシチレン、ｔ−ブチルベンゼンであり、特に好ましくは１−メトキシー２−プロパノール，シクロヘキサノン、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、乳酸エチル，γ−ブチロラクトン、ｔ−ブチルベンゼン，アニソールなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
また、後述するように、本発明のポリフェニレンは不活性有機溶媒にポリフェニレン前駆体を添加し、加熱等することで合成することができるが、合成後の溶液中における前記不活性有機溶媒は前記有機溶剤である。不活性有機溶媒にポリフェニレン前駆体を添加し加熱等して得られる溶液は本発明のポリフェニレンを含むが、前記不活性有機溶媒に本発明のポリフェニレンの少なくとも一部が溶解している。
本発明の組成物は本発明のポリフェニレンと前記有機溶剤とからなるものであってよいが、さらに界面活性剤を含んでもよい。界面活性剤を含むと、本発明の組成物によって形成した絶縁膜の膜厚を均一に調整しやすくなるので好ましい。
前記界面活性剤としては、例えば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、シリコーン系界面活性剤、含フッ素系界面活性剤、ポリアルキレンオキシド系界面活性剤、アクリル系界面活性剤が挙げられる。このような界面活性剤の一種類のみを用いてもよいし、二種類以上を用いてもよい。中でもシリコーン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤、含フッ素系界面活性剤、アクリル系界面活性剤を好ましく用いることができ、シリコーン系界面活性剤をより好ましく用いることができる。
ここでシリコー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を意味する。上記のように本発明の組成物はシリコーン系界面活性剤を含むことが好ましいが、中でもアルキレンオキシドおよびジメチルシロキサンを含む構造を有するものであることがより好ましい。そして、下記式（ｈ）を含む構造であることがさらに好ましい。
Figure 2009088118
式（ｈ）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Ｒは同じでも異なっていてもよい。
前記界面活性剤は、本発明の組成物に含まれる全固形成分に対して０．１〜１０質量％であることが好ましく、１.０〜５．０質量％であることがより好ましい。
また、本発明の組成物はラジカル発生剤、コロイド状シリカ、シランカップリング剤、密着剤、空孔形成剤などの添加剤を含んでもよい。これら添加剤の添加量は、得られる絶縁膜の特性（耐熱性等）を損なわない範囲であればよいが、本発明の組成物に含まれる全固形成分に対して５０質量％以下であることが好ましく、３０質量％以下であることがより好ましい。
また、本発明の組成物は、空孔形成剤を含むことができる。空孔形成剤を含むことで形成される絶縁膜を多孔質化し、低誘電率化を図ることができる。このような空孔形成剤の含有率は、絶縁膜の機械強度の許す範囲内とすることが必要であるが、本発明の組成物に含まれる全固形成分に対して０．５〜５０質量％であることが好ましく、０．５〜３０質量％であることがより好ましく、１〜２０質量％であることがさらに好ましい。
前記空孔形成剤としては、前記有機溶剤との溶解性および本発明のポリフェニレンとの相溶性を同時に満たす非金属化合物が好適に用いられる。
また、前記空孔形成剤の沸点または分解温度は１００〜５００℃が好ましく、２００〜４５０℃がより好ましく、２５０〜４００℃がさらに好ましい。また、重量平均分子量は２００〜５０，０００が好ましく、３００〜１０，０００がより好ましく、４００〜５，０００がさらに好ましい。
また、本発明のポリフェニレンが熱分解性基を含めば、その熱分解性基は前記空孔形成剤と同様に作用する。この熱分解性基の分解温度は１００〜５００℃であることが好ましく、２００〜４５０℃であることがより好ましく、２５０〜４００℃であることがさらに好ましい。熱分解性基の含有率は、本発明の組成物に含まれるポリフェニレン中において０．５〜７５モル％であることが好ましく、０．５〜３０モル％であることがより好ましく、１〜２０モル％であることがさらに好ましい。
本発明の組成物に含まれる全固形成分の濃度は、好ましくは０．１〜５０質量％であり、より好ましくは０．５〜１５質量％であり、さらに好ましくは１〜１０質量％である。
本発明の組成物には不純物としての金属含量が充分に少ないことが好ましい。
本発明の組成物中における遷移金属の含有量は、ＩＣＰ−ＭＳ法によって測定した場合において、１０ｐｐｍ以下であることが好ましく、１ｐｐｍ以下であることが好ましく、１００ｐｐｂ以下であることがさらに好ましい。遷移金属は酸化を促進する触媒能が高く、プリベーク、熱硬化プロセスにおいて酸化反応によって、本発明の組成物から形成される絶縁膜（本発明の絶縁膜）の誘電率を上げてしまうと考えられるからである。
また、本発明の組成物中における遷移金属以外の金属含有量は、ＩＣＰ−ＭＳ法によって測定した場合において３０ｐｐｍ以下であることが好ましく、３ｐｐｍ以下であることがより好ましく、３００ｐｐｂ以下であることがさらに好ましい。
次に本発明の組成物の製造方法について説明する。
本発明の組成物が含むポリフェニレンは、少なくとも一種のジエン基を有する化合物と、少なくとも一種のジエノフィル基を有する化合物とを原料として用いて製造する。この原料としては、例えば、上記の式（ａ）〜式（ｆ）で示される化合物（式（ｄ）の場合は、式（ｄ）に示されるビスシクロペンタジエノンおよびジアセチレンの各々を指す。）が挙げられる。このような原料を、本明細書では「ポリフェニレン前駆体」ともいう。
ポリフェニレン前駆体は充分に精製されていることが好ましい。特に金属およびイオン性物質をできるだけ含まないようにしておくことが好ましい。
例えば、芳香族アセチレン基を含む多官能性化合物が残留エチニル化触媒を含む場合、これを水洗浄液し、脂肪族炭化水素溶媒と接触し、次いで芳香族溶媒中に溶解した後、純粋なシリカゲルを通して濾過すれば、残留エチニル化触媒を前記多官能性化合物から除去することができる。さらに再結晶化を行えば、残留エチニル化触媒をさらに除去することができる。
前記ポリフェニレン前駆体からポリフェニレンを合成する方法は限定されないが、不活性有機溶媒にポリフェニレン前駆体を溶解し、大気圧、減圧または過圧のいずれかにおいて適当な重合温度に加熱することでポリフェニレンを合成することが好ましい。均一分子量のポリフェニレンを得やすく、また、反応に伴う発熱を緩和することができるからである。また、ここで得られるポリフェニレンを含む溶液は、既に本発明の組成物であるので、ポリフェニレンを前記有機溶剤に添加する等の操作が不必要だからである。
前記不活性有機溶媒としては、例えばメシチレン、ピリジン、トリエチルアミン、Ｎ−メチルピロリジノン(ＮＭＰ) 、メチルベンゾエート、エチルベンゾエート、ブチルベンゾエート、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、シクロヘプタノン、シクロオクタノン、シクロヘキシルピロリジノン、およびエーテルもしくはヒドロキシエーテル、例えばジベンジルエーテル、ジグリム、トリグリム、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールフェニルエーテル、プロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トルエン、メシチレン、キシレン、ベンゼン、ジプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジクロロベンゼン、プロピレンカーボネート、ナフタレン、ジフェニルエーテル、ブチロラクトン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、およびこれらの混合物が挙げられる。好ましい不活性有機溶剤はメシチレン、Ｎ−メチルピロリジノン（ＮＭＰ）、ガンマ−ブチロラクトン、ジフェニルエーテルおよびこれらの混合物である。
ポリフェニレン前駆体の重合反応が最も有利に行われる反応温度、反応時間等の反応条件は、ポリフェニレン前駆体や、前記不活性有機溶媒の種類等の種々の因子によって異なる。
例えば、大気圧において、反応温度を１００℃〜４７５℃、反応時間を１分〜４８時間として、ポリフェニレン前駆体からオリゴマーを形成することができる。反応温度を１５０℃〜４５０℃とすることが好ましく、２００℃〜２５０℃とすることがより好ましい。また、反応時間を６０分〜４８時間とすることが好ましく、１分〜１０時間とすることがより好ましく、１分〜１時間とすることがさらに好ましい。さらに鎖延長（アドバンスメント）を行ってもよい。
また、ポリフェニレン前駆体の重合反応は非酸化雰囲気、例えば窒素または他の不活性ガス中で行なうことができる。
次に、本発明の組成物によって形成することができる絶縁膜である本発明の絶縁膜について説明する。
初めに、本発明の絶縁膜の形成方法について説明する。
本発明の絶縁膜は、本発明の組成物をスピンコーティング法、ローラーコーティング法、ディップコーティング法、スキャン法等の任意の方法により基板に塗布した後、加熱処理し、前記有機溶剤を除去することにより形成することが好ましい。
基板に塗布する方法としては、スピンコーティング法またはスキャン法によるものが好ましく、スピンコーティング法がより好ましい。スピンコーティングについては，市販の装置を使用できる。例えば、クリーントラックシリーズ（東京エレクトロン社製）、Ｄ−スピンシリーズ（大日本スクリーン社製）、ＳＳシリーズまたはＣＳシリーズ（東京応化工業社製）等が好ましく使用できる。
スピンコート条件としては，いずれの回転速度でもよいが，例えば３００ｍｍシリコン基板においては１３００ｒｐｍ程度の回転速度であることが好ましい。形成される本発明の絶縁膜の面内均一性が良好となるからである。
また、本発明の組成物の吐出方法は、回転する基板上へ本発明の組成物を吐出する動的吐出、静止した基板上へ本発明の組成物を吐出する静的吐出のいずれでもよいが、形成される本発明の絶縁膜の面内均一性の観点より、動的吐出が好ましい。また、本発明の組成物の消費量を抑制する観点より、予備的に本発明の組成物が含む有機溶剤のみを基板上に吐出して液膜を形成した後，その上から本発明の組成物を吐出するという方法を用いることもできる。ここで有機溶剤が２種類以上を含む場合は、含有率の高い方のみを用いて液膜を形成してもよい。スピンコート時間については特に制限はないが、スループットの観点から１８０秒以内が好ましい。また，基板の搬送の観点より、基板エッジ部の膜を残存させないための処理（エッジリンス、バックリンス）をすることも好ましい。
加熱処理の方法は特に限定されないが、一般的に使用されているホットプレート加熱、ファーネス炉を使用した加熱方法、ＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等によるキセノンランプを使用した光照射加熱等を適用することができる。好ましくはホットプレート加熱、ファーネス炉を使用した加熱方法である。
ホットプレートとしては市販の装置を好ましく使用でき，クリーントラックシリーズ（東京エレクトロン社製）、Ｄ−スピンシリーズ（大日本スクリーン社製）、ＳＳシリーズまたはＣＳシリーズ（東京応化工業社製）等が好ましく使用できる。ファーネス炉としてはαシリーズ（東京エレクトロン社製）等が好ましく使用できる。
本発明の組成物が含むポリフェニレンは、基盤上に塗布した後に加熱処理することによって硬化させることが好ましい。例えば本発明の組成物に含まれるポリフェニレン中に残存する炭素三重結合や二重結合を加熱処理時に重合反応させることで、形成される絶縁膜の強度を高めることができる。この加熱処理の条件は、好ましくは１００〜４５０℃、より好ましくは２００〜４２０℃、さらに好ましくは３５０℃〜４００℃である。また、好ましくは１分〜２時間、より好ましくは１０分〜１．５時間、さらに好ましくは３０分〜１時間である。
加熱処理は数回に分けて行ってもよい。また、この加熱処理は酸素による熱酸化を防ぐために窒素雰囲気下で行うことが好ましい。
また、上記のような加熱処理ではなく、本発明の組成物を基盤上に塗布した後に、高エネルギー線を照射することで、本発明の組成物に含まれるポリフェニレン中に残存する炭素三重結合や二重結合を重合反応させてもよい。
高エネルギー線とは、電子線、紫外線、Ｘ線などが挙げられるが、特にこれらの方法に限定されるものではない。
高エネルギー線として電子線を使用した場合のエネルギーは、０〜５０ｋｅＶが好ましく、０〜３０ｋｅＶがより好ましく、０〜２０ｋｅＶがさらに好ましい。電子線の総ドーズ量は好ましくは０〜５μＣ／ｃｍ2、より好ましくは０〜２μＣ／ｃｍ2、さらに好ましくは０〜１μＣ／ｃｍ2である。電子線を照射する際の基板温度は０〜４５０℃が好ましく、より好ましくは０〜４００℃、さらに好ましくは０〜３５０℃である。電子線を照射する際の雰囲気圧力は好ましくは０〜１３３ｋＰａ、より好ましくは０〜６０ｋＰａ、さらに好ましくは０〜２０ｋＰａである。
また、本発明の組成物に含まれるポリフェニレンの酸化を防止するという観点から、電子線を照射する際の基盤周囲の雰囲気はＡｒ、Ｈｅ、窒素などの不活性雰囲気を用いることが好ましい。また、電子線との相互作用で発生するプラズマ、電磁波、化学種との反応を目的に酸素、炭化水素、アンモニアなどのガスを添加してもよい。
電子線照射は複数回行ってもよく、この場合は電子線照射条件を毎回同じにする必要はなく、毎回異なる条件で行ってもよい。
高エネルギー線として紫外線を用いてもよい。紫外線を用いる際の照射波長領域は１６０〜４００ｎｍが好ましく、その出力は基盤直上において０．１〜２０００ｍＷｃｍ-2が好ましい。紫外線照射時の基盤温度は２５０〜４５０℃が好ましく、より好ましくは２５０〜４００℃、さらに好ましくは２５０〜３５０℃である。本発明の組成物に含まれるポリフェニレンの酸化を防止するという観点から、紫外線照射時の基盤周囲の雰囲気はＡｒ、Ｈｅ、窒素などの不活性雰囲気を用いることが好ましい。また、紫外線照射時の圧力は０〜１３３ｋＰａが好ましい。
このような方法によって本発明の絶縁膜を形成することができる。本発明の絶縁膜の厚さは特に限定されないが、０．０１〜１０μｍであることが好ましく、０．０２〜５μｍであることがより好ましく、０．０３〜１μｍであることがさらに好ましい。
ここで、本発明の絶縁膜の厚さは、光学干渉式膜厚測定器にて任意の３箇所以上を測定した場合の単純平均値を意味するものとする。
本発明の絶縁膜は半導体用層間絶縁膜として使用する際、その配線構造において、配線側面にはメタルマイグレーションを防ぐためのバリア層があってもよく、また、配線や層間絶縁膜の上面底面にはＣＭＰ（化学的機械的研磨）での剥離を防ぐキャップ層、層間密着層の他、エッチングストッパー層等があってもよく、さらには層間絶縁膜の層を必要に応じて他種材料で複数層に分けても良い。
ＣＭＰスラリー（薬液）としては，市販のスラリー（例えばフジミ社製、ロデールニッタ社製、ＪＳＲ社製、日立化成社製等）を適宜使用できる。またＣＭＰ装置としては市販の装置（アプライドマテリアル社製、荏原製作所社製等）を適宜使用することができる。 さらにＣＭＰ後のスラリー残渣除去のため洗浄することができる。
本発明の絶縁膜は、銅配線またはその他の目的でエッチング加工をすることができる。エッチングとしてはウエットエッチング、ドライエッチングのいずれでもよいが、ドライエッチングが好ましい。ドライエッチングはアンモニア系プラズマ、フルオロカーボン系プラズマのいずれもが適宜使用できる。これらプラズマにはＡｒだけでなく、酸素、窒素、水素またはヘリウム等のガスを用いることができる。また，エッチング加工後に加工に使用したフォトレジスト等を除く目的でアッシングすることもでき、さらにはアッシング時の残渣を除くため洗浄することもできる。
本発明の絶縁膜は、多様の目的に使用することができる。例えばＬＳＩ、システムＬＳＩ、ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＲＤＲＡＭ、Ｄ−ＲＤＲＡＭ等の半導体装置、マルチチップモジュール多層配線板等の電子部品における絶縁皮膜として好適であり、半導体用層間絶縁膜、エッチングストッパー膜、表面保護膜、バッファーコート膜の他、ＬＳＩにおけるパッシベーション膜、α線遮断膜、フレキソ印刷版のカバーレイフィルム、オーバーコート膜、フレキシブル銅張板のカバーコート、ソルダーレジスト膜、液晶配向膜等として使用することができる。
以下に本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらによって限定されるものではない。
＜合成例１＞〜1,2,4-トリス(2-(3-メトキシフェニル)エチニル)ベンゼン(化合物(a)の合成）〜
300mLのトリエチルアミンに1,2,4-トリブロモベンゼン(20.0g、63.5mmol)を加え、得られた混合液に乾燥窒素を30分間バブリングして脱気した。
次に、ここへトリフェニルホスフィン(2.2g,8.36mmol)、酢酸パラジウム(II)(0.100g,0.445mmol）、ヨウ化銅（I）(0.315g,1.65mmol)を加え、得られた混合物を加熱還流した。
次に、ここへ1-エチニル-3-メトキシベンゼン(26.04g,197mmol)を10分かけて添加した。そしてこの反応混合物を一晩加熱還流させた。得られた反応混合物を室温まで冷やした後、トルエン300mLと純水とを加えた。分液ロートにて目的の生成物をトルエンに抽出し、得られたトルエン溶液を濃縮した。得られた濃縮液をシリカゲルカラムクロマトグラフィー（トルエン）にかけて精製し、目的物が含まれる留分を濃縮・乾燥させることで目的とする化合物(a)を収率45%で得た。
＜合成例２＞〜1,3-ビス(3-メトキシフェニル)アセチレン（化合物(b)の合成）〜
反応基質として、1,2,4-トリブロモベンゼンの代わりに1-ブロモ-3-メトキシベンゼンを用いる以外は、上記合成例１と同様の手法にて化合物(b)を得た。
＜合成例３＞
3,3'-(オキシジ-1,4-フェニレン)ビス(2,4,5-トリフェニルシクロペンタジエノン)(化合物(c)、7.83g、0.010モル)、および上記合成例１で得られた1,3,5-トリス(2-(3-メトキシフェニル)エチニル）ベンゼン（化合物(a)、7.03g(0.015モル)）を50ミリリットルのγ−ブチロラクトンに溶解させ、得られた溶液をフラスコ内に加えた。このフラスコ内を窒素置換した上で、溶液を200℃に加熱攪拌した。12時間加熱後、室温まで冷却した溶液を50ミリリットルのエタノールに加えた。この時に析出して得られる粉状固体として化合物(a)と化合物(c)とのDiels-Alder反応体としてのポリフェニレン(A-1)を得た。ポリフェニレン(A-1)について、ＧＰＣ（ゲル透過クロマトグラフィー）にてポリスチレン標準換算で求めた重量平均分子量は２１，１００であった。
＜合成例４＞
反応基質として用いる3,3'-(オキシジ-1,4-フェニレン)ビス(2,4,5-トリフェニルシクロペンタジエノン)(化合物(c)および1,3,5-トリス(2-(3-メトキシフェニル)エチニル）ベンゼン（化合物(a)の代わりに、下記第１表に示す反応基質を用いる以外は、上記合成例３と同様の手法にてポリフェニレン(A-2)、および比較となるポリフェニレン(A-3)を得た。具体的にポリフェニレン(A-2)、(A-3)を得るのに用いた原料モノマー構造と投入モル数、および得られたポリマーの重量平均分子量（ＧＰＣによるポリスチレン標準換算）を第１表にまとめた。
＜ポリフェニレン(A)に含有される酸素含有割合の測定＞
上記合成例に示す要領で得られたポリフェニレン(A-1)〜(A-3)について、電子工業用の高純度シクロヘキサノンに濃度4質量％となるよう溶解させ、キャスティング液を得た。
そしてキャスティング液を東京エレクトロン社製スピンコーターACT-8 SOD を用いて、8インチベアシリコンウェハー上にスピン塗布した。塗布後の膜を上記装置に装備されているホットプレート上で１１０℃で６０秒ベーク、さらに２００℃６０秒ホットプレート上でベーク、さらに低酸素濃度（酸素濃度１００ｐｐｍ未満）ホットプレートにて３５０℃で５分間キュアすることで膜厚100nmの塗膜を得た。得られた塗膜について、X線光電子分光(XPS)測定装置PHI Quantum2000（アルバック・ファイ株式会社製、X線源としてAl-Kα線、X線入射角：45度）を用いて含有される炭素原子数(Ｃ atm ％)および酸素原子数(Ｏ atm ％)を実測した。その結果を纏めて第１表に示す。
Figure 2009088118
〔実施例１〜１０、比較例１〕
＜絶縁膜形成用組成物の調製＞
上記合成例にて得られた各ポリフェニレン(A-1)〜(A-3)に対して、シランカップリング剤としてビニルトリメトキシシランオリゴマー(VMM010, Gelest社製)を1wt%添加し、その固形分濃度が３．０wt％となるよう溶剤(B)に完全溶解させることで絶縁膜形成用組成物を調製した。調整した絶縁膜形成用組成物の内容について、第２表に纏めて示す。第２表中の溶剤(B-a)〜(B-d)の記号は、(B-a)：シクロヘキサノン、(B-b)：2-ヘプタノン、(B-c)：γ-ブチロラクトン、(B-d)：NMPを意味する。第２表中における溶剤(B)の欄の数字は、各々の溶剤の添加量(重量％)を意味する。例えば実施例１では(B-a)を(A-1)に対して8wt%添加したことを意味する。
＜膜誘電率の測定＞
上述の要領にて調整した塗布液を東京エレクトロン社製スピンコーターACT-8 SODを用いて基板抵抗値7 Ω/cmの８インチベアシリコンウェハー上にスピン塗布した。塗布後の膜を１１０℃６０秒間、続いて２００℃６０秒ベークを行った後、窒素置換した４００℃のクリーンオーブン内にて１時間焼成することで膜厚１００ｎｍの塗布膜を得た。得られた膜の比誘電率をフォーディメンジョンズ社製水銀プローバおよび横河ヒューレットパッカード社製のHP4285A LCR meterを用いて1MHzにおける電気容量値から算出した。結果をまとめて第２表に示す。
＜上層無機膜との密着性評価＞
上述の要領にて調整した塗布液を東京エレクトロン社製スピンコーターACT-8 SODを用いて８インチベアシリコンウェハー上にスピン塗布した。塗布後の膜を１１０℃６０秒間、続いて２００℃６０秒ベークを行った後、窒素置換した４００℃のクリーンオーブン内にて１時間焼成することで膜厚１００ｎｍの塗布膜を得た。当該ポリフェニレン塗膜上に、プラズマ化学気相堆積装置(PECVD = Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) Producer CVD（Appried Materials社製）を用いてカーボン含有酸化ケイ素(SiOC)膜を膜厚30nmで製膜した。CVD-SiOC膜を堆積後、SiOC膜上にセロハンテープ（3M社製、Scotch(登録商標) tape 型番610）を貼り付け、当テープを引っ張り上げ、ポリフェニレン層とCVD-SiOC層との界面で剥がれを生じるか否かを評価した。一部でも剥がれを生じた場合を「×」、全く剥がれを生じなかった場合を「○」とした。結果をまとめて第２表に示す。
Figure 2009088118
上記第２表に示すとおり、本発明の組成物は、低誘電性を有し、さらに上層の無機系絶縁膜層との密着性が高い絶縁被膜を形成することができる組成物であることが判る。

Claims (6)

  1. ポリフェニレンを含む絶縁膜形成用組成物であって、
    形成した絶縁膜中における前記ポリフェニレンの炭素原子数（Ｃ）および酸素原子数（Ｏ）が、Ｏ／（Ｃ＋Ｏ）≧０．０５０の関係を満たす、絶縁膜形成用組成物。
  2. 前記ポリフェニレンが、ジエン基を有する化合物とジエノフィル基を有する化合物との間のディールスアルダー反応によって形成された化合物である、請求項１に記載の絶縁膜形成用組成物。
  3. 前記ジエン基を有する化合物におけるジエン基の数、および前記ジエノフィル基を有する化合物におけるジエノフィル基の数のいずれか、または両方が２以上である、請求項２に記載の絶縁膜形成用組成物。
  4. 前記ジエン基を有する化合物および／または前記ジエノフィル基を有する化合物がエーテル基を有しており、かつ、前記ジエン基を有する化合物が有するエーテル基の数と、前記ジエノフィル基を有する化合物が有するエーテル基の数との合計数が４以上である、請求項２または３に記載の絶縁膜形成用組成物。
  5. 前記エーテル基がメトキシ基、フェニルエーテル基またはトリフルオロメチルエーテル基である、請求項４に記載の絶縁膜形成用組成物。
  6. 前記エーテル基がメトキシ基である、請求項５に記載の絶縁膜形成用組成物。
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