JP3953759B2

JP3953759B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP3953759B2
Application number: JP2001257404A
Authority: JP
Inventors: 健今村; 孝平野
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2021-08-28
Also published as: JP2003066608A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポジ型感光性樹脂組成物を用いて得られた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子の表面保護膜、層間絶縁膜には、耐熱性が優れまた卓越した電気特性、機械特性等を有するポリイミド樹脂組成物が用いられてきた。しかし、近年半導体素子の高集積化、大型化、半導体装置の薄型化、小型化、半田リフローによる表面実装への移行により耐熱サイクル性、耐熱ショツク性等の著しい向上の要求があり、更に高性能の樹脂が必要とされるようになってきた。
一方、ポリイミド樹脂自身に感光性を付与する技術が注目を集めてきており、例えば式（２）に示される感光性ポリイミド樹脂が挙げられる。
【０００３】
【化２】

【０００４】
これを用いると露光、現像工程の一部が簡略化でき、工程短縮および歩留まり向上の効果はあるが、現像の際にＮ−メチル−２−ピロリドン等の溶剤が必要となるため、安全性、取り扱い性に問題がある。
そこで最近、アルカリ水溶液で現像ができるポジ型の感光性樹脂組成物が開発されている。例えば、特開平３−７６３号公報にはヒドロキシポリイミド樹脂を用いたポジ型感光性樹脂組成物、特開平４−３０６２３１号公報にはより高分子量のヒドロキシポリイミド樹脂を得る製法が開示されている。
【０００５】
これらはイミド化の方法として無水酢酸等の酸無水物を閉環剤として用いており、反応終了後樹脂を単離する際に、閉環剤およびその副生成物を除く為には充分な洗浄が必要となる。またこの洗浄によって閉環剤およびその副生成物を完全に取り除くのは事実上不可能であり、特に半導体素子等の精密な部品の用途として用いる際には、微量の不純物が装置に与える影響は非常に大きい。
【０００６】
また、これらに限らず従来から感光性樹脂組成物を実際に使用する場合には、感光性樹脂組成物のベース樹脂を合成後、再沈、濾過、乾燥を行い、先ずはベース樹脂を単離するという工程がある。次にこのベース樹脂を適当な溶媒中で感光剤等の添加物と混合するといった手法で目的の感光性樹脂組成物を得る。しかしこれらの工程は時間、費用等の点から大きな負担となっているのは明らかであり、生産性の向上の目的からより工程を短縮できる簡潔な手法が望まれている。
【０００７】
これらの観点から、より簡潔にポジ型感光性樹脂組成物を得る方法を、本発明者らは特願２０００−１１４５２１号で出願した。しかし、このポジ型感光性樹脂組成物を露光、現像後、２８０〜３２０℃で熱処理した場合、最終的に分子構造内に水酸基が残存しており、この水酸基の存在は感光性樹脂組成物の硬化膜の吸湿性を増加させ、吸湿水の存在は半導体素子等に悪影響を及ぼすものである。また吸湿水の存在は特に硬化膜の破断点伸度等の機械特性にとって好ましいものではない。
【０００８】
一方、現像時には有用である水酸基を熱処理時に消失させることによって十分な特性を発揮する感光性樹脂組成物として、例えば特開平１−４６８６２号公報にはポリベンゾオキサゾール前駆体を含む感光性樹脂組成物が開示されている。しかしこれらは樹脂合成時にジカルボン酸を、反応性を向上させるために酸塩化物やエステル等の誘導体に変換させることが必須であり、樹脂の製造方法としては必ずしも簡潔なものではない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、製造工程を短縮して得られるポジ型感光性樹脂組成物を用いた半導体装置に十分な特性を与える方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
［１］下記のポジ型感光性樹脂組成物を加熱硬化後の硬化膜厚が０．１〜２０μｍになるように支持体上に塗布し、プリベーク、露光、現像後３３０〜５００℃で３０〜３００分間熱処理したものを用いて製作されてなることを特徴とする半導体装置。
（１）ヒドロキシポリイミド樹脂合成の反応溶液から単離することなく得た一般式（１）で示されるヒドロキシポリイミド樹脂（Ａ）１００重量部とジアゾナフトキノン化合物（Ｂ）１〜５０重量部からなるポジ型感光性樹脂組成物、
である。
【００１１】
【化３】

【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一般式（１）で示されるヒドロキシポリイミド樹脂のＸとしては、例えば
【化４】

等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１３】
これらの中で特に好ましいものとしては、
【化５】

より選ばれるものである。
【００１４】
また一般式（１）で示されるヒドロキシポリイミド樹脂のＹとしては、例えば
【化６】

等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１５】
これらの中で特に好ましいものとしては、
【化７】

より選ばれるものである。
【００１６】
また一般式（１）で示されるヒドロキシポリイミド樹脂のＥは、水素原子、あるいはアルケニル基を少なくとも１個有する脂肪族または環式化合物のカルボン酸誘導体のいずれであってもよい。後者は、例えば５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸無水物、無水マレイン酸等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１７】
本発明の一般式（１）で示されるヒドロキシポリイミド樹脂を製造する際の溶剤としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、γ−ブチロラクトン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジ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メチルエーテルアセテート、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチル、メチル−１，３−ブチレングリコールアセテート、１，３−ブチレングリコール−３−モノメチルエーテル、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、メチル−３−メトキシプロピオネート等が挙げられ、単独でも混合して用いてもよい。
【００１８】
本発明で用いる感光剤としてのジアゾナフトキノン化合物としは、１，２−ナフトキノンジアジド構造を有する化合物であり、米国特許明細書第２，７７２，９７２号、第２，７９７，２１３号、第３，６６９，６５８号により公知の物質である。
例えば下記のものが挙げられる。
【化８】

【００１９】
【化９】

【００２０】
これらの中で特に好ましいものとしては下記のものがある。
【化１０】

【００２１】
本発明に用いるポジ型感光性樹脂組成物の製造は、先ず反応により一般式（１）で示されるヒドロキシポリイミド樹脂の合成を行う。一般式（１）で示されるヒドロキシポリイミド樹脂の合成は、例えばヘキサフルオロ−２，２−ビス（３−アミノ−４−ヒドロキシフェニル）プロパンとベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物を主原料とし、温度条件１０〜４０℃、反応時間１〜６時間の条件下でアミド化反応を行った後、更に温度条件１２０〜１６０℃、反応時間１〜６時間の条件下でイミド化反応を行う。この後、反応系内に５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸無水物を加え温度条件４０〜８０℃、反応時間１〜６時間の条件下で反応を行い分子末端を処理したヒドロキシポリイミド樹脂の反応溶液を得る。反応溶液の一部を２１０℃中に１時間置いた前後の重量を比較することより樹脂の固形分を算出する。得られた反応溶液にジアゾナフトキノン化合物を溶解させ、必要により不溶解物を除去するため濾過しポジ型感光性樹脂組成物とする。本発明では樹脂の合成後、再沈、濾過、乾燥等の樹脂を単離する工程が不要となり、感光性樹脂組成物の工程を短縮することができる。一般式（１）で示されるヒドロキシポリイミド樹脂の重合度ｎは平均値で、２〜５００の正数であり、ｎが５００を越えると溶剤への溶解性が落ちるため好ましくない。
【００２２】
また一般式（１）で示されるヒドロキシポリイミド樹脂（Ａ）に対するジアゾナフトキノン化合物（Ｂ）の配合量は、一般式（１）で示されるヒドロキシポリイミド樹脂（Ａ）１００重量部に対して、１〜５０重量部が好ましく、より好ましくは５〜４０重量部が望ましい。配合量が、１重量部未満だと樹脂組成物の露光、現像特性が不良となり、逆に５０重量部を越えると感度が大幅に低下するため好ましくない。本発明におけるポジ型感光性樹脂組成物には、必要によりレベリング剤、シランカップリング剤等の添加剤を添加することができる。
【００２３】
本発明のポジ型感光性樹脂組成物の使用方法は、先ず該組成物をシリコンウェハー、アルミ基板、銅基板等の支持体に塗布する。塗布量は、硬化後の最終膜厚が０．１〜２０μｍになるよう塗布する。塗布方法としては、スピンナーを用いた回転塗布、スプレーコーターを用いた噴霧塗布、浸漬、印刷、ロールコーティング等がある。
次に６０〜１３０℃でプリベークして塗膜を乾燥した後、所望のパターン形状に化学線を照射する。化学線としては、Ｘ線、電子線、紫外線、可視光線等が使用できるが、２００〜５００ｎｍの波長のものが好ましい。
【００２４】
次に照射部を現像液で溶解除去することによりレリーフパターンを得る。現像液としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、珪酸ナトリウム、メタ珪酸ナトリウム、アンモニア水等の無機アルカリ類、エチルアミン。ｎ−プロピルアミン等の第一アミン類、ジエチルアミン、ジ−ｎ−プロピルアミン等の第二アミン類、トリエチルアミン、メチルエチルジアミン等の第三アミン類、ジメチルエタノールアミン、トリエタノールアミン等のアルコールアミン類、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド等の第四級アンモニウム塩等のアルカリ類の水溶液、およびこれにメタノール、エタノールのごときアルコール類等の水溶性有機溶媒や界面活性剤を適当量添加した水溶液を好適に使用することができる。現像方法としては、スプレー、パドル、浸漬、超音波等の方式が可能である。
【００２５】
次に現像によって形成したレリーフパターンをリンスする。リンス液としては蒸留水を使用する。次に３３０〜５００℃で３０〜３００分間熱処理を行い、耐熱性に富む最終硬化膜を得る。温度が３３０℃、時間が３０分に満たないとヒドロキシイミドからオキサゾールへの変換が十分に起こらず、一方温度が５００℃、時間が３００分を越えると硬化膜の酸化による劣化が進むため好ましくない。この高温での熱処理によりヒドロキシポリイミド樹脂は、下記の反応機構（「Ｐｏｌｙｍｅｒ」第４０巻、１９９９年、第３４６３頁参照）によりベンゾオキサゾール構造に転換し、吸水率が少なく、破断点伸度の大きい耐熱性に優れた最終硬化膜を得ることができる。加熱硬化後の硬化膜厚が０．１〜２０μｍになるように支持体上に塗布し、プリベーク、露光、現像後３３０〜５００℃で３０〜３００分間熱処理したものを用いて半導体装置を製作するには、例えば前記硬化膜を有する支持体の個片をリードフレーム、有機基板等の基板に搭載しエポキシ樹脂組成物等で封止すればよく、通常この技術分野で用いられている方法を採用することができる。
【００２６】
【化１１】

【００２７】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
＜実施例１＞
＊ヒドロキシポリイミドの合成
温度計、攪拌機、原料仕込口および窒素ガス導入口を備えた３００ｍｌの四つ口セパラブルフラスコ中にヘキサフルオロ−２，２−ビス（３−アミノ−４−ヒドロキシフェニル）プロパン（以下、ＢＡＦＡという）３４．２ｇ（０．０９３モル）とベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物（以下、ＢＴＤＡという）１５．４ｇ（０．０４８モル）とピロメリット酸二無水物（以下、ＰＭＤＡという）１０．４ｇ（０．０４８モル）とγ−ブチロラクトン１４０．０ｇを加え、２０℃を保持しながら３時間攪拌し、アミド化反応を行った。その後、反応系内にトルエンを２８ｇ加え、１３０〜１４０℃で３時間還流することでイミド化反応し共沸させることにより、系外に環化反応の副生成物である水を留去した。次にトルエンの減圧留去を３０分間行った。この後、反応系内に５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸無水物２．８ｇ（０．０１９モル）を加え温度条件６０℃、反応時間３時間の条件下で反応を行い分子末端を処理したヒドロキシポリイミド樹脂の反応溶液を得た。
また、得られた反応溶液の一部を用いて測定した数平均分子量より求まる重合度ｎは３０であった。
【００２８】
＊ポジ型感光性樹脂組成物の作製
得られた反応溶液の一部を用いて樹脂固形分を算出し、この値が３０重量％となるようにγ−ブチロラクトンで希釈したヒドロキシポリイミド溶液１００ｇに下記式の構造を有するジアゾキノン化合物（Ｑ−１）６．０ｇを溶解させた後、不溶解物を除去するため０．２μｍのテフロン(Ｒ)フィルターで濾過し感光性樹脂組成物を得た。
【化１２】

【００２９】
＊感光性評価
このポジ型感光性樹脂組成物をシリコンウェハー上にスピンコーターを用いて塗布した後、ホットプレートにて１２０℃で４分乾燥し、膜厚約６．９μｍの塗膜を得た。この塗膜にｇ線ステッパー露光線ＮＳＲ−１５０５Ｇ３Ａ（ニコン（株）製）によりテストパターンを有するマスクを介して２５ｍＪ／ｃｍ²から２５ｍＪ／ｃｍ²ずつ増やして、１２５０ｍＪ／ｃｍ²まで露光を行った。
次に２．３８％のテトラアンモニウムヒドロキシド水溶液の現像液に４０秒間浸漬することにより露光部を溶解除去した後、純水で３０秒間リンスした。その結果、露光量３５０ｍＪ／ｃｍ²で照射した部分よりパターンが形成されていることが確認できた。この時の未露光部の膜厚は３．６μｍであった。
【００３０】
＊フィルム特性評価
ポジ型感光性樹脂組成物をシリコンウェハー上にスピンコーターを用いて塗布した後、ホットプレートにて１２０℃で４分乾燥し、膜厚約１４μｍの塗膜を得た。この塗膜をクリーンオーブンＣＬＨ−１８ＣＤ（光洋リンドバーグ（株）製）に投入し、窒素雰囲気下で４００℃、１２０分間加熱を行った。この後、シリコンウェハーより剥離して得られた膜厚約１１μｍのフィルム状の樹脂硬化膜より６０ｍｍ×１０ｍｍの試験片を作成し、引っ張り試験機ＲＴＣ−１２１０Ａ（（株）オリエンテック製）を用いて破断点伸度を測定したところ１３．３％であった。また２３℃の純水中に２４時間浸漬する処理前後の重量を測定することにより求めた吸水率は０．４％であった。
＜実施例２＞
ヒドロキシポリイミド合成の原料にＢＡＦＡ３０．０ｇ（０．０８２モル）、３，３’，４，４’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物（以下、ＤＳＤＡという）３０．０ｇ（０．０８４モル）を用いた他は実施例１と同様の方法で合成を行った。得られたヒドロキシポリイミドの重合度ｎは２５であった。実施例１と同様にして樹脂固形分を求め３０重量％に調整して、この溶液を用い実施例１と同様の方法で樹脂組成物を用いて評価を行ったところ、この時の感度は４５０ｍＪ／ｃｍ²、破断点伸度は９．５％、吸水率は０．４％であった。
＜実施例３＞
ヒドロキシポリイミド合成の原料にＢＡＦＡ３２．９ｇ（０．０９０モル）、ＤＳＤＡ１４．５ｇ（０．０４０モル）、３，３’，４，４’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物（以下、ＯＰＤＡという）１２．６ｇ（０．０４１モル）を用いた他は実施例１と同様の方法で合成を行った。得られたヒドロキシポリイミドの重合度ｎは２０であった。実施例１と同様にして樹脂固形分を求め３０重量％に調整して、この溶液を用い実施例１と同様の方法で評価を行ったところ、この時の感度は２７５ｍＪ／ｃｍ²であり、破断点伸度は７．５％、吸水率は０．５％であった。
＜実施例４＞
実施例１における熱処理温度を４５０℃、時間を６０分間に変更した他は実施例１と同様の評価を行った。得られたフィルムの着色はきつく、高温による劣化が予想されたが、破断点伸度は１１．２％とやや劣る程度であった。吸水率は０．３％と実施例１よりもやや向上した。
＜実施例５＞
実施例２における熱処理温度を４５０℃、時間を６０分間に変更した他は実施例２と同様の評価を行った。得られたフィルムの着色はきつく、高温による劣化が予想されたが、破断点伸度は８．８％とやや劣る程度であった。吸水率は０．４％と実施例２と同じ値であった。
＜実施例６＞
実施例３における熱処理温度を４５０℃、時間を６０分間に変更した他は実施例３と同様の評価を行った。得られたフィルムの着色はきつく、高温による劣化が予想されたが、破断点伸度は７．１％とやや劣る程度であった。吸水率は０．３％と実施例３よりもやや向上した。
【００３１】
＜比較例１＞
実施例１における熱処理温度を３２０℃、時間を１２０分間に変更した他は実施例１と同様の評価を行った。しかし、得られたフィルムの破断点伸度は１０．８％と実施例１および実施例４よりも劣る結果となった。吸水率は２．８％と実施例１および実施例４と比して非常に大きなものであった。
＜比較例２＞
実施例２における熱処理温度を３２０℃、時間を１２０分間に変更した他は実施例２と同様の評価を行った。しかし、得られたフィルムの破断点伸度は７．１％と実施例２および実施例５よりも劣る結果となった。吸水率は２．７％と実施例２および実施例５に比べ非常に大きなものであった。
＜比較例３＞
実施例３における熱処理温度を３２０℃、時間を１２０分間に変更した他は実施例３と同様の評価を行った。しかし、得られたフィルムの破断点伸度は４．４％と実施例３および実施例６よりも劣る結果となった。また吸水率は３．１％と実施例３および実施例６と比して非常に大きなものであった。評価結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【発明の効果】
本発明におけるポジ型感光性樹脂組成物を高温加熱処理した硬化膜は、吸水率が小さく、かつ破断点伸度が大きく、この硬化膜を有する支持体を用いて製作された半導体装置は、耐熱ショツク性が優れており産業上有用である。

Claims

下記のポジ型感光性樹脂組成物を加熱硬化後の硬化膜厚が０．１〜２０μｍになるように支持体上に塗布し、プリベーク、露光、現像後３３０〜５００℃で３０〜３００分間熱処理したものを用いて製作されてなることを特徴とする半導体装置。
（１）ヒドロキシポリイミド樹脂合成の反応溶液から単離することなく得た一般式（１）で示されるヒドロキシポリイミド樹脂（Ａ）１００重量部とジアゾナフトキノン化合物（Ｂ）１〜５０重量部からなるポジ型感光性樹脂組成物。