JP4220600B2 - ポリベンゾオキサゾール前駆体およびポリベンゾチアゾール前駆体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規のポリベンゾオキサゾール前駆体およびポリベンゾチアゾール前駆体ならびにこれらの前駆体を含むフォトレジスト溶液に関する。
【0002】
【従来の技術】
マイクロエレクトロニクスでは、保護層および絶縁層として高温安定のポリマーが必要である。この種のポリマーは、2つの金属平面(例えばマルチチップ・モジュール、メモリチップ、論理チップ)の間の誘電体として且つまたチップとそのケースとの間のバッファ層(“バッファコート”)として使用できる。上記ポリマーの若干(例えば芳香族ポリイミド(PI)の前駆体およびポリベンズオキサゾール(PBO)の前駆体)は、有機溶媒中で良好な溶解性およびフィルム形成性を示し、経費的に妥当な遠心技術によって電子デバイス上に施すことができる。次いで、熱処理によって前駆体を環化し、即ち、対応するポリマーに移行させ、このようにして、その最終特性が得られる。
【化3】
環化時、PBO前駆体の誘電性および吸水性にマイナスの影響を与える極性、親水性基(OH,NHおよびCO)が消失する。これは、例えば、ポリイミド(特に、ヒドロキシポリイミド)に対するポリベンゾオキサゾールの重要な利点である。しかも環化は、良好な誘電性および低い吸水性にとって重要であるのみならず、その高い温度安定性にとっても重要である。
【0003】
環化された最終生成品に対する要求は極めて高い。即ち、例えばできる限り低い誘電率および高い熱的安定性の外に、低い吸湿性が必要である。即ち、吸収された水分は、電気的性質を劣化するだけでなく、金属導体路の腐食を助成し、高温では気泡形成および剥離を誘起する。
【0004】
ポリイミドおよびポリベンゾオキサゾールは、他の多くの高温安定ポリマーに比して下記の利点を有する。
−ポリイミドおよびポリベンゾオキサゾールは、環化された最終生成品に比して、可溶の前駆体として基板上に施し、次いで環化することができ、この場合溶解性が著しく減少し、このようにして、溶媒および他の処理薬品に対する感性が著しく減少する。この理由から例えば前環化されたポリベンゾオキサゾールの加工が困難である。
−前駆体に適切な光活性成分を添加して光感性組成物を製造でき、従って、コスト的に妥当な直接的な誘電体造形が可能である。ポリベンゾオキサゾールは、ポリイミドに比して、ポジモードで構造化できアルカリ水溶液で現像できるという利点を有する(ヨーロッパ特許EP0023662B1、EP0264678BおよびEP0291779B1参照)。このため、使用されるPBO前駆体は、好ましくは金属イオンを含まないアルカリ現像剤に可溶でなければならない。
−同様に加工できネガ構造化できるベンゾシクロブテン(BCB)は、ポリイミドおよびポリベンゾオキサゾールよりも著しく低い温度安定性を示す。
【0005】
マイクロエレクトロニクスのデバイスのコスト的に妥当な製造に関連する他の重要な要求は、誘電体のプレーナ形成能である。即ち、このようなデバイスの製造の場合、各種の層を形成中に高低差が生じ、以降の処理(例えば微細構造のリソグラフ形成)を困難とする。これに反して、フォトリソグラフ処理は、平坦化した基板においてより良い寸法精度およびより大きい公差で実施できる。プレーナ形成能性の良い誘電体を使用すれば、デバイスの製造時に経費のかかる研磨プロセス(化学的機械的研磨=CMP)を回避できる。
【0006】
感光組成物の製造に適するアルカリ可溶のPBO前駆体は、例えばヨーロッパ特許EP0023662B1、EP0264678B1、EP0291779B1およびドイツ特許DE3716629C2から公知である。上記の前駆体は、基板上で環化できる(これに関してはヨーロッパ特許EP0291778B1参照)。しかしながら公知のポリマーは、環化(ポリベンゾオキサゾールへの移行)後、比較的大きい吸湿性(例えば、1.7%)を示す(ヨーロッパ特許EP0291778B1参照)。調製されたポリマーのプレーナ形成能に関する指示はない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、有機溶媒および金属イオンを含まない水性アルカリ現像剤に良好に溶解でき、感光組成物に適し、遠心技術によって加工できるポリベンゾオキサゾール前駆体およびポリベンゾチアゾール前駆体を提供することにある。更に前駆体は、基板上で問題なく環化できなければならず、環化後、高い温度安定性の外に特に極めて低い吸湿性および高いプレーナ形成度を有していなければならない。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明にもとづき、下記の部分構造式(I)を含むポリベンゾオキサゾール前駆体およびポリベンゾチアゾール前駆体によって解決される。
【化4】
この場合、下記が成立する:
式(I)中、mは1または0であり;
m=1の場合、A1〜A7は、相互に無関係であり、H,F,CH3,CF3,OCH3,OCF3,CH2CH3、CF2CF3、OCH2CH3またはOCF2CF3を表し、
m=0の場合、A1 〜A 3 はFを表し、A 4 〜A7は、相互に無関係であり、H,F,CH3,CF3,OCH3,OCF3,CH2CH3,CF2CF3,OCH2CH3またはOCF2CF3を表し;
TはOまたはSを表し;
Zは下記の式(II)で表わされる基の1つである。
【化5】
(式(II)中、Mは単一結合であり、Q=C−AまたはNであり、ここでA=F又はCF 3 であり、芳香族環には、環当り最大3つのN原子が存在でき、2つのN原子だけが隣接してよい。)
【0009】
上記の構造のポリマー前駆体は、対応するo−アミノフェノールカルボン酸またはo−アミノチオフェノールカルボン酸の重合によって製造される。この場合、適切な重合剤の存在の下で、有機溶媒中で、25〜130℃の温度において、o−アミノフェノールカルボン酸またはo−アミノチオフェノールカルボン酸を重合させる。重合剤は、例えば等モル量で使用される亜リン酸トリフェニルである。反応溶液に、塩基(例えばピリジン、塩化リチウム、塩化カルシウム)を添加すれば有利である(これに関しては、刊行物“Macromolecules”,Vol.18(1985),p616〜622参照)。しかしながら、トリフェニルホスフィン(ドイツDE3716629C2参照)または塩化オキサリルの存在下で重合を実施することもできる。次いで、適切な沈殿剤を反応溶液に滴下して、生じたポリマーを沈殿させる。沈殿したポリマーは、濾過、乾燥すれば直ちに使用できる。
【0010】
本発明に係るポリベンゾオキサゾール前駆体およびポリベンゾチアゾール前駆体の製造に使用するo−アミノフェノールカルボン酸およびo−アミノチオフェノールカルボン酸は、下記の構造式を有する:
【化6】
上記前駆体は、同時に提出した下記のドイツ特許出願の対象である。
−出願番号19742194.6−“o−アミノ(チオ)フェノールカルボン酸およびその製造方法”
−出願番号19742193.8−“o−アミノ(チオ)フェノールカルボン酸およびその製造方法”
【0011】
更に、構造式の記号“A1〜A3”および“A4〜A7”は、アミノフェニル基が基A1、A2およびA3 を、カルボキシフェニル基が基A4,A5,A6およびA7を有することを意味する。
【0012】
この種のo−アミノフェノールカルボン酸の例を以下に示す。
4−(4−アミノ−3−ヒドロキシフェノキシ)−4’−(4−カルボキシフェノキシ)オクタフルオロビフェニル
【化7】
4−(4−アミノ−3−ヒドロキシフェノキシ)−2−(4−カルボキシフェノキシ)−3,5,6−トリフルオロピリジン
【化8】
4−(4−アミノ−3−ヒドロキシフェノキシ)−2−(4−カルボキシフェノキシ)−1−トリフルオロメチル−3,5,6−トリフルオロベンゾール
【化9】
4−(4−アミノ−3−ヒドロキシ−2,5,6−トリフルオロフェノキシ)安息香酸
【化10】
4−(4−アミノ−3−ヒドロキシ−2,5,6−トリフルオロフェノキシ)−4’−(4−カルボキシフェノキシ)オクタフルオロビフェニル
【化11】
4−(4−アミノ−3−ヒドロキシ−2,5,6−トリフルオロフェノキシ)−2−(4−カルボキシフェノキシ)−3,5,6−トリフルオロピリジン
【化12】
【0013】
ポリマー合成体の特に好適な溶媒は、ジメチルアセトアミド、γ−ブチロラクトンおよびN−メチルピロリドンである。しかしながら基本的に、出発化合物を溶解できるすべての溶媒を使用できる。特に好適な溶媒は、水および水と各種アルコール(例えばエタノール、イソプロパノール)との混合物である。
【0014】
本発明によるポリマー前駆体は、多数の有機溶媒(例えばアセトン、シクロヘキサノン、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、N−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトン、乳酸エチル、テトラヒドロフラン、酢酸エチルエステル)および金属イオンを含まない水性アルカリ現像液に良好に溶解し、遠心技術によって問題なく加工できる。基板上の環化後、このようにして得られたポリベンゾオキサゾールおよびポリベンゾチアゾールは、極めて低い吸湿性、高いプレーナ形成度および高い温度安定性を有する。
【0015】
本発明によるポリマー前駆体は、ジアゾケトンと共存でき、従って、溶媒に溶解したポリベンゾオキサゾール前駆体またはポリベンゾチアゾール前駆体およびジアゾケトン基の光活性成分を有するフォトレジスト溶液として好適である。この種の光活性組成物は、驚くべきことには、大きい分解能および極めて良いフィルム品質を示す。フォトレジスト溶液において、ポリベンゾオキサゾール前駆体またはポリベンゾチアゾールとジアゾキノンとの重量比は、1:20〜20:1であれば有利であり、1:10〜10:1であれば好ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
【0017】
実施例1
o−アミノフェノールカルボン酸の製造:
4−(4−アミノ−3−ヒドロキシフェノキシ)−4´−(4−カルボキシフェノキシ)オクタフルオロビフェニル
デカフルオロビフェニル37.4g(0.112モル)をジメチルホルムアミド700mlに溶解し、冷却器によって−10℃に冷却し、次いで、ジメチルホルムアミド300mlにカリウム−4−ベンジルオキシカルボニルフェノラート29.8g(0.112モル)を溶解した溶液を2h以内に滴下した。−10℃において48h後に、カリウム塩が反応した。次いで、回転蒸発器においてジメチルホルムアミドを除去し、残渣を少量のテトラヒドロフランに受容し、シリカゲルカラムで濾過した。得られた透明な溶液を回転蒸発器で濃縮して白色の固形物を沈殿させた。次いでこの固形物をn−ヘキサン中で撹拌し、折畳濾紙で濾過し、次いで、真空ボックス内で40℃/10mbarの窒素ガス中で48h乾燥した。 このようにして製造した4−(4−ベンジルオキシカルボニルフェノキシ)ノナフルオロビフェニル49.9g(0.092モル)およびカリウム−4−ニトロー3−ベンジルオキシフェノラート26.1g(0.92モル)をジメチルホルムアミド400mlに溶解し、溶液を80℃に加熱した。24h後、反応が完了した。次いで、回転蒸発器において溶媒を除去した。得られた固形残渣をメタノールで3回洗浄し、ブフナー濾斗で濾別し、次いで、真空ボックス内で40℃/10mbarの窒素ガス中で48h乾燥した。
このようにして製造した4−(4−ニトロ−3−ベンジルオキシフェノキシ)−4’−(4−ベンジルオキシカルボニルフェノキシ)オクタフルオロビフェニル49.9g(0.065モル)をテトヒドロフランと酢酸エチルエステルの混合物(容積比1:1)400mlに溶解し、溶液にPd/C(パラジウム/炭素)5gを加えた。次いで、オートクレーブ中で室温において、強く撹拌しながら、圧力1barの水素を使用して水素添加した。3日後、反応が終了した。黄色の溶液を回転蒸発器において1/2に濃縮し、室温に一晩放置した。その際、反応生成物の結晶が沈殿した。次いで、反応生成物を分離し、真空ボックス内で40℃/10mbarの窒素ガス中で48h乾燥した。
【0018】
実施例2
PBO前駆体の製造
実施例1に対応して調製した4−(4−アミノ−3−ヒドロキシフェノキシ)−4’−(4−カルボキシフェノキシ)オクタフルオロビフェニル55.7g(0.1モル)を、蒸留したN−メチルピロリドン370mlに溶解した。0℃において、この溶液に、γ−ブチロラクトン85mlに塩化オキサリル13g(0.102モル)を溶解した溶液をゆっくり滴下した。添加後、0℃において2h撹拌し、室温において18h撹拌した。次いで、完全な反応のため、0℃において、N−メチルピロリドン100mlにピリジン20mlを溶解した溶液を加え、室温において更に24h撹拌した。次いで、黄褐色の溶液をブフナー濾斗で濾過し、強く撹拌しながらイソプロパノールと水の混合物(1:3)に滴下した。この場合、沈殿剤(イソプロパノール/水)の量は、反応溶液の10倍に対応するよう選択した。沈殿したポリマーをブフナー濾斗で濾別し、1%アンモニア溶液で3回洗浄した。精製後、ポリマーを真空ボックス内で40℃/10mbarの窒素ガス中で72h乾燥した。
このようにして製造したPBO前駆体は、溶媒(例えばN−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトン、アセトン、テトラヒドロフラン、シクロペンタノン、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、乳酸エチル、エタノール)および金属イオンを含まない市販の水性アルカリ現像液(例えば、NMD−W(東京応化社製))に良好に溶解する。
【0019】
実施例3
吸湿性の測定
蒸留したN−メチルピロリドン12gに実施例2のPBO前駆体4gを溶解した。前置フィルタを備えたプラスチック製注射器によって、洗浄、乾燥し正確に秤量したシリコン板(ウエハ)の形の基板上に溶液を塗布し、遠心装置(タイプST146,Convac社製)によって分離した。基板上に生じたフィルムを、まず、120℃のホットプレート上で予備乾燥し、次いで環化のため、プログラミング可能な実験炉(“Sirius Junior”,LP−Thermtech社製)において窒素中で350℃に加熱し、上記温度に1h保持し、次いで冷却した。加熱・冷却速度は、それぞれ、5℃/minとした。
乾燥剤として五酸化リンを含む密閉チャンバを有する風袋補正微量天秤(タイプAT261 Deltarange,Mettler Toledo社製)に、被覆処理した基板を装入した。24h後に秤量した全重量は、11,24863gであった。この数値から、環化したポリマーについて0,16321gの重量が得れる(純シリコン板の重量11.08542g)。次いで、五酸化リンを飽和塩化ナトリウム溶液と置換え、チャンバ内に相対湿度76%(23℃)を設定した。更に24h貯蔵した後、フィルムの重量は、0.16424gに増加した。これから、0,63%の吸湿度が得られた。未被覆のシリコン板は、同一条件において吸湿性を示さなかった。
【0020】
実施例4
プレーナ形成度の測定
本発明による前駆体から環化によって基板上に製造したポリベンゾオキサゾールのプレーナ形成度を、高さ1.2μmのアルミニウム構造体(プレーナウエハ)を有するシリコンウエハについて測定した。プレーナ形成度は、周期的な5μm構造(=線幅およびトレンチ幅;交互)について示す。プレーナ形成度の測定は、Soaneほか著の刊行物“Polymers in Microelectrics−Fundamental and Applications”,Elsevier出版社,アムステルダム 1989,p189〜191にもとづき行った。 実施例2のPBO前駆体を、実施例3と同様に、プレーナウエハ(基板)上に被覆し、環化した。環化したフィルムの厚さは、2.0μmであり、プレーナ形成度は、75%であった。
【0021】
実施例5
光構造化
実施例2のPBO前駆体4gを、ビスフェノールAおよびナフトキノジアジド−5スルホン酸(光活性成分)からなるジエステル1gとともに、N−メチルピロリドン15gに溶解した。このフォトレジスト溶液を、前置フィルタを備えたプラスチック製注射器によって、洗浄、乾燥し正確に秤量したシリコン板(ウエハ)の形の基板上に溶液を塗布し、遠心装置(タイプST146,Convac社製)によって分離した。基板上に生じたレジストフィルムを、まず、120℃のホットプレート上で予備乾燥し、次いで、露光装置(タイプ121,Karl Suess社製)においてマスクを介して露光した。水性アルカリ現像剤(NMD−W,東京応化社製、水で1:1に希釈)で現像し、実施例3に対応して350℃において(基板上で)環化した後、層厚2μmで分解能2μmの高温安定レジスト構造が得られた。
【0022】
実施例6
PBO前駆体の製造および特性の測定
実施例2と同様に、PBO前駆体を製造した。但し、他は同一条件として、o−アミノフェノールカルボン酸として、4−(4−アミノ−3−ヒドロキシフェノキシ)−2−(4−カルボキシフェノキシ)−3,5,6−トリフルオロピリジン(0.1モル、即ち39.2g)を使用した。o−アミノフェノールカルボン酸は、実施例1と同様に、ペンタフルオロピリジン、カリウム−4−ベンジルオキシカルボニルフェノラートおよびカリウム−4−ニトロー3−ベンジルオキシフェノラートから調製した。
得られたPBO前駆体は、実施例2に記載した溶媒に良好に溶解した。上記の前駆体について、吸湿度0,75%(実施例3参照)およびプレーナ形成度77%(実施例4参照)が測定された。実施例5に対応して実施した光構造化および基板上の環化によって、層厚1.9μmで分解能2μmの高温安定レジスト構造が得られた。
【0023】
実施例7
PBO前駆体の製造および特性の測定
実施例2と同様に、PBO前駆体を製造した。但し他は同一条件として、o−アミノフェノールカルボン酸として、4−(4−アミノ−3−ヒドロキシフェノキシ)−2−(4−カルボキシフェノキシ)−1−トリフルオロメチル−3,5,6−トリフルオロベンゾール(0.1モル、即ち45.9g)を使用した。o−アミノフェノールカルボン酸は、実施例1と同様に、オクタフルオロトルエン、カリウム−4−ベンジルオキシカルボニルフェノラートおよびカリウム−4−ニトロー3−ベンジルオキシフェノラートから製造した。
得られたPBO前駆体は、実施例2に記載した溶媒に良好に溶解した。上記前駆体について、吸湿度0.71%(実施例3参照)およびプレーナ形成度82%(実施例4参照)が測定された。実施例6に対応して実施した光造形および基板上の環化によって、層厚2.1μmで分解能2μmの高温安定レジスト構造が得られた。
【0024】
実施例8
PBO前駆体の製造および特性の測定
実施例2と同様に、PBO前駆体を製造した。但し他は同一条件として、o−アミノフェノールカルボン酸として、4−(4−アミノ−3−ヒドロキシ−2,5,6−トリフルオロフェノキシ)安息香酸(0.1モル、即ち29.9g)を使用した。o−アミノフェノールカルボン酸は、ー4−(4−ニトロー3−ヒドロキシ−2,5,6−トリフルオロフェノキシ)安息香酸ベンジルエステルを介してーペンタフルオロニトロベンゾールおよび4−ヒドロキシ安息香酸ベンジルエステルから製造した(実施例1参照)。
得られたPBO前駆体は、実施例2に記載した溶媒に良好に溶解した。上記前駆体について、吸湿度0.71%(実施例3参照)およびプレーナ形成度83%(実施例4参照)が測定された。実施例6に対応して実施した光構造化および基板上の環化によって、層厚2.2μmで分解能2μmの高温安定レジスト構造が得られた。
【0025】
実施例9
PBO前駆体の製造および特性の測定
実施例2と同様に、PBO前駆体を製造した。但し他は同一条件として、o−アミノフェノールカルボン酸として、4−(4−アミノ−3−ヒドロキシ−2,5,6−トリフルオロフェノキシ)−4’−(4−カルボキシフェノキシ)オクタフルオロビフェニル(0.1モル、即ち、61.1g)を使用した。o−アミノフェノールカルボン酸は、デカフルオロビフェニルおよびカリウム−4−ベンジルオキシカルボニルフェノラートから製造した4−(4−ベンジルオキシカルボニルフェノキシ)ノナフルオロビフェニルを4ーニトロテトラフルオロフェノールと反応させて得た4−(4−ニトロー3−ヒドロキシ−2,5,6−トリフルオロフェノキシ)−4’−(4−ベンジルオキシカルボニルフェノキシ)オクタフルオロビフェニルを介して製造した。
得られたPBO前駆体は、実施例2に記載した溶媒に良好に溶解した。上記の前駆体について、吸湿度0.61%(実施例3参照)およびプレーナ形成度74%(実施例4参照)が測定された。実施例6に対応して実施した光構造化および基板上の環化によって、層厚1.8μmで分解能2μmの高温安定レジスト構造が得られた。
【0026】
実施例10
PBO前駆体の製造および特性の測定
実施例2と同様に、PBO前駆体を製造した。但し他は同一条件として、o−アミノフェノールカルボン酸として、4−(4−アミノ−3−ヒドロキシ−2,5,6−トリフルオロフェノキシ)−2−(4−カルボキシフェノキシ)−3,5,6−トリフルオロピリジン(0.1モル、即ち44.6g)を使用した。o−アミノフェノールカルボン酸は、ペンタフルオロピリジンおよびカリウム−4−ベンジルオキシカルボニルフェノラートから製造した2−(4−ベンジルオキシフェノキシ)ー3,4,5,6−テトラフルオロピリジンを4−ニトロテトラフルオロフェノールと反応させて得た4−(4−ニトロー3−ヒドロキシ−2,5,6−トリフルオロフェノキシ)−2−(4−ベンジルオキシカルボニルフェノキシ)−3,5,6−トリフルオロピリジン介して製造した(実施例1参照)。
得られたPBO前駆体は、実施例2に記載した溶媒に良好に溶解した。上記の前駆体について、吸湿度0.73%(実施例3参照)およびプレーナ形成度75%(実施例4参照)が測定された。実施例6に対応して実施した光構造化および基板上の環化によって、層厚2μmで分解能2μmの高温安定レジスト構造が得られた。
Claims (3)
- 下記の部分構造式(I)
m=1の場合、A1〜A7は、相互に無関係であり、H,F,CH3,CF3,OCH3,OCF3,CH2CH3、CF2CF3、OCH2CH3またはOCF2CF3を表し、
m=0の場合、A1 〜A 3 はFを表し、A 4 〜A7は、相互に無関係であり、H,F,CH3,CF3,OCH3,OCF3,CH2CH3,CF2CF3,OCH2CH3またはOCF2CF3を表し;
TはOまたはSを表し;
Zは下記の式(II)で表わされる基の1つである。
のポリベンゾオキサゾール前駆体またはポリベンゾチアゾール前駆体。 - 請求項1記載のポリベンゾオキサゾール前駆体またはポリベンゾチアゾール前駆体および光活性成分としてのジアゾケトンを有機溶媒に溶解した形で含むことを特徴とするフォトレジスト溶液。
- ポリベンゾオキサゾール前駆体またはポリベンゾチアゾール前駆体とジアゾケトンとの重量比が1:20〜20:1であることを特徴とする請求項2記載のフォトレジスト溶液。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19742191.1 | 1997-09-24 | ||
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