快速固化半导体聚合物层的两步法
【技术领域】
[0001] 本公开总体设及半导体器件，并且更具体地讲，设及在例如对聚合物层进行紫外 (UV)烘烤而使聚合物层的表面交联后，通过使用快速热固化，使保护聚合物层在半导体器 件上固化。
【背景技术】
[0002] 半导体器件普遍存在于现代电子产品中。半导体器件在电子部件的数量和密度方 面有差别。分立半导体器件一般包含一种类型的电子部件，例如发光二极管化抓）、小信号 晶体管、电阻器、电容器、电感器W及功率金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)。集成 半导体器件通常包含几百到几百万个电子部件。集成半导体器件的实例包括微控制器、微 处理器、电荷禪合器件(CCD)、太阳能电池 W及数字微镜器件(DMD)。
[0003] 半导体器件执行宽泛范围的功能，诸如信号处理、高速计算、发射和接收电磁信 号、控制电子器件、将太阳光转换成电力W及为电视显示器创建视觉投影。半导体器件存在 于娱乐、通信、功率变换、网络、计算机和消费品的领域中。半导体器件也存在于军事应用、 航空、汽车、工业控制器和办公设备中。
[0004] 半导体器件充分利用半导体材料的电气性质。半导体材料的原子结构允许通过施 加电场或基极电流或者通过渗杂工艺来操纵其电导率。渗杂的步骤将杂质引入到半导体材 料中W操纵和控制半导体器件的电导率。
[0005] 半导体器件包含有源和无源电气结构。包括双极型和场效应晶体管的有源结构控 制电流的流动。通过改变渗杂水平和电场或基极电流的施加，晶体管促进或限制电流的流 动。包括电阻器、电容器和电感器的无源结构产生执行各种电气功能所必需的电压与电流 之间的关系。无源和有源结构被电连接W形成电路，所述电路使半导体器件能够执行高速 计算和其他有用功能。
[0006] 半导体器件一般是使用两个复杂的制造工艺（即，前端制造和后端制造）进行制 造。前端制造设及在半导体晶圆的表面上形成多个半导体裸片。每个半导体裸片通常完全 相同并且包含通过电连接有源和无源部件而形成的电路。后端制造，尤其是晶圆级或面板 级封装，通常设及提供器件的环境稳固包封或保护、较宽间距互连结构的形成、来自成品晶 圆或面板的单独半导体裸片的测试和切单。如本文所用的术语"半导体裸片"指代单数和复 数两者形式的词，并且因此可W指代单个半导体器件和多个半导体器件两者。
[0007] 半导体制造的一个目标是产生更小的半导体器件。更小的器件通常消耗更少的功 率，具有更高的性能，并且可W被更高效地生产。另外，更小的半导体器件具有更小的占位 面积，运对于更小的终端产品而言是所期望的。更小的半导体裸片大小可W通过前端工艺 改进来实现，从而导致半导体裸片具有更小的、更高密度的有源和无源部件。后端工艺可W 通过电互连和封装材料的改进而导致具有更小的占位面积的半导体器件封装。
[000引后端处理可通常包括使用一个或多个绝缘层或聚合物层，诸如PBOdPBO是在电子 器件封装行业中用作封装应用诸如晶圆级忍片规模封装(WLCSP)应用中的级间电介质的聚 合物。PBO与其他绝缘层和聚合物层一样，可为感光或非感光的。
[0009] 具有感光性的绝缘层和聚合物层可使用光刻法进行图案化。光刻法设及沉积感光 材料，例如感光PBO层。通常使用光将图案从光掩模形式转移到感光材料。在一个实施例中， 使用显影剂化学品将感光材料中受光影响的部分去除，从而暴露下伏层的部分。在另一个 实施例中，使用显影剂化学品将感光材料中未受光影响的部分去除，从而暴露下伏层的部 分。感光膜中剩余的部分可变成器件结构的永久部分。
[0010] 不具有感光性的绝缘层和聚合物层可使用光刻法和减成蚀刻进行图案化。光刻法 在运种情况下设及将感光材料例如光致抗蚀剂沉积在待图案化的层例如PBO层上。通常使 用光将图案从光掩模形式转移到光致抗蚀剂。在一个实施例中，使用溶剂将光致抗蚀剂图 案中受光影响的部分去除，从而暴露待图案化的下伏层的部分。在另一个实施例中，使用溶 剂将光致抗蚀剂图案中未受光影响的部分去除，从而暴露待图案化的下伏层的部分。剩余 的光致抗蚀剂充当掩模，W保护下伏层的部分。然后通过减成蚀刻工艺，通常通过湿法蚀 亥IJ、等离子体蚀刻或激光烧蚀，将下伏层的暴露部分去除。用于减成蚀刻的工艺必须对于光 致抗蚀剂层具有良好选择性，即，其必须蚀刻下伏PBO或聚合物层，同时使光致抗蚀剂掩模 保持完整。在减成蚀刻后，去除光致抗蚀剂的其余部分，从而留下图案化层，所述图案化层 变成器件结构的永久部分。
[0011] 在对绝缘层、聚合物层或PBO层进行光处理（即，通过涂覆、暴露并显影感光PBO或 通过在非感光PBO上覆盖光致抗蚀剂并执行减成蚀刻)后，使聚合物在高溫下固化W优化器 件的最终膜性质、可靠性和性能。
[0012] 如现有技术中所实践并按照厂商推荐，一般在箱式炉或竖式烙炉的受控氮气(化） 环境中执行PBO或聚合物固化，所述环境需要缓慢升高箱式炉或竖式烙炉的溫度W便使PBO 或聚合物固化。目前在市场上通常可获得两种类型的PB0、聚合物或绝缘层：（1)高固化溫度 形式，其在此处被称为标准PBO、标准聚合物或标准绝缘层；W及低固化溫度形式，其被称为 低溫PB0、低溫聚合物或低溫绝缘层。图IA示出了如本领域已知的用于使标准PBO在箱式炉 或竖式烙炉中固化的典型溫度曲线2。溫度曲线2的第一部分或斜升部分4是溫度从室溫(约 20-25°C)升高到最大固化溫度的时间段。在斜升部分4期间，溫度W大约2.1°C/分钟的速率 缓慢升高。图IA中的溫度曲线2的顶部或峰值部分6表明，实现了约340°C的所需固化溫度并 保持大约一小时或60分钟的时间段。用于使标准PBO在箱式炉中固化的典型峰值溫度在大 约320°C至340°C的范围内。溫度曲线2的最终部分或斜降部分8表明，溫度W大约3.2°C/分 钟的速率缓慢下降，直到PBO层和箱式炉或竖式烙炉从固化溫度冷却至室溫。
[0013] 图IB示出了如本领域已知的用于使低溫PBO在箱式炉或竖式烙炉中固化的典型溫 度曲线10。溫度曲线10的第一部分或斜升部分12是溫度从室溫(约20-25°C)快速升高至100 °〇的时间段。溫度在大约100°C下保持大约30分钟的时间段，如溫度曲线10的第二部分或恒 定部分13所指示。溫度曲线10的另一斜升部分或第=部分14是溫度从大约100°C升高至最 大固化溫度的时间段，最大固化溫度如顶部或峰值部分15所指示。在斜升部分14期间，溫度 W大约1.67°C/分钟的速率缓慢升高。图IB中的溫度曲线10的顶部或峰值部分15表明，实现 了约200°C的所需固化溫度并保持大约一小时或60分钟的时间段。用于使低固化PBO在箱式 炉中固化的典型峰值溫度在175°C至200°C的范围内。溫度曲线10的最终部分或斜降部分16 表明，溫度W大约2.2°C/分钟的速率缓慢下降，直至化BO层和箱式炉或竖式烙炉从固化溫度 冷却至室溫。
[0014] 通过减缓溫度升高的速率，特别是例如在溫度曲线2的斜升部分4期间或在溫度曲 线10的斜升部分14期间，PBO层内形成的通孔的轮廓或倾斜度得W保持并且在加热或固化 期间不会不期望地变形。如图IA和IB所示，如现有技术中实践的整个固化周期一般需要多 个小时才能完成，典型的是4至5小时。参见例如，HD Microsystems(2005年8月）出版的关于 标准PBO处理的HD8820Process Guide化D8820工艺指南），W及HD Microsystems(2009年5 月）出版的关于低溫PBO处理的HD8930Process Guide化D8930工艺指南）。使用上文针对图 IA和IB所述的常规技术使PBO固化，由主要外包半导体装配与测试(OSAT)提供商和WLCSP制 造领域的WLCSP提供商执行，诸如安靠公司（Amkor)、日月光半导体公司（Advanced Semiconductor Elngineering(ASE))、台湾积体电路制造公司（Taiwan Semiconductor Manufacturing Company(TSMC))、娃品精密工业股份有限公司（Siliconware Precision Industries Co丄td. (SPIL)) W及星科金朋公司（Sl:ats-Qiippac)。
【发明内容】
[0015] 从说明书和附图W及权利要求书来看，上述方面和其他方面、特征和优点对于本 领域的普通技术人员将是显而易见的。因此，在一个方面，一种制造半导体器件的方法可包 括提供半导体裸片、在半导体裸片上形成聚合物层、在聚合物层中形成通孔、在第一工艺中 使聚合物层的表面交联、W及在第二工艺中使聚合物层热固化。
[0016] 所述制造半导体器件的方法还可包括将聚合物层形成为聚苯并蠕挫(PB0)、聚酷 亚胺、苯并环下締（BCB)、娃氧烷基聚合物或环氧基聚合物的层。聚合物层可暴露于紫外 (UV)福射W在第一工艺中使聚合物层的表面交联，接着在第二工艺期间控制通孔的倾斜 度。可使用选自传导加热、对流加热、红外加热和微波加热的至少一种热工艺，使聚合物层 在第二工艺中固化。可通过W大于或等于10摄氏度/分钟的速率升高聚合物层的溫度，使聚 合物层固化。聚合物层可在小于或等于60分钟的时间内完全热固化，包括溫度斜升、峰值溫 度停留、溫度斜降和完全热退火。聚合物层可形成为半导体器件的永久部分。可通过将聚合 物层在大于或等于200摄氏度的溫度下加热小于30分钟的时间，使聚合物层热固化。聚合物 层可在100-200摄氏度范围内的高溫下暴露于UV福射。聚合物层可在低化环境中热固化，其 中化占低化环境的小于或等于100百万分率。参考标记可沿着通孔的一部分形成为通孔倾斜 度的间断。
[0017] 在另一个方面，一种制造半导体器件的方法可包括形成聚合物层、在聚合物层中 形成通孔、使聚合物层交联、W及使聚合物层固化。
[0018] 所述制造半导体器件的方法还可包括将聚合物层形成为PB0、聚酷亚胺、BCB、娃氧 烷基聚合物、环氧基聚合物或其他聚合物的层，其形成为半导体器件的永久部分。聚合物层 可暴露于UV福射W使聚合物层的表面交联，接着在固化期间控制通孔的倾斜度。可使用选 自传导加热、对流加热、红外加热和微波加热的至少一种热工艺，使聚合物层热固化。可通 过W大于或等于10摄氏度/分钟的速率升高聚合物层的溫度，使