快速固化半導體聚合物層的兩步法
【技術領域】
[0001] 本公開總體設及半導體器件，并且更具體地講，設及在例如對聚合物層進行紫外 (UV)烘烤而使聚合物層的表面交聯(lián)后，通過使用快速熱固化，使保護聚合物層在半導體器 件上固化。
【背景技術】
[0002] 半導體器件普遍存在于現(xiàn)代電子產品中。半導體器件在電子部件的數量和密度方 面有差別。分立半導體器件一般包含一種類型的電子部件，例如發(fā)光二極管化抓）、小信號 晶體管、電阻器、電容器、電感器W及功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(M0SFET)。集成 半導體器件通常包含幾百到幾百萬個電子部件。集成半導體器件的實例包括微控制器、微 處理器、電荷禪合器件(CCD)、太陽能電池 W及數字微鏡器件(DMD)。
[0003] 半導體器件執(zhí)行寬泛范圍的功能，諸如信號處理、高速計算、發(fā)射和接收電磁信 號、控制電子器件、將太陽光轉換成電力W及為電視顯示器創(chuàng)建視覺投影。半導體器件存在 于娛樂、通信、功率變換、網絡、計算機和消費品的領域中。半導體器件也存在于軍事應用、 航空、汽車、工業(yè)控制器和辦公設備中。
[0004] 半導體器件充分利用半導體材料的電氣性質。半導體材料的原子結構允許通過施 加電場或基極電流或者通過滲雜工藝來操縱其電導率。滲雜的步驟將雜質引入到半導體材 料中W操縱和控制半導體器件的電導率。
[0005] 半導體器件包含有源和無源電氣結構。包括雙極型和場效應晶體管的有源結構控 制電流的流動。通過改變滲雜水平和電場或基極電流的施加，晶體管促進或限制電流的流 動。包括電阻器、電容器和電感器的無源結構產生執(zhí)行各種電氣功能所必需的電壓與電流 之間的關系。無源和有源結構被電連接W形成電路，所述電路使半導體器件能夠執(zhí)行高速 計算和其他有用功能。
[0006] 半導體器件一般是使用兩個復雜的制造工藝（即，前端制造和后端制造）進行制 造。前端制造設及在半導體晶圓的表面上形成多個半導體裸片。每個半導體裸片通常完全 相同并且包含通過電連接有源和無源部件而形成的電路。后端制造，尤其是晶圓級或面板 級封裝，通常設及提供器件的環(huán)境穩(wěn)固包封或保護、較寬間距互連結構的形成、來自成品晶 圓或面板的單獨半導體裸片的測試和切單。如本文所用的術語"半導體裸片"指代單數和復 數兩者形式的詞，并且因此可W指代單個半導體器件和多個半導體器件兩者。
[0007] 半導體制造的一個目標是產生更小的半導體器件。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被更高效地生產。另外，更小的半導體器件具有更小的占位 面積，運對于更小的終端產品而言是所期望的。更小的半導體裸片大小可W通過前端工藝 改進來實現(xiàn)，從而導致半導體裸片具有更小的、更高密度的有源和無源部件。后端工藝可W 通過電互連和封裝材料的改進而導致具有更小的占位面積的半導體器件封裝。
[000引后端處理可通常包括使用一個或多個絕緣層或聚合物層，諸如PBOdPBO是在電子 器件封裝行業(yè)中用作封裝應用諸如晶圓級忍片規(guī)模封裝(WLCSP)應用中的級間電介質的聚 合物。PBO與其他絕緣層和聚合物層一樣，可為感光或非感光的。
[0009] 具有感光性的絕緣層和聚合物層可使用光刻法進行圖案化。光刻法設及沉積感光 材料，例如感光PBO層。通常使用光將圖案從光掩模形式轉移到感光材料。在一個實施例中， 使用顯影劑化學品將感光材料中受光影響的部分去除，從而暴露下伏層的部分。在另一個 實施例中，使用顯影劑化學品將感光材料中未受光影響的部分去除，從而暴露下伏層的部 分。感光膜中剩余的部分可變成器件結構的永久部分。
[0010] 不具有感光性的絕緣層和聚合物層可使用光刻法和減成蝕刻進行圖案化。光刻法 在運種情況下設及將感光材料例如光致抗蝕劑沉積在待圖案化的層例如PBO層上。通常使 用光將圖案從光掩模形式轉移到光致抗蝕劑。在一個實施例中，使用溶劑將光致抗蝕劑圖 案中受光影響的部分去除，從而暴露待圖案化的下伏層的部分。在另一個實施例中，使用溶 劑將光致抗蝕劑圖案中未受光影響的部分去除，從而暴露待圖案化的下伏層的部分。剩余 的光致抗蝕劑充當掩模，W保護下伏層的部分。然后通過減成蝕刻工藝，通常通過濕法蝕 亥IJ、等離子體蝕刻或激光燒蝕，將下伏層的暴露部分去除。用于減成蝕刻的工藝必須對于光 致抗蝕劑層具有良好選擇性，即，其必須蝕刻下伏PBO或聚合物層，同時使光致抗蝕劑掩模 保持完整。在減成蝕刻后，去除光致抗蝕劑的其余部分，從而留下圖案化層，所述圖案化層 變成器件結構的永久部分。
[0011] 在對絕緣層、聚合物層或PBO層進行光處理（即，通過涂覆、暴露并顯影感光PBO或 通過在非感光PBO上覆蓋光致抗蝕劑并執(zhí)行減成蝕刻)后，使聚合物在高溫下固化W優(yōu)化器 件的最終膜性質、可靠性和性能。
[0012] 如現(xiàn)有技術中所實踐并按照廠商推薦，一般在箱式爐或豎式烙爐的受控氮氣(化） 環(huán)境中執(zhí)行PBO或聚合物固化，所述環(huán)境需要緩慢升高箱式爐或豎式烙爐的溫度W便使PBO 或聚合物固化。目前在市場上通常可獲得兩種類型的PB0、聚合物或絕緣層：（1)高固化溫度 形式，其在此處被稱為標準PBO、標準聚合物或標準絕緣層；W及低固化溫度形式，其被稱為 低溫PB0、低溫聚合物或低溫絕緣層。圖IA示出了如本領域已知的用于使標準PBO在箱式爐 或豎式烙爐中固化的典型溫度曲線2。溫度曲線2的第一部分或斜升部分4是溫度從室溫(約 20-25°C)升高到最大固化溫度的時間段。在斜升部分4期間，溫度W大約2.1°C/分鐘的速率 緩慢升高。圖IA中的溫度曲線2的頂部或峰值部分6表明，實現(xiàn)了約340°C的所需固化溫度并 保持大約一小時或60分鐘的時間段。用于使標準PBO在箱式爐中固化的典型峰值溫度在大 約320°C至340°C的范圍內。溫度曲線2的最終部分或斜降部分8表明，溫度W大約3.2°C/分 鐘的速率緩慢下降，直到PBO層和箱式爐或豎式烙爐從固化溫度冷卻至室溫。
[0013] 圖IB示出了如本領域已知的用于使低溫PBO在箱式爐或豎式烙爐中固化的典型溫 度曲線10。溫度曲線10的第一部分或斜升部分12是溫度從室溫(約20-25°C)快速升高至100 °〇的時間段。溫度在大約100°C下保持大約30分鐘的時間段，如溫度曲線10的第二部分或恒 定部分13所指示。溫度曲線10的另一斜升部分或第=部分14是溫度從大約100°C升高至最 大固化溫度的時間段，最大固化溫度如頂部或峰值部分15所指示。在斜升部分14期間，溫度 W大約1.67°C/分鐘的速率緩慢升高。圖IB中的溫度曲線10的頂部或峰值部分15表明，實現(xiàn) 了約200°C的所需固化溫度并保持大約一小時或60分鐘的時間段。用于使低固化PBO在箱式 爐中固化的典型峰值溫度在175°C至200°C的范圍內。溫度曲線10的最終部分或斜降部分16 表明，溫度W大約2.2°C/分鐘的速率緩慢下降，直至化BO層和箱式爐或豎式烙爐從固化溫度 冷卻至室溫。
[0014] 通過減緩溫度升高的速率，特別是例如在溫度曲線2的斜升部分4期間或在溫度曲 線10的斜升部分14期間，PBO層內形成的通孔的輪廓或傾斜度得W保持并且在加熱或固化 期間不會不期望地變形。如圖IA和IB所示，如現(xiàn)有技術中實踐的整個固化周期一般需要多 個小時才能完成，典型的是4至5小時。參見例如，HD Microsystems(2005年8月）出版的關于 標準PBO處理的HD8820Process Guide化D8820工藝指南），W及HD Microsystems(2009年5 月）出版的關于低溫PBO處理的HD8930Process Guide化D8930工藝指南）。使用上文針對圖 IA和IB所述的常規(guī)技術使PBO固化，由主要外包半導體裝配與測試(OSAT)提供商和WLCSP制 造領域的WLCSP提供商執(zhí)行，諸如安靠公司（Amkor)、日月光半導體公司（Advanced Semiconductor Elngineering(ASE))、臺灣積體電路制造公司（Taiwan Semiconductor Manufacturing Company(TSMC))、娃品精密工業(yè)股份有限公司（Siliconware Precision Industries Co丄td. (SPIL)) W及星科金朋公司（Sl:ats-Qiippac)。

【發(fā)明內容】

[0015] 從說明書和附圖W及權利要求書來看，上述方面和其他方面、特征和優(yōu)點對于本 領域的普通技術人員將是顯而易見的。因此，在一個方面，一種制造半導體器件的方法可包 括提供半導體裸片、在半導體裸片上形成聚合物層、在聚合物層中形成通孔、在第一工藝中 使聚合物層的表面交聯(lián)、W及在第二工藝中使聚合物層熱固化。
[0016] 所述制造半導體器件的方法還可包括將聚合物層形成為聚苯并蠕挫(PB0)、聚酷 亞胺、苯并環(huán)下締（BCB)、娃氧烷基聚合物或環(huán)氧基聚合物的層。聚合物層可暴露于紫外 (UV)福射W在第一工藝中使聚合物層的表面交聯(lián)，接著在第二工藝期間控制通孔的傾斜 度。可使用選自傳導加熱、對流加熱、紅外加熱和微波加熱的至少一種熱工藝，使聚合物層 在第二工藝中固化?？赏ㄟ^W大于或等于10攝氏度/分鐘的速率升高聚合物層的溫度，使聚 合物層固化。聚合物層可在小于或等于60分鐘的時間內完全熱固化，包括溫度斜升、峰值溫 度停留、溫度斜降和完全熱退火。聚合物層可形成為半導體器件的永久部分?？赏ㄟ^將聚合 物層在大于或等于200攝氏度的溫度下加熱小于30分鐘的時間，使聚合物層熱固化。聚合物 層可在100-200攝氏度范圍內的高溫下暴露于UV福射。聚合物層可在低化環(huán)境中熱固化，其 中化占低化環(huán)境的小于或等于100百萬分率。參考標記可沿著通孔的一部分形成為通孔傾斜 度的間斷。
[0017] 在另一個方面，一種制造半導體器件的方法可包括形成聚合物層、在聚合物層中 形成通孔、使聚合物層交聯(lián)、W及使聚合物層固化。
[0018] 所述制造半導體器件的方法還可包括將聚合物層形成為PB0、聚酷亞胺、BCB、娃氧 烷基聚合物、環(huán)氧基聚合物或其他聚合物的層，其形成為半導體器件的永久部分。聚合物層 可暴露于UV福射W使聚合物層的表面交聯(lián)，接著在固化期間控制通孔的傾斜度?？墒褂眠x 自傳導加熱、對流加熱、紅外加熱和微波加熱的至少一種熱工藝，使聚合物層熱固化?？赏?過W大于或等于10攝氏度/分鐘的速率升高聚合物層的溫度，使