用于在聚合物层中形成通孔的方法

技术领域

本公开的实施例大体上涉及半导体处理。具体地，本公开的实施例涉及在设置在用于半导体封装的基板上的聚合物层中形成通孔。

背景技术

在电子装置的制造中，不断增加的装置密度对这种高度密集装置的封装或互连技术中的需求提出了很高的要求。这种电子装置的制造通常涉及某种形式的基板级封装。基板级封装可包括形成通孔和类似结构，以提供内部和外部装置连接，例如输入/输出(I/O)连接性。通孔的形成可涉及使用具有介电性质和应力缓冲能力的聚合物材料。然而，发明人已经观察到，随着通孔尺寸的缩小，聚合物通孔开口不能可靠地形成在聚合物材料中。

因此，发明人开发了改进的技术以在聚合物材料中形成通孔。

发明内容

本文提供了用于在晶片级封装上形成聚合物通孔的方法和设备。

在一些实施例中，一种在基板中形成通孔的方法包含：在基板的顶上沉积未固化的聚合物材料的层，以覆盖暴露在基板上的导电层；使用光刻处理暴露未固化的聚合物材料的层的至少一个区域；在光刻处理中使未固化的聚合物材料的层显影以从至少一个区域移除未固化的聚合物材料的第一部分；通过干式蚀刻处理蚀刻未固化的聚合物材料的层，以从至少一个区域移除未固化的聚合物材料的第二部分，以暴露导电层的顶表面并在未固化的聚合物材料的层中形成通孔；以及使未固化的聚合物材料的层固化以形成固化的聚合物材料层。

在一些实施例中，方法可进一步包含：使用基于等离子体的干式蚀刻处理来蚀刻未固化的聚合物材料的层；使用基于氧气的气体来蚀刻未固化的聚合物材料的层；使用基于四氟化碳的气体来蚀刻未固化的聚合物材料的层；调整偏压功率以相对于基板的顶表面增强基于等离子体的干式蚀刻处理的垂直蚀刻方面；调整气流以相对于基板的顶表面增强基于等离子体的干式蚀刻处理的垂直蚀刻方面；使用基于等离子体的干式蚀刻处理对基板进行毯式蚀刻，使得未固化的聚合物材料的第二部分以比基板的上表面更高的蚀刻速率被蚀刻；在未固化的聚合物材料的层中形成具有小于大约10微米的尺寸的通孔；在未固化的聚合物材料的层中形成具有小于大约5微米的尺寸的通孔；在光刻处理中，使用光学掩模来暴露在基板上的未固化的聚合物材料的层的至少一个区域；形成具有大约80度至大约90度的侧壁轮廓角度的通孔；并且/或其中导电层是铜基材料、铝基材料、金基材料、银基材料。

在一些实施例中，一种用于在基板中形成通孔的方法包含：在基板的顶上旋涂未固化的聚合物材料的层，以覆盖暴露在基板上的至少一个导电层；用紫外线光暴露在至少一个导电层上方的未固化的聚合物材料的层的至少一个区域；用溶剂洗净从通过紫外线光暴露的至少一个区域移除未固化的聚合物材料的第一部分；用各向异性干式蚀刻处理来蚀刻未固化的聚合物材料的层，以从至少一个区域移除未固化的聚合物材料的第二部分，以暴露导电层的顶表面并在未固化的聚合物材料的层中形成小于或等于大约10微米的通孔；以及使未固化的聚合物材料的层固化以形成固化的聚合物材料层。

在一些实施例中，方法可进一步包含：使用基于等离子体的干式蚀刻处理来蚀刻未固化的聚合物材料的层；使用基于氧气的气体或基于四氟化碳的气体来蚀刻未固化的聚合物材料的层；调整偏压功率以相对于基板的顶表面增强基于等离子体的干式蚀刻处理的垂直蚀刻方面；调整气流以相对于基板的顶表面增强基于等离子体的干式蚀刻处理的垂直蚀刻方面；和/或在大约180℃至大约350℃的温度下使未固化的聚合物材料的层固化，以形成固化的聚合物材料层。

在一些实施例中，其上存储有指令的非暂时性计算机可读介质，当指令被执行时，导致执行操作晶片级处理系统的方法，方法包含：在基板的顶上旋涂未固化的聚合物材料的层，以覆盖暴露在基板上的至少一个导电层；用紫外线光暴露在至少一个导电层上方的未固化的聚合物材料的层的至少一个区域；用溶剂洗净从通过紫外线光暴露的至少一个区域移除未固化的聚合物材料的第一部分；用各向异性干式蚀刻处理来蚀刻未固化的聚合物材料的层，以从至少一个区域移除未固化的聚合物材料的第二部分，以暴露导电层的顶表面并在未固化的聚合物材料的层中形成小于或等于大约10微米的通孔；以及使未固化的聚合物材料的层固化以形成固化的聚合物材料层。

在一些实施例中，非暂时性计算机可读介质进一步包含方法，其中通孔具有小于或等于大约五微米的宽度或直径。

在一些实施例中，一种用于封装应用的基板包含：未固化的聚合物层，设置在基板的顶上；导电层，设置在基板中与未固化的聚合物层相邻并在未固化的聚合物层下方；以及开口，穿过未固化的聚合物层形成，以暴露导电层的一部分，其中开口具有小于或等于大约10微米的宽度或直径。

在一些实施例中，基板可进一步包含其中开口具有小于或等于大约五微米的宽度或直径。

下面公开了其他和进一步的实施例。

附图说明

通过参考附随的附图中所描绘的原理的说明性实施例，可理解在上面简要概述并且在下面更详细地论述的本原理的实施例。然而，附随的附图仅显示了原理的典型实施例，且因此不被认为是范围的限制，因为原理可允许其他等效的实施例。

图1是根据本原理的一些实施例的在基板上的聚合物层中形成通孔的方法。

图2A-2E描绘了根据本原理的一些实施例的在聚合物层中形成通孔的阶段的顺序侧视图。

图3描绘了根据本原理的一些实施例形成的聚合物通孔中的侧壁角度的侧视图。

为了促进理解，在可能的情况下使用了相同的附图标记来表示图中共有的相同组件。附图未按比例绘制，且为清楚起见可简化。一个实施例的组件和特征可有益地并入其他实施例中，而无需进一步叙述。

具体实施方式

所描述的方法允许在聚合物被固化之前在基板上的聚合物材料中形成通孔。方法有利地提供了具有大致垂直的侧壁的宽度为大约10微米或更小的通孔的形成。在一些实施例中，通孔可具有大约五微米或更小的宽度。通孔有利地允许直接的通孔堆叠在通孔上的设计，这进一步改善了可允许的I/O密度。方法可有利地在先进的基板级封装和扇出基板级封装中使用，以用于通孔关键尺寸(CD)缩放。方法与当前的晶片级封装处理兼容，且因此，为增加OSAT(外包半导体组装和测试)设施的封装密度提供了一种经济的解决方案。另外，方法允许形成更高的深宽比的通孔(可利用较厚的聚合物涂层)。

图1描绘了在未固化的聚合物材料的层中形成通孔的方法100。根据图2A-2E中描绘的基板封装的阶段来描述方法100。图2A-2E中的每一个包括针对通孔形成的特定阶段的侧视图。方法100可在被配置用于在下文描述的处理的任何合适的处理腔室中执行。可用以执行本文公开的发明方法的示例性处理腔室和系统可包括(但不限于)可从加州圣克拉拉市的应用材料公司买到的各种处理系统。结合本文提供的教示，也可适当地使用其他处理腔室，包括可从其他制造商处获得的处理腔室。

方法100在基板上执行，诸如图2A所描绘的基板202。在一些实施例中，基板202由在半导体制造处理中使用的材料构成。例如，基板202可包含硅(Si)、锗、硅锗、掺杂或未掺杂的多晶硅、掺杂或未掺杂的硅以及图案化或非图案化的绝缘体上硅(SOI)等等中的一种或多种。基板202可具有各种尺寸，诸如150mm、200mm、300mm或450mm直径或其他尺寸。另外，基板202可包括附加的材料层，或可具有形成在基板202之中或之上的一个或多个完成或部分完成的结构或装置。

例如，基板202可包括具有一个或多个导电层(诸如金属迹线等等)的多个金属化层级(再分配层“RDL”)。这些导电层204中的一个显示在图2A-2E中。如图2A所描绘，基板202中的导电层204穿过基板202的介电顶部部分而部分地暴露。导电层204可包含任何合适的导电材料，诸如铜(Cu)、铝(Al)、金(Au)、银(Ag)或其合金。

例如，导电层204可以是沉积在基板202的顶上的介电层的一部分。在一些实施例中，介电层可以是低k介电材料(如，具有小于氧化硅，或小于约3.9的介电常数的材料)。合适的介电材料的示例包括二氧化硅(SiO

方法通常通过将未固化的聚合物材料的层206直接沉积在基板202的顶上和导电层204的暴露部分的顶上而在框102处开始，且如图2A的视图200A所描绘。层206为可光图案化的(如，使用光刻法等等)。例如，在一些实施例中，诸如用于负色调应用(negative toneapplication)，层206包含一种或多种聚酰亚胺(PI)化合物。在一些实施例中，诸如用于正色调应用(positive tone application)，层206包含聚苯并恶唑(polybenzoxazole,PBO)。在一些实施例中，层206可包括苯并环丁烯(benzocyclobutene)、环氧树脂等等。在一些实施例中，酚基聚合物，诸如由日本东京的JSR公司以WPR-5100和WPR-5200的商标名称出售的光敏介电材料。

在与本原理的实施例一致的基板封装应用中，提供层206以充当具有应力缓冲性质的电介质。因此，层206具有被配置成确保稳健的芯片封装可靠性(如，热循环、掉落测试等)的机械性质的组合。

在一些实施例中，层206被毯式沉积(即，沉积在导电层204的整个暴露的表面的顶上)以有利地减小或消除基板202和导电层204的界面处的粗糙度。可将层206沉积到(例如)大约5微米至大约20微米的厚度(在固化之后厚度可以是大约3微米至大约10微米)。层206的厚度可取决于诸如技术节点、架构设计、处理流程方案等等的因素而变化。可使用在基板封装处理中通常使用的任何合适的沉积方法(诸如旋涂等等)来沉积层206。

通常，用于在未固化的聚合物材料中形成通孔的分辨率极限为20微米或更大。未固化的聚合物的分辨率受到未固化的聚合物的非晶性质的限制。试图将分辨率提高到20微米以下会导致在典型的光刻处理中显影后形成不完整的通孔。此外，发明人已经观察到，未固化的聚合物中的通孔开口通常表现出异常的形状并具有小于垂直的侧壁轮廓。发明人还已经观察到，形成具有较小尺寸的通孔在诸如晶片级和/或扇出晶片级封装的应用中是有利的。另外，发明人认为减小的聚合物通孔尺寸有利于减小通孔形成所需的有效面积，从而允许更多的连接性。发明人认为，用于通孔形成所需的减小的有效面积对于非常高的I/O连接性应用将特别有价值。

在框104中，执行光刻处理以暴露层206。在一些实施例中，光刻处理使用光掩模，在一些实施例中，光掩模可包括光学屏蔽(投影掩模)而不是在层206上的实体掩模。光学掩模的使用简化了光刻处理，因为光学掩模消除了在层206的表面上形成实体抗蚀剂掩模的需要，并且消除了在曝光之后随后移除实体抗蚀剂掩模的需要。在一些实施例中，基板202暴露于紫外线(UV)光以引发聚合物中的转变。光引发键断裂，使得在光刻处理的显影阶段期间，可用溶剂将暴露的区域轻松地冲洗掉。在一些实施例中，光刻处理可使用掩模(诸如光学掩模)，以控制层206的哪些区域被暴露。如图2B中所示，视图200B显示了暴露限制于驻留在导电层204上方的层206的暴露部分208。发明人发现，通过在光刻处理期间暴露层206，暴露部分208中的未固化的聚合物材料的材料性质中的一个或多个被改变。未固化的聚合物材料的改变后的性质将关于蚀刻处理而在下文中进一步详细论述。

在框106中，通过使层206的暴露部分208显影继续进行光刻处理。在一些实施例中，的显影处理可使用溶剂来冲洗掉基板202上的聚合物材料的部分。在显影处理期间，将暴露部分208的第一部分210移除至深度212，如图2C所描绘的视图200C所示。在显影之后，剩余暴露部分208的第二部分214。发明人认为，显影之后的不充分结果是由未固化的聚合物材料的非晶性质引起的。

在框108中，如图2D的视图200D中所示，利用干式蚀刻处理来蚀刻层206。通过将层206的暴露部分208的第二部分214蚀刻到导电层204的顶表面来形成开口216。蚀刻处理可以是适合于蚀刻层206的材料的任何蚀刻处理。在一些实施例中，蚀刻处理可使用主要各向异性蚀刻处理。在一些实施例中，蚀刻处理可以是基于等离子体的干式蚀刻处理。例如，层206可在整个基板表面上暴露于蚀刻等离子体(毯式蚀刻)或限制于基板的特定区域。蚀刻等离子体可由用以蚀刻聚合物的任何合适的气体形成，诸如含氧气体，例如基于氧(O

蚀刻可以移除层206的顶表面218的一部分及暴露部分208的第二部分214，以形成开口216。发明人已经发现，暴露的未固化的聚合物材料的蚀刻速率大于未暴露的未固化的聚合物材料的蚀刻速率。暴露的未固化的聚合物材料蚀刻速率可以比未暴露的未固化的聚合物材料蚀刻速率高大约30％或更高。如上所述，对于暴露的未固化的聚合物材料的更快的蚀刻速率可归因于在光刻处理期间的暴露引起聚合物材料的性质的改变。蚀刻速率的差异有利地允许基板的毯式蚀刻处理，其中暴露部分208的第二部分214的移除比在层206的顶表面218上的移除要快得多。

接下来，在框110中，如图2E的视图200E所描绘，固化层206以形成通孔222。在硬化和改善层206的物理和化学性质的温度下固化层206。在一些实施例中，层206的固化温度可明显高于在执行方法100的其他处理步骤中所使用的温度。在一些实施例中，例如，在层206包含PI或PBO的情况下，层206可在从大约180℃至大约350℃的温度下固化。在一些实施例中，使用对流加热来固化层206。在一些实施例中，可以使用微波能量，例如，变频微波(VFM)能量来固化层206。

产生的通孔222穿过层206形成，并包括由层206的部分限定的一个或多个侧壁以及由导电层204的暴露的顶部部分限定的底部。尽管仅显示了一个通孔222，但是层206可包括与要在层206中形成的多个通孔相对应的多个开口。每个通孔222具有经选择成促进产生小通孔(如，具有尺寸小于大约或等于10微米的开口，诸如具有大约≤10x10微米的面积的正方形面积，或具有大约≤10微米的直径的圆形面积)的尺寸。

在图3中，视图300示出了通过本原理的方法形成的通孔222的轮廓。通孔222的侧壁是垂直的或基本垂直的。例如，在一些实施例中，开口的侧壁可具有带有大约80度到大约90度的垂直角度320的轮廓，有利地增加了通孔的可靠性和密度。

使用本原理的方法形成的通孔可有利地具有比仅将通孔直接在未固化的聚合物的层上光图案化时通常可能的尺寸小的尺寸。通过光刻以及在随后通过干式等离子体蚀刻形成的聚合物层中产生的开口具有更好的分辨率(如，≤10μm)，并且可更好地控制通孔均匀性和轮廓角度，因为开口的几何形状不再取决于未固化的聚合物材料的性质。根据本原理的方法有利地打开了在形成更小的通孔尺寸时使用未固化的聚合物材料的可能性。改善的通孔分辨率进一步提供了改善的I/O密度，且还允许直接的通孔堆叠在通孔上的设计，这进一步改善了允许的I/O密度。

尽管前述内容涉及本原理的实施例，但是可在不背离本原理的基本范围的情况下设计本原理的其他和进一步的实施例。