CN105810567B - 聚酰亚胺层的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种聚酰亚胺层的制造方法，在显影和固化步骤之间增加了一步显影后烘烤步骤，该步骤在100℃～200℃低温烘烤环境中使涂膜中可能存在的气体提前并且均匀挥发，同时保持涂膜一定的回流性能，能够维持与底部的半导体衬底晶圆表面紧密粘附，从而减少甚至消除后来的固化成型工艺可能引起聚酰亚胺层中气体不均匀挥发而最终导致的圆点缺陷。

Description

聚酰亚胺层的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种聚酰亚胺层的制造方法。
背景技术
由于聚酰亚胺(Polyimide，PI)材料突出的耐高温性、介电和优良的抗辐射性能，因此在微电子工业中，尤其在大规模和超大规模集成电路中得到了大量的应用，当其用作介电层进行层间绝缘，作为缓冲层可以减少应力，提高成品率；而当其用作保护层可以减少环境尤其是射线对器件的影响，还可以对粒子起屏蔽作用，减少或消除器件的软误差(softerror)，例如在微电子器件上涂覆聚酰亚胺保护层，可有效地阻滞电子的迁移，防止器件腐蚀，增加器件的抗潮湿能力；而当芯片的表面涂覆聚酰亚胺作为缓冲层，可有效防止由于热应力影响而产生的崩破。此外，由于聚酰亚胺的线膨胀系数与铜相近，与铜箔复合的粘接力强，还常用作柔性印刷线路板。在半导体晶圆制造过程中，聚酰亚胺还可作为光刻胶使用，其分辨率可达亚微米级。
目前，在半导体晶圆制造过程中一种典型的聚酰亚胺层的制造工艺，包括：
(1)涂敷(coat)：把聚酰亚胺前体组合物树脂涂敷在半导体晶圆上；(2)烘干(pre-bake)：使上述组合物树脂中的溶剂蒸发掉以形成涂膜；(3)曝光(exposure)：曝光主要为了将特定图案转移到涂膜上，一般通过采用紫外线曝光设备和某些光掩模版来完成；(4)显影(developer)：采用显影液溶解并除去涂膜上未曝光的部分，然后用冲洗液完成清洗，就得到了上述的特定图案；(5)热固化(cure)：把涂膜树脂加热并转变成聚酰亚胺树脂，形成聚酰亚胺层。
由于上述聚酰亚胺层的制造工艺中，显影步骤后会直接进行热固化，以使涂膜中的聚酰亚胺前体组合物树脂转化为聚酰亚胺树脂，温度一般在350℃以上，在此过程中，涂膜各个部分的气体蒸发(evaporation)不能完全一致(non-uniformity)，从而导致形成的聚酰亚胺层中存在大量的圆形缺陷(Circular defect)，如图1中10所示，这些圆形缺陷会影响后续制程以及器件的可靠性，因此需要一种新的聚酰亚胺层的制造方法，以减少甚至消除这些圆形缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚酰亚胺层的制造方法，能够减少甚至消除最终成型的聚酰亚胺层中圆形缺陷。
为解决上述问题，本发明提出一种聚酰亚胺层的制造方法，包括以下步骤：
涂敷：把聚酰亚胺前驱物涂敷在一半导体衬底晶圆上以形成涂膜；
曝光：采用曝光设备和一掩膜版对所述涂膜曝光，以将所述掩膜版上的图案转移到所述涂膜上；
显影：采用显影液去除所述涂膜中未曝光的部分，并冲洗所述半导体衬底晶圆；
显影后烘烤：在120℃～200℃烘烤温度下对显影后的所述涂膜进行烘烤；
固化：对所述显影后烘烤过的所述涂膜进行固化，使所述涂膜转化为聚酰亚胺层。
进一步地，进行所述涂敷步骤之前，对所述半导体衬底晶圆的表面进行预清洗处理并进行烘干。
进一步地，在进行所述曝光步骤之前，先去除所述半导体衬底晶圆边缘的涂膜，然后将所述半导体衬底晶圆置于50℃～150℃环境中进行烘干。
进一步地，所述烘干的方式为烤炉对流加热、红外线加热或热板加热。
进一步地，所述显影后烘烤的方式为烤炉对流加热、红外线加热或热板加热。
进一步地，所述显影后烘烤的温度为100℃～200℃，烘烤时间为1min～7min。
进一步地，所述显影后烘烤的温度为170℃，烘烤时间为5min。
进一步地，在所述固化步骤之前，先对所述显影后烘烤过的所述涂膜进行厚度测量，并在膜薄时补胶加厚或者在膜厚时去胶减薄。
进一步地，采用紫外线固化设备或者热烤炉对所述显影后烘烤过的所述涂膜进行固化，固化温度为300℃～450℃。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下技术效果：
1、在常规的显影和固化步骤之间增加了一步显影后烘烤步骤，该步骤在100℃～200℃低温烘烤环境中使涂膜中的气体提前并且均匀挥发，同时保持涂膜一定的回流性能，能够维持与底部的半导体衬底晶圆表面紧密粘附，从而减少甚至消除了后来的固化后成型工艺可能引起聚酰亚胺层中气体不均匀挥发而最终引起的圆点缺陷。
2、增加的显影后烘烤步骤还能够去除涂膜吸收的显影液和冲洗液，有利于显影后烘烤过的涂膜厚度的精确测量。
附图说明
图1是现有技术中一聚酰亚胺层中存在的圆形缺陷图；
图2是本发明具体实施例的聚酰亚胺层的制造方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。
请参考图2，本发明提出一种聚酰亚胺层的制造方法，包括以下步骤：
S1，涂敷：把聚酰亚胺前驱物涂敷在一半导体衬底晶圆上以形成涂膜；
S2，曝光：采用曝光设备和一掩膜版对所述涂膜曝光，以将所述掩膜版上的图案转移到所述涂膜上；
S3，显影：采用显影液去除所述涂膜中未曝光的部分，并冲洗所述半导体衬底晶圆；
S4，显影后烘烤：在120℃～200℃烘烤温度下对显影后的所述涂膜进行烘烤；
S5，固化：对所述显影后烘烤过的所述涂膜进行固化，使所述涂膜转化为聚酰亚胺层。
在步骤S1中，由于提供的半导体衬底晶圆通常是经过一些膜层加工后的晶圆，在半导体衬底晶圆表面有可能会附着一些微粒(particle)，这些微粒的存在会影响涂敷效果，因此在向半导体衬底晶圆上涂覆聚酰亚胺前驱物之前，优选地，对半导体衬底晶圆表面进行预清洗处理并烘干，具体地，先将半导体衬底晶圆放入化学槽中浸泡，以清洗掉半导体衬底晶圆表面残留的微粒，然后对半导体衬底晶圆做去水烘烤处理，以去除浸泡清洗时半导体衬底晶圆表面附着的水汽，增强后面聚酰亚胺膜覆盖在半导体衬底晶圆表面的附着力。如果半导体衬底晶圆表面的微粒缺陷很低且稳定、水汽控制比较好的情况下，预清洗处理步骤也可免除，以节省时间，提高产能。接下来可以进行聚酰亚胺前驱物的涂布工艺，聚酰亚胺前驱物通常由于含有溶剂而保持着处于液态，因此在涂敷时，可以利用半导体衬底晶圆高速旋转时的离心力，将聚酰亚胺前驱物均匀的喷涂在半导体衬底晶圆表面，转速和旋转时间随具体工艺需要调整，例如在半导体衬底晶圆中心喷涂3ml的聚酰亚胺前驱物。用1000～1500转每分钟的较低的速度旋转20秒使聚酰亚胺前驱物涂布到离半导体衬底晶圆边缘5毫米左右的区域。然后加速到最终的涂布速度旋转35秒左右。在两个过程中加入一个5秒左右的停顿时间能改善最终成膜的平整均匀度。
由于步骤S1涂敷时离心力的作用，半导体衬底晶圆边缘会聚集多余的聚酰亚胺前驱物，这些边缘多余的聚酰亚胺前驱物会变成污染源而损坏半导体衬底晶圆表面有效区域的性能，因此在步骤S2的曝光之前需要采用擦刮等工艺去除半导体衬底晶圆边缘多余的聚酰亚胺前驱物，以保证半导体衬底晶圆中间有效区域的性能良好。
对半导体衬底晶圆边缘多余的聚酰亚胺前驱物处理之后，优选地，对带有涂膜的半导体衬底晶圆进行曝光前的烘干，其作用主要是用相对较低的温度，充分挥发聚酰亚胺前驱物涂布后残余的溶剂，使涂膜的流动性降低，以便于接下来的曝光定义图形，提高涂膜与半导体衬底晶圆的附着力，减少涂膜在旋转涂布过程中的应力，同时提高涂膜的抗机械摩擦能力。所述烘干的方式可以是烤炉对流加热、红外线加热或热板加热。烘干温度的设定，以及每个温度点的烘干时间取决于涂膜的厚度和加热的类型，温度选择过低，涂膜中残留的溶剂成分较多，后续显影速度过快，对于图形定义的控制较不容易；反之，若温度选择过高，涂膜中残留的溶剂成分较少，相对的需要更大的曝光能量，但对于图形定义的控制较佳。烘干时间不足，涂膜粘性大，出现粘板现象，容易损伤胶，烘干时间过长，则胶面硬化，光敏性下降，抗蚀性变坏。优选地，烘干的温度为50℃～150℃，例如为90℃或100℃，烘烤时间为2～6分钟。对于膜厚较大的烘干可以采用两步或者更多步的烘烤，例如开始采用50℃～65℃烘干几分钟，然后升温到90℃～150℃在烘干几分钟。多步烘干能让溶剂更慢且更均匀得挥发到涂膜外，以避免可能形成的表面缺陷。
步骤S2的曝光的主要目的是将某掩膜版上的图形曝到半导体晶圆上。当曝光设备上的曝光源光线经过该掩膜版而到达涂膜时，涂膜中的聚酰亚胺前驱物形成不易溶于显影液的物质，从而达到图形转移的目的。曝光设备上设定的曝光能量以及曝光时间取决于涂膜的厚度。
步骤S3显影主要目的是使图形显现，并移去不必要的聚酰亚胺前驱物。具体地采用溶剂类型的显影液进行喷雾显影，来将未曝光的部分洗去，已曝光部分则因分子交联聚合而留下图案，该过程中，显影液和冲洗液各需一个喷嘴，且喷嘴中流出的液滴应该非常的细，喷涂范围要覆盖从晶圆中心到边缘的区域。
步骤S4的显影后烘烤主要目的是用相对较低的温度，充分挥发显影后涂膜残余的溶剂，提高涂膜与半导体衬底晶圆的附着力，减少涂膜中的气泡，并使涂膜保持一定的流动性，而不至于使涂膜某些区域聚酰亚胺前驱物提前固化，从而使后续固化步骤中涂膜各区域的固化速率均一，且使圆点缺陷的发生率下降。所述显影后烘烤的方式为烤炉对流加热、红外线加热或热板加热，最好为热板加热，这样利于聚酰亚胺前驱物中气体的均匀挥发。烘烤温度和烘烤时间取决于涂膜厚度，优选的，所述显影后烘烤的温度为100℃～200℃，烘烤时间为1min～7min。例如显影后烘烤的温度为170℃，烘烤时间为5min，经测试，固化后的聚酰亚胺层中的圆形缺陷率下降至0.58％。
步骤S4之后、步骤S5的固化之前，可以先对所述显影后烘烤过的所述涂膜进行厚度测量(inspection)。由于步骤S4还能够去除涂膜吸收的显影液和冲洗液，因此测量准确度大大提高。之后可以根据测量结果，在膜薄时补胶加厚或者在膜厚时去胶减薄，从而保证固化后成型的聚酰亚胺层平整均一。
步骤S4的固化主要目的是使显影后涂膜中的聚酰亚胺前驱物转换为最终的聚酰亚胺，该固化工艺可以采用紫外线固化工艺或者热固化工艺。其中，热固化工艺通过将半导体衬底晶圆放置在热烤炉(又称为固化炉)中进行300℃～450℃温度下的高温烘烤，并保持热烤炉中通风良好，从而将固化过程中的挥发性物质带走。固化温度优选为350℃～390℃，且固化开始阶段进行线形升温3min～5min，达到最终固化温度后保持30min以上。固化完成后的降温也最好保持线形降温，并且需等半导体衬底晶圆冷却到低于200℃后再从热烤炉中取出，以防空气中的氧与之反应，而降低聚酰亚胺层的机械性能。
综上所述，本发明的聚酰亚胺层的制造方法，在显影和固化步骤之间增加了一步显影后烘烤步骤，该步骤在100℃～200℃低温烘烤环境中使涂膜中的气体提前并且均匀挥发，同时保持涂膜一定的回流性能，能够维持与底部的半导体衬底晶圆表面紧密粘附，从而减少甚至消除后来的固化成型工艺可能引起聚酰亚胺层中气体不均匀挥发而最终导致的圆点缺陷。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种聚酰亚胺层的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
涂敷：把聚酰亚胺前驱物涂敷在一半导体衬底晶圆上以形成涂膜；
曝光：采用曝光设备和一掩膜版对所述涂膜曝光，以将所述掩膜版上的图案转移到所述涂膜上；
显影：采用显影液去除所述涂膜中未曝光的部分，并冲洗所述半导体衬底晶圆；
显影后烘烤：在120℃～200℃烘烤温度下对显影后的所述涂膜进行烘烤；
固化：对所述显影后烘烤过的所述涂膜进行固化，使所述涂膜转化为聚酰亚胺层。
2.如权利要求1所述的聚酰亚胺层的制造方法，其特征在于，进行所述涂敷步骤之前，对所述半导体衬底晶圆的表面进行预清洗处理并进行烘干。
3.如权利要求1所述的聚酰亚胺层的制造方法，其特征在于，在进行所述曝光步骤之前，先去除所述半导体衬底晶圆边缘的涂膜，然后将所述半导体衬底晶圆置于50℃～150℃环境中进行烘干。
4.如权利要求3所述的聚酰亚胺层的制造方法，其特征在于，所述烘干的方式为烤炉对流加热、红外线加热或热板加热。
5.如权利要求1所述的聚酰亚胺层的制造方法，其特征在于，所述显影后烘烤的方式为烤炉对流加热、红外线加热或热板加热，烘烤时间为1min～7min。
6.如权利要求1或5所述的聚酰亚胺层的制造方法，其特征在于，所述显影后烘烤的温度为170℃，烘烤时间为5min。
7.如权利要求1所述的聚酰亚胺层的制造方法，其特征在于，在所述固化步骤之前，先对所述显影后烘烤过的所述涂膜进行厚度测量，并在膜薄时补胶加厚或者在膜厚时去胶减薄。
8.如权利要求1所述的聚酰亚胺层的制造方法，其特征在于，采用紫外线固化设备或者热烤炉对所述显影后烘烤过的所述涂膜进行固化，固化温度为300℃～450℃。
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