CN103943557A - 利用cmp对重布线层中聚合物介质层表面进行平坦化的方法 - Google Patents

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Abstract

在重布线层工艺中，对第一层聚合物介质层的表面均匀性要求不高，但在第一层铜沉积之后，第二层聚合物介质层旋涂或喷涂之后，其表面均匀性会将第一层聚合物介质层以及第一层铜沉积层的不平整叠加并放大，本发明提供一种利用CMP对重布线工艺中的第二层乃至以后的每一层不平整的聚合物介质层进行表面平坦化处理的方法。处理后的表面均匀性可以<1%。采用2~3次研磨速率由高到低的CMP研磨，研磨后再进行清洗处理。本发明的优点是：表面均匀性好的聚合物表面更易于实现高密度小线宽的集成。

Description

利用CMP对重布线层中聚合物介质层表面进行平坦化的方法
技术领域
本发明涉及一种利用CMP对重布线层中的聚合物介质层表面进行平坦化处理的方法，属于半导体制造技术领域。
 
背景技术
重布线层技术目前在半导体封装领域被广泛应用。在重布线层（RDL）中，以聚合物（如：聚酰亚胺polyimide或苯并环丁烯BCB）为介质层的工艺成本较低，工艺简单，但聚合物表面均匀性较差，特别是随着RDL层数增加，聚合物旋涂的表面均匀性会越来越差，制约了高密度封装的继续延伸和发展。因此，目前比较常见的RDL工艺只能做到二层，三层以上的RDL工艺由于表面均匀性的制约变得非常困难。而本发明中提出的利用CMP来对聚合物介质层表面进行平坦化处理的方法解决了这一问题。优点是：第一，相较于大马士革（Damascene）工艺，采用聚合物作为介质层，其工艺简单，成本较低；第二，对第二层乃至后续的聚合物（polyimide或BCB）的介质层进行CMP平坦化，解决了多层RDL布线后的表面均匀性问题，使更高密度小线宽的集成成为可能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种利用化学机械研磨CMP对重布线层中介质层(BCB，PI等材料)进行平坦化处理的方法，在重布线层中均匀性较差的介质层（BCB，PI）上，应用CMP进行平坦化，从而使更高密度更小线宽的RDL布线成为可能。
按照本发明提供的技术方案，所述的利用CMP对重布线层中聚合物介质层表面进行平坦化处理的方法包括以下步骤：
(1) 在基板上生成聚酰亚胺或苯丙二丁烯作为重布线层的第一层聚合物介质层；
(2)在步骤(1)处理后的表面进行孔刻蚀，之后生成铜种子层与铜电镀层，作为第一层铜线；
(3)在步骤(2)处理后的表面生成第二层聚合物介质层，第二层介质层表面最薄处的厚度高于第一层铜线最高的厚度30%；
(4) 对聚合物介质层进行预处理：在150~250摄氏度温度条件下烘烤30~60分钟使材料固化，使得固化后的表面对水的接触角小于70度；
(5)利用CMP对第二层介质层表面进行平坦化处理，使表面均匀性WIWNU<1%，具体为采用2~3步研磨速率由高到低的CMP研磨，并在研磨后进行清洗处理；选用如下耗材：
(a)胶体研磨液，对聚合物的研磨速率>500nm/min， PH>7的研磨液；其研磨颗粒选用SiO2, CeO2或者Al2O3；研磨液中应含有在20~80度工艺环境下粘性稳定在18～300 mPa﹒s的物质（如甘油）；研磨液中的研磨颗粒大小范围为5~160nm;研磨液中研磨颗粒的含量在0.01wt%~20wt%范围内；
(b) 能够增加聚合物表面活性的添加剂：去离子水DIW，氢氧化钾KOH，或四甲基氢氧化铵THAM； 
(c)硬度在50 shore D和60 shore D之间的硬质研磨垫与硬度小于50 shore D的软性研磨垫。
步骤（5）进行两步CMP研磨的工艺过程如下：
(5.1) 在第一研磨台采用高压力(3psi~4psi)，高转速(100rpm~130rpm)，研磨液流量在150ml/min~300ml/min之间，在此条件下用大于1um/min的研磨速率对不平整的基板表面进行第一步粗略研磨；
(5.2) 在第二研磨台采用压力0.2psi~2psi，转速40~70rpm在软性研磨垫上以低于1um/min的研磨速率进行第二步CMP研磨工艺。
步骤（5）进行三步CMP研磨的工艺过程如下：
(5.1) 在第一研磨台采用较高研磨头压力(3psi~4psi)，高转速(100rpm~130rpm)，研磨液流量在150ml/min~300ml/min之间，在此条件下用大于1um/min的研磨速率对不平整的基板表面进行第一步粗略研磨；
(5.2) 在第二研磨台采用2psi~3psi的研磨头压力，高转速（100rpm~130rpm）研磨液流量150ml/min~300ml/min的工艺条件，用比第一步研磨低的研磨速率进行第二步精磨；
(5.3) 在第三研磨台采用压力0.2psi~2psi，转速40~70rpm在软性研磨垫上进行第三步CMP研磨工艺。
进一步的，步骤（5）所述研磨垫所用的微孔聚氨酯材料密度为0.13~1.6g/cm3。
本发明的优点是：
一，相较于大马士革（Damascene）工艺，CMP应用于聚合物（polyimide或BCB）为的介质层的RDL工艺成本依然很低。
二，在RDL工艺中对聚合物（polyimide或BCB）的介质层进行CMP平坦化，解决了多层RDL布线后的表面均匀性问题，使后续工艺更高密度小线宽的集成成为可能。
附图说明
图1是第一层聚合物介质层生成的表面。
图2是铜种子层和铜电镀层生成后的表面。
图3是第二层介质层生成后的表面。
图4是利用CMP对第二层介质层表面进行平坦化后的表面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明具体包括以下步骤：
1) 在基板1上生成第一层聚合物(如：聚酰亚胺polyimide或苯并环丁烯BCB)介质层。如图1所示，第一层介质层表面均匀性较差，但对于大尺寸的重布线工艺而言可以接受
2) 在步骤(1)后的表面上进行孔刻蚀，之后采用PVD生成铜种子层，利用ECP生成铜电镀层完成孔填充。如图2所示，由于PVD和ECP各向同性的生长特点，铜布线2完成后，表面均匀性会更差，特别是在深孔区域会形成下陷的形貌（dim topography）。
3) 在步骤(2)处理后的表面生成与第一层介质层相同材质的聚合物作为第二层介质层3，如图3所示。第二层介质层3表面均匀性将前面两步不平整的表面特性进一步放大，对后续工艺造成影响。为了进行CMP工艺，第二层介质层厚度有如下要求：第二层介质层表面最薄的厚度应该高于第一层铜线最高的厚度大约30%左右。
4) 对第二层聚合物介质层进行预处理，在150~250摄氏度温度条件下烘烤30~60分钟使材料固化，固化后的表面对水的接触角(contact angle)应小于70度，以便在研磨液作用下加速水解，加快研磨速率。
5) 利用CMP对第二层聚合物介质层表面进行平坦化处理，可使聚合物表面均匀性(uniformity) <1%，采用2~3步CMP研磨工艺。其中第一步和第二步可以一次完成，但考虑到生产效率（throughput）和表面平整度，三步研磨工艺更具优势。如图4所示。
选用如下耗材：
(a)胶体研磨液(colloidal slurry)，包括氧化硅研磨液(Silicon oxide)，氧化铈研磨液(Cerium Oxide)，氧化铝研磨液(Alumina Oxide)等。研磨液中的研磨颗粒(Abrasive)大小范围为5~160 nm; 研磨颗粒(Abrasive)的形貌也包括圆形、尖角形等多种形貌;研磨液中研磨颗粒的含量在0.01wt%~20wt%范围内，研磨液中应含有在20~80度工艺环境下粘性稳定(>18 mPa﹒s 且<300 mPa﹒s)的物质(如：甘油)；
(b) 增加聚合物表面活性的添加剂（如：去离子水DIW，氢氧化钾KOH，四甲基氢氧化铵THAM）；
(c)研磨垫(Pad)：硬质研磨垫和软性研磨垫两种。包括各种表面沟槽图案（groove pattern）和深度(groove depth)。所述硬质研磨垫硬度(Pad hardness)应该在50 shore D和60 shore D之间，软性研磨垫硬度<50 shore D。研磨垫所用的微孔聚氨酯材料(microcellular polyurethane)密度应为0.13~1.6g/cm3。
具体工艺过程如下：
(1)研磨
(a) 在第一研磨台采用较高研磨头压力(3psi~4psi)，高转速(100rpm~130rpm)，研磨液流量在150ml/min~300ml/min之间，在此条件下用大于1um/min的研磨速率对不平整的基板表面进行第一步粗略研磨；
(b) 在第二研磨台采用2psi~3psi的研磨头压力，高转速（100rpm~130rpm）研磨液流量150ml/min~300ml/min的工艺条件，用比第一步研磨低的研磨速率进行第二步精磨；
(c) 在第三研磨台采用压力0.2psi~2psi，转速40~70rpm在软性研磨垫上进行第三步CMP研磨工艺；
    (2)研磨后清洗处理。
(a)利用超纯水(DIW)和超声波(Megasonic)震动来去除表面较大的颗粒。
(b)在化学试剂(CX-100，日本和光纯药工业株式会社Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)中利用软刷去除黏附在表面的颗粒。
(c)利用异丙醇(IPA)和机械力对聚合物基板表面进行干燥。
本发明采用CMP技术对第二层乃至后续多层聚合物介质层（Polyimide或BCB）进行平坦化，表面均匀性可以达到<1%。

Claims (5)

1.利用CMP对重布线层中聚合物介质层表面进行平坦化的方法，其特征是，包括以下步骤：
(1) 在基板上生成聚酰亚胺或苯丙二丁烯作为重布线层的第一层聚合物介质层；
(2)在步骤(1)处理后的表面进行孔刻蚀，之后生成铜种子层与铜电镀层，作为第一层铜线；
(3)在步骤(2)处理后的表面生成第二层聚合物介质层，第二层介质层表面最薄处的厚度高于第一层铜线最高的厚度30%；
(4) 对聚合物介质层进行预处理：在150~250摄氏度温度条件下烘烤30~60分钟使材料固化，使得固化后的表面对水的接触角小于70度；
(5)利用CMP对第二层介质层表面进行平坦化处理，使表面均匀性WIWNU<1%，具体为采用2~3步研磨速率由高到低的CMP研磨，并在研磨后进行清洗处理；选用如下耗材：
(a)胶体研磨液，对聚合物的研磨速率>500nm/min， PH>7的研磨液；其研磨颗粒选用SiO2, CeO2或者Al2O3；研磨液中应含有在20~80度工艺环境下粘性稳定在18～300 mPa﹒s的物质；研磨液中的研磨颗粒大小范围为5~160nm;研磨液中研磨颗粒的含量在0.01wt%~20wt%范围内；
(b) 能够增加聚合物表面活性的添加剂：去离子水DIW，氢氧化钾KOH，或四甲基氢氧化铵THAM； 
(c)硬度在50 shore D和60 shore D之间的硬质研磨垫与硬度小于50 shore D的软性研磨垫。
2.如权利要求1所述的利用CMP对重布线层中介质层进行平坦化处理的方法，其特征是，步骤（5）的2步CMP工艺过程如下：
(5.1) 在第一研磨台采用压力3psi~4psi，转速100rpm~130rpm，研磨液流量在150ml/min~300ml/min之间，在此条件下用大于1um/min的研磨速率对不平整的基板表面进行第一步粗略研磨；
(5.2) 在第二研磨台采用压力0.2psi~2psi，转速40~70rpm在软性研磨垫上以低于1um/min的研磨速率进行第二步CMP研磨工艺。
3. 如权利要求1所述的利用CMP对重布线层中介质层进行平坦化处理的方法，其特征是，步骤（4）的3步CMP工艺过程如下：
(5.1) 在第一研磨台采用研磨头压力3psi~4psi，转速100rpm~130rpm，研磨液流量在150ml/min~300ml/min之间，在此条件下用大于1um/min的研磨速率对不平整的基板表面进行第一步粗略研磨；
(5.2) 在第二研磨台采用2psi~3psi的研磨头压力，转速100rpm~130rpm，研磨液流量150ml/min~300ml/min的工艺条件，用比第一步研磨低的研磨速率进行第二步精磨；
(5.3) 在第三研磨台采用压力0.2psi~2psi，转速40~70rpm在软性研磨垫上进行第三步CMP研磨工艺。
4.  如权利要求1所述的利用CMP对重布线层中介质层进行平坦化处理的方法，其特征是，步骤（4）所述研磨垫所用的微孔聚氨酯材料密度为0.13~1.6g/cm3。
5.如权利要求1所述的利用CMP对重布线层中介质层进行平坦化处理的方法，其特征是，步骤（5）所述研磨液中所含粘性稳定的物质为甘油。
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