CN104701251B - 有源硅基板的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了有源硅基板的制作方法，首先在有源晶圆片上涂覆和固化第一层非光敏BCB介质，然后在BCB膜层上光刻和刻蚀出通孔，随后在BCB介质层制作第一层TiW/Au导带，接着在第一层导带上涂覆和固化第二层非光敏BCB介质，之后在BCB介质层制作第二层TiW/Au导带，最后在第二层TiW/Au导带表面制作非光敏BCB钝化层及钝化层窗口。本发明将有源芯片晶圆片作为电路基板材料，通过薄膜多层布线技术，并采用新型BCB介质材料，实现了芯片I/O与外围元件的芯片级垂直互连，形成一种基于有源晶片上的高组装效率、高性能有源硅基板，解决了常规3D结构组装效率低、封装体积大、性能指标低等问题。

Description

有源硅基板的制作方法
技术领域
本发明属于基本电气元件领域，涉及半导体器件的制造方法，特别涉及一种有源硅基板的制作方法。
背景技术
基板是电子设备的核心部件，它承担着机械支撑、散热和导电等关键作用。为满足电子产品小型化、多功能以及系统集成的需求，三维(3D)系统级封装方式越来越受到重视。多芯片组件(MCM)的3D结构主要有三种类型，即埋置型3D、有源基板型3D和叠层型3D。其中有源性基板具备体积最小、性能指标、组装密度和可靠性高的优点，因此高级的系统级封装正在重点开展有源晶圆和埋置芯片3D基板研究。由于有源基板可通过单片生产线上的薄膜多层布线加工技术，可利用现用设备和工艺资源进行研究，所以本项目优先考虑有源硅基板研究。有源硅基板研究需解决常规多层布线基板存在的金属台阶覆盖性差和金属层间寄生效应大等技术难题。
非光敏BCB(苯并环丁烯)是一种新型低介电常数的有机介质材料，同传统的PI、SiO2/Si3N4介质材料比较，具备更低的介电常数、成膜固化温度\吸湿率和更高的平坦化率、高透光率和抗化学腐蚀性，因此在微电子领域的未来应用方面是非常理想的材料。因此采用BCB材料作为有源基板的层间其中非光敏BCB材料目前应用于微电子产业的许多方面，如MCM-D，MCM-LD，MCM-CD。表面平整化，如平面层和高通孔电介质，中间电介质层，如Si和GaAs。
目前，国外已交普遍采用BCB介质材料，BCB材料分为光敏和非光敏两种类型，国内也有厂研开展了研究和初步应用，但主要存在BCB介质与上、下层材料的粘附性问题和其他加工难题。本发明采用了非光敏BCB材料，与光敏BCB相比，虽然加工复杂，但局部保存期较长、工艺加工稳定性好的优点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种有源硅基板的制作方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
有源硅基板的制作方法，包括以下步骤：
1)在有源晶圆片上制作第一层非光敏BCB介质层；
2)在第一层非光敏BCB介质层上刻蚀第一通孔；
3)在第一层非光敏BCB介质层上及第一通孔区域溅射第一TiW/Au复合层；
4)在第一TiW/Au复合层表面涂覆光刻胶并光刻得到第一导带图形；
5)在第一导带图形上带胶选择性电镀2-4μm的Au层；
6)超声清洗去除光刻胶；
7)去除步骤5)中被光刻胶覆盖区域的第一TiW/Au复合层；
8)在步骤7)所得产品表面制作第二层非光敏BCB介质层；
9)在第二层非光敏BCB介质层上刻蚀第二通孔；
10)在第二层非光敏BCB介质层上及第二通孔区域溅射第二TiW/Au复合层；
11)在第二TiW/Au复合层表面涂覆光刻胶并光刻得到第二导带图形；
12)在第二导带图形表面带胶选择性电镀2-4μm的Au层；
13)超声清洗去除光刻胶；
14)在步骤13)所得产品表面制作非光敏BCB钝化层；
15)刻蚀BCB钝化层窗口。
作为本发明的优选，步骤1)和步骤8)制作非光敏BCB介质层及步骤14)制作非光敏BCB钝化层按如下步骤进行：
a)清洗基体；
b)在基体表面涂覆BCB增粘剂并于90-110℃烘烤50-70s；
c)在BCB增粘剂表面涂覆的BCB层并于85-95℃烘烤100-150s；
d)于真空环境软固化BCB层；
其中步骤1)中非光敏BCB介质层和步骤14)中非光敏BCB钝化层的厚度均为4.5-5.5μm，步骤8)中非光敏BCB介质层的厚度为9.3-10.7μm。
作为本发明的进一步优选，步骤1)和步骤8)制作非光敏BCB介质层及步骤14)制作非光敏BCB钝化层时步骤d)软固化BCB层分级分段进行，其中步骤1)、步骤8)中峰值固化温度为200-220℃，峰值温度恒温时间为30-50min，步骤14)中固化温度为240-260℃，峰值温度恒温时间为55-65min。
作为本发明的优选，步骤2)和步骤9)刻蚀通孔时首先在BCB层表面旋涂18-22μm的光刻胶，然后光刻出通孔图形，接着反应离子刻蚀通孔区域BCB介质层，最后去除光刻胶。
作为本发明的优选，步骤3)和步骤10)首先溅射40-70nm的TiW层，然后溅射120-2000nm的Au层。
作为本发明的优选，步骤4)和步骤11)中光刻胶为60cp正胶，厚度为4.5-5.2um。
作为本发明的优选，步骤7)首先采用氩气离子束刻蚀Au，刻蚀功率180-220W，刻蚀时间250-350s，然后用双氧水溶液腐蚀TiW层。
作为本发明的优选，步骤15)刻蚀BCB钝化层窗口时首先涂覆18-22um的光刻胶并光刻出钝化层窗口图形，接着反应离子刻蚀窗口区域BCB钝化层，最后去除光刻胶。
作为本发明的进一步优选，反应离子刻蚀BCB层时刻蚀气体为刻O2和SF6，两者流量分别为30ml/min和10ml/min，刻蚀功率为190-210W，刻蚀速率为130-150nm/min，刻蚀时间为55-65min，所述光刻胶为830cp正胶。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种基于薄膜工艺技术的有源硅基板的制作方法，本方法采用光刻、溅射、微电子电镀、BCB介质成膜、RIE刻蚀、离子束刻蚀等微电子工艺技术首先在晶圆片上沉积BCB介质对进行表面平坦化，然后通过厚胶光刻和RIE刻蚀工艺在BCB介质层形成通孔，再通过溅射、光刻、选择性电镀金、离子束刻蚀等工艺形成Au导带，最终形成BCB介质/TiW/Au/金属结构的二层金布线的多层布线有源基板结构。本发明所制得的有源硅基板具备最短互连路径、芯片级精细布线，优良的CTE匹配性，散热性好和可靠性高的特点，是一种理想的内埋置芯片多层布线基板；本发明制造有源硅基板过程中使用非光敏BCB介质材料，与传统的PI、SiO2/Si3N4介质材料相比，具备更低的介电常数、成膜固化温度、吸湿率和更高的平坦化率、透光率、抗化学腐蚀性能，虽然整体工序略微复杂，但局部保存期延长，工艺稳定性更好。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为带有第一层BCB介质膜有源硅基板的剖面图；
图2为图1涂布光刻胶并光刻暴露出I/O通孔后的剖面图；
图3为图2刻蚀BCB介质膜并去除光刻胶后的带I/O通孔的剖面图；
图4为图3溅射TiW/Au复合层后的剖面图；
图5为图4涂布光刻胶并暴露出第一层导带图形区域后的剖面图；
图6为图5选择性电镀Au层后的剖面图；
图7为图6去光刻胶后的剖面图。
图8为图7刻蚀溅射TiW/Au复合层后的剖面图。
图中：1—有源硅晶圆片；2—第一层非光敏BCB介质层；3—光刻胶；4—TiW层；5—Au层；6—电镀Au层。鉴于步骤8)之后与前述步骤相同的较多，因此附图1-8附图主要用以说明发明内容步骤1)-8)部分内容。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
本实施例有源硅基板的制作方法，包括以下步骤：
1、选取厚度500微米的有源硅晶圆片1；
2、在有源硅晶圆片1制作第一层非光敏BCB介质层2，具体包括：
1)用丙酮和乙醇各超声清洗步骤1的有源硅晶圆片5分钟(此清洗过程有机超声清洗)，然后用氩气等离子清洗5分钟，清洗功率150W；
2)涂覆AP3000BCB增粘剂，以2000转/分转速旋转20分钟进行干燥，然后在100℃热板上烘烤60秒；
3)涂覆BCB溶液，涂覆转速800转/分，时间20秒(BCB厚度为5um左右)，在90℃热板上烘烤120秒；
4)在0.8mbar以下的真空环境下，对BCB膜层进行软固化，软固化条件见(表1)，峰值固化温度为210℃，峰值温度恒温时间为40分钟。
表1 BCB软烘烤温度设置
阶段1 逐渐升温到50℃，5min 保温5min
阶段2 逐渐升温到100℃，15min 保温15min
阶段3 逐渐升温到150℃，15min 保温15min
阶段4 逐渐升温到210℃，60min 保温40min
阶段5 自然冷却
3、在第一层非光敏BCB介质层2上刻蚀第一通孔，具体包括：
1)首先以1000转/分速度在BCB介质层上涂布20um的830cp光刻正胶3，然后光刻出第一通孔图形；
2)RIE反应离子刻蚀BCB介质层，刻蚀气体为刻O2和SF6，两者流量分别为30ml/min和10ml/min，功率为200w，刻蚀速率为140nm/min，大约60分钟左右将5um厚度BCB腐蚀干净。
3)丙酮先浸泡5分钟，丙酮和乙醇各超声5分钟将正胶清除干净。
4、在第一层BCB介质层上及第一通孔区域溅射第一TiW/Au复合层：
首先清洗步骤3所得产品，然后溅射40-70nm的TiW层4，最后溅射120-2000nm的Au层5。
5、在第一TiW/Au复合层表面涂覆光刻胶并光刻得到第一导带图形；
首先以800转/分的转速在第一TiW/Au复合层表面涂布5um的60cp光刻正胶，然后光刻得到第一导带图形。
6、在第一导带图形上带胶选择性电镀2-4μm的Au层6；
首先选择性电镀2-4微米金层，然后丙酮和乙醇各超声5分钟将正胶清除干净(此时不对光刻胶表面进行电镀)。
7、去除步骤5中被光刻胶覆盖区域的第一TiW/Au复合层；
首先采用氩气离子束将未被光刻胶覆盖区域溅射的金层全部刻蚀，刻蚀功率200W，刻蚀时间300秒(每刻蚀30秒，冷却60秒)；
然后采用水浴加热40℃的H2O2溶液腐溅射TiW(40-70nm)，直至溅射TiW被刻蚀干净。
8、在步骤7所得产品表面制作第二层非光敏BCB介质层，包括：
1)用丙酮和乙醇各超声清洗步骤7所得产品5分钟，然后用氩气等离子清洗5分钟，清洗功率150W；
2)涂覆AP3000BCB增粘剂，以2000转/分转速旋转20分钟，然后在100℃热板上烘烤60秒；
3)涂覆BCB溶液，涂覆转速800转/分，时间20秒(BCB厚度为4um左右)，在90℃热板上烘烤120秒；
4)在0.8mbar以下的真空环境下，对BCB膜层进行软固化，软固化条件见(表1)，峰值固化温度为210℃，峰值温度恒温时间为40分钟；
5)重复步骤1)-3)，经过两次BCB成膜，使得第二层非光敏BCB介质层总厚度达到10微米左右。
9、在第二层BCB介质层上刻蚀第二通孔；
1)首先以1000转/分速度在BCB介质层上涂布20um的830cp光刻正胶，然后光刻出第二通孔图形；
2)RIE反应离子刻蚀BCB介质层，刻蚀气体为刻O2和SF6，两者流量分别为30ml/min和10ml/min，功率为200w，刻蚀速率为140nm/min，大约110分钟左右将8um厚度BCB腐蚀干净。
3)丙酮先浸泡5分钟，丙酮和乙醇各超声5分钟将正胶清除干净。
10、在第二层BCB介质层上及第二通孔区域溅射第二TiW/Au复合层；
首先清洗步骤9所得产品，然后溅射40-70nm的TiW层，最后溅射120-2000nm的Au层。
11、在第二TiW/Au复合层表面涂覆光刻胶并光刻得到第二导带图形；
首先以1000转/分的转速在第一TiW/Au复合层表面涂布5um的60cp光刻正胶，然后光刻得到第二导带图形。
12、在第二导带图形表面带胶选择性电镀2-4μm的Au层；
首先选择性电镀2-4微米金层，然后丙酮和乙醇各超声5分钟将正胶清除干净(光刻胶表面不电镀)。
13、在步骤12所得产品表面制作非光敏BCB钝化层；
1)用丙酮和乙醇各超声清洗步骤12所得产品5分钟，然后用氩气等离子清洗5分钟，清洗功率150W；
2)涂覆AP3000BCB增粘剂，以2000转/分转速旋转20分钟，然后在100℃热板上烘烤60秒；
3)涂覆BCB溶液，涂覆转速800转/分，时间20秒(BCB厚度为5um左右)，在90℃热板上烘烤120秒；
4)在0.8mbar以下的真空环境下，对BCB膜层进行软固化，软固化条件见(表1)，峰值固化温度为250℃，峰值温度恒温时间为60分钟；
表2 BCB硬固化温度设置
阶段1 逐渐升温到50℃，5min 保温5min
阶段2 逐渐升温到100℃，15min 保温15min
阶段3 逐渐升温到150℃，15min 保温15min
阶段4 逐渐升温到250℃，60min 保温60min
阶段5 自然冷却
14、刻蚀BCB钝化层窗口：
1)首先以1000转/分速度在BCB介质层上涂布20um的830cp光刻正胶，然后光刻出窗口图形；
2)RIE反应离子刻蚀钝化层BCB介质层，刻蚀气体为刻O2和SF6，两者流量分别为30ml/min和10ml/min，功率为200w，刻蚀速率为140nm/min，大约60分钟左右将8um厚度BCB腐蚀干净。
3)丙酮先浸泡5分钟，丙酮和乙醇各超声5分钟将正胶清除干净。
15、对基板进行划切，切割后按照成膜基板检验规范进行基板检验。
上述实施例的有源硅基板解决了常规3D结构组装效率低、封装体积大、性能指标低等问题；通过将有源芯片晶圆片作为电路基板材料，通过薄膜多层布线工艺技术，采用新型BCB介质材料，实现了芯片I/O与外围元件的芯片级垂直互连，形成一种基于有源晶片上的高组装效率、高性能有源硅基板。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.有源硅基板的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）在有源晶圆片上制作第一层非光敏BCB介质层；
2）在第一层非光敏BCB介质层上刻蚀第一通孔；
3） 在第一层非光敏BCB介质层上及第一通孔区域溅射第一TiW/Au复合层；
4）在第一TiW/Au复合层表面涂覆光刻胶并光刻得到第一导带图形；
5）在第一导带图形上带胶选择性电镀2-4μm的Au层；
6）超声清洗去除光刻胶；
7）去除步骤5）中被光刻胶覆盖区域的第一TiW/Au复合层；
8）在步骤7）所得产品表面制作第二层非光敏BCB介质层；
9）在第二层非光敏BCB介质层上刻蚀第二通孔；
10）在第二层非光敏BCB介质层上及第二通孔区域溅射第二TiW/Au复合层；
11）在第二TiW/Au复合层表面涂覆光刻胶并光刻得到第二导带图形；
12）在第二导带图形表面带胶选择性电镀2-4μm的Au层；
13）超声清洗去除光刻胶；
14）在步骤13）所得产品表面制作非光敏BCB钝化层；
15）刻蚀BCB钝化层窗口。
2.根据权利要求1所述有源硅基板的制作方法，其特征在于：步骤1）和步骤8）制作非光敏BCB介质层及步骤14）制作非光敏BCB钝化层按如下步骤进行：
a）清洗基体；
b）在基体表面涂覆BCB增粘剂并于90-110℃烘烤50-70s；
c）在BCB增粘剂表面涂覆的BCB层并于85-95℃烘烤100-150s；
d）于真空环境软固化BCB层；
其中步骤1）中非光敏BCB介质层和步骤14）中非光敏BCB钝化层的厚度均为4.5-5.5μm，步骤8）中非光敏BCB介质层的厚度为9.3-10.7μm。
3.根据权利要求2所述有源硅基板的制作方法，其特征在于：步骤1）和步骤8）制作非光敏BCB介质层及步骤14）制作非光敏BCB钝化层时步骤d）软固化BCB层分级分段进行，其中步骤1）、步骤8）中峰值固化温度为200-220℃，峰值温度恒温时间为30-50min，步骤14）中固化温度为240-260℃，峰值温度恒温时间为55-65min。
4.根据权利要求1所述有源硅基板的制作方法，其特征在于：步骤2）和步骤9）刻蚀通孔时首先在BCB层表面旋涂18-22μm的光刻胶，然后光刻出通孔图形，接着反应离子刻蚀通孔区域BCB介质层，最后去除光刻胶。
5.根据权利要求1所述有源硅基板的制作方法，其特征在于：步骤3）和步骤10）首先溅射40-70nm的TiW层，然后溅射120-2000nm的Au层。
6.根据权利要求1所述有源硅基板的制作方法，其特征在于：步骤4）和步骤11）中光刻胶为60cp正胶，厚度为4.5-5.2um。
7.根据权利要求1所述有源硅基板的制作方法，其特征在于：步骤7）首先采用氩气离子束刻蚀Au，刻蚀功率180-220W，刻蚀时间250-350s，然后用双氧水溶液腐蚀TiW层。
8.根据权利要求1所述有源硅基板的制作方法，其特征在于：步骤15）刻蚀BCB钝化层窗口时首先涂覆18-22um的光刻胶并光刻出钝化层窗口图形，接着反应离子刻蚀窗口区域BCB钝化层，最后去除光刻胶。
9.根据权利要求4或8所述有源硅基板的制作方法，其特征在于：反应离子刻蚀BCB层时刻蚀气体为刻O2和SF6，两者流量分别为30ml/min和10ml/min，刻蚀功率为190-210W，刻蚀速率为130-150nm/min，刻蚀时间为55-65min，所述光刻胶为830cp正胶。
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