改善光刻胶固化后变形及半导体器件保护层曝光的方法

摘要

改善光刻胶固化后变形及半导体器件保护层曝光的方法，在对光刻胶层进行曝光前增加添加图形偏移量的步骤：提供参考晶片；根据原始的图形曝光参数在原始参考半导体器件上得到原始保护层，观察原始保护层的变形情况；在原始图形曝光参数的基础上加入图形偏移量，在偏移参考半导体器件上获得相对应的偏移参考保护层，观察偏移参考保护层的变形情况；确定出没有变形且窗口较大的校正图形；确定出校正图形相对于原始光刻图形的图形偏移量，包括X轴方向的偏移量ΔX以及Y轴方向的偏移量ΔY，得到对应的图形偏移量参数；将图形偏移量参数添加至图形曝光参数中，进行曝光。本发明使保护层图形的关键位置在曝光时避开衬底上的不稳定点，改善图形的变形。

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，尤其涉及一种可以改善光刻胶固化后变 形的方法以及半导体器件保护层曝光的方法。

背景技术

在半导体器件制作过程的最后阶段，当制作完半导体器件的顶层金属层， 也就是在顶层介质层（衬底）上形成压焊点金属之后，通常需要做一层保护层 介质，并对保护层进行刻蚀，露出压焊点金属，最终得到半导体器件。对最终 得到的半导体器件进行参数测试通过后，即可封装得到芯片。

保护层介质为光刻胶经光刻后进炉管高温（350℃左右）固化而成，制作 保护层介质时常用到聚酰亚胺（polyimide）光刻胶。经过高温烘烤后，在衬 底材质不同从而相应的比热容和热辐射相差比较大的情况下，衬底上的聚酰亚 胺光刻胶受热发生收缩的比例会出现较大差异，从而引起光刻胶保护层的变 形，最终将影响到芯片的可靠性和稳定性。如图1和图2所示，图1和图2为 衬底上的聚酰亚胺光刻胶固化后的示意图，由图1和图2可以看出，经高温烘 烤聚酰亚胺光刻胶的边缘出现了变形，这是因为在保护层的制程中，由于衬底 结构不一致，容易导致覆盖在上面的聚酰亚胺光刻胶在经过炉管烘烤和晶后出 现形变。

当出现类似光刻胶固化形变问题时，可以采取以下措施进行改善：

1.更改设计规则，尽量避免光刻胶开出的窗口下有过多的衬底差异；

2.更改工艺流程或材质，包括改善光刻的涂胶、显影及光刻胶的粘附性以 避免光刻胶形变。

由于衬底结构受客户设计所限很难更改，因此不同衬底材质比热存在差异 的情况很难避免，而且要更改器件设计也需要客户同意，其中重复验证的周期 较长，不易于实现。而在更改工艺流程或材质方面，由于光刻胶材质取决于供 货商，在不更换光刻胶的情况下，光刻胶粘附性很难改善和提高；同时一般情 况下，更改工艺流程会涉及到更改产品层次结构、增加或减少工艺步骤等，工 艺流程的更改需要很多的数据证明和实验结果来验证，这同样也无法在短时间 内实现。因此，如何在不改变工艺流程及器件设计的情况下，避免光刻胶固化 后发生变形的情况为业内急需解决的问题。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种工艺条件改动小、易于实现的 可以改善光刻胶固化后变形及形成半导体器件保护层的方法，本方法主要针对 利用聚酰亚胺光刻胶来制作保护层的情况。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

改善光刻胶固化后变形的方法，在光刻胶曝光之前添加图形偏移量参数， 所述光刻胶为聚酰亚胺光刻胶，具体步骤如下：

步骤一、提供参考晶片，用于在其上形成保护层，所述参考晶片包括原始 参考晶片和偏移参考晶片；

步骤二、根据原始的图形曝光参数在原始参考晶片上进行曝光刻蚀，经烘 烤后得到原始保护层，观察原始保护层在衬底上不同材质结构交界处的变形情 况；

步骤三、在原始图形曝光参数的基础上逐渐改变图形偏移量，使光刻图形 沿X轴和Y轴整体偏移，偏移后的光刻图形的边缘不在衬底上不同材质结构的 交界处，在偏移参考晶片上进行曝光刻蚀，经烘烤后获得相对应的偏移参考保 护层，观察偏移参考保护层在衬底上不同材质结构交界处的变形情况；

步骤四、根据偏移参考保护层的变形情况，将保护层没有变形且窗口较大 的偏移参考晶片的光刻图形定为校正图形；

步骤五、确定出校正图形相对于原始光刻图形的图形偏移量，包括X轴方 向的偏移量ΔX以及Y轴方向的偏移量ΔY，得到对应的图形偏移量参数；

步骤六、将得到的图形偏移量参数ΔX和ΔY通过软件补偿的方式添加至 图形曝光参数中，进行曝光。

半导体器件保护层曝光的方法，包括以下步骤：在已形成压焊点金属的半 导体器件衬底上旋涂聚酰亚胺光刻胶层；以具有保护层图形的掩膜对光刻胶层 进行曝光；

在对光刻胶层进行曝光之前添加图形偏移量参数，其中，包括以下子步 骤：

子步骤一、提供参考半导体器件，用于在其上形成保护层，所述参考半导 体器件包括原始参考半导体器件和偏移参考半导体器件；

子步骤二、根据原始的图形曝光参数在原始参考半导体器件上进行原始曝 光刻蚀，经烘烤得到原始保护层，观察原始保护层在衬底上不同材质结构交界 处的变形情况；

子步骤三、根据原始保护层的变形情况，在原始图形曝光参数的基础上加 入图形偏移量，使光刻图形沿X轴和Y轴整体偏移，偏移后的光刻图形的边缘 不在衬底上不同材质结构的交界处，在偏移参考半导体器件上进行曝光刻蚀 后，经烘烤获得相对应的偏移参考保护层，观察偏移参考保护层在衬底上不同 材质结构交界处的变形情况；

子步骤四、根据偏移参考保护层的变形情况，将保护层没有变形且窗口较 大的偏移参考晶片的光刻图形定为校正图形；

子步骤五、确定出校正图形相对于原始光刻图形的图形偏移量，包括X轴 方向的偏移量ΔX以及Y轴方向的偏移量ΔY，得到对应的图形偏移量参数；

子步骤六、将子步骤五得到的图形偏移量参数ΔX和ΔY通过软件补偿的 方式添加至图形曝光参数中，进行曝光。

可选的，所述校正图形的边缘远离衬底上不同结构的交界处。

可选的，所述校正图形位于衬底上不同材质结构的交界处之上且不超过该 交界线。

可选的，所述步骤二和步骤三中光刻胶的烘烤温度为300～350摄氏度。

可选的，所述步骤二和步骤三中光刻胶的烘烤时间为50～80分钟。

本发明方法通过在聚酰亚胺光刻胶曝光之前对图形曝光参数进行修改，增 加图形偏移量参数，使光刻图形在衬底上的位置在原来的基础上有一定的偏 移，从而使得保护层的关键位置在曝光时避开衬底上因材质不同而相应的比热 容和热辐射相差较大的位置，使衬底差异对聚酰亚胺光刻胶高温固化时产生的 影响最小化，改善保护层的变形情况。本发明方法工艺条件改动小，易实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的 附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创 造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中聚酰亚胺光刻胶固化后的示意图；

图2为现有技术中聚酰亚胺光刻胶固化后的示意图；

图3为本发明方法的流程图；

图4为光刻图形边缘远离衬底上不同材质结构的交界处形成的保护层结构 图；

图5为光刻图形边缘不超过衬底上不同材质结构的交界处形成的保护层结 构图。

具体实施方式

目前，在半导体器件的衬底上制作保护层的方法包括以下几个主要步骤： 首先，在已形成压焊点金属的半导体器件的衬底上旋涂光刻胶层，然后以具有 保护层图形（光刻图形）的掩模对光刻胶层进行曝光刻蚀后，得到具有保护层 图形的光刻胶层；接着，去除剩余的光刻胶层；最后，将半导体器件放入炉管 中烘烤，光刻胶固化后形成保护层。

发明人发现，采用聚酰亚胺光刻胶制作保护层在经炉管高温烘烤后，光刻 胶固化形成的保护层在衬底上不同材质结构的交界处会产生较大的变形。经研 究，这些变形是由于衬底上具有不同材质的结构，如衬底上的压焊点金属或其 它金属结构与衬底材质不同，这些不同材质结构相应的比热容和热辐射相差较 大，位于这些不同材质结构交界区域的聚酰亚胺光刻胶在烘烤过程中的高温情 况下因受热发生收缩的比例会出现较大差异，导致形变不一致，固化后容易出 现图1、图2所示的保护层边缘变形的情况。有鉴于此，发明人提出了一种改 善聚酰亚胺光刻胶固化后变形的方法，该方法在不做工艺流程、化学材料和衬 底结构改动的基础之上，在聚酰亚胺光刻胶曝光步骤之前增加一个使光刻图形 偏移的步骤，通过设置光刻图形偏移量（Overlay offset）使光刻图形和衬底 的位置在原来的基础上有一定的偏移，从而使得保护层的关键位置在曝光时可 以避开衬底上的不稳定点（即不同材质结构交界处），使衬底差异对聚酰亚胺 光刻胶高温固化时产生的影响最小化，从而改善保护层的变形情况。

以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明 实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发 明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明 保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明 还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例 的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于 说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是 示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

参照图3，图3为本发明改善光刻胶固化后变形的方法的流程图，本发明 方法的各步骤在光刻胶曝光之前进行，具体步骤如下：

步骤一、提供参考晶片，用于在其上形成保护层，所述参考晶片包括结构 相同的原始参考晶片和偏移参考晶片；

步骤二、根据原始的图形曝光参数在原始参考晶片上进行曝光刻蚀，经烘 烤得到原始保护层，观察原始保护层在衬底上不同材质结构交界处的变形情 况；

高温条件下，聚酰亚胺光刻胶在衬底上不同材质结构的交界处容易因材质 的比热容和热辐射的不同产生收缩比例的不同，导致变形，因此需要观察交界 处区域的保护层是否发生变形以及变形情况来确定下一步的图形偏移量；

步骤三、根据原始保护层的变形情况，在原始曝光参数的基础上加入图形 偏移量，使光刻图形沿X轴和Y轴整体偏移，偏移后的光刻图形的边缘不在衬 底上不同材质结构的交界处，在偏移参考晶片上进行曝光刻蚀后，经烘烤获得 相对应的偏移参考保护层，观察偏移参考保护层在衬底上不同材质结构交界处 的变形情况；

由于聚酰亚胺光刻胶固化后发生变形是因为不同材质结构的比热容和热辐 射不同所导致的，因此图形偏移的原则为：使光刻图形在X轴和Y轴上整体偏 移，偏移后的光刻图形的边缘不在衬底上不同材质结构的交界处，光刻图形的 边缘可以超出不同材质结构的交界处或者不到达不同材质结构的交界处，即光 刻图形边缘与不同材质结构交界处有偏离，以此避免曝光后的光刻胶边缘覆盖 不同材质的结构，减小不同材质结构比热容和热辐射的不同对聚酰亚胺光刻胶 的影响；

当加入图形偏移量在偏移参考晶片上得到新的保护层后，观察新的保护层 在不同材质结构交界处是否存在变形及变形情况，如偏移不到位保护层仍存在 变形，则逐渐改变图形偏移量使光刻图形继续沿X轴和Y轴偏移，并在新的偏 移参考晶片上曝光刻蚀烘烤，得到对应的偏移参考保护层，对不同图形偏移量 对应得到的偏移参考保护层进行比较；

步骤四、根据偏移参考保护层的变形情况，将保护层没有变形且窗口较大 的偏移参考晶片的光刻图形定为校正图形；

当有多个偏移参考晶片时，对这些偏移参考晶片进行比较后，选出保护层 没有变形的偏移参考晶片，将该偏移参考晶片的光刻图形定为校正图形；

步骤五、确定出校正图形相对于原始光刻图形的图形偏移量，包括X轴方 向的偏移量ΔX以及Y轴方向的偏移量ΔY，得到对应的图形偏移量参数；

步骤六、将得到的图形偏移量参数ΔX和ΔY通过软件补偿的方式添加至 图形曝光参数中，进行曝光；如图4所示，图形偏移量参数ΔX和ΔY可以 offset参数形式添加到R2R曝光机下货值系统中。

使偏移后的光刻图形的边缘不在衬底上不同材质结构的交界处可得到以下 校正图形：校正图形的边缘离开衬底上不同材质结构的交界处，当校正图形的 边缘偏离不同材质结构的交界处时，光刻后的光刻胶边缘也超过（偏离）衬底 上不同材质结构的交界处，其边缘所在区域只有一种结构，则不会发生高温烘 烤后收缩比例不一致的情况，如图4所示，图4为校正图形边缘离开衬底上不 同材质结构交界处得到的保护层结构图，通过对比图1和图4可知，加入图形 偏移量参数后得到的保护层变形情况得到了很大的改善；或者，校正图形的边 缘在衬底上不同材质结构的交界处之上且不超过该交界线，当校正图形边缘不 超过不同材质结构交界处时，光刻后的光刻胶边缘下方也只有一种结构，也避 免了高温烘烤后收缩比例不一致的情况发生，如图5所示，图5为校正图形边 缘在衬底上不同材质结构的交界处且不超过该交界线得到的保护层结构图，通 过对比图1和图5可知，加入图形偏移量参数后可以避免和晶过程中光刻胶受 热不一致导致固化后产生形变的情况发生，保护层变形情况得到了很大的改 善。

除了可在曝光机的下货值系统中添加图形偏移量参数外，还可以在曝光菜 单中的对位标记的坐标添加偏移量，曝光后的图形则会相应的延X轴或者Y轴 方向偏移，或者更改曝光菜单中的BLIND设置，新添加一个带偏移量的BLIND 以取代不含偏移量的BLIND，从而实现图形偏移。

前述步骤中在对聚酰亚胺光刻胶进行烘烤时，烘烤温度为300～350摄氏 度，在前述温度下烘烤时间为50～80分钟。不同的聚酰亚胺光刻胶烘烤的温 度和时间略有差异，可参考光刻胶厂商的技术资料。以型号为HD-8820的聚酰 亚胺光刻胶为例，烘烤时：首先，升温到150摄氏度，耗时5分钟；第二步， 升温到320摄氏度，耗时70分钟，升温速度为2.5摄氏度每分钟；第三步， 保持320摄氏度烘烤60分钟，完成烘烤。

本发明还提供一种半导体器件保护层曝光的方法，包括以下步骤：

在已形成压焊点金属的半导体器件衬底上旋涂光刻胶层；以具有保护层图 形的掩膜对光刻胶层进行曝光，其中，在对光刻胶层进行曝光之前增加添加图 形偏移量的步骤，该步骤包括以下子步骤：

子步骤一、提供参考半导体器件，用于在其上形成保护层，所述参考半导 体器件包括原始参考半导体器件和偏移参考半导体器件；

子步骤二、根据原始的图形曝光参数在原始参考半导体器件上进行曝光刻 蚀，经烘烤得到原始保护层，观察原始保护层在衬底上不同材质结构交界处的 变形情况；

子步骤三、根据原始保护层的变形情况，在原始图形曝光参数的基础上加 入图形偏移量，使光刻图形沿X轴和Y轴整体偏移，偏移后的光刻图形的边缘 不在衬底上不同材质结构的交界处，在偏移参考半导体器件上进行曝光刻蚀 后，经烘烤获得相对应的偏移参考保护层，观察偏移参考保护层在衬底上不同 材质结构交界处的变形情况；

子步骤四、根据偏移参考保护层的变形情况，将保护层没有变形且窗口较 大的偏移参考晶片的光刻图形定为校正图形；

子步骤五、确定出校正图形相对于原始光刻图形的图形偏移量，包括X轴 方向的偏移量ΔX以及Y轴方向的偏移量ΔY，得到对应的图形偏移量参数；

子步骤六、将子步骤五得到的图形偏移量参数ΔX和ΔY通过软件补偿的 方式添加至图形曝光参数中，进行曝光。

本发明方法通过在光刻胶曝光过程中添加图形偏移量（overlay offset） 的办法，使曝光图形在衬底上具有一定的位置偏移，而且图形偏移量很小，仅 为几微米，对整个光刻图形的其他区域不会产生影响，通过光刻图形的整体偏 移使光刻胶的边缘可以避开衬底上比热容和热辐射相差较大的区域，避免光刻 胶在高温情况下因受热发生收缩的比例不同而导致固化时发生变形，保证了芯 片的可靠性和稳定性。本发明方法是在工艺流程，器件设计以及光刻的涂胶显 影工艺条件都已经确定的情况下做调整改善，可以以最小的改动得到最大的改 善，即可以不用更改流程设置和器件设计等，具有工艺条件改动小、容易实 现、效果好和周期短的特点。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实 施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可 以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范 围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。