TWI254716B - Semiconductor device and semiconductor package - Google Patents

Description

1254716 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種使用低介雷 π縫从, 兒㊅數，低介電損耗因子的 絶緣材料之半導體元件及半導體封裝體。 于。 【先前技術】 伴卩返着L SI的南速化、高隼上 门木化、鬲頻率化，布線 增大導致信號延時延長。先前 # 、里的 (以〇2)膜作為層間絕緣膜，但 虱匕夕 与杈呵故備速度，需使用呈 有更低介電常數、更低介電指 /、 丨私楨耗因子的特性之材料。現在 投入使用的低介電薄膜有介電當产 吊數3·5的氧鼠化石夕（SiOF)膜 。具有更低介電常數的絕缕瞪从 、 W、巴、、彖馭材枓有介電常數為2.5〜3.0的 有機 SOG (Spin On Glass)膜。徊 η | 炎 τ οτ 、仁疋作為LSI的層間絕緣膜除 "電常數夕卜，對耐敎性I ϋ

y …f柃械強度等特性亦有要求。在;LSI 的微小化布線步驟中作糸i 乍為+坦化技術需要化學機械研磨 CMP (Chemiealμα·)，而此項技術中材料 :機械強度係一項重要的特性。有機s〇G雖具有較低介電 常數’但其機械強度比先前的Si〇2*Si〇F膜卻更低。針對 於此’較於無機絕緣膜，t周查研究更偏重於具有低介電常 數的有機高分子化合物。而其中聚醯亞胺樹脂因具有高平 坦性而被廣泛研究。但聚醯亞胺樹脂的問題在於，在有機 高分子化合物中其介電常數和吸濕率較高，從可信賴性來 看僅適用於雙極集體電路等之一部分的半導體元件。 同樣在半導體封裝體中，半導體元件的布線形成步驟之 擴展技術，用於構成封裝功能的晶圓級封裝中，其最外層 83850 1254716 的再布線層亦嚴格要求使料有低 因子的材料。這也是 $ ^ 1介電損耗 . 、丨逍看鬲速化、高隹秘" 化而產生的由布線容量御 本體化、高頻率 曰大所+致的作缺 此絕緣材料與上述同样並 〜日寸增長問題。 ϋ U曰遍使用聚醯亞胺樹月匕义 “《醯亞胺樹脂係有機聚合物中介 日。但問題在 此外，不僅晶圓， ϋ吸濕率偏高者。 用於由早個晶片構成的並 封裝體之布線層週圍的 、g、晶片尺寸 口口# 的1巴緣材料亦從同樣的出菸點去+ 嚴格要求使用具有低介電常數、低介電損耗因：考慮， 【發明内容】 、 的材料。 本發明旨在提供一 介電損耗因子且低吸 用於半導體元件的層 圍的絕緣材料。 =絕緣材料，其具有低介電常數、低 濕、高耐熱等特性。其目的在於可適 間絕緣膜及丨導體#裝體之布線層週 本發明中解決課題 使用之絕緣材料為一 式1 ]作為架橋成份的 之手段係提供一種半導體元件，其所 種έ有多個本乙烯基的化合物[化學 树脂。

(其中，R係可含取代基的碳氫架構，y代表氫原子、甲基 或乙基，m表示1〜4、η表示2以上的整數。） 此外，若此種絕緣材料的介電常數在3 〇以下、介電損耗 83850 1254716 因子在0.005以下（測量頻率為1 Gplz)則具有更優良特性。 關於半導體兀件的層間絕緣膜，在LSI的微小化布線步驟 中作為平坦化技術需要化學機械研磨cMp (chemical

Meehanical P〇llshing)，而此項技術中材料的機械強度係一 員2要的4寸性。本發明中所言及之由含有多個苯乙烯基的 勿作為木^成伤的樹脂，具有玻璃轉化溫度高達近2 〇 〇 :^锊丨生，所以在CMP處理時的室溫附近時，其彈性比率 牵^機械強度亦足夠滿足要求。而且如化學式所示，由

方、所“亟性基很少’具有低吸濕的優良特性。故此在CMP :理中與先前以來所研究的聚S咖线多孔質材料相比具 有更加有利的特性。

此外[化學式11戶斤+ > ^ A 化合物在硬化反應前的性狀為液 月豆或熔點低於100度，而 一 使用幾溶劑或溶液的旋轉塗布法 以形成層間絕緣膜。[化學卞]]糾主 疋輅土布法 式1]所表示的化合物的代表有， ，一乙烯本乙烷、1，3 - - r# 、Μ-二乙，r ^ 士 ，—乙烯本丙烷、1，2-二乙烯笨丙烷 、市本丙：^、1，4、二&# t p 烷、1 9 ^布本丁烷、L3·二乙烯苯戊 圪、1，2-二乙烯苯戊烷、2弘 印丰戍 ^ ’ 一乙細本戊烧、1，2--甲其/ 烯苯乙烷、二乙基 ——甲基乙 贫r岭 布本乙烷、I—甲基乙烯苯-2V榆 、兀、12,3-三乙烯苯丙燒 此所用之溶劑只要對於[化興 丨。在 定。例如可用θ m -r子式1]有可溶性並沒有特別限 ,-^ ^ ^ ^ 4_甲基_2-戊酮等酮類’ 乙本寺方香族碳水化合物， T本、 H ^ 1 i π Ν，Ν-二甲基甲醯胺、Ν，Ν_ _ ψ 丞6 S皿胺寺|监胺類，乙醚、 一甲 於㈣ 卜 早甲基乙二醇醚、單甲A工 酉子醚、四氫呋响、氧 早T基丙二 碌展乙烷等醚類，r醇、乙醇、b 83850 1254716 甲基-1 -乙醇等醇類，但不僅限於所舉之例。而且這些有機 溶劑亦可單獨或2種以上混合使用。 旋轉塗布所使用的清漆不僅可為單獨的[化學式丨]，亦可 與其他成份搭配混合使用。例如聚奎寧、聚丁二烯、聚異 丁歸、聚苯乙烯、聚甲基苯乙烯、聚乙基苯乙烯、聚二乙 稀基苯、聚丙烯酸酯（例如聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸丁酯、 ♦丙烯酸苯酯等）、聚丙烯腈、聚义苯基順丁烯二醯亞胺、 聚N-苯乙烯基順丁烯二醯亞胺、聚亞苯基氧化物等，但不 僅限於所舉之例，亦可與其他成份搭配混合使用以實現各 4寸丨生的改良。其中與聚亞苯基氧化物、聚丁二烯、聚奎 宁等的結合使用對機械強度、破裂延長、粘合性等特性的 改善具有良好效果。 【實施方式】 以下，對本發明的實施例進行說明。 夕、=丁 ’、版况明於半導體元件的層間絕緣膜使用由含有 :個苯乙烯基的化合物[化學式1]作為架橋成份的樹脂之 貝施例。 圖1所示為半導，；> ^ 70件内多層布線構造的製造工序之_ 圖1中符號11代表含t — r . ^ ^, 有包路兀件的矽板，玻璃板等半委 月且兀件用基板，其除 丁、 晨帝 ，、4寸疋°卩伤外均被保護膜12所覆蓋，4 *路出的口 [M分則形成第一 ' 用石夕的氧化膜。亦可使用本^ 護膜12通常右 為此保護膜。而在：：月：含有[化學式丨]的樹^ 最佳#摆# ^ V € ，銅作為低電阻材料而成> 取1土廷擇。其次的層 ^ ^ 、、、巴 '、、果，則將本發明之含有[化學^ 83850 •10- 1254716 i]的樹脂以旋轉塗臌或灌注膠塗敷。必要 …。 去除洛劑、加熱反應等處 仃乾：)：呆、 損耗因子的層間絕緣膜14。形成低介電常數、低點介電 接下來以旋轉塗布法在層 + 膠或崎感光樹脂15,對：：、錢14上形成例如氯化橡 絕緣膜14露出而設置為窗π 16。订㈣使斗寸疋部份的層間 蝴斜士而 。使用氧氣、四氟化石户笑々 月立子由自口 16露出的層間絕緣膜14 火寺虱 而露出導體層13。最後 、延擇的進行乾姓刻進 層η不具有腐細曰可=n_乙酸雨對暴露的導體 去感光'喻旨…進::: =樹脂15的_溶液以除 技術形成第二導體層17，並：；或：：：已知的金屬鑛膜 在需要3層以上的多層布線構體層13導電連接。 步驟。即重福f 可反複進行將上述各 成” V體層上之絕緣層的層間絕緣膜㈣ 成步W此層間絕緣膜的 屬 體層露出的步驟、及與此露出使㈣下部導 層的形成步驟。 “¥體層導電連接的新導體 最後在多層布線構造的上邻 所述之方法在特定部份設置=表=層1δ，用如前 護半導體元件内部不受外二、'層表面保護膜可保 護層亦可使用低吸濕性的含有[:二的乾擾。此保 ^ 3有[化學式1]的樹脂。這樣在半 ^伴，卩的各絕緣層中，«膜12、制絕緣膜14、 L 18全部使用含有[化學式丨]的樹脂，由此同系列 ::有具:的優良的界面㈣非常值得期待，對 义有利。而且所使用之含有[化學式⑽樹脂若具感光 83850 -11 - 1254716 性則可省去感光性樹脂丨5的工序， 右η風a 吁了大幅削減成本。使含 有[化予式1]的樹脂具有感光性 緣、玄制ΑΑ 休用以下方法。光照以改 / d的可溶性來實現布線圖案 分子处错“ 口木的杈式製作。此外，可在 烯於： 入光架橋官能團以降低溶解度。具體可有丙 一:土三方基、縮水甘油基、肉桂醯基等。反之，可導入 氮化奈酉分酉昆’或通過光化及靡道 、 以i日古、、六如 n九化反應$入可生成羧酸的宫能團 才疋阿洛角午度。這也方法可分 一了允烀在不影響所要求的介電特 、抱圍内，與化合物⑴共聚合或調配混合使用。 接下來茶見圖2，以其他製造工序實例對半導體元件的多 層布線構造進行說明。在石夕板21上形成下層布線22，再以 方疋轉塗職或灌注膠將本發明之含有[化學式"的樹脂塗於 其上作為層間保護膜。必要時可進行乾燥、去除溶劑、加 熱反應等處理以形成低介電常數、低點介電損耗因子的層 間絕緣膜23。其後使用乾蝕刻法形成布線用凹槽24和接線 2 5再之後用喷鑛法覆以5 0 nm的Ta薄膜作為阻擋層2 6 。其上再覆以15〇 nm銅膜為種晶層27。此銅種晶層27使用 銅贺錢用遠距離喷鍍裝置CERauszx-ioo(曰本真空技術 社）’以200〜400 nm/分的速度鍍膜而成。將此基板在液溫 24度、電流密度} A/dm3的環境下浸入下述電鍍液内$分鐘 ’使銅I入布線用凹槽24與接線口 25内，形成銅布線28。 陽極使用含磷銅。 硫酸銅 硫酸 氯離子 0.4 mol/dm3 2.0 mol/dm3 !·5 X 1〇"3 mol/dm3 83850 -12- 1254716 microfab CU2100 10 x 10-3 mol/dm3 (日本electroplating-engineers公司製銅電鍍添加劑） 接下來進行化學機械研磨CMP (Chemical Mechanieal

Polishing)。CMP過程使用IPEC公司生產的472型化學機械 研磨裝置及含有1〜2%過氧化氫的氧化鋁彌散拋光粉和研 磨墊（Rodel公司生產的IC_1 000)。以19〇 G/cm2的壓力研磨 至阻擋層2 6，將布線導體分隔而成銅布線2 8。在質量百分 比為5的硫酸中沖洗丨分鐘，進而再用純水沖洗1分鐘。 以下將重複上述工序以形成多層布線構造。在此本發明 之含有[化學式1 ]的樹脂所構成之層間絕緣膜具有強機械 強度、低吸濕等特性，對於CMp工序有足夠的耐受性。 進而參照圖3說明將半導體元件的層間絕緣膜以多孔質 構k與非多孔質構造的多層構造實施的實例。 在牛導體元件用的基板31上形成第一導體層33及保護 32在其上，以旋轉塗布法塗以由化合物[I]的—例i 2-乙烯本乙烷與熱分解度較低的高分子化合物聚乙基氧化 混：調配而成的清漆。製膜後，以35〇度加熱處理，:吏聚 基氧化物部份熱分解，在膜中形成多孔質層間絕緣膜34 夕接下來以僅含:^厂二乙烯苯乙烷的清漆旋轉塗布，形成 夕孔貝層間絕緣膜34_2。以下通過與圖1所示之相同工序 的半導體元件的製造。像本例這樣使層間絕 兩、、夕孔貝構造可得到介電常數較低的絕緣膜。並且， 而考慮吸難問題時，問題所在部份可使用非多孔質構 ’而其他部份使用多孔質構造，以得到兼具低介電常數 ^3850 1254716 必攻濕性雙重特性的層間絕緣膜。 為形成多孔質構造可使用已知的普 微相分離的方法、加入添加劑製膜後再以萃取=，利用 、利用高溫驟冷凝固的融入鲈、入、+ ^的方法 使之微纖維化的延伸法、通蝴製成均延伸 孔之電子線照射蝕刻法、對超古八旦 、圓同狀細 壓成形之水蒸氣燒結法、;東：分子化合物加 物*乾燥法、在薄膜表面進行等離子輻：：：除，溶劑 微細穿孔之穿孔法、在微凝膠的高田、、…，成機械的 膠法、將超臨界流體混合後、脫二形仃連結的微凝 =分子化合物共聚合’再加熱以形成氣泡的:=低 利用不良溶劑萃取的方法等各 …、刀角午去、 絕緣膜的形成方法，通在於多孔質的層間 、土、& 勺為在以方疋轉塗布、、表+ 方^以清漆而成膜後，再進行多孔質時=鍍 方法可有：電子線照射钱刻法、等離子輕^到的 劑法、熱分解法等。又或者，” #法、發泡 處理德沾- 仃夕孔質化處理，再將 後的㈣覆於其上以形成層間絕緣膜。再將 製學式ι]的樹脂製成的絕緣材料不僅可用 圓級封裝亦可見同等效果。基本：:、；晶圓上的晶 的晶圓上以與圖!所示之相同過程二：成+導體元件 4,示之晶圓級封裝。此工序再布線層，得到如圖 中封裝體之3曰圖1中保護膜12與圖4-1 曰曰片保4層41、圖1中層間絕緣膜Η與圖4]中 83850 -14 - 1254716 層間絕緣膜42、 43分別相對應。 全部封裝工序， 之邊界面與構成 故具有同面成形 曰1中表面保護層18 如 /、圖‘1中布線保護層 此，由於晶圓級封梦孫* R 最德留μ 封衣係在晶圓尺寸完成 取後早片切割而成為 绍绘e 封裝體者，晶片 、、巴、、彖層及再布線層 之特點。 故界面為切割而成， 不同於半導體元件的内部布 中，通過降低層間、在日日圓級封裝的再布線 曰間、纟巴緣層的彈性率 可使之對於力装 成為麼力緩沖層， 板（環氧破璃）的埶膨β由+ ¥體兀件（矽）與基 這樣對安穿美彳+ 、張力/、有緩沖能力。 丁女衣基板日守的可信賴性相 降低厚門Ρ@ g有很大提高。 他層間絶緣層的彈性率手 導體封裝I# t R 0 i ，可將晶片尺寸的半 丁衣月旦之層間絕緣層使用由 物[化學&力 夕個本乙稀基的化合 L化予式2]作為架橋成份的樹脂以達目的。

(其中，R1代表氫原子、甲基或乙基， 的敕奴 、 土 m表不1〜4、η表示2〜10 彳m & 夕们本乙烯基的化合物[化學 八Η乍為架橋成份的樹脂與彈性 -1 m 成份結合，將其相分離 化用於晶片尺寸的半導體封裝體 的。 衣之層間絕緣層以達目 83850 -15- 1254716

(其中，R係可含取代基的碳氫架構，R1代表氫原子、曱基 或乙基，m表示丨〜4、n表示2以上的整數。） 在此，增大[化學式2]中n值的取值，可使硬化物的架橋 ::、門距牦長，架橋密度減小以降低彈性率。[化學式2 ]所示 化合物的代表有二乙烯苯戊烧、1，6-二乙烯苯己丈完、 乙烯笨庚烷、1，8-二乙烯苯辛烷、丨，9-二乙烯苯壬烷、丨，1〇_ 二乙烯笨癸烷等，但不限於所舉之例。 ’ 通過將含有[化學作為架橋成份的樹脂與彈 三:製成相分離構造，可將由[化學式1]構成的硬化物^基 版树如的特性（玻璃的轉化溫度，熱膨騰率等）維持不變， :只降低其彈性率。其中，彈性體成份宜使用室溫下彈性 率小於1 GPa的材料。並且，與[化學式 紅L予式1]不相溶的物質較 ，列如矽氧烷化合物、含氟彈性體等 為石夕氧貌化合物。 #中較多使用的 日日圓敬封裝在製 _貫際利用的 ，、切告彳為單體，如圖4-2所示之晶 ' 77八了封裝來使用。% ，本發明的效果不僅限於晶圓級封裝， 為架橋成份的樹脂，完全可相信會 予工 曰/、有相同效果。在此 83850 -16- 1254716 曰片尺寸封裝，是指封裝體 基本等同㈠·！倍左右）、安裝基板時可進行或 裝體構造。 才J進仃间岔度安裝的封 由於絕緣材料的介電常數決定布 ’故用於半導雕；处K L 予别知性中的延時 、^八 件及半導體封裝體的絕緣材料宜伊了 Λ :Γ數較低者。相對於先前的聚-亞胺：二 常數值3+本發明所提供之樹脂的：:：之介電 當然，介電特性會因[化學如的構造及結1=-·。。 成等的不同有报大變化。 口斗加材料的叙 此外介電損耗因子會影響布線 :也宜儘可能降低。通常的有機材料之 子在咖2下多大於0·01。而本發 =知耗因 相同，靖化學式物毒造及結合添加物;^數的情況 電損耗因子降為0.0。5以下。這樣即可”：可使介 量消耗量較小的半導體元件及封裝體。心員區域下能 如以上說明，於半導體元件的絕緣層中使用 ::基的化合物[化學式丨]作為架橋成份的樹脂：可：個苯 介電常數、低介電損耗因子之效果 到低 於：線電阻及絕緣體的介電常數，可將此二=時t定 使用介電損耗緣材料的介電損耗因子，可 啟低的材料以得到能量損失 /、的半導體元件。同樣，在晶圓級封裝 尺電量 緣層使用本發明的材料，亦可得到延時短曰、曰3，裝絕 的封裝體。 且此夏損失低 83850 -17 - 1254716 [發明效果] 通過本發明，可得到低介電常數、低介電損耗因子、且 低吸濕、高耐熱的半導體元件及半導體封裝體。 【圖式簡單說明】 圖1本發明之一實施例的半導體元件的剖面圖。 圖2本發明之一實施例的半導體元件的剖面圖。 圖3本發明之一實施例的半導體元件的剖面圖。 圖4晶圓級封裝及晶片尺寸封裝。 【圖 式代表符 號說明】 1卜 31 半 導 體 元 件用基板 12、 32 保 護 膜 13 > 33 第 導 體 層 14、 23 層 間 絕 緣 膜 15 ^ 35 感 光樹脂 16、 19 、 36 、 39 窗 口 17、 37 第 二 導 體 層 18、 38 表 面 保 護 層 21 矽 基板 22 下 層 布 線 24 布 線 用 凹 槽 25 接 線 口 26 阻 擋 層 27 銅 種 晶 層 28 銅 布 線 83850 - 18 - 1254716 34-1 多孔質層間絕緣層 34-2 非多孔質層間絕緣層 41 晶片保護膜 42 層間絕緣層 43 布線保護層 83850 - 19 -

Claims (1)

1. 12597號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(93年10月） 拾、申請專利範圍： 1· 一種半導體封裝體，其特徵在於再布線層或層間絕緣層 使用含有作為架橋成份之具有多個笨乙烯基的化合物[ 化學式1 ]的樹脂。

   (R1 ) m ···[!] (其中，R係可含取代基的碳氫架構，Ri代表氫原子、〒 基或乙基，m表示1〜4、η表示2以上的整數。） 2.如申請專利範圍第！項之半導體封裝體，其中前述樹脂 在1 GHz的頻率下的相對介電常數小於3 〇，介質損耗角 正切小於0.005。 3.如中請專利範圍第i項之半導體封裝體，其中前述樹脂 為多孔質構造。 4. =申請專利範圍第i項之半導體封裝體，其中前述樹脂 含有多孔質構造與非多孔質構造的兩個部份。 5. 如中請專利範圍第！項之半導體封裝體，其中該半導體 封裝體係晶圓級封裝。 6. 如申請專利範圍第1項之半導體封裝體，其中該半導啤 封裝體係晶片尺寸封裝。 紅

   如申請專利範圍第1項 線層或層間絕緣層含 離構造。 之半導體封裝體，其中前述再布 有前述樹脂與彈性體成份之相分 83850 1254716 8. 如申請專利範圍第1項之半導體封裝體’ 含有多個苯乙烯基的化合物[㈣式2]作為 其中前述樹脂 架橋成份。

   (其中，R1代表氩原子、甲其 — 土或乙基’ m表不1〜4、η表示 2〜10的整數。） 9. -種半導體封裝體’其特徵在於w保護膜或布線保護 層使用含有作為架橋成份之具有多個苯乙稀基的化合 物[化學式1]的樹脂。

   (R1 ) m ..·[!] (其中’ R係可含取代基的碳氫架構，Ri代表氫原子、曱 基或乙基，m表示1〜4、η表示2以上的整數。） i〇·如申請專利範圍第9項之半導體封裝體，其中前述樹脂 在1 GHz的頻率下的相對介電常數小於3 ·〇，介質損耗角 正切小於0.005。 83850