JP3360461B2 - メタル成膜工程の前処理方法 - Google Patents

メタル成膜工程の前処理方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体基体の表面に金属
より成るバンプを形成し、印刷配線基板の表面に形成し
た電極と面接合するフリップチップＩＣの製造工程の一
部であるバンプの下地となる多層金属層の成膜工程の前
処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子機器の小型化をより一層進展させる
ためには、部品実装密度を如何に向上させるかが重要な
ポイントとなる。こと半導体ＩＣに関しても、従来のパ
ッケージ実装の代替えとして、フリップチップによる高
密度実装技術の開発が盛んに行われている。フリップチ
ップ実装法には、Ａｕスタッドバンプ法やはんだボール
バンプ法等いくつかの手法があるが、いずれの場合も半
導体ＩＣの電極パッドとバンプ材料との間には、密着性
向上や相互拡散防止等を目的にバリアメタルが使われ
る。はんだボールバンプの場合、このバリアメタルがバ
ンプの仕上がり形状を決定する役目をなす意味から、Ｂ
ＬＭ（Ｂａｌｌ Ｌｉｍｉｔｔｉｎｇ Ｍｅｔａｌ）と
も呼ばれている。はんだバンプに於けるＢＬＭ膜の構造
としては、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕの三層構造が最も一般的で
ある。このうち、下層のＣｒ層は電極パッドとの密着層
として、Ｃｕ膜ははんだの拡散防止層として、上層のＡ
ｕ金属膜はＣｕの酸化防止膜としてそれぞれ作用する。
ＢＬＭ膜のパターニング方法としては、薬液によるウエ
ットエッチング法もあるが、その場合には作業性や廃液
処理等の環境衛生面での問題や加工精度が悪いという欠
点がある。このため、ＢＬＭ膜のパターニング方法とし
て、フォトレジスト膜を施し、後に剥離するリフトオフ
工程を用いる事も検討されている。その際、ＢＬＭ膜の
成膜は通常スパッタ装置によって行われるが、下地のレ
ジストパターンの側壁面まで成膜されてしまう傾向があ
り、リフトオフ時にレジスト剥離液が浸透せず、不要部
分のＢＬＭ膜の除去が困難となる。そこで、フォトレジ
ストの開口端面をオーバーハング状となす形状制御がリ
フトオフ作業の剥離性向上のために必要となる。このレ
ジスト形状制御の方法としては、リソグラフィー工程の
工夫で実現する方法もあるが、工程数の増大を招くとい
う欠点もあり、ＢＬＭ膜をスパッタする工程の前処理工
程で通常行われるプラズマ照射処理でレジストパターン
の形状制御が同時に行えれば理想的である。従来、メタ
ル成膜前のプラズマ照射処理を行うために図８に示す様
なＲＦ平行平板型プラズマ処理装置が一般的に使われて
いる。図８に於けるプラズマ処理装置は、真空引きされ
たプラズマ処理室１４内に被処理基板２を載置したステ
ージ（陰極板）３、これと対向する位置に陽極板４が配
置され、ステージ（陰極板）３には結合コンデンサー５
を介して、高周波電源６が接続されている。しかしなが
ら、このプラズマ処理装置でＲＦエッチングによる形状
制御を行おうとすると、この種プラズマ処理装置ではそ
の電源が単一で成っており、プラズマの濃度を決定する
高周波電力とイオンエネルギーを決定するバイアス電圧
が一定の関係を保った調整しかできないこと、プラズマ
濃度が低いことが原因で、処理のための時間が５〜６分
と長くなり、また高周波電力を高く設定する関係で必然
的にバイアス電圧が高くなり、基板に入射するイオンエ
ネルギーが高くなり、熱変質する領域がレジスト表面層
に留まらず、下層との境界面まで達してしまい、レジス
トが下層に焼きついた状態となり、リフトオフ工程時の
剥離が困難になるという問題が発生する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の課題
は、フリップチップＩＣ等のボールバンプ形成の際のＢ
ＬＭ（Ｂａｌｌ Ｌｉｔｔｉｎｇ Ｍｅｔａｌ）膜形成
工程の前処理工程に於いてレジスト膜の形状制御が容易
に行え、かつ下層に影響を与えないプラズマ処理装置を
用いたメタル成膜工程の前処理方法を提供することであ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに本発明においては、まず第１にプラズマ生成電力と
基板バイアス電圧とを独立して設定できる２つの高周波
電源を有するプラズマ処理装置を用いたメタル成膜工程
の前処理方法を提供した。また第２にプラズマ照射によ
り、フォトレジスト膜上面を改質し、開口部端面をオー
バーハング状に成形するメタル成膜工程の前処理方法を
提供した。また第３にＩＣＰ（Ｉｎｄｕ−ｃｔｉｖｅｌ
ｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：高周波誘導結合
プラズマ）装置、ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｃｏｕ
ｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）装置、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｎｃｅ）装
置、ヘリコン波プラズマ装置等の１×１０11ｃｍ-3以上
１×１０14ｃｍ-3未満のプラズマ密度が得られる高密度
プラズマ処理装置を用いてメタル成膜工程の前処理方法
を提供した。また第３にウエハ載置部に温度制御機構を
備えたプラズマ処理装置を用いたメタル成膜工程の前処
理方法を提供した。
【０００５】
【作用】本発明の採用により、フォトレジスト膜の形成
と剥離（リフトオフ）を用いて金属膜（メタル）をパタ
ーニングする際のメタル成膜前処理において、プラズマ
生成電力と基板バイアス電圧の適正な設定を可能とし、
大口径ウエハであっても均一で迅速な処理が可能な処理
方法を提供することができた。その結果、ボールバンプ
形成のためのＢＬＭ膜形成の前処理において、レジスト
に過剰な熱変質を与えて下層への焼き付きを惹起するこ
となく、リフトオフに最適な状態にレジストを加工する
ことで、良好なパターンのＢＬＭ膜の形成を可能とし
た。
【０００６】
【実施例】以下、図１ないし図７を参照して本発明のメ
タル成膜工程の前処理方法について説明する。
【０００７】実施例１ 本実施例は、はんだボールバンプ形成の際の金属膜から
成るＢＬＭ（ＢａｌｌＬｉｍｉｔｔｉｎｇ Ｍｅｔａ
ｌ）スパッタ工程の成膜前処理に、トライオード型プラ
ズマ処理装置を用いて本願の発明を適用したものであ
り、図１〜図３を参照して説明する。本実施例におい
て、サンプルとして使用したウエハ（被処理基板２）
は、図１（ａ）に示される様に、半導体基体８のアルミ
ニューム電極パッド９上にポリイミドまたはシリコン窒
化膜等のパッシベイション膜（表面保護膜）１０を形成
し、所定の寸法に接続孔１１が穿孔され、さらにその上
層にフォトレジスト膜１２がパッシベイション膜１０よ
りも大きな開口径でパターニングされたものを準備し
た。このウエハを成膜処理すべく、図２に示すトライオ
ード型プラズマ処理装置を用意した。図２に示すトライ
オード型プラズマ処理装置は、被処理基板２を載置する
基板ステージ３、と基板ステージ３と所定間隔をおいて
配置した陽極板４、基板ステージ３と陽極板４の間に接
地した格子電極１３を備え、これらを石英等から成るプ
ラズマ処理室１４で囲い、陽極板４にプラズマ電源（プ
ラズマ生成電源）１５、ステージ３に基板バイアス電源
１６を接続し、プラズマ処理室１４にはアルゴンガスを
供給している。基板ステージ３のさらに詳細な構造とし
ては、図３に示す如くアルミニューム等から成る基板ス
テージ３内部に設けた冷媒通路に第１の冷媒１７として
例えば、フレオン、エタノール、窒素等を通し、他の冷
媒通路から被処理基板２の下面に第２の冷媒１８とし
て、例えば、アルゴン、ヘリューム等を供給して成り、
被処理基板２をプラズマ処理に適した温度１００〜１２
０℃に保つ働きをなす。また、基板ステージ３に被処理
基板２を静電気により吸着させる静電チャック１９を備
える。
【０００８】この図２に示すプラズマ処理装置を用い、
ステージ３に図１（ａ）に示すウエハ（被処理基板２）
を載置し次の条件で成膜前処理を行った。 アルゴンガス流量： ２５ｓｃｃｍ アルゴンガス圧力： ５ｍＴｏｒｒ（０．６７Ｐａ） プラズマ電力：７００Ｗ（２ＭＨｚ） 基板バイアス電圧：３００Ｖ（１３．５６ＭＨｚ） このプラズマ処理後の被処理基板２の状態は図１（ｂ）
に示す如く、フォトレジスト膜１２の上部がプラズマ７
（Ａｒ+ イオン）照射よる熱膨張でセリだし、接続孔１
１の上部にオーバーハングが形成できたのと同時に表面
が適度に改質できた。さらに、この処理後の被処理基板
２を前記プラズマ処理室と高真空下で連結されたスパッ
タリング装置（図示せず）等のメタル成膜装置に送り、
Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ等の積層膜、即ちＢＬＭ膜（メタル
膜）２０を形成した。このこの処理後の状態を第１図
（ｃ）に示す。オーバーハング状に形成されたレジスト
パターンの側壁面にはＢＬＭ膜は形成されず、ＢＬＭ膜
２０は電極パッド９部とフォトレジスト膜１２上部とで
分断できた。そして、この状態の被処理基板２を一例と
して、Ｄｉｍｅｔｈｙｌ Ｓｕｌｆｏｘｉｄｅ（Ｃ
Ｈ3 ）2 ＳＯとＮ−ｍｅｔｈｙｌ−２−ｐｙｒｒｏｌｉ
ｄｏｎｅ ＣＨ3 ＮＣ4 Ｈ6 Ｏとから構成されるレジス
ト剥離液に浸して処理した結果、図１（ｄ）に示す様
に、接続孔１１の予定した部分即ち、電極パッド９とそ
の周辺にＢＬＭ膜２０をパターニングすることができ
た。
【０００９】本プラズマ処理工程においては、従来の平
行平板型のプラズマ処理装置を用いた場合に比べて、基
板バイアス電源電圧を、従来はおおよそ５００Ｖ位であ
ったが、本発明では３００Ｖと大きく低減した条件で実
施できている。これは、プラズマ生成電力と基板バイア
ス電圧の供給を各々独立した高周波電源で構成した結
果、それらを望ましい値に個別に設定でき、処理速度の
低下を招くことなく、基板バイアス電圧が低減できたの
で、フォトレジスト膜の表面を適度に改質することが可
能になった。
【００１０】実施例２ 本実施例は、はんだボールバンプ形成の際のＢＬＭ膜ス
パッタ工程の前の成膜前処理に、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔ
ｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）をプラズ
マ発生源とするプラズマ処理装置を用いて、本発明を実
施したものである。本実施例で用いた被処理基板は、実
施例１で用いた図１（ａ）に示したものと同じであり、
重複する説明は省略する。本実施例で使用するＩＣＰ処
理装置の概略構成例を図４を参照して説明する。本装置
は、石英等の誘電材料で構成されるプラズマ処理室１
４、側壁に多重に巻回した誘導結合コイル２１にによ
り、プラズマ電源１５のパワーをプラズマ処理室１４に
供給し、ここに高密度なプラズマ７を生成する。被処理
基板２は基板バイアス電源１６が供給される基板ステー
ジ３上に載置し、所望のプラズマ処理を施す。なお、図
示は省略しているが、装置に必要な処理ガス導入孔、真
空排気系統、ゲートバルブ、被処理基板の搬送系は当然
備えている。本装置の特徴は、大型のマルチターン誘導
結合コイル２１により、大電力でのプラズマ励起が可能
であり、１０12／ｃｍ3 台の高密度プラズマでの処理を
施すことができる。
【００１１】また、基板ステージ３は実施例１と同様、
図３に示す様にステージ３内部を循環する冷媒によって
温度調整がなされ、ステージ表面は静電チャックによる
静電吸着とガス冷却によって被処理基板との間の熱伝達
が良好に行われている。
【００１２】図１（ａ）に示す被処理基板２をステージ
３上にセットし、一例として下記の条件でメタル成膜前
処理を行った。 アルゴンガス流量 ： ２５ｓｃｃｍ ガス圧力 ： １ｍＴｏｒｒ プラズマ電源電力 ：１０００Ｗ（２ＭＨZ ） 基板バイアス電圧 ： ２００Ｖ（１３．５６ＭＨZ ） 本実施例では、前述の実施例１よりも更に基板バイアス
電圧を軽減した条件で処理が実現できている。これは、
実施例１よりも高密度なプラズマ源を用いていること
と、これによってガス圧力を低圧力に条件設定が可能と
なったために入射イオンの散乱が抑えられたことによる
効果であり、Ａｒ+ イオン照射による処理速度を損なう
ことなく、基板バイアス電圧の低減が実現されているの
である。この結果、基板バイアス電圧の適度な制御を可
能とし、且つ大口径ウェハであっても、均一で迅速な処
理がをすることができ、しかも従来のようにレジストに
過剰な熱変質を与えて、下層への焼き付きを生じること
なく、リフトオフに最適な状態にレジストを加工するこ
とで、実施例１と同様、最終的に良好なパターンのＢＬ
Ｍ膜が形成できた。
【００１３】実施例３ 本実施例は、はんだボールバンプ形成の際のＢＬＭ膜の
スパッタ処理工程の成膜前処理に、ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓ
ｆｏｒｍ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）をプラズマ
発生源にもつプラズマ処理装置を用いて、本願の発明を
適用したものであり、これを図１〜図５を参照して説明
する。
【００１４】本実施例で用いた被処理基板は、実施例１
で用いた図１（ａ）に示すものと同一であり、説明は省
略する。本実施例で使用するＩＣＰ処理装置の構成を図
５を参照して説明する。本装置は、図４で示したＩＣＰ
処理装置と基本的な構成は同じであり、同一構成部分に
は同じ参照符号を付与しその説明を省略する。本発明の
特徴部分はプラズマ処理室１４の天板を石英等の誘電体
材料で構成し、この上面に渦巻状のＴＣＰコイル２２を
配置してプラズマ電源１５のパワーをプラズマ処理室１
４内に導入する点である。本装置によれば、大型のＴＣ
Ｐコイル２２とプラズマ処理室１４内の処理ガスとの誘
導結合により、１０12／ｃｍ3 台の高密度プラズマを生
成できる。また、基板ステージ３は、前述の実施例と同
様、図３に示す様にステージ内部を循環する冷媒によっ
て、温度調整され、ステージ表面は静電吸着とガス冷却
によってウエハとの間の熱伝達が良好に行なわれる様に
なっている。
【００１５】図１（ａ）に示す被処理基板２を基板ステ
ージ３上にセットし、一例として、下記の条件により、
メタル成膜前処理を行なった。 アルゴンガス流量：２５ｓｃｃｍ ガス圧力： １ｍＴｏｒｒ（０．１３Ｐａ） プラズマ電源電力：１０００Ｗ（２ＭＨZ ） 基板バイアス電圧： ２００Ｖ（１３．５６ＭＨZ ） 本実施例により、前述の実施例２と同等の効果が得られ
た。
【００１６】実施例４ 本実施例は、はんだボールバンプ形成の際のＢＬＭ膜ス
パッタ工程の成膜前処理に、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）をプラズ
マ発生源に持つプラズマ処理装置を用いて、本願の発明
を適用したものである。本実施例で使用するＥＣＲプラ
ズマ処理装置の構成例を図６を参照して説明する。本装
置は、図４で示したＩＣＰ処理装置と同一構成部分には
同じ参照符号を付与しその説明を省略する。本装置は、
マグネトロン２３で生成した２．４５ＧＨZ のマイクロ
波を、マイクロ波導波管２４と石英等の誘電材料からな
るマイクロ波導入窓２５を介してプラズマ発生室２６に
導入し、プラズマ発生室２６を周回して配設したソレノ
イドコイル２７により励起した８７．５ｍＴの磁界との
相互作用により、プラズマ発生室２６内に高密度なプラ
ズマを生成する。本装置によれば、プラズマ発生室２６
内の処理ガスがＥＣＲモードで高効率で解離し、１０11
〜１０12／ｃｍ3 台の高密度プラズマが生成できる。図
１に示す被処理基板２をステージ３上にセットし、一例
として下記の条件により、メタル成膜前処理を行なっ
た。
【００１７】アルゴンガス流量：２５ｓｃｃｍ ガス圧力： １ｍＴｏｒｒ（０．１３Ｐａ） マイクロ波電源電力：９００Ｗ（２．４５ＧＨz ） 基板バイアス電圧：２００Ｖ（１３．５６ＭＨz ） この結果、前述の実施例と同様、リフトオフ（剥離）に
最適な状態にフォトレジストを加工するためのメタル成
膜前処理プロセスが確立し、最終的にＢＬＭ膜の良好な
パターン形成が実現した。
【００１８】実施例５ 本実施例は、はんだボールバンプ形成の際のＢＬＭスパ
ッタ工程の成膜前処理に、基板バイアス印加型ヘリコン
波プラズマ処理装置を用いて、本願の発明を適用したも
のである。本実施例で使用する基板バイアス印加型ヘリ
コン波プラズマ処理装置の構成例を図７を参照して説明
する。本装置は、図４で示したＩＣＰ処理装置と同一構
成部分には同じ参照符号を付与してその説明を省略す
る。本装置は、ヘリコン波電源２８によりヘリコン波ア
ンテナ２９に電力を供給して発生する電場と、ソレノイ
ドコイル２７により形成される磁場との相互作用によ
り、石英等の誘電材料からなるプラズマ発生室２６に供
給する処理ガスを高効率で解離する。プラズマ発生室２
６にはプラズマ処理室１４が連接しており、拡散型の高
密度プラズマ７による処理を可能としている。３０はプ
ラズマ処理室１４の周囲に配設したマルチポール磁石で
あり、高密度プラズマ７をプラズマ処理室１４に閉じ込
める作用をする磁界を発生する。
【００１９】本装置によれば、ヘリコン波アンテナの特
性により、前述の各実施例よりさらに高い１０13／ｃｍ
3 オーダーのプラズマ密度を得ることが可能である。図
１（ａ）に示す被処理基板２を基板ステージ３上にセッ
トし、一例として下記の条件により、メタル成膜前処理
を行なった。 アルゴンガス流量： ２５ｓｃｃｍ ガス圧力： １ｍＴｏｒｒ（１．１３Ｐａ） ヘリコン波電源電力：１０００Ｗ（２ＭＨz ） 基板バイアス電圧： ２００Ｖ（１３．５６ＭＨZ ） この結果、前述の実施例と同様、リフトオフ（剥離）に
最適な状態にフォトレジストを加工するためのメタル成
膜前処理プロセスが確立し、最終的に良好なパターンの
ＢＬＭ膜を形成できた。以上、本発明を５種類の実施例
に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら
限定されるものではなく、サンプル構造、処理装置、処
理条件等、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜選択可能
であることは言うまでもない。
【００２０】
【発明の効果】本発明の採用により、フォトレジストの
リフトオフ（剥離）処理法を用いてメタル（金属）をパ
ターニングする際のメタル成膜前処理において、基板バ
イアス電圧を適正な値に設定することができて、大口径
のウエハ（被処理基板）であっても、均一で迅速な処理
が可能な処理方法を提供することができる。さらに、は
んだボールバンプ形成のためのＢＬＭ膜形成の前処理に
おいて、レジストに過剰な熱変質を与えて下層膜への焼
き付きを惹起することなく、リフトオフ（剥離）に最適
な状態にレジスト膜を加工することで、最終的に良好な
パターンのＢＬＭ膜が形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した被処理基板の状態を工程順に
示した断面図。 （ａ）電極パッドに臨むパッシベーション膜の接続孔周
辺にフォトレジスト膜を形成した状態。 （ｂ）成膜前処理によって、フォトレジスト膜の表面状
態が変化した状態。 （ｃ）ＢＬＭ膜が成膜された状態。 （ｄ）レジスト膜を剥離し、ＢＬＭ膜のパターンニング
が完成した状態。
【図２】本発明に用いるトライオード型プラズマ処理装
置の断面図。
【図３】本発明に用いる各種プラズマ処理装置の基板ス
テージの断面図。
【図４】本発明に用いるＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌ
ｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓ−ｍａ）を搭載したプラ
ズマ処理装置の断面図。
【図５】本発明に用いるＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ
Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を搭載したプラズマ処
理装置の断面図。
【図６】本発明に用いるＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃ
ｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎ−ａｎｃｅ）を搭載した
プラズマ処理装置の断面図。
【図７】本発明に用いるヘリコン波プラズマ処理装置の
断面図。
【図８】従来使用されていた平行平板型プラズマ処理装
置の断面図。
【符号の説明】
１ プラズマ処理装置 ２ 被処理基板 ３ ステージ ４ 陽極板 ５ 結合コンデンサー ６ 高周波電源 ７ プラズマ ８ 半導体基体 ９ 電極パッド １０ パッシベーション膜 １１ 接続孔 １２ フォトレジスト膜 １３ 格子電極 １４ プラズマ処理室 １５ プラズマ電源 １６ 基板バイアス電源 １７ 第１の冷媒 １８ 第２の冷媒 １９ 静電チャック ２０ ＢＬＭ膜 ２１ 誘導結合コイル ２２ ＴＣＰコイル ２３ マグネトロン ２４ マイクロ波導波管 ２５ マイクロ波導入窓 ２６ プラズマ発生室 ２７ ソレノイドコイル ２８ ヘリコン波電源 ２９ ヘリコン波アンテナ ３０ マルチポール磁石
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/92 ６０４Ｐ ６０４Ｑ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60 H01L 21/28 H01L 21/285 H01L 21/3065

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基体上に順次電極パッド、表面保
    護膜、フォトレジスト膜が積層され、該電極パッドが露
    呈した接続孔を備える被処理基板に対して、プラズマ生
    成電力と基板バイアス電圧を独立して供給する高周波電
    源を備えるプラズマ処理装置を用いてプラズマ照射する
    ことにより前記フォトレジスト膜上面を改質し、端面を
    オーバーハング状に成形することを特徴とするメタル成
    膜工程の前処理方法。
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