JP3641899B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハ等の被処理体上に生じた残渣をプラズマ装置を用いたスパッタ・エッチングで除去する際に、プラズマ励起時のインピーダンス整合を容易化かつ安定化することによりプラズマ処理の再現性と均一性を向上させ、これによりフリップ・チップ・ボンディング用のハンダ・ボールの被着部位から効果的に有機保護膜の残渣を除去することを可能とする方法に関する。
【発明の詳細な説明】
【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、部品実装密度をいかに向上させるかが重要なポイントとなる。半導体ＩＣに関しても、ボンディング・ワイヤとリード・フレームとを用いた従来のパッケージ実装に代わり、ＬＳＩのベア・チップを直接に実装基板上の導体パターンに接続するワイヤレス・ボンディングが提案されている。中でも、デバイス・チップの素子形成面側にすべての電極部とこれに接続するバンプやビーム・リードを形成しておき、この素子形成面を下向きにして実装基板上の導体パターンに直接的に接続する方法はフリップ・チップ・ボンディング法と呼ばれており、アセンブリ工程が合理化できることからハイブリッドＩＣの実装や大型コンピュータ用途に広く利用されている。
【０００３】
フリップ・チップ・ボンディング法には、Ａｕビーム・リード法や、ハンダ・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ＩＣのＡｌ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下地金属膜が形成される。特にハンダ・ボール法では、この下地金属膜はハンダ・ボールの仕上り形状を左右することから、ＢＬＭ(Ball Limiting Metal) 膜と呼ばれている。ＢＬＭ膜の構成としては、Ｃｒ膜, Ｃｕ膜，Ａｕ膜をこの順に積層した３層構成が最も一般的である。
【０００４】
ここで、Ａｌ電極パッドにＢＬＭ膜を介してハンダ・ボールを被着させる従来の一般的なプロセスを、図１２ないし図１５を参照しながら説明する。
図１２は、基板１１のパッシベーションを行い、さらにＢＬＭ膜の被着範囲を規定するための１層目ポリイミド膜１４のパターニングを行った状態を示している。ここまでの工程を簡単に述べると、まず、すべての素子形成が終了した基板１１上でＡｌ電極パッド１２ａを所定の形状にパターニングする。次に、基体（ウェハ）の全面をＳｉＮパッシベーション膜１３で被覆し、この膜をパターニングしてＡｌ電極パッド１２ａに臨む開口１３ａを形成する。続いて、ウェハの全面を１層目ポリイミド膜１４で被覆し、Ａｌ電極パッド１２ａに臨む開口１４ａを上記開口１３ａのさらに内側に形成する。
【０００５】
次に、図１３に示されるように、上記開口１４ａを覆うごとくＢＬＭ膜１６ａを形成する。このＢＬＭ膜１６ａは、下層側から順にＣｒ膜，Ｃｕ膜，Ａｕ膜がスパッタリングにより積層された多層膜であり、通常はリフトオフ法により形成される。すなわち、まず前掲の図１３に示した１層目ポリイミド膜１４の上に、十分な厚さを有するレジスト・パターン（図示せず。）を上記開口１４ａを露出させるごとく形成する。次に、Ａｌ電極パッド１２ａの表面に成長している自然酸化膜を除去するための前処理を行う。この前処理とは、典型的にはＡｒ⁺ イオンを用いたスパッタ・エッチングである。
次に、ウェハの全面にＢＬＭ膜を被着させると、ＢＬＭ膜はレジスト・パターン上に被着される部分とＡｌ電極パッド１２上に被着される部分とに分断される。この後、ウェハをレジスト剥離液に浸して加熱揺動処理を行うと、レジスト・パターン上のＢＬＭ膜は除去され、Ａｌ電極パッド１２ａに接続するＢＬＭ膜１６ａのみを残すことができる。
【０００６】
次に、図１４に示されるように、上記ＢＬＭ膜１６ａを完全に被覆するハンダ膜１９ａをたとえばリフトオフ法により形成する。
続いて加熱リフローを行うと、ハンダ膜１９ａは表面張力により上記ＢＬＭ膜１６ａ上で自己整合的に収縮し、図１５に示されるようなハンダ・ボール１９ａｒとなる。
この後、ウェハをダイシングしてデバイス・チップを分割し、個々のデバイス・チップのハンダ・ボール形成面を下向きにして実装基板と対向させ、該実装基板上の予備ハンダ付けされた導体パターンと上記ハンダ・ボールとを位置合わせした上で加熱溶着させると、チップの実装が完了する。
【０００７】
ところで、上記Ａｌ電極パッドは通常、デバイス・チップの周辺部に配置される。しかし、チップに作り込まれる素子が微細化され、Ａｌ電極パッドの配置間隔が縮小されてくると、従来どおりにハンダ・ボールを形成することが困難となってくる。これは、隣接するハンダ・ボール同士の接触により短絡の虞れが生ずるからである。
【０００８】
ただし、ハンダ・ボール同士の接触を避けようとして該ハンダ・ボールの直径を小さくすると、実装基板とデバイス・チップとの間の接合強度が低下し、信頼性を損なう原因となる。このため、ハンダ・ボール径は従来どおりとしながらそのレイアウトを変更し、Ａｌ電極パッドの直上領域（以下、定位置と称する。）に位置するハンダ・ボールと直上領域外（以下、再配置と称する。）に位置するハンダ・ボールとを交互に配置する技術が提案されている。この技術では、該Ａｌ電極パッドと再配置の場所までの配線パターンが新たに必要となるが、本願出願人はこの配線パターンをＢＬＭ膜を用いて形成する技術を提案している。再配置をＢＬＭ膜を用いて行えば、従来のフォトマスク・パターンの変更のみで対応できるので工程数が増加せず、コストや製造効率の面で非常に都合が良い。
【０００９】
図１６に、ハンダ・ボールが再配置されたＬＳＩチップの一部を示す。なお、この図に示すＬＳＩチップを構成する各材料膜の積層関係は、前掲の図１５における積層関係とほぼ同じである。ただし、図中の符号には必要に応じ、定位置に関連する構造には添字ａ、再配置に関連する構造には添字ｂを付す。
このデバイス・チップ上では、ある１辺に沿ってＡｌ電極パッド１２ａ，１２ｂが配列されている。これらＡｌ電極パッド１２ａ，１２ｂは、この上に開口１３ａを有するＳｉＮパッシベーション膜１３、および上記開口１３ａのさらに内部に開口１４ａを有する１層目ポリイミド膜１４に順次被覆され、該開口１４ａの内部でＢＬＭ膜１６に接続されている。ただし、このＢＬＭ膜には２種類ある。すなわち、Ａｌ電極パッド１２ａの直上領域のみにパターニングされている定位置用のＢＬＭ膜１６ａと、Ａｌ電極パッド１２ｂの直上領域外にまで延在されている再配置用のＢＬＭ膜１６ｂである。
【００１０】
かかるウェハの全面はさらに、図中破線で示す２層目ポリイミド膜１７で被覆され、この２層目ポリイミド膜１７には定位置用の開口１７ａと再配置用の開口１７ｂとが形成される。これら開口１７ａ，１７ｂの内部で定位置用のハンダ・ボール１９ａｒと再配置用のハンダ・ボール１９ｂｒとがそれぞれＢＬＭ膜１６ａ，１６ｂを介してＡｌ電極パッド１２ａ，１２ｂに接続される。このようなレイアウトによれば、加熱溶着を行った際にもハンダ・ボール同士が接触することがない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の再配置を実際に行うプロセスでは、ＢＬＭ膜１６ａ，１６ｂとハンダ・ボール１９ａ，１９ｂとの間のコンタクト不良および接着不良が、新たな問題として浮上してきた。この問題は、２層目ポリイミド膜１７の開口不良に起因するものである。
上記２層目ポリイミド膜１７の構成材料としては、一般に感光性ポリイミド樹脂が用いられており、そのパターニングは通常のレジスト・プロセスと同様、フォトリソグラフィと現像処理を経て行われている。しかし、２層目ポリイミド膜１７はＬＳＩの内部に形成される絶縁膜とは異なり数μｍオーダーの厚みを有しているため、作業環境や処理条件のわずかな変動でも解像不良や現像不良を生ずることがある。
【００１２】
図１７に、かかる解像不良や現像不良に起因して開口１７ａ，１７ｂの内部に残渣１７ｓが発生した状態を示す。この図は、図１６のＡ−Ａ線断面図である。このような残渣１７ｓを残した状態では、開口１７ａ，１７ｂの内部でＢＬＭ膜１６ａ，１６ｂとハンダ・ボール１９ａｒ，１９ｂｒとが全面的に接触することができず、電気的コンタクトが劣化する。また、ＢＬＭ膜１６ａ，１６ｂとハンダ・ボール１９ａｒ，１９ｂｒとの間の接着強度も低下するため、フリップ・チップ・ボンディング法による組立製品のハンダ接合部の強度が確保できず、製品の信頼性や耐久性に悪影響が及ぼされる。
【００１３】
そこで、この残渣１７ｓを除去することが必要となる。この除去は、前述のＡｌ電極パッド１２の露出面に対する前処理と同様、Ａｒ⁺ イオンを用いたスパッタ・エッチングにより行われる。ここで、通常の有機材料膜の代表的な除去方法であるＯ₂ プラズマ・アッシングを行わないのは、ＢＬＭ膜１６ａ，１６ｂ表面酸化を避けるためである。
しかしながら、上記２層目ポリイミド膜１７の残渣１７ｓは発生量そのものが比較的多く、このように大量の残渣１７ｓを伴ったウェハに対するスパッタ・エッチングを同一のプラズマ装置内で繰り返してゆくと、スパッタされたポリイミド膜がプラズマ・チャンバの内壁面やウェハ・ステージの周辺に再付着し、ウェハ処理枚数を重ねるにしたがって蓄積されてしまう。これらのチャンバ内再付着物は、イン・プロセスで除去することは極めて困難である。
【００１４】
このようなプラズマ・チャンバの汚染は、プラズマの安定放電を妨げる原因となることが知られている。実際、上述のように大量の再付着物が発生したプラズマ・チャンバ内では、スパッタ・エッチングのためのプラズマ放電を１回行うごとに、プラズマの状態はすべて微妙に異なることになる。
プラズマ状態の変化は、インピーダンス変化となって観測される。一般にプラズマ装置では、電源からチャンバへ向かって印加された進行波の出力に対して、プラズマ・チャンバから電源へ戻る反射波の電力を最小限に調整することが望ましく、このように調整された状態をインピーダンスが整合（マッチング）された状態と称している。近年のプラズマ装置には、ＲＦ電源あるいはマイクロ波電源と負荷（すなわちプラズマ・チャンバ）との間にインピーダンス整合器（マッチング回路）が接続されており、上述のような整合を自動的に行う（オートチューニング）ようになされているのが普通である。
【００１５】
しかしながら、上述のように絶縁性の再付着物が大量にプラズマ・チャンバ内に堆積していると、特にプラズマ放電開始時においてインピーダンスの変動が大きくなり易く、装置のオートチューニング機能による可調整範囲を超えてしまうことが少なくない。このような場合には、プラズマ放電のスムースな立ち上がりが著しく阻害される。また、仮にプラズマ放電が開始されたとしても初期の放電状態が不安定なために、残渣１７ｓのスパッタ除去速度にウェハ間あるいはウェハ内でのばらつきが生じてしまう。この結果、仕上がりのハンダ・ボール１９ａｒ，１９ｂｒとＢＬＭ膜１６ａ，１６ｂとの電気的コンタクトや接着強度の再現性が損なわれることになる。
【００１６】
頻繁にプラズマ・チャンバを大気開放して手作業による清掃を行えば上述のような不都合が避けられるとも言えるが、メンテナンス所要時間が著しく増大して半導体装置のスループットの大幅な低下につながるため、現実的な手法ではない。したがって、相当量のポリイミド膜がプラズマ・チャンバ内に蓄積されても、実用上許容されるスループットと製造歩留りを維持できる範囲でプラズマ放電を繰り返さざるを得ないのが現状である。
そこで本発明は、プラズマ・チャンバ内にある程度の堆積物が存在する状態でも安定したプラズマ放電を開始・継続させることにより、残渣を再現性良く除去し、最終的にはハンダ・ボールとＢＬＭ膜とのコンタクトや接着性を改善して信頼性と歩留りに優れるＬＳＩ実装製品を提供することが可能なプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理方法は、プラズマ励起用電源と基板バイアス印加用電源とを独立に備えるプラズマ装置のプラズマ・チャンバ内に被処理体を保持し、該被処理体上の残渣をＡｒを用いたスパッタ・エッチングにより除去する際に、第１工程でプラズマ励起用電源の出力を段階的に増加させてプラズマ放電状態を安定化させた後、第２工程でプラズマ励起用電源の出力を第１工程における到達出力以上の値に維持しながらスパッタ・エッチングを行うことで、上述の目的を達成しようとするものである。
【００１８】
このときの基板バイアス印加用電源の出力は、（ａ）第１工程ではゼロ、第２工程ではゼロより高い所定値に維持するか、あるいは（ｂ）第１工程ではゼロから段階的に増加させ、第２工程では該第１工程における到達出力以上の値に維持するか、のいずれかの設定とすることができる。すなわち、上記バイアス印加用電源の出力をゼロから段階的に増大させ始めるタイミングが、上記（ａ）の方法ではプラズマ励起用電源の出力を増大させ終わった後となり、上記（ｂ）の方法ではプラズマ励起用電源の出力の増大とある程度連動することとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
プラズマ励起用電源とバイアス印加用電源を独立に備えるプラズマ装置では、バイアス印加用電源の出力を一定としてプラズマ励起用電源の出力を段階的に増大させると、プラズマ密度が段階的に増大する。一方、プラズマ励起用電源の出力を一定としてバイアス印加用電源の出力を段階的に増大させると、プラズマ密度はあまり変化しないものの、被処理体に対するイオンの入射エネルギーが増大する。
本発明のプラズマ処理方法は、プラズマ装置の上述のような特性を利用する。すなわち、第１工程ではプラズマ励起用電源の出力を段階的に増大させることによりプラズマ密度の急激な上昇を防いで初期のプラズマ放電状態を安定化させ、続く第２工程ではバイアス印加用電源の出力を段階的に増大させることでイオン入射エネルギーを高め、安定なプラズマ状態の下で実質的なスパッタ・エッチングを進行させる。これにより、残渣のスパッタ・エッチングに伴ってプラズマ・チャンバ内にある程度の堆積物が蓄積された状態であっても、再現性の高い残渣の除去を行うことが可能となる。
【００２０】
したがって本発明では、バイアス印加用電源の出力をゼロから段階的に増大させ始めるタイミングにより、プラズマ処理の機構は若干異なったものとなる。すなわち、前述（ａ）の方法では、プラズマが十分に高密度化された時点でイオンが被処理体に向けて引き出されるので、高密度の高エネルギー・イオンを利用しながらスパッタ・エッチングが行われる。一方、前述（ｂ）の方法では、プラズマを高密度化する過程でもイオンが少しずつ引き出されるので、イオンのエネルギーと密度の双方を段階的に高めながらスパッタ・エッチングが行われる。
なお、上述のような制御は、たとえば従来の平行平板型プラズマ装置やマグネトロン型プラズマ装置のようにバイアス印加用電源を独立に持たず、プラズマ励起用電源の出力の変化に応じてプラズマ密度と被処理体へのイオン入射エネルギーが連動して変化してしまうような装置では行うことができない。
【００２１】
ところで、プラズマ励起と基板バイアスとを独立に制御可能なプラズマ装置は、一般に高密度プラズマ装置でもあり、たとえば有磁場マイクロ波プラズマ装置、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）装置、ヘリコン波プラズマ装置がこれに該当する。有磁場マイクロ波プラズマ装置では１０¹¹／ｃｍ³ 、誘導結合プラズマ装置では１０¹²／ｃｍ³ 、ヘリコン波プラズマ装置では１０¹³／ｃｍ³ の各オーダーのプラズマ密度をそれぞれ励起可能である。
これらのプラズマ装置は、電場と磁場との相互作用により電子とガス分子の衝突確率を高める機構を備えているので、低ガス圧下でも大量の活性種を生成でき、しかもこの活性種の平均自由行程が長いのでウェハに入射するイオンの散乱が少ないというメリットを有する。
なお、励起されるプラズマの種類は、有機保護膜の残渣を除去するに十分なイオン入射エネルギーを得ることができ、かつイオン入射面の形状や性質に悪影響を与えないものとする。典型的にはＡｒプラズマが好適である。
【００２２】
本発明で除去すべき残渣は、あらゆる種類の残渣であって良いが、特にプラズマ・チャンバ内に再付着物として蓄積されるとイン・プロセスではなかなか除去されにくい有機保護膜由来の残渣を対象とした場合に、本発明が極めて有効となる。
この有機保護膜とは、たとえば被処理体上に形成されるデバイス・チップのハンダ・ボール配列面を被覆し、該デバイス・チップの電極パッドに接続される下地金属膜パターンのハンダ・ボール被着部位を露出させる開口を有する膜である。
【００２３】
また、上記下地金属膜パターンの典型例はＢＬＭ膜である。このＢＬＭ膜をハンダ・ボールの再配置にも用いる場合には、該ＢＬＭ膜がデバイス・チップの電極パッドの直上領域外へも延在されているので、ハンダ・ボール被着部位を露出させる開口は電極パッドの直上領域のみならず、ＢＬＭ膜の延在部にも形成されることになる。
【００２４】
特に、上記有機保護膜として感光性の膜を使用した場合には、開口の形成はフォトリソグラフィおよび現像処理により行うことになるが、再配置用の開口を延在部に形成する場合には、特に有機保護膜の残渣が発生しやすい。これは、再配置用の開口がデバイス・チップ周辺部の電極パッド上の開口と異なり素子形成領域上に形成されるために、下地の凹凸の影響を受けやすいこと、また特に有機保護膜としてポリイミド膜を使用した場合には、この膜がＢＬＭ膜を構成するＣｕ膜と反応して不溶化する傾向があるからである。
したがって、本発明はデバイス・チップ上の定位置にのみハンダ・ボールを配置する場合の残渣の除去にももちろん有効であるが、ハンダ・ボールを再配置する場合に大量に発生する残渣の除去に極めて好適である。
【００２５】
なお、上記有機保護膜としては、たとえばポリイミド系樹脂，ポリテトラフルオロエチレン誘導体、フッ化ポリアリルエーテル誘導体、ポリ−ｐ−フッ化キシレン等、層間絶縁膜材料として近年提案されている低誘電率の材料膜を用いることができる。中でもポリイミド系樹脂膜は、耐熱性が４００℃以上と高いことから目下のところ最も広く用いられている材料であるが、耐熱性、耐湿性、耐クラック性、平坦化性に優れ、熱膨張係数が小さく、さらに好ましくは不純物ゲッタリング特性も備えた有機材料を適宜選択して用いることができる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００２７】
実施例１
ここでは、ハンダ・ボール再配置用のＢＬＭ膜を被覆する２層目ポリイミド膜に開口を形成し、この開口内に発生した残渣を有磁場マイクロ波プラズマ装置とＡｒガスを用いたスパッタ・エッチングにより除去するプロセスについて、図１ないし図１１を参照しながら説明する。なお、これらの図面はいずれも、前掲の図１６のＡ−Ａ線断面に相当する部分を表している。また、符号の添字ａは定位置に関連する部分、添字ｂは再配置に関連する部分にそれぞれ付した。
【００２８】
まず、図１に示されるように、すべての素子形成が終了した基板１上でＡｌ電極パッド２ａ，２ｂのパターニングを行い、続いて基体の全面をたとえばプラズマＣＶＤ法により成膜されるＳｉＮパッシベーション膜３で被覆し、さらにこの膜をパターニングして上記Ａｌ電極パッド２ａ，２ｂを露出させるように開口３ａ，３ｂをそれぞれ形成した。この状態が、通常のデバイス・チップの完成状態である。なお、上記Ａｌ電極パッド２ａは前掲の図１にも示したごとく、後工程においてその直上領域（定位置）にハンダ・ボールが形成されるパッドであるが、Ａｌ電極パッド２ｂは直上領域外にハンダ・ボールが形成されるパッドである。
【００２９】
次に、図２に示されるように、基体（ウェハ）の全面に感光性のポリイミド膜（東レ社製：商品名ＵＲ−３１００，比誘電率ε≒３．２）を約５μｍの厚さに塗布し、１層目ポリイミド膜４を形成した。次に、ｇ線によるフォトリソグラフィと現像処理とを経て該１層目ポリイミド膜４をパターニングし、上記Ａｌ電極パッド２ａ，２ｂを露出させるための開口４ａ，４ｂをそれぞれ形成した。これら開口４ａ，４ｂは、先に形成されたＳｉＮパッシベーション膜３の開口３ａ，３ｂの内部に開口されており、Ａｌ電極パッド２ａ，２ｂと後工程において形成されるＢＬＭ膜とのコンタクト面積を規定するものである。
なおこのとき、上記開口４ａ，４ｂの内部には、ポリイミド膜の残渣が４ｓが残存した。この残渣４ｓは実際には数１０から数１００ｎｍ程度の厚さに残存するものであり、露光・現像後のキュアにより最終的に約２μｍの厚さとなった１層目ポリイミド膜４と比較すると、図２では誇張して図示されている。
【００３０】
次に、図３に示されるように、通常のレジスト塗布、フォトリソグラフィおよび現像を行い、レジスト・パターン５を形成した。このレジスト・パターン５には、定位置用のＢＬＭ膜（図５の符号６ａ）の被着部位を規定するためにＡｌ電極パッド２ａに臨んで形成される開口５ａと、再配置用のＢＬＭ膜（図５の符号６ｂ）の被着部位を規定するためにＡｌ電極パッド２ｂに臨んで形成される開口５ｂとを有している。
【００３１】
次に、上記のウェハを平行平板型プラズマＲＩＥ装置に搬入し、Ａｒスパッタ・エッチングによる前処理を行った。この前処理は本来、Ａｌ電極パッド２ａ，２ｂの表面の自然酸化膜を除去する目的で行われるものであるが、図４に示されるように、上記残渣４ｓの除去も兼ねている。前処理条件は、たとえば下記のとおりとした。
装置 平行平板型ＲＦプラズマ装置
Ａｒ流量 ２５ ＳＣＣＭ
圧力 １．０ Ｐａ
ＲＦパワー ３００ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
ウェハ温度 室温
処理時間 １８０ 秒
【００３２】
次に、上記Ａｌ電極パッド２ａ，２ｂの表面に自然酸化膜を再成長させないようにウェハを真空下でＤＣスパッタリング装置に搬送し、ここで直ちにＣｒ膜（厚さ約０．１μｍ），Ｃｕ膜（厚さ約１．０μｍ），Ａｕ膜（厚さ約０．１μｍ）を順次スパッタリング成膜した。このときの成膜条件は、たとえば以下のとおりとした。

【００３３】
このスパッタリングにより、図５に示されるように、ＢＬＭ膜が形成された。ただし、スパッタリングではスパッタ粒子の入射方向が基板面に対して狭い範囲に規定されているために、レジスト・パターン５の側壁面にはＢＬＭ膜が付着しない。したがって、Ａｌ電極パッド２ａには定位置用のＢＬＭ膜６ａ、Ａｌ電極パッド２ｂには再配置用のＢＬＭ膜６ｂがそれぞれ被着されるが、これらはいずれもレジスト・パターン５上のＢＬＭ膜６ｃとは自己整合的に分断された。なお、ＢＬＭ膜６ｃは不要部である。
【００３４】
次に、このウェハをレジスト剥離液に浸して加熱揺動処理を行った。このレジスト剥離液は、たとえばジメチルスルフォキシド（ＤＭＳＯ）とＮ−メチル−２−２−ピロリドン（ＣＨ₃ ＮＣ₄ Ｈ₆ Ｏ）とを混合したものである。この結果、図６に示されるように、レジスト・パターン５の剥離に伴ってその上に堆積した不要なＢＬＭ膜６ｃが一緒に除去され、Ａｌ電極パッド２ａ，２ｂに接続するＢＬＭ膜６ａ，６ｂのみが残った。
【００３５】
この後は、ハンダ・ボールの形成工程に入る。すなわち、まず図７に示されるように、ウェハの全面に厚さ約５μｍの２層目ポリイミド膜７を成膜した。この２層目ポリイミド膜７を前述の１層目ポリイミド膜４の場合と同様にフォトリソグラフィと現像処理を経てパターニングし、ハンダ・ボールの形成部位を規定するための開口７ａ，７ｂを形成した。ここで、上記開口７ａは定位置用に形成されるものであり、Ａｌ電極パッド２ａの直上領域でＢＬＭ膜６ａを露出させるごとく形成される。これに対し、開口７ｂは、Ａｌ電極パッド２ｂの直上領域外においてＢＬＭ膜６ｂを露出させるごとく形成される。
ただし、２層目ポリイミド膜７のフォトリソグラフィは前述の１層目ポリイミド膜４の場合よりもウェハの表面段差が大きい条件で行われるため、その解像特性の局所変動も大きく、残渣７ｓが発生しやすくなる。
【００３６】
そこで、発散磁界型の有磁場マイクロ波プラズマ装置を用いたスパッタ・エッチングによる上記残渣７ｓの除去を試みた。この除去は、マイクロ波出力の異なる２段階の下位工程からなる第１工程と、この第１工程に比べてＲＦバイアス・パワーを増加させた第２工程とからなる。各工程におけるプラズマ処理条件は、一例として下記のように設定した。
【００３７】
〔第１工程の第１段階〕
Ａｒ流量 ４０ ＳＣＣＭ
圧力 ０．２７ Ｐａ（＝２ ｍＴｏｒｒ）
マイクロ波出力 ６５０ Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアス出力 ０ Ｖ（１３．５６ＭＨｚ）
ウェハ温度 ９０ ℃
処理時間 ５ 秒
〔第１工程の第２段階〕
Ａｒ流量 ４０ ＳＣＣＭ
圧力 ０．２７ Ｐａ
マイクロ波出力 ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアス出力 ０ Ｖ（１３．５６ＭＨｚ）
ウェハ温度 ９０ ℃
処理時間 ５ 秒
〔第２工程〕
Ａｒ流量 ４０ ＳＣＣＭ
圧力 ０．２７ Ｐａ
マイクロ波出力 ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアス出力 １００ Ｖ（１３．５６ＭＨｚ）
ウェハ温度 ９０ ℃
処理時間 ４０ 秒
【００３８】
上記第１工程の第１段階から第２段階にかけては、マイクロ波出力を増加させている。このとき、ラングミュア・プローブやインピーダンス整合器（この場合はマイクロ波自動整合器）を用いて負荷の状態を測定すると、電子温度はあまり変化しないがプラズマ密度は増加し、またリアクタンス（すなわちインピーダンスの虚数部）が増大していた。つまり、プラズマ密度の増加によってウェハＷ表面のイオン・シースが薄くなったのである。ここまでの段階では、ウェハＷ表面の残渣７ｓはほとんど除去されないが、プラズマ密度を段階的に上昇させることで安定な放電の開始および継続が実現された。
続く第２工程では、マイクロ波出力はそのままにＲＦバイアス出力を増大させている。この工程では、プラズマ密度や電子温度はほとんど変化しないが、リアクタンスが減少していた。つまり、ウェハ・ステージとプラズマとのポテンシャル差が大きくなり、イオン・シースが厚くなったのである。これにより、イオン・シースの直流電界により加速されるイオンの入射エネルギーが増大し、実質的なスパッタ・エッチングが進行した。
【００３９】
この結果、図８に示されるように残渣７ｓが除去され、ＢＬＭ膜６ａ，６ｂの清浄な表面が露出した。
なお、上記有磁場マイクロ波プラズマ装置では上述のようなスパッタ・エッチングを多数枚のウェハＷについて繰り返すことになるが、残渣７ｓに由来するプラズマ・チャンバ内の堆積物の多少の蓄積で従来のように直ちにプラズマ放電状態が不安定化することはなくなる。したがって、従来に比べてメンテナンス・サイクルを大幅に引き延ばしても、残渣除去量のウェハ内ばらつき、ウェハ間ばらつきを共に抑えることができた。
【００４０】
次に、上記ウェハの全面にレジスト膜を形成し、ハンダ膜の被着部位を規定するためのレジスト・パターニングを行った。このパターニングにより、図９に示されるように、上記開口７ａ，７ｂを含み、これらより十分に大きい開口８ａ，８ｂを有するレジスト・パターン８を形成した。なお、このレジスト・パターン８の膜厚は、次工程においてハンダ膜を分断させるに十分な厚さとした。
続いて、ウェハの全面にハンダ膜（９７％Ｐｂ−３％Ｓｎ）を蒸着させた。これにより、開口８ａの内部にてＢＬＭ膜６ａに接続するハンダ膜９ａ、開口８ｂの内部にてＢＬＭ膜６ｂに接続するハンダ膜９ｂが形成されたが、この両者はレジスト・パターン８上に被着された不要なハンダ膜９ｃとは自己整合的に分断されていた。
なお、ハンダ膜の成膜は上述のような蒸着に限られず、電界メッキにより行っても良い。
【００４１】
このウェハを再びレジスト剥離液に浸して加熱揺動処理を行い、レジスト・パターン８と不要なハンダ膜９ｃを除去すると、図１０に示されるように、定位置用のハンダ膜９ａと再配置用のハンダ膜９ｂのみが残された状態となった。
この後、いわゆるウェットバック工程を経てハンダ・ボールを形成した。すなわち、まずパターニングされたハンダ膜９ａ，９ｂにフラックスを塗布した。このフラックスは、アミン系活性剤，アルコール系溶媒，ロジン，およびポリグリコール等の樹脂を主成分とし、ハンダ膜９ａ，９ｂの還元および表面活性化作用を有するものである。この状態のウェハをＮ₂ 雰囲気下で段階的に昇温すると、ハンダ膜９ａ，９ｂは溶融しながら自身の表面張力で球状に収縮した。この結果、図１１に示されるように、ＢＬＭ膜６ａ上には定位置のハンダ・ボール９ａｒ、ＢＬＭ膜６ｂ上には再配置されたハンダ・ボール９ｂｒとが形成された。
【００４２】
この後、上記ウェハをダイシングして個々のチップに分割し、上記のハンダ・ボール９ａｒ，９ｂｒと、予め予備ハンダ付けされた実装基板上の導体パターンとを位置合わせしながら加熱溶着させることにより、ＬＳＩチップの実装を完了した。このようにして完成された組立製品は、ハンダ接合部に十分な強度が確保されているため、信頼性、耐久性、歩留りに優れていた。
【００４３】
実施例２
本実施例では、２層目ポリイミド膜７に開口７ａ，７ｂを形成した後の残渣７ｓの除去を、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）装置を用いたスパッタ・エッチングにより行った。
ここでＩＣＰ装置とは、プラズマ・チャンバ内の上蓋を兼ねる上部電極（アノード）とウェハ・ステージを兼ねた下部電極（カソード）とが対向配置され、プラズマ・チャンバの側壁面の一部を構成する絶縁壁の外周をマルチターン・アンテナで周回したものである。上記マルチターン・アンテナにプラズマ励起用のＲＦ電源、下部電極に基板バイアス印加用のＲＦ電源がそれぞれ接続され、プラズマ密度と基板バイアスとが独立に制御可能となされている。
【００４４】
本実施例において、開口７ａ，７ｂを形成するまでの工程は、実施例１で述べたとおりである。次に、発生した残渣７ｓを除去するため、ＩＣＰ装置を用いたスパッタ・エッチングによる上記残渣７ｓの除去を試みた。この除去は、ソース出力とＲＦバイアス出力の異なる２段階の下位工程からなる第１工程と、この第１工程に比べてソース出力とＲＦバイアス出力をさらに増加させた第２工程とからなる。各工程におけるプラズマ処理条件は、一例として下記のように設定した。
【００４５】
〔第１工程の第１段階〕
Ａｒ流量 ３０ ＳＣＣＭ
圧力 ０．１３ Ｐａ
ソース出力 ５００ Ｗ（４５０ ｋＨｚ）
ＲＦバイアス出力 ０ Ｖ（１３．５６ ＭＨｚ）
ヒータ設定温度 ９０ ℃
処理時間 ５ 秒
〔第１工程の第２段階〕
Ａｒ流量 ３０ ＳＣＣＭ
圧力 ０．１３ Ｐａ
ソース出力 ７５０ Ｗ（４５０ ｋＨｚ）
ＲＦバイアス出力 ５０ Ｖ（１３．５６ＭＨｚ）
ウェハ温度 ９０ ℃
処理時間 ５ 秒
〔第２工程〕
Ａｒ流量 ３０ ＳＣＣＭ
圧力 ０．１３ Ｐａ
ソース出力 １０００ Ｗ（４５０ ｋＨｚ）
ＲＦバイアス出力 １００ Ｖ（１３．５６ＭＨｚ）
ウェハ温度 ９０ ℃
処理時間 ４０ 秒
【００４６】
本実施例におけるソース出力とＲＦバイアス出力の段階的増加による効果はほぼ実施例１で述べたとおりであるが、上記の条件設定では基板バイアス印加を第１工程の第２段階から開始している。つまり、プラズマ密度が最高値に達する以前で既にプラズマ中のイオンをウェハＷへ向けて加速しているが、ＩＣＰ装置は本来的に高いプラズマ密度を達成可能な装置なので、この段階からスパッタ・エッチングが可能となる。
比較のために、同じＩＣＰ装置を用いてＲＦバイアス出力を上記第１工程の第２段階では０Ｖ、第２工程で初めて１００Ｖとする条件で同様の残渣７ｓの除去を行ったが、上述の本実施例の方がトータルのプラズマ処理時間を短縮することができ、スループットの観点から有利であった。
本実施例でも、図８に示されるように、残渣７ｓが除去され、ＢＬＭ膜６ａ，６ｂの清浄な表面を露出させることができた。
以降の工程は実施例１と同様に行い、最終的には再現性および信頼性の高いＬＳＩチップの実装を完了し、組立製品を歩留り良く得ることができた。
【００４７】
以上、本発明を２例の実施例にもとづいて説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。たとえば、使用するサンプル・ウェハの構成、成膜条件、各材料膜の種類や膜厚、使用するプラズマ装置、スパッタ・エッチング条件等の細部は適宜変更、選択、組合せが可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によればプラズマ・チャンバ内で被処理体上の残渣をスパッタ・エッチングにより除去する際の、プラズマ放電の開始および継続が安定化される。特に、上記残渣がデバイス・チップのハンダ・ボール配列面を被覆するポリイミド膜に由来する場合、その中でも特にハンダ・ボールの再配置をＢＬＭ膜を用いて行うためにポリイミド膜が２層用いられている場合に、本発明はポリイミド膜の残渣を高い再現性と均一性をもって除去することができる。したがって、本発明によりハンダ・ボールとＢＬＭ膜との密着性が向上し、最終的にはこのハンダ・ボールが配列されたデバイス・チップを実装基板上に実装して得られる組み立て品の信頼性、耐久性、歩留りを大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したプロセス例において、基板上でＡｌ電極パッドとＳｉＮパッシベーション膜とをパターニングした状態を示す模式的断面図である。
【図２】図１の基体上で１層目ポリイミド膜をパターニングし、Ａｌ電極パッドに臨む開口を形成した状態を示す模式的断面図である。
【図３】スパッタ・エッチングにより図２の残渣を除去した状態を示す模式的断面図である。
【図４】図３の基体上でＢＬＭ膜の被着部位を規定するためのレジスト・パターニングを行った状態を示す模式的断面図である。
【図５】図４の基体上にＢＬＭ膜を被着させた状態を示す模式的断面図である。
【図６】図５のレジスト・パターンをリフトオフし、ＢＬＭ膜の不要部を除去した状態を示す模式的断面図である。
【図７】図６の基体上でハンダ・ボールの形成部位を規定するための２層目ポリイミド膜のパターニングを行い、残渣が生じた状態を示す模式的断面図である。
【図８】スパッタ・エッチングにより図７の残渣を除去した状態を示す模式的断面図である。
【図９】図８の基体上でハンダ膜の被着部位を規定するためのレジスト・パターニングを行い、さらにハンダ膜を蒸着した状態を示す模式的断面図である。
【図１０】図９のレジスト・パターンをリフトオフし、ハンダ膜の不要部を除去した状態を示す模式的断面図である。
【図１１】基板加熱によりハンダ・ボールを形成した状態を示す模式的断面図である。
【図１２】ハンダ・ボールの再配置を行わない従来プロセスにおいて、Ａｌ電極パッド、ＳｉＮパッシベーション膜および１層目ポリイミド膜をパターニングした状態を示す模式的断面図である。
【図１３】図１２の基体上にＢＬＭ膜を被着させた状態を示す模式的断面図である。
【図１４】図１３のＢＬＭ膜上でハンダ膜をパターニングした状態を示す模式的断面図である。
【図１５】基板加熱によりハンダ・ボールを形成した状態を示す模式的断面図である。
【図１６】ＬＳＩチップ上でハンダ・ボールを再配置した状態を示す斜視図である。
【図１７】ハンダ・ボールの再配置を行う従来プロセスにおいて、２層目ポリイミド膜のパターニング後に残渣が発生した状態を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１…基板 ２ａ，２ｂ…Ａｌ電極パッド ３…ＳｉＮパッシベーション膜 ４…１層目ポリイミド膜 ４ｓ…残渣 ６ａ…ＢＬＭ膜（定位置用） ６ｂ…ＢＬＭ膜（再配置用） ７…２層目ポリイミド膜 ７ａ，７ｂ…開口 ７ｓ…残渣
９ａ，９ｂ…ハンダ膜（ハンダ・ボール形成用） ９ａｒ…ハンダ・ボール（定位置） ９ｂｒ…ハンダ・ボール（再配置）

Claims (9)

1. プラズマ励起用電源と基板バイアス印加用電源とを独立に備えるプラズマ装置のプラズマ・チャンバ内に被処理体を保持し、該被処理体上の残渣をＡｒを用いたスパッタ・エッチングにより除去するプラズマ処理方法であって、
   前記プラズマ励起用電源の出力を段階的に増加させながらプラズマ放電状態を安定化させる第１工程と、
   前記プラズマ励起用電源の出力を前記第１工程における到達出力以上の値に維持しながらスパッタ・エッチングを行う第２工程とを有する
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 前記基板バイアス印加用電源の出力を、前記第１工程ではゼロ、前記第２工程ではゼロより高い所定値に維持することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
3. 前記基板バイアス印加用電源の出力を、前記第１工程ではゼロから段階的に増加させ、前記第２工程では該第１工程における到達出力以上の値に維持することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
4. 前記スパッタ・エッチングは、１×１０¹⁰／ｃｍ³ 以上、１×１０¹⁴／ｃｍ³ 以下のプラズマ密度を達成可能なプラズマ装置を用いて行うことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記残渣が有機保護膜に由来することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
6. 前記有機保護膜が、前記被処理体上に形成されるデバイス・チップのハンダ・ボール配列面を被覆し、該デバイス・チップの電極パッドに接続される下地金属膜パターンのハンダ・ボール被着部位を露出させる開口を有する膜であることを特徴とする請求項５記載のプラズマ処理方法。
7. 前記下地金属膜パターンの一部は前記電極パッドの直上領域外への延在部を有し、前記ハンダ・ボール被着部位を露出させる開口が該延在部にも設けられていることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理方法。
8. 前記有機保護膜が感光性を有し、前記残渣はフォトリソグラフィおよび現像処理を経て該有機保護膜をパターニングした際に前記開口内に発生することを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理方法。
9. 前記有機保護膜がポリイミド系樹脂膜からなることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理方法。

Images