JP3800802B2 - バンプ製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、バンプ製造方法に関し、特に、ウエットバック技術を用いたはんだボールバンプの製造に適用して好適なものである。
【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、部品実装密度をいかに向上させるかが重要なポイントとなる。こと半導体集積回路（ＩＣ）の実装に関しても、従来のパッケージ実装の代替として、ベアチップを直接プリント配線基板にマウントするフリップチップ実装法など高密度実装技術の開発が盛んに行われている。
【０００３】
このプリップチップ実装法の一つに、ＩＣチップのアルミニウム（Ａｌ）電極パッド上に、はんだボールバンプを形成したものをプリント配線基板に実装する方法がある。このはんだボールバンプを所定のＡｌ電極パッド上に形成する方法としては、電解メッキ法を用いた方法があるが、この場合、成膜されるはんだ膜の厚さが、下地の表面状態や電気抵抗のわずかなばらつきによる影響を受けるため、チップ内で高さが均一に揃ったはんだボールバンプの形成を行うことは基本的に難しいという問題がある。
【０００４】
そこで、はんだボールバンプの高さのばらつきを抑制することができる方法として、真空蒸着法によるはんだ膜の成膜と、レジストパターンのリフトオフとを用いてはんだボールバンプを形成する方法がある。この方法を用いたはんだボールバンプの製造方法の一例を図４を参照しながら、以下に説明する。
【０００５】
すなわち、このはんだボールバンプの製造方法においては、まず、図４Ａに示すように、例えばシリコン（Ｓｉ）基板のような半導体基板１０１に回路素子などが形成されたウェハＷにおいて、半導体基板１０１上の所定部分に、スパッタリング法およびエッチング法により、Ａｌ−Ｃｕ合金からなる所定形状の電極パッド１０２を形成する。次に、ウェハＷの全面に、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜やポリイミド膜のような表面保護膜１０３を被覆した後、この表面保護膜１０３の電極パッド１０２上に対応する部分に開口１０３ａを形成する。
【０００６】
次に、ウェハＷの全面にスパッタリング法により、例えばクロム（Ｃｒ）膜、銅（Ｃｕ）膜および金（Ａｕ）膜を順次積層してＣｒ／Ｃｕ／Ａｕ膜を形成した後、このＣｒ／Ｃｕ／Ａｕ膜を所定形状にパターニングすることにより、このパターニングされたＣｒ／Ｃｕ／Ａｕ膜からなるＢＬＭ（Ball Limiting Metal ）膜１０４を形成する。このＢＬＭ膜１０４は、下地の電極パッド１０２と後に形成される上層金属膜との間の密着性の向上を図り、かつ、両者の間の相互拡散を防止するためのバリアメタルとしての役割を有する。
【０００７】
次に、図４Ｂに示すように、ウェハＷの全面にレジスト膜を形成した後、このレジスト膜をリソグラフィー法により所定形状にパターニングする。符号１０５は、これによって形成された所定形状のレジストパターンを示す。このレジストパターン１０５は、このＢＬＭ膜１０４上に対応する部分に所定の寸法の開口部１０５ａを有する。
【０００８】
次に、図４Ｃに示すように、ウェハＷの全面に真空蒸着法によりはんだ膜１０６を形成した後、図４Ｄに示すように、リフトオフ法により、レジスト膜１０５をその上のはんだ膜１０６と共に除去する。これにより、はんだ膜１０６の不要部分が除去され、はんだ膜１０６が所望の形状にパターニングされる。この後、熱処理を行ってはんだ膜１０６を溶融させることで、最終的に図４Ｅに示すように、ほぼ球状のはんだボールバンプ１０７を形成する。
【０００９】
ここで、熱処理によってはんだ膜１０６を球状に丸める工程は、通常、ウエットバックと呼ばれる。このウエットバック工程は、例えば窒素（Ｎ2 ）雰囲気中で、温度調節されたホットプレート上に順次ウェハＷを連続搬送してゆくことにより行われるのが一般的である。図５に、従来のはんだボールバンプの製造方法においてウエットバック工程に用いられる熱処理装置の構成の一例を示す。
【００１０】
図５に示すように、この熱処理装置においては、加熱処理室２０１の内部に、複数の熱処理部が直列に配置されている。各熱処理部は、例えば６インチウェハ対応のウェハステージ２０２ａ〜２０２ｄを有している。これらのウェハステージ２０２ａ〜２０２ｄは、それぞれ加熱手段としてのヒータ２０３ａ〜２０３ｄを内蔵している。これらの各熱処理部における温度は、ヒータ２０３ａ〜２０３ｄを用いてＰＩＤ（Proportional Integral and Differential）制御を行うことにより調整、維持される。また、加熱処理室２０１には、ウェハ搬入口の近傍にガス導入口２０４が設けられていると共に、ウェハ搬出口の近傍にガス排気口２０５が設けられ、これによって、ガス導入口２０４を通じて加熱処理室２０１の内部に窒素ガスのような雰囲気ガスを導入し、この雰囲気ガスをガス排気口２０５から排気することによって、加熱処理室２０１内の雰囲気制御が行われるようになっている。
【００１１】
また、この熱処理装置においては、図示省略したハンドラのようなウェハ搬送手段を用いることにより、ウェハカセット２０６からウェハＷを取り出し、このウェハＷをウェハ搬入口から加熱処理室２０１の内部に搬入し、各熱処理部において順次所定の熱処理を行った後、ウェハ搬出口からウェハＷを搬出してウェハカセット２０７に収納するという一連の操作が行われるようになっている。
【００１２】
ところで、上述の従来のはんだボールバンプの製造方法におけるウエットバック工程においては、はんだ膜１０６の表面に自然酸化膜（主に酸化すず）が厚く形成されている場合は、熱処理を行ってもはんだの溶融が均等に進まず、はんだボールバンプ１０７の形成がうまく行えなくなってしまうという問題がある。そのため、従来のはんだボールバンプの製造方法においては、リフトオフによりはんだ膜１０６をパターニングした後、ウエットバック工程によるはんだ膜１０６の加熱溶融処理を行う前に、通常、はんだ膜１０６の表面に、予め、還元作用や表面活性作用を有するフラックス（主成分は、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成分）を均一にコーティングするようにしている。そして、その状態から熱処理を行うことで、はんだの溶融および表面張力によりはんだが球状に丸まることを促進してやり、安定したはんだボールバンプ１０７の形成を実現している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術によるはんだボールバンプの製造方法のように、はんだボールバンプ形成の安定化のためにウエットバック工程においてフラックスを用いる場合、熱処理によってはんだボールバンプ１０７が形成された後のウェハＷ（図４Ｅ参照）に対して有機薬液洗浄を行い、フラックスを洗い落とす工程が行われる。しかしながら、このとき、熱処理中にフラックス内の有機成分が炭化してウェハ表面にこびり着いてしまっていたり、その洗浄方法が不適切だったりすると、フラックス内の固形分が洗浄後も除去しきれずに、これが残渣としてはんだボールバンプ１０７の表面やその近傍に残ってしまうことがあった。このため、従来のはんだボールバンプの製造方法においては、このフラックスに起因する残渣不良が頻繁に発生してしまうという問題があった。また、このようにしてはんだボールバンプが形成されたデバイスチップをプリント配線基板上にフリップチップ実装して製品の組み立てを行った場合、その製品の信頼性および耐久性の低下に繋がるという問題があった。
【００１４】
こうした中、フラックス残渣による不良発生やはんだボールバンプ中への不純物の取り込みを回避すべく、はんだボールバンプの製造方法において、フラックスフリーのウエットバック工程プロセスを確立することが切望されている。
【００１５】
したがって、この発明の目的は、フラックスを用いずとも安定にバンプ形成を行うことができ、しかも、高い信頼性を有するバンプを形成することができるバンプ製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明によるバンプ製造方法は、
金属膜が選択的に形成された基体に対して光照射を行うことにより金属膜の表面処理を行うと同時に、基体の表面にガス噴射ノズルからガスを吹きつけ、基体の表面からの離脱物を吸入ノズルにより吸引除去する工程と、
金属膜の加熱溶融処理を行うことによりバンプを形成する工程
とを有することを特徴とする。
この発明によるバンプ製造方法はまた、
金属膜が選択的に形成された基体に対して光照射を行うことにより金属膜の表面に熱膨張を生じさせて表面付着物を離脱させるとともに金属膜の表面の酸化物の除去および金属膜の表面の活性化を行う工程と、
金属膜の加熱溶融処理を行うことによりバンプを形成する工程
とを有することを特徴とする。
【００１７】
この発明においては、金属膜として、典型的には例えばはんだ膜が用いられる。
【００１８】
この発明において、金属膜の加熱溶融処理は、雰囲気中に残存する酸素や水分による金属膜の酸化を防止するために、減圧下（すなわち高真空下）および／または非酸化性ガス雰囲気中で行うようにすることが好ましい。ここで、非酸化性ガスとしては、例えば窒素（Ｎ2 ）ガスまたはアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスを用いることができるほか、例えば水素（Ｈ2 ）ガス、フッ化水素（ＨＦ）ガス、塩化水素（ＨＣｌ）ガスなどの還元性ガスを用いることができ、また、これらの不活性ガスおよび還元性ガスの混合ガスを用いることもできる。
【００１９】
この発明において、金属膜の表面処理は、加熱溶融処理を行う前の前処理として、表面の付着物や自然酸化膜の除去ならびに表面の活性化を目的として行われる処理である。この金属膜の表面処理を行った後、金属膜の加熱溶融処理を行うまでの間は、基体を大気にさらすことの無いように、例えば真空中または非酸化性ガス雰囲気中を搬送することが好ましい。
【００２０】
この発明において、金属膜の表面処理に用いられる光としては、好適には例えばレーザ光が用いられるが、自然放出光を用いることも可能である。光の照射エネルギーは、金属膜の表面に熱膨張を生じさせ有機物などからなる付着物や低級酸化物などからなる自然酸化膜を、金属膜の表面から解離させるのに十分で、かつ、金属膜を完全に溶融させたり基体にダメージを与えないような範囲に選ばれる。また、この光の波長帯域は、例えば真空紫外領域、紫外領域、可視領域、近赤外領域の何れであってもよいが、短波長化する程、したがって、フォトンエネルギーが高くなる程、金属膜の表面を活性化する効果が高まる。このため、金属膜の表面処理用の光としては、好適には例えばフォトンエネルギーが１ｅＶ以上の光が用いられ、より好適には真空紫外領域または紫外領域の光が用いられる。
【００２１】
上述のように構成されたこの発明によれば、金属膜の加熱溶融処理の前処理として、金属膜が選択的に形成された基体に対して光照射による金属膜の表面処理を行うようにしていることにより、このときの光の照射エネルギーを受けることによって、金属膜の表面層に極めて急激な熱膨張が起こり、表面付着物の離脱が促進され、また、フォトンエネルギーを受けることによって、金属膜の表面が還元状態になり低級酸化物のような酸化物が除去されると共に、金属膜の表面が活性化される。このように光照射による金属膜の表面処理を行うことにより、清浄で活性な金属面を有する金属膜が得られる。そして、この状態から金属膜の加熱溶融処理を行うことで、清浄で活性な表面状態から金属膜の溶融が始まるようになるため、フラックスを用いずとも安定にバンプ形成を行うことができる。この際、この加熱溶融処理を減圧下および／または非酸化性ガス雰囲気中で行うことにより、処理中に金属膜が酸化されることを効果的に防止することができる。その結果、フラックスに起因して従来多発していた残渣不良やバンプ中への不純物の取り込みの問題が解消され、高信頼性を有するウエットバックプロセスを確立することができるようになる。
【００２２】
また、高真空下であっても、雰囲気中に微量に残存している酸素や水分が、金属膜の溶融の際にその内部に取り込まれ、その結果、出来上がり後のバンプ内に局所的に酸化物や空孔が取り込まれることによって欠陥が生じることがあるが、金属膜の加熱溶融処理を少なくとも還元性ガスを含む雰囲気中で行う場合は、そのような残留酸素や残留水分による欠陥の発生を、ほぼ完全に防止することができる。また、この場合、この前処理として行われる光照射による金属膜の表面処理によって除去しきれなかったり、一度除去された後に再付着したような酸化物が極わずかに金属膜の表面に残存していたとしても、これを化学的に還元しながら金属膜の溶融が進行するようになり、より高い信頼性を有するバンプの形成が可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
まず、この発明の第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法について説明する。図１は、この第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法においてウエットバック工程に用いられる熱処理装置の一例を示す。この熱処理装置は、少なくとも被処理基板に対して光照射を行うことが可能な前処理室を具備し、かつ、減圧下で被処理基板の加熱処理を行うことが可能なものである。
【００２５】
すなわち、図１に示すように、この熱処理装置は、ロードロック室１、前処理室２、加熱処理室３およびロードロック室４を有している。そして、これらのロードロック室１、前処理室２、加熱処理室３およびロードロック室４が、それぞれ、ゲートバルブ５を介して直列に連結されている。また、符号６、７は、ウェハカセットを示す。なお、図示は省略するが、各室毎に真空ポンプのような真空排気装置が設けられ、これによって、各室毎に内部の真空排気が行われるようになっている。
【００２６】
前処理室２の内部には、例えば６インチウェハ対応のウェハステージ１１と、ウェハＷにレーザ光１２を照射するためのレーザ源（図示せず）とが互いに対向して設けられている。レーザ源としては、例えばＫｒＦエキシマレーザ（発振波長λ＝２４８ｎｍ）が用いられる。この場合、レーザ光１２はパルス光である。なお、このレーザ光１２は、例えばレンズにより集光されてウェハＷに照射される。ウェハステージ１１は、そのウェハ設置面と平行な方向に移動可能となっている。そして、ウェハＷを載せた状態でウェハステージ１１を平行移動させることにより、ウェハＷの全面に対して、レーザ光１２のビームスポットが所定のスキャン速度で照射されるようになっている。このウェハステージ１１の動きについては、例えば、レーザパルスと同期した制御が行われるようになっている。
【００２７】
この前処理室２の内部にはまた、ガス噴射ノズル１３および吸入ノズル１４が設けられている。そして、ガス噴射ノズル１３から例えばＮ2 ガスのような不活性ガスをジェットガス化したものをウェハＷの表面（特に、レーザ光１２の照射位置の近傍）に吹きつけてやり、レーザ光１２の照射によってウェハＷの表面から浮遊した離脱物１５（例えば表面に付着していた有機物や自然酸化膜）を吸入ノズル１４によって吸引、除去することにより、ウェハＷの表面からの離脱物１５の効果的な除去および離脱物１５の再付着の防止を実現している。なお、ガス噴射ノズル１３および吸入ノズル１４を用いたジェットガスの吹きつけのみによっても一定のクリーニング効果を得ることはできるが、ここでは、光照射およびジェットガスの吹きつけを併用することにより、より高いクリーニング効果を得るようにしている。
【００２８】
この前処理室２に隣接した加熱処理室３の内部には、温度設定を独立して行うことが可能な複数の熱処理部が直列に配列されている。前処理室２からこの加熱処理室３内に搬入されたウェハＷは、これらの熱処理部において順次所定の熱処理が行われた後、この加熱処理室３からロードロック室４に搬出されるように構成されている。
【００２９】
この加熱処理室３における各熱処理部は、例えば６インチウェハ対応のウェハステージ２１ａ〜２１ｄを有している。これらのウェハステージ２１ａ〜２１ｄは、それぞれ加熱手段としてのヒータ２２ａ〜２２ｄを内蔵している。また、各熱処理部には、ウェハステージ２１ａ〜２１ｄに対向して、加熱手段としての赤外線ランプ２３ａ〜２３ｄが設けられている。そして、各熱処理部の設定温度は、これらのヒータ２２ａ〜２２ｄと赤外線ランプ２３ａ〜２３ｄとの２系統の加熱手段を併用してＰＩＤ制御を行うことにより、精密かつ迅速に調整、維持されるようになっている。
【００３０】
また、この加熱処理室３には、前処理室２側のウェハ搬入口の近傍にガス導入口２４が設けられていると共に、ロードロック室４側のウェハ搬出口の近傍にガス排気口２５が設けられている。そして、ガス導入口２４を通じて、非酸化性ガスのような雰囲気ガスを加熱処理室３の内部に導入し、この雰囲気ガスをガス排気口２５から排気することによって、加熱処理室３内の雰囲気制御が行われる。加熱処理室３内の圧力は、これらのガス導入口２４およびガス排気口２５を通じたガスの供給速度と排気速度とのバランスに応じて決定される。
【００３１】
上述のように構成されたこの熱処理装置においては、図示省略したハンドラのようなウェハ搬送手段を用いることにより、ロードロック室１内に設置されたウェハカセット６からウェハＷを取り出して搬送してゆき、前処理室２および加熱処理室３において対応する処理を順次施した後、ロードロック室４内に設置されたウェハカセット７に収納するという一連の動作が行われるようになっている。
【００３２】
以下に、この発明の第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法について、図２を参照しながら説明する。
【００３３】
すなわち、この第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法においては、まず、図２Ａに示すように、例えばＳｉ基板のような半導体基板５１に回路素子などが形成されたウェハＷにおいて、半導体基板５１上の所定部分に、スパッタリング法およびエッチング法により、例えばＡｌ−Ｃｕ合金からなる所定形状の電極パッド５２を形成する。なお、この電極パッド５２の材料としては、Ａｌ−Ｃｕ合金以外のＡｌ合金や純Ａｌを用いてもよく、また、これら以外にも、例えば銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）またはこれらの合金を用いてもよい。
【００３４】
次に、ウェハＷの全面に、例えばＳｉＮ膜やポリイミド膜のような表面保護膜５３を被覆した後、この表面保護膜５３の電極パッド５２上に対応する部分に開口部５３ａを形成する。
【００３５】
次に、ウェハＷの全面にスパッタリング法により、例えばＣｒ膜、Ｃｕ膜およびＡｕ膜を順次積層してＣｒ／Ｃｕ／Ａｕ膜を形成した後、このＣｒ／Ｃｕ／Ａｕ膜を所定形状にパターニングすることにより、このパターニングされたＣｒ／Ｃｕ／Ａｕ膜からなるＢＬＭ膜５４を形成する。このＢＬＭ膜５４は、下地の電極パッド１０２と後に形成される上層金属膜との間の密着性の向上を図り、かつ、両者の間の相互拡散を防止するためのバリアメタルとしての役割を有する。
【００３６】
次に、図２Ｂに示すように、ウェハＷの全面にレジスト膜を形成した後、このレジスト膜をリソグラフィー法により所定形状にパターニングする。符号５５は、これによって形成された所定形状のレジストパターンを示す。このレジストパターン５５は、ＢＬＭ膜５４上に対応する部分に所定の寸法の開口部５５ａを有する。
【００３７】
次に、図２Ｃに示すように、ウェハＷの全面に真空蒸着法によりはんだ膜５６を形成した後、図２Ｄに示すように、リフトオフ法により、レジスト膜５５をその上のはんだ膜５６と共に除去する。これにより、はんだ膜５６の不要部分が除去され、はんだ膜５６が所望の形状にパターニングされる。
【００３８】
次いで、上述のようにはんだ膜５６のパターニングまで行った状態のウェハＷを図１に示した加熱処理装置に搬入し、前処理室２においてウェハＷに対して光照射による前処理を施した後、加熱処理室３において、例えば減圧下の非酸化性ガス雰囲気中ではんだ膜５６の加熱溶融処理を行う。
【００３９】
具体的には、大気圧に窒素パージされたロードロック室１内に、図２Ｄに示す状態のウェハＷを収納したウェハカセット６を設置した後、ロードロック室１内を真空排気する。このロードロック室１内の圧力と、これに隣接する前処理室２内の圧力とがある程度釣り合ったところで両者の間のゲートバルブ５を開けて、ウェハカセット６からウェハＷを取り出し、このウェハＷを真空排気された前処理室２内に搬入する。
【００４０】
この前処理室２においては、図３に示すように、ウェハＷのはんだ膜パターン形成面に、上方からレーザ光１２を照射することにより、はんだ膜５６の表面処理を行う。具体的には、一例として以下に示すプロセス条件で、溶融前のはんだ膜５６の表面処理を行う。すなわち、レーザ源としてＫｒＦエキシマレーザ（発光波長２４８ｎｍ）を用い、そのパルス周波数を５０Ｈｚ、パルス幅を１５ｍｓとし、１パルス当たりの照射エネルギー密度を１００〜１０００ｍＪ／ｃｍ2 、好適には１５０〜１０００ｍＪ／ｃｍ2 、具体的には４００ｍＪ／ｃｍ2 とする。また、ウェハステージ１１の移動によるスキャン速度を５０ｍｍ／ｓとし、この際、ウェハステージ１１の動きとレーザパルスとを同期させ、ウェハＷに一定のオーバーラップでレーザ光１２を照射して、例えば、１ショットあたりのパルス数を１または２以上とし、ショット繰り返し周波数を３０Ｈｚとして、ウェハＷの各部位に少なくとも３０ショットの光照射が行われるようにし、ウェハＷの面内で照射量がほぼ均一となるように、ウェハステージ１１の動きを制御する。また、このレーザ光１２の照射と同時に、ウェハＷの表面にガス噴射ノズル１３からジェットガスを吹きつけ、ウェハＷの表面からの離脱物１５、すなわち、レーザ光１２の照射を受けてはんだ膜の表面から浮遊した有機物などの付着物や低級酸化物からなる自然酸化膜を、吸入ノズル１４で吸引して除去することにより、高いクリーニング効果を得るようにしている。この場合、ウェハＷに吹きつけるジェットガスとして、例えばＮ2 のジェットガスを用い、その流量を例えば２０ｌ／ｓとする。
【００４１】
この結果、はんだ膜５６の表面に付着していた有機物や自然酸化膜が除去されて、はんだ膜５６に清浄なはんだ面が露出すると同時に、最表面のはんだ原子層は、約５ｅＶの高エネルギーのフォトンの作用を受けて化学的に活性な状態となる。
【００４２】
この前処理室２でのはんだ膜５６の表面処理を行った後、ウェハＷを真空搬送して、これに隣接する加熱処理室３にウェハＷを搬入し、この加熱処理室３において、減圧下で温度調節されているウェハステージ２１ａ〜２１ｄ上で、はんだ膜５６の加熱溶融処理を行う。このとき、出来上がり後のはんだボールバンプをより緻密なものに形成するため、および、急激な熱拡散によってバリアメタル（ＢＬＭ膜５４）との界面に欠陥が発生することを防止するために、各ウェハステージ２１ａ〜２１ｄの設定温度を互いに異なる値に設定し、段階的な昇温／降温を行うことにより、徐熱徐冷による熱処理を施す。具体的には、一例として以下のような条件で熱処理を行う。すなわち、雰囲気ガスとしてＮ2 ガスを用い、その流量を３５０ｓｃｃｍ、圧力を７５ｍＴｏｒｒ（１０Ｐａ）とし、ウェハステージ２１ａの設定温度を１５０℃、ウェハステージ２１ｂの設定温度を２５０℃、ウェハステージ２１ｃの設定温度を３５０℃、ウェハステージ２１ｃの設定温度を２００℃とする。また、各ウェハステージ２１ａ〜２１ｄにおけるウェハＷの保持時間（熱処理時間）は、例えば３０秒とする。
【００４３】
なお、この加熱処理室３の各熱処理部における熱処理は、ウェハステージ２１ａ〜２１ｄに内蔵されたヒータ２２ａ〜２２ｄ、ならびに、ウェハステージ２１ａ〜２１ｄに対向配置された赤外線ランプ２３ａ〜２３ｄによって、迅速かつ均一なウェハ温度制御が実現されている。また、この場合、ウェハステージ２１ｃの設定温度は、はんだ膜５６の融点以上とされ、このウェハステージ２１ｃにおける熱処理によって、実質的なはんだ膜５６の収縮が始まるようにされている。
【００４４】
上述のように、表面処理によってはんだ膜５６の表面が清浄化されているウェハＷに対して、減圧下の窒素雰囲気中で一連の加熱溶融処理を行った結果、図２Ｅに示すように、良好なはんだボールバンプ５７が形成される。
【００４５】
以降は、上述のようにしてはんだボールバンプ５７が形成されたウェハＷを、個別のデバイスチップに分割し、このＬＳＩチップを、はんだボールバンプ形成面が下側を向くようにしてプリント配線基板に対向配置する。そして、このプリント配線基板上の予備はんだ付けされた導体パターンとはんだボールバンプ５７とを、位置合わせした上で加熱溶着する。これにより、はんだボールバンプが形成されたデバイスチップのプリント配線基板へのフリップチップ実装が完了する。
【００４６】
以上のように、この第１の実施形態によれば、はんだ膜５６のパターニングまで行ったウェハＷに対して、光照射によるはんだ膜５６の表面処理を行った後、減圧下の窒素雰囲気中ではんだ膜５６の加熱溶融処理を行ってはんだボールバンプ５７を形成するようにしていることにより、フラックスを用いずとも、はんだ膜５６の表面の有機物および自然酸化膜の除去、ならびに、はんだ膜５６の表面の活性化を行うことができるため、ウエットバック工程においてフラックスに起因して従来多発していた残渣不良やはんだボールバンプへの不純物の取り込みを、ほぼ完全に防止することができる。
【００４７】
そして、このようにしてはんだボールバンプが形成されたデバイスチップをプリント配線基板上にフリップチップ実装して組み立てられた製品デバイスは、信頼性および耐久性が従来のものに比べて大幅に改善されることが確認された。
【００４８】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法においては、はんだ膜５６の加熱溶融処理を、例えばＨ2 ガスのような還元性ガスを含む雰囲気中で行うようにしている。
【００４９】
すなわち、この第２の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法においては、第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法と同様に工程を進めて、図２Ｄに示すようにはんだ膜５６をパターニングする工程まで行う。次に、図２Ｄに示す状態のウェハＷを図１に示す熱処理装置に搬入して、第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法と同様に、前処理室２におけるはんだ膜溶融前の表面処理を行い、はんだ膜５６の表面の有機物や自然酸化膜の除去および最表面層の活性化処理を施す。この状態のウェハＷを加熱処理室３に搬入して、、一例として以下に示す条件で、はんだ膜５６の加熱溶融処理を行う。すなわち、雰囲気ガスとしてＨ2 ガスを用い、その流量を３５０ｓｃｃｍ、圧力を７５ｍＴｏｒｒ（１０Ｐａ）とし、ウェハステージ２１ａの設定温度を１５０℃、ウェハステージ２１ｂの設定温度を２５０℃、ウェハステージ２１ｃの設定温度を３５０℃、ウェハステージ２１ｄの設定温度を２００℃とし、各ウェハステージ２１ａ〜２１ｄでの熱処理時間を３０秒とする。
【００５０】
これにより、第１の実施形態におけると同様に、図２Ｅに示すようなはんだボールバンプ５７が良好に形成される。
【００５１】
この第２の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法の上記以外の構成は、第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００５２】
以上のように、この第２の実施形態によれば、はんだ膜５６の加熱溶融処理を減圧下の水素雰囲気中で行っているため、加熱処理室３内に微量に残留している酸素や水分があったとしても、還元作用により表面酸化を抑制しながらはんだ膜５６の溶融が行われる。また、前処理室２におけるはんだ膜５６の表面処理で除去しきれなかったり、一度除去されてから再付着したような酸化物が極わずかにはんだ膜５６の表面に残存していたとしても、これを還元しながらはんだ膜５６の溶融が進行するようになる。これにより、出来上がり後のはんだボールバンプ５７内に局所的に酸化物や空孔が取り込まれることによって欠陥が発生することをほぼ完全に防止することができ、良質なはんだボールバンプ５７を得ることができる。
【００５３】
その結果、フラックスフリーのウエットバック工程において、第１の実施形態以上に高信頼性を有するはんだボールバンプの形成が可能となる。
【００５４】
そして、このようにして形成されたデバイスチップをプリント配線基板上にフリップチップ実装して組み立てられる製品は、第１の実施形態と同様に信頼性および耐久性が従来のものに比べて大幅に改善されることが確認された。
【００５５】
以上この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、熱処理装置の前処理室２や加熱処理室３の構成および熱処理装置の全体構成、各プロセスの条件、ウェハの種類および構造など、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。具体的には、例えば、図１に示した熱処理装置において、前処理室２および加熱処理室３のウェハステージ１１およびウェハステージ２１ａ〜２１ｄは、６インチウェハ対応のものであるが、これらは、例えば８インチウェハ、１２インチウェハまたはそれ以上の大きさを有するウェハに対応するものであってもよい。
【００５６】
また、上述の第１および第２の実施形態においては、レーザ源としてＫｒＦエキシマレーザを用いているが、このレーザ源としては、例えばＡｒＦエキシマレーザ（λ＝１９３ｎｍ）、Ａｒ+ レーザ（λ＝４８８ｎｍまたはλ＝５１４．５ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（λ＝１０６４ｎｍ）などを用いることも可能である。また、レーザ源に代えて、例えば水銀ランプのような自然放出光の光源を用いてもよい。
【００５７】
また、上述の第２の実施形態においては、還元性ガスとしてＨ2 ガスを用いているが、この還元性ガスとしては、例えばフッ化水素（ＨＦ）ガスや塩化水素（ＨＣｌ）ガスなどを同様に用いることもできる。なお、これらのＨＦガスやＨＣｌガスは、ソースとしてそれぞれフッ酸、塩酸が用いられるが、このようにソースが液体である場合は、液体ソースに対してヘリウム（Ｈｅ）ガスなどのキャリアガスによるバブリング、加熱気化、超音波気化などの処理を施すことによって得られたガスを加熱処理室３内に導入する。
【００５８】
また、上述の第１および第２の実施形態においては、はんだ膜の加熱溶融処理を減圧下の非酸化性ガス雰囲気中で行うようにしているが、このはんだ膜の加熱溶融処理は真空中で行ってもよく、あるいは、非酸化性ガスによる置換が十分に行われ、残留酸素濃度が例えば１５０ｐｐｍ以下とされていれば、常圧で行ってもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によるバンプ製造方法によれば、金属膜が選択的に形成された基体に対して光照射による金属膜の表面処理を行う工程と、金属膜の加熱溶融処理を行うことによりバンプを形成する工程とを有していることにより、金属膜表面に形成された自然酸化膜および金属膜の表面に付着した有機物などの付着物を、金属膜の加熱溶融処理を行う前に効果的に除去することができ、これによって、清浄で活性な表面を有する金属膜に対して加熱溶融処理を施すことが可能となるため、フラックスを使用せずとも安定にバンプ形成を行うことができる。その結果、フラックスの使用に起因して従来多発していた残渣不良やバンプ中への不純物の取り込みがなくなり、高信頼性を有するウエットバックプロセス技術を確立することができる。
【００６０】
そして、このようにしてバンプが形成されたデバイスチップをプリント配線基板上にフリップチップ実装して組み立てられた製品においては、その信頼性および耐久性が、従来のものに比べて大幅に向上するという効果も得られる。
【００６１】
したがって、この発明は、微細なデザインルールに基づいて設計され、高集積度、高性能および高信頼性を要求される半導体装置の製造方法に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法においてウエットバック工程に用いられる熱処理装置の構成の一例を示す略線図である。
【図２】 この発明の第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法を説明するための断面図である。
【図３】 この発明の第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法におけるはんだ膜の加熱溶融処理を行う前の前処理方法を説明するための略線図である。
【図４】 従来技術によるはんだボールバンプの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】 従来技術によるはんだボールバンプの製造方法においてウエットバック工程に用いられる熱処理装置の構成の一例を示す略線図である。
【符号の説明】
２・・・前処理室、３・・・加熱処理室、１２・・・レーザ光、１３・・・ガス噴射ノズル、１４・・・吸入ノズル、２１ａ〜２１ｄ・・・ウェハステージ、２２ａ〜２２ｄ・・・ヒータ、２３ａ〜２３ｄ・・・赤外線ランプ、５１・・・半導体基板、５２・・・電極パッド、５３・・・表面保護膜、５４・・・ＢＬＭ膜、５５・・・レジストパターン、５６・・・はんだ膜、５７・・・はんだボールバンプ、Ｗ・・・ウェハ
【発明の属する技術分野】
この発明は、バンプ製造方法に関し、特に、ウエットバック技術を用いたはんだボールバンプの製造に適用して好適なものである。
【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、部品実装密度をいかに向上させるかが重要なポイントとなる。こと半導体集積回路（ＩＣ）の実装に関しても、従来のパッケージ実装の代替として、ベアチップを直接プリント配線基板にマウントするフリップチップ実装法など高密度実装技術の開発が盛んに行われている。
【０００３】
このプリップチップ実装法の一つに、ＩＣチップのアルミニウム（Ａｌ）電極パッド上に、はんだボールバンプを形成したものをプリント配線基板に実装する方法がある。このはんだボールバンプを所定のＡｌ電極パッド上に形成する方法としては、電解メッキ法を用いた方法があるが、この場合、成膜されるはんだ膜の厚さが、下地の表面状態や電気抵抗のわずかなばらつきによる影響を受けるため、チップ内で高さが均一に揃ったはんだボールバンプの形成を行うことは基本的に難しいという問題がある。
【０００４】
そこで、はんだボールバンプの高さのばらつきを抑制することができる方法として、真空蒸着法によるはんだ膜の成膜と、レジストパターンのリフトオフとを用いてはんだボールバンプを形成する方法がある。この方法を用いたはんだボールバンプの製造方法の一例を図４を参照しながら、以下に説明する。
【０００５】
すなわち、このはんだボールバンプの製造方法においては、まず、図４Ａに示すように、例えばシリコン（Ｓｉ）基板のような半導体基板１０１に回路素子などが形成されたウェハＷにおいて、半導体基板１０１上の所定部分に、スパッタリング法およびエッチング法により、Ａｌ−Ｃｕ合金からなる所定形状の電極パッド１０２を形成する。次に、ウェハＷの全面に、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜やポリイミド膜のような表面保護膜１０３を被覆した後、この表面保護膜１０３の電極パッド１０２上に対応する部分に開口１０３ａを形成する。
【０００６】
次に、ウェハＷの全面にスパッタリング法により、例えばクロム（Ｃｒ）膜、銅（Ｃｕ）膜および金（Ａｕ）膜を順次積層してＣｒ／Ｃｕ／Ａｕ膜を形成した後、このＣｒ／Ｃｕ／Ａｕ膜を所定形状にパターニングすることにより、このパターニングされたＣｒ／Ｃｕ／Ａｕ膜からなるＢＬＭ（Ball Limiting Metal ）膜１０４を形成する。このＢＬＭ膜１０４は、下地の電極パッド１０２と後に形成される上層金属膜との間の密着性の向上を図り、かつ、両者の間の相互拡散を防止するためのバリアメタルとしての役割を有する。
【０００７】
次に、図４Ｂに示すように、ウェハＷの全面にレジスト膜を形成した後、このレジスト膜をリソグラフィー法により所定形状にパターニングする。符号１０５は、これによって形成された所定形状のレジストパターンを示す。このレジストパターン１０５は、このＢＬＭ膜１０４上に対応する部分に所定の寸法の開口部１０５ａを有する。
【０００８】
次に、図４Ｃに示すように、ウェハＷの全面に真空蒸着法によりはんだ膜１０６を形成した後、図４Ｄに示すように、リフトオフ法により、レジスト膜１０５をその上のはんだ膜１０６と共に除去する。これにより、はんだ膜１０６の不要部分が除去され、はんだ膜１０６が所望の形状にパターニングされる。この後、熱処理を行ってはんだ膜１０６を溶融させることで、最終的に図４Ｅに示すように、ほぼ球状のはんだボールバンプ１０７を形成する。
【０００９】
ここで、熱処理によってはんだ膜１０６を球状に丸める工程は、通常、ウエットバックと呼ばれる。このウエットバック工程は、例えば窒素（Ｎ2 ）雰囲気中で、温度調節されたホットプレート上に順次ウェハＷを連続搬送してゆくことにより行われるのが一般的である。図５に、従来のはんだボールバンプの製造方法においてウエットバック工程に用いられる熱処理装置の構成の一例を示す。
【００１０】
図５に示すように、この熱処理装置においては、加熱処理室２０１の内部に、複数の熱処理部が直列に配置されている。各熱処理部は、例えば６インチウェハ対応のウェハステージ２０２ａ〜２０２ｄを有している。これらのウェハステージ２０２ａ〜２０２ｄは、それぞれ加熱手段としてのヒータ２０３ａ〜２０３ｄを内蔵している。これらの各熱処理部における温度は、ヒータ２０３ａ〜２０３ｄを用いてＰＩＤ（Proportional Integral and Differential）制御を行うことにより調整、維持される。また、加熱処理室２０１には、ウェハ搬入口の近傍にガス導入口２０４が設けられていると共に、ウェハ搬出口の近傍にガス排気口２０５が設けられ、これによって、ガス導入口２０４を通じて加熱処理室２０１の内部に窒素ガスのような雰囲気ガスを導入し、この雰囲気ガスをガス排気口２０５から排気することによって、加熱処理室２０１内の雰囲気制御が行われるようになっている。
【００１１】
また、この熱処理装置においては、図示省略したハンドラのようなウェハ搬送手段を用いることにより、ウェハカセット２０６からウェハＷを取り出し、このウェハＷをウェハ搬入口から加熱処理室２０１の内部に搬入し、各熱処理部において順次所定の熱処理を行った後、ウェハ搬出口からウェハＷを搬出してウェハカセット２０７に収納するという一連の操作が行われるようになっている。
【００１２】
ところで、上述の従来のはんだボールバンプの製造方法におけるウエットバック工程においては、はんだ膜１０６の表面に自然酸化膜（主に酸化すず）が厚く形成されている場合は、熱処理を行ってもはんだの溶融が均等に進まず、はんだボールバンプ１０７の形成がうまく行えなくなってしまうという問題がある。そのため、従来のはんだボールバンプの製造方法においては、リフトオフによりはんだ膜１０６をパターニングした後、ウエットバック工程によるはんだ膜１０６の加熱溶融処理を行う前に、通常、はんだ膜１０６の表面に、予め、還元作用や表面活性作用を有するフラックス（主成分は、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成分）を均一にコーティングするようにしている。そして、その状態から熱処理を行うことで、はんだの溶融および表面張力によりはんだが球状に丸まることを促進してやり、安定したはんだボールバンプ１０７の形成を実現している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術によるはんだボールバンプの製造方法のように、はんだボールバンプ形成の安定化のためにウエットバック工程においてフラックスを用いる場合、熱処理によってはんだボールバンプ１０７が形成された後のウェハＷ（図４Ｅ参照）に対して有機薬液洗浄を行い、フラックスを洗い落とす工程が行われる。しかしながら、このとき、熱処理中にフラックス内の有機成分が炭化してウェハ表面にこびり着いてしまっていたり、その洗浄方法が不適切だったりすると、フラックス内の固形分が洗浄後も除去しきれずに、これが残渣としてはんだボールバンプ１０７の表面やその近傍に残ってしまうことがあった。このため、従来のはんだボールバンプの製造方法においては、このフラックスに起因する残渣不良が頻繁に発生してしまうという問題があった。また、このようにしてはんだボールバンプが形成されたデバイスチップをプリント配線基板上にフリップチップ実装して製品の組み立てを行った場合、その製品の信頼性および耐久性の低下に繋がるという問題があった。
【００１４】
こうした中、フラックス残渣による不良発生やはんだボールバンプ中への不純物の取り込みを回避すべく、はんだボールバンプの製造方法において、フラックスフリーのウエットバック工程プロセスを確立することが切望されている。
【００１５】
したがって、この発明の目的は、フラックスを用いずとも安定にバンプ形成を行うことができ、しかも、高い信頼性を有するバンプを形成することができるバンプ製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明によるバンプ製造方法は、
金属膜が選択的に形成された基体に対して光照射を行うことにより金属膜の表面処理を行うと同時に、基体の表面にガス噴射ノズルからガスを吹きつけ、基体の表面からの離脱物を吸入ノズルにより吸引除去する工程と、
金属膜の加熱溶融処理を行うことによりバンプを形成する工程
とを有することを特徴とする。
この発明によるバンプ製造方法はまた、
金属膜が選択的に形成された基体に対して光照射を行うことにより金属膜の表面に熱膨張を生じさせて表面付着物を離脱させるとともに金属膜の表面の酸化物の除去および金属膜の表面の活性化を行う工程と、
金属膜の加熱溶融処理を行うことによりバンプを形成する工程
とを有することを特徴とする。
【００１７】
この発明においては、金属膜として、典型的には例えばはんだ膜が用いられる。
【００１８】
この発明において、金属膜の加熱溶融処理は、雰囲気中に残存する酸素や水分による金属膜の酸化を防止するために、減圧下（すなわち高真空下）および／または非酸化性ガス雰囲気中で行うようにすることが好ましい。ここで、非酸化性ガスとしては、例えば窒素（Ｎ2 ）ガスまたはアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスを用いることができるほか、例えば水素（Ｈ2 ）ガス、フッ化水素（ＨＦ）ガス、塩化水素（ＨＣｌ）ガスなどの還元性ガスを用いることができ、また、これらの不活性ガスおよび還元性ガスの混合ガスを用いることもできる。
【００１９】
この発明において、金属膜の表面処理は、加熱溶融処理を行う前の前処理として、表面の付着物や自然酸化膜の除去ならびに表面の活性化を目的として行われる処理である。この金属膜の表面処理を行った後、金属膜の加熱溶融処理を行うまでの間は、基体を大気にさらすことの無いように、例えば真空中または非酸化性ガス雰囲気中を搬送することが好ましい。
【００２０】
この発明において、金属膜の表面処理に用いられる光としては、好適には例えばレーザ光が用いられるが、自然放出光を用いることも可能である。光の照射エネルギーは、金属膜の表面に熱膨張を生じさせ有機物などからなる付着物や低級酸化物などからなる自然酸化膜を、金属膜の表面から解離させるのに十分で、かつ、金属膜を完全に溶融させたり基体にダメージを与えないような範囲に選ばれる。また、この光の波長帯域は、例えば真空紫外領域、紫外領域、可視領域、近赤外領域の何れであってもよいが、短波長化する程、したがって、フォトンエネルギーが高くなる程、金属膜の表面を活性化する効果が高まる。このため、金属膜の表面処理用の光としては、好適には例えばフォトンエネルギーが１ｅＶ以上の光が用いられ、より好適には真空紫外領域または紫外領域の光が用いられる。
【００２１】
上述のように構成されたこの発明によれば、金属膜の加熱溶融処理の前処理として、金属膜が選択的に形成された基体に対して光照射による金属膜の表面処理を行うようにしていることにより、このときの光の照射エネルギーを受けることによって、金属膜の表面層に極めて急激な熱膨張が起こり、表面付着物の離脱が促進され、また、フォトンエネルギーを受けることによって、金属膜の表面が還元状態になり低級酸化物のような酸化物が除去されると共に、金属膜の表面が活性化される。このように光照射による金属膜の表面処理を行うことにより、清浄で活性な金属面を有する金属膜が得られる。そして、この状態から金属膜の加熱溶融処理を行うことで、清浄で活性な表面状態から金属膜の溶融が始まるようになるため、フラックスを用いずとも安定にバンプ形成を行うことができる。この際、この加熱溶融処理を減圧下および／または非酸化性ガス雰囲気中で行うことにより、処理中に金属膜が酸化されることを効果的に防止することができる。その結果、フラックスに起因して従来多発していた残渣不良やバンプ中への不純物の取り込みの問題が解消され、高信頼性を有するウエットバックプロセスを確立することができるようになる。
【００２２】
また、高真空下であっても、雰囲気中に微量に残存している酸素や水分が、金属膜の溶融の際にその内部に取り込まれ、その結果、出来上がり後のバンプ内に局所的に酸化物や空孔が取り込まれることによって欠陥が生じることがあるが、金属膜の加熱溶融処理を少なくとも還元性ガスを含む雰囲気中で行う場合は、そのような残留酸素や残留水分による欠陥の発生を、ほぼ完全に防止することができる。また、この場合、この前処理として行われる光照射による金属膜の表面処理によって除去しきれなかったり、一度除去された後に再付着したような酸化物が極わずかに金属膜の表面に残存していたとしても、これを化学的に還元しながら金属膜の溶融が進行するようになり、より高い信頼性を有するバンプの形成が可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
まず、この発明の第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法について説明する。図１は、この第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法においてウエットバック工程に用いられる熱処理装置の一例を示す。この熱処理装置は、少なくとも被処理基板に対して光照射を行うことが可能な前処理室を具備し、かつ、減圧下で被処理基板の加熱処理を行うことが可能なものである。
【００２５】
すなわち、図１に示すように、この熱処理装置は、ロードロック室１、前処理室２、加熱処理室３およびロードロック室４を有している。そして、これらのロードロック室１、前処理室２、加熱処理室３およびロードロック室４が、それぞれ、ゲートバルブ５を介して直列に連結されている。また、符号６、７は、ウェハカセットを示す。なお、図示は省略するが、各室毎に真空ポンプのような真空排気装置が設けられ、これによって、各室毎に内部の真空排気が行われるようになっている。
【００２６】
前処理室２の内部には、例えば６インチウェハ対応のウェハステージ１１と、ウェハＷにレーザ光１２を照射するためのレーザ源（図示せず）とが互いに対向して設けられている。レーザ源としては、例えばＫｒＦエキシマレーザ（発振波長λ＝２４８ｎｍ）が用いられる。この場合、レーザ光１２はパルス光である。なお、このレーザ光１２は、例えばレンズにより集光されてウェハＷに照射される。ウェハステージ１１は、そのウェハ設置面と平行な方向に移動可能となっている。そして、ウェハＷを載せた状態でウェハステージ１１を平行移動させることにより、ウェハＷの全面に対して、レーザ光１２のビームスポットが所定のスキャン速度で照射されるようになっている。このウェハステージ１１の動きについては、例えば、レーザパルスと同期した制御が行われるようになっている。
【００２７】
この前処理室２の内部にはまた、ガス噴射ノズル１３および吸入ノズル１４が設けられている。そして、ガス噴射ノズル１３から例えばＮ2 ガスのような不活性ガスをジェットガス化したものをウェハＷの表面（特に、レーザ光１２の照射位置の近傍）に吹きつけてやり、レーザ光１２の照射によってウェハＷの表面から浮遊した離脱物１５（例えば表面に付着していた有機物や自然酸化膜）を吸入ノズル１４によって吸引、除去することにより、ウェハＷの表面からの離脱物１５の効果的な除去および離脱物１５の再付着の防止を実現している。なお、ガス噴射ノズル１３および吸入ノズル１４を用いたジェットガスの吹きつけのみによっても一定のクリーニング効果を得ることはできるが、ここでは、光照射およびジェットガスの吹きつけを併用することにより、より高いクリーニング効果を得るようにしている。
【００２８】
この前処理室２に隣接した加熱処理室３の内部には、温度設定を独立して行うことが可能な複数の熱処理部が直列に配列されている。前処理室２からこの加熱処理室３内に搬入されたウェハＷは、これらの熱処理部において順次所定の熱処理が行われた後、この加熱処理室３からロードロック室４に搬出されるように構成されている。
【００２９】
この加熱処理室３における各熱処理部は、例えば６インチウェハ対応のウェハステージ２１ａ〜２１ｄを有している。これらのウェハステージ２１ａ〜２１ｄは、それぞれ加熱手段としてのヒータ２２ａ〜２２ｄを内蔵している。また、各熱処理部には、ウェハステージ２１ａ〜２１ｄに対向して、加熱手段としての赤外線ランプ２３ａ〜２３ｄが設けられている。そして、各熱処理部の設定温度は、これらのヒータ２２ａ〜２２ｄと赤外線ランプ２３ａ〜２３ｄとの２系統の加熱手段を併用してＰＩＤ制御を行うことにより、精密かつ迅速に調整、維持されるようになっている。
【００３０】
また、この加熱処理室３には、前処理室２側のウェハ搬入口の近傍にガス導入口２４が設けられていると共に、ロードロック室４側のウェハ搬出口の近傍にガス排気口２５が設けられている。そして、ガス導入口２４を通じて、非酸化性ガスのような雰囲気ガスを加熱処理室３の内部に導入し、この雰囲気ガスをガス排気口２５から排気することによって、加熱処理室３内の雰囲気制御が行われる。加熱処理室３内の圧力は、これらのガス導入口２４およびガス排気口２５を通じたガスの供給速度と排気速度とのバランスに応じて決定される。
【００３１】
上述のように構成されたこの熱処理装置においては、図示省略したハンドラのようなウェハ搬送手段を用いることにより、ロードロック室１内に設置されたウェハカセット６からウェハＷを取り出して搬送してゆき、前処理室２および加熱処理室３において対応する処理を順次施した後、ロードロック室４内に設置されたウェハカセット７に収納するという一連の動作が行われるようになっている。
【００３２】
以下に、この発明の第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法について、図２を参照しながら説明する。
【００３３】
すなわち、この第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法においては、まず、図２Ａに示すように、例えばＳｉ基板のような半導体基板５１に回路素子などが形成されたウェハＷにおいて、半導体基板５１上の所定部分に、スパッタリング法およびエッチング法により、例えばＡｌ−Ｃｕ合金からなる所定形状の電極パッド５２を形成する。なお、この電極パッド５２の材料としては、Ａｌ−Ｃｕ合金以外のＡｌ合金や純Ａｌを用いてもよく、また、これら以外にも、例えば銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）またはこれらの合金を用いてもよい。
【００３４】
次に、ウェハＷの全面に、例えばＳｉＮ膜やポリイミド膜のような表面保護膜５３を被覆した後、この表面保護膜５３の電極パッド５２上に対応する部分に開口部５３ａを形成する。
【００３５】
次に、ウェハＷの全面にスパッタリング法により、例えばＣｒ膜、Ｃｕ膜およびＡｕ膜を順次積層してＣｒ／Ｃｕ／Ａｕ膜を形成した後、このＣｒ／Ｃｕ／Ａｕ膜を所定形状にパターニングすることにより、このパターニングされたＣｒ／Ｃｕ／Ａｕ膜からなるＢＬＭ膜５４を形成する。このＢＬＭ膜５４は、下地の電極パッド１０２と後に形成される上層金属膜との間の密着性の向上を図り、かつ、両者の間の相互拡散を防止するためのバリアメタルとしての役割を有する。
【００３６】
次に、図２Ｂに示すように、ウェハＷの全面にレジスト膜を形成した後、このレジスト膜をリソグラフィー法により所定形状にパターニングする。符号５５は、これによって形成された所定形状のレジストパターンを示す。このレジストパターン５５は、ＢＬＭ膜５４上に対応する部分に所定の寸法の開口部５５ａを有する。
【００３７】
次に、図２Ｃに示すように、ウェハＷの全面に真空蒸着法によりはんだ膜５６を形成した後、図２Ｄに示すように、リフトオフ法により、レジスト膜５５をその上のはんだ膜５６と共に除去する。これにより、はんだ膜５６の不要部分が除去され、はんだ膜５６が所望の形状にパターニングされる。
【００３８】
次いで、上述のようにはんだ膜５６のパターニングまで行った状態のウェハＷを図１に示した加熱処理装置に搬入し、前処理室２においてウェハＷに対して光照射による前処理を施した後、加熱処理室３において、例えば減圧下の非酸化性ガス雰囲気中ではんだ膜５６の加熱溶融処理を行う。
【００３９】
具体的には、大気圧に窒素パージされたロードロック室１内に、図２Ｄに示す状態のウェハＷを収納したウェハカセット６を設置した後、ロードロック室１内を真空排気する。このロードロック室１内の圧力と、これに隣接する前処理室２内の圧力とがある程度釣り合ったところで両者の間のゲートバルブ５を開けて、ウェハカセット６からウェハＷを取り出し、このウェハＷを真空排気された前処理室２内に搬入する。
【００４０】
この前処理室２においては、図３に示すように、ウェハＷのはんだ膜パターン形成面に、上方からレーザ光１２を照射することにより、はんだ膜５６の表面処理を行う。具体的には、一例として以下に示すプロセス条件で、溶融前のはんだ膜５６の表面処理を行う。すなわち、レーザ源としてＫｒＦエキシマレーザ（発光波長２４８ｎｍ）を用い、そのパルス周波数を５０Ｈｚ、パルス幅を１５ｍｓとし、１パルス当たりの照射エネルギー密度を１００〜１０００ｍＪ／ｃｍ2 、好適には１５０〜１０００ｍＪ／ｃｍ2 、具体的には４００ｍＪ／ｃｍ2 とする。また、ウェハステージ１１の移動によるスキャン速度を５０ｍｍ／ｓとし、この際、ウェハステージ１１の動きとレーザパルスとを同期させ、ウェハＷに一定のオーバーラップでレーザ光１２を照射して、例えば、１ショットあたりのパルス数を１または２以上とし、ショット繰り返し周波数を３０Ｈｚとして、ウェハＷの各部位に少なくとも３０ショットの光照射が行われるようにし、ウェハＷの面内で照射量がほぼ均一となるように、ウェハステージ１１の動きを制御する。また、このレーザ光１２の照射と同時に、ウェハＷの表面にガス噴射ノズル１３からジェットガスを吹きつけ、ウェハＷの表面からの離脱物１５、すなわち、レーザ光１２の照射を受けてはんだ膜の表面から浮遊した有機物などの付着物や低級酸化物からなる自然酸化膜を、吸入ノズル１４で吸引して除去することにより、高いクリーニング効果を得るようにしている。この場合、ウェハＷに吹きつけるジェットガスとして、例えばＮ2 のジェットガスを用い、その流量を例えば２０ｌ／ｓとする。
【００４１】
この結果、はんだ膜５６の表面に付着していた有機物や自然酸化膜が除去されて、はんだ膜５６に清浄なはんだ面が露出すると同時に、最表面のはんだ原子層は、約５ｅＶの高エネルギーのフォトンの作用を受けて化学的に活性な状態となる。
【００４２】
この前処理室２でのはんだ膜５６の表面処理を行った後、ウェハＷを真空搬送して、これに隣接する加熱処理室３にウェハＷを搬入し、この加熱処理室３において、減圧下で温度調節されているウェハステージ２１ａ〜２１ｄ上で、はんだ膜５６の加熱溶融処理を行う。このとき、出来上がり後のはんだボールバンプをより緻密なものに形成するため、および、急激な熱拡散によってバリアメタル（ＢＬＭ膜５４）との界面に欠陥が発生することを防止するために、各ウェハステージ２１ａ〜２１ｄの設定温度を互いに異なる値に設定し、段階的な昇温／降温を行うことにより、徐熱徐冷による熱処理を施す。具体的には、一例として以下のような条件で熱処理を行う。すなわち、雰囲気ガスとしてＮ2 ガスを用い、その流量を３５０ｓｃｃｍ、圧力を７５ｍＴｏｒｒ（１０Ｐａ）とし、ウェハステージ２１ａの設定温度を１５０℃、ウェハステージ２１ｂの設定温度を２５０℃、ウェハステージ２１ｃの設定温度を３５０℃、ウェハステージ２１ｃの設定温度を２００℃とする。また、各ウェハステージ２１ａ〜２１ｄにおけるウェハＷの保持時間（熱処理時間）は、例えば３０秒とする。
【００４３】
なお、この加熱処理室３の各熱処理部における熱処理は、ウェハステージ２１ａ〜２１ｄに内蔵されたヒータ２２ａ〜２２ｄ、ならびに、ウェハステージ２１ａ〜２１ｄに対向配置された赤外線ランプ２３ａ〜２３ｄによって、迅速かつ均一なウェハ温度制御が実現されている。また、この場合、ウェハステージ２１ｃの設定温度は、はんだ膜５６の融点以上とされ、このウェハステージ２１ｃにおける熱処理によって、実質的なはんだ膜５６の収縮が始まるようにされている。
【００４４】
上述のように、表面処理によってはんだ膜５６の表面が清浄化されているウェハＷに対して、減圧下の窒素雰囲気中で一連の加熱溶融処理を行った結果、図２Ｅに示すように、良好なはんだボールバンプ５７が形成される。
【００４５】
以降は、上述のようにしてはんだボールバンプ５７が形成されたウェハＷを、個別のデバイスチップに分割し、このＬＳＩチップを、はんだボールバンプ形成面が下側を向くようにしてプリント配線基板に対向配置する。そして、このプリント配線基板上の予備はんだ付けされた導体パターンとはんだボールバンプ５７とを、位置合わせした上で加熱溶着する。これにより、はんだボールバンプが形成されたデバイスチップのプリント配線基板へのフリップチップ実装が完了する。
【００４６】
以上のように、この第１の実施形態によれば、はんだ膜５６のパターニングまで行ったウェハＷに対して、光照射によるはんだ膜５６の表面処理を行った後、減圧下の窒素雰囲気中ではんだ膜５６の加熱溶融処理を行ってはんだボールバンプ５７を形成するようにしていることにより、フラックスを用いずとも、はんだ膜５６の表面の有機物および自然酸化膜の除去、ならびに、はんだ膜５６の表面の活性化を行うことができるため、ウエットバック工程においてフラックスに起因して従来多発していた残渣不良やはんだボールバンプへの不純物の取り込みを、ほぼ完全に防止することができる。
【００４７】
そして、このようにしてはんだボールバンプが形成されたデバイスチップをプリント配線基板上にフリップチップ実装して組み立てられた製品デバイスは、信頼性および耐久性が従来のものに比べて大幅に改善されることが確認された。
【００４８】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法においては、はんだ膜５６の加熱溶融処理を、例えばＨ2 ガスのような還元性ガスを含む雰囲気中で行うようにしている。
【００４９】
すなわち、この第２の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法においては、第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法と同様に工程を進めて、図２Ｄに示すようにはんだ膜５６をパターニングする工程まで行う。次に、図２Ｄに示す状態のウェハＷを図１に示す熱処理装置に搬入して、第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法と同様に、前処理室２におけるはんだ膜溶融前の表面処理を行い、はんだ膜５６の表面の有機物や自然酸化膜の除去および最表面層の活性化処理を施す。この状態のウェハＷを加熱処理室３に搬入して、、一例として以下に示す条件で、はんだ膜５６の加熱溶融処理を行う。すなわち、雰囲気ガスとしてＨ2 ガスを用い、その流量を３５０ｓｃｃｍ、圧力を７５ｍＴｏｒｒ（１０Ｐａ）とし、ウェハステージ２１ａの設定温度を１５０℃、ウェハステージ２１ｂの設定温度を２５０℃、ウェハステージ２１ｃの設定温度を３５０℃、ウェハステージ２１ｄの設定温度を２００℃とし、各ウェハステージ２１ａ〜２１ｄでの熱処理時間を３０秒とする。
【００５０】
これにより、第１の実施形態におけると同様に、図２Ｅに示すようなはんだボールバンプ５７が良好に形成される。
【００５１】
この第２の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法の上記以外の構成は、第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００５２】
以上のように、この第２の実施形態によれば、はんだ膜５６の加熱溶融処理を減圧下の水素雰囲気中で行っているため、加熱処理室３内に微量に残留している酸素や水分があったとしても、還元作用により表面酸化を抑制しながらはんだ膜５６の溶融が行われる。また、前処理室２におけるはんだ膜５６の表面処理で除去しきれなかったり、一度除去されてから再付着したような酸化物が極わずかにはんだ膜５６の表面に残存していたとしても、これを還元しながらはんだ膜５６の溶融が進行するようになる。これにより、出来上がり後のはんだボールバンプ５７内に局所的に酸化物や空孔が取り込まれることによって欠陥が発生することをほぼ完全に防止することができ、良質なはんだボールバンプ５７を得ることができる。
【００５３】
その結果、フラックスフリーのウエットバック工程において、第１の実施形態以上に高信頼性を有するはんだボールバンプの形成が可能となる。
【００５４】
そして、このようにして形成されたデバイスチップをプリント配線基板上にフリップチップ実装して組み立てられる製品は、第１の実施形態と同様に信頼性および耐久性が従来のものに比べて大幅に改善されることが確認された。
【００５５】
以上この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、熱処理装置の前処理室２や加熱処理室３の構成および熱処理装置の全体構成、各プロセスの条件、ウェハの種類および構造など、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。具体的には、例えば、図１に示した熱処理装置において、前処理室２および加熱処理室３のウェハステージ１１およびウェハステージ２１ａ〜２１ｄは、６インチウェハ対応のものであるが、これらは、例えば８インチウェハ、１２インチウェハまたはそれ以上の大きさを有するウェハに対応するものであってもよい。
【００５６】
また、上述の第１および第２の実施形態においては、レーザ源としてＫｒＦエキシマレーザを用いているが、このレーザ源としては、例えばＡｒＦエキシマレーザ（λ＝１９３ｎｍ）、Ａｒ+ レーザ（λ＝４８８ｎｍまたはλ＝５１４．５ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（λ＝１０６４ｎｍ）などを用いることも可能である。また、レーザ源に代えて、例えば水銀ランプのような自然放出光の光源を用いてもよい。
【００５７】
また、上述の第２の実施形態においては、還元性ガスとしてＨ2 ガスを用いているが、この還元性ガスとしては、例えばフッ化水素（ＨＦ）ガスや塩化水素（ＨＣｌ）ガスなどを同様に用いることもできる。なお、これらのＨＦガスやＨＣｌガスは、ソースとしてそれぞれフッ酸、塩酸が用いられるが、このようにソースが液体である場合は、液体ソースに対してヘリウム（Ｈｅ）ガスなどのキャリアガスによるバブリング、加熱気化、超音波気化などの処理を施すことによって得られたガスを加熱処理室３内に導入する。
【００５８】
また、上述の第１および第２の実施形態においては、はんだ膜の加熱溶融処理を減圧下の非酸化性ガス雰囲気中で行うようにしているが、このはんだ膜の加熱溶融処理は真空中で行ってもよく、あるいは、非酸化性ガスによる置換が十分に行われ、残留酸素濃度が例えば１５０ｐｐｍ以下とされていれば、常圧で行ってもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によるバンプ製造方法によれば、金属膜が選択的に形成された基体に対して光照射による金属膜の表面処理を行う工程と、金属膜の加熱溶融処理を行うことによりバンプを形成する工程とを有していることにより、金属膜表面に形成された自然酸化膜および金属膜の表面に付着した有機物などの付着物を、金属膜の加熱溶融処理を行う前に効果的に除去することができ、これによって、清浄で活性な表面を有する金属膜に対して加熱溶融処理を施すことが可能となるため、フラックスを使用せずとも安定にバンプ形成を行うことができる。その結果、フラックスの使用に起因して従来多発していた残渣不良やバンプ中への不純物の取り込みがなくなり、高信頼性を有するウエットバックプロセス技術を確立することができる。
【００６０】
そして、このようにしてバンプが形成されたデバイスチップをプリント配線基板上にフリップチップ実装して組み立てられた製品においては、その信頼性および耐久性が、従来のものに比べて大幅に向上するという効果も得られる。
【００６１】
したがって、この発明は、微細なデザインルールに基づいて設計され、高集積度、高性能および高信頼性を要求される半導体装置の製造方法に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法においてウエットバック工程に用いられる熱処理装置の構成の一例を示す略線図である。
【図２】 この発明の第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法を説明するための断面図である。
【図３】 この発明の第１の実施形態によるはんだボールバンプの製造方法におけるはんだ膜の加熱溶融処理を行う前の前処理方法を説明するための略線図である。
【図４】 従来技術によるはんだボールバンプの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】 従来技術によるはんだボールバンプの製造方法においてウエットバック工程に用いられる熱処理装置の構成の一例を示す略線図である。
【符号の説明】
２・・・前処理室、３・・・加熱処理室、１２・・・レーザ光、１３・・・ガス噴射ノズル、１４・・・吸入ノズル、２１ａ〜２１ｄ・・・ウェハステージ、２２ａ〜２２ｄ・・・ヒータ、２３ａ〜２３ｄ・・・赤外線ランプ、５１・・・半導体基板、５２・・・電極パッド、５３・・・表面保護膜、５４・・・ＢＬＭ膜、５５・・・レジストパターン、５６・・・はんだ膜、５７・・・はんだボールバンプ、Ｗ・・・ウェハ
Claims (7)
- 金属膜が選択的に形成された基体に対して光照射を行うことにより上記金属膜の表面処理を行うと同時に、上記基体の表面にガス噴射ノズルからガスを吹きつけ、上記基体の表面からの離脱物を吸入ノズルにより吸引除去する工程と、
上記金属膜の加熱溶融処理を行うことによりバンプを形成する工程
とを有することを特徴とするバンプ製造方法。 - 上記光照射にレーザ光を用いることを特徴とする請求項１記載のバンプ製造方法。
- 上記金属膜ははんだ膜であり、上記バンプははんだボールバンプであることを特徴とする請求項１記載のバンプ製造方法。
- 上記光照射を行うことにより上記金属膜の表面に熱膨張を生じさせて表面付着物を離脱させるとともに上記金属膜の表面の酸化物の除去および上記金属膜の表面の活性化を行うことを特徴とする請求項１記載のバンプ製造方法。
- 金属膜が選択的に形成された基体に対して光照射を行うことにより上記金属膜の表面に熱膨張を生じさせて表面付着物を離脱させるとともに上記金属膜の表面の酸化物の除去および上記金属膜の表面の活性化を行う工程と、
上記金属膜の加熱溶融処理を行うことによりバンプを形成する工程
とを有することを特徴とするバンプ製造方法。 - 上記光照射にレーザ光を用いることを特徴とする請求項５記載のバンプ製造方法。
- 上記金属膜ははんだ膜であり、上記バンプははんだボールバンプであることを特徴とする請求項５記載のバンプ製造方法。
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1998
- 1998-05-18 JP JP13505798A patent/JP3800802B2/ja not_active Expired - Fee Related
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