JP4304945B2 - 金属膜の熱処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属膜の熱処理方法に関し、特にパワー半導体素子を製造する際の、多層金属電極膜と半導体基板との接合や、多層金属電極膜の各金属膜間の接合を改善するための熱処理に適用した、金属膜の熱処理方法および半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワー半導体の製造プロセスにおいて、半導体基板の表面に、たとえばニッケル（Ｎｉ）を積層し、その上に金（Ａｕ）を積層した構造（以下、Ａｕ／Ｎｉ構造とする）の多層電極膜を形成した後に、多層電極膜と半導体基板との間のコンタクト抵抗を改善したり、多層電極膜を構成する金属膜同士、すなわちＮｉ膜とＡｕ膜との接合を強固にするため、多層電極膜が形成された半導体ウェハを、３００℃以上に熱せられた石英チューブよりなる炉内に入れて熱処理することがある。その際、石英チューブ内には、チューブ容量に見合う量の精製された窒素ガスが流されている（たとえば、下記に示す特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１４１３５２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の熱処理方法では、半導体ウェハを入れる炉口とキャップの隙間から石英チューブ内に大気が巻き込まれ、酸素を含んだ雰囲気で熱処理がおこなわれるため、熱処理中にＡｕ膜中を拡散してＡｕ膜の表面に達したＮｉと、酸素とが結合して、Ｎｉ酸素化合物が生成されるという問題点がある。また、密閉した状態で窒素ガスを流しただけでは、雰囲気の酸素濃度は、窒素ガスに含まれる酸素の濃度（数ｐｐｍ程度）までしか下がらないため、結局、Ａｕ膜の表面にＮｉ酸素化合物が生成されてしまう。金属電極膜の表面に酸化物が存在すると、後にチップ化して、鉛レス板半田を用いて真空中で半田接合をおこなう際に、十分な半田濡れ性が得られず半田ボイドが発生し、熱抵抗不良や、ワイヤーボンディング時のチップ割れを引き起こすため、好ましくない。
【０００５】
そこで、炉内への大気（酸素）の巻き込みを低減したり、熱処理中の酸素を低減する目的で、真空中で熱処理をおこなう方法がある。しかし、この場合には、熱媒体となるガスがないため、半導体ウェハに対する熱伝導が悪くなり、炉内の温度のばらつきが大きくなって、コンタクト抵抗等の特性にばらつきが生じるという欠点がある。温度のばらつきを低減するため、真空中で、ホットプレートのようなものの上に半導体ウェハを置いて熱処理をおこなうことも考えられる。しかし、この場合には、一度に熱処理することができるウェハの数がホットプレートの大きさにより制限されるため、生産性が悪くなるという欠点がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、金属膜の表面に酸化物が生成するのを抑制しつつ、生産性よく熱処理をおこなうことができる金属膜の熱処理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる金属膜の熱処理方法は、基体に金属膜が被着された被処理体を、酸素濃度が１ｐｐｍ以下の酸素雰囲気中で熱処理することを特徴とする。この発明において、前記被処理体を入れた常温の熱処理炉内に窒素ガスを流し、前記炉内の酸素濃度が、窒素ガスに含まれる酸素の濃度に達した後、前記炉内に水素ガスを導入して酸素濃度を１ｐｐｍ以下に保ち、それから前記炉の温度を上昇させて所定の熱処理温度に保持する。また、前記熱処理炉としてオーブン炉を用いてもよいし、前記被処理体は、半導体基板に、電極として金属膜が被着された半導体ウェハであってもよい。
【０００８】
この発明によれば、半導体ウェハ等の被処理体は、オーブン炉内で、酸素濃度が１ｐｐｍ以下の酸素雰囲気中で熱処理される。そして、半導体基板に被着した金属膜の表面に生成される酸化物の量は、オージェ電子分光法による酸素分析結果で１０原子％以下とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。ここでは、オーブン炉を用いて、酸素濃度が１ｐｐｍ以下の酸素雰囲気中で、表面にＡｕ／Ｎｉ構造の多層電極膜が形成された半導体ウェハの熱処理をおこなう場合を例として説明する。
【００１０】
図２は、本発明の方法の実施に使用されるオーブン炉の概略構成を示す図である。処理室１には、複数枚のウェハを並べた１または２以上の石英製のウェハカセットが入れられる。処理室１内には、窒素ガスおよび水素ガスが送風ファン２により供給される。炉内の温度上昇時には、処理室１内のガスは加熱室３に送られ、そこで加熱されて、再び送風ファン２により処理室１内に送られる。処理室１は、処理室１内の酸素濃度を監視するための酸素モニター４が接続されている。また、処理室１には、処理室１内のガスを排気するための排気手段５が設けられている。
【００１１】
つぎに、上述したオーブン炉を用いた熱処理の流れについて図１を用いて説明する。まず、ウェハカセットに複数枚の半導体ウェハを並べて入れ、それをオーブン炉の処理室１に入れる。このときの温度は常温である。処理室１の扉を閉めた後、常温のまま、処理室１内に十分な量の窒素ガス（露点−７０℃以下）を流す（図１、Ｔ１）。この状態で放置すると、雰囲気中の酸素濃度はたとえば２０％から徐々に減少し、数十分後（この時間は、炉の体積とガス流量と露点により決まる）に数ｐｐｍ、たとえば図示例ではおおよそ３．５ｐｐｍに達する（図１、Ｔ２）。なお、図１に示す酸素濃度のグラフ（中段のグラフ）で、酸素濃度が２０％と３．５ｐｐｍとの間で大きく振れているのは、酸素濃度の測定レンジの切り替えによるものである。
【００１２】
酸素濃度が数ｐｐｍに達したＴ２の時点で、処理室１内に適量の水素ガスを添加する。これによって、処理室１内の酸素濃度は１ｐｐｍ以下まで下がる。そして、水素ガスを供給しつづけ、酸素濃度を１ｐｐｍ以下に保持した状態で、昇温を開始し、所望の温度（たとえば３００℃）で熱処理をおこなう（図１、Ｔ３〜Ｔ４）。その後、水素ガスを供給しつづけたまま冷却し、常温近くまで冷えたら、安全性を考慮して、水素ガスの添加を停止する（図１、Ｔ５）。そして、１００％の窒素ガスで炉内を置換し、ウェハを取り出して、熱処理を終了する。
【００１３】
図３に、熱処理雰囲気中の酸素濃度を変えた場合の、熱処理後の多層電極膜中のＡＥＳ（オージェ電子分光法）による酸素分析結果を示す。横軸のＳｐｕｔｔｅｒ Ｔｉｍｅは測定深さを時間で表している。図３からわかるように、雰囲気中の酸素濃度が１ｐｐｍ以下である場合には、多層電極膜の表面に生成される酸化物の量は１０原子％以下である。それに対して、雰囲気中の酸素濃度が数ｐｐｍである場合、すなわち窒素ガスを流して数十分間放置した場合では、多層電極膜の表面に２０原子％程度の酸化物が生成される。また、従来のように、少量であっても、大量であっても、炉内に大気が巻き込まれてしまうと、多層電極膜の表面には３０原子％を超える酸化物が生成されてしまう。さらに、大量の大気を巻き込んだ場合には、多層電極膜の深い位置まで酸化層が形成されてしまう。
【００１４】
ところで、熱処理が終了した半導体ウェハは、後の工程でダイシングされて個々のチップとなる。各チップは、真空引き後に水素ガスが導入される半田接合装置において、鉛レス板半田を用いて半田接合される。図４、図５、図６および図７に、熱処理雰囲気中の酸素濃度が１ｐｐｍ以下である場合、数ｐｐｍである場合、少量の大気を巻き込んだ場合、および大量の大気を巻き込んだ場合のそれぞれについて、半田ボイドの様子を示す。
【００１５】
図４に示すように、熱処理雰囲気中の酸素濃度が１ｐｐｍ以下である場合には、半田ボイド率は５％未満である。ここで、半田ボイド率とは、チップ面積に対するボイドの面積の割合である。半田ボイド率が５％未満であれば、後にワイヤーボンディングをおこなう際のチップの割れや、熱抵抗破壊は回避される。また、熱抵抗に対しても十分満足できるレベルである。それに対して、図５に示すように、熱処理雰囲気中の酸素濃度が数ｐｐｍである場合には、半田ボイド率は５％以上になり、熱抵抗を満足することはできない。また、図６に示すように、少量でも大気を巻き込んだ場合には、半田ボイド率は１０％以上になり、熱抵抗破壊を起こすおそれがある。また、図７に示すように、大気を大量に巻き込んだ場合には、半田ボイド率は２０％以上になり、つぎのワイヤーボンディング工程で、ボンディング直下にボイドがあると、チップ割れを起こすことがある。図８に、熱処理後の多層電極膜の表面におけるＡＥＳ酸素分析結果と半田ボイド率との関係を示す。
【００１６】
上述した実施の形態によれば、酸素濃度が１ｐｐｍ以下の酸素雰囲気中で熱処理をおこなうため、金属膜の表面に酸化物が生成するのを抑制することができる。したがって、その金属膜の半田濡れ性を満足することができる。また、ガス雰囲気中で熱処理をおこなうため、ガスが熱媒体となり、熱処理温度の設定値に対して±１０℃以内の温度誤差で熱処理をおこなうことができるので、熱処理後の特性を精度よく制御することができる。また、熱処理炉としてオーブン炉を用いており、処理室１の容量によって複数個のウェハカセットを入れて同時に熱処理をおこなうことができるので、生産性が極めて高い。
【００１７】
また、実施の形態によれば、従来の石英チューブでの熱処理に用いられていた狭い溝幅の石英スリットを用いずに、ウェハカセットを用いているため、十分な溝幅の中に半導体ウェハを置くことができ、割れや欠け等のウェハに対するダメージを低減することができる。また、鉛レス半田による半田接合に対応することができるので、環境への影響を減らすことができる。また、パワー半導体チップの表面電極に対して実施の形態の熱処理方法を適用すれば、プリント基板との電気的接続に用いられるＡｌワイヤーをなくすことができるので、新たなパッケージ技術の適用が可能となり、Ａｌ廃棄物を低減させることができる。
【００１８】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえば、防爆限界以下の水素濃度で大気状態から水素ガスを添加したガスを流すことによって、雰囲気中の酸素濃度を１ｐｐｍ以下に抑えるようにしてもよい。また、オーブン炉とウェハカセットに代えて、従来の石英チューブと狭い溝幅の石英スリットを用いてもよい。また、本発明は、単層の金属膜を熱処理する場合にも適用可能であるし、金属膜が形成された製品や金属を熱処理する際に、その金属表面の酸化を抑える技術としても有用である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体ウェハ等の被処理体は、酸素濃度が１ｐｐｍ以下の酸素雰囲気中で熱処理されるため、金属膜の表面に酸化物が生成するのを抑制することができる。また、熱処理炉としてオーブン炉を用いることにより、生産性よく熱処理をおこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる熱処理方法の流れの一例を示すチャートである。
【図２】本発明の方法の実施に使用されるオーブン炉の概略構成を示す図である。
【図３】熱処理雰囲気中の酸素濃度と、熱処理後の多層電極膜中のＡＥＳ酸素分析結果との関係を示す図である。
【図４】熱処理雰囲気中の酸素濃度が１ｐｐｍ以下である場合の半田ボイドの様子を示す図である。
【図５】熱処理雰囲気中の酸素濃度が数ｐｐｍである場合の半田ボイドの様子を示す図である。
【図６】熱処理雰囲気中の酸素濃度が低い場合の半田ボイドの様子を示す図である。
【図７】熱処理雰囲気中の酸素濃度が高い場合の半田ボイドの様子を示す図である。
【図８】熱処理後の多層電極膜の表面におけるＡＥＳ酸素分析結果と半田ボイド率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ オーブン炉（処理室）

Claims (3)

1. 基体に金属膜が被着された被処理体を入れた常温の熱処理炉内に窒素ガスを流し、前記炉内の酸素濃度が、窒素ガスに含まれる酸素の濃度に達するまで放置した後、前記炉内に水素ガスを導入しつづけ、酸素濃度を１ｐｐｍ以下に保持した状態で、前記炉の温度を上昇させて所定の熱処理温度に保持し、前記被処理体を、酸素濃度が１ｐｐｍ以下の酸素雰囲気中で熱処理することを特徴とする金属膜の熱処理方法。
2. 前記熱処理炉としてオーブン炉を用いることを特徴とする請求項１に記載の金属膜の熱処理方法。
3. 前記被処理体は、半導体基板に、電極として金属膜が被着された半導体ウェハであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属膜の熱処理方法。

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