JP6041676B2

JP6041676B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP6041676B2
Application number: JP2013002302A
Authority: JP
Inventors: 敏郎坂本
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-01-10
Also published as: JP2014135375A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、ポリイミド膜とモールド樹脂との間の密着性を向上できるようにした半導体装置の製造方法に関する。

従来から、半導体装置として半導体チップの表面にパッシベーション膜を形成し、この半導体チップをモールド樹脂で封止した構造が知られている。また、モールド樹脂側からの応力緩和のために、モールド樹脂とパッシベーション膜の間にバッファ層としてポリイミド膜を設けた構造が知られている。

このポリイミド膜を設けた構造において、ポリイミド膜の表面状態が良好でない場合は、モールド樹脂とポリイミド膜との界面で剥離が生じ易くなり、半導体チップの信頼性低下の原因となる。上記の剥離を防ぐためには、例えば非特許文献１及び非特許文献２に記載されているように、ポリイミド膜の表面を酸素プラズマに晒す方法がある。酸素プラズマに晒すことにより、ポリイミド膜表面のカルボキシル基やカルボニル基を増加させ、これら官能基とモールド樹脂との間の水素結合を強化させて密着性を向上させるという方法である。

ＮＩＫＫＥＩＭＩＣＲＯＤＥＶＩＣＥ１９９２年３月号ｐｐ．８３−８８日本接着学会誌Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．１２（２００２）ｐｐ．４７７−４８４

ところで、非特許文献１及び非特許文献２に記載の表面処理（即ち、ポリイミド膜の表面を酸素プラズマに晒す処理）を実施しても、ポリイミド膜／モールド樹脂間の密着性を十分に得られない場合があった。
これに対し、本発明者は、ポリイミド膜の表面処理技術について鋭意検討した結果、表面処理時の荷電粒子の有無によっては、ポリイミド膜／モールド樹脂間の密着性強度が低下してしまうという、従来知見されることのなかった課題を見出した。

そこで、本発明は、本発明者が見出した上記課題に鑑みてなされたものであり、ポリイミド膜とモールド樹脂との間の密着性を向上できるようにした半導体装置の製造方法の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第１の絶縁膜を介して金属配線を形成する工程と、前記金属配線上に第２の絶縁膜を形成する工程と、前記第２の絶縁膜上にポリイミド膜を形成する工程と、前記ポリイミド膜をパターン加工する工程と、一対の高周波電極間に酸素ガスのみが存在するように酸素ガスを導入し、前記高周波電極間に高周波電圧を印加して酸素ラジカル及び荷電粒子を含む酸素プラズマを発生させ、前記荷電粒子が前記高周波電極付近の電界に引き寄せられることにより、前記酸素ラジカル及び酸素分子のみを含み且つ前記荷電粒子を含まないように酸素ラジカル環境を生成すると共に、前記パターン加工されたポリイミド膜の表面を前記酸素ラジカル環境下に晒して、前記ポリイミド膜の表面からエッチングガスに由来するフッ素を除去し、前記ポリイミド膜表面のカルボニル基、カルボキシル基を増加させ、前記ポリイミド膜表面の凹凸を増加させる表面処理を行う表面処理工程と、前記表面処理が行われた後の前記半導体基板の表面をモールド樹脂で封止する工程と、を有することを特徴とする。

また、上記の半導体装置の製造方法において、前記表面処理工程では、ガス上流側に配置された電極間に酸素ガスを導入すると共に、該電極間に高周波電圧を印加して酸素プラズマを発生させ、前記酸素プラズマ中で生じる酸素ラジカル及び、酸素分子を、前記電極間から離れた位置であってチャンバ内のガス下流側に配置されたステージ側へ排気で引き寄せることを特徴としてもよい。

また、上記の半導体装置の製造方法において、前記表面処理工程を行う前に、前記パターン加工されたポリイミド膜をマスクに前記第２の絶縁膜をエッチングすることによって、前記ポリイミド膜及び前記第２の絶縁膜下から前記金属配線のボンディングパッドを露出させる工程、をさらに有することを特徴としてもよい。

本発明の一態様によれば、パターン加工されたポリイミド膜の表面を、荷電粒子を含まない酸素ラジカル環境下に晒す表面処理工程、を有する。これにより、荷電粒子によるポリイミド膜表面の官能基（即ち、表面官能基）の破壊反応を抑制することができる。また、ポリイミド膜表面のカルボニル基やカルボキシル基を増加させ、これら表面官能基とモールド樹脂との間の水素結合を強化することができる。これにより、ポリイミド膜とモールド樹脂との間の密着性を向上させることができる。

実施形態に係る半導体装置１００の製造方法を工程順に示した断面図。実施形態に係る半導体装置１００の製造方法を工程順に示した断面図。実施形態に係る半導体装置１００の製造方法を工程順に示した断面図。実施形態に係る半導体装置１００の製造方法を工程順に示した断面図。実施形態に係る半導体装置１００の製造方法を工程順に示した断面図。実施形態に係る半導体装置１００の製造方法を工程順に示した断面図。実施形態で用いるダウンフロー型ドライエッチング装置２００の構成例を示す概念図。比較形態で用いる平行平板型ドライエッチング装置３００の構成例を示す概念図。ＸＰＳによるポリイミド膜表面のＣ１ｓスペクトル評価結果を示す図。酸素プラズマに晒した後のポリイミド膜表面の元素濃度と表面粗さを調査した結果を示す表。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（製造方法）
図１〜図６は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の製造方法を工程順に示した断面図である。
まず、図１に示すように、図示しない素子が形成された半導体基板（ウエーハ）１上に絶縁膜３を形成し、この絶縁膜３上にスパッタ技術等を用いて例えばＡｌなどの金属膜５を形成する。次に、金属膜５上に図示しないフォトレジストを塗布し、感光、現像、エッチングを行う。これにより、図２に示すように、金属膜からなる配線パターン（即ち、金属配線パターン）６を形成する。金属配線パターン６は、例えば半導体基板１の側からみて最上層の配線パターンであり、配線部６ａと、ボンディングパッド６ｂとを有する。

続いて、図３に示すように、形成した金属配線パターン６上にＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等でパッシベーション膜１１を形成する。なお、図３では、パッシベーション膜１１としてＳｉＯ膜７、ＳｉＮ膜９を堆積させる場合を示しているが、パッシベーション膜１１は必ずしも２層にする必要はなく、ＳｉＯ膜７とＳｉＮ膜９のどちらか１層のみでもよく、或いは３層以上の絶縁膜でもよい。

次に、パッシベーション膜１１上にポリイミド膜１３を形成する。そして、図４に示すようにポリイミド膜１３をパターン加工して、ボンディングパッド６ｂの上方を開口させる。ポリイミド膜１３の形成は、例えばスピンコータを用いてパッシベーション膜１１上にポリイミドを塗布することにより行う。また、ポリイミド膜１３のパターン加工は、フォトレジストを用いたエッチングによって行ってもよいし、感光性ポリイミドを用いた露光によって行ってもよい。

本実施形態では、ポリイミド膜１３として、感光性ポリイミドを用いる場合の説明を行う。露光によって感光性ポリイミド膜をパターン加工してボンディングパッド６ｂの上方を開口させた後、例えば、３００℃〜４００℃の温度範囲内で、且つ６０分〜３００分の時間範囲内の適切な条件で熱処理（即ち、ベーク）を行い、パターン加工された感光性ポリイミド膜を硬化させる。その後、パターン加工された感光性ポリイミド膜をマスクに、パッシベーション膜１１を例えばＣＦ_４を用いた反応性イオンエッチング等によりエッチングして、ボンディングパッド６ｂを露出させる。なお、感光性ポリイミドには、露光した部分が不溶化して露光部が除去されるネガ型と、露光した部分が溶解して未露光部が残るポジ型とがある。本実施形態では、感光性ポリイミドにネガ型、ポジ型の何れを用いてもよい。

その後、図５に示すように、酸素ラジカル及び酸素分子を含み且つ荷電粒子を含まない酸素ラジカル環境（以下、単に、荷電粒子を含まない酸素ラジカル環境という。）下にウエハを晒して、ポリイミド膜１３の表面処理を行う。この表面処理は、エッチングガスに由来するフッ素を除去すること、ポリイミド膜１３表面のカルボニル基、カルボキシル基を増加させること、ポリイミド膜１３表面の凹凸を増加させること等を目的としている。

荷電粒子を含まない酸素ラジカル環境を作り出す方法として、例えば、図７に示すようなダウンフロー型ドライエッチング装置２００を用いる方法が挙げられる。即ち、ダウンフロー型ドライエッチング装置２００では、高周波電源２０４に接続された高周波（ＲＦ）電極２０５、２０６はガス上流側に配置され、ウエハ１を載せるためのステージ２０３はＲＦ電極２０５、２０６間から離れた位置であって、チャンバ２０１内のガス下流側に配置されている。このダウンフロー型ドライエッチング装置２００において、ＲＦ電極２０５、２０６間に酸素ガスを導入すると共に、ＲＦ電極２０５、２０６間に高周波電圧を印加して酸素プラズマを発生させる。酸素プラズマ中で酸素ラジカル及び荷電粒子が生じるが、荷電粒子はＲＦ電極２０５、２０６付近の電界に引き寄せられるためウエハには到達しない。一方、酸素ラジカルと酸素分子は電荷を帯びていないため、上記電界の影響を受けず、排気によりステージ２０３側へ引き寄せられる。これにより、ステージ２０３の周囲に荷電粒子を含まない酸素ラジカル環境が作り出される。

なお、図７に示したようなダウンフロー型ドライエッチング装置２００として、例えばＴＥ８５００Ｓ−ＡＴＣ（東京エレクトロン株式会社製）を用いることができる。ＴＥ８５００Ｓ−ＡＴＣを用いた表面処理条件は、例えば、ＲＦパワー：５５０Ｗ、Ｏ_２流量：４００ｓｃｃｍ、圧力：１４００ｍＴｏｒｒ、ステージ温度１５０℃、処理時間３０ｓと、プラズマ表面処理としては非常に軽めの処理条件である。本表面処理によるポリイミド膜１３の膜減り量は２００〜５００Å程度である。

これ以降は、通常の半導体装置１００の製造方法と同じである。例えば、ウエハをダイシングして複数個のＩＣチップに個片化する。次に、個片化したＩＣチップをリードフレームのアイランドに搭載する。さらに、ＩＣチップのボンディングパッドと、リードフレームのリード部とを金線などの導電部材で接続する。そして、図６に示すように、ＩＣチップをモールド樹脂２０で封止する。このような工程を経て、半導体装置１００を完成させる。
この実施形態では、絶縁膜３が本発明の第１の絶縁膜に対応し、パッシベーション膜１１が本発明の第２の絶縁膜に対応している。また、金属配線パターン６が本発明の金属配線に対応している。

（実施形態の効果）
本発明の実施形態は、以下の効果を奏する。
（１）パターン加工されたポリイミド膜１３の表面を、荷電粒子を含まない酸素ラジカル環境下に晒す表面処理工程、を有する。これにより、荷電粒子による表面官能基の破壊反応を抑制することができる。また、ポリイミド膜１３表面のカルボニル基やカルボキシル基を増加させ、これら表面官能基とモールド樹脂２０との間の水素結合を強化することができる。これにより、ポリイミド膜１３とモールド樹脂２０との間の密着性を向上させることができる。

（２）また、表面処理工程では、ダウンフロー型ドライエッチング装置２００を用いて、パターン加工されたポリイミド膜１３の表面処理を行う。即ち、ガス上流側に配置されたＲＦ電極２０５、２０６間に酸素ガスを導入すると共に、該ＲＦ電極２０５、２０６間に高周波電圧を印加して酸素プラズマを発生させ、酸素プラズマ中で生じる酸素ラジカル及び、酸素分子を、ＲＦ電極２０５、２０６間から離れた位置であって、チャンバ２０１内のガス下流側に配置されたステージ２０３側へ排気で引き寄せる。

これにより、ステージ２０３の周囲に、荷電粒子を含まない酸素ラジカル環境を容易に、再現性高く作り出すことができ、酸素ラジカル及び酸素分子のみを、パターン加工されたポリイミド膜１３の表面に到達させることができる。
なお、ポリイミド膜の表面処理をドライエッチング装置で行う場合、当業者であれば、平行平板型ドライエッチング装置を用いることが技術常識となる。これは、平行平板型ドライエッチング装置は、ダウンフロー型ドライエッチング装置よりも著しく高スループットであり、半導体装置の製造技術ではまず第１にスループットを重視するからである。しかしながら、本実施形態では、当業者の技術常識に反するが、平行平板型ドライエッチング装置と比較して著しく低スループットであるダウンフロー型ドライエッチング装置を、ポリイミド膜の表面処理にあえて使用する。

即ち、ダウンフロー型ドライエッチング装置による表面処理では、表面処理環境が荷電粒子を含まない分、平行平板型ドライエッチング装置に比べて処理速度が大変遅い。表面処理を実施する膜がベークで硬化させたポリイミド膜であるため、数１００Åの膜減りが得られるまで処理することを考えると、ポリイミド膜の表面処理は平行平板型ドライエッチング装置で行うことが技術常識となる。事実、本発明者が得た知見では、ポリイミド膜の膜減りスピードは平行平板型ドライエッチング装置の方がダウンフロー型ドライエッチング装置よりも５倍以上速かった。しかしながら、本発明の実施形態では、技術常識に反するが、ポリイミド膜の表面処理にダウンフロー型ドライエッチング装置をあえて使用する。これにより、本発明の実施形態は、実施形態の効果（２）を奏する。

（その他）
本発明は、以上に記載した実施形態に限定されうるものではない。当業者の知識に基づいて実施形態に設計の変更等を加えることが可能であり、そのような変形が加えられた態様も本発明の範囲に含まれる。

次に、本発明者が行った実験とその結果について説明する。
図８に示すような平行平板型ドライエッチング装置３００では、チャンバ３０１内に配置されたステージ３０３が高周波電源３０４に接続されており、このステージ３０３とその上方に配置された上部電極３０５との間で酸素プラズマを発生させる。酸素プラズマ中の荷電粒子は、ステージ３０３と上部電極３０５間の電界の影響を受けてステージ３０３に引き寄せられるため、ステージ３０３上のウエハ１は荷電粒子を含む酸素プラズマ環境下に晒されることになる。

本発明者は、図７に示したようなダウンフロー型ドライエッチング装置２００を用いてポリイミド膜の表面を荷電粒子を含まない酸素ラジカル環境下に晒した場合（即ち、実施形態）と、図８に示したような平行平板型ドライエッチング装置３００を用いてポリイミド膜の表面を荷電粒子を含む酸素プラズマ環境下に晒した場合（以下、比較形態という。）とについて、処理後のポリイミド膜表面をそれぞれ分析する実験を行った。その結果を図９に示す。

図９は、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）によるポリイミド膜表面のＣ１ｓスペクトル評価結果を示す図である。図９の横軸は電子の結合エネルギー（ＢｉｎｄｉｎｇＥｎｅｒｇｙ）を示し、縦軸は光電子の検出強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ（ａ．ｕ．））を示す。実施形態では、比較形態に比べて、２８８ｅＶのピークが１．５倍程度大きいことを確認した。２８８ｅＶのピークはカルボニル基、カルボキシル基の存在を示すものであり、２８８ｅＶのピークが高いほどポリイミド表面にカルボニル基、カルボキシル基が多く存在することを示している。

図１０は、ポリイミド膜表面の元素濃度と表面粗さを調査した結果を示す表である。ポリイミド膜の表面を酸素ラジカルに晒す表面処理は、モールド樹脂との密着性低下の一因とされるポリイミド膜表面に付着したフッ素を除去する効果や、ポリイミド膜表面の凹凸を増加させる効果を奏する。図１０に示すように、実施形態は比較形態と比べて、表面処理後のポリイミド膜表面のフッ素濃度［Ｆ］が低く、表面粗さＲａが大きい。このため、実施形態は比較形態と比べて、ポリイミド膜とモールド樹脂との密着性をより一層向上させることができることを確認した。

１半導体基板（ウエーハ）
３絶縁膜
５金属膜
６金属配線パターン
６ａ配線部
６ｂボンディングパッド
７ＳｉＯ膜
９ＳｉＮ膜
１１パッシベーション膜
１３ポリイミド膜
２０モールド樹脂
１００半導体装置
２００ダウンフロー型ドライエッチング装置
２０１チャンバ
２０３ステージ
２０４高周波電源
２０５、２０６ＲＦ電極
３００平行平板型ドライエッチング装置
３０１チャンバ
３０３ステージ
３０４高周波電源
３０５上部電極

Claims

半導体基板上に第１の絶縁膜を介して金属配線を形成する工程と、
前記金属配線上に第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜上にポリイミド膜を形成する工程と、
前記ポリイミド膜をパターン加工する工程と、
一対の高周波電極間に酸素ガスのみが存在するように酸素ガスを導入し、前記高周波電極間に高周波電圧を印加して酸素ラジカル及び荷電粒子を含む酸素プラズマを発生させ、前記荷電粒子が前記高周波電極付近の電界に引き寄せられることにより、前記酸素ラジカル及び酸素分子のみを含み且つ前記荷電粒子を含まないように酸素ラジカル環境を生成すると共に、前記パターン加工されたポリイミド膜の表面を前記酸素ラジカル環境下に晒して、前記ポリイミド膜の表面からエッチングガスに由来するフッ素を除去し、前記ポリイミド膜表面のカルボニル基、カルボキシル基を増加させ、前記ポリイミド膜表面の凹凸を増加させる表面処理を行う表面処理工程と、
前記表面処理が行われた後の前記半導体基板の表面をモールド樹脂で封止する工程と、を有する半導体装置の製造方法。
前記表面処理工程では、ガス上流側に配置された電極間に酸素ガスを導入すると共に、該電極間に高周波電圧を印加して酸素プラズマを発生させ、前記酸素プラズマ中で生じる酸素ラジカル及び、酸素分子を、前記電極間から離れた位置であってチャンバ内のガス下流側に配置されたステージ側へ排気で引き寄せることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記表面処理工程を行う前に、
前記パターン加工されたポリイミド膜をマスクに前記第２の絶縁膜をエッチングすることによって、前記ポリイミド膜及び前記第２の絶縁膜下から前記金属配線のボンディングパッドを露出させる工程、をさらに有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。