(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリイミドからなる保護膜上に形成されたチタンＴｉ膜をエッチングするエッチング方法であって、
半導体基板上に前記保護膜が形成され、該保護膜上に配線を形成するためのチタンＴｉ膜が形成された半導体装置を用意し、
反応ガスとして四フッ化炭素ＣＦ4と酸素Ｏ2のみからなる混合ガスを用い、四フッ化炭素ＣＦ4の流量をＸ、酸素Ｏ2の流量をＹ、酸素Ｏ2の流量比Ｚ＝｛Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）｝×１００（％）とした場合、所定のプロセス圧下で酸素Ｏ2の流量比Ｚが３〜２０％の範囲で混合した前記反応ガスを用いてチャンバ内に載置された前記半導体装置の前記チタンＴｉ膜をダウンフロー方式でプラズマエッチングするエッチング過程と、
エッチング完了後、上記プロセス圧を維持しながら、前記反応ガス以外のガスにてチャンバ内を置換する置換過程と、
を具備することを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】
前記プロセス圧は、少なくとも６５Ｐａ以上であることを特徴とする請求項１記載のエッチング方法。
【請求項３】
前記反応ガスに、更に、不活性ガスあるいは窒素ガスの少なくとも何れか一方を添加することを特徴とする請求項１記載のエッチング方法。
【請求項４】
前記置換過程は、少なくとも窒素ガスあるいは不活性ガスの何れか一方でチャンバ内を置換することを特徴とする請求項１記載のエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造に用いて好適なエッチング装置およびエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チップとパッケージのサイズが等しくなるウェハレベルＣＳＰ（Chip Size Package）構造の半導体装置が知られている。この種の半導体装置は、図４（ａ）に図示するように、ウェハ（半導体基板）１の表面（回路面）側に複数の接続パッド（アルミ電極）２，…，２を形成した後、各接続パッド２の中央部分が開口するよう酸化シリコン等からなる絶縁膜３を形成する。この後、図４（ｂ）に図示するように、絶縁膜３の上面側に各接続パッド２の中央部分が開口するよう保護膜４を形成する。
【０００３】
次に、図４（ｃ）に図示するように、各接続パッド２の中央部分および保護膜４上にシード層５を形成する。保護膜４上に直接、銅からなるシード層５をスパッタ法で成膜した場合には密着性に欠けるため、通常、保護膜４上に膜厚１６００〜１７００Åのチタン（Ｔｉ）膜５ａを形成した後に銅（Ｃｕ）膜５ｂを形成してシード層５を設ける。
この後、図５（ａ），（ｂ）に示すように、電解メッキにてシード層５上に形成された金属層（銅Ｃｕ層）をエッチングして再配線６を形成し、さらに同図（ｃ）に示すように、各再配線６上の所定箇所に柱状電極７を設ける。柱状電極７は、例えば１００〜１５０μｍ程度の厚さで電極形成用のフォトレジストを塗布硬化させた上、再配線６の所定箇所を露出する開口部を形成し、この開口部内に電解メッキを施すことで形成される。
【０００４】
再配線６および柱状電極７が形成された後は、不要となるシード層５（チタンＴｉ膜５ａおよび銅Ｃｕ膜５ｂ）をエッチングにより除去する（図６（ａ））。こうして図６（ａ）に図示する構造が形成された後は、同図（ｂ）に図示するように、柱状電極７を覆うように、ウェハ１の回路面側全体をエポキシあるいはポリイミド等の樹脂材によってモールドし封止樹脂層８を形成する。
そして、封止樹脂層８の上面側を研磨して柱状電極７の端面を露出させ、同図（ｃ）に図示するように、その端面にハンダボールを形成した後、ウエハウェハ１をダイシングしてチップに個片化する。これにより、チップとパッケージのサイズが等しくなるウェハレベルＣＳＰ構造の半導体装置が製造される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した製造工程において、チタンＴｉ膜５ａを除去する手法としてウェットエッチング法やドライエッチング法がある。ウェットエッチング法では処理するウェハ枚数が増えるに連れてエッチング液の液温上昇によりエッチング時間が変化してプロセス管理が困難になったり、エッチング液の管理が煩雑になる等の問題からドライエッチング法を採用する場合が多い。
【０００６】
低温プラズマを利用したドライエッチングとしては、ヘリコンエッチングや反応性イオンエッチングが知られている。標準的な装置構成およびレシピ下において四フッ化炭素（ＣＦ4）ガスを用いてチタンＴｉ膜５ａをヘリコンエッチングした場合のエッチングレートは約７００Å／ｍｉｎである。一方、四塩化炭素（ＣＣｌ4）ガスを用いてチタンＴｉ膜５ａを反応性イオンエッチングした場合のエッチングレートは約５００Å／ｍｉｎとなり、いずれもスループットが低いという問題がある。
【０００７】
また、ヘリコンエッチング方式の装置ではプロセス圧が０．５Ｐａ、反応性イオンエッチング方式の装置ではプロセス圧が４Ｐａとなり、いずれもターボ分子ポンプ、油拡散ポンプあるいはクライオポンプ等の高真空用の排気系を必要とする上、チャンバーチャンバ内の高真空を維持するためにロードロック室が必須になる結果、装置設備が高価になる欠点もある。
【０００８】
そこで本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、装置設備が安価でありながら、高スループットでチタンＴｉ膜をエッチングすることができるエッチング装置およびエッチング方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載のエッチング方法では、ポリイミドからなる保護膜上に形成されたチタンＴｉ膜をエッチングするエッチング方法であって、半導体基板上に前記保護膜が形成され、該保護膜上に配線を形成するためのチタンＴｉ膜が形成された半導体装置を用意し、反応ガスとして四フッ化炭素ＣＦ4と酸素Ｏ2のみからなる混合ガスを用い、四フッ化炭素ＣＦ4の流量をＸ、酸素Ｏ2の流量をＹ、酸素Ｏ2の流量比Ｚ＝｛Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）｝×１００（％）とした場合、所定のプロセス圧下で酸素Ｏ2の流量比Ｚが３〜２０％の範囲で混合した前記反応ガスを用いてチャンバ内に載置された前記半導体装置の前記チタンＴｉ膜をダウンフロー方式でプラズマエッチングするエッチング過程と、エッチング完了後、上記プロセス圧を維持しながら、前記反応ガス以外のガスにてチャンバ内を置換する置換過程と、を具備することを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、前記プロセス圧は、少なくとも６５Ｐａ以上であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、前記反応ガスに、更に、不活性ガスあるいは窒素ガスの少なくとも何れか一方を添加することを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、前記置換過程は、少なくとも窒素ガスあるいは不活性ガスの何れか一方でチャンバ内を置換することを特徴とする。
【００１７】
本発明では、四フッ化炭素ＣＦ4と酸素Ｏ2の混合ガスを用い、四フッ化炭素ＣＦ4の流量をＸ、酸素Ｏ2の流量をＹ、酸素Ｏ2の流量比Ｚ＝｛Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）｝×１００（％）とした場合、所定のプロセス圧下で酸素Ｏ2の流量比Ｚが３〜２０％の範囲内で混合した反応ガスを用いてチャンバ内に載置された半導体装置のポリイミドからなる保護膜上に形成されたチタンＴｉ膜をダウンフロー方式でプラズマエッチングするので、高スループットでチタンＴｉ膜をエッチングすることが可能になる。また、エッチング完了後、プロセス圧を維持しながら窒素ガスまたは不活性ガスにてチャンバ内を置換するので、エッチングによる反応生成物であるフッ化チタンがガス化したままチャンバから排出され、チャンバ内に凝固付着するのを防止することが可能となり、エッチング装置のメンテナンス性を良くすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の一形態について説明する。図１は実施の一形態によるプラズマエッチング装置１００の概略構成を示す図である。プラズマエッチング装置１００は、プラズマ発生部１０およびチャンバ２０から構成される。プラズマ発生部１０は、マグネトロン等のマイクロ波電源１１から出力される、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、導波管１２を介して石英管１３の外周に印加すると共に、所定のプロセス圧下で反応ガス（後述する）を石英管１３内に導入することでプラズマ放電する。
【００１９】
プラズマ発生部１０では、プラズマ放電によりイオンとラジカルとを生成するが、イオンは石英管１３を経てチャンバ２０内のステージ２０ａ上に載置されるウェハ１に至る過程でエネルギーを失う結果、ラジカルのみが反応ガスの流れに沿ってウェハ１に当る、所謂ダウンフロー方式のプラズマエッチングとなる。
ダウンフロー方式のプラズマエッチングとは、例えばレジストを灰化させて除去するレジストアッシングなど解像度を要しないものに適用される方式であり、低真空で反応ガスの流量を多くすることによってラジカルの生成量を多くし、それにより高速なエッチングを実現する。
【００２０】
次に、こうした特徴を有するダウンフロー方式のプラズマエッチング装置１００を用いてチタンＴｉ膜を高速にエッチングするためのプロセスについて説明する。
本発明による特徴的なエッチングプロセスは、▲１▼四フッ化炭素ＣＦ4と酸素Ｏ2とを混合した反応ガスでチタンＴｉ膜をエッチングするが、四フッ化炭素ＣＦ4の流量（単位：ｓｃｃｍ）をＸ、酸素Ｏ2の流量（単位：ｓｃｃｍ）をＹ、酸素Ｏ2の流量比Ｚ＝｛Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）｝×１００（％）とした場合、プロセス圧６５〜４００Ｐａ下で酸素Ｏ2の流量比Ｚを３〜２０％とした点と、▲２▼エッチング後、上記プロセス圧を維持しながら窒素Ｎ2ガスにてチャンバ２０内を置換した後に窒素パージして大気圧下に戻してウェハ１をチャンバ２０から取り出すようにした点にある。以下、これら特徴点について説明する。
【００２１】
（１）酸素Ｏ2の流量比Ｚを３〜２０％とした点
図１に図示したダウンフロー方式のプラズマエッチング装置１００において、反応ガス（ＣＦ4＋Ｏ2）中のＣＦ4添加量を変化させてチタン（Ｔｉ）およびポリイミド（ＰＩ）のエッチングレートを測定する実験を行った結果、図２に図示するように、Ｏ2添加量が３％以下（ＣＦ4添加量が９７％以上）ではチタンＴｉのエッチングレートが低下し、Ｏ2添加量が２０％以上（ＣＦ4添加量が８０％以下）ではポリイミドＰＩのエッチングレートが増加するという知見を得た。さらに、チタン（Ｔｉ）とポリイミド（ＰＩ）との選択比Ｔｉ／ＰＩを見てみると、図３に図示するように、Ｏ2添加量が３〜２０％の領域では選択比が７以上となり、この領域ではポリイミドがエッチングされる量はチタンがエッチングされる量に対して僅かとなり、殆どチタンＴｉのみを選択的にエッチングし得ることが判る。そこで、これら実験的知見により、チタンのみを選択的にエッチングにするに適する酸素Ｏ2の流量比は３〜２０％が最適であることが判明した。
【００２２】
（２）エッチング後、プロセス圧下でチャンバ２０内を窒素置換する点
上記流量比で酸素Ｏ2を添加した反応ガス（ＣＦ4＋Ｏ2）を用いてチタンＴｉ膜をエッチングすると、反応生成物としてフッ化チタン（ＴｉＦｘ）や酸化チタン（ＴｉｘＯｙ）が発生する。酸化チタンの発生量は僅かで問題とならないものの、フッ化チタンはプロセス圧（例えば１４７Ｐａ）では常温でガス化しており、エッチング工程後にチャンバ２０内を急速に窒素パージして大気圧に戻すと、フッ化チタンの沸点は２８４℃であるため、チャンバ２０内に凝固付着してしまう。そこで、エッチング工程終了後にプロセス圧を保持しながらチャンバ２０内を窒素ガスＮ2で置換すれば、フッ化チタンはガス化したままチャンバ２０から排出され、チャンバ２０内で凝固付着するのを防止することができる。
【００２３】
次に、上記特徴点を含む具体的なプロセスについて述べる。図１に図示したダウンフロー方式のプラズマエッチング装置１００において、エッチングすべきチタンＴｉ膜（膜厚１６００〜１７００Å）を有するウェハ１をチャンバ２０内のステージ２０ａ上にセッテングして下記プロセス条件でダウンフロープラズマエッチングを実行する。
＜プロセス条件＞
反応ガス…四フッ化炭素（ＣＦ4）＋酸素（Ｏ2）
ガス流量…ＣＦ4：６００ｓｃｃｍ，Ｏ2：３２ｓｃｃｍ
（Ｏ2添加量５％に相当）
マイクロ波出力…２．７ＫＷ
チャック温度…１２０゜Ｃ
チャンバ温度…６５゜Ｃ
プロセス圧…１４７Ｐａ
【００２４】
エッチング完了後、反応ガスの供給を止め、プロセス圧（１４７Ｐａ）を保持したまま、流量３００ｓｃｃｍで窒素ガスＮ2をチャンバ２０に流入させて窒素置換する状態を１５秒間維持する。この後、３回の窒素パージを経てチャンバ２０内を大気圧に戻してエッチングを終えたウェハ１を搬出する。
このようなプロセスによれば、チタンＴｉ膜のエッチングレートは約２１３０Å／ｍｉｎ）に達し、膜厚１６００〜１７００ÅのチタンＴｉ膜をエッチングする場合、オーバーエッチング時間を考慮しても所要時間はおよそ５０秒程度となる。この結果、エッチングレートが約７００Å／ｍｉｎのヘリコンエッチングや、約５００Å／ｍｉｎの反応性イオンエッチングに比較し、処理時間を約１／３に減らす結果、高スループットを実現することができる。
【００２５】
また、ダウンフロー方式のプラズマエッチング装置１００を用いたので、プロセス圧はプラズマ放電する６５〜４００Ｐａ程度の低真空度でよい。この為、ヘリコンエッチング方式や反応性イオンエッチング方式の装置のように、高真空度を維持するための装置設備が不要となり、安価な装置構成で対応できるという効果も奏する。
【００２６】
なお、上述した実施の一形態では、四フッ化炭素ＣＦ4と酸素Ｏ2とを混合した反応ガスを用いるようにしたが、これに限定されず、更にヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノン等の不活性ガスを添加したり、あるいは窒素または不活性ガスと窒素の両方を添加してプラズマ放電により生成するラジカル種を増やしてエッチングレートを増加させることも可能である。
さらに、本実施の形態では、エッチング終了後にプロセス圧を保持しながらチャンバ２０内を窒素置換するようにしたが、これに限定されず、不活性ガスを用いることもできる。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、反応ガスとして四フッ化炭素ＣＦ4と酸素Ｏ2のみからなる混合ガスを用い、四フッ化炭素ＣＦ4の流量をＸ、酸素Ｏ2の流量をＹ、酸素Ｏ2の流量比Ｚ＝｛Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）｝×１００（％）とした場合、所定のプロセス圧下で酸素Ｏ2の流量比Ｚが３〜２０％の範囲で混合した反応ガスを用いてチャンバ内に載置された半導体装置のポリイミドからなる保護膜上に形成されたチタンＴｉ膜をダウンフロー方式でプラズマエッチングするので、高スループットでチタンＴｉ膜をエッチングすることができる。また、エッチング完了後、プロセス圧を維持しながら反応ガス以外のガスにてチャンバ内を置換するので、エッチングによる反応生成物であるフッ化チタンがチャンバ内に凝固付着するのを防止することができて、エッチング装置のメンテナンス性を良くすることができる。
請求項２に記載の発明によれば、プロセス圧を少なくとも６５Ｐａ以上にしたので、ヘリコンエッチング方式や反応性イオンエッチング方式の装置のように、高真空度を維持するための装置設備が不要となり、安価な装置構成にすることができる。
請求項３に記載の発明によれば、反応ガスに、更に、不活性ガスあるいは窒素ガスの少なくとも何れか一方を添加するようにした為、プラズマ放電により生成するラジカル種を増やしてエッチングレートを増加させることができる。
請求項４に記載の発明によれば、エッチング完了後に、少なくとも窒素ガスあるいは不活性ガスの何れかでチャンバ内を置換するので、置換に用いるガスのコストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマエッチング装置１００の概略構成を示す図である。
【図２】図１に図示したプラズマエッチング装置１００において、反応ガス（ＣＦ4＋Ｏ2）のＣＦ4添加量を変化させてチタンＴｉおよびポリイミドＰＩのエッチングレートを測定する実験の結果を示す図である。
【図３】図２に図示した実験結果から得た、チタンＴｉとポリイミドＰＩとの選択比Ｔｉ／ＰＩを示す図である。
【図４】ウェハレベルＣＳＰ構造の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図５】図４に続く製造工程を示す断面図である。
【図６】図５に続く製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１  ウェハ
１０  プラズマ発生部
１１  マイクロ波電源１１
１２  導波管
１３  石英管
２０  チャンバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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