JP2003273076A - エッチング装置およびエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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膜をエッチングできるエッチング装置お
よびその方法を実現する。 【解決手段】 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％の範囲でに収まるよう酸素
Ｏ₂を四フッ化炭素ＣＦ₄に混合した反応ガスを用いてチ
ャンバ内に載置された基材のチタン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、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。

Description

【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１
００〜１５０μｍ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（Ｃ
Ｃｌ₄）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装置では、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３〜２
０％の範囲に収まるよう所定のプロセス圧下で、酸素Ｏ
₂を四フッ化炭素ＣＦ₄に所定の流量比で混合した反応ガ
スを用いてチャンバ内に載置された基材のチタン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
グ手段と、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窒素ガスにてチャンバ
内を置換する置換手段と、を具備するエッチング装置に
おいて、四フッ化炭素の流量をＸ、酸素の流量をＹ、酸
素の流量比Ｚ＝｛Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）｝×１００（％）とし
た場合、前記エッチング手段における酸素の流量比Ｚは
３〜２０％であるを具備することを特徴とする。

【００１０】上記請求項１に従属する請求項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。

【００１１】上記請求項１に従属する請求項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。

【００１２】上記請求項１に従属する請求項４に記載の
発明では、前記置換手段において、少なくとも窒素ガス
あるいは不活性ガスの何れか一方を用いるは、不活性ガ
スでチャンバ内を置換することを特徴とする。

【００１３】請求項５に記載のエッチング方法では、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％の範囲に収まるよう所定のプロセス圧下で、
酸素Ｏ₂を四フッ化炭素ＣＦ₄に所定の流量比で混合した
反応ガスを用いてチャンバ内に載置された基材のチタン
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窒素ガスにてチ
ャンバ内を置換する置換過程と、を具備するエッチング
方法において、四フッ化炭素の流量をＸ、酸素の流量を
Ｙ、酸素の流量比Ｚ＝｛Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）｝×１００
（％）とした場合、前記エッチング手段における酸素の
流量比Ｚは３〜２０％であるを具備することを特徴とす
る。

【００１４】上記請求項５に従属する請求項６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。

【００１５】上記請求項５に従属する請求項７に、更
に、記載の発明では、前記反応ガス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。

【００１６】上記請求項５に従属する請求項８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不活性ガスでチャンバ内を置
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％の範囲内でに
収まるよう酸素Ｏ₂を四フッ化炭素ＣＦ₄に混合した反応
ガスを用いてチャンバ内に載置された基材のチタン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、
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。になる。

【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１
３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Ｔ
ｉ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、
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、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】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ＣＦ
₄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（Ｃ
Ｆ₄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。そしてそこで、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％であるが最適と
なることが判明した。

【００２２】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゜Ｃであ
るため、チャンバ２０内に凝固付着してしまう。その為
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３
００ｓｃｃｍ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２
１３０Å／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１，５に記載の発明によれば、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％の範囲でに収まるよう酸素Ｏ₂を四フッ化炭
素ＣＦ₄に混合した反応ガスを用いてチャンバ内に載置
された基材のチタン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、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。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窒素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２，６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３，７
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４，８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。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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 定別当 裕康 東京都八王子市東浅川町550番地の１ 株 式会社アイ・イー・ピー・テクノロジーズ 内 Ｆターム(参考） 5F004 AA15 AA16 BA03 BA20 BB28 BC02 BD03 CA02 DA01 DA25 DA26 DB08

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 四フッ化炭素ＣＦ₄の流量をＸ、酸素Ｏ₂
   の流量をＹ、酸素Ｏ ₂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％の範囲に収まるよう所定の
   プロセス圧下で、酸素Ｏ₂を四フッ化炭素ＣＦ₄に所定の
   流量比で混合した反応ガスを用いてチャンバ内に載置さ
   れた基材のチタン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手段と、 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窒素ガスにてチャンバ内を置換す
   る置換手段と、を具備するエッチング装置において、四
   フッ化炭素の流量をＸ、酸素の流量をＹ、酸素の流量比
   Ｚ＝｛Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）｝×１００（％）とした場合、前
   記エッチング手段における酸素の流量比Ｚは３〜２０％
   であるを具備することを特徴とするエッチング装置。
2. 【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
   装置。
3. 【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記載のエッチング装置。
4. 【請求項４】 前記置換手段において、少なくとも窒素
   ガスあるいは不活性ガスの何れか一方を用いるは、不活
   性ガスでチャンバ内を置換することを特徴とする請求項
   １記載のエッチング装置。
5. 【請求項５】 四フッ化炭素ＣＦ₄の流量をＸ、酸素Ｏ₂
   の流量をＹ、酸素Ｏ ₂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％の範囲に収まるよう所定の
   プロセス圧下で、酸素Ｏ₂を四フッ化炭素ＣＦ₄に所定の
   流量比で混合した反応ガスを用いてチャンバ内に載置さ
   れた基材のチタン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窒素ガスにてチャンバ内を置換す
   る置換過程と、を具備するエッチング方法において、四
   フッ化炭素の流量をＸ、酸素の流量をＹ、酸素の流量比
   Ｚ＝｛Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）｝×１００（％）とした場合、前
   記エッチング手段における酸素Ｏ₂の流量比Ｚは３〜２
   ０％であるを具備することを特徴とするエッチング方
   法。
6. 【請求項６】 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５記載のエッチング
   方法。
7. 【請求項７】 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５記載のエッチング方法。
8. 【請求項８】 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不活性ガスでチャンバ内
   を置換することを特徴とする請求項５記載のエッチング
   方法。