JP2000080494A - 銅ダマシン配線用めっき液 - Google Patents
銅ダマシン配線用めっき液Info
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Abstract
に、微細な溝あるいは孔に対し、気泡の発生を防ぎなが
ら効率よく銅めっきを行うことのできる銅ダマシン配線
用めっき液を提供すること。 【解決手段】 硫酸銅濃度が4g/l〜200g/l、
硫酸濃度が10〜200g/lおよび塩素イオン濃度が
0〜100mg/lであり、必要によりイオウ系化合物
および高分子化合物を含有する銅ダマシン配線用銅めっ
き液。
Description
めっき液に関し、更に詳細には、半導体ウエハー面に形
成される幅または径が1.0μm以下で、アスペクト比
が0.1から50程度である配線溝ないし配線孔に、電
気めっきにより銅を埋め込むことのできる銅ダマシン配
線用めっき液に関する。
線パターンの配線材料としては、アルミニウムまたはア
ルミニウム合金が用いられていた。 しかしながら、配
線パターンの集積度が高くなるにつれて電流密度が増加
し、温度上昇やこれに伴う熱応力が生じる。 そして、
これらの現象は配線材料として利用されたアルミニウム
やアルミニウム合金にストレスマイグレーションやエレ
クトロマイグレーションによる断線等の問題が無視でき
なくなっていた。 このような問題を回避する手段とし
ては、配線材料であるアルミニウム等への銅の添加や、
高融点金属との積層化が行われているが、十分なものと
はいえなかった。
アルミニウムより導電性の良い配線材料を用いることが
検討されている。 アルミニウムより比抵抗の低い材料
としては、銅や銀が挙げられるが、このうち銀は高価
で、強度や耐食性が低く、しかも構成原子が拡散しやす
いという欠点を有する材料であるため、新しい配線材料
として銅や、銅合金に注目が集まっている。
溝にアルミニウム等を埋め込むために行われる方法(以
下、「ダマシン法」という)としては、スパッタリング
成膜とケミカルドライエッチングを組み合わせて用いる
方法がとられてきた。 しかし、この方法は、スパッタ
リング成膜でアスペクト比(深さと直径または幅の比)
の高い配線用の溝または孔への金属の充填、埋込が困難
であり、また、銅や銅合金に対するケミカルエッチング
も技術的に確立されていないという問題点があり、実用
化は困難であると判断されるものである。
配線孔への金属の埋込手法としては、CVD法が知られ
ているが、この方法は析出金属層中に有機原料由来の炭
素の混入が避けられないという欠点のあるものであっ
た。
度を目的として銅または銅合金を利用する場合には適用
することができず、別の手法の開発が求められていた。
の微細な溝に埋め込む方法(以下、「銅ダマシン法」と
いう)として、めっき法が注目されている。 銅の電気
めっき法は、プロセスコストが低く、成膜速度が速いと
いう長所もあるが、その反面、電析中に気泡が発生する
ことがあり、この気泡が電析面に付着したままになった
場合には、この部分がボイド(空孔)になってしまうと
いう問題があった。
ては、これを電析面から取り除くための種々の機械的あ
るいは電気的方法が検討されているが、気泡が発生する
部分が前記したようなアスペクト比が高く、しかも、そ
の幅または径が0.1〜0.2μm程度の溝または孔であ
るため、気泡を完全に取り除くことは困難であるといわ
ざるを得ない。
に発生しやすい場合があり、ある浴ではうまく行く機械
的あるいは電気的方法であっても他の浴では必ずしもう
まく行くとは限らず、信頼性の面で問題が生じるおそれ
もあった。
るいは電気的設備を必要とせずに、微細な溝あるいは孔
に対し、気泡の発生を防ぎながら効率よく銅めっきを行
うことのできる銅ダマシン配線用めっき液の提供が求め
られていた。
法に適した銅めっき浴について鋭意検討した結果、主要
構成成分である硫酸銅、硫酸および塩素イオン濃度を一
定の範囲とした酸性銅めっき浴は気泡の発生が少なく、
しかもつき回りよくアスペクト比の高い微小溝や微小孔
の中にも銅皮膜を析出することが可能なことを見出し
た。
し、その濃度を硫酸/硫酸銅五水塩の比に応じて選択す
ることにより、より好ましい銅ダマシン法に適した銅め
っき浴となることを見出した。
〜200g/l、硫酸濃度が10〜200g/lおよび
塩素イオン濃度が0〜100mg/lであることを特徴
とする銅ダマシン配線用銅めっき液を提供するものであ
る。
し、イオウ系化合物の配合量が、硫酸/硫酸銅五水塩の
比が1以下の場合は、0.05〜10mg/lであり、
硫酸/硫酸銅五水塩の比が1以上の場合は、0.1〜5
0mg/lである上記の銅ダマシン配線用銅めっき液を
提供するものである。
き液は、その基本構成成分として硫酸銅、硫酸および通
常塩素イオンを含むが、これら各成分の濃度は、硫酸銅
濃度が4g/l〜200g/l、硫酸濃度が10〜20
0g/l、塩素イオン濃度が0〜100mg/lであ
る。 また、浴中の硫酸/硫酸銅五水塩の比(以下、
「B/A比」という)は、0.1から25程度であり、
0.2から5程度が特に好ましい。
液(以下、「銅ダマシンめっき液」という)には、添加
剤としてイオウ系化合物を配合することができる。 こ
のイオウ系化合物の例としては、次の式(I)
基またはハロゲン原子で置換されていても良い炭素数1
から6のアルキレン基を示し、Xは水素原子、−SO3
M基または−PO3M基(ここで、Mは水素原子、アル
カリ金属原子またはアミノ基を示す)を示し、Yはアル
キルアミノカルボチオ基または、次の基
水酸基またはハロゲン原子で置換されていても良い炭素
数1から6のアルキレン基を示し、X'は−SO 3M基
または−PO3M基(Mは前記した意味を有する)を示
し、nは1〜5の整数を示す]で表される多硫化アルキ
レン化合物が挙げられる。
る作用を有するものであり、その具体例としては、N,
N−ジメチルジチオカルバミルプロピルスルホン酸、O
−エチル−S−(3−プロピルスルホン酸)−ジチオカ
ルボネート、ビス−(スルホプロピル)ジスルフィド等
やそれらの塩を挙げることができる。
添加量は、銅ダマシンめっき液の硫酸/硫酸銅の比に対
応して定める必要がある。 具体的には、B/A比が1
以下の場合は、0.14〜70μmol/lであり、B
/A比が1以上の場合は、0.14〜150μmol/
lとすることが必要である。 イオウ系化合物添加量と
B/A比の特に好ましい範囲を図に示せば図1の通りで
ある。 すなわち、イオウ系化合物添加量(μmol)
を縦軸に、B/A比を横軸に取った場合、次の9個の座
標、(0.05,0.14)、(0.05,1)、(0.1,
11)、(1,70)、(30,100)、(50,15
0)、(30,10)、(10,1.4)および(1,0.
14)で囲まれる範囲が特に好ましい範囲である。
液には、添加剤として高分子系有機添加剤を配合するこ
とができる。 高分子系有機添加剤の例としては、次の
式(II)
残基、炭素数1から25のアルキル基を有するアルキル
フェノールの残基、炭素数1から25のアルキル基を有
するアルキルナフトールの残基、炭素数3から22の脂
肪酸アミドの残基、炭素数2から4のアルキルアミンの
残基または水酸基を示し、R2およびR3は、水素原子
またはメチル基を示し、mおよびnは1から100の整
数を示す)で表される高分子化合物を挙げることができ
る。
を分極し、銅の析出を抑制する作用を有するものであ
り、その具体例としては、PPG、PEGあるいはそれ
らのランダムまたはブロック重合ポリマーあるいはそれ
らの誘導体等のポリエーテル類が挙げられる。
っき液に対し、10mg/lから5g/l程度添加され
る。
ェナチジン系化合物、フタロシアニン系化合物、ポリエ
チレンイミン、ポリベンジルエチレンイミンなどのポリ
アルキレンイミンおよびその誘導体、N−染料置換体化
合物などのチオ尿素誘導体、フェノサフラニン、サフラ
ニンアゾナフトール、ジエチルサフラニンアゾフェノー
ル、ジメチルサフラニンジメチルアニリンなどのサフラ
ニン化合物、ポリエピクロルヒドリンおよびその誘導
体、チオフラビン等のフェニルチアゾニウム化合物、ア
クリルアミド、プロピルアミド、ポリアクリル酸アミド
などのアミド類等の含窒素化合物を添加することができ
る。 この含窒素化合物は、銅の析出を抑え、析出物の
平坦化作用を有するものである。
ンめっき液に対し、0.01mg/lから100mg/
l程度添加される。
を用いて、半導体ウエハー面に形成される幅または径が
1.0μm以下、通常は0.1から0.2μm程度でアス
ペクト比が0.1から50程度である配線溝ないし配線
孔内に銅めっきを行い、ここに銅を埋め込むには、特段
の機械的あるいは電気的操作を必要とせず、通常の酸性
銅めっきに準じてめっき操作を行えばよい。
で、一般の直流電源により、0.02から5A/dm2
程度、好ましくは0.1から3A/dm2程度の電流密
度でめっき操作を行えばよい。 なお、この場合、機
械、ポンプ等を利用した品物の揺動や液の攪拌を採用す
ることが好ましい。 また、めっき時間としては、幅ま
たは径が0.2〜1μm程度、アスペクト比1〜5程度
の溝や孔の場合、0.5〜5分程度で完全に埋めること
が可能となる。
液を用いることにより、極めて微少で、アスペクト比の
高い微小溝および微小孔の内部まで均一に銅金属を析出
させることが可能になり、めっき後、化学機械研磨(C
MP)を施すことにより、半導体ウエハー面上の微細な
配線溝ないし配線孔を形成することが可能となる。
するが、本発明はこれら実施例等に何ら制約されるもの
ではない。
酸銅めっき浴を用い、下記条件で、Cuスパッタにより
導電化した孔径0.2μm、深さ0.4μmの微孔中を有
するSiウエハー板(試料)をめっき処理した。
れ、微孔部分を切断し、その穴埋め性を評価したとこ
ろ、十分に埋まっており良好であった。 また、析出物
(銅皮膜)の抵抗率(ρ)を測定したところ、1.75
μΩ.cmであった。 なお、この場合の平面部の銅めっ
き皮膜の膜厚は約1000nmであった。
実施例1と全く同じ試料に銅めっきを行った。 めっき
後の外観は半光沢状であり、微孔部分の穴埋め性は良好
であった。 また、抵抗率は1.95μΩ.cmであっ
た。 なお、平面部の銅めっき皮膜の膜厚は約1000
nmであった。
実施例1と全く同じ試料に銅めっきを行った。 めっき
後の外観は光沢があり、微孔部分の穴埋め性は良好であ
った。 また、抵抗率は1.8μΩ.cmであった。 な
お、平面部の銅めっき皮膜の膜厚は約800nmであっ
た。
実施例1と全く同じ試料に銅めっきを行った。 めっき
後の外観は光沢があり、微孔部分の穴埋め性は良好であ
った。 また、抵抗率は1.9μΩ.cmであった。 な
お、平面部の銅めっき皮膜の膜厚は約1000nmであ
った。
実施例1と全く同じ試料に銅めっきを行った。 めっき
後の外観は光沢があり、微孔部分の穴埋め性は良好であ
った。 また、抵抗率は1.8μΩ.cmであった。 な
お、平面部の銅めっき皮膜の膜厚は約500nmであっ
た。
実施例1と全く同じ試料に銅めっきを行った。 めっき
後の外観は光沢があり、微孔部分の穴埋め性は良好であ
った。 また、抵抗率は1.85μΩ.cmであった。 な
お、平面部の銅めっき皮膜の膜厚は約1000nmであ
った。
実施例1と全く同じ試料に銅めっきを行った。 めっき
後の外観は無光沢で、微孔部分は銅の粒径が大きく、空
隙が多いため穴埋め性は不良であった。 なお、抵抗率
は1.9μΩ.cmであり、平面部の銅めっき皮膜の膜厚
は約1000nmであった。
実施例1と全く同じ試料に銅めっきを行った。 めっき
後の外観は光沢があったが、微孔部分にボイド(空孔)
が存在し、穴埋め性は不良であった。 なお、抵抗率は
2.0μΩ.cmであり、平面部の銅めっき皮膜の膜厚は
約1000nmであった。
実施例1と全く同じ試料に銅めっきを行った。 めっき
後の外観は光沢があったが、微孔部分に表面に至るボイ
ド(空孔)が存在し、穴埋め性は不良であった。 な
お、抵抗率は1.95μΩ.cmであり、平面部の銅めっ
き皮膜の膜厚は約800nmであった。
ば、半導体ウエハー上の微細な配線溝や配線孔中に効率
よく金属銅を析出させることができるので、銅または銅
合金を配線材料として使用し、集積度の高い配線パター
ンを半導体ウエハー上に経済性良く形成することが可能
となる。
させるために特に好ましいイオウ系化合物添加量とB/
A比の関係を示す図面。 以 上
Claims (4)
- 【請求項1】 硫酸銅濃度が4g/l〜200g/l、
硫酸濃度が10〜200g/lおよび塩素イオン濃度が
0〜100mg/lであることを特徴とする銅ダマシン
配線用銅めっき液。 - 【請求項2】 更にイオウ系化合物を含有し、イオウ系
化合物の配合量が、硫酸/硫酸銅五水塩の比が1以下の
場合は、0.14〜70μmol/lであり、硫酸/硫
酸銅五水塩の比が1以上の場合は、0.14〜150μ
mol/lである請求項第1項記載の銅ダマシン配線用
銅めっき液。 - 【請求項3】 イオウ系化合物が次の式(I) 【化1】 [式中、Lは低級アルキル基、低級アルコキシ基、水酸
基またはハロゲン原子で置換されていても良い炭素数1
から6のアルキレン基を示し、Xは水素原子、−SO3
M基または−PO3M基(ここで、Mは水素原子、アル
カリ金属原子またはアミノ基を示す)を示し、Yはアル
キルアミノカルボチオ基または、次の基 【化2】 (ここで、L'は低級アルキル基、低級アルコキシ基、
水酸基またはハロゲン原子で置換されていても良い炭素
数1から6のアルキレン基を示し、X'は−SO 3M基
または−PO3M基(Mは前記した意味を有する)を示
し、nは1〜5の整数を示す]で表される多硫化アルキ
レン化合物である請求項第2項記載の銅ダマシン配線用
銅めっき液。 - 【請求項4】 更に、次の式(II) 【化3】 (式中、R1は、炭素数8から25の高級アルコールの
残基、炭素数1から25のアルキル基を有するアルキル
フェノールの残基、炭素数1から25のアルキル基を有
するアルキルナフトールの残基、炭素数3から22の脂
肪酸アミドの残基、炭素数2から4のアルキルアミンの
残基または水酸基を示し、R2およびR3は、水素原子
またはメチル基を示し、mおよびkは1から100の整
数を示す)で表される高分子化合物を含有する請求項第
2項または第3項記載の銅ダマシン配線用銅めっき液。
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