JP2000195822A - Method to apply copper plating to silicon wafer - Google Patents

Method to apply copper plating to silicon wafer

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JP2000195822A
JP2000195822A JP10371318A JP37131898A JP2000195822A JP 2000195822 A JP2000195822 A JP 2000195822A JP 10371318 A JP10371318 A JP 10371318A JP 37131898 A JP37131898 A JP 37131898A JP 2000195822 A JP2000195822 A JP 2000195822A
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plating
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Riichi Okubo
利一 大久保
Jiyunnosuke Sekiguchi
淳之輔 関口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve adhesion of a copper film to microscopic trenches and via holes by a method, wherein in a second stage, a current is interrupted, the thickness of the copper film deposited in the specified range in a first stage is chemically dissolved in a third stage, the current density of a cathod circuit is set lower than the circuit density in the first stage, and a current is made to flow to the copper film until the copper film reaches a prescribed thickness. SOLUTION: In a second stage, a current is interrupted. This time t2 is assumed to be the time equivalent to the time to take for chemically dissolving 5 to 80% of the thickness of a copper film deposited on the surface of a silicon wafer in a first stage. The copper film excessively deposited on the parts of the apertures of trenches and via holes in the first stage is preferentially dissolved. In a third stage, the current density of a cathode current I2 to be applied a plating is set lower than the current density of that in the first stage, and the time t3 is set to a time equivalent to the time it takes until the thickness of the copper film ultimately reaches a prescribed thickness. In this case, there is the possibility that the apertures are likely to be closed in the second stage, but when the circuit density of the cathod current I2 is set at a current density higher than the circuit density of that in the first stage, the apertures are again closed due to current concentration and voids might remain. Accordingly, there is a need to set the current density here to be lower than the circuit density of the cathode current in the first stage.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体配線材料と
して使用される銅を電気銅めっきにより形成するための
方法に関し、特に微細なトレンチやビア穴への銅の付回
り性を向上させ、均一かつ安定しためっきを施すことが
できるシリコンウエハーへの銅めっき方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming copper used as a semiconductor wiring material by electro-copper plating, and more particularly to a method for improving copper coverage on fine trenches and via holes and improving uniformity. The present invention relates to a method for copper plating on a silicon wafer that can perform stable plating.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体ウエハーの加工において
は、配線材料としてアルミニウムが用いられてきた。し
かし、最近では配線の集積度が高まっているために、前
記アルミニウムよりも電気伝導度の高い銅に置き換えら
れ、信号の遅延時間の増加を防ぐことが行なわれるよう
になった。銅をウエハー上に成膜する方法として、CV
D法、蒸着法、スパッタリング法などの乾式法の外に、
水溶液からの電気めっき法が使用されるようになってき
た。電気銅めっきは、スパッタリング法などに比べ微細
なトレンチやビア穴に対して付回り性は良好であるが、
それでもアスペクト比が3を超えるものに対しては付回
りが不十分となり、トレンチやビア穴にボイドが生ずる
場合がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, in processing semiconductor wafers, aluminum has been used as a wiring material. However, recently, due to an increase in the degree of integration of wiring, copper has been replaced with copper having higher electrical conductivity than aluminum, and an increase in signal delay time has been prevented. As a method of forming a copper film on a wafer, CV
In addition to dry methods such as D method, evaporation method, sputtering method,
Electroplating from aqueous solutions has been used. Electro-copper plating has better throwing power for fine trenches and via holes compared to sputtering etc.,
Nevertheless, if the aspect ratio exceeds 3, the turning becomes insufficient, and voids may occur in the trenches and via holes.

【0003】電気銅めっきでは、被めっき物であるシリ
コンウエハーの表面の電気伝導性を向上させるために、
シード層と呼ばれる銅の薄膜を形成する必要があり、こ
の膜厚は通常10〜100nmである。この銅のシード
層は現在スパッタリングで形成されているが、膜厚の均
一性が悪く、特に微小なトレンチやビア穴内の側壁や底
には非常にわずかしか析出しない。この膜厚を増加させ
ようとして様々な工夫が懲らされているが、なかなか難
しく、一般に表面に対する穴底の銅の析出膜厚の比率は
10%以下と言われている。
In electrolytic copper plating, in order to improve the electrical conductivity of the surface of a silicon wafer to be plated,
It is necessary to form a copper thin film called a seed layer, and this film thickness is usually 10 to 100 nm. This copper seed layer is currently formed by sputtering, but has a poor uniformity in film thickness, and very little precipitates particularly on the side walls and bottoms in minute trenches and via holes. Various attempts have been made to increase this film thickness, but it is quite difficult, and it is generally said that the ratio of the deposited film thickness of copper at the hole bottom to the surface is 10% or less.

【0004】このようにシード層の膜厚が不均一である
ため、強酸性の硫酸銅めっき液に浸漬した時に、膜厚の
薄い部分の銅が化学的溶解により消失し、この銅が消失
した部分には電気銅めっきが析出しなくなる。そしてそ
の部分がボイドとなるため電気銅めっきの付回りが不完
全となるものである。さらに、もう一つの問題は、電流
分布の関係によりトレンチやビア穴の内部よりも口の部
分の方が銅が析出し易いため、連続的な銅析出を行なう
と、内部が被覆されるよりもこれらの口の部分が閉じる
方が早くなり、内部にボイドが形成されることである。
以上に示すように、電気銅めっきにより半導体配線材料
として使用される銅を析出させるためにいくつかの問題
点があり、これらを克服しなければならないという問題
があった。
As described above, since the seed layer has a non-uniform film thickness, when immersed in a strongly acidic copper sulfate plating solution, the copper in the thin film portion disappears due to chemical dissolution, and the copper disappears. No electrolytic copper plating is deposited on the portion. Then, since the portion becomes a void, the rotation of the electrolytic copper plating becomes incomplete. Another problem is that copper is more likely to be deposited at the mouth than at the inside of the trench or via hole due to the current distribution. These mouth parts close faster and voids are formed inside.
As described above, there are several problems in depositing copper used as a semiconductor wiring material by electrolytic copper plating, and there is a problem that these must be overcome.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、銅シード層
薄膜を付けたシリコンウエハー上に電気銅めっきする工
程を基本的に見直し、電気銅めっきにおける微小なトレ
ンチやビア穴への付回りを改善することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention basically reexamines the process of electro-copper plating on a silicon wafer having a copper seed layer thin film attached thereto, and examines the surroundings of minute trenches and via holes in electro-copper plating. The purpose is to improve.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明者らは研究を行なった結果、電気めっきにお
ける電流と時間の設定を改善することにより、微小なト
レンチやビア穴への付回りが効果的かつ再現性よくに達
せられるとの知見を得た。本発明はこの知見に基ずき、 1 銅シード層薄膜を付けたシリコンウエハー上に電気
銅めっきする方法であって、めっき処理中に印加する電
流と時間を、 a.第1段階として、陰極電流が限界電流密度の30〜
100%で、その時間をウエハー上の最小の穴の径又は
溝の幅の75%の厚さに相当する銅析出に要する時間未
満とし、 b.第2段階として、電流を遮断し、その時間を前記
a.の段階で析出した銅の厚さの5〜80%が化学的に
溶解するのに相当する時間とし、 c.第3段階として、陰極電流が前記a.の段階での電
流密度以下であり、その時間を最終的に所定の銅膜厚に
達するまでの時間通電する、前記3段階でめっきするこ
とを特徴とするシリコンウエハーへの銅めっき方法 2 めっき作業中にシリコンウエハーを継続的に回転す
ることを特徴とする上記1記載のシリコンウエハーへの
銅めっき方法 3 前記b.の段階で、シリコンウエハーに析出した銅
を化学的に溶解する際に、該溶解速度を調整するため
に、銅よりも電気化学的に貴な金属をシリコンウエハー
に接触させることを特徴とする上記1又は2記載のシリ
コンウエハーへの銅めっき方法、を提供する。
Means for Solving the Problems To solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted a study. As a result, by improving the setting of current and time in electroplating, it is possible to improve the fine trenches and via holes. It was found that the rotation could be achieved effectively and with good reproducibility. The present invention is based on this finding, and is based on this finding. 1. A method for electrolytic copper plating on a silicon wafer provided with a copper seed layer thin film, wherein a current and a time applied during the plating process are a. As a first step, the cathode current is limited to the critical current density of 30 to
100%, which is less than the time required for copper deposition corresponding to a thickness of 75% of the smallest hole diameter or groove width on the wafer; b. As a second step, the current is interrupted and the time is set to a. A time corresponding to 5 to 80% of the thickness of the copper deposited in step c) being chemically dissolved; c. As a third step, the cathodic current is increased by the a. And plating the silicon wafer in the above three stages, wherein the current density is equal to or less than the current density in the stage, and the current is passed for a period of time until the copper film thickness finally reaches a predetermined value. 3. The method for plating copper on a silicon wafer according to the above 1, wherein the silicon wafer is continuously rotated therein. The step of chemically dissolving the copper deposited on the silicon wafer at the stage of, characterized in that in order to adjust the dissolution rate, a metal that is electrochemically more noble than copper is brought into contact with the silicon wafer. 3. The copper plating method for a silicon wafer according to 1 or 2.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】本発明は、図1に示すように3段
階の電流及び時間の設定変更を行なう。図1は本発明の
電気銅めっきにおける電流・時間設定の模式図であり、
該図において縦軸は陰極電流密度、横軸は時間である。
図1の下方にある水平のラインは限界電流密度IL を示
す。第1段階として、陰極電流I1 が限界電流密度IL
の30〜100%で、その時間t1 をウエハー上の最小
の穴の径又は溝の幅の75%の厚さの相当する銅析出に
要する時間未満とする。これは電流密度が低い、すなわ
ち銅の析出速度が低い場合にはトレンチやビア穴の底や
その付近の部分で、銅が析出するよりも早くシード層の
銅が化学溶解により消失してしまうことを避けるため
に、電流密度を十分高くし、急速なめっきを行なう必要
があることによる。ただし、電流密度が限界電流密度I
L よりも高くなり過ぎた場合には、銅の析出が樹枝状と
なり、これはトレンチやビア穴内の完全な埋め込みには
適さない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In the present invention, as shown in FIG. 1, setting of current and time is changed in three stages. FIG. 1 is a schematic diagram of current / time setting in the copper electroplating of the present invention.
In the figure, the vertical axis represents the cathode current density, and the horizontal axis represents time.
Horizontal line at the bottom of Figure 1 shows the critical current density I L. As a first step, the cathode current I 1 is reduced to the limit current density I L
30 to 100% of the time, the time t 1 is less than the time required for the corresponding copper deposition of a thickness of 75% of the smallest hole diameter or groove width on the wafer. This is because when the current density is low, that is, when the deposition rate of copper is low, the copper in the seed layer disappears due to chemical dissolution at the bottom of the trench or via hole or in the vicinity of the bottom faster than the copper is deposited. In order to avoid this, it is necessary to increase the current density sufficiently and perform rapid plating. However, the current density is limited current density I
If it is higher than L , the copper deposition becomes dendritic, which is not suitable for complete filling in trenches and via holes.

【0008】時間については、穴の底やその付近の部分
において、析出した銅被膜が電流を停止した時の化学溶
解により消失しない程度の膜厚に相当する時間以上で、
かつトレンチやビア穴の口の部分において、析出した銅
の膜厚が大きくなり過ぎて、後続の操作において底の部
分が埋められるよりも先に閉じてしまうことのない時間
とする。なお、トレンチやビア穴の両側の側壁から銅め
っき被膜が成長する訳であるから、上記の「最小の穴の
径又は溝の幅の75%」とは、穴の溝の未析出部分が2
5%とになっていることを意味する。したがって、析出
膜厚としては75%の1/2、すなわち「最小の穴の径
又は溝の幅」に対して37.5%に当たるものである。
[0008] The time is at least equal to the film thickness at which the deposited copper film does not disappear at the bottom of the hole or in the vicinity thereof due to chemical dissolution when the current is stopped.
In addition, the time is set so that the thickness of the deposited copper does not become too large in the mouth portion of the trench or the via hole, so that the bottom portion is not closed before the bottom portion is filled in a subsequent operation. Since the copper plating film grows from the sidewalls on both sides of the trench or the via hole, the above-mentioned “minimum hole diameter or 75% of the groove width” means that the undeposited portion of the hole groove is 2%.
It means that it is 5%. Therefore, the deposited film thickness is の of 75%, that is, 37.5% of the “minimum hole diameter or groove width”.

【0009】第2段階として、電流を遮断する。この時
間t2 は第1段階で表面に析出した銅の厚さの5〜80
%が化学的に溶解するのに相当する時間とする。前記第
1段階における銅の析出では、トレンチやビア穴の底よ
りも、これらの口の部分において電流密度が高くなり、
その結果として銅の膜厚が底の部分よりも口の部分の方
が厚くなっている。このままめっきを継続すると、トレ
ンチやビア穴の内に析出する前に口が閉じて、ボイドが
残ることになる。銅の化学溶解は、銅の溶解に関与する
イオン種の拡散速度が表面の方が大きいため、トレンチ
やビア穴の内部よりも表面の方が大きな速度で起こる。
これは、膜厚を調整するには好都合であり、このことを
利用して前記第1段階でトレンチやビア穴の口の部分に
過剰に析出した銅を優先的に溶解させる。ただし、この
時間が長すぎると、当然銅が過剰に溶解して一部又は全
部が消失するし、短すぎると上記の効果が得られない。
この銅の化学溶解に際し、銅よりも電気化学的に貴な金
属を必要な時間、シリコンウエハーに接触させることに
よって溶解速度を調整することができる。この貴な金属
の接触に際しては一定時間継続して又は断続的に行なう
ことができる。
As a second step, the current is interrupted. This time t 2 is 5 to 80 times the thickness of the copper deposited on the surface in the first stage.
% Is the time corresponding to the chemical dissolution. In the copper deposition in the first stage, the current density is higher at these openings than at the bottoms of trenches and via holes,
As a result, the thickness of copper is greater at the mouth than at the bottom. If the plating is continued as it is, the mouth is closed before depositing in the trench or the via hole, and a void remains. The chemical dissolution of copper occurs at a higher rate on the surface than inside the trench or via hole because the diffusion rate of ionic species involved in the dissolution of copper is higher on the surface.
This is convenient for adjusting the film thickness, and this is used to preferentially dissolve the excessively precipitated copper in the opening of the trench or the via hole in the first step. However, if this time is too long, copper dissolves excessively and part or all disappears, and if it is too short, the above-mentioned effects cannot be obtained.
In the chemical dissolution of copper, the dissolution rate can be adjusted by bringing a metal, which is electrochemically more noble than copper, into contact with the silicon wafer for a required time. The contact of the noble metal can be performed continuously or intermittently for a certain period of time.

【0010】第3段階として、めっきを行なう陰極電流
2 が第1段階の電流密度以下であり、その時間t3
最終的に所定の銅膜厚に達するまでとする。これは第2
段階において、トレンチやビア穴の口の部分の銅を化学
的に溶解したことにより、トレンチやビア穴の内部に析
出する前に口が閉じるという可能性は減少しているが、
第1段階よりも高電流密度にすると、電流集中により再
び口が閉じてボイドが残ることになりかねない。したが
って、ここでの電流密度は第1段階以下にする必要があ
る。これは、穴内では表面よりも銅イオンの供給がされ
にくくなるため、穴内の析出性を高めるためには、電流
密度を低下させて析出速度を減少させて徐々にめっきし
た方が良いからである。これにより、トレンチやビア穴
の内部においても銅の埋め込みは完全に行なわれる。
As a third step, the cathode current I 2 for plating is equal to or lower than the current density of the first step, and the time t 3 is set until a predetermined copper film thickness is finally reached. This is the second
At the stage, the possibility of the mouth closing before depositing inside the trench or via hole is reduced by chemically dissolving the copper at the mouth of the trench or via hole,
If the current density is higher than in the first stage, the mouth may be closed again due to current concentration and voids may remain. Therefore, the current density here must be lower than the first stage. This is because copper ions are less likely to be supplied in the hole than in the surface, and in order to enhance the deposition property in the hole, it is better to lower the current density and reduce the deposition rate to perform plating gradually. . As a result, copper is completely buried even in the trench or via hole.

【0011】本発明に使用する電気銅めっき液は特に限
定しないが、硫酸銅めっき液が最も好ましい。これは液
の成分が単純で、排水処理が容易であり、半導体製造の
分野においては汚染源となるアルカリ金属イオンを含ま
ないことの他、液中に大量に含有される硫酸が銅の化学
的溶解速度を促進するため、本発明の方法においては条
件の設定が容易であるという利点を有している。他の電
気銅めっき液としては、ピロリン酸浴、EDTA浴など
が挙げられるが、これらも銅と錯体を形成することによ
り、速度は遅いが同様に化学的溶解を行なうことができ
る。化学的溶解速度の上昇には、上記以外に空気吹き込
み等による溶存酸素濃度の増加等が効果がある。
Although the electrolytic copper plating solution used in the present invention is not particularly limited, a copper sulfate plating solution is most preferable. This is because the components of the solution are simple, the wastewater treatment is easy, and in the field of semiconductor manufacturing, it does not contain alkali metal ions, which are a source of contamination. The method of the present invention has an advantage that the setting of conditions is easy to promote the speed. Other electrolytic copper plating solutions include a pyrophosphoric acid bath, an EDTA bath, and the like. These also form a complex with copper, so that chemical dissolution can be performed similarly at a low speed. In addition to the above, increasing the dissolved oxygen concentration by blowing air or the like is effective in increasing the chemical dissolution rate.

【0012】硫酸銅めっき液の成分としては、次の組成
が適当である。 硫酸銅:銅として0.1〜100g/L(望ましくは1
〜50g/L) 硫酸 : 0.1〜500g/L(望ましくは1
0〜300g/L) これに、添加剤として例えば、ポリエチレングリコー
ル、ポリプロピレングリコール、4級アンモニウム塩、
ゼラチンなどの界面活性剤を使用することができる。こ
れらは電気めっきの電気化学反応において分極を大きく
し、めっきで析出した銅の結晶の大きさを均一化し、ま
た析出被膜の場所による膜厚の均一化の改善に効果があ
る。また、光沢剤を使用することができる。好適な光沢
剤としては、例えばCC−1220(ジャパンエナジー
製)などが挙げられる。
The following components are suitable as components of the copper sulfate plating solution. Copper sulfate: 0.1-100 g / L as copper (preferably 1
硫酸 50 g / L) Sulfuric acid: 0.1-500 g / L (preferably 1
0 to 300 g / L) In addition, as an additive, for example, polyethylene glycol, polypropylene glycol, quaternary ammonium salt,
Surfactants such as gelatin can be used. These are effective in increasing the polarization in the electrochemical reaction of electroplating, making the size of the copper crystal deposited by plating uniform, and improving the uniformity of the film thickness depending on the location of the deposited film. Also, brighteners can be used. Suitable brighteners include, for example, CC-1220 (manufactured by Japan Energy).

【0013】本発明の電気銅めっき処理を行なう前に
は、公知のように半導体ウエハーの表面に銅配線を埋め
込むためのトレンチやビア穴が作られ、その表面には銅
がシリコンに拡散することを防止するために、Ti,T
a,Niなどから選ばれるバリアメタルが、蒸着、スパ
ッタリング、CVD法などの公知の方法で着けられる。
この膜厚は製造する条件によって異なるが、一般に0.
001〜0.1μm程度である。さらにバリアメタル層
の上には薄い銅の層が同様に、蒸着、スパッタリング、
CVD法などの公知の方法で着けられる。これはバリア
メタル層は一般的に電気抵抗が大きく、電気めっきにお
いてウエハーの周辺部に設けられた接点周辺と中心部で
は、電流密度の差が大きくなってしまうため、電気抵抗
の小さい銅を予め付与しておくものである。この膜厚は
0.001〜0.1μmが適当である。しかし、この膜
厚は製造条件によって決められるもので、この範囲に制
限されるものではない。
Prior to performing the electrolytic copper plating process of the present invention, trenches and via holes for embedding copper wiring are formed on the surface of a semiconductor wafer as is well known, and copper diffuses into silicon on the surface. Ti, T to prevent
A barrier metal selected from a, Ni, or the like can be formed by a known method such as vapor deposition, sputtering, or a CVD method.
Although this film thickness varies depending on the manufacturing conditions, it is generally 0.1 μm.
It is about 001 to 0.1 μm. In addition, a thin layer of copper is also deposited on the barrier metal layer by vapor deposition, sputtering,
It is attached by a known method such as a CVD method. This is because the barrier metal layer generally has a large electric resistance, and the difference in current density between the periphery of the contact provided at the peripheral portion of the wafer and the central portion in the electroplating becomes large. It is to be given. The thickness is suitably 0.001 to 0.1 μm. However, this film thickness is determined by manufacturing conditions, and is not limited to this range.

【0014】本発明は、工業用の公知の装置を使用して
実施できる。図2は実施例及び比較例の試験を行なうた
めに使用した試験装置であり、工業用の装置と構造的に
類似している。一般に、工業用の装置はシリコンウエハ
ーがそのままの大きさで回転電極にセットできるように
なっており、当然それに合わせて、槽、アノード等の大
きさ(形状、寸法)は大きくなっている。被めっき材で
ある半導体ウエハー1とアノード2を対向させて電気め
っき槽3内に配置する。図2では半導体ウエハー1とア
ノード2が電気めっき液面4に対し水平に配置されてい
るが、垂直に配置してもよい。半導体ウエハー1はめっ
きを行なうべき表面を残し、裏面は電気めっき液に触れ
ないようにシールする必要がある。給電のための接点は
半導体ウエハー1の端付近に設ける。符号6は半導体ウ
エハー1を保持して回転させる回転電極、符号7は整流
器を示す。アノード2は含リン銅アノード(リン含有率
0.04〜0.06%)又は不溶性アノードが用いられ
る。この不溶性アノードとしてはPt,PtめっきTi
の使用が適当である。また市販されている寸法安定性電
極(DSA)なども使用できる。含リン銅アノードを用
いる場合には、めっきされた分の銅の補給はアノードの
溶解により自動的に行なわれる。ただし、アノードの溶
解時に若干のスラッジが生じるため、ポリプロピレン繊
維等で作られたアノードバッグに入れる必要がある。不
溶性アノードを用いた場合には、めっきにより液中の銅
濃度が減少していくため、銅濃度を維持するために硫酸
銅溶液を補給する必要がある。
The present invention can be carried out using known industrial equipment. FIG. 2 shows a test apparatus used for performing tests of the example and the comparative example, which is structurally similar to an industrial apparatus. In general, an industrial apparatus is designed so that a silicon wafer can be set on a rotating electrode in the same size, and the size (shape, size) of a tank, an anode and the like is naturally increased accordingly. A semiconductor wafer 1 as a material to be plated and an anode 2 are placed in an electroplating tank 3 so as to face each other. In FIG. 2, the semiconductor wafer 1 and the anode 2 are arranged horizontally with respect to the electroplating solution level 4, but they may be arranged vertically. The semiconductor wafer 1 needs to be sealed so that the surface to be plated is left, and the back surface is not touched by the electroplating solution. The contact for power supply is provided near the edge of the semiconductor wafer 1. Reference numeral 6 denotes a rotating electrode that holds and rotates the semiconductor wafer 1, and reference numeral 7 denotes a rectifier. As the anode 2, a phosphorus-containing copper anode (phosphorus content: 0.04 to 0.06%) or an insoluble anode is used. Pt, Pt-plated Ti
Is appropriate. A commercially available dimensionally stable electrode (DSA) can also be used. In the case of using a phosphorous copper anode, the replenishment of the plated copper is automatically performed by dissolving the anode. However, since some sludge is generated when the anode is dissolved, it is necessary to put the anode in an anode bag made of polypropylene fiber or the like. When an insoluble anode is used, the concentration of copper in the solution is reduced by plating, and it is necessary to supply a copper sulfate solution to maintain the concentration of copper.

【0015】本発明におけるめっき条件は、次の通りで
ある。 電流密度:0.1〜100A/dm2 (好ましくは0.
5〜5A/dm2 ) 液温度 :10〜80°C(好ましくは15〜30°
C) 電気めっきにおける電流密度、液温度及び液の流速(め
っき面と液バルクとの相対速度)は相互に依存する関係
をもっており、上記の範囲で、被めっき物である半導体
ウエハーの面に対して適当な液の流速を付与することに
よって、狙いの析出速度と銅析出(結晶状態)を得るこ
とができる。液の流速を付与する方法としてはめっきさ
れるウエハーを図2に示すように回転させる方法が適当
である。本発明においては、このウエハーの回転は被め
っき面への銅イオンの供給の促進と、銅の化学的溶解の
促進の意味をもつ。すなわち、回転速度の設定によって
これらの因子を制御することができる。回転速度が大き
いほど銅イオンの供給速度及び銅の化学的溶解速度とも
大きくなる。本発明では前述の第1〜第3段階の一連の
めっき作業中に、被めっき物であるウエハーを連続的に
回転させる。これにより、ウエハー面内の銅イオンの供
給と銅の化学的溶解速度を安定化させる。
The plating conditions in the present invention are as follows. Current density: 0.1 to 100 A / dm 2 (preferably 0.1 to 100 A / dm 2 )
5-5 A / dm 2 ) Liquid temperature: 10-80 ° C (preferably 15-30 °)
C) The current density, the solution temperature and the solution flow rate (relative speed between the plating surface and the solution bulk) in electroplating have a mutually dependent relationship, and within the above range, the surface of the semiconductor wafer to be plated is By applying an appropriate flow rate of the liquid, a desired deposition rate and copper precipitation (crystal state) can be obtained. As a method of giving the liquid flow velocity, a method of rotating the wafer to be plated as shown in FIG. 2 is suitable. In the present invention, the rotation of the wafer means to promote the supply of copper ions to the surface to be plated and to promote the chemical dissolution of copper. That is, these factors can be controlled by setting the rotation speed. As the rotation speed increases, both the supply rate of copper ions and the chemical dissolution rate of copper increase. In the present invention, the wafer as the object to be plated is continuously rotated during the above-described series of plating operations in the first to third stages. This stabilizes the supply of copper ions in the wafer surface and the rate of chemical dissolution of copper.

【0016】また、上記にも説明したように、本発明に
おいては銅の化学的溶解速度を調整するために、被めっ
き材であるシリコンウエハー上の銅表面に、銅よりも電
気化学的に貴な金属を接触させたり離したりする。貴金
属を銅表面に接触させると、いわゆる電池反応により銅
がアノード、貴金属がカソードとなって銅の溶解速度が
促進される。したがって、これを接触させた時点は銅の
溶解速度が高く、離すと溶解速度が元に戻る。これによ
り、本発明のめっき過程における第2段階において、貴
金属の接触を行なうことによって電流の遮断する時間を
短くすることができ、結果としてトータルの埋め込みに
必要な時間の削減ができる。第3段階においても、正味
の銅析出速度の調整のため、貴金属の接触を行なうこと
ができる。第1段階においては、銅の化学的溶解度の増
大は部分的なシード層の消失、その結果としてボイドの
発生につながるため好ましくない。この方法に使用する
貴金属としてはめっき液に対して化学的に安定であり、
銅よりも電気化学的に貴であることがあり、白金、金、
イリジウムなどが適当である。
Further, as described above, in the present invention, in order to adjust the chemical dissolution rate of copper, the copper surface on the silicon wafer, which is the material to be plated, is electrochemically more noble than copper. Contact and separation of metal. When a noble metal is brought into contact with the copper surface, so-called battery reaction causes copper to become an anode and the noble metal to become a cathode, thereby accelerating the dissolution rate of copper. Therefore, the dissolution rate of copper is high at the time of contact, and the dissolution rate returns to its original state when the copper is released. Thus, in the second stage of the plating process of the present invention, the time for interrupting the current by making contact with the noble metal can be shortened, and as a result, the time required for total embedding can be reduced. Also in the third stage, precious metal contact can be made to adjust the net copper deposition rate. In the first stage, an increase in the chemical solubility of copper is undesirable because it leads to partial disappearance of the seed layer and consequently voids. The noble metal used in this method is chemically stable to the plating solution,
It may be more electrochemically noble than copper, platinum, gold,
Iridium and the like are suitable.

【0017】本発明では、半導体ウエハーに電気銅めっ
きを施すための前処理としては、通常の酸浸漬等が用い
られる。酸としては希硫酸が適当であり、その濃度は
0.1〜50%(好ましくは0.5〜10%)が適当で
ある。なお、この前処理としての酸浸漬は必須のもので
はなく、実施しなくてもよい。本発明の方法による最終
的な電気銅めっき膜厚は、半導体ウエハーの表面のトレ
ンチが埋められ、その後の工程であるケミカルメカニカ
ルポリッシング(CMP)による平坦化によって配線が
形成される目的のために実施する程度でよい。一般的に
は0.5〜1.5μmである。
In the present invention, a normal acid immersion or the like is used as a pretreatment for applying electrolytic copper plating to a semiconductor wafer. Dilute sulfuric acid is suitable as the acid, and its concentration is suitably 0.1 to 50% (preferably 0.5 to 10%). The acid immersion as the pretreatment is not essential, and need not be performed. The final electrolytic copper plating film thickness by the method of the present invention is performed for the purpose of filling trenches on the surface of the semiconductor wafer and forming wiring by flattening by chemical mechanical polishing (CMP) which is a subsequent step. Just enough. Generally, it is 0.5 to 1.5 μm.

【0018】[0018]

【実施例および比較例】以下、実施例および比較例に基
づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であ
り、この例によって何ら制限されるものではない。すな
わち、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限される
ものであり、本発明に含まれる実施例以外の種々の変形
を包含するものである。電気銅めっきによるウエハーに
形成したトレンチの埋め込み試験を行なった。試験に使
用したウエハーのトレンチの幅は0.25μm、深さは
1.0μm(アスペクト比は4.0)である。ウエハー
にはバリア層としてTaを0.05μm、その上にシー
ド層として銅を0.05μmスパッタリングにより形成
した。なお、銅の膜厚は表面の狙い値である。使用した
電気銅めっき液の組成は次の通りである。 硫酸銅:銅として8g/L 硫酸 : 180g/L 塩素 : 70ppm 添加剤(CC−1220:ジャパンエナジー製):1m
L/L
Examples and comparative examples are described below based on examples and comparative examples. This embodiment is merely an example, and the present invention is not limited to this example. That is, the present invention is limited only by the claims, and includes various modifications other than the examples included in the present invention. An embedding test of a trench formed in a wafer by electrolytic copper plating was performed. The width of the trench of the wafer used for the test is 0.25 μm, and the depth is 1.0 μm (the aspect ratio is 4.0). The wafer was formed by sputtering 0.05 μm of Ta as a barrier layer, and 0.05 μm of copper as a seed layer thereon. In addition, the film thickness of copper is a target value of the surface. The composition of the electrolytic copper plating solution used is as follows. Copper sulfate: 8 g / L as copper Sulfuric acid: 180 g / L Chlorine: 70 ppm Additive (CC-1220: manufactured by Japan Energy): 1 m
L / L

【0019】このサンプルに対し、以下に示す条件で電
気めっきを行なった。めっき条件は図1に示す因子の数
値を変化させて実施した。液温は25°Cである。銅の
析出速度は1A/dm2 で1分当たり0.22μmであ
る。また同じ液を使用して電気化学測定を行なった結
果、この液の限界電流密度は回転数100rpm及び2
00rpmで、それぞれ3.0A/dm2 及び4.2A
/dm2 であった。銅被膜の化学溶解速度は、回転数1
00rpm及び200rpmで、それぞれ0.01μm
/分及び0.02μm/分と見積もられた。また回転数
100rpmで銅表面に白金線を接触させた場合の銅被
膜の化学溶解速度は0.06μm/分と見積もられた。
This sample was electroplated under the following conditions. The plating conditions were changed by changing the values of the factors shown in FIG. The liquid temperature is 25 ° C. The copper deposition rate is 0.22 μm per minute at 1 A / dm 2 . As a result of electrochemical measurement using the same liquid, the limiting current density of this liquid was 100 rpm and 2 rpm.
At 00 rpm, 3.0 A / dm 2 and 4.2 A, respectively.
/ Dm 2 . The chemical dissolution rate of the copper coating is 1 revolution.
0.01 μm at 00 rpm and 200 rpm, respectively.
/ Min and 0.02 μm / min. When the platinum wire was brought into contact with the copper surface at a rotation speed of 100 rpm, the chemical dissolution rate of the copper coating was estimated to be 0.06 μm / min.

【0020】これによる試験結果を表1に示す。表1に
おいて、比較例1、12は電流密度が本発明の範囲を超
えておりボイドが発生した。比較例2〜4は電流を遮断
する第2段階の時間t2 が存在しない。すなわちトレン
チ又はビア穴の口等に析出した銅を溶解する工程がな
く、いずれもボイドが発生している。比較例5、10は
第1段階におけるめっき時間が過剰でボイドが発生して
いる。比較例6、9は第1段階における電流密度が不足
でボイドが発生している。比較例7、8、11は電流を
遮断する第2段階の時間t2 が過剰で、銅の被覆が消失
し、ボイドが発生したものと考えられる。特に比較例8
は穴内が全部ボイドとなっている。同様に比較例9は電
流密度不足でありボイドが発生している。また、比較例
13は貴金属となる白金をウエハーに接触させ銅の化学
的溶解を促進させたものであるが、それが過剰なために
穴内全てがボイドとなった。これらの比較例に対し、本
発明の範囲にある実施例1〜7はいずれもボイドが形成
されず、繊細なトレンチへの完全な埋め込みが達成でき
ており本発明の有効性が確認できた。
Table 1 shows the test results. In Table 1, in Comparative Examples 1 and 12, the current density exceeded the range of the present invention, and voids occurred. Comparative Example 2-4 does not exist the time t 2 of the second stage of interrupting the current. That is, there is no step of dissolving the copper deposited at the opening of the trench or the via hole, and voids are generated in each case. In Comparative Examples 5 and 10, the plating time in the first stage was excessive and voids were generated. In Comparative Examples 6 and 9, the current density in the first stage was insufficient and voids were generated. Comparative Example 7, 8, 11 and the second stage of the time t 2 is in excess of interrupting the current, the coating of the copper is lost, it is considered that voids are generated. Especially Comparative Example 8
Is void inside the hole. Similarly, in Comparative Example 9, the current density was insufficient and voids were generated. In Comparative Example 13, platinum serving as a noble metal was brought into contact with the wafer to promote the chemical dissolution of copper. However, the excess amount resulted in voids in all the holes. In contrast to these comparative examples, no voids were formed in any of Examples 1 to 7 within the scope of the present invention, and complete embedding in a delicate trench was achieved, confirming the effectiveness of the present invention.

【0021】[0021]

【表1】 [Table 1]

【0022】[0022]

【発明の効果】銅シード層薄膜を付けたシリコンウエハ
ー上に電気銅めっきする方法において、電気めっきにお
ける電流と時間の設定を改善することにより、ボイド等
のめっき欠陥が発生することなく、微小なトレンチやビ
ア穴への付回りが効果的かつ再現性よく達成することが
できる。
According to the method of electroplating copper on a silicon wafer provided with a copper seed layer thin film, by improving the setting of current and time in electroplating, plating defects such as voids can be minimized. It is possible to achieve effective and reproducible turning around trenches and via holes.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の電気銅めっきにおける電流・時間設定
の模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of current / time setting in electrolytic copper plating of the present invention.

【図2】回転電極めっき装置の概略説明図である。FIG. 2 is a schematic explanatory view of a rotary electrode plating apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ウエハー 2 アノード 3 めっき槽 4 めっき液面 5 接点 6 回転電極 7 整流器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wafer 2 Anode 3 Plating tank 4 Plating solution level 5 Contact 6 Rotating electrode 7 Rectifier

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4K024 AA09 AB01 BA15 BB12 CA07 CA16 CB08 GA16 4M104 BB04 BB05 BB14 BB17 DD34 DD37 DD43 DD52 FF17 HH13 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4K024 AA09 AB01 BA15 BB12 CA07 CA16 CB08 GA16 4M104 BB04 BB05 BB14 BB17 DD34 DD37 DD43 DD52 FF17 HH13

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 銅シード層薄膜を付けたシリコンウエハ
ー上に電気銅めっきする方法であって、めっき処理中に
印加する電流と時間を、 a.第1段階として、陰極電流が限界電流密度の30〜
100%で、その時間をウエハー上の最小の穴の径又は
溝の幅の75%の厚さに相当する銅析出に要する時間未
満とし、 b.第2段階として、電流を遮断し、その時間を前記
a.の段階で析出した銅の厚さの5〜80%が化学的に
溶解するのに相当する時間とし、 c.第3段階として、陰極電流が前記a.の段階での電
流密度以下であり、その時間を最終的に所定の銅膜厚に
達するまでの時間通電する、前記3段階でめっきするこ
とを特徴とするシリコンウエハーへの銅めっき方法。
1. A method for electroplating copper on a silicon wafer provided with a copper seed layer thin film, comprising the steps of: a. As a first step, the cathode current is limited to the critical current density of 30 to
100%, which is less than the time required for copper deposition corresponding to a thickness of 75% of the smallest hole diameter or groove width on the wafer; b. As a second step, the current is interrupted and the time is set to a. A time corresponding to 5 to 80% of the thickness of the copper deposited in step c) being chemically dissolved; c. As a third step, the cathodic current is increased by the a. Plating at a current density of not more than the current stage, and energizing for a time until the copper film thickness finally reaches a predetermined thickness.
【請求項2】 めっき作業中にシリコンウエハーを継続
的に回転することを特徴とする請求項1記載のシリコン
ウエハーへの銅めっき方法。
2. The method according to claim 1, wherein the silicon wafer is continuously rotated during the plating operation.
【請求項3】 前記b.の段階で、シリコンウエハーに
析出した銅を化学的に溶解する際に、該溶解速度を調整
するために、銅よりも電気化学的に貴な金属をシリコン
ウエハーに接触させることを特徴とする請求項1又は2
記載のシリコンウエハーへの銅めっき方法。
3. The b. The step of chemically dissolving copper deposited on the silicon wafer at the step of: contacting the silicon wafer with a metal that is electrochemically more noble than copper in order to adjust the dissolution rate. Item 1 or 2
The copper plating method for a silicon wafer as described in the above.
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