JP2001023932A - 半導体素子製造方法及び製造装置 - Google Patents
半導体素子製造方法及び製造装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電化メッキ法による半導体ウエハ上への銅薄
膜形成において、ウエハ表面に銅薄膜を均一に形成し、
銅薄膜内のボイドを低減させ、完全な銅配線を形成す
る。 【解決手段】 半導体ウエハ（１）とそれに接触した電
解質水溶液（２）間に電流を通電しながら、水溶液に半
導体ウエハに対して垂直な縦磁界を水溶液タンク（６）
の外部の磁石（５）より印加する。
膜形成において、ウエハ表面に銅薄膜を均一に形成し、
銅薄膜内のボイドを低減させ、完全な銅配線を形成す
る。 【解決手段】 半導体ウエハ（１）とそれに接触した電
解質水溶液（２）間に電流を通電しながら、水溶液に半
導体ウエハに対して垂直な縦磁界を水溶液タンク（６）
の外部の磁石（５）より印加する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の製造
方法及び製造装置に関し、特に、電解質水溶液と半導体
ウエハ間に電流を通電して、素子間を配線する金属薄膜
をウエハ表面に形成させる方法に関するものである。
方法及び製造装置に関し、特に、電解質水溶液と半導体
ウエハ間に電流を通電して、素子間を配線する金属薄膜
をウエハ表面に形成させる方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】超高集積電子デバイスの素子間の配線に
は一般にアルミニウムが使用されているが、配線の抵抗
を下げるために電気抵抗の低い銅を配線として使用する
方法が考案され使用されている。銅を半導体ウエハに成
膜する方法の１つとして、半導体ウエハと銅イオンを含
んだ電解質水溶液間に電流を通電し、銅イオンを半導体
ウエハ表面に堆積させる電解メッキ法がある。
は一般にアルミニウムが使用されているが、配線の抵抗
を下げるために電気抵抗の低い銅を配線として使用する
方法が考案され使用されている。銅を半導体ウエハに成
膜する方法の１つとして、半導体ウエハと銅イオンを含
んだ電解質水溶液間に電流を通電し、銅イオンを半導体
ウエハ表面に堆積させる電解メッキ法がある。
【０００３】この場合、半導体素子の製造には、半導体
ウエハ表面上に均一な厚さの銅を堆積することが重要で
あるが、従来の方法では、半導体ウエハの中心部よりも
外周部で厚く銅が堆積してしまうという問題がある。こ
れを解決するために従来の方法では、電解質水溶液をス
ターラーで攪拌する方法や、電解質水溶液中に添加剤な
どを混入させ膜厚を均一にする方法が検討されている。
ウエハ表面上に均一な厚さの銅を堆積することが重要で
あるが、従来の方法では、半導体ウエハの中心部よりも
外周部で厚く銅が堆積してしまうという問題がある。こ
れを解決するために従来の方法では、電解質水溶液をス
ターラーで攪拌する方法や、電解質水溶液中に添加剤な
どを混入させ膜厚を均一にする方法が検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来技
術では、電解質水溶液をスターラーで攪拌するために、
水溶液中に攪拌子を混入する必要があり、攪拌子から汚
染物質が混入してしまう問題があった。また、添加剤を
混入する方法でも、汚染物質がウエハに付着するおそれ
があった。さらに、これらの従来法では、半導体ウエハ
表面近傍の電解質水溶液の流れを制御できないので、攪
拌しても膜厚のむらが生じてしまうという問題があっ
た。また、ウエハの抵抗率の分布に沿って水溶液中の電
流密度が異なり、これに対応して膜厚のむらが生じてし
まうという問題があった。特に、低抵抗率のウエハの場
合、ドーパント不純物濃度が高いため、抵抗率分布の変
動が大きく、このような低抵抗率ウエハを用いる場合に
は、膜厚を均一にするのが非常に困難であった。
術では、電解質水溶液をスターラーで攪拌するために、
水溶液中に攪拌子を混入する必要があり、攪拌子から汚
染物質が混入してしまう問題があった。また、添加剤を
混入する方法でも、汚染物質がウエハに付着するおそれ
があった。さらに、これらの従来法では、半導体ウエハ
表面近傍の電解質水溶液の流れを制御できないので、攪
拌しても膜厚のむらが生じてしまうという問題があっ
た。また、ウエハの抵抗率の分布に沿って水溶液中の電
流密度が異なり、これに対応して膜厚のむらが生じてし
まうという問題があった。特に、低抵抗率のウエハの場
合、ドーパント不純物濃度が高いため、抵抗率分布の変
動が大きく、このような低抵抗率ウエハを用いる場合に
は、膜厚を均一にするのが非常に困難であった。
【０００５】本発明は、前述した事情に鑑みてなされた
もので、電解メッキ法により半導体ウエハ上に銅を堆積
させる場合に、膜厚の均一な銅を半導体ウエハ表面上に
堆積させることができる半導体素子の製造方法及び製造
装置を提供することを目的とする。
もので、電解メッキ法により半導体ウエハ上に銅を堆積
させる場合に、膜厚の均一な銅を半導体ウエハ表面上に
堆積させることができる半導体素子の製造方法及び製造
装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述した事情
に鑑みてなされたもので、下記（１）〜（７）の半導体
素子製造方法、及び、下記（８）〜（１１）の半導体素
子製造装置を提供する。
に鑑みてなされたもので、下記（１）〜（７）の半導体
素子製造方法、及び、下記（８）〜（１１）の半導体素
子製造装置を提供する。
【０００７】（１）半導体素子表面に膜を形成する工程
に関連し、半導体素子表面を電解質水溶液に接触させ、
半導体素子表面と電解質水溶液間に電流を通電する工程
において、電解質水溶液に磁界を印加することを特徴と
する半導体素子製造方法。
に関連し、半導体素子表面を電解質水溶液に接触させ、
半導体素子表面と電解質水溶液間に電流を通電する工程
において、電解質水溶液に磁界を印加することを特徴と
する半導体素子製造方法。
【０００８】（２）磁界の方向が半導体素子表面に対し
て垂直であることを特徴とする（１）の半導体素子製造
方法。
て垂直であることを特徴とする（１）の半導体素子製造
方法。
【０００９】（３）電流の方向が磁界方向に対して垂直
であることを特徴とする（１）、（２）の半導体素子製
造方法。
であることを特徴とする（１）、（２）の半導体素子製
造方法。
【００１０】（４）半導体素子表面が素子基板表面であ
ることを特徴とする（１）〜（３）の半導体素子製造方
法。
ることを特徴とする（１）〜（３）の半導体素子製造方
法。
【００１１】（５）半導体素子表面がシリコン基板表面
であることを特徴とする（４）の半導体素子製造方法。
であることを特徴とする（４）の半導体素子製造方法。
【００１２】（６）電解質水溶液が銅イオンを含むこと
を特徴とする（１）〜（５）の半導体素子製造方法。
を特徴とする（１）〜（５）の半導体素子製造方法。
【００１３】（７）半導体素子基板裏面、基板側面及び
基板表面の膜成長領域以外の部分を、電解質水溶液との
接触から保護することを特徴とする（１）〜（６）の半
導体素子製造方法。
基板表面の膜成長領域以外の部分を、電解質水溶液との
接触から保護することを特徴とする（１）〜（６）の半
導体素子製造方法。
【００１４】（８）半導体素子表面に膜を形成する工程
に関連し、半導体素子表面を電解質水溶液に接触させ、
半導体素子表面と電解質水溶液間に電流を通電する装置
において、電解質水溶液中に磁界を発生させる磁界印加
機構を備えたことを特徴とする半導体素子製造装置。
に関連し、半導体素子表面を電解質水溶液に接触させ、
半導体素子表面と電解質水溶液間に電流を通電する装置
において、電解質水溶液中に磁界を発生させる磁界印加
機構を備えたことを特徴とする半導体素子製造装置。
【００１５】（９）半導体表面に対して垂直方向の磁界
を電解質水溶液中に発生させる磁界印加機構を備えたこ
とを特徴とする（８）の半導体素子製造装置。
を電解質水溶液中に発生させる磁界印加機構を備えたこ
とを特徴とする（８）の半導体素子製造装置。
【００１６】（１０）電流が電解質水溶液中で磁界方向
に直交するように、半導体素子と電解質水溶液にそれぞ
れ電極を配置したことを特徴とする（８）、（９）の半
導体素子製造装置。
に直交するように、半導体素子と電解質水溶液にそれぞ
れ電極を配置したことを特徴とする（８）、（９）の半
導体素子製造装置。
【００１７】（１１）半導体基板の実質的周辺に電極を
配置したことを特徴とする（１０）の半導体素子製造装
置。
配置したことを特徴とする（１０）の半導体素子製造装
置。
【００１８】本発明では、磁界中に保持された半導体ウ
エハと電解質水溶液間に電流を通電するために、電磁力
により電解質水溶液が回転し、銅イオンが溶液中で均一
に攪拌される。また、電磁力は半導体ウエハ近傍で集中
的に溶液に作用するため、半導体ウエハ近傍での溶液の
流れを均一な回転流とすることができる。このため、半
導体ウエハ上に均一に銅が堆積する。この際、ウエハの
抵抗率分布に沿った電流分布密度の差も、電磁力による
水溶液の回転で解消でき、抵抗率に沿った膜厚変動も解
消できる。さらに、電磁力で電解質水溶液が回転するた
め、溶液内に攪拌子等を混入する必要が無いので、溶液
中に汚染物質が混入することが無くなる。
エハと電解質水溶液間に電流を通電するために、電磁力
により電解質水溶液が回転し、銅イオンが溶液中で均一
に攪拌される。また、電磁力は半導体ウエハ近傍で集中
的に溶液に作用するため、半導体ウエハ近傍での溶液の
流れを均一な回転流とすることができる。このため、半
導体ウエハ上に均一に銅が堆積する。この際、ウエハの
抵抗率分布に沿った電流分布密度の差も、電磁力による
水溶液の回転で解消でき、抵抗率に沿った膜厚変動も解
消できる。さらに、電磁力で電解質水溶液が回転するた
め、溶液内に攪拌子等を混入する必要が無いので、溶液
中に汚染物質が混入することが無くなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明するが、本発明は下記例に限定されるもの
ではない。図１に、本発明による半導体ウエハ表面に銅
薄膜を堆積させる装置の模式図を示す。半導体ウエハ
（１）表面に接触している銅イオンを含む電解質水溶液
（２）と半導体ウエハ間に電流を通電させるために、陰
電極（３）と陽電極（４）をそれぞれ、半導体ウエハ、
電解質水溶液に接触させる。この際、ソレノイドコイル
（５）を水溶液タンク（６）の外周部に配置し、半導体
ウエハに対して垂直な縦磁界を形成し、水溶液に印加す
る。半導体ウエハはウエハ保持部（７）に固定され、こ
れを上下させて水溶液表面に接触させる。なお、図中
（８）は電源を示す。
参照して説明するが、本発明は下記例に限定されるもの
ではない。図１に、本発明による半導体ウエハ表面に銅
薄膜を堆積させる装置の模式図を示す。半導体ウエハ
（１）表面に接触している銅イオンを含む電解質水溶液
（２）と半導体ウエハ間に電流を通電させるために、陰
電極（３）と陽電極（４）をそれぞれ、半導体ウエハ、
電解質水溶液に接触させる。この際、ソレノイドコイル
（５）を水溶液タンク（６）の外周部に配置し、半導体
ウエハに対して垂直な縦磁界を形成し、水溶液に印加す
る。半導体ウエハはウエハ保持部（７）に固定され、こ
れを上下させて水溶液表面に接触させる。なお、図中
（８）は電源を示す。
【００２０】
【実施例】本発明の実施例を以下に示す。実施例１から
４として、直径２０ｃｍのシリコンウエハを用いて、ウ
エハ全体に銅薄膜を５００ｎｍの厚さになるように形成
した。銅薄膜を形成するための電解質水溶液としては、
硫酸銅水溶液を使用した。用いたウエハはＰ型で、抵抗
率が１０Ωｃｍ、１Ωｃｍ、０．１Ωｃｍ、０．００１
Ωｃｍである。形成した銅薄膜の厚さをウエハ面内の数
点で測定し、その分布を求めた。印加した電流値と磁場
強度を変化させて、各抵抗値のウエハについて測定した
銅薄膜の厚さ分布の結果と、膜内に存在していたボイド
を計数した結果を表１にまとめた。厚さ分布は下記式１
により求めた値である。 ・銅膜厚分布（％）＝［（ウエハ端での厚さ−ウエハ中心での厚さ）／ウエハ中 心での厚さ］×１００ …（式１） さらに、銅薄膜表面の不純物を測定した結果も表１に併
せて示した。また、図２に、形成された銅薄膜（９）の
様子をウエハ（１）断面から見た模式図を示した。
４として、直径２０ｃｍのシリコンウエハを用いて、ウ
エハ全体に銅薄膜を５００ｎｍの厚さになるように形成
した。銅薄膜を形成するための電解質水溶液としては、
硫酸銅水溶液を使用した。用いたウエハはＰ型で、抵抗
率が１０Ωｃｍ、１Ωｃｍ、０．１Ωｃｍ、０．００１
Ωｃｍである。形成した銅薄膜の厚さをウエハ面内の数
点で測定し、その分布を求めた。印加した電流値と磁場
強度を変化させて、各抵抗値のウエハについて測定した
銅薄膜の厚さ分布の結果と、膜内に存在していたボイド
を計数した結果を表１にまとめた。厚さ分布は下記式１
により求めた値である。 ・銅膜厚分布（％）＝［（ウエハ端での厚さ−ウエハ中心での厚さ）／ウエハ中 心での厚さ］×１００ …（式１） さらに、銅薄膜表面の不純物を測定した結果も表１に併
せて示した。また、図２に、形成された銅薄膜（９）の
様子をウエハ（１）断面から見た模式図を示した。
【００２１】
【表１】
【００２２】実施例５から８では、抵抗率が１０Ωｃ
ｍ、１Ωｃｍ、０．１Ωｃｍ、０．０１Ωｃｍで、直径
が３０ｃｍのシリコンウエハを用いて、膜厚５００ｎｍ
の銅薄膜をウエハ全体に形成した。電解質水溶液として
は硫酸銅水溶液を用い、印加する電流値と磁場強度を変
化させて銅薄膜形成を行った。形成した銅薄膜の厚さを
ウエハ面内数点で測定し、その分布を求めた。また、膜
厚分布を前記式１で求めた結果と、銅薄膜中のボイドを
計数した結果を表２に示す。
ｍ、１Ωｃｍ、０．１Ωｃｍ、０．０１Ωｃｍで、直径
が３０ｃｍのシリコンウエハを用いて、膜厚５００ｎｍ
の銅薄膜をウエハ全体に形成した。電解質水溶液として
は硫酸銅水溶液を用い、印加する電流値と磁場強度を変
化させて銅薄膜形成を行った。形成した銅薄膜の厚さを
ウエハ面内数点で測定し、その分布を求めた。また、膜
厚分布を前記式１で求めた結果と、銅薄膜中のボイドを
計数した結果を表２に示す。
【００２３】
【表２】
【００２４】前記実施例１から８との比較のために、磁
場を印加せず電流のみを印加する従来の方法によって銅
薄膜をシリコンウエハ上に形成した。使用した電解質水
溶液は硫酸銅水溶液であり、水溶液中に攪拌子を入れ、
タンク下部からスターラーで水溶液を攪拌しながら銅薄
膜を形成した。使用したウエハの抵抗率は１０Ωｃｍ、
１Ωｃｍ、０．１Ωｃｍ、０．００１Ωｃｍで、大きさ
は直径２０ｃｍと３０ｃｍである。電流値と、形成され
た銅薄膜中のボイドを計測した結果及び前記式１で求め
た銅薄膜の膜厚分布を表３にまとめた。また、図３に、
形成された銅薄膜（９）をウエハ（１）断面から見た模
式図を示した。
場を印加せず電流のみを印加する従来の方法によって銅
薄膜をシリコンウエハ上に形成した。使用した電解質水
溶液は硫酸銅水溶液であり、水溶液中に攪拌子を入れ、
タンク下部からスターラーで水溶液を攪拌しながら銅薄
膜を形成した。使用したウエハの抵抗率は１０Ωｃｍ、
１Ωｃｍ、０．１Ωｃｍ、０．００１Ωｃｍで、大きさ
は直径２０ｃｍと３０ｃｍである。電流値と、形成され
た銅薄膜中のボイドを計測した結果及び前記式１で求め
た銅薄膜の膜厚分布を表３にまとめた。また、図３に、
形成された銅薄膜（９）をウエハ（１）断面から見た模
式図を示した。
【００２５】
【表３】
【００２６】これらの実施例と比較例より、本発明によ
れば、ボイドを含まず汚染物質の無い銅薄膜をウエハ上
に均一の膜厚で形成できることがわかる。
れば、ボイドを含まず汚染物質の無い銅薄膜をウエハ上
に均一の膜厚で形成できることがわかる。
【００２７】次に、直径２０ｃｍと３０ｃｍのシリコン
基板上に３００ｎｍの幅で６００ｎｍの深さのコンタク
トホールを形成し、ここに本発明による方法で銅配線を
形成した。使用した電解質水溶液は硫酸銅水溶液であ
る。形成した銅配線の断面を観察し、コンタクトホール
内の空隙率（コンタクトホールの断面積に対するボイド
の断面積比）を計測した。この結果と、銅配線を形成す
る際の印加磁場強度と電流値及びシリコンウエハの抵抗
値を表４にまとめた。また、図４に、コンタクトホール
内に堆積した銅（９）の様子の模式図を示した。
基板上に３００ｎｍの幅で６００ｎｍの深さのコンタク
トホールを形成し、ここに本発明による方法で銅配線を
形成した。使用した電解質水溶液は硫酸銅水溶液であ
る。形成した銅配線の断面を観察し、コンタクトホール
内の空隙率（コンタクトホールの断面積に対するボイド
の断面積比）を計測した。この結果と、銅配線を形成す
る際の印加磁場強度と電流値及びシリコンウエハの抵抗
値を表４にまとめた。また、図４に、コンタクトホール
内に堆積した銅（９）の様子の模式図を示した。
【００２８】
【表４】
【００２９】また、比較例として、従来の磁場を印可し
ない方法で、硫酸銅水溶液を使用して実施例と同様の形
状のコンタクトホール内に銅配線を形成した。形成した
銅配線の断面を観察し、空隙率を計測した結果と、銅配
線形成時に印加した電流値と使用したウエハの直径及び
抵抗率を表５にまとめた。また、図５に、コンタクトホ
ール内に堆積した銅（９）の様子の模式図を示した。
ない方法で、硫酸銅水溶液を使用して実施例と同様の形
状のコンタクトホール内に銅配線を形成した。形成した
銅配線の断面を観察し、空隙率を計測した結果と、銅配
線形成時に印加した電流値と使用したウエハの直径及び
抵抗率を表５にまとめた。また、図５に、コンタクトホ
ール内に堆積した銅（９）の様子の模式図を示した。
【００３０】
【表５】
【００３１】これらの実施例と比較例の結果から、本発
明の手法による銅配線形成では、コンタクトホール内に
ボイドを発生させること無く、コンタクトホール内を完
全に銅で埋め尽くせることが確認できた。
明の手法による銅配線形成では、コンタクトホール内に
ボイドを発生させること無く、コンタクトホール内を完
全に銅で埋め尽くせることが確認できた。
【００３２】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、半導体
デバイス作製において、配線を形成する銅薄膜を均一に
ウエハ面上に堆積させることができ、コンタクトホール
内にも均一に銅を堆積できるため、コンタクトホール内
にボイドの無い完全な銅配線を形成することができる。
また、電磁力により電解質水溶液を攪拌するので、攪拌
子等を水溶液中に混入する必要が無く、汚染物質の混入
も防ぐことができる。
デバイス作製において、配線を形成する銅薄膜を均一に
ウエハ面上に堆積させることができ、コンタクトホール
内にも均一に銅を堆積できるため、コンタクトホール内
にボイドの無い完全な銅配線を形成することができる。
また、電磁力により電解質水溶液を攪拌するので、攪拌
子等を水溶液中に混入する必要が無く、汚染物質の混入
も防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電解メッキ法による銅薄膜を形成
するための装置を説明するための図である。
するための装置を説明するための図である。
【図２】本発明による電解メッキ法により形成した銅薄
膜の膜厚分布を説明するための図である。
膜の膜厚分布を説明するための図である。
【図３】従来の電解メッキ法により形成した銅薄膜の膜
厚分布を説明するための図である。
厚分布を説明するための図である。
【図４】本発明による電解メッキ法で形成した銅配線の
断面の様子を説明するための図である。
断面の様子を説明するための図である。
【図５】従来法による電解メッキで形成した銅配線の断
面の様子を説明するための図である。
面の様子を説明するための図である。
（１）半導体ウエハ （２）電解質水溶液 （３）陰電極 （４）陽電極 （５）ソレノイド磁石 （６）水溶液タンク （７）ウエハ保持部 （８）電源 （９）銅薄膜
Claims (11)
- 【請求項１】 半導体素子表面に膜を形成する工程に関
連し、半導体素子表面を電解質水溶液に接触させ、半導
体素子表面と電解質水溶液間に電流を通電する工程にお
いて、電解質水溶液に磁界を印加することを特徴とする
半導体素子製造方法。 - 【請求項２】 磁界の方向が半導体素子表面に対して垂
直であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子
製造方法。 - 【請求項３】 電流の方向が磁界方向に対して垂直であ
ることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子
製造方法。 - 【請求項４】 半導体素子表面が素子基板表面であるこ
とを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半
導体素子製造方法。 - 【請求項５】 半導体素子表面がシリコン基板表面であ
ることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子製造方
法。 - 【請求項６】 電解質水溶液が銅イオンを含むことを特
徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体素
子製造方法。 - 【請求項７】 半導体素子基板裏面、基板側面及び基板
表面の膜成長領域以外の部分を、電解質水溶液との接触
から保護することを特徴とする請求項１〜６のいずれか
１項に記載の半導体素子製造方法。 - 【請求項８】 半導体素子表面に膜を形成する工程に関
連し、半導体素子表面を電解質水溶液に接触させ、半導
体素子表面と電解質水溶液間に電流を通電する装置にお
いて、電解質水溶液中に磁界を発生させる磁界印加機構
を備えたことを特徴とする半導体素子製造装置。 - 【請求項９】 半導体素子表面に対して垂直方向の磁界
を電解質水溶液中に発生させる磁界印加機構を備えたこ
とを特徴とする請求項８に記載の半導体素子製造装置。 - 【請求項１０】 電流が電解質水溶液中で磁界方向に直
交するように、半導体素子と電解質水溶液にそれぞれ電
極を配置したことを特徴とする請求項８又は９に記載の
半導体素子製造装置。 - 【請求項１１】 半導体基板の実質的周辺に電極を配置
したことを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子製
造装置。
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