JP2002129384A

JP2002129384A - めっき装置

Info

Publication number: JP2002129384A
Application number: JP2000325826A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Ito; 良法伊藤
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2002-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】銅膜等の金属膜を形成するめっき装置であっ
て、膜厚及び埋込み性能の面内均一性を更に改善するこ
とのできるめっき装置を提供すること。【解決手段】本発明によるめっき装置１０は、めっき
液２２が貯留されると共にめっき液が流動する液槽１２
と、この液槽内に配置された銅板１４と、液槽内におい
て銅板に対して平坦な被成膜面が対向配置されるよう半
導体ウェハＷを保持するウェハホルダ１６と、銅板をア
ノードとし且つウェハの被成膜面をカソードとする電源
３４とを備えている。また、ウェハホルダ１６は、昇降
装置３２により銅板２に対して進退されるようになって
いる。この構成では、めっき液が撹拌され、ウェハの近
傍におけるめっき液の入れ替えが確実になされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
製造技術に関し、特に、銅等の金属膜の成膜に用いられ
る電解めっき装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化、微細
化は急速な進展をみせており、現在のサブハーフミクロ
ンからサブクォータミクロンへと着実に移行しようとし
ている。このような半導体デバイスの高集積化、微細化
の要請に対応して、低抵抗でありエレクトロマイグレー
ション耐性にも優れた銅が配線材料として注目されてお
り、実際に実用化が進められている。

【０００３】銅配線膜の成膜方法としてはスパッタリフ
ロー法やＣＶＤ法等、種々あるが、電解めっき法が、低
コスト、高スループットで比較的良好な埋込み性が得ら
れることから広く採用されている。

【０００４】従来一般の銅の電解めっき装置としては、
図４に示すようなフェイスダウン方式のものが知られて
いる。このめっき装置においては、液槽１内のめっき液
２に半導体ウェハＷをその被成膜面を下向きにして浸漬
させ、液槽１の下部に配置された銅板３と半導体ウェハ
Ｗとの間に電圧を印加させることで、銅が半導体ウェハ
Ｗ上に成膜されるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電解めっき装置により銅膜を形成した場合、局所的に膜
厚の異なる部分が発生したり、配線溝やコンタクトホー
ルに対する埋込み性が悪い部分が発生したりすることが
ある。

【０００６】この問題に対しては、従来から、半導体ウ
ェハＷを低速回転させる手段や、めっき液２の組成を一
定に保つために液槽１外の薬液自動制御システムを通し
て循環させる手段４等が考えられている。

【０００７】しかしながら、このような改善策を施して
も、未だ膜厚及び埋め込みの面内均一性は十分に満足い
くものではなかった。

【０００８】そこで、本発明の目的は、銅等の膜厚及び
埋込み性能の面内均一性を更に改善することのできるめ
っき装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者は鋭意検討した結果、ウェハの中心部（直
径約１ｃｍの範囲）とその周囲とでは膜厚や埋込み性能
に差が生じていることに着目した。すなわち、図４に示
すような従来のめっき装置においては、めっき液２は液
槽１と銅板３との間の間隙を上昇し、半導体ウェハＷの
周囲から槽外に溢流するため、ウェハ中心部ではめっき
液２が滞留しやすく、外周部に比してめっき液２の入れ
替えが少ないことを見出した。また、半導体ウェハＷを
回転させる構成のものであっても、半導体ウェハＷの中
心部での流速はゼロに近く、却ってめっき液２の滞留を
招いていると考えた。

【００１０】ここでめっき液について簡単に説明する
と、硫酸銅をその主成分としているが、いわゆる「電解
めっきのレベリング効果」を利用して溝又はホールへの
埋込み性を改善するために、添加剤も加えられている。
添加剤の種類は多種多様であるが、例えば、非イオン系
界面活性剤や硫黄化合物等のように凸部に選択的に吸着
しやすく且つ銅イオンの還元を抑制する作用を有する成
分を含むものが一般的である。このような成分を含む添
加剤を加えると、凸部での銅イオンの還元反応速度が抑
制され、相対的に凹部の反応速度が高められるため、埋
込み性が向上することになる。

【００１１】しかしながら、前述したようにめっき液の
入れ替えがなされない場合には、添加剤の効果が損なわ
れ、膜厚や埋込み性に影響を与えることになる。

【００１２】本発明はこのような知見に基づきなされた
ものであり、めっき液が貯留されると共にめっき液が流
通される液槽と、この液槽内に配置された銅板のような
成膜材料源と、液槽内において成膜材料源に対して被成
膜面が対向配置されるよう被処理体、例えば半導体ウェ
ハを保持する保持手段と、前記保持手段を前記成膜材料
源に対して進退させるよう駆動する駆動手段と、前記成
膜材料源をアノードとし且つ前記保持手段により保持さ
れた被処理体の被成膜面をカソードとする電源手段とを
備えるめっき装置を特徴としている。

【００１３】この構成においては、保持手段が成膜材料
源に対して進退するため、その動きによりめっき液が撹
拌され、被処理体の近傍におけるめっき液の入れ替えが
確実になされる。その結果として、膜厚及び埋込み性能
の面内均一性が向上する

【００１４】液槽は、底部にめっき液の供給口を備え、
内部で上昇流を形成して上端から溢流する型式のものが
好ましい。このような液槽では、成膜材料膜源、例えば
銅板は液槽内の下部に水平に配置される。また、被処理
体が半導体ウェハである場合、保持手段は、半導体ウェ
ハの被成膜面を銅板に対して平行に対向するよう下向き
に該半導体ウェハを保持するウェハホルダとすることが
好ましい。そして、駆動手段は、ウェハホルダを昇降さ
せる昇降装置とすれば、保持された半導体ウェハの被成
膜面は銅板に対して平行を維持したまま進退し、その動
きでめっき液が撹拌される。

【００１５】また、銅板に対して半導体ウェハを平行状
態のまま進退させる必要はなく、部分的な進退動作であ
ってもよい。例えば、ウェハホルダにより保持された半
導体ウェハを所定の角度で傾斜させた状態で、当該半導
体ウェハの周縁に沿って最下点が移動することとなるよ
う前記ウェハホルダを球面運動させることとしてもよ
い。

【００１６】この場合、ウェハホルダの動きは、めっき
液を撹拌させる他、めっき液をウェハの近傍で端から端
に流す効果を奏することができ、より一層、めっき液の
滞留という問題を解消することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態について詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明による電解めっき装置の第
１実施形態を示す概略断面図である。このめっき装置１
０は銅を被処理体である半導体ウェハＷに成膜するため
のものであり、先に説明した従来構成と同様に、液槽１
２と、液槽１２の下部に配置された成膜材料源である円
盤状の銅板１４と、半導体ウェハＷを下向きに保持する
ウェハホルダ（保持手段）１６とを備えている。

【００１９】液槽１２の底部にはめっき液供給口１８が
配設されている。このめっき液供給口１８には外部のポ
ンプ２０が接続されており、これによりめっき液２２が
液槽１２内に底部から供給され、上方に流通することと
なる。また、液槽１２の周囲は外槽２４により囲まれて
おり、液槽１２から溢流しためっき液２２を受け、その
めっき液２２を外部のタンク２６に回収することができ
るようになっている。タンク２６はポンプ２０の吸込み
口に接続されているため、めっき液２２は循環使用され
る。なお、図示しないが、タンク２６は薬液自動制御シ
ステムを構成することが好ましい。すなわち、タンク２
６にめっき液２２の各成分の供給源及び成分濃度検出計
を接続し、濃度検出計からの信号に応じて供給源からの
供給量を制御し、液槽１２に送られるめっき液２２の組
成を常に一定とすることが有効である。

【００２０】銅板１４は略円筒形の液槽１２の底部に実
質的に同軸に且つ水平に配置されており、液槽１２の内
壁面と銅板１４との間には環状の間隙が形成されてい
る。従って、液槽１２の底部の供給口１８から供給され
ためっき液２２は、この間隙を通って液槽１２内を上昇
していく。

【００２１】銅板１４の上方には、半導体ウェハＷを保
持して液槽１２内に貯留されためっき液２２に浸漬させ
るウェハホルダ１６が配置されている。ウェハホルダ１
６のウェハ保持面２８は水平に且つ下向きとされてお
り、この保持面２８にて保持された半導体ウェハＷの被
成膜面も下向きとなる。また、ウェハホルダ１６は、液
槽１２の垂直の中心軸線を中心として回転駆動されるよ
う回転駆動源３０に接続されている。更に、半導体ウェ
ハＷがウェハ保持面２８の所定位置に配置され保持され
た状態において半導体ウェハＷの中心点がウェハホルダ
１６の回転軸線上となるように、ウェハホルダ１６の位
置決めがされている。

【００２２】ウェハホルダ１６はまた、昇降機構（駆動
手段）３２を備えており、ウェハ交換等のために半導体
ウェハＷを液槽１２の上方に移動させることが可能とな
っている。また、この昇降機構３２は、半導体ウェハＷ
をめっき液２２中で、ウェハホルダ１６の回転軸線に沿
って昇降させることも可能となっている。

【００２３】ウェハホルダ１６には、ウェハ保持面２８
にて保持された半導体ウェハＷのエッジ部に接する電気
端子３４が設けられており、この電気端子３４には電源
３６の陰極が接続されている。銅めっきされる半導体ウ
ェハＷの被成膜面には予めＰＤＶ法等により薄い銅シー
ド層（導電性膜）が形成されているが、この銅シード層
をカソードとして機能させるためである。また、銅板１
４がアノードとして機能するように電源３６の陽極が接
続されている。

【００２４】このような構成の電解めっき装置１０を用
いて半導体ウェハＷに銅を成膜する方法について説明す
る。

【００２５】まず、ポンプ２０を駆動して硫酸銅を主成
分としためっき液２２を液槽１２に供給し、外槽２４及
びタンク２６を経て循環させる。そして、半導体ウェハ
Ｗをウェハホルダ１６にセットした状態で液槽１２内の
めっき液２２に浸漬させると共に、回転駆動源３０を駆
動させて半導体ウェハＷを低速で回転させる。また、同
時に昇降機構３２によりウェハホルダ１６を上下させ、
めっき液中で半導体ウェハＷを上下させる。この状態で
電源３６を投入すると、液槽１２の銅イオンがカソード
としての半導体ウェハＷの被成膜面（銅シード層）にて
還元され銅膜として成長していく。

【００２６】この間、めっき液２２は液槽１２の底部か
ら槽内壁面と銅板１４との間を通り上昇していくが、昇
降機構３２により半導体ウェハＷが銅板１４に対して上
下方向に進退しているため、めっき液２２の上昇流は安
定せず、乱れが生ずる。より詳細には、半導体ウェハＷ
を下方に移動させた場合には、半導体ウェハＷの被成膜
面近傍では中心部から外側にめっき液２２が流れる傾向
があり、逆にウェハＷを上方に移動させた場合には、め
っき液２２の流れは外側から中心側に向く傾向がある。
これにより、撹拌作用が生じ、液槽１２内のめっき液２
２は不規則な流れを呈する。このため、従来のように半
導体ウェハＷが上下しない構成においては、半導体ウェ
ハＷの中心部近傍でめっき液２２が滞留することがあっ
たが、そのような滞留は半導体ウェハＷの上下動により
解消され、半導体ウェハＷの被成膜面の近傍全体におい
てめっき液２２の入れ替えが効率よく行われることにな
る。めっき液２２の入れ替えが確実に行われることで、
めっき液２２に含まれている添加剤の効果も半導体ウェ
ハＷの全面に一様に発揮されることとなり、コンタクト
ホールや配線溝に対する埋込み性や膜厚の面内均一性が
向上する。

【００２７】図２は、本発明によるめっき装置の第２実
施形態を示している。図２に示すめっき装置１１０は、
図１に示す第１実施形態に係るめっき装置１０と基本的
には同じ構成を有している。よって、図１に示すめっき
装置１０と同一又は相当部分には同一符号を付し、その
詳細な説明は省略する。

【００２８】図２に示すめっき装置１１０と図１に示す
めっき装置１０との相違点は、ウェハホルダ１６の動作
態様及びその動作を得るための機構（駆動手段）にあ
る。簡単に述べるならば、ウェハホルダ１６により保持
された半導体ウェハＷが所定の角度で傾斜された状態を
保ち、且つ、半導体ウェハＷの最下点がウェハ周縁に沿
って一定の速度で移動するよう構成されている。

【００２９】より詳細に説明する。図２に示すめっき装
置１１０におけるウェハホルダ１６は、その上面の中心
部において支持シャフト１５０の下端に球面継手１５２
により結合されている。従って、ウェハホルダ１６及び
その保持面２８に保持された半導体ウェハＷは球面継手
１５２の中心点を中心とする球面運動が可能となる。

【００３０】また、ウェハホルダ１６の上面の外周部に
は、少なくとも３本のロッド１５４が周方向に等間隔に
且つ球面継手１５２の中心点から等距離に接続されてい
る。このロッド１５２とウェハホルダ１６との接続部も
球面継手１５６となっている。ロッド１５２は垂直上方
に延び、その上端は油圧シリンダ１５８のピストン１６
０に接続されている。

【００３１】このような構成においては、各油圧シリン
ダ１５８を制御することで、図３の（ａ）〜（ｄ）に示
すように、ウェハホルダ１６を所定角度で傾斜状態とす
ることができる。そして、半導体ウェハＷにおける最下
点の位置を、ウェハＷの周縁に沿って一定の速度で移動
させることができる。半導体ウェハＷの周縁における任
意の一点、例えば図３においてマークＭで示す点を観察
すると、図３の（ａ）から（ｄ）に、そして（ｄ）から
（ａ）にウェハホルダ１６の保持面２８の向きが３６０
度変化するにつれ、その点Ｍはほぼ垂直方向に沿って上
下していることが理解されよう。

【００３２】このような動作を成膜処理中に、半導体ウ
ェハＷをめっき液２２に浸漬した状態で行った場合、め
っき液供給口１８から上昇してくるめっき液２２の流れ
は、半導体ウェハＷが傾斜して保持されているため、そ
の大部分が偏向される。その結果、めっき液２２は、半
導体ウェハＷの銅板１４に近い側からその反対側に向っ
て被成膜面に沿って流れ、半導体ウェハＷの近傍でめっ
き液２２の滞留が生じることはない。また、半導体ウェ
ハＷの球面動作ないしは揺動はめっき液２２の撹拌効果
をもたらす。従って、半導体ウェハＷの近傍全域におい
てめっき液２２の入れ替えが効率よく且つ確実に行われ
ることになる。めっき液２２の入れ替えが行われること
で、めっき液２２に含まれている添加剤の効果も半導体
ウェハＷの被成膜面全面に一様に発揮されることとな
る。

【００３３】また、半導体ウェハＷの周縁のすべての点
が一定のサイクルで上下されるため、半導体ウェハＷの
被成膜面と銅板１４との間の平均距離は被成膜面上のす
べての点において一定となる。従って、銅板１４に対し
て半導体ウェハＷが傾斜して保持されていることは問題
なく、めっき液２２の入れ替えも確実に行われているこ
とと相俟って、膜厚の面内均一性及び埋込み性能の面内
均一性は格段に向上する。

【００３４】この第２実施形態では、ウェハホルダ１６
は回転駆動されないが、回転駆動されてもよい。また、
ウェハホルダ１６を球面運動させる機構は油圧シリンダ
１５８を用いたものに限られず、例えば斜板を利用した
機構等、種々考えられる。

【００３５】なお、この機構１５０〜１６０は、支持シ
ャフト１５０の軸線に直交する水平の一軸を中心軸線と
してウェハホルダ１６を揺動させることもできるが、こ
のような一面での揺動運動を半導体ウェハＷに与えて、
部分的に銅板１４に対して進退させても、上記と同様な
撹拌効果が得られる。

【００３６】以上、本発明の好適な実施形態について詳
細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない
ことはいうまでもない。

【００３７】例えば、上記実施形態のめっき装置１０
は、半導体ウェハＷの被成膜面が下向きとなるフェース
ダウン式であるが、フェースアップ式やその他のめっき
装置にも本発明は適用可能であり、成膜材料も銅以外の
金属とすることもできる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、銅
膜等の金属膜を被処理体、例えば半導体ウェハの被成膜
面全体に均一な膜厚で形成することができ、しかも埋込
みの面内均一性及び埋込み性自体も向上される。従っ
て、本発明によれば、高アスペクト比のホール等にも良
好な埋込みを行うことが可能となり、半導体デバイスの
高速化、高性能化、小型化に寄与し、歩留まり向上にも
寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による銅のめっき装置を概略的に示す説
明図である。

【図２】本発明によるめっき装置の第２実施形態を示す
説明図である。

【図３】図２に示すめっき装置におけるウェハホルダの
動作態様を示す説明図である。

【図４】従来のめっき装置を概略的に示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１０，１１０…めっき装置、１２…液槽、１４…銅板
（成膜材料源）、１６…ウェハホルダ（保持手段）、１
８…めっき液供給口、２０…ポンプ、２２…めっき液、
２８…ウェハ保持面、３０…回転駆動源、３２…昇降機
構（駆動手段）、３６…電源、１５２…球面継手、１５
８…油圧シリンダ、Ｗ…半導体ウェハ（被処理体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤良法千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内アプライドマテリアルズジャパン株式会社内Ｆターム(参考） 4K024 AA09 BB12 CB02 CB06 CB15 CB21 CB26 4M104 BB04 DD52 HH13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】めっき液が貯留されると共にめっき液が
流通される液槽と、前記液槽内に配置された成膜材料源と、前記液槽内において前記成膜材料源に対して被成膜面が
対向配置されるよう被処理体を保持する保持手段と、前記保持手段を前記成膜材料源に対して進退させるよう
駆動する駆動手段と、前記成膜材料源をアノードとし且つ前記保持手段により
保持された被処理体の被成膜面をカソードとする電源手
段と、を備えるめっき装置。
【請求項２】前記成膜材料源が銅板から構成されてお
り、前記被処理体が半導体ウェハである請求項１に記載
のめっき装置。
【請求項３】前記液槽が底部にめっき液の供給口を備
え、前記成膜材料膜源が、前記液槽内の下部に水平に配置さ
れた円盤状の銅板であり、前記保持手段が、半導体ウェハの被成膜面を前記銅板に
対して平行に対向するよう下向きに該半導体ウェハを保
持するウェハホルダであり、前記駆動手段が、前記ウェハホルダを昇降させる昇降機
構である、請求項２に記載のめっき装置。
【請求項４】前記ウェハホルダが、保持した半導体ウ
ェハをその被成膜面を含む面内で回転するようになって
いる請求項３に記載のめっき装置。
【請求項５】前記液槽が底部にめっき液の供給口を備
え、前記成膜材料膜源が、前記液槽内の下部に水平に配置さ
れた円盤状の銅板であり、前記保持手段が、半導体ウェハの被成膜面を前記銅板に
対向するよう下向きに該半導体ウェハを保持するウェハ
ホルダであり、前記駆動手段が、前記ウェハホルダにより保持された半
導体ウェハを所定の角度で傾斜させた状態で、当該半導
体ウェハの周縁に沿って最下点が移動するよう前記ウェ
ハホルダを球面運動させる機構である、請求項２に記載
のめっき装置。