JP2002322592A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Abstract
キ処理による成膜不良を防止する。 【解決手段】 ウェハにメッキ処理を行う半導体装置の
製造方法において、前記ウェハの近傍に参照電極を設
け、この参照電極によって得られるウェハの表面電位に
基づいて印加電圧を制御してメッキ処理を行う。より具
体的には、前記メッキ処理の初期である第1ステップで
は表面電位を平衡電位に対して負電位に制御し、前記メ
ッキ処理の第2ステップでは表面電位を平衡電位近傍に
制御する。上述した本発明によれば、シード膜の表面電
位を高精度に制御することが可能となり、シード膜の溶
解を防止し高分子皮膜の強度を均一にすることができる
ので、メッキ膜の成膜不良を防止することができる。
Description
に関し、特に、メッキ処理を行なう半導体装置の製造に
適用して有効な技術に関するものである。
めに各素子構造の微細化が進められており、こうした微
細化の進展によって各素子を接続して回路を構成する配
線も微細化され、且つ配線長が増加する傾向にある。こ
のため、配線の微細化による配線抵抗の増加によって電
圧低下・発熱等が大きな問題となり、配線長の増加によ
って配線遅延の問題が生じてくる。これらの問題を解決
するために、配線をより低抵抗化するために抵抗率の低
い配線材料として銅が用いられ始めている。
ストで形成することができるのでダマシン法が主流とな
っている。ダマシン法では、エッチングによって絶縁膜
に溝若しくは孔パターンを形成する工程と、指向性のス
パッタ装置を用いて銅の拡散を防ぐバリア膜及び銅のシ
ード膜を形成する工程と、電解メッキ装置を用いて前記
溝若しくは孔パターンを銅膜で埋め込む工程と、CMP
(Chemical MechanicalPolishing)により表面の不用な銅
膜を除去して前記溝若しくは孔内に選択的に銅膜を形成
する工程とからなっている。
ば「金属表面処理技術」1983年Vol.34,No.8,43
4頁、或いは「Proceeding of International Intercon
nectTechnology Conference」2000年,117頁乃
至119頁等に記載されている。これらの技術の特徴
は、メッキ膜が凹部から優先的に成長する点にあり、こ
うした特徴を利用して高アスペクト比のビアホール等で
あってもボイド等を発生させずに銅膜で埋め込むことが
できる。
ッキ液に光沢剤、平滑剤、高分子界面活性剤、塩素等を
添加することによって得られ、詳細は「Journal of Ele
ctroanalytic Chemistry」1992年Vol.338,155
頁乃至165頁等に記載されているが、高分子界面活性
剤は塩素と結合してメッキ抑制作用を示す。メッキ液中
でウェハが平衡電位若しくは平衡電位よりも正電位にあ
る場合には、シード膜表面に塩素イオンが吸着し、更に
この塩素イオンを介して高分子界面活性剤がシード膜表
面に吸着して高分子皮膜が形成され、この高分子皮膜に
は銅の析出を阻害する作用がある。
衡電位よりも負電位を印加すると銅の析出が始まり、メ
ッキの初期ではメッキ膜の成長は一様にコンフォーマル
な成長をするが、ある程度メッキが進行すると平面的な
部分よりも凹形の部分、特に曲率が高い部分の成長が速
くなり、微細な孔パターンから優先的に埋まっていく。
これは、メッキの初期では高分子皮膜によって銅の析出
が一様に抑制されているが、ある程度メッキが進行する
と凹形の曲率が高い部分から徐々に吸着した高分子皮膜
が破壊されていくためと考えられている。
する光沢剤の濃縮によって生じる。光沢剤は銅膜の表面
に強く吸着しており、メッキ膜の成長に伴い凹形の曲率
部分では表面積が急激に縮小するため、この部分で光沢
剤の濃縮が発生する。光沢剤は銅の析出を促進するので
濃縮した部分には局所的に大電流が流れ、この電流集中
により高分子皮膜の破壊が該部分にて急速に進むことに
なる。理想的な成膜では、孔の底から上に向けて高分子
皮膜の破壊が順々に進み、それにつれてメッキ膜が形成
されていくボトムアップと呼ばれる成長をして微細な孔
パターンに銅膜が埋め込まれて行く。
シン法で形成した銅膜を半導体装置の微細配線層として
用いるためには、高い埋め込み性を実現することと、断
線不良の原因となるピット或いはボイド等の膜中欠陥を
低減することとが求められ、これらの要求に応えるため
には、メッキ初期におけるシード膜の表面ポテンシャル
を高精度に制御しなければならない。
て予め銅のシード膜を形成しておく必要があり、通常は
指向性スパッタがシード膜の形成に用いられている。し
かし、指向性スパッタでは原理的に前記溝若しくは孔パ
ターン側壁に厚いシード膜を形成することができない。
このため、酸性度の高い硫酸銅メッキ液にウェハを浸漬
すると、薄いシード膜が溶解し消失することがある。シ
ード膜が消失した場合には、その部分にメッキ膜が成長
しないため、その部分にボイドが生じてしまう。
には、シード膜の表面電位を平衡電位か或いは平衡電位
よりも負の電位にする必要がある。しかし、メッキの初
期に大きな負電位を印加すると、埋め込み性の低下や膜
中欠陥の増加が見られる。この原因としては、メッキ初
期に形成される高分子界面活性剤の高分子皮膜強度にば
らつきが生じるためである。高分子皮膜の強度が一様で
はない場合には、前述したボトムアップ成長が不均一に
なり、その結果ボイドの発生が増加する。こうした高分
子皮膜の強度をばらつかせる要因としては、シード膜表
面の自然酸化膜の存在、シード膜表面の面方位や微妙な
凹凸の差異等による塩素イオン吸着のばらつき等が考え
られる。
防止し、半導体装置の歩留まり或いは信頼性の低下を防
止するためには、電解メッキ工程のパラメータ制御が重
要であり、本発明の課題は、シード膜の表面電位を高精
度に制御してメッキ処理による成膜不良を防止すること
が可能な技術を提供することにある。本発明の前記なら
びにその他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び
添付図面によって明らかになるであろう。
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。ウェハにメッキ処理を行う半導体
装置の製造方法において、前記ウェハの近傍に参照電極
を設け、この参照電極によって得られるウェハの表面電
位に基づいて印加電圧を制御してメッキ処理を行う。
ある第1ステップでは表面電位を平衡電位に対して負電
位に制御し、前記メッキ処理の第2ステップでは表面電
位を平衡電位近傍に制御する。上述した本発明によれ
ば、シード膜の表面電位を高精度に制御することが可能
となり、シード膜の溶解を防止し高分子皮膜の強度を均
一にすることができるので、メッキ膜の成膜不良を防止
することができる。
お、実施の形態を説明するための全図において、同一機
能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明
は省略する。
は、本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法
に用いられるメッキ装置の概略構成である。このメッキ
装置では、カップ状のメッキ槽1の底面には含リン銅の
陽極2が設けられ、メッキ層1の上面に取り付けられた
開閉式の円板状のウェハ保持部3によってメッキ槽1を
密封状態とすることができる。
ウンでメッキ処理の行なわれるウェハ4を取り付けてメ
ッキ槽1を密封して、ウェハ4のメッキ処理面とメッキ
槽1の底面に設けた陽極2とを対向させた状態でメッキ
槽1内部にメッキ液を充満させ、ウェハ4と陽極2との
間に電圧を加え電解メッキを行って、ウェハ4のシード
膜の表面に銅膜を析出させる。メッキ槽1内のウェハ4
近傍には、例えばAg/AgCl或いはHg/Hg2S
O4を用い、ウェハ4表面の電位を測定するための参照
電極5が設けられている。
底面に設けた流入口6から供給し、ウェハ4表面に沿っ
てメッキ槽1内を流れてメッキ槽1上部に設けた流出口
から流出する方式となっている。流出口から流出したメ
ッキ液は、外部に設けられた薬液回収装置に運ばれて不
純物濾過等の処理を行ない、更に添加剤等の供給を行な
って成分を調整し、再び流入口6へ送られる。
れており、ウェハ4表面の電位を電圧計7によって測定
し、メッキ電流を電流計8によって測定し、その測定値
をコンピュータ等の制御装置9に送っている。制御装置
9では送られた測定値に基づいて最適なシーケンスを実
行し電源装置10からの印加電圧を制御する。
間の電位差を測定して電位制御を行っていた。しかし、
陽極2表面には、メッキ液と陽極2とが直接接触して光
沢剤が消耗するのを避けるため、含リン銅を用いること
によって陽極2表面にブラックフィルムと呼ばれる黒い
高分子皮膜を生成させてある。
−ウェハ4間の電位差には、ブラックフィルムによる電
圧降下及びメッキ液の電気抵抗による電圧降下が含まれ
ており、ウェハ4のシード膜表面の正確な電位は得られ
ていなかった。
ェハ4近傍の参照電極5によって電位を測定しているの
で、ブラックフィルムの影響を受けず、メッキ液の電気
抵抗も大幅に減少させることができるので、正確な電位
を測定することが可能となる。
セスについて、図2乃至図6を用いて説明する。図2は
メッキ処理を行うウェハを示す部分縦断面図である。こ
のウェハでは、半導体基板11の主面に形成された層間
絶縁膜12の溝若しくは孔パターンに1層目の配線13
が形成されており、配線13は溝若しくは孔パターンの
内面を覆うバリア膜13a及びシード膜13bをメッキ
膜13cで埋め込んである。
う層間絶縁膜14の溝若しくは孔パターンに2層目の配
線を形成するプロセスを例として説明を行う。層間絶縁
膜14の溝若しくは孔パターンには、パターンの内面を
覆う膜厚30nmのタンタルからなるバリア膜15a及
び膜厚100nmの銅からなるシード膜15bを遠距離
スパッタ装置によって形成し成膜から5時間が経過して
いる。
圧を+0.1Vから−0.6V間で掃引して、得られた
測定データを制御装置9で自動処理し図3に示すTaf
elプロットから平衡電位Voを求め、得られた平衡電
位Voを制御装置9のメモリに記憶する。図3に示すT
afelプロットから解るように、このウェハの平衡電
位Voは−20mVとなっている。
が、シーケンスとしては3つのステップに分かれてお
り、ウェハ4がメッキ液と接触した瞬間から5秒経過ま
での第1ステップでは、制御装置9によって電源装置1
0を制御して、ウェハ4の表面電位を−150mVに保
持する。この第1ステップではシード膜13bの自然酸
化膜が還元されてシード膜13bの表面が一様になる。
よって電源装置10を制御して、ウェハ4の表面電位を
平衡電位である−20mVに3秒間保持する。この第2
ステップでは銅シード膜13bの表面に高分子界面活性
剤の高分子皮膜が形成される。
よって電源装置10を定電流モードで制御し、電流密度
5mA/cm2にて40秒間成膜して、図4に示すよう
にメッキ膜15cにコンフォーマルな成長をさせた後
に、電流密度10mA/cm2にて162秒間成膜し
て、図5に示すようにメッキ膜15cをボトムアップ成
長させる。図6に示すように溝若しくは孔パターンを完
全に埋め込んでメッキ処理が終了し、この後CMP加工
によって破線図示の位置までメッキ膜15cを研磨して
表面の不用な部分を除去する。
合には、0.16μm径アスペクト比5の孔パターンを
埋め込んでボイドは発生せず、CMP加工後に行った外
観検査では欠陥密度が0.02ヶ/cm2と充分に低い
値に抑えることができた。同様の孔パターンに対して例
えば第1ステップ及び第2ステップに相当する段階で−
500mVを印加した場合には、孔パターンを埋め込む
ことはできたが同様の外観検査では欠陥密度が0.7ヶ
/cm2と高く、製品歩留まりが低下していた。
条件等によって変化する。例えば前述の例と同じ膜厚3
0nmのタンタルからなるバリア膜と膜厚100nmの
銅からなるシード膜とを遠距離スパッタ装置を用いて形
成したウェハを、成膜から8時間が経過した場合に測定
すると、平衡電位が−250mVとなっている。このウ
ェハに対して前述の例と同様のシーケンスにて、第1ス
テップでは表面電位を−120mV、第2ステップでは
表面電位を−20mVとしてメッキ処理をした場合には
シード膜が損傷し孔パターンの底にボイドが発生してい
た。平衡電位の変化に応じてシーケンスを最適化させて
前述の例と略同様な結果を得るためには第1ステップで
は表面電位を−350mV、第2ステップでは表面電位
を−250mVとしてメッキ処理を行う。
1ステップでは表面電位を電流密度2mA/cm2以下
となる負電位に制御し、第2ステップでは表面電位を平
衡電位に対して±50mVの範囲内に制御する必要があ
る。
具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定
されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲におい
て種々変更可能であることは勿論である。
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。 (1)本発明によれば、シード膜の表面電位を高精度に
制御することが可能となるという効果がある。 (2)本発明によれば、上記効果(1)により、シード
膜の溶解を防止することができるという効果がある。 (3)本発明によれば、上記効果(1)により、高分子
皮膜の強度を均一にすることができるという効果があ
る。 (4)本発明によれば、上記効果(2),(3)によ
り、メッキ膜の成膜不良を防止することができるという
効果がある。 (5)本発明によれば、上記効果(4)により、半導体
装置の歩留まりの低下或いは信頼性の低下を防止するこ
とができるという効果がある。
方法に用いられるメッキ装置の概略構成図である。
方法に用いられるウェハを示す部分縦断面図である。
る。
方法に用いられるウェハを示す部分縦断面図である。
方法に用いられるウェハを示す部分縦断面図である。
方法に用いられるウェハを示す部分縦断面図である。
ハ、5…参照電極、6…流入口、7…電圧計、8…電流
計、9…制御装置、10…電源装置、11…半導体基
板、12,14…層間絶縁膜、13,15…配線、13
a,15a…バリア膜、13b,15b…シード膜、1
3c,15c…メッキ膜。
Claims (5)
- 【請求項1】 ウェハにメッキ処理を行う半導体装置の
製造方法において、 前記ウェハの近傍に参照電極を設け、この参照電極によ
って得られるウェハの表面電位に基づいて印加電圧を制
御してメッキ処理を行うことを特徴とする半導体装置の
製造方法。 - 【請求項2】 前記メッキ処理の第1ステップでは表面
電位を平衡電位に対して負電位に制御することを特徴と
する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】 前記第1ステップではメッキ電流密度が
2mA/cm2以下とすることを特徴とする請求項2に
記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】 前記メッキ処理の第2ステップでは表面
電位を平衡電位近傍に制御することを特徴とする請求項
1乃至請求項3の何れか一項に記載の半導体装置の製造
方法。 - 【請求項5】 前記第2ステップでは表面電位を平衡電
位に対して±50mVの範囲内に制御することを特徴と
する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
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JP2001125361A JP2002322592A (ja) | 2001-04-24 | 2001-04-24 | 半導体装置の製造方法 |
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Publications (2)
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004007811A2 (en) * | 2002-07-12 | 2004-01-22 | Atotech Deutschland Gmbh | Device and method for monitoring an electrolytic process |
JP2008529300A (ja) * | 2005-01-27 | 2008-07-31 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | ゲート誘電体上にゲート金属または他の導体材料または半導体材料を電着するための方法(ゲート誘電体貫通電流を用いた電気化学処理によるゲート・スタック技術) |
JP2015200029A (ja) * | 2014-01-17 | 2015-11-12 | 株式会社荏原製作所 | めっき方法およびめっき装置 |
-
2001
- 2001-04-24 JP JP2001125361A patent/JP2002322592A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2004007811A3 (en) * | 2002-07-12 | 2004-07-08 | Atotech Deutschland Gmbh | Device and method for monitoring an electrolytic process |
CN100346007C (zh) * | 2002-07-12 | 2007-10-31 | 埃托特克德国有限公司 | 用于监视电解工艺的装置和方法 |
JP2008529300A (ja) * | 2005-01-27 | 2008-07-31 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | ゲート誘電体上にゲート金属または他の導体材料または半導体材料を電着するための方法(ゲート誘電体貫通電流を用いた電気化学処理によるゲート・スタック技術) |
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