JP2002332589A - 電解銅メッキ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 半導体デバイス等における配線用銅メッキ膜
を形成する方法において、配線用接続孔への良好な埋め
込みと銅メッキ膜の膜質向上とを同時に実現すること。 【解決手段】 有機化合物の濃度が１ｐｐｍ以下、塩酸
を７０−３００ｐｐＭの濃度で含むメッキ液を用いる。
メッキ装置はメッキ槽１０内のメッキ浴に基板Ｗの被処
理面（主面）をフェースダウン方式で浸漬するためのハ
ンドリンング機構１２と、メッキ槽１０に所要のメッキ
液Ｍを供給するためのメッキ液供給部１４とを有する。
メッキ液高級部１４は、２系統のメッキ液環供給部５
４，５６を有している。各メッキ液循環供給部５４，５
６からは、硫酸銅水溶液供給部５８よりメッキ液の基本
成分である硫酸銅水溶液が所定の濃度および流量で供給
（補給）されるとともに、塩酸供給部６０より塩酸が添
加剤として所定の濃度および流量で供給（補給）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、被処理基板上に銅
メッキ膜を形成するための電解銅メッキ技術に係り、特
に半導体デバイス等の多層配線構造における配線用銅メ
ッキ膜を形成するのに好適な電解銅メッキ方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】最近、半導体デバイス製造における低抵
抗の配線として銅配線が注目される中、被処理基板（半
導体ウエハ）上に銅配線を形成するための成膜技術とし
て電解銅メッキ法がクローズアップされている。

【０００３】電解銅メッキ法は、硫酸銅水溶液を基本成
分とするメッキ液をメッキ槽に供給し、メッキ槽におい
て被処理基板の被処理面をメッキ浴に浸けて浴中の銅板
からなるアノードと対向させ、基板（カソード）とアノ
ードとの間でメッキ液を介して電流を流すことにより、
基板の被処理面上に銅を析出させるものである。

【０００４】従来より、上記のような銅配線プロセス用
の電解銅メッキ法では、メッキ膜の光沢性・平滑性だけ
でなく配線用接続孔（コンタクトホール、ビアホール）
への埋め込み性を良くするために、メッキ液に有機硫黄
化合物やポリエチレングリコール等の有機化合物からな
る添加剤を適量（通常１０ml/L以上）入れるのが常用と
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、有機系
の添加剤は大気に触れると酸化しやすいうえアノード等
の金属と容易に反応して分解しやすいため、つまり濃度
が低下しやすいため、濃度管理が難しく、銅メッキ膜の
膜質にばらつきが出る原因になっている。また、そのよ
うな分解による副反応生成物がメッキ浴中に取り込まれ
ることで、配線用接続孔への埋め込みが不良になった
り、膜厚の均一性が悪化する等の問題もある。さらに、
有機系添加剤に含まれるカーボン（Ｃ）がメッキ膜中に
不純物として取り込まれることで、銅膜の純度が低下
し、エレクトロマイグレーション耐性が低くなるという
問題もある。

【０００６】本発明は、かかる従来技術の問題点を解決
するものであり、配線用接続孔への良好な埋め込みと銅
メッキ膜の膜質向上とを同時に実現する電解銅メッキ方
法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の電解銅メッキ方法は、有機化合物の濃度
が１ppm以下で、塩酸を７０〜３００ppmの濃度で含むメ
ッキ液を用いる。

【０００８】本発明者は、本発明に到達する過程で、次
のようなきわめて重要な事実を見い出した。つまり、本
発明者は、一般に硫酸銅水溶液を基本成分とする電解銅
メッキ用のメッキ液において、メッキ液成分から有機化
合物を極力外し（好ましくは有機化合物の成分比または
濃度を零とし）、塩酸を適量添加するだけで、配線用接
続孔にメッキ銅を良好に埋め込みできることを見い出し
た。

【０００９】従来より、電解銅メッキ法では、アノード
の溶解性をサポートしたり光沢剤の作用を補助する目的
で塩酸を微量（たとえば５０ppm）添加するのが常用と
なっているが、配線接続孔への埋め込み性に塩酸が寄与
し得る可能性については何の研究もなされておらず、何
の知見もなかった。実際、電解メッキ槽の中で塩酸（Ｈ
Ｃｌ）はＨ⁺イオンとＣｌ^-イオンとに解離し、アニオン
のＣｌ^-イオンはアノード側に移動してアノード表面に
作用する。この一般原理からすれば、カソード側の被処
理基板において銅の析出に塩素が関与するものとは考え
られていなかった。

【００１０】しかしながら、本発明者が、硫酸銅水溶液
に有機化合物を一切入れず塩酸だけを添加したものをメ
ッキ液に用いて、半導体基板上の配線用接続孔への埋め
込み性を評価したところ、図１に模式的に示すような実
験結果が得られた。

【００１１】図１の（Ａ）に示すように、硫酸銅水溶液
に有機化合物のみならず塩酸も全然添加しない場合は、
接続孔１００の底部ではメッキ銅１０２が殆ど析出せ
ず、大きなボイド１０４が残る。しかし、図１の（Ｂ）
に示すように、硫酸銅水溶液に塩酸を濃度１０ppmで添
加すると、接続孔１００の底に銅メッキ１０２が不充分
ではあるが析出するようになる。そして、塩酸の濃度７
０ppmまで上げると、図１の（Ｃ）に示すように、接続
孔１００の中は無視できるほど小さなボイド１０４が複
数個点在するだけで孔底まで銅メッキ１０２で埋まるこ
とが観察された。もっとも、塩酸の濃度が３００ppmを
超えると、塩酸が濃すぎて銅が溶けやすくなり、成膜性
が低下することが判った。

【００１２】なお、接続孔１００の口径は０．２μｍで
ある。図中、１０６は層間絶縁膜、１０８は基板または
下層絶縁膜、１１０はバリアメタルおよびシード層であ
る。また、硫酸銅水溶液は電解銅メッキ用に調整された
普通のものでよく、たとえば硫酸銅（CuSO4・5H2O）、
硫酸（H2SO4）、金属銅（Cu）を組成とする水溶液であ
ってよい。

【００１３】このように、硫酸銅水溶液を基本成分とし
有機化合物を全然または殆ど含まず（含む場合は１ppm
以下）塩酸を適量（７０〜３００ppm）添加してなるメ
ッキ液を配線用の電解銅メッキに用いると、塩酸が接続
孔への銅の埋め込み性を向上させる機能を発揮すること
が、本発明者によって確認された。そして、本発明の電
解銅メッキ方法によって形成された銅膜の中に塩素（Ｃ
ｌ）が含まれることも確認されている。

【００１４】本発明の電解銅メッキ方法における上記の
ような埋め込み性に関する塩素の作用ないしメカニズム
は未だ解明されていないが、いずれにせよ、本発明によ
れば、メッキ液中の塩酸の濃度を最適化することで、接
続孔への良好な埋め込み特性を実現することができる。
しかも、本発明の方法により基板被処理面上に形成され
たメッキ銅膜は、有機物を含まないため純度が高く、抵
抗率やエレクトロマイグレーション耐性等も優れてお
り、膜質のばらつきもないという顕著な利点を有する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図２〜図５を参照して本発
明の好適な実施形態を説明する。

【００１６】図２に、本発明による銅配線プロセス用の
電解銅メッキ方法を実施するための一実施形態における
電解銅メッキ装置の要部の構成を示す。

【００１７】この電解銅メッキ装置は、被処理基板たと
えば半導体ウエハＷに銅イオンを含む電解メッキ浴を与
えるための電解メッキ槽１０と、このメッキ槽１０内の
メッキ浴に基板Ｗの被処理面（主面）をフェースダウン
方式で浸漬するためのハンドリング機構１２と、メッキ
槽１０に所要のメッキ液を供給するためのメッキ液供給
部１４とを有する。

【００１８】電解メッキ槽１０は、上面の開口した外槽
１６の中にそれよりも一回り小さな上面の開口した内槽
１８を同軸に収容した二重槽構造となっている。内槽１
８が正味の電解メッキ浴槽を構成し、外槽１６は内槽１
８から溢れ出たメッキ液Ｍを回収するためのメッキ液回
収部を構成している。

【００１９】ハンドリング機構１２は、下面が開口し上
面が閉塞した筒形の基板保持体２２と、この基板保持体
２２を垂直方向に延在する垂直支持部２４と一体に垂直
軸の回りに回転させるための回転駆動部２６とを有して
いる。回転駆動部２６は装置筐体（図示省略）に取付さ
れている昇降駆動部（図示省略）に結合されており、該
昇降駆動部の昇降駆動により回転駆動部２６ないし基板
保持体２２の全体がメッキ槽１０の上方空間内で上下移
動するようになっている。

【００２０】図３に拡大して示すように、基板保持体２
２の下端には半径方向内側に突出する環状フランジ型の
基板支持部２２ａが形成されており、この基板支持部２
２ａの内側面（上面）にはリング状のカソード電極２８
が半径方向外側の位置に、リング状のシール部材たとえ
ばＯリング３０が半径方向内側の位置にそれぞれ配設さ
れている。メッキ処理中は、基板Ｗの被処理面の外周端
部がＯリング３０の上に気密に重なってカソード電極２
８と物理的かつ電気的に接触するようになっている。カ
ソード電極２８は、電解メッキ用の直流電源３１の負極
端子に電気的に接続される（図１）。

【００２１】図２および図４に示すように、基板保持体
２２の一側面には基板Ｗを搬入・搬出するための開口３
２が形成されている。基板保持体２２の内部には、垂直
支持部２４の下端より垂直下方に進退可能なチャック３
４が設けられている。図４の（Ａ），（Ｂ）に示すよう
に、装置外部の搬送アーム３６が開口３２を通って銅メ
ッキ処理を受けるべき基板Ｗを基板保持体２２内に搬入
すると、チャック３４が降りてきて基板Ｗの上面（裏
面）をたとえばバキューム式で吸着し、搬送アーム３６
の退出後に、基板Ｗを保持したまま下降して、基板支持
部２２ａ側のカソード電極２８およびＯリング３０の上
に基板Ｗを載置するようになっている。

【００２２】基板保持体２２内には基板支持部２２ａ上
に基板Ｗを固定するためのクランプ手段３８も設けられ
ている。このクランプ手段３８は、基板支持部２２ａ上
の基板Ｗの外周部に重なるような径を有するリング部材
４０と、このリング部材４０を上げ下げするアクチエー
タ（たとえばシリンダ）４２とで構成されている。図４
の（Ｂ），（Ｃ）に示すように、チャック３４が基板Ｗ
を基板支持部２２ａ側のカソード電極２８およびＯリン
グ３０の上に基板Ｗを載置した後に、リング部材４０が
降りてきて基板Ｗの上面（裏面）に当接し、アクチエー
タ４２からの加圧によって基板Ｗが固定保持されるよう
になっている。

【００２３】図２において、電解メッキ槽１０の内槽１
８の中には槽の中央部底面を貫通して所定の高さ位置ま
で垂直上方に延びる噴出管４４が設けられており、この
噴出管４４の上端開口よりメッキ液Ｍが涌き出るように
なっている。噴出管４４の周囲には環状の銅板からなる
アノード４６が設けられている。このアノード４６はス
イッチ４８を介して電解メッキ用直流電源３１の正極側
端子に電気的に接続されている。噴出管４４の上端外周
縁と内槽１８の内壁面との間に隔膜５０が張られてい
る。電解メッキ処理中にアノード４６から生成する不所
望な生成物はこの隔膜５０によってメッキ浴上面部への
移動または拡散を阻止されるようになっている。

【００２４】外槽１６は、内槽１８との間に半径方向で
隙間または溝５２を形成している。内槽１８の上端より
外に溢れ出たメッキ液はこの溝５２の中に入って外槽１
６の底部に落ちるようになっている。

【００２５】メッキ液供給部１４は、２系統のメッキ液
循環供給部５４，５６を有している。第１のメッキ液循
環供給部５４は、電解メッキ槽１０の内槽１８の底に接
続され、内槽１８の下室（隔膜５０より下側の室）にメ
ッキ液を循環供給するようになっている。第２のメッキ
液循環供給部５６は、外槽１６の底と噴出管４４の下端
（入口）とに接続され、内槽１８から溝５２に溢れ出た
メッキ液Ｍを外槽１６の底から回収し、噴出管４４を介
して内槽１８の上室（隔膜５０より上側の室）にメッキ
液Ｍを供給するようになっている。

【００２６】各メッキ液循環供給部５４，５６には、メ
ッキ液Ｍ中の塩酸濃度が７０ppm〜３００ppmの範囲内で
所望の値に選ばれるように、硫酸銅水溶液供給部５８よ
りメッキ液の基本成分である硫酸銅水溶液が所定の濃度
および流量で供給（補給）されるとともに、塩酸供給部
６０より塩酸が添加剤として所定の濃度および流量で供
給（補給）されるようになっている。

【００２７】次に、この電解銅メッキ装置の動作を説明
する。

【００２８】銅メッキ処理を受けるべき基板Ｗがハンド
リング機構１２によって装置内に搬入されている間に、
メッキ液供給部１４より所要の組成および濃度を有する
メッキ液Ｍが電解メッキ槽１０に供給され、内槽１８に
メッキ液Ｍがほぼオーバーフロー状態に満たされる。

【００２９】ハンドリング機構１２では、図４のように
して基板Ｗが基板保持体２２に装着された後に、回転駆
動部２６ないし基板保持体２２の全体が下降して、基板
Ｗの被処理面が内槽１８内のメッキ浴にフェースダウン
で浸けられる。

【００３０】図２に示すように、基板Ｗの被処理面が内
槽１８のメッキ浴に浸かった状態で、基板保持体２２の
外周と内槽１８の側壁との間に隙間６１が形成され、内
槽１８内で噴出管４４の上端開口から湧いてくるメッキ
液Ｍはこの隙間１１６から内槽１８の外に溢れて溝５２
の中に落ちる。

【００３１】上記のようにして基板Ｗの被処理面を内槽
１８のメッキ浴に浸けた際に、メッキ浴中で気泡が発生
して基板Ｗの被処理面の下に滞留することがある。そこ
で、回転駆動部２６を作動させて、基板保持体２２と一
体に基板Ｗを所定の回転速度（たとえば０〜３００ｒｐ
ｍ）でスピン回転させる。この基板回転運動により、基
板Ｗに付いている気泡を下から湧いてくるメッキ液と一
緒に内槽１８の外へ追い出すことができる。

【００３２】そして、基板回転運動を継続したまま、電
解メッキ用電源３１のスイッチ４８をオンにして、内槽
１８内のアノード４６と基板保持体２２内のカソード電
極２８との間に直流の電圧を印加する。この直流電圧の
印加により、基板Ｗの被処理面（より正確には被処理面
上のＣｕシード層）がカソードとなり、内槽１８内のア
ノード４６とメッキ液Ｍを介して対向する。こうして、
アノード４６と基板Ｗの被処理面との間でイオン電導が
生じ、基板被処理面ではカソード反応または電気メッキ
反応が起こって銅が析出する。この実施形態では、有機
化合物を一切含まず、塩酸を７０ppm〜３００ppmの濃度
で含むメッキ液Ｍを用いることにより、基板Ｗの被処理
面上で配線用接続孔にボイドが殆ど無い良好な埋め込み
を行えるとともに、カーボン等の有機性不純物を含まな
い良質のメッキ銅膜を形成することができる。

【００３３】上記のような銅メッキ処理が終了すると、
電解メッキ用電源３１のスイッチ４８がオフになり、ハ
ンドリング機構１２では基板回転運動が停止し、基板Ｗ
がメッキ槽１０から引き上げられる。しかる後、この実
施形態では、外部搬送アーム３６（図４）により基板Ｗ
が基板保持体２２から搬出され、隣接する洗浄処理ユニ
ット（図示せず）で基板Ｗに対してたとえば純水を用い
るメッキ後洗浄処理が施される。

【００３４】あるいは、この電解メッキ装置内に洗浄部
や乾燥部を設け、銅メッキ処理の後に電解メッキ槽１０
の上方で洗浄処理および乾燥処理を順次行うことも可能
である。その場合、洗浄処理では、洗浄液に純水を使用
してよく、基板Ｗの洗浄に供された洗浄液（純水）が電
解メッキ槽１０に落ちて槽内のメッキ液Ｍに混じっても
メッキ液Ｍの組成が変わることはない。もっとも、適当
なメッキ液回収機構（図示せず）により、上記のような
銅メッキ工程の終了後に電解メッキ槽１０からメッキ液
Ｍをいったん抜き取ることも可能である。

【００３５】図５に、別の実施形態における電解銅メッ
キ装置の要部の構成を示す。図中、上記実施形態の各部
（図２〜図４）と同様の構成または機能を有する部分に
は同一の符号を付している。

【００３６】この電解銅メッキ装置では、メッキ槽１０
が、上面の開口した浅底円筒状の容器で構成されてい
る。メッキ槽１０の内部は多数の孔４５ａが形成されて
いるほぼ水平の多孔板４５によって一層浅い（高さ寸法
が小さい）上下２つの室１０ａ，１０ｂに区分されてお
り、上室１０ａが正味の電解メッキ浴槽を構成し、下室
１０ｂがメッキ液導入室を構成している。多孔板４５は
銅板からなり、アノードを構成している。

【００３７】メッキ液供給部１４には、メッキ槽１０に
メッキ液を導入するためのメッキ液導入部６２が設けら
れる、このメッキ液導入部４４は、メッキ槽１０の下面
中心部付近に設けられたメッキ液導入口１０ｃと、この
メッキ液導入口１０ｃに接続されているメッキ液供給路
６４とを含んでいる。メッキ液供給路６４は配管等で構
成することができる。

【００３８】硫酸銅水溶液供給部５８は、メッキ液供給
路４５の上流端に開閉弁６６を介して接続されており、
所定の組成および濃度の硫酸銅水溶液を貯留するタンク
６８と、このタンク６８から硫酸銅水溶液を汲み出して
メッキ液供給路６４に圧送するポンプ７０とを有してい
る。銅メッキ処理中は、開閉弁６６が開けられ、ポンプ
７０が硫酸銅水溶液を一定の圧力および流量でメッキ液
供給路６４に流し続けるようになっている。

【００３９】塩酸供給部６０は、硫酸銅水溶液供給部５
８よりも下流側でメッキ液導入部６２のメッキ液供給路
６４に接続されており、図示省略するが、所定濃度の塩
酸を貯留する容器と、この容器より塩酸を吸い込んでメ
ッキ液供給路６４に向けて所望の流量で押し出すポンプ
とを有している。

【００４０】メッキ槽１０の周囲には、環状に延在する
樋状のメッキ液受部７２が設けられ、このメッキ液受部
７２に排液管７４が接続されている。メッキ槽１０の上
端から溢れ出たメッキ液Ｍはメッキ液受部７２に流れ落
ち、メッキ液受部７２の排液口から排液管７４を通って
排液処理部（図示せず）に送られるようになっている。
このように、この電界銅メッキ装置では、メッキ槽１０
から溢れ出たメッキ液Ｍをそのままメッキ液供給部１４
に戻して再使用するというような循環システムは採って
いない。

【００４１】この電解銅メッキ装置では、銅メッキ処理
中に、メッキ液供給部１４において、硫酸銅水溶液供給
部６８より硫酸銅水溶液が所定の流量でメッキ液導入部
６２のメッキ液供給路６４に供給される。一方、塩酸供
給部６０より、塩酸が所定の流量でメッキ液導入部６２
のメッキ液供給路６４に供給される。こうして、メッキ
液供給路６４の下流側で、上流から流れてきた硫酸銅水
溶液に塩酸が混ぜ合わされてメッキ液Ｍが生成される。
ここで、塩酸の成分比または濃度は塩酸供給部６０から
の供給流量で選択ないし調整可能であり、この実施形態
でも７０ppm〜３００ppmの範囲内で選ばれてよい。

【００４２】メッキ槽１０では、メッキ液供給路６４か
らのメッキ液をメッキ液導入口１０ｃより受け取る薄型
の下室１０ｂが流れ方向において多孔板型のアノード４
５を背にしているためバッファ作用を奏し、このバッフ
ァ室１０ｂ内でメッキ液の成分が均一によく混じり合
う。こうして、多孔板型アノード４５より濃度の均一な
メッキ液が面内均一な流量の上昇流で上室１０ａに供給
される。

【００４３】上記した実施形態はフェースダウン方式の
電解銅メッキ装置に係るものであったが、基板Ｗの被処
理面を上に向けるフェースアップ方式の電解銅メッキ装
置でも本発明の電解銅メッキ方法およびメッキ液は使用
可能である。また、上記した実施形態では半導体ウエハ
を被処理基板としたが、ＬＣＤ基板等の他の基板も可能
である。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電解銅メ
ッキ方法によれば、配線用接続孔への良好な埋め込みと
銅メッキ膜の膜質向上とを同時に実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に至る過程で得られた実験結果を模式的
に示す図である。

【図２】本発明の一実施形態における電解銅メッキ装置
の要部の構成を示す図である。

【図３】実施形態の電解銅メッキ装置における基板保持
体の基板保持部を拡大して示す拡大部分断面図である。

【図４】実施形態の電解銅メッキ装置における基板保持
体内の動作を示す図である。

【図５】別の実施形態における電解銅メッキ装置の要部
の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０ メッキ槽 １２ ハンドリング機構 １４ メッキ液供給部 １６ 外槽 １８ 内槽 ２２ 基板保持体 ３１ 直流電源 ４５，４６ アノード ５４，５６ メッキ液循環供給部 ５８ 硫酸銅水溶液供給部 ６０ 塩酸供給部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K023 AA19 BA06 CA09 4K024 AA09 BB12 CA02 CB01 CB02 CB08 CB15 CB26 4M104 BB04 CC01 DD52 FF13 FF22 HH20

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解メッキ槽内に有機化合物の濃度が１
   ppm以下で、塩酸を７０〜３００ppmの濃度で含むメッキ
   液からなる電解メッキ浴を形成し、前記電解メッキ浴に
   被処理基板の被処理面を浸けて前記被処理面に銅メッキ
   処理を施す電解銅メッキ方法。
2. 【請求項２】 前記被処理基板の被処理面には銅配線用
   の接続孔が形成されており、前記銅メッキ処理により前
   記接続孔に銅が埋め込まれる請求項１に記載の電解銅メ
   ッキ方法。
3. 【請求項３】 硫酸銅水溶液供給部より所定濃度の硫酸
   銅水溶液を前記電解メッキ槽に供給する流路の途中で塩
   酸供給部より与えられる所定濃度の塩酸を前記硫酸銅水
   溶液に混ぜ合わせて前記メッキ液を生成する請求項１ま
   たは２に記載の電解銅メッキ方法。