JP2003105590A - めっき装置及びめっき方法 - Google Patents

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、膜厚及び埋め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等を提供する。 【解決手段】 本発明によるめっき装置１００は、めっ
き液２２が流動する液槽１２と、この液槽１２内に配置
された銅板１４に対して半導体ウェハＷを平行に保持す
るウェハホルダ１６と、銅板１４をアノードとし且つ半
導体ウェハＷの被成膜面をカソードとする電源３４と、
ウェハホルダ１６に音響的に結合され且つ超音波を発生
する圧電素子を有する振動子９０を備えている。めっき
液２２中に浸漬された半導体ウェハＷは、回転されずに
静止状態で保持され、振動子９０からめっき液２２に超
音波振動が加えられる。これにより、めっき処理に伴っ
て発生するボイドが、半導体ウェハＷ上に形成された凹
部内に滞留することを抑止できる。

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
る電解めっき装置及び方法に関する。

【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、種々の方法が挙げられるが、そ
れらのなかでも、電解めっき法は、低コスト、高スルー
プットであり、且つ、ヴィアホール、コンタクトホー
ル、他の配線溝等の凹部に対して比較的良好な埋め込み
性が得られることから、今般、広く採用されている。

【０００４】ここで、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（フェイスダウン）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上に電気化学的に成膜さ
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、ヴィアホール、コンタク
トホール、配線溝等の凹部に対する埋め込み性が悪い部
分（例えば、ボイドの発生）の発生といった不都合が生
じることがある。

【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。しかし、その
ような改善策を施しても、未だ膜厚及び埋め込み性の面
内均一性は十分に満足いくものではなかった。

【０００７】また、本発明者の知見によれば、ヴィアホ
ール、コンタクトホール、配線溝等の凹部の内方に供給
されるめっき液の拡散層を極力一定に保持することによ
り、膜厚及び埋め込み性の面内均一性を向上させ得る。
このような拡散層の安定化を図るには、半導体ウェハＷ
を回転させずに静止させた状態でめっき処理を行う方が
有利と考えられる。しかし、電解めっき処理では、処理
に伴って発生するガス成分、例えば水素ガス等が、半導
体ウェハＷ上に形成された凹部内に微小ボイドとなって
滞留する傾向にあり、こうなると、凹部内のめっき液の
入れ替えが阻害され、また、電流密度の低下や局所的な
不均一化を招くおそれがある。このような事象は、フェ
イスダウン方式のめっき処理おいて特に深刻な問題とな
り得る。

【０００８】そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなさ
れたものであり、銅膜等の膜厚及び埋め込み性の面内均
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
ことを目的とする。

【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、本発明によるめっき装置は、めっき液が貯留される
と共にめっき液が所定の方向に流通される液槽と、液槽
内に配置された銅板のような板状の成膜材料源と、液槽
内において成膜材料源に対して平行又は略平行に対向配
置されるように半導体ウェハ等の被処理体を保持する保
持部と、成膜材料源をアノードとし且つ保持手段により
保持された被処理体の被成膜面をカソードとする電源部
と、液槽内のめっき液に音波振動を加える加振部とを備
えるものである。

【００１０】なお、本発明において「音波」とは、周波
数が０．１Ｈｚ程度以上の弾性波を含む音波、つまり周
波数が０．１〜２０Ｈｚ程度の弾性波である超低周波、
周波数が２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度の弾性波である可聴
周波、又は、周波数が２０ｋＨｚ以上の弾性波である超
音波であり、周波数及び／又は強度は一定であってもよ
く、規則的又は不規則的に変化してもよい。また、周波
数成分として超低周波帯域、可聴周波数帯域、及び超音
波周波数帯域の音波が混在していても構わない。

【００１１】めっき液への音波振動の具体的な印加手段
としては、例えば、音波発振機や振動素子等の音波振動
体からの音波振動を、保持部及び／又は被処理体を介し
て加える方法、液槽を介して加える方法、めっき液を直
接音波振動させる方法等が挙げられる。すなわち、より
具体的には、加振部が、保持部に接続された音波振動体
を有するものであり、又は、液槽に接続された音波振動
体を有するものであり、或いは、液槽内に配置された音
波振動体を有するものであると好ましい。

【００１２】このように構成されためっき装置において
は、加振部から液槽内のめっき液に音波振動が加えられ
ることにより、めっき液、そのめっき液に接触している
半導体ウェハ等の被処理体、液槽等が、印加された音波
の周波数に応じた周期で微小振動する。振動のエネルギ
ーは、めっき処理の進展に伴って発生するガスの微小ボ
イドに伝達され、めっき液中でボイドも振動される。上
述したように、半導体ウェハ等の被処理体上に形成され
たホール等の凹部内には、この微小ボイドが滞留する傾
向にあるが、音波振動によるボイドの機械運動及びめっ
き液の流体振動により、その凹部の内外でのめっき液の
入れ替え（交換）が促進される。

【００１３】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」を利用して接続溝、ホール等
の凹部への埋め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り、例えば、
非イオン系界面活性剤等のように凸部や角部に選択的に
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
る成分を含むいわゆる抑制剤が挙げられる。

【００１４】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、凹部の開
口状態を維持してオーバーハングを抑止し、相対的に凹
部の反応速度が高められるため、埋め込み性が向上する
ことになる。さらに、硫黄化合物、窒素化合物、若しく
はそれらの誘導体等のように接続溝、ホール等の凹部の
ボトムアップを助長するいわゆる促進剤（非抑制剤）も
一般的に用いられる。

【００１５】しかし、このような添加剤を含有していて
も、従来問題であったようにめっき液の入れ替えが十分
になされなかったり、ボイドが発生して凹部内に滞留す
るような場合には、これらの添加剤の有効な効果が損な
われ、膜厚や埋め込み性に影響を与えることとなる。こ
れに対し、本発明では、上述の如く音波振動による凹部
内外のめっき液の交換が促進されるので、添加剤の作用
効果が阻害されることが防止される。

【００１６】また、被処理体上に形成された凹部内に滞
留するボイドを含むめっき液により直接的に音波振動を
伝達・印加すると有利であり、この点を考慮すると、上
述した音波振動の各種印加手段のなかでは、加振部が、
保持部に接続された音波振動体を有するものであること
が望ましい。この場合、ボイドを一層十分に除去するこ
とができ、液槽中に音波振動体を配置するような場合に
比して、めっき液の流通や電界の変化をきたす等の電解
めっき処理自体に与える影響を最小限に抑えることもで
きる。

【００１７】さらに、加振部が、めっき液に超音波振動
を加えるものであるとより好ましい。こうすれば、サブ
ハーフミクロンからサブクォータミクロンへと以降しつ
つある半導体デバイスに対応して線幅が極めて細くなり
且つ高アスペクト比を有する凹部内に音波振動が十分に
伝達又は伝播されやすくなる。よって、凹部内のめっき
液及びボイドを効果的に振動させて液交換及びボイド除
去を一層促進できる。

【００１８】またさらに、液槽が底部にめっき液の供給
口を備えており、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
材料源、例えば銅板が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向するよう
に、例えばフェイスダウン方式であれば下向きにこの半
導体ウェハを保持するウェハホルダを採用できる。フェ
イスダウン方式で半導体ウェハが保持された場合、被成
膜面が上方を向くフェイスアップ方式に比して、凹部内
のめっき液及びボイドの滞留が顕著となるので、本発明
はこのようなフェイスダウン方式の電解めっき処理に対
して極めて有効である。

【００１９】また、本発明によるめっき方法は、本発明
のめっき装置によって有効に実施されるものであり、被
処理体を電解めっき処理する方法であって、被処理体を
めっき液に接触させ、被処理体の回転又は回動を停止さ
せ、すなわち、回転又は回動させず、めっき液に音波振
動を印加しつつ電解めっき処理を行うことを特徴とす
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付
し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置
関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づ
くものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に
限られるものではない。

【００２１】図１は、本発明によるめっき装置の第一実
施形態を示す概略断面図である。電解めっき装置１００
（めっき装置）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１２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、つまりフェイスダウン方式で保持するウェハホ
ルダ１６（保持手段）とを備えている。

【００２２】液槽１２の底部にはめっき液供給口１８が
設けられている。また、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
とができるようにされている。

【００２３】また、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、図示を省略するが、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２６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、これにより、液槽１２に送られる
めっき液２２の組成及び濃度を常に一定とすると有用で
ある。

【００２４】また、銅板１４は略円筒形の液槽１２の底
部に実質的に同軸に配置されており、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の底部のめっき液供給口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（流上）していく。

【００２５】さらに、銅板１４の上方には、半導体ウェ
ハＷを保持し、且つ、その半導体ウェハＷを液槽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１
６が配置されている。ウェハホルダ１６のウェハ保持面
２８は水平に且つ下向きとされており、銅板１４の上面
に対して平行で、一定の間隔をおいて対向配置されてい
る。またさらに、ウェハホルダ１６は、図示しない上下
機構を備えたホルダ保持部３０に接続されている。これ
により、半導体ウェハＷの交換等のために、保持した半
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。さらにまた、ウェハホルダ１６のウェハ
保持面２８にて保持された半導体ウェハＷの被成膜面
は、水平で下向きとなり、銅板１４の上面に対して平行
に且つ対向配置される。

【００２６】また、ウェハホルダ１６には、ウェハ保持
面２８にて持された半導体ウェハＷのエッジ部に接する
電気端子３２が設けられており、この電気端子３２には
電源３４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ＰＶＤ法等により薄い銅
シード層（導電性膜）が形成されており、この銅シード
層をカソードとして機能させるためのものである。ま
た、銅板１４がアノードとして機能するように銅板１４
には電源３４の正極（カソード）が接続されている。

【００２７】さらに、ウェハホルダ１６の上部には、超
音波を発生する圧電素子を有する振動子９０（音波振動
体）が音響的に結合又は接続されている。この振動子９
０は、圧電素子が超音波に相当する周波数で振動して超
音波を発生するのに十分な電圧を当該振動子９０に印加
する電源回路系（図示せず）に接続されている。圧電素
子から発せられた超音波は振動子９０を超音波振動さ
せ、更にウェハホルダ１６を超音波振動させ、ウェハホ
ルダ１６及び／又は半導体ウェハＷを介して超音波振動
がめっき液２２へ伝達又は伝播される。このように、振
動子９０及びウェハホルダ１６から実質的に加振部が構
成されている。

【００２８】このように構成された電解めっき装置１０
０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。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。それから、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、電源３４を投入する。これの
より、液槽１２に貯留されためっき液２２中の銅イオン
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。

【００２９】この間、振動子９０の圧電素子に所定の電
圧を印加して高速振動させ超音波を発生させる。これに
より、振動子９０が超音波振動し、先に述べたように、
ウェハホルダ１６及び／又は半導体ウェハＷを介してそ
の超音波振動がめっき液２２へ伝達又は伝播される。半
導体ウェハＷ上にホールや接続溝等の凹部が形成されて
いれば、めっき処理に伴って発生するガスに起因する微
小ボイドがめっき液２２と共にその凹部内に滞留する傾
向にある。

【００３０】めっき液２２に伝播・印加された超音波振
動は、このような凹部内のめっき液２２及びボイドをそ
の周波数に応じた周期で高速且つ微小振動させる。よっ
て、ボイドの機械運動及びめっき液の流体振動が引き起
こされ、凹部の内外でのめっき液２２の入れ替え（交
換）が促進されると共に、ボイドが凹部外へ放出され
る。したがって、めっき液２２の入れ替えにより攪拌効
果が奏されるので、凹部に対する埋め込み性や膜厚の面
内均一性が向上される。

【００３１】また、ボイドに滞留に起因し得る電流密度
の低下や局所的な不均一化を防止でき、所望のめっき成
膜を確実に実現できる。しかも、半導体ウェハＷをめっ
き液２２中で回転又は回動させないので、半導体ウェハ
Ｗの被成膜面上におけるめっき液２２の拡散層を安定に
維持できる。よって、膜厚及び埋め込み性の面内均一性
を一層向上させることが可能となる。

【００３２】またさらに、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、半導体ウェハＷ上に形成されたヴィアホ
ール、コンタクトホール、配線溝といった凹部に対する
埋め込み性や膜厚の面内均一性が更に一層向上される。
加えて、半導体ウェハＷが保持されたウェハホルダ１６
に振動子９０を音響的に結合又は接続しているので、半
導体ウェハＷ近傍のめっき液２２を直接的且つ均質に超
音波振動させることが可能となる。よって、半導体ウェ
ハＷ上の凹部内外でのめっき液の交換性能を高めること
ができる共に、局所的にボイドが残留してしまうといっ
たおそれを十分に抑止できる。

【００３３】図２は、本発明によるめっき装置の第二実
施形態を示す概略断面図である。電解めっき装置１０１
は、振動子９０の代わりに、液槽１２の側壁内部に設け
られた振動子９１（音波振動体）を備えること以外は、
図１に示す電解めっき装置１００と同様に構成されたも
のである。この振動子９１は、振動子９０と同様に超音
波を発生する圧電素子を有しており、電圧印加用の電源
回路系（図示せず）に接続されている。また、振動子９
１は、液槽１２の側壁に音響的に結合されており、圧電
素子から発せられた超音波は振動子９１を超音波振動さ
せ、更に液槽１２を超音波振動させ、その液槽１２の内
壁面を介して超音波振動がめっき液２２へ伝達又は伝播
される。このように、振動子９０及び液槽１２から実質
的に加振部が構成されている。

【００３４】また、図３は、本発明によるめっき装置の
第三実施形態を示す概略断面図である。電解めっき装置
１０２は、振動子９０の代わりに、液槽１２の側壁内面
に接続され且つめっき液２２中に配置された振動子９２
（音波振動体、加振部）を備えること以外は、図１に示
す電解めっき装置１００と同様に構成されたものであ
る。この振動子９２も、振動子９０と同様に超音波を発
生する圧電素子を有しており、電圧印加用の電源回路系
（図示せず）に接続されている。また、振動子９２は、
液槽１２の側壁に音響的に結合される必要はなく、圧電
素子から発せられた超音波が振動子９２を超音波振動さ
せ、この超音波振動が振動子９２から液槽１２内のめっ
き液２２中へ直接伝達又は伝播される。

【００３５】このように構成された電解めっき装置１０
１，１０２においても、超音波振動がめっき液２２に有
効に伝播・印加され、半導体ウェハＷ上に形成された凹
部内のめっき液２２の入れ替えを効率的に行い、且つ、
ボイドを凹部内から有効に除去できる。なお、その作用
効果については、上述した電解めっき装置１００を用い
た場合と同等であるので、重複説明を避けるため、ここ
での詳細な説明は省略する。

【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。例えば、圧電素子を有する振動
子９０〜９２の代わりに、リニア振動モーター等の振動
手段を用い、可聴波又は低周波帯域の音波を発生させ、
音波振動をめっき液２２に加えてもよい。さらに、めっ
き装置１００〜１０２は、半導体ウェハＷの被成膜面が
下向きとなるフェイスダウン式であるが、フェイスアッ
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。

【００３７】

【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、しかも埋め
込みの面内均一性及び埋め込み性自体を格段に向上でき
る。したがって、本発明によれば、高アスペクト比のホ
ール等の凹部に対しても良好な埋め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、歩留まりの向上をも図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるめっき装置の第一実施形態を示す
概略断面図である。

【図２】本発明によるめっき装置の第二実施形態を示す
概略断面図である。

【図３】本発明によるめっき装置の第三実施形態を示す
概略断面図である。

【図４】従来のめっき装置を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１００，１０１，１０２…電解めっき装置（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）、１８…めっき液供給口、２
０…ポンプ、２２…めっき液、２８…ウェハ保持面、３
０…ホルダ保持部、３４…電源、９０、９１，９２…振
動子（音波振動体）、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 鈴木 優美 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 CB01 CB06 CB08 CB12 CB15 CB26 4M104 BB04 DD52 FF21

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 めっき液が貯留されると共にめっき液が
   所定の方向に流通される液槽と、 前記液槽内に配置された板状の成膜材料源と、 前記液槽内において前記成膜材料源に対して平行又は略
   平行に対向配置されるように被処理体を保持する保持部
   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部
   と、 前記液槽内の前記めっき液に音波振動を加える加振部
   と、を備えるめっき装置。
2. 【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、ことを特徴と
   する請求項１記載のめっき装置。
3. 【請求項３】 前記加振部が、前記保持部に接続された
   音波振動体を有する、ことを特徴とする請求項１又は２
   に記載のめっき装置。
4. 【請求項４】 前記加振部が、前記液槽に接続された音
   波振動体を有するものである、ことを特徴とする請求項
   １又は２に記載のめっき装置。
5. 【請求項５】 前記加振部が、前記液槽内に配置された
   音波振動体を有するものである、ことを特徴とする請求
   項１又は２に記載のめっき装置。
6. 【請求項６】 前記加振部は、前記めっき液に超音波振
   動を加えるものである、ことを特徴とする請求項１〜５
   のいずれか一項に記載のめっき装置。
7. 【請求項７】 被処理体を電解めっき処理するめっき方
   法であって、 前記被処理体をめっき液に接触させ、 前記被処理体の回転又は回動を停止させ、 前記めっき液に音波振動を印加しつつ電解めっき処理を
   行う、ことを特徴とするめっき方法。