JP2003129287A

JP2003129287A - 電解めっき方法

Info

Publication number: JP2003129287A
Application number: JP2001331153A
Authority: JP
Inventors: Yumi Suzuki; 優美鈴木; Nobuo Owada; 伸郎大和田; Masayuki Ashihara; 雅幸芦原; Toshiyuki Nakagawa; 敏行中川
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2001-10-29
Publication date: 2003-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体ウェハの被めっき表面に形成されてい
る凹部の埋込み不良を十分に防止するとともに凹部の埋
込み後において均一な膜厚を有する銅めっき膜を形成す
ることのできる電解めっき方法の提供。【解決手段】Ｃｕ²⁺イオンと、水と、Ｃｕ²⁺イオンの電
気化学的な還元反応を促進する促進剤とを含むめっき液
１４に半導体ウェハＷの被めっき表面を浸漬する第１ス
テップと、第１ステップの後、半導体ウェハをカソード
とし、銅板１６をアノードとし、両極間に所定の電圧を
印加することにより、半導体ウェハの被めっき表面に形
成された凹部８０内に優先的に銅を電析させる第２ステ
ップとを含む方法であり、第１ステップでは、半導体ウ
ェハＷの被めっき表面をめっき液１４中において好まし
くは回転させ、第２ステップでは、半導体ウェハＷの被
めっき表面をめっき液１４中において静止させた状態と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイス等
の製造技術に関し、特に、銅めっき膜の形成に用いられ
る電解めっき方法に関する。

【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方法としては、
図２に示すようなフェイスダウン方式の電解めっき装置
を用いる方法が知られている。このめっき装置１０は、
液槽１２内のめっき液１４に半導体ウェハＷをその被め
っき表面を下向き（フェイスダウン）にして浸漬させ、
液槽１２の下部に配置された銅板１６をアノードとし、
半導体ウェハＷをカソードとして銅板１６と半導体ウェ
ハＷとの間に電圧を印加させるものである。そして、半
導体ウェハＷの被めっき表面にＣｕ²⁺イオンの電気化学
的な還元反応により析出した銅から構成されためっき膜
（以下、銅めっき膜という）が半導体ウェハＷ上に成膜
される。

【０００５】また、めっき液１４としては、硫酸銅を主
成分として含むのもが取り扱い性などの利点から広く使
用されている。そして、このめっき液には、「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
み性を改善し、膜厚が均一で概観に優れた銅めっき膜を
形成するために添加剤が加えられている。

【０００６】このような添加剤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いわゆる抑制剤が挙げられ
る。また、抑制剤のほかに、硫黄化合物、窒素化合物、
又はこれらの誘導体などのように凹部の埋め込みを助長
するいわゆる促進剤を用いることが一般的である。

【０００７】更に、半導体デバイスの高集積化、微細化
が進行するに伴って、半導体ウェハの被めっき表面に形
成された凹部の大きさも微細化が進められてきており、
半導体ウェハの被めっき表面内における銅めっき膜の成
膜速度を更に精密に制御する必要があり、そのため、上
述の促進剤及び抑制剤の他の添加剤として、電解めっき
中の半導体ウェハの被めっき表面内における銅の電析速
度のばらつきを低減するための平坦化剤も使用されてい
る。

【０００８】このような添加剤を加えることにより、凸
部での銅イオンの還元反応速度を抑制し、相対的に凹部
の反応速度を高めて凹部での埋込み性の向上が図られ、
更には均一な膜厚を有する銅めっき膜を形成することが
図られている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電解めっき方法により半導体ウェハの被めっき表面に銅
めっき膜を形成した場合、局所的に膜厚の異なる部分が
発生したり、被めっき表面に形成されているヴィアホー
ル、コンタクトホール、配線溝等の凹部に対する銅の埋
め込み性の悪い部分の発生（例えば、ボイドの発生）
や、埋め込みの完了した凹部の上部に優先的に銅が電析
してその部分が局所的に盛り上がり、均一な膜厚を有す
る銅めっき膜が形成されないといった不都合が生じるこ
とがあり、歩留まりの原因になっていた。

【００１０】このような埋込み不良は、電解めっきを行
う際に、半導体ウェハの被めっき表面に形成された凹部
にめっき液が十分に行き渡らず、電解中において、凹部
内のめっき液の入れ替えがスムーズに行われない場合
や、凹部内に気泡が残存している場合に発生することが
多かった。そのため、従来の電解めっき法においては、
例えば、めっき液中で半導体ウェハを回転させることに
より、凹部にめっき液を十分に行き渡らせるとともに、
被めっき表面上に気泡を滞留させない処置がとられてい
る。

【００１１】しかしながら、半導体デバイスの高集積
化、微細化が進行するに伴って、半導体ウェハの被めっ
き表面に形成された凹部の大きさも微細化（例えば、ヴ
ィアホールの大きさが０．１８μｍ以下）を進めると、
上述の従来の方法のみでは被めっき表面の凹部への銅の
確実な充填が困難となってきており、凹部の埋込み不良
を十分に防止することができなかった。

【００１２】そこで、本発明は、上記従来技術の有する
課題に鑑みてなされたものであり、半導体ウェハの被め
っき表面に形成されている凹部の埋込み不良を十分に防
止するとともに、凹部の埋込み後において均一な膜厚を
有する銅めっき膜を形成することのできる電解めっき方
法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、半導体ウェハの
被めっき表面に銅めっき膜を形成する場合、凹部の埋め
込み（以下、ボトムアップという）を行う段階において
半導体ウェハの被めっき表面を回転させることが当業者
の一般的な認識であったにも拘わらず、上述のように微
細化された半導体ウェハの被めっき表面に銅めっき膜を
形成する場合、ボトムアップを行う段階において半導体
ウェハの被めっき表面を回転させると、凹部の形成され
た被めっき表面からめっき液のバルクにかけて分布する
めっき液に含まれる促進剤、抑制剤、平坦化剤などの添
加剤の拡散層の厚さが一様でなくなるため、それぞれの
添加剤に対して意図した添加効果を十分に得ることがで
きず、凹部に対する銅の埋め込み不良が生じてしまうこ
とを見出した。

【００１４】そして、本発明者らは、上述のように微細
化された半導体ウェハの被めっき表面に銅めっき膜を形
成する場合、半導体ウェハの被めっき表面を回転させず
静止させた状態でボトムアップを行うことにより、凹部
に対する銅の埋め込み不良を十分に防止できることを見
出し、本発明に到達した。

【００１５】そこで、本発明は、Ｃｕ²⁺イオンと、水
と、Ｃｕ²⁺イオンの電気化学的な還元反応を促進する促
進剤とを含むめっき液に半導体ウェハの被めっき表面を
浸漬する第１ステップと、第１ステップの後、半導体ウ
ェハの被めっき表面をめっき液中において静止させた状
態で、半導体ウェハをカソードとし、銅板をアノードと
し、カソードとアノードとの間に所定の電圧を印加する
ことにより、半導体ウェハの被めっき表面に形成された
凹部内に優先的に銅を電析させる第２ステップと、を含
むことを特徴とする電解めっき方法を提供する。

【００１６】このように、第２ステップにおいて半導体
ウェハの被めっき表面をめっき液中において静止させた
状態とすることにより、半導体ウェハの被めっき表面の
凹部の銅の埋込み不良を十分に防止しつつ凹部における
銅の電析反応を優先的に進行させることが容易にでき
る。すなわち、凹部のボトムアップをスムーズに行うこ
とができる。しかも、ボトムアップが完了した後におい
て均一な膜厚を有する銅めっき膜を容易に形成すること
ができる。

【００１７】また、本発明において、電解めっきを行う
際にカソードとアノードとの間に所定の電圧を印加し
て、カソードにおいてＣｕ²⁺イオンの還元反応を進行さ
せる方式としては、定電流電解方式であってもよく、定
電圧（定電位）電解方式であってもよいが、Ｃｕ²⁺イオ
ンの還元反応の反応速度を制御する観点から定電流電解
方式であることが好ましい。

【００１８】更に、本発明の電解めっき法の第２ステッ
プにおいて使用するめっき液の構成としては、Ｃｕ²⁺イ
オンと、水と、後述する促進剤を含んでいればよく、そ
の他の含有成分の種類や組成比は特に限定されない。ま
た、Ｃｕ²⁺イオンの供給源となる化合物も特に限定され
ないが、硫酸銅（II）を用いることが好ましい。

【００１９】また、本発明の電解めっき方法は、第２ス
テップにおいて、カソードにおける電流密度を１〜１０
ｍＡ／ｃｍ²の所定値に調節して定電流電解を行うこと
を特徴としていてもよい。これにより、ボトムアップの
際に、凹部の銅の埋込み不良をより確実に防止すること
ができる。

【００２０】ここで、カソードにおける電流密度が１０
ｍＡ／ｃｍ²を超えるとボトムアップフィル（bottom up
fill）に対する添加剤の効果が小さくなりコンフォー
マル（conformal）な成膜が進みシームボイド（seam vo
id）ができる傾向が大きくなる。一方、カソードにおけ
る電流密度が１ｍＡ／ｃｍ²未満となると、結晶成長が
強くなり理想的なボトムアップフィル（bottom up fil
l）を起こりにくくする傾向が大きくなる。

【００２１】更に、本発明の電解めっき方法は、第２ス
テップにおいて、凹部内に析出する銅の電析速度が３．
６×１０^-1〜３．６ｎｍ／ｓとなるようにカソードにお
ける電流密度を調節して定電流電解を行うことを特徴と
していてもよい。これによっても、ボトムアップの際
に、凹部の銅の埋込み不良をより確実に防止することが
できる。なお、この「凹部内に析出する銅の電析速度」
とは、後述する銅めっき膜の成膜速度と同義である。

【００２２】ここで、凹部内に析出する銅の電析速度が
３．６ｎｍ／ｓを超えるとボトムアップフィル（bottom
up fill）に対する添加剤の効果が小さくなりコンフォ
ーマル（conformal）な成膜が進みシームボイド（seam
void）ができる傾向が大きくなる。一方、凹部内に析出
する銅の電析速度が３．６×１０^-1ｎｍ／ｓ未満となる
と、結晶成長が強くなり理想的なボトムアップフィル
（bottom up fill）を起こりにくくする傾向が大きくな
る。

【００２３】また、本発明の電解めっき方法は、第２ス
テップの後、半導体ウェハの被めっき表面をめっき液中
において回転させた状態で、半導体ウェハをカソードと
し、銅板をアノードとし、カソードとアノードとの間に
所定の電圧を印加することにより、半導体ウェハの被め
っき表面に銅めっき膜を形成する第３ステップを更に含
むことを特徴としていてもよい。

【００２４】このように第２ステップの後の第３ステッ
プにおいて半導体ウェハの被めっき表面をめっき液中に
おいて回転させた状態とすることにより、ボトムアップ
の完了した後の半導体ウェハの被めっき表面にめっき液
を均一かつ十分に行き渡らせることができる。

【００２５】そのため、ボトムアップの完了した凹部の
上部に優先的に銅が電析し、その部分が局所的に盛り上
がることを十分に防止することができ、被めっき表面に
Ｃｕ ²⁺イオンを均一に電着させることがより確実にでき
る。また、このようにすることにより、被めっき表面上
での気泡の滞留も有効に防止することもでき、この観点
からも、被めっき表面にＣｕ²⁺イオンを均一に電着させ
ることがより確実にできる。

【００２６】ここで、本発明の電解めっき方法において
上述の第３ステップを更に行う場合、第３ステップにお
いて半導体ウェハの被めっき表面の回転速度を６０ｒｐ
ｍ以下の所定値に調節することが好ましい。これによ
り、ボトムアップの完了した後の被めっき表面にＣｕ²⁺
イオンを均一に電着させ、均一な膜厚を有する銅めっき
膜を形成することがより容易にできる。

【００２７】第３ステップにおいて半導体ウェハの被め
っき表面を回転させる場合、その回転速度が６０ｒｐｍ
を超えると気泡が半導体ウェハの被めっき表面に付着す
る傾向がおおきくなる。なお上記の観点から、第３ステ
ップにおいて半導体ウェハの前記被めっき表面を回転さ
せる場合、その回転速度は１０〜６０ｒｐｍとすること
がより好ましい。

【００２８】また、本発明の電解めっき方法において上
述の第３ステップを更に行う場合、第３ステップにおい
て、カソードにおける電流密度を１０〜６０ｍＡ／ｃｍ
²の所定値に調節して定電流電解を行うことを特徴とし
ていてもよい。これによっても、ボトムアップの完了し
た後の被めっき表面にＣｕ²⁺イオンを均一に電着させ、
均一な膜厚を有する銅めっき膜を形成することがより確
実にできる。

【００２９】ここで、カソードにおける電流密度が６０
ｍＡ／ｃｍ²を超えるとアノード表面でのＣｕボールが
生じる傾向が大きくなる。一方、カソードにおける電流
密度が１０ｍＡ／ｃｍ²未満となると、成膜速度が遅く
なり、半導体ウェハ１枚あたりの処理時間が長くなる傾
向が大きくなる。

【００３０】更に、本発明の電解めっき方法において上
述の第３ステップを更に行う場合、第３ステップにおい
て、半導体ウェハの被めっき表面に形成される銅めっき
膜の成膜速度が３．６〜２２ｎｍ／ｓとなるようにカソ
ードにおける電流密度を調節して定電流電解を行うこと
を特徴としていてもよい。これによっても、ボトムアッ
プの完了した後の被めっき表面にＣｕ²⁺イオンを均一に
電着させ、均一な膜厚を有する銅めっき膜を形成するこ
とがより確実にできる。

【００３１】ここで、銅めっき膜の成膜速度が２２ｎｍ
／ｓを超えるとアノード表面でのＣｕボールが生じる傾
向が大きくなる。一方、銅めっき膜の成膜速度が３．６
ｎｍ／ｓ未満となると、成膜速度が遅くなり、半導体ウ
ェハ１枚あたりの処理時間が長くなる傾向が大きくな
る。

【００３２】なお、本発明の電解めっき法において後述
の第３ステップを更に行う場合、使用するめっき液は、
特に限定されず、例えば、第２ステップで使用するめっ
き液と同様の液を使用してもよく、例えば、Ｃｕ²⁺イオ
ン及び水以外の添加成分として、促進剤、平坦化剤及び
抑制剤のうちの１種のみが含まれている液であってもよ
く、促進剤、平坦化剤及び抑制剤のうちの２種が含まれ
ている液であってもよく、促進剤、平坦化剤及び抑制剤
が全て共存する液であってもよい。

【００３３】また、本発明の電解めっき方法は、第１ス
テップにおいて半導体ウェハの前記被めっき表面を回転
させた状態でめっき液に浸漬させ、かつ、その回転速度
を３０ｒｐｍ以下の所定値に調節することが好ましい。

【００３４】これにより、被めっき表面の凹部にめっき
液を十分に行き渡らせるとともに、被めっき表面上に気
泡が滞留することを効果的に防止できる。そして、第２
ステップにおける凹部のボトムアップをスムーズに開始
することができる。また、この際に、半導体ウェハを傾
け且つ回転させながらめっき液中に投入することがより
好ましい。更に、この第１ステップにおいては、半導体
ウェハとアノードとなる銅板との間に所定の電圧を印加
して、被めっき表面に予め形成されている銅シード層の
めっき液への溶解を防止することが好ましい。

【００３５】第１ステップにおいて半導体ウェハの前記
被めっき表面を回転させる場合、その回転速度が３０ｒ
ｐｍを超えると半導体ウェハの被めっき表面の面内にお
いて凹部の埋め込みに対する均一性が低下する傾向が大
きくなる。なお上記の観点から、第１ステップにおいて
半導体ウェハの前記被めっき表面を回転させる場合、そ
の回転速度は１０〜３０ｒｐｍとすることがより好まし
い。

【００３６】ここで、本発明において使用する促進剤
は、ヴィアホール、コンタクトホール、その他の配線溝
（トレンチ）等の凹部といった被めっき表面の形状に応
じためっきを行うべく、微小間隙を有する凹部内部にお
けるＣｕ²⁺イオンの還元反応（電析反応）の進行による
ボトムアップを促進するためのものである。

【００３７】そして、促進剤は、後述する抑制剤に比し
て低分子量であってめっき液中の拡散移動速度が比較的
早く、且つ、抑制剤ほど分極特性が高くないため、凹部
内部に速やかに移入し易い傾向にあり、凹部内部のボト
ムアップを助長するように機能するものである。

【００３８】更に、本発明において使用する促進剤は、
該促進剤とＣｕ²⁺イオンと水とを含む液を用いた場合の
前記被めっき表面での下記式（１）で表される電気化学
的な酸化還元反応の平衡電位が、前記液から促進剤を除
いた液を用いた場合の平衡電位よりもプラス側にシフト
する特性を有することが好ましい。

【化３】

【００３９】また、このような促進剤は、被めっき表面
の電位を上述の平衡電位からマイナス側（Ｃｕ²⁺イオン
の還元反応が進行する側）に掃引した場合に同一の電位
おいて観測される還元電流値が、促進剤とＣｕ²⁺イオン
と水とを含む液を用いた場合の方が、前記液から促進剤
を除いた液を用いた場合に比較して大きくなるという分
極特性を示すものであることがより好ましい。

【００４０】このような促進剤としては、例えば、特開
２０００−２１９９９４号公報に記載のブライトナー、
すなわち、ビス（３−スルホプロピル）ジスルファイド
又はその２ナトリウム塩、ビス（２−スルホプロピル）
ジスルファイド又はその２ナトリウム塩、ビス（３−ス
ル−２−ヒドロキシプロピル）ジスルファイド又はその
２ナトリウム塩、ビス（４−スルホプロピル）ジスルフ
ァイド又はその２ナトリウム塩、ビス（ｐ−スルホフェ
ニル）ジスルファイド又はその２ナトリウム塩、３−
（ベンゾチアゾリル−２−チオ）プロピルスルホン酸又
はそのナトリウム塩、Ｎ，Ｎ−ジメチル−ジチオカルバ
ミン酸−（３−スルホプロピル）−エステル又はそのナ
トリウム塩、Ｏ−エチル−ジエチル炭酸−Ｓ−（３−ス
ルホプロピル）−エステル又はそのカリウム塩、チオ尿
素若しくはその誘導体等、或いは、特開２０００−２４
８３９７号公報に記載の硫黄系飽和有機化合物、すなわ
ち、ジチオビス−アルカン−スルホン酸又はその塩、具
体的には、４，４−ジチオビス−ブタン−スルホン酸、
３，３−ジチオビス−プロパン−スルホン酸、２，２−
ジチオビス−エタン−スルホン酸、又はそれらの塩等が
挙げられ、これらを単独で又は二種以上混合して用いる
ことができる。

【００４１】また、本発明において使用するめっき液に
は、Ｃｕ²⁺イオンの電気化学的な還元反応を抑制する抑
制剤が更に含まれていてもよい。これにより、第２ステ
ップ又は第３ステップにおいて、半導体ウェハの被めっ
き表面に銅めっき膜を形成する際の成膜速度や成膜状態
をより精密に制御できる。

【００４２】この抑制剤は、上述した凹部の微小間隙を
形成するエッジ部分にめっき電流が集中して過度のＣｕ
²⁺イオンの還元反応が進行するのを抑制するためのもの
である。一般に、前出の促進剤に比して高分子量であっ
てめっき液中の拡散移動速度が比較的遅く、且つ、高い
分極特性を有するため、高電界であるエッジ部分の周囲
に集まり易く、エッジ部のオーバーハング等を抑えて凹
部内部のボトムアップを更に助長するように機能するも
のである。

【００４３】更に、本発明において使用する抑制剤は、
該抑制剤とＣｕ²⁺イオンと水とを含む液を用いた場合の
前記被めっき表面での下記式（２）で表される電気化学
的な酸化還元反応の平衡電位が、前記液から抑制剤を除
いた液を用いた場合の平衡電位よりもマイナス側にシフ
トする特性を有することが好ましい。

【化４】

【００４４】また、このような抑制剤は、被めっき表面
の電位を上述の平衡電位からマイナス側（Ｃｕ²⁺イオン
の還元反応が進行する側）に掃引した場合に同一の電位
おいて観測される還元電流値が、抑制剤とＣｕ²⁺イオン
と水とを含む液を用いた場合の方が、前記液から抑制剤
を除いた液を用いた場合に比較して小さくなるという分
極特性を示すものであることがより好ましい。

【００４５】このような抑制剤としては、例えば、特開
２０００−２１９９９４号公報又は特開２０００−２４
８３９７号公報に記載のポリマー、すなわち、ポリビニ
ルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリエチ
レングリコール、ポリプロピレングリコール、ステアリ
ン酸−ポリエチレングリコールエステル、ステアリルア
ルコール−ポリエチレングリコールエーテル、ノニルフ
ェノール−ポリエチレングリコールエーテル、オクチル
フェノール−ポリエチレングリコールエーテル、ポリエ
チレン−プロピレングリコール、β−ナフトール−ポリ
エチレングリコールエーテル等、１，３−ジオキソラン
重合体、ポリプロピレンプロパノール、オキシルアルキ
レンポリマー、酸化エチレンと酸化プロピレンとの共重
合体、或いは、それらの誘導体が挙げられ、これらを単
独で又は二種以上混合して用いることができる。

【００４６】更に、本発明において使用するめっき液に
は、被めっき表面内における前記銅めっき膜の成膜速度
のばらつきを低減する平坦化剤が更に含まれていてもよ
い。これによっても、第２ステップ又は第３ステップに
おいて、半導体ウェハの被めっき表面に銅めっき膜を形
成する際の成膜速度や成膜状態をより精密に制御でき
る。

【００４７】この平坦化剤は、上述した凹部内部のボト
ムアップが終了した後に凹部上のフィールド全体のめっ
き成膜を行う段階で有効に機能するものであり、被めっ
き面の形状に関わらず、成膜後の膜表面レベルの均一性
を担保するためのものである。

【００４８】つまり、ボトムアップ後にも促進剤の効果
が持続すると、凹部上の電析速度が、凹部がない部分上
の電析速度に比して大きくなるため、凹部が形成された
フィールドが盛り上がる傾向にある。平坦化剤は、この
ような言わば被めっき表面内における銅の電析速度のば
らつきによるマイクロローディングを防止するために、
促進剤の効果を抑制して均一な電析を実現するものであ
る。

【００４９】このような平坦化剤としては、有機酸アミ
ド及びアミン化合物が好ましい。より具体的には、アセ
トアミド、プロピルアミド、ベンズアミド、アクリルア
ミド、メタアクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリル
アミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルメタアクリルアミド、Ｎ，Ｎ
−ジエチルアクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルメタアク
リルアミド、Ｎ−（ヒドロキシメチル）アクリルアミ
ド、ポリアクリル酸アミド、ポリアクリル酸アミド加水
和分解物、チオフラビン及びサフラニンからなる群から
選択される少なくとも１種の化合物であることが好まし
い。なお、これらの化合物はそれぞれ単独で又は二種以
上混合して用いることができる。

【００５０】

【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。

【００５１】図１は、本発明による電解めっき方法を実
施することができるめっき設備の基本構成の一例を概略
的に示す説明図である。図１に示すめっき設備１００
は、内部が高い清浄度に保たれるハウジング２００と、
このハウジング２００内に配置された第１ステップ及び
第２ステップを行うための電解めっき装置１０と、第３
ステップを行うための電解めっき装置１１とを備えてい
る。図１に示す実施形態においては、複数枚の半導体ウ
ェハ（半導体ウェハ）Ｗを同時処理することができるよ
う、複数台のめっき装置１０及び電解めっき装置１１が
配設されている。

【００５２】図１のめっき設備において用いられている
めっき装置１０及び電解めっき装置１１の基本構成の一
例を概略的に示す説明図である。めっき装置１０及び電
解めっき装置１１は、使用するめっき液（それぞれ、
「第１のめっき液１４」及び「第２のめっき液１５」と
いう）が異なること以外は同様の構成を有している。

【００５３】ここで、めっき装置１０に貯留されている
第１のめっき液は、Ｃｕ²⁺イオンと、水と、先に述べた
促進剤と、先に述べた抑制剤とを含んでいる。また、め
っき装置１０に貯留されている第２のめっき液は、Ｃｕ
²⁺イオンと、水と、促進剤と、抑制剤と、先に述べた平
坦化剤とを含んでいる。

【００５４】めっき装置１０は、図２を参照して先に述
べたように、従来のものと同様な構成を有する。従っ
て、図２を再度参照して説明すると、このめっき装置１
０は、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１６と、半導体ウェハＷを下向
きに保持するウェハホルダ１８とを備えている。

【００５５】液槽１２の底部にはめっき液供給口２０が
配設されている。めっき液供給口２０には外部のポンプ
２２が接続されており、これにより第１のめっき液１４
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から溢流した第１のめっき液１４を受
け、その第１のめっき液１４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２２の吸込み口に接続されているため、第１のめっき
液１４は循環使用される。

【００５６】銅板１６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１６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２０から供給され
た第１のめっき液１４は、この間隙を通って液槽１２内
を上昇していく。

【００５７】銅板１６の上方には、半導体ウェハＷを保
持して液槽１２内に貯留された第１のめっき液１４に浸
漬させるウェハホルダ１８が配置されている。ウェハホ
ルダ１８のウェハ保持面は水平に且つ下向きとされてお
り、この保持面にて保持された半導体ウェハＷの被めっ
き表面も下向きとなる。また、ウェハホルダ１８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２８に接続されている。

【００５８】ウェハホルダ１８は更に、昇降・傾動機構
（図示しない）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
であり、且つまた、ウェハホルダ１８のウェハ保持面を
傾斜させることが可能となっている。

【００５９】ウェハホルダ１８には、ウェハ保持面にて
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
３０が設けられており、この電気端子３０には半導体ウ
ェハＷがカソードとして機能するように電源３２のアノ
ードが接続されている。銅めっきされる半導体ウェハＷ
の被めっき表面には予めＰＤＶ法等により薄い銅シード
層（導電性膜）が形成されており、この銅シード層がカ
ソードとして機能する。また、銅板１６がアノードとし
て機能するように電源３２のカソードが接続されてい
る。

【００６０】めっき設備１００は、更に、ハウジング２
００の外部に隣接して配設されたローディングステーシ
ョン３００を備えている。ローディングステーション３
００内には、複数枚の半導体ウェハＷを収容するウェハ
カセット５０がセットされる。ウェハカセット５０から
は未処理の半導体ウェハＷが適当なロボット装置６０，
６２を用いて取り出され、めっき装置１０のウェハホル
ダ１８にセットされる。

【００６１】そして、めっき装置１０での第２ステップ
の電解めっき処理後には、ロボット装置６２を用いて取
り出され、めっき装置１１のウェハホルダ１８にセット
される。そして、めっき装置１１での第３ステップの電
解めっき処理後には、ロボット装置６０，６２により、
処理済みウェハがウェハカセット５０に戻される。

【００６２】ハウジング２００内には、第３ステップを
行った後の処理済みの半導体ウェハＷから第２のめっき
液１５を洗い流すための洗浄装置７０が設けられてい
る。この洗浄装置７０は、ロボット装置６０，６２のブ
レード間で半導体ウェハＷを受け渡すための中間ステー
ションとしても機能するものであり、半導体ウェハＷを
支持するサポート７２を有している。サポート７２は洗
浄装置７０内にて回転可能となっており、洗浄装置７０
内において半導体ウェハＷは回転されながら第３ステッ
プを行った後に洗浄処理を施される。

【００６３】この洗浄装置７０の内部には純水を噴射す
る水噴射ノズル７６が設けられている。この水噴射ノズ
ル７６は、純水の液滴を霧状の微細な液滴にして回転す
る半導体ウェハＷの被めっき表面に吹き付けるものであ
る。そして、第３ステップを行った後の処理済みの半導
体ウェハＷは、水噴射ノズル７６から噴射された純水に
よって洗浄される。

【００６４】このような構成において、図３及び図４も
参照して半導体ウェハＷに銅を成膜する方法について説
明する。

【００６５】まず、乾燥している未処理の半導体ウェハ
Ｗをウェハカセット５０からロボット装置６０により取
り出し、洗浄装置７０のサポート７２に載置する。そし
て、洗浄装置７０の内部にてサポート７２を回転させる
と共に、水噴射ノズル７６から霧状にした純水の微細な
液滴を半導体ウェハＷの被めっき表面に吹き付ける。こ
のとき、半導体ウェハＷは回転されているため、被めっ
き表面に形成されているコンタクトホールや配線溝等の
微細な凹部８０内にも純水は十分に行き渡り、半導体ウ
ェハＷの被めっき表面全体は気泡が残ることなく純水で
濡れた状態となる。

【００６６】この後、純水が乾く前に、ロボット装置６
２により半導体ウェハＷを洗浄装置７０からめっき装置
１０のウェハホルダ１８にセットする。そして、昇降・
傾動機構（図示しない）を制御して、半導体ウェハＷを
液槽１２内の第１のめっき液１４に斜めに浸漬させ、同
時に、回転駆動源２８を駆動させて半導体ウェハＷを低
速（例えば、３０ｒｐｍ）で回転させる（第１ステッ
プ）。

【００６７】この状態においては、半導体ウェハＷの下
面（被めっき表面）には空気が溜まらず、加えて、半導
体ウェハＷの被めっき表面の凹部８０内面は純水で濡れ
た状態となっている。

【００６８】次いで、半導体ウェハＷの被めっき表面と
銅板１６の上面とが平行となるようウェハホルダ１８の
位置を調整し、ポンプ２２を駆動して第１のめっき液１
４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。

【００６９】このとき、図３に示したように、半導体ウ
ェハＷの被めっき表面の凹部８０内面は純水で濡れた状
態となっているので、図４に示すように、硫酸銅を主成
分とした第１のめっき液１４は凹部８０に侵入しやす
く、隙間無く第１のめっき液１４が充填されることにな
る。

【００７０】そして、半導体ウェハＷの回転を停止し、
電源３２を投入すると、例えば、定電流電解の場合に
は、所定の大きさに設定された電流密度（例えば、１〜
１０ｍＡ／ｃｍ²の所定値）でカソード電流がカソード
としての半導体ウェハＷに流され、液槽１２のＣｕ²⁺イ
オンが半導体ウェハＷの被めっき表面（銅シード層）に
形成された凹部において優先的に還元され銅めっき膜１
７として成長していく（第２ステップ）。

【００７１】このとき、先に述べたように、電解を開始
した初期には、第１のめっき液１４中の促進剤と抑制剤
の作用により、図３に示すように、被めっき表面の凹部
８０以外の部分よりも凹部８０内においてＣｕ²⁺イオン
の還元反応が優先的に進行し、凹部８０内のボトムアッ
プがスムーズに行われる。そのため、第１のめっき液１
４の侵入が不十分であることを原因とするボイドは銅め
っき膜に形成されることはない。

【００７２】ボトムアップの完了後、好ましくは被めっ
き表面が乾く前に、ロボット装置６２により半導体ウェ
ハＷをめっき装置１０からめっき装置１１のウェハホル
ダ１８にセットする。そして、めっき装置１１の昇降・
傾動機構（図示しない）を制御して、半導体ウェハＷを
液槽１２内の第２のめっき液１５に斜めに浸漬させ、同
時に、回転駆動源２８を駆動させて半導体ウェハＷを所
定の回転速度（例えば、６０ｒｐｍ）で回転させる。こ
の状態においては、半導体ウェハＷの下面（被めっき表
面）には空気が溜まらない状態となっている。

【００７３】次いで、半導体ウェハＷの被めっき表面と
銅板１６の上面とが平行となるようウェハホルダ１８の
位置を調整し、ポンプ２２を駆動して第２のめっき液１
５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。

【００７４】そして、半導体ウェハＷを上述の回転速度
で回転させた状態で電源３２を投入すると、例えば、定
電流電解の場合には、所定の大きさに設定された電流密
度（例えば、１０〜６０ｍＡ／ｃｍ²の所定値）でカソ
ード電流がカソードとしての半導体ウェハＷに流され、
図４に示すように、液槽１２のＣｕ²⁺イオンが半導体ウ
ェハＷのボトムアップの完了した被めっき表面において
還元され銅めっき膜１７として成長していく（第３ステ
ップ）。

【００７５】このとき、先に述べたように、ボトムアッ
プの完了した凹部８０の上部に優先的に銅が電析し、そ
の部分が局所的に盛り上がることを十分に防止しつつ半
導体ウェハの被めっき表面にＣｕ²⁺イオンを均一に電着
させることができる。そのため、均一な膜厚を有する銅
めっき膜１７を形成することができる。

【００７６】すなわち、凹部８０内のボトムアップが完
了した後には、第１のめっき液１４中に存在する平坦化
剤等の添加剤の作用により、均一な銅めっき膜が形成さ
れてゆく。

【００７７】このようにして所望の銅めっき膜１７が形
成されたならば、半導体ウェハＷを液槽１２から取り出
し、洗浄装置７０に移送してその内部で洗浄する。そし
て、乾燥後にその半導体ウェハＷをウエハカセット５０
に戻す。

【００７８】なお、第２ステップから第３ステップへの
移行のタイミングは、使用する半導体ウェハＷのスケー
ルや、使用する第１のめっき液１４及び第２のめっき液
１５の成分組成を規定し、凹部８０のボトムアップが完
了するまでの電気量を実験的に予め把握しておくことに
より決定することができる。例えば、定電流電解を行う
場合には、電解電流を流した時間をタイマーなどでカウ
ントしておき、凹部８０のボトムアップが完了するまで
の電気量に相当する時間が経過した時点で、第２ステッ
プから第３ステップへの移行を行えばよい。

【００７９】例えば、めっき設備１００においては、第
２ステップにおける電解電流が流れ始めてからの時間を
カウントするタイマーを備え、このタイマーによりカウ
ントされる時間に基づいて、ロボット装置６２を制御す
る制御装置（図示せず）を設けて、この制御装置によ
り、めっき装置１０のウェハホルダ１８にセットされた
半導体ウェハＷを、上記のタイミングにおいてめっき装
置１１に移動させてそのウェハホルダ１８にセットさせ
てもよい。

【００８０】また、図３は、第２ステップにおいてボト
ムアップの完了した直後の半導体ウェハＷの状態を強調
的に示したものであり、例えば、ボトムアップの完了の
状態は図３に示した状態に限られず、半導体ウェハＷの
凸部の表面にも電析した銅めっき膜が形成されていても
よい。ボトムアップが完了した状態は、凹部の上部に優
先的に銅が電析し、その部分が局所的に盛り上がること
が十分に防止できる範囲で、使用する半導体ウェハＷの
スケールや、使用する第１のめっき液１４及び第２のめ
っき液１５の成分組成、電解電流の大きさなどの条件に
より適宜設定してよい。

【００８１】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。

【００８２】例えば、上述の実施形態においては、異な
るめっき液を使用するめっき装置（めっき装置１０とめ
っき装置１１）を用いて第２ステップと第３ステップを
行う場合について説明したが、本発明はこれに限定され
るものではなく、第２ステップと第３ステップは同一の
組成を有するめっき液を使用して行ってもよい。またそ
のとき、第２ステップと第３ステップは同一のめっき装
置において行ってもよい。

【００８３】更に、上述の実施形態においては、第２ス
テップを行う場合に使用するめっき液１４には、Ｃｕ²⁺
イオン及び水以外の添加成分として、促進剤が含まれて
いればよく、抑制剤のかわりに平坦化剤を添加してもよ
く、促進剤、平坦化剤及び抑制剤を共存させていてもよ
い。また、第３ステップを行う場合に使用するめっき液
１５も、Ｃｕ²⁺イオン及び水以外の添加成分として、促
進剤、平坦化剤及び抑制剤のうちの１種のみが含まれて
いる液であってもよく、促進剤、平坦化剤及び抑制剤の
うちの２種が含まれている液であってもよい。

【００８４】例えば、洗浄装置７０内に水噴射ノズル７
６を設けることは必須ではなく、例えば、半導体ウェハ
Ｗの被めっき表面を純水で濡らすことなく第１のめっき
液１４に直接浸漬してもよい。但し、このような方法で
は、半導体ウェハＷの凹部８０内に気泡が残存すること
も考えられる。そこで、振動発生装置（図示しない）を
取り付け、めっき装置１０の液槽１２内の第１のめっき
液１４に半導体ウェハＷを浸漬させた直後に、液槽１
２、ひいては第１のめっき液１４に振動を与えて、半導
体ウェハＷに振動を加え、半導体ウェハＷの凹部８０に
残存する気泡を破潰させて除去することが望ましい。

【００８５】更に、例えば、上記実施形態のめっき装置
は、半導体ウェハＷの被めっき表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る。

【００８６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の電解めっき
方法によれば、半導体ウェハの被めっき表面に形成され
ている凹部の埋込み不良を十分に防止できるようになる
とともに、凹部の埋込み後において均一な膜厚を有する
銅めっき膜を形成することができる。そのため、本発明
は、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】本発明による電解めっき方法を実施することが
できるめっき設備の基本構成の一例を概略的に示す説明
図である。

【図２】図１のめっき設備において用いられているめっ
き装置の基本構成の一例を概略的に示す説明図である。

【図３】本発明による電解めっき方法の第２ステップに
おける半導体ウェハの被めっき表面に形成された凹部内
に電析した銅の状態を示す説明図である。

【図４】本発明による電解めっき方法の第３ステップに
おける半導体ウェハの被めっき表面に形成される銅めっ
き膜の状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１０,１１・・・めっき装置、１２・・・液槽、１４・・・第１の
めっき液、１５・・・第２のめっき液、１６・・・銅板、１７
・・・銅めっき膜、１８・・・ウェハホルダ、２０・・・めっき
液供給口、２８・・・回転駆動源、５０・・・ウェハカセッ
ト、６０，６２・・・ロボット装置、７０・・・前処理装置、
７４・・・純水噴射ノズル、７６・・・水噴射ノズル、８０・・
・凹部、Ｗ・・・半導体ウェハ（半導体ウェハ）、１００・・
・めっき設備、２００・・・ハウジング、３００・・・ローデ
ィングステーション。

───────────────────────────────────────────────────── 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ー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 (72)発明者大和田伸郎千葉県成田市新泉14ー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 (72)発明者芦原雅幸千葉県成田市新泉14ー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 (72)発明者中川敏行千葉県成田市新泉14ー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） 4K023 AA19 CA01 CA02 CA04 CA09 CB03 CB05 CB13 CB14 CB15 CB32 CB34 DA07 EA01 4K024 AA09 AB01 AB08 AB11 AB19 BB12 BC10 CA01 CA06 CA15 CA16 CB02 CB21 CB24 FA01 GA16 4M104 BB04 DD22 DD33 DD52 HH20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｕ²⁺イオンと、水と、Ｃｕ²⁺イオンの
電気化学的な還元反応を促進する促進剤とを含むめっき
液に半導体ウェハの被めっき表面を浸漬する第１ステッ
プと、前記第１ステップの後、前記半導体ウェハの前記被めっ
き表面を前記めっき液中において静止させた状態で、前
記半導体ウェハをカソードとし、銅板をアノードとし、
前記カソードと前記アノードとの間に所定の電圧を印加
することにより、前記半導体ウェハの前記被めっき表面
に形成された凹部内に優先的に銅を電析させる第２ステ
ップと、を含むことを特徴とする電解めっき方法。
【請求項２】前記第２ステップにおいて、前記カソー
ドにおける電流密度を１〜１０ｍＡ／ｃｍ²の所定値に
調節して定電流電解を行うことを特徴とする請求項１に
記載の電解めっき方法。
【請求項３】前記第２ステップにおいて、前記凹部内
に析出する銅の電析速度が３．６×１０^-1〜３．６ｎｍ
／ｓとなるように前記カソードにおける電流密度を調節
して定電流電解を行うことを特徴とする請求項１又は２
に記載の電解めっき方法。
【請求項４】前記第２ステップの後、前記半導体ウェ
ハの前記被めっき表面を前記めっき液中において回転さ
せた状態で、前記半導体ウェハをカソードとし、銅板を
アノードとし、前記カソードと前記アノードとの間に所
定の電圧を印加することにより、前記半導体ウェハの前
記被めっき表面に銅めっき膜を形成する第３ステップを
更に含むこと、を特徴とする請求項１〜３の何れかに記
載の電解めっき方法。
【請求項５】前記第３ステップにおいて前記半導体ウ
ェハの前記被めっき表面の回転速度を６０ｒｐｍ以下の
所定値に調節することを特徴とする請求項４に記載の電
解めっき方法。
【請求項６】前記第３ステップにおいて、前記カソー
ドにおける電流密度を１０〜６０ｍＡ／ｃｍ²の所定値
に調節して定電流電解を行うことを特徴とする請求項４
又は５に記載の電解めっき方法。
【請求項７】前記第３ステップにおいて、前記半導体
ウェハの前記被めっき表面に形成される前記銅めっき膜
の成膜速度が３．６〜２２ｎｍ／ｓとなるように前記カ
ソードにおける電流密度を調節して定電流電解を行うこ
とを特徴とする請求項４〜６の何れかに記載の電解めっ
き方法。
【請求項８】前記第１ステップにおいて前記半導体ウ
ェハの前記被めっき表面を回転させた状態で前記めっき
液に浸漬させ、かつ、その回転速度を３０ｒｐｍ以下の
所定値に調節することを特徴とする請求項１〜７の何れ
かに記載の電解めっき方法。
【請求項９】前記促進剤は、該促進剤と前記Ｃｕ²⁺イ
オンと前記水とを含む液を用いた場合の前記被めっき表
面での下記式（１）で表される電気化学的な酸化還元反
応の平衡電位が、前記液から前記促進剤を除いた液を用
いた場合の前記平衡電位よりもプラス側にシフトする特
性を有することを特徴とする請求項１〜８の何れかに記
載の電解めっき方法。【化１】
【請求項１０】前記めっき液には、前記Ｃｕ²⁺イオン
の電気化学的な還元反応を抑制する抑制剤が更に含まれ
ていることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の
電解めっき方法。
【請求項１１】前記抑制剤は、該抑制剤と前記Ｃｕ²⁺
イオンと水とを含む液を用いた場合の前記被めっき表面
での下記式（２）で表される電気化学的な酸化還元反応
の平衡電位が、前記液から前記抑制剤を除いた液を用い
た場合の前記平衡電位よりもマイナス側にシフトする特
性を有することを特徴とする請求項１０に記載の電解め
っき方法。【化２】
【請求項１２】前記めっき液には、前記被めっき表面
内における前記銅めっき膜の成膜速度のばらつきを低減
する平坦化剤が更に含まれていることを特徴とする請求
項１〜１０の何れかに記載の電解めっき方法。
【請求項１３】前記平坦化剤は、アセトアミド、プロ
ピルアミド、ベンズアミド、アクリルアミド、メタアク
リルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、Ｎ，Ｎ
−ジエチルメタアクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルアク
リルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルメタアクリルアミド、Ｎ
−（ヒドロキシメチル）アクリルアミド、ポリアクリル
酸アミド、ポリアクリル酸アミド加水和分解物、チオフ
ラビン及びサフラニンからなる群から選択される少なく
とも１種の化合物であることを特徴とする請求項１２に
記載の電解めっき方法。