JP2004124111A

JP2004124111A - 微細Ｖｉａホールを有する基板への電解めっき方法および装置

Info

Publication number: JP2004124111A
Application number: JP2002285693A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kadota; 門田　裕行; Hitoshi Yonemura; 米村　均; Masataka Hoshino; 星野　雅孝; Manabu Tomisaka; 富坂　学
Original assignee: Fujitsu Ltd; Denso Corp; Sony Corp; Hitachi Kyowa Engineering Co Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd; Denso Corp; Sony Corp; Hitachi Kyowa Engineering Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】微細なＶｉａホールに欠陥無く金属を充填することができる電解めっき方法およびその装置を提供する。
【解決手段】微細配線およびＶｉａホールを有する半導体１あるいは化合物基板への電解めっきにおいて、ホールの開口径と深さの比に応じてパルス電解条件を任意に変化させて通電することにより、Ｖｉａホールに電解めっきを充填する。パルス電解条件は、Ｖｉａホールの開口径と深さの比及び基板上に形成された導電膜の厚さあるいは電気抵抗により通電電流密度及び通電／休止時間比を設定してなる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体及び化合物基板上に電解めっきを施す電解めっき方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体及び化合物基板上への電解めっき方法として、基板表面に付けられた金属導電膜に給電電極を接触させて通電し、電解めっきをする方法が知られている。一般的に電解めっきのための通電方法には、直流電流印加が用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法で電解めっきを行なうと、微細なＶｉａホールの中への金属イオンの供給が間に合わず、めっき膜の成長が金属イオンの供給に律速されることになり、欠陥無く金属を充填することができなかった。このようにＶｉａホールへ充填する金属に未めっき部位などの欠陥が発生すると、その欠陥の大きさにより製品不良が発生してしまう。
【０００４】
本発明の目的は、微細なＶｉａホールに欠陥無く金属を充填することができる電解めっき方法およびその装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、微細なＶｉａホールが存在する半導体及び化合物基板上へ電解めっきを施す方法において、通電および休止を繰り返すパルス通電を用いた電解めっき、及びパルス通電の休止時間にめっき被膜の溶解を抑制するための微弱な電流を印加しながら電解めっきを行なうことを特徴とするものである。
【０００６】
本発明は、微細なＶｉａホールに欠陥無く金属を充填するための電解めっきにおいて、Ｖｉａホール径と深さ径の比、Ｖｉａホール内の導電膜厚さ等の電解めっきに関与する各種条件に応じて、電流密度０．１〜２００ｍＡ／ｃｍ^２、通電および休止時間をｍｓｅｃ単位で任意に設定し、通電／休止時間比を１％〜４０％〔（通電時間／通電時間＋休止時間）×１００〕の範囲で任意に設定し、休止時間に導電膜およびめっき膜の電位が自然電位よりも卑になるように微弱電流を通電することで、Ｖｉａホールへの電解めっきによる欠陥のない金属充填を成し得る。
【０００７】
本発明は具体的には次に挙げる方法および装置を提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる実施例を図面に基づいて説明する。
【０００９】
めっき液として硫酸銅５水塩２００ｇ／ｌ、硫酸５０ｇ／ｌ、塩素イオン５０ｐｐｍの基本液に添加剤として促進剤２．５ｍｌ／ｌ、抑制剤１０ｍｌ／ｌの市販Ｈｉｇｈ　ａｃｉｄｔｙｐｅ硫酸銅めっき液を用い、図１の縦型浸漬式めっき装置にて電解めっきを行った。被めっき基体としてＶｉａホール径と深さの比が約７のＶｉａホールが存在する８インチＳｉウェハで、その表面をＣｕでスパッタリングしたウェハ１を用い、ウェハ保持治具２に装着の後、めっき液の循環しているめっき槽５へ投入する。その際、めっき液による導電膜の化学的溶解を防止するため、めっき液中における導電膜の電位が自然電位より卑な電位になるように微弱な電流を微弱電流用電源８から出力し、微弱電流電源陽極線１０および微弱電流電源陰極線９を介して通電しながらウェハ保持治具２を投入する。その後ウェハ保持治具２をめっき槽５のなかで固定してからめっき電源４よりめっき電流の出力を陽極線７および陰極線６を介して開始し、電解めっきを行った。めっき電源４は本発明の請求項９にある、Ｖｉａホール径と深さの比の変化に応じてめっき電流密度およびめっき電流の通電／休止時間比を連続的に変化させながらめっき可能な電源を用いた。３は陽極電極である。
【００１０】
本発明によるパルス電解電流および微弱直流電流の重畳電解めっきによる微細なＶｉａホールへのめっき金属の充填度合いを確認するために実験を行った。
めっき条件は液温を２５℃で固定とし、電流密度を１、５、１０、２０、４０、６０、１００、１５０ｍＡ／ｃｍ^２と条件を変えて電解めっきを行なった。微弱直流電流は休止時間に導電膜およびめっき膜の電位が自然電位よりも卑になるような電流値を採用し、０．５ｍＡ／ｃｍ^２で固定とした。まためっき電流の通電／休止時間比は３％、６％、１０％、３０％、６０％、１００％と条件を変えて電解めっきを行った。
【００１１】
図２は微細なＶｉａホール内でのめっき金属の充填度合いにより発生する不良の形態を図示したものである。Ｖｉａホール２１に電解めっきにより金属２２を充填する際に発生する不良の形状には、Ａに示す開口部閉塞による不めっき部２３の発生、Ｂに示すＶｉａホール中心部分に残るシーム状の不良２４の発生、Ｃに示すＶｉａホール内でランダムな位置にあるボイド状の不良２５などが挙げられる。なお、開口部閉塞による不めっき部２３の発生はめっき金属の充填率が５０％以下の重大な不良、Ｖｉａホール中心部分に残るシーム状の不良２４の発生はめっき金属の充填率が５０〜９０％の不良、Ｖｉａホール内でランダムな位置にあるボイド状の不良２５の発生はめっき金属の充填率が９１〜９９％の軽微な欠陥を示す。
図３に示すグラフは、各めっき条件でＶｉａホールの電解めっきによる金属の充填を行った際の充填度合いを、完全充填若しくは図２に示すめっき金属の充填率により表したグラフである。
【００１２】
めっき電流の通電／休止時間比が４０％以上の条件では、電流密度にもよるがＶｉａホール内部のめっき金属充填より先に開口部が閉塞してしまい不良が発生するケースが多く見られた。Ｖｉａホール内部への金属イオンの供給は、金属イオンの拡散に律速される。そのためめっき電流の通電／休止時間比が大きなめっき条件、すなわちめっき電流の休止時間が短いめっき条件では、Ｖｉａホール内部への金属イオンの析出量が、拡散による金属イオンの供給量に対して圧倒的に大きくなってしまう。よって開口部に近い部分でのめっき金属の析出のみ優先的に進んでしまい開口部が閉塞する不良が発生することを示している。
【００１３】
まためっき電流の通電／休止時間比が４０％以下でも電流密度が大きくなると、シームまたはボイド状不良の発生が多く見られた。パルス電流により電解めっきを行なうと、拡散層の形成が抑制されて濃度分極が抑えられる。そのためより大きな結晶化過電圧、すなわちより大きな電流密度の使用が可能となる。しかしここでめっき液中に添加する添加剤について、使用する添加剤により作用する電流密度が異なってくる。またＶｉａホール径と深さの比やその作用により、Ｖｉａホールの充填度合いも異なることとなる。シームまたはボイド状不良の発生は、Ｖｉａホール径と深さの比やＶｉａホール内の導電膜厚さ等の電解めっきに関与する各種条件に応じて、めっき電流の通電／休止時間比や電流密度を最適化する必要があることを示している。
例として本実験に供したＶｉａホール開口径１０μｍで深さ７０μｍ、Ｖｉａホール径と深さの比が７のＶｉａホールについて、電流密度６０ｍＡ／ｃｍ^２、めっき電流の通電／休止時間が６０ｍｓｅｃ／９４０ｍｓｅｃの通電／休止時間比６％のめっき条件では充填率が９５％程度と良好なめっき金属の充填が得られた。さらに電流密度４０ｍＡ／ｃｍ^２、めっき電流の通電／休止時間が３０ｍｓｅｃ／９７０ｍｓｅｃの通電／休止時間比３％のめっき条件ではめっき金属の完全充填が達成された。しかし同じ電流密度４０ｍＡ／ｃｍ^２でもめっき電流の通電／休止時間が６００ｍｓｅｃ／４００ｍｓｅｃの通電／休止時間比６０％のめっき条件では充填率５０％以下の開口部閉塞による不めっき部が発生した。まためっき電流の通電／休止時間が３０ｍｓｅｃ／９７０ｍｓｅｃの通電／休止時間比３％、電流密度３００ｍＡ／ｃｍ^２のめっき条件でも充填率５０％以下の開口部閉塞による不めっき部が発生した。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体の３次元実装に必要な高アスペクト比のＳｉ等の基板の微細Ｖｉａホールに欠陥なく電気抵抗の小さい銅などの金属を埋め込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例において使用した電解めっき装置の全体構成図。
【図２】Ｖｉａホール内でのめっき金属の充填度合いにより発生する不良の形態を示す図。
【図３】電解めっきによる金属の充填を行った際の充填度合いを示すグラフ。
【符号の説明】
１…給電電極板（陰）、２…ウェハ保持治具、３…電極（陽）、４…パルス用電源、５…めっき槽、６…陰極線、７…陽極線、８…微弱電流用電源、９…微弱電流電源陰極線、１０…微弱電流電源陽極線、２１…Ｖｉａホール、２２…充填めっき金属、２３…開口部閉塞による不めっき部、２４…Ｖｉａホール中心部分に残るシーム状の不良、２５…Ｖｉａホール内でランダムな位置にあるボイド状の不良。

Claims

微細配線およびＶｉａホールを有する半導体あるいは化合物基板への電解めっきにおいて、ホールの開口径と深さの比に応じてパルス電解条件を任意に変化させて通電することを特徴とするＶｉａホール充填電解めっき方法。
パルス電解条件は、Ｖｉａホールの開口径と深さの比及び基板上に形成された導電膜の厚さあるいは電気抵抗により通電電流密度及び通電／休止時間比を設定することを特徴とする請求項１記載のＶｉａホール充填電解めっき方法。
パルス電解条件の通電電流密度を０．１〜２００ｍＡ／ｃｍ^２、通電および休止時間をｍｓｅｃ単位で任意に設定し、通電／休止時間比を１％〜４０％〔（通電時間／通電時間＋休止時間）×１００〕の範囲で任意に組み合わせ設定することを特徴とする請求項２記載のＶｉａホール充填電解めっき方法。
微細配線およびをＶｉａホール有する半導体あるいは化合物基板への電解めっきにおいて、基板とアノード電極間にめっき電解電流をめっき開始するまでの間に導電膜の化学的溶解を防止するため、めっき液中における導電膜の電位が自然電位より卑な電位になるように、微弱電流を流すことを特徴とするＶｉａホール充填電解めっき方法。
導電膜の溶解を防止する電流は、直流であることを特徴とする請求項４記載のＶｉａホール充填電解めっき方法。
Ｖｉａホールを有する基板のパルス電解めっき方法において、めっき電流の休止時間に導電膜およびめっき膜の電位が自然電位よりも卑になるように微弱直流電流を通電しながらパルス電解電流を重畳することを特徴とするＶｉａホール充填電解めっき方法。
半導体あるいは化合物半導体上に微細なＶｉａホールを有する基板の電解めっきにおいて、めっき金属のＶｉａホールへの充填度合いに応じて、すなわちＶｉａホール径と深さの比の変化に応じてめっき電流の通電／休止時間比を順次変化させてパルス電解することを特徴とするＶｉａホール充填電解めっき方法。
半導体あるいは化合物半導体上に微細なＶｉａホールを有する基板の電解めっきにおいて、めっき金属のＶｉａホールへの充填度合いに応じて、すなわちＶｉａホール径と深さの比の変化に応じてめっき電流密度を順次変化させてパルス電解することを特徴とするＶｉａホール充填電解めっき方法。
半導体あるいは化合物半導体上に微細なＶｉａホールを有する基板の電解めっきにおいて、めっき金属のＶｉａホールへの充填度合いに応じて、すなわちＶｉａホール径と深さの比の変化に応じてめっき電流密度およびめっき電流の通電／休止時間比を同時に変化させながらパルス電解することを特徴とするＶｉａホール充填電解めっき方法。
微細な配線およびＶｉａホールを有する半導体あるいは化合物半導体上に電解めっきを施すめっき装置において、めっき金属のＶｉａホールへの充填度合いに応じて、すなわちＶｉａホール径と深さの比の変化に応じてめっき電流密度およびめっき電流の通電／休止時間比を連続的に変化させながらめっき可能な電源を付帯することを特徴とする電解めっき装置。