JP2004214508A - Method and apparatus for forming wiring - Google Patents

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Tatsuya Sasaki
達也 佐々木
Hiroaki Inoue
裕章 井上
Itsuki Obata
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for forming wiring which can form wiring uniformly without depending on step coverage of a conductive layer (seed layer) and width of a wiring groove, and to provide an apparatus for the same. <P>SOLUTION: The wiring forming method for forming wiring by burying a wiring material in the wiring groove 4 which is formed in the surface of a substrate W includes a conductive layer removing process for removing from the surface of the substrate W and side faces of the wiring groove 4 the conductive layer 7 between the barrier metal 6 and conductive layer 7, both of which are formed in advance on the surface of the substrate W and in the wiring groove 4; and a metal film forming process for forming a metal film 13 on the conductive layer 7 remaining on the bottom face of the wiring groove 4 after the conductive layer removing process. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線形成方法及びその装置に関し、特に半導体ウエハ等の基板の表面に設けられた微細な配線溝や接続孔に銅(Cu)等の導電性金属を埋め込んで配線を形成する配線形成方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体ウエハ等の基板上に回路を形成するための配線材料として、アルミニウム又はアルミニウム合金に代えて、電気抵抗率が低くエレクトロマイグレーション耐性が高い銅(Cu)を用いる動きが顕著になっている。この銅配線は、基板の表面に設けた微細凹みの内部に銅を埋め込むことによって一般に形成される。この銅配線を形成する方法としては、化学気相成長法(CVD:ChemicalVapor Deposition)、スパッタリング及びめっきといった手法があるが、いずれにしても、基板のほぼ全表面に銅を成膜して、化学機械的研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)により不要の銅を除去するようにしている。
【0003】
銅はアルミニウムよりも電気抵抗率が40%程度低いため信号遅延現象に対して有利となり、さらには、エレクトロマイグレーション耐性がアルミニウムよりもはるかに高いため、半導体装置の信頼性向上の面でも有利である。その上、配線材料としての銅は、配線と多層配線間の接続孔(ビアホール)を一体形成するデュアルダマシン法に採用することが可能であるため、多層配線構造を相対的に安価に形成することができる。
【0004】
図17、図18、及び図19は、この種の銅配線基板Wの一製造例を工程順に示す図である。
図17(a)に示すように、半導体素子が形成された半導体基材1の導電膜1aの上にSiOやlow−k材等からなる絶縁膜2を堆積し、この絶縁膜2にリソグラフィ・エッチング技術によりビアホール3と配線用の溝(以下、配線溝という)4からなる微細な凹部5を形成し、その上にTaやTaN等からなる拡散抑制用のバリアメタル(バリア層)6を形成する。そして、図17(b)に示すように、バリアメタル6の表面に、例えばスパッタリングやCVDで給電層となる銅などのシード層(導電層)7を形成する。
【0005】
次に、図17(c)に示すように、基板Wの表面に銅めっきを施すことによって、基板Wの凹部(ビアホール3、配線溝4)5内に配線材料としての銅8を充填するとともに、シード層7の上にも銅8を堆積させる。その後、化学機械的研磨(CMP)により、絶縁膜2上の銅8、シード層7、及びバリアメタル6を除去して、凹部5の内部に充填させた銅8の表面と絶縁膜2の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図17(d)に示すように銅8からなる配線が形成される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ここに、基板Wの表面に設けられた微細な凹部5の内部に電解めっきにて銅8を埋め込む場合には、電解めっきに先立ってバリアメタル6の表面にシード層7を形成する必要がある。このシード層7を形成する目的は、シード層7を電気的カソードとして機能させてめっき液中の銅イオンを還元し、シード層7の表面に金属固体としての銅8を析出させるために十分な電流を供給することにある。
【0007】
従って、シード層7のステップカバレッジ(段差被覆性)が十分に良好でないと、シード層7の膜厚に依存して銅8の析出速度差が生じ、これが銅8の埋め込み不良(ボイド、シーム等の欠陥)を招き、半導体装置の配線として機能しなくなるという問題がある。
【0008】
一般に、シード層を形成する方法としては、PVD法(物理蒸着法:PhysicalVapor Deposition)あるいは上述したCVD法が用いられている。しかしながら、配線ルール0.13μm以下でアスペクト比が大きい配線溝及びビアホール内にPVD法によりシード層7を形成する場合にあっては、図18(a)に示すように、シード層7のステップカバレッジの悪化が顕著となる。その結果、めっきにて形成された銅配線内に図18(b)に示すような空洞(ボイド)10が発生して半導体装置の性能を低下させてしまう。
【0009】
このような問題を解決するために、PVD法に代えて無電解めっき法によりバリアメタルに直接シード層を形成する試みもなされている。しかしながら、この方法では平滑かつ均一なシード層が形成できず、このため、その後の電解めっき法にて銅を形成したときにボイドやシーム等の欠陥が発生してしまう。また、CVD法は原材料費が大変高価で未だ実用向きではない。
【0010】
また、図19(a)及び図19(b)に示すように、めっき法では銅が等方的に成膜されるため、幅の狭い配線溝12は、幅の広い配線溝11に比べて、銅8の埋め込みに要する時間が短い。このため、幅の広い配線溝11への銅8の埋め込みが終了した時点で、幅の狭い配線溝12の部分には、図19(c)に示すように過剰な銅8が堆積してしまう。
【0011】
このように、基板W上に銅8が不均一に成膜されると、次工程において化学機械的研磨(CMP)を行っても基板Wの表面を十分に平坦化させることが困難となる。すなわち、図19(d)に示すように、過剰に堆積された部分の銅8Aは十分に除去されずに基板W上に残り、一方、広い幅を持つ配線溝の部分の銅8Bは過剰に研磨され、いわゆるディッシングが生じる。そして、基板W上に残留した銅は配線間の短絡の原因となり、ディッシングが生じた部分では配線の断面積が減少し、配線抵抗が増加するという問題が生じる。
【0012】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、導電層(シード層)のステップカバレッジ性及び配線溝の幅の大小に依存せずに、配線を均一性良く形成することができる配線形成方法及びその装置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】
上述した目的を達成するために、請求項1に記載の本発明は、基板の表面に形成された配線溝に配線材料を埋め込んで配線を形成する配線形成方法であって、基板の表面及び前記配線溝に予め形成されたバリアメタル及び導電層のうち、前記導電層を基板の表面及び前記配線溝の側面から除去する導電層除去工程と、前記導電層除去工程の後に前記配線溝の底面に残留する導電層の上に金属膜を形成する金属膜形成工程と、を備えることを特徴とする配線形成方法である。
【0014】
本発明によれば、導電層を除去した後、例えば無電解めっきを行うことにより、配線溝の底面に残された導電層(シード層)を反応の起点として配線材料としての金属を選択的に析出させることが可能となる。その結果、配線溝の側面が導電層によって十分に被覆されていない場合であっても、この被覆不良に起因するボイドなどの欠陥の発生を防止することができる。また、本発明によれば、配線溝の幅の大きさにかかわらず配線溝内に金属膜を均一に形成することができるため、その後の金属膜を排除する工程において金属膜の残留(膜残り)やディッシングの発生を防止することができる。
【0015】
ここで、本発明の効果について、図1乃至図3を参照して更に詳細に説明する。図1はシングルダマシン法に、図2はデュアルダマシン法に、本発明をそれぞれ適用した場合の配線形成工程を示す図である。図3は本発明に係る配線形成方法を用いて幅の異なる配線溝が形成された基板に配線材料を埋め込む場合の配線形成工程を示す図である。
【0016】
バリアメタル6上に予め形成された導電層(シード層)7を除去する工程においては、配線溝4の底面及び側面以外の導電層7を選択的に除去するのみでなく、図1(b)及び図2(b)に示すように、更に配線溝4の側面に形成されている導電層7を選択的に除去する必要がある。これは、PVD法を用いて導電層7を配線溝4に形成する場合では、特に配線溝4の側面において導電層7のカバレッジの不均一性が顕著となるため、配線溝4の側面に形成された導電層7を除去することによって、カバレッジの不均一性の影響を低減させた状態で金属膜13を形成することが可能となるからである(図1(c)、図2(c)、図2(d)参照)。
【0017】
また、図3(a)に示すように配線溝11,12の底面に残留する導電層7のみを金属膜形成の反応起点とすることによって、配線溝の幅が異なる場合においても、それぞれの配線溝11,12内に金属膜13を形成させるのに要する時間を等しくすることができる。これは、配線溝11,12の側面からの金属膜の成長がなければ、金属膜13を配線溝11,12に充填させるのに必要な時間は、配線溝11,12の幅のサイズに依存せず、配線溝の深さ÷金属成膜速度で求められる時間に等しくなるからである。このように、本発明によれば、局所的に過剰な金属が形成されることを防止でき、基板W上における金属膜厚の均一性を向上させることができる。その結果、次工程の化学機械的研磨などによる金属膜13及びバリアメタル6の除去工程において、図3(d)に示すように、金属膜の残留やディッシングの発生を抑制することが可能となる。
【0018】
請求項2に記載の本発明は、前記導電層除去工程の後であって、かつ、前記金属膜形成工程の前に基板を熱処理する第1の熱処理工程をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の配線形成方法である。
本発明によれば、導電層除去工程において導電層やバリアメタルに生じた残留応力を除去することが可能となり、また、導電層やバリアメタルに生じた傷を修復することも可能となる。
【0019】
請求項3に記載の本発明は、前記金属膜形成工程の後に基板を熱処理する第2の熱処理工程をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の配線形成方法である。
本発明によれば、金属膜が形成された基板を熱処理することにより、バリアメタルと金属膜との界面におけるバリアメタルの金属成分と金属膜の金属成分との間に接合層が形成され、金属膜のバリアメタルに対する密着性を高めることが可能となる。また、図2(c)及び図2(d)に示すように、配線(金属膜)8内に生じたボイド10やシームを修復させることができる。
【0020】
請求項4に記載の本発明は、前記第2の熱処理工程の後に、基板上から余剰な金属膜とバリアメタルとを除去する金属膜除去工程をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載の配線形成方法である。
【0021】
請求項5に記載の本発明は、前記金属膜除去工程の後に、基板を熱処理する第3の熱処理工程をさらに備えることを特徴とする請求項4に記載の配線形成方法である。
本発明によれば、配線のバリアメタルに対する密着性を更に高めることができる。さらに、このような効果に加えて、余剰な金属膜とバリアメタルとを選択的に除去する金属膜除去工程時に基板に対して作用する外力などによって生じる、配線の残留ストレスを緩和させることができる。
【0022】
請求項6に記載の本発明は、前記導電層除去工程は、化学機械的研磨であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の配線形成方法である。
本発明によれば、基板の表面(配線溝以外の部分)に形成された導電層を、研磨液中の化学種による化学的エッチング作用と研磨布による機械的研磨作用とにより除去することができ、同時に、配線溝の側面に形成された導電層を研磨布による機械的研磨作用により除去することができる。
【0023】
請求項7に記載の本発明は、前記導電層除去工程は、電解研磨であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の配線形成方法である。
導電層が除去される速度は、イオン交換体からの距離が離れるにつれて低下するため、配線溝の底面での導電層除去速度は、基板上の他の部分よりも小さくなる。従って、本発明によれば、バリアメタル上に予め形成された導電層のうち、基板の表面及び配線溝の側面に形成された導電層を選択的に除去することができる。また、電解研磨によれば、SiOなどの砥粒を用いずとも十分に高い加工速度を得ることが可能であり、砥粒による基板汚染のリスクがない。
このように、化学機械的研磨、電解研磨のどちらを用いても、配線溝の底面以外に形成された導電層を選択的に除去することが可能である。
【0024】
請求項8に記載の本発明は、前記金属膜除去工程は、電解研磨であることを特徴とする請求項4又は5に記載の配線形成方法である。
請求項9に記載の本発明は、前記金属膜除去工程は、化学機械的研磨であることを特徴とする請求項4又は5に記載の配線形成方法である。
【0025】
配線溝上に形成された余剰な金属膜および配線間の絶縁膜上のバリアメタルの選択的除去は、CMP(化学機械的研磨)、電解研磨の何れか一つ、またはその組み合わせにて行うことが好ましい。この工程を例えばCMPにて行った場合、図17に示すような従来のダマシン法と比較して、基板上の配線溝以外の部分にほとんど金属膜が形成されないため、CMPに使用される研磨液の消費量を大幅に低減させることが可能となる。
【0026】
請求項10に記載の本発明は、前記電解研磨は、前記導電層と加工電極または給電電極との間の少なくとも一方にイオン交換体を配置し、前記イオン交換体を前記導電層に近接または接触させ、前記導電層と前記加工電極または前記給電電極との間の少なくとも一方に流体を供給し、前記給電電極と前記加工電極との間に電圧を印加する工程を備えることを特徴とする請求項7又は8に記載の配線形成方法である。
【0027】
本発明によれば、基板に物理的な欠陥を与えて基板の特性を損なうことを防止しつつ、電気化学的作用によって基板に電解研磨を施すことができ、これによって、基板の表面及び配線溝の側面に形成された導電層を選択的に除去し、更には基板の表面に付着した付着物を除去(洗浄)することができる。
【0028】
請求項11に記載の本発明は、前記流体は、超純水、純水、または電気伝導度が500μS/cm以下の液体若しくは電解液であることを特徴とする請求項10に記載の配線形成方法である。
【0029】
加工電極及び給電電極と基板との間に供給される流体は、超純水、純水、またはそれらに界面活性剤等を添加した、電気伝導度が500μS/cm以下、好ましくは50μS/cm以下、更に好ましくは0.1μS/cm以下の液体若しくは電解液であることが好ましい。その理由は、電気伝導度が500μS/cm以上では、化学的エッチング作用により配線溝の内部での加工速度が大きくなるため、配線溝の底面に形成された導電層を選択的に残すことが困難となるからである。ここで、純水は、例えば電気伝導度が10μS/cm以下の水であり、超純水は、例えば電気伝導度が0.1μS/cm以下の水である。
【0030】
また、純水または超純水のみを使用して電解研磨を行う場合には、基板の表面に電解質等の余分な不純物が付着したり、残留したりすることをなくして、電解研磨後の洗浄工程を簡略化できるばかりでなく、廃液処理の負荷を極めて小さくできるというメリットもある。なお、電解液を用いた電解研磨でも本発明の目的を達成することは可能であるが、配線溝の底面に形成された導電層をなるべく除去せずに残したい場合は、イオン交換体の近くでのみ加工が進む超純水を用いた電解研磨が好適である。
【0031】
請求項12に記載の本発明は、前記金属膜形成工程は、無電解めっきまたは電解めっきであることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の配線形成方法である。
無電解めっき、電解めっきの何れを用いても、配線溝の底面に残された導電層を反応の起点として配線となる金属膜を等方的に形成することができる。従って、本発明によれば、配線材料の埋め込みに要する時間が配線溝の幅の大きさに依存しない配線形成を実現することができる。なお、電解めっきを用いる場合は、バリアメタルを電極として機能させる必要があるため、バリアメタルの材質としては、αタンタル(αTa)などの電気抵抗率が低い導電性金属を用いることが好ましい。
【0032】
請求項13に記載の本発明は、前記第1の熱処理工程は還元雰囲気中で行われることを特徴とする請求項2に記載の配線形成方法である。
請求項14に記載の本発明は、前記第2の熱処理工程は還元雰囲気中で行われることを特徴とする請求項3又は4に記載の配線形成方法である。
例えば、Taを金属成分としたバリアメタルにあっては、空気に触れた直後にバリアメタルの表面に自然酸化膜(Ta)が形成され、この自然酸化膜が電気抵抗の増大をもたらしてしまう。本発明によれば、基板の熱処理を還元雰囲気下で行うことで、この熱処理の際にバリアメタルの表面に形成された自然酸化膜を容易かつ確実に還元することができる。
【0033】
請求項15に記載の本発明は、基板の表面に形成された配線溝に配線材料を埋め込んで配線を形成する配線形成装置であって、基板の表面及び前記配線溝に予め形成されたバリアメタル及び導電層のうち、前記導電層を基板の表面及び前記配線溝の側面から除去する導電層除去装置と、前記配線溝の底面に残留する導電層の上に金属膜を形成する金属膜形成装置と、を備えることを特徴とする配線形成装置である。
【0034】
請求項16に記載の本発明は、基板を熱処理する熱処理装置をさらに備えることを特徴とする請求項15に記載の配線形成装置である。
請求項17に記載の本発明は、基板上から余剰な金属膜とバリアメタルとを除去する金属膜除去装置をさらに備えることを特徴とする請求項15又は16に記載の配線形成装置である。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図4は、本発明の第1の実施形態に係る配線形成装置の全体構成を示す平面図である。なお、本実施形態では、処理すべき基板の配線溝及び基板の表面にバリアメタルと導電層(シード層)とがこの順で予め形成されている。また、配線材料としては銅(Cu)が使用される。
【0036】
図4に示すように、本実施形態に係る配線形成装置は、基板の表面に形成された導電層を除去する導電層除去装置としての電解研磨装置36と、基板を洗浄する洗浄機20と、基板の表面に銅膜(金属膜)を形成する金属膜形成装置としての3基の無電解めっき装置100と、基板の表面に形成された余剰な銅膜及びバリアメタルを除去する金属膜除去装置としてのCMP(化学機械的研磨)装置330と、2基の乾燥機22と、基板を熱処理する熱処理装置としてのアニール装置400A,400Bとを備えている。また、本実施形態に係る配線形成装置は、基板を収納する1対のカセット24と、各装置間で基板の受け渡しを行う第1〜3の搬送ロボット26A,26B,26Cと、各装置間で基板の受け渡しを行うときに基板を一時仮置きする第1及び第2の仮置台28A,28Bとを備えている。以下、各装置について順に説明する。
【0037】
図5は本実施形態に係る配線形成装置が備える電解研磨装置の断面図である。図6は図5に示す電極板を示す平面図である。
図5に示すように、電解研磨装置36は、水平方向に揺動自在な揺動アーム44と、この揺動アーム44の自由端に垂設されて基板Wを下向き(フェイスダウン)に吸着保持する基板保持部46と、加工電極50と給電電極52とを有する電極部48と、加工電極50と給電電極52との間に電圧を印加する電源80とを備えている。
【0038】
図6に示すように、円板状の電極部48は、扇状の形状を有する複数の加工電極50と給電電極52とを備えている。これらの加工電極50及び給電電極52は、加工電極50及び給電電極52の表面(上面)が露出するように円周方向に沿って交互に配置され、絶縁体からなるリブ48bによって互いに分離されている。また、図5に示すように、電極部48の上面には、加工電極50と給電電極52の上面を覆う膜状のイオン交換体56が取り付けられている。
【0039】
このイオン交換体56は、例えば、アニオン交換能またはカチオン交換能を付与した不織布で構成されている。カチオン交換体は、好ましくは強酸性カチオン交換基(スルホン酸基)を担持したものであるが、弱酸性カチオン交換基(カルボキシル基)を担持したものでもよい。また、アニオン交換体は、好ましくは強塩基性アニオン交換基(4級アンモニウム基)を担持したものであるが、弱塩基性アニオン交換基(3級以下のアミノ基)を担持したものでもよい。ここで、イオン交換体56の素材形態としては、不織布、織布、シート、多孔質材、短繊維等が挙げられる。
【0040】
揺動アーム44は、図5に示すように、上下動用モータ60の駆動に伴ってボールねじ62を介して上下動するようになっている。また、揺動アーム44の揺動軸66の下端には揺動用モータ64が連結されており、この揺動用モータ64の駆動に伴って揺動アーム44が水平方向に揺動するようになっている。基板保持部46は、揺動アーム44の自由端に取り付けられた自転用モータ68に連結され、この自転用モータ68の駆動に伴って基板保持部46が回転(自転)するようになっている。
【0041】
電極部48は中空モータ70に直結され、この中空モータ70の駆動に伴って電極部48が回転(自転)するようになっている。電極部48の中央部には、純水、より好ましくは超純水を供給する液体供給孔48aが設けられている。この液体供給孔48aは、中空モータ70の中空部の内部を延びる液体供給管(図示せず)に接続されている。中空モータ70の下方には、加工電極50と給電電極52との間に電圧を印加する電源80が配置されている。この電源80の陽極及び陰極は、中空モータ70の中空部を挿通する配線を介して給電電極52及び加工電極50にそれぞれ電気的に接続されている。
【0042】
純水または超純水は、液体供給孔48aを通過した後、吸水性を有するイオン交換体56を通じて加工面全域に供給される。また、液体供給管に接続される液体供給孔48aを複数設けて、液体(純水または超純水)を加工面全域に行き渡らせ易くしてもよい。なお、電極部48の上方に純水または超純水を供給する液体供給手段をさらに設けてもよい。この場合、純水または超純水を基板Wの表面に該基板Wの上下方向から同時に供給することができる。
【0043】
ここで、純水は、例えば電気伝導度が10μS/cm以下の水であり、超純水は、例えば電気伝導度が0.1μS/cm以下の水である。なお、純水または超純水の代わりに、電気伝導度が500μS/cm以下の液体を使用してもよい。例えば、超純水または純水に界面活性剤等を添加した、電気伝導度が500μS/cm以下、好ましくは50μS/cm以下、更に好ましくは0.1μS/cm以下の液体を用いてもよい。このように、加工中に純水や超純水などの液体を供給することにより、加工生成物、気体発生等による加工不安定性を除去でき、均一な、再現性のよい加工が得られる。
【0044】
次に、上述のように構成された電解研磨装置36の動作について説明する。
まず、加工面が下を向くように基板Wを基板保持部46により吸着保持させる。基板保持部46をイオン交換体の上方に移動させた後、基板保持部46を下降させ、基板Wの表面をイオン交換体に接触させる。この状態で、電源80により加工電極50と給電電極52との間に所定の電圧を印加するとともに、基板保持部46と電極部48とを共に回転させる。同時に、液体供給孔48aを通じて、電極部48の下側から該電極部48の上面に純水または超純水を供給し、加工電極50及び給電電極52と基板Wとの間に純水または超純水を満たす。これによって、イオン交換体56により生成された水素イオンまたは水酸化物イオンによって、基板Wに形成された導電層(シード層)の電解研磨を行う。ここに、純水または超純水がイオン交換体56の内部を流れるようにすることで、水素イオンまたは水酸化物イオンを多量に生成させ、これを基板Wの表面に供給することで、効率のよい電解研磨を行うことができる。
【0045】
加工速度、すなわち、導電層が除去される速度は、イオン交換体からの距離が離れるにつれて低下するため、配線溝の底面での加工速度は、基板の他の部位よりも小さくなる。従って、バリアメタル上に予め形成された導電層のうち、配線溝の側面及び基板の表面に形成された導電層を選択的に除去することが可能となる(図1(b)、図2(b)、図3(b)参照)。ここで、基板の表面とは、配線溝が形成されていない基板の表面の部位をいい、バリアメタルが形成された部位を含む概念である。
【0046】
次に、本実施形態に係る無電解めっき装置100について図7を参照しながら説明する。図7は本実施形態に係る無電解めっき装置の全体構成を示す断面図である。図8は図7に示す無電解めっき装置でめっきを行っている時のめっき槽、基板保持部、及び支持部の関係を示す断面図である。図9は図7に示す無電解めっき装置の真空シール材を示す拡大断面図である。
【0047】
図7に示すように、この無電解めっき装置100は、表面(被めっき面)Sにビアホールや配線溝が形成された半導体ウエハ等の基板(被めっき材)Wを下向き(フェイスダウン)にして吸着保持する基板保持部110を有している。この基板保持部110は、円板状の保持体112と、この保持体112の下面の外周部に取り付けられたリング状の真空シール材114とを備えている。この真空シール材114は、例えばゴム等の弾性体から構成され、図9に詳細に示すように、下方に突出する内側リップ部114aと外側リップ部114bとを有している。この内側リップ部114aと外側リップ部114bとの間には断面U字状の凹部114cが形成されている。更に、保持体112は回転軸118の下端に固定され、この回転軸118を介して回転モータ116に連結されている。真空シール材114の凹部114cは、保持体112、回転軸118、及び回転モータ116の内部を延びる真空経路120に連通し、この真空経路120は、図示しない真空源に接続されている。
【0048】
このような構成によれば、基板Wの表面に真空シール材114のリップ部114a,114bの下端を圧接させ、凹部114cと基板Wの表面とで区画された空間を真空引きすることで、基板Wの外周部を真空シール材114でシールした状態で基板Wが基板保持部110に吸着保持される。更に、基板Wを基板保持部110に保持させた状態で、回転モータ116を駆動することで、基板Wを基板保持部110と一体に回転させることができるようになっている。
【0049】
更に、保持体112、回転軸118、及び回転モータ116の内部を延び、真空シール材114で囲まれた保持体112の下面で開口する不活性ガス導入路122が設けられている。これにより、基板Wをその外周部を真空シール材114でシールした状態で吸着保持した時に、真空シール材114で囲まれた領域に、Nガス等の不活性ガスを導入するができる。そして、この真空シール材114で囲まれた領域に浸入しようとするめっき液をこの不活性ガスで強制的に押し戻し、これによって、めっき液の真空シール材114で囲まれた領域内への浸入をより確実に防止することができる。
【0050】
なお、この例では、図9に示すように、保持体112の内部には基板Wを加熱する加熱部(ヒータ)124が内蔵されている。そして、この加熱部124によって基板Wに局所的な温度むらが生じないように基板Wが加熱される。なお、加熱部14は温度調節機能を有しており、これによって、基板Wを任意の温度に加熱できるようになっている。そして、基板Wを所定の温度のめっき液に浸漬させ、このめっき液と同じ温度となるように基板Wを加熱部124により加熱しつつめっき処理を行うことで、めっき処理中に基板Wの表面Sに温度むらが生じたり、めっき温度がめっき処理中に変化してしまうことを防止することができる。
【0051】
ハウジング130は基板保持部110の周囲を包囲するように配置され、このハウジング130の下端に、内方に突出して基板Wの周縁部を下から支えるリング状の支持部132が設けられている。更に、ハウジング130の周壁には、基板Wの出し入れを行う開口134が設けられている。このハウジング130は、軸受140を介して上下動板138の外周部に回転自在に連結されている。上下動板138は、回転モータ116に取り付けられた往復動機構136のシリンダロッド136aに連結されている。これによって、ハウジング130は、往復動機構136の作動に伴って基板保持部110に対して相対的に上下動し、また支持部132と真空シール材114とで基板Wの周縁部を保持した状態で、基板保持部110と一体に回転するようになっている。
【0052】
ハウジング130の下方には、めっき液142を保持するめっき槽144が配置されている。このめっき槽144は、めっき液142との摩擦を低減するため、例えばテフロン(登録商標)製である。めっき槽144の内部には、めっき液142が貯留されるめっき室148が形成されている。また、このめっき室148の底面148aの中央部にはめっき液供給路146が設けられており、このめっき液供給路146を通じてめっき液142がめっき室148に供給されるようになっている。めっき室148は溢流堰150によって囲まれており、この溢流堰150の外側にはめっき液排出路152が設けられている。これにより、めっき液142は、めっき液供給路146から上向きでめっき室148内に導入され、溢流堰150をオーバーフローしてめっき液排出路152から外部に排出される。
【0053】
ここで、基板保持部110に保持された基板Wと対面するめっき室148の底面148aの領域は、例えば朝顔型の流線形をした、上方に向けて外方に拡がる2次曲面を有している。これにより、底面148aの2次曲線を有している領域では、めっき液142が底面148aに沿って層流としてスムーズに流れて、この流れの途中で局部的な渦が発生することが防止される。また、めっき槽144の内部の底面148aに近接した位置に、この底面148aの2次曲面に沿った形状を有する加熱部を埋設してもよい。
【0054】
この実施形態における無電解めっき装置100にあっては、ハウジング130を往復動機構136により基板保持部110に対して相対的に下降させた状態で、基板Wを開口134からハウジング130の内部に入れ、支持部132の上に基板Wを載置する。この状態で、往復動機構136によりハウジング130を上昇させ、真空シール材114の下端に基板Wの上面を圧接させる。そして、真空シール材114の凹部114cと基板Wの表面とで区画された空間を真空引きすることで、基板Wの外周部を真空シール材114でシールした状態で基板Wを吸着保持し、更に、この真空シール材114で囲まれた領域に不活性ガス導入路122を介してNガス等の不活性ガスを導入する。この状態で、基板保持部110に内蔵された加熱部124で基板Wをその全域に亘ってめっき室148内に導入されるめっき液142の温度と同じ一定の温度に加熱する。
【0055】
予め一定の温度に加熱されためっき液142は、めっき液供給路146を介してめっき室148に導入され、溢流堰150からオーバーフローさせておく。この時、めっき槽144に導入されるめっき液142の温度は、例えば25〜90℃、好ましくは55〜80℃程度であり、また、このめっき液22の流量は、例えば1〜30L/min、好ましくは1〜20L/min、更に好ましくは1〜10L/min程度である。
【0056】
この状態で、基板Wを、例えば0〜100rpm、好ましくは0〜50rpm、更に好ましくは0〜20rpm程度の回転速度で回転させつつ下降させ、基板Wをめっき室148内のめっき液142内に浸漬させ、更に、図8に示すように、ハウジング130のみを下降させて、支持部132を基板Wの裏面から離して、基板Wを基板保持部110のみで吸着保持し、この状態で、基板Wの表面に銅めっき処理を行う。
【0057】
この時、基板Wを下方から支える支持部132を基板Wから離した状態でめっきを行うことで、基板Wの表面(被めっき面)Sから下方に突出するリング状の支持部132の存在によって、無電解めっき反応で生じるHガス等が基板Wの表面(被めっき面)Sから逃げ難くなることを防止して、Hガス等の基板Wの表面(被めっき面)Sからの離脱をよくすることができる。
【0058】
しかも、基板Wの上面外周部を真空シール材114でシールした状態で、基板Wを吸着保持することで、めっき液が基板Wの上面に浸入してしまうことを防止し、更に、基板を保持した時に真空シール材114で囲まれた領域にNガス等の不活性ガスを導入して、真空シール材114と基板Wとの間の隙間から基板Wの上面に浸入しようとするめっき液をこの不活性ガスで強制的に外方に押し戻すことで、めっき液の基板Wの上面への浸入をより確実に防止することができる。
【0059】
なお、基板Wを下方から支える支持部132を基板Wから離した状態における基板Wと支持部132との距離は、基板Wが落下した時に支持部132の上に乗る程度であることが好ましい。
そして、所定の時間に亘るめっき処理が終了した後、ハウジング130を上昇させて支持部132で基板を下方から支持させ、必要に応じて液切りを行った後、前述の逆の動作でめっき後の基板Wをハウジング130の外に搬送する。
【0060】
なお、この例では、支持部132として、リング状のものを使用しているが、図10に示すように、基板Wの外方に円周方向に沿って複数の爪160を配置し、この爪160下端の内方に向けて鈎状に延びる延出部の上面に段部160aを設け、この段部160aで基板Wを下方から支えるようにして支持部162を構成してもよい。この場合にあっても、めっき中にこの支持部162を基板Wから離すことで、この爪160の回転に伴ってめっき液の流れが乱れ、基板Wの表面(被めっき面)Sに接触するめっき液の流れの状態が変化してしまうことを防止することができる。
【0061】
図11は、本実施形態に係る無電解めっき装置100の他の構成例を示す断面図である。この無電解めっき装置100の、前記図7乃至図9に示す例と異なる点は、無電解めっき液142を保持するめっき槽144として、外方に膨出する第1めっき室164と、朝顔型の流線型をした、上方に向けて外方に拡がる2次曲面を有する第2めっき室166からなるめっき室148を有するものを使用した点と、この第1めっき室164と第2めっき室166の境に第1整流板170を、第2めっき室166の内部に第2整流板172をそれぞれ配置した点である。この整流板170,172は、めっき室148の内部を流れるめっき液142の流れを整えるためのもので、内部に多数の通孔170a,172aを有する、例えばパンチプレートから構成されている。
【0062】
例えば、めっき室148の容積が大きくなると、このめっき室148内のめっき液142に基板Wの表面(被めっき面)Sを接触させてめっきを行う際、基板Wの表面Sの全面に亘ってめっき液142を均一に流すことが困難となる。本実施形態によれば、めっき液142の流れを整える整流板170,172をめっき室148の内部に配置し、この整流板170,172でめっき液142の流れを基板Wの表面に到達する前に整えることで、例えめっき室の容積が大きくなっても、基板Wの表面Sの全面に亘るめっき液の均一な流れを形成することができる。
【0063】
なお、この例では、2枚の整流板170,172を配置し、めっき室148の内部を流れるめっき液142を2回に亘って整流することで、被めっき面の全面に亘るめっき液のより均一な流れを形成するようにしているが、1枚でも、また3枚以上でも良いことは勿論である。
【0064】
整流板170,172として、通孔170a,172aの密度及び/または直径が領域により異なるものを使用してもよい。例えば、めっき液142が多量に流れやすい整流板170,172の中央部における通孔170a,172aの密度を周縁部より粗にしたり、通孔170a,172aの直径を小さくしたりすることで、基板Wの表面Sに局所的にめっき液の流速が大きい領域が生じることを防止することができる。
【0065】
ここで、上述した図7乃至図11に記載された無電解めっき装置100を使用してめっきを施す一実施例について説明する。
この実施例に使用されるめっき液の組成は次の通りである。
CuSO・5HO 5g/L
EDTA・2Na 14g/L
HCHO(37%) 5mg/L
pH(NaOHにて調整) 12.5
添加剤 適量
また、めっき液の温度を60℃に設定し、100nm/minのめっき速度が得られるように諸条件を設定する。
本実施例では、上述の条件にてめっきを約10分行うことにより、深さ約1μmの配線溝に配線材料としての銅(Cu)を埋め込むことができる。
【0066】
次に、本実施形態に係るCMP(化学機械的研磨)装置について図12を参照して説明する。図12は、本実施形態に係るCMP装置の要部を模式的に示す縦断面図である。
図12に示すように、CMP装置330は、硬質ポリウレタン等からなる研磨布(研磨パッド)340を上面に貼付して研磨面を構成する研磨テーブル342と、基板Wをその被研磨面を研磨テーブル342に向けて保持するトップリング344とを備えている。
【0067】
このようなCMP装置330を用いて基板Wの研磨処理を行う場合には、研磨テーブル342とトップリング344とをそれぞれ自転させ、研磨テーブル342の上方に設置された研磨液供給ノズル346より研磨液を供給しつつ、トップリング344により基板Wを一定の圧力で研磨テーブル342の研磨布340に押圧する。そして、研磨液に含まれる化学種による化学的研磨作用と、研磨布による機械的研磨作用との複合作用である化学機械的研磨によって基板Wが平坦かつ鏡面状に研磨される。
【0068】
研磨を継続すると、研磨布340には、砥粒や研磨屑が付着し、研磨布340の特性が変化して研磨性能が劣化してくる。この研磨力を回復させるために、CMP装置330にはドレッサー348が設けられている。このドレッサー348によって、研磨する基板Wの交換時などに研磨布340のドレッシング(コンディショニング)が行われる。このドレッシング処理においては、ドレッサー348のドレッシング面を研磨テーブル342の研磨布340に押圧しつつ、これらを自転させることで、研磨面に付着した砥粒や切削屑を除去するとともに、研磨面の平坦化及び目立てが行われ、研磨面が再生される。
【0069】
なお、上述したように、本実施形態では、導電層(シード層)の除去は電解研磨装置36により行われるが、CMP装置330により導電層を除去してもよい。
ここで、CMP装置330を使用して基板の表面及び配線溝の側面に形成された導電層を除去するときの様子について図13を参照して説明する。図13(a)はドレッシング前の研磨布を模式的に示す断面図、図13(b)はドレッシング後の研磨布を模式的に示す断面図、図13(c)は基板上に形成された導電層を除去しているときの様子を模式的に示す断面図、図13(d)は導電層が除去された後の基板を模式的に示す断面図である。
【0070】
図13(a)に示すように、ドレッサー348の下面にはダイヤモンド砥粒350が固着されている。このダイヤモンド砥粒350の形状や大きさは、基板に形成された配線溝の深さ及び幅に基づいて決定される。すなわち、図13(c)に示すように、ドレッシングによって研磨布340に形成される凹凸(図13(b)参照)深さが配線溝11,12の深さ未満となるように、同時に、凹凸のピッチが配線溝11,12の最小幅以下となるようにダイヤモンド砥粒350の形状及び大きさが決定される。このようなダイヤモンド砥粒350を有するドレッサー348によれば、図13(c)及び図13(d)に示すように、配線溝11,12の底面以外の導電層7を除去することが可能となる。
【0071】
なお、CMP後の基板の洗浄を容易にするために、SiO等の砥粒を含まない研磨液を使用するのが好ましい。また、弾性率が比較的小さい研磨布(変形しやすい研磨布)を用いることが好ましい。弾性率の比較的小さい研磨布を用いることにより、配線溝以外の部分、すなわち、基板表面を、研磨液中の化学種による化学的エッチング作用と研磨布による機械的研磨作用とにより除去しやすくすることができ、同時に、配線溝の側面の導電層を研磨布による機械的研磨作用により除去しやすくすることができる。
【0072】
次に、本実施形態におけるアニール装置400A,400Bについて図14及び図15を参照して説明する。図14は本実施形態におけるアニール装置を模式的に示す縦断面図、図15は横断面図である。なお、アニール装置400A,400Bはいずれも同一の構成を有しているので、以下ではアニール装置400Aについてのみ説明する。
【0073】
図14及び図15に示すように、アニール装置400Aは、基板Wを出し入れするゲート420を有するチャンバ422と、チャンバ422の上部に配置されたホットプレート424と、チャンバ422の下部に配置されたクールプレート426とを備えている。ホットプレート424は基板Wを例えば400℃に加熱し、クールプレート426は例えば冷却水を流して基板Wを冷却する。
【0074】
チャンバ422内には、クールプレート426の内部を貫通して上下方向に延び、上端に基板Wを載置保持する複数の昇降ピン428が昇降自在に配置されている。更に、ホットプレート424を挟んで互いに対向する位置には、アニール時に基板Wとホットプレート424との間に酸化防止用のガスを導入するガス導入管430と、このガス導入管430から導入されたガスを排気するガス排気管432とが配置されている。
【0075】
図15に示すように、アニール装置400Aには、内部にフィルタ434aを有するNガス導入路436と、内部にフィルタ434bを有するHガス導入路438と、Nガス導入路436内を流れるNガスとHガス導入路438内を流れるHガスとを混合する混合器440と、混合器440で混合したガスが流れる混合ガス導入路442とが設けられている。この混合ガス導入路442には、上述したガス導入管430が接続される。
【0076】
上述した無電解めっき装置により表面に配線材料が形成された基板Wは、ゲート420を通じてチャンバ422の内部に搬入され、昇降ピン428により保持される。そして、昇降ピン428が、昇降ピン428で保持した基板Wとホットプレート424との距離が例えば0.1mm〜1.0mm程度になるまで上昇する。この状態で、ホットプレート424により基板Wを、例えば400℃となるように加熱し、同時にガス導入管430から酸化防止用のガスをチャンバ422内に導入する。チャンバ422内に導入されたガスは、基板Wとホットプレート424との間を流れて、ガス排気管432から排気される。このようにすることで、アニール処理(熱処理)を還元雰囲気中で行うことができ、バリアメタルの表面に形成される酸化膜(例えば、Ta)を容易かつ確実に還元することができる。このアニールの処理時間は、例えば数十秒〜60秒程度である。また、基板Wの加熱温度は100〜600℃の範囲内で適宜選択される。
【0077】
アニール終了後、昇降ピン428で保持した基板Wとクールプレート426との距離が、例えば0mm〜0.5mm程度となるまで昇降ピン428が下降する。この状態で、クールプレート426内に冷却水を導入することで、基板Wの温度が100℃以下となるまで、例えば10〜60秒程度基板Wを冷却し、この冷却後の基板Wを次工程に搬送する。なお、本実施形態では、酸化防止用のガスとして、Nガスと数%のHガスを混合した混合ガスを流すようにしているが、Nガスのみを流すようにしてもよい。
【0078】
次に、上述のように構成された本実施形態に係る配線形成装置の動作について説明する。
本実施形態に係る配線形成装置により処理される基板は、図1(a)、図2(a)、及び図3(a)に示すように、基板Wの表面にバリアメタル6と、導電層(シード層)7がこの順で予め形成されている基板である。本実施形態では、導電層または配線材料としてCu、Cu合金、Ag、Ag合金、Au、Au合金が好適に用いられる。このような金属を用いることによって、半導体装置内部の配線抵抗を従来のアルミニウム配線と比較して大幅に低減させることができ、また、エレクトロマイグレーション耐性も向上し、その結果、半導体装置の性能を向上させることが可能となる。以下に示す例では、配線材料として銅膜(Cu)を形成する場合について説明する。
【0079】
まず、図4において、処理対象となる基板は一対のカセット24に予め収納されている。これらのカセット24に収納された基板は、第1の搬送ロボット26Aによって一枚ずつ取り出され、第1の仮置台28Aに一旦載置された後、電解研磨装置36に搬送される。電解研磨装置36では上述した電解研磨が行われ、基板Wの表面及び配線溝の側面に形成された導電層7が除去される(図1(b)、図2(b)、図3(b)参照)。
【0080】
電解研磨装置36により処理された基板Wは、次に、第2の搬送ロボット26Bにより洗浄機20に搬送される。洗浄機20では、純水などの洗浄液が基板Wに供給され、これにより基板Wが洗浄される。洗浄が終了した基板Wは、次に、アニール装置400Aに搬送され、還元雰囲気中でのアニール処理(熱処理)によりバリアメタルの表面に形成された酸化膜(例えばTa)が還元され、同時に、バリアメタルや導電層に生じた残留応力や傷などの欠陥が除去される。その後、基板Wは第2の搬送ロボット26Bにより第2の仮置台28Bに一旦載置された後、第3の搬送ロボット26Cにより無電解めっき装置100に搬送される。無電解めっき装置100では、配線溝の底面に残留した導電層7を反応の起点として配線材料としての銅が成膜される。上述したように、めっきを基板に施すに先立って、配線溝の側面に形成された導電層7が電解研磨装置36によって除去されているので、銅(金属膜)は、配線溝の内部と配線溝の上辺付近にのみ形成される(図1(c)、図2(c)、図3(c)参照)。
【0081】
銅が形成された基板Wは、第3の搬送ロボット26C及び第2の搬送ロボット26Bによりアニール装置400Bに搬送される。アニール装置400Bでは、上述したように基板Wにアニール処理(熱処理)が施される。このアニール処理により、銅とバリアメタル6との密着性を高めることができ、さらに、図2(c)及び図2(d)に示すように、銅の内部に生じたボイド(空洞)を修復することができる。
【0082】
次に、基板Wは第2の搬送ロボット26Bにより第2の仮置台28Bに一旦載置された後、CMP装置330に搬送される。CMP装置330では、余剰な銅と絶縁体の表面に形成されたバリアメタル6が除去され、配線溝に充填させた銅の表面と絶縁膜の表面とがほぼ同一平面になる(図1(a)、図2(e)参照)。
【0083】
CMP装置330での処理が終了した基板Wは、第2の搬送ロボット26Bによりアニール装置400Bに搬送され、アニール装置400Bにて基板Wに再度アニール処理が施される。この3度目のアニール処理により、銅とバリアメタルとの密着性が更に高められると共に、CMP装置330での処理により銅の内部に生じた残留ストレスを緩和させることができる。
【0084】
次に、基板Wは再度洗浄機20によって洗浄された後、第2の搬送ロボット26Bによって乾燥機22に搬送され、乾燥機22にてスピンドライが行われて基板Wが乾燥される。そして、第1の搬送ロボット26Aにより基板Wが乾燥機22からカセット24に搬送され、カセット24に本来収容されていた位置に基板Wが収容され、これにより一連の処理が完了する。
【0085】
なお、この例では、電解研磨装置36により基板Wの表面及び配線溝の側面に形成された導電層を除去しているが、電解研磨装置36に代えてCMP装置330により導電層を除去してもよい。また、余剰な銅とバリアメタルの除去はCMP装置330によって行われているが、これに代えて、電解研磨装置36を使用してもよく、または、電解研磨装置36とCMP装置330とを組み合わせてもよい。
【0086】
次に、本発明の第2の実施形態に係る配線形成装置について図16を参照して説明する。
上述した第1の実施形態と第2の実施形態との相違点は、無電解めっき装置に代えて電解めっき装置を金属膜形成装置として用いている点である。その他の構成は第1の実施形態に係る配線形成装置と同様であるので重複する説明を省略する。
【0087】
図16は本実施形態に係る配線形成装置に使用される電解めっき装置を模式的に示す断面図である。この電解めっき装置370は、基板の表面にめっきを施して銅などの配線材料を形成するものである。図16に示すように、電解めっき装置370は、上方に開口し内部にめっき液380を保持する円筒状のめっき槽382と、基板Wを着脱自在に下向きに保持して該基板Wをめっき槽382の上端開口部を塞ぐ位置に配置する基板保持部384とを備えている。めっき槽382の内部には、めっき液380中に浸漬されてアノード電極となる平板状の陽極板386が水平に配置され、基板Wが陰極となるようになっている。めっき槽382の底部中央には、上方に向けためっき液の噴流を形成するめっき液噴射管388が接続され、めっき槽382の上部外側には、めっき液受け390が配置されている。
【0088】
このような構成を有する電解めっき装置370において、めっき槽382の上部に基板Wを基板保持部384により下向きに保持して配置し、陽極板(アノード)386と基板(カソード)Wの間に所定の電圧を印加しつつ、めっき液380をめっき液噴射管388から上方に向けて噴出させる。このように、基板Wの下面(被めっき面)に垂直にめっき液380の噴流を当て、陽極板386と基板Wの間にめっき電流を流すことによって、基板Wの下面に配線材料としての銅膜が形成される。
【0089】
本実施形態に係る配線形成装置の基本動作は、上述した第1の実施形態に係る配線形成装置の動作と同様である。
なお、第1の実施形態及び第2の実施形態のいずれの場合も、金属膜形成装置としてのめっき装置が3基配置されており、スループットの向上が図られている。また、一般に、めっき処理には時間がかかるため、少ない面積で多数の基板を処理するために、基板を縦置きにした状態でめっき処理する縦型タイプのめっき装置を採用してもよい。
【0090】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、導電層を除去した後、例えば無電解めっきを行うことにより、配線溝の底面に残された導電層(シード層)を反応の起点として配線材料としての金属を選択的に析出させることが可能となる。その結果、配線溝の側面が導電層によって十分に被覆されていない場合であっても、この被覆不良に起因するボイドなどの欠陥の発生を防止することができる。また、本発明によれば、配線溝の幅の大きさにかかわらず配線溝内に金属膜を均一に形成することができるため、その後の金属膜を排除する工程において金属膜の残留(膜残り)やディッシングの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る配線形成方法をシングルダマシン法に適用した場合の配線形成工程を示す図である。
【図2】本発明に係る配線形成方法をデュアルダマシン法に適用した場合の配線形成工程を示す図である。
【図3】本発明に係る配線形成方法を用いて幅の異なる配線溝が形成された基板に配線材料を埋め込む場合の工程を示す図である。
【図4】本発明の第1の実施形態に係る配線形成装置の全体構成を示す平面図である。
【図5】本発明の第1の実施形態に係る電解研磨装置の断面図である。
【図6】図5に示す電極板を示す平面図である。
【図7】本発明の第1の実施形態に係る無電解めっき装置の全体構成を示す断面図である。
【図8】図7に示す無電解めっき装置でめっきを行っている時のめっき槽、基板保持部、及び支持部の関係を示す断面図である。
【図9】図7に示す無電解めっき装置の真空シール材を示す拡大断面図である。
【図10】本発明の第1の実施形態に係る無電解めっき装置が備える支持部の他の構成例を示す斜視図である。
【図11】本発明の第1の実施形態に係る無電解めっき装置の他の構成例を示す断面図である。
【図12】本発明の第1の実施形態に係るCMP装置の要部を模式的に示す縦断面図である。
【図13】図13(a)はドレッシング前の研磨布を模式的に示す断面図、図13(b)はドレッシング後の研磨布を模式的に示す断面図、図13(c)は基板上に形成された導電層を除去しているときの様子を模式的に示す断面図、図13(d)は導電層が除去された後の基板を模式的に示す断面図である。
【図14】本発明の第1の実施形態に係るアニール装置を模式的に示す縦断面図である。
【図15】図14に示すアニール装置の横断面図である。
【図16】本発明の第2の実施形態に係る電解めっき装置を模式的に示す断面図である。
【図17】銅配線基板の従来の一製造例を工程順に示す図である。
【図18】銅配線基板の従来の一製造例を工程順に示す図である。
【図19】銅配線基板の従来の一製造例を工程順に示す図である。
【符号の説明】
1 半導体基材
2 絶縁膜
3 ビアホール
4,11,12 配線溝
5 凹部
6 バリアメタル(バリア層)
7 導電層(シード層)
8 銅
10 ボイド
13 金属膜
20 洗浄機
22 乾燥機
24 カセット
26A,26B,26C 搬送ロボット
28A,28B 仮置台
36 電解研磨装置(導電層除去装置)
44 揺動アーム
46 基板保持部
48 電極部
50 加工電極
52 給電電極
56 イオン交換体
60 上下動用モータ
62 ボールねじ
66 揺動軸
68 自転用モータ
70 中空モータ
80 電源
100 無電解めっき装置(金属膜形成装置)
110 基板保持部
112 保持体
114 真空シール材
116 回転モータ
118 回転軸
120 真空経路
122 不活性ガス導入路
124 加熱部
130 ハウジング
132 支持部
134 開口
136 往復動機構
142 めっき液
144 めっき槽
146 めっき液供給路
148 めっき室
150 溢流堰
152 めっき液排出路
160 爪
162 支持部
164 第1めっき室
166 第2めっき室
170,172 整流板
330 CMP(化学機械的研磨)装置
340 研磨布(研磨パッド)
342 研磨テーブル
344 トップリング
346 研磨液供給ノズル
348 ドレッサー
350 ダイヤモンド砥粒
400A,400B アニール装置(熱処理装置)
420 ゲート
422 チャンバ
424 ホットプレート
426 クールプレート
428 昇降ピン
430 ガス導入管
432 ガス排気管
434a,434b フィルタ
436 Nガス導入路
438 Hガス導入路
440 混合器
370 電解めっき装置
380 めっき液
382 めっき槽
384 基板保持部
386 陽極板
388 めっき液噴射管
390 めっき液受け
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for forming a wiring, and more particularly to a method for forming a wiring by embedding a conductive metal such as copper (Cu) in a fine wiring groove or connection hole provided on the surface of a substrate such as a semiconductor wafer. The present invention relates to a method and an apparatus therefor.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a trend of using copper (Cu) having low electric resistivity and high electromigration resistance instead of aluminum or aluminum alloy as a wiring material for forming a circuit on a substrate such as a semiconductor wafer has become remarkable. . This copper wiring is generally formed by embedding copper in a fine recess provided on the surface of the substrate. As a method of forming the copper wiring, there are techniques such as chemical vapor deposition (CVD), sputtering, and plating. In any case, copper is formed on almost the entire surface of the substrate to form a chemical film. Unnecessary copper is removed by mechanical polishing (CMP: Chemical Mechanical Polishing).
[0003]
Copper has an electrical resistivity about 40% lower than aluminum, which is advantageous for the signal delay phenomenon, and further has much higher electromigration resistance than aluminum, which is also advantageous in improving the reliability of semiconductor devices. . In addition, since copper as a wiring material can be employed in a dual damascene method of integrally forming a connection hole (via hole) between a wiring and a multilayer wiring, a multilayer wiring structure can be formed at a relatively low cost. Can be.
[0004]
FIGS. 17, 18 and 19 are views showing a manufacturing example of this type of copper wiring board W in the order of steps.
As shown in FIG. 17A, a SiO 2 film is formed on a conductive film 1a of a semiconductor substrate 1 on which a semiconductor element is formed. 2 And an insulating film 2 made of a low-k material or the like, and a fine concave portion 5 composed of a via hole 3 and a wiring groove (hereinafter referred to as a wiring groove) 4 is formed in the insulating film 2 by lithography and etching technology. A diffusion-suppressing barrier metal (barrier layer) 6 made of Ta, TaN, or the like is formed thereon. Then, as shown in FIG. 17B, a seed layer (conductive layer) 7 of copper or the like to be a power supply layer is formed on the surface of the barrier metal 6 by, for example, sputtering or CVD.
[0005]
Next, as shown in FIG. 17C, copper 8 as a wiring material is filled in the recesses (via holes 3 and wiring grooves 4) 5 of the substrate W by performing copper plating on the surface of the substrate W. Then, copper 8 is also deposited on the seed layer 7. After that, the copper 8, the seed layer 7, and the barrier metal 6 on the insulating film 2 are removed by chemical mechanical polishing (CMP), and the surface of the copper 8 filled in the recess 5 and the surface of the insulating film 2 are removed. Are made substantially coplanar. Thus, a wiring made of copper 8 is formed as shown in FIG.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Here, when copper 8 is buried by electrolytic plating in minute recesses 5 provided on the surface of substrate W, it is necessary to form seed layer 7 on the surface of barrier metal 6 prior to electrolytic plating. . The purpose of forming the seed layer 7 is to reduce the copper ions in the plating solution by using the seed layer 7 as an electric cathode and to deposit copper 8 as a metal solid on the surface of the seed layer 7. To supply current.
[0007]
Therefore, if the step coverage (step coverage) of the seed layer 7 is not sufficiently good, a difference in the deposition rate of the copper 8 occurs depending on the film thickness of the seed layer 7, which is caused by poor filling of the copper 8 (voids, seams, etc.). Defect), and thus does not function as a wiring of a semiconductor device.
[0008]
In general, a PVD method (Physical Vapor Deposition) or the above-described CVD method is used as a method for forming a seed layer. However, in the case where the seed layer 7 is formed in the wiring groove and the via hole having the wiring rule of 0.13 μm or less and having a large aspect ratio by the PVD method, as shown in FIG. 18A, the step coverage of the seed layer 7 is reduced. Is remarkable. As a result, voids (voids) 10 as shown in FIG. 18B are generated in the copper wiring formed by plating, and the performance of the semiconductor device is reduced.
[0009]
In order to solve such a problem, attempts have been made to form a seed layer directly on a barrier metal by electroless plating instead of PVD. However, this method cannot form a smooth and uniform seed layer, so that when copper is formed by the subsequent electrolytic plating method, defects such as voids and seams are generated. Further, the CVD method has a very high raw material cost and is not yet suitable for practical use.
[0010]
Further, as shown in FIGS. 19A and 19B, copper is isotropically formed by plating, so that the narrow wiring groove 12 is larger than the wide wiring groove 11. The time required for embedding copper 8 is short. Therefore, when the embedding of the copper 8 into the wide wiring groove 11 is completed, excessive copper 8 is deposited on the narrow wiring groove 12 as shown in FIG. 19C. .
[0011]
As described above, when the copper 8 is formed unevenly on the substrate W, it is difficult to sufficiently planarize the surface of the substrate W even if chemical mechanical polishing (CMP) is performed in the next step. That is, as shown in FIG. 19 (d), the excessively deposited copper 8A remains on the substrate W without being sufficiently removed, while the copper 8B in the wide wiring groove portion is excessively removed. Polishing causes so-called dishing. Then, the copper remaining on the substrate W causes a short circuit between the wirings, and there is a problem in that the cross-sectional area of the wiring is reduced in the portion where dishing occurs, and the wiring resistance is increased.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has a wiring formation method capable of forming wiring with high uniformity without depending on the step coverage of a conductive layer (seed layer) and the width of a wiring groove. And an apparatus therefor.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention according to claim 1 is a wiring forming method for forming wiring by embedding a wiring material in a wiring groove formed on a surface of a substrate, the method comprising: A conductive layer removing step of removing the conductive layer from the surface of the substrate and the side surface of the wiring groove among the barrier metal and the conductive layer formed in the wiring groove in advance, and forming a conductive layer on the bottom surface of the wiring groove after the conductive layer removing step. A metal film forming step of forming a metal film on the remaining conductive layer.
[0014]
According to the present invention, after removing the conductive layer, for example, by performing electroless plating, the conductive layer (seed layer) remaining on the bottom surface of the wiring groove is used as a starting point of the reaction to selectively use a metal as a wiring material. It becomes possible to deposit. As a result, even when the side surface of the wiring groove is not sufficiently covered with the conductive layer, it is possible to prevent the occurrence of defects such as voids due to the poor covering. Further, according to the present invention, the metal film can be uniformly formed in the wiring groove regardless of the width of the wiring groove. ) And dishing can be prevented.
[0015]
Here, the effects of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing a wiring forming process when the present invention is applied to a single damascene method and FIG. 2 is a dual damascene method. FIG. 3 is a view showing a wiring forming step when a wiring material is embedded in a substrate on which wiring grooves having different widths are formed by using the wiring forming method according to the present invention.
[0016]
In the step of removing the conductive layer (seed layer) 7 formed in advance on the barrier metal 6, not only the conductive layer 7 other than the bottom and side surfaces of the wiring groove 4 is selectively removed but also the step shown in FIG. As shown in FIG. 2B, the conductive layer 7 formed on the side surface of the wiring groove 4 needs to be selectively removed. This is because, when the conductive layer 7 is formed in the wiring groove 4 by using the PVD method, the unevenness of the coverage of the conductive layer 7 becomes remarkable particularly on the side surface of the wiring groove 4. By removing the conductive layer 7 thus formed, it becomes possible to form the metal film 13 in a state where the influence of the nonuniformity of the coverage is reduced (FIGS. 1C and 2C). , FIG. 2 (d)).
[0017]
Also, as shown in FIG. 3A, by using only the conductive layer 7 remaining on the bottom surfaces of the wiring grooves 11 and 12 as a reaction starting point for forming a metal film, even when the width of the wiring grooves is different, each wiring The time required to form the metal film 13 in the grooves 11 and 12 can be made equal. This is because if the metal film does not grow from the side surfaces of the wiring grooves 11 and 12, the time required to fill the metal grooves 13 into the wiring grooves 11 and 12 depends on the width of the wiring grooves 11 and 12. This is because the depth of the wiring groove is not equal to the time required by the metal film forming speed. As described above, according to the present invention, it is possible to prevent a local excessive metal from being formed, and to improve the uniformity of the metal film thickness on the substrate W. As a result, in the subsequent step of removing the metal film 13 and the barrier metal 6 by chemical mechanical polishing or the like, as shown in FIG. .
[0018]
The present invention according to claim 2, further comprising a first heat treatment step of heat treating the substrate after the conductive layer removing step and before the metal film forming step. 1. The wiring forming method according to item 1.
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to remove the residual stress which generate | occur | produced in the conductive layer and the barrier metal in the conductive layer removal process, and also it becomes possible to repair the flaw which arose in the conductive layer and the barrier metal.
[0019]
The invention according to claim 3 is the wiring forming method according to claim 1 or 2, further comprising a second heat treatment step of heat-treating the substrate after the metal film formation step.
According to the present invention, a bonding layer is formed between the metal component of the barrier metal and the metal component of the metal film at the interface between the barrier metal and the metal film by heat-treating the substrate on which the metal film is formed, It is possible to increase the adhesion of the film to the barrier metal. Further, as shown in FIGS. 2C and 2D, voids 10 and seams generated in the wiring (metal film) 8 can be repaired.
[0020]
The invention according to claim 4 further comprises, after the second heat treatment step, a metal film removing step of removing excess metal film and barrier metal from above the substrate. Wiring formation method.
[0021]
The invention according to claim 5 is the wiring forming method according to claim 4, further comprising a third heat treatment step of heat treating the substrate after the metal film removing step.
According to the present invention, the adhesion of the wiring to the barrier metal can be further improved. Further, in addition to such an effect, it is possible to reduce the residual stress of the wiring caused by an external force acting on the substrate during the metal film removing step of selectively removing the excess metal film and the barrier metal. .
[0022]
The present invention according to claim 6 is the wiring forming method according to any one of claims 1 to 5, wherein the conductive layer removing step is chemical mechanical polishing.
According to the present invention, the conductive layer formed on the surface of the substrate (the portion other than the wiring groove) can be removed by the chemical etching action by the chemical species in the polishing liquid and the mechanical polishing action by the polishing cloth. At the same time, the conductive layer formed on the side surface of the wiring groove can be removed by a mechanical polishing action using a polishing cloth.
[0023]
The present invention according to claim 7 is the wiring forming method according to any one of claims 1 to 5, wherein the conductive layer removing step is electrolytic polishing.
Since the speed at which the conductive layer is removed decreases as the distance from the ion exchanger increases, the speed at which the conductive layer is removed at the bottom surface of the wiring groove is smaller than at other portions on the substrate. Therefore, according to the present invention, the conductive layer formed on the surface of the substrate and the side surface of the wiring groove can be selectively removed from the conductive layer formed in advance on the barrier metal. Further, according to the electrolytic polishing, SiO 2 2 It is possible to obtain a sufficiently high processing speed without using such abrasive grains, and there is no risk of substrate contamination by the abrasive grains.
As described above, the conductive layer formed on the portion other than the bottom surface of the wiring groove can be selectively removed by using either chemical mechanical polishing or electrolytic polishing.
[0024]
The present invention according to claim 8 is the wiring forming method according to claim 4 or 5, wherein the metal film removing step is electrolytic polishing.
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the wiring forming method according to the fourth or fifth aspect, wherein the metal film removing step is a chemical mechanical polishing.
[0025]
The selective removal of the excess metal film formed on the wiring groove and the barrier metal on the insulating film between the wirings can be performed by one of CMP (chemical mechanical polishing), electrolytic polishing, or a combination thereof. preferable. When this step is performed by, for example, CMP, compared to the conventional damascene method as shown in FIG. 17, since a metal film is hardly formed in a portion other than the wiring groove on the substrate, the polishing liquid used for CMP is used. Can be greatly reduced.
[0026]
The present invention according to claim 10, wherein in the electropolishing, an ion exchanger is disposed on at least one of the conductive layer and a processing electrode or a power supply electrode, and the ion exchanger is brought close to or in contact with the conductive layer. And supplying a fluid to at least one of the conductive layer and the processing electrode or the power supply electrode, and applying a voltage between the power supply electrode and the processing electrode. 7. The wiring forming method according to 7 or 8.
[0027]
Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to perform electropolishing on a substrate by electrochemical action while preventing a physical defect from being given to the substrate and impairing the characteristics of the substrate. The conductive layer formed on the side surface of the substrate can be selectively removed, and further, the deposits attached to the surface of the substrate can be removed (washed).
[0028]
The present invention according to claim 11, wherein the fluid is ultrapure water, pure water, or a liquid or an electrolyte having an electric conductivity of 500 µS / cm or less, wherein the wiring is formed according to claim 10 Is the way.
[0029]
The fluid supplied between the processing electrode and the feeding electrode and the substrate is ultrapure water, pure water, or a surfactant or the like added thereto, and has an electric conductivity of 500 μS / cm or less, preferably 50 μS / cm or less. More preferably, it is a liquid or electrolyte having a concentration of 0.1 μS / cm or less. The reason is that when the electric conductivity is 500 μS / cm or more, the processing speed inside the wiring groove is increased by the chemical etching action, so that it is difficult to selectively leave the conductive layer formed on the bottom surface of the wiring groove. This is because Here, the pure water is, for example, water having an electric conductivity of 10 μS / cm or less, and the ultrapure water is, for example, water having an electric conductivity of 0.1 μS / cm or less.
[0030]
In addition, when performing electropolishing using only pure water or ultrapure water, cleaning after electropolishing is performed by preventing extra impurities such as an electrolyte from adhering or remaining on the surface of the substrate. Not only can the process be simplified, but there is also an advantage that the load of waste liquid treatment can be extremely reduced. Although the object of the present invention can be achieved by electrolytic polishing using an electrolytic solution, if it is desired to leave the conductive layer formed on the bottom surface of the wiring groove without removing as much as possible, the vicinity of the ion exchanger Electropolishing using ultrapure water, which is processed only in, is preferable.
[0031]
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided the wiring forming method according to any one of the first to eleventh aspects, wherein the metal film forming step is electroless plating or electrolytic plating.
Either electroless plating or electrolytic plating can be used to form a metal film to be a wiring isotropically, using the conductive layer left on the bottom of the wiring groove as a starting point of the reaction. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize wiring formation in which the time required for embedding the wiring material does not depend on the width of the wiring groove. When electrolytic plating is used, the barrier metal must function as an electrode. Therefore, as the material of the barrier metal, it is preferable to use a conductive metal having a low electric resistivity such as α-tantalum (αTa).
[0032]
The present invention according to claim 13 is the wiring forming method according to claim 2, wherein the first heat treatment step is performed in a reducing atmosphere.
According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided the wiring forming method according to the third or fourth aspect, wherein the second heat treatment step is performed in a reducing atmosphere.
For example, in the case of a barrier metal containing Ta as a metal component, a natural oxide film (Ta x O y ) Is formed, and this natural oxide film causes an increase in electric resistance. According to the present invention, by performing the heat treatment of the substrate in a reducing atmosphere, the natural oxide film formed on the surface of the barrier metal during the heat treatment can be easily and reliably reduced.
[0033]
16. The wiring forming apparatus according to claim 15, wherein the wiring material is formed by embedding a wiring material in a wiring groove formed on a surface of the substrate, wherein the barrier metal is formed in advance on the surface of the substrate and the wiring groove. A conductive layer removing device for removing the conductive layer from the surface of the substrate and the side surface of the wiring groove, and a metal film forming device for forming a metal film on the conductive layer remaining on the bottom surface of the wiring groove And a wiring forming apparatus.
[0034]
According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided the wiring forming apparatus according to the fifteenth aspect, further comprising a heat treatment apparatus for heat treating the substrate.
According to a seventeenth aspect of the present invention, there is provided the wiring forming apparatus according to the fifteenth or sixteenth aspect, further comprising a metal film removing device for removing excess metal film and barrier metal from the substrate.
[0035]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 4 is a plan view showing the overall configuration of the wiring forming apparatus according to the first embodiment of the present invention. In this embodiment, a barrier metal and a conductive layer (seed layer) are formed in this order in advance in the wiring groove of the substrate to be processed and the surface of the substrate. Further, copper (Cu) is used as a wiring material.
[0036]
As shown in FIG. 4, the wiring forming apparatus according to the present embodiment includes an electrolytic polishing apparatus 36 as a conductive layer removing apparatus for removing a conductive layer formed on the surface of a substrate, a cleaning machine 20 for cleaning the substrate, Three electroless plating apparatuses 100 as metal film forming apparatuses for forming a copper film (metal film) on the surface of a substrate, and a metal film removing apparatus for removing excess copper film and barrier metal formed on the surface of the substrate A CMP (chemical mechanical polishing) device 330, two dryers 22, and annealing devices 400A and 400B as heat treatment devices for heat treating the substrate. Further, the wiring forming apparatus according to the present embodiment includes a pair of cassettes 24 for storing substrates, first to third transfer robots 26A, 26B, and 26C for transferring substrates between the devices, and First and second temporary placement tables 28A and 28B for temporarily placing the substrates when transferring the substrates are provided. Hereinafter, each device will be described in order.
[0037]
FIG. 5 is a sectional view of an electrolytic polishing apparatus provided in the wiring forming apparatus according to the present embodiment. FIG. 6 is a plan view showing the electrode plate shown in FIG.
As shown in FIG. 5, the electropolishing apparatus 36 has a swing arm 44 swingable in a horizontal direction, and a vertically extending (face-down) suction holding of the substrate W which is suspended from a free end of the swing arm 44. A substrate holding portion 46, an electrode portion 48 having a processing electrode 50 and a power supply electrode 52, and a power supply 80 for applying a voltage between the processing electrode 50 and the power supply electrode 52.
[0038]
As shown in FIG. 6, the disk-shaped electrode unit 48 includes a plurality of processing electrodes 50 having a fan-like shape and a power supply electrode 52. The processing electrode 50 and the power supply electrode 52 are alternately arranged along the circumferential direction so that the surfaces (upper surfaces) of the processing electrode 50 and the power supply electrode 52 are exposed, and are separated from each other by a rib 48b made of an insulator. I have. As shown in FIG. 5, a film-like ion exchanger 56 that covers the upper surfaces of the processing electrode 50 and the power supply electrode 52 is attached to the upper surface of the electrode unit 48.
[0039]
The ion exchanger 56 is made of, for example, a nonwoven fabric provided with an anion exchange ability or a cation exchange ability. The cation exchanger preferably carries a strongly acidic cation exchange group (sulfonic acid group), but may also carry a weakly acidic cation exchange group (carboxyl group). The anion exchanger preferably carries a strongly basic anion exchange group (quaternary ammonium group), but may also carry a weakly basic anion exchange group (tertiary or lower amino group). Here, examples of the material form of the ion exchanger 56 include a nonwoven fabric, a woven fabric, a sheet, a porous material, and a short fiber.
[0040]
As shown in FIG. 5, the swing arm 44 moves up and down via a ball screw 62 in accordance with driving of a motor 60 for up and down movement. A swing motor 64 is connected to the lower end of the swing shaft 66 of the swing arm 44, and the swing arm 44 swings in the horizontal direction with the drive of the swing motor 64. I have. The substrate holding unit 46 is connected to a rotation motor 68 attached to a free end of the swing arm 44, and the substrate holding unit 46 rotates (rotates) with the rotation of the rotation motor 68. .
[0041]
The electrode section 48 is directly connected to the hollow motor 70, and the electrode section 48 rotates (rotates) with the driving of the hollow motor 70. A liquid supply hole 48a for supplying pure water, more preferably ultrapure water, is provided at the center of the electrode section 48. The liquid supply hole 48a is connected to a liquid supply pipe (not shown) extending inside the hollow portion of the hollow motor 70. Below the hollow motor 70, a power supply 80 for applying a voltage between the processing electrode 50 and the power supply electrode 52 is disposed. The anode and the cathode of the power supply 80 are electrically connected to the power supply electrode 52 and the processing electrode 50 via wires passing through the hollow portion of the hollow motor 70, respectively.
[0042]
After passing through the liquid supply hole 48a, the pure water or ultrapure water is supplied to the entire processing surface through the water-absorbing ion exchanger 56. Alternatively, a plurality of liquid supply holes 48a connected to the liquid supply pipe may be provided so that the liquid (pure water or ultrapure water) can be easily spread over the entire processing surface. Note that a liquid supply unit for supplying pure water or ultrapure water may be further provided above the electrode unit 48. In this case, pure water or ultrapure water can be simultaneously supplied to the surface of the substrate W from above and below the substrate W.
[0043]
Here, the pure water is, for example, water having an electric conductivity of 10 μS / cm or less, and the ultrapure water is, for example, water having an electric conductivity of 0.1 μS / cm or less. Note that a liquid having an electric conductivity of 500 μS / cm or less may be used instead of pure water or ultrapure water. For example, a liquid obtained by adding a surfactant or the like to ultrapure water or pure water and having an electric conductivity of 500 μS / cm or less, preferably 50 μS / cm or less, and more preferably 0.1 μS / cm or less may be used. As described above, by supplying a liquid such as pure water or ultrapure water during processing, processing instability due to a processing product, gas generation, or the like can be removed, and uniform processing with good reproducibility can be obtained.
[0044]
Next, the operation of the electropolishing apparatus 36 configured as described above will be described.
First, the substrate W is sucked and held by the substrate holding unit 46 such that the processing surface faces downward. After moving the substrate holder 46 above the ion exchanger, the substrate holder 46 is lowered to bring the surface of the substrate W into contact with the ion exchanger. In this state, a predetermined voltage is applied between the processing electrode 50 and the power supply electrode 52 by the power supply 80, and the substrate holding unit 46 and the electrode unit 48 are rotated together. At the same time, pure water or ultrapure water is supplied to the upper surface of the electrode portion 48 from below the electrode portion 48 through the liquid supply hole 48a, and pure water or ultrapure water is supplied between the processing electrode 50 and the power supply electrode 52 and the substrate W. Fill with pure water. Thus, the conductive layer (seed layer) formed on the substrate W is electrolytically polished by the hydrogen ions or hydroxide ions generated by the ion exchanger 56. Here, pure water or ultrapure water is caused to flow inside the ion exchanger 56 to generate a large amount of hydrogen ions or hydroxide ions, and this is supplied to the surface of the substrate W to improve the efficiency. Electrolytic polishing can be performed.
[0045]
Since the processing speed, that is, the speed at which the conductive layer is removed, decreases as the distance from the ion exchanger increases, the processing speed at the bottom of the wiring groove becomes lower than at other portions of the substrate. Therefore, of the conductive layers formed in advance on the barrier metal, the conductive layers formed on the side surfaces of the wiring grooves and on the surface of the substrate can be selectively removed (FIGS. 1B and 2B). b), FIG. 3 (b)). Here, the surface of the substrate refers to a portion of the surface of the substrate where no wiring groove is formed, and is a concept including a portion where a barrier metal is formed.
[0046]
Next, the electroless plating apparatus 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the overall configuration of the electroless plating apparatus according to the present embodiment. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the relationship between the plating tank, the substrate holding unit, and the support unit when plating is performed by the electroless plating apparatus shown in FIG. FIG. 9 is an enlarged sectional view showing a vacuum seal material of the electroless plating apparatus shown in FIG.
[0047]
As shown in FIG. 7, in this electroless plating apparatus 100, a substrate (plated material) W such as a semiconductor wafer having a via hole or a wiring groove formed on a surface (plated surface) S faces downward (face down). It has a substrate holding unit 110 for holding by suction. The substrate holder 110 includes a disk-shaped holder 112 and a ring-shaped vacuum seal member 114 attached to an outer peripheral portion of the lower surface of the holder 112. This vacuum seal material 114 is made of an elastic material such as rubber, for example, and has an inner lip portion 114a and an outer lip portion 114b that protrude downward, as shown in detail in FIG. A concave portion 114c having a U-shaped cross section is formed between the inner lip portion 114a and the outer lip portion 114b. Further, the holding body 112 is fixed to a lower end of a rotating shaft 118, and is connected to a rotating motor 116 via the rotating shaft 118. The concave portion 114c of the vacuum seal material 114 communicates with a vacuum path 120 extending inside the holder 112, the rotating shaft 118, and the rotary motor 116, and the vacuum path 120 is connected to a vacuum source (not shown).
[0048]
According to such a configuration, the lower ends of the lip portions 114a and 114b of the vacuum sealing material 114 are pressed against the surface of the substrate W, and the space defined by the concave portion 114c and the surface of the substrate W is evacuated to thereby evacuate the substrate. The substrate W is suction-held by the substrate holding unit 110 in a state where the outer peripheral portion of W is sealed with the vacuum seal material 114. Furthermore, by driving the rotation motor 116 while holding the substrate W on the substrate holding unit 110, the substrate W can be rotated integrally with the substrate holding unit 110.
[0049]
Further, there is provided an inert gas introduction passage 122 extending inside the holding body 112, the rotating shaft 118, and the rotating motor 116 and opening at the lower surface of the holding body 112 surrounded by the vacuum seal material 114. Accordingly, when the substrate W is suction-held while the outer peripheral portion thereof is sealed with the vacuum seal material 114, the area surrounded by the vacuum seal material 114 2 An inert gas such as a gas can be introduced. Then, the plating solution that is about to enter the region surrounded by the vacuum seal material 114 is forcibly pushed back by the inert gas, thereby preventing the plating solution from entering the region surrounded by the vacuum seal material 114. This can be more reliably prevented.
[0050]
In this example, as shown in FIG. 9, a heating unit (heater) 124 for heating the substrate W is built in the holder 112. Then, the substrate W is heated by the heating unit 124 so that local temperature unevenness does not occur in the substrate W. Note that the heating unit 14 has a temperature control function, so that the substrate W can be heated to an arbitrary temperature. Then, the substrate W is immersed in a plating solution having a predetermined temperature, and the plating process is performed while the substrate W is heated by the heating unit 124 so as to have the same temperature as the plating solution. It is possible to prevent unevenness in temperature in S and prevent the plating temperature from changing during the plating process.
[0051]
The housing 130 is arranged so as to surround the periphery of the substrate holding part 110, and a ring-shaped support part 132 that protrudes inward and supports the peripheral edge of the substrate W from below is provided at the lower end of the housing 130. Further, an opening 134 through which the substrate W is taken in and out is provided on the peripheral wall of the housing 130. The housing 130 is rotatably connected to an outer peripheral portion of the vertical moving plate 138 via a bearing 140. The vertical moving plate 138 is connected to a cylinder rod 136 a of a reciprocating mechanism 136 attached to the rotary motor 116. As a result, the housing 130 moves up and down relatively with respect to the substrate holding unit 110 in accordance with the operation of the reciprocating mechanism 136, and holds the peripheral edge of the substrate W with the support unit 132 and the vacuum seal material 114. , So as to rotate integrally with the substrate holding unit 110.
[0052]
A plating tank 144 for holding a plating solution 142 is disposed below the housing 130. The plating tank 144 is made of, for example, Teflon (registered trademark) in order to reduce friction with the plating solution 142. A plating chamber 148 for storing the plating solution 142 is formed inside the plating tank 144. A plating solution supply path 146 is provided at the center of the bottom surface 148 a of the plating chamber 148, and the plating solution 142 is supplied to the plating chamber 148 through the plating solution supply path 146. The plating chamber 148 is surrounded by an overflow weir 150, and a plating solution discharge path 152 is provided outside the overflow weir 150. As a result, the plating solution 142 is introduced upward into the plating chamber 148 from the plating solution supply passage 146, overflows the overflow weir 150, and is discharged to the outside from the plating solution discharge passage 152.
[0053]
Here, the region of the bottom surface 148a of the plating chamber 148 facing the substrate W held by the substrate holding unit 110 has, for example, a bosh-shaped streamline, and has a quadratic curved surface that extends outward outward. I have. Thus, in a region having a quadratic curve of the bottom surface 148a, the plating solution 142 smoothly flows as a laminar flow along the bottom surface 148a, and generation of a local vortex in the middle of the flow is prevented. You. Further, a heating section having a shape along the quadratic curved surface of the bottom surface 148a may be buried at a position close to the bottom surface 148a inside the plating tank 144.
[0054]
In the electroless plating apparatus 100 according to this embodiment, the substrate W is inserted into the housing 130 from the opening 134 while the housing 130 is relatively lowered with respect to the substrate holding unit 110 by the reciprocating mechanism 136. The substrate W is placed on the support 132. In this state, the housing 130 is raised by the reciprocating mechanism 136, and the upper surface of the substrate W is pressed against the lower end of the vacuum seal material 114. Then, the space defined by the concave portion 114c of the vacuum seal material 114 and the surface of the substrate W is evacuated to suck and hold the substrate W while the outer peripheral portion of the substrate W is sealed with the vacuum seal material 114. In an area surrounded by the vacuum seal material 114, N 2 An inert gas such as a gas is introduced. In this state, the substrate W is heated to a constant temperature equal to the temperature of the plating solution 142 introduced into the plating chamber 148 over the entire area by the heating unit 124 built in the substrate holding unit 110.
[0055]
The plating solution 142, which has been heated to a predetermined temperature in advance, is introduced into the plating chamber 148 via the plating solution supply path 146, and overflows from the overflow weir 150. At this time, the temperature of the plating solution 142 introduced into the plating bath 144 is, for example, about 25 to 90 ° C., preferably about 55 to 80 ° C., and the flow rate of the plating solution 22 is, for example, 1 to 30 L / min. It is preferably about 1 to 20 L / min, and more preferably about 1 to 10 L / min.
[0056]
In this state, the substrate W is lowered while rotating at a rotation speed of, for example, about 0 to 100 rpm, preferably about 0 to 50 rpm, more preferably about 0 to 20 rpm, and the substrate W is immersed in the plating solution 142 in the plating chamber 148. Then, as shown in FIG. 8, only the housing 130 is lowered, the support portion 132 is separated from the back surface of the substrate W, and the substrate W is sucked and held only by the substrate holding portion 110. Is subjected to copper plating.
[0057]
At this time, plating is performed in a state in which the support portion 132 that supports the substrate W from below is separated from the substrate W, so that the presence of the ring-shaped support portion 132 protruding downward from the surface (plated surface) S of the substrate W , H generated by electroless plating reaction 2 The gas or the like is prevented from escaping from the surface (plated surface) S of the substrate W, and 2 It is possible to improve the separation of the gas or the like from the surface (plated surface) S of the substrate W.
[0058]
In addition, by holding the substrate W by suction while the outer peripheral portion of the upper surface of the substrate W is sealed with the vacuum sealing material 114, it is possible to prevent the plating solution from infiltrating into the upper surface of the substrate W. The area surrounded by the vacuum seal material 114 2 By introducing an inert gas such as a gas and forcibly pushing back the plating solution which is going to enter the upper surface of the substrate W from the gap between the vacuum sealing material 114 and the substrate W, with the inert gas. In addition, it is possible to more reliably prevent the plating solution from entering the upper surface of the substrate W.
[0059]
It is preferable that the distance between the substrate W and the support portion 132 in a state where the support portion 132 supporting the substrate W from below is separated from the substrate W is such that the substrate W falls on the support portion 132 when the substrate W falls.
Then, after the plating process for a predetermined time is completed, the housing 130 is raised to support the substrate from below with the support portion 132, and after draining the liquid as necessary, the plating is performed in the reverse operation to the above. Is transported out of the housing 130.
[0060]
Note that, in this example, a ring-shaped support portion 132 is used, but a plurality of claws 160 are arranged outside the substrate W along the circumferential direction as shown in FIG. A step portion 160a may be provided on the upper surface of the extension portion extending in a hook shape toward the lower end of the claw 160, and the support portion 162 may be configured to support the substrate W from below with the step portion 160a. Even in this case, when the support portion 162 is separated from the substrate W during plating, the flow of the plating solution is disturbed with the rotation of the claw 160, and the plating solution contacts the surface (plated surface) S of the substrate W. It is possible to prevent the flow state of the plating solution from changing.
[0061]
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating another configuration example of the electroless plating apparatus 100 according to the present embodiment. This electroless plating apparatus 100 is different from the examples shown in FIGS. 7 to 9 in that a first plating chamber 164 bulging outward as a plating tank 144 for holding an electroless plating solution 142 and a bosh type And a plating chamber 148 composed of a second plating chamber 166 having a secondary curved surface extending outward and having a streamlined shape, and the first plating chamber 164 and the second plating chamber 166. The point is that the first rectifying plate 170 is disposed at the boundary, and the second rectifying plate 172 is disposed inside the second plating chamber 166. The rectifying plates 170 and 172 are for adjusting the flow of the plating solution 142 flowing through the inside of the plating chamber 148, and are formed of, for example, a punch plate having a large number of through holes 170a and 172a therein.
[0062]
For example, when the plating chamber 148 has a large volume, when plating is performed by bringing the surface (plated surface) S of the substrate W into contact with the plating solution 142 in the plating chamber 148, the entire surface S of the substrate W is covered. It is difficult to flow the plating solution 142 uniformly. According to the present embodiment, the rectifying plates 170 and 172 for adjusting the flow of the plating solution 142 are arranged inside the plating chamber 148, and the rectifying plates 170 and 172 reduce the flow of the plating solution 142 before reaching the surface of the substrate W. Thus, even if the volume of the plating chamber is increased, a uniform flow of the plating solution over the entire surface S of the substrate W can be formed.
[0063]
In this example, two rectifying plates 170 and 172 are arranged, and the plating solution 142 flowing inside the plating chamber 148 is rectified twice, so that the plating solution over the entire surface to be plated can be adjusted. Although a uniform flow is formed, it goes without saying that one or three or more sheets may be formed.
[0064]
As the current plates 170, 172, those in which the density and / or the diameter of the through holes 170a, 172a differ depending on the region may be used. For example, the density of the through holes 170a and 172a in the central portion of the rectifying plates 170 and 172 in which the plating solution 142 easily flows in a large amount is made coarser than the peripheral portion, or the diameter of the through holes 170a and 172a is made smaller to reduce the substrate. It is possible to prevent a region where the flow rate of the plating solution is large locally on the surface S of W.
[0065]
Here, an embodiment in which plating is performed using the electroless plating apparatus 100 described above with reference to FIGS. 7 to 11 will be described.
The composition of the plating solution used in this example is as follows.
CuSO 4 ・ 5H 2 O 5g / L
EDTA ・ 2Na 14g / L
HCHO (37%) 5mg / L
pH (adjusted with NaOH) 12.5
Additive appropriate amount
Further, the temperature of the plating solution is set to 60 ° C., and various conditions are set so that a plating rate of 100 nm / min is obtained.
In this embodiment, copper (Cu) as a wiring material can be embedded in a wiring groove having a depth of about 1 μm by performing plating for about 10 minutes under the above-described conditions.
[0066]
Next, a CMP (chemical mechanical polishing) apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a longitudinal sectional view schematically showing a main part of the CMP apparatus according to the present embodiment.
As shown in FIG. 12, a CMP apparatus 330 includes a polishing table 342 that forms a polishing surface by attaching a polishing cloth (polishing pad) 340 made of hard polyurethane or the like to the upper surface, and a polishing table 342 that forms a polishing surface on the substrate W. And a top ring 344 held toward the 342.
[0067]
When polishing the substrate W using such a CMP apparatus 330, the polishing table 342 and the top ring 344 are respectively rotated, and the polishing liquid is supplied from a polishing liquid supply nozzle 346 provided above the polishing table 342. Is supplied, the substrate W is pressed against the polishing cloth 340 of the polishing table 342 by the top ring 344 at a constant pressure. Then, the substrate W is polished flat and mirror-like by chemical mechanical polishing, which is a combined effect of the chemical polishing action of the chemical species contained in the polishing liquid and the mechanical polishing action of the polishing cloth.
[0068]
When the polishing is continued, abrasive grains and polishing debris adhere to the polishing cloth 340, and the characteristics of the polishing cloth 340 change to deteriorate the polishing performance. A dresser 348 is provided in the CMP apparatus 330 to recover the polishing force. The dresser 348 performs dressing (conditioning) of the polishing pad 340 when, for example, replacing the substrate W to be polished. In this dressing process, the dressing surface of the dresser 348 is pressed against the polishing cloth 340 of the polishing table 342 and is rotated, thereby removing abrasive grains and cutting debris adhering to the polishing surface and flattening the polishing surface. The polishing and dressing are performed, and the polished surface is regenerated.
[0069]
As described above, in the present embodiment, the removal of the conductive layer (seed layer) is performed by the electrolytic polishing device 36, but the conductive layer may be removed by the CMP device 330.
Here, the state of removing the conductive layer formed on the surface of the substrate and the side surface of the wiring groove using the CMP apparatus 330 will be described with reference to FIG. 13A is a cross-sectional view schematically showing a polishing cloth before dressing, FIG. 13B is a cross-sectional view schematically showing a polishing cloth after dressing, and FIG. 13C is formed on a substrate. FIG. 13D is a cross-sectional view schematically illustrating a state where the conductive layer is removed, and FIG. 13D is a cross-sectional view schematically illustrating the substrate after the conductive layer is removed.
[0070]
As shown in FIG. 13A, diamond abrasive grains 350 are fixed to the lower surface of the dresser 348. The shape and size of the diamond abrasive grains 350 are determined based on the depth and width of the wiring groove formed in the substrate. In other words, as shown in FIG. 13C, the unevenness (see FIG. 13B) formed on the polishing pad 340 by dressing is smaller than the depth of the wiring grooves 11 and 12 at the same time. The shape and size of the diamond abrasive grains 350 are determined so that the pitch is not more than the minimum width of the wiring grooves 11 and 12. According to the dresser 348 having such diamond abrasive grains 350, as shown in FIGS. 13C and 13D, the conductive layer 7 other than the bottom surfaces of the wiring grooves 11 and 12 can be removed. Become.
[0071]
In order to facilitate cleaning of the substrate after CMP, SiO 2 It is preferable to use a polishing liquid containing no abrasive grains. Further, it is preferable to use a polishing cloth having a relatively small elastic modulus (a polishing cloth that is easily deformed). By using a polishing cloth having a relatively small elastic modulus, portions other than the wiring grooves, that is, the substrate surface can be easily removed by the chemical etching action by the chemical species in the polishing liquid and the mechanical polishing action by the polishing cloth. At the same time, the conductive layer on the side surface of the wiring groove can be easily removed by the mechanical polishing action of the polishing cloth.
[0072]
Next, the annealing apparatuses 400A and 400B according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 14 is a longitudinal sectional view schematically showing the annealing apparatus according to the present embodiment, and FIG. 15 is a transverse sectional view. Since both annealing apparatuses 400A and 400B have the same configuration, only annealing apparatus 400A will be described below.
[0073]
As shown in FIGS. 14 and 15, the annealing apparatus 400A includes a chamber 422 having a gate 420 for taking in and out the substrate W, a hot plate 424 disposed above the chamber 422, and a cool plate disposed below the chamber 422. And a plate 426. The hot plate 424 heats the substrate W to, for example, 400 ° C., and the cool plate 426 cools the substrate W by flowing, for example, cooling water.
[0074]
In the chamber 422, a plurality of elevating pins 428 that extend vertically through the inside of the cool plate 426 and that hold the substrate W thereon are arranged to be able to move up and down. Further, at positions opposed to each other with the hot plate 424 interposed therebetween, a gas introduction pipe 430 for introducing a gas for preventing oxidation between the substrate W and the hot plate 424 at the time of annealing and a gas introduction pipe 430 introduced from the gas introduction pipe 430. A gas exhaust pipe 432 for exhausting gas is provided.
[0075]
As shown in FIG. 15, an annealing apparatus 400A has an N filter having a filter 434a inside. 2 H having a gas introduction path 436 and a filter 434b inside 2 Gas introduction path 438 and N 2 N flowing in the gas introduction passage 436 2 Gas and H 2 H flowing in the gas introduction path 438 2 A mixer 440 for mixing the gas and a mixed gas introduction passage 442 through which the gas mixed by the mixer 440 flows are provided. The gas introduction pipe 430 described above is connected to the mixed gas introduction path 442.
[0076]
The substrate W having a wiring material formed on the surface thereof by the above-described electroless plating apparatus is carried into the chamber 422 through the gate 420 and is held by the lifting pins 428. Then, the elevating pins 428 are raised until the distance between the substrate W held by the elevating pins 428 and the hot plate 424 becomes, for example, about 0.1 mm to 1.0 mm. In this state, the substrate W is heated by the hot plate 424 to, for example, 400 ° C., and at the same time, a gas for preventing oxidation is introduced into the chamber 422 from the gas introduction pipe 430. The gas introduced into the chamber 422 flows between the substrate W and the hot plate 424 and is exhausted from the gas exhaust pipe 432. By doing so, annealing (heat treatment) can be performed in a reducing atmosphere, and an oxide film (for example, Ta) formed on the surface of the barrier metal can be formed. x O y ) Can be easily and reliably reduced. The processing time of this annealing is, for example, about several tens to 60 seconds. Further, the heating temperature of the substrate W is appropriately selected within a range of 100 to 600 ° C.
[0077]
After the annealing, the lift pins 428 are lowered until the distance between the substrate W held by the lift pins 428 and the cool plate 426 becomes, for example, about 0 mm to 0.5 mm. In this state, by introducing cooling water into the cool plate 426, the substrate W is cooled, for example, for about 10 to 60 seconds until the temperature of the substrate W becomes 100 ° C. or lower. Transport to In the present embodiment, N 2 is used as an antioxidant gas. 2 Gas and a few% of H 2 Although a mixed gas that is a mixture of gases is made to flow, 2 You may make it flow only gas.
[0078]
Next, the operation of the wiring forming apparatus according to the present embodiment configured as described above will be described.
As shown in FIGS. 1A, 2A, and 3A, the substrate processed by the wiring forming apparatus according to the present embodiment includes a barrier metal 6 and a conductive layer on the surface of the substrate W. (Seed layer) 7 is a substrate formed in this order in advance. In the present embodiment, Cu, Cu alloy, Ag, Ag alloy, Au, and Au alloy are preferably used as the conductive layer or the wiring material. By using such a metal, the wiring resistance inside the semiconductor device can be significantly reduced as compared with the conventional aluminum wiring, and the electromigration resistance also improves, thereby improving the performance of the semiconductor device. It is possible to do. In the following example, a case where a copper film (Cu) is formed as a wiring material will be described.
[0079]
First, in FIG. 4, a substrate to be processed is stored in a pair of cassettes 24 in advance. The substrates stored in these cassettes 24 are taken out one by one by a first transfer robot 26A, temporarily placed on a first temporary table 28A, and then transferred to an electropolishing device 36. In the electrolytic polishing device 36, the above-described electrolytic polishing is performed, and the conductive layer 7 formed on the surface of the substrate W and the side surface of the wiring groove is removed (FIGS. 1B, 2B, and 3B). )reference).
[0080]
Next, the substrate W processed by the electrolytic polishing device 36 is transferred to the cleaning machine 20 by the second transfer robot 26B. In the cleaning machine 20, a cleaning liquid such as pure water is supplied to the substrate W, whereby the substrate W is cleaned. The cleaned substrate W is then transported to an annealing device 400A, where an oxide film (for example, Ta) formed on the surface of the barrier metal by an annealing process (heat treatment) in a reducing atmosphere. x O y ) Is reduced, and at the same time, defects such as residual stress and scratches generated in the barrier metal and the conductive layer are removed. Thereafter, the substrate W is once placed on the second temporary placement table 28B by the second transfer robot 26B, and then transferred to the electroless plating apparatus 100 by the third transfer robot 26C. In the electroless plating apparatus 100, copper is deposited as a wiring material using the conductive layer 7 remaining on the bottom of the wiring groove as a starting point of the reaction. As described above, since the conductive layer 7 formed on the side surface of the wiring groove is removed by the electrolytic polishing device 36 before plating is performed on the substrate, copper (metal film) is removed from the inside of the wiring groove and the wiring. It is formed only near the upper side of the groove (see FIGS. 1 (c), 2 (c) and 3 (c)).
[0081]
The substrate W on which the copper is formed is transferred to the annealing device 400B by the third transfer robot 26C and the second transfer robot 26B. In the annealing device 400B, the substrate W is subjected to the annealing process (heat treatment) as described above. By this annealing treatment, the adhesion between the copper and the barrier metal 6 can be improved, and as shown in FIGS. 2C and 2D, voids (cavities) generated inside the copper are repaired. can do.
[0082]
Next, the substrate W is once mounted on the second temporary table 28B by the second transfer robot 26B, and then transferred to the CMP apparatus 330. In the CMP apparatus 330, the excess copper and the barrier metal 6 formed on the surface of the insulator are removed, and the surface of the copper filled in the wiring groove and the surface of the insulating film are substantially flush with each other (FIG. 1A ), FIG. 2 (e)).
[0083]
The substrate W that has been processed by the CMP device 330 is transported to the annealing device 400B by the second transport robot 26B, and the substrate W is again annealed by the annealing device 400B. By the third annealing, the adhesion between the copper and the barrier metal can be further enhanced, and the residual stress generated inside the copper by the processing in the CMP apparatus 330 can be reduced.
[0084]
Next, after the substrate W is again cleaned by the cleaning device 20, the substrate W is transported to the dryer 22 by the second transport robot 26B, and spin-dried by the dryer 22 to dry the substrate W. Then, the substrate W is transferred from the dryer 22 to the cassette 24 by the first transfer robot 26A, and the substrate W is stored at the position originally stored in the cassette 24, whereby a series of processing is completed.
[0085]
In this example, the conductive layer formed on the surface of the substrate W and the side surface of the wiring groove is removed by the electrolytic polishing device 36, but the conductive layer is removed by the CMP device 330 instead of the electrolytic polishing device 36. Is also good. Although the removal of excess copper and barrier metal is performed by the CMP device 330, an electrolytic polishing device 36 may be used instead, or the electrolytic polishing device 36 and the CMP device 330 are combined. You may.
[0086]
Next, a wiring forming apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The difference between the above-described first embodiment and the second embodiment is that an electroplating apparatus is used as a metal film forming apparatus instead of the electroless plating apparatus. The other configuration is the same as that of the wiring forming apparatus according to the first embodiment, and thus the description thereof will not be repeated.
[0087]
FIG. 16 is a cross-sectional view schematically showing an electrolytic plating apparatus used in the wiring forming apparatus according to the present embodiment. The electrolytic plating apparatus 370 is for plating a surface of a substrate to form a wiring material such as copper. As shown in FIG. 16, the electrolytic plating apparatus 370 includes a cylindrical plating tank 382 that opens upward and holds a plating solution 380 therein, and a substrate W that is detachably held downward while holding the substrate W detachably. And a substrate holder 384 disposed at a position to close the upper end opening of the 382. Inside the plating tank 382, a flat anode plate 386 which is immersed in a plating solution 380 and serves as an anode electrode is horizontally disposed, and the substrate W serves as a cathode. At the center of the bottom of the plating tank 382, a plating liquid jet tube 388 that forms a jet of the plating liquid upward is connected, and a plating liquid receiver 390 is arranged outside the upper part of the plating tank 382.
[0088]
In the electroplating apparatus 370 having such a configuration, the substrate W is held and disposed downward by the substrate holding portion 384 above the plating tank 382, and a predetermined distance is provided between the anode plate (anode) 386 and the substrate (cathode) W. The plating solution 380 is ejected upward from the plating solution ejection tube 388 while applying the voltage of. As described above, the jet of the plating solution 380 is applied perpendicularly to the lower surface (plated surface) of the substrate W, and a plating current is caused to flow between the anode plate 386 and the substrate W. A film is formed.
[0089]
The basic operation of the wiring forming apparatus according to the present embodiment is the same as the operation of the wiring forming apparatus according to the above-described first embodiment.
In both cases of the first embodiment and the second embodiment, three plating apparatuses as metal film forming apparatuses are provided, and the throughput is improved. In general, since the plating process takes a long time, a vertical type plating apparatus that performs a plating process in a state where the substrates are placed vertically may be employed in order to process a large number of substrates in a small area.
[0090]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, after the conductive layer is removed, the conductive layer (seed layer) remaining on the bottom surface of the wiring groove is used as a wiring material by performing, for example, electroless plating, using the conductive layer (seed layer) remaining on the bottom surface of the wiring groove as a starting point of the reaction. Can be selectively deposited. As a result, even when the side surface of the wiring groove is not sufficiently covered with the conductive layer, it is possible to prevent the occurrence of defects such as voids due to the poor covering. Further, according to the present invention, the metal film can be uniformly formed in the wiring groove regardless of the width of the wiring groove. ) And dishing can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a wiring forming step when a wiring forming method according to the present invention is applied to a single damascene method.
FIG. 2 is a diagram showing a wiring forming step when the wiring forming method according to the present invention is applied to a dual damascene method.
FIG. 3 is a view showing a step of embedding a wiring material in a substrate on which wiring grooves having different widths are formed by using the wiring forming method according to the present invention.
FIG. 4 is a plan view showing the overall configuration of the wiring forming apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the electropolishing apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a plan view showing the electrode plate shown in FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the electroless plating apparatus according to the first embodiment of the present invention.
8 is a cross-sectional view showing a relationship between a plating tank, a substrate holding unit, and a support unit when plating is performed by the electroless plating apparatus shown in FIG.
FIG. 9 is an enlarged sectional view showing a vacuum sealing material of the electroless plating apparatus shown in FIG.
FIG. 10 is a perspective view showing another example of the configuration of the support provided in the electroless plating apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view showing another configuration example of the electroless plating apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a longitudinal sectional view schematically showing a main part of the CMP apparatus according to the first embodiment of the present invention.
13A is a cross-sectional view schematically showing a polishing cloth before dressing, FIG. 13B is a cross-sectional view schematically showing a polishing cloth after dressing, and FIG. 13D is a cross-sectional view schematically showing a state in which the conductive layer formed on the substrate is removed, and FIG. 13D is a cross-sectional view schematically showing the substrate after the conductive layer is removed.
FIG. 14 is a longitudinal sectional view schematically showing an annealing apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a transverse sectional view of the annealing apparatus shown in FIG.
FIG. 16 is a sectional view schematically showing an electrolytic plating apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing a conventional example of manufacturing a copper wiring board in the order of steps.
FIG. 18 is a diagram showing a conventional example of manufacturing a copper wiring board in the order of steps.
FIG. 19 is a view showing one conventional production example of a copper wiring board in order of steps.
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate
2 Insulating film
3 beer hall
4,11,12 Wiring groove
5 recess
6 Barrier metal (barrier layer)
7 Conductive layer (seed layer)
8 Copper
10 void
13 Metal film
20 washing machine
22 dryer
24 cassettes
26A, 26B, 26C Transfer robot
28A, 28B temporary table
36 Electropolishing equipment (conductive layer removing equipment)
44 Swing arm
46 PCB holder
48 electrodes
50 Processing electrode
52 feeding electrode
56 ion exchanger
60 Vertical movement motor
62 ball screw
66 Swing axis
68 Motor for rotation
70 Hollow motor
80 power supply
100 Electroless plating equipment (metal film forming equipment)
110 substrate holder
112 Holder
114 Vacuum sealing material
116 rotating motor
118 Rotation axis
120 vacuum path
122 Inert gas introduction path
124 heating unit
130 housing
132 support
134 opening
136 reciprocating mechanism
142 plating solution
144 plating tank
146 Plating solution supply path
148 Plating room
150 Overflow Weir
152 Plating solution discharge path
160 claws
162 support
164 First plating room
166 2nd plating room
170,172 Rectifier plate
330 CMP (Chemical Mechanical Polishing) Equipment
340 polishing cloth (polishing pad)
342 polishing table
344 Top Ring
346 Polishing liquid supply nozzle
348 dresser
350 diamond abrasive
400A, 400B annealing equipment (heat treatment equipment)
420 gate
422 chamber
424 hot plate
426 Cool plate
428 lifting pin
430 gas inlet pipe
432 gas exhaust pipe
434a, 434b Filter
436 N 2 Gas introduction path
438 H 2 Gas introduction path
440 mixer
370 Electroplating equipment
380 plating solution
382 Plating tank
384 substrate holder
386 anode plate
388 Plating solution injection tube
390 Plating solution receiver

Claims (17)

基板の表面に形成された配線溝に配線材料を埋め込んで配線を形成する配線形成方法であって、
基板の表面及び前記配線溝に予め形成されたバリアメタル及び導電層のうち、前記導電層を基板の表面及び前記配線溝の側面から除去する導電層除去工程と、前記導電層除去工程の後に前記配線溝の底面に残留する導電層の上に金属膜を形成する金属膜形成工程と、を備えることを特徴とする配線形成方法。
A wiring forming method for forming a wiring by embedding a wiring material in a wiring groove formed on a surface of a substrate,
A conductive layer removing step of removing the conductive layer from the surface of the substrate and a side surface of the wiring groove, of the barrier metal and the conductive layer formed in advance on the surface of the substrate and the wiring groove; A metal film forming step of forming a metal film on the conductive layer remaining on the bottom surface of the wiring groove.
前記導電層除去工程の後であって、かつ、前記金属膜形成工程の前に基板を熱処理する第1の熱処理工程をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の配線形成方法。The method according to claim 1, further comprising a first heat treatment step of heat-treating the substrate after the conductive layer removing step and before the metal film forming step. 前記金属膜形成工程の後に基板を熱処理する第2の熱処理工程をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の配線形成方法。3. The method according to claim 1, further comprising a second heat treatment step of heat-treating the substrate after the metal film formation step. 前記第2の熱処理工程の後に、基板上から余剰な金属膜とバリアメタルとを除去する金属膜除去工程をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載の配線形成方法。4. The wiring forming method according to claim 3, further comprising a metal film removing step of removing excess metal film and barrier metal from above the substrate after the second heat treatment step. 前記金属膜除去工程の後に、基板を熱処理する第3の熱処理工程をさらに備えることを特徴とする請求項4に記載の配線形成方法。The method according to claim 4, further comprising a third heat treatment step of heat treating the substrate after the metal film removing step. 前記導電層除去工程は、化学機械的研磨であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の配線形成方法。The method according to claim 1, wherein the conductive layer removing step is chemical mechanical polishing. 前記導電層除去工程は、電解研磨であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の配線形成方法。The wiring forming method according to claim 1, wherein the conductive layer removing step is electrolytic polishing. 前記金属膜除去工程は、電解研磨であることを特徴とする請求項4又は5に記載の配線形成方法。The method according to claim 4, wherein the metal film removing step is electrolytic polishing. 前記金属膜除去工程は、化学機械的研磨であることを特徴とする請求項4又は5に記載の配線形成方法。6. The wiring forming method according to claim 4, wherein the metal film removing step is chemical mechanical polishing. 前記電解研磨は、前記導電層と加工電極または給電電極との間の少なくとも一方にイオン交換体を配置し、
前記イオン交換体を前記導電層に近接または接触させ、
前記導電層と前記加工電極または前記給電電極との間の少なくとも一方に流体を供給し、
前記給電電極と前記加工電極との間に電圧を印加する工程を備えることを特徴とする請求項7又は8に記載の配線形成方法。
In the electrolytic polishing, an ion exchanger is arranged on at least one of the conductive layer and the processing electrode or the power supply electrode,
Bringing the ion exchanger close to or in contact with the conductive layer,
Supply fluid to at least one between the conductive layer and the processing electrode or the power supply electrode,
The method according to claim 7, further comprising a step of applying a voltage between the power supply electrode and the processing electrode.
前記流体は、超純水、純水、または電気伝導度が500μS/cm以下の液体若しくは電解液であることを特徴とする請求項10に記載の配線形成方法。The method of claim 10, wherein the fluid is ultrapure water, pure water, or a liquid or an electrolyte having an electric conductivity of 500 μS / cm or less. 前記金属膜形成工程は、無電解めっきまたは電解めっきであることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の配線形成方法。The method according to any one of claims 1 to 11, wherein the metal film forming step is electroless plating or electrolytic plating. 前記第1の熱処理工程は還元雰囲気中で行われることを特徴とする請求項2に記載の配線形成方法。3. The method according to claim 2, wherein the first heat treatment is performed in a reducing atmosphere. 前記第2の熱処理工程は還元雰囲気中で行われることを特徴とする請求項3又は4に記載の配線形成方法。The method according to claim 3, wherein the second heat treatment is performed in a reducing atmosphere. 基板の表面に形成された配線溝に配線材料を埋め込んで配線を形成する配線形成装置であって、
基板の表面及び前記配線溝に予め形成されたバリアメタル及び導電層のうち、前記導電層を基板の表面及び前記配線溝の側面から除去する導電層除去装置と、前記配線溝の底面に残留する導電層の上に金属膜を形成する金属膜形成装置と、を備えることを特徴とする配線形成装置。
A wiring forming apparatus for forming wiring by embedding a wiring material in a wiring groove formed on a surface of a substrate,
A conductive layer removing device for removing the conductive layer from the surface of the substrate and the side surface of the wiring groove, of the barrier metal and the conductive layer formed in advance on the surface of the substrate and the wiring groove, and remaining on the bottom surface of the wiring groove; A wiring forming apparatus, comprising: a metal film forming apparatus for forming a metal film on a conductive layer.
基板を熱処理する熱処理装置をさらに備えることを特徴とする請求項15に記載の配線形成装置。16. The wiring forming apparatus according to claim 15, further comprising a heat treatment apparatus for heat treating the substrate. 基板上から余剰な金属膜とバリアメタルとを除去する金属膜除去装置をさらに備えることを特徴とする請求項15又は16に記載の配線形成装置。17. The wiring forming apparatus according to claim 15, further comprising a metal film removing device for removing excess metal film and barrier metal from above the substrate.
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