JP2005171288A - めっき装置及びめっき方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 生産効率を悪化させることなく、基板の表面に形成した、例えば内径が数十μｍの微細孔（ビアホール）等の凹部の内部に、銅等の金属を、ボイドを発生させることなく、めっきで埋込むことができるようにする。
【解決手段】 表面の少なくとも一部に導電体層が形成された基板１０を保持する基板ホルダ２０と、基板ホルダ２０で保持した基板１０の導電体層１４に対向する位置に配置されるアノード３０と、微細な中空形状で、アノード３０を貫通して導電体層１４に向けて突出し、アノード３０に電気的に接続させて固定した補助アノード５０を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、めっき装置及びめっき方法に係り、特に半導体ウエ−ハ等の基板に回路パターン配線を銅めっきなどの金属めっきを用いて形成したり、ＣＳＰ(Chip Size Package)やＳＩＰ(System in Package)等をプリント基板に実装する際に、めっきを用いて配線を形成したりするに使用されるめっき装置及びめっき方法に関する。

最近、半導体装置の銅配線形成プロセスとして、半導体ウエ−ハの表面に積層した絶縁膜（層間絶縁膜）の内部に回路形状の配線溝（トレンチ）と微細孔（ビアホール）を形成し、銅めっきによりこれらを銅（配線材料）で埋め、残りの部分の余剰な銅層（めっき膜）をＣＭＰ等の手段により除去して回路を形成する、いわゆるダマシンプロセスが行われている。このダマシンプロセスには、大別すると、配線溝と微細孔を形成した後、これらを同時にめっき膜で埋めるデュアルダマシン法と、微細孔と配線溝を別々に形成し別々にめっき膜で埋めるシングルダマシン法とがある。工程数を比較すると、デュアルダマシン法が有利であるが、技術的に困難であり、特に微細孔部分のアスペクト比が大きくなるため、金属埋込み技術に負担がかかる。

この種の銅配線形成プロセス、例えばシングルダマシン法で配線を形成する際に、基板の表面に形成した、例えば内径が数十μｍの微細孔（ビアホール）等の凹部の内部に銅を埋込む時には、微細孔の内部に銅が優先的（選択的）に析出し、それ以外の部分では、銅の析出が少ないことが望まれる。

従来の一般的なめっき装置は、平板状のアノードを備え、このアノードと被めっき材（カソード）とを互いに対面させて配置し、アノードと被めっき材とをめっき液中に浸漬乃至接触させた状態で、アノードと被めっき材との間に電圧を印加して被めっき材の表面にめっき膜を成膜するようにしている。

しかしながら、従来の一般的なめっき装置を使用した銅めっきで、基板の表面に設けた、例えば内径が数十μｍの微細孔等の凹部の内部に銅を埋込もうとすると、凹部の開口部角部に電界が集中し、ここに銅が優先的に析出して凹部の入口を塞ぎ、このため、凹部の内部に埋込まれた銅めっき膜の内部にボイドが発生してしまう。

このため、例えば、めっき液の組成や成分の濃度等を調整し、めっきの成膜速度を遅くして、微細孔等の凹部の内部に銅を優先的（選択的）に析出させることすることで、微細孔等の内部に埋込まれた銅めっき膜の内部にボイドが発生することを回避することが行われている。しかし、このように、めっきの成膜速度を遅くすると、その分、めっき処理に多大の時間がかかって、生産効率が低下してしまう。

本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、生産効率を悪化させることなく、基板の表面に形成した、例えば内径が数十μｍの微細孔（ビアホール）等の凹部の内部に、銅等の金属を、ボイドを発生させることなく、めっきで埋込むことができるようにしためっき装置及びめっき方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、表面の少なくとも一部に導電体層が形成された基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダで保持した基板の導電体層に対向する位置に配置されるアノードと、微細な中空形状で、前記アノードを貫通して前記導電体層に向けて突出し、前記アノードに電気的に接続させて固定した補助アノードを有することを特徴とするめっき装置である。

これにより、基板の表面に形成した、例えば内径が数十μｍの微細孔（ビアホール）等の凹部の内部に、銅等の金属をめっきで埋込む際、アノードに電気的に接続させて固定した微細な補助アノード先端を凹部内に挿入し、この状態でめっきを行うことで、凹部の開口部角部に電界が集中することを緩和しつつ、凹部の内部に位置する補助アノード先端に電界を最も集中させ、これによって、めっき膜を凹部の底部から成長させることができる。しかも、補助アノードの中空部を通して、金属イオンを含むめっき液を凹部内に積極的に供給することで、凹部の底部から成長するめっきの成膜速度を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、前記基板ホルダで保持した基板と前記アノードの少なくとも一方を、基板と前記アノードが互いに接離する方向に相対的に移動させる移動機構を更に有することを特徴とする請求項１記載のめっき装置である。
これにより、例えば、基板とアノードとを互いに近接させた状態でめっきを開始し、めっきの進行に伴って、基板とアノードとを互いに離れる方向に相対的に移動させることで、アノードと成長しためっき膜の表面との距離を常に一定に保持した状態でめっき処理を継続することができる。

請求項３に記載の発明は、前記補助アノードは、前記導電体層との反対向面側端部でめっき液供給管に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載のめっき装置である。これにより、めっき液供給管及び補助アノードの中空部を通して、金属イオンを含むめっき液を補助アノードの導電体層との対向面側端部から供給することができる。
請求項４に記載の発明は、前記補助アノードは、複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のめっき装置である。

請求項５に記載の発明は、前記導電体層は、基板の表面に設けられた凹部の表面に形成され、前記補助アノードは、該凹部に対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のめっき装置である。
これにより、例えば、基板の表面に微細孔（ビアホール）等の凹部が複数設けられている場合に、この各凹部内への銅等の金属のめっきによる埋込み作業を同時に行うことができる。

請求項６に記載の発明は、前記凹部は、横断面円形に形成され、前記補助アノードは、円管状に形成されていることを特徴とする請求項５記載のめっき装置である。
アノードに固定される補助アノードの形状は、基板に形成されて埋込みを行う凹部の形状に合わせて任意に選択される。基板に形成された凹部が、例えば微細孔（ビアホール）等の円形である場合には、アノードに固定される補助アノードは、この凹部形状に合わせて、円管状であることが好ましい。

請求項７に記載の発明は、前記凹部は、横断面円形に形成され、前記補助アノードは、２つの流路を有する二重管形状に形成され、一方の流路は前記めっき液供給管に接続され、他方の流路はめっき液排出管に接続されていることを特徴とする請求項５記載のめっき装置である。
これにより、基板に設けた凹部内に金属イオンを含むめっき液を積極的に供給しながら、めっき液排出管を通して凹部内のめっき液を外部に排出することで、凹部内の金属イオンを効率的に循環させて、めっき速度を更に向上させることができる。

請求項８に記載の発明は、前記補助アノードは、その外径が前記凹部の内径より小さく設定されていることを特徴とする請求項６または７記載のめっき装置である。これにより、アノードに固定した補助アノード先端を、基板に設けた凹部内に挿入することができる。
請求項９に記載の発明は、前記補助アノードの直径は、数μｍ〜１００μｍに設定されていることを特徴とする請求項８記載のめっき装置である。この補助アノードの直径は、基板に形成されて埋込みを行う凹部の内径に合わせて任意に選択される。

請求項１０に記載の発明は、前記補助アノードは、含リン銅で構成されているか、または不溶解性金属で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のめっき装置である。
例えば、銅めっきを行う場合にあっては、補助アノード（及びアノード）を、含有量が０．０３〜０．０５％のリンを含む銅（含リン銅）で構成することで、スライムの生成を抑制することができる。補助アノード（及びアノード）は、白金やチタン、イリジウム等の不溶解性金属で表面を覆った不溶解性電極であってもよく、このように、不溶解性電極とすることで、補助アノード（及びアノード）の交換等を不要となすことができる。

請求項１１に記載の発明は、前記アノードの前記導電体層との対向面は、絶縁体で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のめっき装置である。
このように、アノードの導電体層との対向面を絶縁体で被覆することで、補助アノードの先端に電界をより集中させてめっきを行い、例えば、補助アノードの先端を凹部内に挿入し、この状態でめっきを行う際に、凹部の開口部角部への電界集中をより緩和することができる。

請求項１２に記載の発明は、微細な中空形状の補助アノードを電気的に接続させ先端を突出させて固定したアノードと、表面を導電体層で覆われた凹部を有する基板を用意し、前記基板の凹部内に前記補助アノード先端を挿入し、前記アノードと前記導電体層との間にめっき液を満たし、前記補助アノードの中空部を通して前記凹部内にめっき液を供給しつつ、前記アノードと前記導電体層との間に電圧を印加して該導電体層の表面にめっきを行うことを特徴とするめっき方法である。

請求項１３に記載の発明は、めっきの進行に伴って、前記アノードと前記基板の少なくとも一方を互いに離れる方向に相対的に移動させることを特徴とする請求項１２記載のめっき方法である。
請求項１４に記載の発明は、補助アノードの中空部を通して前記凹部内にめっき液を供給しつつ、該凹部内のめっきを外部に排出して、凹部内のめっき液を循環させることを特徴とする請求項１２または１３記載のめっき方法である。

本発明によれば、基板の表面に形成した、例えば内径が数十μｍの微細孔（ビアホール）等の凹部の内部に、銅等の金属をめっきで埋込む際、アノードに固定した微細な補助アノードの先端を凹部内に挿入し、この状態でめっきを行うことで、めっき膜を凹部の底部から成長させ、これによって、銅等の金属を、ボイドを発生させることなく、凹部の内部にめっきで埋込むことができる。しかも、めっき液の組成や成分の濃度等を調整し、めっきの成膜速度を遅くする必要はないので、生産効率が低下してしまうことがないばかりでなく、補助アノードの中空部を通して、金属イオンを含むめっき液を凹部内に積極的に供給することで、凹部の底部から成長するめっきの成膜速度を更に向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。この実施の形態は、シングルダマシン法によって銅配線を形成するにあたり、半導体ウェーハ等の基板（シリコン基板）の表面に形成した、例えば内径が数十μｍの微細孔（ビアホール）の内部に、めっきによって銅を埋込むようにしためっき装置に適用した例を示す。なお、ＣＳＰ(Chip Size Package)やＳＩＰ(System in Package)等をプリント基板に実装する際に、めっきによって配線を形成するめっき装置に適用してもよいことは勿論である。

図１は、本発明の実施の形態のめっき装置を使用して、基板の表面にめっきを行っている時の状態を模式的に示し、図２は、図１の要部を拡大して示す。図１に示すように、このめっき装置は、表面（被めっき面）を上向きにして基板１０を着脱自在に保持する上下動自在な基板ホルダ２０と、この基板ホルダ２０の上方に配置された平板状のアノード３０を備えている。このアノード３０は、上下動機構４０を介して、上下動自在に構成されている。

この基板ホルダ２０に保持される基板１０の表面には、例えば内径が数十μｍの複数の微細孔（ビアホール）からなる凹部１２がリソグラフィ・エッチング技術等により形成されており、その上に導電体層としての銅シード層１４がＣＶＤ等により全面に形成されている。凹部（ビアホール）１２の内部には、銅めっきにより銅が埋込まれ、これによって、例えば多層配線における上層と下層の配線を接続する埋込みプラグが形成される。

なお、図示しないが、基板ホルダ２０の上方に位置して、基板ホルダ２０で保持し上昇させた基板１０の周縁部の銅シード層（導電体層）１４に接触して該銅シード層１４に陰極電位を与えるアノード電極と、このアノード電極の外側に配置され、基板ホルダ２０で保持し上昇させた基板１０の周縁部に圧接してここをシールするリング状のシール材が同心状に配置されている。

アノード３０は、この例では、含有量が０．０３〜０．０５％のリンを含む銅（含リン銅）で構成されており、これによって、銅めっきを行う際のスライムの生成を抑制することができるようになっている。なお、白金、チタン等の不溶解性金属でアノードを構成したり、金属の表面に白金やイリジウム等の不溶性金属をめっき等によって被覆した不溶解性電極でアノードを構成したりしてもよい。このように、不溶解性金属あるいは不溶解性電極でアノードを構成することで、アノードの交換等を不要となすことができる。

アノード３０の、基板ホルダ２０で基板１０を保持した時に、この基板１０に設けられた各凹部１２にそれぞれ対向する位置には、例えば、マクロマシニング工法によって作製された微細な補助アノード５０がアノード３０に電気的に接続されて固定されている。この補助アノード５０は、この例では、前述のアノード３０と同様に、含有量が０．０３〜０．０５％のリンを含む銅（含リン銅）で構成され、アノード３０に電気的に接続されてアノードしての役割を果たすようになっている。なお、前述のアノード３０と同様に、白金、チタン等の不溶解性金属で構成したり、金属の表面に白金やイリジウム等の不溶性金属をめっき等によって被覆して構成したりしてもよい。
この補助アノード５０は、中空形状に形成されて、この内部を流体が流通できるように構成され、その下部を下方に突出させた状態でアノード３０に固定されている。

このアノード３０に固定される補助アノード５０の形状は、基板１０に形成されて埋込みを行う凹部１２の形状に合わせて任意に選択される。この例では、基板１０に形成された凹部１２が、横断面円形の微細孔（ビアホール）であるので、補助アノード５０は、この凹部１２の形状に合わせて、図２に詳細に示すように、内筒５２と外筒５４とを有し、内筒５２の内部に第１の流路５６と、内筒５２と外筒５４との間に第２の流路５８をそれぞれ形成する二重管形状に形成されている。そして、この第１の流路５６の上端にめっき液供給管６０が該第１の流路と５６と連通して、第２の流路５８の上端にめっき液排出管６２が該第２の流路５８と連通してそれぞれ接続されている。これによって、めっき液供給管６０及び補助アノード５０の第１の流路５６を通して、金属イオンを含むめっき液を凹部１２内に積極的に供給し、めっき液排出管６２及び補助アノード５０の第２の流路５８を通して、凹部１２内のめっき液を外部に排出できることができるようになっている。

なお、補助アノードとして、パイプ状の単管を使用し、この単管の上端にめっき液供給管を接続して、この補充アノードを通してめっき液の供給のみを行い、めっき液の排出は他の場所で行うようにしてもよい。
この補助アノード５０の外径（外筒５４の外径）は、凹部１２の内径よりも小さく設定されて、補助アノード５０の下端を凹部１２の内部に挿入できるようになっている。補助アノード５０の外径は、凹部１２の内径に合わせて、例えば数μｍ〜１００μｍの範囲で任意に設定される。

そして、めっきに際しては、基板１０とアノード３０との間にめっき液７０が満たされ、アノード３０は電源８０の陽極に、銅シード層１４は、図示しないカソード電極を介して電源８０の陰極にそれぞれ接続されるようになっている。

次に、この実施の形態のめっき装置によるめっき処理を説明する。
先ず、表面の任意の位置に凹部（ビアホール）１２を形成し、更に導電体層として銅シード層１４を形成した基板１０を用意する。そして、この基板１０を、その表面を上方に向けた状態で、下降させた基板ホルダ２０の上面に載置保持する。次に、基板ホルダ２０を上昇させ、銅シード層１４を、図示しないアノード電極に接触させて、電源８０の陰極に通電できるようにするとともに、基板１０の外周部をシール材でシールする。この時、アノード３０は上昇した位置にある。

次に、上下動機構４０を介してアノード３０を下降させて、図１及び図２に示すように、アノード３０に固定した補助アノード５０の下端（先端）を、基板１０の凹部１２内に挿入する。そして、基板１０とアノード３０との間にめっき液７０を導入して、基板１０とアノード３０との間をめっき液７０で満たし、更に、めっき液供給管６０を通して凹部１２内に銅イオンを含むめっき液７０を注入しつつ、めっき液排出管６２を通して、凹部１２内のめっき液７０を外部に排出する。この状態で、アノード３０を電源８０の陽極に、銅シード層１４を、図示しないカソード電極を介して電源８０の陰極にそれぞれ接続し、これによって、銅シード層１４の表面に銅めっき膜を成膜する。

このように、基板１０の表面に形成した、例えば内径が数十μｍの微細孔（ビアホール）等の凹部１２の内部に、銅等の金属をめっきで埋込む際、補助アノード５０の先端を凹部１２内に挿入し、この状態でめっきを行うことで、凹部１２の開口部角部に電界が集中することを緩和しつつ、凹部１２の内部に位置する補助アノード５０の先端に電界を最も集中させ、これによって、めっき膜を凹部１２の底部から成長させることができる。しかも、めっき液供給管６０及び補助アノード５０の第１の流路５６を通して、金属イオンを含むめっき液を凹部１２内に積極的に供給することで、凹部１２の底部から成長するめっきの成膜速度を向上させ、更に、めっき液排出管６２及び補助アノード５０の第２の流路５８を通して凹部１２内のめっき液７０を外部に排出することで、凹部１２内の金属イオンを効率的に循環させて、めっき速度を更に向上させることができる。

この場合、めっき液供給管６０及び補助アノード５０の第１の流路５６を通して、金属イオンを含むめっき液を基板１０とアノード３０との間に導入し、他からは金属イオンを含まないめっき液を基板１０とアノード３０との間に導入するようにすることで、基板１０のフィールド部へのめっき抑制効果を得て、出来上がっためっき膜の平坦性を向上させることができる。

そして、めっきの進行に伴って、上下動機構４０を介して、アノード３０を基板１０から離れる方向に移動させて、アノード３０と成長しためっき膜の表面との距離を常に一定に保持し、この状態でめっき処理を継続する。これによって、常に最適な条件でめっきを継続することができる。

めっき終了後、電源８０とアノード３０及び銅シード層１４との通電を解いてアノード３０を上昇させ、基板１０の上に残っためっき液７０を吸引等によって除去し、更に必要におうじて、基板１０のめっき面を洗浄（リンス）し、基板１０をスピン乾燥させる。そして、基板ホルダ２０を下降させ、めっき処理後の基板１０を次工程に搬送する。

図３は、本発明の他の実施の形態のめっき装置でめっきを行っている状態を模式的に示す。この例の図１及び図２に示す例と異なる点は、銅シード層１４との対向面である、アノード３０の下面を絶縁体９０で被覆した点にある。その他の構成は、図１及び図２に示す例と同様である。

この例によれば、アノード３０の下面を絶縁体９０で被覆することで、補助アノード５０の先端に電界をより集中させてめっきを行い、例えば、補助アノード５０の先端を凹部１２の内部に挿入し、この状態でめっきを行う際に、凹部１２の開口部角部への電界集中をより緩和して、めっき膜の埋込み性を更に向上させることができる。

本発明の実施の形態のめっき装置でめっきを行っている状態を模式的に示す図である。 図１の要部拡大図である。 本発明の他の実施の形態のめっき装置でめっきを行っている状態を模式的に示す図である。

符号の説明

１０ 基板
１２ 凹部（ビアホール）
１４ 銅シード層（導電体層）
２０ 基板ホルダ
３０ アノード
４０ 上下動機構
５０ 補助アノード
５２ 内筒
５４ 外筒
５６ 第１の流路
５８ 第２の流路
６０ めっき液供給管
６２ めっき液排出管
７０ めっき液
８０ 電源
９０ 絶縁体

Claims (14)

1. 表面の少なくとも一部に導電体層が形成された基板を保持する基板ホルダと、
   前記基板ホルダで保持した基板の導電体層に対向する位置に配置されるアノードと、
   微細な中空形状で、前記アノードを貫通して前記導電体層に向けて突出し、前記アノードに電気的に接続させて固定した補助アノードを有することを特徴とするめっき装置。
2. 前記基板ホルダで保持した基板と前記アノードの少なくとも一方を、基板と前記アノードが互いに接離する方向に相対的に移動させる移動機構を更に有することを特徴とする請求項１記載のめっき装置。
3. 前記補助アノードは、前記導電体層との反対向面側端部でめっき液供給管に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載のめっき装置。
4. 前記補助アノードは、複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のめっき装置。
5. 前記導電体層は、基板の表面に設けられた凹部の表面に形成され、前記補助アノードは、該凹部に対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のめっき装置。
6. 前記凹部は、横断面円形に形成され、前記補助アノードは、円管状に形成されていることを特徴とする請求項５記載のめっき装置。
7. 前記凹部は、横断面円形に形成され、前記補助アノードは、２つの流路を有する二重管形状に形成され、一方の流路は前記めっき液供給管に接続され、他方の流路はめっき液排出管に接続されていることを特徴とする請求項５記載のめっき装置。
8. 前記補助アノードは、その外径が前記凹部の内径より小さく設定されていることを特徴とする請求項６または７記載のめっき装置。
9. 前記補助アノードの直径は、数μｍ〜１００μｍに設定されていることを特徴とする請求項８記載のめっき装置。
10. 前記補助アノードは、含リン銅で構成されているか、または不溶解性金属で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のめっき装置。
11. 前記アノードの前記導電体層との対向面は、絶縁体で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のめっき装置。
12. 微細な中空形状の補助アノードを電気的に接続させ先端を突出させて固定したアノードと、表面を導電体層で覆われた凹部を有する基板を用意し、
    前記基板の凹部内に前記補助アノード先端を挿入し、
    前記アノードと前記導電体層との間にめっき液を満たし、
    前記補助アノードの中空部を通して前記凹部内にめっき液を供給しつつ、前記アノードと前記導電体層との間に電圧を印加して該導電体層の表面にめっきを行うことを特徴とするめっき方法。
13. めっきの進行に伴って、前記アノードと前記基板の少なくとも一方を互いに離れる方向に相対的に移動させることを特徴とする請求項１２記載のめっき方法。
14. 補助アノードの中空部を通して前記凹部内にめっき液を供給しつつ、該凹部内のめっきを外部に排出して、凹部内のめっき液を循環させることを特徴とする請求項１２または１３記載のめっき方法。

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