JP2005213610A - めっき装置及びめっき方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 より高いシート抵抗をもつ基板に対しても、基板の被めっき面の全面により均一な膜厚のめっき膜を形成して、めっき金属を微細凹部の内部にボイドを生じさせることなく確実に埋込むことができるようにする。
【解決手段】 基板ホルダと３６と、基板ホルダ３６で保持した基板Ｗの周縁部に当接して該周縁部を水密的にシールするシール材９０と該基板と接触して通電させるカソード電極８８を備えたカソード部３８と、基板Ｗに対向する位置に配置されるアノード９８と、アノード９８と基板Ｗとの間に配置された保水性材料からなるめっき液含浸体１１０と、めっき液含浸体１１０と基板Ｗを相対運動させる駆動機構を有し、アノード９８に電位勾配を持たせるようにした。
【選択図】 図１１

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形成された微細配線パターン（凹部）に銅（Ｃｕ）等の導電性金属を埋込んで配線を形成するのに使用されるめっき装置及びめっき方法に関する。

近年、半導体基板上に配線回路を形成するための金属材料として、アルミニウムまた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。この種の銅配線は、基板の表面に設けた配線用の微細凹部の内部に銅を埋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、ＣＶＤ、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、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により不要の銅を除去するようにしている。

図１７は、この種の銅配線基板Ｗの製造例を工程順に示す。先ず、図１７（ａ）に示すように、半導体素子を形成した半導体基材１上の導電層１ａの上にＳｉＯ_２からなる絶縁膜２を堆積し、リソグラフィ・エッチング技術によりコンタクトホール３とトレンチ４かなる配線用の微細凹部を形成し、その上にＴａＮやＴｉＮ等からなるバリア層５、更にその上に電解めっきの給電層としてシード層７を形成する。

そして、図１７（ｂ）に示すように、基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、半導体基材１のコンタクトホール３及びトレンチ４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜２上の銅膜６、シード層７及びバリア層５を除去して、コンタクトホール３及びトレンチ４内に充填させた銅膜６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（ｃ）に示すように銅膜６からなる配線が形成される。

ここに、シード層７は、一般にスパッタリングやＣＶＤによって形成され、また、銅膜６を形成する電解銅めっきにあっては、めっき液として、その組成に硫酸銅と硫酸を含む硫酸銅めっき液が一般に使用されている。

近年、半導体デバイスの銅配線形成プロセスでは、微細配線化が進み、そのデザインルールも０．１８μｍ世代から０.１３μｍ世代、更には０.１０μｍ世代に移行すると考えられ、場合によっては、シード層レスの世代の到来もないとはいえない。このように、微細配線化が進むと、シード層の厚さをより薄くしないと、微細凹部の入口がオーバーハングした膜となり、めっき時にボイドができやすくなる。このため、デザインルールが０.１８μｍ世代のシード膜厚は、一般的には基板平面上で１５０〜２００ｎｍ程度であるが、０.１３μｍ世代では、めっき時のボイドの発生を防止するため、これらが５０ｎｍ程度となり、さらに０.１０μｍ世代では、５〜２５ｎｍ程度まで薄膜化する可能性がある。

ここで、基板の表面に電解銅めっきをする場合、基板の外周部を電極（電気接点）に接触させて電気を流している。このため、シード層が薄ければ薄いほど、めっき開始直後におけるシート抵抗が高くなり、めっき電流が基板の外周部に集中して、単一な電場補正の遮蔽板だけでは面内膜厚均一性をコントールできないと考えられる。

このため、出願人は、アノードとして、複数に分割した分割アノードを使用し、これらの各分割アノードに個別にめっき電源を接続することで、例えば基板上に初期めっき膜を形成する一定期間だけ、中央部側に位置する分割アノードの電流密度をその周辺より高め、基板外周部にめっき電流が集中することを防止して基板の中央部側にもめっき電流が流れるようにすることで、シート抵抗が高い場合であっても、均一なめっき膜を形成することができるようにしたものを提案した（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００２−１２９３８３号公報

しかしながら、シード層の膜厚がより薄くなり、更には、シード層レス化に伴って、シート抵抗が更に高くなると、分割アノードを使用したのみでは、配線用の微細凹部が形成された基板の被めっき面の全面により均一な膜厚のめっき膜を形成して、めっき金属を微細凹部の内部にボイドを生じさせることなく確実に埋込むことが困難となると考えられる。

本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、より高いシート抵抗をもつ基板に対しても、基板の被めっき面の全面により均一な膜厚のめっき膜を形成して、めっき金属を微細凹部の内部にボイドを生じさせることなく確実に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、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被めっき面の周縁部に当接して該周縁部を水密的にシールするシール材と該基板と接触して通電させるカソード電極を備えたカソード部と、前記基板の被めっき面に対向する位置に配置されるアノードと、前記アノードと前記基板の被めっき面との間に配置された保水性材料からなるめっき液含浸体と、前記めっき液含浸体と前記基板を相対運動させる駆動機構を有し、前記アノードに電位勾配を持たせるようにしたことを特徴とするめっき装置である。

これにより、例えば、基板上に初期めっき膜を形成する一定期間だけ、中央部側に位置する分割アノードの電流密度をその周辺より高め、基板外周部にめっき電流が集中することを防止して基板の中央部側にもめっき電流が流れるようにするとともに、内部にめっき液を保持しためっき液含浸材に大きな抵抗を発生させて、基板表面のシート抵抗の影響を無視できる程度となし、これによって、より高いシート抵抗をもつ基板に対しても、基板表面のシート抵抗による電流密度の面内差を小さくして、より均一な膜厚のめっき膜を確実に形成することができる。

請求項２に記載の発明は、前記アノードとして、不溶解アノードを用いることを特徴とする請求項１記載のめっき装置である。
このように、アノードとして、不溶解アノードを用いて、アノードの溶解による形状変化を防止することで、アノードを交換することなく、常に一定の放電状態を維持することができる。

請求項３に記載の発明は、前記アノードは、任意の形状に分割された複数の分割アノードからな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。
請求項４に記載の発明は、前記分割アノードは、同心円状またはチップ状に形成されていることを特徴とする請求項３記載のめっき装置である。
例えば、同心円状に複数に分割された分割アノードを使用することで、基板の中心部と周辺部とで電流密度を変えることができ、チップ状に複数に分割された分割アノードを使用することで、基板のある部分と他の部分とで電流密度を変えることができる。同心円状の分割アノードとチップ状の分割アノードを任意に組合せてアノードを構成してもよいことは勿論である。

請求項５に記載の発明は、前記分割アノードの少なくとも１つは、前記基板ホルダで保持した基板の被めっき面との距離が他の分割アノードと該被めっき面との距離と異なる位置に配置されることを特徴とする請求項３または４記載のめっき装置である。
これにより、各分割アノードの基板との対向面に凹凸を持たせ、アノードと基板の被めっき面との距離が部分的に異なるようにすることで、アノードと基板の被めっき面との間の電流密度の分布を調整することができる。

請求項６に記載の発明は、前記分割アノードの少なくとも１つと前記基板ホルダで保持した基板の被めっき面との間に供給される電流または電圧と、他の分割アノードと前記基板ホルダで保持した基板の被めっき面との間に供給される電流または電圧とが異なるようにした整流機構を有することを特徴とする請求項３または４記載のめっき装置である。
これにより、調整機構を介して、任意の分割アノードと基板の被めっき面との間に供給される電流または電圧を任意に変えることで、アノードと基板の被めっき面との間の電流密度の分布を調整することができる。

請求項７に記載の発明は、前記整流機構は、前記各分割アノードまたは分割アノード群毎に備えられた複数の整流器からなることを特徴とする請求項６記載のめっき装置である。
請求項８に記載の発明は、前記整流機構は、前記各分割アノードまたは分割アノード群毎に抵抗を変化させることが可能な素子または部品を備えた単一の整流器からなることを特徴とする請求項６記載のめっき装置である。
これにより、単一の調整器を使用して各分割アノードまたは分割アノード群毎に抵抗を変化させることで、構造の簡素化を図ることができる。

請求項９に記載の発明は、前記整流機構は、前記各分割アノードと前記基板ホルダで保持した基板の被めっき面との間に供給される電流または電圧の分布を最適化する機構を有することを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載のめっき装置である。
これにより、例えばアノードと基板の被めっき面との間の電流密度の分布を自動的に最適化することができる。

請求項１０に記載の発明は、バリア層及び／またはシード層で覆われた微細凹部を有する基板を用意し、カソード電極に接触させて通電させる基板の被めっき面に対向する位置に複数に分割された分割アノードから構成されるアノードを配置し、前記基板と前記アノードとの間に保水性材料からなるめっき液含浸体を配置し、めっき初期に、前記各分割アノードと前記基板の被めっき面との間に供給される電流または電圧の分布を基板の中心部が大きく周辺部が小さくなるように制御して前記微細凹部内にめっき金属を充填させることを特徴とするめっき方法である。

請求項１１に記載の発明は、バリア層及び／またはシード層で覆われた微細凹部を有する基板を用意し、カソード電極に接触させて通電させる基板の被めっき面に対向する位置に複数に分割された分割アノードから構成されるアノードを配置し、前記基板と前記アノードとの間に保水性材料からなるめっき液含浸体を配置し、めっき電解量に応じて、前記各分割アノードと前記基板の被めっき面との供給される電流または電圧の分布を変化させて前記微細凹部内にめっき金属を充填させることを特徴とするめっき方法である。

請求項１２に記載の発明は、バリア層及び／またはシード層で覆われた微細凹部を有する基板を用意し、カソード電極に接触させて通電させる基板の被めっき面に対向する位置に複数に分割された分割アノードから構成されるアノードを配置し、前記基板と前記アノードとの間に保水性材料からなるめっき液含浸体を配置し、前記基板の表面に形成された前記微細凹部のパターン形状に応じて、前記各分割アノードと前記基板の被めっき面との供給される電流または電圧の分布を変化させて該微細凹部内にめっき金属を充填する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、前記微細凹部を覆うバリア層及び／またはシード層は、Ｃｕ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｗ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ａｕ，ＰｔまたはＩｒ、またはそれらの窒化物からなることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれかに記載のめっき方法である。

本発明によれば、アノードと基板の被めっき面との間に保水性材料からなるめっき液含浸体を配置し、アノードに電位勾配を持たせることで、高いシート抵抗をもつ基板に対しても、基板の被めっき面の全面により均一な膜厚のめっき膜を形成して、めっき金属を微細凹部の内部にボイドを生じさせることなく確実に埋込むことができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。この実施の形態は、半導体基板の表面に設けた配線用の微細凹部に銅を埋込んで銅膜からなる配線を形成するようにした例を示す。
図１は、本発明の実施の形態におけるめっき装置を備えた基板処理装置の全体配置図を示す。図１に示すように、この基板処理装置には、同一設備内に位置して、内部に複数の基板Ｗを収納する２基のロード・アンロード部１０と、めっき処理を行う２基のめっき装置１２と、ロード・アンロード部１０とめっき装置１２との間で基板Ｗの受渡しを行う搬送ロボット１４と、めっき液タンク１６を有するめっき液供給設備１８が備えられている。

めっき装置１２には、図２に示すように、めっき処理及びその付帯処理を行う基板処理部２０が備えられ、この基板処理部２０に隣接して、めっき液を溜めるめっき液トレー２２が配置されている。また、回転軸２４を中心に揺動する揺動アーム２６の先端に保持されて基板処理部２０とめっき液トレー２２との間を揺動する電極ヘッド２８を有する電極アーム部３０が備えられている。更に、基板処理部２０の側方に位置して、プレコート・回収アーム３２と、純水やイオン水等の薬液、更には気体等を基板に向けて噴射する固定ノズル３４が配置されている。この例にあっては、３個の固定ノズル３４が備えられ、その内の１個を純水の供給用に用いている。

基板処理部２０には、図３に示すように、基板の表面（被めっき面）を上向きにして基板Ｗを保持する基板ホルダ３６と、この基板ホルダ３６の上方に該基板ホルダ３６の周縁部を囲繞するように配置されたカソード部３８が備えられている。更に、基板ホルダ３６の周囲を囲繞して処理中に用いる各種薬液の飛散を防止する有底略円筒状のカップ４０が、エアシリンダ（図示せず）を介して上下動自在に配置されている。

ここで、基板ホルダ３６は、エアシリンダ４４によって、下方の基板受渡し位置Ａと、上方のめっき位置Ｂと、これらの中間の前処理・洗浄位置Ｃとの間を昇降し、図示しない回転モータ及びベルトを介して、任意の加速度及び速度でカソード部３８と一体に回転するように構成されている。この基板受渡し位置Ａに対向して、めっき装置１２のフレーム側面の搬送ロボット１４側には、基板搬出入口（図示せず）が設けられ、また基板ホルダ３６がめっき位置Ｂまで上昇した時に、基板ホルダ３６で保持された基板Ｗの周縁部に下記のカソード部３８のシール材９０とカソード電極８８が当接するようになっている。一方、カップ４０は、その上端が基板搬出入口の下方に位置し、図３に仮想線で示すように、上昇した時に基板搬出入口を塞いでカソード部３８の上方に達するようになっている。

めっき液トレー２２は、めっき処理を実施していない時に、電極アーム部３０の下記のめっき液含浸体１１０及びアノード９８をめっき液で湿潤させるためのもので、このめっき液含浸体１１０が収容できる大きさに設定され、図示しないめっき液供給口とめっき液排水口を有している。また、フォトセンサがめっき液トレー２２に取付けられており、めっき液トレー２２内のめっき液の満水、即ちオーバーフローと排水の検出が可能になっている。

電極アーム部３０は、下記のように、サーボモータからなる上下動モータ１３２とボールねじ１３４を介して上下動し、旋回モータを介して、めっき液トレー２２と基板処理部２０との間を旋回（揺動）するようになっているが、空気圧アクチュエータを使用しても良い。

プレコート・回収アーム３２は、図４に示すように、上下方向に延びる支持軸５８の上端に連結されて、ロータリアクチュエータ６０を介して旋回（揺動）し、エアシリンダ（図示せず）を介して上下動するよう構成されている。このプレコート・回収アーム３２には、その自由端側にプレコート液吐出用のプレコートノズル６４が、基端側にめっき液回収用のめっき液回収ノズル６６がそれぞれ保持されている。そして、プレコートノズル６４は、例えばエアシリンダによって駆動するシリンジに接続されて、プレコート液がプレコートノズル６４から間欠的に吐出され、また、めっき液回収ノズル６６は、例えばシリンダポンプまたはアスピレータに接続されて、基板上のめっき液がめっき液回収ノズル６６から吸引されるようになっている。

前記基板ホルダ３６は、図５乃至図７に示すように、円板状の基板ステージ６８を備え、この基板ステージ６８の周縁部の円周方向に沿った６カ所に、上面に基板Ｗを水平に載置して保持する支持腕７０が立設されている。この支持腕７０の１つの上端には、基板Ｗの端面に当接して位置決めする位置決め板７２が固着され、この位置決め板７２を固着した支持腕７０に対向する支持腕７０の上端には、基板Ｗの端面に当接し回動して基板Ｗを位置決め板７２側に押付ける押付け片７４が回動自在に支承されている。また、他の４個の支持腕７０の上端には、回動して基板Ｗをこの上方から下方に押付けるチャック爪７６が回動自在に支承されている。

ここで、押付け片７４及びチャック爪７６の下端は、コイルばね７８を介して下方に付勢した押圧棒８０の上端に連結されて、この押圧棒８０の下動に伴って押付け片７４及びチャック爪７６が内方に回動して閉じるようになっており、基板ステージ６８の下方には、押圧棒８０に下面に当接してこれを上方に押上げる支持板８２が配置されている。
これにより、基板ホルダ３６が図３に示す基板受渡し位置Ａに位置する時、押圧棒８０は支持板８２に当接し上方に押上げられて、押付け片７４及びチャック爪７６が外方に回動して開き、基板ステージ６８を上昇させると、押圧棒８０がコイルばね７８の弾性力で下降して、押付け片７４及びチャック爪７６が内方に回転して閉じる。

前記カソード部３８は、図８及び図９に示すように、支持板８２（図７等参照）の周縁部に立設した支柱８４の上端に固着した環状の枠体８６と、この枠体８６の下面に内方に突出させて取付けた、この例では６分割されたカソード電極８８と、このカソード電極８８の上方を覆うように枠体８６の上面に取付けた環状のシール材９０とを有している。シール材９０は、その内周縁部が内方に向け下方に傾斜し、かつ徐々に薄肉となって、内周端部が下方に垂下するように構成されている。

これにより、図３に示すように、基板ホルダ３６がめっき位置Ｂまで上昇した時に、この基板ホルダ３６で保持した基板Ｗの周縁部にカソード電極８８が押付けられて通電し、同時にシール材９０の内周端部が基板Ｗの周縁部上面に圧接し、ここを水密的にシールして、基板の上面（被めっき面）に供給されためっき液が基板Ｗの端部から染み出すのを防止するとともに、めっき液がカソード電極８８を汚染することを防止するようになっている。
なお、この例において、カソード部３８は、上下動不能で基板ホルダ３６と一体に回転するようになっているが、上下動自在で、下降した時にシール材９０が基板Ｗの被めっき面に圧接するように構成しても良い。

前記電極アーム部３０の電極ヘッド２８は、図１０及び図１１に示すように、揺動アーム２６の自由端にボールベアリング９２を介して連結したハウジング９４と、このハウジング９４の下端開口部を塞ぐように配置された、保水性材料からなるめっき液含浸体１１０とを有している。すなわち、このハウジング９４の下部には、内方に突出した内方突出部９４ａが、めっき液含浸体１１０の上部にはフランジ部１１０ａがそれぞれ設けられ、このフランジ部１１０ａを内方突出部９４ａに引っ掛け、更にスペーサ９６を介装することで、ハウジング９４にめっき液含浸体１１０が保持されている。これによって、ハウジング９４の内部に中空のめっき液室１００が区画形成されている。

このめっき液含浸体１１０は、アルミナ，ＳｉＣ，ムライト，ジルコニア，チタニア，コージライト等の多孔質セラミックスまたはポリプロピレンやポリエチレンの焼結体等の硬質多孔質体、あるいはこれらの複合体、更には織布や不織布で構成される。例えば、アルミナ系セラミックスにあっては、ポア径３０〜２００μｍ、ＳｉＣにあっては、ポア径３０μｍ以下、気孔率２０〜９５％、厚み１〜２０ｍｍ、好ましくは５〜２０ｍｍ、更に好ましくは８〜１５ｍｍ程度のものが使用される。この例では、例えば気孔率３０％、平均ポア径１００μｍでアルミナ製の多孔質セラミックス板から構成されている。そして、この内部にめっき液を含有させることで、つまり多孔質セラミックス板自体は絶縁体であるが、この内部にめっき液を複雑に入り込ませ、厚さ方向にかなり長い経路を辿らせることで、めっき液の電気伝導率より小さい電気伝導率を有するように構成されている。

このようにめっき液含浸体１１０をめっき液室１００内に配置し、このめっき液含浸体１１０によって大きな抵抗を発生させることで、シード層７（図１７参照）等の基板表面のシート抵抗の影響を無視できる程度となし、基板Ｗの表面のシート抵抗による電流密度の面内差を小さくして、めっき膜の面内均一性を向上させることができる。

前記めっき液室１００内には、アノード９８が、この上方に配置しためっき液導入管１０４の下面に取付けられて配置されている。めっき液導入管１０４には、めっき液導入口１０４ａが設けられ、このめっき液導入口１０４ａにめっき液供給設備１８（図１参照）から延びるめっき液供給管１０２が接続され、更に、ハウジング９４の上面に設けられためっき液排出口９４ｂにめっき液室１００に連通するめっき液排出管１０６が接続されている。

めっき液導入管１０４は、被めっき面に均一にめっき液を供給できるように、マニホールド構造が採用されている。即ち、その長手方向に沿った所定の位置に、この内部に連通する多数の細管（図示せず）が連結されている。そして、アノード９８及びめっき液含浸体１１０のこの細管に対応する位置には細孔が設けられ、細管は、これらの細孔内を下方に延びて、めっき液含浸体１１０の下面乃至該下面付近に達するように構成されている。

これにより、めっき液供給管１０２からめっき液導入管１０４に導入されためっき液は、細管を通過してめっき液含浸体１１０の下方に達し、このめっき液含浸体１１０の内部を通過してめっき液室１００内を満たしてアノード９８をめっき液中に浸漬させ、めっき液排出管１０６を吸引することで、めっき液排出管１０６から排出されるようになっている。
なお、アノード９８の内部に、上下に連通する多数の貫通孔を設け、めっき液室１００内に導入しためっき液が該貫通孔内を流通してめっき液含浸材１１０に達するようにしてもよい。

アノード９８は、スライムの生成を抑制するため、一般に、含有量が０．０３〜０．０５％のリンを含む銅（含リン銅）で構成される。この例では、アノード９８として、例えば、白金、チタン等の不溶解性金属あるいは金属上に白金等をめっきした不溶解性電極からなる不溶解アノードが使用されている。このように、アノード９８として、不溶解アノードを用いることで、アノード９８の溶解による形状変化を防止して、アノード９８を交換することなく、常に一定の放電状態を維持することができる。

アノード９８は、この例では同心状に４つに分割した分割アノード９８ａ〜９８ｄから構成され、この分割アノード９８ａ〜９８ｄの各分割面にリング状の絶縁体９９ａ〜９９ｃが介装されている。つまり、アノード９８は、中央に位置する中実円板状の第１分割アノード９８ａ、第１分割アノード９８ａの周囲を囲繞する中空円板状の第２分割アノード９８ｂ、第２分割アノード９８ｂの周囲を囲繞する中空円板状の第３分割アノード９８ｃ、及び第３分割アノード９８ｃの周囲を囲繞する中空円板状の第４分割アノード９８ｄからなる。そして、第１分割アノード９８ａと第２分割アノード９８ｂの間、第２分割アノード９８ｂと第３分割アノード９８ｃの間、及び第３分割アノード９８ｃと第４分割アノード９８ｄの間に、リング状の絶縁体９９ａ〜９９ｃをそれぞれ介装され、これらの分割アノード９８ａ〜９８ｄ及び絶縁体９９ａ〜９９ｃは平面状に配置されている。

カソード電極８８はめっき電源１１４の陽極に、アノード９８はめっき電源１１４の陰極にそれぞれ電気的に接続されるのであるが、このめっき電源１１４は、流れる電流の向きを任意に変更できるようになっている。更に、この例では、整流機構を構成する整流器１１５が備えられ、この整流器１１５に内蔵した素子または部品を介して、第１分割アノード９８ａと基板の被めっき面、第２分割アノード９８ｂと基板の被めっき面、第３分割アノード９８ｃと基板のめっき面、及び第４分割アノード９８ｄと基板の被めっき面に供給される電圧または電流を個別かつ任意に調整できるようになっている。

これにより、例えば、めっき初期において、第４分割アノード９８ｄ＜第３分割アノード９８ｃ＜第２分割アノード９８ｂ＜第１分割アノード９８ａの順に、アノード９８の中央部側の方が、その周囲よりも電流密度が高くなるよう調整して基板Ｗの中央部にもめっき電流を流し、しかも、内部にめっき液を保持しためっき液含浸材１１０に大きな抵抗を発生させ、基板表面のシート抵抗の影響を無視できる程度となすことと相まって、より高いシート抵抗をもつ基板に対しても、基板表面のシート抵抗による電流密度の面内差を小さくして、より均一な膜厚のめっき膜を確実に形成することができる。

なお、図１３に示すように、各分割アノード９８ａ〜９８ｄの基板Ｗとの対向面が凹凸を有するように各分割アノード９８ａ〜９８ｄを配置してアノード９８を構成し、アノード９８と基板Ｗの被めっき面との距離Ｈが部分的に、つまり分割アノード９８ａ〜９８ｄ毎に異なるようにすることで、アノード９８と基板Ｗの被めっき面との間の電流密度の分布を調整するようにしてもよい。また、図示しないが、前述の整流器１１５の代わりに、分割アノード９８ａ〜９８ｄ毎に整流器（整流機構）を備えるようにしてもよい。また、整流器１１５は、各分割アノード９８ａ〜９８ｄと基板の被めっき面との間に供給される電流または電圧の分布を最適化する機構を有することが好ましく、これにより、例えばアノード９８と基板の被めっき面との間の電流密度の分布を自動的に最適化することができる。

ボールベアリング９２は、保持部１２４を介して揺動アーム２６に吊下げ保持されている。また、揺動アーム２６は、サーボモータからなる上下動モータ１３２とボールねじ１３４を介して上下動するように構成されている。この上下機構は空気圧アクチュエータであってもよい。

そして、電解めっきを行うときには、基板ホルダ３６がめっき位置Ｂ（図３参照）にある時に、基板ホルダ３６で保持した基板Ｗとめっき液含浸体１１０との隙間が、例えば０．１〜３ｍｍ程度となるまで電極ヘッド２８を下降させ、この状態で、めっき液供給管１０２からめっき液を供給して、めっき液含浸体１１０にめっき液を含ませながら、基板Ｗの上面（被めっき面）からめっき液室１００の内部をめっき液で満たす。これによって、基板Ｗの被めっき面にめっきを施す。

次に、前記のめっき装置を備えた基板処理装置の操作について説明する。
先ず、ロード・アンロード部１０からめっき処理前の基板Ｗを搬送ロボット１４で取出し、表面（被めっき面）を上向きにした状態で、フレームの側面に設けられた基板搬出入口から一方のめっき装置１２の内部に搬送する。この時、基板ホルダ３６は、下方の基板受渡し位置Ａにあり、搬送ロボット１４は、そのハンドが基板ステージ６８の真上に到達した後に、ハンドを下降させることで、基板Ｗを支持腕７０上に載置する。そして、搬送ロボット１４のハンドを、前記基板搬出入口を通って退去させる。

搬送ロボット１４のハンドの退去が完了した後、カップ４０を上昇させ、同時に基板受渡し位置Ａにあった基板ホルダ３６を前処理・洗浄位置Ｃに上昇させる。この時、この上昇に伴って、支持腕７０上に載置された基板は、位置決め板７２と押付け片７４で位置決めされ、チャック爪７６で確実に把持される。

一方、電極アーム部３０の電極ヘッド２８は、この時点ではめっき液トレー２２上の通常位置にあって、めっき液含浸体１１０あるいはアノード９８がめっき液トレー２２内に位置しており、この状態でカップ４０の上昇と同時に、めっき液トレー２２及び電極ヘッド２８にめっき液の供給を開始する。そして、基板のめっき工程に移るまで、新しいめっき液を供給し、併せてめっき液排出管１０６を通じた吸引を行って、めっき液含浸体１１０に含まれるめっき液の交換と泡抜きを行う。なお、カップ４０の上昇が完了すると、フレーム側面の基板搬出入口はカップ４０で塞がれて閉じ、フレーム内外の雰囲気が遮断状態となる。

カップ４０が上昇するとプレコート処理に移る。即ち、基板Ｗを受取った基板ホルダ３６を回転させ、待避位置にあったプレコート・回収アーム３２を基板と対峙する位置へ移動させる。そして、基板ホルダ３６の回転速度が設定値に到達したところで、プレコート・回収アーム３２の先端に設けられたプレコートノズル６４から、例えば界面活性剤からなるプレコート液を基板の被めっき面に間欠的に吐出する。この時、基板ホルダ３６が回転しているため、プレコート液は基板Ｗの被めっき面の全面に行き渡る。次に、プレコート・回収アーム３２を待避位置へ戻し、基板ホルダ３６の回転速度を増して、遠心力により基板Ｗの被めっき面のプレコート液を振り切って乾燥させる。

プレコート完了後にめっき処理に移る。先ず、基板ホルダ３６を、この回転を停止、若しくは回転速度をめっき時速度まで低下させた状態で、めっきを施すめっき位置Ｂまで上昇させる。すると、基板Ｗの周縁部は、カソード電極８８に接触して通電可能な状態となり、同時に基板Ｗの周縁部上面にシール材９０が圧接して、基板Ｗの周縁部が水密的にシールされる。

一方、搬入された基板Ｗのプレコート処理が完了したという信号に基づいて、電極アーム部３０をめっき液トレー２２上方から電解処理を施す位置の上方に電極ヘッド２８が位置するように水平方向に旋回させ、この位置に到達した後に、電極ヘッド２８をカソード部３８に向かって下降させる。この時、めっき液含浸体１１０を基板Ｗの被めっき面に接触することなく、０.１ｍｍ〜３ｍｍ程度に近接した位置とし、電極ヘッド２８の下降が完了した時点で、めっき処理を開始する。

つまり、めっき電源１１４の陰極をカソード電極８８に、陽極を各分割アノード９８ａ〜９８ｄにそれぞれ接続し、例えばカソード電極８８と各分割アノード９８ａ〜９８ｄとの間に一定の電圧を印加する定電圧制御を行いながら、めっき液供給管１０２からめっき液を電極ヘッド２８の内部に供給して、めっき液含浸体１１０にめっき液を含ませながら、基板Ｗの上面（被めっき面）からめっき液室１００の内部をめっき液で満たす。この時、必要に応じて、各分割アノード９８ａ〜９８ｄとカソード電極８８との間に印加する電圧を調整する。

このように、カソード電極８８と各分割アノード９８ａ〜９８ｄとの間に一定の電圧を印加する定電圧制御を行いながらめっき液を供給することで、基板Ｗをめっき液に接触させた時にシード層７（図１７参照）がめっき液に溶解されてしまうことを防止することができる。

そして、液張りの終了後に、例えばカソード電極８８と各分割アノード９８ａ〜９８ｄとの間に一定の電流を流す定電流制御を行いながら、基板の表面（シード層７）にめっき膜を成長させる。この時、めっき初期の段階においては、前述のように、例えば第４分割アノード９８ｄ＜第３分割アノード９８ｃ＜第２分割アノード９８ｂ＜第１分割アノード９８ａの順に、アノード９８の中央部側の方が、その周囲よりも電流密度が高くなるよう調整し、基板Ｗの中央部にもめっき電流を流してめっき膜を形成し、めっき膜厚が厚くなり、シート抵抗が低くなった時点で、４つの分割アノード９８ａ〜９８ｄの電流密度を同一にする。この時、必要に応じて、基板ホルダ３６を低速で回転させる。

これにより、高いシート抵抗をもつ基板に対しても、基板の被めっき面の全面により均一な膜厚のめっき膜を形成して、めっき金属をコンタクトホール３やトレンチ４からなる微細凹部（図１７参照）の内部にボイドを生じさせることなく確実に埋込むことができる。

なお、めっき膜の膜厚が所定の値に達した時に、カソード電極８８がアノード、各分割アノード９８ａ〜９８ｄがカソードとなるように電流（電圧）を切換え、カソード電極（アノード）８８と各分割アノード（カソード）９８ａ〜９８ｄとの間に一定電流を流して、めっき膜の表面をエッチング除去して平坦化し、しかる後、カソード電極８８がカソード、アノード９８がアノードとなるように電流（電圧）を切換えるようにしてもよい。

そして、めっき処理が完了すると、電極アーム部３０を上昇させ旋回させてめっき液トレー２２上方へ戻し、通常位置へ下降させる。次に、プレコート・回収アーム３２を待避位置から基板Ｗに対峙する位置へ移動させて下降させ、めっき液回収ノズル６６から基板Ｗ上のめっき液の残液を回収する。この残液の回収が終了した後、プレコート・回収アーム３２を待避位置へ戻し、基板のめっき面のリンスのために、純水用の固定ノズル３４から基板Ｗの中央部に純水を吐出し、同時に基板ホルダ３６をスピードを増して回転させて基板Ｗの表面のめっき液を純水に置換する。このように、基板Ｗのリンスを行うことで、基板ホルダ３６をめっき位置Ｂから下降させる際に、めっき液が跳ねて、カソード部３８のカソード電極８８が汚染されることが防止される。

リンス終了後に水洗工程に入る。即ち、基板ホルダ３６をめっき位置Ｂから前処理・洗浄位置Ｃへ下降させ、純水用の固定ノズル３４から純水を供給しつつ基板ホルダ３６及びカソード部３８を回転させて水洗を実施する。この時、カソード部３８に直接供給した純水、または基板Ｗの面から飛散した純水によってシール材９０及びカソード電極８８も基板と同時に洗浄することができる。

水洗完了後にドライ工程に入る。即ち、固定ノズル３４からの純水の供給を停止し、更に基板ホルダ３６及びカソード部３８の回転スピードを増して、遠心力により基板表面の純水を振り切って乾燥させる。併せて、シール材９０及びカソード電極８８も乾燥される。ドライ工程が完了すると基板ホルダ３６及びカソード部３８の回転を停止させ、基板ホルダ３６を基板受渡し位置Ａまで下降させる。すると、チャック爪７６による基板Ｗの把持が解かれ、基板Ｗは、支持腕７０の上面に載置された状態となる。これと同時に、カップ４０も下降させる。

以上でめっき処理及びそれに付帯する前処理や洗浄・乾燥工程の全ての工程を終了し、搬送ロボット１４は、そのハンドを基板搬出入口から基板Ｗの下方に挿入し、そのまま上昇させることで、基板ホルダ３６から処理後の基板Ｗを受取る。そして、搬送ロボット１４は、この基板ホルダ３６から受取った処理後の基板Ｗをロード・アンロード部１０に戻す。

図１４は、アノードの更に他の例を示す。この図１４に示すアノード１５０は、円筒状のハウジング１５２の内部に絶縁体１５４を格子状に配置し、この絶縁体１５４で区画された各升目の内部に個々に配置した矩形チップ状の複数の分割アノード１５６から構成されている。そして、この各分割アノード１５６は、めっき電源１５８に接続した整流機構を構成する整流器１６０に内蔵した素子または部品を介して、該各分割アノード１５６と基板の被めっき面との間に供給される電圧または電流を個別かつ任意に調整できるようになっている。

このように構成したアノード１５０を、例えば図１乃至図１１に示すめっき装置１２のアノード９８の代わりに使用することにより、アノード１５０と対面する基板のある部分と他の部分とで電流密度を変えることができる。これによって、例えば、めっき電解量に応じて、各分割アノード１５６と基板の被めっき面との供給される電流または電圧の分布を変化させて、微細凹部内にめっき金属を充填させたり、基板の表面に形成された微細凹部のパターン形状に応じて、各分割アノード１５６と基板の被めっき面との供給される電流または電圧の分布を変化させて該微細凹部内にめっき金属をする充填させることができる。

この時、前述と同様に、整流器１６０として、各分割アノード１５６と基板の被めっき面との間に供給される電流または電圧の分布を最適化する機構を有するものを使用することで、各分割アノード１５６と基板の被めっき面との間の電流密度の分布を自動的に最適化することができる。

なお、この例では、各分割アノード１５６と基板の被めっき面との間に供給される電圧または電流を個別かつ任意に調整できるようにしているが、分割アノード１５６を複数の分割アノードからなる分割アノード群に分け、各分割アノード群毎に基板の被めっき面との間に供給される電圧または電流を個別かつ任意に調整できるようにしてもよい。

また、このチップ状の分割アノードの形状は、矩形状に限らず、例えば三角形状等、任意の形状であってもよく、また前述の同心円状の分割アノードとチップ状の分割アノードとを組合せるようにしてもよい。

図１５は、本発明のめっき装置を備えた基板処理装置の他の例の全体配置図を示す。この基板処理装置は、メインフレーム２００内への基板の搬入及び搬出を行う２基のロード・アンロード部２０２を備えている。メインフレーム２００の内部には、基板の表面に形成しためっき膜に熱処理（アニール）を行う熱処理装置２０４、基板の周縁部に成膜乃至付着しためっき膜を除去するベベルエッチング装置２０６、基板の表面を薬液や純水等の洗浄液で洗浄しスピン乾燥させる２基の洗浄・乾燥装置２０８、基板を仮置きする基板ステージ２１０及び２基のめっき装置２１２が配置されている。また、メインフレーム２００の内部には、ロード・アンロード部２０２と基板ステージ２１０との間で基板の受渡しを行う走行自在な第１搬送ロボット２１４と、基板ステージ２１０、熱処理装置２０４、ベベルエッチング装置２０６、洗浄・乾燥装置２０８及びめっき装置２１２の間で基板の受渡しを行う走行自在な第２搬送ロボット２１６が備えられている。この例では、めっき装置２１２として、図１乃至図１１に示すめっき装置１２とほぼ同じ構成のものを使用している。

ここで、メインフレーム２００には遮光処理が施され、これによって、このメインフレーム２００内での以下の各工程を遮光状態で、つまり、配線に照明光等の光が当たることなく行えるようになっている。このように、配線に光を当たることを防止することで、例えば銅からなる配線に光が当たって光電位差が生じ、この光電位差によって配線が腐食してしまうことを防止することができる。

更に、メインフレーム２００の側方に位置して、めっき液タンク２２０とめっき液分析装置２２２を有し、めっき装置２１２で使用するめっき液の成分を分析し管理して、所定の組成のめっき液をめっき装置２１２に供給するめっき液管理装置２２４が付設されている。めっき液分析装置２２２は、例えばサイクリックボルタンメトリ（ＣＶＳ）や液クロマトグラフィ等により有機物を分析する有機物分析部と、中和滴定、酸化還元滴定、ポーラログラフィまたは電気滴定等により無機物を分析する無機物分析部を有している。そして、めっき液分析装置２２２の分析結果をフィードバックして、めっき液タンク２２０内のめっき液の成分を調整するようになっている。めっき液管理装置２２４をメインフレーム２００内に内蔵するようにしてもよい。

次に、この基板処置装置で銅配線を形成する例を、図１６を更に参照して説明する。
先ず、表面に給電層としてのシード層７（図１７参照）を形成した基板を用意し、この基板を収納した基板カセットをロード・アンロード部２０２に搭載する。そして、ロード・アンロード部２０２に搭載した基板カセットから１枚の基板を第１搬送ロボット２１４で取出してメインフレーム２００内に搬入し、基板ステージ２１０に搬送して載置保持する。第２搬送ロボット２１６は、基板ステージ２１０に載置保持された基板を、いずれかのめっき装置２１２に搬送する。

めっき装置２１２では、前述と同様に、先ず、基板の表面（被めっき面）にプレコート等のめっき前処理を行う。この時、めっき液タンク２２０内のめっき液の組成をめっき液分析装置２２２で分析し、不足する成分をめっき液タンク２２０内のめっき液に補給することで、めっき液タンク２２０から一定の組成のめっき液をめっき装置２１２に供給する。そして、めっき終了後、前述と同様に、基板上に残っためっき液を回収し、基板のめっき面をリンスした後、基板の表面を純水等で洗浄（水洗）し、この洗浄後の基板を第２搬送ロボット２１６でベベルエッチング装置２０６に搬送する。

ベベルエッチング装置２０６では、例えば基板を水平に保持し回転させた状態で、基板の表面側の中央部に酸溶液を連続的に、周縁部に酸化剤溶液を連続的または間欠的に供給する。この酸溶液としては非酸化性の酸であればよく、例えばフッ酸、塩酸、硫酸、クエン酸、蓚酸等を用いる。この酸化剤溶液としては、オゾン水、過酸化水素水、硝酸水、次亜塩素酸ナトリウム水等のいずれかを用いるか、またはそれらの組み合わせを用いる。これにより、基板Ｗの周縁部（ベベル部）に成膜乃至付着した銅等を酸化剤溶液で急速に酸化させ、同時に基板の中央部から供給されて基板の表面全面に拡がる酸溶液によってエッチングして溶解除去する。

この時、基板の裏面中央部に酸化剤溶液とシリコン酸化膜エッチング剤とを同時または交互に供給し、これにより基板Ｗの裏面側に金属状で付着している銅等を基板のシリコンごと酸化剤溶液で酸化しシリコン酸化膜エッチング剤でエッチングして除去するようにしてもよい。

このベベルエッチング後の基板を、第２搬送ロボット２１６でいずれかの洗浄・乾燥装置２０８へ搬送して、基板の表面の薬液や純水等の洗浄水による洗浄を行ってスピン乾燥させる。そして、この乾燥後の基板を、第２搬送ロボット２１６で熱処理装置２０４に搬送する。

この熱処理装置２０４では、基板Ｗの表面に形成した銅膜６（図１７参照）の熱処理（アニール）を行い、これによって、配線を形成する銅膜６を結晶化させる。この熱処理（アニール）は、基板を、例えば４００℃となるように加熱し、例えば数十秒〜６０秒程度、加熱を継続して終了する。同時に、必要に応じて、熱処理装置２０４の内部に酸化防止用のガスを導入し、このガスを基板の表面に沿って流すことで、銅膜６の表面の酸化を防止する。基板の加熱温度は、一般的には、１００〜６００℃、好ましくは３００〜４００℃である。

この熱処理を行った基板Ｗを、第２搬送ロボット２１６で基板ステージ２１０に搬送して保持し、この基板ステージ２１０で保持した基板を第１搬送ロボット２１４でロード・アンロード部２０２のカセットに戻す。
しかる後、絶縁膜２上に形成された余分な金属並びにバリア層を化学機械的研磨（ＣＭＰ）などの方法によって除去し平坦化することにより、図１７（ｃ）に示すように、銅膜６からなる配線を形成する。

なお、上記の例では、バリア層としてＴａＮやＴｉＮ等を、シード層として銅をそれぞれ使用した例を示しているが、これらの他に、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｗ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ａｕ，ＰｔまたはＩｒ、またはこれらの窒化物を使用してもよい。

本発明の実施の形態のめっき装置を備えた基板処理装置の全体を示す平面図である。 図１に示すめっき装置を示す平面図である。 図１に示すめっき装置の基板ホルダ及び電極部の拡大断面図である。 図１に示すめっき装置のプレコート・回収アームを示す正面図である。 図１に示すめっき装置の基板ホルダの平面図である。 図５のＢ−Ｂ線断面図である。 図５のＣ−Ｃ線断面図である。 図１に示すめっき装置の電極部の平面図である。 図８のＤ−Ｄ線断面図である。 図１に示すめっき装置の電極アーム部の平面図である。 図１に示すめっき装置の電極ヘッド及び基板ホルダを概略的に示す電解めっき時における断面図である。 図１に示すめっき装置のアノードの平面図である。 アノードの変形例を示す断面図である。 アノードの他の例を示す平面図である。 本発明のめっき装置を備えた基板処理装置の他の例を示す平面図である。 図１５に示す基板処理装置で基板処理を行うときのブロック図である。 めっき処理によって銅配線を形成する例を工程順に示す図である。

符号の説明

６ 銅（銅膜）
１２ めっき装置
２０ 基板処理部
２６ 揺動アーム
２８ 電極ヘッド
３０ 電極アーム部
３６ 基板ホルダ
３８ カソード部
６８ 基板ステージ
７０ 支持腕
８８ カソード電極
９０ シール材
９４ ハウジング
９８，１５０ アノード
９８ａ〜９８ｄ，１５６ 分割アノード
９９ａ〜９９ｃ，１５４ 絶縁体
１１０ めっき液含浸材
１１４，１５８ 電源
１１５，１６０ 整流器

Claims (13)

1. 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被めっき面の周縁部に当接して該周縁部を水密的にシールするシール材と該基板と接触して通電させるカソード電極を備えたカソード部と、
   前記基板の被めっき面に対向する位置に配置されるアノードと、
   前記アノードと前記基板の被めっき面との間に配置された保水性材料からなるめっき液含浸体と、
   前記めっき液含浸体と前記基板を相対運動させる駆動機構を有し、
   前記アノードに電位勾配を持たせるようにしたことを特徴とするめっき装置。
2. 前記アノードとして、不溶解アノードを用いることを特徴とする請求項１記載のめっき装置。
3. 前記アノードは、任意の形状に分割された複数の分割アノードからな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. 前記分割アノードは、同心円状またはチップ状に形成されていることを特徴とする請求項３記載のめっき装置。
5. 前記分割アノードの少なくとも１つは、前記基板ホルダで保持した基板の被めっき面との距離が他の分割アノードと該被めっき面との距離と異なる位置に配置されることを特徴とする請求項３または４記載のめっき装置。
6. 前記分割アノードの少なくとも１つと前記基板ホルダで保持した基板の被めっき面との間に供給される電流または電圧と、他の分割アノードと前記基板ホルダで保持した基板の被めっき面との間に供給される電流または電圧とが異なるようにした整流機構を有することを特徴とする請求項３または４記載のめっき装置。
7. 前記整流機構は、前記各分割アノードまたは分割アノード群毎に備えられた複数の整流器からなることを特徴とする請求項６記載のめっき装置。
8. 前記整流機構は、前記各分割アノードまたは分割アノード群毎に抵抗を変化させることが可能な素子または部品を備えた単一の整流器からなることを特徴とする請求項６記載のめっき装置。
9. 前記整流機構は、前記各分割アノードと前記基板ホルダで保持した基板の被めっき面との間に供給される電流または電圧の分布を最適化する機構を有することを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載のめっき装置。
10. バリア層及び／またはシード層で覆われた微細凹部を有する基板を用意し、
    カソード電極に接触させて通電させる基板の被めっき面に対向する位置に複数に分割された分割アノードから構成されるアノードを配置し、
    前記基板と前記アノードとの間に保水性材料からなるめっき液含浸体を配置し、
    めっき初期に、前記各分割アノードと前記基板の被めっき面との間に供給される電流または電圧の分布を基板の中心部が大きく周辺部が小さくなるように制御して前記微細凹部内にめっき金属を充填させることを特徴とするめっき方法。
11. バリア層及び／またはシード層で覆われた微細凹部を有する基板を用意し、
    カソード電極に接触させて通電させる基板の被めっき面に対向する位置に複数に分割された分割アノードから構成されるアノードを配置し、
    前記基板と前記アノードとの間に保水性材料からなるめっき液含浸体を配置し、
    めっき電解量に応じて、前記各分割アノードと前記基板の被めっき面との供給される電流または電圧の分布を変化させて前記微細凹部内にめっき金属を充填させることを特徴とするめっき方法。
12. バリア層及び／またはシード層で覆われた微細凹部を有する基板を用意し、
    カソード電極に接触させて通電させる基板の被めっき面に対向する位置に複数に分割された分割アノードから構成されるアノードを配置し、
    前記基板と前記アノードとの間に保水性材料からなるめっき液含浸体を配置し、
    前記基板の表面に形成された前記微細凹部のパターン形状に応じて、前記各分割アノードと前記基板の被めっき面との間に供給される電流または電圧の分布を変化させて該微細凹部内にめっき金属を充填することを特徴とするめっき方法。
13. 前記微細凹部を覆うバリア層及び／またはシード層は、Ｃｕ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｗ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ａｕ，ＰｔまたはＩｒ、またはそれらの窒化物からなることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれかに記載のめっき方法。

Images