JP2006322070A - めっき方法およびこれを用いた半導体装置の製造方法、ならびにめっき装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ウェーハ109の被成膜面をカソード電極107に接続し、被成膜面をめっき液103の液面に対して傾斜させるとともに、カソード電極107とめっき液103中に配置されたアノード電極105との間に第一の電流を供給しながら、ウェーハ109をめっき液103中に浸漬するステップ101、および被成膜面がめっき液103中に浸漬した後、カソード電極107とCuアノード電極105との間に第二の電流を供給して、電解めっき法により被成膜面上に金属膜を成長させるステップ103とを順次行う。ステップ101において、液面と被成膜面との傾斜角に基づいて第一の電流を制御する。
【選択図】 図2
Description
ウェーハの被成膜面をカソード電極に接続し、前記被成膜面をめっき液の液面に対して傾斜させるとともに、前記カソード電極と前記めっき液中に配置されたアノード電極との間に第一の電流を供給しながら、前記ウェーハを前記めっき液中に浸漬する第一ステップと、
前記被成膜面が前記めっき液中に浸漬した後、前記カソード電極と前記アノード電極との間に第二の電流を供給して、電解めっき法により前記被成膜面上に金属膜を成長させる第二ステップと、
を含み、
前記第一ステップにおいて、前記液面と前記被成膜面との傾斜角に基づいて前記第一の電流を制御することを特徴とするめっき方法が提供される。
金属膜を有する半導体装置の製造方法であって、
前記めっき方法により前記ウェーハに前記金属膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
めっき液を収容するめっき槽と、
前記めっき液の液面に対してウェーハの被成膜面を傾斜させた状態で保持するウェーハ保持手段と、
前記ウェーハ保持手段に保持された前記ウェーハを前記めっき液中に浸漬するウェーハ移動手段と、
前記ウェーハに接触してこれに対して給電を行うカソード電極と、
前記ウェーハ保持手段に対向して前記めっき槽中に配置されたアノード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に電流を供給する電源と、
前記液面と前記被成膜面との傾斜角に基づいて、前記アノード電極と前記カソード電極との間に供給される前記電流の大きさを制御する制御部と、
を有することを特徴とするめっき装置が提供される。
図1は、本実施形態のめっき装置の構成を示す断面図である。図1に示しためっき装置110は、
めっき液103を収容するめっき槽101、
カソード電極107に保持されたウェーハ109をめっき液103中に浸漬するウェーハ移動手段(不図示の駆動部)、
ウェーハ109に接触してこれに対して給電を行うカソード電極107、
カソード電極107に対向してめっき槽101中に配置されたアノード電極(Cuアノード電極105)、
Cuアノード電極105とカソード電極107との間に電流を供給する電源115、および、
液面と被成膜面との傾斜角に基づいて、Cuアノード電極105とカソード電極107との間に供給される電流の大きさを制御する制御部117(図5)、
を有する。カソード電極107は、めっき液103の液面に対してウェーハ109の被成膜面を傾斜させた状態で保持するウェーハ保持手段として機能する。カソード電極107は、ウェーハ109の被めっき面に形成されたCuシード111に接触して設けられており、Cuシード111を電解めっきのカソードとして機能させる。また、ウェーハ保持手段として、少なくともウェーハ109の表面がめっき液103に接するようにウェーハ109を保持する、回転可能な回転端子板を有してもよい。
めっき装置110は、電源115から供給される電流の大きさを調整してCuアノード電極105とカソード電極107との間に供給する電流調整部129(図5)をさらに有し、制御部117が、傾斜角に基づいて、電流調整部129を制御する。制御部117は、ウェーハ109の接液面積に応じて電流を変動させる。ウェーハ109の接液面積は、傾斜角を変数とする。
また、めっき装置110は、傾斜角と、ウェーハ109の下降速度とを制御するウェーハ位置制御部133(図5)を有する。
めっき装置110は、めっき槽101、めっき槽101の内に配置されたCuアノード電極105、めっき槽101の上方に設けられるとともに、ウェーハ109を保持するカソード電極107、Cuアノード電極105とカソード電極107との間に電流を供給する電源115、およびカソード電極107の移動を制御する制御部117を有する。めっき槽101内に、めっき液103が収容される。カソード電極107は、めっき液103の液面に対して傾斜した状態でウェーハ109を保持し、Cuアノード電極105に近づく方向およびCuアノード電極105から遠ざかる方向に移動可能に設けられるとともに、回転可能に設けられる。カソード電極107は、ウェーハ109に設けられたシード金属層であるCuシード111と電気的に接続するようにして、ウェーハ109を保持する。
ウェーハ位置制御部133は、データ記憶部135に格納されたカソード電極107の下降速度に関するデータおよびウェーハ109とめっき液103の液面との傾斜角に関するデータを取得し、カソード電極107の駆動部(不図示)の動作を制御する。ウェーハ位置制御部133がカソード電極107の動作を制御することにより、ウェーハ109の下降速度およびウェーハ109の傾斜角が制御される。なお、本実施形態では、傾斜角および降下速度はいずれも一定(定数)であるが、これらが可変であって、たとえば時刻と関連づけられたデータとしてデータ記憶部135に格納されていてもよい。傾斜角が可変の場合、ウェーハ位置制御部133がウェーハ109の姿勢を制御する。この場合については、第三の実施形態で後述する。
ステップ101(第一ステップ):ウェーハ109の被成膜面をカソード電極107に接続し、被成膜面をめっき液103の液面に対して傾斜させるとともに、カソード電極107とめっき液103中に配置されたCuアノード電極105との間に第一の電流を供給しながら、ウェーハ109をめっき液103中に浸漬する、
ステップ103(第二ステップ):被成膜面がめっき液103中に浸漬した後、カソード電極107とCuアノード電極105との間に第二の電流を供給して、電解めっき法により被成膜面上に金属膜を成長させる。
ステップ101においては、液面と被成膜面との傾斜角に基づいて第一の電流を制御する。金属膜は、たとえば銅含有金属膜である。
ステップ101においては、ウェーハ109の接液面積が傾斜角を変数とするとともに、接液面積に応じて第一の電流を変動させるようにする。ウェーハ109の接液面積は、ウェーハ109の被めっき面のうち、めっき液103の液面よりもめっき槽101の底部側に位置する領域の面積を指す。ステップ101では、具体的には、下記式に示すように、接液面積に比例するように第一の電流を変動させる。
I(t)=I0/πr2×S(t)
ただし、上記式において、I(t)はステップ101で両極間に供給される時間tにおける電流値である。また、I0は、第二ステップにおける電流値である。また、S(t)は、時間tにおける被成膜面の接液面積である。SとIはtの関数である。 rはウェーハ109の半径である。
本実施形態では、ステップ101において、傾斜角θを略一定とする。また、ウェーハ109を略一定の速度でめっき液103中に浸漬する。なお、略一定とは、θまたはvの変動による電流密度iの変動の影響が無視できる程度に一定に保たれていることをいい、その範囲で傾斜角または速度が多少変動してもよい。
I=(I0/πr2)×S=I0(φ−cosφsinφ)/π (1)
ただし、上記式(1)において、I0は、第二の電流の電流値であり、2φは、接液部分のウェーハ中心に対する開口角、つまり、ウェーハ109の外縁の弧がめっき液103と接触しない領域の弧の角度である。図3に示したように、2φは、点Aおよび点Cを結ぶ直線と点Bおよび点Cを結ぶ直線とのなす角である。ここで、点AおよびBは、ウェーハ109の外縁とめっき液103表面とが交わる点であり、点Cは、ウェーハ中心である。
さらに、本実施形態では、φおよびtは、cosφ=(r−vt/sinθ)/r、0≦t≦2rsinφ/vを満たす。本実施形態では、vが略一定である。
本実施形態においては、ウェーハ109をめっき液103の液面に対して一定の角度θで傾斜させて浸漬する。そして、制御部117において、浸漬が完了するまでの間の電流値を、傾斜角θ、浸漬速度v、および着液時からの経過時間tを考慮して制御する。このため、以下の利点が得られる。
本実施形態は、めっき装置110を用いた電解めっきにおいて、カソード電極とアノード電極との間に供給する電流値の別の制御方法に関する。第一の実施形態においては、めっき膜の形成時に、ステップ101において、カソード電極とアノード電極との間に供給する電流の大きさを上記式(1)に従って制御した。これに対し、本実施形態では、ステップ101において、ウェーハ109を略一定の速度でめっき液103中に浸漬するとともに、両極間に供給する電流の大きさを、ウェーハ109の着液時からの経過時間tに比例するように変動させる。
I=I0t/t0 (2)
ただし、上記式(2)において、I0は、前記第二の電流の電流値である。t0は、前記第一ステップが終了する時間である。
I=I0t/t0
=(vI0/2rsinθ)×t (3)
ただし、上記式(3)において、I0は、第二の電流の電流値である。rは、ウェーハ109の半径である。θは、傾斜角である。vは、液面の法線方向におけるウェーハ109の下降速度であり、本実施形態では、vが略一定である。また、0≦t≦2rsinθ/vである。
本実施形態は、めっき装置110を用いた電解めっきにおいて、カソード電極とアノード電極との間に供給する電流値の別の制御方法に関する。第一および第二の実施形態においては、ウェーハ109をめっき液103に対する傾斜角θを一定として浸漬する場合を例に説明したが、傾斜角θを時間に依存する変数としてもよい。
まず、ウェーハ位置制御部133は、Oを中心としてウェーハ保持部127を角速度ωで回転させる。すると、図10(a)に示したように、ウェーハ109の端部がめっき液103に接触する。この着液時を、t=0とし、t=0におけるめっき液103の液面に対するウェーハ109表面のなす角をθ0とする。
(i)+(ii)=(iii)+(iv)
の関係が成り立つ。また、a=rが着液時(θ=θ0)に対応し、a=−rが浸漬時(θ=θ1)に対応する。したがって、図13に示したように、
Lsinθ+R−d=Rcosθ+asinθ
a={Lsinθ+R(1−cosθ)−d}/sinθ
より、上記式(1)、つまり
I=(I0/πr2)×S=I0(φ−cosφsinφ)/π (1)
において、
cosφ=a/r={Lsinθ+R(1−cosθ)−d}/rsinθ、θ=θ0−ωt、0≦t≦(θ0−θ1)/ω、Rcosθ0+(−L+r)sinθ0=R−d、Rcosθ1+(−L−r)sinθ1=R−d、
である。
以上の実施形態において、ステップ101において、Cuアノード電極105とカソード電極107との間に所定の電圧を印加した状態で、ウェーハ109の浸漬を開始することもできる。具体的には、ウェーハ109がめっき液103に接触する前に、0Vより大きく0.1V以下程度の定電圧を印加する。0Vより大きい電圧とすることにより、ステップ101における電流値の制御をより一層確実に行うことができる。また、0.1V以下の電圧とすることにより、ステップ101における成膜をさらに安定的に行うことができる。
本実施形態は、以上の実施形態に記載のめっき装置またはめっき方法を用いて製造される半導体装置に関する。
本実施形態の製造方法は、以上の実施形態に記載のめっき方法によりウェーハ109に金属膜を形成する工程を含む。本実施形態の製造方法は、円形のシリコンウェーハ上にトランジスタが設けられたウェーハ109を準備する工程を含み、金属膜を形成する工程は、トランジスタの上部に、金属膜により構成される導電性パターンを形成する工程で行われる。
図16(a)は、第一のSiCN膜12および第一の積層膜14aに配線溝が形成された構造を示す。この構造は、第一のSiCN膜12および第一の積層膜14aを成膜後、その上に、所定形状にパターニングされたレジスト膜(不図示)を設け、第一のSiCN膜12および第一の積層膜14aを段階的にエッチングすることにより形成する。
14a 第一の積層膜
14b 第二の積層膜
16 第二のSiCN膜
18 シリコン酸化膜
20 第三のSiCN膜
22a 第一の銅配線
22b 第二の銅配線
24a タンタル系バリアメタル膜
24b タンタル系バリアメタル膜
26a 銅膜
26b 銅膜
28 接続プラグ
30 タンタル系バリアメタル膜
32 銅膜
34a 第一のCuシリサイド膜
34b 第二のCuシリサイド膜
40 接続孔
42 配線溝
100 シリコン基板
101 めっき槽
102 ゲート電極
103 めっき液
104 拡散層
105 Cuアノード電極
106 絶縁膜
107 カソード電極
108 銅接続プラグ
109 ウェーハ
110 めっき装置
111 Cuシード
114 パッシベーション膜
115 電源
116 点線囲み部
117 制御部
121 浸漬領域
123 水平部
125 軸部
127 ウェーハ保持部
129 電流調整部
131 電流制御部
133 ウェーハ位置制御部
135 データ記憶部
137 ウェーハ位置情報検知部
139 計時部
Claims (18)
- ウェーハの被成膜面をカソード電極に接続し、前記被成膜面をめっき液の液面に対して傾斜させるとともに、前記カソード電極と前記めっき液中に配置されたアノード電極との間に第一の電流を供給しながら、前記ウェーハを前記めっき液中に浸漬する第一ステップと、
前記被成膜面が前記めっき液中に浸漬した後、前記カソード電極と前記アノード電極との間に第二の電流を供給して、電解めっき法により前記被成膜面上に金属膜を成長させる第二ステップと、
を含み、
前記第一ステップにおいて、前記液面と前記被成膜面との傾斜角に基づいて前記第一の電流を制御することを特徴とするめっき方法。 - 請求項1に記載のめっき方法において、前記第一ステップにおいて、前記ウェーハの接液面積が前記傾斜角を変数とするとともに、前記接液面積に応じて前記第一の電流を変動させるようにすることを特徴とするめっき方法。
- 請求項2に記載のめっき方法において、前記第一ステップにおいて、前記接液面積に比例するように前記第一の電流を変動させることを特徴とするめっき方法。
- 請求項1乃至3いずれかに記載のめっき方法において、前記第一の電流が、下記式(1)で示されることを特徴とするめっき方法。
I=I0(φ−cosφsinφ)/π (1)
(ただし、上記式(1)において、I0は、前記第二の電流の電流値であり、2φは、接液部分のウェーハ中心に対する開口角である。) - 請求項1または2に記載のめっき方法において、前記第一の電流が、下記式(2)で示されることを特徴とするめっき方法。
I=I0t/t0 (2)
(ただし、上記式(2)において、I0は、前記第二の電流の電流値である。t0は、前記第一ステップが終了する時間である。) - 請求項1または2に記載のめっき方法において、前記第一ステップにおいて、前記傾斜角を略一定とすることを特徴とするめっき方法。
- 請求項6に記載のめっき方法において、前記第一ステップにおいて、前記ウェーハを略一定の速度で前記めっき液中に浸漬することを特徴とするめっき方法。
- 請求項7に記載のめっき方法において、前記第一の電流が、下記式(1)で示されることを特徴とするめっき方法。
I=I0(φ−cosφsinφ)/π (1)
(ただし、上記式(1)において、I0は、前記第二の電流の電流値であり、2φは、接液部分のウェーハ中心に対する開口角であり、φは、cosφ=(r−vt/sinθ)/rを満たす。rは、前記ウェーハの半径である。θは、前記傾斜角である。vは、前記液面の法線方向における前記ウェーハの移動速度である。また、0≦t≦2rsinθ/vである。) - 請求項7に記載のめっき方法において、前記第一の電流が、下記式(3)で示されることを特徴とするめっき方法。
I=vI0t/2rsinθ (3)
(ただし、上記式(3)において、I0は、前記第二の電流の電流値である。rは、前記ウェーハの半径である。θは、前記傾斜角である。vは、前記液面の法線方向における前記ウェーハの移動速度である。また、0≦t≦2rsinθ/vである。) - 請求項1乃至9いずれかに記載のめっき方法において、
前記第一ステップにおいて、前記アノード電極と前記カソード電極との間に所定の電圧を印加した状態で、前記ウェーハの浸漬を開始することを特徴とするめっき方法。 - 請求項1乃至10いずれかに記載のめっき方法において、前記第二ステップにおいて、前記第二の電流を略一定とすることを特徴とするめっき方法。
- 請求項1乃至11いずれかに記載のめっき方法において、前記金属膜が銅含有金属膜であることを特徴とするめっき方法。
- 金属膜を有する半導体装置の製造方法であって、
請求項1乃至12いずれかに記載のめっき方法により前記ウェーハに前記金属膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項13に記載の半導体装置の製造方法において、
円形のシリコンウェーハ上にトランジスタが設けられた前記ウェーハを準備する工程を含み、
金属膜を形成する前記工程が、前記トランジスタの上部に、前記金属膜により構成される導電性パターンを形成する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - めっき液を収容するめっき槽と、
前記めっき液の液面に対してウェーハの被成膜面を傾斜させた状態で保持するウェーハ保持手段と、
前記ウェーハ保持手段に保持された前記ウェーハを前記めっき液中に浸漬するウェーハ移動手段と、
前記ウェーハに接触してこれに対して給電を行うカソード電極と、
前記ウェーハ保持手段に対向して前記めっき槽中に配置されたアノード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に電流を供給する電源と、
前記液面と前記被成膜面との傾斜角に基づいて、前記アノード電極と前記カソード電極との間に供給される前記電流の大きさを制御する制御部と、
を有することを特徴とするめっき装置。 - 請求項15に記載のめっき装置において、前記電源から供給される電流の大きさを調整して前記アノード電極と前記カソード電極との間に供給する電流調整部をさらに有し、
前記制御部が、前記傾斜角に基づいて、前記電流調整部を制御することを特徴とするめっき装置。 - 請求項15または16に記載のめっき装置において、前記ウェーハの接液面積が前記傾斜角を変数とするとともに、前記制御部が前記接液面積に応じて前記電流を変動させることを特徴とするめっき装置。
- 請求項15乃至17いずれかに記載のめっき装置において、前記制御部が、前記傾斜角と、前記ウェーハの下降速度とを制御するウェーハ位置制御部を有することを特徴とするめっき装置。
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