JP2009132982A - Method of manufacturing copper wiring - Google Patents

Method of manufacturing copper wiring Download PDF

Info

Publication number
JP2009132982A
JP2009132982A JP2007311500A JP2007311500A JP2009132982A JP 2009132982 A JP2009132982 A JP 2009132982A JP 2007311500 A JP2007311500 A JP 2007311500A JP 2007311500 A JP2007311500 A JP 2007311500A JP 2009132982 A JP2009132982 A JP 2009132982A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
copper
wiring
electrolytic solution
stirring
current density
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007311500A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshiaki Ono
俊昭 小野
Yasuo Komoda
康夫 薦田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Original Assignee
Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsui Mining and Smelting Co Ltd filed Critical Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority to JP2007311500A priority Critical patent/JP2009132982A/en
Publication of JP2009132982A publication Critical patent/JP2009132982A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel method of manufacturing copper wiring by which copper is embedded into a very small hole or a groove. <P>SOLUTION: In the method of manufacturing the copper wiring provided with a step of electroplating the wiring connection holes or the wiring groove of a material to be plated with copper while forcibly stirring an electrolyte containing a copper component, ≥1 wt.% water and ≥1 wt.% copper complexing agent forming a complex with univalent copper ion, exhibiting a complexing constant of higher than 1×10<SP>3</SP>with univalent copper ion and ≥0.5 g/L solubility of the complex formed with univalent copper under a use environment or copper complexing agent forming a complex with univalent copper ion, exhibiting a complexing constant of higher than 1×10<SP>3</SP>with univalent copper ion and a complexing constant of ≤1×10<SP>20</SP>with 2-valent copper ion, an embedding rate of copper into fine holes is adjusted by controlling the degree of stirring to increase the embedding rate of the copper into the fine holes. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、配線接続孔(ビアホール或いはコンタクトホール)や配線溝(トレンチ)内に、電気めっきによって銅を埋め込んで銅配線を製造する方法に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a copper wiring by embedding copper in a wiring connection hole (via hole or contact hole) or a wiring groove (trench) by electroplating.

半導体デバイスには、素子間を接続する配線溝(トレンチ)や、多層配線間を電気的に接続する配線接続孔(ビアホール或いはコンタクトホール)が多数設けられる。
これら配線溝や配線接続孔内に埋め込む導電性材料としては、従来、アルミニウムが使用されてきたが、半導体デバイスの高集積化、微細化に伴い、これまでのアルミニウムに代わり、電気抵抗率が低く(低抵抗ともいう)、エレクトロマイグレーション耐性にも優れた銅が注目され実用化が進められている。
Semiconductor devices are provided with a number of wiring grooves (trench) for connecting elements and wiring connection holes (via holes or contact holes) for electrically connecting multilayer wirings.
Conventionally, aluminum has been used as a conductive material embedded in these wiring grooves and wiring connection holes. However, as semiconductor devices are highly integrated and miniaturized, their electrical resistivity is low instead of conventional aluminum. Copper (also referred to as low resistance), which has excellent electromigration resistance, has attracted attention and is being put to practical use.

銅配線の製法としては、シリコンウエハ等からなる基板上に形成された絶縁膜に溝や孔を形成しておき、その上にバリアメタル(拡散防止膜)及びCu膜(導通を得るための下地導電膜)を順次積層した後、電気めっきによって前記溝や孔内に銅を埋め込みつつ表面に銅層を形成し、その後、化学機械研磨(CMP)等によって余分な銅層を除去して銅配線を形成するという、いわゆるダマシン法が採用されている。
このような電気めっき(電解めっきともいう)によって形成された銅配線は、膜中の不純物濃度が低く、電気抵抗が低いため、半導体デバイスの高速化に有利である。
As a copper wiring manufacturing method, grooves and holes are formed in an insulating film formed on a substrate made of a silicon wafer or the like, and a barrier metal (diffusion prevention film) and a Cu film (underlying layer for obtaining conduction) are formed thereon. After sequentially laminating the conductive film), a copper layer is formed on the surface while copper is embedded in the grooves and holes by electroplating, and then the excess copper layer is removed by chemical mechanical polishing (CMP) etc. The so-called damascene method is used.
Copper wiring formed by such electroplating (also referred to as electroplating) has a low impurity concentration in the film and a low electrical resistance, which is advantageous for increasing the speed of semiconductor devices.

従来、このような銅配線の形成に用いられる銅めっき用電解液として、硫酸銅溶液に3種類の有機系添加剤、すなわちポリエチレングリコール(PEG)等のキャリア、ビス(3-スルホプロピル)ジスルフィド−2−ナトリウム(SPS)等のブライトナ、ヤーヌスグリーンB(JGB)等のレベラといわれる3種類の有機系添加剤と、塩化物イオンとを添加した電解液が用いられてきた。   Conventionally, as an electrolytic solution for copper plating used in the formation of such copper wiring, three types of organic additives in a copper sulfate solution, that is, a carrier such as polyethylene glycol (PEG), bis (3-sulfopropyl) disulfide- An electrolytic solution in which three types of organic additives called brighteners such as 2-sodium (SPS) and levelers such as Janus Green B (JGB) and chloride ions have been used has been used.

ところが、このように3種類の有機系添加剤と塩化物イオンとを含有する電解液は、それぞれの添加物の濃度を厳密に管理する必要があり、その濃度管理が非常に難しいという課題を抱えていた。特に有機系添加剤は、電極上で反応して分解しやすく、濃度が低下しやすいため、濃度管理が極めて難しいばかりか、有機系添加剤の分解生成物により、微細孔への埋め込みが不良になったり、膜厚の均一性が悪化したりするなどの問題を抱えていた。さらに、有機系添加剤に含まれるカーボン(C)がめっき膜中に不純物として取り込まれることで、銅膜の純度が低下してエレクトロマイグレーション耐性が悪化するという問題も指摘されていた。
そこで最近はこのような課題に鑑みて、有機系添加剤や塩化物イオンなどの添加剤をなるべく使用せず、できるだけ単純な組成の銅めっき用電解液の開発が進められている。
However, the electrolyte solution containing three kinds of organic additives and chloride ions as described above needs to strictly control the concentration of each additive, and the concentration management is very difficult. It was. In particular, organic additives react easily on the electrode and decompose easily, and the concentration tends to decrease. Therefore, concentration control is extremely difficult, and the decomposition product of the organic additive makes it difficult to fill the micropores. And problems such as deterioration of film thickness uniformity. Further, it has been pointed out that carbon (C) contained in the organic additive is incorporated as an impurity in the plating film, so that the purity of the copper film is lowered and the electromigration resistance is deteriorated.
Therefore, recently, in view of such problems, development of an electrolytic solution for copper plating having a composition as simple as possible without using organic additives and additives such as chloride ions as much as possible has been promoted.

例えば特許文献1には、単一の有機化合物のみで微細孔へ銅を埋め込む技術が開示されている。しかし、この電解液は、アルカリ性のピロリン酸系、シアン系、スルファミン系であるため、pH調整剤(リン酸または水酸化カリウムなど)が加えられており、実施例を見ても、アンモニアが添加されているなど、実質的には数種類の添加剤が必要とされるものであった。   For example, Patent Document 1 discloses a technique for embedding copper into a micropore with only a single organic compound. However, since this electrolyte is an alkaline pyrophosphate, cyan, or sulfamine system, a pH adjuster (such as phosphoric acid or potassium hydroxide) is added. In practice, several types of additives are required.

特許文献2には、硫酸銅水溶液に適量の塩酸を添加することにより、微細孔への良好な埋め込み特性を実現する方法が開示されている。しかし、この方法においても、塩素濃度が低いと埋込みを達成することができず、塩酸濃度が高過ぎると銅が溶けやすくなり、成膜性が低下することから、特に不溶性のアノードを用いた場合、塩化物イオンの消耗が激しく、塩化物イオンの管理が難しいという問題があった。   Patent Document 2 discloses a method for realizing good embedding characteristics in micropores by adding an appropriate amount of hydrochloric acid to a copper sulfate aqueous solution. However, even in this method, if the chlorine concentration is low, embedding cannot be achieved, and if the hydrochloric acid concentration is too high, copper is easily dissolved and the film formability is lowered. However, there is a problem that chloride ions are exhausted and management of chloride ions is difficult.

特許文献3には、添加剤を含まないめっき液を用いて、パルス電流におけるデューティー比を適当に制御することにより、緻密なめっき膜が配線溝や配線孔内に均一に形成する方法が開示されている。しかし、この方法は、設備費が高価であるばかりか、電流コントロールが非常に難しいという課題を抱えていた。さらに、パルス電流を用いて拡散層を薄くするため、微細孔への均一な析出は期待できるものの、十分に埋め込むことができないおそれがあった。   Patent Document 3 discloses a method in which a dense plating film is uniformly formed in a wiring groove or a wiring hole by appropriately controlling a duty ratio in a pulse current using a plating solution containing no additive. ing. However, this method has a problem that not only the equipment cost is high, but also current control is very difficult. Furthermore, since the diffusion layer is thinned using a pulse current, uniform precipitation in the fine pores can be expected, but there is a possibility that it cannot be embedded sufficiently.

他方、本件発明者は、アセトニトリルを含む電解液を用いた電気めっきに着目し、かかる電解液を用いて得ためっき皮膜の配向性が(111)面が優先配向したものとなることを開示している(特許文献4)。しかし、当該発明では、配線接続孔や配線溝内に銅を埋め込むことは具体的には想定しておらず、その効果を予想することはできなかった。   On the other hand, the inventor of the present invention pays attention to electroplating using an electrolytic solution containing acetonitrile, and discloses that the orientation of the plating film obtained by using such an electrolytic solution is one in which the (111) plane is preferentially oriented. (Patent Document 4). However, in the present invention, it is not specifically assumed that copper is embedded in the wiring connection hole or the wiring groove, and the effect cannot be predicted.

特表2003−533867号公報Special table 2003-533867 gazette 特開2002−332589号公報JP 2002-332589 A 特開平11−97391号公報JP-A-11-97391 特開2007−182623号公報JP 2007-182623 A

本発明は、かかる課題に鑑みて、複数の添加剤を用いなくても、極めて微細な孔又は溝(例えば深さが0.1μm〜2.0μmで且つアスペクト比(深さ/幅)3〜5である孔又は溝)内に銅を十分に埋め込むことができる、新たな銅配線の製造方法を提供せんとするものである。   In view of such a problem, the present invention has an extremely fine hole or groove (for example, a depth of 0.1 μm to 2.0 μm and an aspect ratio (depth / width) of 3 without using a plurality of additives. The present invention is intended to provide a new method for manufacturing a copper wiring that can sufficiently embed copper in a hole or groove 5.

本発明は、1価の銅イオンと錯体を形成し、1価の銅イオンとの錯化定数が1×103より高い値を示し、且つ使用環境下において1価の銅イオンと形成する錯体の溶解度が0.5g/L以上の銅錯化剤、若しくは、1価の銅イオンと錯体を形成し、1価の銅イオンとの錯化定数が1×103より高い値を示し、且つ2価の銅イオンとの錯化定数が1×1020以下の値を示す銅錯化剤を1wt%以上と、水を1wt%以上と、銅成分とを含む電解液(以下「錯化剤含有電解液」と称する)を、強制攪拌しながら被めっき体における配線接続孔又は配線溝内に銅を電気めっきする工程を備えた銅配線の製造方法を提案する。 The present invention forms a complex with a monovalent copper ion, a complexing constant with the monovalent copper ion is higher than 1 × 10 3 , and a complex formed with a monovalent copper ion in the use environment A complexing constant with a copper complexing agent having a solubility of 0.5 g / L or more, or a monovalent copper ion, and a complexing constant with the monovalent copper ion is higher than 1 × 10 3 , and An electrolytic solution containing 1 wt% or more of a copper complexing agent having a complexing constant with a divalent copper ion of 1 × 10 20 or less, 1 wt% or more of water, and a copper component (hereinafter referred to as “complexing agent”). We propose a method for manufacturing a copper wiring comprising a step of electroplating copper in a wiring connection hole or a wiring groove in an object to be plated while forcibly stirring the “containing electrolyte”.

上記のような錯化剤含有電解液を使用して電気めっきを行うことにより、複数の添加剤を加えない単純な組成の電解液であっても、極めて微細な孔や溝(例えば深さが0.1μm〜2.0μmで且つアスペクト比(深さ/幅)3〜5である孔又は溝)内に銅を十分に埋め込むことができる。よって、電解液成分の厳密な濃度管理をしなくても、極めて微細な銅配線を形成することができる。   By performing electroplating using the complexing agent-containing electrolytic solution as described above, even with an electrolytic solution having a simple composition without adding a plurality of additives, extremely fine holes and grooves (for example, having a depth of It is possible to sufficiently embed copper in a hole or groove having an aspect ratio (depth / width) of 3 to 5 and 0.1 μm to 2.0 μm. Therefore, extremely fine copper wiring can be formed without strictly controlling the concentration of the electrolyte component.

さらに、錯化剤含有電解液を強制攪拌しながら電気めっきする場合には、攪拌の程度を調整することにより、微細孔への銅の埋め込み率を調整できることが判明し、微細孔への銅の埋め込み率をより一層高めることができるようになった。
通常の電気めっきでは、電解液を攪拌すると、より高い電流密度まで100%に近い高い電流効率を維持することができ、攪拌しないと水素発生などの副反応により電流効率が低下することが知られている。これに対して、錯化剤含有電解液を用いた電気めっきの場合には、電解液を攪拌すると電流効率が低下し、逆に電解液の攪拌を抑制することで電流効率が高まるという意外な事実が判明した。かかる知見に基づいて攪拌条件を調整することで、液拡散の少ない微細孔(溝)内への銅の埋め込みであっても、被めっき体表面に比べて微細孔(溝)内の電流効率を高めることができ、銅の埋め込み率を一層高めることができるようになった。さらには、被めっき体表面における銅の電析量を少なくすることもできるようになり、余分な銅を除去するための処理負担を軽減することができるようにもなった。
Furthermore, when electroplating while forcibly stirring the complexing agent-containing electrolyte, it was found that the copper filling rate in the micropores can be adjusted by adjusting the degree of stirring. The embedding rate can be further increased.
In normal electroplating, when the electrolyte is stirred, it is known that high current efficiency close to 100% can be maintained up to a higher current density, and otherwise current efficiency decreases due to side reactions such as hydrogen generation. ing. On the other hand, in the case of electroplating using a complexing agent-containing electrolytic solution, the current efficiency is lowered when the electrolytic solution is stirred, and conversely, the current efficiency is increased by suppressing the stirring of the electrolytic solution. The facts turned out. By adjusting the agitation conditions based on this knowledge, the current efficiency in the micropores (grooves) can be improved even when copper is embedded in the micropores (grooves) with less liquid diffusion. As a result, the copper filling rate can be further increased. Furthermore, the amount of copper electrodeposited on the surface of the object to be plated can be reduced, and the processing burden for removing excess copper can be reduced.

また、従来のような有機添加剤などを含む電解液を用いて電気めっきして得られる銅膜は、有機添加剤に含まれるカーボン(C)がめっき膜中に不純物として取り込まれることで銅膜の純度が低下し、電気抵抗の増大や信頼性の低下をもたらすと言われるが、本発明に係る銅錯化剤、中でもアセトニトリルを用いた場合には、その他の有機系添加剤やハロゲン添加剤を含まない組成とすることができる上、アセトニトリルは銅膜中に残らないため、特に銅配線の不純物濃度が低く、電気抵抗をより低くすることが期待できる。さらに、アセトニトリル含有電解液を用いて埋め込みした銅配線の配向性は(111)面が優先配向となる傾向があるため、その場合にはエレクトロマイグレーション耐性に優れた配線となることも期待することができる。   In addition, a copper film obtained by electroplating using an electrolytic solution containing an organic additive as in the prior art is obtained by incorporating carbon (C) contained in the organic additive as an impurity into the plating film. However, when the copper complexing agent according to the present invention, especially acetonitrile, is used, other organic additives and halogen additives are said to be reduced in purity. In addition, since acetonitrile does not remain in the copper film, the impurity concentration of the copper wiring is particularly low, and the electric resistance can be expected to be lower. Furthermore, since the orientation of copper wiring embedded with an acetonitrile-containing electrolyte tends to be preferentially oriented in the (111) plane, it can be expected that the wiring will have excellent electromigration resistance in that case. it can.

以上のように、本発明により形成した銅配線は、集積回路や、プリント基板等の電子回路基板で特に好適に利用することができる。   As described above, the copper wiring formed according to the present invention can be particularly suitably used for an integrated circuit or an electronic circuit board such as a printed board.

発明を実施するための形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

本発明の実施形態の好ましい一例として、銅配線の製造方法について説明するが、本発明が、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。   As a preferred example of the embodiment of the present invention, a method for manufacturing a copper wiring will be described, but the present invention is not limited to the embodiment described below.

以下、本発明の実施形態の一例として、錯化剤含有電解液を用いて、該電解液を強制攪拌しながら電気めっきすることにより、配線接続孔又は配線溝内に銅を埋め込んで銅配線を形成する銅配線の製造方法(「本銅配線製造方法」と称する)について説明する。   Hereinafter, as an example of the embodiment of the present invention, by using a complexing agent-containing electrolytic solution, electroplating while forcibly stirring the electrolytic solution, copper is embedded in a wiring connection hole or a wiring groove to form a copper wiring. A method of manufacturing the copper wiring to be formed (referred to as “the present copper wiring manufacturing method”) will be described.

ここで、本銅配線製造方法にかかる具体的な一例を紹介する。
図1に示すように、シリコンウエハ等からなる基板1A上に、絶縁物質からなる化膜等の絶縁膜1Bを形成し、絶縁膜1Bにおける配線パターンを形成する予定箇所に溝又は孔2を設け(図中の(A)参照)、次に、Ti、Ta、W或いはこれらの窒化物等からなるバリアメタル膜(拡散防止膜)3及びCu下地導電膜(導通を得るための下地導電膜)4を順次形成し(図中の(B)参照)、その上で、錯化剤含有電解液を強制攪拌しながら電気めっきすることにより、前記溝又は孔2内に銅を埋め込みつつ基板1A表面、すなわち被めっき体表面に銅層5を形成し(図中の(C)参照)、次いで、基板1A表面に形成された銅層5を除去して銅配線6を露出させて銅配線を形成することができる(図中の(D)参照)。この際、さらに耐マイグレーション性を向上させるために、露出した銅配線6上に金属や酸化物、有機物を積層してもよい。
以下、この具体例を中心に本銅配線製造方法について説明するが、本銅配線製造方法がかかる具体例に限定されるものではない。
Here, a specific example according to the present copper wiring manufacturing method is introduced.
As shown in FIG. 1, an insulating film 1B such as a chemical film made of an insulating material is formed on a substrate 1A made of a silicon wafer or the like, and a groove or hole 2 is provided at a place where a wiring pattern is to be formed in the insulating film 1B. (See (A) in the figure) Next, a barrier metal film (diffusion prevention film) 3 made of Ti, Ta, W, or a nitride thereof, and a Cu base conductive film (a base conductive film for obtaining conduction) 4 is formed sequentially (see (B) in the figure), and then the electroplating of the complexing agent-containing electrolyte is performed while forcibly stirring, so that the surface of the substrate 1A is embedded while copper is embedded in the groove or hole 2. That is, the copper layer 5 is formed on the surface of the object to be plated (see (C) in the figure), and then the copper layer 5 formed on the surface of the substrate 1A is removed to expose the copper wiring 6 to form the copper wiring. (See (D) in the figure). At this time, in order to further improve the migration resistance, a metal, an oxide, or an organic substance may be laminated on the exposed copper wiring 6.
Hereinafter, although this copper wiring manufacturing method is demonstrated centering on this specific example, this copper wiring manufacturing method is not limited to this specific example.

<配線接続孔・配線溝>
銅を埋め込む配線接続孔(ビア)又は配線溝(トレンチ)の大きさは特に限定するものではないが、本銅配線製造方法は、例えば、深さが0.1μm〜2.0μmであり、且つ深さ/幅で求められるアスペクト比が3〜5であるという極めて微細な孔及び溝に対しても十分に埋め込みが可能であるから、少なくともそれ以上に径が大きいか、或いは深さの浅い孔や溝に対しては十分に埋め込み可能である。なお、微細な孔或いは溝の幅とは、孔が例えば長孔であればその短径を意味し、溝の場合にはその短手長を意味するものである。
但し、本発明の限界が、前記の孔径や溝幅或いはアスペクト比であるという意味ではない。
<Wiring connection holes / wiring grooves>
Although the size of the wiring connection hole (via) or wiring groove (trench) in which copper is embedded is not particularly limited, the present copper wiring manufacturing method has, for example, a depth of 0.1 μm to 2.0 μm, and It is possible to sufficiently fill even extremely fine holes and grooves whose aspect ratio required by depth / width is 3 to 5, so that the holes have a diameter that is at least larger or shallower than that. It can be sufficiently embedded in the groove. The width of the fine hole or groove means the short diameter when the hole is a long hole, for example, and the short length when the hole is a groove.
However, the limitation of the present invention does not mean that the above-mentioned hole diameter, groove width, or aspect ratio.

例えば孔径或いは溝幅が100μmで深さが200μmのようなSOC (システム オン チップ)やSiP (システム イン パッケージ)、MEMS (メムス、機械電気マイクロシステム)などの貫通電極用の孔或いは溝に対して十分に埋め込み可能である。
また、例えば孔径或いは溝幅が200μmで深さが50μmのような、プリント配線板のビアフィリングめっきの孔或いは溝に対しても十分に埋め込み可能である。
For example, for holes or grooves for through electrodes such as SOC (system on chip), SiP (system in package), MEMS (mems, mechano-electric microsystem), etc., where the hole diameter or groove width is 100 μm and depth is 200 μm It can be embedded sufficiently.
Further, for example, it can be sufficiently embedded in a hole or groove of via filling plating of a printed wiring board having a hole diameter or groove width of 200 μm and a depth of 50 μm.

配線接続孔(ビア)又は配線溝(トレンチ)の形状は特に限定するものではない。ちなみに、孔径或いは溝幅が0.2μm以下の極めて微細な孔或いは溝になると、開口部から奥まで同径の孔や溝を設けること自体が困難であるため、通常は、図1に示すように開口部から底部に向って窄まった断面形状となる。   The shape of the wiring connection hole (via) or wiring groove (trench) is not particularly limited. Incidentally, since it is difficult to provide a hole or groove of the same diameter from the opening to the back when the hole diameter or groove width is very fine with a hole diameter or groove width of 0.2 μm or less, usually, as shown in FIG. The cross-sectional shape is narrowed from the opening to the bottom.

<銅>
埋め込む対象である銅、言い換えれば電気めっきする銅は、純粋な銅であっても、銅以外の金属を不可避不純物として含有する銅であってもよい。また、例えば耐食性を高める目的でCoなどの金属を微量添加(例えば5質量%未満)した銅合金など、銅を主成分(少なくとも80質量%以上が銅)とする銅合金であってもよい。このような銅合金であっても、純粋な銅と同様に本発明の効果が得られると考えられる。
<Copper>
Copper to be embedded, in other words, copper to be electroplated may be pure copper or copper containing a metal other than copper as an inevitable impurity. Further, for example, a copper alloy containing copper as a main component (at least 80% by mass or more of copper) may be used, such as a copper alloy in which a trace amount of a metal such as Co is added (for example, less than 5% by mass) for the purpose of improving corrosion resistance. Even if it is such a copper alloy, it is thought that the effect of this invention is acquired similarly to pure copper.

<電気めっき>
次に、本銅配線製造方法における電気めっきの方法、上記の具体例でいえば、溝又は孔2内に銅を埋め込みつつ基板1A表面に銅層5を形成する方法について説明する。
<Electroplating>
Next, an electroplating method in the present copper wiring manufacturing method, a method of forming the copper layer 5 on the surface of the substrate 1A while embedding copper in the groove or hole 2 will be described.

(電解液)
本銅配線製造方法で用いる電解液(以下「本電解液」ともいう)は、銅錯化剤を1wt%以上と、水を1wt%以上と、銅成分とを含む電解液(「錯化剤含有電解液」)である。
(Electrolyte)
The electrolytic solution used in the present copper wiring manufacturing method (hereinafter also referred to as “the present electrolytic solution”) is an electrolytic solution (“complexing agent”) containing a copper complexing agent of 1 wt% or more, water of 1 wt% or more, and a copper component. Containing electrolyte ").

ここで、銅錯化剤としては、1価の銅イオンと錯体を形成し、1価の銅イオンとの錯化定数が1×103より大きいことが必要であり、上限値は特に限定するものではないが、現実的には1×1040程度であると考えられ、好ましくは1×10〜1×1015である。1価の銅イオンとの錯化定数が過度に大きい場合には、銅錯体が安定化し過ぎて電気めっき時の極間電圧が上がり、実用的でないため好ましくない。
ちなみに、アセトニトリルの1価の銅イオンとの錯化定数は1×10であり、この値は、P.Kamau and R.B.Jordan:Inorganic Chemistry,vol.40,Issue
16,p.3879(2001)の記載に基づくものである。
Here, the copper complexing agent needs to form a complex with a monovalent copper ion, and the complexing constant with the monovalent copper ion needs to be larger than 1 × 10 3 , and the upper limit value is particularly limited. Although it is not a thing, it is actually considered to be about 1 × 10 40 , and preferably 1 × 10 4 to 1 × 10 15 . When the complexing constant with monovalent copper ions is excessively large, the copper complex is excessively stabilized and the interelectrode voltage at the time of electroplating is increased, which is not preferable.
By the way, the complexing constant of acetonitrile with monovalent copper ions is 1 × 10 4 , which is P. Kamau and RB Jordan: Inorganic Chemistry, vol. 40, Issue.
16, p. 3879 (2001).

用いる銅錯化剤は、さらに2価の銅イオンとの錯化定数が1×1020以下である(2価の銅イオンと錯体化しないものも含む)か、或いは、使用環境下において1価の銅イオンと形成した錯体の溶解度が0.5g/L以上である必要であり、さらに、これら両方の条件を満足する銅錯化剤が好ましい。
2価の銅イオンとの錯化定数に関して言えば、好ましくは1×1018以下であり、特に好ましくは1×1016以下である。
また、1価の銅イオンと形成した錯体の溶解度に関して言えば、好ましくは5g/L以上であり、特に好ましくは溶解度が10g/L以上である。
The copper complexing agent used has a complexing constant of 1 × 10 20 or less with a divalent copper ion (including those not complexed with a divalent copper ion) or is monovalent under the use environment. The solubility of the complex formed with the copper ion must be 0.5 g / L or more, and a copper complexing agent satisfying both of these conditions is preferred.
In terms of complexing constants with divalent copper ions, it is preferably 1 × 10 18 or less, particularly preferably 1 × 10 16 or less.
In terms of the solubility of the complex formed with monovalent copper ions, the solubility is preferably 5 g / L or more, and particularly preferably the solubility is 10 g / L or more.

本銅配線製造方法では、銅錯化剤と1価の銅イオンとが形成する錯体を安定化させることがポイントの一つであり、そのためには1価の銅イオンとの錯化定数が1×103より大きい銅錯化剤を用いることが必要である。また、同様の理由で、用いる銅錯化剤が2価の銅イオンとも錯体化する場合には、2価の銅イオンとの錯化定数が1×1020以下であることも重要である。他方、1価の銅イオンと形成した錯体が、用いる液中において0.5g/L以上の溶解量がないと実用性がないと考えられる。 In this copper wiring manufacturing method, one of the points is to stabilize the complex formed by the copper complexing agent and the monovalent copper ion. For this purpose, the complexing constant with the monovalent copper ion is 1. It is necessary to use a copper complexing agent larger than × 10 3 . For the same reason, when the copper complexing agent to be used also forms a complex with a divalent copper ion, it is also important that the complexing constant with the divalent copper ion is 1 × 10 20 or less. On the other hand, if the complex formed with monovalent copper ions does not have a dissolution amount of 0.5 g / L or more in the liquid used, it is considered that there is no practicality.

なお、上記の「1価或いは2価の銅イオンとの錯化定数(K)」は、次のように定義される値である。
1価或いは2価の銅イオンMと銅錯化剤Aとから錯体MA(Mとn個のAの錯体を示す)が形成される逐次反応(逐次反応:M+A→MA、MA+A→MA2、・・・)において、逐次錯化定数knを、
1=[MA]/([M]・[A])、k=[MA]/([MA]・[A])、・・・と表すとき、
錯化定数(K)は、LogK=Logk1+Logk+・・・で表される値である。
なお、[M]、[A]及び [MA]はそれぞれの濃度(mol/L)の意である。
The above-mentioned “complexation constant (K) with monovalent or divalent copper ion” is a value defined as follows.
Successive reaction (sequential reaction: M + A → MA, MA +) in which a complex MA n (indicating a complex of M and n A) is formed from monovalent or divalent copper ion M and copper complexing agent A a → MA 2, in...), the sequential complexing constant k n,
When k 1 = [MA] / ([M] · [A]), k 2 = [MA 2 ] / ([MA] · [A]),.
The complexing constant (K) is a value represented by LogK = Logk 1 + Logk 2 +.
In addition, [M], [A], and [MA n ] mean the respective concentrations (mol / L).

本銅配線製造方法で用いる銅錯化剤としては、特に限定するものではないが、1価の銅イオンと錯体を形成し、1価の銅イオンとの錯化定数が1×103より高い値を示し、且つ使用環境下において1価の銅イオンと形成する錯体の溶解度が0.5g/L以上の銅錯化剤、若しくは、1価の銅イオンと錯体を形成し、1価の銅イオンとの錯化定数が1×103より高い値を示し、且つ2価の銅イオンとの錯化定数が1×1020以下の値を示す銅錯化剤として、例えばピロリン酸カリウム、シアン化ナトリウム、アセトニトリルなどを挙げることができる。中でも、1価の銅イオンとの錯化定数や溶解速度、並びに均一に混合できることを加味すると、アセトニトリルが特に好ましい。 Although it does not specifically limit as a copper complexing agent used by this copper wiring manufacturing method, A complex with a monovalent copper ion is formed, and the complexing constant with a monovalent copper ion is higher than 1 * 10 < 3 >. A copper complexing agent having a solubility of 0.5 g / L or more in a complex formed with a monovalent copper ion in a use environment or a complex with a monovalent copper ion to form a monovalent copper Examples of copper complexing agents having complexing constants with ions of higher than 1 × 10 3 and complexing constants with divalent copper ions of 1 × 10 20 or less include potassium pyrophosphate and cyanide. Examples thereof include sodium chloride and acetonitrile. Among them, acetonitrile is particularly preferable in consideration of complexing constants and dissolution rates with monovalent copper ions, and uniform mixing.

本電解液は、銅を溶解させる速度が0.05〜5mgmin-1cm-2、中でも0.07〜4mgmin-1cm-2、その中でも特に0.1〜3mgmin-1cm-2となるような量で前記銅錯化剤を含むものが好ましい。 This electrolytic solution has a rate of dissolving copper of 0.05 to 5 mg min −1 cm −2 , especially 0.07 to 4 mg min −1 cm −2 , and in particular 0.1 to 3 mg min −1 cm −2. Those containing the copper complexing agent in an appropriate amount are preferred.

なお、上記の「銅を溶解させる速度」とは、錯化剤含有電解液(温度25℃)に銅板を浸漬させ、限界電流密度が80mA/cm2となるように攪拌しながら銅板を溶解させた時の単位時間・単位面積当たりの銅板重量減少量から求められる値である。 The above-mentioned “speed for dissolving copper” means that a copper plate is immersed in a complexing agent-containing electrolyte (temperature: 25 ° C.), and the copper plate is dissolved while stirring so that the limiting current density is 80 mA / cm 2. It is a value obtained from the copper plate weight reduction per unit time and unit area.

本発明の効果を得るためには、本電解液における銅錯化剤の濃度、すなわち銅錯化剤と水との合計量に対する銅錯化剤の混合比率は、1wt%以上であることが重要であり、好ましくは2wt%以上、特に4wt%以上であるのが好ましい。上限値は、特に限定するものではないが、環境負荷等を考慮すると50wt%程度であると考えられるが、硫酸銅の溶解量を確保する観点から27wt%であるのが好ましい。   In order to obtain the effect of the present invention, it is important that the concentration of the copper complexing agent in the electrolytic solution, that is, the mixing ratio of the copper complexing agent with respect to the total amount of the copper complexing agent and water is 1 wt% or more. It is preferably 2 wt% or more, particularly 4 wt% or more. The upper limit value is not particularly limited, but is considered to be about 50 wt% in consideration of environmental load and the like, but is preferably 27 wt% from the viewpoint of securing the dissolved amount of copper sulfate.

銅成分としては、例えば、アルカリ性のシアン化銅、ピロリン酸銅や酸性のホウフッ化銅、硫酸銅などの水溶性銅塩が好ましく、中でも硫酸銅及び硫酸を含む硫酸銅水溶液が好ましい。これらは、予め銅錯化剤と混合することができる。
この場合に加える硫酸濃度は、適宜調整可能であるが、通常は0.01mol/L以上、特に0.1mol/L〜2mol/Lとするのが好ましい。
As the copper component, for example, water-soluble copper salts such as alkaline copper cyanide, copper pyrophosphate, acidic copper borofluoride, and copper sulfate are preferable, and an aqueous copper sulfate solution containing copper sulfate and sulfuric acid is particularly preferable. These can be mixed in advance with a copper complexing agent.
The concentration of sulfuric acid added in this case can be adjusted as appropriate, but is usually 0.01 mol / L or more, and preferably 0.1 mol / L to 2 mol / L.

本電解液の好ましい具体例として、硫酸銅水溶液と銅錯化剤とを含む電解液を、純水によって希釈して、目的に合った所望の組成濃度に調整してなる電解液を挙げることができる。   As a preferred specific example of the electrolytic solution, an electrolytic solution obtained by diluting an electrolytic solution containing an aqueous copper sulfate solution and a copper complexing agent with pure water to have a desired composition concentration suitable for the purpose can be given. it can.

なお、本電解液は、ハロゲンイオン及び、キャリア、ブライトナ、レベラ等の有機系添加剤を実質的に含んでいても、含んでいなくてもよい。ハロゲンイオンや前記の有機系添加剤を実質的に含んでいなくても、埋め込み率を十分に高めることができる点は本発明の特徴の一つではあるが、これらを含んでいれば更に効果を高めることが期待できるため、含んでいてもよい。
ここで、「実質的に含まない」とは、積極的に添加しないという意味であり、不可避的に含まれる場合は、これを許容する意味である。具体的濃度で言えば3ppm以下であるのが好ましい。
また、例えば光沢剤、錯化剤、緩衝剤、導電剤、有機化合物(にかわ、ゼラチン、フェノールスルフォン酸、白糖蜜など)、多価アルコール、チタンなどの添加剤を本電解液に添加することも可能である。
The electrolytic solution may or may not substantially contain halogen ions and organic additives such as carriers, brighteners, and levelers. Although it is one of the features of the present invention that the embedding rate can be sufficiently increased even if it does not substantially contain halogen ions or the above-mentioned organic additives, it is more effective if these are included. Since it can be expected to increase, it may be included.
Here, “substantially does not contain” means that it is not actively added, and when it is inevitably contained, it means that this is allowed. In terms of specific concentration, it is preferably 3 ppm or less.
In addition, additives such as brighteners, complexing agents, buffering agents, conductive agents, organic compounds (such as glue, gelatin, phenolsulfonic acid, molasses), polyhydric alcohols, and titanium may be added to the electrolytic solution. Is possible.

(電解液の攪拌)
錯化剤含有電解液を用いて電気めっきする場合、電解液の攪拌程度を高めることにより電流効率を低下させることができ、逆に電解液の攪拌を抑制することにより電流効率を高めることができるという意外な事実が判明した。よって、このような知見に基づいて攪拌条件を調整することで、液拡散の少ない微細孔(溝)内への銅の埋め込みにおいても、微細孔(溝)内部に積極的に電気めっきを施して埋め込み率を高めることができるようになり、さらには、被めっき体表面への銅の電析量を抑制することもできるようになった。なお、「被めっき体表面」とは、微細孔(溝)内の表面を包含するものではない(他においても同様)。
(Agitating the electrolyte)
When electroplating using a complexing agent-containing electrolyte, the current efficiency can be reduced by increasing the degree of stirring of the electrolyte, and conversely, the current efficiency can be increased by suppressing the stirring of the electrolyte. The surprising fact was revealed. Therefore, by adjusting the stirring conditions based on such knowledge, even when copper is embedded in micropores (grooves) with little liquid diffusion, electroplating is actively applied to the micropores (grooves). The embedding rate can be increased, and furthermore, the amount of copper electrodeposited on the surface of the object to be plated can be suppressed. The “surface of the object to be plated” does not include the surface in the fine holes (grooves) (the same applies to other cases).

電解液の攪拌方法は、特に限定するものではない。例えば被めっき体である基板を、めっき面である基板表面に対して垂直な軸を中心として回転させて電解液を攪拌する方法や、電解液内で攪拌具を振動させて電解液を攪拌する方法、電解液を流動させて電解液を攪拌する方法、その他の方法を採用することができる。
なお、前記の攪拌具としては、攪拌棒、攪拌羽、その他攪拌可能な部材を挙げることができる。
The method for stirring the electrolytic solution is not particularly limited. For example, a method of stirring the electrolyte by rotating the substrate that is the object to be plated around an axis perpendicular to the substrate surface that is the plating surface, or stirring the electrolyte by vibrating the stirring tool in the electrolyte A method, a method of stirring the electrolytic solution by flowing the electrolytic solution, and other methods can be employed.
In addition, as said stirring tool, a stirring rod, a stirring blade, and the other member which can be stirred can be mentioned.

微細孔(溝)内部に積極的に電気めっきを施して埋め込み率を高める一方、被めっき体表面への銅の電析量を抑制するためには、電解液の攪拌程度を所定の範囲に制御することが重要であり、好ましくは、対極として銅電極、参照極として飽和カロメル電極を用いて25℃の0.05mol/L硫酸銅+0.5mol/L硫酸を含む電解液を用いて浸漬電位からカソード方向に100mV/minで電位走査した際の限界電流密度が10mA/cm2〜150mA/cm2となるように電解液の攪拌程度を制御するのが好ましく、特に20mA/cm2〜80mA/cm2、中でも特に40mA/cm2〜80mA/cm2となるように電解液の攪拌程度を制御するのが好ましい。実際には、製造設備に電極位置を当てはめることで、限界電流密度を予め測定しておき、所定の限界電流密度になるように電解液の攪拌程度を制御するのが好ましい。
なお、本明細書における「限界電流密度」の語は全て上記定義における電解液の攪拌程度を示す指標としての限界電流密度の意味である。
In order to increase the filling rate by positively electroplating inside the micropores (grooves), the degree of stirring of the electrolyte is controlled within a predetermined range in order to suppress the amount of copper deposited on the surface of the object to be plated Preferably, from the immersion potential using an electrolytic solution containing 0.05 mol / L copper sulfate + 0.5 mol / L sulfuric acid at 25 ° C. using a copper electrode as a counter electrode and a saturated calomel electrode as a reference electrode it is preferable to control the degree agitation of the electrolytic solution as the limiting current density when the potential scan is 10mA / cm 2 ~150mA / cm 2 at the cathode direction 100 mV / min, in particular 20mA / cm 2 ~80mA / cm 2, it is preferable to control the degree agitation of the electrolytic solution so as inter alia a 40mA / cm 2 ~80mA / cm 2 . Actually, it is preferable to measure the limit current density in advance by applying the electrode position to the manufacturing facility, and to control the degree of stirring of the electrolyte so that the predetermined limit current density is obtained.
The term “limit current density” in the present specification means the limit current density as an index indicating the degree of stirring of the electrolytic solution in the above definition.

ここで、限界電流密度について補足する。
本発明では、電解液の攪拌程度を示す指標として限界電流密度を採用している。物質の移動限界電流は流速に依存することが知られており、前記の限界電流密度は、攪拌の程度と一定の関係があることが確認されている。したがって、限界電流密度は攪拌の程度を示すパラメータとして評価することができる。例えば後述する試験2で示すように、限界電流密度を電極回転速度に変換することも、電極回転速度を限界電流密度に変換することも可能である。なお、限界電流密度を規定する電極面積の基準は、孔(溝)内を含まない見かけ上の面積である。
Here, it supplements about a limiting current density.
In the present invention, the limiting current density is adopted as an index indicating the degree of stirring of the electrolytic solution. It is known that the movement limit current of a substance depends on the flow velocity, and it has been confirmed that the limit current density has a certain relationship with the degree of stirring. Therefore, the limiting current density can be evaluated as a parameter indicating the degree of stirring. For example, as shown in Test 2 to be described later, it is possible to convert the limit current density into the electrode rotation speed, or it is possible to convert the electrode rotation speed into the limit current density. The standard of the electrode area that defines the limit current density is an apparent area that does not include the inside of the hole (groove).

この限界電流密度は、電流密度と電極電位との関係をプロットすることにより求めることができるから、例えば実際に埋め込みめっきを行う電解槽において、下記条件の予備試験を行い、電流密度と電極電位との関係をプロットして限界電流密度を求めておき、所定の限界電流密度になるように、それぞれの攪拌方法における攪拌速度を調整することができる。
(予備試験の条件)
対極として銅電極、参照極として飽和カロメル電極を用いて、25℃の0.05mol/L硫酸銅+0.5mol/L硫酸の電解液中にて、浸漬電位からカソード方向に100mV/minで電位走査する。
Since this limit current density can be obtained by plotting the relationship between the current density and the electrode potential, for example, in an electrolytic cell that actually performs embedded plating, a preliminary test under the following conditions is performed, and the current density and the electrode potential are The limit current density is obtained by plotting the above relationship, and the stirring speed in each stirring method can be adjusted so that the predetermined limit current density is obtained.
(Preliminary test conditions)
Using a copper electrode as a counter electrode and a saturated calomel electrode as a reference electrode, a potential scan at 100 mV / min from the immersion potential to the cathode in an electrolyte solution of 0.05 mol / L copper sulfate + 0.5 mol / L sulfuric acid at 25 ° C To do.

電解液の攪拌方法ごとに攪拌程度について検討すると、電解液の攪拌方法として、被めっき体である基板を、めっき面である基板表面に対して垂直な軸を中心として回転させて電解液を攪拌する方法を採用する場合には、100〜5000rpmで回転させるのが好ましく、特に300〜3000rpm、中でも特に600〜3000rpmで回転させるのがより一層好ましい。
また、電解液を攪拌具を振動させて電解液を攪拌する方法を採用する場合には、電解液を0.8Hz〜10Hzの周波数で攪拌具を振動させるのが好ましく、特に1.5Hz〜5Hz、中でも特に2.5Hz〜3.6Hzの周波数で振動させるのが好ましい。
Considering the degree of stirring for each method of stirring the electrolytic solution, the method of stirring the electrolytic solution is to stir the electrolytic solution by rotating the substrate that is the object to be plated around an axis perpendicular to the surface of the substrate that is the plating surface. In the case of adopting the method, the rotation is preferably performed at 100 to 5000 rpm, more preferably 300 to 3000 rpm, and particularly preferably 600 to 3000 rpm.
In addition, when the method of stirring the electrolytic solution by vibrating the stirring tool is employed, it is preferable to vibrate the stirring tool at a frequency of 0.8 Hz to 10 Hz, particularly 1.5 Hz to 5 Hz. In particular, it is preferable to vibrate at a frequency of 2.5 Hz to 3.6 Hz.

(陰極)
本銅配線製造方法で用いる陰極、すなわち被めっき体となる基板の素材は、特に限定するものではない。半導体デバイスの基板材料は、通常シリコンウエハ等からなる基板上に酸化膜等の絶縁膜を形成してなる構成のものであるため、それだけでは電気的導通が得られず電気めっきすることができない。そこで、前記絶縁膜上に導電性材料、例えば銅などをスパッタその他の手段により積層させて下地導電膜を形成するのが一般的である。
(cathode)
The cathode used in the present copper wiring manufacturing method, that is, the material of the substrate to be plated is not particularly limited. Since the substrate material of a semiconductor device has a structure in which an insulating film such as an oxide film is usually formed on a substrate made of a silicon wafer or the like, electrical continuity cannot be obtained by itself, and electroplating cannot be performed. Therefore, it is common to form a base conductive film by laminating a conductive material such as copper on the insulating film by sputtering or other means.

(陽極)
本銅配線製造方法で用いる陽極すなわち対極としての素材は、特に限定するものではない。例えば銅のほか、白金、白金めっきチタンなどの不溶性電極、その他の電極板を例示できるが、中でも銅が好ましい。
(anode)
The material used as the anode, that is, the counter electrode used in the present copper wiring manufacturing method is not particularly limited. For example, in addition to copper, insoluble electrodes such as platinum and platinum-plated titanium, and other electrode plates can be exemplified, but copper is particularly preferable.

(電解温度)
電解温度、すなわち電解液の温度は、特に限定するものではなく、20℃以上であればよい。中でも、製造コストや有機成分の蒸発を少なくするために25〜45℃となるように制御するのが好ましい。
(Electrolysis temperature)
The electrolysis temperature, that is, the temperature of the electrolytic solution is not particularly limited, and may be 20 ° C. or higher. Especially, it is preferable to control so that it may become 25-45 degreeC in order to reduce manufacturing cost and evaporation of an organic component.

(電流密度)
電流密度は、特に限定するものではないが、好ましくは5mA/cm以上に制御するのがよい。上限値は特に限定されないが、500mA/cm程度が現実的な上限値になると考えられる。
より好ましくは、目的に応じて電流密度をさらに制御するのが好ましく、攪拌程度を示す限界電流密度が大きな場合には電流密度を大きくするのが好ましい。例えば、微細孔(溝)内部に積極的に電気めっきを施して埋め込み率を高める一方、被めっき体表面への銅の電析量を抑制するためには、電流密度を10mA/cm〜200mA/cm、特に20mA/cm〜100mA/cm、中でも特に40mA/cm〜80mA/cmに制御するのが好ましい。
(Current density)
The current density is not particularly limited, but is preferably controlled to 5 mA / cm 2 or more. Although the upper limit is not particularly limited, it is considered that about 500 mA / cm 2 is a realistic upper limit.
More preferably, the current density is further controlled according to the purpose, and when the limit current density indicating the degree of stirring is large, it is preferable to increase the current density. For example, in order to increase the filling rate by positively electroplating the inside of the fine holes (grooves), the current density is set to 10 mA / cm 2 to 200 mA in order to suppress the amount of copper deposited on the surface of the object to be plated. / cm 2, particularly 20mA / cm 2 ~100mA / cm 2 , preferably controlled inter alia in 40mA / cm 2 ~80mA / cm 2 .

(電解時間)
電解時間(通電時間)は、特に限定するものではない。孔や溝の大きさや形状等に応じて適宜調整するのがよい。
(Electrolysis time)
The electrolysis time (energization time) is not particularly limited. It is preferable to adjust appropriately according to the size and shape of the holes and grooves.

(好ましい電解条件)
以上の点を総合すると、微細孔(溝)内部に積極的に電気めっきを施して埋め込み率を高める一方、被めっき体表面への銅の電析量を抑制するための好ましい電解条件の一例として、電解液中の硫酸銅濃度が0.24mol/Lで硫酸濃度が1.8mol/Lのとき、電解液中の銅錯化剤濃度が1wt%〜27wt%であり、電解液の攪拌程度を示す限界電流密度が15mA/cm2〜80mA/cm2であり、電流密度が40mA/cm2〜100mA/cm2であるという条件を挙げることができる。
(Preferred electrolysis conditions)
In summary of the above points, as an example of preferable electrolysis conditions for suppressing the amount of copper electrodeposited on the surface of the object to be plated while increasing the filling rate by positively electroplating inside the micropores (grooves) When the concentration of copper sulfate in the electrolytic solution is 0.24 mol / L and the concentration of sulfuric acid is 1.8 mol / L, the concentration of the copper complexing agent in the electrolytic solution is 1 wt% to 27 wt%. limiting current density shown is 15mA / cm 2 ~80mA / cm 2 , current density can be exemplified conditions that it is 40mA / cm 2 ~100mA / cm 2 .

(装置)
電気めっき装置の構成については、特に限定するものではない。例えば、電解液を収容するめっき槽を備え、このめっき槽は電解液排水部と電解液供給部とを備え、めっき槽内には、基板(例えば半導体ウエハ)保持する基板ホルダーと、電源の陽極が接続されたアノード電極と、攪拌棒や攪拌羽などの攪拌機構とが配設されてなる電気めっき装置や、電極が回転して電解液を攪拌し得る構成の回転ディスク電極装置などを挙げることができる。
(apparatus)
The configuration of the electroplating apparatus is not particularly limited. For example, a plating tank containing an electrolytic solution is provided. The plating tank includes an electrolytic solution drain part and an electrolytic solution supply part. In the plating tank, a substrate holder for holding a substrate (for example, a semiconductor wafer) and an anode of a power source are provided. An electroplating apparatus in which an anode electrode connected to the electrode and an agitation mechanism such as an agitation rod and an agitation blade are arranged, and a rotating disk electrode apparatus configured such that the electrode can rotate to agitate the electrolyte Can do.

<余分な銅層の除去>
次に、余分な銅層の除去、すなわち、めっき面である基板表面に形成された銅層を除去する方法について説明する。
<Removal of excess copper layer>
Next, a method for removing an excess copper layer, that is, a method for removing a copper layer formed on a substrate surface which is a plating surface will be described.

基板表面に形成された銅層の除去方法は、被処理体をアノードとして電流を流す電解研磨法、研磨剤(砥粒)が有する表面化学作用又は研磨液に含まれる化学成分の作用と共に、研磨剤と研磨対象物との相対運動による機械的研磨による化学機械研磨法(CMP)、エッチング液に溶解させる方法、その他の除去方法を採用することができる。また、これらの方法を組合わせて併用することもできる。   The method for removing the copper layer formed on the surface of the substrate includes an electropolishing method in which an object is used as an anode, an electropolishing method in which a current is passed, a surface chemical action of an abrasive (abrasive grain), or a chemical component contained in a polishing liquid. A chemical mechanical polishing method (CMP) by mechanical polishing based on relative motion between the agent and the polishing object, a method of dissolving in an etching solution, and other removal methods can be employed. These methods can be used in combination.

本銅配線製造方法で用いる錯化剤含有電解液は、銅イオンとの錯体を形成し易いため、金属銅を溶解する作用を有し、エッチング液としても機能する。そのため、当該電解液を強制攪拌しながら、基板表面に形成された銅層表面に該電解液を接触させることにより、基板表面の銅層の少なくとも一部を除去することができる。   Since the complexing agent-containing electrolytic solution used in the present copper wiring manufacturing method easily forms a complex with copper ions, it has an action of dissolving metallic copper and also functions as an etching solution. Therefore, at least a part of the copper layer on the substrate surface can be removed by bringing the electrolyte solution into contact with the copper layer surface formed on the substrate surface while forcibly stirring the electrolyte solution.

さらに、被めっき体がカソードとなるように還元電流を被めっき体に印加すると共に、電解液を強制攪拌しながら、基板表面の銅層に該電解液を接触させることにより、銅の電気めっき(銅の電着)と余分な銅層の除去(エッチング)とを同時に行うことができる。この際、当該電解液は、上記の如く凹部内への銅の電着効果に優れている一方、微細孔(溝)部分の銅層表面が凹部状になる傾向があるため、この部分の電着効果が優先的に進み、全体として平坦になるようにすることができる。また、例えば銅層の除去が過度に進み、微細孔(溝)内の銅までも除去されて銅層表面が凹部状になったとしても、凹部への優れた電着効果によって微細孔(溝)部分の電着が優先して進み、平坦になるように修復することができる。よって、このようなオーバーエッチングを防ぎつつ余分な銅層を効果的に除去することができる。   Furthermore, while applying a reduction current to a to-be-plated body so that a to-be-plated body may become a cathode, and making the electrolyte solution contact the copper layer of a board | substrate surface, forcing stirring, the electroplating of copper ( Copper electrodeposition) and removal of excess copper layer (etching) can be performed simultaneously. At this time, the electrolytic solution is excellent in the electrodeposition effect of copper into the recesses as described above, but the copper layer surface of the micropores (grooves) tends to be recessed, so that the electrode in this portion The wearing effect can be preferentially advanced and flattened as a whole. Also, for example, even if the removal of the copper layer proceeds excessively and even the copper in the fine holes (grooves) is removed and the surface of the copper layer becomes concave, the fine holes (grooves) can be obtained by the excellent electrodeposition effect on the concaves. ) The electrodeposition of the part proceeds with priority and can be repaired to be flat. Therefore, it is possible to effectively remove the excess copper layer while preventing such over-etching.

この際、被めっき体に電流を流す際の電流密度は、前記電気めっき時の電流密度未満の電流密度に制御するのが好ましく、より好ましくは40mA/cm2未満、中でも好ましくは0.1mA/cm2〜10mA/cm2である。 At this time, the current density at the time of passing a current through the object to be plated is preferably controlled to be less than the current density at the time of electroplating, more preferably less than 40 mA / cm 2 , and particularly preferably 0.1 mA / cm 2. cm 2 to 10 mA / cm 2 .

なお、このように電解液を強制攪拌しながら、該電解液と被めっき体表面の銅層とを接触させて被めっき体表面の銅層を除去する方法は、化学機械研磨によって被めっき体表面の銅層を除去する方法等と組合わせて併用することができる。   In addition, the method of removing the copper layer on the surface of the object to be plated by bringing the electrolytic solution into contact with the copper layer on the surface of the object to be plated while forcibly stirring the electrolyte is performed by chemical mechanical polishing. It can be used in combination with a method for removing the copper layer.

また、この際の電解液の攪拌方法としては、前述の電気めっきの場合と同様、基板表面に対して垂直な軸を中心として回転させて電解液を攪拌する方法や、電解液内で攪拌具を振動させて電解液を攪拌する方法、電解液を流動させて電解液を攪拌する方法、その他の攪拌方法を採用することができ、攪拌程度は、対極として銅電極、参照極として飽和カロメル電極を用いて25℃の0.05mol/L硫酸銅+0.5mol/L硫酸を含む電解液を用いて浸漬電位からカソード方向に100mV/minで電位走査した際の限界電流密度が10mA/cm2〜150mA/cm2、特に20mA/cm2〜80mA/cm2となるように電解液の攪拌程度を調整するのが好ましい。
さらに、電解液の攪拌方法として、被めっき体である基板Aを、めっき面である基板表面に対して垂直な軸を中心として回転させる方法を採用する場合には、100〜5000rpm、特に600〜3000rpmで回転させるのがより一層好ましい。
また、電解液を所定の周波数で攪拌具を振動させる方法を採用する場合には、電解液を0.8Hz〜10Hz、特に1.5Hz〜5Hz、中でも特に2.5Hz〜3.6Hzの周波数で振動させるのが好ましい。
In addition, as a method of stirring the electrolytic solution at this time, as in the case of the above-described electroplating, a method of stirring the electrolytic solution by rotating about an axis perpendicular to the substrate surface, or a stirring tool in the electrolytic solution A method of stirring the electrolytic solution by vibrating the electrode, a method of stirring the electrolytic solution by flowing the electrolytic solution, and other stirring methods can be adopted. The stirring degree is a copper electrode as a counter electrode and a saturated calomel electrode as a reference electrode. The limiting current density is 10 mA / cm 2 when the potential is scanned from the immersion potential to the cathode direction at 100 mV / min using an electrolyte containing 0.05 mol / L copper sulfate + 0.5 mol / L sulfuric acid at 25 ° C. 150 mA / cm 2, especially preferably adjusted to about agitation of the electrolytic solution so as to 20mA / cm 2 ~80mA / cm 2 .
Furthermore, as a method for stirring the electrolytic solution, when a method of rotating the substrate A, which is the object to be plated, about an axis perpendicular to the surface of the substrate, which is the plating surface, is 100 to 5000 rpm, particularly 600 to It is even more preferable to rotate at 3000 rpm.
Moreover, when employ | adopting the method which vibrates a stirring tool with predetermined frequency, electrolyte solution is 0.8 Hz-10 Hz, especially 1.5 Hz-5 Hz, and especially 2.5 Hz-3.6 Hz. It is preferable to vibrate.

<得られる銅配線の特徴>
本銅配線製造方法によれば、複数の添加剤を実質的に含まないでも、極めて微細な孔又は溝(例えば深さが0.1μm〜2.0μmで且つアスペクト比(深さ/幅)3〜5である孔又は溝)内に十分に銅を埋め込むことができ、極めて微細な銅配線を優れた精度で形成することができる。
<Features of the obtained copper wiring>
According to this copper wiring manufacturing method, even if a plurality of additives are not substantially contained, extremely fine holes or grooves (for example, a depth of 0.1 μm to 2.0 μm and an aspect ratio (depth / width) of 3 The hole or groove which is ˜5 can be sufficiently filled with copper, and extremely fine copper wiring can be formed with excellent accuracy.

また、本銅配線製造方法で得られる銅配線は、純度が高いという特徴を有しており、特に銅錯化剤としてアセトニトリルを電解液に添加する場合には、得られる銅配線中にアセトニトリルが残らないため、不純物の濃度が低く、且つ比抵抗が十分に低い銅薄膜を得ることができる。
さらに、アセトニトリルを電解液に添加して得られる銅配線の配向性は、(111)面が優先配向となる傾向があるから、エレクトロマイグレーション耐性に優れた配線を得ることができる。具体的には、(111)面の相対積分強度を65%以上、好ましくは70%以上、中でも好ましくは80%以上の結晶配向性を得ることができる。
なお、(111)面の相対積分強度とは、X線回折チャートにおける(111)面、(200)面、(220)面及び(311)面のピーク面積の総和に対する(111)面のピーク面積の割合(%)を示す。
In addition, the copper wiring obtained by the present copper wiring manufacturing method has a feature of high purity. Particularly when acetonitrile is added to the electrolyte as a copper complexing agent, acetonitrile is contained in the obtained copper wiring. Therefore, a copper thin film having a low impurity concentration and a sufficiently low specific resistance can be obtained.
Furthermore, since the orientation of the copper wiring obtained by adding acetonitrile to the electrolytic solution tends to be preferentially oriented in the (111) plane, a wiring excellent in electromigration resistance can be obtained. Specifically, a crystal orientation with a relative integral intensity of (111) plane of 65% or more, preferably 70% or more, and preferably 80% or more can be obtained.
The relative integrated intensity of the (111) plane is the peak area of the (111) plane relative to the sum of the peak areas of the (111), (200), (220) and (311) planes in the X-ray diffraction chart. The ratio (%) is shown.

このように、本銅配線製造方法によって形成される銅配線は、電子材料、例えばIC、LSI、CPU等の集積回路などの製造に有効に利用することができる。   Thus, the copper wiring formed by the present copper wiring manufacturing method can be effectively used for manufacturing electronic materials, for example, integrated circuits such as IC, LSI, and CPU.

(用語の解説)
本発明において「電気めっき」とは、イオン化した金属を含む電解液に通電し、陰極の表面にめっき金属を析出させる方法を全て包含する。
本発明において「銅配線」とは、半導体回路及びプリント配線板の両方を含み、平面配線の他、フィルドヴィア、配線溝、配線接続孔、スルーホール等の3次元配線も含む概念である。
本発明において、「X〜Y」(X、Yは任意の数字)と記載した場合、特にことわらない限り「X以上Y以下」の意と共に、「好ましくはXより大きい」或いは「好ましくはYより小さい」の意も包含する。
(Glossary of terms)
In the present invention, “electroplating” includes all methods in which an electrolytic solution containing an ionized metal is energized to deposit the plated metal on the surface of the cathode.
In the present invention, “copper wiring” is a concept that includes both a semiconductor circuit and a printed wiring board, and includes three-dimensional wiring such as filled vias, wiring grooves, wiring connection holes, and through holes in addition to planar wiring.
In the present invention, when it is described as “X to Y” (X and Y are arbitrary numbers), it is “preferably larger than X” or “preferably Y” with the meaning of “X or more and Y or less” unless otherwise specified. It also includes the meaning of “smaller”.

以下、試験結果(実施例に相当)に基づいて本発明について説明するが、本発明の範囲が下記試験結果に限定されるものではない。なお、試験4〜6は、本発明を想到する上で基礎となった試験内容として説明するものである。   Hereinafter, although this invention is demonstrated based on a test result (equivalent to an Example), the scope of the present invention is not limited to the following test result. Tests 4 to 6 are described as test contents based on the idea of the present invention.

<試験1>
図2に示すように、(株)山本鍍金試験器製マイクロセルModelI型を使用して、シリコンウエハからなる基板表面に設けた多数の溝内に電気めっきにより銅の埋め込みを行った。
カソードには、図3に示すように、表面に酸化シリコンからなる絶縁膜を形成したシリコンウエハ基板(11mm×15mm×0.8mm)に、溝幅190nm、深さ700nmの配線溝を、190nm間隔で185本形成し、その表面にTaN及びCuを順次スパッタしてバリアメタル層、銅層を形成したものを使用した。
アノードには含燐銅板(8mm×12mm)を使用し、電極間距離を25mmに配置した。
<Test 1>
As shown in FIG. 2, copper was embedded by electroplating into a number of grooves provided on the surface of a substrate made of a silicon wafer, using a Microcell Model I type manufactured by Yamamoto Metal Testing Co., Ltd.
As shown in FIG. 3, on the cathode, wiring grooves having a groove width of 190 nm and a depth of 700 nm are provided at intervals of 190 nm on a silicon wafer substrate (11 mm × 15 mm × 0.8 mm) having an insulating film made of silicon oxide on the surface. 185 were formed, and TaN and Cu were sequentially sputtered on the surface to form a barrier metal layer and a copper layer.
A phosphorous copper plate (8 mm × 12 mm) was used for the anode, and the distance between the electrodes was set to 25 mm.

電解液には、硫酸銅水溶液とアセトニトリルとを混合した後、水濃度が1wt%以上になるように純水によって希釈して、Cu(II)濃度0.24mol/L、硫酸濃度1.8mol/L、アセトニトリル濃度1〜27wt%に調整したものを用いた。
そして、表1に示すように、250mLの電解液を0.8Hz〜2.5Hzの周波数で攪拌棒を振動させながら、ポテンシオスタット(北斗電工社製HA−151)を使用して電流密度20〜40mA/cm2に制御しつつ、電解液温度25℃にて電気めっきを1.44C/cm2行い、サンプル1〜7について配線溝内の埋め込み性を比較検討した。
The electrolytic solution was mixed with an aqueous copper sulfate solution and acetonitrile, and then diluted with pure water so that the water concentration was 1 wt% or more, and the Cu (II) concentration was 0.24 mol / L, and the sulfuric acid concentration was 1.8 mol / L. L and those adjusted to acetonitrile concentration of 1-27 wt% were used.
And as shown in Table 1, using a potentiostat (HA-151 manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) while vibrating a stirring bar with 250 mL of electrolyte at a frequency of 0.8 Hz to 2.5 Hz, a current density of 20 while controlling the ~40mA / cm 2, 1.44C / cm 2 performs electroplating at electrolyte temperature of 25 ° C., it was compared to embedding of the wiring groove for samples 1-7.

また、別の電解液として、硫酸銅水溶液、アセトニトリル、塩酸、ポリエチレングリコール(PEG、Mw:4000)及びヤナスグリーンB(JGB)を混合した後、水濃度が1wt%以上になるように純水によって希釈して、Cu(II)濃度0.24mol/L、硫酸濃度1.8mol/L、アセトニトリル濃度14wt%、塩化物イオン濃度50ppm、PEG濃度300ppm、JGB濃度5ppm、3−メルカプト−1−プロパンスルホン酸ナトリウム(MPS)濃度2ppmに調製してなる溶液を用い、2.5Hzの周波数(限界電流密度41.0mA/cm2)で攪拌棒を振動させながら、ポテンシオスタット(北斗電工社製HA−151)を使用して電流密度60mA/cm2に制御しつつ、他の条件は上記同様に電気めっきを行い、得られたサンプル8について配線溝内の埋め込み性を検討した。 Further, as another electrolytic solution, after mixing a copper sulfate aqueous solution, acetonitrile, hydrochloric acid, polyethylene glycol (PEG, Mw: 4000) and Yanas Green B (JGB), pure water is used so that the water concentration becomes 1 wt% or more. When diluted, Cu (II) concentration 0.24 mol / L, sulfuric acid concentration 1.8 mol / L, acetonitrile concentration 14 wt%, chloride ion concentration 50 ppm, PEG concentration 300 ppm, JGB concentration 5 ppm, 3-mercapto-1-propanesulfone Using a solution prepared to a sodium oxide (MPS) concentration of 2 ppm, while stirring the stirring bar at a frequency of 2.5 Hz (limit current density 41.0 mA / cm 2 ), a potentiostat (HA-made by Hokuto Denko) 151) is used to control the current density to 60 mA / cm 2 , and other conditions are electroplated as described above. Then, the embedding property in the wiring trench was examined for the obtained sample 8.

(限界電流密度の測定)
電解液として、25℃の0.05mol/L硫酸銅+0.5mol/L硫酸を含む電解液を用いて、攪拌棒の各周波数において、浸漬電位からカソード方向に100mV/minで電位走査した際の電流密度及び電極電位を測定し、測定した電流密度と電極電位との関係をプロットすることにより限界電流密度を測定した。
なお、測定の再現性を向上させる観点から、ここで用いる電解液にはあえてアセトニトリルを添加していないが、電解液の攪拌程度を示す指標を求める意味においては問題ない。
(Measurement of limit current density)
As an electrolytic solution, an electrolytic solution containing 0.05 mol / L copper sulfate + 0.5 mol / L sulfuric acid at 25 ° C. was used, and at each frequency of the stirring rod, potential scanning was performed at 100 mV / min from the immersion potential to the cathode direction. The limiting current density was measured by measuring the current density and the electrode potential and plotting the relationship between the measured current density and the electrode potential.
In addition, from the viewpoint of improving the reproducibility of the measurement, acetonitrile is not added to the electrolytic solution used here, but there is no problem in terms of obtaining an index indicating the degree of stirring of the electrolytic solution.

(埋め込み性の評価)
得られたサンプルについて、エスアイアイナノテクノロジー(株)製の集束イオンビーム加工観察装置/走査型イオン顕微鏡を用いて断面観察し、溝内への銅の埋め込み率(孔又は溝の深さに対する孔又は溝内に銅が電析した高さの割合(%))を測定し、次の基準で埋め込み性を評価し、12か所の平均値を表1に示した。
(Evaluation of embeddability)
Cross sections of the obtained samples were observed using a focused ion beam processing observation apparatus / scanning ion microscope manufactured by SII Nano Technology, Inc., and the copper filling rate in the groove (hole or hole relative to the depth of the groove) Alternatively, the ratio (%) of the height at which copper was electrodeposited in the groove was measured, and the embedding property was evaluated according to the following criteria. Table 1 shows the average values at 12 locations.

◎:溝内への銅の埋め込み率が90%以上
○:溝内への銅の埋め込み率が70%以上90%未満
△:溝内への銅の埋め込み率が60%以上70%未満
×:溝内への銅の埋め込み率が60%未満
◎: Copper filling rate in the groove is 90% or more ○: Copper filling rate in the groove is 70% or more and less than 90% Δ: Copper filling rate in the groove is 60% or more and less than 70% ×: Less than 60% copper filling in groove

Figure 2009132982
Figure 2009132982

(考察)
アセトニトリル含有電解液を使用して電気めっきを行うことにより、複数の添加剤を用いなくても、極めて微細な孔や溝(例えば深さが0.1μm〜2.0μmで且つアスペクト比(深さ/幅)3〜5である孔又は溝)内にも銅を十分に埋め込むことができることが確かめられた。
また、アセトニトリル含有電解液によれば、有機系添加剤やハロゲン添加剤を含まない組成とすることができる上、アセトニトリルは銅膜中に残らないため、特に銅配線の不純物濃度が低く、電気抵抗がより低くなることが期待できる。
微細孔(溝)内部に積極的に電気めっきを施して埋め込み率を高めるためには、限界電流密度が10mA/cm2〜150mA/cm2となるように電解液の攪拌程度を制御するのが好ましく、特に20mA/cm2〜80mA/cm2、中でも特に40mA/cm2〜80mA/cm2となるように電解液の攪拌程度を制御するのが好ましいと考えられる。
また、電解液を攪拌具を振動させて電解液を攪拌する方法を採用する場合、電解液を0.8Hz〜10Hzの周波数で攪拌具を振動させるのが好ましく、特に1.5Hz〜5.0Hz、中でも特に2.5Hz〜3.6Hzの周波数で振動させるのが好ましいと考えられる。
(Discussion)
By electroplating using an acetonitrile-containing electrolyte, extremely fine holes and grooves (for example, a depth of 0.1 μm to 2.0 μm and an aspect ratio (depth) can be obtained without using a plurality of additives. / Width) It was confirmed that copper could be sufficiently embedded in the holes or grooves) of 3-5.
In addition, according to the acetonitrile-containing electrolyte, the composition can be made free of organic additives and halogen additives, and since acetonitrile does not remain in the copper film, the impurity concentration of the copper wiring is particularly low, and the electric resistance Can be expected to be lower.
To increase the micropores (groove) ratio embedding subjected to inside actively electroplating, to control the degree of agitation of the electrolytic solution as the limiting current density is 10mA / cm 2 ~150mA / cm 2 preferably, in particular 20mA / cm 2 ~80mA / cm 2 , is considered preferable to control the degree agitation of the electrolytic solution so as inter alia a 40mA / cm 2 ~80mA / cm 2 .
Further, when the method of stirring the electrolytic solution by vibrating the stirring tool is adopted, it is preferable to vibrate the stirring tool at a frequency of 0.8 Hz to 10 Hz, particularly 1.5 Hz to 5.0 Hz. In particular, it is considered preferable to vibrate at a frequency of 2.5 Hz to 3.6 Hz.

<試験2>
攪拌の程度と限界電流密度との関係について試験し、限界電流密度を電極回転速度に変換する式を求めた。
<Test 2>
The relationship between the degree of stirring and the limit current density was tested, and an equation for converting the limit current density into the electrode rotation speed was obtained.

図4に示す溝等を設けていない回転ディスク電極装置(北斗電工社製HR−201)を使用し、対極に銅線、参照極に飽和カロメル電極(SCE)を用いた。また、作用極には、電極面積0.2cm2の白金ディスク電極(北斗電工社製HR−D2)上に、0.5mol/Lの硫酸銅及び1.0mol/Lの硫酸を含む30℃の電解液を用いて、−0.4Vvs.SCEの一定電位で30秒間電析したものを作用極として用いた。 A rotating disk electrode device (HR-201 manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) without grooves or the like shown in FIG. 4 was used, a copper wire was used as a counter electrode, and a saturated calomel electrode (SCE) was used as a reference electrode. The working electrode has a 30 ° C. containing 0.5 mol / L copper sulfate and 1.0 mol / L sulfuric acid on a platinum disk electrode (HR-D2 manufactured by Hokuto Denko) having an electrode area of 0.2 cm 2 . What was electrodeposited for 30 seconds at a constant potential of −0.4 V vs. SCE using the electrolytic solution was used as a working electrode.

0.05mol/Lの硫酸銅、0.5mol/Lの硫酸を含む25℃の電解液を用いて、0〜3000rpmの各回転数において電気めっきを行った。
また、浸漬電位からカソード方向に100mV/minで電位走査した際の電流密度及び電極電位を測定し、測定した電流密度と電極電位との関係をプロットすることにより限界電流密度を測定し、限界電流密度と電極回転速度の関係を図5に示した。
Electroplating was performed at each rotational speed of 0 to 3000 rpm using an electrolytic solution at 25 ° C. containing 0.05 mol / L copper sulfate and 0.5 mol / L sulfuric acid.
In addition, the current density and the electrode potential at the time of scanning the potential from the immersion potential to the cathode at 100 mV / min are measured, and the limit current density is measured by plotting the relationship between the measured current density and the electrode potential. The relationship between density and electrode rotation speed is shown in FIG.

図5に示されるように、限界電流密度と電極回転速度とには比例関係が認められ、次の式により、限界電流密度から電極回転速度に変換することができることが分かった。
f=(−1.37+0.72×iL)2
但し、f:電極回転速度(rpm)、iL:限界電流密度(mA/cm2
As shown in FIG. 5, a proportional relationship was recognized between the limit current density and the electrode rotation speed, and it was found that the limit current density can be converted from the limit current density to the electrode rotation speed by the following equation.
f = (− 1.37 + 0.72 × iL) 2
Where f: electrode rotation speed (rpm), iL: limit current density (mA / cm 2 )

<試験3:エッチング試験>
試験サンプルには、試験1のサンプル5と同じ条件で電銅の埋め込みを行って得られたものを用いた。
試験1の装置を使用し、試験1同様にサンプルをセットし、サンプルをエッチング処理液(25℃)中に浸漬し、エッチング処理液を2.5Hz(限界電流密度41.0mA/cm2)で強制攪拌しながら、サンプルに還元電流を電流密度:1mA/cm2又は2mA/cm2で印加して、1min〜4minエッチング処理を行い(表2参照)、エッチング効果を評価した。
<Test 3: Etching test>
A test sample obtained by embedding copper under the same conditions as Sample 5 of Test 1 was used.
Using the apparatus of Test 1, set the sample in the same way as in Test 1, soak the sample in the etching treatment solution (25 ° C.), and the etching treatment solution at 2.5 Hz (limit current density 41.0 mA / cm 2 ). While forcibly stirring, a reduction current was applied to the sample at a current density of 1 mA / cm 2 or 2 mA / cm 2 to perform an etching treatment for 1 min to 4 min (see Table 2), and the etching effect was evaluated.

エッチング処理液には、硫酸銅水溶液とアセトニトリルとを混合した後、水濃度が1wt%以上になるように純水によって希釈して、Cu(II)濃度0.24mol/L、硫酸濃度1.8mol/L、アセトニトリル濃度14wt%に調製したものを用いた。   The etching solution is mixed with an aqueous copper sulfate solution and acetonitrile, and then diluted with pure water so that the water concentration becomes 1 wt% or more, and the Cu (II) concentration is 0.24 mol / L, and the sulfuric acid concentration is 1.8 mol. / L, prepared at an acetonitrile concentration of 14 wt%.

なお、下記表2の表面厚減少率(%)及び孔底厚減少率(%)は、図6に示す断面においてエッチング前の表面厚み(h0)及び孔底厚み(H0)を測定し、次の式で求めた値である。
表面厚減少率(%)={(h0−h)/h0}×100
孔底厚減少率(%)={(H0−H)/H0}×100
The surface thickness reduction rate (%) and hole bottom thickness reduction rate (%) shown in Table 2 below are obtained by measuring the surface thickness (h 0 ) and hole bottom thickness (H 0 ) before etching in the cross section shown in FIG. The value obtained by the following formula.
Surface thickness reduction rate (%) = {(h 0 −h) / h 0 } × 100
Hole bottom thickness reduction rate (%) = {(H 0 −H) / H 0 } × 100

Figure 2009132982
Figure 2009132982

(考察)
1mA/cm2、2minの条件では、表面厚減少率/孔底厚減少率が1を超え、選択的に表面層の銅がエッチングされることが分かった。
(Discussion)
It was found that under the conditions of 1 mA / cm 2 and 2 min, the surface thickness reduction rate / hole bottom thickness reduction rate exceeded 1, and the surface layer copper was selectively etched.

<試験4:分極曲線の測定>
本発明を想到する上で基礎とした分極曲線の測定試験について説明する。
<Test 4: Measurement of polarization curve>
A measurement test of a polarization curve based on the idea of the present invention will be described.

(試験方法)
電解液の調製は、硫酸銅五水和物(CuSO4・5H2O)(和光純薬工業、特級)、硫酸(H2SO4)( 和光純薬工業、特級)及びアセトニトリル(CH3CN、「AN」とも称する)( 和光純薬工業、特級)を用い、脱イオン水により調製した(この電解液を「AN電解液」とも称する)。
電解液の銅濃度及び硫酸濃度は、水1wt%以上、CuSO4 0.24mol/dm3及びH2SO4 1.8mol/dm3に統一した。
分極曲線の測定に用いた3種類の電解液組成を表3に記す。
なお、本実験ではAN電解液中にCl-を添加していない。一般的な電解液では、Cl-を添加しないとスライムが発生するが、AN電解液では、Cl-がなくてもスライムは発生しない。これはCu(I)がANと安定的な錯体を形成するためと考えられる。
(Test method)
The electrolytic solution was prepared using copper sulfate pentahydrate (CuSO 4 .5H 2 O) (Wako Pure Chemical Industries, special grade), sulfuric acid (H 2 SO 4 ) (Wako Pure Chemical Industries, special grade) and acetonitrile (CH 3 CN , Also referred to as “AN”) (Wako Pure Chemical Industries, special grade) and prepared with deionized water (this electrolyte is also referred to as “AN electrolyte”).
Copper concentration and sulfuric acid concentration of the electrolyte, water 1 wt% or more, and unified CuSO 4 0.24mol / dm 3 and H 2 SO 4 1.8mol / dm 3 .
Table 3 shows the composition of the three types of electrolytes used for the measurement of the polarization curve.
In the present experiment Cl in AN electrolyte solution - no added. In a general electrolytic solution, slime is generated without adding Cl , but in an AN electrolytic solution, slime is not generated even without Cl . This is considered because Cu (I) forms a stable complex with AN.

分極曲線の測定は、溝等を設けていない回転ディスク電極装置(北斗電工、HR-201及びHR-202)により行った。対極は銅線(ニラコ、99.9wt%)、参照極は飽和カロメル電極(SCE)(東亜DKK、HC-205C)を使用した。
なお、電位は全てSCE基準である(以降の試験においても同様。)
電極面積0.2cm2の白金ディスク電極(北斗電工、HR-D2)上に、30℃のCuSO4 0.5 mol/dm3及びH2SO4 1.0mol/dm3からなる電解液を用い、−0.4Vの一定電位で30秒間、銅を電析したものを作用極とした。
カソード分極曲線の測定には、表3に示した3種類の電解液を用い、0、500、2000rpmの各電極回転速度にて浸漬電位から卑な方向に、100mV/minの電位走査速度で行った。電解液の温度は30℃とした。
The polarization curve was measured with a rotating disk electrode device (Hokuto Denko, HR-201 and HR-202) without grooves or the like. The counter electrode was a copper wire (Niraco, 99.9 wt%), and the reference electrode was a saturated calomel electrode (SCE) (Toa DKK, HC-205C).
Note that all potentials are based on SCE (the same applies to subsequent tests).
On a platinum disk electrode (Hokuto Denko, HR-D2) having an electrode area of 0.2 cm 2 , an electrolytic solution composed of CuSO 4 0.5 mol / dm 3 and H 2 SO 4 1.0 mol / dm 3 at 30 ° C. was used. A working electrode was obtained by electrodepositing copper at a constant potential of −0.4 V for 30 seconds.
The cathodic polarization curve was measured using the three types of electrolytes shown in Table 3 at a potential scanning speed of 100 mV / min from the immersion potential to the base direction at each electrode rotation speed of 0, 500 and 2000 rpm. It was. The temperature of the electrolytic solution was 30 ° C.

Figure 2009132982
Figure 2009132982

(結果及び考察)
表3に示した典型電解液(A浴)、添加剤フリー電解液(B浴)及びAN電解液(C浴)を用い、電極回転速度を変化させた場合のカソード分極曲線測定を行った。その結果を図7に示す。
図7において、A浴では0〜−0.3Vの電位領域で、電極回転速度の増加に伴い電流値が減少する傾向が観察された。この傾向は、電析反応抑制剤として作用するJGBの吸着が拡散支配によるためと考えられる。一方、B浴及びC浴では、そのような傾向は観察されなかった。
また、図7(b)及び図7(c)を比較し、アセトニトリル添加の効果をみると、浸漬電位が、B浴では0.044Vであるのに対し、C浴では−0.076Vであり、大きく卑側にシフトしていた。
(Results and discussion)
Cathodic polarization curves were measured using the typical electrolyte solution (A bath), additive-free electrolyte solution (B bath) and AN electrolyte solution (C bath) shown in Table 3 when the electrode rotation speed was changed. The result is shown in FIG.
In FIG. 7, in the bath A, a tendency was observed that the current value decreased as the electrode rotation speed increased in the potential range of 0 to −0.3V. This tendency is considered to be because the adsorption of JGB acting as an electrodeposition reaction inhibitor is due to diffusion. On the other hand, such a tendency was not observed in the B bath and the C bath.
Also, comparing FIG. 7 (b) and FIG. 7 (c), and looking at the effect of acetonitrile addition, the immersion potential is -0.076V in the C bath, compared with 0.044V in the B bath. It was a big shift to the bottom.

<試験5:電流効率の測定>
本発明を想到する上で基礎とした電流効率の測定試験について説明する。
<Test 5: Measurement of current efficiency>
A current efficiency measurement test based on the idea of the present invention will be described.

(試験方法)
電流効率は、溝等を設けていない回転ディスク電極装置を用い、電析電気量と溶解電気量の比から算出した。電流効率は、電析及び溶解のいずれにおいても、式(1)に示す反応で進行するとして計算した。
Cu(II)+2e-⇔Cu・・・・(1)
(Test method)
The current efficiency was calculated from the ratio of the amount of electricity deposited and the amount of electricity dissolved using a rotating disk electrode device without grooves or the like. The current efficiency was calculated by assuming that the reaction progresses by the reaction shown in the formula (1) in both electrodeposition and dissolution.
Cu (II) + 2e ⇔Cu (1)

電極上への銅の電析には、表3に示した3種類の電解液を用い(電解液の温度は330℃)、作用極は電極面積0.2cm2の白金電極、対極は銅線(ニラコ、99.9%)、参照極はSCEを使用した。
それぞれの電解液で電流密度を制御し、電極回転速度は0、500及び2000rpmで電析させた。このとき、通電電気量は6.75C/cm2の一定とした。
銅の電析量は、アノード分極し、その溶解反応に消費された電気量より算出した。
銅が電析した電極をCuSO4 0.5mol/dm3及びH2SO4 1.0mol/dm3の溶液中において、0.2Vで白金電極上の銅を電気化学的に溶解させ、溶解電流密度が2mA/cm2未満となったときを終点とし、流れた電気量をクーロンメーターにより測定した。
銅の電析量を溶解電気量から算出する方法を採用したのは、誘導結合プラズマ発光分析装置(ICP)などの分光分析法に比べて分析時間を短縮できるためである。
For the electrodeposition of copper on the electrode, three types of electrolytes shown in Table 3 were used (the temperature of the electrolyte was 330 ° C.), the working electrode was a platinum electrode with an electrode area of 0.2 cm 2 , and the counter electrode was a copper wire (Niraco, 99.9%), SCE was used as the reference electrode.
The current density was controlled by each electrolytic solution, and electrodeposition was performed at electrode rotation speeds of 0, 500 and 2000 rpm. At this time, the amount of electricity supplied was constant at 6.75 C / cm 2 .
The amount of electrodeposited copper was calculated from the amount of electricity consumed for the anodic polarization and the dissolution reaction.
The electrode electrodeposited with copper was dissolved in a solution of CuSO 4 0.5 mol / dm 3 and H 2 SO 4 1.0 mol / dm 3 by electrochemically dissolving copper on the platinum electrode at 0.2 V to obtain a dissolution current. The end point was when the density was less than 2 mA / cm 2, and the amount of electricity that flowed was measured with a coulomb meter.
The reason why the amount of electrodeposited copper is calculated from the amount of dissolved electricity is that the analysis time can be shortened as compared with a spectroscopic analysis method such as an inductively coupled plasma emission spectrometer (ICP).

(結果及び考察)
(1)電流効率の測定について
表3に示した3種類の電解液をそれぞれ用い、溝等を設けていない回転ディスク電極装置により様々な電流密度における電流効率を測定した。なお、電極回転速度は500rpmとした。結果を図8に示す。
図8より、A浴では、100mA/cm2以下の電流密度領域において80%以上の電流効率を維持し、200 mA/ cm2で電流効率が26.5%まで低下した。同様にB浴でも100mA/cm2以下の電流密度領域において80%以上の電流効率を維持し、200mA/cm2で電流効率が72%にまで電流効率が低下した。これらの電流効率の低下は、図7に示した分極曲線測定結果から分かるように、副反応である水素発生による。
一方、C浴では、10mA/cm2から200mA/cm2まで、電流密度の増加にともない電流効率が0%から67%まで増加した。電流密度が大きくなるに従い、電流効率増加の傾きは小さくなった。
B浴とC浴では、流速(電極回転速度)に対する電流量の変化に違いはみられなかった(図7)が、電流効率においては両者に大きな違いがあることが分かった(図8)。
(Results and discussion)
(1) Measurement of current efficiency The three types of electrolytes shown in Table 3 were used, and the current efficiency at various current densities was measured with a rotating disk electrode device without grooves or the like. The electrode rotation speed was 500 rpm. The results are shown in FIG.
From FIG. 8, in the A bath, the current efficiency of 80% or more was maintained in the current density region of 100 mA / cm 2 or less, and the current efficiency decreased to 26.5% at 200 mA / cm 2 . Similarly, in the B bath, a current efficiency of 80% or more was maintained in a current density region of 100 mA / cm 2 or less, and the current efficiency was reduced to 72% at 200 mA / cm 2 . These reductions in current efficiency are due to hydrogen generation as a side reaction, as can be seen from the polarization curve measurement results shown in FIG.
On the other hand, in the C bath, the current efficiency increased from 0% to 67% as the current density increased from 10 mA / cm 2 to 200 mA / cm 2 . As the current density increased, the slope of increase in current efficiency decreased.
There was no difference in the change in the amount of current with respect to the flow rate (electrode rotation speed) between the B bath and the C bath (FIG. 7), but it was found that there was a large difference in the current efficiency (FIG. 8).

(2)電流効率に対する流速の影響について
銅の電流効率に対する流速の影響について検討した。
表3に示した3種類の電解液を用い、電極回転速度を0及び2000rpmと変化させた場合の電流効率を測定した。なお、図8の電極回転速度が500rpmの場合の結果も併せて図9に示した。
A浴及びB浴では、電極回転速度が500及び2000rpmにおいて、実験を行った0〜20mA/cm2の全ての電流密度において共に高い電流効率を維持し、有意な差はなかった。しかし、電極回転速度が0rpmの場合、電流密度が大きくなるにしたがい電流効率は大きく低下した。これは、水素発生反応が起こっているためである。
一方、C浴では、電極回転速度が500及び2000rpmにおいて電流効率は16%未満と著しく低かった。しかし、電極回転速度が0rpmの場合、5mA/cm2においても銅の電析が観察され(電流効率25%)、電流密度が20mA/cm2では電流効率が63%であった。これは、同じ条件下でのANを含まないA浴の42%、B浴の53%よりも高い。AN電解液では、流速が小さいほど電流効率が高くなる特徴があることが分かった。
(2) Effect of flow rate on current efficiency The effect of flow rate on the current efficiency of copper was examined.
Using three types of electrolytic solutions shown in Table 3, the current efficiency was measured when the electrode rotation speed was changed to 0 and 2000 rpm. The results when the electrode rotation speed in FIG. 8 is 500 rpm are also shown in FIG.
The A and B baths maintained high current efficiencies at all current densities from 0 to 20 mA / cm 2 where the experiments were conducted at electrode rotation speeds of 500 and 2000 rpm, and there was no significant difference. However, when the electrode rotation speed was 0 rpm, the current efficiency greatly decreased as the current density increased. This is because a hydrogen generation reaction occurs.
On the other hand, in the C bath, the current efficiency was remarkably low at less than 16% at electrode rotation speeds of 500 and 2000 rpm. However, when the electrode rotation speed was 0 rpm, copper electrodeposition was observed even at 5 mA / cm 2 (current efficiency 25%), and when the current density was 20 mA / cm 2 , the current efficiency was 63%. This is higher than 42% of the A bath without AN and 53% of the B bath under the same conditions. It was found that the AN electrolyte has a feature that the current efficiency increases as the flow rate decreases.

(2) 電流効率に影響を与える要因
銅の電析反応は、一般には以下の反応で表される。
Cu(II)+e-→Cu(I)・・・・(2)
Cu(I)+e-→Cu ・・・・(3)
(2) Factors affecting current efficiency Copper electrodeposition reaction is generally expressed by the following reaction.
Cu (II) + e → Cu (I) (2)
Cu (I) + e → Cu (3)

AN電解液では、電流効率が約60%以下であり、電流密度や流速でその電流効率が大きく変化した(図8及び図9)。つまり、AN電解液を用いた電析においては、式(2)及び(3)で示される銅の電析以外の反応も寄与していると考えられる。
ANはCu(I)と錯体を形成するため、ANを含む硫酸溶液中においてはCu(I)が安定となり、以下の均化反応(不均化反応の逆反応)が起こる。
Cu+Cu(II)→2Cu(I)・・・・(4)
式(4)は、カソード反応及びアノード反応で構成され、それぞれの反応は以下である。
Cu(II)+e-→Cu(I)・・・・(2)
Cu→Cu(I)+e- ・・・・(5)
In the AN electrolyte, the current efficiency was about 60% or less, and the current efficiency changed greatly depending on the current density and flow rate (FIGS. 8 and 9). That is, it is considered that reactions other than the electrodeposition of copper represented by the formulas (2) and (3) contribute to the electrodeposition using the AN electrolyte.
Since AN forms a complex with Cu (I), Cu (I) becomes stable in a sulfuric acid solution containing AN, and the following leveling reaction (reverse reaction of disproportionation reaction) occurs.
Cu + Cu (II) → 2Cu (I) (4)
Formula (4) is composed of a cathode reaction and an anode reaction, and each reaction is as follows.
Cu (II) + e → Cu (I) (2)
Cu → Cu (I) + e (5)

AN電解液中では、式(4)で示されるように、Cu(II)による銅の溶解反応が起こっており、これが電流効率が低下する原因になっていると予想される。そこで、本条件下においてAN電解液中で銅の溶解が起こるのか溶解試験を実施した。
6.75C/cm2の銅が電析した白金ディスク電極を、電極回転速度500rpmにて30℃のC浴中に浸漬させた。白金と銅では浸漬電位が異なるため、溶解の終点では浸漬電位が貴に遷移する。12min後、電位が急激に貴側へ変化し、白金電極面が露出していた。
この浸漬電位の変化より、銅が溶解するまでの時間を求め、金属銅がCu(I)で溶解する式(5)の平均電流密度を算出した。その値は4.7mA/cm2となり、図7(c)の500rpmでターフェル直線と浸漬電位の交点から決定した腐食電流密度の約5mA/cm2とほぼ同じ値となった。
これより、図8(c)で示したAN電解液の電流効率が約60%以下であり、また図7(c)において浸漬電位が卑側にシフトしていたのは、銅の溶解反応を含む均化反応(式(4))が起こっているためと考えられる。
In the AN electrolyte, as shown by the formula (4), a copper dissolution reaction by Cu (II) occurs, and this is expected to cause a decrease in current efficiency. Therefore, a dissolution test was conducted to determine whether copper was dissolved in the AN electrolyte under these conditions.
A platinum disk electrode on which 6.75 C / cm 2 of copper was electrodeposited was immersed in a 30 ° C. C bath at an electrode rotation speed of 500 rpm. Since platinum and copper have different immersion potentials, the immersion potential transitions preciously at the end of dissolution. After 12 minutes, the potential suddenly changed to the noble side, and the platinum electrode surface was exposed.
From the change in the immersion potential, the time until the copper was dissolved was obtained, and the average current density of the formula (5) at which the metallic copper was dissolved in Cu (I) was calculated. Its value was almost the same value as about 5 mA / cm 2 of corrosion current density was determined from the intersection of 500rpm in Tafel straight and immersion potential of 4.7mA / cm 2, and the Fig. 7 (c).
From this, the current efficiency of the AN electrolyte shown in FIG. 8 (c) was about 60% or less, and the immersion potential was shifted to the base side in FIG. 7 (c). This is thought to be due to the occurrence of the leveling reaction (equation (4)).

(4)電流効率に影響を与える要因の考察
以上の結果より、図10に示す反応モデルを仮定する。AN電解液中における銅の電析反応は、Cu(II)のバルクから電極表面への物質移動(過程I)、Cu(II)sのCu(I)sへの還元(過程II)及びCu(I)sからCuへの還元(過程IV)を経て進む。なお、添字sは電極表面付近のイオン種を示す。
式(4)の均化反応も起こっている(過程V)。図10において、II及びVの反応経路により生成したCu(I)sは以下に示すようにバルクへの拡散(過程III)或いは金属銅へ還元(過程IV)される。
Cu(I)s→Cu(I)・・(過程III)・・(6)
Cu(I)+e- →Cu・・(過程IV)・・(7)
ここで、添字bは溶液バルクのイオン種を意味する。AN電解液を用いた銅の電流効率は、図10の過程I〜Vの速度のバランスで決定される。
(4) Consideration of factors affecting current efficiency Based on the above results, the reaction model shown in FIG. 10 is assumed. The electrodeposition reaction of copper in the AN electrolyte includes mass transfer from the bulk of Cu (II) to the electrode surface (process I), reduction of Cu (II) s to Cu (I) s (process II) and Cu (I) Proceed via reduction from s to Cu (process IV). The subscript s indicates the ion species near the electrode surface.
The leveling reaction of formula (4) also occurs (process V). In FIG. 10, Cu (I) s generated by the reaction pathways II and V are diffused into the bulk (process III) or reduced to metallic copper (process IV) as shown below.
Cu (I) s → Cu (I) b ... (Process III) ... (6)
Cu (I) b + e → Cu (process IV) (7)
Here, the subscript b means a solution bulk ion species. The current efficiency of copper using AN electrolyte is determined by the balance of the speeds of processes I to V in FIG.

AN電解液を用いた銅電析において、電流密度が一定(電析速度(過程IIとIVの和)が一定)のとき、流速が大きいほど電流効率が減少するのは、流速が大きいと過程Iが加速され、さらに過程Vが加速されることで、銅の溶解速度の割合が電析に比べ大きくなるためと考えられる。流速が一定(過程I及びIIIの物質移動速度が一定)のとき、電流密度が小さいほど電流効率が減少するのは、過程IIとIVで表される電析速度が小さいので、過程Vによる銅の溶解で相殺されるためと考えられる。
以上の検討から、C浴では銅電析の電流効率に影響を与える要因は、大きく2つあることが分かる。一つは、(イ)流速が大きいほど電流効率が低下する効果(流速の効果)であり、もう一つは、(ロ)電流密度が小さいほど電流効率が低下する効果(電流密度の効果)である。
一般的な電解液の電流効率は、水素発生の起こらない領域において流速や電流密度に影響を受けない。典型電解液においても電流効率はほぼ100%(図9(a))であり、AN電解液が特異的な性質を持っているといえる。
In copper electrodeposition using AN electrolyte, when the current density is constant (deposition rate (sum of processes II and IV) is constant), the current efficiency decreases as the flow rate increases. This is probably because I is accelerated and the process V is further accelerated, so that the rate of dissolution rate of copper becomes larger than that of electrodeposition. When the flow rate is constant (the mass transfer rate of processes I and III is constant), the current efficiency decreases as the current density decreases. The deposition rate represented by processes II and IV is small. This is thought to be offset by the dissolution of the water.
From the above study, it can be seen that there are two major factors affecting the current efficiency of copper electrodeposition in the C bath. One is (b) the effect of decreasing the current efficiency as the flow velocity is large (the effect of the flow velocity), and the other is (b) the effect of decreasing the current efficiency as the current density is small (the effect of current density). It is.
The current efficiency of a general electrolyte is not affected by the flow rate or current density in a region where hydrogen generation does not occur. Even in a typical electrolyte, the current efficiency is almost 100% (FIG. 9A), and it can be said that the AN electrolyte has a specific property.

<試験6:微細孔への銅の電析>
本発明を想到する上で基礎とした微細孔への銅の電析試験について説明する。
<Test 6: Electrodeposition of copper in fine pores>
The copper electrodeposition test on the fine pores based on the idea of the present invention will be described.

(試験方法)
銅の埋め込みは、窒化タンタル、タンタルバリア層を順次形成し、最表面に約10nmの銅シード層を形成させた微細孔(径:150〜200nm、深さ:約700nm)を有する加工済みのシリコンウエハ(グローバルネット社製)を1.5cm×1.1cmに切り出し、カソード電極として使用した。
微細孔への銅電析には、シリコンウエハ用精密めっきセル(山本鍍金試験器、マイクロセルI型)を使用した。
露出面積が1.4cm2となるように、1.4cm×1.0cmの窓を設けたテフロン製マスクでシリコンウエハカソードを被覆した。
アノードには銅板を使用し、アノード電極窓の面積は0.96cm2とした。
電解液の温度は25℃、電解液量は0.25dm3とした。
表3に示した3種類の電解液を用い、アノードとカソードの間の電解液を約0.8或いは2.5Hzで攪拌棒を揺動させながら、ポテンシオスタット(北斗電工、HA-151)を使用し、所定の電流密度にて電析した。
電解液中への電極浸漬と同時に所定の電流を印加した。
通電電気量は、1.44C/cm2の一定とした。
電析後のウエハ電極を水洗し乾燥させ、試料の断面観察を集束イオンビーム加工観察装置/走査型イオン顕微鏡(FIB-SIM)(エスアイアイナノテクノロジー、SMI9200)により行った。
(Test method)
Copper embedding is a processed silicon having fine holes (diameter: 150-200 nm, depth: about 700 nm) in which a tantalum nitride layer and a tantalum barrier layer are sequentially formed and a copper seed layer of about 10 nm is formed on the outermost surface. A wafer (manufactured by Global Net) was cut into 1.5 cm × 1.1 cm and used as a cathode electrode.
A precision plating cell for silicon wafers (Yamamoto plating tester, microcell type I) was used for copper electrodeposition on the fine holes.
The silicon wafer cathode was covered with a Teflon mask provided with a 1.4 cm × 1.0 cm window so that the exposed area was 1.4 cm 2 .
A copper plate was used for the anode, and the area of the anode electrode window was 0.96 cm 2 .
The temperature of the electrolytic solution was 25 ° C., and the amount of the electrolytic solution was 0.25 dm 3 .
Using the three types of electrolyte shown in Table 3, the potentiostat (Hokuto Denko, HA-151) while the stirring rod was swung at about 0.8 or 2.5 Hz for the electrolyte between the anode and cathode. And electrodeposited at a predetermined current density.
A predetermined current was applied simultaneously with the immersion of the electrode in the electrolytic solution.
The amount of electricity supplied was constant at 1.44 C / cm 2 .
The electrode electrode after the electrodeposition was washed with water and dried, and the cross section of the sample was observed with a focused ion beam processing observation apparatus / scanning ion microscope (FIB-SIM) (SII Nanotechnology, SMI9200).

(結果及び考察)
(1)微細孔への銅の埋め込み性
試験4及び5の検討結果より、AN電解液を微細孔への銅埋め込みに適用する場合には、流速の効果と電流密度の効果のバランスによって埋め込み性が変化すると考えられる。そこで、微細孔を有する加工済みシリコンウエハに銅を電析し、断面観察を行った。その結果を図11に示す。
C浴を用いた場合、孔の底部においては銅が電析せず、孔の上部(36%)にのみ銅が電析した。
(Results and discussion)
(1) Copper embedment in micropores Based on the results of the examinations in Tests 4 and 5, when AN electrolyte is applied to copper embedment in micropores, embeddability depends on the balance between the effects of flow velocity and current density. Will change. Therefore, copper was electrodeposited on a processed silicon wafer having fine holes, and a cross-section was observed. The result is shown in FIG.
When the C bath was used, copper was not electrodeposited at the bottom of the hole, and copper was electrodeposited only at the top (36%) of the hole.

図11の孔上部にだけ銅が電析するのは、(ロ)の流速の効果より(イ)の電流密度の効果が優先となっていると考えられる。つまり、微細孔の底部の電流密度が銅が電析できるほど大きくなく、孔上部にだけ銅が電析したものと考えられる。
ところで、AN電解液にCl-を100ppm添加すると、埋め込み性がさらに悪くなる結果を得た。一般的にCl-は硫酸銅電解液中で銅の溶解を促進させるが、AN電解液中においても銅の溶解を速め、微細孔底部に銅がより電析しなくなったものと予想できる。従って、めっき液中の塩化物イオンは100ppm未満とすることが望ましい。
逆に(ロ)の流速の効果を支配的にできれば、孔埋め込みができるはずである。図9(c)より、電流密度が10mA/cm2で流速の違いによる銅の電析量の比が最大となり、埋め込みに好都合となる。
It can be considered that the effect of the current density (a) is prioritized over the effect of the flow velocity (b) that copper is deposited only on the upper part of the hole in FIG. That is, it is considered that the current density at the bottom of the fine hole is not so large that copper can be deposited, and copper is deposited only on the top of the hole.
By the way, when 100 ppm of Cl - was added to the AN electrolyte, the embedding property was further deteriorated. Generally Cl - is accelerating dissolution of copper in the copper sulfate electrolytic solution, also accelerate the dissolution of copper in AN electrolyte solution, can be expected to copper is no longer more electrodeposited fine hole bottom portion. Therefore, the chloride ion in the plating solution is desirably less than 100 ppm.
Conversely, if the effect of the flow velocity in (b) can be dominant, the hole should be embedded. From FIG. 9C, the current density is 10 mA / cm 2 , and the ratio of the amount of electrodeposited copper due to the difference in flow rate is maximized, which is convenient for embedding.

次に、電流密度を変化させて銅の電析を行い、埋め込み性を調べた。ただし、図11において微細孔底部に銅が電析していないことから、図11の電流密度よりも高い電流密度で実験を行った。その結果を図12に示す。
図11で示した電流密度10mA/cm2の場合、孔上部からの埋め込み率が36%であったのに対し、図12より電流密度20mA/cm2では67%、電流密度30mA/cm2では70%、電流密度40mA/cm2では76%と、電流密度の増加に伴い埋め込み率が増加した。
Next, copper was electrodeposited by changing the current density, and the embedding property was examined. However, since copper was not electrodeposited on the bottom of the fine hole in FIG. 11, the experiment was conducted at a current density higher than that of FIG. The result is shown in FIG.
For a current density of 10 mA / cm 2 shown in FIG. 11, whereas the embedding rate from hole upper was 36%, 12 than the current density 20 mA / cm 2 at 67%, the current density of 30 mA / cm 2 At 70% and current density of 40 mA / cm 2 , the burying rate increased with increasing current density of 76%.

次に、微細孔への銅の埋め込みに対する流速の影響について検討を行った。
流速が大きいと、電流効率(銅の電析量)が低下する。よって、ウエハ上部の流速をより大きくすれば微細孔内外での流速差が大きくなり、孔上部に比べて孔底部の電析がより優先的になると考えられる。そこで、図12(c)で示した電流密度で攪拌棒の揺動周波数を約0.8Hzから約2.5Hzに増加させ、微細孔への銅の電析を行った。その結果を図13に示す。
これより、流速を大きくさせることによって、孔の底部まで銅の電析が起こることが分かった。
典型的な微細孔への銅埋め込み用電解液は、キャリア、ブライトナ、レベラや塩化物イオンによって分極を増大或いは減少させ、電析速度を局所的に制御し、埋め込みを実現させている。しかし、ANは、これら添加剤とは異なる機能で埋め込みを可能にすることが分かった。
Next, the effect of the flow rate on the embedding of copper in the micropores was examined.
When the flow rate is large, the current efficiency (copper electrodeposition amount) decreases. Therefore, if the flow velocity at the top of the wafer is further increased, the flow velocity difference between the inside and outside of the micropore is increased, and it is considered that electrodeposition at the bottom of the hole is more preferential than that at the top of the hole. Therefore, the rocking frequency of the stirring rod was increased from about 0.8 Hz to about 2.5 Hz at the current density shown in FIG. 12 (c), and copper was electrodeposited into the fine holes. The result is shown in FIG.
From this, it was found that by increasing the flow rate, copper electrodeposition occurred to the bottom of the hole.
The electrolyte for embedding copper in a typical micropore increases or decreases polarization by carriers, brighteners, levelers, and chloride ions, and locally controls the deposition rate to realize embedding. However, AN has been found to enable implantation with a different function than these additives.

(A)〜(D)は、銅配線の製造方法を工程順に説明した断面図である。(A)-(D) are sectional drawings explaining the manufacturing method of copper wiring in order of a process. 試験1で使用したセルの構成を説明した図である。4 is a diagram illustrating a configuration of a cell used in Test 1. FIG. 試験1で使用した被めっき体の構成を説明した図である。It is a figure explaining the structure of the to-be-plated body used by Test. 試験2で使用した回転ディスク電極装置の構成を説明した図である。It is a figure explaining the structure of the rotating disk electrode apparatus used by Test 2. FIG. 試験2の結果として、限界電流密度と電極回転速度との関係を示したグラフである。4 is a graph showing the relationship between the limiting current density and the electrode rotation speed as a result of Test 2. 試験3の評価に用いた孔底厚み(H)及び表面厚み(h)を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the hole bottom thickness (H) and surface thickness (h) which were used for evaluation of Test 3. FIG. 試験4において、電極回転速度を変化させた場合のカソード分極曲線を示したグラフであり、(a)は典型電解液(A浴)、(b)は添加剤フリー電解液(B浴)、(c)はAN電解液(C浴)を用いた時のグラフである。なお、図中の(i)(ii)(iii)はそれぞれ電極回転速度(i)0rpm、(ii)500rpm、(iii)2000rpmを示すものである。In Test 4, it is the graph which showed the cathode polarization curve at the time of changing an electrode rotational speed, (a) is typical electrolyte solution (A bath), (b) is additive-free electrolyte solution (B bath), ( c) is a graph when an AN electrolyte (C bath) is used. In the figure, (i), (ii), and (iii) indicate electrode rotation speed (i) 0 rpm, (ii) 500 rpm, and (iii) 2000 rpm, respectively. 試験5において、電極回転速度500rpm、通電電気量6.75C/cm2一定の条件下で、電流密度を変化させた場合の電流効率の変化を示すグラフであり、(a)は典型電解液(A浴)、(b)は添加剤フリー電解液(B浴)、(c)はAN電解液(C浴)を用いた時のグラフである。In Test 5, it is a graph which shows the change of the current efficiency at the time of changing an electric current density on the conditions with an electrode rotational speed of 500 rpm, and electricity supply amount 6.75C / cm < 2 > constant, (a) is typical electrolyte solution ( (A bath) and (b) are graphs when an additive-free electrolyte (B bath) is used, and (c) is an AN electrolyte (C bath). 試験5において、電極回転速度毎に電流密度を変化させた場合の電流効率の変化を示すグラフであり、(a)は典型電解液(A浴)、(b)は添加剤フリー電解液(B浴)、(c)はAN電解液(C浴)を用いた時のグラフである。In Test 5, it is a graph which shows the change of the current efficiency at the time of changing a current density for every electrode rotation speed, (a) is typical electrolyte solution (A bath), (b) is additive-free electrolyte solution (B (Bath) and (c) are graphs when an AN electrolyte (C bath) is used. 電解液中における、銅の析出の反応モデルを示す図である。It is a figure which shows the reaction model of copper precipitation in electrolyte solution. 試験6において、電解液を0.8Hzで攪拌棒を揺動させながら、10mA/cm2で電析した場合に、得られた試料の断面をFIB-SIMで観察した際の写真であり、AN電解液(C浴)を用いた時の写真である。In Test 6, when the electrolytic solution was electrodeposited at 10 mA / cm 2 while the stirring bar was swung at 0.8 Hz, a cross-section of the obtained sample was observed with FIB-SIM. It is a photograph at the time of using electrolyte solution (C bath). 試験6において、AN電解液(C浴)を電解液に用いて、電解液を0.8Hzで攪拌棒を揺動させながら所定の電流密度で電析した場合に、得られた試料の断面をFIB-SIMで観察した際の写真であり、(a)は20mA/cm2、(b)は20mA/cm2、(c)は30mA/cm2で電析した時の写真である。In Test 6, when the AN electrolyte (C bath) was used as the electrolyte and the electrolyte was electrodeposited at a predetermined current density while the stirring bar was swung at 0.8 Hz, the cross section of the obtained sample was a picture of observing by FIB-SIM, a photograph of (a) is 20mA / cm 2, (b) is 20 mA / cm 2, which is electrodeposited in (c) is 30 mA / cm 2. 試験6において、AN電解液(C浴)を電解液に用いて、電解液を2.5Hzで攪拌棒を揺動させながら、40mA/cm2の電流密度で電析した場合に、得られた試料の断面をFIB-SIMで観察した際の写真である。In Test 6, an AN electrolyte (C bath) was used as the electrolyte, and the electrolyte was electrodeposited at a current density of 40 mA / cm 2 while the stirring bar was swung at 2.5 Hz. It is the photograph at the time of observing the cross section of a sample by FIB-SIM.

符号の説明Explanation of symbols

1A 基板
1B 絶縁膜
2 溝又は孔
3 バリアメタル膜
4 下地導電膜
5 銅層
6 銅配線
1A Substrate 1B Insulating film 2 Groove or hole 3 Barrier metal film 4 Underlying conductive film 5 Copper layer 6 Copper wiring

Claims (12)

1価の銅イオンと錯体を形成し、1価の銅イオンとの錯化定数が1×103より高い値を示し、且つ使用環境下において1価の銅イオンと形成する錯体の溶解度が0.5g/L以上の銅錯化剤、若しくは、1価の銅イオンと錯体を形成し、1価の銅イオンとの錯化定数が1×103より高い値を示し、且つ2価の銅イオンとの錯化定数が1×1020以下の値を示す銅錯化剤を1wt%以上と、水を1wt%以上と、銅成分とを含む電解液を強制攪拌しながら、被めっき体における配線接続孔又は配線溝内に銅を電気めっきする工程を備えた銅配線の製造方法。 Forms a complex with a monovalent copper ion, the complexing constant with the monovalent copper ion shows a value higher than 1 × 10 3 , and the solubility of the complex formed with the monovalent copper ion in the use environment is 0 A copper complexing agent of 0.5 g / L or more, or a complex with a monovalent copper ion, a complexing constant with the monovalent copper ion is higher than 1 × 10 3 , and a divalent copper While forcibly stirring an electrolytic solution containing 1 wt% or more of a copper complexing agent having a complexing constant with ions of 1 × 10 20 or less, 1 wt% or more of water, and a copper component, A method for producing a copper wiring, comprising a step of electroplating copper in a wiring connection hole or a wiring groove. 前記銅錯化剤を、銅を溶解させる速度が0.05〜5mgmin-1cm-2となるような量で含む電解液を用いることを特徴とする請求項1に記載の銅配線の製造方法。 2. The method for producing a copper wiring according to claim 1, wherein an electrolytic solution containing the copper complexing agent in an amount such that the rate of dissolving copper is 0.05 to 5 mg min −1 cm −2 is used. . 前記銅錯化剤として、アセトニトリルを用いることを特徴とする請求項1又は2に記載の銅配線の製造方法。   The method for producing a copper wiring according to claim 1 or 2, wherein acetonitrile is used as the copper complexing agent. 限界電流密度が10mA/cm2〜150mA/cm2となるように電解液を強制攪拌しながら、電気めっきすることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の銅配線の製造方法。 While forced stirring the electrolytic solution as the limiting current density is 10mA / cm 2 ~150mA / cm 2 , the production method of the copper wiring according to any one of claims 1 to 3, characterized in that electroplating. 被めっき体を、めっき面に対して垂直な軸を中心として100〜5000rpmで回転させることに相当する速度にて電解液を強制攪拌することを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の銅配線の製造方法。   The electrolytic solution is forcibly stirred at a speed corresponding to rotating the object to be plated at an axis of 100 to 5000 rpm about an axis perpendicular to the plating surface. Copper wiring manufacturing method. 0.8Hz〜10Hzの周波数で攪拌具を振動させることに相当する速度にて電解液を強制攪拌することを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の銅配線の製造方法。   The method for producing a copper wiring according to any one of claims 1 to 4, wherein the electrolytic solution is forcibly stirred at a speed equivalent to vibrating the stirring tool at a frequency of 0.8 Hz to 10 Hz. 前記銅錯化剤と水との合計量に対する前記銅錯化剤の混合比率を1〜27wt%とすることを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の銅配線の製造方法。   The method for manufacturing a copper wiring according to claim 1, wherein a mixing ratio of the copper complexing agent to the total amount of the copper complexing agent and water is 1 to 27 wt%. 配線接続孔又は配線溝は、その深さが0.1μm〜2.0μmであり、且つ深さ/幅で求められるアスペクト比が3〜5であることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の銅配線の製造方法。   The wiring connection hole or the wiring groove has a depth of 0.1 μm to 2.0 μm, and an aspect ratio calculated by the depth / width is 3 to 5, The manufacturing method of the copper wiring of crab. 電解液を強制攪拌しながら電気めっきすることにより、配線接続孔又は配線溝内に銅を埋め込むと共に被めっき体表面に銅層を形成した後、電解液を強制攪拌しながら被めっき体表面の銅層に該電解液を接触させることにより、被めっき体表面の銅層の少なくとも一部を除去することを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の銅配線の製造方法。   By electroplating while forcibly stirring the electrolytic solution, copper is embedded in the wiring connection hole or wiring groove and a copper layer is formed on the surface of the object to be plated. The method for producing a copper wiring according to claim 1, wherein at least part of the copper layer on the surface of the object to be plated is removed by bringing the electrolytic solution into contact with the layer. 被めっき体がカソードとなるように還元電流を被めっき体に印加すると共に、電解液を強制攪拌しながら被めっき体表面の銅層に該電解液を接触させることにより、被めっき体表面の銅層の少なくとも一部を除去することを特徴とする請求項9に記載の銅配線の製造方法。   By applying a reduction current to the object to be plated so that the object to be plated becomes a cathode and bringing the electrolytic solution into contact with the copper layer on the surface of the object while forcibly stirring the electrolytic solution, The method for manufacturing a copper wiring according to claim 9, wherein at least a part of the layer is removed. 化学機械研磨によって被めっき体表面の銅層の少なくとも一部を除去する方法を併用することを特徴とする請求項9又は10に記載の銅配線の製造方法。   The method for producing a copper wiring according to claim 9 or 10, wherein a method of removing at least a part of the copper layer on the surface of the object to be plated by chemical mechanical polishing is used in combination. 請求項1〜11の何れかに記載の銅配線の製造方法によって、基板に銅配線を形成してなる構成を備えた電子回路。   The electronic circuit provided with the structure formed by forming a copper wiring in a board | substrate by the manufacturing method of the copper wiring in any one of Claims 1-11.
JP2007311500A 2007-11-30 2007-11-30 Method of manufacturing copper wiring Pending JP2009132982A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007311500A JP2009132982A (en) 2007-11-30 2007-11-30 Method of manufacturing copper wiring

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007311500A JP2009132982A (en) 2007-11-30 2007-11-30 Method of manufacturing copper wiring

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009132982A true JP2009132982A (en) 2009-06-18

Family

ID=40865129

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007311500A Pending JP2009132982A (en) 2007-11-30 2007-11-30 Method of manufacturing copper wiring

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009132982A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013133489A (en) * 2011-12-26 2013-07-08 Sumitomo Metal Mining Co Ltd Cu ALLOY SPUTTERING TARGET, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND METAL THIN FILM
CN104120463A (en) * 2014-06-25 2014-10-29 济南大学 Cyanide-free cuprous copper-plating surface modification method for steel matrix
JP2021177546A (en) * 2016-11-21 2021-11-11 昭和電工マテリアルズ株式会社 Semiconductor device manufacturing method

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013133489A (en) * 2011-12-26 2013-07-08 Sumitomo Metal Mining Co Ltd Cu ALLOY SPUTTERING TARGET, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND METAL THIN FILM
CN104120463A (en) * 2014-06-25 2014-10-29 济南大学 Cyanide-free cuprous copper-plating surface modification method for steel matrix
JP2021177546A (en) * 2016-11-21 2021-11-11 昭和電工マテリアルズ株式会社 Semiconductor device manufacturing method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6832067B2 (en) Pretreatment of nickel and cobalt liners for copper electrodeposition into silicon penetrating vias
KR101105485B1 (en) Process for through silicon via filling
JP5504147B2 (en) Electroplating method
CN102286760A (en) A method for electrochemical filling of large, high aspect ratio recessed features with a metal, a water solution plating tank solution, a plating apparatus and a plating system
US6793795B1 (en) Method for galvanically forming conductor structures of high-purity copper in the production of integrated circuits
US8911609B2 (en) Methods for electroplating copper
US20050067297A1 (en) Copper bath for electroplating fine circuitry on semiconductor chips
CN102939408B (en) Copper electroplating composition and use the method for the cavity in said composition filling semiconductor substrate
US20030070941A1 (en) Apparatus and method for evaluating plating solution and apparatus and method for fabricating electronic device
US20080087549A1 (en) Additive For Copper Plating And Process For Producing Electronic Circiut Substrate Therewith
WO2017204246A1 (en) Soluble copper anode, electrolytic copper plating device, electrolytic copper plating method, and method for preserving acidic electrolytic copper plating liquid
US8268155B1 (en) Copper electroplating solutions with halides
JP2004250791A (en) Electroplating composition
JP2009132982A (en) Method of manufacturing copper wiring
US20130112566A1 (en) Method for etching of copper and copper alloys
US7918983B2 (en) Substrate plating method and apparatus
JP2009132983A (en) Method of manufacturing copper plated body
JP4472673B2 (en) Manufacturing method of copper wiring and electrolytic solution for copper plating
JP2009135336A (en) Copper-layer etching method, etching treatment liquid, and copper-wiring manufacturing method
JP2005126803A (en) Plating method
US20030188974A1 (en) Homogeneous copper-tin alloy plating for enhancement of electro-migration resistance in interconnects
JP7346738B2 (en) Cobalt chemistry for smooth topology
TW200532058A (en) Composition for copper electroplating solution
端場登志雄 Studies on Anisotropic Electrodeposition of Copper with Organic Additives
Nagar Systematic studies of electrochemical nucleation and growth of copper on Ru-based substrates for damascene process