JP2009299128A - Electroplating apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はプリント配線板や半導体ウエハに形成した配線やビアホールなどの開口部をめっきにより充填するための電気めっき装置に関する。 The present invention relates to an electroplating apparatus for filling openings such as wirings and via holes formed on a printed wiring board or a semiconductor wafer by plating.
最近、半導体用ウエハやプリント配線板などの電子材料において、良好な電気的特性を有し、多様な処理方法が可能な金属として銅が様々な部位に利用されている。そして、このような電子材料に銅を形成する方法としてめっき法が多用されている。中でも、近年は、電子材料表面に形成された配線等間の間隙を、めっきで埋め込み処理を行うことが盛んに行われている。 Recently, in electronic materials such as semiconductor wafers and printed wiring boards, copper is used in various parts as a metal having good electrical characteristics and capable of various processing methods. A plating method is frequently used as a method of forming copper on such an electronic material. In particular, in recent years, a gap between wirings and the like formed on the surface of an electronic material has been actively filled by plating.
例えば、半導体用ウエハでは表面に形成された微小なビアホールやトレンチなどの溝構造内に、プリント配線板では配線間の間隙やビアホールなどを銅めっきにより埋め込むことが行われる。一般に、配線およびビアホールをめっき処理により埋め込む技術はビアフィルめっき技術と呼ばれ、その難しさはアスペクト比(深さ/ビアホールの径)で規定されており、アスペクト比1以上になるとビアホール内にボイドが発生しやすいとされている。 For example, a gap between wirings, a via hole, or the like is embedded in a groove structure such as a minute via hole or a trench formed on the surface of a semiconductor wafer by copper plating on a printed wiring board. In general, the technique of embedding wiring and via holes by plating is called via fill plating technique, and the difficulty is defined by the aspect ratio (depth / via hole diameter). When the aspect ratio is 1 or more, voids are formed in the via holes. It is said that it is easy to occur.
そこで、このボイドを発生させない方法としてビアホール内部と外部のめっき速度を制御可能なめっき液の開発や、ポンプなどを用いて強制的に循環させることにより、常に新しいめっき液をビアホール内部へ供給することでボイドの発生を抑制していた。 Therefore, a new plating solution can be constantly supplied to the inside of the via hole by developing a plating solution that can control the plating speed inside and outside the via hole and forcibly circulating it using a pump etc. The generation of voids was suppressed.
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献1〜3が知られている。
上記のめっき装置では、めっき槽内でめっき液を強制的に循環させるわけであるが、ビアホールの径が小径となりかつアスペクト比が大きくなるに連れてめっき液はウエハ表面に沿って流れるため、外部からめっき液が浸入せずビアホール内で滞留することで金属イオンの供給が停止し、その結果、ボイドが発生しやすくなるという課題があった。 In the above plating apparatus, the plating solution is forcibly circulated in the plating tank, but the plating solution flows along the wafer surface as the diameter of the via hole becomes smaller and the aspect ratio becomes larger. Therefore, the plating solution does not enter and stays in the via hole, so that the supply of metal ions is stopped, and as a result, voids are easily generated.
そこで、小径のビアホールであってもその中に確実にめっき液を浸入、撹拌させることを目的とする。 Therefore, an object is to reliably infiltrate and agitate the plating solution even in the small-diameter via hole.
そして上記目的を達成するために、本発明は、めっき液を蓄えためっき槽と、このめっき槽中に浸漬され、主表面に被めっき体を固定するとともに前記被めっき体に形成した配線と電気的に接続する給電手段を備えたカソード電極と、このカソード電極と対向して設けられ、前記めっき液に通電するためのアノード電極と、貫通孔を有し前記アノード電極およびカソード電極間に設けられた電流遮蔽板と、前記めっき槽からの余剰なめっき液を蓄えるためのリザーブ槽と、このリザーブ槽のめっき液を底部から供給することで、前記めっき槽中のめっき液を対流させる対流ノズルを備えた電気めっき装置であって、前記電流遮蔽板とカソード電極間に、対流させためっき液をさらに撹拌させる撹拌手段を設けた。 In order to achieve the above object, the present invention provides a plating tank storing a plating solution, a wiring immersed in the plating tank, fixing the object to be plated on the main surface, and the wiring formed on the object to be plated. A cathode electrode provided with a power supply means for connection, an anode electrode provided opposite to the cathode electrode, for supplying current to the plating solution, and having a through hole provided between the anode electrode and the cathode electrode A current tank, a reserve tank for storing excess plating solution from the plating tank, and a convection nozzle for convection of the plating solution in the plating tank by supplying the plating solution in the reserve tank from the bottom. An electroplating apparatus provided with stirring means for further stirring the convected plating solution between the current shielding plate and the cathode electrode.
本発明に係る電気めっき装置は、めっき液を蓄えためっき槽中にカソード電極とアノード電極を対向して略垂直に浸漬し、前記カソード電極の主表面に、このカソード電極と電気的に接続した被めっき体を固定した後、これらカソード電極とアノード電極間に通電することで前記被めっき体に形成した配線やビアホールにめっき膜を形成して充填する電気めっき装置である。上記めっき槽は、その底部にリザーブ槽に蓄えた余剰なめっき液を上方に噴射することでめっき槽内のめっき液を対流させる対流ノズルを備えるとともに、カソード電極の主表面、すなわち被めっき体から一定距離離れて垂直、水平に揺動や往復運動可能な撹拌手段を設けたので、底面より被めっき体の表面に沿って対流するめっき液を、この撹拌手段で流れを乱して撹拌することができる。そのため、小径でかつアスペクト比の大きいビアホールであっても、新たなめっき液を浸入させ随時供給することができるので、その結果、ボイドが発生することのない緻密なめっきで配線やビアホールなどの開口部内に導電体を充填することができる作用効果を奏する。 In the electroplating apparatus according to the present invention, a cathode electrode and an anode electrode are immersed substantially vertically in a plating tank storing a plating solution, and electrically connected to the cathode electrode on the main surface of the cathode electrode. After fixing a to-be-plated body, it is an electroplating apparatus which forms and fills a plating film in the wiring and via hole which were formed in the said to-be-plated body by supplying with electricity between these cathode electrodes and anode electrodes. The plating tank includes a convection nozzle that convects the plating solution in the plating tank by spraying upward the excess plating solution stored in the reserve tank at the bottom, and from the main surface of the cathode electrode, that is, from the object to be plated. Stirring means that can swing and reciprocate vertically and horizontally at a certain distance is provided, so that the plating solution that convects along the surface of the object to be plated from the bottom is stirred by disturbing the flow. Can do. Therefore, even for via holes with a small diameter and a large aspect ratio, a new plating solution can be infiltrated and supplied as needed. As a result, openings such as wiring and via holes can be formed with dense plating that does not generate voids. There exists an effect which can be filled with a conductor in a part.
以下、図を用いて本発明の一実施の形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態における電気めっき装置を用いて、被めっき体上に形成した開口部に導体層を充填した一例である。図1(a)は開口部の形状を説明するための正面図を、図1(b)は、図1(a)におけるA−AA断面図をそれぞれ示している。 FIG. 1 shows an example in which a conductor layer is filled in an opening formed on an object to be plated using the electroplating apparatus in the present embodiment. 1A is a front view for explaining the shape of the opening, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line A-AA in FIG.
半導体ウエハやプリント基板などからなる被めっき体1に設けた配線2上に、スピンコータなどを用いてレジスト3を塗布し、このレジスト3を露光、現像して開口部4を有するパターンを形成した。そして、本実施の形態の電気めっき装置で開口部4の底面4aから導電体層を形成、成長させることで、開口部4内を充填する柱状の導電体5を形成するものである。
A resist 3 was applied onto the
上記の導電体5は、例えば層間の配線間を電気的に接続するためのビアホールや、基板2上に形成した配線として用いられるものである。本実施の形態ではレジスト3に設けた開口部4として、長辺4bと短辺4cからなる矩形形状とし、その短辺4cを20〜40μm、長辺4bはこの短辺4cの1.5倍以上、さらにレジスト3の厚み3aを30〜79μmとしている。アスペクト比はレジスト3の厚み3a(深さ)に対する短辺4cの比率と定義し、最大で約4となる。
The
図2は本発明の一実施の形態における電気めっき装置6を説明するための断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the electroplating apparatus 6 in one embodiment of the present invention.
めっき液7を蓄えためっき槽8の中央部には、被めっき体1を固定するとともに、めっきを行なう配線2(図1)などへ給電するためのカソード電極9が浸漬されており、このカソード電極9を挟んで両側に、撹拌手段10、電流遮蔽板11、アノード電極12が順に配置されている。
In the center of the
まためっき槽8には、その底部に対流ノズル13が配置されており、この対流ノズル13からポンプ14を介してリザーブ槽15のめっき液7を上方に噴射することで、めっき槽8中のめっき液7を強制的に矢印Bの方向に対流させる。そして、めっき槽8から溢れる余剰なめっき液7は、ドレイン16を介して再度リザーブ槽15へ回収される。めっき液7の管理は、リザーブ槽15に回収しためっき液7で行うものであり、成分やpHなどが一定範囲となるように維持管理する。
A
上述したカソード電極9、電流遮蔽板11、アノード電極12は、それぞれ平板状であり、互いに一定の間隔で平行にめっき液7中に浸漬されている。
The
電流遮蔽板11には、カソード電極9上に固定した被めっき体1の外形より小さい貫通孔17が設けられており、カソード電極9とアノード電極12間に流れる電流は、この貫通孔17により被めっき体1の所定箇所に集中するように遮蔽または整流されるものである。
The
図3(a)は、図2のC−CC方向より見たカソード電極9の正面図である。本実施の形態では、カソード電極9の両主面にそれぞれ四枚の被めっき体1を、給電リング18を介して固定している。図3(b)は、図3(a)のD−DD断面図であり、カソード電極9の両主面には、被めっき体1の厚みと外形に略等しい凹部9aが設けられており、この凹部9aに被めっき体1を載置した後、給電リング18を介してカソード電極9の主面と、被めっき体1に設けた配線2とを電気的に接続する。尚、被めっき体1の側面や裏面がめっきされるのを防止するため、少なくとも凹部9aの底面および側面には絶縁層を形成しておく。
FIG. 3A is a front view of the
図4は、カソード電極9と電流遮蔽板11との間に設けた撹拌手段10の一例であり、図2のE−EE方向よりみた正面図である。
4 is an example of the stirring means 10 provided between the
本実施の形態の撹拌手段10は、一定の間隔で略垂直に複数設けた第一の桟19からなる撹拌パドル20と、この撹拌パドル20を水平、垂直に駆動するモータ21とから構成されている。このように、撹拌パドル20を略垂直に設ける場合、駆動モータ21により水平方向、すなわち図2に向かって手前から奥へ一定の距離を往復運動させるものである。こうすることにより、対流ノズル13から噴射されて、被めっき体1の表面に沿って対流するめっき液7の流れを乱して撹拌させることができる。その結果、小径かつアスペクト比の大きい開口部4(図1)であっても、その内部にめっき液7を浸入させて供給、撹拌することができるので、常に開口部4内に新たなめっき液7が循環してボイドの無い緻密な導電体5(図1)を充填、形成することができる。
The agitation means 10 of the present embodiment includes an
尚、モータ21は偏芯カムなどを介して撹拌パドル20と接続されており、例えばモータ21の一回転で撹拌パドル20を一往復、あるいは揺動するものである。
The
図5は、撹拌手段10の別の一例を説明するための正面図である。
FIG. 5 is a front view for explaining another example of the
図4との違いは、撹拌パドル20を第一の桟19と直交するように、第二の桟22を複数等間隔に設けた点である。このように、互いに直交する第一、第二の桟19、22で撹拌パドル20を構成する場合、水平方向に加えて垂直方向(図2に向かって上下方向)にも一定の距離で往復運動あるいは揺動させる。こうすることにより、対流ノズル13から噴射されるめっき液7の流れを乱してさらに撹拌することが可能となり、その結果、さらに緻密な導電体5を開口部4内に充填することができる。尚、第二の桟22の断面形状は三角形や四角形などであるが、四角形を選択することにより、被めっき体1のどこに開口部4を設けても最も均一に導電体5を形成することができた。
The difference from FIG. 4 is that a plurality of
(実施例1)
図6は、上述した電気めっき装置6を用いて電気めっきを行い、めっき液7中の硫酸銅濃度とボイド発生率を検討した結果である。まず初めにビーカ実験により、被めっき体1である4インチウエハ上に形成した開口部4の短辺4c側の径を15μm、深さ30μm、アスペクト比2に電気めっきを行い、形成した導電体5中にボイドが発生しないめっき液組成の最適化を試みた。めっき後は、レジスト3の上部を一部研磨で除去し、X線透視装置(島津製作所製)を用いて、ウエハ面内90箇所に形成した導電体5中のボイドを個々に観察した。
(Example 1)
FIG. 6 shows the results of conducting electroplating using the above-described electroplating apparatus 6 and examining the copper sulfate concentration and void generation rate in the
まず、硫酸銅濃度においては少なくとも220g/L以上でボイドの発生率が0となった。硫酸銅は、260g/L以上溶解しないため、ボイドが発生しない最適濃度を225g/Lとした。硫酸および塩素イオン濃度は通常の硫酸銅めっき浴組成の硫酸50g/L、塩素イオン濃度50mg/Lにおいてもボイドが発生しない。しかし、添加剤の抑制剤、促進剤および平滑剤の濃度はボイド発生率に大きく影響する。添加剤は奥野製薬製のトップルチナFAを用いた。同様に配合組合せを検討した結果、FA−1(抑制剤)6ml/L、FA−2(促進剤)1.5ml/L、FA−3(平滑剤)13ml/Lの時を最適条件とした。この添加剤配合はメーカ推奨濃度FA−1(抑制剤)5ml/L、FA−2(促進剤)0.4ml/L、FA−3(平滑剤)6ml/Lに対して、FA−2、FA−3を若干高くしている。以下に最適めっき条件を示す。 First, at a copper sulfate concentration of at least 220 g / L or more, the void generation rate was zero. Since copper sulfate does not dissolve at 260 g / L or more, the optimum concentration at which no void is generated is 225 g / L. As for the sulfuric acid and chlorine ion concentrations, no voids are generated even when the sulfuric acid concentration is 50 g / L and the chlorine ion concentration is 50 mg / L in the normal copper sulfate plating bath composition. However, the concentrations of additive inhibitors, accelerators and smoothing agents have a significant effect on the void generation rate. As the additive, Top Lucina FA manufactured by Okuno Seiyaku was used. Similarly, as a result of examining the combination, FA-1 (inhibitor) 6 ml / L, FA-2 (accelerator) 1.5 ml / L, FA-3 (smoother) 13 ml / L was the optimum condition. . This additive formulation is FA-2 (suppressor) 5 ml / L, FA-2 (accelerator) 0.4 ml / L, FA-3 (smoother) 6 ml / L, FA-2, FA-3 is slightly increased. The optimum plating conditions are shown below.
[めっき液組成]
硫酸銅5水塩:225g/L
硫酸 :50g/L
塩素 :50mg/L
添加剤 トップルチナFA−1(奥野製薬製):6ml/L
添加剤 トップルチナFA−2(奥野製薬製):1.5ml/L
添加剤 トップルチナFA−3(奥野製薬製):13ml/L
電流密度:2A/dm2
液温 :25℃
(実施例2)
次に、撹拌パドル20の揺動条件とボイド発生率の関係を検討した。図7は本実施の形態の電気めっき装置6を用いて、撹拌手段10のモータ21の回転数とボイド発生率を検討した結果である。めっき液7の組成およびめっき条件は実施例1に示したとおりであり、モータ21の回転数を20rpm以上にすることでボイド発生率は0となった。
[Plating solution composition]
Copper sulfate pentahydrate: 225 g / L
Sulfuric acid: 50 g / L
Chlorine: 50 mg / L
Additive Top Lucina FA-1 (Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.): 6ml / L
Additive Top Lucina FA-2 (Okuno Pharmaceutical): 1.5ml / L
Additive Top Lucina FA-3 (Okuno Pharmaceutical): 13ml / L
Current density: 2 A / dm 2
Liquid temperature: 25 ° C
(Example 2)
Next, the relationship between the rocking condition of the stirring
今回検討した開口部4の形状は、開口部4の短辺4cを20μm、深さ3aを30μm、アスペクト比1.5とし、上記結果より、モータ21の回転数を20rpm以上とすることで、開口部4内部で導電体層の形成により消耗する銅イオンを充分に補うように、新たなめっき液7が浸入、供給されているものと考える。
The shape of the opening 4 examined this time is that the
また、対流ノズル13をOFFにした場合、30rpmで撹拌パドル20を揺動させてもボイドが若干発生することから、めっき液7を対流させることは必須であると考えられる。ただし、この対流ノズル13の流速が早すぎると、開口部4の内部で導電体5をコンフォーマルに成長させてしまうので、随時少量のめっき液7が入れ替わるように調整するものである。
Further, when the
上記の液組成において、モータ21の回転数を30rpmとして径、深さ、アスペクト比のそれぞれ異なる開口部4を形成して電気めっきを行い、充填した導電体5中のボイドの発生率を評価した。(表1)に実験条件を、(表2)に実験の結果をそれぞれ示す。
In the above liquid composition, the number of rotations of the
全般的にはアスペクト比が高くなると、ボイドが発生しているが、電流密度2A/dm2において、開口部4の短辺4cを20μm、深さ3aを49μm、アスペクト比2.45として、従来ボイドが発生していた条件においてもボイドなく導電体5を形成して充填することが可能となり、ビアフィルめっきの適用範囲を広げることが可能となった。
In general, when the aspect ratio is high, voids are generated. However, at a current density of 2 A / dm 2 , the
上述した電気めっき装置6を用いることにより、電流密度を下げずに開口部4の短辺4cを20〜40μm、深さ3aを0〜67μm、アスペクト比(深さ/開口部の外形)が2.45以下のビアホールおよび配線2を形成するための開口部4を、ボイドを発生させることなく導電体5を充填することができ、また同時に両面8枚めっき可能であり生産能力が非常に高い電気めっき装置6を提供することができる。
By using the electroplating apparatus 6 described above, the
本発明に係る電気めっき装置は、めっき液を蓄えためっき槽中にカソード電極とアノード電極を対向して略垂直に浸漬し、前記カソード電極の主表面に、このカソード電極と電気的に接続した被めっき体を固定した後、これらカソード電極とアノード電極間に通電することで前記被めっき体に形成した配線やビアホールにめっき膜を形成して充填する電気めっき装置である。上記めっき槽は、その底部にリザーブ槽に蓄えた余剰なめっき液を上方に噴射することでめっき槽内のめっき液を対流させる対流ノズルを備えるとともに、カソード電極の主表面、すなわち被めっき体から一定距離離れて垂直、水平に揺動や往復運動可能な撹拌手段を設けたので、底面より被めっき体の表面に沿って対流するめっき液を、この撹拌手段で流れを乱して撹拌することができる。そのため、小径でかつアスペクト比の大きいビアホールであっても、新たなめっき液を浸入させ随時供給することができるので、その結果、ボイドが発生することのない緻密なめっきで配線やビアホールなどの開口部内に導電体を充填することができる作用効果を奏するので、プリント配線板や半導体ウエハに形成した配線やビアホールなどの開口部内をめっきにより充填するための電気めっき装置に有用である。 In the electroplating apparatus according to the present invention, a cathode electrode and an anode electrode are immersed substantially vertically in a plating tank in which a plating solution is stored, and the cathode electrode is electrically connected to the main surface of the cathode electrode. After fixing a to-be-plated body, it is an electroplating apparatus which forms and fills a plating film in the wiring and via hole which were formed in the said to-be-plated body by supplying with electricity between these cathode electrodes and anode electrodes. The plating tank includes a convection nozzle that convects the plating solution in the plating tank by spraying upward the excess plating solution stored in the reserve tank at the bottom, and from the main surface of the cathode electrode, that is, from the object to be plated. Stirring means that can swing and reciprocate vertically and horizontally at a certain distance is provided, so that the plating solution that convects along the surface of the object to be plated from the bottom is stirred by disturbing the flow. Can do. Therefore, even for via holes with a small diameter and a large aspect ratio, a new plating solution can be infiltrated and supplied as needed. As a result, openings such as wiring and via holes can be formed with dense plating that does not generate voids. Since it has an effect of being able to fill the portion with a conductor, it is useful for an electroplating apparatus for filling the inside of an opening such as a wiring or a via hole formed on a printed wiring board or a semiconductor wafer by plating.
1 被めっき体
2 配線
6 電気めっき装置
7 めっき液
8 めっき槽
9 カソード電極
10 撹拌手段
11 電流遮蔽板
12 アノード電極
13 対流ノズル
15 リザーブ槽
17 貫通孔
18 給電リング
19 第一の桟
20 撹拌パドル
21 モータ
22 第二の桟
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