JP2016108587A

JP2016108587A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2016108587A
Application number: JP2014245268A
Authority: JP
Inventors: 林　武彦; Takehiko Hayashi; 武彦林; 文彦赤星; Fumihiko Akaboshi
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2016-06-20
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: JP6372329B2

Abstract

【課題】半導体ウェーハ上に電解メッキで成長した金属層の段差を緩和し、研磨時間を短縮する。【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体ウェーハ上に電解メッキにより金属層を形成し、マイクロバブルを前記金属層に向けて発生して前記金属層の表面に生じている凹部を前記マイクロバブルで覆い、前記半導体ウェーハの処理面に前記電解メッキと逆極性のバイアス電圧を印加して前記マイクロバブルで覆われていない部分の前記金属層を電解エッチングで除去し、前記電解エッチングの後に前記金属層の研磨を行う。【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特にメッキプロセスによる配線形成に関する。

微細な配線パターンと幅広または大面積の配線パターンが同じレイヤに配置されている半導体ウェーハにメッキプロセスで配線を形成する場合、微細パターンの配線溝を完全に埋め込むことが困難である。微細な配線溝への埋め込みを良くするために、メッキ液に添加剤を加えて配線溝の底面から優先的にメッキ成長させるボトムアップフィルが行われている。

一般に、幅広または大面積の配線パターンではメッキ層が配線溝の形状に応じて（コンフォーマルに）成長するため、幅広または大綿製の配線パターンに合わせてメッキ厚が決定される。ボトムアップフィルを行うと、図１（Ａ）に示すように、幅広配線領域Ｂではメッキ層１１５がコンフォーマルに形成される一方で、微細配線の形成領域Ａにオーバープレートによる突起や盛り上がりが生じる。

この状態で、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）を行うと、図１（Ｂ）に示すように、幅広配線領域ＢにデッィングＤが発生する。また、微細配線が疎に配置される領域Ｃにエロージョンが発生するおそれがある。

パターンの粗密差が大きい場合、メッキを厚くすることで研磨後の平坦さを確保することができる。しかし、メッキを厚くすると研磨時間が長くなるため、スループットが悪化する。

銅メッキ後のチップ内段差を解消するために、銅メッキ層を形成した後に、電解エッチングにより、密配線上の銅メッキ膜に生じている凸状の盛り上がりを選択的に除去する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００３−１９３３００号公報

半導体装置の微細化につれて、密配線と幅広配線の差はますます大きくなると考えられる。粗密の差が大きくなるほどメッキ層の段差が大きくなり、ＣＭＰの量も増大する。そこで、半導体ウェーハ上に形成された金属層の段差または膜厚差を緩和し、研磨時間を短縮することのできる半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。

ひとつの態様では、半導体装置の製造方法は、
半導体ウェーハ上に電解メッキにより金属層を形成し、
マイクロバブルを前記金属層に向けて発生して前記金属層の表面に生じている凹部を前記マイクロバブルで覆い、
前記半導体ウェーハの処理面に前記電解メッキと逆極性のバイアス電圧を印加して、前記マイクロバブルで覆われていない部分の前記金属層を電解エッチングで除去し、
前記電解エッチングの後に前記金属層の研磨を行う
ことを特徴とする。

半導体ウェーハ上に形成された内の密配線領域と幅広配線領域のメッキ段差を緩和し、研磨時間を短縮することができる。

従来のメッキプロセスによる配線形成の問題点を示す図である。実施形態の半導体装置の製造工程図である。実施形態の半導体装置の製造工程図である。実施形態の半導体装置の製造工程図である。実施形態で用いる電解メッキ装置の概略図である。実施形態で用いるマイクロバブル発生装置の平均バブル径を示す図である。

図２〜図４は、実施形態の半導体装置の製造工程図である。実施形態では、コンフォーマルに埋め込まれる大面積パターンと、オーバープレートが生じる密パターンとが混在する半導体ウェーハにメッキ層を形成する。段差のあるメッキ層のうち、メッキ膜厚の小さい領域（たとえば大面積パターンの領域）をマイクロバブルで保護し、逆バイアスを印加して選択エッチングを行うことで、ＣＭＰに先立ってメッキ膜厚差を緩和する。

図２（Ａ）で、配線溝１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成された半導体ウェーハ１１上に、Ｃｕシード層を含む通電層１３を形成する。通電層１３は、Ｃｕシード層の下層に配置されるＣｕ拡散防止膜（バリアメタル）を含んでもよい。この場合、バリアメタルは、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）等で形成することができる。上層のＣｕシード層はＣｕメッキ時の密着層として機能する。

半導体ウェーハ１１は数百個分のチップ領域を含み、各チップが半導体基板上のトランジスタやビアプラグを有する。配線溝１２ａ、１２ｂ、１２ｃは最上層の絶縁膜に形成されている。配線溝１２ａは、たとえば溝幅が０．１μｍ、溝間隔が０．１μｍの密配線である。配線溝１２ｂは、たとえば溝幅が０．１μ、溝間隔が０．５μｍの疎配線である。配線溝１２ｃは、たとえば溝幅が１μ〜４．５μｍの幅広配線である。配線溝１２ａ〜１２ｃの深さは、たとえば２２０ｎｍである。

図２（Ｂ）で、半導体ウェーハ１１の通電層１３が形成された面を下側にして電解メッキ液１７に浸漬し、メッキ層１５を成長する。電解メッキの際に、たとえば図５（Ａ）に示す電解メッキ装置４０を用いる。電解メッキ装置４０の給電・ローターユニット４１から延びるウェーハクランプ４２で半導体ウェーハ１１をフェースダウンで保持し、メッキ槽４５に収容された電解メッキ液１７に処理面を浸漬して回転する。図５（Ｂ）に示すように、ウェーハクランプ４２はコンタクトピン４３を有し、コンタクトピン４３を通電層１３に接触させる。コンタクトピン４３は電極として機能し、コンタクトピン４３から通電層１３のＣｕシード層に電流を流す。電解メッキ液１７はたとえば硫酸銅系の溶液であり、高純度の硫酸や塩酸が添加されていてもよい。

コンタクトピン４３を負極（カソード）とし、メッキ槽４５内に配置される図示しない対向電極を正極（アノード）として、両電極の間に順方向の電圧を印加する。正バイアスはたとえば１０〜１５Ｖ、好ましくは１０Ｖである。このとき、半導体ウェーハ１１の表面に流れる電流密度は、約４８ｍＡ／ｃｍ2である。アノード電極から電解メッキ液１７中へ溶解した金属イオンの還元反応により、半導体ウェーハ１１の通電層１３上にメッキ層１５が成長する。電解メッキプロセス中の半導体ウェーハ１１の回転数は、１０〜４０ｒｐｍの間で調整される。約１０ｒｐｍの低回転により微細パターンのメッキ効率が改善される。約４０ｒｐｍの高回転により半導体ウェーハ１１の表面の不純物を除去するとともに、半導体ウェーハ１１の表面に対する電解メッキ液１７の濃度を均一にして、均一なメッキ層１５を形成する。

図２（Ｃ）に戻って、設定された厚さまでメッキ層１５が成長したところで、マイクロバブル発生装置３１により電解メッキ液１７中にマイクロバブル３５を発生させる。一例として、メッキ層１５の厚さを４００ｎｍ〜８００ｎｍに形成する。マイクロバブル発生装置３１として、たとえば株式会社ナノクス製のマイクロバブル発生装置「nano Quick（ナノクイック）」を用いることができる。図６に示すように、マイクロバブル発生装置３１により３５ｎｍ〜２５０ｎｍ径の気泡を発生することができ、最も多いバブル径は１００ｎｍである。

マイクロバブル発生中は、マイクロバブルがコンフォーマルに形成された大面積パターンに集まるように、半導体ウェーハ１１の回転の停止と、低速での回転を繰り返す。半導体ウェーハ１１を低速で回転させることで、電解メッキ液１７を循環させてマイクロバブル３５をウェーハ面へ均一に導く。

電解メッキ槽４５とマイクロバブル発生のための槽は、別々の槽であってもよいし、図２（Ｃ）のように電解メッキ槽４５をそのまま用いてもよい。同じ電解メッキ槽４５内でマイクロバブル３５を発生させるためには、あらかじめマイクロバブル発生装置３１のノズルの先端がアノード電極を貫通するように電解メッキ槽４５の内部に設置しておく。メッキ層１５が所定の膜厚に成長した時点で、コンタクトピン４３とアノード電極への電圧の印加を停止し、マイクロバブル発生装置３１をオンにする。

電解メッキとマイクロバブルの発生で別々の槽を用いる場合は、給電・ローターユニット４１を搬送機能付きのユニットとして構成し、メッキ層１５が所定の膜厚に成長した時点で、半導体ウェーハ１１を電解メッキ槽４５から引き上げてマイクロバブル発生用の槽へ搬送する。この場合、マイクロバブル発生用の槽には電解エッチング液２７が収容されている。電解エッチング液２７に半導体ウェーハ１１を浸漬するときは、電解メッキのための浸漬と異なり、液面に対する半導体ウェーハ１１の角度制御や浸漬速度の制御を厳密に行う必要はない。

図３（Ａ）で、半導体ウェーハ１１上のメッキ層１５に生じている凹部にマイクロバブル３５が集まって大きな気泡になる。マイクロバブル３５はメッキ層１５のくぼんだ箇所に集まりやすく、幅広の配線や大面積パターンが配置される領域Ｂでコンフォーマルにメッキ層１５が成長した部分に多数のマイクロバブル３５が集まる。また、微細配線が疎に配置された領域の突起間のくぼみにもマイクロバブル３５が入り込む。これによりメッキ層１５の表面のうち、メッキ膜厚の小さい部分が気体層３６で保護される。

図３（Ｂ）で、マイクロバブル３５の発生を停止し、半導体ウェーハ１１の表面に逆バイアスを印加して、電解メッキ液１７（または電解エッチング液２７）に接触している部分のメッキ層１５を電解エッチングする。たとえば、コンタクトピン４３に正極を接続し、電解エッチング槽（電解メッキ槽４５と同じであってもよい）内の電極に負極を接続する。逆極性のバイアス電圧は５〜１０Ｖ、好ましくは８〜１０Ｖである。エッチングの制御を考慮すると、電解メッキ時の正バイアス電圧の大きさよりも若干小さく設定するのが望ましい。半導体ウェーハ１１の表面に正のバイアス電圧を印加することで、メッキ層１５の銅イオンが電解メッキ液１７（または電解エッチング液２７）中に溶け出す。

逆バイアス印加中の半導体ウェーハ１１の回転数を０〜１０ｒｐｍにして、半導体ウェーハ１１上のメッキ層１５のうち、電解メッキ液１７（あるいは電解エッチング液）に接触している部分のメッキ層１５に対するエッチング速度を均一にしてもよい。メッキ層１５のうち、マイクロバブル３５の集合体あるいは気体層３６で保護されている部分は、エッチングされない。

マイクロバブル３５または気体層３６が存在する箇所までエッチングが進むと、気泡は半導体ウェーハ１１の処理面を伝って別の方向へ逃げ、半導体ウェーハ１１のエッジから空気中へ排出される。

図３（Ｃ）で、逆バイアスを印加する時間を調整して、微細配線が密に配置される領域と、微細配線が疎に配置される領域と、幅広配線または大面積パターンが配置される領域でのメッキ層１５の膜厚差を小さくする。最終的な平坦化はＣＭＰ等で行うので、電解エッチングはメッキ層１５の段差膜厚差の緩和のためのおおよその平坦化でよい。

図４（Ａ）で、半導体ウェーハ１１を電解メッキ液１７（または電解エッチング液２７）から引き上げて、ＣＭＰにより余分なメッキ層１５と通電層１３を除去する。

図４（Ｂ）で、研磨が終了し密に配置された微細配線２１ａと、疎に配置された微細配線２１ｂと、幅広配線２１ｃが形成される。

従来のメッキ配線の形成方法であれば、図２（Ｃ）の段階までメッキ層１５を成長させた後に、ＣＭＰによる研磨を行う。これに対し、実施形態ではメッキ層１５の膜厚の小さい部分（凹部分）をマイクロバブル３５により保護した状態で、逆バイアスの印加による電解エッチングでメッキ層１５の膜厚差を緩和してからＣＭＰを行う。

図２（Ｃ）の状態からＣＭＰを行ったとき（従来法）と、図４（Ａ）の状態からＣＭＰを行ったとき（実施形態の方法）の研磨時間を比較すると、従来法では約３６０秒かかったのに対し、実施形態の方法では約１８０秒であり、研磨時間を１／２に短縮することができる。研磨時間の短縮率は、電解エッチングによりメッキ層１５をどの程度除去するかによる。実施形態の方法では、このフォーマルにメッキされた部分や、疎に配置された配線領域の凹部をマイクロバブルにより保護した状態で電解エッチングを行うので、選択的なエッチングでメッキ層１５の段差を効率的に緩和することができる。

実施形態では、メッキ膜厚の小さい領域（コンフォーマルにメッキされた幅広配線や大面積パターン）にマイクロバブルによる保護膜を形成し、オーバープレートされた部分を逆バイアスの印加によりエッチング除去する。この方法はＣｕメッキに限定されず、ニッケル（Ｎｉ）メッキ、スズ（Ｓｎ）メッキ、クロム（Ｃｒ）メッキ、銀（Ａｇ）メッキ、金（Ａｕ）メッキによる配線形成にも適用可能である。いずれの場合も、電解メッキ浴（電解エッチング浴）の中でメッキの膜厚段差をあらかじめ緩和できるので、研磨時間を短縮することができる。

実施形態では、電解メッキにより金属層を形成した後に、マイクロバブルで金属層１５の表面の凹部を保護して電解エッチングを行ったが、スパッタ法など他の方法により金属層を形成した場合にも本発明を適用できる。スパッタ等で金属層を形成する場合にも、下地膜の応答に応じて金属層の表面に王取るができるからである。したがって、実施形態の方法は表面に凹凸が生じている任意の金属層表面の段差緩和に適用することができる。

１１半導体ウェーハ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ配線溝
１３通電層
１５メッキ層（金属層）
１７電解メッキ液（または電解エッチング液）
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ配線
３１マイクロバブル発生装置
３５マイクロバブル
３６気体層
４０電解メッキ装置
４３コンタクトピン

Claims

半導体ウェーハ上に電解メッキにより金属層を形成し、
マイクロバブルを前記金属層に向けて発生して前記金属層の表面に生じている凹部を前記マイクロバブルで覆い、
前記半導体ウェーハの処理面に前記電解メッキと逆極性のバイアス電圧を印加して、前記マイクロバブルで覆われていない部分の前記金属層を電解エッチングで除去し、
前記電解エッチングの後に前記金属層の研磨を行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記電解メッキを行う際に前記半導体ウェーハの処理面を電解メッキ液に浸漬した状態で前記半導体ウェーハを第１の速度で回転し、
前記マイクロバブルの発生中に、前記半導体ウェーハを前記第１の速度以下の第２の速度で回転する動作と、前記回転を停止する動作を繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記電解メッキと前記電解エッチングを異なる槽で行い、
前記マイクロバブルを前記電解エッチングの槽内で発生させることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
前記電解エッチングで用いられる前記逆極性のバイアス電圧の大きさは、前記電解メッキで用いられるバイアス電圧の大きさ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記半導体ウェーハ上に第１の線幅のパターンが配置される第１領域と、前記第１の線幅よりも広い第２の線幅のパターンが配置される第２領域を設け、
前記マイクロバブルで前記第２領域に形成された前記金属層表面に生じた前記凹部を覆うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記マイクロバブルの径は３５ｎｍ〜２５０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
半導体ウェーハ上に形成された金属層を電解エッチング液に浸漬し、
前記金属層に対してマイクロバブルを発生して前記金属層の表面に生じている凹部を前記マイクロバブルで覆い、
前記金属層を正極とするバイアス電圧を印加して、前記マイクロバブルで覆われていない部分の前記金属層を電解エッチングで除去し、
前記電解エッチングの後に前記金属層を研磨する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。