JP2018073949A - 金属配線層形成方法、金属配線層形成装置および記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｗを主成分とする金属配線層の抵抗値を低く抑える。【解決手段】金属配線層形成方法は基板２上にＣｏを主成分とするシード層６を形成する工程と、シード層６上にＷを主成分とする金属配線層７を形成する工程とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は基板に対して金属配線層を形成する金属配線層形成方法、金属配線層形成装置および記憶媒体に関する。

近年、ＬＳＩなどの半導体装置は、実装面積の省スペース化や処理速度の改善といった課題に対応するべく、より一層高密度化することが求められている。高密度化を実現する技術の一例として、複数の配線基板を積層することにより三次元ＬＳＩなどの多層基板を作製する多層配線技術が知られている。

多層配線技術においては一般に、配線基板間の導通を確保するため、配線基板を貫通するとともに銅（Ｃｕ）などの導電性材料が埋め込まれた貫通ビアホールが配線基板に設けられている。

ところで配線基板を作製する場合、導電性材料としてＣｕを用い、基板の凹部にＣｕを設けているが、この場合、凹部内にＣｕ拡散防止膜としてのバリア膜を形成し、このバリア膜上にシード膜を無電解Ｃｕめっきにより形成する必要がある。このため配線層の配線容積が低下したり、埋め込まれたＣｕ中にボイドが発生することがある。一方、基板の凹部内に触媒を付与するＣｕの代わりにＷ系金属を設けてこれを金属配線層として用いる技術が開発されている。

ところでＷ系金属を金属配線層として用いる場合、その体積抵抗値をなるべく低く抑えることが求められているが、現在まで、Ｗ系金属を配線層として用いるとともに、その抵抗値をなるべく低くすることができる技術は開発されていない。

特開２０１０−１８５１１３号公報

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、Ｗ系金属を金属配線層として用いるとともに、その抵抗値を低く抑えることができる金属配線層形成方法、金属配線層形成装置、および記憶媒体を提供することを目的とする。

本発明は、基板に対して金属配線層を形成する金属配線層形成方法において、基板を準備する工程と、前記基板に対してＣｏを主成分とするシード層を形成する工程と、前記シード層上にＷを主成分とする金属配線層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする金属配線層形成方法である。

本発明は、基板と、前記基板上に形成されたＣｏを主成分とするシード層と、前記シード層上に形成されたＷを主成分とする金属配線層と、を備えたことを特徴とする金属配線層積層体である。

本発明は、基板に対して金属配線層を形成する金属配線層形成装置において、前記基板に対してＣｏを主成分とするシード層を形成するシード層形成部と、前記シード層上にＷを主成分とする金属配線層を形成する金属配線層形成部とを備えたことを特徴とする金属配線層形成装置である。

本発明は、コンピューターに金属配線層形成方法を実行させるためのコンピュータープログラムを格納した記憶媒体において、前記金属配線層形成方法は、基板に対して金属配線層を形成する金属配線層形成方法であって、基板を準備する工程と、前記基板に対してＣｏを主成分とするシード層を形成する工程と、前記シード層上にＷを主成分とする金属配線層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする記憶媒体である。

本発明によれば、Ｗ系金属を金属配線層として用いるとともに、その体積抵抗値を低く抑えることができる。

図１（ａ）は本実施の形態における金属配線層形成方法により得られた金属配線積層体を示す図、図１（ｂ）は比較例による金属配線層形成方法により得られた金属配線積層体を示す図。 図２は本実施の形態における金属配線層形成方法を示すフローチャート。 図３は本実施の形態における金属配線層形成装置を示すブロック図。 図４は本実施の形態による金属配線層積層体の凹面および表面のＳＥＭ像、および金属配線層の体積抵抗値を比較例と比較して示す図。

以下、図１乃至図３により本発明の一実施の形態について説明する。

本発明による金属配線層形成方法は、図１（ａ）に示すように、半導体ウエハ等からなるシリコン基板（以下、基板ともいう）２に対して金属配線層を形成するものである。

図１（ａ）に示すように、基板２はＳｉからなる基板本体２ａと、基板本体２ａ上に形成されたＴＥＯＳ層２ｂとを有している。

なお、上述したＴＥＯＳ層２ｂは絶縁層により形成される。

このような構成からなる基板２は、公知の方法により得ることができる。

まずＳｉからなる基板本体２ａを有する基板２を準備する。次に基板２の基板本体２ａ上にＴＥＯＳ層２ｂがＣＶＤにより形成される。このようにして基板本体２ａと、ＴＥＯＳ層２ｂとを有する基板２が得られる。

次に上述した基板２に対して金属配線層を形成する金属配線層形成装置１０について、図３により説明する。

このような金属配線層形成装置１０は、基板２の表面を前洗浄する前洗浄部１１と、前記基板２の表面に密着層２Ａを形成するための密着層形成部１２と、密着層２Ａ上に触媒５を付与するための触媒付与部１３と、付与された触媒５を焼きしめる第１焼きしめ部１４と、焼きしめられた触媒５上にめっき処理を施してＣｏ（コバルト）を主成分とするシード層６を形成するシード層形成部１５と、シード層６を焼きしめる第２焼きしめ部１６と、シード層６上にＷ（タングステン）を主成分とする金属配線層を形成する金属配線層形成部１７とを備えている。

また上述した金属配線層形成装置１０の各構成部材、例えば前洗浄部１１と、密着層形成部１２と、触媒付与部１３と、第１焼きしめ部１４と、シード層形成部１５と、第２焼きしめ部１６と、金属配線層形成部１７は、いずれも制御装置２０に設けられた記憶媒体２１に記録された各種のプログラムに従って制御装置２０で駆動制御され、これによって基板２に対する様々な処理が行われる。ここで、記憶媒体２１は、各種の設定データや後述する金属配線層形成プログラム等の各種のプログラムを格納している。

記憶媒体２１としては、コンピューターで読み取り可能なＲＯＭやＲＡＭなどのメモリーや、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭやフレキシブルディスクなどのディスク状記憶媒体などの公知のものが使用されうる。

次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について、図１乃至図３により説明する。

上述のように半導体ウエハ等からなる基板（シリコン基板）２が本発明による金属配線層形成装置１０内に搬送される。この場合、基板２はＳｉからなる基板本体２ａと、ＴＥＯＳ層２ｂとを有する。

次に金属配線層形成装置１０内において、図３に示すように基板２が前洗浄部１１に送られ、この前洗浄部１１において、ＤＨＦ溶液を用いた洗浄処理により基板２の表面が洗浄される。次に基板２は密着層形成部１２に送られ、この密着層形成部１２において基板２に対してカップリング剤を用いた密着層形成工程が行われ、この密着層形成工程において、基板２上に密着層２Ａが形成される。

次に基板２は触媒付与部１３に送られ、この触媒付与部１３において密着層２Ａ上に触媒５が付与される（図１（ａ）参照）。

次に触媒付与部１３における触媒付与工程について更に述べる。

触媒付与工程においては、例えば、基板２に対して塩化パラジウム水溶液をノズルにより吹付け、触媒となるＰｄイオンを基板２の表面に吸着させる処理を採用することができる。具体的には、基板２に対して塩化スズ溶液を吹付け、スズイオンを基板２表面に吸着し、次に、基板２に塩化パラジウム水溶液を吹付けてスズイオンをＰｄイオンと置換してＰｄイオンを吸着させ、さらに、基板２に水酸化ナトリウムを吹付けて余分なスズイオンを取り除く。このようにして基板２に設けられた密着層２Ａ上に、触媒５を付与することができる。

あるいは基板２の密着層２Ａ上に触媒５を付与する場合、めっき反応を促進することができる触媒作用を有する触媒、例えばナノ粒子からなる触媒を含む触媒溶液を用いてもよい。ここでナノ粒子とは、触媒作用を有する粒子であって、平均粒径が２０ｎｍ以下、例えば０．５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内となっている粒子のことである。ナノ粒子を構成する元素としては、例えば、パラジウム、金、白金などが挙げられる。

また、ナノ粒子を構成する元素として、ルテニウムが用いられてもよい。

ナノ粒子の平均粒径を測定する方法が特に限られることはなく、様々な方法が用いられ得る。例えば、触媒溶液内のナノ粒子の平均粒径を測定する場合、動的光散乱法などが用いられ得る。動的光散乱法とは、触媒溶液内に分散しているナノ粒子にレーザー光を照射し、その散乱光を観察することにより、ナノ粒子の平均粒径などを算出する方法である。

また、基板２の凹部３に吸着したナノ粒子の平均粒径を測定する場合、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）やＳＥＭなどを用いて得られた画像から、所定の個数のナノ粒子、例えば２０個のナノ粒子を検出し、これらのナノ粒子の粒径の平均値を算出することもできる。

次に、ナノ粒子からなる触媒が含まれる触媒溶液について説明する。触媒溶液は、触媒となるナノ粒子を構成する金属のイオンを含有するものである。例えばナノ粒子がパラジウムから構成されている場合、触媒溶液には、パラジウムイオン源として、塩化パラジウムなどのパラジウム化合物が含有されている。

触媒溶液の具体的な組成は特には限られないが、好ましくは、触媒溶液の粘性係数が０．０１Ｐａ・ｓ以下となるよう触媒溶液の組成が設定されている。触媒溶液の粘性係数を上記範囲内とすることにより、基板２の凹部３の直径が小さい場合であっても、基板２の凹部３の底面３ａにまで触媒溶液を十分に行き渡らせることができる。このことにより、基板２の凹部３の底面３ａにまで触媒をより確実に吸着させることができる。

好ましくは、触媒溶液中の触媒は、分散剤によって被覆されている。これによって、触媒の界面における界面エネルギーを小さくすることができる。従って、触媒溶液内における触媒の拡散をより促進することができ、このことにより、基板２の凹部３の底面３ａにまで触媒をより短時間で到達させることができると考えられる。また、複数の触媒が凝集してその粒径が大きくなることを防ぐことができ、このことによっても、触媒溶液内における触媒の拡散をより促進することができると考えられる。

分散剤で被覆された触媒を準備する方法が特に限られることはない。例えば、予め分散剤で被覆された触媒を含む触媒溶液を用いてもよい。

分散剤としては、具体的には、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡ）、クエン酸等が好ましい。

その他、特性を調整するための各種薬剤が触媒溶液に添加されていてもよい。

このようにして触媒付与部１３において、基板２の密着層２Ａ上に触媒５が付与される。

このように基板２の密着層２Ａに触媒５が付与された基板２は、第１焼きしめ部１４に送られ、この第１焼きしめ部１４内で基板２が加熱される。このようにして基板２の密着層２Ａ上に形成された触媒５が焼成されて固められる。

金属ナノ粒子により触媒５が形成される場合、触媒５を焼成することにより、触媒５をより効果的に固めることができる。

次に基板２は第１焼きしめ部１４からシード層形成部１５へ送られ、このシード層形成部１５において基板２に対してめっき液を用いた無電解めっき処理が施され、シード層形成部１５において触媒５上にＣｏを主成分とするシード層６、例えばＣｏＷからなるシード層６が形成される。

シード層形成部１５において形成されるシード層６は、Ｃｏを主成分とするシード層となっており、ＣｏＷ以外にその他Ｃｏ、ＣｏＢ、ＣｏＰ、ＣｏＷＢ、ＣｏＷＰ、ＣｏＷＢＰのいずれかからなるシード層を用いることができる。

なお、上記実施の形態において、シード層６を無電解めっき処理により形成した例を示したが、これに限らずシード層６を電解めっき、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）、ＰＶＤ（physical vapor deposition）の各方法により形成することもできる。

次に基板２はシード層形成部１５から第２焼きしめ部１６に送られ、この第２焼きしめ部１６において基板２が加熱され、このようにして基板２上に形成されたシード層６が焼成されて固められる。

次に基板２はシード層６から金属配線層形成部１７に送られる。そして金属配線層形成部１７において、シード層６上にＣＶＤ（chemical vapor deposition）法を用いてＷを主成分とする金属配線層７が形成される。

このようにして基板本体２ａと、ＴＥＯＳ層２ｂとを有する基板２と、密着層２Ａと、触媒５と、ＣｏＷからなるシード層６と、Ｗからなる金属配線層７を含む金属配線層積層体１が得られる。

次に本発明の具体的実施例について図４により説明する。

上述のような構成からなる金属配線層積層体１について、その断面および表面についてＳＥＭ（scanning electron microscope）を用いて断面および表面の像を得た。

更にＷからなる金属配線層７の体積抵抗値を測定した。

金属配線層積層体１の断面および表面のＳＥＭ像を図４に示す。また金属配線層積層体１の金属配線層７の体積抵抗値は９．３μΩ・ｃｍであった。

次に、ＣｏＷからなるシード層６の代わりに、ＴｉＮからなるシード層６を設けた以外は、本実施の形態と同様の金属配線層形成方法を用いて、図１（ｂ）に示すような比較例としての金属配線層積層体１Ａを得た。

次にこの比較例としての金属配線層積層体１Ａについて、その断面および表面についてＳＥＭを用いて断面および表面の像を得た。同様にしてＷからなる金属配線層７の体積抵抗値を測定した。

比較例としての金属配線層積層体１Ａの断面および表面のＳＥＭ像を図４に示す。また金属配線層積層体１Ａの金属配線層７の体積抵抗値は１２．３μΩ・ｃｍであった。

本実施の形態によれば、シード層６としてＣｏＷからなるシード層を用いることにより、一般的にシード層６として用いられるＴｉＮからなるシード層を用いた比較例に比べて、Ｗからなる金属配線層７の結晶を微細化することができ、このことにより金属配線層７の体積抵抗値を小さく抑えることができる。

なお、上記実施の形態において、基板２上に密着層２Ａを設けた例を示したが、この密着層２Ａは必ずしも設ける必要はない。

またシード層６を電解めっき、ＣＶＤ、ＰＶＤで形成する場合、触媒５は付与する必要がない。

２ 基板
２ａ 基板本体
２ｂ ＴＥＯＳ層
５ 触媒
６ シード層
７ 金属配線層
１０ 金属配線層形成装置
１１ 前洗浄部
１２ 密着層形成部
１３ 触媒付与部
１４ 第１焼きしめ部
１５ シード層形成部
１６ 第２焼きしめ部
１７ 金属配線層形成部
２０ 制御装置
２１ 記憶媒体

Claims (9)

1. 基板に対して金属配線層を形成する金属配線層形成方法において、
   基板を準備する工程と、
   前記基板に対してＣｏを主成分とするシード層を形成する工程と、
   前記シード層上にＷを主成分とする金属配線層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする金属配線層形成方法。
2. シード層はめっき処理を施すことにより得られることを特徴とする請求項１記載の金属配線層形成方法。
3. シード層を形成する工程の前に、基板上に触媒を付与する工程を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の金属配線層形成方法。
4. 金属配線層はＣＶＤにより得られることを特徴とする請求項１記載の金属配線層形成方法。
5. 基板と、
   前記基板上に形成されたＣｏを主成分とするシード層と、
   前記シード層上に形成されたＷを主成分とする金属配線層と、を備えたことを特徴とする金属配線層積層体。
6. 基板に対して金属配線層を形成する金属配線層形成装置において、
   前記基板に対してＣｏを主成分とするシード層を形成するシード層形成部と、
   前記シード層上にＷを主成分とする金属配線層を形成する金属配線層形成部とを備えたことを特徴とする金属配線層形成装置。
7. シード層はめっき処理を施すことにより得られ、
   基板上に触媒を付与する触媒付与部を更に備えたことを特徴とする請求項６記載の金属配線層形成装置。
8. 前記金属配線層形成部はＣＶＤにより前記金属配線層を形成することを特徴とする請求項６記載の金属配線層形成装置。
9. コンピューターに金属配線層形成方法を実行させるためのコンピュータープログラムを格納した記憶媒体において、
   前記金属配線層形成方法は、
   基板に対して金属配線層を形成する金属配線層形成方法であって、
   基板を準備する工程と、
   前記基板に対してＣｏを主成分とするシード層を形成する工程と、
   前記シード層上にＷを主成分とする金属配線層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする記憶媒体。