JP3614283B2 - めっき装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板のめっき装置に係り、特に半導体基板に形成された配線用溝等に銅（Ｃｕ）等の金属を充填するためのめっき装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体基板上に配線回路を形成するためには、基板面上にスパッタリング等を用いて成膜を行った後、さらにレジスト等のパターンマスクを用いたケミカルドライエッチングにより膜の不要部分を除去していた。
【０００３】
配線回路を形成するための材料としては、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が用いられているが、集積度が高くなるにつれて配線が細くなり、電流密度が増加するために熱応力や温度上昇を生じる。これは、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションによってＡｌ等が希薄化するに従いさらに顕著となり、ついには断線のおそれが生じる。
【０００４】
そこで、通電による過度の発熱を避けるため、より導電性の高い材料を配線形成に採用することが必然的に要求されている。現用材料のうち、Ａｌ系よりも電気比抵抗の小さい材料としては、銅（Ｃｕ）と銀（Ａｇ）がある。
【０００５】
しかしながら、Ｃｕ又はその合金はドライエッチングが難しく、全面を成膜してからパターン形成する上記の方法の採用は困難である。そこで、予め所定パターンの配線用の溝を形成しておき、その中にＣｕ又はその合金を充填する工程が考えられる。これによれば、膜をエッチングにより除去する工程は不要で、表面段差を取り除くための研磨工程を行えばよい。また、多層回路の上下を連絡するプラグと呼ばれる部分も同時に形成することができる利点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような配線溝あるいはプラグの形状は、配線幅が微細化するに伴いかなりの高アスペクト比（深さと直径又は幅の比）となり、スパッタリング成膜では均一な金属の充填が困難であった。また、種々の材料の成膜手段として気相成長（ＣＶＤ）法が用いられるが、Ｃｕ又はその合金では、適当な気体原料を準備することが困難であり、また、有機原料を採用する場合にはこれから堆積膜中へ炭素（Ｃ）が混入してマイグレーション性が上がるという問題点があった。
【０００７】
さらに、基板をめっき液中に浸漬させて無電解又は電解めっきを行なう方法も提案されているが、溝や穴の底部への液の循環やイオンの供給が不充分となるので、溝の縁に比べて底部の膜成長が遅く、溝の上部が詰まって底部に空洞（ボイド）ができてしまうなどして、均一な充填が困難であった。
【０００８】
本発明は、上述の事情に鑑み、微細な配線用の溝等の微細窪みに銅又は銅合金等の電気比抵抗の小さい材料を均一に充填することができるめっき装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、めっき液を保持するめっき槽と、該めっき液中に配置された基板に対向して配置され、所定方向に延びるスリット又は所定方向に連なる複数の孔列として形成された吸引ノズル及び吐出ノズルと、前記吸引ノズル及び吐出ノズルを前記基板の表面に沿って相対移動させる移動手段とを有することを特徴とするめっき装置である。
【００１０】
これにより、吸引ノズル及び吐出ノズルの少なくとも一方を基板表面に沿って相対移動させて、基板表面近傍においてめっき液の圧力変動を形成し、めっき液の微細窪みへの流入あるいはめっきすべき金属イオンの流動を促進する。ノズルと基板のいずれを移動させてもよく、双方を移動してもよい。ノズルを移動する場合には、吸引ノズルと吐出ノズルを一体にして連動させると駆動機構が簡単になる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記吸引ノズル及び吐出ノズルは互いに隣接し、その間にノズル面と基板面によりめっき液の流路を形成するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のめっき装置である。具体的には、ノズルを基板表面に近接させ、ノズル面と基板面の隙間に形成される流路の断面積を、ノズルの流路断面積より小さくすることにより、ノズル近傍での吸引あるいは吐出圧力を維持することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記吸引ノズルの両側には所定幅の平坦部が形成されていることを特徴とする請求項２記載のめっき装置である。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記吸引ノズル及び吐出ノズルは、互いに平行に形成され、基板に対して前記スリット又は孔列に直交する方向に相対移動することを特徴とする請求項１に記載のめっき装置である。
請求項５に記載の発明は、前記吸引ノズルはスリットとして形成され、該スリットは基板の最大径より長いことを特徴とする請求項４に記載のめっき装置である。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、前記吸引ノズル及び吐出ノズルは、基板の中心から放射状に延びて形成され、基板に対して相対回転することを特徴とする請求項１に記載のめっき装置である。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、前記吸引ノズル及び吐出ノズルはそれぞれ独自にめっき液を吸引し吐出するポンプ手段を有していることを特徴とする請求項１に記載のめっき装置である。これにより、めっき液の循環槽との循環は独立した１台のポンプで行われるため、安定した循環量が維持できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１ないし図３は、第１の実施の形態のめっき装置を示すもので、めっき槽１０内に保持台１２により基板Ｗが保持され、基板Ｗに対向する位置に、中央の吸引ヘッド１４とその両側に配置した２つの吐出ヘッド１６が一体に形成されたノズルヘッド１８が移動自在に設置されている。吸引ヘッド１４のノズル面１４ａは吐出ヘッド１６のノズル面１６ａより基板Ｗに向けて突出しており、それぞれ所定の幅の矩形状の面に形成されている。
【００１８】
吸引ヘッド１４のノズル面１４ａには、図２に示すように対象の基板の最大径より大きな長さのスリット状の吸引ノズル２０が形成され、一方、吐出ヘッド１６のノズル面１６ａには分散した小孔状の吐出ノズル２２が形成されている。吸引ヘッド１４のノズル面１４ａには吸引ノズル２０の両側に所定幅の平坦部が形成され、これはノズル面１４ａが基板面に近接した状態で基板面との間に吸引ノズル２０と吐出ノズル２２の間の流路を形成する。
【００１９】
吸引ヘッド１４にはフレキシブルな配管２４を介して排液ポンプ２６が接続され、このポンプ２６の排出側はめっき槽１０の下部へ接続されて吸引循環流路２８を形成している。一方、吐出ヘッド１６には配管３０を介して給液ポンプ３２が接続され、このポンプ３２の流入側は、温度調節用のヒータ３４が設けられた貯液槽３６に接続されている。この貯液槽３６にはめっき槽に付設されたオーバーフロー槽３８のドレン配管４０が接続されており、これにより、吸引循環流路２８とは独立の吐出循環流路４２が形成されている。
【００２０】
ノズルヘッド１８は、全体として、例えば、レール上を走行可能な台車に載置されており、吸引ノズル２０のスリットに直交する方向に移動可能となっている。なお、基板Ｗを保持する保持台１２側を移動させても良く、両方を同時に移動させてもよい。また、両者の相対移動の方向や速度は、吸引ノズル２０の通過による圧力変動が基板Ｗの全面に均一に及ぶように適宜の態様を採ることができる。
【００２１】
このように構成されためっき装置の作用を、半導体基板の配線回路形成のためのＣｕ又はその合金のめっきを行なう場合について説明する。被処理対象の基板Ｗは、図４（ａ）に示すように、半導体素子が形成された半導体基材５０の上に導電層５２及びＳｉＯ_２からなる絶縁層５４を堆積させた後、リソグラフィ・エッチング技術によりコンタクトホール５６と配線用の溝５８が形成され、その上にＴｉＮ等からなるバリア層６０が形成されている。
【００２２】
このような基板Ｗを保持台１２に載置し、めっき槽１０及び貯液槽３６内のめっき液は所定温度に維持しておく。そして、ノズルヘッド１８又は基板保持台１２を昇降させて、吸引ヘッド１４のノズル面１４ａが予め定めた隙間をもって基板Ｗに対向するよう上下方向の位置を調整する。
【００２３】
次に、排液ポンプ２６及び給液ポンプ３２を作動させて、吸引系及び吐出系のそれぞれの液循環経路２８，４２を形成する。これにより、吐出ヘッド１６の小孔状の吐出ノズル２２から出ためっき液は基板Ｗと吸引ノズル面１４ａの間の隙間を通って吸引ノズル２０に吸引される。ここにおいて、基板Ｗと吸引ノズル面１４ａの間の隙間を充分小さく設定することにより大きな流路抵抗が形成され、吸引ノズル２０の近傍で大きな負圧が作用する。
【００２４】
このように吸引ノズル２０近傍で大きな負圧を発生させながら、ノズルヘッド１８全体を平行移動させ、負圧が及ぶ基板面上の箇所を移動させる。吸引ノズル２０及びノズル面１４ａの通過に伴って、基板Ｗの特定の配線用溝５８の上部に大きな圧力変動が起き、これによって溝５８内のめっき液の流動と置換が促進される。この場合の最適な相対移動速度は、実験的に求めることができる。ノズルヘッド１８を往復移動させて上記過程を繰り返し行なうことにより、基板Ｗの全面において溝５８の内部を充填するようなめっきが施される。
【００２５】
以上の液相めっき工程により、図４（ｂ）に示すように半導体基板のコンタクトホール５６および溝５８にＣｕを充填するとともに絶縁層５４上にＣｕ層６２を堆積させる。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁層５４上のＣｕ層６２を除去してコンタクトホール５６および配線用の溝５８に充填されたＣｕ層６２の表面と絶縁層５４の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図４（ｃ）に示すようにＣｕ層６２からなる配線が形成される。
【００２６】
図５及び図６は、この発明のめっき装置の第２の実施の形態を示すもので、ここでは、ノズル面７０を基板Ｗとほぼ同じ大きさの円形にしており、ノズルヘッド７２は全体としてノズル近傍の大径部７４、上部の小径部７６及びその間のテーパ部７８とから構成されている。ノズルヘッド７２の内部は放射状に延びる隔壁８０で、図の例では８つに区画され、周方向に交互に吸引ヘッド８２と吐出ヘッド８４が配置されている。ノズルヘッド７２の上部には、これを回転自在に支持する支持機構（図示略）とこれを回転駆動用のモータ８６が設けられている。
【００２７】
各吸引ヘッド８２と吐出ヘッド８４には、中心から径方向に延びる孔列からなる吸引ノズル８８及び吐出ノズル９０が形成されている。この例では、吸引ヘッド８２の吸引ノズル８８は比較的大径の孔として、吐出ヘッド８４の吐出ノズル９０は比較的小径の孔として形成されている。また、吸引ノズル８８はそれぞれの径方向位置をずらして形成しており、径方向での圧力変動の不均一が起きないようにしている。各吸引ヘッド８２と吐出ヘッド８４は、それぞれノズルヘッド７２の上部に設けた流体継手９２，９４を介してめっき液の吸引循環経路２８及び吐出循環経路４２に連絡されている。
【００２８】
このように構成されためっき装置においては、図１に示す実施の形態に比べて簡単な装置構成で同等の効果を得ることができる。吸引ノズル８８及び吐出ノズル９０の配置や密度、大きさや形状等は、均一な効果を得るようなものを適宜に選択する。なお、ここではノズルヘッド７２を回転させたが、基板保持台１２を回転させるようにしてもよい。さらに、相対回転と相対平行移動とを適宜に組み合わせて行うようにしてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、吸引ノズル及び吐出ノズルの少なくとも一方を基板表面に沿って相対移動させて、基板表面近傍においてめっき液の圧力変動を形成し、めっき液の微細窪みへの流入あるいはめっきすべき金属イオンの流動を促進することにより、微細な配線用の溝等に銅又は銅合金等の電気比抵抗の小さい材料を、効率良く、しかも空洞（ボイド）を形成することなく充填することができ、従って、高密度化する半導体集積回路の実用化を促進する有用な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のめっき装置の全体の概略を示す説明図である。
【図２】図１の実施の形態のめっき装置の要部を示す断面図である。
【図３】図１の実施の形態のめっき装置のノズルの配置を示す平面図である。
【図４】本発明のめっき装置によってめっきを行なう工程の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態のめっき装置の全体の概略を示す説明図である。
【図６】図５の実施の形態のめっき装置のノズルの配置を示す平面図である。
【符号の説明】
１０ めっき槽
１２ 保持台
１４，８２ 吸引ヘッド
１４ａ，７０ ノズル面
１６，８４ 吐出ヘッド
１８，７２ ノズルヘッド
２０，８８ 吸引ノズル
２２，９０ 吐出ノズル
２６ 排液ポンプ
３２ 給液ポンプ
８６ モータ

Claims (7)

1. めっき液を保持するめっき槽と、
   該めっき液中に配置された基板に対向して配置され、所定方向に延びるスリット又は所定方向に連なる複数の孔列として形成された吸引ノズル及び吐出ノズルと、
   前記吸引ノズル及び吐出ノズルを前記基板の表面に沿って相対移動させる移動手段とを有することを特徴とするめっき装置。
2. 前記吸引ノズル及び吐出ノズルは互いに隣接し、その間にノズル面と基板面によりめっき液の流路を形成するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のめっき装置。
3. 前記吸引ノズルの両側には所定幅の平坦部が形成されていることを特徴とする請求項２記載のめっき装置。
4. 前記吸引ノズル及び吐出ノズルは、互いに平行に形成され、基板に対して前記スリット又は孔列に直交する方向に相対移動することを特徴とする請求項１に記載のめっき装置。
5. 前記吸引ノズルはスリットとして形成され、該スリットは基板の最大径より長いことを特徴とする請求項４に記載のめっき装置。
6. 前記吸引ノズル及び吐出ノズルは、基板の中心から放射状に延びて形成され、基板に対して相対回転することを特徴とする請求項１に記載のめっき装置。
7. 前記吸引ノズル及び吐出ノズルはそれぞれ独自にめっき液を吸引し吐出するポンプ手段を有していることを特徴とする請求項１に記載のめっき装置。

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