JP3664669B2 - 電解めっき装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解めっき装置に係り、特に半導体ウエハ等の基板上に電解めっきによって金属膜を成膜する際、基板を基板保持部で保持した状態で、基板の被めっき面に堆積させた金属膜の膜厚をリアルタイムで検出して電解めっきの終点を検知できるようにした電解めっき装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体基板上に配線回路を形成するための金属材料として、アルミニウムまたはアルミニウム合金に代えて、電気抵抗率が低くエレクトロマイグレーション耐性が高い銅（Ｃｕ）を用いる動きが顕著になっている。この種の銅配線は、基板の表面に設けた微細凹みの内部に銅を埋込むことによって一般に形成される。この銅配線を形成する方法としては、ＣＶＤ、スパッタリング及びめっきといった手法があるが、いずれにしても、基板のほぼ全表面に銅を成膜し、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により不要な銅を除去するようにしている。
【０００３】
図１０は、この種の銅配線基板Ｗの製造例を工程順に示すもので、先ず、図１０（ａ）に示すように、半導体素子を形成した半導体基材１上の導電層１ａの上にＳｉＯ_２からなる酸化膜やＬｏｗ−Ｋ材膜等の絶縁膜２を堆積し、リソグラフィ・エッチング技術によりコンタクトホール３と配線用の溝４を形成し、その上にＴａＮ等からなるバリア膜５、更にその上に電解めっきの給電層としてシード層７を形成する。
【０００４】
そして、図１０（ｂ）に示すように、基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、基板Ｗのコンタクトホール３及び溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜２上の銅膜６を除去して、コンタクトホール３及び配線用の溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図１０（ｃ）に示すように銅膜６からなる配線が形成される。
【０００５】
ここで、電解めっきにあっては、電気量を一定することでめっき膜の膜厚をコントロールすることができるため、めっき電流が一定となるように制御するとともに、めっき時間を管理することで、めっき膜の膜厚が一定となるようにすることが一般に行われていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば半導体デバイスの配線形成工程、特に電解めっきで銅配線を形成する場合に、イニシャルのシード層の状態によって初期の電流値が変わり、このような状態で、時間を管理しながら銅の成膜を行うと、めっき膜の膜厚が厚くなりすぎて、結果として次工程のＣＭＰでの研磨時間が長くなってしまったり、また薄すぎて銅の埋め込みが充分でなかったりするケースが生じるといった問題があった。
【０００７】
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、基板の被めっき面に成膜されるめっき膜の膜厚をリアルタイムで連続した計測値として検出して、めっきの終点を検知できるようにした電解めっき装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、基板保持部で保持した基板とアノードとの間にめっき液を満たし、前記基板と前記アノードとの間に電圧を印加してめっきを行う電解めっき装置において、前記基板と前記アノードとの間を流れる電流を一定に制御してめっきを行う場合に前記基板と前記アノードとの間に印加する電圧、またはめっきに用いられるカソード電極の少なくとも２つ以上をめっきによって形成した金属膜で接続して形成される回路に一定の電圧を印加した場合に該回路を流れる電流の少なくとも一方をモニターして電解めっきの終点を検知するようにしたことを特徴とする電解めっき装置である。
これにより、基板の被めっき面に形成される金属膜の膜厚を連続的に測定して、電解めっきの終点を検出することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記基板と前記アノードとの間に印加する電圧をめっき中にモニターすることを特徴とする請求項１記載の電解めっき装置である。
請求項３に記載の発明は、前記めっきに用いるカソード電極の少なくとも２つ以上をめっきによって形成した金属膜で接続して形成される回路を流れる電流を、めっきを中断させてモニターすることを特徴とする請求項１記載の電解めっき装置である。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、前記基板と前記アノードとの間に印加する電圧をめっき中にモニターし、更に前記めっきに用いるカソード電極の少なくとも２つ以上をめっきによって形成した金属膜で接続して形成される回路を流れる電流を、めっきを中断させてモニターして電解めっきの終点を検知することを特徴とする請求項１記載の電解めっき装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１乃至図６を参照して説明する。
図１乃至図６は、半導体ウエハ等の基板の被めっき面（表面）に電解銅めっきを施して、図１０に示す銅配線を形成するようにした電解銅めっき装置を示す図である。この電解銅めっき装置には、図１に示すように、めっき処理及びその付帯処理を行う基板処理部２−１が設けられ、この基板処理部２−１に隣接して、めっき液を溜めるめっき液トレー２−２が配置されている。また、回転軸２−３を中心に揺動するアーム２−４の先端に保持され、基板処理部２−１とめっき液トレー２−２との間を揺動する電極部２−５を有する電極アーム部２−６が備えられている。
【００１２】
更に、基板処理部２−１の側方に位置して、プレコート・回収アーム２−７と、純水やイオン水等の薬液、更には気体等を半導体基板に向けて噴射する固定ノズル２−８が配置されている。ここでは、３個の固定ノズル２−８が配置され、その内の１個を純水供給用に用いている。基板処理部２−１は、図２及び図３に示すように、めっき面を上にして半導体基板Ｗを保持する基板保持部２−９と、この基板保持部２−９の上方で該基板保持部２−９の周縁部を囲むように配置されたカソード部２−１０が備えられている。更に基板保持部２−９の周囲を囲んで処理中に用いる各種薬液の飛散を防止する有底略円筒状のカップ２−１１が、エアシリンダ２−１２を介して上下動自在に配置されている。
【００１３】
ここで、基板保持部２−９は、エアシリンダ２−１２によって、下方の基板受け渡し位置Ａと、上方のめっき位置Ｂと、これらの中間の前処理・洗浄位置Ｃとの間を昇降するようになっている。また基板保持部２−９は、回転モータ２−１４及びベルト２−１５を介して任意の加速度及び速度で前記カソード部２−１０と一体に回転するように構成されている。この基板受け渡し位置Ａに対向して、電解銅めっき装置のフレーム側面の搬送ロボット（図示せず）側には、基板搬出入口（図示せず）が設けられ、基板保持部２−９がめっき位置Ｂまで上昇したときに、基板保持部２−９で保持された半導体基板Ｗの周縁部に下記のカソード部２−１０のシール部材２−１６とカソード電極２−１７が当接するようになっている。一方、カップ２−１１は、その上端が前記基板搬出入口の下方に位置し、図３の仮想線で示すように、上昇したときにカソード部２−１０の上方に達するようになっている。
【００１４】
基板保持部２−９がめっき位置Ｂまで上昇した時に、この基板保持部２−９で保持した半導体基板Ｗの周縁部にカソード電極２−１７が押し付けられ半導体基板Ｗに通電される。これと同時にシール部材２−１６の内周端部が半導体基板Ｗの周縁上面に圧接し、ここを水密的にシールして、半導体基板Ｗの上面に供給されるめっき液が半導体基板Ｗの端部から染み出すのを防止すると共に、めっき液がカソード電極２−１７を汚染するのを防止している。
【００１５】
電極アーム部２−６の電極部２−５は、図４に示すように、揺動アーム２−４の自由端に、ハウジング２−１８と、このハウジング２−１８の周囲を囲む中空の支持枠２−１９と、ハウジング２−１８と支持枠２−１９で周縁部を挟持して固定したアノード２−２０とを有している。アノード２−２０は、ハウジング２−１８の開口部を覆っており、ハウジング２−１８の内部には、吸引室２−２１が形成されている。そして吸引室２−２１には、図５及び図６に示すように、めっき液を導入排出するめっき液導入管２−２８及びめっき液排出管（図示せず）が接続されている。さらにアノード２−２０には、その全面に亘って上下に連通する多数の通孔２−２０ｂが設けられている。
【００１６】
この実施の形態にあっては、アノード２−２０の下面に該アノード２−２０の全面を覆う保水性材料からなるめっき液含浸材２−２２を取付け、このめっき液含浸材２−２２にめっき液を含ませて、アノード２−２０の表面を湿潤させることで、ブラックフィルムの基板のめっき面への脱落を防止し、同時に基板のめっき面とアノード２−２０との間にめっき液を注入する際に、空気を外部に抜きやすくしている。このめっき液含浸材２−２２は、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、テフロン、ポリビニルアルコール、ポリウレタン及びこれらの誘導体の少なくとも１つの材料からなる織布、不織布またはスポンジ状の構造体、あるいはポーラスセラミックスからなる。
【００１７】
めっき液含浸材２−２２のアノード２−２０への取付けは、次のように行っている。即ち、下端に頭部を有する多数の固定ピン２−２５を、この頭部をめっき液含浸材２−２２の内部に上方に脱出不能に収納し軸部をアノード２−２０の内部を貫通させて配置し、この固定ピン２−２５をＵ字状の板ばね２−２６を介して上方に付勢させることで、アノード２−２０の下面にめっき液含浸材２−２２を板ばね２−２６の弾性力を介して密着させて取付けている。このように構成することにより、めっきの進行に伴って、アノード２−２０の肉厚が徐々に薄くなっても、アノード２−２０の下面にめっき液含浸材２−２２を確実に密着させることができる。したがって、アノード２−２０の下面とめっき液含浸材２−２２との間に空気が混入してめっき不良の原因となることが防止される。
【００１８】
なお、アノードの上面側から、例えば径が２ｍｍ程度の円柱状のＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）またはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）製のピンをアノードを貫通させて配置し、アノード下面に現れた該ピンの先端面に接着剤を付けてめっき液含浸材と接着固定するようにしても良い。アノードとめっき液含浸材は、接触させて使用することもできるが、アノードとめっき液含浸材との間に隙間を設け、この隙間にめっき液を保持させた状態でめっき処理することもできる。この隙間は２０ｍｍ以下の範囲から選ばれるが、好ましくは０．１〜１０ｍｍ、より好ましくは１〜７ｍｍの範囲から選ばれる。特に、溶解性アノードを用いた場合には、下からアノードが溶解していくので、アノードとめっき液含浸材の間隙は時間を経るにつれて大きくなり、０〜２０ｍｍ程度の隙間ができる。
【００１９】
そして、前記電極部２−５は、基板保持部２−９がめっき位置Ｂ（図３参照）にある時に、基板保持部２−９で保持された基板Ｗとめっき液含浸材２−２２との隙間が、０．１〜１０ｍｍ程度、好ましくは０．３〜３ｍｍ、より好ましくは０．５〜１ｍｍ程度となるまで下降し、この状態で、めっき液供給管からめっき液を供給して、めっき液含浸材２−２２にめっき液を含ませながら、基板Ｗの上面（被めっき面）とアノード２−２０との間にめっき液を満たし、基板Ｗの上面（被めっき面）とアノード２−２０との間にめっき電源１０（図７参照）から電圧を印加することで、基板Ｗの被めっき面にめっきが施される。
【００２０】
図７は、この電解銅めっき装置の電気的等価回路図を示す。
めっき液中に没したアノード２−２０（陽極電極）と基板Ｗに形成されたシード層７（陰極電極：図１０参照）の間にめっき電源１０から電圧を印加して、シード層７の表面にめっき膜を形成すると、この回路中には、以下のような抵抗成分が存在する。
Ｒ１：アノード分極抵抗
Ｒ２：めっき液抵抗
Ｒ３：カソード分極抵抗
Ｒ４：シート抵抗
ここに、例えば、シード層７の膜厚を２５ｎｍとした場合、アノード分極抵抗Ｒ１は７ｍΩ、めっき液抵抗Ｒ２は３２ｍΩ、カソード分極抵抗Ｒ３は６６ｍΩ、シート抵抗Ｒ４は５８５ｍΩで、シート抵抗Ｒ４の割合は、全抵抗の８２％にも達する。そして、シート抵抗Ｒ４は、シード層７の上に堆積されるめっき膜、すなわち銅膜６（図１０参照）の膜厚が厚くなるに伴って低くなる。このように、めっき膜の膜厚が厚くなるに伴ってシート抵抗Ｒ４が低下すると、この回路を流れる電流を一定に制御した場合に、図８に示すように、電圧が徐々に低下し、めっき膜の膜厚がある程度の値に達すると、電圧がほぼ一定となる。
【００２１】
そこで、この実施の形態にあっては、この回路の内部に電圧モニター１２を配置し、電流を一定とした場合に、アノード２−２０（陽極電極）とシード層７（陰極電極）との間に印加される電圧をリアルタイムでモニターして連続した計測値として検出して膜厚を測定し、この電圧が一定の値まで低下したことを検出することにより、電解めっきの終点を検知するようにしている。
【００２２】
更に、この例では、図９に示すように、カソード電極２−１７への配線の途中に、スイッチ１４ａ，１４ｂを配置し、このスイッチ１４ａ，１４ｂを切り替えることで、少なくとも２つのカソード電極２−１７を銅膜６（図１０参照）で接続する検出回路１６を構成し、この検出回路１６に検出電源１８と電流モニター２０を配置している。これにより、めっきを中断し、スイッチ１４ａ，１４ｂを切り替えた状態で、この検出回路１６に検出電源１８から一定の電圧を印加し、この検出回路１６を流れる電流を電流モニター２０でモニターして計測値として検出して膜厚を計測し、この電流が一定の値以上に達したことを検出することにより、電解めっきの終点を検知するようにしている。これは、シート抵抗Ｒ４が変わると検出回路１６を流れる電流値が変化し、この回路１６に印加する電圧値を高くすれば、抵抗変化に対して大きな電流変化が採れるからであり、この値をプロットにすることにより銅膜６の膜厚を推定して電解めっきの終点を検知することができる。
【００２３】
めっき条件によっては、アノード２−２０（陽極電極）とシード層７（陰極電極）の間にめっき電源１０から印加される電圧が、図８に示す徐々に低下する領域Ａで電解めっきの終点を検知する場合と、図８に示すほぼ一定の領域Ｂで電解めっきの終点を検知する場合がある。そこで、この例では、電圧が徐々に低下する領域Ａでの電解めっきの終点を電圧モニター１２で検知し、電圧がほぼ一定の領域Ｂでの電解めっきの終点を電流モニター２０で検知するようにしている。
【００２４】
なお、微分値を採っても電圧や電流をモニターしてもよく、また所定の電圧または電流に達したことを検知した後、所定の時間の追加めっきを行うようにしてもよい。またこれらの信号を、めっき条件を変化させるトリガーに使用してもよい。
【００２５】
次に、この電解めっき装置によるめっき処理について説明する。
先ず、基板受け渡し位置Ａにある基板保持部２−９にめっき処理前の基板Ｗを搬送ロボットで搬入し、基板保持部２−９上に載置する。次にカップ２−１１を上昇させ、同時に基板保持部２−９を前処理・洗浄位置Ｃに上昇させる。この状態で退避位置にあったプレコート・回収アーム２−７を半導体基板Ｗの対峙位置へ移動させ、その先端に設けたプレコートノズルから、例えば界面活性剤からなるプレコート液を半導体基板Ｗの被めっき面に間欠的に吐出する。この時、基板保持部２−９は回転しているため、プレコート液は半導体基板Ｗの全面に行き渡る。次に、プレコート・回収アーム２−７を退避位置に戻し、基板保持部２−９の回転速度を増して、遠心力により半導体基板Ｗの被めっき面のプレコート液を振り切って乾燥させる。
【００２６】
続いて、電極アーム部２−６を水平方向に旋回させ、電極部２−５がめっき液トレー２−２上方からめっきを施す位置の上方に位置させ、この位置で電極２−５をカソード部２−１０に向かって下降させる。電極部２−５の下降が完了した時点で、アノード２−２０とカソード部２−１０にめっき電圧を印加し、めっき液を電極部２−５の内部に供給して、アノード２−２０を貫通しためっき液供給口よりめっき液含浸材２−２２にめっき液を供給する。この時、めっき液含浸材２−２２は半導体基板Ｗの被めっき面に接触せず、０．１〜１０ｍｍ程度、好ましくは０．３〜３ｍｍ、より好ましくは０．５〜１ｍｍ程度に接近した状態となっている。
【００２７】
めっき液の供給が続くと、めっき液含浸材２−２２から染み出したＣｕイオンを含んだめっき液が、めっき液含浸材２−２２と半導体基板Ｗの被めっき面との間の隙間に満たされ、半導体基板Ｗの被めっき面にＣｕめっきが施される。この時、基板保持部２−９を低速で回転させても良い。
【００２８】
そして、アノード２−２０（陽極電極）とシード層７（陰極電極）の間にめっき電源１０から印加される電圧が、図８に示す徐々に低下する領域Ａで電解めっきの終点を検知する場合には、この電圧を電圧モニター１２でモニターし、この電圧が一定の値まで低下したことを検出することにより、電解めっきの終点を検知する。一方、図８に示す電圧がほぼ一定の領域Ｂで電解めっきの終点を検知する場合には、めっきを中断し、スイッチ１４ａ，１４ｂを切り替えた状態で、検出回路１６に検出電源１８から一定の電圧を印加し、この検出回路１６を流れる電流を電流モニター２０でモニターし、この電流が一定の値以上に達したことを検出することで電解めっきの終点を検知する。
【００２９】
めっき処理が完了すると、電極アーム部２−６を上昇させた後に旋回させて、電極部２−５をめっき液トレー２−２上方へ戻し、通常位置へ下降させる。次に、プレコート・回収アーム２−７を退避位置から半導体基板Ｗに対峙する位置へ移動させて下降させ、めっき液回収ノズル（図示せず）から半導体基板Ｗ上のめっき液の残部を回収する。このめっき液の残部の回収が終了した後、プレコート・回収アーム２−７を待避位置に戻し、半導体基板Ｗの中央部に純水を吐出し、同時に基板保持部２−９をスピードを増して回転させ半導体基板Ｗの表面のめっき液を純水に置換する。
【００３０】
上記リンス終了後、基板保持部２−９をめっき位置Ｂから前処理・洗浄位置Ｃへ下降させ、純水用の固定ノズル２−８から純水を供給しつつ基板保持部２−９及びカソード部２−１０を回転させて水洗を実施する。この時、カソード部２−１０に直接供給した純水、又は半導体基板Ｗの面から飛散した純水によってシール部材２−１６、カソード電極２−１７も半導体基板Ｗと同時に洗浄することができる。
【００３１】
水洗完了後に、固定ノズル２−８からの純水の供給を停止し、更に基板保持部２−９及びカソード部２−１０の回転スピードを増して、遠心力により半導体基板Ｗの表面の純水を振り切って乾燥させる。併せて、シール部材２−１６及びカソード電極２−１７も乾燥される。上記乾燥が終了すると基板保持部２−９及びカソード部２−１０の回転を停止させ、基板保持部２−９を基板受渡し位置Ａまで下降させる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板の被めっき面に堆積させた金属膜の膜厚をリアルタイムで検出して電解めっきの終点を検知することができ、これによって、例えば銅めっきによって銅配線を形成する際に、ＣＭＰの研磨時間が長くなったり、銅の埋め込みが不十分となることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の電解めっき装置の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】基板保持部及びカソード部の断面図である。
【図４】電極アーム部の断面図である。
【図５】電極アーム部のハウジングを除いた平面図である。
【図６】アノードとめっき液含浸材を示す概略図である。
【図７】本発明の実施の形態の電解めっき装置の電気的等価回路図である。
【図８】電流を一定として電解めっきを行った時の電圧とめっき時間との関係を示すグラフである。
【図９】電流モニターによって、カソード電極間を流れる電流をモニターする回路を示す回路図である。
【図１０】銅めっきにより銅配線を形成する例を工程順に示す図である。
【符号の説明】
２−１ 基板処理部
２−５ 前記電極部
２−９ 基板保持部
２−１０ カソード部
２−１７ カソード電極
２−２０ アノード
６ 銅膜
７ シード層
１０ めっき電源
１２ 電圧モニター
１４ａ，１４ｂ スイッチ
１６ 検出回路
１８ 検出電源
２０ 電流モニター
Ｗ 基板

Claims (4)

1. 基板保持部で保持した基板とアノードとの間にめっき液を満たし、前記基板と前記アノードとの間に電圧を印加してめっきを行う電解めっき装置において、
   前記基板と前記アノードとの間を流れる電流を一定に制御してめっきを行う場合に前記基板と前記アノードとの間に印加する電圧、またはめっきに用いられるカソード電極の少なくとも２つ以上をめっきによって形成した金属膜で接続して形成される回路に一定の電圧を印加した場合に該回路を流れる電流の少なくとも一方をモニターして電解めっきの終点を検知するようにしたことを特徴とする電解めっき装置。
2. 前記基板と前記アノードとの間に印加する電圧をめっき中にモニターすることを特徴とする請求項１記載の電解めっき装置。
3. 前記めっきに用いるカソード電極の少なくとも２つ以上をめっきによって形成した金属膜で接続して形成される回路を流れる電流を、めっきを中断させてモニターすることを特徴とする請求項１記載の電解めっき装置。
4. 前記基板と前記アノードとの間に印加する電圧をめっき中にモニターし、更に前記めっきに用いるカソード電極の少なくとも２つ以上をめっきによって形成した金属膜で接続して形成される回路を流れる電流を、めっきを中断させてモニターして電解めっきの終点を検知することを特徴とする請求項１記載の電解めっき装置。

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