JP3778239B2

JP3778239B2 - めっき装置及びそれを用いた基板の加工方法

Info

Publication number: JP3778239B2
Application number: JP03434998A
Authority: JP
Inventors: 明久本郷; 憲一鈴木; 剛徳岡
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: JPH11219920A

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の窪みに銅等の金属を充填するための充填方法及び装置に関する。
【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導体の成膜を行った後、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た。しかしながら、半導体の集積度が高くなるにつれて配線が細くなり、電流密度が増加して熱応力や温度上昇を生じ、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、より導電性の高い銅などの材料を配線形成に採用することが要求されている。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を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。
【０００５】
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。
【０００６】
そこで、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。この場合、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。このため、基板とめっき液とを相対的に回転させるために、羽根車や基板保持部を回転させる機構を設けたり、あるいは、基板に向けてめっき液を噴射させるノズル装置を設け、めっき液を流動させて基板表面の微細窪み内への流入を促進させて、めっきの均一性を向上させることが考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、基板を無電解めっきする場合、時間の経過とともにめっき液の濃度やｐＨ値が変化するのでめっき液の管理は難かしく、このため、基板の安定しためっき処理を行うためには、基板一枚ごとにめっき液を使い捨てることが望ましい。しかも、基板一枚当たりのめっき液の使い捨て量を極力少なくすることが、ランニングコストの低減を図る上で好ましい。
【０００８】
しかしながら、前述のように、羽根車や基板保持部を回転させる機構を設けたり、あるいは、基板に向けてめっき液を噴射させるノズル装置を設けると、めっき容器の内部に回転体やシャワーヘッド等を配置する必要があり、その分、特に基板の上方部分にめっき容器の容積が増大してしまい、めっき液量を減らすという要請に答えることができない。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑み、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的抵抗の小さい材料を均一に充填することができ、しかもめっき室の容積を小さくできるようにしためっき装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、内部に液密的にめっき液を保持可能なめっき容器を有し、該めっき容器には、基板を支持する基板保持部と、該基板保持部の上方に基板の被めっき面に対応して形成されためっき室と、前記基板の被めっき面に沿って渦流れを形成するように前記めっき室の縁部に該めっき室の中心に対して点対称に開口する複数のめっき液供給口とが設けられていることを特徴とするめっき装置である。
【００１１】
これにより、めっき室内に導入されるめっき液をその流体力で回転させて、めっき液の基板表面の微細窪み内への流入、或いはめっきすべき金属イオンの流動を促進させ、しかもこのように、めっき液自体の回転力を利用することで、めっき室を羽根車等の回転体やシャワヘッドのような複雑なノズル装置等のないシンプルな構造として、めっき室の容積を小さくすることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記基板保持部の周縁部には、前記めっき室からめっき液を排出するめっき液流出路が全周に渡って設けら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。これにより、めっき室内のめっき液を基板の周縁部外方から均一に外部に流出させて、被めっき面上に安定なめっき液の流れを形成することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、前記めっき容器を前記基板の被めっき面に沿って振動させる加振装置を有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。これにより、例えば振幅１ｍｍ以下の横振動を１秒或いは２秒に１回与えることで、基板表面の微細窪み内のめっき液の入れ換えを該めっき液の慣性力で促進させて、これらへのめっき付着効率を向上させることができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のめっき装置を用いて基板の被めっき面をめっきした後、被めっき面に付着した金属の不要部分を化学的・機械的研磨装置により研磨して除去することを特徴とする基板の加工方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態のめっき装置を図面を参照して説明する。このめっき装置は、基板Ｗを保持する円形の基板保持部１０ａを有する下側容器１０と、この下側容器１０の上面を水密的に覆う上側容器１４を備えている。下側容器１０と上側容器１４は、それぞれの合わせ面に形成された段差部１０ｂ，１４ｂを係合させつつ、Ｏリング１６を介して接合されている。上側容器１４の下面には、基板保持部１０ａよりやや大径の凹部１４ａが設けられ、これにより、基板保持部１０ａの上方に円盤状の空間（めっき室）１２が形成されている。
【００１６】
上側容器１４には、図２に示すように、一対のめっき液供給口１８ａ，１８ｂが、めっき室１２の中心Ｏに対して点対称にかつめっき室１２の略接線方向に開口するように設けられている。これらのめっき液供給口１８ａ，１８ｂは、平面視においては、先端が広がるように、また、図１に示すように垂直断面においては先端が狭まるように形成されており、これにより、基板保持部の半径方向の広い範囲に所定の流速の帯状のめっき液流れを供給する扁平なノズルが構成されている。
【００１７】
下側容器１０の底部にはめっき液排出口１９が設けられ、これはポンプ２２を有するめっき液循環ライン２０に接続され、このポンプ２２の吐出側は流量調節器２４ａ，２４ｂを介してめっき液供給口１８ａ，１８ｂに接続されている。
【００１８】
下側容器１０には、底部にめっき液排出口１９を有する環状のめっき液空間１０ｃが設けられている。上側容器の凹部１４ａの周囲には周方向に凸部が形成され、これと基板保持部１０ａの間には、めっき室１２とめっき液空間１０ｃを連絡するめっき液流出路２６が、外側に向かって斜め下方に延びて、かつ全周に渡って形成されている。
【００１９】
下側容器１０には、水平なレール３２上を往復する振動子を有する加振装置３４が取り付けられ、これにより、例えば振幅１ｍｍ以下の横振動が１秒或いは２秒に１回程度与えられるようになっている。
【００２０】
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においては、図３（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ＳｉＯ₂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を形成し、その上にＴｉＮ等からなるバリア層６０を形成している。
【００２１】
このような基板Ｗを下側容器１０の基板保持部１０ａ上に載置し、上側容器１４を被せて内部を密閉した後、ポンプ２２を作動させて、めっき液供給口１８ａ，１８ｂからめっき室１２内にめっき液を導入する。同時に、加振装置３４を介してめっき室１２を、例えば１ｍｍ以下の振幅で１秒或いは２秒に１回の割合で横振動させる。
【００２２】
めっき液は、図２に示すように、中心Ｏの周りに回転渦を形成しながら基板Ｗ面に沿ってこれを覆うように流れる。この基板面に沿っためっき液流れの慣性力により、基板Ｗのコンタクトホール５６および溝５８内のめっき液の置換が促進させられ、これらに新たなめっき液が流入して内面のめっき付着効率を向上させる。めっき室１２のめっき液は徐々にその外周部からめっき液流出路２６を介してめっき液空間１０ｃに流れ、排出口１９から循環ライン２０に導出される。
【００２３】
１つのめっき工程が終了すると、一旦めっき液をめっき室から排出し、上側容器を開いて基板を取り出し、新たな基板を挿入する。そして、上側容器を閉じて新たなめっき液を供給し、新たな基板のめっき工程を行なう。このめっき装置では、めっき室が円盤状の比較的容積の小さい空間であり、一回のめっき処理に用いられるめっき液は少量でよい。従って、めっき液を一回ごとに取り替えてもめっき液の経済性は維持される。
【００２４】
以上の液相めっき工程により、図３（ｂ）に示すように半導体基板Ｗのコンタクトホール５６および溝５８にＣｕが均一に充填される。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜５４上のＣｕ層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の表面と絶縁膜５４の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図３（ｃ）に示すようにＣｕ層６２からなる配線が形成される。
【００２５】
なお、この実施の形態においては、めっき液の供給口を周方向に２つ設けたが、３つ以上を同じ方向に等間隔で設けても良いことは言うまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、めっき室内に導入されるめっき液をその流体力で回転させて、めっき液の基板表面の微細窪み内への流入、置換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る。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。しかも、めっき液自体の回転力を利用することで、めっき室を回転体等のないシンプルな構造として、めっき室の容積を小さくして設備や運転コストを節約することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のめっき装置の全体の概要を示す断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）である。
【図２】図１のＢーＢ線断面図である。
【図３】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。
【符号の説明】
１０下側容器
１２めっき室
１４上側容器
１８ａ，１８ｂめっき液供給口
２０めっき液循環ライン
２６めっき液流出路
３４加振装置

Claims

内部に液密的にめっき液を保持可能なめっき容器を有し、
該めっき容器には、
基板を支持する基板保持部と、
該基板保持部の上方に基板の被めっき面に対応して形成されためっき室と、
前記基板の被めっき面に沿って渦流れを形成するように前記めっき室の縁部に該めっき室の中心に対して点対称に開口する複数のめっき液供給口とが設けられていることを特徴とするめっき装置。
前記基板保持部の周縁部には、前記めっき室からめっき液を排出するめっき液流出路が全周に渡って設けら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。
前記めっき容器を前記基板の被めっき面に沿って振動させる加振装置を有することを特徴とする請求項１に記載のめっき装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載のめっき装置を用いて基板の被めっき面をめっきした後、被めっき面に付着した金属の不要部分を化学的・機械的研磨装置により研磨して除去することを特徴とする基板の加工方法。