JP3870883B2 - 回路基板とその配線形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細な金属配線を有する集積回路などの回路基板とその金属配線の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回路基板の金属配線を形成する方法としては、金属蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などの気相法が主に実施されいたが、最近では電解メッキや無電解メッキなどの液相法も実施されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
集積回路の高密度化の進展に伴って、微細溝やコンタクトホール、スルーホールなどの微細化が進み、回路面にアスペクト比の大きな微細溝やホールが形成されている。このようなアスペクト比の大きな微細溝やホールを有する回路面に配線を形成する場合、気相法ではホールのエッジ部分に膜が生成し易いため、アスペクト比が大きくなるとホール内部に膜が付いていない部分（ボイド）が発生し易くなる。また、電解メッキを行う場合にも微細溝やホール内部に予め気相法でシード層を形成しており、このためアスペクト比の大きい微細溝やホールについて配線不良を生じやすい問題がある。
【０００４】
また、金属パラジウムを回路形成面に付着させた後に無電解メッキを施す場合、パラジウム触媒の粒子サイズが大きいために付着密度が低くなる問題を解消するために、銀活性化処理を行った後にパラジウム活性化処理を行う方法も知られている（特開２０００−３３６４８６）。
【０００５】
しかし、最近の高密度回路における微細溝やホールのように、溝幅やホール径がサブミクロンレベルの場合、パラジウム触媒などの金属粒子径を単に小さいしても溶媒の液性や金属粒子の濃度などの影響によって溝やホールの深部に金属微粒子が十分に付着せず、メッキが不良になる場合がある。
【０００６】
本発明は従来の配線形成方法における上記問題を解消したものであり、アスペクト比の高いサブミクロンレベルの微細な溝やホールについても信頼性の高い配線を形成することができる方法を提供する。
【０００７】
本発明によれば、以下の構成からなる配線形成方法とその回路基板が提供される。
（１）回路基板の配線形成面に金属微粒子を付着させ、この金属微粒子を触媒として無電解メッキ法によって金属配線を形成する方法において、平均粒径２０ｎｍ以下の金属微粒子を５０kcal/mol以上の極性値を有する溶媒に１×１０17個/ｍ3〜１×１０22個/ｍ3の濃度で分散させた金属コロイド液を用い、該金属コロイド液を回路基板の配線形成面に塗布し乾燥して該金属微粒子を付着させた後に、メッキ液に浸漬して無電解メッキを行うことを特徴とする回路基板の配線形成方法。
（２）シリコン回路基板の配線形成面に金属微粒子を付着させ、この金属微粒子を触媒として無電解メッキ法によって金属配線を形成する方法において、平均粒径２０ｎｍ以下の金属微粒子を５０kcal/mol以上の極性値を有する溶媒に１×１０17個/ｍ3〜１×１０22個/ｍ3の濃度で分散させた金属コロイド液を用い、該金属コロイド液を回路基板の配線形成面に塗布し乾燥して該金属微粒子を付着させた後に、該シリコン回路基板をｐＨ調整剤として水酸化テトラメチルアンモニウムを用いたメッキ液に浸漬し、無電解メッキを行うことを特徴とする上記(１)に記載する回路基板の配線形成方法。
（３）金属微粒子として金、白金、またはパラジウムの微粒子を用いる上記(１)または上記(２)に記載する回路基板の配線形成方法。
（４）極性値が５１.９〜６３.１kcal/molのメタノール、エタノール、または水に平均粒径１〜２０ｎｍの金微粒子を２×１０18個/ｍ３〜２×１０21個/ｍ3の濃度で分散させた金コロイド液を用い、該金コロイド液をシリコン回路基板の配線形成面に滴下し、乾燥して該金微粒子を付着させた後に、該回路基板を銅メッキ液に浸漬して無電解メッキを行う上記(１)〜上記(３)の何れかに記載する回路基板の配線形成方法。
（５）上記(１)〜上記(４)の何れかの方法によって形成された回路基板。
【０００８】
【具体的な説明】
本発明に係る回路基板の配線形成方法は、回路基板の配線形成面に金属微粒子を付着させ、この金属微粒子を触媒として無電解メッキ法によって金属配線を形成する方法において、粒径がコロイド粒子以下の金属微粒子を、５０kcal/mol以上の極性値を有する溶媒に、１×１０17個/ｍ3以上の濃度で分散させた金属コロイド液を上記配線形成面に塗布し、乾燥させて無電解メッキを行うことを特徴とする方法である。
【０００９】
回路基板の配線形成面は基板の絶縁体面またはシード層などの高融点金属面などである。配線形成面に電極を形成する場合、微細孔やホールに触媒として作用する金属微粒子を付着させ、直に無電解メッキで電極を形成する方法や、触媒の金属微粒子を付着させた後に無電解メッキでシード層を形成し、その上側に電解メッキで電極を形成する方法などが知られているが、本発明の方法は何れの場合にも適用することができる。
【００１０】
配線形成面に付着させる金属微粒子としては触媒作用が強い金、白金、またはパラジウムの微粒子が好適に用いられる。この金属微粒子は粒径がコロイド粒子以下、すなわち１μｍ以下のものが用いられ、サブミクロンレベルのアスペクト比の大きい微細溝やホールに対しては平均粒径２０ｎｍ以下の微粒子ものを用いるのが好ましい。
【００１１】
これらの金属微粒子を分散させる溶媒としては、５０kcal/mol以上の極性値を有するものが用いられる。具体的には、水、エタノール、１−プロパノール、１−ブタノールなどが挙げられる。クロロホルム、ベンゼン、シクロヘキサン、ヘキサンなどは極性値が上記値より小さいので好ましくない。極性値が上記値より大きい溶媒では金属微粒子が凝集せずに分散し易いが、極性値が上記値より小さい溶媒では金属微粒子が凝集し易い。金属微粒子が凝集するとその比表面積が小さくなるので触媒効果が低下し、また凝集粒子径が大きくなるので微細孔やホールに入り込み難くなり、無電解メッキによる電極形成が不十分になる。
【００１２】
上記溶媒中の金属微粒子の濃度は１×１０17個/ｍ3以上が必要であり、１×１０17〜１×１０22個/ｍ3が好ましい。これより金属微粒子の濃度が少ないと、回路形成面に付着する金属量が不足して、十分な触媒作用を得ることができなくなる。なお、溶媒中の金属微粒子の濃度が上記範囲より高くても触媒効果は大差ないので金属微粒子の濃度は上記範囲が適当である。
【００１３】
上記金属微粒子のコロイド液を回路形成面に塗布して乾燥させ、アスペクト比の大きい微細溝やホール内部に金属微粒子を触媒として付着させて無電解メッキを行い、金属配線を形成することにより、微細溝やホール内部にボイドのない金属配線を形成することができる。
【００１４】
無電解メッキの一例として、銅メッキ液の一般的な組成を以下に示す。
〔金属塩〕：無電解銅メッキでは液中の銅イオンの還元によって金属銅を析出させるので、液中に十分な銅イオンが必要となる。この供給源としては一般に硫酸銅（CuSO4・5H20）や塩化銅（CuC12・2H20）が用いられる。
〔還元剤〕：金属銅を還元析出させるに必要な電子を供給するための還元剤は銅の還元電位より電気化学的に卑な酸化還元電位を持っている必要がある。銅より酸化還元電位が低い還元剤としては、ホルムアルデヒド（HCHO）、ヒドラジン（N2H4）、ジメチルアミンボラン（C2H10BN）、ホスフイン酸塩（H3PO2）、グリオキシル酸（CHOCOOH）等が挙げられる。
〔ｐＨ調整剤〕：還元剤の酸化反応を促進させるためには液のｐＨを高くする必要がある。一方、ｐＨが高すぎると反応が活発すぎて液が自己分解反応を起こすので、銅塩溶液から銅を還元析出するには液のｐＨを１１〜１２.５に調整するのが好ましい。一般にｐＨ調整剤には水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが挙げられるが、これらに含まれるアルカリ土類金属はシリコン中への拡散が速く、シリコンデバイスプロセスには向かない。そこで、シリコン基板の回路形成には水酸化テトラメチルアンモニウム五水和物（TMAH：[CH3]４NOH・5H20）が好ましい。
【００１５】
〔錯化剤〕：銅塩溶液は高ｐＨ域で水に不溶性の水酸化銅沈澱（Cu(OH)2）を生じるので、錯化剤を添加して銅イオンを錯イオンにして沈殿を防止する必要がある。この錯化剤として−般にはエチレンジアミン四酢酸（C6H16N208）等が使用される。
〔界面活性剤〕：無電解銅メッキでは反応の進行に伴い水素ガスが発生する。この水素ガスがメッキ膜中に拡散して、メッキ膜の物性を悪化する。発生した水素ガスがメッキ面に留まらず速やかに離脱すればメッキ膜の劣化が少なくなる。このためにはメッキ浴の界面張力を下げることが必要であり、この界面活性剤として一般に分子量１０００程度のポリエチレングリコールが使用される。
【００１６】
【実施例】
本発明の実施例および比較例を以下に示す。
表１に示す平均粒径と溶液組成および濃度の金コロイド液を用い、これをシリコン回路基板の配線形成面に滴下し、乾燥した後にメッキ液に浸漬して無電解メッキを行った。形成された配線の状態を表１に示した。またメッキ液の条件を表２に示した。
この結果に示すように、本発明に係る試料No.１〜７は良好な配線が形成される。一方、溶媒の組成、金属微粒子の平均粒径および濃度が本発明の好適な範囲から外れる試料No.８〜１３は、形成された配線が断線しており、良好な配線が形成されない。
【００１７】
【表１】
【００１８】
【表２】
【００１９】
【発明の効果】
本発明の回路形成方法によれば、アスペクト比の大きい微細溝やホール内部にボイドのない金属配線を形成することができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細な金属配線を有する集積回路などの回路基板とその金属配線の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回路基板の金属配線を形成する方法としては、金属蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などの気相法が主に実施されいたが、最近では電解メッキや無電解メッキなどの液相法も実施されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
集積回路の高密度化の進展に伴って、微細溝やコンタクトホール、スルーホールなどの微細化が進み、回路面にアスペクト比の大きな微細溝やホールが形成されている。このようなアスペクト比の大きな微細溝やホールを有する回路面に配線を形成する場合、気相法ではホールのエッジ部分に膜が生成し易いため、アスペクト比が大きくなるとホール内部に膜が付いていない部分（ボイド）が発生し易くなる。また、電解メッキを行う場合にも微細溝やホール内部に予め気相法でシード層を形成しており、このためアスペクト比の大きい微細溝やホールについて配線不良を生じやすい問題がある。
【０００４】
また、金属パラジウムを回路形成面に付着させた後に無電解メッキを施す場合、パラジウム触媒の粒子サイズが大きいために付着密度が低くなる問題を解消するために、銀活性化処理を行った後にパラジウム活性化処理を行う方法も知られている（特開２０００−３３６４８６）。
【０００５】
しかし、最近の高密度回路における微細溝やホールのように、溝幅やホール径がサブミクロンレベルの場合、パラジウム触媒などの金属粒子径を単に小さいしても溶媒の液性や金属粒子の濃度などの影響によって溝やホールの深部に金属微粒子が十分に付着せず、メッキが不良になる場合がある。
【０００６】
本発明は従来の配線形成方法における上記問題を解消したものであり、アスペクト比の高いサブミクロンレベルの微細な溝やホールについても信頼性の高い配線を形成することができる方法を提供する。
【０００７】
本発明によれば、以下の構成からなる配線形成方法とその回路基板が提供される。
（１）回路基板の配線形成面に金属微粒子を付着させ、この金属微粒子を触媒として無電解メッキ法によって金属配線を形成する方法において、平均粒径２０ｎｍ以下の金属微粒子を５０kcal/mol以上の極性値を有する溶媒に１×１０17個/ｍ3〜１×１０22個/ｍ3の濃度で分散させた金属コロイド液を用い、該金属コロイド液を回路基板の配線形成面に塗布し乾燥して該金属微粒子を付着させた後に、メッキ液に浸漬して無電解メッキを行うことを特徴とする回路基板の配線形成方法。
（２）シリコン回路基板の配線形成面に金属微粒子を付着させ、この金属微粒子を触媒として無電解メッキ法によって金属配線を形成する方法において、平均粒径２０ｎｍ以下の金属微粒子を５０kcal/mol以上の極性値を有する溶媒に１×１０17個/ｍ3〜１×１０22個/ｍ3の濃度で分散させた金属コロイド液を用い、該金属コロイド液を回路基板の配線形成面に塗布し乾燥して該金属微粒子を付着させた後に、該シリコン回路基板をｐＨ調整剤として水酸化テトラメチルアンモニウムを用いたメッキ液に浸漬し、無電解メッキを行うことを特徴とする上記(１)に記載する回路基板の配線形成方法。
（３）金属微粒子として金、白金、またはパラジウムの微粒子を用いる上記(１)または上記(２)に記載する回路基板の配線形成方法。
（４）極性値が５１.９〜６３.１kcal/molのメタノール、エタノール、または水に平均粒径１〜２０ｎｍの金微粒子を２×１０18個/ｍ３〜２×１０21個/ｍ3の濃度で分散させた金コロイド液を用い、該金コロイド液をシリコン回路基板の配線形成面に滴下し、乾燥して該金微粒子を付着させた後に、該回路基板を銅メッキ液に浸漬して無電解メッキを行う上記(１)〜上記(３)の何れかに記載する回路基板の配線形成方法。
（５）上記(１)〜上記(４)の何れかの方法によって形成された回路基板。
【０００８】
【具体的な説明】
本発明に係る回路基板の配線形成方法は、回路基板の配線形成面に金属微粒子を付着させ、この金属微粒子を触媒として無電解メッキ法によって金属配線を形成する方法において、粒径がコロイド粒子以下の金属微粒子を、５０kcal/mol以上の極性値を有する溶媒に、１×１０17個/ｍ3以上の濃度で分散させた金属コロイド液を上記配線形成面に塗布し、乾燥させて無電解メッキを行うことを特徴とする方法である。
【０００９】
回路基板の配線形成面は基板の絶縁体面またはシード層などの高融点金属面などである。配線形成面に電極を形成する場合、微細孔やホールに触媒として作用する金属微粒子を付着させ、直に無電解メッキで電極を形成する方法や、触媒の金属微粒子を付着させた後に無電解メッキでシード層を形成し、その上側に電解メッキで電極を形成する方法などが知られているが、本発明の方法は何れの場合にも適用することができる。
【００１０】
配線形成面に付着させる金属微粒子としては触媒作用が強い金、白金、またはパラジウムの微粒子が好適に用いられる。この金属微粒子は粒径がコロイド粒子以下、すなわち１μｍ以下のものが用いられ、サブミクロンレベルのアスペクト比の大きい微細溝やホールに対しては平均粒径２０ｎｍ以下の微粒子ものを用いるのが好ましい。
【００１１】
これらの金属微粒子を分散させる溶媒としては、５０kcal/mol以上の極性値を有するものが用いられる。具体的には、水、エタノール、１−プロパノール、１−ブタノールなどが挙げられる。クロロホルム、ベンゼン、シクロヘキサン、ヘキサンなどは極性値が上記値より小さいので好ましくない。極性値が上記値より大きい溶媒では金属微粒子が凝集せずに分散し易いが、極性値が上記値より小さい溶媒では金属微粒子が凝集し易い。金属微粒子が凝集するとその比表面積が小さくなるので触媒効果が低下し、また凝集粒子径が大きくなるので微細孔やホールに入り込み難くなり、無電解メッキによる電極形成が不十分になる。
【００１２】
上記溶媒中の金属微粒子の濃度は１×１０17個/ｍ3以上が必要であり、１×１０17〜１×１０22個/ｍ3が好ましい。これより金属微粒子の濃度が少ないと、回路形成面に付着する金属量が不足して、十分な触媒作用を得ることができなくなる。なお、溶媒中の金属微粒子の濃度が上記範囲より高くても触媒効果は大差ないので金属微粒子の濃度は上記範囲が適当である。
【００１３】
上記金属微粒子のコロイド液を回路形成面に塗布して乾燥させ、アスペクト比の大きい微細溝やホール内部に金属微粒子を触媒として付着させて無電解メッキを行い、金属配線を形成することにより、微細溝やホール内部にボイドのない金属配線を形成することができる。
【００１４】
無電解メッキの一例として、銅メッキ液の一般的な組成を以下に示す。
〔金属塩〕：無電解銅メッキでは液中の銅イオンの還元によって金属銅を析出させるので、液中に十分な銅イオンが必要となる。この供給源としては一般に硫酸銅（CuSO4・5H20）や塩化銅（CuC12・2H20）が用いられる。
〔還元剤〕：金属銅を還元析出させるに必要な電子を供給するための還元剤は銅の還元電位より電気化学的に卑な酸化還元電位を持っている必要がある。銅より酸化還元電位が低い還元剤としては、ホルムアルデヒド（HCHO）、ヒドラジン（N2H4）、ジメチルアミンボラン（C2H10BN）、ホスフイン酸塩（H3PO2）、グリオキシル酸（CHOCOOH）等が挙げられる。
〔ｐＨ調整剤〕：還元剤の酸化反応を促進させるためには液のｐＨを高くする必要がある。一方、ｐＨが高すぎると反応が活発すぎて液が自己分解反応を起こすので、銅塩溶液から銅を還元析出するには液のｐＨを１１〜１２.５に調整するのが好ましい。一般にｐＨ調整剤には水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが挙げられるが、これらに含まれるアルカリ土類金属はシリコン中への拡散が速く、シリコンデバイスプロセスには向かない。そこで、シリコン基板の回路形成には水酸化テトラメチルアンモニウム五水和物（TMAH：[CH3]４NOH・5H20）が好ましい。
【００１５】
〔錯化剤〕：銅塩溶液は高ｐＨ域で水に不溶性の水酸化銅沈澱（Cu(OH)2）を生じるので、錯化剤を添加して銅イオンを錯イオンにして沈殿を防止する必要がある。この錯化剤として−般にはエチレンジアミン四酢酸（C6H16N208）等が使用される。
〔界面活性剤〕：無電解銅メッキでは反応の進行に伴い水素ガスが発生する。この水素ガスがメッキ膜中に拡散して、メッキ膜の物性を悪化する。発生した水素ガスがメッキ面に留まらず速やかに離脱すればメッキ膜の劣化が少なくなる。このためにはメッキ浴の界面張力を下げることが必要であり、この界面活性剤として一般に分子量１０００程度のポリエチレングリコールが使用される。
【００１６】
【実施例】
本発明の実施例および比較例を以下に示す。
表１に示す平均粒径と溶液組成および濃度の金コロイド液を用い、これをシリコン回路基板の配線形成面に滴下し、乾燥した後にメッキ液に浸漬して無電解メッキを行った。形成された配線の状態を表１に示した。またメッキ液の条件を表２に示した。
この結果に示すように、本発明に係る試料No.１〜７は良好な配線が形成される。一方、溶媒の組成、金属微粒子の平均粒径および濃度が本発明の好適な範囲から外れる試料No.８〜１３は、形成された配線が断線しており、良好な配線が形成されない。
【００１７】
【表１】
【表２】
【発明の効果】
本発明の回路形成方法によれば、アスペクト比の大きい微細溝やホール内部にボイドのない金属配線を形成することができる。
Claims (5)
- 回路基板の配線形成面に金属微粒子を付着させ、この金属微粒子を触媒として無電解メッキ法によって金属配線を形成する方法において、平均粒径２０ｎｍ以下の金属微粒子を５０ kcal/mol 以上の極性値を有する溶媒に１×１０ 17 個 / ｍ 3 〜１×１０ 22 個 / ｍ 3 の濃度で分散させた金属コロイド液を用い、該金属コロイド液を回路基板の配線形成面に塗布し乾燥して該金属微粒子を付着させた後に、メッキ液に浸漬して無電解メッキを行うことを特徴とする回路基板の配線形成方法。
- シリコン回路基板の配線形成面に金属微粒子を付着させ、この金属微粒子を触媒として無電解メッキ法によって金属配線を形成する方法において、平均粒径２０ｎｍ以下の金属微粒子を５０ kcal/mol 以上の極性値を有する溶媒に１×１０ 17 個 / ｍ 3 〜１×１０ 22 個 / ｍ 3 の濃度で分散させた金属コロイド液を用い、該金属コロイド液を回路基板の配線形成面に塗布し乾燥して該金属微粒子を付着させた後に、該シリコン回路基板をｐＨ調整剤として水酸化テトラメチルアンモニウムを用いたメッキ液に浸漬し、無電解メッキを行うことを特徴とする請求項１に記載する回路基板の配線形成方法。
- 金属微粒子として金、白金、またはパラジウムの微粒子を用いる請求項１または２に記載する回路基板の配線形成方法。
- 極性値が５１ . ９〜６３ . １ kcal/mol のメタノール、エタノール、または水に平均粒径１〜２０ｎｍの金微粒子を２×１０ 18 個 / ｍ３〜２×１０ 21 個 / ｍ 3 の濃度で分散させた金コロイド液を用い、該金コロイド液をシリコン回路基板の配線形成面に滴下し、乾燥して該金微粒子を付着させた後に、該回路基板を銅メッキ液に浸漬して無電解メッキを行う請求項１〜３の何れかに記載する回路基板の配線形成方法。
- 請求項１〜４の何れかの方法によって形成された回路基板。
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| WO2013035480A1 (ja) * | 2011-09-09 | 2013-03-14 | 学校法人 関西大学 | 触媒の吸着処理方法および吸着処理装置 |
| JP5649150B1 (ja) | 2014-07-17 | 2015-01-07 | 日本エレクトロプレイテイング・エンジニヤース株式会社 | 無電解メッキ用前処理液および無電解メッキ方法 |
| WO2017130373A1 (ja) * | 2016-01-29 | 2017-08-03 | 株式会社Ｊｃｕ | 基板上への回路形成方法 |
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2002
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