JP3975625B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シリコンウェハを用いる半導体装置の製造方法において、基板表面に無電解ニッケル(以下Niと記す)めっきを施す際の表面活性化処理法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種の表面活性化処理には、物理的手段と化学的手段とがある。物理的手段としては、フォーミング処理、すなわち、表面の細かな粗面化により、また化学的手段としては、パラジウム(以下Pdと記す)塩やシリコーンカップリング剤など、表面に活性化核になり得る化学種を吸着させて表面活性化がおこなわれている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
物理的手段としてのフォーミング処理には、シリコンカーバイド、シリコンなどの微粒子を加圧圧送吹きつけをするサンドブラストや、回転刃を用いる研削機+砥石仕上げなどによる基板表面の粗面化がおこなわれている。形成された表面凹凸によって、アンカー効果がもたらされ、析出が容易で、密着性の高い無電解Niめっきが得られている。
【0004】
しかしこの方法では、表面層に加工歪みやマイクロクラックなどの加工損傷を生じ、均一、均質なNi合金層を形成し難いという問題があった。
図8(a)〜(e)は、サンドブラスト法による表面フォーミングをおこなった面へのNiめっき法の概要説明図である。
ダイオードウェハ803を回転テーブル804に真空吸着して回転軸805により回転させる。ノズル801よりサンド802を数kg/cm2で圧送して、ダイオードウェハ803表面に吹きつける〔図8(a)〕。この時、ノズル801は、直径方向に往復運動をして均一な処理がおこなえるようにする。
【0005】
図8(b)は、両面を処理したダイオードウェハ803の断面図である。図8(c)はその拡大図である。両面共に数μm 程度の凹み808をもつ凹凸面806が得られている。図8(d)は、Niめっきの初期段階の断面図である。凹み808に析出したNiクラスタ809が見られる。これが以後の連続したNi膜形成の核になる。図8(e)は両面にめっき膜810の形成が完了した状態の断面図である。
【0006】
Niの酸化還元電位が、シリコン半導体のバンドギャップのほぼ中間に位置するので、ポテンシャルの高いn型側からは電子の放出を受け易く、一方p型側のそれは(フェルミ凖位)、放出し難い。従って、両表面を化学的に処理せず、シリコン生地そのものの場合n側にはめっきが厚く、p側には薄く付き易い。場合によっては50% もn側が厚くなり、両面への均等めっきには、工程上細かな制御と特別なめっき液が必要になる。但し、表面の物理的形状により、アンカー効果が生じ、膜の密着性は非常に高い。
【0007】
シリコーンカップリング剤の場合は、被着される無電解ニッケル膜中に有機物(またはその構成原子である炭素、水素、酸素、以下それぞれC、H、Oと記すなど)を巻き込むという問題があった。
図9(a)〜(d)は、シリコーンカップリング剤による化学処理をおこなった面へのNiめっき法の概要説明図である。
【0008】
ダイオードウェハ903を回転テーブル904に真空吸着させ、回転軸905により回転させながらノズル901より、シリコーンカップリング剤902を適量滴下させる〔図9(a)〕。
図9(b)は両面に塗布乾燥後の状態の断面図である。表面に極く薄いカップリング剤層906が形成されている。
【0009】
図9(c)は拡大断面図であり、ダイオードウェハ903表面にカップリング剤層906が見られる。図中Rは、C、Hよりなる例えばメチル(CH3 )基、エチル(C2 5 )基などの有機物の感能基を表している。
この処理は、表面にOが弱く負に帯電した活性サイト(−Oσ- )を形成させるわけであるが、Oの他にC、H等の有機物構成元素も沢山共存し、特に、SiとNiめっき膜界面には、数十nmを越すNiクラスタ核層が存在することになり、以後の熱処理(550℃、30分間、窒素N2 /水素H2 =5/95vol%)による合金化時に、特にCとOとが影響し、均一、均質なシンター層が得られなくなる。
【0010】
また、もう一つの化学的手段のうち、Pd塩を用いる方法は、めっき溶液の管理の難しさ、液寿命の短さ、コスト高などの問題があった。
このような状況に鑑み本発明の目的は、シリコン表面に連続的に均一、均質で良質な無電解Niめっき膜を形成することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明の方法は、ふっ化水素酸(以下HFと記す)をベースとし、酸化剤を含む前処理溶液に浸して表面活性化をおこない、水洗後直ちに無電解ニッケルめっきをおこなうものとする。
酸化剤を含むHF溶液中ではシリコンは、
Si+6HF2 - →SiF6 2- +6HF+4e- (1)
Si+Ox →−Si−OH+HF2 - → −Si−F+F- +H2 O(2)
(1)式に示す反応で僅かではあるが、直接溶解する。
【0012】
また(2)式に示すように酸化剤により酸化される。ここでは、水溶液中なのでOH基として表した。更に、HFが解離したHF2 - 活性イオン種により、OをFで置換し、実際には
Figure 0003975625
なるSiF6 2- として溶解すると考えられている。
そして実際には(2)式の反応が支配的である。
各原子の電気陰性度を考慮して(2)式の反応基を見直すと、−Si−OHでは、Si:1.8、O:3.5、H:2.1であるから、
Figure 0003975625
すなわち、O(酸素)が電子を引きつけて部分的に負に帯電している。
−Si−Fでは、F:4.0であるから、
Figure 0003975625
F(ふっ素)が電子を引きつけて、部分的により負に帯電している。
Ni2+の存在する溶液中では、
Figure 0003975625
のHとの置換は生じ易く、−Si−O−Ni* となる。
一方、
Figure 0003975625
のF部位にも化学的吸着は生じ易く、−Si−F…Ni* となる。
もう少し立体的に考えると、
Figure 0003975625
のような化学構造が考えられる。
【0013】
すなわち、本発明のHFと酸化剤とを含む前処理溶液中では、シリコンを酸化しつつ、溶解反応も少し生じながら、OまたはF原子の電気的活性サイトを形成する。めっき浴中でその活性サイトにNi2+が引きつけられ、先ずNi原子クラスタの核を生成し、更に核生成後は、活性サイトとして無電解Niめっき膜を連続して生じさせる。
【0014】
また、Niの析出は、(2)式の−Si−OH形成時、その反応が支配的に進むものと考えられる。
つまり、本発明のポイントは、シリコン表面に極く薄い酸化膜(実際にはシリコンリッチのサブオキサイド)を制御形成させ、バックグラウンドとほぼ同じO原子をNi核形成の活性サイトとして活用して、連続的に均一、均質で良質な無電解Niめっき膜を形成することである。実際にESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis )では、数〜数十nmの厚さの酸化膜が確認されている。
【0015】
酸化剤としては、例えば、過酸化水素水(以下H2 2 と記す)、硝酸(以下HNO3 と記す)が挙げられる。また、酸化速度と、溶解速度とのバランスをとるために、燐酸(以下H3 PO4 と記す)、水、氷酢酸(以下CH3 COOHと記す)等の第三の希釈剤を加えるものとする。
そして綿密な実験の結果、各種三元系溶液において、基板表面に十分量のNi原子クラスタ核形成がなされ、均一、均質な無電解Niめっき膜が容易に形成される、適当な組成を決定した。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、実施例に基づいて本発明の実施の形態を述べる。なお、以下では、HF、H2 2 、H3 PO4 、CH3 COOH、HNO3 は、それぞれ半導体プロセスで最も広く用いられているそれぞれ約50% 、31% 、85% 、99.8% 、61% (いずれもwt% )の溶液を使用した。それらの混合比は、体積比(vol%)で示している。
【0017】
[実施例1]
先ず、HFをベースとし、H2 2 、H3 PO4 の三元系について説明する。ダイオードウェハは、n型、比抵抗30Ω・cmのシリコンウェハの一面に燐拡散により、表面不純物濃度2×1019cm-3、拡散深さ30μm のn+ 層を形成し、他面にほう素拡散により、表面不純物濃度1×1019cm-3、拡散深さ30μm のp+ 層を形成したウェハである。
【0018】
図7(a)〜(d)は、本発明の活性化処理をおこなった面へのニッケルめっき法の概要説明図である。
HFと酸化剤とを含む所定組成の前処理溶液702をいれた処理槽701にダイオードウェハ703を1分間浸漬させる〔図7(a)〕。
すると、その表面にはシリコンリッチな極く薄い(数〜数十nm程度)のサブオキサイド707が生じる〔同図(b)〕。
【0019】
作用の項で述べたようにサブオキサイド707の−Si−O−Hにおいて、電気陰性度の関係により、O原子は電子を回りに引きつけており、局部的に負に帯電した活性サイト(−Si−O* σ- )となっている。
十分に水洗した後、下記のめっき浴に5分間浸漬、緩やかに揺動しながらめっきする。無電解Niめっき浴は、アルカリ性浴を用いた。めっき浴組成およびめっき条件は次の通りである。
【0020】
硫酸ニッケル(NiSO4 ) 0.1M
燐酸二水素ナトリウム(NaH2 PO4 ) 0.35M
ビロリン酸ナトリウム(Na2 2 2 7 )0.2M
水酸化アンモニウム(NH4 OH)のPH 9.0
温度 83℃
析出物 Ni/8% P
図7(c)はNiクラスター核形成過程を示す模式図である。
【0021】
めっき浴中では、クーロン力によりサブオキサイド707の活性サイトにNi2+イオンが引きつけられて化学吸着され、Niクラスター核708が均一に形成される。
更にNiクラスター核708を核にして、Niの析出が進行し、ダイオードウェハのn、p両面にほぼ均一に、均質なNiめっき膜710を被着させることができる〔図7(d)〕。
【0022】
なお、サブオキサイド707中のO原子は、後工程のシンター時に雰囲気中のHやめっき膜中のPと反応するので、めっき膜の特性には悪影響を与えない。
図1は、本発明第一の実施例で用いたHF、H2 2 、H3 PO4 三元前処理溶液の組成、およびそのめっき結果を示す特性図である。丸印はその組成の溶液で前処理した後、シリコンウェハに無電解Niめっきしたことを示す。単位はvol%である。
【0023】
白丸印は、つき回り、面状態、密着性、膜厚分布(±5% )など良好であったことを示す。
上記系では、ほぼ全ての組成点で良好な結果が得られた。HFと酸化剤の共存する系では、シリコンの溶解とシリコンの酸化とが競合反応として生じ、先述の如く、シリコン酸化反応が支配的と考えている。
【0024】
このときH3 PO4 は水素発生の過電圧を下げ、還元剤としても働き、われわれが望む極く薄い酸化膜形成の良い制御剤として作用する。
この方法によるNiメッキでは、容易に均質、均一なメッキ膜が形成できるだけでなく、従来のカップリング剤をもちいた時の不純物混入の問題も無い。
なお、実際の半導体デバイスの電極形成に適用してもなんら問題無いことも確認した。
【0025】
[実施例2]
実施例1と同様にして、HF、H2 2 、水の三元系溶液で処理した後、直ちに無電解ニッケルめっきをおこなった。
図2は、HF、H2 2 、水三元溶液の組成、およびそのメッキ結果を示す特性図である。丸印は各組成点で、シリコンウェハに無電解めっきしたことを示す。
【0026】
白丸印は、つき回り、面状態、密着性、膜厚(±5% )など良好であったことを示す。黒丸はp、n両面全くめっきが付かない、p、nの片側だけついた、ぼつぼつ小さい穴があいた、剥離したなどの不良部位を示す。
HFと水とを結ぶ軸に沿った領域は概ね良好であるが、H2 2 が70% 以上の濃い領域では、不良となつている。これは、酸化膜の溶解速度に比べて、形成速度が大きいためである。
【0027】
[実施例3]
同様にして、HF、H2 2 、CH3 COOHの三元系溶液で処理した後、直ちに無電解Niめっきをおこなった。
図3は、HF、H2 2 、CH3 COOHの三元系溶液の組成、およびそのめっき結果を示す特性図である。丸印は各組成点で、シリコンウェハに無電解めっきしたことを示す。
【0028】
HFが20% 以上と濃い領域は概ね良好であるが、HFが10% 以下と薄く、H2 2 が40% 以上と濃い領域では、不良となつている。これも、酸化膜の溶解速度が遅く、溶解速度と形成速度とのバランスが悪いためである。CH3 COOHが80% 以上と濃い領域でも不良となつている。この領域は、酸化も溶解も十分に進まないためである。
【0029】
[実施例4]
酸化剤としてHNO3 を用い、同様にして、HF、HNO3 、H3 PO4 三元系溶液で処理した後、直ちに無電解ニッケルめっきをおこなった。
図4は、HF、HNO3 、H3 PO4 の三元系溶液の組成、およびそのメッキ結果を示す特性図である。丸印は各組成点で、シリコンウェハに無電解めっきしたことを示す。
【0030】
HFが30% 以上の濃い領域は概ね良好であるが、20% 以下の薄い領域では、不良となつている。H3 PO4 弱い酸化剤として作用するので、酸化膜の溶解速度が遅く、溶解速度と形成速度とのバランスが悪いためである。
[実施例5]
同様に、HF、HNO3 、水の三元系溶液で処理した後、直ちに無電解ニッケルめっきをおこなった。
【0031】
図5は、HF、HNO3 、水の三元溶液の組成、およびそのメッキ結果を示す特性図である。丸印は各組成点で、シリコンウェハに無電解めっきしたことを示す。
HFと水とを結ぶ軸に沿った領域がやや良いだけで、HNO3 の多い領域( 60% 以上)、水の多い領域( 60% 以上)では、不良となつている。これも溶解速度と形成速度とのバランスが悪いためである。
【0032】
[実施例6]
同様に、HF、HNO3 、CH3 COOHの三元系溶液で処理した後、直ちに無電解ニッケルめっきをおこなった。
図6は、HF、HNO3 、CH3 COOHの三元系溶液の組成、およびそのメッキ結果を示す特性図である。丸印は各組成点で、シリコンウェハに無電解めっきしたことを示す。
【0033】
HFとCH3 COOHとを結ぶ軸に沿った領域がやや良いだけで、HNO3 が多く( 30% 以上)、HFの少ない領域( 50% 以下)では、不良となつている。これも溶解速度と形成速度とのバランスが悪いためである。
以上の実施例では、仮に膜厚分布が±5% 以上のものを不良としたが、実際の半導体装置の絶対的な基準ではないので、図1〜6の良/不良境界は多少移動する場合がある。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、シリコンウェハをふっ化水素酸と酸化剤とを含む前処理溶液に浸して表面活性化をおこない、水洗後直ちに無電解ニッケルめっきをすることにより、容易に、不純物を含まず、均一、均質なNiめっき膜をもつ半導体装置を製造することができる。
【0035】
酸化剤としては、過酸化水素水、硝酸を用い、第三の溶液として燐酸、水、あるいは酢酸を加えた三元系溶液とすることにより、シリコン表面の酸化層の生長を制御することが可能となり、プロセスの自由度が増し、確実に均一なNiめっき膜を形成できる。
いずれも容易に入手可能な薬品であり、工程も簡易であり、コストも高くならないので、各種半導体装置に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1のHF−H2 2 −H3 PO4 三元系溶液により前処理をおこなった時の各組成点でのめっき特性図
【図2】実施例2のHF−H2 2 −H2 O三元系溶液により前処理をおこなった時の各組成点でのめっき特性図
【図3】実施例3のHF−H2 2 −CH3 COOH三元系溶液により前処理をおこなった時の各組成点でのめっき特性図
【図4】実施例4のHF−HNO3 −H3 PO4 三元系溶液により前処理をおこなった時の各組成点でのめっき特性図
【図5】実施例5のHF−HNO3 −H2 O三元系溶液により前処理をおこなった時の各組成点でのめっき特性図
【図6】実施例6のHF−HNO3 −CH3 COOH三元系溶液により前処理をおこなった時の各組成点でのめっき特性図
【図7】(a)は本発明実施例の処理溶液浸漬状況の説明図、(b)は前処理後のダイオードウェハ断面図、(c)はめっき浴浸漬後の表面模式図、(d)はNiめっき後のダイオードウェハ断面図
【図8】(a)は従来法サンドブラスト状況の説明図、(b)はサンドブラスト後のダイオードウェハ断面図、(c)は表面拡大断面図、(d)はめっき浴浸漬後の表面模式図、(e)はNiめっき後のダイオードウェハ断面図
【図9】(a)は従来法カップリング剤塗布状況の説明図、(b)はカップリング剤塗布後のダイオードウェハ断面図、(c)はめっき浴浸漬後の表面模式図、(d)はNiめっき後のダイオードウェハ断面図
【符号の説明】
701 処理槽
702 処理溶液
703、803、903 ダイオードウェハ
707 サブオキサイド
709、809 Niクラスター核
710、810、910 Niめっき膜
801、901 ノズル
802 サンド
804、904 回転テーブル
805、904 回転軸
806 凹凸面
808 凹み
902 カップリング剤
907 カップリング剤層

Claims (18)

  1. シリコンウェハをふっ化水素酸と酸化剤とを含む前処理溶液に浸して表面活性化をおこない、水洗後直ちに無電解ニッケルめっきをおこなうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. ふっ化水素酸、過酸化水素水、燐酸の混合液からなる前処理溶液を用いることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 濃度50 wt% ふっ化水素酸、濃度31 wt% 過酸化水素水、水を混合してなる前処理溶液を用い、過酸化水素水を50vol%以下とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 濃度50 wt% ふっ化水素酸、濃度31 wt% 過酸化水素水、濃度99.8 wt% 氷酢酸を混合してなる前処理溶液を用い、ふっ化水素酸を20vol%より大きくすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 濃度50 wt% ふっ化水素酸、濃度31 wt% 過酸化水素水、濃度99.8 wt% 氷酢酸を混合してなる前処理溶液を用い、氷酢酸を70vol%以下、過酸化水素水を30vol%以下とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 濃度50 wt% ふっ化水素酸、濃度61 wt % 硝酸、濃度85 wt% 燐酸を混合してなる前処理溶液を用い、ふっ化水素酸を40vol%より大きくすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 濃度50 wt% ふっ化水素酸、濃度61 wt% 硝酸、水を混合してなる前処理溶液を用い、ふっ化水素酸を40vol%以上、水を20vol%以上40vol%以下とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 濃度50 wt% ふっ化水素酸、濃度61 wt% 硝酸、水を混合してなる前処理溶液を用い、硝酸を20vol%以下、水を40vol%以下とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 濃度50 wt% ふっ化水素酸、濃度61 wt% 硝酸、濃度99.8 wt% 氷酢酸を混合してなる前処理溶液を用い、ふっ化水素酸を60vol%以上とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 濃度50 wt% ふっ化水素酸、濃度31 wt% 過酸化水素水、濃度85 wt% 燐酸を混合してなる前処理溶液を用いることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  11. ふっ化水素酸、過酸化水素水、水を混合してなる前処理溶液中のふっ化水素酸の濃度を29.2mol/リットル未満、過酸化水素水の濃度を5.1mol/リットル以下とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  12. ふっ化水素酸、過酸化水素水、氷酢酸を混合してなる前処理溶液中のふっ化水素酸の濃度を5.8mol/リットルより大きくすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  13. ふっ化水素酸、過酸化水素水、氷酢酸を混合してなる前処理溶液中の氷酢酸の濃度を12.2mol/リットル以下、過酸化水素水の濃度を3.1mol/リットル以上とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  14. ふっ化水素酸、硝酸、燐酸を混合してなる前処理溶液中のふっ化水素酸の濃度を11.7mol/リットルより大きく、硝酸の濃度を13.2mol/リットル未満、燐酸の濃度を14.7mol/リットル未満とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  15. ふっ化水素酸、硝酸、水を混合してなる前処理溶液中のふっ化水素酸の濃度を14.6mol/リットル以上、水の濃度を36.2mol/リットル以上とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  16. ふっ化水素酸、硝酸、水を混合してなる前処理溶液中のふっ化水素酸の濃度を14.6mol/リットル以上、硝酸の濃度を2.6mol/リットル以下とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  17. ふっ化水素酸、硝酸、氷酢酸を混合してなる前処理溶液中のふっ化水素酸の濃度を17.5mol/リットル以上とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  18. pH9.0のアルカリ性浴を用いて無電解ニッケルめっきすることを特徴とする請求項1ないし17のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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