JP3998455B2 - 無電解めっき装置及び無電解めっき方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無電解めっき装置及び無電解めっき方法に関し、特に半導体基板等の基板の表面に設けた配線用の微細な凹部に、銅や銀等の導電体を埋め込んで埋め込み配線を形成したり、このようにして形成した配線の表面を保護する保護膜を形成したりするのに使用される無電解めっき装置及び無電解めっき方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無電解めっきは、外部から電気を流すことなく、めっき液中の金属イオンを化学的に還元して被処理材の被めっき面にめっき膜を形成するようにした方法であり、耐食、耐摩耗性のニッケル−りん，ニッケル−硼素めっき、プリント配線基板用銅めっきなどに広く用いられている。
【０００３】
この無電解めっき装置としては、無電解めっき液を保持するめっき槽と、このめっき槽の上部に配置され、基板等の被処理材を保持する上下動自在な保持部とを有し、この保持部で保持した被処理材をめっき槽内のめっき液に浸漬させるようにしたもの等が一般に知られている。この種のめっき装置にあっては、めっき液の温度や成分等を管理するめっき液管理装置が別途設けられ、めっき槽をオーバーフローしためっき液は、このめっき液管理装置でその温度と成分等が管理されてめっき槽に供給される（戻される）ようになっている。
【０００４】
近年、半導体チップの高速化、高集積化に伴い、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め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、めっきが一般的である。いずれにしても、基板の表面に銅層を成膜した後、その表面を化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により平坦に研磨するようにしている。
【０００５】
この種の配線にあっては、平坦化後、その配線の表面が外部に露出しており、この上に埋め込み配線を形成する際、例えば次工程の層間絶縁膜形成プロセスにおけるＳｉＯ２形成時の表面酸化やコンタクトホールを形成するためのＳｉＯ２エッチング等に際して、コンタクトホールの底に露出した配線のエッチャントやレジスト剥離等による表面汚染、更には銅配線にあっては銅の拡散が懸念されている。
【０００６】
このため、銀や銅等の配線材料との接合が強く、しかも比抵抗（ρ）が低い、例えばＮｉ−Ｂ合金膜等からなる保護膜（めっき膜）で配線の表面を選択的に覆って保護することが考えられる。ここで、Ｎｉ−Ｂ合金膜は、例えばニッケルイオン、ニッケルイオンの錯化剤、ニッケルイオンの還元剤としてのアルキルアミンボランまたは硼素化水素化合物等を有する無電解めっき液を使用した無電解めっきを施すことによって、銅等の表面に選択的に形成することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
無電解めっきの適用箇所は、銅配線の主たる埋め込み材（Ｃｕ）、バリヤメタル上のシード層の形成、またはシードの補強（Ｃｕ）、更にはバリヤメタルそのものの形成、銅配線材の蓋材形成（いずれもＮｉ−Ｐ，Ｎｉ−Ｂ，Ｃｏ−Ｐ，Ｎｉ−Ｗ−Ｐ，Ｎｉ−Ｃｏ−Ｐ，Ｃｏ−Ｗ−Ｐ，Ｃｏ−Ｗ−Ｂ）などがあるが、いずれの無電解めっきプロセスでも被処理材の全面に亘る膜厚の均一性が要求される。
【０００８】
ここで、無電解めっきにあっては、被処理材が無電解めっき液と接触すると同時に被めっき面にめっき金属が析出し、めっき液の温度によってめっき金属の析出速度が異なる。このため、被処理材の被めっき面に均一な膜厚のめっき膜を形成するためには、常に一定の温度に制御しためっき液に被処理材を接触させ、めっき処理中に亘ってめっき液の温度を一定に保持することが要求される。
【０００９】
しかしながら、従来の無電解めっき装置は、一定の温度に加熱しためっき液をめっき槽や被処理材の被めっき面に供給するようにしているため、このめっき液の移送やめっきの進行の過程でめっき液の温度が変動（低下）し、保持部内に内蔵したヒータ等によって、めっき槽内のめっき液を加熱したとしても、めっき処理中におけるめっき槽内のめっき液を常に一定の温度に制御することが困難であった。更に、めっきの面内均一性を確保するためには、めっき温度の均一性と共に、めっき槽内におけるめっき液の流れを均一にすることが要求されるが、めっき槽内のめっき液を常に循環または攪拌させると、被処理材の表面に均一なめっき液の流れを形成することが困難で、逆にめっき槽内のめっき液を循環または攪拌させないと、めっき槽内のめっき液の温度をその全域に亘って均一に維持することが困難となる。
【００１０】
無電解めっきのレートや膜質は、無電解めっき液の温度に依存するところが大きく、被処理材の膜厚や膜質の均一性を確保するためには、めっき中におけるめっき液の温度を常に±１℃の範囲でコントロールすることが望まれる。しかし、従来の無電解めっき装置では、めっき処理の過程でめっき液の温度が変動しやすくなって、めっき中におけるめっき槽内のめっき液に±５℃程度の温度のばらつきが生じ、この要求に応えることが困難であった。更に、めっき装置は、めっき槽とめっき液管理装置とを有しているため、フットプリントが大きくなってしまうばかりでなく、装置としてかなり複雑化してしまう。
【００１１】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、めっき中におけるめっき液の温度をより均一に制御して被処理材の被めっき面により均一なめっき膜を容易に形成し、しかも装置として比較的簡単で、フットプリントを小さく抑えることができるようにした無電解めっき装置及び無電解めっき方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、内壁で区画され上方に開口する内槽と、前記内壁と該内壁の側部及び底部を覆う外壁との間に区画形成された密閉された外槽とを有し、前記内壁に設けた連通孔を介して内槽内のめっき液と外槽内のめっき液を連通させた二重槽構造のめっき槽と、前記外槽の内部に配置された加熱装置と、前記めっき槽の上方に配置され、被めっき面を下向きにして被処理材を保持する上下動及び回転自在な保持部を有することを特徴とする無電解めっき装置である。
【００１３】
このように、めっき槽を内槽と外槽からなる二重槽構造にし、外槽の内部に加熱装置を配置することで、構造を簡素化するとともに、フットプリントを小さくし、しかも、めっき中においても、内槽内のめっき液を外槽内のめっき液によって断熱し保温することで、めっき中におけるめっき液の温度をより均一に制御して被処理材の被めっき面により均一なめっき膜を容易に形成することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記めっき槽内のめっき液を循環または攪拌させる手段を有することを特徴とする請求項１記載の無電解めっき装置である。このように、めっき槽内のめっき液を循環または攪拌させることで、外槽内に配置した加熱装置で加熱しためっき液のめっき槽内におけるめっき温度を均一に維持することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記めっき槽内のめっき液を循環させる手段は、前記内槽内のめっき液を引き抜いて前記外槽内に戻すめっき液循環系からなることを特徴とする請求項２記載の無電解めっき装置である。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、前記めっき槽内のめっき液を攪拌させる手段は、前記内槽のほぼ中央に配置された攪拌装置からなることを特徴とする請求項２記載の無電解めっき装置である。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、内壁で区画され上方に開口する内槽と、前記内壁と該内壁の側部及び底部を覆う外壁との間に区画形成された外槽とを有し、前記内壁に設けた連通孔を介して内槽内のめっき液と外槽内のめっき液を連通させた二重槽構造のめっき槽と、前記外槽の内部に配置された加熱装置と、前記めっき槽の上方に配置され、被めっき面を下向きにして被処理材を保持する上下動及び回転自在な保持部と、前記めっき槽内のめっき液を循環または攪拌させる手段を有する無電解めっき装置でめっきを行うにあたり、前記加熱装置で外槽内のめっき液を加熱したまま、前記めっき槽内のめっき液の循環または攪拌を停止させ、被処理材を回転させながら前記内槽内のめっき液に被処理材の被めっき面を接触させて該被めっき面にめっきを行うことを特徴とする無電解めっき方法である。
【００１８】
このように、めっき進行時にめっき槽内のめっき液の流れを停止させることで、めっきのでき具合がめっき液の流れに依存しないようにすることができる。なお、めっき時におけるめっき槽内の自然対流によるめっき液の僅かな温度変化は、被処理材の回転に起因するめっき液の流れで打ち消すことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、半導体装置における銅配線形成例を工程順に示すもので、先ず、図１（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ＳｉＯ２からなる絶縁膜２を堆積し、この絶縁膜２の内部に、例えばリソグラフィ・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等からなるバリア層５、更にその上に電解めっきの給電層としての銅シード層６をスパッタリング等により形成する。
【００２０】
そして、図１（ｂ）に示すように、半導体基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、半導体基板Ｗのコンタクトホール３及び溝４内に銅を充填させるとともに、絶縁膜２上に銅層７を堆積させる。銅層７の熱処理により銅層７の抵抗を下げ、その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜２上の銅層７を除去して、コンタクトホール３及び配線用の溝４に充填させた銅層７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１（ｃ）に示すように、絶縁膜２の内部に銅シード層６と銅層７からなる配線８を形成する。次に、基板Ｗの表面に、例えば無電解Ｎｉ−Ｂめっきを施して、図１（ｄ）に示すように、配線８の露出表面にＮｉ−Ｂ合金膜からなる保護膜（めっき膜）９を選択的に形成して配線８を保護する。
【００２１】
図２及び図３は、本発明の実施の形態の無電解めっき装置を示す。この無電解めっき装置は、例えば、図１におけるバリア層５の形成、銅シード層６の補強、銅層７の堆積、更には、保護膜（めっき膜）９の形成に使用される。
この無電解めっき装置１０は、上方に開口し、内部にめっき液１２を保持してめっき処理を施す内槽１４と、この内槽１４の上端開口部に配置され、半導体ウエハ等の基板（被処理材）Ｗを該基板Ｗの表面（被めっき面）を下向き（フェースダウン）にして保持する基板保持部１６を有している。
【００２２】
内槽１４は、二重槽構造のめっき槽１８の内部に形成されている。すなわち、めっき槽１８は、内壁２０で区画された上方に開口する内槽１４と、この内壁２０と該内壁２０の側部及び底部を覆う外壁２４との間に区画形成された密閉された外槽２６とを有している。そして、内壁２０には、内槽１４と外槽２６とを連通させる多数の連通孔２０ａがその全面に亘って形成され、これによって、内槽１４内のめっき液１２と外槽２６内のめっき液１２が直に連通して、めっき槽１８内のめっき液１２の水位が常に同じになるようになっている。
【００２３】
外槽２６の内部には、この例では、内部に加熱媒体を通して、めっき槽１８内のめっき液１２を外槽２６内において、例えば７０℃に加熱する加熱チューブ３０で構成された加熱装置が配置されている。
【００２４】
更に、めっき槽１８内のめっき液１２、すなわち内槽１４及び外槽２６内のめっき液１２を循環させるためのめっき液循環系３２が備えられている。このめっき液循環系３２は、循環ポンプ３４と、循環ポンプ３４の吐出し口と外槽２６とを接続するめっき液吐出し管３６と、循環ポンプ３４の吸込口と内槽１４とを接続するめっき液吸込管３８とを有している。これにより、循環ポンプ３４の駆動に伴って、内槽１４内のめっき液１２を循環ポンプ３４で吸い込んで外槽２６に戻し、これによって、内槽１４及び外槽２６内のめっき液１２が循環して、めっき槽１８内のめっき液１２の温度を均一に維持できるようになっている。
【００２５】
そして、このめっき液１２の循環の過程で外槽２６の内部に配置した加熱チューブ（加熱装置）３０でめっき液１２を加熱し、特に、内槽１４内のめっき液１２を外槽２６内のめっき液１２で遮断することで、めっき液１２の昇温及び保温を容易に行って、めっき槽１８内のめっき液１２の温度を一定に制御することができる。このめっき液１２の温度は、例えば２５〜９０℃、好ましくは５５〜８５℃程度であり、更に好ましくは６０〜８０℃程度である。
基板保持部１６は、基板Ｗを吸着等により保持し、基板Ｗを保持して上下動及び回転できるようになっている。
【００２６】
この実施の形態の無電解めっき装置にあっては、循環ポンプ３４を駆動させてめっき槽１８内のめっき液１２を循環させ、同時に加熱チューブ３０内に加熱媒体を導入することで、めっき液１２を外槽２６の内部で加熱し、更にこの加熱しためっき液１２を内槽１４内に直に導入することで、めっき槽１８内のめっき液１２を、例えば７０℃の一定の温度に制御する。一方、基板保持部１６を内槽１４に対して相対的に上昇させ、この下面で基板Ｗを吸着等により保持する。
【００２７】
そして、加熱チューブ３０内に加熱媒体を導入することでめっき液１２の加熱を継続したまま、循環ポンプ３４の駆動を停止させて、めっき槽１８内のめっき液１２の循環を止め、この状態で、基板保持部１６を下降させ、この基板保持部１６で保持した基板Ｗを内槽１４内のめっき液１２に浸漬させて、基板Ｗの表面（被めっき面）に、例えば数分間のめっきを行う。この時、必要に応じて、基板Ｗを低速（例えば１〜３ｒｐｍ）で回転させる。このように、例えば数分間の無電解めっきを行っても、めっき液１２の加熱を継続することで、めっき処理中におけるめっき液１２の温度を常に±１℃の範囲でコントロールできることが確かめられている。
【００２８】
この時の内槽１４内におけるめっき液１２の状態を図３に示す。つまり、めっき液１２は循環していないが、内槽１４内のめっき液１２は、加熱チューブ３０を介して外部から加熱されており、このため、図３（ａ）に示すように、自然対流によって、内槽１４の外周部を通って上昇し、内槽１４の中央部から下降するめっき液の流れが生ずる。一方、内槽１４の上部に基板Ｗを浸漬させ、これを低速で回転させると、図３（ｂ）に示すように、内槽１４の中央部で上昇し、内槽１４の外周部で下降するめっき液の流れが生じる。従って、この２つの流れを合わせることで、図３（ｃ）に示すように、内槽１４の内部、特に、基板Ｗの表面（被めっき面）近傍を静止浴とすることができる。
【００２９】
無電解めっきは、めっき液の流れに敏感に依存し、このめっき液の流れを均一にすることが困難であるが、前述のように、めっき進行時に内槽１４内のめっき液１２の流れを停止させることで、めっきのでき具合がめっき液の流れに依存しないようにすることができる。しかも、めっき時における内槽１４内の自然対流によるめっき液１２の僅かな温度変化を基板Ｗの回転に起因するめっき液の流れで打ち消して静止浴とすることで、めっき液の流れに依存しない、均一なめっき膜を成膜することができる。
【００３０】
めっき処理が完了した後、基板保持部１６を上昇させ、基板保持部１６を洗浄位置等に搬送し、基板Ｗを回転させつつ、洗浄液ノズル（図示せず）から洗浄液を基板Ｗの被めっき面に向けて噴射して、被めっき面を冷却すると同時に希釈化・洗浄することで無電解めっき反応を停止させる。
そして、基板保持部１６で保持しためっき処理後の基板をロボットのハンド等に受渡して、めっき後の基板を次工程に搬送する。
【００３１】
図４は、本発明の他の実施の形態の無電解めっき装置１０ａを示す。この無電解めっき装置１０ａの図２及び図３に示す無電解めっき装置１０と異なる点は、内槽１４の内部のほぼ中央に、攪拌装置４０の攪拌羽根４２を配置し、これによって、攪拌羽根４２の回転に伴って、めっき槽１８内のめっき液１２を循環させるようにした点にある。その他の構成は、図２及び図３に示すものと同様であるので、ここでは、同一または相当部材に同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３２】
図５は、無電解めっき装置１０によって一連のめっき処理を行うめっき処理装置の全体構成を示す。このめっき処理装置は、各一対の無電解めっき装置１０、ロード・アンロード部７０、例えばＰｄ触媒を付与する触媒処理や露出配線表面に付着した酸化膜を除去する酸化膜除去処理等のめっき前処理を行うめっき前処理装置７２、粗洗浄可能な仮置き部７４及び後洗浄装置７６を有し、更にロード・アンロード部７０、後洗浄装置７６及び仮置き部７４の間で基板Ｗを搬送する第１搬送装置７８ａと、無電解めっき装置１０、めっき前処理装置７２及び仮置き部７４の間に基板Ｗを搬送する第２搬送装置７８ｂが備えられている。
【００３３】
次に、上記のように構成しためっき処理装置による一連のめっき処理の工程について説明する。まず、ロード・アンロード部７０に保持された基板Ｗを第１搬送装置７８ａにより取出し、仮置き部７４に置く。第２搬送装置７８ｂは、これをめっき前処理装置７２に搬送し、ここでＰｄＣｌ２液等の触媒による触媒付与処理や露出配線表面に付着した酸化膜を除去する酸化膜除去処理等のめっき前処理を行い、しかる後リンスする。
【００３４】
第２搬送装置７８ｂは、基板Ｗをさらに無電解めっき装置１０に運び、ここで所定の還元剤と所定のめっき液を用いて無電解めっき処理を行う。次に、第２搬送装置７８ｂでめっき後の基板を無電解めっき装置１０から取出して仮置き部７４に運ぶ。仮置き部７４では、基板の粗洗浄を行う。そして、第１搬送装置７８ａは、この基板を後洗浄装置７６に運び、この後洗浄装置７６でペンシル・スポンジによる仕上げの洗浄とスピンドライによる乾燥を行って、ロード・アンロード部７０へ戻す。基板は後にめっき装置や酸化膜形成装置に搬送される。
【００３５】
図６は、図１に示す保護膜９を形成する一連のめっき処理（蓋めっき処理）を行うめっき処理装置の全体構成を示す。このめっき処理装置は、ロード・アンロード部８０、前処理部８２、Ｐｄ付着部８４、めっき前処理部８６、無電解めっき装置１０及び洗浄・乾燥処理部８８を有し、更に、搬送経路９０に沿って走行自在で、これらの間で基板の受渡しを行う搬送装置９２が備えられている。
【００３６】
次に、上記のように構成しためっき処理装置による一連のめっき処理（蓋めっき処理）の工程について説明する。まず、ロード・アンロード部８０に保持された基板Ｗを搬送装置９２により取出し、前処理部８２に搬送し、ここで、基板に例えば基板表面を再度洗浄する前処理を施す。そして、銅層７（図１参照）の表面にＰｄ付着部８４でＰｄを付着させて銅層７の露出表面を活性化させ、しかる後、めっき前処理部８６でめっき前処理、例えば中和処理を施す。次に、無電解めっき装置１０に搬送し、ここで、活性化した銅層７の表面に、例えばＣｏ−Ｗ−Ｐによる選択的な無電解めっきを施し、これによって、図１（ｄ）に示すように、銅層７の露出表面をＣｏ−Ｗ−Ｐ膜（保護膜）９で保護する。この無電解めっき液としては、例えば、コバルトの塩とタングステンの塩に、還元剤、錯化剤、ｐＨ緩衝剤及びｐＨ調整剤を添加したものがあげられる。
【００３７】
なお、研磨後に露出した表面に、例えば無電解Ｎｉ−Ｂめっきを施して、配線８の外部への露出表面に、Ｎｉ−Ｂ合金膜からなる保護膜（めっき膜）９を選択的に形成して配線８を保護するようにしてもよい。この保護膜９の膜厚は、０．１〜５００ｎｍ、好ましくは、１〜２００ｎｍ、更に好ましくは、１０〜１００ｎｍ程度である。
【００３８】
この保護膜９を形成する無電解Ｎｉ−Ｂめっき液としては、例えばニッケルイオン、ニッケルイオンの錯化剤、ニッケルイオンの還元剤としてのアルキルアミンボランまたは硼素化水素化合物を含有し、ｐＨ調整にＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を使用して、ｐＨを５〜１２に調整したものが使用される。
次に、この蓋めっき処理後の基板Ｗを洗浄・乾燥処理部８８に搬送して洗浄・乾燥処理を行い、この洗浄・乾燥後の基板Ｗを搬送装置９２でロード・アンロード部８０のカセットに戻す。
【００３９】
なお、この例では、蓋めっき処理として、Ｃｏ−Ｗ−Ｐ無電解めっき処理を施す前に、Ｐｄを付着することによって活性化させた銅層７の露出表面をＣｏ−Ｗ−Ｐ膜で選択的に被覆するようにした例を示しているが、これに限定されないことは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、めっき槽を内槽と外槽からなる二重槽構造にし、外槽の内部に加熱装置を配置することで、構造を簡素化するとともに、フットプリントを小さくすることができる。しかも、めっき中においても、内槽内のめっき液を外槽内のめっき液によって断熱し保温することで、めっき中におけるめっき液の温度をより均一に制御して被処理材の被めっき面により均一なめっき膜を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】本発明の実施の形態の無電解めっき装置の断面図である。
【図３】めっき時におけるめっき槽内のめっき液の状態の説明に付する図である。
【図４】本発明の他の実施の形態の無電解めっき装置の断面図である。
【図５】図２及び図３に示す無電解めっき装置を備えためっき処理装置を示す平面配置図である。
【図６】図２及び図３に示す無電解めっき装置を備えた他のめっき処理装置を示す平面配置図である。
【符号の説明】
６ 銅シード層
７ 銅層
８ 配線
９ 保護膜
１０，１０ａ 無電解めっき装置
１２ めっき液
１４ 内槽
１６ 基板保持部
１８ めっき槽
２０ 内壁
２０ａ 連通孔
２４ 外壁
２６ 外槽
３０ 加熱チューブ（加熱装置）
３２ めっき液循環系（攪拌手段）
３４ 循環ポンプ
４０ 攪拌装置（攪拌手段）
４２ 攪拌羽根
７０、８０ ロード・アンロード部
７２ 前処理装置
７４ 仮置き部
７６ 後洗浄装置
８２ 前処理部
８４ Ｐｄ付着部
８６ めっき前処理部
８８ 洗浄・乾燥処理部
【発明の属する技術分野】
本発明は、無電解めっき装置及び無電解めっき方法に関し、特に半導体基板等の基板の表面に設けた配線用の微細な凹部に、銅や銀等の導電体を埋め込んで埋め込み配線を形成したり、このようにして形成した配線の表面を保護する保護膜を形成したりするのに使用される無電解めっき装置及び無電解めっき方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無電解めっきは、外部から電気を流すことなく、めっき液中の金属イオンを化学的に還元して被処理材の被めっき面にめっき膜を形成するようにした方法であり、耐食、耐摩耗性のニッケル−りん，ニッケル−硼素めっき、プリント配線基板用銅めっきなどに広く用いられている。
【０００３】
この無電解めっき装置としては、無電解めっき液を保持するめっき槽と、このめっき槽の上部に配置され、基板等の被処理材を保持する上下動自在な保持部とを有し、この保持部で保持した被処理材をめっき槽内のめっき液に浸漬させるようにしたもの等が一般に知られている。この種のめっき装置にあっては、めっき液の温度や成分等を管理するめっき液管理装置が別途設けられ、めっき槽をオーバーフローしためっき液は、このめっき液管理装置でその温度と成分等が管理されてめっき槽に供給される（戻される）ようになっている。
【０００４】
近年、半導体チップの高速化、高集積化に伴い、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め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、めっきが一般的である。いずれにしても、基板の表面に銅層を成膜した後、その表面を化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により平坦に研磨するようにしている。
【０００５】
この種の配線にあっては、平坦化後、その配線の表面が外部に露出しており、この上に埋め込み配線を形成する際、例えば次工程の層間絶縁膜形成プロセスにおけるＳｉＯ２形成時の表面酸化やコンタクトホールを形成するためのＳｉＯ２エッチング等に際して、コンタクトホールの底に露出した配線のエッチャントやレジスト剥離等による表面汚染、更には銅配線にあっては銅の拡散が懸念されている。
【０００６】
このため、銀や銅等の配線材料との接合が強く、しかも比抵抗（ρ）が低い、例えばＮｉ−Ｂ合金膜等からなる保護膜（めっき膜）で配線の表面を選択的に覆って保護することが考えられる。ここで、Ｎｉ−Ｂ合金膜は、例えばニッケルイオン、ニッケルイオンの錯化剤、ニッケルイオンの還元剤としてのアルキルアミンボランまたは硼素化水素化合物等を有する無電解めっき液を使用した無電解めっきを施すことによって、銅等の表面に選択的に形成することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
無電解めっきの適用箇所は、銅配線の主たる埋め込み材（Ｃｕ）、バリヤメタル上のシード層の形成、またはシードの補強（Ｃｕ）、更にはバリヤメタルそのものの形成、銅配線材の蓋材形成（いずれもＮｉ−Ｐ，Ｎｉ−Ｂ，Ｃｏ−Ｐ，Ｎｉ−Ｗ−Ｐ，Ｎｉ−Ｃｏ−Ｐ，Ｃｏ−Ｗ−Ｐ，Ｃｏ−Ｗ−Ｂ）などがあるが、いずれの無電解めっきプロセスでも被処理材の全面に亘る膜厚の均一性が要求される。
【０００８】
ここで、無電解めっきにあっては、被処理材が無電解めっき液と接触すると同時に被めっき面にめっき金属が析出し、めっき液の温度によってめっき金属の析出速度が異なる。このため、被処理材の被めっき面に均一な膜厚のめっき膜を形成するためには、常に一定の温度に制御しためっき液に被処理材を接触させ、めっき処理中に亘ってめっき液の温度を一定に保持することが要求される。
【０００９】
しかしながら、従来の無電解めっき装置は、一定の温度に加熱しためっき液をめっき槽や被処理材の被めっき面に供給するようにしているため、このめっき液の移送やめっきの進行の過程でめっき液の温度が変動（低下）し、保持部内に内蔵したヒータ等によって、めっき槽内のめっき液を加熱したとしても、めっき処理中におけるめっき槽内のめっき液を常に一定の温度に制御することが困難であった。更に、めっきの面内均一性を確保するためには、めっき温度の均一性と共に、めっき槽内におけるめっき液の流れを均一にすることが要求されるが、めっき槽内のめっき液を常に循環または攪拌させると、被処理材の表面に均一なめっき液の流れを形成することが困難で、逆にめっき槽内のめっき液を循環または攪拌させないと、めっき槽内のめっき液の温度をその全域に亘って均一に維持することが困難となる。
【００１０】
無電解めっきのレートや膜質は、無電解めっき液の温度に依存するところが大きく、被処理材の膜厚や膜質の均一性を確保するためには、めっき中におけるめっき液の温度を常に±１℃の範囲でコントロールすることが望まれる。しかし、従来の無電解めっき装置では、めっき処理の過程でめっき液の温度が変動しやすくなって、めっき中におけるめっき槽内のめっき液に±５℃程度の温度のばらつきが生じ、この要求に応えることが困難であった。更に、めっき装置は、めっき槽とめっき液管理装置とを有しているため、フットプリントが大きくなってしまうばかりでなく、装置としてかなり複雑化してしまう。
【００１１】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、めっき中におけるめっき液の温度をより均一に制御して被処理材の被めっき面により均一なめっき膜を容易に形成し、しかも装置として比較的簡単で、フットプリントを小さく抑えることができるようにした無電解めっき装置及び無電解めっき方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、内壁で区画され上方に開口する内槽と、前記内壁と該内壁の側部及び底部を覆う外壁との間に区画形成された密閉された外槽とを有し、前記内壁に設けた連通孔を介して内槽内のめっき液と外槽内のめっき液を連通させた二重槽構造のめっき槽と、前記外槽の内部に配置された加熱装置と、前記めっき槽の上方に配置され、被めっき面を下向きにして被処理材を保持する上下動及び回転自在な保持部を有することを特徴とする無電解めっき装置である。
【００１３】
このように、めっき槽を内槽と外槽からなる二重槽構造にし、外槽の内部に加熱装置を配置することで、構造を簡素化するとともに、フットプリントを小さくし、しかも、めっき中においても、内槽内のめっき液を外槽内のめっき液によって断熱し保温することで、めっき中におけるめっき液の温度をより均一に制御して被処理材の被めっき面により均一なめっき膜を容易に形成することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記めっき槽内のめっき液を循環または攪拌させる手段を有することを特徴とする請求項１記載の無電解めっき装置である。このように、めっき槽内のめっき液を循環または攪拌させることで、外槽内に配置した加熱装置で加熱しためっき液のめっき槽内におけるめっき温度を均一に維持することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記めっき槽内のめっき液を循環させる手段は、前記内槽内のめっき液を引き抜いて前記外槽内に戻すめっき液循環系からなることを特徴とする請求項２記載の無電解めっき装置である。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、前記めっき槽内のめっき液を攪拌させる手段は、前記内槽のほぼ中央に配置された攪拌装置からなることを特徴とする請求項２記載の無電解めっき装置である。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、内壁で区画され上方に開口する内槽と、前記内壁と該内壁の側部及び底部を覆う外壁との間に区画形成された外槽とを有し、前記内壁に設けた連通孔を介して内槽内のめっき液と外槽内のめっき液を連通させた二重槽構造のめっき槽と、前記外槽の内部に配置された加熱装置と、前記めっき槽の上方に配置され、被めっき面を下向きにして被処理材を保持する上下動及び回転自在な保持部と、前記めっき槽内のめっき液を循環または攪拌させる手段を有する無電解めっき装置でめっきを行うにあたり、前記加熱装置で外槽内のめっき液を加熱したまま、前記めっき槽内のめっき液の循環または攪拌を停止させ、被処理材を回転させながら前記内槽内のめっき液に被処理材の被めっき面を接触させて該被めっき面にめっきを行うことを特徴とする無電解めっき方法である。
【００１８】
このように、めっき進行時にめっき槽内のめっき液の流れを停止させることで、めっきのでき具合がめっき液の流れに依存しないようにすることができる。なお、めっき時におけるめっき槽内の自然対流によるめっき液の僅かな温度変化は、被処理材の回転に起因するめっき液の流れで打ち消すことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、半導体装置における銅配線形成例を工程順に示すもので、先ず、図１（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ＳｉＯ２からなる絶縁膜２を堆積し、この絶縁膜２の内部に、例えばリソグラフィ・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等からなるバリア層５、更にその上に電解めっきの給電層としての銅シード層６をスパッタリング等により形成する。
【００２０】
そして、図１（ｂ）に示すように、半導体基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、半導体基板Ｗのコンタクトホール３及び溝４内に銅を充填させるとともに、絶縁膜２上に銅層７を堆積させる。銅層７の熱処理により銅層７の抵抗を下げ、その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜２上の銅層７を除去して、コンタクトホール３及び配線用の溝４に充填させた銅層７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１（ｃ）に示すように、絶縁膜２の内部に銅シード層６と銅層７からなる配線８を形成する。次に、基板Ｗの表面に、例えば無電解Ｎｉ−Ｂめっきを施して、図１（ｄ）に示すように、配線８の露出表面にＮｉ−Ｂ合金膜からなる保護膜（めっき膜）９を選択的に形成して配線８を保護する。
【００２１】
図２及び図３は、本発明の実施の形態の無電解めっき装置を示す。この無電解めっき装置は、例えば、図１におけるバリア層５の形成、銅シード層６の補強、銅層７の堆積、更には、保護膜（めっき膜）９の形成に使用される。
この無電解めっき装置１０は、上方に開口し、内部にめっき液１２を保持してめっき処理を施す内槽１４と、この内槽１４の上端開口部に配置され、半導体ウエハ等の基板（被処理材）Ｗを該基板Ｗの表面（被めっき面）を下向き（フェースダウン）にして保持する基板保持部１６を有している。
【００２２】
内槽１４は、二重槽構造のめっき槽１８の内部に形成されている。すなわち、めっき槽１８は、内壁２０で区画された上方に開口する内槽１４と、この内壁２０と該内壁２０の側部及び底部を覆う外壁２４との間に区画形成された密閉された外槽２６とを有している。そして、内壁２０には、内槽１４と外槽２６とを連通させる多数の連通孔２０ａがその全面に亘って形成され、これによって、内槽１４内のめっき液１２と外槽２６内のめっき液１２が直に連通して、めっき槽１８内のめっき液１２の水位が常に同じになるようになっている。
【００２３】
外槽２６の内部には、この例では、内部に加熱媒体を通して、めっき槽１８内のめっき液１２を外槽２６内において、例えば７０℃に加熱する加熱チューブ３０で構成された加熱装置が配置されている。
【００２４】
更に、めっき槽１８内のめっき液１２、すなわち内槽１４及び外槽２６内のめっき液１２を循環させるためのめっき液循環系３２が備えられている。このめっき液循環系３２は、循環ポンプ３４と、循環ポンプ３４の吐出し口と外槽２６とを接続するめっき液吐出し管３６と、循環ポンプ３４の吸込口と内槽１４とを接続するめっき液吸込管３８とを有している。これにより、循環ポンプ３４の駆動に伴って、内槽１４内のめっき液１２を循環ポンプ３４で吸い込んで外槽２６に戻し、これによって、内槽１４及び外槽２６内のめっき液１２が循環して、めっき槽１８内のめっき液１２の温度を均一に維持できるようになっている。
【００２５】
そして、このめっき液１２の循環の過程で外槽２６の内部に配置した加熱チューブ（加熱装置）３０でめっき液１２を加熱し、特に、内槽１４内のめっき液１２を外槽２６内のめっき液１２で遮断することで、めっき液１２の昇温及び保温を容易に行って、めっき槽１８内のめっき液１２の温度を一定に制御することができる。このめっき液１２の温度は、例えば２５〜９０℃、好ましくは５５〜８５℃程度であり、更に好ましくは６０〜８０℃程度である。
基板保持部１６は、基板Ｗを吸着等により保持し、基板Ｗを保持して上下動及び回転できるようになっている。
【００２６】
この実施の形態の無電解めっき装置にあっては、循環ポンプ３４を駆動させてめっき槽１８内のめっき液１２を循環させ、同時に加熱チューブ３０内に加熱媒体を導入することで、めっき液１２を外槽２６の内部で加熱し、更にこの加熱しためっき液１２を内槽１４内に直に導入することで、めっき槽１８内のめっき液１２を、例えば７０℃の一定の温度に制御する。一方、基板保持部１６を内槽１４に対して相対的に上昇させ、この下面で基板Ｗを吸着等により保持する。
【００２７】
そして、加熱チューブ３０内に加熱媒体を導入することでめっき液１２の加熱を継続したまま、循環ポンプ３４の駆動を停止させて、めっき槽１８内のめっき液１２の循環を止め、この状態で、基板保持部１６を下降させ、この基板保持部１６で保持した基板Ｗを内槽１４内のめっき液１２に浸漬させて、基板Ｗの表面（被めっき面）に、例えば数分間のめっきを行う。この時、必要に応じて、基板Ｗを低速（例えば１〜３ｒｐｍ）で回転させる。このように、例えば数分間の無電解めっきを行っても、めっき液１２の加熱を継続することで、めっき処理中におけるめっき液１２の温度を常に±１℃の範囲でコントロールできることが確かめられている。
【００２８】
この時の内槽１４内におけるめっき液１２の状態を図３に示す。つまり、めっき液１２は循環していないが、内槽１４内のめっき液１２は、加熱チューブ３０を介して外部から加熱されており、このため、図３（ａ）に示すように、自然対流によって、内槽１４の外周部を通って上昇し、内槽１４の中央部から下降するめっき液の流れが生ずる。一方、内槽１４の上部に基板Ｗを浸漬させ、これを低速で回転させると、図３（ｂ）に示すように、内槽１４の中央部で上昇し、内槽１４の外周部で下降するめっき液の流れが生じる。従って、この２つの流れを合わせることで、図３（ｃ）に示すように、内槽１４の内部、特に、基板Ｗの表面（被めっき面）近傍を静止浴とすることができる。
【００２９】
無電解めっきは、めっき液の流れに敏感に依存し、このめっき液の流れを均一にすることが困難であるが、前述のように、めっき進行時に内槽１４内のめっき液１２の流れを停止させることで、めっきのでき具合がめっき液の流れに依存しないようにすることができる。しかも、めっき時における内槽１４内の自然対流によるめっき液１２の僅かな温度変化を基板Ｗの回転に起因するめっき液の流れで打ち消して静止浴とすることで、めっき液の流れに依存しない、均一なめっき膜を成膜することができる。
【００３０】
めっき処理が完了した後、基板保持部１６を上昇させ、基板保持部１６を洗浄位置等に搬送し、基板Ｗを回転させつつ、洗浄液ノズル（図示せず）から洗浄液を基板Ｗの被めっき面に向けて噴射して、被めっき面を冷却すると同時に希釈化・洗浄することで無電解めっき反応を停止させる。
そして、基板保持部１６で保持しためっき処理後の基板をロボットのハンド等に受渡して、めっき後の基板を次工程に搬送する。
【００３１】
図４は、本発明の他の実施の形態の無電解めっき装置１０ａを示す。この無電解めっき装置１０ａの図２及び図３に示す無電解めっき装置１０と異なる点は、内槽１４の内部のほぼ中央に、攪拌装置４０の攪拌羽根４２を配置し、これによって、攪拌羽根４２の回転に伴って、めっき槽１８内のめっき液１２を循環させるようにした点にある。その他の構成は、図２及び図３に示すものと同様であるので、ここでは、同一または相当部材に同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３２】
図５は、無電解めっき装置１０によって一連のめっき処理を行うめっき処理装置の全体構成を示す。このめっき処理装置は、各一対の無電解めっき装置１０、ロード・アンロード部７０、例えばＰｄ触媒を付与する触媒処理や露出配線表面に付着した酸化膜を除去する酸化膜除去処理等のめっき前処理を行うめっき前処理装置７２、粗洗浄可能な仮置き部７４及び後洗浄装置７６を有し、更にロード・アンロード部７０、後洗浄装置７６及び仮置き部７４の間で基板Ｗを搬送する第１搬送装置７８ａと、無電解めっき装置１０、めっき前処理装置７２及び仮置き部７４の間に基板Ｗを搬送する第２搬送装置７８ｂが備えられている。
【００３３】
次に、上記のように構成しためっき処理装置による一連のめっき処理の工程について説明する。まず、ロード・アンロード部７０に保持された基板Ｗを第１搬送装置７８ａにより取出し、仮置き部７４に置く。第２搬送装置７８ｂは、これをめっき前処理装置７２に搬送し、ここでＰｄＣｌ２液等の触媒による触媒付与処理や露出配線表面に付着した酸化膜を除去する酸化膜除去処理等のめっき前処理を行い、しかる後リンスする。
【００３４】
第２搬送装置７８ｂは、基板Ｗをさらに無電解めっき装置１０に運び、ここで所定の還元剤と所定のめっき液を用いて無電解めっき処理を行う。次に、第２搬送装置７８ｂでめっき後の基板を無電解めっき装置１０から取出して仮置き部７４に運ぶ。仮置き部７４では、基板の粗洗浄を行う。そして、第１搬送装置７８ａは、この基板を後洗浄装置７６に運び、この後洗浄装置７６でペンシル・スポンジによる仕上げの洗浄とスピンドライによる乾燥を行って、ロード・アンロード部７０へ戻す。基板は後にめっき装置や酸化膜形成装置に搬送される。
【００３５】
図６は、図１に示す保護膜９を形成する一連のめっき処理（蓋めっき処理）を行うめっき処理装置の全体構成を示す。このめっき処理装置は、ロード・アンロード部８０、前処理部８２、Ｐｄ付着部８４、めっき前処理部８６、無電解めっき装置１０及び洗浄・乾燥処理部８８を有し、更に、搬送経路９０に沿って走行自在で、これらの間で基板の受渡しを行う搬送装置９２が備えられている。
【００３６】
次に、上記のように構成しためっき処理装置による一連のめっき処理（蓋めっき処理）の工程について説明する。まず、ロード・アンロード部８０に保持された基板Ｗを搬送装置９２により取出し、前処理部８２に搬送し、ここで、基板に例えば基板表面を再度洗浄する前処理を施す。そして、銅層７（図１参照）の表面にＰｄ付着部８４でＰｄを付着させて銅層７の露出表面を活性化させ、しかる後、めっき前処理部８６でめっき前処理、例えば中和処理を施す。次に、無電解めっき装置１０に搬送し、ここで、活性化した銅層７の表面に、例えばＣｏ−Ｗ−Ｐによる選択的な無電解めっきを施し、これによって、図１（ｄ）に示すように、銅層７の露出表面をＣｏ−Ｗ−Ｐ膜（保護膜）９で保護する。この無電解めっき液としては、例えば、コバルトの塩とタングステンの塩に、還元剤、錯化剤、ｐＨ緩衝剤及びｐＨ調整剤を添加したものがあげられる。
【００３７】
なお、研磨後に露出した表面に、例えば無電解Ｎｉ−Ｂめっきを施して、配線８の外部への露出表面に、Ｎｉ−Ｂ合金膜からなる保護膜（めっき膜）９を選択的に形成して配線８を保護するようにしてもよい。この保護膜９の膜厚は、０．１〜５００ｎｍ、好ましくは、１〜２００ｎｍ、更に好ましくは、１０〜１００ｎｍ程度である。
【００３８】
この保護膜９を形成する無電解Ｎｉ−Ｂめっき液としては、例えばニッケルイオン、ニッケルイオンの錯化剤、ニッケルイオンの還元剤としてのアルキルアミンボランまたは硼素化水素化合物を含有し、ｐＨ調整にＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を使用して、ｐＨを５〜１２に調整したものが使用される。
次に、この蓋めっき処理後の基板Ｗを洗浄・乾燥処理部８８に搬送して洗浄・乾燥処理を行い、この洗浄・乾燥後の基板Ｗを搬送装置９２でロード・アンロード部８０のカセットに戻す。
【００３９】
なお、この例では、蓋めっき処理として、Ｃｏ−Ｗ−Ｐ無電解めっき処理を施す前に、Ｐｄを付着することによって活性化させた銅層７の露出表面をＣｏ−Ｗ−Ｐ膜で選択的に被覆するようにした例を示しているが、これに限定されないことは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、めっき槽を内槽と外槽からなる二重槽構造にし、外槽の内部に加熱装置を配置することで、構造を簡素化するとともに、フットプリントを小さくすることができる。しかも、めっき中においても、内槽内のめっき液を外槽内のめっき液によって断熱し保温することで、めっき中におけるめっき液の温度をより均一に制御して被処理材の被めっき面により均一なめっき膜を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】本発明の実施の形態の無電解めっき装置の断面図である。
【図３】めっき時におけるめっき槽内のめっき液の状態の説明に付する図である。
【図４】本発明の他の実施の形態の無電解めっき装置の断面図である。
【図５】図２及び図３に示す無電解めっき装置を備えためっき処理装置を示す平面配置図である。
【図６】図２及び図３に示す無電解めっき装置を備えた他のめっき処理装置を示す平面配置図である。
【符号の説明】
６ 銅シード層
７ 銅層
８ 配線
９ 保護膜
１０，１０ａ 無電解めっき装置
１２ めっき液
１４ 内槽
１６ 基板保持部
１８ めっき槽
２０ 内壁
２０ａ 連通孔
２４ 外壁
２６ 外槽
３０ 加熱チューブ（加熱装置）
３２ めっき液循環系（攪拌手段）
３４ 循環ポンプ
４０ 攪拌装置（攪拌手段）
４２ 攪拌羽根
７０、８０ ロード・アンロード部
７２ 前処理装置
７４ 仮置き部
７６ 後洗浄装置
８２ 前処理部
８４ Ｐｄ付着部
８６ めっき前処理部
８８ 洗浄・乾燥処理部
Claims (5)
- 内壁で区画され上方に開口する内槽と、前記内壁と該内壁の側部及び底部を覆う外壁との間に区画形成された密閉された外槽とを有し、前記内壁に設けた連通孔を介して内槽内のめっき液と外槽内のめっき液を連通させた二重槽構造のめっき槽と、
前記外槽の内部に配置された加熱装置と、
前記めっき槽の上方に配置され、被めっき面を下向きにして被処理材を保持する上下動及び回転自在な保持部を有することを特徴とする無電解めっき装置。 - 前記めっき槽内のめっき液を循環または攪拌させる手段を有することを特徴とする請求項１記載の無電解めっき装置。
- 前記めっき槽内のめっき液を循環させる手段は、前記内槽内のめっき液を引き抜いて前記外槽内に戻すめっき液循環系からなることを特徴とする請求項２記載の無電解めっき装置。
- 前記めっき槽内のめっき液を攪拌させる手段は、前記内槽のほぼ中央に配置された攪拌装置からなることを特徴とする請求項２記載の無電解めっき装置。
- 内壁で区画され上方に開口する内槽と、前記内壁と該内壁の側部及び底部を覆う外壁との間に区画形成された外槽とを有し、前記内壁に設けた連通孔を介して内槽内のめっき液と外槽内のめっき液を連通させた二重槽構造のめっき槽と、
前記外槽の内部に配置された加熱装置と、
前記めっき槽の上方に配置され、被めっき面を下向きにして被処理材を保持する上下動及び回転自在な保持部と、
前記めっき槽内のめっき液を循環または攪拌させる手段を有する無電解めっき装置でめっきを行うにあたり、
前記加熱装置で外槽内のめっき液を加熱したまま、前記めっき槽内のめっき液の循環または攪拌を停止させ、被処理材を回転させながら前記内槽内のめっき液に被処理材の被めっき面を接触させて該被めっき面にめっきを行うことを特徴とする無電解めっき方法。
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