JP4212905B2

JP4212905B2 - めっき方法およびこれに使用するめっき装置

Info

Publication number: JP4212905B2
Application number: JP2003015235A
Authority: JP
Inventors: 敬一倉科; 毅佐保田; 勉中田; 浩二三島
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: JP2004225119A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体基板などの基板に回路パターン配線を銅めっきなどの金属めっきを用いて形成するための基板めっき方法およびこれに用いる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、半導体基板上に、回路形状の微小溝や微孔を作成し、銅めっきによりこれらを埋め、残りの部分の銅めっき皮膜をＣＭＰ等の手段により除去して回路を形成することが行われている。この技術においては、回路形状の微小溝あるいは微孔の中に選択的に銅めっきが析出し、それ以外の部分では、銅めっきの析出が少ないことが望ましい。
【０００３】
従来、このような目的を達成するために、めっき液の浴組成や、使用する光沢剤等めっき液での工夫が行われおり、これらによってある程度は目的が達成されるが、一定の限界があった。
【０００４】
一方、回路形状の溝の中に選択的に銅めっきを析出させるための別の技術としては、含浸体をウェハに接触させ、また接触方向に相対的に動かしながらめっきを行うという方法が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
この技術で用いる含浸体は、ＰＶＡ、多孔質テフロン、ポリプロピレン等を繊維状に編んだり、漉いて紙状に加工したもの、あるいはゲル化シリコン酸化物や寒天質等の不定形物などであり、それらの表面粗さは数ミクロンから数百ミクロンであった。このような表面粗さの含浸体は、サブミクロンから数ミクロンである半導体基板上の凹凸面を平坦化するためには問題があるものであった。
【０００６】
また、上記技術では、接触させながら接触面に対して水平方向に相対的に移動（擦り）させる事により、めっき液の供給量を凹凸部で変え、平坦性の向上を試みているが、上述したような表面粗さにより思うような効果が得られ難いと言う問題があった。
【０００７】
更に、接触させるための荷重を大きくし多孔質の空間部を押しつぶす事により、平坦性は向上すると考えられるが、その場合にはウェハに非常に大きな荷重を掛ける必要があるため、ローｋ材などの柔らかい絶縁膜を対象とした場合には、膜を破壊したり、まためっき表面にも傷が入りやすくなるなど実現化が困難であった。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２３２０７８
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、機械的手段によって、回路形状の微小溝や微孔の中に選択的に銅めっき等の金属めっきを析出させるための技術の提供が求められており、このような技術の提供が本発明の課題である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、半導体基板上の微小溝や微孔に対し、優先的にめっき液を送り、優先的に金属を析出させる方法について、鋭意検討を行った。そしてその結果、平坦性が高く、しかもめっき液を通す程度の微細貫通穴を有する板状体を導電処理された半導体基板に接触させてめっきを行えば、めっき液は、微小溝や微孔が形成する空間に流れ、この板状体と接触する基板平面部にはほとんど流れないため、微小溝や微孔に優先的に金属析出が起こることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
すなわち本発明は、微小溝および／または微孔を有する基板上に導電体層を形成し、この導電体層上に金属めっきを行って微小溝および／または微孔中に金属を充填する電気めっき方法であって、平滑度の高い硬質接触面と、めっき液が通過できる微細貫通穴を有する接触体を導電体層に接触させつつ金属めっきを行うことを特徴とするめっき方法である。
【００１２】
また本発明は、めっき液を保持するためのめっき槽、陽極、導電体層が形成された微小溝および／または微孔を有する基板を保持しながら陰極電位を与えるための保持手段および電源を有するめっき装置において、陽極と保持された基板の間に、基板上の導電体層に接触しつつ、めっき液を供給することのできる、平滑度の高い硬質接触面と、めっき液が通過できる微細貫通穴とを有する接触体を配置したことを特徴とするめっき装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、平滑度の高い硬質接触面と、めっき液が通過できる微細貫通穴を有する接触体を導電体層に接触させつつめっきを行う点に特徴を有するものである。
【００１４】
この接触体には、基板の導電体層と接触する面（表面）の平滑性が高く、かつ、めっき液が通過できる微細貫通穴を有することが必要である。また、この接触体自体にめっきが析出しないよう、少なくとも接触面は絶縁物もしくは絶縁性の高い物質で形成されていることが必要である。更に、基板の平坦面をしっかりと押さえ、この部分にめっきがなるべく析出しないようにするために、ある程度の固さのある硬質物質であることも必要である。
【００１５】
この接触体に要求される平滑性は、最大粗さ（ＲＭＳ）が数ｎｍ以下程度であり、好ましくは最大粗さが１ｎｍ以下程度である。平滑性が上記より低い場合は、基板平面部にもめっきされるようになり、目的とする微小溝および／または微孔（以下、「微小溝」という）での優先析出ができなくなる場合がある。
【００１６】
また、接触体に要求される微細貫通穴は、接触面での平坦性を保つために丸穴の貫通孔が好ましく、更に、微細貫通穴の穴径や単位面積当たりの個数などはめっきする膜質や配線パターンによって最適値が異なるが、両者とも小さい方が凹部と凸部におけるめっき成長の選択性が向上する。
【００１７】
具体的な、微細貫通穴の穴径や単位面積当たりの個数としては、例えば、穴径１５から４００ｎｍ程度の微小貫通孔が、１ｃｍ²あたり１０⁵から１０⁹個程度あれば十分である。
【００１８】
更に、接触体に要求される固さは、引張り強度が５００ｋｇ／ｃｍ²以上、破裂強度が５×１０^-2ＭＰａ以上程度であればよい。
【００１９】
上記のような条件を満たす接触体材料としては、ポリカーボネート、ポリイミド、ピーク、べスペル（商品名）、ガラスまたは酸化チタン等が挙げられる。このうち、ポリカーボネートで調製した接触体材料の具体例としては、ニュクリポアー・トラックエッチ・メンブレンが挙げられる。このものは、ポリカーボネートフィルムにアクセラレーターで加速した高エネルギーの重金属（Ｃｕ等）を貫通させ、これにより生成する直線上のトラック（軌跡）を選択的にエッチングすることにより大きさのそろった微孔を形成せしめたものである。
【００２０】
本発明方法における、接触体と基板の導電体層の接触の態様としては、めっき時間中これらを固定接触させていてもよいが、どちらか一方あるいは双方を運動させ、摺動状態でめっきをしても良い。この場合の運動の例としては、自転ないし公転等の回転運動が挙げられる。
【００２１】
また、適当な間隔で接触と非接触の状態を繰り返し、めっきしても良い。この場合には、接触時に電圧を印加し、非接触の時に休止するというように、運動と電圧印加を連動させても良い。より具体的に、接触、非接触の状態を繰り返しめっきを行う場合、基板と接触体を接触、静止した状態で、パルス電圧印加してめっきしても良いし、基板と接触体を接触、静止した状態から電圧を印加しない状態で少し摺動させた後、摺動を止め静止し、この状態でパルス電圧印加してめっきしても良い。また、基板と接触体を接触させた状態で摺動させながらパルス電圧印加してめっきしても良い。
【００２２】
次に、いくつかの図面を挙げ、本発明を更に詳しく説明する。まず、図１は、本発明方法の実施の一態様における各層ないし各皮膜の重なり状態等を模式的に示す図面である。本図において、１０１は半導体基板（Ｓｉ基板）、１０２は絶縁膜、１０３は導電体膜、１０４は基板平面部、１０５は微小溝、１０６はめっき液、１０８はアノード、１０９は電源、１１０は接触体、１１１は微小貫通穴を意味する。
【００２３】
半導体基板１０１の上には、常法に従って絶縁膜１０２および導電体膜１０３が形成されており、めっき可能とされている。この半導体基板１０１の導電体膜１０３の表面に、これと接触する状態で表面が非常に平坦性の高い接触体１１０が配置され、この接触体１１０を挟むようにめっき液１０６中にアノード１０８が配置されている。
【００２４】
また、接触体１１０が押し当てられている部分以外のめっき成長を防ぐためにアノード１０８と導電体膜１０３は、接触体１１０により絶縁されており、貫通穴１１１部のみで導電性を確保している。すなわち、上部のめっき液１０６は、接触体１１０に設けられた貫通穴１１１のみを通して微小溝１０５中のめっき液１０６と連通し、これによりめっきが行われる。
【００２５】
この図に示すように基板平面部１０４と接触体１１０が接触する部分ではめっき液は殆ど存在しない。一方、微小溝１０５と接触体１１０の間には、一定の空間部があるため、接触体１１０の微小貫通穴１１１を通じ、めっき液が流通する。
【００２６】
この状態で通電を開始すると、一定時間後はめっき液が充填されている微小溝１０５の部分にのみに選択的にめっきが行われる。そして、めっきの進展と共に微小溝１０５中の金属イオンが消費されるが、接触体１１０に設けられた貫通穴１１１を通って新鮮なめっき液が供給されるので、問題なくめっきが進行する。
【００２７】
そして、めっきで微小溝１０５を埋めるだけのクーロン量を与える通電時間の後、通電を停止し、接触体１１０と半導体基板１０１を離し、次工程へとプロセスを進める。
【００２８】
本発明方法によるめっきは、半導体基板１０１全体に対し一度に行っても良いし、また、微小溝１０５のうち特定の配線パターン等に対して部分的に行ない、最終的に従来のめっき方法で全ての微小溝１０５を埋めるという工程をとっても構わない。
【００２９】
図２は、本発明方法の別の態様における各層ないし各皮膜の重なり状態等を模式的に示す図面である。図中、１０１ないし１１１は図１と同じであり、１１２は軟質多孔質体、１１３は硬質多孔質体を意味する。
【００３０】
この態様は、平滑度の高い硬質接触面を有する接触体１１１の上に、軟質多孔質体１１２および硬質多孔質体１１３の層を設けたものであり、接触体１１１を均一な力で半導体基板１０１に押しつけることが可能となるものである。
【００３１】
使用される軟質多孔質体１１２としては、ＰＶＡスポンジなどが好ましい。また、硬質多孔質体としては、ＳｉＣ、アルミナなどが好ましい。
【００３２】
この態様では、硬質多孔質体１１３に力を加えることにより軟質多孔質体１１２を介して接触体１１０が半導体基板１０１に押し付けられる。接触体１１０の接触面は平坦な表面なため、押しつけに要する力は非常に小さくて良い。そして、新鮮なめっき液は硬質多孔質体１１３、軟質多孔質体１１２にしみこみ、接触体１１０の微細貫通穴１１１を通り、微小溝１０５と接触体１１０が形成する空間へ供給される。
【００３３】
ところで、良好な金属めっき膜を得るためには、新鮮なめっき液が潤沢に半導体基板１０１のめっき部に供給される必要があるが、図２に示すような多孔質体を重ねる構成はめっき液の流路抵抗が大きくなるために新鮮なめっき液供給状態がやや低下する。従って、低電流密度でのめっきが必要となり、この場合めっきの膜成長速度は遅くなるが、接触体１１０が半導体基板１０１に押し付けられる結果、めっきする部分はほとんど微小溝１０５部分のみとなり、めっき量自体も非常に少なくなるため、現在のように厚膜をめっきしている場合のスループットと同等程度のスループットを得ることが可能である。
【００３４】
更に、微小溝１０５部分のめっき成長を促進させる方法として、接触体１１０と半導体基板１０１との接触・非接触に合わせて間欠的に電力を供給する方法を採用することもできる。即ち、接触体１１０と半導体基板１０１が接触している時のみ電力を供給する方法である。
【００３５】
図３に、本発明方法において、一定電圧でめっきを行った際の基板平面部１０４および微小溝１０５の電流値変化を模式的に示した図面を示す（この図面では、銅イオンの供給と消費バランスからのみ考察されており、添加剤の吸着、分解、消費などは取り扱ってはいない）。
【００３６】
電気めっきにおいては、めっきされる部分に新鮮なめっき液が充分ある場合は金属イオン等が多く、めっき液抵抗が小さいため、大きな電流が流れる。しかし、めっき液中の金属イオンが消費され、供給が不十分な場合にはめっき液抵抗が大きくなり電流が小さくなる。基板平面部１０４と接触体１１０の表面で囲まれた空間と、微小溝１０５と接触体１１０の表面で囲まれた空間ではめっき液量が異なるため、めっき液抵抗が大きくなる時間が異なる。すなわち、基板平面部１０４の方が早い時期（ａ₁）から電流値の低下が始まるのに対し、微小溝１０５では、それよりかなり遅い時期（ａ₂）から電流値低下が始まる。そして、それぞれ供給と消費のバランスがとれた時期（ｂ₁、ｂ₂）以後一定電流となる。
【００３７】
この一定電流となる時期やその電流値は微小溝１０５の幅や孔径あるいはその数等により変化し、また、電流一定制御の場合には上記電流減少に呼応した電圧上昇が発生する。このような電流・電圧履歴や、めっき析出量が電流に依存することを考えると、本発明方法でのめっき方法では、図３の斜線で示した部分が微小溝に優先的めっきが行われる領域であることが理解される。
【００３８】
そして、このような理解を元にすれば、図４に示すように、接触体１１０と半導体基板１０１の接触、非接触のサイクルに同期させて電圧あるいは電流をパルス的に印加すれば、基板平面部１０４に比べ、微小溝１０５のめっき成長を促進させることができることがわかる。
【００３９】
この場合のパルス幅は、微小溝１０５において、電流低下が認められるまでの時間（ａ₂）とすることが最も有効である。また、これら接触・非接触の動作を行う事により微小溝１０５への新鮮なめっき液の供給も行われるため膜質確保の面から電流密度を小さくする必要が無く、スループットの悪化も大きくはない。
【００４０】
なお、半導体基板１０１の面内膜厚分布の改善のために、非接触時に接触体１１０と半導体基板１０１との相対的な位置関係をずらすよう半導体基板保持台には回転機構、接触体１１０保持には自公転機構を有していても良い。
【００４１】
次に本発明方法を実施するために用いられる電解めっき装置の一態様を図５に示す。図５に示す電解めっき装置は、いわゆるフェイスアップ方式を採用した電解めっき装置であり、半導体基板１０１は上向きに基板載置台３３０上に載置されている。半導体基板１０１の周辺はリング状に形成されたリップシール３３４の先端が当接してシールされ、その内側にめっき液３１０が満たされている。また半導体基板１０１の表面側に位置するリップシール３３４の外方には、半導体基板１０１の表面の導電層に接触して半導体基板１０１に陰極電位を印加する接点３３６が設置されている。
【００４２】
半導体基板１０１の上方には、所定の間隔を介して円板状の接触体１１０と円板状のアノード１０８とが保持部材３３２に保持されて設置されている。このアノード１０８には厚み方向に貫通する多数の細孔３３９が設けられ、アノード１０８の上には前記各細孔３３９にめっき液を分配して供給するめっき液導入管３４１が設置されている。
【００４３】
上記の保持部材３３２に保持されたアノード１０８および接触体１１０は、めっき時には下降し、接触体１１０の硬質接触面が半導体基板１０１と接触される。また、この実施の形態では、接触体１１０は多孔質セラミックス板（例えば気孔率２０％、平均ポア径５０μｍで厚さが１０ｍｍのＳｉＣ製）で構成され、その内部にめっき液２１０を含有させることができる。更にアノード１０８は、保持部材３３２と接触体１１０によって完全に被覆された構造となっている。
【００４４】
この実施の形態においては、接触体１１０の外周側面にこれを囲むようにバンド状の絶縁性部材３５０を巻きつけており、微少貫通孔１１１以外からの電流が流れることを防いでいる。この絶縁性部材３５０の材質としては、例えばフッ素ゴムのような伸縮性材料が挙げられる。
【００４５】
そして、めっき液導入管３４１からアノード１０８の細孔３３９を通して接触体１１０（多孔質セラミックス板）に加圧供給されためっき液２１０は、接触体１１０中の微少貫通孔１１１通って接触体１１０内に浸透するとともに、その下面から吐出され、半導体基板１０１の導電体膜１０３上に供給される。
【００４６】
この状態で、アノード１０８と半導体基板１０１上の導電体膜１０３の間に所定の電圧を印加して直流電流を流すと、導電体膜１０３の表面全体にめっき（例えば銅めっき）が行われていく。この実施の形態によれば、アノード１０８と半導体基板１０１の導電体膜１０３と間に接触体１１０を介在しているので、前述のようにめっき液の供給されやすい微少溝１０５に優先的に金属が析出し、この微少溝を効率よく埋めてゆくことができる。
【００４７】
更に、めっき終了後、保持部材３３２を上昇させれば、これに保持されたアノード１０８および接触体１１０も上昇し、接触体１１０と半導体基板１０１のめっき面が分離する。
【００４８】
この際、接触体１１０の微少貫通孔１１１中に金属析出物が残存することがあるが、これは、接触体の接触面を別途準備したエッチング漕（図示せず）に浸漬することにより容易に除去できる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は、平滑度の高い硬質接触面を有する接触体を導電体層に接触させつつめっきを行うものであるため、基板平面部のめっき液を排除し、微小溝部分のみ選択的にめっきを行なうことができ、非常に平坦なめっきを行う事が可能となる。
【００５０】
また、基本的には、凹部である微小溝にのみめっきを行うため、めっき液の消費量が少なくてすみ、更には半導体基板と接触体で囲まれた容積でのめっき槽を構成する事でもめっき液の使用量が大幅に低減できる。
【００５１】
更に、接触体の接触・非接触の動きにより微細細部への液充が促進されるためボイドの発生などの抑制にも効果がある。
【００５２】
このように本発明は、特に半導体基板上に銅等の金属を用いて埋め込みめっきを行うダマシンプロセスにおいて有利に利用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様における各層ないし各皮膜の重なり状態等をを模式的に示す図面。
【図２】本発明の別の実施態様における各層ないし各皮膜の重なり状態等を模式的に示す図面。
【図３】本発明で、一定電圧でめっきを行った際の基板平面部および微小溝の電流値変化を模式的に示した図面。Ａは微小溝、Ｂは基板平坦部である。
【図４】本発明において、接触体と半導体基板の接触、非接触のサイクルに同期させて電圧あるいは電流をパルス的に印加する状態を示す図面。Ａは接触、Ｂは非接触である。
【図５】本発明方法を実施するために用いられる電解めっき装置の一態様を模式的に示した図面である。
【符号の説明】
１０１ … … 半導体基板（Ｓｉ基板）
１０２ … … 絶縁膜
１０３ … … 導電体膜
１０４ … … 基板平面部
１０５ … … 微小溝および／または微孔
１０６ … … めっき液
１０８ … … アノード
１０９ … … 電源
１１０ … … 接触体
１１１ … … 微小貫通穴
１１２ … … 軟質多孔質体
１１３ … … 硬質多孔質体
以上

Claims

微小溝および／または微孔を有する基板上に導電体層を形成し、この導電体層上に金属めっきを行って微小溝および／または微孔中に金属を充填する電気めっき方法であって、平滑度の高い硬質接触面と、めっき液が通過できかつ穴径が１５〜４００ｎｍである微細貫通穴を有する接触体を導電体層に接触させつつ金属めっきを行うことを特徴とするめっき方法。
間欠的な電圧印加によりめっきを行う請求項第１項記載のめっき方法。
微小溝および／または微孔を有する基板上に導電体層を形成し、この導電体層上に金属めっきを行って微小溝および／または微孔中に金属を充填する電気めっき方法であって、平滑度の高い硬質接触面と、めっき液が通過できかつ穴径が１５〜４００ｎｍである微細貫通穴を有する接触体を導電体層に接触させつつ、接触体と導電体層が、接触および非接触の２つの状態を取り、この接触、非接触の状態と同期して電圧を間欠的に印加することを特徴とするめっき方法。
めっき液を保持するためのめっき槽、陽極、導電体層が形成された微小溝および／または微孔を有する基板を保持しながら陰極電位を与えるための保持手段および電源を有するめっき装置において、陽極と保持された基板の間に、基板上の導電体層に接触しつつ、めっき液を供給することのできる、平滑度の高い硬質接触面と、めっき液が通過できかつ穴径が１５〜４００ｎｍである微細貫通穴とを有する接触体を配置したことを特徴とするめっき装置。
接触体の硬質接触面と基板とを平行な配置状態で接触させる請求項第４項記載のめっき装置。
接触体の少なくとも硬質接触面が、絶縁物もしくは絶縁性の高い物質で形成されている請求項第４項記載のめっき装置。
更に、接触体および／または基板を、自転ないし公転させる機構を有する請求項第４項記載のめっき装置。
接触体の少なくとも硬質接触面が、ポリカーボネート、ポリイミド、ピーク、ベスペル（商品名）、ガラスまたは酸化チタン材料で形成されている請求項第４項記載のめっき装置。
接触体が、硬質接触面、軟質多孔質体および硬質多孔質体を重ねあわせて形成されたものである請求項第４項記載のめっき装置。
軟質多孔質体がＰＶＡであり、硬質多孔質体がＳｉＣまたはアルミナ材料である請求項第９項記載のめっき装置。
更に、接触体と導電体層を、接触および非接触の２つの状態を取るための機構と、この接触、非接触の状態と同期して電圧を間欠的に印加する機構を有する請求項第４項記載のめっき装置。