JP4575401B2 - Plating film forming apparatus and plating film forming method - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置の製造プロセスにおいて、ダマシン配線等をめっき法を用いて形成するために用いられるめっき成膜装置および成膜方法に関する。 The present invention relates to a plating film forming apparatus and a film forming method used for forming a damascene wiring or the like by using a plating method in a semiconductor device manufacturing process.
半導体装置の製造プロセスでは、ダマシン配線等を形成するための金属膜堆積技術として、スパッタ法等により下地となる金属薄膜を形成し、この金属薄膜上にめっき法により金属膜を堆積させる方法が用いられている。 In a semiconductor device manufacturing process, as a metal film deposition technique for forming damascene wiring or the like, a method is used in which a metal thin film as a base is formed by sputtering or the like, and a metal film is deposited on the metal thin film by plating. It has been.
このめっき成膜を行うためのめっき処理装置では、成膜品質を保つために、めっき液に含まれる無機・有機成分の濃度を、滴定等の方法を用いて定期的に測定して監視し、その結果に基づいて薬液を補充したり、めっき液を排出したりすることにより、一定の成分濃度を保持している。 In the plating apparatus for performing this plating film formation, in order to maintain the film formation quality, the concentration of inorganic and organic components contained in the plating solution is periodically measured and monitored using a method such as titration, Based on the result, the chemical solution is replenished or the plating solution is discharged to maintain a constant component concentration.
しかしながら、被処理基板のめっき成膜処理を逐次行っていくと、経時的にめっき液に最初から含まれている有機成分以外に、めっき成膜および液循環によって有機成分から有機副生成物が派生し、これが増加する。この有機副生成物の生成には、めっき液中の溶存酸素による有機成分の酸化や分解が関与しているものと考えられている。 However, when the plating film forming process of the substrate to be processed is performed sequentially, organic by-products are derived from the organic components by plating film formation and liquid circulation in addition to the organic components originally contained in the plating solution over time. And this increases. It is considered that the formation of this organic by-product involves the oxidation and decomposition of organic components due to dissolved oxygen in the plating solution.
脱気や窒素吹き込み等の方法により、めっき液中の溶存酸素濃度を一定に管理することが、めっき反応の再現性を高める観点から検討されている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、この特許文献1に開示された技術は、めっき液の溶存酸素濃度を積極的に低減するものではなく、所定濃度以上となることを防止することを目的としているために、溶存酸素による有機副生成物の生成を抑制することができない。 From the viewpoint of improving the reproducibility of the plating reaction, it has been studied to maintain the dissolved oxygen concentration in the plating solution constant by a method such as degassing or nitrogen blowing (for example, see Patent Document 1). However, the technique disclosed in Patent Document 1 does not actively reduce the dissolved oxygen concentration of the plating solution, but aims to prevent the concentration from exceeding a predetermined concentration. Generation of by-products cannot be suppressed.
生成した有機副生成物は、めっき成膜時に、めっき成膜に有用な有機成分と同様に被成膜基板の表面へ吸着し、めっき膜中に取り込まれる。例えば、めっき電流が一定となるように電圧制御を行う定電流めっきでは、ダマシン配線内でのめっき膜成長の特性が有機副生成物によって変化してしまい、その結果、ボトムアップ量が低下してしまうという問題や、めっき膜中の不純物量が増加してしまうという問題が生じ、めっき膜の電気的特性にばらつきが生じる。
本発明は、めっき成膜による配線内のボトムアップ量やめっき膜中に含まれる不純物量を一定に保持するめっき成膜装置および成膜方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a plating film forming apparatus and a film forming method that can keep the bottom-up amount in wiring and the amount of impurities contained in the plating film constant by plating film formation.
本発明は第1発明として、被成膜基板の表面にCu膜を成膜するためのめっき槽と、一定量のめっき液を滞留させるめっき液タンクと、前記めっき槽と前記めっき液タンクとの間でめっき液を循環させるためのめっき液循環ラインと、前記めっき液循環ラインを流れるめっき液に水素を供給する水素供給ラインと、を具備することを特徴とするめっき成膜装置を提供する。 The present invention provides, as a first invention, a plating tank for forming a Cu film on the surface of a deposition target substrate, a plating solution tank for retaining a certain amount of plating solution, the plating vessel and the plating solution tank. There is provided a plating film forming apparatus comprising: a plating solution circulation line for circulating a plating solution between them; and a hydrogen supply line for supplying hydrogen to the plating solution flowing through the plating solution circulation line.
本発明は第2発明として、被処理基板を浸漬させるめっき槽と一定量のめっき液を滞留させるめっき液タンクとの間でめっき液を循環させながら、前記めっき槽から前記めっき液タンクへ流れるめっき液に水素ガスを気泡化させて供給し、前記めっき液タンクから前記めっき槽に流れるめっき液を脱気することを特徴とするめっき成膜方法を提供する。 As a second invention, the present invention provides plating that flows from the plating tank to the plating solution tank while circulating the plating solution between a plating bath that immerses the substrate to be processed and a plating solution tank that retains a certain amount of plating solution. Provided is a plating film forming method characterized in that hydrogen gas is bubbled and supplied to the solution, and the plating solution flowing from the plating solution tank to the plating tank is degassed .
本発明によれば、ダマシン配線等をめっき成膜する際に配線内のボトムアップ量やめっき膜中に含まれる不純物量を一定に保持することができる。これにより、半導体装置の電気的特性にばらつきが生じることを抑制することができる。 According to the present invention, when a damascene wiring or the like is formed by plating, the bottom-up amount in the wiring or the amount of impurities contained in the plating film can be kept constant. Thereby, it is possible to suppress variation in the electrical characteristics of the semiconductor device.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1にめっき成膜装置の概略構成を示す。めっき成膜装置10は、被処理基板としてのSiウエハWの表面に銅めっき膜(Cu膜)をめっき成膜するために、SiウエハWを浸漬させるために十分な量のめっき液が滞留しているめっき槽12と、複数枚のSiウエハWを保持してめっき槽12へアクセスするウエハ保持機構14と、一定量のめっき液を滞留させるめっき液タンク16と、めっき槽12とめっき液タンク16との間でめっき液を循環させるめっき液循環ライン18と、めっき液循環ライン18を流れるめっき液に水素を供給する水素供給ライン20と、めっき液に含まれる所定の成分を分析するめっき液分析部22と、めっき液を構成する各種薬液をめっき液タンク16へ補充する薬液供給部24と、めっき成膜装置10の運転制御を行うための制御部26を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a plating film forming apparatus. The plating
めっき槽12には、めっき槽12内のめっき液を排出するためのバルブを備えたドレイン32aが設けられている。めっき液タンク16には、めっき液タンク16内のめっき液を排出するためのバルブを備えたドレイン32bが設けられている。
The
めっき液循環ライン18は、めっき槽12からめっき液タンク16へめっき液を送る第1配管34aと、めっき液タンク16からめっき槽12へめっき液を送る第2配管34bと、第1配管34aに設けられた送液ポンプ36aを有している。
The plating
水素供給ライン20は第1配管34aに取り付けられており、めっき槽12からめっき液タンク16へ向かって流れるめっき液に水素ガスを供給する。水素供給ライン20の第1配管34a側端部には多孔質体28が取り付けられている。この多孔質体28の内部を通過した水素ガスは、多孔質体28の表面の多数の孔から吹き出し、気泡となってめっき液に取り込まれ、めっき液タンク16へ向かって流れる。
The
こうしてめっき液に気泡の状態で取り込まれた水素ガスは、ガスの状態でまたはその一部がめっき液に溶解した後に、めっき液中の溶存酸素や酸素イオンと結合し、めっき液における溶存酸素濃度および酸素イオン濃度を低下させる。めっき液中の溶存酸素および酸素イオンは、めっき液に有用成分として添加されている有機成分と反応して有機副生成物を発生させる原因となっているため、このようにしてめっき液における溶存酸素濃度および酸素イオン濃度を低下させることにより、有機副生成物の発生を抑制することができる。なお、めっき液に含まれる溶存酸素および酸素イオンには、酸素(O2)に由来するものの他に、一酸化炭素(CO)や二酸化炭素(CO2)等に由来するものが含まれる。 The hydrogen gas thus taken into the plating solution in the form of bubbles is combined with dissolved oxygen or oxygen ions in the plating solution after being dissolved in the plating solution or in a part of the gas, and the dissolved oxygen concentration in the plating solution And reduce the oxygen ion concentration. Since dissolved oxygen and oxygen ions in the plating solution react with organic components added as useful components to the plating solution and generate organic by-products, dissolved oxygen in the plating solution is used in this way. By reducing the concentration and the oxygen ion concentration, the generation of organic by-products can be suppressed. The dissolved oxygen and oxygen ions contained in the plating solution include those derived from carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) and the like in addition to those derived from oxygen (O 2 ).
水素ガスを気泡の状態で含むめっき液がめっき液タンク16からめっき槽12へ送られてしまうと、この気泡がSiウエハWの表面に付着すること等によって、局所的にめっき不良が生じるおそれがある。そこで、めっき槽12へ送液されるめっき液から気泡を除去するために、第2配管34bは脱泡機構(デガッサー)を備えた構造となっている。
If the plating solution containing hydrogen gas in the form of bubbles is sent from the plating solution tank 16 to the
すなわち、第2配管34bは、気液分離膜からなるチューブ42と、このチューブ42の外側に空間が形成されるようにチューブ42を囲む外管44とからなる二重構造となっている。外管44に真空ポンプ等の脱気装置46を取り付けて、チューブ42の外側空間を減圧することにより、チューブ42を流れるめっき液に含まれている水素ガスはチューブ42を通過して減圧された空間へと取り込まれる。こうしてめっき液の脱泡・脱気を行うことができる。このとき、水素と反応することなく存在している溶存酸素を脱気して、さらに溶存酸素濃度を低下させることができる。
That is, the
水素供給ライン20による水素ガスの供給は、めっき槽12とめっき液タンク16に新しいめっき液が供給され、めっき液循環ライン18によるめっき液の循環が開始されたときから開始することができ、その後、めっき液排出等のためにめっき液の循環を停止するまでの間、継続して行うことが好ましい。但し、水素ガス供給はこのような常時供給の形態に限られるものではなく、水素ガスの供給と停止を一定時間毎に繰り返す間欠運転の形態であっても、Cu膜のボトムアップ量を一定に保持する等の効果が後述するように認められる限りにおいて、採用することができる。
The supply of hydrogen gas by the
薬液供給部24は、所定組成に調整された新しいめっき液や、めっき液の基本溶液となる硫酸銅基本液、めっき成膜時における溝配線内のめっき膜成長を促進させるためにめっき液に加えられる有機成分をはじめとした各種の有機成分,無機成分の補充に必要な薬液、めっき液を希釈するための純水等を、制御部26からの指令信号にしたがって、めっき液タンク16に供給する。薬液供給部24がこれらの薬液等をめっき槽12に供給する構成であってもよい。
The chemical
SiウエハWにめっき成膜が行われると、当然に、めっき液中のCuイオン濃度が低下し、めっき成膜に必要な無機成分や有機成分も減少する。そのため、薬液供給部24は定期的に一定量の硫酸銅基本液や各種薬液(以下「定期補充液」という)をめっき液タンク16に供給する。一方で、めっき成膜に用いられるめっき液の全量をほぼ一定とするために、めっき液タンク16またはめっき槽12から定期的にめっき液が排出される。
When plating film formation is performed on the Si wafer W, naturally, the Cu ion concentration in the plating solution decreases, and the inorganic components and organic components necessary for the plating film formation also decrease. Therefore, the chemical
めっき液分析部22は、めっき液の状態を監視するために制御部26からの指令信号にしたがって、送液ポンプ36bの駆動により一定量のめっき液をめっき液タンク16から採取し、めっき液を構成する所定の成分の成分濃度を、例えば、滴定法により定期的に測定する。図1では、この成分濃度分析のためのめっき液をめっき液タンク16から採取する構造となっているが、この採取はめっき槽12から行ってもよい。
In order to monitor the state of the plating solution, the plating
制御部26には、めっき成膜時に実際に用いられているめっき液に含まれる各種成分の許容濃度範囲等が記憶されている。制御部26は、所定の成分の濃度がこの許容濃度範囲から外れた場合に、めっき液の組成を調整するように、各種薬液を添加する等して、めっき液の品質を管理する。
The
図2に、めっき電流値,基板回転数等のめっき成膜条件を一定としてめっき成膜処理を行ったときの,めっき膜成長を促進させるためにめっき液に添加されている有機成分から派生した有機副生成物の量と溝配線内のボトムアップ量との関係を示す。図2中の線Aは、新しいめっき液がめっき槽12およびめっき液タンク16に供給されてその循環が開始された時点から水素供給ライン20による水素供給を行った場合を示しており、線Bは、水素供給ライン20による水素供給を行わなかった場合を示している。
2 derived from organic components added to the plating solution to promote the growth of the plating film when the plating film forming process is performed with the plating film forming conditions such as the plating current value and the substrate rotation number being constant. The relationship between the amount of organic by-products and the bottom-up amount in the trench wiring is shown. A line A in FIG. 2 shows a case where hydrogen is supplied from the
なお、ボトムアップ量は新しいめっき液の供給直後に行われためっき成膜処理でのボトムアップ量を1として、それ以降のボトムアップ量を相対的に評価している。ボトムアップ量の測定は、a,b,c,d,e点で行っており、これらの各測定点でのめっき液使用時間はa<b<c<d<eとなっている。これは、有機副生成物は、新しいめっき液には含まれておらず、生成してもその分析が困難であるが、有機副生成物量は、水素ガスをめっき液に供給しない場合には、めっき液使用時間の経過にともなって増加する傾向にあることは明らかであるので、有機副生成物量をめっき液使用時間で置き換えて考えることができるからである。但し、有機副生成物の生成量はめっき液使用時間にのみ依存して増加するものではないため、図2の横軸を測定点で示すこととした。 The bottom-up amount is set to 1 as the bottom-up amount in the plating film forming process performed immediately after supply of a new plating solution, and the subsequent bottom-up amount is relatively evaluated. The measurement of the bottom-up amount is performed at points a, b, c, d, and e, and the plating solution usage time at each of these measurement points is a <b <c <d <e. This is because the organic by-product is not contained in the new plating solution and it is difficult to analyze even if it is generated, but the amount of organic by-product is determined when hydrogen gas is not supplied to the plating solution. This is because it is obvious that the plating solution tends to increase as the plating solution usage time elapses, so that the amount of organic by-products can be replaced with the plating solution usage time. However, since the amount of organic by-products generated does not increase only depending on the plating solution use time, the horizontal axis in FIG. 2 is indicated by measurement points.
図2に示される通り、水素ガスを供給しない場合、めっき液使用時間が長くなるとともに、すなわち有機副生成物の増加とともに、ボトムアップ量が低下していることが確認された。これに対して、水素ガスを供給した場合、同じめっき成膜条件であっても、ボトムアップ量を一定に維持することができることが確認された。 As shown in FIG. 2, it was confirmed that when the hydrogen gas was not supplied, the plating solution usage time became longer, that is, the bottom-up amount decreased as the organic by-product increased. On the other hand, when hydrogen gas was supplied, it was confirmed that the bottom-up amount could be kept constant even under the same plating film formation conditions.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、水素供給ライン20はめっき液タンク16に直接に取り付けられていてもよい。また、定期補充液として、水素ガスの溶存濃度を高めたものを用いることもできる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such a form. For example, the
10…めっき成膜装置、12…めっき槽、14…ウエハ保持機構、16…めっき液タンク、18…めっき液循環ライン、20…水素供給ライン、22…めっき液分析部、24…薬液供給部、26…制御部、28…多孔質体、32a・32b…ドレイン、34a…第1配管、34b…第2配管、36a・36b…送液ポンプ、42… チューブ、44…外管、46…脱気装置、W…Siウエハ。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
一定量のめっき液を滞留させるめっき液タンクと、
前記めっき槽と前記めっき液タンクとの間でめっき液を循環させるためのめっき液循環ラインと、
前記めっき液循環ラインを流れるめっき液に水素を供給する水素供給ラインと、を具備することを特徴とするめっき成膜装置。 A plating tank for forming a Cu film on the surface of the deposition substrate;
A plating solution tank for retaining a certain amount of plating solution;
A plating solution circulation line for circulating the plating solution between the plating tank and the plating solution tank;
And a hydrogen supply line for supplying hydrogen to the plating solution flowing through the plating solution circulation line.
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