JP4819612B2

JP4819612B2 - めっき処理装置および半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4819612B2
Application number: JP2006214895A
Authority: JP
Inventors: 哲也黒川; 幸司有田; 香織野田
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-08-07
Also published as: US20080029402A1; JP2008038208A; CN101144177A

Description

本発明は、めっき処理装置および半導体装置の製造方法に関するものである。

半導体基板上に形成された配線溝やスルーホール等の凹部を銅等の金属材料で埋め込み、配線やビアを形成する手段として、めっき処理が用いられている。従来、このようなめっき処理において、めっき液中のアノード（陽極）側で発生するパーティクルの発生や、アクセラレータ、レベラ、またはサプレッサ等の添加剤がアノード上で分解することが問題となっていた。このような問題を防ぐために、アノードと被処理基板との間にイオン交換膜または中性膜を設けた構成が知られている。

特許文献１（特開２００３−７３８８９号公報）には、半導体ウェハに電気銅めっきを行う際にめっき槽を陰イオン交換膜で陰極室と陽極室に隔離した構成が記載されている。これにより、半導体ウェハへのパーティクルの付着を防止することができるとされている。

特許文献２（特開２００５−１３３１８７号公報）には、イオン交換膜と基板の被めっき面とを互いに近接または接触させつつ、イオン交換膜と基板とを相対運動させた後にめっきを行うことにより、配線パターン上部におけるめっきを抑制してめっき速度を低下させる技術が記載されている。これにより、表面が平坦なめっき膜を形成することができるとされている。

特許文献３（特開２０００−１９２２９８号公報）には、陽極電極板と被めっき基板との間に多孔質の中性膜または陽イオン交換膜からなる隔膜を配置し、めっき槽本体内を陽極室と陰極室に隔離した構成が記載されている。これにより、めっき液中の添加剤が陽極電極板表面に接触し分解することを防止し、添加剤の不足によりめっき表面が粗くなることがなく、陽極電極板表面で発生する酸素ガスを速やかに除去でき、均一な金属めっき膜が形成できるとされている。

特許文献４（特開２００１−４９４９８号公報）には、非めっき基板と陽極電極との間にイオン交換樹脂または多孔性中性膜を配置してこれらを隔離した構成が記載されている。これにより、被めっき基板のめっき面に気泡が付着することがないようにすることができるとされている。
特開２００３−７３８８９号公報特開２００５−１３３１８７号公報特開２０００−１９２２９８号公報特開２００１−４９４９８号公報

しかしながら、上記記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
陽イオンのみを選択的に透過させる陽イオン交換膜は、一般的にスルホン酸基等で構成されており、表面がマイナスに帯電している。そのため、アノードと被処理基板との間に陽イオン交換膜を設けた場合、添加剤が中性またはマイナスに帯電している場合は透過を抑制できるが、添加剤がプラスに帯電している場合は、添加剤が陽イオン交換膜に吸着しやすいという問題があった。一般的にレベラはプラスに帯電しており、陽イオン交換膜を用いた場合、レベラの消費レートが高くなるという問題があった。

また、アノードと被処理基板との間に中性膜を設ける場合、中性膜の濾過径を細かくしすぎると、アノード側と被処理基板側とで透過が必要なイオンの透過も妨げられてしまうため、濾過径をあまり細かくできなかった。たとえば、アノードとして溶解性の銅アノードを用いた場合、アノードと被処理基板との間の銅イオン移動がスムーズに行われないと、銅イオンの投下効率が落ちてしまう。そのため、中性膜の濾過径を銅イオンが透過できる程度に大きくする必要がある。そのため、アクセラレータ等の分子量の小さい添加剤の透過を抑制できないという問題があった。

上記従来技術においては、アノードと被処理基板との間に陽イオン交換膜または中性膜（または陰イオン交換膜）のいずれか一方のみしか設けられていなかったため、めっき液中の添加剤の消費を低減できなかった。また、添加剤がアノード側に透過してしまい、アノードで接触分解し、不純物となってめっき液中に蓄積し、めっき膜の欠陥の原因となっていた。

本発明によれば、
添加剤を含むめっき液でめっき処理を行うめっき処理装置であって、
めっき槽中に配置された被処理基板とアノードとの間に、中性濾過膜と陽イオン交換膜との積層体を、前記被処理基板側に前記中性濾過膜が位置するように配置して、当該積層体により前記めっき槽を前記被処理基板および前記添加剤を含む第１室と前記アノードを含む第２室とに隔離したことを特徴とするめっき処理装置が提供される。

本発明によれば、
添加剤を含むめっき液でめっき処理を行う工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記めっき処理を行う工程は、めっき槽中に配置された被処理基板とアノードとの間に、中性濾過膜と陽イオン交換膜との積層体を、前記被処理基板側に前記中性濾過膜が位置するように配置して、前記めっき槽を前記被処理基板および前記添加剤を収容する第１室と前記アノードを収容する第２室とに隔離した状態で前記被処理基板にめっき処理を施す半導体装置の製造方法が提供される。

ここで、中性濾過膜は、極性を有しない無極性の濾過膜とすることができる。また、中性濾過膜は、多孔質構造を有し、孔径により分子量（分子径）の大きい分子の透過を抑制するように構成することができる。

このような構成とすると、たとえばめっき液が添加剤としてレベラ、アクセラレータ、およびサプレッサを含む場合でも、レベラが陽イオン交換膜に吸着するのを防ぐことができるとともに、分子量の小さい添加剤がアノード側に透過するのを防ぐことができる。これにより、添加剤の消費量を低減することができる。

なお、アノード（陽極電極板）は、溶解性のたとえば銅アノードにより構成することもでき、また不溶性陽極とすることもできる。アノードを銅アノードにより構成した場合、積層体は、銅イオンを透過可能に構成することができる。

本発明によれば、添加剤を含むめっき液でめっき処理を行う際に、添加剤の消費を低減することができる。

本実施の形態におけるめっき処理装置２００は、半導体基板上に、銅膜をめっき法で形成する際に用いられる。

図１は、本実施の形態におけるめっき処理装置２００の構成を示す断面図である。
めっき処理装置２００は、めっき槽２０１と、めっき槽２０１中に配置されたアノード２２０とを含む。本実施の形態において、アノード２２０は、溶解性の銅アノードにより構成することができる。めっき槽２０１には、めっき液２０２が収容されている。めっき液２０２は、たとえば硫酸銅水溶液等により構成される。また、図示していないが、めっき処理装置２００は、被処理基板１００を載置する載置台を有し、当該載置台上に被処理基板１００が配置されている。

めっき処理装置２００は、さらに、被処理基板１００とアノード２２０との間に配置された中性濾過膜２１０と陽イオン交換膜２０８との積層体２０４を含む。積層体２０４は、被処理基板１００側に中性濾過膜２１０が位置するように配置される。めっき槽２０１は、積層体２０４により被処理基板１００を含む第１室２０２ａとアノード２２０を含む第２室２０２ｂとに隔離される。また、めっき処理装置２００は、積層体２０４と被処理基板１００との間に配置された整流板２１４を含む。整流板２１４は、被処理基板１００近傍でのめっき液２０２液の流れを均一にする目的で設置される。ただし、孔径が充分大きく、めっき液２０２の構成材料の透過可能に構成される。

第１室２０２ａにおいて、めっき液２０２中には、添加剤としてレベラ、アクセラレータ（促進剤）、およびサプレッサ（抑制剤）が導入されている。

本実施の形態において、レベラとしては、たとえば分子量２０００〜３０００で、正に帯電した材料を用いることができる。このような材料としては、たとえば陽イオン性アミンポリマーを用いることができる。

本実施の形態において、アクセラレータとしては、たとえば分子量５００以下で、ジスルフィド結合を有し、負に帯電した材料を用いることができる。このような材料としては、一般式
ＳＯ_３ ⁻−Ｒ_１−Ｓ−Ｓ−Ｒ_２−ＳＯ_３ ⁻（ここでＲ_１およびＲ_２はそれぞれ独立して炭化水素鎖）
で表されるものを用いることができる。

本実施の形態において、サプレッサとしては、たとえば分子量２０００〜３０００で、極性を有しない材料を用いることができる。このような材料としては、たとえばポリエチレングリコールを用いることができる。

積層体２０４は、レベラ、アクセラレータ、およびサプレッサの透過を抑制するように構成される。また、本実施の形態において、積層体２０４は、銅イオンを透過可能に構成される。中性濾過膜２１０は、微細な孔を有し、孔径よりも小さいサイズの分子を透過するとともに大きいサイズの分子の透過を抑制する。中性濾過膜２１０は、無極性であるとともに、少なくともレベラの透過を抑制する孔径を有するように構成される。本実施の形態において、中性濾過膜２１０の孔径は、０．５μｍ以下とすることができる。これにより、上記のようなレベラの透過を抑制することができる。一方、銅イオンを通過させるために、中性濾過膜２１０の孔径は、０．０１μｍ以上とすることができる。中性濾過膜２１０としては、たとえばポリプロピレンを用いることができる。

陽イオン交換膜２０８は、陽イオンのみを選択的に透過させる。陽イオン交換膜２０８としては、たとえばスルホン酸基を有するポリアクリル樹脂を用いることができる。

本実施の形態において、積層体２０４は、中性濾過膜２１０と陽イオン交換膜２０８とが互いに接して設けられた積層膜２０６と、積層膜２０６を保持する保持板２１２とを含む。このような積層膜２０６を用いることにより、中性濾過膜２１０と陽イオン交換膜２０８との間に空気等の気泡が侵入するのを防ぎ、めっき槽２０１中のめっき液の流れの制御を容易に行うことができる。

図２は、積層体２０４を中性濾過膜２１０側から見た平面図である。図示していないが、めっき槽２０１は、円柱型に構成されている。積層体２０４は、めっき槽２０１の断面積と等サイズに構成され、めっき槽２０１を第１室２０２ａと第２室２０２ｂとに区画する。ただし、積層体２０４は、第１室２０２ａに導入されたレベラ、アクセラレータ、およびサプレッサが第２室２０２ｂに透過しない構成となっていればどのような構成とすることもできる。たとえば、他の例において、めっき液２０２と被処理基板１００との間を部分的に隔てる隔壁を設け、隔壁で隔たれていない開放部分に積層体２０４を配置する構成とすることもできる。ここで、保持板２１２は、たとえばプラスチック材料により構成され、積層膜２０６を補強する骨組み構造を有する。

次に、以上のように構成された積層体２０４の機能を説明する。
積層体２０４において、中性濾過膜２１０が第１室２０２ａ側に設けられている。そのため、第１室２０２ａにレベラ、アクセラレータ、およびサプレッサが導入されている場合に、まず、中性濾過膜２１０により、分子量の大きいレベラおよびサプレッサの透過が抑制される。そのため、レベラおよびサプレッサが第２室２０２ｂに移動するのを防ぐことができ、これらの消費量を低減することができる。また、プラスに帯電したレベラが陽イオン交換膜２０８に接するのを防ぐことができるので、レベラの消費量をより低減することができる。一方、分子量の小さいアクセラレータが中性濾過膜２１０を透過しても、陽イオン交換膜２０８によりアクセラレータが第２室２０２ｂに移動するのを防ぐことができる。これにより、中性濾過膜２１０の孔径をアクセラレータが通過できる程度に大きくしても、アクセラレータの消費量も低減することができる。

次に、本実施の形態におけるめっき処理装置２００を用いて半導体装置を製造する手順を図６を参照して説明する。

半導体装置３００は、トランジスタ等が形成された半導体基板３０２と、半導体基板３０２上に形成された層間絶縁膜３０４と、その上に形成された層間絶縁膜３０６とを含む。層間絶縁膜３０４および層間絶縁膜３０６中には、配線やビアが形成されている。

このように構成された半導体装置３００において、まず、層間絶縁膜３０６に配線溝（凹部）を形成する。ここで、図示したように、層間絶縁膜３０６には、第１の配線溝３０８、第２の配線溝３１０、第３の配線溝３１２、第４の配線溝３１４、第５の配線溝３１６、第６の配線溝３１８、および第７の配線溝３２０が形成される（図６（ａ））。

このような配線溝を配線材料で埋め込む手順は、以下のようになる。まず、層間絶縁膜３０６の配線溝内にバリアメタル膜を形成する。バリアメタル膜は、たとえばＴａＮ／Ｔａ等、通常の銅配線のバリアメタル膜として用いられるものとすることができる。つづいて、バリア膜上にめっきのシード膜を形成する。ここで、シード膜は、ＣＶＤ法等により形成された銅膜等とすることができる。

その後、めっき処理装置２００を用いてめっき処理を行う。これにより、配線溝内にめっき膜３３２を形成することができる。ここで、めっき膜３３２は、銅膜とすることができる（図６（ｂ））。本実施の形態におけるめっき処理装置２００を用いることにより、添加剤の分解生成物による欠陥を抑制することができる。

図１を参照して説明したのと同様に、被処理基板１００とアノード２２０との間に積層体２０４を配置してレベラ、アクセラレータ、およびサプレッサそれぞれの消費量を調べた。レベラとして分子量２５００の陽イオン性アミンポリマー、アクセラレータとして分子量３１０のビス（３−スルホプロピル）ジスルフィド、サプレッサとして分子量２２００のポリエチレングリコールを用いた。陽イオン交換膜としてスルホン酸基を有するポリアクリル樹脂、中性濾過膜としてポリプロピレンを用いた。実験は、３０日間毎日行った。また、比較として、中性濾過膜のみ、陽イオン交換膜のみ、中性濾過膜も陽イオン交換膜もなしの場合についても同様にレベラ、アクセラレータ、およびサプレッサそれぞれの消費量を調べた。

図３〜図５に結果を示す。条件は以下のとおりである。
（１）積層膜（中性濾過膜＋陽イオン交換膜：積層体２０４）
（２）中性濾過膜のみ
（３）陽イオン交換膜のみ
（４）中性濾過膜も陽イオン交換膜もなし

図３は、レベラの消費量を示す図である。ここで、縦軸は、（１）の積層膜を用いた場合を１として規格化したレベラの消費量を示す。（１）〜（３）のいずれの場合も、膜を用いていない（４）に比べるとレベラの消費量は低減された。しかし、（３）の陽イオン交換膜のみの場合、（１）の積層膜を用いた場合に比べて、レベラの消費量が２倍近く多くなっている。（２）の中性濾過膜のみの場合、（１）の積層膜を用いた場合に比べて、レベラの消費量がわずかに多くなっているが、大きな変化はなかった。いずれの場合についても、３０日経過後も膜特性に変化はなかった。

図４は、アクセラレータの消費量を示す図である。ここで、縦軸は、（１）の積層膜を用いた場合を１として規格化したアクセラレータの消費量を示す。（１）〜（３）のいずれの場合も、膜を用いていない（４）に比べるとアクセラレータの消費量は低減された。しかし、（２）の中性濾過膜のみの場合、（１）の積層膜を用いた場合に比べて、アクセラレータの消費量が１．５倍以上多くなっている。（３）の陽イオン交換膜のみの場合、（１）の積層膜を用いた場合に比べて、アクセラレータの消費量がわずかに多くなっているが、大きな変化はなかった。いずれの場合についても、３０日経過後も膜特性に変化はなかった。

図５は、サプレッサの消費量を示す図である。ここで、縦軸は、（１）の積層膜を用いた場合を１として規格化したサプレッサの消費量を示す。（１）〜（３）のいずれの場合も、膜を用いていない（４）に比べるとサプレッサの消費量は低減された。（２）の中性濾過膜のみの場合および（３）の陽イオン交換膜のみの場合、（１）の積層膜を用いた場合に比べて、アクセラレータの消費量がわずかに多くなっているが、大きな変化はなかった。いずれの場合についても、３０日経過後も膜特性に変化はなかった。

以上のように、積層体２０４を用いることにより、レベラ、アクセラレータ、およびサプレッサの３つの添加剤すべての消費量を同時に低減することができた。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

実施の形態においては、アノード２２０が銅アノードである場合を例として説明したが、アノード２２０は、不溶性アノードとすることもできる。この場合も積層体２０４は、上述したのと同様に構成することができるが、たとえば銅イオンを透過しないように構成してもよい。

また、以上の実施の形態において、めっき液が銅イオンを含む銅めっきを例として説明したが、本発明は他の種々のめっき処理に適用することができる。たとえば、ニッケル等を用いて、半導体装置のバンプを形成するめっき処理にも適用することができる。この場合も、アノードとしては、溶解性および不溶性のいずれを用いてもよい。

本発明の実施の形態におけるめっき処理装置の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態におけるめっき処理装置に含まれる積層体を中性濾過膜側から見た平面図である。実施例におけるレベラの消費量を示す図である。実施例におけるアクセラレータの消費量を示す図である。実施例におけるサプレッサの消費量を示す図である。本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。

符号の説明

１００被処理基板
２００めっき処理装置
２０１めっき槽
２０２めっき液
２０２ａ第１室
２０２ｂ第２室
２０４積層体
２０６積層膜
２０８陽イオン交換膜
２１０中性濾過膜
２１２保持板
２２０アノード
３００半導体装置
３０２半導体基板
３０４層間絶縁膜
３０６層間絶縁膜
３０８第１の配線溝
３１０第２の配線溝
３１２第３の配線溝
３１４第４の配線溝
３１６第５の配線溝
３１８第６の配線溝
３２０第７の配線溝
３３２めっき膜

Claims

添加剤を含むめっき液でめっき処理を行うめっき処理装置であって、
めっき槽中に配置された被処理基板とアノードとの間に、中性濾過膜と陽イオン交換膜との積層体を、前記被処理基板側に前記中性濾過膜が位置するように配置して、当該積層体により前記めっき槽を前記被処理基板および前記添加剤を含む第１室と前記アノードを含む第２室とに隔離したことを特徴とするめっき処理装置。
請求項１に記載のめっき処理装置において、
前記積層体において、前記中性濾過膜と前記陽イオン交換膜とが接して設けられためっき処理装置。
請求項１または２に記載のめっき処理装置において、
前記中性濾過膜の孔径が０．５μｍ以下であるめっき処理装置。
請求項１から３いずれかに記載のめっき処理装置において、
前記めっき槽の前記第１室には、レベラ、アクセラレータ、およびサプレッサを含むめっき液が導入され、
前記積層体は、前記アクセラレータ、前記レベラ、および前記サプレッサの透過を抑制するように構成されためっき処理装置。
請求項１から４いずれかに記載のめっき処理装置において、
前記アノードは、銅アノードにより構成されためっき処理装置。
請求項５に記載のめっき処理装置において、
前記積層体は、銅イオンを透過可能に構成されためっき処理装置。
添加剤を含むめっき液でめっき処理を行う工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記めっき処理を行う工程は、めっき槽中に配置された被処理基板とアノードとの間に、中性濾過膜と陽イオン交換膜との積層体を、前記被処理基板側に前記中性濾過膜が位置するように配置して、前記めっき槽を前記被処理基板および前記添加剤を収容する第１室と前記アノードを収容する第２室とに隔離した状態で前記被処理基板にめっき処理を施す半導体装置の製造方法。
請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記めっき処理を行う工程により、半導体基板上を覆う絶縁膜中に設けられた凹部内に、銅膜を形成する半導体装置の製造方法。