JPH1192948A - めっき方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 めっき液を確実にその微細溝に浸透させ、且
つプロセス中において新しいめっき液をその微細溝に供
給することのできるめっき方法及び装置を提供する。 【解決手段】 微細窪み４０を有する基板２にめっきを
施して微細窪み４０に金属を充填するめっき方法におい
て、基板２をめっき液９内に浸漬させる工程と、めっき
槽１内の圧力を減圧して被めっき基板２表面に付着した
気体およびめっき液９内に溶解した気体を脱気させる脱
気工程と、基板２を裏面側から加熱して微細窪み４０内
でめっき液９を沸騰させる沸騰工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体の次世代配線
技術である金属配線形成技術に関し、特に基板上に形成
された微細溝にめっきにより金属の埋め込みを行うため
の方法およびそのめっき装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体を用いた集積回路において、回路
配線材料にはアルミニウムが多く用いられてきた。アル
ミニウム配線は、スパッタリング法（Sputtering）によ
り基板にアルミニウム膜を付けた後レジスト形成により
パターニングを行い、エッチングにより配線形成され
る。回路の高度集積化に伴い、配線幅がより狭く形成さ
れることが要求されるようになってきたが、アルミニウ
ムの材料特性上諸問題が生じる様になってきた。他の金
属材料による配線形成には従来の上記回路形成が困難な
場合があり、配線用の溝や穴をあらかじめ形成し、化学
気相成長法（Chemical Vapor Deposition：以下ＣＶ
Ｄ法）、スパッタリング法やめっき法などの手法により
金属を溝の中に埋め込み、その後表面を化学機械研磨
（Chemical Mechanical Polishing : 以下CMP）で表面
研磨し、回路配線を形成する方法がとられてきた。

【０００３】めっき法は金属の膜付け方法としては広く
用いられており、多くの特長をもつ。図９は従来のめっ
き装置を示す。めっき槽１内のめっき液９中で被めっき
基板２を取り付けたアノード電極４およびカソード電極
３が対向していて、めっき操作中、めっき液撹拌用の撹
拌器１１がめっき液９を撹拌するものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】めっき法は他のプロセ
スに比べて、プロセスコストが安い、純度の高い材料が
得られる、熱的影響の少ない低温プロセスが可能となる
等の特長がある反面、ウェーハ基板上に形成された微細
溝にめっき液が完全に浸透しない、微細溝内に溜まった
めっき液が金属イオンを沢山含んだ新しいめっき液と置
換しない等の不具合があった。特に、アスペクト比の大
きい、深い微細溝でのめっきによる金属埋め込みはほと
んど行われていないのが実状であった。

【０００５】そこで本発明は、ウェーハ基板上にパター
ン形成された微細溝への良好な金属埋め込みをめっき法
により行うため、めっき液を確実にその微細溝に浸透さ
せ、且つプロセス中において新しいめっき液をその微細
溝に供給することのできるめっき方法及び装置を提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、微細窪みを有する基板にめっきを施して該微細窪み
に金属を充填するめっき方法において、前記基板をめっ
き液内に浸漬させる工程と、めっき槽内の圧力を減圧し
て被めっき基板表面に付着した気体およびめっき液内に
溶解した気体を脱気させる脱気工程と、前記基板を裏面
側から加熱して前記微細窪み内でめっき液を沸騰させる
沸騰工程とを有することを特徴とするめっき方法であ
る。

【０００７】これにより、被めっき基板上に形成された
微細溝に残留する気泡を除去した後に、基板の微細溝を
局部的に加熱して核沸騰を起こし、これを利用して微細
溝にめっき液を浸入させてめっきを行なうことにより、
微細溝への金属の埋め込みを欠陥のない良好な品質で、
効率よく行うことができる。基板保持台に基板の温度を
検知するセンサを取り付けて、温度制御しながら加熱す
ることにより、核沸騰を起こすようにしてもよい。この
方法は、基本的に電解めっき、無電解めっきのいずれの
場合にも採用可能である。

【０００８】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のめっき方法において、前記沸騰工程において、めっき
槽内の雰囲気圧力を減圧することを特徴とするめっき方
法である。これにより、沸点を低下させて加熱温度を低
くし、エネルギー効率や生産性を向上させることができ
る。

【０００９】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
のめっき方法において、脱気工程と沸騰工程を繰り返し
行うことを特徴とするめっき方法である。これにより、
被めっき基板上に形成された微細溝にめっき液を確実に
浸入させ、また微細溝内のめっき液を定期的に新しいめ
っき液に置換して、欠陥のないめっきを効率よく行うこ
とができる。

【００１０】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
のめっき方法において、めっきを行ないながら沸騰工程
を行うことを特徴とするめっき方法である。沸騰工程
は、断続的に又は連続的に行う。これにより、微細溝内
のめっき液を新しいめっき液に置換させながらめっきを
行ない、微細溝内への金属の埋め込みを効率的に行うこ
とができる。

【００１１】請求項５に記載の発明は、密閉可能なめっ
き槽と、該めっき槽内部を減圧するための排気装置と、
めっきすべき基板を前記めっき槽内において裏面側を液
密にした状態で保持する基板保持台とを備え、前記基板
保持台には、前記基板を加熱するヒータが内蔵されてい
ることを特徴とするめっき装置である。

【００１２】請求項６に記載の発明は、請求項５に記載
のめっき装置において、めっき槽内のめっき液を加振す
る加振装置を具備することを特徴とするめっき装置であ
る。

【００１３】請求項７に記載の発明は、微細窪みを有す
る基板にめっきを施して該微細窪みに金属を充填するめ
っき方法において、前記基板をめっき液内に浸漬させる
工程と、前記基板を裏面側から加熱して前記微細窪み内
でめっき液を沸騰させる沸騰工程とを有することを特徴
とするめっき方法である。

【００１４】請求項８に記載の発明は、請求項１ないし
４及び７のいずれかに記載のめっき方法又は請求項５又
は６に記載のめっき装置を用いてめっきした後、基板に
付着した金属の不要部分を化学機械研磨装置により研磨
して除去することを特徴とする基板の加工方法である。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の電気めっき装置の
概要を示す図である。図１において、めっき槽１は密閉
可能な容器となっており、被めっき基板２を取り付けた
カソード電極３およびアノード電極４が設けられ、めっ
き槽１外に設置されている電源５に接続されている。め
っき槽１には、めっき液９の温度を検知する温度検知器
６と槽液加熱器１０が設けられ、温度コントローラ（図
示せず）が温度検知器６の検知出力に基づき加熱器１０
の加熱量を制御することにより、めっき液９を所定の温
度に保っている。めっき槽１には、めっき液を撹拌し槽
内循環させる撹拌器１１が設けられている。基板２は、
後述する基板保持台１３に取り付けられている。

【００１６】めっき槽１は、排気配管２５によって、開
閉弁２３と流量制御弁２２を介して真空ポンプ２１に接
続されており、これにより、めっき槽１内の圧力をめっ
き液９の飽和蒸気圧以下の真空またはその飽和蒸気圧と
大気圧との中間の真空に必要に応じて切り替えて保つこ
とができる。また、めっき槽１はガス導入管２６におい
てガス供給源（図示せず）と接続されており、めっき槽
１内の圧力を大気圧または大気圧以上に保つことができ
る。めっき槽１内の圧力は圧力計７と圧力スイッチ８に
よって管理され、めっき槽１内の圧力の切り替えは排気
配管２５の開閉弁２３とガス導入管２６の開閉弁２４に
よって行われている。

【００１７】図２は、被めっき基板２の反めっき面を加
熱するための加熱部の概要図である。被めっき基板２
は、被めっき基板２より大きい円形の底板とこれを囲む
周壁からなる基板保持台１２に、シール１８および１９
により裏面側に密閉された空間を形成するように支持さ
れ、この空間には基板加熱用のヒータが設けられてい
る。ヒータ１４は耐熱絶縁ゴムで被覆されており、基板
支持台１２の中を通り外部電源（図示せず）に接続され
ている。これにより基板加熱器１４はめっき液に触れる
ことなく被めっき基板２を加熱することができる。な
お、基板保持台１２がカソード電極３を兼ねるようにし
てもよい。

【００１８】上述した構成のめっき装置において、微細
溝４０を有する被めっき基板２のめっきを行なう工程を
説明する。被めっき基板２をめっき槽１に収容し、めっ
き液９に浸漬させた後、真空ポンプ２１を作動させて排
気配管２５より槽内を排気する。図３（ａ）に示すよう
な微細溝４０内に残留する空気は、その周辺の圧力の低
下によって体積が膨張して図３（ｂ）に示すように、そ
の一部が微細溝４０から放出される。その後、圧力を大
気圧に戻すと微細溝４０内の残留空気の体積が縮小し、
図３（ｃ）に示すように、めっき液９が微細溝４０の一
部に入り込む。

【００１９】ここで、基板加熱用のヒータ１４に電流を
流して基板２を裏面側から加熱すると、微細溝４０の内
部は底面側から加熱され、微細溝４０の内部のめっき液
９内に溶存する空気の溶解度が低下して、残った空気の
気泡が膨張する。そして、微細溝４０内のめっき液が所
定の温度になると、めっき液９内の固体材料表面に付着
している小さな気泡の体積も膨張し、それに比例して大
きくなった浮力により気泡が固体表面から離脱してめっ
き液９から除去される。

【００２０】さらに微細溝４０内のめっき液９の温度が
その圧力での沸点を超えると、めっき液の液面および内
部からも液の気化（沸騰）が起こる。この場合、図４に
示すように、微細溝４０に存在する気泡が沸騰核とな
り、ここより蒸気泡の成長離脱が繰り返される。核沸騰
により発生した蒸気泡は微細溝４０内の残留空気と混合
し、残留空気は発生蒸気と共に微細溝４０外に放出され
る。その後、槽内の圧力を大気圧に戻すと、図５に示す
ように、微細溝４０にめっき液９が浸入する。ここで、
各電極間に電圧を印加し、めっきを行なう。

【００２１】なお、図６に示すように、水の沸点は圧力
に依存する。また、めっき液９の沸点は溶質を含むので
これより高くなる。沸騰を起こすには、常圧では１００
℃以上の温度が必要であるが、めっき槽１の内部の圧力
を低下させればそれより低い温度で沸騰が起こる。例え
ば、圧力を約2700から27000Pa(20から200Torr)とすれ
ば、基板２の温度を３０〜７０℃程度にすれば良いの
で、加熱のエネルギー消費も少なく、時間も掛からな
い。

【００２２】なお、上記においては、めっきの前工程と
してめっき液９を微細溝４０へ浸入させる工程を行った
が、めっき工程中に基板２を加熱することにより、めっ
き工程における微細溝４０内のめっき液９の置換を行う
ことができる。めっき工程中に基板２を加熱して、微細
溝４０中のめっき液の温度を局部的にその圧力での沸点
以上にすると、図７に示すように、微細溝４０を沸騰核
として核沸騰が起き、周辺のめっき液９を撹拌する。そ
の後、圧力を大気圧に戻すと、新しいめっき液９が微細
溝４０内に流入する。

【００２３】図８は、本発明の第２の実施の形態の無電
解めっき装置の概要を示す図である。めっき槽１には電
極は設けられておらず、被めっき基板２は、めっき槽１
の上部に支持された支持具１３の下面にその面をほぼ垂
直にして取り付けられ、これに対向する位置に、めっき
液を基板面に向けて流動させる羽根車１６が設けられて
いる。めっき液９に浸漬された槽液加熱器１０が該めっ
き液９を加熱する一方、温度検知器６でめっき液９の温
度を検知することにより槽液加熱器１０の加熱量を温度
コントローラ（図示せず）で制御し、めっき液９を所定
の温度に保っている。

【００２４】更に、めっき槽１には、並列な副排気配管
２９と主排気配管３０を介して真空ポンプ２１に接続さ
れ、主排気配管３０には開閉弁３２が、副排気配管２９
には開閉弁３１と可変抵抗弁３３が設けられている。こ
れにより、大気圧から排気する場合には、これらの弁３
１〜３３を全開としてポンプを作動させ、ある程度の真
空度に到達した後に、主排気配管の弁を閉じて、可変抵
抗弁３３を調整することにより、槽内の微小圧力を調整
する。このような構成により、めっき槽１内の圧力をめ
っき液９の飽和蒸気圧以下の真空またはその飽和蒸気圧
と大気圧との中間の真空に必要に応じて切り替えて保つ
ことができる。

【００２５】この実施の形態の装置の基本的な作用は、
先の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。上
記の実施の形態のいずれにおいても、基板加熱による微
細溝４０内での沸騰以外に、微細溝４０へのめっき液の
流入や置換を促進する手段を、例えば、めっき液や基板
２自体を超音波振動させる等の手段を適宜に併用して良
いことは言うまでもない。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、被めっき基板上に形成された微細溝に残留する気泡
を除去した後に、基板を局部的に加熱して微細溝内で核
沸騰を起こし、これ利用して微細溝にめっき液を浸入さ
せてめっきを行なうことにより、欠陥のない良好な品質
で、効率よく行うことがで、従って、ウェーハ基板上に
パターン形成された微細溝への良好な金属埋め込みが可
能となって、半導体装置の高度の集積化に対応する有用
な技術を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づくめっき装置の概要図である。

【図２】図１の装置の基板加熱部の構造を示す断面図で
ある。

【図３】減圧による微細溝内の残留空気の脱気メカニズ
ムを表す概念図である。

【図４】核沸騰における気泡の成長を表す概念図であ
る。

【図５】減圧沸騰による微細溝内の残留空気の脱気メカ
ニズムを表す概念図である。

【図６】水の飽和蒸気圧曲線である。

【図７】減圧沸騰による微細溝内のめっき液置換メカニ
ズムを表す概念図である。

【図８】本発明に基づく第２の実施の形態のめっき装置
の概要図である。

【図９】従来のめっき装置の概要図である。

【符号の説明】

１ めっき槽 ２ 被めっき基板 ３ カソード電極 ４ アノード電極 ５ 電源 ６ 温度検知器 ７ 圧力計 ８ 圧力スイッチ ９ めっき液 １０ 槽液加熱器 １１ 撹拌器 １２ 基板台 １３ 支持具 １４ 基板加熱用のヒータ １６ 羽根車 ２１ 真空ポンプ ２２ 流量制御弁 ２３ 開閉弁 ２４ 開閉弁 ２５ 排気配管 ２６ ガス導入管 ２７ 排ガス流れ方向 ２８ 導入ガス流れ方向 ２９ 副排気配管 ３０ 排気配管 ３１ 開閉弁 ３２ 開閉弁 ３３ 可変抵抗弁 ４０ 微細溝 ４１ 固体 ４２ 液体 ４３ 気液界面１ ４４ 気液界面２ ４５ 気液界面３ ４６ 気液界面４ ４７ くぼみ ４８ 空気 ４９ 蒸気又は蒸気と空気の混合物 ５０ 蒸気

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微細窪みを有する基板にめっきを施して
   該微細窪みに金属を充填するめっき方法において、 前記基板をめっき液内に浸漬させる工程と、 めっき槽内の圧力を減圧して被めっき基板表面に付着し
   た気体およびめっき液内に溶解した気体を脱気させる脱
   気工程と、 前記基板を裏面側から加熱して前記微細窪み内でめっき
   液を沸騰させる沸騰工程とを有することを特徴とするめ
   っき方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のめっき方法において、 前記沸騰工程において、めっき槽内の雰囲気圧力を減圧
   することを特徴とするめっき方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のめっき方法において、 前記脱気工程と前記沸騰工程を繰り返し行うことを特徴
   とするめっき方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載のめっき方法において、 めっきを行ないながら前記沸騰工程を行うことを特徴と
   するめっき方法。
5. 【請求項５】 密閉可能なめっき槽と、 該めっき槽内部を減圧するための排気装置と、 めっきすべき基板を前記めっき槽内において裏面側を液
   密にした状態で保持する基板保持台とを備え、 前記基板保持台には、前記基板を加熱するヒータが内蔵
   されていることを特徴とするめっき装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載のめっき装置において、 めっき槽内のめっき液を加振する加振装置を具備するこ
   とを特徴とするめっき装置。
7. 【請求項７】 微細窪みを有する基板にめっきを施して
   該微細窪みに金属を充填するめっき方法において、 前記基板をめっき液内に浸漬させる工程と、 前記基板を裏面側から加熱して前記微細窪み内でめっき
   液を沸騰させる沸騰工程とを有することを特徴とするめ
   っき方法。
8. 【請求項８】 請求項１ないし４及び７のいずれかに記
   載のめっき方法又は請求項５又は６に記載のめっき装置
   を用いてめっきした後、基板に付着した金属の不要部分
   を化学機械研磨装置により研磨して除去することを特徴
   とする基板の加工方法。