(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
めっき液及び被めっき基板を収容するめっき容器と、
該めっき容器の内部において磁気浮上機構により非接触で支持され、回転機構によって回転する回転部材を有することを特徴とするめっき装置。
【請求項２】
前記回転部材は、回転することにより前記基板の表面近傍のめっき液を流動させることを特徴とする請求項１記載のめっき装置。
【請求項３】
前記回転部材は、基板に向けてめっき液を導くめっき液供給部材であることを特徴とする請求項１または２に記載のめっき装置。
【請求項４】
前記めっき液供給部材は、筒状部とその下方に接続されてめっき液を水平方向に導く案内部を有し、前記筒状部において前記磁気浮上機構により支持されていることを特徴とする請求項３に記載のめっき装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のめっき装置を用いてめっきを行った後、基板に付着した金属の不要部分を化学的・機械的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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板のめっき装置に係り、特に半導体基板に形成された配線用の窪みに銅等の金属を充填するための充填方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体基板上に配線回路を形成するためには、基板面上にスパッタリング等を用いて導体の成膜を行った後、さらにレジスト等のパターンマスクを用いたケミカルドライエッチングにより膜の不要部分を除去していた。
【０００３】
配線回路を形成するための材料としては、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が用いられていた。しかしながら、半導体の集積度が高くなるにつれて配線が細くなり、電流密度が増加して熱応力や温度上昇を生じ、これはストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションによってＡｌ等が希薄化するに従いさらに顕著となり、ついには断線のおそれが生じる。
【０００４】
そこで、通電による過度の発熱を避けるため、より導電性の高い銅などの材料を配線形成に採用することが要求されている。しかしながら、銅又はその合金はドライエッチングが難しく、全面を成膜してからパターンを形成する上記の方法の採用は困難である。そこで、予め所定パターンの配線用の溝を形成しておき、その中に銅又はその合金を充填する工程が考えられる。これによれば、膜をエッチングにより除去する工程は不要で、表面段差を取り除くための研磨工程を行えばよい。また、多層回路の上下を連絡するプラグと呼ばれる部分も同時に形成することができる利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような配線溝あるいはプラグの形状は、配線幅が微細化するに伴いかなりの高アスペクト比（深さと直径又は幅の比）となり、スパッタリング成膜では均一な金属の充填が困難であった。また、種々の材料の成膜手段として気相成長（ＣＶＤ）法が用いられるが、銅又はその合金では、適当な気体原料を準備することが困難であり、また、有機原料を採用する場合には、これから堆積膜中へ炭素（Ｃ）が混入してマイグレーション性が上がるという問題点があった。
【０００６】
さらに、基板をめっき液中に浸漬させて無電解又は電解めっきを行なう方法も提案されているが、溝や穴の底部への液の循環やイオンの供給が不充分となるので、溝の縁に比べて底部の膜成長が遅く、溝の上部が詰まって底部に空洞（ボイド）ができてしまうなどして、均一な充填が困難であった。また、基板のサイズが８”、１２”と大きくなるに従って、基板の被めっき面上のめっき厚精度が落ちる傾向にあった。
【０００７】
このため、基板とめっき液とを相対的に回転させ、めっき面内均一を向上させるとともに、めっき液の基板表面の微細窪み内への流入、或いはめっきするべき金属イオンの流動を促進し、水素ガスを早期に離脱させることが考えられる。しかしながら、このように回転機構を設けると、転がり軸受や滑り軸受等の軸受とめっき液の回転機構への浸入を防ぐオイルシールが必要となり、これらから回転に伴う摩耗や潤滑剤のパーティクルが発生し、これがめっき液中に混入して配線不良を生じることがある。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑み、微細な配線用の溝等の微細窪みに銅又は銅合金等の電気的抵抗の小さい材料を均一に、かつ品質を落とさずに充填することができるめっき装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、めっき液及び被めっき基板を収容するめっき容器と、該めっき容器の内部において磁気浮上機構により非接触で支持され、回転機構によって回転する回転部材を有することを特徴とするめっき装置である。
請求項２に記載の発明は、前記回転部材が回転することにより前記基板の表面近傍のめっき液を流動させることを特徴とする請求項１記載のめっき装置である。
【００１０】
これにより、回転部材の回転によって基板の表面近傍のめっき液を流動させ、めっき面内のめっき厚さの均一性を向上させ、さらにめっき反応によって生じる水素ガスを早期に離脱させ、めっき液が基板表面の微細窪み内へ流入するのを促進させて、窪み内部でのめっき効率を向上させるとともに、それに伴ってボイドの生成を抑制して健全なめっき層を形成する。回転部材は磁気浮上機構で支持されているので、回転駆動手段が簡易なものでよく、また、摩耗によるパーティクルや潤滑剤がめっき液に拡散してめっきの品質を低下させることも防止される。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記回転部材が基板に向けてめっき液を導くめっき液供給部材であることを特徴とする請求項１または２に記載のめっき装置である。これにより、１つの部材でめっき液を流動させつつ基板に向けて導くことができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、前記めっき液供給部材が筒状部とその下方に接続されてめっき液を水平方向に導く案内部を有し、前記筒状部において前記磁気浮上機構により支持されていることを特徴とする請求項３に記載のめっき装置である。めっき液供給部材をこのような構成とすることによって安定な支持しやすい形状とし、また、筒状部を支持することにより磁気軸受装置をコンパクトに構成することができる。
【００１３】
前記回転部材をめっき液の流れによって回転させるようにしてもよい。これにより、別に駆動機構を設けることなく回転部材を回転させることができ、装置の小型化と低コスト化を図ることができる。
【００１４】
前記回転部材を前記基板を保持する基板保持台としてもよい。これにより、めっき液を流動させるための別部材を設けることなく、装置を簡単な構成とすることができる。
【００１５】
前記めっき容器を被めっき面の表面に沿って振動させる加振装置を有するようにしてもよい。これにより、例えば振幅１ｍｍ以下の横振動を１秒或いは２秒に１回与えることで、基板表面の微細窪み内のめっき液の入れ換えを該めっき液の慣性力で促進させて、これらのめっき付着効率を向上させることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載のめっき装置を用いてめっきを行った後、基板に付着した金属の不要部分を化学的・機械的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。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の第１の実施の形態のめっき装置を示すもので、内部に被めっき材である基板Ｗ及びめっき液を保持する略扁平な円形のめっき容器１０と、めっき容器１０の上端開口部を水密的に覆う被覆部材２０と、被めっき材に対向するように回転自在に支持されたシャワヘッド２４とを備えている。めっき容器１０の中央部には、基板Ｗを真空路１２を介して真空吸着して保持する基板保持部１４が設けられ、その下側には、ヒータ１６を収容する空洞１８が形成されている。
【００１８】
被覆部材２０は、中央がやや高くなるようにテーパを有し、頂部にはシャワヘッド２４を支持する磁気軸受装置を収容する軸受収容部２１が設けられ、下端部には、容器の開口部に嵌合する位置決め用の凸部２０ａが形成されている。また、被覆部材２０と容器１０の接合面には、互いに係合する周方向に延びる段差１０ａ，２０ａが形成され、これらを係合させつつ、接合面をＯリング２２を介して接合して両者の間の水密性が確保されるようになっている。
【００１９】
シャワヘッド２４は、基板と対向するノズル板２４ａ、下方に広がるテーパを有する案内部２４ｂ及びその中央から上方に延びる筒状部２４ｃとからなる容器状に形成され、筒状部２４ｃの内面には複数の羽根４０が設けられ、ノズル板２４ａには全面に渡って均等にノズル孔２４ｄが形成されている。筒状部２４ｃは、軸受収容部２１に挿入され、磁気軸受２６に支持されている。すなわち、筒状部２４ｃの外周にはターゲットディスク２６ａが取り付けられ、一方、軸受収容部２１にはターゲットディスク２６ａを挟むように上下に電磁石２６ｂが設けられ、これによって、シャワヘッド２４を磁気浮上させる磁気軸受２６が構成されている。
【００２０】
被覆部材２０の上端には、めっき液流入ポート２７が設けられ、一方、容器１０の底部にはめっき液流出ポート２８が形成され、これらはポンプ３６と流量調節器３８を有するめっき液の循環ライン３４によって連絡されている。羽根４０は、流入ポート２７から供給されためっき液が衝突することによりシャワヘッド２４を回転させる力を発生させるように形成されている。
【００２１】
めっき容器１０には、レール４２に沿って往復移動可能な振動子４４を有する加振装置４６が取り付けられており、これによって、例えば振幅が１ｍｍ以下である横振動を１秒或いは２秒に１回程度付与することができるようになっている。
【００２２】
このように構成されためっき装置の作用を、半導体基板の配線回路形成のための銅又はその合金のめっきを行なう場合について説明する。被処理対象の基板Ｗは、図２（ａ）に示すように、半導体素子が形成された半導体基材５０の上に導電層５２及びＳｉＯ２からなる絶縁層５４を堆積させた後、リソグラフィ・エッチング技術によりコンタクトホール５６と配線用の溝５８が形成され、その上にＴｉＮ等からなるバリア層６０が形成されている。
【００２３】
このような基板Ｗを基板保持部１４上に載置して吸着保持し、被覆部材２０を被せた後、ポンプ３６を作動させて、めっき液をシャワヘッド２４から基板Ｗに向けて噴射する。すると、シャワヘッド２４はこの内部を流れるめっき液から羽根４０が受ける力によって回転する。その結果、めっき液の噴射位置が回転方向に移動するとともに、基板Ｗの被めっき面上にあるめっき液は、ノズル板２４ａとの間の摩擦により引きずられて流動し、これにより、めっき面内のめっき厚さの均一性が向上するとともに、コンタクトホール５６および溝５８内へのめっき液の流入が促進する。この時、シャワヘッド２４は、磁気軸受２６を介して非接触で支持されているため、摩耗によるパーティクルの発生が無い。
【００２４】
この時に、必要に応じて加振装置４６を動作させ、めっき容器１０を、１ｍｍ以下程度の振幅で１秒或いは２秒に１回程度の割合で横方向に振動させる。これにより、コンタクトホール５６および溝５８の入口におけるめっき液の流出入をめっき液の慣性力によって促進し、コンタクトホール５６および溝５８の内部のめっき付着効率を向上させることができる。
【００２５】
以上のめっき工程により、図２（ｂ）に示すように半導体基板Ｗのコンタクトホール５６および溝５８に銅をボイドの無い状態で充填する。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を行って絶縁膜５４の表面に付着した銅層を除去し、コンタクトホール５６および配線用の溝５８に充填された銅層６２の表面と絶縁膜５４の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図２（ｃ）に示すように銅層６２からなる配線が形成される。
【００２６】
図３は、この発明の他の実施の形態を示すもので、この実施の形態では、図１に示すシャワヘッドの替わりにディフューザ７０を用いている。このディフューザ７０は、筒状部７０ａの先に、下方に広がるテーパを有する案内部７０ｂを備えており、この案内部７０ｂは、上部から供給されためっき液を被めっき面に沿って中央から放射方向に向かうように案内する。
【００２７】
この実施の形態においても、先の実施の形態と同様に、ディフューザは磁気軸受により支持されて回転自在となっており、また、筒状部には羽根が形成されており、めっき液の流れによってディフューザが回転する。これにより、基板Ｗの被めっき面上にあるめっき液を周方向に流動させて、先の実施の形態と同様に、めっき面内のめっきの均一性を向上するとともに、コンタクトホール５６および溝５８内へのめっき液の流入を促進する。
【００２８】
図４及び図５は、先の実施の形態におけるシャワヘッド又はディフューザの替わりに羽根車７２を用いたものである。すなわち、この羽根車７２は、筒状部７２ａと、これから下方に向かって広がる円錐部７２ｂと、円錐部７２ｂの下端から外方に延びる円板部７２ｃを備えており、筒状部７２ａの下部から円板部７２ｃの外縁部まで螺旋状に翼７４が形成されている。
【００２９】
この翼７４は、円錐部７２ｂの近傍において下降するめっき液の流れにより羽根車７２に回転力を付与する。また、平板部７２ｃの翼７４は、羽根車７２の回転によって基板Ｗの表面近傍のめっき液を撹拌する作用を有する。従って、先の実施の形態と同様に、コンタクトホール５６および溝５８内へのめっき液の流入を促進する。なお、この例では筒状部７２ａの羽根は設けられていないが、設けても良いことは言うまでもない。
【００３０】
図６は、この発明のさらに他の実施の形態のめっき装置を示すもので、この実施の形態においては、上面に基板保持部８２が形成されている基板保持台８０が磁気軸受により支持されている。すなわち、基板保持台８０には、下端にモータ８６が連結された軸体８４が設けられ、これはめっき容器１０の底部を貫通して下方に延びている。軸体８４は、容器の底部と軸体の間に構成された上部ラジアル磁気軸受８８、下部ラジアル磁気軸受９０及びアキシャル磁気軸受９２によって回転自在に支持されている。モータ８６と軸体８４とは、磁気継手９４を介して非接触で連結されている。
【００３１】
この実施の形態においても、基板保持台８０を回転させることにより、基板Ｗのコンタクトホール５６および溝５８内へのめっき液の流入を促進し、窪みへのめっき金属の良好な充填を行わせる。しかも、基板保持台８０を磁気軸受８８，９０，９２を介して支持することで、めっき液中に摩耗によるパーティクルや潤滑油が混入することを防止することができる。
【００３２】
なお、上記においてはめっき液供給部と基板のいずれか一方を磁気軸受で支持して回転させる実施の形態を説明したが、これらの双方をともに磁気軸受で支持して回転させるようにしてもよい。両者を逆方向に回転させることにより相対速度が大きくなり、基板表面近傍でにおけるめっき液の流動、撹拌効果が大きくなる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、摩耗によるパーティクルや潤滑剤によるめっきの品質を低下を防止しつつ、微細な配線用の溝等の窪み内部に、銅やその合金のような金属の健全なめっき層を効率良く形成することができるので、高密度化する半導体集積回路の実用化を促進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】本発明の第１の実施の形態のめっき装置の全体の概要を示す断面図である。
【図２】本発明のめっき装置によってめっきを行なう工程の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態をを示す断面図である。
【図５】図４に示す羽根車の底面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態のめっき装置の全体の概要を示す断面図である。
【符号の説明】
１０    めっき容器
１４，８２    基板保持部
２０    被覆部材
２４    シャワヘッド（回転部材）
２６，８８，９０，９２    磁気軸受
４０    羽根
４６    加振装置
７０    ディフューザ（回転部材）
７２    羽根車（回転部材）
８０    基板保持台（回転部材）
【図１】
0003628170.tif 000002
【図２】
0003628170.tif 000003
【図３】
0003628170.tif 000004
【図４】
0003628170.tif 000005
【図５】
0003628170.tif 000006
【図６】
0003628170.tif 000007