(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持し該基板に無電解銅めっきを施すめっき処理槽と、
内部にめっき液を貯め前記めっき処理槽との間でめっき液を循環させるめっき液循環槽と、
加熱側に前記めっき処理槽に入るめっき液が、冷却側に前記めっき液循環槽に戻るめっき液がそれぞれ流れるようにした対向式熱交換器を備え、
前記めっき処理槽内のめっき液の温度が前記めっき液循環槽内のめっき液の温度よりも高くなるようにしたことを特徴とする無電解銅めっき装置。
【請求項２】
前記対向式熱交換器とめっき処理槽とを結ぶ経路内に加熱装置が、前記対向式熱交換器とめっき液循環槽とを結ぶ経路内に冷却装置がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１記載の無電解銅めっき装置。
【請求項３】
基板を保持し該基板に無電解銅めっきを施すめっき処理槽と、内部にめっき液を貯めるめっき液循環槽との間で、対向式熱交換器の加熱側に前記めっき処理槽に入るめっき液が、冷却側に前記めっき液循環槽に戻るめっき液がそれぞれ流れるようにしてめっき液を循環させ、前記めっき処理槽内のめっき液の温度が前記めっき液循環槽内のめっき液の温度よりも高くなるようにしたことを特徴とする無電解銅めっき方法。
【請求項４】
前記対向式熱交換器から前記めっき処理槽内に流入するめっき液を加熱装置で加熱し、前記対向式熱交換器から前記めっき液循環槽内に戻るめっき液を冷却装置で冷却することを特徴とする請求項３記載の無電解銅めっき方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無電解銅めっき装置及び無電解銅めっき方法に係り、特に半導体基板に形成された配線用の溝に銅を充填する等の用途の無電解銅めっき装置及び無電解銅めっき方法に関する。
【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金属材料としては、一般にアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が広く用いられていた。しかしながら、半導体の集積度が高くなるにつれて配線幅が細くなり、電流密度が増加して熱応力や温度上昇を生じ、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、ついには断線或いは短絡等のおそれが生じる。この傾向は、アルミ配線が薄膜化するに従いさらに顕著となる傾向にある。
【０００４】
そこで、通電による抵抗損失を避けるため、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、基板全面に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うことで銅配線層を形成できる。また、多層配線回路の上下層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】
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化学的気相成長（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。そこで、基板をめっき液中に浸漬させて無電解銅めっきを行なう方法が提案されている。係るめっきによる成膜では、高アスペクト比の配線溝を均一に銅で充填することが可能となる。
【０００６】
ここに、無電解銅めっきに使用されるめっき液には、ホルマリン（ＨＣＨＯ）やグリオキシル酸（ＣＨＯＣＯＯＨ）などの還元剤が含まれている。また無電解銅めっきでめっき析出速度と皮膜の品質（伸び）を上げる場合のめっき液の適温は、５０〜８０℃前後であり、このため、めっき液は、一般に加熱装置を備えた恒温槽（めっき液循環槽）内に一定の温度（６０℃前後）で貯蔵されていて、めっき処理を行うめっき処理槽との間を循環させるように構成されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
無電解銅めっきに使用されるめっき液には還元剤が含まれているため、この還元剤の副反応であるカニッツァーロ反応、すなわちホルマリンやグリオキシル酸にあっては下記の反応が生じる。
２ＨＣＨＯ＋ＯＨ−→ＣＨ３ＯＨ＋ＨＣＯＯ−
２ＣＨＯＣＯＯＨ＋２ＯＨ−→Ｃ２Ｏ４２−＋ＨＯＣＨ２ＣＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ
【０００８】
そして、この反応を完全に抑制することが不可能であるため、この反応によって生成された副生成物がめっき液の純度や溶存酸素量を低下させ、めっき成長速度に影響を与えてしまう。このため、無電解銅めっきは、管理しにくいめっき方法であるのが現状であった。なお、カニッツァーロ反応に起因するめっき液の劣化を防止するため、めっき液にメタノールを添加することが行われているが、この方法は、カニッツァーロ反応そのものを抑制するものではなく、その効果には一定の限界があった。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、カニッツァーロ反応そのものを極力抑制して、めっき液の寿命を延ばすとともに、めっき液の管理を容易とした無電解銅めっき装置及び無電解銅めっき方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の無電解銅めっき装置は、基板を保持し該基板に無電解銅めっきを施すめっき処理槽と、内部にめっき液を貯め前記めっき処理槽との間でめっき液を循環させるめっき液循環槽と、加熱側に前記めっき処理槽に入るめっき液が、冷却側に前記めっき液循環槽に戻るめっき液がそれぞれ流れるようにした対向式熱交換器を備え、前記めっき処理槽内のめっき液の温度が前記めっき液循環槽内のめっき液の温度よりも高くなるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
上記本発明によれば、上記カニッツァーロ反応は、熱活性化過程で促進されていると考えられ、めっき液の温度を低下させることで、この反応を抑制することができる。そこで、めっき処理槽内のめっき液の温度を基板のめっき浴の適温に、めっき液循環槽内のめっき液の温度を基板のめっき浴の適温より低い温度にすることで、通常、殆どの時間めっき液が保持されているめっき液循環槽内でのカニッツァーロ反応そのものを抑制することができる。しかも、めっき液の持つ熱量をめっき液の加熱及び冷却に有効に利用して、エネルギの消費を最小限に抑えることができる。
【００１５】
また、前記対向式熱交換器とめっき処理槽とを結ぶ経路内に加熱装置が、対向式熱交換器とめっき液循環槽とを結び経路内に冷却装置がそれぞれ設けられていることを特徴とする。これにより、対向式熱交換器による熱量の不足分を加熱装置及び冷却装置で補うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の無電解銅めっき装置について図面を参照して説明する。この無電解銅めっき装置は、半導体基板の表面の溝に銅めっきを施して、銅層からなる配線層を形成するのに使用され、この工程を図１を参照して説明する。
【００１７】
即ち、半導体基板Ｗには、図１（ａ）に示すように、半導体素子が形成された半導体基板１上の導電層１ａの上にＳｉＯ２からなる絶縁膜２が堆積され、リソグラフィ・エッチング技術によりコンタクトホール３と配線用の溝４が形成され、その上にＴｉＮ等からなるバリア層５が形成されている。
【００１８】
そして、図１（ｂ）に示すように、前記半導体基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、半導体基板１のコンタクトホール３及び溝４内に銅を充填させるとともに、絶縁膜２上に銅層６を堆積させる。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜２上の銅層６を除去して、コンタクトホール３および配線用の溝４に充填させた銅層６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面に研磨する。これにより、図１（ｃ）に示すように銅層６からなる配線が形成される。
【００１９】
図２は、本発明の第１の実施の形態の無電解銅めっき装置の概要を示すもので、同図に示すように、このめっき装置には、半導体基板Ｗを保持し、めっき液１０を内部に導入して該半導体基板Ｗに無電解銅めっきを施すめっき処理槽１１と、めっき液１０を貯め前記めっき処理槽１１との間でめっき液１０を循環させるめっき液循環槽１２とが備えられている。前記めっき液１０には、還元剤として、例えば０．１ｍｏｌ／リットルのホルマリンが含まれている。
【００２０】
前記めっき液循環槽１２とめっき処理槽１１とは、循環経路を構成する往路１３と復路１４で結ばれ、この往路１３には循環用ポンプ１５と加熱装置１６が、復路１４には冷却装置１７がそれぞれ設けられている。更に、前記めっき液循環槽１２の内部には、ここに貯蔵しためっき液１０の温度を一定にするための熱交換器１８が配置されている。
【００２１】
これにより、めっき液１０は、循環用ポンプ１５の駆動に伴って、めっき処理槽１１内に順次送られ、基板のめっき浴終了後にめっき液循環槽１２内に戻される。この時、めっき処理槽１１内のめっき液１０の温度Ｔ１が基板のめっき浴の適温である、例えば６０℃前後となるように加熱装置１６で加熱される。一方、めっき液循環槽１２内に貯められためっき液１０は、その温度Ｔ２が、前記基板のめっき浴の適温より低温の、例えば３０〜５０℃程度となるように冷却装置１７で冷却されてめっき液循環槽１２に戻され、熱交換器１８で一定の温度（例えば３０〜５０℃）に保たれるように構成されている。
【００２２】
例えばホルマリン等の還元剤の副反応であるカニッツァーロ反応は、熱活性化過程で促進されており、めっき液１０の温度を１０℃程度低下させただけで、カニッツァーロ反応の反応速度が半分以下になると考えられる。そのため、めっき液循環槽１２内でのめっき液１０の温度Ｔ２を基板のめっき浴の適温である６０℃前後から、これより低温の３０〜５０℃程度にすることで、めっき液循環槽１２内で生じるカニッツァーロ反応そのものを抑制することができる。しかも、めっき液１０は、めっき処理槽１１内に半導体基板Ｗを出入れしている間中、めっき液循環槽１２内に全て戻っていて、殆どの時間めっき液循環槽１２内に存在しており、必要な時のみ基板のめっき浴の適温まで加熱されるので、常時めっきの適温の６０℃前後に保持されている場合と比較して、カニッツァーロ反応を大幅に抑制することができる。
【００２３】
この実施の形態の無電解銅めっき装置にあっては、めっき液循環槽１２内に、例えば３０〜５０℃に保持しためっき液１０を貯めておき、めっき処理槽１１内に半導体基板Ｗを保持した後、めっき処理槽１１内にめっき液１０を循環させて半導体基板Ｗにめっき処理を施す。この時、めっきは、その適温の６０℃前後で行われ、めっきを行う時以外は、めっき液１０は、例えば３０〜５０℃に保たれて、カニッツァーロ反応が抑制される。
【００２４】
図３は、本発明の第２の実施の形態の無電解銅めっき装置を示すもので、このめっき装置は、対向式熱交換器２０を備え、この対向式熱交換器２０の加熱側２１を前記往路１３内に配置して該加熱側２１に前記めっき処理槽１１に入るめっき液１０が流れ、冷却側２２を前記復路１４内に配置して該冷却側２２に前記めっき液循環槽１２に戻るめっき液１０がそれぞれ流れるようにするとともに、対向式熱交換器２０とめっき処理槽１１とを結ぶ往路１３内に加熱装置２３を、対向式熱交換器２０とめっき液循環槽１２とを結び復路１４内に冷却装置２４をそれぞれ設けたものである。
【００２５】
この実施の形態の無電解銅めっき装置によれば、めっき液１０の持つ熱量を対向式熱交換器２０を介してめっき液１０の加熱及び冷却に有効に利用し、しかも、対向式熱交換器２０による熱量の不足分を加熱装置２３及び冷却装置２４で補うことで、エネルギ消費を最小限に抑えることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、めっき処理槽内のめっき液の温度を基板のめっき浴の適温に、めっき液循環槽内のめっき液の温度を基板のめっき浴の適温より低い温度にすることで、通常、殆どの時間めっき液が保持されているめっき液循環槽内でのカニッツァーロ反応そのものを抑制することができる。これにより、めっき液の寿命を延ばすとともに、このめっき液の組成維持等の管理を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無電解銅めっき装置によってめっきを行う工程の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の無電解銅めっき装置の概要を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の無電解銅めっき装置の概要を示す図である。
【符号の説明】
１０    めっき液
１１    めっき処理槽
１２    めっき液循環槽
１３    往路
１４    復路
１６，２３    加熱装置
１７，２４    冷却装置
２０    対向式熱交換器
Ｗ    半導体基板
【図１】
0003712548.tif 000002
【図２】
0003712548.tif 000003
【図３】
0003712548.tif 000004