(57)【要約】【課題】  めっき液の特性の微小な変化に左右されないめっき成膜を可能とする半導体装置の製造装置及び製造方法を得る。【解決手段】  被処理体にめっき処理を施すためのめっき液を収容するめっき浴槽と、この電解めっき浴槽内に配置されたアノードと、このアノードと対をなすカソードを有しかつ被処理体をカソードと導通可能に保持する移動及び回転可能な保持体とを含み、第１めっき条件で被処理体をめっき処理した後に、第２めっき条件に切り替えてめっき処理する半導体装置の製造装置において、被処理体の処理直前にめっき液の特性を測定する測定部と、測定部による測定結果に基づいて、被処理体ごとに、第１めっき条件によるめっき処理の時間を調整する制御部とを更に含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体にめっき処理を施すためのめっき液を収容するめっき浴槽と、
この電解めっき浴槽内に配置されたアノードと、
このアノードと対をなすカソードを有しかつ前記被処理体を前記カソードと導通可能に保持する移動及び回転可能な保持体とを含み、
第１めっき条件で前記被処理体をめっき処理した後に、第２めっき条件に切り替えてめっき処理する半導体装置の製造装置において、
前記被処理体の処理直前に前記めっき液の特性を測定する測定部と、
前記測定部による測定結果に基づいて、前記被処理体ごとに、前記第１めっき条件によるめっき処理の時間を調整する制御部とを更に含むことを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項２】
前記第１めっき条件よりも前記第２めっき条件の方が、前記アノードと前記カソードとの間の電流値が大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造装置。
【請求項３】
前記第１めっき条件よりも前記第２めっき条件の方が、前記保持体の回転数が大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造装置。
【請求項４】
前記測定部は、前記めっき液の添加剤の濃度を測定することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置の製造装置。
【請求項５】
前記測定部は、前記めっき液の電流電圧測定をＣＶＳ法（Cyclic Voltammetric Stripping）により行うことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置の製造装置。
【請求項６】
被処理体にめっき処理を施すためのめっき液を収容するめっき浴槽と、この電解めっき浴槽内に配置されたアノードと、このアノードと対をなすカソードを有しかつ前記被処理体を前記カソードと導通可能に保持する移動及び回転可能な保持体とを用いて、第１めっき条件で前記被処理体をめっき処理した後に、第２めっき条件に切り替えてめっき処理する半導体装置の製造方法において、
前記被処理体の処理直前に前記めっき液の特性を測定する測定工程と、
前記測定工程における測定結果に基づいて、前記被処理体ごとに、前記第１めっき条件によるめっき処理の時間を調整する調整工程とを更に含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１めっき条件よりも前記第２めっき条件の方が、前記アノードと前記カソードとの間の電流値が大きいことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１めっき条件よりも前記第２めっき条件の方が、前記保持体の回転数が大きいことを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記測定工程において、前記めっき液の添加剤の濃度を測定することを特徴とする請求項６〜８の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記測定工程において、前記めっき液の電流電圧測定をＣＶＳ法（Cyclic Voltammetric Stripping）により行うことを特徴とする請求項６〜８の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、めっき液の特性の微小な変化に左右されないめっき成膜を可能とする半導体装置の製造装置及び製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、アルミニウムに替わる配線材料として更に低効率が低い銅が注目されている。そして、銅の成膜技術として電解めっき法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３１６８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電解めっき法において、添加剤の消費などによりめっき液が劣化し、プロセス性能が変動する。具体的には、めっき反応を促進するアクセレータ（Accelerator）の分解などにより、配線パターンに対しての埋込性能が劣化又は変動する。
【０００５】
めっき液の無機成分（Cu, H, Cl）の濃度測定には化学滴定法を用い、有機物である添加剤成分の濃度測定にはＣＶＳ法（Cyclic Voltammetric Stripping）を用いるが、めっき液の全成分の測定には３時間程度かかるため、リアルタイムの濃度測定は困難である。
【０００６】
このため、従来は、上記のめっき液中の添加剤の微小な濃度変化には対応せず、同じ製品の同一工程では同一のめっき条件を用いていた。即ち、中心濃度前後の一定範囲内であれば添加剤濃度の高低を許していた。従って、埋込速度が最低となる条件においても配線パターンを完全に埋め込むために、時間的なマージンを設けなければならなかった。具体的には、添加剤濃度が中心濃度に保たれている状態では配線幅０．２μｍの配線パターンを完全に埋め込むための時間は２５ｓ程度であるが、従来は時間的なマージンを設けなければならないため、３０ｓに設定していた。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、めっき液の特性の微小な変化に左右されないめっき成膜を可能とする半導体装置の製造装置及び製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る半導体装置の製造装置は、被処理体にめっき処理を施すためのめっき液を収容するめっき浴槽と、この電解めっき浴槽内に配置されたアノードと、このアノードと対をなすカソードを有しかつ被処理体をカソードと導通可能に保持する移動及び回転可能な保持体とを含み、第１めっき条件で被処理体をめっき処理した後に、第２めっき条件に切り替えてめっき処理する半導体装置の製造装置において、被処理体の処理直前にめっき液の特性を測定する測定部と、測定部による測定結果に基づいて、被処理体ごとに、第１めっき条件によるめっき処理の時間を調整する制御部とを更に含む。
【０００９】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、被処理体にめっき処理を施すためのめっき液を収容するめっき浴槽と、この電解めっき浴槽内に配置されたアノードと、このアノードと対をなすカソードを有しかつ被処理体をカソードと導通可能に保持する移動及び回転可能な保持体とを用いて、第１めっき条件で被処理体をめっき処理した後に、第２めっき条件に切り替えてめっき処理する半導体装置の製造方法において、被処理体の処理直前にめっき液の特性を測定する測定工程と、測定工程における測定結果に基づいて、被処理体ごとに、第１めっき条件によるめっき処理の時間を調整する調整工程とを更に含む。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、めっき液の特性の微小な変化に左右されないめっき成膜が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の半導体装置の製造装置（めっき装置）を示す概略断面図である。図示のように、被処理体であるウェハ１１にめっき処理を施すためのめっき液１２を収容するめっき浴槽１３が設けられている。このめっき浴槽１３内にアノード１４が配置されている。そして、アノード１４と対をなすカソード１５を有する保持体１６が設けられている。この保持体１６は、ウェハ１１をカソード１５と導通可能に保持し、移動及び回転可能となっている。
【００１２】
また、めっき浴槽１３内にはアノード１４とカソード１５の間にフィルタ１７及び整流板１８が設けられている。そして、アノード１４とカソード１５の間に電流を流す電源１９が設けられている。また、めっき浴槽１３から排出されためっき液１２を集めるめっき液タンク２０と、めっき液タンク２０のめっき液１２を濾過して再びめっき浴槽１３に供給する循環フィルタ２１が設けられている。さらに、本発明においては、めっき液１２の特性を測定する測定部２２と、保持体１６及び電源１９を制御する制御部２３が設けられている。
【００１３】
めっき液１２の添加剤としては、Accelerator, Suppressor, Levelerが用いられている。このうちAcceleratorはＣｕ膜の成長反応を促進する添加剤であり、その濃度が高い方が配線パターンの埋込速度やボトムアップ性能は向上する。これに対し、Suppressorは、Acceleratorとは逆にＣｕ膜の成長を抑制する添加剤であり、ウェハ全面に作用してグローバルな膜厚の面内均一性を保つ役割を持つ。また、LevelerもSuppressorと同様にＣｕ膜の成長を抑制する添加剤である。ただし、Levelerは、Suppressorとは異なり、Acceleratorの効果が集中してめっき反応が促進されている局所的な部分に作用し、レベリング効果を発揮する。これにより、図２に示すような配線パターン２４上においてめっき膜２５が厚くなるオーバーグロース（Overgrowth）を抑制することができる。
【００１４】
次に、上記めっき装置の動作について説明する。めっき装置は、第１めっき条件で被処理体をめっき処理して配線パターンの埋込を完了した後に、第２めっき条件に切り替えてめっき処理する。ここで、図３に示すように、第１めっき条件として、配線パターンの埋込性能を重視して、第１めっき条件よりもアノード１４とカソード１５の間の電流値Ｉ１を小さくする。一方、第２めっき条件として、配線信頼性（ストレスマイグレーション）確保及びオーバーグロース低減を重視して電流値Ｉ２を大きくする（Ｉ２＞Ｉ１）。ただし、第２めっき条件として、第１めっき条件よりも電流値を大きくする替わりに保持体１６の回転数を大きくしてもよい。
【００１５】
ここで、配線パターンの埋込完了後、電流値（又は保持体の回転数）を大きくする理由は主に以下の３点である。第１の理由は、処理時間の短縮である。電流値を大きくすることにより、必要成膜量に達するめっき時間を短縮してウェハの処理時間を低減することができるため、処理能力が向上する。
【００１６】
第２の理由は、オーバーグロースの低減である。電流値を増加させることにより、添加剤の作用が変化し、オーバーグロースを低減することができる。これにより、次工程のＣＭＰプロセスにおける研磨時間を短縮することができるため、DishingやErrosionの抑制などのプロセスマージンを拡大し、スラリーなどの薬液のコストを削減することができる。
【００１７】
第３の理由は、Ｃｕめっき膜質の改質である。めっき電流値を増大させることにより、添加剤の作用が変化し、めっき膜中の不純物含有量は減少する。不純物を減らすことにより、めっき膜の結晶化が促進され、より粒径の大きいＣｕめっき膜が成長する。不鈍物濃度が低く、純度の高いめっき膜は、粒径が大きく、抵抗値が低い物性をもつ膜となる。また、粒界も少ないことから、Ｃｕ原子の拡散パスが少なく、エレクトロンマイグレーション耐性が向上し、配線信頼性も上がることが期待できる。
【００１８】
これらの理由により、電流値又は保持体の回転数の異なる第１めっき条件と第２めっき条件を設定する。一方、各めっき条件によるめっき処理の時間設定もプロセス特性を決める重要な要素である。特に、埋込ステップ（第１めっき条件のステップ）の時間設定はプロセス特性に大きな影響を与える。即ち、ＣＭＰ後にウェハ上に残留する配線部分に、めっき条件が異なるため膜質が異なる膜の境界が存在する場合、配線信頼性劣化等の不具合が発生する可能性がある。また、配線パターンの埋込性能の面からも、埋め込みの途中で電流値を変化させることは得策ではない。
【００１９】
また、めっき処理時は待機時よりも循環流量を上げるためアノード表面での添加剤の消費が増加し、さらに、めっき反応によっても添加剤が消費されるため、待機時よりも添加剤消費量が増加する。特に、大口径ウェハを用いた場合、めっき面積が大きいため、めっき処理による添加剤消費を無視できない。
【００２０】
従って、添加剤の濃度をウェハごとに考慮して配線パターンの埋込時間を適切に把握し、第１めっき条件によるめっき処理の時間をウェハごとに調整する必要がある。そこで、以下のようにして、当該めっき時間の調整を行う。
【００２１】
まず、測定部２２は、ウェハ１１の処理直前に、めっき浴槽１３に集められためっき液１２の特性を測定する。具体的には、めっき液１２中の添加剤であるAccelerator, Suppressor, Levelerの濃度を測定する。
【００２２】
次に、制御部２３は、測定部２２による測定結果に基づいて、ウェハ１１ごとに、第１めっき条件によるめっき処理の時間を調整する。具体的には、Accelerator濃度が標準設定濃度よりも多い場合や、Suppressor又はLevelerの濃度が標準設定濃度よりも少ない場合は、埋込速度が速まるため、同一のめっき形状を得るために、細線埋込ステップの時間を標準時間よりも短くする。逆に、Accelerator濃度が標準設定濃度よりも少ない場合や、Suppressor又はLevelerの濃度が標準設定濃度よりも多い場合は、埋込速度が遅くなるため、同一のめっき形状を得るために、細線埋込ステップの時間を標準時間よりも長くする。
【００２３】
次に、調整された時間だけ第１めっき条件でウェハ１１をめっき処理した後に、第２めっき条件に切り替えてめっき処理する。その後、ＣＭＰプロセスを行うことで配線が形成される。
【００２４】
このように、ウェハ処理前にめっき液の特性を測定し、第１めっき条件によるめっき処理の時間へフィードバックすることで、めっき液の特性の微小な変化に左右されないめっき成膜が可能となる。
【００２５】
具体例として、２００ｍｍウェハにめっき膜を６００ｎｍ成膜する場合の電流値の時間依存性について図４に示す。めっき条件の標準電流値及び標準時間は、順番に、電流値１Ａで１１秒間、電流値３Ａで３０秒間、電流値１８Ａで２０秒間である。
【００２６】
ここで、めっき開始時の電流値１Ａのステップは、めっき量としては数ｎｍ以下と非常に少なく、主にＣｕシード膜へのめっき液中の添加剤成分吸着に必要な初期ステップである。次の電流値３Ａのステップは、配線パターンの埋め込みを目的としたものである。ウェハ面内でパターン依存性なく埋込不良なくＣｕ膜を成膜するには、めっき電流値の最適化が必要であり、２００ｍｍウェハに対しては３Ａ程度が適用される。なお、２００ｍｍウェハに対して３Ａの電流を印加する場合の電流密度は約１０ｍＡ／ｃｍ２である。また、電流値３Ａのステップのめっき時間は、どの程度の配線幅まで埋込を完了させるかによって時間設定が異なる。この時間設定は、配線厚さなどの配線構造、バリヤやＣｕシード膜の成膜量やパターン内の成膜状態（特に側壁のカバレッジ）などに依存する。標準時間として示した３０秒間は、配線幅０．２μｍ程度の配線が埋込完了となる時間である。そして、電流値１８Ａのステップは、オーバーグロースの低減等を目的とした最終ステップである。
【００２７】
そして、めっき液の添加剤の測定結果に基づいて、３Ａの埋め込みステップのめっき時間ｔ（sec）を次の式により計算する。
t=30-3.0×(Acc-10)+0.1×(Sup-2)+1.O×(Lev-8) （式１）
ここで、AccをAcceleratorの測定濃度（ml/L）とし、SupをSuppressorの測定濃度（ml/L）とし、LevをLevelerの測定濃度（ml/L）とし、めっき液の添加剤の標準濃度をAcc/Sup/Lev=10/2/8（ml/L）とする。
【００２８】
また、図５に示すように、埋込ステップの直後に逆パルスステップを追加してもよい。この逆パルスステップにより、ウェハ表面に吸着した添加剤を一旦取り除き、配線部のAccelerator集中をキャンセルさせて、オーバーグロースを抑制することができる。
【００２９】
なお、各添加剤の分解速度を考慮し、一定の濃度に保たれるよう、不足分を自動的に投入するシステムを組み込んでもよい。この場合、途中段階の添加剤濃度は、直前の添加剤の濃度測定結果と、添加剤の分解速度と、投入する添加剤の量から推測することができる。従って、この推測量に基づいて、各ロット処理時のめっき時間を算出し、細線埋込ステップの時間を修正する。
【００３０】
本発明は、前工程のＣｕ成膜プロセスとしてＣｕめっきプロセスを採用しているＣｕ配線を用いた半導体デバイスに適用することができる。具体的には、各種のＳＯＣ（System on Chip）デバイスと製品に適用することができる。また、半導体製造前工程のＣｕめっきプロセスと同様の電解めっきプロセスを用いる分野や、後工程のバンプＣｕめっきを用いる半導体製品、半導体分野以外にもＣｕ以外の金属電解めっきプロセスを用いる製品に対しても適用することができる。
【００３１】
実施の形態２．
実施の形態１ではウェハ処理前にめっき液の添加剤濃度の測定結果（又は濃度の予測値）から埋込ステップのめっき時間を設定していた。これに対し、実施の形態２では、測定部を用いてウェハ処理前にめっき液の電流電圧測定をＣＶＳ法（Cyclic Voltammetric Stripping）により行い、その結果から埋込ステップのめっき時間を設定する。その他の工程は実施の形態１と同様である。
【００３２】
図６は本発明の実施の形態２に係るめっき液の電流電圧測定を示す図である。図示のように(1)→(2)→(3)→(4)→(5)→(6)の順にめっき液に電圧を印加する。まず、開始点(1)である０Ｖから、下限電圧Ｖｎの点(2)まで負電圧を印加する。次に、負電圧側（点(2)）から０Ｖ（点(3)）を過ぎ、正電圧側の点(4)及び点(5)を経過し、上限電圧Ｖｐの点(6)まで電圧を印加する。
【００３３】
負電圧側においては、電極上にＣｕ膜がめっきされる。その後、正電圧側においては、負電圧側にてめっきされた成膜量に対応した電流が逆方向に流れ、めっき膜が剥がれる。従って、正電圧側の電流量から電極へのめっき量を求めることが可能となる。具体的には、標準のめっき量１ｍＣに比べてめっき量が多い場合、埋込速度が速くなるため、埋込ステップのめっき時間を減少させる。逆に、標準のめっき量１ｍＣに比べてめっき量が少ない場合、埋込速度が遅くなるため、埋込ステップのめっき時間を増加させる。
【００３４】
電圧掃引速度を100mV/sec、下限電圧Ｖｎを-0.2V、上限電圧Ｖｐを0.6Vとすると、めっき液の添加剤の標準濃度Acc/Sup/Lev=10/2/8（ml/L）におけるめっき量は１ｍＣである。この基礎データに基づき、ウェハ処理直前の電流電圧測定の結果から埋込ステップのめっき時間ｔ（sec）を次の式により計算する。
t=30-5.0×(Cp-1)  （式２）
ここで、Cpは電流電圧測定におけるめっき量である。
【００３５】
なお、上記の電流電圧測定結果から埋込ステップのめっき時間を求める方法と、実施の形態１の添加剤濃度測定結果から埋込ステップのめっき時間を求める方法とを組み合わせることにより、さらに精度良く埋込ステップのめっき時間を求めることができる。具体的には、ロット処理前に電流電圧測定におけるめっき量測定結果から埋込ステップのめっき時間を設定しておき、その後同一ロット内のウェハ処理によるめっき液変動に対して添加剤濃度測定結果から埋込ステップのめっき時間の微調整を行う。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の半導体装置の製造装置を示す概略断面図である。
【図２】オーバーグロースを示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るめっき電流値の時間依存性を示す図である。
【図４】２００ｍｍウェハにめっき膜を６００ｎｍ成膜する場合の電流値の時間依存性を示す図である。
【図５】埋込ステップの直後に逆パルスステップを追加した場合の電流値の時間依存性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係るめっき液の電流電圧測定を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１  ウェハ（被処理体）
１４  アノード
１５  カソード
１６  保持体
２２  測定部
２３  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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