(57)【要約】【課題】電解めっきにおいて、実際に半導体基板をめっき浴に浸して主材料である銅を析出させてみないと各種添加剤のバランスや制御性が判断できないという問題があった。【解決手段】従来のＣＶＳ装置に、回転速度の変化に対応した析出量の変化を、添加剤の濃度ごとにプロットしてグラフを生成する第１のグラフ生成手段と、生成されたグラフの各添加剤濃度の曲線を、回転速度の低い領域と遅い領域とで２つの直線として近似し、２直線の交点を添加剤濃度ごとに、回転速度と対応する析出量をプロットし、直線で近似してグラフを生成する第２のグラフ生成手段と、その手段で得られた直線の傾きを添加剤の固有特性値として算出する手段を設けた。【選択図】図５
2004217997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価用電極をめっきの主材料と添加剤とからなるめっき液に浸し、前記評価用電極を回転させて前記主材料を析出させる電解めっき成長の添加剤固有特性の評価装置において、
異なる添加剤濃度を有する複数種類のめっき液に対し、前記回転数と前記主材料の前記評価用電極への析出量との関係を検知する検知部と、
前記検知された析出量と回転数との関係から、各添加剤濃度における低回転数領域と高回転数領域の前記回転数と析出量との関係近似直線の交点を結んで得られる特性直線の傾きを、前記添加剤の固有特性値として生成する固有特性値生成部とを有すること、
を特徴とする電解めっき成長の添加剤固有特性の評価装置。
【請求項２】
被めっき基板をめっきの主材料と添加剤とからなるめっき液に浸し、該基板を回転させながらめっきする電解めっき方法であって、
異なる添加剤濃度を有する複数種類のめっき液に対し求められた、前記回転数と主材料の前記評価用電極への析出量との関係から、各添加剤濃度における低回転数領域と高回転数領域の前記回転数と析出量との関係近似直線の交点を結んで得られる特性直線の傾きを、前記添加剤の固有特性値とした場合において、
前記添加剤の固有特性値が０．７以下の添加剤を加えためっき液で前記被めっき基板の凹部を前記主材料で埋め込みめっきすること、
を特徴とする電解めっき方法。
【請求項３】
被めっき基板をめっきの主材料と添加剤とからなるめっき液に浸し、該基板を回転させながらめっきする電解めっき方法であって、
異なる添加剤濃度を有する複数種類のめっき液に対し求められた、前記回転数と主材料の前記評価用電極への析出量との関係から、各添加剤濃度における低回転数領域と高回転数領域の前記回転数と析出量との関係近似直線の交点を結んで得られる特性直線の傾きを、前記添加剤の固有特性値とした場合において、
前記添加剤の固有特性値が０．７以下の添加剤を加えためっき液で前記被めっき基板の凹部を前記主材料で埋め込みめっきする電解めっき工程を有する半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体基板をめっきの主材料と添加剤とからなるめっき液に浸し、該基板を回転させながらめっきの主材料を析出させる半導体装置の製造方法であって、
第１の特性値を有する添加剤を用いて電解めっきする第１の工程と、
前記第１の特性値より高い第２の特性値を有する添加剤を用いて再度電解めっきする第２の工程とを有し、
前記所定の特性値は、前記異なる添加剤濃度を有する複数種類のめっき液に対して求められた前記回転数と前記めっきの主材料の析出量との関係から、各添加剤濃度における低回転数領域と高回転数領域の前記回転数と析出量との関係から求められた近似直線の交点を結んで得られる特性直線の傾きであること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記第１の特性値が１．０未満であり、前記第２の特性値が１．０以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項３又は４において、
前記めっきの主材料が、銅であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項４において、
更に、前記第２の工程後に、前記添加剤の特性値が１．５以上の添加剤を加えためっき液で、前記半導体基板に電解めっきすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項４において、
更に、前記第１の工程後に、前記半導体基板を純水洗浄することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項７において、
更に、前記電解めっき後に、前記半導体基板を純水洗浄することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解めっきの添加剤評価装置と電解めっき方法に関し、更に半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、微細化・高速化するＣＭＯＳ構造のＬＳＩ用の配線材料として、低抵抗でエレクトロマイグレーション（ＥＭ）耐性が高い銅配線が適応されている。銅は、Ａｌ配線とは異なりドライエッチングでの加工が困難である。そこで、絶縁膜に溝やビアを形成して、そこに銅を埋め込むダマシン法が採用されている。特に低コストという観点から、配線層と接続孔（以下、ビア）を同時に形成するデュアルダマシン法が開発されている。図１６は、デュアルダマシン法を簡単に説明するための図である。ビアと配線を別工程で作成するシングルダマシンに対し、デュアルダマシンでは、ビアの開孔と配線部の溝の形成とを行なった後に、一度の銅めっき１でビア２と配線３を同時に作成する技術である。
【０００３】
デュアルダマシン法の場合、銅を埋め込む溝（トレンチ）やビアのアスペクト比が高くなるため、埋め込み特性に優れた電解めっきが多く用いられている。電解めっきでは、高い埋め込み能力を確保するために添加剤を使用しており、この添加剤の働きを充分に制御することが重要である。
【０００４】
一般に銅の電解めっきに使用される添加剤は、光沢剤（ブライトナー）、抑止剤（ポリマー）、平滑剤（レベラー）の３成分が基本となる。その中で、ポリマーは銅の析出を抑える特性を持つ添加剤である。これらの添加剤の作用によって、ビアやトレンチの底面からの銅の成長（ボトムアップ成長）が制御される。ボトムアップ成長の速度が速い程埋め込み特性は良好である。しかし、各添加剤を加えた際の効果のバランスや、特性の制御（特にポリマーの制御）が不可欠である（例えば、特許文献１参照。）。もし、添加剤のバランスや制御が不十分であると、埋め込んだ銅の中にシームと呼ばれる隙間や、ボイドと呼ばれる空隙ができてしまうという不良が発生する。この様な不良が発生すると、ビアやトレンチの抵抗値が増大し、更には電気的な導通が取れなくなってしまうなどの問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５２３９８号公報  （第２−９頁、第３図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたとおり、ビアやトレンチを良好に埋め込むには、各種添加剤を最適濃度でめっき液に添加する必要がある。めっき膜の望ましい成長機構は、ある程度ビアやトレンチの底面や内壁に均一に成長（コンフォーマル成長）した後に、速やかに上記したボトムアップ成長（底面からの成長）に移行することである。この成長機構によって、シームやボイドの形成を防止することができる。
【０００７】
しかしながら、実際に半導体基板をめっき浴に浸して銅を析出させてみないと各種添加剤のバランスや制御性が判断できない。特にビアやトレンチの底面と内壁とにコンフォーマル成長した後に、どのようなタイミングでボトムアップ成長に移行するのかを知るには、実際にめっき浴に浸し、成長した膜厚の変化に対応した試料の断面を、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）などによって、各段面のめっき成長の様子を観察し、どの時点でコンフォーマル成長から、ボトムアップ成長に移行しているかを、ＳＥＭ写真を撮影するなどして確認する方法がある。しかし、上記方法で、各種添加剤の種類や濃度を変化させてボトムアップ成長に移行するタイミングを調べるには、莫大な労力と時間が必要であるという問題点がある。
【０００８】
また、半導体装置の微細化に伴い、ビアやトレンチの開口幅もより小さくなりつつある。この様に、微細なビアやトレンチの開口幅は、今や０．１０μｍ程度にまで縮小されている。現状のめっき技術では、この様な微細なビアやトレンチを良好に埋め込むことができないという問題がある。そのため、各種添加剤の組み合わせや最適濃度などが鋭意研究されている。しかしながら、上記したとおり、添加剤の評価には、労力や時間がかかる。
【０００９】
更に、デュアルダマシンなど、ビアと配線領域とを銅のめっきによって同時に埋め込む場合は、半導体表面に形成されたパターンの疎密によって、銅の段差ができてしまい、めっき後の表面が平坦にならないという問題がある。開口幅の広い、パターンの疎な領域では、溝が完全に埋まりきらず、逆に、開口幅が微細なビアやトレンチが密に分布している領域では、埋め込まれたビアやトレンチの上部領域に過剰に厚い銅が形成されてしまう（オーバープレート現象）。従って、後工程で化学的機械研磨法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）を行なっても、表面は平滑にならず、この後更に上層の配線を形成する際の問題となっている。
【００１０】
また、特開２００１−１５２３９８号公報には、光沢剤、平滑剤、抑止剤などの添加剤を測定して一定濃度に保つ方法や、めっき液中の特定の添加物濃度のみを測定してめっき液を評価する方法、また、そのための装置が開示されているのみである。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、低コストで添加剤を評価する新しい評価装置と、その評価装置から導出される添加剤の特性値に基づいて添加剤を選択し、良好な埋め込み特性のめっき方法、更に、表面が平滑に埋め込める半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、評価用電極をめっきの主材料と添加剤とからなるめっき液に浸し、前記評価用電極を回転させて前記主材料を析出させる電解めっき成長の添加剤固有特性の評価装置において、異なる添加剤濃度を有する複数種類のめっき液に対し、前記回転数と前記主材料の前記評価用電極への析出量との関係を検知する検知部と、前記検知された析出量と回転数との関係から、各添加剤濃度における低回転数領域と高回転数領域の前記回転数と析出量との関係近似直線の交点を結んで得られる特性直線の傾きを、前記添加剤の固有特性値として生成する固有特性値生成部とを有することを特徴とする電解めっき成長の添加剤固有特性の評価装置にある。
【００１３】
この様な装置を用いることによりめっき液の添加剤に固有な特性値を容易に求めることができ、添加剤の評価を簡便に行なうことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、本発明の保護範囲は、以下の実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態例でのトレンチの埋め込み機構を説明するための図である。ビアやトレンチを埋め込む場合、底面からの成長速度が早いボトムアップ成長と呼ばれる機構が最適である。底面と側壁とに均一に成長するコンフォーマル成長では、底面の開口幅に対する開口深さの比（アスペクト比）の高いビアやトレンチは埋め込むことができない。図１（１）の様に、底面からの成長が非常に早いと、埋め込み特性は良好である。しかし、図１（２）の様に、コンフォーマル成長のみでは、シーム４と呼ばれる隙間ができてしまう。また、図１（３）に示すとおり、コンフォーマル成長をしながらボトムアップ成長も同時に行なうと、ボイド５と呼ばれる空隙ができてしまう。
【００１６】
図２は、ボトムアップ成長の機構を示す図である。種々の膜厚でトレンチを埋め込み、その断面を観察することによって埋め込み過程を調べ、コンフォーマル成長からボトムアップ成長に切り替わるタイミングを調べたものである。図２に示すとおり初期のコンフォーマル成長を経て、底面からの成長の早いボトムアップ成長に切り替わる。従って、その切り替わりが早い方が、埋め込み性能もあがる。この機構は、３種類の添加剤をめっき液に添加することで、実現される。この添加剤は、光沢剤（ブライトナー）、抑止剤（ポリマー）、平滑剤（レベラー）である。発明者は、これらの添加剤で、特に抑止剤であるポリマーに着目し、その特性を詳細に検討した。その結果、ポリマーが有する特性が、ボトムアップ成長の機構に深く関わっていることを実験により見いだした。以下、その実験について説明する。
【００１７】
ポリマーの固有特性値を評価する方法として、ＣＶＳ（Ｃｙｃｌｉｃ  Ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｉｃ  Ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ）  法を利用した。ＣＶＳ法の装置として、ＥＣＩテック社製のＱＰ４０００を使用した。この装置は、約５ｍｍφの円柱形をした白金電極の平滑な円形面を、ビーカーに入れためっきの主材料と添加剤とを含むめっき液に接触させ、その電極を円形面の中心を軸として所定の回転速度で回転させる機構を備え、めっき液内に白金電極と導通し、印可する電圧を変えることができる電極とを備え、更に、添加剤を所望の分量だけ滴下して、めっき液の添加剤濃度を所望の値に保持する添加剤滴下部とを備えた装置である。
【００１８】
更にこの装置は、印可した電圧値に対応して流れた電流値をモニタして、所定の回転速度と所定の添加剤濃度での、めっきの主材料の析出量を導き出す機構を有している。
【００１９】
図３は、ＣＶＳ装置の電極回転数と拡散層の関係を説明するための図である。白金電極をめっき液に接触させて回転させると、めっき液に接触した白金電極の下にめっき液の対流が起こり、拡散層が形成される。拡散層の厚さによって、白金電極の表面に供給される添加剤の分量が変わってくる。この拡散層の厚さδは、回転数：ω、粘性係数：υ、拡散係数：Ｄとすると、δ＝１．６１×ω−１／２×υ１／６×Ｄ１／３なる式で与えられる。図３に示すとおり、回転数が上がるにつれて拡散層は薄くなる。回転数が早いと、拡散層は薄くなるので、添加剤（本実験例では、抑止剤のポリマー）が供給され易くなる。従って、ポリマーが多く供給されて抑止効果が高まり、主材料である銅の析出量は少なくなる。逆に、回転数が低いと、拡散層が厚くなるため、ポリマーは供給されにくくなり、銅の析出量は多くなる。
【００２０】
図４は、ＣＶＳ装置によってめっき主材料の析出量を算出する方法を説明するための図である。図において、横軸は電位を示し、縦軸は電流値を示している。電位は、−３００ｍＶから１０００ｍＶまで変化させ、この時に流れた電流値を測定する。まず銅を析出させるため、電位をマイナス方向に変化させる。これによって白金電極に銅が析出する。−３００ｍＶに達した時点で電位を反転させ、析出した銅を溶解させるため、電位をプラス方向に変化させる。電位が０Ｖでは、電流は流れないが、電位が０Ｖから上がるにつれて、析出した銅によって電流値も上昇する。電流値が上昇している時に、析出させた銅は徐々にめっき液中へと溶解してゆく。そして、電流が急激に減少し０ｍＡになった時点で析出させた銅は全て溶解し、もはや電流は流れなくなる。この図の斜線部の面積が析出した銅の量に対応する。この様に、ＣＶＳ装置によれば、電極に印可した電圧とその時流れた電流とをモニタすることにより、めっき主材料の析出量を算出できる。
【００２１】
そこで、発明者はＣＶＳ装置を利用し、添加剤を全く添加しない場合の析出量を１００％として、添加剤を添加した際の析出率が何％にまで低下したか（銅の析出がどの程度抑止されたか）を調査した。この際に、白金電極の回転数は一定とし、添加剤は抑止剤であるポリマーを用いた。そして、その添加量（ポリマー濃度）を種々変更し、所定の回転数での析出率の低下を調査した。
【００２２】
また、上記したとおり白金電極の回転数によって、拡散層の厚みが異なり、ポリマーの供給量が異なるため、更に白金電極の回転数を低回転から高回転まで種々変化させて、上記調査を行なった。
【００２３】
更に、１種類の添加剤のみ調査しても比較対照ができないため、添加剤をポリマー（抑止剤）であるポリエチレングリコール（ＰＥＧ）として、その分子量を１００、２０００、４０００、１５０００の４種類として、上記調査を行なった。以下、分子量４０００のものを添加剤Ａ、分子量１００のものを添加剤Ｂ、分子量２０００のものを添加剤Ｃ、分子量１５０００のものを添加剤Ｄと称する。添加剤Ａ〜Ｄは、１０．０ｗｔ％になるように、濃度を調整してあるものを使用した。
【００２４】
図５は、調査結果を、白金電極の回転数と銅の析出率との関係として示した図である。図５において、直線Ａ乃至Ｄが描かれているが、その直線については後に説明する。図５の（１）は、添加剤Ａを、０．１ｍＬ／Ｌから１００．０ｍＬ／Ｌまで段階的に添加量を変化させた時の、回転数と銅析出率の変化を示す図である。この図５の（１）に着目してみると、白金電極の回転数が低い時は、拡散層が厚いためＰＥＧの析出面への供給が少なく析出率は高い傾向が見られる。しかし、ＰＥＧの添加量が多い（例えば１０．０ｍＬ／Ｌ以上）と、拡散層が厚くても抑止効果が強く作用し銅の析出率は低い。その様子を観察すると、ＰＥＧの添加量に関わらず、回転数の上昇と共に析出率がほぼ直線的に減少し、やがて変化しなくなる傾向がある。また、図５の添加剤Ｃの（３）、添加剤Ｄの（４）に着目してみると、析出率と回転数との関係は、（１）とほぼ同様な傾向が見られる。即ち、白金電極の回転数が遅い時には、ＰＥＧの濃度が薄いほど析出率が高く、回転数が上昇するにつれて、析出率はほぼ直線的に減少し、所定の回転数からは横ばいに推移する傾向が見てとれる。但し、図５の添加剤Ｂの（２）は、殆ど抑止力がないので例外とする。
【００２５】
発明者は、図５を詳細に検討し、白金電極の回転数上昇に伴い析出率がほぼ直線的に減少していく領域（低回転領域）と、更に回転数を上昇させた時の横ばい状態の領域（高回転領域）とを、各々直線で近似することができることに気がついた。そこで、低回転領域と高回転領域とを２つの直線で近似し、交点を求めた。その交点を、添加剤の添加量の少ない希薄濃度域と、添加量の多い濃厚濃度域とで、横軸をＣＶＳ回転数とし、縦軸を析出率としてプロットしてみたところ、プロットした各座標が上記した直線Ａ乃至Ｄに近似できることを見いだした。
【００２６】
図６は、低回転領域と高回転領域とを２つの直線で近似して交点を求め、添加剤の濃度が異なる２つの交点１，２を直線で結び直線を求めた図である。この様に、添加剤が希薄な所定の濃度での低回転領域の近似直線Ｅ２と、同じく添加剤が希薄な所定の濃度での高回転領域の近似直線Ｅ１との交わりから交点１を求める。次に、添加剤濃度が濃厚な所定の濃度での低回転領域の近似直線Ｆ２と、同じく添加剤濃度が濃厚な所定の濃度での高回転領域の近似直線Ｆ１との交わりから交点２を求める。そして、交点１と交点２を結ぶことにより、直線Ｇが得られる。
【００２７】
そして、添加剤の濃度を種々変化させてプロットし、上記した直線Ｇを得るのと同様の手法で、直線で近似したものが、上記した図５における直線Ａ乃至Ｄである。以下、この直線を添加剤の特性直線と称する。図５の特性直線から理解できるように、各添加剤において特性直線の傾きが異なっている。図５（１）では、特性直線の傾きは小さいが、（３）及び（４）は、特性直線の傾きが大きい。この相違点を更に明確にするため、発明者は各特性直線のみを取り出して検討した。（２）においては、添加剤の作用が弱すぎて、特性直線はほぼ垂直となった。
【００２８】
図７は、図５における各特性直線Ａ乃至Ｄを、より詳細に検討するための比較図である。図において、横軸はＣＶＳ装置の回転数ｘであり、縦軸は銅の析出率ｙであり、２つの近似直線の交点がプロットされている。各特性直線は、座標における原点を始点としていないが、ある値を持った比例定数をｘに乗じて、その切片を加えた直線であることに気づいた。発明者はこの直線から、銅の析出率はＣＶＳ装置の回転数にある比例定数ｋを乗じ、切片αを加えたもの、即ちｙ＝ｋ＊ｘ＋α、として得られることを知見した。切片：αは無視できる程小さいため、以下、この比例定数、即ち各特性直線の傾きを添加剤の固有特性値として、ｋと称する。
【００２９】
図８は、ＣＶＳ装置の回転数と、固有特性値ｋとの関係を示す図である。この図から理解できるように、回転数に関わらず、ｋの値はほぼ一定（２つの近似直線の交点がほぼ直線上に並ぶ）であり、また添加剤の種類によって、ｋの値に違いが見られる。では、一体ｋの値の違いは、ボトムアップ成長とどの様な関係があるかを調べるため、発明者は実際に実験を行なってみた。
【００３０】
図９は、添加剤Ａ乃至Ｄを用いてビアの埋め込み特性を評価するための図である。図９の（１）は、実験に使用したビアの断面を示す図である。ビアの深さは１．２０μｍである。実際にビアを埋め込む時の特性を厳しく評価するため、通常のビアではなく、ビアの開口部に斜線で示すオーバーハング部ＯＨが存在している。ｄ１は０．１５μｍのビアの内径を示すものであり、図９（１）においてはビアの内部に点線で示される。ｄ２は本実験に使用した０．２５μｍのビアの内径を示しているが、先に述べたとおりオーバーハング部を有し、開口幅Ｌは、その０．２５μｍ  のビア内径より狭く、更に０．１５μｍのビアの開口幅よりも狭くなっている。
【００３１】
ビアの開口幅と埋め込み条件について、更に説明する。図９の（２）は、内径が０．１５μｍのビアと、実験に使用した内径が０．２５μｍのビア開口部を上面から写したＳＥＭ写真である。ＳＥＭ写真では、黒く表示されている部分がビアの開口部を示している。右側が実験に使用したビアの開口部であり、左側は比較するための開口幅Ｌ１が０．１５μｍのビアを示している。実験に使用した右側の開口幅Ｌ２は、０．１５μｍよりも狭くなっている。アスペクト比は、０．１５μｍのビアで４．７程度であるが、実験に使用したビアでは４．８以上である。アスペクト比が高い程、埋め込む条件としては厳しくなっている。
【００３２】
上記したビアを実際に埋め込んだ時の断面のＳＥＭ写真が図９の（３）である。添加剤Ａでは、極めて良好な埋め込みが観察される。添加剤Ｂは、矢印部に多くのシームが観察されコンフォーマル成長の度合いが強く埋め込み特性が悪いことがわかる。また、添加剤Ｃも埋め込み特性は比較的に良いが、ビアの底部付近に小さなボイドが観察される。添加剤Ｄは、ボイドが多数有り、埋め込み特性はさほど良いとは言えない。ここで、実験に用いた各添加剤のｋの値との対応関係について調べてみると、最も埋め込み特性の良かった添加剤Ａでｋ＝０．７、比較的良好な添加剤Ｃで、ｋ＝１．０、またボイドが観察された添加剤Ｄでは、ｋ＝１．５であった。添加剤Ｂはｋの値を求めることができなかったので、除外する。上記実験結果から、ｋの値は、ビアやトレンチの埋め込み特性を評価する指標となり、ｋの値が小さい程、埋め込み特性が良好であり、即ちボトムアップ成長しやすいと考えられる。
【００３３】
そこで、発明者は、上記したｋの値とボトムアップ成長の関係を明確にするため、実際に添加剤Ａ〜Ｄを用い、トレンチを埋め込む実験を行なって、トレンチがどの程度コンフォーマル成長をしてからボトムアップ成長に変化するかを確認した。
【００３４】
図１０は、トレンチがどの程度コンフォーマル成長してからボトムアップ成長に移行するかを示す図である。図１０の（１）は、埋め込み開始後の実効トレンチ幅を説明するための図である。トレンチを埋め込む際に、初期段階ではコンフォーマル成長するので、実際のトレンチ幅は狭くなっていく。そこで実効トレンチ幅Ｄを測定し、その時の底成長の高さＨを測定した。
【００３５】
図１０（２）は、縦軸を底成長高さＨとし、横軸を実効トレンチ幅Ｄとして添加剤Ａ乃至添加剤Ｄの実測値をグラフ化している。図において、成長前の実効トレンチ幅Ｄは、１４０ｎｍ程度で、各試料間の差は僅少である。トレンチの埋め込みは、埋め込み開始点Ｓから始まって、左方向、即ち実効トレンチ幅Ｄが狭くなる方向に推移していく。それに対応して、底成長の高さＨは、上方向、即ち厚くなる方向に推移していく。
【００３６】
使用した添加剤に関わらず、埋め込み当初はコンフォーマル成長して底成長は弱い。ところが、ｋの値が０．７と最も小さかった添加剤Ａでは、実効トレンチ幅が１１０ｎｍ程度から、底成長を示す直線が急峻に立ち上がり、ボトムアップ成長が始まっていることがわかる。ボトムアップ成長に移行する実効トレンチ幅をボトムアップタイミングとすると、ｋ値が測定できなかった添加剤Ｂでは、４５ｎｍで最も悪く、添加剤Ｃでは、７５ｎｍ程度で、添加剤Ｄでは、６５ｎｍ程度である。ここで、実効トレンチ幅が広い段階からボトムアップ成長する程（ボトムアップタイミングが早い程）埋め込み特性は良好である。ｋ＝０．７の添加剤Ａが最も埋め込み性が良く、次にｋ＝１．０の添加剤Ｃ、ｋ＝１．５の添加剤Ｄと続いて埋め込み性が良い。以上のことから、ｋの値が小さい程、ボトムアップタイミングが早く、埋め込み特性が良好である。
【００３７】
また、上記したとおり、ビアやトレンチの開口部は今や０．１０μｍにまで縮小されつつある。この様に狭い開口部のビアやトレンチを電解めっきで埋め込む際に、上記したｋの値は極めて重要である。図１１は、０．１０μｍのビアの埋め込み特性と添加剤のｋ値との関係を示す図である。
【００３８】
図１１の（１）は、０．１０μｍのビアを添加剤のｋ値を変化させながら、実際に埋め込んだ時のボイド発生率を示している。図では、横軸に添加剤の固有特性値ｋを取り、縦軸にビア中のボイド発生率を取っている。当然のことながら、ボイドの発生率が小さい程、埋め込み特性は良好である。ｋ値は２．０付近からから０．７付近まで変化させて実験を行なった。ｋ値が１．５程度までは、必ずボイドが発生する（ボイド発生率１００％）であるが、ｋ値が１．２程度から、急激にボイド発生率が下がっていき、ｋ値が小さい程ボイドの発生率が少ないことがわかる。例えば、ｋ値が０．７の場合、ボイドの発生率は１５％程度である。従って、ｋ値が小さくなるにつれて、ボイドの発生率が減少していき、埋め込み特性が良いといえる。
【００３９】
また、図１１の（２）は、ビアの開口幅と、その開口幅のビアを９０％以上埋め込むことができた添加剤のｋ値との関係を示している。横軸にｋ値を取り、縦軸はビアの開口幅を取っている。ビアの開口幅が小さい時に９０％以上の埋め込みができる程、埋め込み特性はよい。ｋ値は、２．０付近から０．７付近まで変化させて実験を行なった。ｋ値が２．０の場合は、埋め込めるビア径は、０．３５μｍ程度であるが、ｋ値が小さくなるにつれて、埋め込めるビア径は、より小さくなっていく。今後も半導体装置は、縮小化の一途をたどり、ビアやトレンチも、より微細な開口部を持つに至ると推測される。ｋ＝０．７の添加剤を使用することにより０．１０μｍの開口部を持つビアやトレンチの埋め込みが９０％以上できている。従って、ｋ値が小さい程、埋め込めるビアの開口幅が小さくなっていく。
【００４０】
つまり、ｋ値が小さくなる程、ボトムアップ成長への移行が早くなるので埋め込み特性がよくなり、ｋ＝０．７の場合が最良であった。また、ｋ値が小さくなる程、ボイドの発生率が小さくなるので、埋め込み特性がよく、ｋ＝０．７の場合が最良であった。更に、ｋ値が小さくなる程、９０％以上埋め込めるビアの開口幅が小さくなるので、埋め込み特性がよく、ｋ＝０．７の場合が最良であった。
【００４１】
以上を、踏まえると、ｋ値が小さい程ビアやトレンチの埋め込み特性は良好であり、ｋ＜０．７の添加剤を用いることが好ましい。
【００４２】
また、微細な開口部を持つビアやトレンチを埋め込む際に、電解めっきの主材料（本実施の形態例では銅）に加える添加剤には膨大な種類があるが、発明者が見いだした添加剤の特性を示すｋ値を測定することで、添加剤の埋め込み特性を評価できる。即ち、ｋ値が０．７以下の添加剤を用いることで、電解めっきによる埋め込みは、良好なボトムアップ成長をすることが期待されるからである。添加剤のｋ値を測定することは、添加剤を評価・選択する際の重要な指標となることが期待される。
【００４３】
そこで、発明者は、添加剤のｋ値を測定するための簡単な装置を発明するに至った。その装置とは、評価用電極をめっきの主材料と添加剤とからなるめっき液に浸し、前記評価用電極を回転させて主材料を析出させる電解めっき成長の添加剤固有特性の評価装置において、異なる添加剤濃度を有する複数種類のめっき液に対し、回転数と主材料の評価用電極への析出量との関係を検知する検知部と、検知された析出量と回転数との関係から、各添加剤濃度における低回転数領域と高回転数領域の前記回転数と析出量との関係近似直線の交点を結んで得られる特性直線の傾きを、添加剤の固有特性値として生成する固有特性値生成部とを有することを特徴とする電解めっき成長の添加剤固有特性の評価装置である。
【００４４】
図１２は、本実施の形態例の添加剤の固有特性値を評価する装置の概略図である。図１２の（１）に示すとおり、評価用電極７は、速度可変に回転させる回転駆動部８によって回転しながら主材料と添加剤とからなるめっき液９に浸されてめっきされる。この装置は、異なる添加剤濃度における回転数と、評価用電極７に析出した主材料との関係を検知する検知部１０と検知された析出量と回転数の関係から特性直線を生成し、その特性直線の傾きから添加剤の固有特性値を生成する固有特性生成部１１からなっている。この固有特性生成部１１は、汎用コンピュータと、固有特性生成プログラムとによって実現可能である。
【００４５】
固有特性生成部では、図１２の（２）に示すとおり、異なる添加剤濃度ａ、ｂ、ｃからなるめっき液で評価用電極７に析出した主材料の析出量と回転数との関係を表す曲線Ａ，Ｂ，Ｃから特性直線Ｙ＝ｋ＊Ｘを生成し、その傾きであるｋを生成する。このｋの値が、評価に供した添加剤の固有特性値である。
【００４６】
（第２の実施の形態例）
半導体装置の製造において、ビアと配線とを別工程で作成するシングルダマシンに加え、コスト低減のためにデュアルダマシンと呼ばれる技術があることについては、既に述べたとおりである。このデュアルダマシンでは、開口部の径の小さいビアやトレンチを埋め込むと同時に、幅が広い配線領域も同時に埋め込む必要がある。
【００４７】
上記した、第１の実施の形態例で用いたｋ値による添加剤の評価を行ない、電解めっき中に早い段階でボトムアップ成長が開始される添加剤が得られれば、シングルダマシンには有効であるとしても、デュアルダマシンでは、ビアやトレンチのみではなく、開口幅の広い配線領域なども同時にめっき成長させる必要がある。その場合は、半導体表面に形成されたパターンの疎密によって、銅の段差ができてしまい、めっき後の表面が平坦にならないという問題があり、それは未だ解決されていない。
【００４８】
開口幅の広い、パターンの疎な領域では、溝が完全に埋まりきらず、逆に微細なビアやトレンチが密に分布している領域では、埋め込まれたビアやトレンチの上部領域に過剰に厚い銅が形成されてしまう現象、即ちオーバープレート現象が発生してしまう。
【００４９】
図１３は、パターンの疎密によって、オーバープレート現象が発生した際の模式図である。開口径の小さいビアが密集している領域では、ボトムアップ能力が強く作用し、ビアが埋め込まれた後も成長を続ける。しかし、配線幅の広い所では、コンフォーマル成長が続くので、完全に埋め込むことができず凹みができてしまう。従って、図１３に示すとおり、配線幅の広い領域、疎配線領域、密配線領域、配線のない領域とで、銅の析出量に差が生じ段差が形成される。その段差がオーバープレート６である。
【００５０】
そこで発明者は、ｋ値の異なる添加剤を加えた、異なるめっき液を複数用意し、めっき液を変えながら段階的にめっき成長をさせることを想到するに至った。図１４は、添加剤のｋ値が異なるめっき液で段階的にめっき成長をさせて、段差を軽減することを示す図である。図１４の（１）に示すとおり、まず先に、添加剤のｋ値の小さな、例えばｋ＝０．７程度のめっき液で微細な密配線領域の埋め込みを行なう。次に、図１４の（２）に示すとおり、ボトムアップ成長の度合いが比較的に弱いｋ＝１．０程度の添加剤を加えためっき液に接触させて、主としてコンフォーマル成長をさせ、配線幅の広い領域を埋め込む。このような２ステップのめっき方法により段差を軽減させることができる。
【００５１】
更に、図１４の（３）に示すとおり、添加剤のｋ値の大きい、例えばｋ＞１．５のめっき液で、コンフォーマル成長させる３ステップのめっき方法を用いても良い。３ステップでのめっき成長により、段差は殆ど解消される。
【００５２】
この、３ステップでのめっき方法は平坦性が良いため、後工程の化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）で余分に成長した銅を除去する時に、平坦性に優れた表面を得ることができる。しかし、コストの観点からすると、２ステップのめっき方法を選択するのが良い。また、本実施の形態例では、３ステップのめっき方法について述べたが、更にｋ値の大きな添加剤を用いためっきを行なってもよい。
【００５３】
図１５は、実際に２ステップの電解めっきの実験を行ない段差が減少したことを実証するための図である。横軸は、２ステップ目のめっき後の膜厚を示し、縦軸は、その時の段差を示している。まず、１ステップ目で添加剤Ａ（ｋ＝０．７）を添加しためっきによって、５０００Åの銅を析出させ、その後２ステップ目のめっきを行なった。開口幅の異なる領域を、０．２７μｍの密なパターン領域、同じく０．２７μｍの疎なパターン領域、更に０．５４μｍ、２．０μｍ、４．０μｍの配線領域の５領域を対象として実験を行なった。
【００５４】
図１５において（１）は、１ステップ目と同様にｋ＜１．０でめっきを継続した場合を示し、（２）では、めっき液をｋ＞１．０の液に交換してめっきを行なった場合を示している。めっき液の交換に際し、基板を純水洗浄した。ここで、図１５の（１）では、１５０００Å析出させた時に、段差は１３０００Å程度であるが、（２）では、同じく１５０００Å析出させた時に段差は、１００００Å程度であり、ｋ＞１．０で２ステップ目のめっきを行なうことにより、段差が軽減されていることがわかる。
【００５５】
以上、実施の形態例をまとめると以下の付記の通りである。
【００５６】
（付記１）評価用電極をめっきの主材料と添加剤とからなるめっき液に浸し、前記評価用電極を回転させて前記主材料を析出させる電解めっき成長の添加剤固有特性の評価装置において、
異なる添加剤濃度を有する複数種類のめっき液に対し、前記回転数と前記主材料の前記評価用電極への析出量との関係を検知する検知部と、
前記検知された析出量と回転数との関係から、各添加剤濃度における低回転数領域と高回転数領域の前記回転数と析出量との関係近似直線の交点を結んで得られる特性直線の傾きを、前記添加剤の固有特性値として生成する固有特性値生成部とを有すること、
を特徴とする電解めっき成長の添加剤固有特性の評価装置。
【００５７】
（付記２）付記１において、
前記めっきの主材料が、銅であることを特徴とする電解めっき成長の添加剤固有特性を評価する評価装置。
【００５８】
（付記３）被めっき基板をめっきの主材料と添加剤とからなるめっき液に浸し、該基板を回転させながらめっきする電解めっき方法であって、
異なる添加剤濃度を有する複数種類のめっき液に対し求められた、前記回転数と主材料の前記評価用電極への析出量との関係から、各添加剤濃度における低回転数領域と高回転数領域の前記回転数と析出量との関係近似直線の交点を結んで得られる特性直線の傾きを、前記添加剤の固有特性値とした場合において、
前記添加剤の固有特性値が０．７以下の添加剤を加えためっき液で前記被めっき基板の凹部を前記主材料で埋め込みめっきすること、
を特徴とする電解めっき方法。
【００５９】
（付記４）被めっき基板をめっきの主材料と添加剤とからなるめっき液に浸し、該基板を回転させながらめっきする電解めっき方法であって、
異なる添加剤濃度を有する複数種類のめっき液に対し求められた、前記回転数と主材料の前記評価用電極への析出量との関係から、各添加剤濃度における低回転数領域と高回転数領域の前記回転数と析出量との関係近似直線の交点を結んで得られる特性直線の傾きを、前記添加剤の固有特性値とした場合において、
前記添加剤の固有特性値が０．７以下の添加剤を加えためっき液で前記被めっき基板の凹部を前記主材料で埋め込みめっきする電解めっき工程を有する半導体装置の製造方法。
【００６０】
（付記５）付記３において、
前記添加剤が抑止剤であることを特徴とする電解めっき方法。
【００６１】
（付記６）付記３において、
前記添加剤が分子量４０００のポリエチレングリコールであることを特徴とする電解めっき方法。
【００６２】
（付記７）半導体基板をめっきの主材料と添加剤とからなるめっき液に浸し、該基板を回転させながらめっきの主材料を析出させる半導体装置の製造方法であって、
第１の特性値を有する添加剤を用いて電解めっきする第１の工程と、
前記第１の特性値より高い第２の特性値を有する添加剤を用いて再度電解めっきする第２の工程とを有し、
前記所定の特性値は、前記異なる添加剤濃度を有する複数種類のめっき液に対して求められた前記回転数と前記めっきの主材料の析出量との関係から、各添加剤濃度における低回転数領域と高回転数領域の前記回転数と析出量との関係から求められた近似直線の交点を結んで得られる特性直線の傾きであること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【００６３】
（付記８）付記７において、
前記第１の特性値が１．０未満であり、前記第２の特性値が１．０以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００６４】
（付記９）付記４又は７において、
前記めっきの主材料が、銅であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００６５】
（付記１０）付記７において、
更に、前記第２の工程後に、前記添加剤の特性値が１．５以上の添加剤を加えためっき液で、前記半導体基板に電解めっきすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００６６】
（付記１１）付記７において、
更に、前記第１の工程後に、前記半導体基板を純水洗浄することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００６７】
（付記１２）付記１０において、
更に、前記電解めっき後に、前記半導体基板を純水洗浄することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００６８】
（付記１３）付記７又は１０において、
前記添加剤が抑止剤であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００６９】
（付記１４）付記７又は１０において、
前記添加剤が分子量４０００のポリエチレングリコールであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００７０】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、電解めっきの添加剤の評価を、固有特性値を求めることによって、工数をかけずに容易に求めることができる。また、添加剤の固有特性値の低いめっき液から、固有特性値の高いめっき液へと、めっき液を変えながら段階的にめっき成長をさせることにより、めっきの主材料の表面を平滑にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例でのトレンチの埋め込み機構を説明するための図である。
【図２】ボトムアップ成長の機構を示す図である。
【図３】ＣＶＳ装置の電極回転数と拡散層の関係を説明するための図である。
【図４】ＣＶＳ装置によってめっき主材料の析出量を算出する方法を説明するための図である。
【図５】調査結果を、白金電極の回転数と銅の析出率との関係として示した図である。
【図６】低回転領域と高回転領域とを２つの直線で近似して交点を求め、添加剤の濃度が異なる２つの交点１，２を直線で結び直線を求めた図である。
【図７】図５における各特性直線Ａ乃至Ｄを、より詳細に検討するための比較図である。
【図８】ＣＶＳ装置の回転数と、固有特性値ｋとの関係を示す図である。
【図９】添加剤Ａ〜Ｄを用いてビアの埋め込み特性を評価するための図である。
【図１０】トレンチがどの程度コンフォーマル成長してからボトムアップ成長に移行するかを示す図である。
【図１１】０．１０μｍのビアの埋め込み率と添加剤のｋ値との関係を示す図である。
【図１２】本実施の形態例の添加剤の固有特性値を評価する装置の概略図である。
【図１３】パターンの疎密によって、オーバープレート現象が発生した際の模式図である。
【図１４】ｋ値の異なるめっき液で段階的にめっき成長をさせて、段差を軽減することを示す図である。
【図１５】実際に２ステップの電解めっきの実験を行ない段差が減少したことを実証するための図である。
【図１６】デュアルダマシン法を簡単に説明するための図である。
【符号の説明】
１      銅めっき
２      ビア
３      配線
４      シーム
５      ボイド
６      オーバープレート
７      評価用電極
８      回転駆動部
９      主材料と添加剤からなるめっき液
１０    検知部
１１    固有特性生成部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004217997.tif 000011
【図１０】
2004217997.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2004217997.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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