(57)【要約】【課題】  めっき形成による埋め込み金属配線の形成において、基板全面に亘って均一で良好な埋め込み特性を得る。【解決手段】  めっき槽１の中のめっき液２に基板４を浸し、基板４の主面に沿った方向の基板４とめっき液２との相対速度が０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるようにして、基板４とめっき液２とを相対的に移動させながら、基板４の主面にめっきを形成する。このように形成することにより、微細な配線溝や孔の中に金属膜を埋め込むとき、めっき液２に含まれる添加剤が配線溝や孔の開口部付近に溜まることを防ぎ、金属膜にボイドが発生することを抑制できる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
めっき槽の中のめっき液に基板を浸し、前記基板の主面に沿った方向の前記基板と前記めっき液との相対速度を０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるようにして、前記基板と前記めっき液とを相対的に移動させながら前記基板の主面にめっきを形成することを特徴とするめっき形成方法。
【請求項２】
前記基板を前記基板主面と平行方向に変位させながらめっき形成を行うことを特徴とする請求項１に記載のめっき形成方法。
【請求項３】
前記基板を前記基板主面の垂直軸のまわりに自転させながらめっき形成を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のめっき形成方法。
【請求項４】
前記めっき槽の中で前記基板を公転させながらめっき形成を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のめっき形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板のめっき方法に関するものであり、特に銅などを用いた配線形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化および高速化に伴い、配線間寄生容量と配線抵抗の増大による信号伝達遅延が問題となっている。信号伝達遅延は、配線間寄生容量と配線抵抗との積に比例するため、両者を低減させる製造プロセス開発が重要となってきている。
配線間寄生容量低減のために、層間絶縁膜として低誘電率膜を適用する技術が開発されてきている。一方、配線抵抗の低減に関しては、従来のアルミニウム配線よりも抵抗の低い銅膜を用いた、銅配線への移行が検討されている。
【０００３】
図６、図８、および図９は、従来のめっき方法を用いた半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、これらの図において、同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
銅膜はドライエッチングによる加工が困難であるため、従来の銅配線の形成においては、図６に示すように上層絶縁膜１９に形成した幅の狭い配線溝２０ａ、幅の広い配線溝２０ｂに銅膜を埋め込み、配線溝２０ａおよび配線溝２０ｂの外部に形成した銅膜を除去することにより、埋め込み配線を形成する。
なお、図６において、１４はシリコン基板、１５は下層絶縁膜、１６はストッパー膜、１７は下層金属配線、１８はビアホールを示す。
【０００４】
上述の銅膜を埋め込む工程においては、従来から例えば図７に示すようなめっき装置により、基板４の主面にめっきを形成して、図６に示した配線溝２０ａおよび配線溝２０ｂに銅膜を埋め込む方法が用いられている。
なお、図７において、１はめっき槽、２はめっき液、３は銅シード膜、５は押え板、６は基板ホルダー、７はコンタクト、８は自転軸、１１は供給口、１２は陽極板、１３は電界補正板を示す。
また、均一な膜厚の金属膜を形成するため、従来例の図７に示すように、めっき槽１の内部に電界補正板１３を設けてめっき槽１内部の電界分布を均一化している。また、微細な配線溝を埋め込むため、めっき処理のステップを複数設けたり、めっき液に添加剤を含ませたりする方法により埋め込み性を向上させている。
【０００５】
さらに、図７に示す基板４をめっき液２に浸すとき、基板４の表面とめっき液の間に空気が入らないようにする（空気抜き）ことと、めっき膜厚を均一化させるため、基板４の主面を下側に向けたフェイスダウンの向きにして、高速回転させながらめっき液２に浸す必要があった（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
このとき、基板４の主面に沿った方向の基板４とめっき液２との相対速度は、基板４の中心から離れるに従い大きくなる。このため基板４の半径が大きくなるに従い、基板４の中心部における上記相対速度と、基板４の端部における上記相対速度との差が大きくなる。
前述のように、めっき液２には埋め込み性向上のための添加剤が含まれており、基板４に接触する添加剤の量は、基板４の主面に沿った方向の基板４とめっき液２との相対速度に依存する。このため、基板４の半径が大きくなるに従い、基板４の中心部に接触する添加剤の量と、基板４の端部に接触する添加剤の量の差が大きくなる。
【０００７】
一方、基板４の中心が供給口１１の直上にある場合、供給口１１より供給されるめっき液２は、基板４表面の中心部では表面にほぼ垂直に当たり、基板４表面の端部に向かって基板４の表面に沿って流れる。そのため、基板端部に供給される添加剤の量が中心部と異なり、基板４表面への銅の析出速度も変わる。その結果、添加剤の量が最適化されたものとならず、図８に示すように、微細な孔や溝に埋め込まれた金属膜２３中にボイド２４が形成されてしまう。さらに、配線溝の外部に形成した金属膜２３を除去するとき、図９に示すように、幅の小さい配線溝２０ａの内部でボイド２４が表面に露出して、金属配線の信頼性を低下させてしまう。
なお、図８および図９において、２１、２１ａ、２１ｂはバリアメタル膜、２２、２２ａ、２２ｂは銅シード膜、２３ａ、２３ｂは金属膜を示す。
【０００８】
このように、基板の主面にめっきを形成して、配線溝に銅膜を埋め込む工程において、基板を回転させながらめっき液に浸すとき、基板の主面に沿った方向の基板とめっき液との相対速度は、基板端部に近いほど大きくなり、基板と接触するめっき液に含まれる添加剤の量は、基板の中心部と端部で大きく異なる。
このため、基板の全面に亘って埋め込み特性が最適化されず、配線溝に埋め込まれた金属膜中にボイドが発生し、その後の工程においてボイドが表面に露出して金属配線の信頼性を低下させてしまうという問題があった。
【特許文献１】特開２００２−０４９４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、従来のめっき方法では、埋め込み金属配線をめっき装置により形成するとき、基板と接触するめっき液に含まれる添加剤の量が、基板の中心部と端部で大きく異なるため、基板全面に亘って埋め込み特性が最適化されず、埋め込み金属配線にボイドが発生してしまうという課題があった。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、めっき形成による埋め込み金属配線の形成において、基板全面に亘って均一で良好な埋め込み特性を得ることができる、めっき方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るめっき方法は、めっき槽の中のめっき液に基板を浸し、前記基板の主面に沿った方向の前記基板と前記めっき液との相対速度を０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるようにして、前記基板と前記めっき液とを相対的に移動させながら前記基板の主面にめっきを形成することを特徴とする。
本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、めっき形成による埋め込み金属配線の形成において、基板全面に亘って均一で良好な埋め込み特性を得ることができる、めっき方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態
本実施の形態によるめっきの形成方法として、半導体基板の主面上に絶縁膜を形成し、その絶縁膜の中に、めっき装置を用いて埋め込み銅配線を形成する例について説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態の金属配線を形成する工程において用いる、めっき装置の概略を示す断面図である。
図１において、上部に開口部を有するめっき槽１の中に、めっき液２が入れてある。めっき槽１の上部から、基板４をフェイスダウンの向き（基板４の主面が下向き）にしてめっき液２の中に浸すことにより、基板４の主面上にめっきを形成することができる。
【００１５】
まず、めっき装置の構成について説明する。
基板４は、押え板５および基板ホルダー６により固定されている。基板４の主面上には、基板４の主面に電気を導通させるための銅シード膜３が形成されている。また、基板４に電流を流すためのコンタクト７は基板ホルダー６の内側に沿って取り付けられ、コンタクト７の先端が銅シード膜３と導通可能となるように接触している。また、自転軸８は、下端部が押え板５の中心部で基板４の主面と垂直方向に取り付けられ、上端部は回転アーム９に取り付けられている。回転アーム９は、めっき槽１の中心部の上にある公転軸１０に取り付けられ、自転軸８をめっき槽１の中で公転させることができる。
めっき槽１の内部において、底部の中心には、めっき液２を供給するための供給口１１が設けてある。また、供給口１１の周囲には、含リン銅からなる陽極板１２が取り付けてある。さらに、側壁には電界補正板１３が取り付けてある。
【００１６】
次に、基板４の主面上に金属を析出させる方法について説明する。
まず、図１に示したように、供給口１１よりめっき槽１の内部に供給されためっき液２は、供給口１１の直上に向かって上昇し、めっき槽１の上部でシリコン基板１４の主面方向に沿って水平の向き（図１のＤの方向）に流れ、さらにめっき槽１の端部でオーバーフローする。オーバーフローしためっき液２は回収されて、再び供給口１１からめっき槽１の内部に供給される。
ここで、陽極板１２から基板４に向かって電流を流すと、陽極板１２の表面では、陽極板１２を構成する金属が電子を放出して金属イオンとなり、めっき液２の中に溶出する。また、基板４の主面上には銅シード膜３が形成されており、コンタクト７を介して電流を流すと、溶出した金属イオンが銅シード膜３の表面で電子を受け取ることができ、基板４の主面上に金属となって析出する。
【００１７】
ここで、図１に示しためっき装置では、自転軸８を回転アーム９の長手方向に沿った方向（Ａの方向）に移動させることにより、基板４をその主面と平行方向に変位させながら、めっき形成を行うことができる。
また、自転軸８を回転（Ｂの方向で、時計周り、反時計周りいずれも可能）させることにより、基板４をその主面の垂直軸の周りに自転させながら、めっき形成を行うことができる。
さらに、回転アーム９を公転軸１０の周りに回転（Ｃの方向で、時計周り、反時計周りいずれも可能）させることにより、めっき槽１の中で基板４を公転させながら、めっき形成を行うことができる。
【００１８】
図２、図３、および図５は、本実施の形態のめっき形成方法により、図１に示しためっき装置を用いて、埋め込み銅配線を形成する半導体装置の製造方法を、半導体装置の断面により順を追って説明する工程説明図である。本実施の形態では、半導体装置を形成するための基板として、直径３００ｍｍのシリコン基板を用いる。なお、これらの図において、同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１９】
図２は、本実施の形態における半導体装置の製造工程で、シリコン基板の主面上に、リソグラフィおよびエッチングにより配線溝を形成した後の断面図である。図２では、シリコン基板１４の上に、シリコン酸化膜などからなる下層絶縁膜１５とシリコン窒化膜からなるストッパー膜１６を形成し、下層絶縁膜１５の中にアルミニウムなどからなる下層金属配線１７を形成している。また、ストッパー膜１６と下層絶縁膜１５を開口してビアホール１８を形成し、さらに、リソグラフィおよびエッチングによりシリコン酸化膜などからなる上層絶縁膜１９を開口して配線溝２０ａおよび配線溝２０ｂを形成している。配線溝２０ａは幅が約１７０ｎｍ、深さが１０００ｎｍ程度である。一方、配線溝２０ｂは幅が約２０００ｎｍ、深さが１０００ｎｍ程度である。従って、配線溝２０ａは、配線溝２０ｂと深さがほぼ同一で、幅が小さい配線溝である。
【００２０】
次に、図３に示すように、配線溝２０ａおよび配線溝２０ｂの内面に、密着層として、Ｔａからなるバリアメタル膜２１を３０ｎｍ程度の膜厚で形成する。このとき、バリアメタル膜２１は配線溝２０ａおよび配線溝２０ｂの内面に溝を残している。
次に、バリアメタル膜２１で形成された溝の内面に、めっきを形成するための銅シード膜２２を物理気相成長により、７５ｎｍ程度の膜厚で、溝を残すように形成する。
【００２１】
さらに、図３に示すように、銅シード膜２２で形成された溝の内面に、銅膜２３を図１に示しためっき装置により、１０００ｎｍ程度の膜厚で形成する。
ここで、銅膜２３を形成する工程について、詳細に説明する。図１に示しためっき液２としては、硫酸銅浴を用いる。硫酸銅浴とは、硫酸銅、硫酸、水を主成分とし、微量の塩素イオンや添加剤を加えたものである。
【００２２】
ここで、めっき槽１の中のめっき液２にシリコン基板１４を浸し、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２の相対速度が０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるようにして、シリコン基板１４とめっき液２とを相対的に移動させながら、シリコン基板１４の主面にめっきを形成する。以下、その具体的な方法について説明する。
【００２３】
第一のめっき形成方法は、めっき槽１の上部付近において、シリコン基板１４の主面に沿った方向のめっき液２の流速が、０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるように、めっき液２の流速を調節してめっきを形成する方法である。
このとき、シリコン基板１４の主面に沿った方向のめっき液２の流速が、０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるような位置にシリコン基板１４を固定してめっき形成を行うようにする。
例えば、めっき槽１の内部で、供給口１１の端部の直上から、シリコン基板１４の端部が５０ｍｍ以上外側に離れた位置にシリコン基板１４を固定し、シリコン基板１４の主面に沿った方向のめっき液の流速が、シリコン基板１４全面に亘って０．１〜０．３ｍ／秒の範囲となるようにして、めっきを形成する。
【００２４】
次に、第二のめっき形成方法は、自転軸８を回転アーム９の長手方向に沿った方向（図１のＡ）に移動させることにより、シリコン基板１４をシリコン基板１４の主面と平行方向に変位させながら、めっきを形成する方法である。このとき、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２との相対速度が０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるように、めっき液２の流速、シリコン基板１４を変位させる範囲、方向、および速度を調節して行う。
例えば、めっき槽１の中の、シリコン基板１４の主面に沿った方向のめっき液２の流速が０．１〜０．２ｍ／秒となる領域内で、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２の相対速度が、シリコン基板１４全面に亘って０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるようにシリコン基板１４を変位させながら、めっきを形成する。
【００２５】
次に、第三のめっき形成方法は、自転軸８を回転（図１のＢ）させることにより、シリコン基板１４をシリコン基板１４主面の垂直軸の周りに自転させながら、めっきを形成する方法である。このとき、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２との相対速度が０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるように、めっき液２の流速、シリコン基板１４を自転させる位置、および回転速度を調節してめっき形成を行うようにする。
例えば、３０ｒｐｍの回転速度でシリコン基板１４を自転さながら、めっきを形成する。このとき、シリコン基板１４の端部では速度が０．４７ｍ／秒となり、中心部ではほぼ０ｍ／秒となるので、めっき液２の流速を適宜調節して、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２との相対速度が、シリコン基板１４全面に亘って０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるように、めっき液２の流速を調節する。
【００２６】
さらに、第四のめっき形成方法は、回転アーム９を公転軸１０の周りに回転（図１のＣ）させることにより、めっきを形成する方法である。このとき、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２との相対速度が０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるように、めっき液２の流速、シリコン基板１４を公転させる半径、公転速度を適宜調節してめっき形成を行うようにする。
例えば、シリコン基板１４の公転半径が２００ｍｍ、公転速度が２０ｒｐｍとなるように公転させながら、めっきを形成するようにする。このとき、公転する最も内側の速度は０．１ｍ／秒、最も外側の速度は０．３７ｍ／秒となる。このようにして、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２の相対速度が、シリコン基板１４全面に亘って０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるように、めっき液２の流速を適宜調節してめっき形成を行うようにする。
【００２７】
以上、第一、第二、第三、および第四のめっき形成方法について説明したが、これらの形成方法を適宜組み合わせることにより、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２との相対速度が、シリコン基板１４全面に亘って０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるようにして、めっき形成を行うようにしても良い。
【００２８】
図４は、前述の第三のめっき形成方法により銅膜２３（図３参照）を形成したとき、配線溝２０ａの内部に発生するボイドの発生率を、シリコン基板１４の回転速度ごとに比較したグラフである。Ｅ、Ｆはそれぞれシリコン基板１４の中心部、端部のボイド発生率である。なお、ここでは、めっき液２の流速はゼロとみなせるものとする。
シリコン基板１４の回転速度が１５０ｒｐｍのとき、シリコン基板１４の中心部のボイド発生率Ｅは３％、端部でのボイド発生率Ｆは９％である。次に、回転速度が１００ｒｐｍのとき、シリコン基板１４の中心部のボイド発生率Ｅは０％、端部でのボイド発生率Ｆは６％となる。さらに、回転速度を２ｒｐｍとしたときは、中心部のボイド発生率Ｅおよび端部でのボイド発生率Ｆは、いずれも０％となる。また、図示しないが、回転速度をゼロとしたときは、中心部および端部のいずれにおいても、２ｒｐｍの場合よりもボイド発生率はやや大きくなる。
さらに、図示しないが、回転速度が３０〜６０ｒｐｍの範囲であるとき、シリコン基板１４端部でのボイド発生率を再現性良く小さくすることができる。
【００２９】
ここで、本実施の形態では、直径が３００ｍｍのシリコン基板を用いたので、２ｒｐｍ、１００ｒｐｍ、１５０ｒｐｍでシリコン基板１４を自転させたとき、シリコン基板１４の端部における速度はそれぞれ０．０３ｍ／秒、１．６ｍ／秒、２．４ｍ／秒である。
シリコン基板１４の端部のボイド発生率Ｆに着目すると、端部の速度を０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲とすることにより、ボイド発生率が減少すると考えられる。
従って、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２との相対速度がシリコン基板１４全面に亘って０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲であるとき、配線溝２０ａの内部に発生するボイドの発生率を小さくすることができる。
また、回転速度が３０〜６０ｒｐｍの範囲であるとき、シリコン基板１４の端部の速度は０．５〜０．９ｍ／秒であるので、上記相対速度を０．５〜０．９ｍ／秒の範囲となるようにすれば、ボイド発生率を再現性良く小さくすることができ、さらに好適である。
【００３０】
この結果は、以下のように説明することができる。
シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２との相対速度が０．０３ｍ／秒よりも小さい場合、又は１．５ｍ／よりも大きい場合、シリコン基板１４の主面にほぼ平行に沿って流れるめっき液２は、配線溝２０ａの中に入りにくくなる。このため、配線溝２０ａの中でめっき液２の流れが非常に小さくなり、配線溝２０ａの開口部付近に添加剤が溜まってしまう。この結果、この部分での銅の析出が極端に抑制され、ボイドが形成されてしまう。
これに対して、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２との相対速度が０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲である場合は、めっき液２は配線溝２０ａの中にも安定に入り、配線溝２０ａの開口部付近に添加剤が溜まることがないので、ボイドの形成を防ぐことができる。
【００３１】
この後、図５に示すように、配線溝２０ａおよび配線溝２０ｂの外部に形成したバリアメタル膜２１、銅シード膜２２および銅膜２３（図３参照）を化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing；ＣＭＰ）により除去して、配線溝２０ａの内部にバリアメタル膜２１ａ，銅シード膜２２ａとともに埋め込み銅膜２３ａを形成し、配線溝２０ｂの内部にバリアメタル膜２１ｂ，銅シード膜２２ｂとともに埋め込み銅膜２３ｂを形成する。
このとき、銅膜２３（図３参照）を形成する工程において、図１に示しためっき槽１の中のめっき液２にシリコン基板１４を浸し、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２の相対速度が０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるようにして、シリコン基板１４とめっき液２とを相対的に移動させながら、シリコン基板１４の主面にめっきを形成するようにしたので、配線溝２０ａの内部において、埋め込み銅膜２３ａにはボイドが発生することなく、銅膜が良好に埋め込まれている。
【００３２】
なお、本実施の形態では、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２の相対速度が０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるようにして、シリコン基板１４とめっき液２とを相対的に移動させながら、シリコン基板１４の主面にめっきを形成するようにしたが、上記の相対速度を０．５〜０．９ｍ／秒の範囲となるようにすれば、ボイドの発生率を再現性良く抑えることができ、さらに好適である。
また、本実施の形態では、直径が大きい３００ｍｍのシリコン基板を用いており、シリコン基板１４を自転させることにより上記の相対速度を得る場合には、基板端部の速度が中心部と大きく異なる。従って、本実施の形態で示したように、基板の水平方向の変位、公転、めっき液の流速の調整との組み合わせにより、基板全面に亘って上記の相対速度を均一化させることもできるので、大口径の基板を用いる場合には、好適である。
【００３３】
以上、説明したように、本実施の形態では、めっき槽１の中のめっき液２にシリコン基板１４を浸し、シリコン基板１４の主面に沿った方向のシリコン基板１４とめっき液２の相対速度が０．０３〜１．５ｍ／秒の範囲となるようにして、シリコン基板１４とめっき液２とを相対的に移動させながら、シリコン基板１４の主面にめっきを形成するようにした。
このように形成することにより、埋め込みを行う配線溝や孔の中に銅膜を埋め込むとき、添加剤が配線溝や孔の開口部付近に溜まってしまうことを防ぎ、ボイドの発生を抑制することができる。
【００３４】
従って、めっき形成による埋め込み金属配線の形成において、基板全面に亘って均一で良好な埋め込み特性を得ることができる、優れた半導体装置の製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態に用いるめっき装置の断面模式図。
【図２】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図３】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図４】本発明の実施の形態によるボイドの発生率を示す図。
【図５】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図６】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図７】従来の半導体装置の製造方法に用いるめっき装置の断面模式図。
【図８】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図９】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【符号の説明】
【００３６】
１  めっき槽、２  めっき液、３  銅シード膜、４  基板、５  押え板、６  基板ホルダー、７  コンタクト、８  自転軸、９  回転アーム、１０  公転軸、１１  供給口、１２  陽極板、１３  電界補正板、１４  シリコン基板、１５  下層絶縁膜、１６  ストッパー膜、１７  下層金属配線、１８  ビアホール、１９  上層絶縁膜、２０ａ  配線溝、２０ｂ  配線溝、２１  バリアメタル膜、２２  銅シード膜、２３  銅膜、２４  ボイド。
【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】
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