(57)【要約】 【課題】めっき抜けの不良が生じることがない半導体製造方法を提供する。【解決手段】半導体製造方法は、半導体ウエハの一主面上に、第１のめっき処理にて第１金属膜を形成する工程と、半導体ウエハの一主面から離隔して配置される洗浄器から、一主面上に洗浄液を噴射させつつ、洗浄器および半導体ウエハの少なくとも一方を回転させて、第１金属膜の表面を洗浄する工程と、第１金属膜上に、第２のめっき処理にて第２金属膜を形成する工程と、を備える。洗浄器には、一方向に沿って配置される複数のノズルが設けられている。複数のノズルは、半導体ウエハの中心位置に対向する位置からずらして配置され、かつ半導体ウエハの中心側よりも半導体ウエハの周縁部側により多く配置されている。半導体ウエハの周縁部側に配置されたノズルは、一方向から傾斜する方向の第１範囲内に洗浄液を噴射し、半導体ウエハの中心側に配置されたノズルのうちの１つは、半導体ウエハの中心位置を含む第２範囲内に洗浄液を噴射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハの一主面上に、第１のめっき処理にて第１金属膜を形成する工程と、
前記半導体ウエハの前記一主面から離隔して配置される洗浄器から、前記一主面上に洗浄液を噴射させつつ、前記洗浄器および前記半導体ウエハの少なくとも一方を回転させて、前記第１金属膜の表面を洗浄する工程と、
前記第１金属膜上に、第２のめっき処理にて第２金属膜を形成する工程と、を備え、
前記洗浄器には、一方向に沿って配置される複数のノズルが設けられており、
前記複数のノズルは、前記半導体ウエハの中心位置に対向する位置からずらして配置され、かつ前記半導体ウエハの中心側よりも前記半導体ウエハの周縁部側により多く配置されており、
前記半導体ウエハの周縁部側に配置されたノズルは、前記一方向から傾斜する方向の第１範囲内に前記洗浄液を噴射し、
前記半導体ウエハの中心側に配置されたノズルのうちの１つは、前記半導体ウエハの中心位置を含む第２範囲内に前記洗浄液を噴射する半導体製造方法。
【請求項２】
前記一方向は、前記半導体ウエハの中心位置を通過する法線と交差し、前記一主面に平行な方向に延びる方向である請求項１に記載の半導体製造方法。
【請求項３】
前記複数のノズルは、前記半導体ウエハの中心位置を通過する法線と交差する点を基準点として、前記一方向の一側と他側に同数ずつ配置される請求項２に記載の半導体製造方法。
【請求項４】
前記一方向の前記一側と前記他側とのそれぞれにおける前記半導体ウエハの周縁側には、２以上のノズルが配置され、これら２以上のノズルのそれぞれは、前記一方向から同一角度で傾斜した前記第１範囲内に前記洗浄液を噴射する請求項３に記載の半導体製造方法。
【請求項５】
前記洗浄器は、前記一方向の中心位置を回転軸として、前記半導体ウエハの周囲を回転し、
前記半導体ウエハは固定される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体製造方法。
【請求項６】
前記第２金属膜を形成した後、前記洗浄器から、前記一主面上に洗浄液を噴射させつつ、前記洗浄器または前記半導体ウエハを回転させて、前記第２金属膜の表面を洗浄する工程と、
前記第２金属膜上に、第２のめっき処理にて第３金属膜を形成する工程と、を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体製造方法。
【請求項７】
前記半導体ウエハに形成された孔の内壁部分に絶縁膜を形成する工程を備え、
前記第１めっき処理では、前記孔の内部の側壁に形成された前記絶縁膜上に前記第１金属膜を形成し、前記孔の径に対する前記孔の内部における前記第１金属膜の膜厚の割合は、１５．６％以上である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子や集積回路が形成されたチップを基板上に多段に積層して、半導体装置の占有面積を低減する技術が知られている。積層される各チップ間の電気的な導通を図るために、ＴＳＶ（Through Silicon Via）と呼ばれる貫通電極を形成する場合がある。
【０００３】
ビアホールへの金属の埋め込みは、一般には電界めっきなどのめっき処理によって行われる。貫通電極のめっき処理では、導電性や耐久性などを向上させるために、複数の金属を積層する場合がある。この場合、一層分の金属膜をめっき液に浸して形成した後に、金属膜の表面を水で洗浄してめっき液を除去した後、次のめっき液に浸して新たな金属膜を形成するという処理が繰り返される。
【０００４】
しかしながら、金属膜の表面を水で洗浄すると、金属膜の表面に酸化膜が形成される。このため、何らかの手段で、酸化膜を除去した後に、次の金属膜を形成する必要があるが、金属膜を構成する金属材料によっては、酸化膜を除去するのが困難な場合がある。この場合、酸化膜の上に、めっき処理で新たな金属膜が形成されることになるが、酸化膜と金属膜とでは、接触性がよくないため、めっき抜けの不良が生じるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３０５１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、めっき抜けの不良が生じることがない半導体製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様による半導体製造方法は、半導体ウエハの一主面上に、第１のめっき処理にて第１金属膜を形成する工程と、
前記半導体ウエハの前記一主面から離隔して配置される洗浄器から、前記一主面上に洗浄液を噴射させつつ、前記洗浄器および前記半導体ウエハの少なくとも一方を回転させて、前記第１金属膜の表面を洗浄する工程と、
前記第１金属膜上に、第２のめっき処理にて第２金属膜を形成する工程と、を備え、
前記洗浄器には、一方向に沿って配置される複数のノズルが設けられており、
前記複数のノズルは、前記半導体ウエハの中心位置に対向する位置からずらして配置され、かつ前記半導体ウエハの中心側よりも前記半導体ウエハの周縁部側により多く配置されており、
前記半導体ウエハの周縁部側に配置されたノズルは、前記一方向から傾斜する方向の第１範囲内に前記洗浄液を噴射し、
前記半導体ウエハの中心側に配置されたノズルのうちの１つは、前記半導体ウエハの中心位置を含む第２範囲内に前記洗浄液を噴射する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】洗浄工程にて使用される洗浄装置の断面図。
【図２】本実施形態による洗浄器のノズルの配置を示す図。
【図３】図２の各ノズルから噴射される水の噴射範囲を示す図。
【図４】一比較例による洗浄器のノズルの配置を示す図。
【図５】図４の各ノズルから噴射される水の噴射範囲を示す図。
【図６】本実施形態による半導体製造方法を部分的に用いて製造される半導体装置の概略構成を示す断面図。
【図７】図６に示した貫通電極の詳細な断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。本実施形態は、半導体ウエハ上に形成される貫通電極やバンプ電極、コンタクトなどの各種電極をめっき処理にて形成するものである。より具体的には、本実施形態は、めっき処理にて複数の金属膜を積層して各種電極を形成することを念頭に置いている。めっき処理にて複数の金属膜を積層する場合、一層分の金属膜をめっき処理にて形成した後に、金属膜の表面を水洗する洗浄工程を行い、その後に次の層の金属膜をめっき処理にて形成する処理が繰り返される。
【００１０】
図１は上述した洗浄工程にて使用される洗浄装置１の断面図である。図１の洗浄装置１には、半導体ウエハ２が、その洗浄対象面２ａを下にして固定される。洗浄対象面２ａが、貫通電極やバンプ電極などを形成する一主面である。
【００１１】
半導体ウエハ２は、図１の表裏方向から支持機構によって支持されるが、図１では支持機構の図示を省略している。半導体ウエハ２の上方には不図示の上蓋が配置されており、半導体ウエハ２を洗浄する際には、半導体ウエハ２を図示の洗浄チャンバ４内に封止して、水が洗浄装置１の外側に飛散しないようにする。
【００１２】
洗浄対象面２ａの下方には、一方向に延びるライン状の洗浄器５が配置されている。半導体ウエハ２と洗浄器５との間には、隙間が設けられている。洗浄器５には、一方向に沿って複数のノズル６が設けられている。各ノズル６は、上方に洗浄液（例えば水）を噴射して、対向配置された半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａを洗浄する。
【００１３】
洗浄器５の長手方向（一方向）の中央部には、回転軸７と、回転駆動部８とが取り付けられており、洗浄器５は、回転軸７周りに回動自在とされている。すなわち、洗浄器５は、半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａから一定の距離を維持した状態で、洗浄対象面２ａに沿って回転する。
【００１４】
半導体ウエハ２は、その中心位置の法線２ｂが洗浄器５の回転軸７に略一致するように、位置決めされて固定されている。これにより、洗浄器５は、半導体ウエハ２の中心位置周りを回転することになる。洗浄器５は、回転軸７周りに回転しながら、各ノズル６から水を半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａに噴射して、洗浄対象面２ａの全体を洗浄する。なお、回転軸７は洗浄器５が半導体ウエハ２の中心位置周りを相対的に回転できればよく、洗浄器５を固定し半導体ウエハ２を回転させてもよいし、または洗浄器５と半導体ウエハ２との両方を回転させてもよい。
【００１５】
洗浄器５には、ノズル６に水を供給するための不図示の水供給管や、洗浄後の水を排出するための不図示の排出管、回転駆動部８への電源供給を行う不図示の電源供給ケーブルなどが取り付けられている。
【００１６】
洗浄器５の長手方向の全長は、半導体ウエハ２の直径よりも若干小さく設計されているが、後述するように、各ノズル６は、所定の角度範囲に均一な水量の水を噴射するため、半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａの全体を洗浄することができる。
【００１７】
本実施形態による洗浄器５は、半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａの全体を、一定の水量で均一に洗浄することを特徴としている。この特徴は、洗浄器５のノズル６の配置とノズル６からの水の噴射方向とによって、実現されている。なお、各ノズル６から噴射する単位時間当たりの水量は調整可能であるが、水量の調整は、全ノズル６を対象として行うことを想定しており、各ノズル６ごとに個別に水量を調整することは意図していない。
【００１８】
図２は本実施形態による洗浄器５のノズル６の配置を示す図、図３は図２の各ノズル６から噴射される水の噴射範囲を示す図である。ノズル６の上面、すなわち半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａに対向する面には、複数のノズル６が不規則な間隔で配置されている。より具体的には、複数のノズル６は、半導体ウエハ２の中心位置に対向する位置を避けて配置されている。図２および図３の例では、洗浄器５の長手方向の中央に配置される回転軸７の軸中心を基準点ｒｐとして、一側ＬＳと他側ＲＳに同数の３個ずつのノズル６を配置している。一側ＬＳの３個のうち２個のノズル６は、半導体ウエハ２の周縁側に配置され、残りの１個のノズル６は半導体ウエハ２の中心側に配置されている。同様に、他側ＲＳの３個のうち２個のノズル６は、半導体ウエハ２の周縁側に配置され、残りの１個のノズル６は半導体ウエハ２の中心側に配置されている。
【００１９】
ここで、基準点ｒｐとは、洗浄器５の回転軸７中心であり、理想的には半導体ウエハ２の中心位置を通過する法線２ｂと交差する点である。
【００２０】
図３に示すように、基準点ｒｐから一側ＬＳに配置される３個のノズル６のうち、半導体ウエハ２の周縁側の２個は、洗浄器５の長手方向（一方向）から傾斜した方向の第１範囲ｒ１内に水を噴射し、半導体ウエハ２の中心側の１個は、洗浄器５の長手方向の第２範囲ｒ２内に水を噴射する。同様に、基準点ｒｐから他側ＲＳに配置される３個のノズル６のうち、半導体ウエハ２の周縁側の２個は、洗浄器５の長手方向から傾斜した方向の第１範囲ｒ１内に水を噴射し、半導体ウエハ２の中心側の１個は、洗浄器５の長手方向の第２範囲ｒ２内に水を噴射する。そして、２つの第２範囲ｒ２のうち、少なくとも一方の第２範囲ｒ２内に基準点ｒｐを含む。このように、各ノズル６は、半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａに対して、略扇状に水を噴射する。図３に示した６個の矩形範囲ｒ１，ｒ２が、各ノズル６からの水の噴射範囲の概略を示している。
【００２１】
また、基準点ｒｐから一側ＬＳと他側ＲＳのいずれにおいても、周縁側の各２個のノズル６からの水の噴射方向は、互いに平行である。すなわち、周縁側の各２個のノズル６は、一方向から同じ角度だけ傾斜した方向に水を噴射する。これにより、各ノズル６からの水同士が衝突しなくなり、半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａ上に飛散する水量を場所によらず均一化することができる。複数のノズル６からの水同士が衝突すると、ウエハの洗浄対象面２ａ上に不規則に水が飛散し、場所による水量のばらつきも大きくなるが、本実施形態では、水の飛散範囲内の水量を均一化できる。
【００２２】
さらに、基準点ｒｐから一側ＬＳと他側ＲＳのいずれにおいても、半導体ウエハ２の中心側の各１個のノズル６からの水の噴射範囲は、わずかに重なるようにしている。また、基準点ｒｐから一側ＬＳと他側ＲＳのいずれにおいても、中心側の１個のノズル６からの水の噴射範囲は、周縁側の２個のノズル６からの水の噴射範囲にわずかに重なるようにしている。これにより、複数のノズル６から噴射された水同士が重なりあう範囲を極力抑えることができ、半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａに付着する水量の場所によるばらつきを抑制している。
【００２３】
図４は一比較例による洗浄器５のノズル６の配置を示す図、図５は図４の各ノズル６から噴射される水の噴射範囲を示す図である。図４の例では、半導体ウエハ２の周縁側よりも中心側により多くのノズル６を配置している。また、洗浄器５の長手方向の中央に位置する基準点ｒｐから他側ＲＳに偏ってノズル６を配置している。さらに、各ノズル６は、図５に示すように、洗浄器５の長手方向から傾斜した方向の所定範囲ｒ３内に水を噴射する。
【００２４】
これにより、一比較例の洗浄器５では、半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａの中央側の水量が周縁側よりも多くなる。また、各ノズル６からの水の噴射方向が共通で、かつ各ノズル６が洗浄器５の長手方向に不規則に配置されているため、半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａ内での水量が場所によって大きく変動してしまう。よって、水量が多い洗浄対象面２ａの中心近くに、めっき処理を行うべきビアが存在する場合には、このビア内のめっき金属膜の表面に分厚い酸化膜が形成されてしまい、その後のめっき処理で形成される新たな金属膜との接触性が悪くなる。
【００２５】
一比較例のように、半導体ウエハ２の中心側により多くのノズル６を配置している限り、半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａでの水量を場所によらず均一にすることは難しい。そこで、本実施形態では、半導体ウエハ２の中心側には、できるだけノズル６を配置しないようにしている。また、各ノズル６から噴射された水同士が衝突しないようにしている。
【００２６】
本実施形態による洗浄装置１を用いれば、めっき処理により形成した金属膜の表面の全体を適度な水量で、かつ場所によらず均一な水量で洗浄することができ、金属膜の表面に部分的に過剰な水分が付着して、金属膜の表面に分厚い酸化膜が形成されるおそれがなくなる。
【００２７】
よって、めっき処理にて複数の金属膜を形成する場合であっても、各金属膜を形成した後に、分厚い酸化膜が形成されない程度に、最上面に形成された金属膜の表面を適度に洗浄でき、次の工程のめっき処理で形成される金属膜との密着性がよくなる。よって、本実施形態によれば、複数の金属膜が積層された貫通電極やバンプ電極、コンタクト電極などを高品質で信頼性よく製造できる。
【００２８】
図６は本実施形態による半導体製造方法を部分的に用いて製造される半導体装置２１の概略構成を示す断面図である。図６は、複数の半導体チップ２２が積層されたチップ積層体２３と、チップ積層体２３を貫通する貫通電極２４と、チップ積層体２３が実装される実装基板２５と、チップ積層体２３を支持する支持基板２６とを備えている。実装基板２５と支持基板２６とは対向配置され、実装基板２５と支持基板２６との間にチップ積層体２３が配置されており、支持基板２６とチップ積層体２３の周囲は樹脂パッケージ部材２７で覆われている。
【００２９】
半導体チップ２２は、例えば、ＮＡＮＤフラッシュ型メモリチップであるが、半導体チップ２２の具体的な種類は特に問わない。チップ積層体２３は、突出電極２８を介して、実装基板２５上にフリップチップ実装されている。実装基板２５の裏面側には、突出電極２９が配置されている。積層された貫通電極２４の下方には、インターフェースチップ３０が配置されている。
【００３０】
貫通電極２４と突出電極２８、２９の少なくとも一つは、本実施形態による半導体製造方法を用いて、めっき処理にて作製可能である。
【００３１】
図７は図６に示した貫通電極２４の詳細な断面図であり、図６のチップ積層体２３のうち一つの半導体チップ２２内に設けられる貫通電極２４の断面構造を示している。
【００３２】
半導体チップ２２は、半導体基板３１と、その上に配置される層間絶縁膜３２と、その上に配置される保護膜３３とを有する。半導体チップ２２がＮＡＮＤフラッシュ型メモリチップの場合、メモリセルや周辺回路は、層間絶縁膜３２内に分離して配置されている。
【００３３】
貫通電極２４は、半導体基板３１を貫通するように形成されている。層間絶縁膜３２内には、多層配線層３４が配置されている。多層配線層３４は、半導体基板３１側から上方に向かって、最下層接続配線層３５と、下層接続配線層３６と、上層接続配線層３７と、最上層接続配線層３８とを有する。
【００３４】
最下層接続配線層３５は、積層構造であり、半導体基板３１側から上方に向かって、第１導電層３９と、第２導電層４０と、第３導電層４１とが順に積層されている。第３導電層４１の上面はキャップ絶縁層４２に接しており、第３導電層４１と下層接続配線層３６とは、キャップ絶縁層４２と層間絶縁膜３２とを貫通する複数のコンタクト４３によって、電気的に接続されている。
【００３５】
同様に、下層接続配線層３６と上層接続配線層３７とは、層間絶縁膜３２を貫通する複数のコンタクト４４によって電気的に接続されている。また、上層接続配線層３７と最上層接続配線層３８とは、層間絶縁膜３２を貫通する複数のコンタクト４５によって電気的に接続されている。最上層接続配線層３８は、保護膜３３を貫通する表面電極４６と接している。
【００３６】
貫通電極２４は、半導体基板３１を貫通するビアホールの内側部分に配置されている。ビアホールの側壁は、側壁絶縁膜４７で覆われている。側壁絶縁膜４７の上には、上述しためっき処理にて、金属膜が形成されている。めっき処理として、いわゆるコンフォーマルめっきを行うことで、ビアホールの底面側と側壁側の双方から金属膜を成長させることができ、短時間でビアホール内を金属膜で埋めることができる。このとき、ビアホールの中央部に、積層方向に延びるシーム状の空間部が形成されることもあるが、コンフォーマルめっきによれば、空間部の上部側を金属膜で確実に閉じることができ、ビアホールの内部に空間部が残っても、電気的特性上の障害にはならない。
【００３７】
ビアホール内の金属膜の材料は、例えば、Ｎｉである。貫通電極２４の上部は、第３導電層４１と接している。貫通電極２４の第３導電層４１との接触部付近に、めっき処理にて例えば銅の金属膜を形成し、その上に、めっき処理にて例えば錫の金属膜を形成することができる。
【００３８】
このように、貫通電極２４を、めっき処理にて、例えばニッケル、銅および錫の積層構造にする場合、各金属膜を形成した後に、上述した洗浄装置１を用いて、金属膜の表面に付着しためっき液を洗浄除去する必要がある。このとき、本実施形態による半導体製造方法によれば、洗浄器５からの水が過剰に金属膜の表面に付着するおそれがなくなり、金属膜の表面に分厚い酸化膜が形成されることもなくなる。よって、貫通電極２４を構成する金属膜同士の接触性を向上できる。
【００３９】
なお、半導体装置２１を製造する場合、貫通電極２４を形成した後に、熱処理を行う工程が存在する。この熱処理によって、貫通電極２４内の空間部と側壁絶縁膜４７との間に配置される金属膜にクラックが入り、貫通電極２４の導電性能が低下するなどして、貫通電極２４の信頼性が低下するおそれがある。クラックを防止するには、金属膜の膜厚を大きくすればよいが、貫通電極２４用のビアホールの径は微細化のために、あまり大きくすることはできない。
【００４０】
本発明者が貫通電極２４のビア径に対する金属膜の膜厚の比率を種々に変えて、クラックが入らない最小の比率を調べたところ、１５．６％であることがわかった。なお、この数字は、貫通電極２４の形成された半導体装置２１をパッケージングした状態で検証した値である。比率を１５．６％以上にすれば、熱処理を行ったとしても、金属膜にクラックが入ることがなく、貫通電極２４の信頼性が向上する。
【００４１】
このように、本実施形態では、めっき処理にて複数の金属膜を積層する場合に、半導体ウエハ２上に各金属膜を形成するたびに、半導体ウエハ２の洗浄対象面２ａの全体を均一かつ適度な水量で洗浄するため、次のめっき工程を行う前に、金属膜の表面に分厚い酸化膜が形成されなくなり、金属膜同士の接触性がよくなる。これにより、例えば、ビアホール内に、複数の金属膜を積層する場合には、いわゆるコンフォーマルめっきを行うことができ、短時間で複数の金属膜の積層を行うことができる。
【００４２】
より具体的には、本実施形態では、半導体ウエハ２の一方向に延在し、長手方向の全長が半導体ウエハ２の直径よりも小さいライン状の洗浄器５を備えており、洗浄器５のノズル６の配置を図３のようにすることで、半導体ウエハ２の洗浄対象面の全体を適度で均一な水量で洗浄することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、ビアホール内に金属膜を形成する場合には、ビアホールの孔径に対する金属膜の厚さの比率を１５．６％以上にするため、金属膜にクラックが入る不具合を防止できる。
【００４４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１  洗浄装置、２  半導体ウエハ、４  洗浄チャンバ、５  洗浄器、６  ノズル、７  回転軸、８  回転駆動部、２１  半導体装置、２２  半導体チップ、２３  チップ積層体、２４  貫通電極、２５  実装基板、２６  支持基板、２７  樹脂パッケージ部材、２８，２９  突出電極、３０  インターフェースチップ、３１  半導体基板、３２  層間絶縁膜、３３  保護膜、３４  多層配線層、３５  最下層接続配線層、３６  下層接続配線層、３７  上層接続配線層、３８  最上層接続配線層、３９  第１導電層、４０  第２導電層、４１  第３導電層、４２  キャップ絶縁層、４３、４４、４５  コンタクト、４６  表面電極、４７  側壁絶縁膜
【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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