(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
めっき室を形成するめっき容器と、
該めっき室の内部で基板を保持し、かつその周囲に基板とほぼ面一のめっき液流通面を構成する保持台と、
前記めっき室内において前記基板及びめっき流通面の上面に沿ってめっき液の平行な均一流れを形成するめっき液流れ形成部と、
基板との対向面に前記めっき液流れの方向に沿って延びる仕切壁を有し、前記めっき室の内部に基板と略平行に配置されて、前記めっき液流れの方向に交差する方向に揺動する整流板と、
前記めっき液流れ形成部にめっき液を供給するめっき液供給装置とを有することを特徴とするめっき装置。
【請求項２】
前記めっき液流れ形成部は、前記めっき室を挟んだ両側に所定のピッチで対向して設けられた２つのめっき液流通孔列を有することを特徴とする請求項１に記載のめっき装置。
【請求項３】
前記めっき液供給装置には、前記めっき液流れ形成部へのめっき液の供給を切り替えてめっき室でのめっき液流れ方向を切り替える切り替え手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のめっき装置。
【請求項４】
前記整流板のめっき液の流れ方向に沿った長さは、基板の直径より長いことを特徴とする請求項１に記載のめっき装置。
【請求項５】
前記めっき容器は基台とキャップを有し、前記めっき室は基台とキャップとの間に形成されることを特徴とする請求項１記載のめっき装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板のめっき装置に係り、特に半導体基板に形成された配線用溝等に銅（Ｃｕ）等の金属を充填するためのめっき装置に関する。
【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材料としては、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が用いられているが、集積度が高くなるにつれて配線が細くなり、電流密度が増加するために熱応力や温度上昇を生じる。これは、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Ａｌ等が希薄化するに従いさらに顕著となり、ついには断線のおそれが生じる。
【０００４】
そこで、通電による過度の発熱を避けるため、より導電性の高い材料を配線形成に採用することが必然的に要求されている。現用材料のうち、Ａｌ系よりも電気比抵抗の小さい材料としては、銅（Ｃｕ）と銀（Ａｇ）がある。
【０００５】
しかしながら、Ｃｕ又はその合金はドライエッチングが難しく、全面を成膜してからパターン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Ｃｕ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、充填後に表面段差を取り除くための研磨工程を行えばよい。また、多層回路の上下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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
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気相成長（ＣＶＤ）法が用いられるが、Ｃｕ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。
【０００７】
さらに、基板をめっき液中に浸漬させて無電解又は電解めっきを行なう方法も提案されているが、溝や穴の底部への液の循環やイオンの供給が不充分となるので、溝の縁に比べて底部の膜成長が遅く、溝の上部が詰まって底部に空洞（ボイド）ができてしまうなどして、均一な充填が困難であった。このため、基板とめっき液とを相対的に回転させたり、基板に向けてめっき液を噴射させることで、めっき液の基板表面の微細窪み内への流入、或いはめっきすべき金属イオンの流動を促進させて、めっきの均一性を図ることが考えられる。
【０００８】
しかしながら、基板とめっき液とを相対的に回転させると、基板の中央部と外周部でのめっき液の流速が異なり、このため、境界層の厚さに差が生じて、めっき厚さや組成の面内均一性が低下してしまう。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑み、微細な配線用の溝等の微細窪みに銅又は銅合金等の電気的抵抗の小さい材料を、基板の全面に亘って均一に充填することができるめっき装置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】
請求項１に記載の発明は、めっき室を形成するめっき容器と、該めっき室の内部で基板を保持し、かつその周囲に基板とほぼ面一のめっき液流通面を構成する保持台と、前記めっき室内において前記基板及びめっき流通面の上面に沿ってめっき液の平行な均一流れを形成するめっき液流れ形成部と、基板との対向面に前記めっき液流れの方向に沿って延びる仕切壁を有し、前記めっき室の内部に基板と略平行に配置されて、前記めっき液流れの方向に交差する方向に揺動する整流板と、前記めっき液流れ形成部にめっき液を供給するめっき液供給装置とを有することを特徴とするめっき装置である。
【００１１】
これにより、基板の上面をめっき液が該基板の全面に亘って均一な速度で流れるようにして、めっき液の微細窪みへの流入を促進しつつめっき厚さや組成の面内均一性を向上させることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記めっき液流れ形成部は、前記めっき室を挟んだ両側に所定のピッチで対向して設けられた２つのめっき液流通孔列を有することを特徴とする請求項１に記載のめっき装置である。これにより、簡単な構成でめっき液の平行な均一流れを安定に形成することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、前記めっき液供給装置には、前記めっき液流れ形成部へのめっき液の供給を切り替えてめっき室でのめっき液流れ方向を切り替える切り替え手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のめっき装置である。これにより、めっき液を交互に流すことで、上流下流の差を相殺してめっきの全面に亘る均一性を確保することができる。
【００１４】
前記めっき室の内部に、前記めっき液流れの方向に交差する方向に揺動する整流板を設けることで、整流板の揺動によりめっき液の流れに交差する方向での回転流が交互に生じ、めっき液の基板表面の微細窪み内への流入、或いはめっきすべき金属イオンの流動をより促進させることができる。整流板には、液の流れ方向に延びる仕切壁を設けるとその作用がより顕著になる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、前記整流板のめっき液の流れ方向に沿った長さは、基板の直径より長いことを特徴とする請求項１に記載のめっき装置である。
請求項５に記載の発明は、前記めっき容器は基台とキャップを有し、前記めっき室は基台とキャップとの間に形成されることを特徴とする請求項１記載のめっき装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。このめっき装置は、基板Ｗを載置保持する円形の基板保持面１０ａとその周囲のめっき液流通面１０ｂとを有する基台１０と、この基台１０の上面を水密的に覆い、該基台１０との間で水平方向に拡がるほぼ矩形のめっき室１２を形成する天板（キャップ）１４とから構成されるめっき容器１５を備えている。この天板１４は、基台１０に対して例えば、蝶番等によってめっき室１２を開閉可能なように設けられ、基板Ｗの出し入れやメンテナンスの便宜を図っている。
【００１７】
キャップ１４には、中央下面に矩形の凹部１４ａが設けられ、この凹部１４ａと基板保持面１０ａの間にめっき室１２が形成される。キャップ１４には、めっき容器１５の長手方向（図１又は２において左右方向）の両端部にめっき液貯液部１６ａ，１６ｂが設けられ、めっき液貯液部１６ａ，１６ｂはめっき室１２と隔壁１８ａ，１８ｂによって区画されている。そして、これら隔壁１８ａ，１８ｂには、めっき液貯液部１６ａ，１６ｂとめっき室１２とを連通する多数の流通孔２０ａ，２０ｂが所定のピッチｐ1で設けられている。
【００１８】
めっき容器１５の外部には、めっき室１２にめっき液を供給するめっき液供給手段２２が備えられている。このめっき液供給手段２２は、第１のめっき液循環ライン２４ａと第２のめっき液循環ライン２４ｂとを有し、これらの両ライン２４ａ，２４ｂは、互いに合流して循環ポンプ２６の吸込側と吐出側、及び各めっき液貯液部１６ａ，１６ｂにそれぞれ接続されている。そして、第１のめっき液循環ライン２４ａには、ポンプ２６を挟んで開閉弁２８ａ，２８ｂが、第２のめっき液循環ライン２４ｂにも、ポンプ２６を挟んで開閉弁２８ｃ，２８ｄがそれぞれ設置されている。
【００１９】
これにより、第１のめっき液循環ライン２４ａの各開閉弁２８ａ，２８ｂを開き、第２のめっき液循環ライン２４ｂの各開閉弁２８ｃ，２８ｄを閉じることで、めっき液が第１のめっき液循環ライン２４ａ内を実線の矢印に沿って流れ、めっき室１２を図１又は図２において右から左に流れる。逆に、第１のめっき液循環ライン２４ａの各開閉弁２８ａ，２８ｂを閉じ、第２のめっき液循環ライン２４ｂの各開閉弁２８ｃ，２８ｄを開くと、めっき液が第２のめっき液循環ライン２４ｂ内を流れ、めっき室１２を図１又は図２において左から右に流れる。
【００２０】
めっき室１２内には、１辺の長さａが基板保持面１０ａに保持される基板Ｗの直径ｄより僅かに長い正方形状の整流板３０が配置されている。この整流板３０の下面には、めっき容器１５の長手方向に直線状に延びる複数の仕切壁３２が所定のピッチｐ2で平行に垂設されている。一方、整流板３０の上面中央には、上方に突出する軸体３４が設けられている。この軸体３４は、キャップ１４の中央に長手方向に直交する方向にピッチｐ2より長く延びて設けられた長穴３６に挿入され、軸体３４と長穴３６の間はベローズ３８のような柔軟性部材で覆われている。
【００２１】
軸体３４は、長穴３６よりキャップ１４の上面に突出し、これには、軸体３４を長穴３６に沿って往復動させる駆動手段が連結されている。従って、整流板３０は軸体３４を介して仕切壁３２と直交する方向、すなわち、隔壁１８ａ，１８ｂと平行な方向に、仕切壁３２のピッチｐ2よりも大きな振幅で揺動するようになっている。
【００２２】
このように構成されためっき装置の作用を、半導体基板の配線回路形成のためのＣｕ又はその合金のめっきを行なう場合について説明する。被処理対象の基板Ｗには、図６（ａ）に示すように、半導体回路素子が形成された半導体基材５０の上に導電層５２及びＳｉＯ2からなる絶縁層５４を堆積させた後、リソグラフィ・エッチング技術によりコンタクトホール５６と配線用の溝５８が形成され、その上にＴｉＮ等からなるバリア層６０が形成されている。
【００２３】
このような基板Ｗを基台１０の基板保持面１０ａ上に載置し、キャップ１４を閉じた後、例えば第１のめっき液循環ライン２４ａを開き、第２のめっき液循環ライン２４ｂを閉じた状態で、ポンプ２６を作動させる。すると、めっき液は、一方のめっき液貯液部１６ａから隔壁１８ａの流通孔２０ａよりめっき室１２内に流入し、基板Ｗの上面に全面に亘る均一な平行流を形成して基板Ｗのめっきを行った後、他方の隔壁１８ｂの流通孔２０ｂからめっき液貯液部１６ｂに排出される。
【００２４】
このように、めっき液を基板Ｗの上面に沿って流すことで、基板Ｗのコンタクトホール５６および溝５８内へのめっき液の流入、或いはめっきすべき金属イオンの流動が促進される。しかも、基板Ｗの全面をめっき液が均一な速度で一方向に流れるので、定常的な流れが形成されて境界層の厚さも均一となり、めっき厚さや組成の面内均一性が確保される。
【００２５】
上記の工程において、適宜に、整流板３０を仕切壁３２と直交する方向に適当な振幅で揺動させる。この振幅は、仕切壁３２のピッチｐ２程度の適宜な値に設定される。すると、めっき液は仕切壁３２により押され、図５に示すように、例えば整流板３０を左方向（同図（ａ））に移動する時には、めっき液に左回りの上下方向の回転流が生じ、右方向（同図（ｂ））に移動する時には、めっき液に右回りの上下方向の回転流が生じる。これにより、基板Ｗのコンタクトホール５６および溝５８内へのめっき液の流入、或いはめっきすべき金属イオンの流動をさらに促進させることができる。
【００２６】
次に、一定のタイミングで開閉弁２８ａ〜２８ｄを操作して、第１のめっき液循環ライン２４ａを閉じ、第２のめっき液循環ライン２４ｂを開き、めっき液の流れを逆転させる。すなわち、めっき液をめっき液貯液部１６ｂの流通孔２０ｂからめっき室１２内に導入し、めっき液貯液部１６ａ側の隔壁１８ａの流通孔２０ａから排出する。これを交互に行なうことにより、めっき液の上流、下流に起因するめっきの不均一を相殺して、めっき厚さや組成の基板全面における面内均一性を更に向上させることができる。
【００２７】
以上の液相めっき工程により、図６（ｂ）に示すように半導体基板Ｗのコンタクトホール５６および溝５８にＣｕが充填される。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜５４上に堆積したＣｕ層を除去し、コンタクトホール５６および配線用の溝５８に充填されたＣｕ層６２の表面と絶縁膜５４の表面とを同一平面にする。これにより、図６（ｃ）に示すようにＣｕ層６２からなる配線が形成される。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板の上面をめっき液が該基板の全面に亘って均一な速度で流れるようにして、めっき液の微細窪みへの流入あるいはめっきすべき金属イオンの流動を促進しつつめっき厚さや組成の面内均一性を向上させることができるので、微細な配線用の溝等の微細窪みに銅又は銅合金等の電気的抵抗の小さい材料を、基板の全面に亘って均一にしかも空洞（ボイド）を形成することなく充填することができる。従って、高密度化する半導体集積回路の実用化を促進する有用な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のめっき装置の全体の概要を示す断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）である。
【図２】同じく、平面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】整流板を示す斜視図である。
【図５】整流板の揺動に伴う作用を説明する部分拡大断面図である。
【図６】本発明のめっき装置によってめっきを行なう工程の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０    基台
１０ａ    基板保持面
１０ｂ    めっき液流通面
１２    めっき室
１４    キャップ
１５    容器
１６ａ，１６ｂ    めっき液貯液部
１８ａ，１８ｂ    隔壁部
２０ａ，２０ｂ    流通孔
２２    めっき液供給手段
２４ａ，２４ｂ    めっき液循環ライン
３０    整流板
３２    仕切壁
【図１】
0003772941.tif 000002
【図２】
0003772941.tif 000003
【図３】
0003772941.tif 000004
【図４】
0003772941.tif 000005
【図５】
0003772941.tif 000006
【図６】
0003772941.tif 000007