JPH1167695A - 微細窪みへの液充填方法及び装置、及び微細窪みへのメッキ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基材表面に設けた微細な窪みの内部にメッキ
液等の各種液体を充填することができる微細窪みへの液
充填方法及び装置、及び微細窪みへのメッキ方法を提供
する。 【解決手段】 半導体ウエハ１００の周囲の空間をメッ
キ処理層１内に密閉して真空排気手段３にて真空排気し
た後、ガス供給手段５にて溶解度の大きいガス（例えば
アンモニアガス、亜硫酸ガス、炭酸ガス等）を導入す
る。次に液体供給手段７にてメッキ処理層１内にメッキ
液を導入することで半導体ウエハ１００表面に設けた微
細な窪み内に残留しているガスをメッキ液に溶解して微
細な窪み内にメッキ液を充填する。これによって微細な
窪み内をメッキして埋める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体ウエハ等の基
材表面に設けた微細な窪み内部にメッキ液等の所望の液
体を充填するのに好適な微細窪みへの液充填方法及び装
置、及び微細窪みへのメッキ方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子用の配線として一般に
アルミニウム合金が用いられてきた。しかしながら配線
幅の微細化によってアルミニウム合金の電気的抵抗が無
視できなくなってそのスイッチング速度に限界が生じる
ようになってきた。またアルミニウム合金構成原子のマ
イグレーション（ストレスマイグレーション，エレクト
ロマイグレーション）による配線の断線化の恐れも生じ
てきた。

【０００３】そこで近年アルミニウム合金よりもその電
気比抵抗値が小さい銅材が注目され、これを半導体素子
の配線に使用することが考えられている。なお銀も電気
比抵抗値が小さいが、高価で低強度かつ低耐食性で拡散
し易いので銅の方が良い。

【０００４】なお銅材は実用的なドライエッチングの技
術が未確立のため従来のアルミニウム合金のようにこれ
をスパッタリング成膜と組合せた配線形成法を用いるこ
とが現状ではできないので、その代りに窪みを持った絶
縁層の穴埋めと、それに続く化学機械研摩法（ＣＭＰ
法）を用いて配線やプラグ等を形成する方法が注目され
ている。

【０００５】即ち例えば図５（ａ）に示すように、半導
体ウエハ１００表面のＳｉＯ₂絶縁層２０２中に、配線
用の溝２０３と下部の導電層２２１と接続する筒状のコ
ンタクトホール２０１とを形成し、その上にバリア層２
０５を形成したものを用意する。バリア層２０５は下記
する銅の拡散防止用に設けられている。

【０００６】次に図５（ｂ）に示すようにこの半導体ウ
エハ１００をメッキ液に浸漬した後水洗することによっ
てその表面全体に銅層２０７を形成するが、その際溝２
０３とコンタクトホール２０１内を銅で完全に埋める。

【０００７】次に化学機械研摩により、図５（ｃ）に示
すように絶縁層２０２表面上の銅層２０７とバリア層２
０５を除去し、これによって銅を埋め込んだ配線２１１
及びプラグ２１３が形成される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで配線２１１や
プラグ２１３を形成するための溝２０３やコンタクトホ
ール２０１等の窪みの幅は、半導体素子の集積化による
微細化のためますます狭小なもの、例えば０．１８μｍ
や０．１３μｍ程度の幅のものが要求されている。

【０００９】しかしながらこのように溝２０３やコンタ
クトホール２０１等の窪みが微細化してくると、この半
導体ウエハ１００をメッキ液中に浸漬しても、該溝２０
３やコンタクトホール２０１内にあった空気が表面張力
などによってそのまま残留してしまう恐れが増大する。
特にコンタクトホール２０１などはその幅に対して深さ
が深いので（例えばそのアスペクト比〔深さ／幅〕≒５
等）、内部に空気が残留し易い。

【００１０】適切なメッキを行うためには、窪み内表面
をメッキ液が十分濡らすことが必要なので、もし空気が
残留してしまうと該溝２０３やコンタクトホール２０１
内部にメッキ液が浸入することを阻害する結果、メッキ
によって該窪み内部に銅を埋め込むことができなくなっ
てしまう。

【００１１】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
ありその目的は、微細な窪みの内部にメッキ液等の各種
液体を充填することができる微細窪みへの液充填方法及
び装置、及び微細窪みへのメッキ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】上記問題点を解決するた
め本発明は、基材表面に設けた微細な窪み内部に所望の
液体を充填する微細窪みへの液充填方法において、少な
くとも前記基材の微細な窪みを設けた部分の周囲の空間
を溶解度の大きいガスに置換し、該ガスに置換した空間
内に所望の溶解液を導入することで前記微細な窪み内に
残留しているガスを溶解液中に溶解し、結果として、微
細な窪み内に溶解液を充填することとした。また本発明
は、基材表面に設けた微細な窪み内部に所望の液体を充
填する微細窪みへの液充填装置において、少なくとも前
記基材の微細な窪みを設けた部分の周囲の空間を覆う処
理槽と、処理槽内に溶解度の大きいガスを導入するガス
供給手段と、処理槽内に所望の液体を充填して微細な窪
み内に残ったガスを溶解する液体供給手段とを具備して
構成することとした。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて詳細に説明する。図１は本発明を半導体ウエハ
表面に形成したプラグ用や配線用の微細な窪み内をメッ
キで埋めるメッキ装置に利用した一実施形態を示す全体
概略構成図である。

【００１４】同図に示すようにこの装置は、密封された
メッキ処理槽１に真空排気手段３とガス供給手段５と液
体供給手段７とを接続して構成されている。以下各構成
部材について説明する。

【００１５】メッキ処理槽１は、半導体ウエハ１００を
収納した状態でその周囲の空間を密封する構造の槽１１
に温度調整手段１３を取り付けて構成されている。

【００１６】真空排気手段３はメッキ処理槽１に配管３
１とバルブ３３を介して真空ポンプ３５を接続して構成
されている。

【００１７】ガス供給手段５はメッキ処理槽１に配管５
１とバルブ５３を介してガス供給源５５を接続して構成
されている。ここで供給するガスとしては下記する溶解
液（この実施形態では純水）に対して溶解度の大きいガ
スを使用すればよく、例えばアンモニアガス（ＮＨ₃）
や塩化水素ガス（ＨＣｌ）や亜硫酸ガス（ＳＯ₂）や炭
酸ガス（ＣＯ₂）などを用いる。

【００１８】液体供給手段７は銅メッキ用のメッキ液を
蓄えておく予備液槽７１とポンプ７３とフィルター７５
とを配管７７によってメッキ処理槽１に循環するように
接続し、またメッキ処理槽１とフィルタ７５の間の配管
７７には溶解液（この実施形態では純水）供給用の配管
７９を接続し、メッキ処理槽１と予備液槽７１の間の配
管７７には排水用の配管８１を接続し、さらに配管７７
と配管７９の接続部分にはバルブ８３，８５を接続し、
配管７７と配管８１の接続部分にはバルブ８７，８９を
接続して構成されている。予備液槽７１には予備液槽７
１内のメッキ液を所定の温度に調整するための温度調整
手段７２が取り付けられている。

【００１９】次にこのメッキ装置の操作手順を図１，図
２を用いて説明する。即ちまず各バルブ３３，５３，８
３，８５，８７，８９を閉じた状態で、メッキ処理槽１
内にプラグ用や配線用の微細な窪み内をメッキで埋めよ
うとする半導体ウエハ１００を収納する（ステップ
１）。

【００２０】次にバルブ３３を開いて真空ポンプ３５を
駆動することでメッキ処理槽１内の空気を排気する（ス
テップ２）。

【００２１】次にバルブ３３を閉じた後にバルブ５３を
開いてガス供給源５５からメッキ処理槽１内にガスを充
填し、同時に圧力は大気圧に戻る（ステップ３）。これ
によって半導体ウエハ１００表面に設けた微細な窪み内
にもガスが満たされる。ガスの充填なので表面張力等の
影響は液体の場合に比べて極めて小さく微細な窪み内に
も容易にガスが浸入する。また、必要に応じて、真空排
気−ガス導入の操作を反復することによって内部のガス
置換は十分な程度まで実現する。

【００２２】次にバルブ５３を閉じた後にバルブ８５を
開いてメッキ処理槽１内に溶解液（純水）を注入して、
半導体ウエハ１００を該溶解液に浸漬状態にする（ステ
ップ４）。溶解液は液体なので、微細な窪み内のガスは
表面張力によって容易には排出されずに残る。

【００２３】そしてこの状態で所定時間が経過するのを
待つ（ステップ５）。そしてこの待ち時間の間に図３に
示すように半導体ウエハ１００表面に設けた微細な窪み
１０１内のガスＧは溶解液Ｑに溶解されて徐々に置換さ
れて行き、その結果、該微細な窪み１０１内が溶解液で
満たされる。

【００２４】ここでガスＧが水に溶解する量は空気の水
への溶解量に対して、アンモニアガスは約１０，０００
倍、塩化水素ガスは約５，０００倍、亜硫酸ガスは約８
００倍、炭酸ガスは約２０倍である。

【００２５】即ち例えば亜硫酸ガスを用いた場合、水へ
の溶解速度は１．２６cm³／（cm²s）程度である。これ
は水と亜硫酸ガスが１cm²の接触面積で接している場
合、１ｓで１．２６cm³の亜硫酸ガスが水中へ溶解する
ことを意味している。これは直径φ１２mmの開口部で深
さ１２．６mmの窪み内に亜硫酸ガスが充満し、開口部上
に水が存在したとき、１ｓ後に水が窪みの底まで到達す
ることを意味している。つまりこれよりも極めて小さな
体積である前記微細な窪み１０１内はかなりの速さで前
記溶解液で満たされる。

【００２６】またこの方法によれば、ガスの溶解液中へ
の溶解現象を利用しているので、どんなに微細な窪みで
あってもいわゆる表面張力による阻害要因にほとんど邪
魔されることなく溶解液が微細な窪み１０１内部へ容易
に浸透することができ、この点が本発明の大きな利点と
なっている。

【００２７】なおガスの溶解量は一般に温度が低く、系
の圧力が高いほど増加することがわかっているので、必
要に応じて温度調整手段１３，７２にて溶解液の温度を
冷却したり、及び／又は真空ポンプ３５を逆に加圧ポン
プとして用いることによって（又は真空ポンプ３５とは
別に加圧手段を取り付けることによって）、十分な溶解
容量を得ることができる。

【００２８】次にバルブ８５を閉じてバルブ８９を開く
ことによってメッキ処理槽１内の溶解液を排出する（ス
テップ６）。その際半導体ウエハ１００表面は空気に触
れるが、微細な窪み１０１内に充填された溶解液はその
まま残る。

【００２９】次にバルブ８９を閉じてバルブ８３，８７
を開き、ポンプ７３を駆動することでメッキ処理槽１内
にメッキ液を導入し、半導体ウエハ１００をメッキ液中
に浸漬する（ステップ７）。メッキ液の温度は温度調整
手段１３，７２によって例えば電界メッキの場合は２５
℃、無電解メッキの場合は５０℃にしておく。微細な窪
み１０１内に充填されている溶解液とメッキ液との間に
も界面張力が働くが、両液は互いに溶け合うので、その
値は小さい。したがってメッキ液は微細な窪み１０１内
に容易に浸透し、液の置換が容易に達成される。

【００３０】ここで、溶解液で満たされた処理槽１内に
直接、濃度を調整したメッキ液を注入し外の供給系との
間で循環しながら所定のメッキ液濃度に到達することも
出来る。

【００３１】そして無電解メッキの場合はメッキ液に触
れている半導体ウエハ１００の表面がそのまま銅メッキ
されていく。また電解メッキの場合はメッキ処理槽１内
において半導体ウエハ１００と図示しない銅材の間に電
界を印加することによって電解メッキされていく。何れ
のメッキの場合も微細な窪み１０１内にメッキ液が充填
されているので、該微細な窪み１０１内も確実に銅メッ
キで埋めることができ、微細で深さの深いプラグ等であ
ってもこれを容易に形成することができる（ステップ
８）。

【００３２】なお電解メッキ用のメッキ液としては、例
えばＣｕＳＯ₄・５Ｈ₂Ｏと硫酸と添加剤と塩素イオンを
含む水溶液を用い、無電解メッキ用のメッキ液として
は、例えばＣｕＳＯ₄・５Ｈ₂ＯとＥＤＴＡ・４Ｎａ（エ
チレンジアミン四酢酸ナトリウム）とＴＭＡＨ（テトラ
メチルアンモニウムハイドライドオキサイド）とホルマ
リンを含む水溶液を用いる。

【００３３】そして所定時間メッキ施工後にメッキ処理
槽１内から半導体ウエハ１００を取り出す（ステップ
９）。

【００３４】ところで上記実施形態ではメッキ処理槽１
内に一旦溶解液（純水）を充填し、その後これをメッキ
液に入れ替えることとしたが、溶解液として直接メッキ
液を用いても良い。この場合は図１に示す配管７９，８
１及びバルブ８５，８９が不要になる。

【００３５】この実施形態を図１，図４を用いて説明す
ると、まずメッキ処理槽１内に半導体ウエハ１００を収
納し（ステップ１）、次に真空ポンプ３５を駆動するこ
とでメッキ処理槽１内の空気を排気し（ステップ２）、
次にメッキ処理槽１内にガス供給源５５からガスを充填
し（ステップ３）、これによって半導体ウエハ１００表
面に設けた微細な窪み内にもガスを充填し、次にバルブ
５３を閉じた後にバルブ８５，８７を開いてポンプ７３
を駆動することでメッキ処理槽１内にメッキ液を導入す
る（ステップ４）。そしてこの状態で所定時間が経過す
るのを待つ（ステップ５）。そしてこの待ち時間の間に
微細な窪み１０１内に残ったガスがメッキ液に溶解され
て置換されることによって、該微細な窪み１０１内がメ
ッキ液で満たされる。メッキ液によるガスの溶解速度は
前記純水の場合と基本的に同様の値を示す。

【００３６】そして無電解メッキの場合は前記ステップ
５の最中にメッキ液に触れている半導体ウエハ１００の
表面がそのまま銅メッキされていく。また電解メッキの
場合はステップ５の後に（又はステップ５の最中に）メ
ッキ処理槽１内において半導体ウエハ１００と図示しな
い銅材の間に電界を印加することで電解メッキする。何
れのメッキの場合も微細な窪み１０１内にメッキ液が充
填されているので、該微細な窪み１０１内も確実に銅メ
ッキで埋めることができる（ステップ６）。

【００３７】そして所定時間メッキ施工した後にメッキ
処理槽１内から半導体ウエハ１００を取り出す（ステッ
プ７）。

【００３８】なお上記各実施形態によってメッキされた
半導体ウエハ１００は、前記図５で説明したように微細
窪み１０１（図５の場合は配線用の溝２０３及びコンタ
クトホール２０１）内に埋め込んだメッキを残してそれ
以外の半導体ウエハ１００表面のメッキを化学機械研摩
によって除去することで配線やプラグが形成される。

【００３９】具体的に言えば図６に示すように、半導体
ウエハ１００を微細窪み１０１を設けた面を下側にして
トップリング３００の下面に保持し、該トップリング３
００を回転しながら別途回転するターンテーブル３５０
上面に貼り付けた研摩クロス３５１に研摩液を供給しな
がら当接して研摩し、これによって該半導体ウエハ１０
０表面のメッキ層を取り除き、微細窪み１０１内に埋め
込んだメッキのみを残して配線やプラグを形成するので
ある。

【００４０】以上本発明の実施形態を詳細に説明したが
本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく例え
ば以下のような各種の変更が可能である。 上記実施形態では半導体ウエハに銅メッキを施す例を
示したが、本発明は銅メッキに限られず、他の種々の材
質によるメッキにも利用できる。

【００４１】上記実施形態では半導体ウエハにメッキ
を施すために本発明を利用しているが、他の各種基材に
設けた微細な窪みに所望の液体を充填するために本発明
を用いても良いことは言うまでもない。

【００４２】上記実施形態では半導体ウエハ全体を溶
解液に浸したが、本発明は少なくとも基材の微細な窪み
を設けた部分を溶解液に浸すものであれば良い。

【００４３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、微細な窪みの内部にメッキ液等の各種液体を容易且
つ確実に充填することができるという優れた効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を半導体ウエハ用のメッキ装置に利用し
た一実施形態を示す全体概略構成図である。

【図２】メッキ装置の操作手順の説明図である。

【図３】微細な窪み１０１内の状態変化説明図である。

【図４】メッキ装置の他の操作手順の説明図である。

【図５】半導体ウエハ１００表面に配線２１１とプラグ
２１３を化学機械研摩法によって形成する方法を示す図
である。

【図６】半導体ウエハ１００を化学機械研摩によって研
摩する方法を示す図である。

【符号の説明】

１ メッキ処理槽（処理槽） ３ 真空排気手段 ５ ガス供給手段 ７ 液体供給手段 １００ 半導体ウエハ（基材） １０１ 微細な窪み

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基材表面に設けた微細な窪み内部に所望
   の液体を充填する微細窪みへの液充填方法において、 少なくとも前記基材の微細な窪みを設けた部分の周囲の
   空間を溶解度の大きいガスに置換し、該ガスに置換した
   空間内に所望の溶解液を導入することで前記微細な窪み
   内に残留しているガスを溶解液中に溶解して微細な窪み
   内に溶解液を充填することを特徴とする微細窪みへの液
   充填方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の微細窪みへの液充填方
   法における溶解液をメッキ液とすることで、該メッキ液
   にて前記基材表面をメッキすると同時に微細な窪み内を
   メッキで埋めることを特徴とする微細窪みへのメッキ方
   法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の微細窪みへの液充填方
   法における溶解液をガス吸収用の液体とすることで該溶
   解液にガスを溶解させ、さらにその後該溶解液をメッキ
   液に置換することで前記基材表面をメッキすると同時に
   微細な窪み内をメッキで埋めることを特徴とする微細窪
   みへのメッキ方法。
4. 【請求項４】 メッキされた基材の表面を化学機械研摩
   することによって微細な窪み内のメッキを残して基材表
   面のメッキを除去することを特徴とする請求項２又は３
   に記載の微細窪みへのメッキ方法。
5. 【請求項５】 基材表面に設けた微細な窪み内部に所望
   の液体を充填する微細窪みへの液充填装置において、 少なくとも前記基材の微細な窪みを設けた部分の周囲の
   空間を覆う処理槽と、 処理槽内に溶解度の大きいガスを導入するガス供給手段
   と、 処理槽内に所望の液体を充填して微細な窪み内に残った
   ガスを溶解する液体供給手段とを具備することを特徴と
   する微細窪みへの液充填装置。
6. 【請求項６】 前記液体供給手段が供給する液体は基材
   メッキ用のメッキ液であることを特徴とする請求項５記
   載の微細窪みへの液充填装置。
7. 【請求項７】 前記液体供給手段が供給する液体はガス
   吸収用の液体と基材メッキ用のメッキ液の２種類である
   ことを特徴とする請求項５記載の微細窪みへの液充填装
   置。