JPH1180993A - 半導体ウエハメッキ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウエハ表面の各部のメッキ膜厚の均一
化が図れ、同時に半導体ウエハ表面に設けた複数の微細
溝や微細孔内を均一且つ確実にメッキすることができる
半導体ウエハメッキ装置を提供する。 【解決手段】 筒形状のアノードケース３０の内部にア
ノード４０とアノードケース３０内のメッキ液１１に上
昇うず流を発生させる上昇うず流発生機構５０とを収納
する。アノードケース３０を半導体ウエハ１００上のメ
ッキ形成領域直上に設置した状態でメッキ形成領域部分
を電解メッキする。上昇うず流発生機構５０はアノード
４０を軸支して回転する回転軸４１に羽根５１を設けて
構成されている。

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表面へ
のメッキの膜厚の均一化を図るのに好適であると同時
に、半導体ウエハ表面に設けた複数の微細溝や微細孔の
中にメッキ処理を行なうのに好適な半導体ウエハメッキ
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体デバイスの配線形成は、ア
ルミニウムスパッタにエッチバックを用いるにしても、
配線部分に銅材を埋めたものに化学機械研摩（ＣＭＰ）
を用いるにしても、スパッタが多く行なわれていた。

【０００３】しかしながら半導体デバイスが微細化しそ
の配線の幅が更に小さくなって例えば０．１８μｍから
０．１３μｍ程度の幅のものが要求されて、ステップカ
バレッジが大きくなるに従い、従来行なわれていたスパ
ッタによる配線用の溝や孔へのメタル埋込は困難にな
り、空孔が出来易くなっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこでスパッタの代わ
りに半導体ウエハをメッキ液に浸漬して通電することで
その表面及び配線用の溝や孔内に電解メッキを施すこと
が考えられている。しかしながらこの方法の場合も以下
のような問題点があった。

【０００５】従来の電解メッキでは、半導体ウエハ全
面に一括メッキを行なっているので、電解メッキ時の半
導体ウエハ面内で電位勾配が生じ、半導体ウエハ各部の
メッキ膜厚が不均一になってしまう。特に大口径の半導
体ウエハの場合はこの欠点が著しくなる。

【０００６】メッキ反応部へのメタルイオン等の物質
供給のため、半導体ウエハ全面に一括してメッキ液の液
流を与えているが、半導体ウエハ上の各メッキ反応部へ
の物質供給に過不足が生じ、この点からも各部のメッキ
膜厚が不均一になってしまう。

【０００７】またただ単純に半導体ウエハ全面に一括
してメッキ液の液流を与えても、微細化された溝や孔の
中にあった空気が表面張力などによってそのまま残留し
てしまう恐れがあり、その場合は該溝や孔内部のメッキ
が出来ない。一方微細化された溝や孔内に一旦メッキ液
が充填されたとしても、該メッキ液がそのままそこに滞
留した場合は、滞留したメッキ液中のメタルイオンがメ
ッキに利用された後はメッキが進まなくなってしまうの
で、該溝や孔内のメッキ液を新たなものと効率的に入れ
替えていく必要もある。

【０００８】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、半導体ウエハ表面の各部のメッキ膜厚
の均一化が図れ、同時に半導体ウエハ表面に設けた複数
の微細溝や微細孔内を均一且つ確実にメッキすることが
できる半導体ウエハメッキ装置を提供することにある。

【０００９】

【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、半導体ウエハの表面に設けた微細溝や微細
孔を電解メッキする半導体ウエハメッキ装置において、
筒形状のアノードケースの内部にアノードと該アノード
ケース内のメッキ液に上昇うず流を発生させる上昇うず
流発生機構とを収納し、前記アノードケースを半導体ウ
エハ上のメッキ形成領域直上に設置した状態で該メッキ
形成領域部分を電解メッキするように構成した。ここで
前記上昇うず流発生機構は、アノードを軸支して回転す
る回転軸に羽根を設けるか、或いはアノード自体を回転
時に上昇うず流を発生させる形状に形成することで構成
されている。また前記半導体ウエハメッキ装置には、前
記アノードケースを半導体ウエハ面内の複数のメッキ形
成領域に移動せしめる駆動手段が取り付けられている。
また本発明は、前記半導体ウエハメッキ装置を用いて微
細溝や微細孔を設けた半導体ウエハの表面をメッキした
後、該メッキした半導体ウエハの表面を化学機械研摩す
ることによって微細溝や微細孔内のメッキを残して半導
体ウエハ表面のメッキを除去することとした。

【００１０】

【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は本発明の一実施形態に
かかる半導体ウエハメッキ装置を示す全体概略構成図で
ある。同図に示すようにこの装置は、メッキ処理槽１０
内に、半導体ウエハ１００と、ウエハ固定治具２０と、
アノードケース３０と、アノードケース３０内に収納さ
れるアノード４０及び上昇うず流発生機構５０とを具備
して構成されている。以下各構成部材について説明す
る。なおこの実施形態では、半導体ウエハ１００表面に
設けた複数の微細溝や微細孔内を銅メッキで埋める例を
説明している。

【００１１】メッキ処理槽１０はその内部に電解メッキ
用のメッキ液１１を満たしている。メッキ液１１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る。

【００１２】ウエハ固定治具２０は円板状の半導体ウエ
ハ１００の外周を把持することで該半導体ウエハ１００
の上面を露出して保持する構造に構成されている。なお
ウエハ固定治具２０には陰極側からの電気回路によって
ウエハ電気接点２１が設けられており、ウエハ固定治具
２０に半導体ウエハ１００をセットした際に半導体ウエ
ハ１００に電圧を印加してカソードにする。

【００１３】次にアノードケース３０は非導電性材料を
筒状（この実施形態では円筒状）に形成して構成されて
いる。

【００１４】アノード４０は略平板状であって、その上
辺中央に棒状の回転軸４１を取り付けている。またアノ
ード４０には陽極側からの電気回路が接続されている。
回転軸４１は図示しない駆動機構によって回転駆動され
る。

【００１５】回転軸４１の上部には羽根５１が取り付け
られている。この羽根５１は回転軸４１が回転した際に
アノードケース３０内のメッキ液１１に上昇うず流を発
生させるようにスクリュー形状に形成されている。ここ
でこの羽根５１と回転軸４１によって上昇うず流発生機
構５０が構成されている。

【００１６】図２（ａ）は前記アノードケース３０を上
側から見た概略平面図である。同図に示すように円筒状
のアノードケース３０の中央に回転軸４１に取り付けら
れたアノード４０と羽根５１とが位置している。

【００１７】なおアノードケース３０は、円形状に限定
されるものではなく必要に応じて他の形状、例えば図２
（ｂ）に示すような正方形状、図２（ｃ）に示すような
長方形状であっても良い。もちろんそれ以外の形状であ
っても良い。

【００１８】そして図１に示すアノード４０などを収納
したアノードケース３０は、回転軸４１等と共に図示し
ないロボットなどの駆動手段のアームに取り付けられて
いる。

【００１９】次にこの半導体ウエハメッキ装置の操作手
順を説明する。まず図１に示すようにウエハ固定治具２
０の上に半導体ウエハ１００を把持して固定したものを
メッキ液１１中に浸漬する。

【００２０】次に半導体ウエハ１００表面のメッキをし
ようとする部分（即ちこの実施形態の場合は半導体ウエ
ハ１００上の配線形成領域であり、以下「メッキ形成領
域」という）の内の１つの領域（図３の領域Ｈ）の真上
にアノードケース３０を駆動手段によって移動してく
る。その際図１に示すようにアノードケース３０の下端
面と半導体ウエハ１００表面との間に所定の隙間を設け
る。

【００２１】次に回転軸４１を回転駆動することでアノ
ード４０と羽根５１とを回転すると、アノードケース３
０内には図１に一点鎖線で示すようなメッキ液１１の上
昇うず流が発生し、これによって半導体ウエハ１００表
面とアノードケース３０下端面との間からアノードケー
ス３０内に多量のメッキ液１１が強制的に流入してきて
循環する。

【００２２】この状態でアノード４０と半導体ウエハ１
００間に電界を印加して半導体ウエハ１００上に電解メ
ッキを開始する。

【００２３】以上のように各部材を動作させてメッキす
ることによって以下のような作用，，が生じる。

【００２４】半導体ウエハ１００表面のメッキは、仕
切られたアノードケース３０内でアノード４０が半導体
ウエハ１００表面に対向している部分において行なわれ
るので、該アノードケース３０内に面する半導体ウエハ
１００表面に均一電場（均一電流分布）が形成される。
即ちアノードケース３０内の電流のトンネル効果によっ
て均一電場が形成されるので、メッキが行なわれる部分
は半導体ウエハ１００のアノードケース３０内に面する
狭い範囲に限定され、しかも形成されるメッキの膜厚は
何れの部分も均一になる。

【００２５】一方このメッキ形成領域Ｈ付近には、ア
ノードケース３０の外部から多量のメッキ液が流入して
上昇うず流を形成しているので、該上昇うず流によって
半導体ウエハ１００表面のメッキ形成領域Ｈに設けた微
細溝や微細孔内に残っていた空気が引っ張り出されて該
微細溝や微細孔内にメッキ液が充填でき、また微細溝や
微細孔内に入り込んでいるメッキ液も引っ張り出される
ことで新たなメッキ液と入れ替えられメッキ液供給が促
進される。

【００２６】またアノードケース３０の外部から多量
のメッキ液が流入して半導体ウエハ１００のメッキ形成
領域Ｈに吹きかけられるので、メッキによって欠乏する
メタルイオン（この実施形態では銅イオン）等の物質供
給が促進され、メッキが促進される（微細溝や微細孔の
直上面に新たなメッキ液を導入して該面付近の金属イオ
ン濃度を均一化してメッキ液の拡散層を薄くする）。ま
たメッキ時に発生するガスの早期離脱が促進される。

【００２７】以上，，の作用からメッキ形成領域
Ｈの各微細孔や微細溝内を均一且つ確実且つ速やかにメ
ッキできることとなる。

【００２８】そして上記メッキが完了すると、図３に示
すようにアノードケース３０の位置をロボットなどの駆
動手段によってメッキ形成領域Ｉの位置に移動し、前記
と同様の操作手順によってメッキを施す。該メッキが完
了するとアノードケース３０の位置を駆動手段によって
メッキ形成領域Ｊの位置に移動し同様にメッキを繰り返
していく。

【００２９】各メッキ形成領域Ｈ，Ｉ，Ｊにおいては前
述のようにそれぞれの領域毎に均一電場が形成されて最
適電析条件が設定できるので、それぞれの領域毎にメッ
キ膜厚を何れも均一に出来、半導体ウエハ１００表面全
体としてもメッキ膜厚を均一にできる。つまり１枚の半
導体ウエハ１００面内で分割メッキを繰り返すことによ
って、結果として半導体ウエハ１００の面全体のメッキ
膜厚を均一にするのである。特に大口径の半導体ウエハ
１００の場合この効果は大きい。

【００３０】ところで上記操作手順においては、図４
（ａ）に示すようにアノードケース３０の下端部を半導
体ウエハ１００表面から少し離した位置にセットして電
解メッキを行なったが、図４（ｂ）に示すようにアノー
ドケース３０の下端部を半導体ウエハ１００表面に密着
するようにセットして電解メッキを行なっても良い。

【００３１】この場合、回転軸４１を回転するとアノー
ドケース３０内のメッキ液は、同図に示すようにアノー
ドケース３０の上端部から導入されたメッキ液が下降し
て半導体ウエハ１００面上に供給された後、上昇うず流
となって上端部から外部に排出される。従って図４
（ａ）に示す場合と同様の効果が生じる。

【００３２】なお上記半導体ウエハ１００は例えば図５
（ａ）に示すようにその表面に溝２０３やコンタクトホ
ール２０１等（これらが微細溝や微細孔に相当する）が
形成されているが、これら溝２０３やコンタクトホール
２０１には図５（ｂ）に示すように前記半導体ウエハメ
ッキ装置によって銅２０７がメッキされる。そしてメッ
キが終了した半導体ウエハ１００はその後例えば溝２０
３やコンタクトホール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表面の銅メッキを化
学機械研摩によって除去することで図５（ｃ）に示すよ
うに配線２１１やプラグ２１３となる。なお２０２はＳ
ｉＯ₂絶縁層、２０５はバリア層、２２１は導電層であ
る。

【００３３】以上本発明の一実施形態を詳細に説明した
が本発明は上記実施形態に限定されず、例えば以下のよ
うな種々の変形が可能である。 上記実施形態では回転軸４１と回転軸４１に取り付け
た羽根５１によって上昇うず流発生機構を構成したが、
羽根５１を設ける代わりにアノード４０自体を羽根とし
て用いても良い。即ちアノード４０自体を回転時に上昇
うず流を発生させる形状に形成すれば、このアノード４
０と回転軸４１によって上昇うず流発生機構を兼用でき
る。なおアノード４０や羽根５１は必ずしもスクリュー
形状に形成する必要はなく、例えば平板状であっても良
く、要は上昇うず流を発生させる形状であればどのよう
な形状であっても良い。

【００３４】上記実施形態ではアノードケース３０の
方をロボット等の駆動手段によって移動せしめたが、ア
ノードケース３０の位置を固定してその代りに半導体ウ
エハ１００を保持するウエハ固定治具２０の方を回転等
によって駆動させても良い。またアノードケース３０と
ウエハ固定治具２０の双方を駆動させても良い。

【００３５】前述のようにアノードケースの形状は円
形、正方形、長方形など種々考えられるが、微細溝や微
細孔の形状と相似形であることが電場の観点から望まし
いと考えられる。

【００３６】電解メッキ時に印加する電圧は単なる直
流電圧ではなく、パルス電圧であることが望ましい。何
故ならメッキ液の液流によって半導体ウエハ１００表面
の拡散層を薄くすることは前述の通り行なえるが、微細
溝や微細孔内の拡散層を薄くすることはそれに比べて困
難である。そこでパルスによってメタルイオンの濃度復
帰を促す方が好適である。つまり電気化学的に拡散層を
薄くするのである。

【００３７】上記実施形態では半導体ウエハ１００の
メッキしようとする面を上向きに向けたが、該半導体ウ
エハ１００のメッキしようとする面の向きはこれに限定
されず、例えば下向き、横向き、斜め向き等、他の種々
の向きであっても良い。これらの場合アノードケース３
０の向きもこれに合わせて変更する必要がある。但しメ
ッキ時に発生する水素等の気体を除去することを考慮し
た場合、上向きが望ましいと考えられる。

【００３８】ウエハ固定治具２０やアノード４０や上
昇うず流発生機構５０等、各部材の構造はその機能が達
成される以上、種々の変形が可能であることは言うまで
もない。

【００３９】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。また本発
明は半導体ウエハに配線やプラグを形成するため以外の
目的で半導体ウエハにメッキする場合にも利用できるこ
とは言うまでもない。

【００４０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば以下のような優れた効果を有する。 半導体ウエハのアノードケース内に面するメッキ形成
領域でのみ均一電場を形成して電解メッキできるので、
該メッキ形成領域内でのメッキ膜厚を均一に形成でき
る。

【００４１】また半導体ウエハ表面を複数のメッキ形成
領域においてそれぞれ同様のメッキ操作を行なうことで
それぞれの領域毎にメッキ膜厚を何れも均一に出来るの
で、結局半導体ウエハ表面全体としてもメッキ膜厚を均
一にできる。特に大口径の半導体ウエハの場合この効果
は大きい。

【００４２】半導体ウエハのメッキ形成領域の表面に
はアノードケースの外部から多量のメッキ液が流入した
後に上昇うず流を形成するので、該上昇うず流によって
半導体ウエハ表面に設けた微細溝や微細孔内に残ってい
た空気が引っ張り出されて該微細溝や微細孔内にメッキ
液が充填でき、また微細溝や微細孔内に入り込んでいた
メッキ液も引っ張り出されることで新たなメッキ液と入
れ替えられメッキ液供給が促進され、これらの作用によ
って各微細孔や微細溝内を均一且つ確実且つ速やかにメ
ッキできる。

【００４３】アノードケースの外部から多量のメッキ
液が流入して半導体ウエハのメッキ形成領域の表面に吹
きかけられるので、メッキによって欠乏するメタルイオ
ン等の物質供給が促進され、メッキが促進される。また
メッキ時に発生するガスの早期離脱が促進される。

【００４４】以上乃至の効果から、高いスループ
ットが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる半導体ウエハメッ
キ装置を示す全体概略構成図である。

【図２】図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は各種アノードケ
ース３０，３０−２，３０−３を上側から見た概略平面
図である。

【図３】半導体ウエハ１００上におけるメッキ形成領域
Ｈ，Ｉ，Ｊ（即ちアノードケース３０の移動位置）を示
す平面図である。

【図４】図４（ａ），（ｂ）はアノードケース３０の設
置位置に応じたメッキ液の流れの状態を示す図である。

【図５】半導体ウエハ１００表面に配線２１１とプラグ
２１３を絶縁層の穴埋めと化学機械研摩法の組合せで形
成する方法を示す図である。

【符号の説明】

１０ メッキ処理槽 ２０ ウエハ固定治具 ３０ アノードケース ４０ アノード ４１ 回転軸 ５０ 上昇うず流発生機構 ５１ 羽根 １００ 半導体ウエハ ２０１ コンタクトホール（微細孔） ２０３ 溝（微細溝） Ｈ，Ｉ，Ｊ メッキ形成領域

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハの表面に設けた微細溝や微
   細孔を電解メッキする半導体ウエハメッキ装置におい
   て、 筒形状のアノードケースの内部に、アノードと、該アノ
   ードケース内のメッキ液に上昇うず流を発生させる上昇
   うず流発生機構とを収納し、 前記アノードケースを半導体ウエハ上のメッキ形成領域
   直上に設置した状態で該メッキ形成領域部分を電解メッ
   キすることを特徴とする半導体ウエハメッキ装置。
2. 【請求項２】 前記上昇うず流発生機構は、アノードを
   軸支して回転する回転軸に羽根を設けるか、或いはアノ
   ード自体を回転時に上昇うず流を発生させる形状に形成
   することで構成されていることを特徴とする請求項１記
   載の半導体ウエハメッキ装置。
3. 【請求項３】 前記半導体ウエハメッキ装置には、前記
   アノードケースを半導体ウエハ面内の複数のメッキ形成
   領域に移動せしめる駆動手段が取り付けられていること
   を特徴とする請求項１又は２記載の半導体ウエハメッキ
   装置。
4. 【請求項４】 請求項１又は２又は３に記載の半導体ウ
   エハメッキ装置を用いて微細溝や微細孔を設けた半導体
   ウエハの表面をメッキした後、該メッキした半導体ウエ
   ハの表面を化学機械研摩することによって微細溝や微細
   孔内のメッキを残して半導体ウエハ表面のメッキを除去
   することを特徴とする微細溝や微細孔へのメッキ方法。