JP3695703B2 - 電気めっき方法、電気めっき装置及び半導体装置の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、めっき方法及びめっき装置と、該方法を用いる電気めっき用プログラム及び該プログラムを保持する記憶媒体、並びに、半導体装置の製造方法及び製造装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化及び高機能化を達成するために、デバイス動作速度の向上が要求されている。しかし、デバイス動作速度が高速になるほど、配線の遅延時間によりその高速化が制限される。そこで、層間絶縁膜を低誘電率化して配線間容量を抑えるとともに、低抵抗の配線材料を用いることにより配線抵抗を減じることで動作速度の向上が図られている。
【０００３】
このため、比抵抗が１．７μΩｃｍと低い銅を用いてダマシン法により配線を形成することが検討されている。ダマシン法は、従来のスパッタ法によるアルミ配線などの形成とは異なり、初めに配線用の溝や孔を形成した後、銅を電気めっきによりその溝や孔に埋め込むことにより配線を形成する方法である。なお、電気めっきを行うには電気めっきを施す箇所を通電可能とするために導電膜が必要とされる。この導電膜は、通常、スパッタ法によって銅を成膜することにより形成される。しかし、銅はそれ自体が酸化しやすくかつ不導体被膜を形成しないため、大気に曝されると容易に酸化が進行する。
【０００４】
一方、導電膜を有するウエハへの電気めっきは、通常、一回のめっき処理毎にめっき液を排出及び供給するバッチ式処理により行われる。カップ式のめっき装置ではカソード電極となるウエハはめっき槽上端に設置され、アノード電極はこれに対向してめっき槽下部に設置される。このため、導電膜を有するウエハは、めっき槽にめっき液が充填されると同時にめっき液と接することになる。そこで、例えば、めっき液充填後、ウエハが十分にめっき液に濡れ気泡が表面になくなるまでの一定時間、電気めっきを行わないままウエハをめっき液中に保持するといったことにより、めっきが不均一になるのを回避する必要がある。
【０００５】
しかし、一般に、銅めっき液は硫酸を含む硫酸銅溶液であり、ｐＨが１〜４と極めて強い酸性溶液である。このような酸性水溶液に、電圧を印加しないまま、表面が酸化した導電膜を有するウエハを浸漬すると、表面の酸化銅は容易に溶解してしまう。
【０００６】
また、銅よりもイオン化傾向の大きいニッケル、コバルト、ニッケル合金、コバルト合金などを導電膜に用いると、図２０（ａ）に示すように、絶縁膜４６表面にバリア膜４８を介して形成された下地導電膜４７は、容易に溶解してしまう。ここで、導電膜４７のステップカバレッジが小さい場合、膜厚が薄い部分で局部的に導電膜が溶出してしまい、電気めっきを行った際に、図２０（ｂ）に示すように、得られる銅めっき膜４９が不均一又は不完全になってしまったり、膜４９内にボイド５０が残ってしまったりする可能性がある。
【０００７】
半導体ウエハ表面に形成された微細な溝又は孔の壁面では、ウエハ表面に比較し導電膜は薄くなる傾向があり、導電膜厚さも１ｎｍ〜５０ｎｍと極めて薄い。半導体デバイスは、今後さらに微細化されていくことが予想されることから、この下地導電膜の膜も、さらに薄膜化していくことが予想される。このような超薄膜においては、導体膜又はその酸化物の溶出は、わずかな量であっても、膜厚の不均一化や局所的な導電膜の欠損を生ずることとなり、結果として、めっき膜厚の不均一化や断線、ボイドなどの原因となる。
【０００８】
そこで、例えば特開平１０−１５２７９９号公報では、導電膜の溶解を抑制するために「めっき槽内で陽極と陰極を対向させるとともに、上記陰極の近傍に補助陰極が配置され、めっき電源を備える電気めっき装置において、陰極と陽極の間にめっき液が満たされていない期間は、補助陰極から陰極に電流を供給することで、めっき液による陰極の下地膜の溶解を実質的になくす」ことが提案されている。この手法では、補助陰極を対極として陰極との間に電流を印可するため、陰極である被めっき体及び補助陰極の両方がともにめっき液に触れて導通した後に、導電膜の溶解が抑制される。
【０００９】
ここで、この電流を印可する際、補助陰極はアノード電極として作用し、陰極はカソード電極として作用する。この結果、陰極及び補助陰極の両者がめっき液に濡れるまでの一定時間、導電膜の溶解が抑制されないまま被めっき体がめっき液に触れることとなり、導電膜の表面に形成された酸化膜は一部溶解してしまう。このため、下地膜の不均一性を増長させてしまう。
【００１０】
また、被めっき体がめっき液に接した瞬間に導電膜の溶解を抑制するためには、被めっき体がめっき液にふれた瞬間に通電を行わなければならない。しかし、ウエハ表面におけるめっき液への浸漬のタイミングは、一様ではない。通常のカップ式めっき装置では、めっき液はめっき槽下部中央の流入口から噴流となってめっき槽に導入されるため、めっき液の液面は、めっき槽壁面近傍に比べてめっき槽中央部のほうが盛り上がることから、ウエハは中央部からめっき液に濡れることになる。例えば被めっき体の一部がめっき液と触れた瞬間に通電を行った場合、めっき液に触れた箇所のみに電流が集中するため局部的に電気めっきが開始してしまうなどして、膜厚のばらつきが大きくなる原因となる。
【００１１】
さらに、被めっき体がめっき液に触れると微小電流が流れるように、めっき液に触れる前から電圧を印可しておくこともできるが、この場合も、被めっき体の一部がめっき液に触れて補助電極との導通が可能になると、めっき液に濡れた局所領域に電流が集中するため、めっきが進行するに充分な電流が流れてしまい、均一なめっき膜を得ることは困難である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、電気めっき処理における下地導電膜の溶解を抑制し、ボイドのない均一めっき膜を形成することのできるめっき方法と、該方法を用いた電気めっき用プログラム及び該プログラムを保持する記憶媒体、並びに、半導体装置（半導体素子を含む）の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、めっき液内に浸漬されたアノード電極と被めっき体であるカソード電極との間に電流を流すことにより、カソード電極表面に導体からなるめっき膜を形成する電気めっき方法において、カソード電極がめっき液に接触するより前にめっき液に接触する予備電解電極を設け、この予備電解電極とアノード電極との間に予備電解電流を流しながら、カソード電極をめっき液に接触させた後、めっきを行う電気めっき方法が提供される。
【００１４】
また、本発明では、めっき液内に浸漬されたアノード電極と被めっき体であるカソード電極との間に電流を流すことにより、カソード電極表面に導体からなるめっき膜を形成する電気めっき方法において、アノード電極と予備電解電極とがめっき液に接触した後、アノード電極とカソード電極との間に電流を流して電気めっきを開始するまでの間、予備電解電極とアノード電極との間に予備電解電流を流し、カソード電極がめっき液に触れた後、電気めっきを開始するまでの間は、カソード電極及び予備電解電極の間で電流を分配する電気めっき方法が提供される。この方法においても、予備電解電極とカソード電極とがこの順でめっき液に浸漬されるようにすることが望ましい。
【００１５】
なお、本発明の電気めっき方法では、予備電解電流は０．００１〜０．１A/dm2とすることが望ましい。また、本発明の電気めっき方法は、特に銅めっきに適しているが、Fe、Ni、Pt、W、Ti等の金属、又はそれらを主原料とする合金などのめっきに適用してもよい。
【００１６】
また、本発明では、これら本発明の電気めっき方法を用いて配線用導体膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。本発明は、特にダマシン法により配線を形成する場合に適している。なお、配線用導体膜形成工程以外の工程は、特に制限されるものではなく、適宜定めることができる。例えば、ウエハ表面に絶縁膜を形成する工程、該絶縁膜に配線形成用凹部を形成する工程、この凹部を充填するように本発明のめっき方法により導体膜を形成する工程、該導体膜表面を絶縁膜又は表面保護膜により覆う工程などを本発明の半導体装置の製造方法に設けることができる。
【００１７】
さらに本発明では、めっき槽と、該めっき槽内に配置されたアノード電極及び予備電解電極とを備え、予備電解電極は、被めっき体であるカソード電極と電流経路として並列になるように配線されており、めっき槽へのめっき液の導入に際して、カソード電極より前にめっき液に接する位置に配置されている電気めっき装置が提供される。この本発明のめっき装置では、予備電解電極とアノード電極との間の導通を電気的に開閉するスイッチを有することが望ましい。
【００１８】
また、本発明では、めっき槽と、該めっき槽内に配置されたアノード電極及び予備電解電極と、電源とを備え、予備電解電極は被めっき体であるカソード電極と電流経路として並列になるように電源と電気的に接続されており、予備電解電極と電源との間にはスイッチが設けられている電気めっき装置が提供される。
【００１９】
なお、これら本発明のめっき装置では、予備電解電極のめっき液に触れる面の面積が、カソード電極のめっき液に触れる面の面積の半分以上であることが望ましい。また、本発明のめっき装置は、カソード電極と電流経路として並列になるように配線された補助カソード電極をさらに備え、カソード電極へのめっきは、めっき液中で、カソード電極及び補助カソード電極と、アノード電極との間に電圧を印加することにより行われるようにしてもよい。
【００２０】
さらに本発明では、この本発明の電気めっき装置を用いて配線用導体膜を形成する手段を有する、半導体装置の製造装置が提供される。
【００２１】
また、本発明では、めっき液内に浸漬されたアノード電極と被めっき体であるカソード電極との間に電流を流すことにより、上記カソード電極表面に導体からなるめっき膜を形成する電気めっき方法に用いるためにコンピュータを、
めっき液の液面が所定の高さに達したことを検出すると、予備電解電極とアノード電極との間に予備電解電流を流す予備電解電圧印加手段、及び
カソード電極とアノード電極との間にめっきのための電圧して電気めっきを行うめっき電圧印加手段、
として機能させるための電気めっき用プログラムと、該プログラムを保持するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体が提供される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
上述したように、導電膜の溶解によって生じる不具合を解決するため、本発明では、半導体ウエハの表面に設けた微細な溝や孔を電気めっきする際に、めっき槽内に設置されたアノード電極と、カソード電極となる被めっき体とに加え、予備電解電極を設け、電流経路として並列に被めっき体と予備電解電極とを配置し、予備電解電極とアノード電極との間に微小電流を印加しながら被めっき体を電気めっき液に浸漬させることによりめっきを行う。
【００２３】
まず、各実施例において用いた半導体装置の製造装置及び薬液処理装置（特にめっき装置）について、具体的に説明する。
【００２４】
Ａ．めっき装置の構成
本発明の半導体装置製造装置に設けられためっき装置の一例として、後述する各実施例において用いた自動ウエハめっき装置を例にとって説明する。
【００２５】
各実施例において用いた自動ウエハめっき装置の本体は、図１に示すように、搬送機構（搬送ロボット）２６、ロードステージ２７、プレめっきステージ２８、めっきステージ２９、洗浄ステージ３０、乾燥ステージ３１及びアンロードステージ３２を備える。また、本体の他に、薬液供給システム及び薬液回収システムが設けられている（図示せず）。
【００２６】
ロードステージ２７にはウエハカセット３３が、プレめっきステージ２８にはめっき前処理槽３４が、めっきステージ２９にはめっき槽３５が、洗浄ステージ３０には洗浄槽３６が、乾燥ステージ３１には乾燥機３７が、アンロードステージ３２にはウエハカセット３８がそれぞれ設けられている。これらのうち、めっき前処理槽３４、めっき槽３５及び洗浄槽３６は薬液処理槽である。これらの薬液処理槽には、それぞれ、薬液用配管、温度調節器などが備えられている（図示せず）。
【００２７】
なお、各ステージ２７〜３２は、処理枚数を向上することができるため、それぞれ複数設置してもよい。また、プレめっきステージ２８又は洗浄ステージ３０は省略することができるが、めっき膜を平坦にするためには、これらを設置することが好ましい。搬送ロボット２６は、図２に示すように、ウエハ担持アーム４０とウエハ担持部３９とを備え、ウエハ３を担持して所定の位置（例えば、薬液処理槽１７）まで搬送するための機構である。
【００２８】
この本実施例の自動ウエハめっき装置の薬液処理槽１７には、例えば、図３に示すようなカップ式処理槽１を用いることができる。このカップ式処理槽１は、カップ状の処理槽１の上部開口に沿ってウエハ支持部１０が設けられるとともに、この支持部１０の下側位置に処理槽１の外部から内部へと貫通する薬液供給部７が設けられ、薬液供給部７から噴流として供給された薬液１１は処理槽１外部へ薬液排出口８から流出するようになっている。処理槽１の側壁には水位計６が設けられており、供給された薬液１１の水位を計測することができる。支持部１０に載置され、ウエハ押さえ治具９によって固定されたウエハ３の被処理面４がこの薬液に接触することにより、薬液処理が施される。
【００２９】
この薬液処理がめっき処理の場合は、図３に示すように、処理槽１内部にアノード電極２と、カソード導電膜の溶解を抑制するための予備電解電極５とが設けられる。なお、ここで用いた例では、処理槽１内に予備電解電極５が予め設置されているが、本発明はこれに限られるものではなく、処理槽１内に予備電解電極５を着脱可能に保持するための保持部材が設けられ、使用時にこの保持部材に予備電解電極５を取り付けるようにしてもよい。
【００３０】
めっき処理を行うための薬液処理槽１７であるめっき槽は、めっきステージ２９に設けられる。めっきステージ２９はめっき槽を複数備えていてもよい。なお、このようなカップ式処理槽の他、例えば図４に示すような縦型の薬液処理槽４４なども、薬液処理槽１７として用いることができる。この場合も、めっき処理を行う場合は、槽内にアノード電極２及び予備電解電極５を設ける。なお、いずれの図においても、各電極に電圧を印加するための配線及び電源は、図示を省略した。
【００３１】
図３に示すカップ式のめっき槽では、予備電解電極５をめっき槽中央に設置したが、被めっき体となるカソード電極３がめっき液１１に触れる前に、予備電解電極５がめっき液１１に触れるように、めっき液吐出管７内やその吐出口近傍などに設置すればよい。さらに、予備電解電極５はめっき処理槽１の外に設置してもよく、例えばめっき液供給システムのめっき液タンク内など、被めっき体とめっき液とを介して液絡がとれる箇所に設置すればよい。
【００３２】
予備電解電極５として、図３に示すめっき槽では円筒状の電極を用いたが、板状、線状、円盤状、環状、球状など、その形状は問わない。また、じゃま板など他の機能を有するめっき冶具を予備電解電極５として併用してもよい。予備電解電極５の材質としては、図３に示した装置では銅を用いているが、Fe、Ni、Pt、W、Ti等の金属、又はそれらを主原料とする合金など、導電性材料であればいずれの電極材料を用いてもよい。
【００３３】
予備電解電極のめっき液に触れる面積は、めっきを行う面積（すなわちめっき液に触れる面の面積）の半分以上が好ましく、同等かそれ以上が好適である。予備電解電極はめっき槽に固定されていてもよいが、可動式で着脱可能な方が、メンテナンスが容易になるため好ましい。
【００３４】
めっき槽１内のアノード電極２は、ウエハ支持部１０に保持された状態でのカソード電極となる被めっき体３と対向するような位置に配置されている。カソード電極３及びアノード電極１は、めっき膜の均一析出性を得るために平行に設置されていることが望ましい。なお、図３においては、アノード電極２を装置下部、カソード電極３を装置上部にそれぞれ設置したが、これに限らず、設置場所は選ばない。
【００３５】
アノード電極材２の材質としては、銅、ニッケル、鉄、白金、金など、導電性材料であればよい。また、アノード電極の形状は、図３に示した装置では環状（ドーナツ型）としたが、円盤状など他の形状でもよく、大きさはカソード電極３と同程度であることが望ましい。
【００３６】
ダマシン法による配線の形成に本実施例のめっき装置を用いる場合、めっき対象のシリコンウエハであるカソード電極３には、図５（ａ）に示すように、絶縁膜４６の表面に銅配線形成用の凹部（溝や孔など）が形成され、その溝や孔の表面に銅の拡散防止膜４８及びめっき下地導電膜４７が形成されている。図５に示した例では、下地膜４７はスパッタにより銅を成膜したものを用いたが、銅以外の導電性膜でもよく、また下地膜の形成法も特に限定されるものではない。
【００３７】
アノード電極１とカソード電極３とは、図６に示すように、めっき液１１を介し回路を形成しており、これらの間には電源１３により電圧を印可することができる。なお、電源１３としては、直流、交流、パルス電流などのいずれの電流の電源であってもよいが、直流電源が望ましい。
【００３８】
また、電流経路としてカソード電極３と並列に予備電解電極５が配置されており、予備電解電極５はスイッチ１４により回路との切離しが可能である。また、図７に示すように、補助アノード電極４２を構成に加え、スイッチ４３を介して補助アノード電極４２と予備電解電極５との間で回路を構成して、予備電解電極５とカソード電極９とが電流経路として並列に配置するようにしてもよい。
【００３９】
また、図８に示すように、電源１３に加えてさらに微小電流用直流電流源１５を設け、予備電解電極（予備電解電流のためのカソード電極）５とアノード電極５との間に配置してもよい。
【００４０】
薬液の処理システムとしては、例えば、図９に示すように、薬液処理槽１７（めっきステージ２９の薬液処理槽１７の場合はめっき処理槽１）、薬液タンク２０、薬液の管理システム８０（分析部２３、管理用情報処理装置（パーソナルコンピュータ）２５、補給液槽１８、電磁弁２４など）を備えるものを用いることができる。めっき液タンク２０には液成分を補充できるように、補給機構を備える管理用システム８０を設けることが望ましい。薬液タンク２０及び管理システム８０は、めっき装置本体とは異なる場所に設置してもよい。
【００４１】
図９に示すように、めっき液タンク２０に保持されているめっき液１１は、供給ポンプ２１により、めっき液吐出口７からめっき槽１へ流入し、めっき液排出口８からめっき液タンク２０へと流入する。なお、めっき液中のゴミを除去するため、めっき液タンク２０からめっき槽１へのめっき液配管８１、及び／又は、めっき槽１からめっき液タンク２０へのめっき液配管８２に、フィルタ２２を設置することが望ましい。
【００４２】
Ｂ．装置の動作
つぎに、各実施例のめっき装置における処理の流れについて、図１を用いて説明する。なお、以下の処理は管理用情報処理装置２５により制御される。管理用情報処理装置２５は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、主記憶装置、外部記憶装置、入出力装置を備える情報処理装置であり、以下の管理用情報処理装置２５による処理は、光ディスク、磁気ディスク、光磁気ディスクなどの記憶媒体に予め保持され、主記憶装置に読み込まれたプログラムをＣＰＵが実行することにより実現されるが、本発明はこのようなプログラムによる実現手段に限定されるものではない。
【００４３】
まず、搬送ロボット２６が、ロードステージ２７に載置されたウエハ供給用カセット３３からウエハ３を一枚ずつ取り出し、プレめっきステージ２８へ搬送してめっき前処理槽３４へウエハ３を配置する。めっき前処理槽３４では、ウエハ３に対してめっき前処理が行われる。次に、搬送ロボット２６は、ウエハ３をめっきステージ２９へと搬送してめっき槽３５の支持部１０へセットする。このめっき槽３５においてめっき膜が形成される。続いて、ウエハ３は、搬送ロボット２６により洗浄ステージ３０へ送られて洗浄処理を施された後、乾燥ステージ３１における乾燥処理を経て、アンロードステージ３２にて回収用カセット３８に収納される。なお、乾燥用ステージ３１にて回収用カセット３８にウエハ３を収納し、回収用カセット３８をアンロードするようにすれば、装置を小型化できる。
【００４４】
つぎに、めっきステージ２９におけるめっき手順について、図３及び図１０を参照しながら説明する。
【００４５】
管理用情報処理装置２５は、プレめっきステージ２８でめっき前処理を終えたウエハ３を、搬送ロボット２６によりめっきステージ２９へ搬送し、めっき槽開口部のウエハ支持部１０にセットする（ステップ９０１）。その後、管理用情報処理装置２５は、非めっき面へのめっき液１１の回り込みが制限されるように、ウエハ３をウエハ押さえ用冶具９により支持部１０に固定した後、めっき槽１へのめっき液１１の流入を開始する（ステップ９０２）。
【００４６】
めっき液１１がめっき槽１に溜まり始め、水位計６が設置された深さまでめっき液１１が流入した（ただし、被めっき体であるカソード電極３及び４はめっき液１１にまだ触れていない）ことを検出すると、管理用情報処理装置２５は、予備電解電圧印加手段２５１（図６）により、予備電解電極５とアノード電極２の間に補助電流を印可する（ステップ９０３）。なお、アノード電極２がカソード電極３の後にめっき液に触れるような構造のめっき槽を用いる場合には、予備電解電極５と補助アノード電極４２との間に微小補助電流が流れるように微小電圧を印可すればよい。また、カソード電極３と予備電解電極５との間のスイッチ１４は、カソード電極３がめっき液に触れる前であればいつ入れてもよい。
【００４７】
この操作の後カソード電極３とめっき液１１が接触し、めっき液１１の充填が完了すると同時にめっき槽１からめっき液の排出が始まる（ステップ９０４）。めっき液１１の流入と排出は、ウエハ３へのめっきが完了するまで継続して行われる。カソード電極３は、めっき液１１を介してアノード電極２又は補助アノード電極５と導通が得られ、また、予備電解電極５と電流経路として並列である。このため、めっき液１１との接触と同時に微小電流がカソード電極３に流れる。
【００４８】
めっきを行う瞬間までこの微小電流を流し続けた後、管理用情報処理装置２５のめっき電圧印加手段２５２（図６）は、カソード電極３とアノード電極２との間にめっき電圧を印加してめっきを開始すると同時に、予備電解電極５を回路から切り離して微小電流が流れるのを止める（ステップ９０５）。この後、ウエハ表面に形成された溝や孔に銅が充填されるまでの所定時間めっきを行い、電気めっきを終了した後（ステップ９０６）、めっき液１１のめっき槽１内への流入を止め、めっき槽１内のめっき液を排出し（ステップ９０７）、ウエハ３の固定を解除して搬送ロボット２６により洗浄ステージ３０へと運ぶ（ステップ９０８）。以上により、めっき膜の形成が終了する。
【００４９】
＜実施例１＞
本実施例では、図３に示したカップ式めっき槽１を備えるめっき装置をめっきステージ２９に有する半導体装置製造装置を用い、めっき処理毎にめっき液を排出及び供給して行うバッチ処理によって電気銅めっきを行って、半導体装置を製造した。なお、めっき液１１の組成は、硫酸銅（CuSO4・5H2O）200 g/dm3（0.4mol/dm3）、硫酸（H2SO4）100 g/dm3（2.0mol/dm3）、塩素イオン：30 mg/ dm3（1.5×10-3mol/dm3）、添加剤適量（ミクロファブCu2100（日本エレクトロプレイティング・エンジニヤース社）10×10-3dm3/dm3）とし、溶媒には水を用いた。また、めっき液１１の液温は25℃とした。アノード電極には面積300 cm2の環状含リン銅板を用い、予備電解電極５には面積1400 cm2の円筒状含リン銅板を用いた。
【００５０】
被めっき体はつぎのようにして作製した。まず、20.32cm（８インチ）のシリコンウエハ基板上に、スパッタ法によりSiO2絶縁膜４６を膜厚300nm堆積させ、その表面に、フォトリソグラフィ法により配線用の凹部（溝や孔）５１を形成した（図５（ａ））。この配線用の凹部５１の幅は、配線幅が0.10オm〜1オmとなるようした。続いて、スパッタ法により、TiNからなるバリア膜４８を形成した後、下地導電膜４７として銅を成膜した。得られたバリアメタルの膜厚は、凹部５１の壁面で15nmであり、底面では30nmであった。また、下地導電膜４７は、凹部５１の壁面で10nmであり、底面で30nmであった。
【００５１】
このようにして作製しためっき対象のウエハ３を、プレめっきステージ２８において前処理した後、搬送ロボット２６によりめっきステージ２９へ搬送して、被めっき面４を下（すなわちめっき槽１内部）に向けてめっき槽１の支持部１０に載置し、ウエハ押さえ冶具９により支持部１０に固定した。
【００５２】
その後、めっき液１１を、10dm3/分の流量でめっき槽１へ導入した。めっき液１１の導入初期はめっき液１１がめっき槽１の下部よりめっき液が溜まっていくため、まずアノード電極２、続いて予備電解電極５がめっき液１１に触れることになる。本実施例では、めっき液１１の液面が水位計６の位置に達した時に、予備電解電極５と回路との間のスイッチ１４を入れ、アノード電極２から予備電解電極５に微小電流を流した。ここで流す電流は、電気めっきが進行しない程度の微小電流とすることが望ましく、具体的には、予備電解電極５に対して0.0001A/dm2〜0.2A/dm2程度とするのがよい。本実施例では、30mA（予備電解電極５に対して約0.002A/dm2）とした。
【００５３】
アノード電極２と予備電解電極５との間に微小電流が流れている状態で、めっき液１１が徐々にめっき槽１に充填されカソード電極３とめっき液１１とが接触すると、それと同時に、予備電解電極５とアノード電極２との間で流れていた微小電流がカソード電極３と予備電解電極５とに分割され、カソード電極３にも並列に電流が流れることになる。これは、カソード電極３と予備電解電極５が電流経路として並列に配置されているため、両電極３，５の電位が等しいからである。このため、めっき液１１に触れる前からカソード電極３は還元電位となり、めっき液１１に触れて導通可能になると、予備電解電極５とカソード電極３との面積比に応じて電流が分配され、両電極３，５とアノード電極２との間に微小電流が流れる。したがって、カソード電極３に瞬間的なめっき電流が流れないようにするため、予備電解電極５の面積をカソード電極３に比べて大きくすることが望ましい。
【００５４】
なお、本実施例のめっき装置では、めっき液１１がめっき槽１下部より槽１内に噴出するため、めっき槽１中央部のめっき液面１１ａが、めっき槽１壁面近傍のめっき液面１１ｂよりも高くなっている。そのため、被めっき体であるカソード電極３の中央部がまずめっき液に触れる。しかし、カソード電極３は予備電解電極５と比べて面積が小さいため、カソード電極３の中央部がめっき液１１に触れた瞬間も、電気めっきが開始するほどの電流はカソード電極３には流れない。実際、カソード電極３における電流は約0.5mAの還元電流であり、カソード電極３の電位は約−０．３Ｖ（vs. N.H.E）であった。このとき、予備電解電極５の面積がカソード電極３の半分よりも小さい場合には、カソード電極３に電気めっきが開始するほどの電流が流れる可能性がある。そこで、予備電解電極５の面積はカソード電極３の半分よりも大きくすることが望ましい。
【００５５】
その後、めっき液１１がめっき槽１内を満たし、カソード電極３全面がめっき液１１に触れた。この状態でのカソード電極３に流れる還元電流は7mA（カソード電極３に対して約0.002A/dm2）であり、カソード電極３の電位は約−０．３Ｖ（vs. N.H.E）であった。この結果、被めっき体であるカソード電極３に形成された下地膜４７表面の銅酸化物が溶解することなく還元されて銅となった。この状態での下地導電膜４７の膜厚は、凹部５１の壁面で10nm、底面で30nmであった。また、局所的に下地膜４７が溶解した箇所はなかった。
【００５６】
この後、めっき液１１はめっき槽１上部のめっき液排出口８から溢れ出して排出され始めた。なお、めっき液１１の流入及び排出は、めっき液１１の成分を一定に保つために、めっき膜の形成が終わるまで継続した。カソード電極３表面の気泡などが排出されるまで約20秒間待った後、予備電解電極５と直流電源１３との間のスイッチ１４を切り、それと同時にアノード電極２とカソード電極３との間に約3A（1A/dm2）の電流を流し、図５（ｂ）に示すように、配線用凹部５１を銅で充填した。これより、配線となる銅膜４９を形成できた。形成された銅膜４９は、均一な下地膜４７の上に成膜されたため、内部にボイド等を残すことなく、凹部５１を完全に充填することができた。
【００５７】
この後、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥した後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。
【００５８】
このように形成されたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、図５（ｂ）に示すように、ボイドなどの不良はほとんど認められず、配線用凹部５１を信頼性良く充填することができ、さらに膜厚の均一なめっき膜が得られたことがわかった。評価結果について表１に示す。
【００５９】
【表１】
【００６０】
＜実施例２＞
本実施例では、図１１に示すように、めっき槽１内に、円筒状の予備電解電極５に代えて、貫通孔を有する円盤状の予備電解電極４１を備えるカップ式めっき装置を用いて、実施例１と同様にして銅めっきを行った。なお、本実施例で用いた予備電解電極４１は、20.32cm（８インチ）の大きさの含リン銅の円盤に直径2cmの貫通孔を15個あけた円盤であり、じゃま板としても機能する。本実施例で用いためっき液の組成及びめっき条件は、実施例１と同様である。本実施例では、アノード電極２として面積300cm2の環状含リン銅板を用い、予備電解電極（じゃま板）４１としては、面積530cm2の円盤状含リン銅板を用いた。
【００６１】
この本実施例のめっき装置は、図１２に示すように、カソード電極であるウエハ３及びじゃま板４１と、アノード電極２とが、めっき液１１を介して回路を形成しており、じゃま板４１と電源１３との間に設けられたスイッチを閉じた状態では、ウエハ３とじゃま板４１とが電流経路として並列になっている。
【００６２】
被めっき体３は、実施例１と同様に、ウエハ表面へのSiO2絶縁膜４６の堆積、配線用凹部５１の加工、バリア膜４８の形成、下地導電膜４７である銅の成膜を順次行うことにより作製した。得られたバリアメタル４８及び下地導電膜４７の膜厚は、実施例１と同様であった。
【００６３】
得られた被めっき体３を、プレめっきステージ２８において前処理した後、搬送ロボット２６によりめっきステージ２９へ搬送して、被めっき面４を下（すなわちめっき槽１内部）に向けてめっき槽１の支持部１０に載置し、ウエハ押さえ冶具９により支持部１０に固定した。
【００６４】
その後、めっき液を10dm3/分の流量でめっき槽１へ導入した。本実施例においても、めっき液の導入初期はめっき液がめっき槽１の下部より溜まっていくため、まずアノード電極２が、続いてじゃま板兼予備電解電極４１がめっき液１１に触れることになる。本実施例では、めっき液１１の液面が水位計６の位置に達した時に、じゃま板兼予備電解電極４１と回路との間のスイッチ１４を入れ、アノード電極２から予備電解電極４１に10mA（予備電解電極に対して約0.002A/dm2）の微小電流を流した。
【００６５】
続いて、実施例１と同様にめっき液１１がめっき槽１内を満たしてから約20秒経過後に、予備電解電極４１と直流電源１３との間のスイッチ１４を切り、それと同時にアノード電極２とカソード電極３の間に約3A（1A/dm2）の電流を流した。これにより、銅めっきが行われて、配線用凹部５１に銅が充填された。本実施例においても、実施例１と同様、ボイドを残すことなく、均一な配線用銅膜を形成することができた。
【００６６】
次に、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥させた後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。
【００６７】
得られたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、実施例１と同様、図５（ｂ）に示すようにボイドなどの不良は認められず、配線用凹部５１が銅４９により信頼性良く充填されたことがわかった。また、本実施例では、じゃま板４１を用いたことにより、被めっき体であるウエハ３の面内でのめっき膜厚のばらつきも低減できた。本実施例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【００６８】
＜実施例３＞
本実施例では、図１３に示すカップ式めっき装置１３０を用い、実施例１と同様にして電気銅めっきを行った。めっき液１１の組成及びめっき条件、アノード電極２及び被めっき体であるカソード電極３は、実施例１と同様である。
【００６９】
本実施例のめっき装置１３０では、予備電解電極５として予備アノード電極４２と予備カソード電極４３とが両方設けられている。予備アノード電極４２には、面積300cm2の含リン銅製円筒を用い、予備カソード電極４３としては面積500cm2の含リン銅製円筒を用い、めっき液導入用配管７内の吐出口７ｂ近傍に、吐出口７ｂの側から予備アノード電極４２、予備カソード電極４３の順になるように配置した。なお、本実施例では、予備アノード電極４２及び予備カソード電極４３をそれぞれ一つずつ設けたが、平坦なめっき面を得ることができることから、それぞれ複数設けても構わない。
【００７０】
本実施例のめっき装置１３０では、図１４に示すように、予備アノード電極４２はアノード電極２と、予備カソード電極４３はカソード電極３と、それぞれ電流経路として並列に設置されている。なお、予備アノード電極４２及び予備カソード電極４３は、めっき液タンク内など、めっき液１１を介してアノード電極２及び被めっき体であるウエハ３と液絡が得られる場所であれば、任意の場所に設置することができる。
【００７１】
本実施例では、めっき槽１へのめっき液１１の導入前に、予備アノード電極４２及び予備カソード電極４３がめっき液１１に触れることになる。そこでまず、予備カソード電極４３と回路との間のスイッチ１４、及び、予備アノード電極４２と回路との間のスイッチ１４ａをそれぞれ入れ、予備アノード電極４２から予備カソード電極４３に10mA（予備カソード電極４３に対して約0.002A/dm2）の微小電流を流した。
【００７２】
続いて、めっき液１１を10dm3/分の流量でめっき槽１へ流入し、実施例１と同様にめっき液１１がめっき槽１内を満たしてから約20秒経過後に、スイッチ１４及び１４ａをそれぞれ切り、それと同時にアノード電極２とカソード電極３との間に約3A（1A/dm2）の電流を流した。これより、均一な膜厚を保ったままの下地膜４７の表面に配線となる銅膜４９が形成することができた。このため、本実施例では、ボイドを残すことなく、配線用凹部５１を均一に充填することができ、短絡や断線のない信頼性の高い配線を形成することができた。
【００７３】
次に、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥させた後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。
【００７４】
得られたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、実施例１と同様、ボイドなどの不良は認められなかった。本実施例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【００７５】
＜実施例４＞
本実施例の半導体装置製造装置では、めっきステージ２９に、図１５に示すカップ式めっき槽１ａを備えるめっき装置１５０を設けた。本実施例の装置１５０では、アノード電極２がめっき槽１ａ上部に設置されており、被めっき体であるウエハ３はめっき槽１ａの底部に設けられた開口部から被めっき面４がめっき槽１ａ内に露出するように、被めっき面４を上にして、ウエハ押さえ治具９によりめっき槽１ａ底部に押し付けられて固定される。また、本実施例のめっき装置１５０は、めっき槽１ａ内に、予備電解電極５として予備アノード電極４２及び予備カソード電極４３を備える。予備カソード電極４３には、面積400cm2の含リン銅板を用い、予備アノード電極４２には面積300cm2の含リン銅板を用いた。
【００７６】
本実施例の半導体装置製造装置を用い、実施例１と同様のめっき液１１の組成及びめっき条件にて、ウエハに配線用銅膜を形成した。なお、図１５に示すように、本実施例では予備カソード電極４３と予備アノード電極４２とを、めっき液１１の導入口に設けられためっき液溜まり７ａ内にそれぞれ設置した。本実施例のめっき装置１５０では、めっき液１１はまずこのめっき液溜まり７ａに導入され、このめっき液溜まり７ａに満ちて溢れ出ためっき液１１がめっき槽１ａに導入されるようになっている。
【００７７】
本実施例においても、めっき槽１ａへのめっき液１１の導入を開始すると、カソード電極３がめっき液１１に触れる前に、予備カソード電極４３及び予備アノード電極４２がめっき液１１に触れることになる。本実施例では、両予備電解電極４２，４３の間がめっき液１１により導通された後、カソード電極３がめっき液１１に触れる前に、予備アノード電極４２から予備カソード電極４３へ8mA（予備カソード電極４３に対して約0.002A/dm2）の電流を流した。このように両予備電解電極４２，４３間に微小電流が流れている状態でめっき液１１が徐々にめっき槽に流入しカソード電極３とめっき液１１とが接するため、本実施例では、カソード電極３がめっき液１１に触れると同時に予備電解電極４２，４３間で流れていた微小電流がカソード電極３と予備カソード電極４３とに分割されカソード電極３にも並列に電流が流れることになる。
【００７８】
この後、めっき液１１がめっき槽１ａ内に十分溜まると、アノード電極２がめっき液１１に浸漬し、めっき液１１はめっき槽１ａ上部のめっき液排出口８ａからオーバーフローして、排出配管８から排出される。
【００７９】
続いて、予備アノード電極４２とアノード電極２との間のスイッチ、及び、予備カソード電極４３とカソード電極３との間のスイッチをそれぞれ切り、それと同時にアノード電極２とカソード電極３との間に約3A（1A/dm2）の電流を流した。これより、下地膜の厚さを均一に保ったまま、配線用凹部を完全に充填した配線用銅めっき膜を形成することができた。
【００８０】
次に、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥させた後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。得られたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、実施例１と同様、ボイドなどの不良は認められなかった。本実施例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【００８１】
＜実施例５＞
本実施例では、めっきステージ２９に図４に示す縦型めっき槽４４を備えるめっき装置１４０を用い、実施例１と同様にしてウエハに銅めっきを施した。めっき液１１の組成及びめっき条件、用いたアノード電極２及びめっき対象ウエハ３は、実施例１と同様である。
【００８２】
本実施例の縦型めっき槽４４では、めっき槽４４底部に、上部に複数のめっき液流出口を有するめっき液導入用配管７がコの字型に配管されており、その上に予備電解電極５が設けられている。本実施例では、予備電解電極５には、面積500cm2の含リン銅板を用いた。図１６に示すように、本実施例の予備電解電極５は、予備電解電流のためのカソード電極として機能する。
【００８３】
また、本実施例に縦型めっき槽４４は、めっき液１１を満たしたとき該めっき液に完全に浸る位置に、縦にアノード電極２が設けられており、このアノード電極２に対向する位置に、カソード電極となる被めっき物（ウエハ）３を保持するための支持部（めっき治具）１０を取り付けることができるようになっている。
【００８４】
なお、本実施例では、アノード電極２及びカソード電極３は、めっき槽４４内に縦に（すなわち、電極面及びめっき面がめっき液１１の液面に対して垂直になるように）配置されるが、両者を横に（すなわち、電極面及びめっき面がめっき液１１の液面に対して平行になるように）配置しても構わない。
【００８５】
本実施例では、まず、めっき液１１をめっき槽４４に導入して、アノード電極２及び予備電解電極５がめっき液１１に既に浸漬されている状態で、予備電解電極５と回路との間のスイッチ１４を入れ、アノード電極２から予備電解電極５へ10mA（予備電解電極に対して約0.002A/dm2）の微小電流を流した。一方、被めっき体であるウエハ３は、プレめっきステージ２８からめっきステージ２９へ搬送ロボット２６により搬送し、めっき治具１０に固定しておいた。
【００８６】
続いて、微小電流を流したまま、めっき槽４４内へめっき冶具１０に取り付けられた被めっき体３を投入して、めっき液１１内でアノード電極２と対向する所定の位置に固定した。その後、予備電解電極５とアノード電極２との間のスイッチ１４を切り、それと同時にアノード電極２とカソード電極３の間に約3A（1A/dm2）の電流を流した。これより、下地膜の厚さを均一に保ったまま、配線用凹部を完全に充填した配線用銅めっき膜を形成することができた。
【００８７】
次に、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥させた後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。得られたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、実施例１と同様、ボイドなどの不良は認められなかった。本実施例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【００８８】
＜実施例６＞
本実施例では、下地導電膜４７を無電解めっき法により形成したコバルト合金膜とした他は、実施例１と同様にして銅めっき膜４８を形成した。
【００８９】
下地導電膜は、つぎのようにして形成した。まず、実施例１と同様にして基板表面に絶縁膜及び配線用凹部、バリア膜を順次形成した後、無電解めっきの触媒層として、湿式法によりパラジウム層を形成した。すなわち、基板を５０％の塩酸に２分浸漬させた後、パラジウム錯体タイプの増感剤（日立化成工業株式会社製HS-202B）に常温で５分間浸漬させ、次いで純水で水洗した。次に、基板を活性化処理液（日立化成工業株式会社製ADP-601）に常温で５分間浸漬させ、純水で洗浄した。
【００９０】
続いて、塩化コバルトを0.1 mol/dm3、クエン酸三ナトリウムを0.3 mol/dm3、ジメチルアミンボランを0.06 mol/dm3、タングステン酸ナトリウム0.03 mol/dm3及び東邦化学製界面活性剤RE610を0.05 g/dm3含むめっき液１１を用いて、実施例１と同様にしてめっき処理を行った。なお、めっきは、pHを9.5（KOHで調整）、液温を６５℃、めっき時間を７分として行った。これにより、コバルト合金からなる下地導電膜４７が形成された。
【００９１】
得られた下地導電膜４７を有する基板を、実施例１と同様にして電気銅めっき処理したところ、下地導電膜４７の溶解は観察されず、下地膜の厚さを均一に保ったまま、配線用凹部を完全に充填した、ボイドのない配線用銅膜４９を形成することができた。
【００９２】
次に、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥させた後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。得られたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、図５（ｂ）に示すように、ボイドなどの不良は認められなかった。本実施例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【００９３】
＜実施例７＞
本実施例の半導体装置製造装置では、めっきステージ２９に、図１７に示すカップ式めっき槽１ｂを備えるめっき装置１７０を設けた。本実施例のめっき槽１ｂは、補助カソード電極６０が設けられている他は、実施例１で用いためっき槽１とほぼ同様の構成を有している。すなわち本実施例のめっき槽１ｂには、図１８に示すように、内周部に絶縁部６１を有する環状の補助カソード電極６０が設けられており、被めっき体であるウエハ３は、絶縁部６１を介してこの補助カソード電極６０中央部の貫通孔内に嵌め込まれた状態で、ウエハ支持部１０に載置され、押さえ治具９により固定される。この補助カソード電極６０は、図１８に示すように、被めっき体３と電流経路として並列に電源１３接続されている。
【００９４】
なお、この補助カソード電極６０を用いれば、被めっき体であるカソード電極３のめっき膜厚のばらつきを低減することができる。このため、補助カソード電極６０はカソード電極と同一平面に設置することが望ましい。これに対して、予備電解電流のためのカソード電極である予備電解電極５は、被めっき体より先にめっき液に触れる必要があるため、被めっき体のめっき面と同一平面にしないことが望ましい。なお、本実施例では、電極２，３，５及び６０を、図１８に示す回路構成で配置したが、例えば図１９に示すように、補助カソード電極６０用の電源６２を別途設ける構成としてもよい。
【００９５】
本実施例では、補助カソード電極６０として、中心部に直径２０．３ｃｍ（８インチ）の貫通孔を有する直径２５．４ｃｍ（１０インチ）の含リン銅製円盤を用い、カソード電極との間の絶縁部６１にはエポキシ樹脂を用いた。めっき液１１の組成及びめっき条件は実施例１と同様である。また、アノード電極２としては、面積300 cm2の含リン銅板を用い、予備電解電極５としては面積1400 cm2の含リン銅を用いた。補助カソード電極６０の面積は、175 cm2である。
【００９６】
本実施例の半導体装置製造装置を用い、実施例１と同様のめっき液１１の組成及びめっき条件にて、ウエハ３に配線用銅膜を形成した。なお、被めっき体３は、シリコンウエハ表面に、実施例１と同様にしてSiO2絶縁膜、配線用凹部、バリア膜、下地導電膜である銅膜をこの順に形成することにより作製した。得られたバリアメタル及び下地導電膜の膜厚は実施例１と同様であった。この被めっき体３を用い、つぎのようにして配線用銅膜を形成し、半導体装置を作製した。
【００９７】
まず、被めっき体３を、搬送ロボット２６によりプレめっきステージ２８からめっきステージ２９に搬送し、補助カソード電極６０付きめっき冶具に固定し、めっき装置開口部のウエハ支持部１０に被めっき面４を下向きにして載置してウエハ押さえ冶具９により固定した後、めっき液１１を10dm3/分の流量でめっき槽１ｂへ導入した。
【００９８】
本実施例においても、実施例１と同様、めっき液１１はめっき槽１ｂの下部より溜まっていくため、まずアノード電極２、続いて予備電解電極５が、それぞれめっき液１１に触れることになる。そこで、めっき液面が水位計６に達した時点で、予備電解電極５と回路との間のスイッチ１４を入れ、アノード電極２から予備電解電極５に実施例１と同様に30mA（補助カソード電極に対して約0.002A/dm2）の予備電解電流を流した。
【００９９】
続いて、実施例１と同様にめっき液１１がめっき槽１ｂ内を満たしてから約20秒経過後に、予備電解電極５と直流電源１３との間のスイッチ１４を切り、それと同時にアノード電極２とカソード電極３及び補助カソード電極６０との間に電圧を印加して約4.75A（1A/dm2）の電流を流して銅めっき膜を形成し、配線用凹部を銅で埋めた。得られた銅めっき膜は、下地膜の均一性が保たれたため、ボイドを残すことなく、配線用凹部を均一に充填することができた。
【０１００】
次に、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥させた後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。得られたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、実施例１と同様、図５（ｂ）に示すように、ボイドなどの不良は認められなかった。本実施例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。また、補助カソード電極を用いた結果、被めっき体であるウエハ面内での膜厚のばらつきも低減できた。本実施例により得られたウエハの評価結果を、表１に示す。
【０１０１】
＜比較例１＞
本比較例では、予備電解電極５を有さない以外は図３に示したものと同様のカップ式めっき処理槽を用い、実施例１と同様にして配線層用銅膜を形成した。
【０１０２】
まず、被めっき体３を搬送ロボット２６によりプレめっきステージ２８からめっきステージ２９へ搬送し、めっき装置開口部のウエハ支持部に被めっき面を下向きにして載置した後、ウエハ押さえ冶具により支持部に固定した。その後、めっき液を10dm3/分の流量でめっき槽へ流入させた。
【０１０３】
本比較例においても、実施例１と同様、めっき液はめっき槽下部より噴出する。このため、めっき液の液面は、めっき槽中央部の方がめっき槽壁面近傍より高くなることから、めっき液は、被めっき体であるカソード電極の中央部にまず触れた後、カソード電極全面がめっき液に触れることになる。この結果、下地膜表面の銅酸化物が一部溶解し、配線用凹部の壁面などにバリア層が露出した箇所が見られた。
【０１０４】
この後、アノード電極とカソード電極との間に電圧を印加して約3A（1A/dm2）の電流を流し、ウエハ表面に銅膜を形成した。形成された銅膜は、下地膜４７の膜厚が不均一であったため、図２０に示すように、配線用凹部内にボイドが多数存在した。特にウエハ中央部は、めっき液に長く触れていたため、下地膜４７が完全に溶解してしまい、その結果めっき膜内にボイドが残ってしまった箇所が多数見られた。本比較例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【０１０５】
＜比較例２＞
本比較例では、予備電解電極５を有さない以外は図４に示したものと同様の縦型めっき処理槽を用い、実施例１と同様にして配線層用銅膜を形成した。
【０１０６】
まず、被めっき体を搬送ロボット２６によりプレめっきステージ２８からめっきステージ２９に搬送し、めっき冶具に固定した後、めっき治具ごとめっき槽に投入して、所定の位置に固定した。その後、アノード電極とカソード電極との間に電圧を印加して約3A（1A/dm2）の電流を流してウエハ表面に銅膜を形成したところ、本比較例においても、比較例１と同様に、下地導電膜表面の酸化膜が部分的に溶解して下地膜が不均一であったため、配線形成用凹部に充填された配線用めっき膜にはボイドが多数存在した。本比較例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【０１０７】
【発明の効果】
本発明によると、電気銅めっき処理における下地導電膜の溶解を抑制及び均一なめっき膜の形成ができ、ボイドなく銅配線の形成が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例における半導体装置の製造装置を示す模式図である。
【図２】 実施例における半導体装置の製造装置を示す模式図である。
【図３】 実施例１におけるカップ式めっき装置の断面を示す模式図である。
【図４】 実施例５における縦型めっき装置の断面を示す模式図である。
【図５】 実施例におけるめっき処理を示す説明図である。
【図６】 めっき装置における電極の形状例及び電流回路の構成例を示す説明図である。
【図７】 めっき装置における電極の形状例及び電流回路の構成例を示す説明図である。
【図８】 めっき装置における電極の形状例及び電流回路の構成例を示す説明図である。
【図９】 薬液処理システムの構成及び薬液の流れを示す図である。
【図１０】 実施例におけるめっき処理を示す流れ図である。
【図１１】 実施例２におけるカップ式めっき装置の断面図である。
【図１２】 実施例２のめっき装置における電極の形状例及び電流回路の構成例を示す説明図である。
【図１３】 実施例３で用いたカップ式めっき装置の断面図である。
【図１４】 実施例３のめっき装置における電極の形状及び電流回路の模式図である。
【図１５】 実施例４で用いたカップ式めっき装置の断面図である。
【図１６】 実施例５で用いた縦型めっき装置における電極の形状及び電流回路模式図である。
【図１７】 実施例７で用いたカップ式めっき装置の断面図である。
【図１８】 実施例７のめっき装置における電極の形状及び電流回路の模式図である。
【図１９】 実施例７のめっき装置における電極の形状及び電流回路の他の例を示す模式図である。
【図２０】 従来技術のめっき処理によるボイドの発生原因を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ…カップ式めっき槽、２…アノード電極、３…被めっき体となるカソード電極、４…被めっき面、５…予備電解電極、６…水位計、７…めっき液導入配管、７ａ…めっき液溜まり、７ｂ…めっき液吐出口、８…めっき液排出配管、８ａ…めっき液排出口、９…ウエハ押さえ冶具、１０…ウエハ支持部、１１…めっき液、１３…電源、１４…予備電解電極とカソード電極との間のスイッチ、１４ａ…補助アノード電極とアノード電極間のスイッチ、１５…微小電流用直流電源、１６…薬液、１７…薬液処理槽、１８…補給液層、１９…補給液、２０…薬液タンク、２１…ポンプ、２２…フィルタ、２３…分析部、２４…電磁弁、２５…管理用パソコン、２６…搬送ロボット、２７…ロードステージ、２８…プレめっきステージ、２９…めっきステージ、３０…洗浄ステージ、３１…乾燥ステージ、３２…アンロードステージ、３３…ウエハカセット、３４…めっき前処理槽、３５…めっき槽、３６…洗浄槽、３７…乾燥機、３８…ウエハカセット、３９…搬送ロボットウエハ担持部、４０…搬送ロボットウエハ担持アーム、４１…じゃま板兼予備電解電極、４２…予備アノード電極、４３…予備カソード電極、４４…縦型めっき槽、４６…絶縁膜、４７…下地導電膜、４８…バリア膜、４９…銅めっき膜、５０…ボイド、６０…補助カソード電極、６１…絶縁部、２５１…予備電解電圧印加手段、２５２…めっき電圧印加手段。
【発明の属する技術分野】
本発明は、めっき方法及びめっき装置と、該方法を用いる電気めっき用プログラム及び該プログラムを保持する記憶媒体、並びに、半導体装置の製造方法及び製造装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化及び高機能化を達成するために、デバイス動作速度の向上が要求されている。しかし、デバイス動作速度が高速になるほど、配線の遅延時間によりその高速化が制限される。そこで、層間絶縁膜を低誘電率化して配線間容量を抑えるとともに、低抵抗の配線材料を用いることにより配線抵抗を減じることで動作速度の向上が図られている。
【０００３】
このため、比抵抗が１．７μΩｃｍと低い銅を用いてダマシン法により配線を形成することが検討されている。ダマシン法は、従来のスパッタ法によるアルミ配線などの形成とは異なり、初めに配線用の溝や孔を形成した後、銅を電気めっきによりその溝や孔に埋め込むことにより配線を形成する方法である。なお、電気めっきを行うには電気めっきを施す箇所を通電可能とするために導電膜が必要とされる。この導電膜は、通常、スパッタ法によって銅を成膜することにより形成される。しかし、銅はそれ自体が酸化しやすくかつ不導体被膜を形成しないため、大気に曝されると容易に酸化が進行する。
【０００４】
一方、導電膜を有するウエハへの電気めっきは、通常、一回のめっき処理毎にめっき液を排出及び供給するバッチ式処理により行われる。カップ式のめっき装置ではカソード電極となるウエハはめっき槽上端に設置され、アノード電極はこれに対向してめっき槽下部に設置される。このため、導電膜を有するウエハは、めっき槽にめっき液が充填されると同時にめっき液と接することになる。そこで、例えば、めっき液充填後、ウエハが十分にめっき液に濡れ気泡が表面になくなるまでの一定時間、電気めっきを行わないままウエハをめっき液中に保持するといったことにより、めっきが不均一になるのを回避する必要がある。
【０００５】
しかし、一般に、銅めっき液は硫酸を含む硫酸銅溶液であり、ｐＨが１〜４と極めて強い酸性溶液である。このような酸性水溶液に、電圧を印加しないまま、表面が酸化した導電膜を有するウエハを浸漬すると、表面の酸化銅は容易に溶解してしまう。
【０００６】
また、銅よりもイオン化傾向の大きいニッケル、コバルト、ニッケル合金、コバルト合金などを導電膜に用いると、図２０（ａ）に示すように、絶縁膜４６表面にバリア膜４８を介して形成された下地導電膜４７は、容易に溶解してしまう。ここで、導電膜４７のステップカバレッジが小さい場合、膜厚が薄い部分で局部的に導電膜が溶出してしまい、電気めっきを行った際に、図２０（ｂ）に示すように、得られる銅めっき膜４９が不均一又は不完全になってしまったり、膜４９内にボイド５０が残ってしまったりする可能性がある。
【０００７】
半導体ウエハ表面に形成された微細な溝又は孔の壁面では、ウエハ表面に比較し導電膜は薄くなる傾向があり、導電膜厚さも１ｎｍ〜５０ｎｍと極めて薄い。半導体デバイスは、今後さらに微細化されていくことが予想されることから、この下地導電膜の膜も、さらに薄膜化していくことが予想される。このような超薄膜においては、導体膜又はその酸化物の溶出は、わずかな量であっても、膜厚の不均一化や局所的な導電膜の欠損を生ずることとなり、結果として、めっき膜厚の不均一化や断線、ボイドなどの原因となる。
【０００８】
そこで、例えば特開平１０−１５２７９９号公報では、導電膜の溶解を抑制するために「めっき槽内で陽極と陰極を対向させるとともに、上記陰極の近傍に補助陰極が配置され、めっき電源を備える電気めっき装置において、陰極と陽極の間にめっき液が満たされていない期間は、補助陰極から陰極に電流を供給することで、めっき液による陰極の下地膜の溶解を実質的になくす」ことが提案されている。この手法では、補助陰極を対極として陰極との間に電流を印可するため、陰極である被めっき体及び補助陰極の両方がともにめっき液に触れて導通した後に、導電膜の溶解が抑制される。
【０００９】
ここで、この電流を印可する際、補助陰極はアノード電極として作用し、陰極はカソード電極として作用する。この結果、陰極及び補助陰極の両者がめっき液に濡れるまでの一定時間、導電膜の溶解が抑制されないまま被めっき体がめっき液に触れることとなり、導電膜の表面に形成された酸化膜は一部溶解してしまう。このため、下地膜の不均一性を増長させてしまう。
【００１０】
また、被めっき体がめっき液に接した瞬間に導電膜の溶解を抑制するためには、被めっき体がめっき液にふれた瞬間に通電を行わなければならない。しかし、ウエハ表面におけるめっき液への浸漬のタイミングは、一様ではない。通常のカップ式めっき装置では、めっき液はめっき槽下部中央の流入口から噴流となってめっき槽に導入されるため、めっき液の液面は、めっき槽壁面近傍に比べてめっき槽中央部のほうが盛り上がることから、ウエハは中央部からめっき液に濡れることになる。例えば被めっき体の一部がめっき液と触れた瞬間に通電を行った場合、めっき液に触れた箇所のみに電流が集中するため局部的に電気めっきが開始してしまうなどして、膜厚のばらつきが大きくなる原因となる。
【００１１】
さらに、被めっき体がめっき液に触れると微小電流が流れるように、めっき液に触れる前から電圧を印可しておくこともできるが、この場合も、被めっき体の一部がめっき液に触れて補助電極との導通が可能になると、めっき液に濡れた局所領域に電流が集中するため、めっきが進行するに充分な電流が流れてしまい、均一なめっき膜を得ることは困難である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、電気めっき処理における下地導電膜の溶解を抑制し、ボイドのない均一めっき膜を形成することのできるめっき方法と、該方法を用いた電気めっき用プログラム及び該プログラムを保持する記憶媒体、並びに、半導体装置（半導体素子を含む）の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、めっき液内に浸漬されたアノード電極と被めっき体であるカソード電極との間に電流を流すことにより、カソード電極表面に導体からなるめっき膜を形成する電気めっき方法において、カソード電極がめっき液に接触するより前にめっき液に接触する予備電解電極を設け、この予備電解電極とアノード電極との間に予備電解電流を流しながら、カソード電極をめっき液に接触させた後、めっきを行う電気めっき方法が提供される。
【００１４】
また、本発明では、めっき液内に浸漬されたアノード電極と被めっき体であるカソード電極との間に電流を流すことにより、カソード電極表面に導体からなるめっき膜を形成する電気めっき方法において、アノード電極と予備電解電極とがめっき液に接触した後、アノード電極とカソード電極との間に電流を流して電気めっきを開始するまでの間、予備電解電極とアノード電極との間に予備電解電流を流し、カソード電極がめっき液に触れた後、電気めっきを開始するまでの間は、カソード電極及び予備電解電極の間で電流を分配する電気めっき方法が提供される。この方法においても、予備電解電極とカソード電極とがこの順でめっき液に浸漬されるようにすることが望ましい。
【００１５】
なお、本発明の電気めっき方法では、予備電解電流は０．００１〜０．１A/dm2とすることが望ましい。また、本発明の電気めっき方法は、特に銅めっきに適しているが、Fe、Ni、Pt、W、Ti等の金属、又はそれらを主原料とする合金などのめっきに適用してもよい。
【００１６】
また、本発明では、これら本発明の電気めっき方法を用いて配線用導体膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。本発明は、特にダマシン法により配線を形成する場合に適している。なお、配線用導体膜形成工程以外の工程は、特に制限されるものではなく、適宜定めることができる。例えば、ウエハ表面に絶縁膜を形成する工程、該絶縁膜に配線形成用凹部を形成する工程、この凹部を充填するように本発明のめっき方法により導体膜を形成する工程、該導体膜表面を絶縁膜又は表面保護膜により覆う工程などを本発明の半導体装置の製造方法に設けることができる。
【００１７】
さらに本発明では、めっき槽と、該めっき槽内に配置されたアノード電極及び予備電解電極とを備え、予備電解電極は、被めっき体であるカソード電極と電流経路として並列になるように配線されており、めっき槽へのめっき液の導入に際して、カソード電極より前にめっき液に接する位置に配置されている電気めっき装置が提供される。この本発明のめっき装置では、予備電解電極とアノード電極との間の導通を電気的に開閉するスイッチを有することが望ましい。
【００１８】
また、本発明では、めっき槽と、該めっき槽内に配置されたアノード電極及び予備電解電極と、電源とを備え、予備電解電極は被めっき体であるカソード電極と電流経路として並列になるように電源と電気的に接続されており、予備電解電極と電源との間にはスイッチが設けられている電気めっき装置が提供される。
【００１９】
なお、これら本発明のめっき装置では、予備電解電極のめっき液に触れる面の面積が、カソード電極のめっき液に触れる面の面積の半分以上であることが望ましい。また、本発明のめっき装置は、カソード電極と電流経路として並列になるように配線された補助カソード電極をさらに備え、カソード電極へのめっきは、めっき液中で、カソード電極及び補助カソード電極と、アノード電極との間に電圧を印加することにより行われるようにしてもよい。
【００２０】
さらに本発明では、この本発明の電気めっき装置を用いて配線用導体膜を形成する手段を有する、半導体装置の製造装置が提供される。
【００２１】
また、本発明では、めっき液内に浸漬されたアノード電極と被めっき体であるカソード電極との間に電流を流すことにより、上記カソード電極表面に導体からなるめっき膜を形成する電気めっき方法に用いるためにコンピュータを、
めっき液の液面が所定の高さに達したことを検出すると、予備電解電極とアノード電極との間に予備電解電流を流す予備電解電圧印加手段、及び
カソード電極とアノード電極との間にめっきのための電圧して電気めっきを行うめっき電圧印加手段、
として機能させるための電気めっき用プログラムと、該プログラムを保持するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体が提供される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
上述したように、導電膜の溶解によって生じる不具合を解決するため、本発明では、半導体ウエハの表面に設けた微細な溝や孔を電気めっきする際に、めっき槽内に設置されたアノード電極と、カソード電極となる被めっき体とに加え、予備電解電極を設け、電流経路として並列に被めっき体と予備電解電極とを配置し、予備電解電極とアノード電極との間に微小電流を印加しながら被めっき体を電気めっき液に浸漬させることによりめっきを行う。
【００２３】
まず、各実施例において用いた半導体装置の製造装置及び薬液処理装置（特にめっき装置）について、具体的に説明する。
【００２４】
Ａ．めっき装置の構成
本発明の半導体装置製造装置に設けられためっき装置の一例として、後述する各実施例において用いた自動ウエハめっき装置を例にとって説明する。
【００２５】
各実施例において用いた自動ウエハめっき装置の本体は、図１に示すように、搬送機構（搬送ロボット）２６、ロードステージ２７、プレめっきステージ２８、めっきステージ２９、洗浄ステージ３０、乾燥ステージ３１及びアンロードステージ３２を備える。また、本体の他に、薬液供給システム及び薬液回収システムが設けられている（図示せず）。
【００２６】
ロードステージ２７にはウエハカセット３３が、プレめっきステージ２８にはめっき前処理槽３４が、めっきステージ２９にはめっき槽３５が、洗浄ステージ３０には洗浄槽３６が、乾燥ステージ３１には乾燥機３７が、アンロードステージ３２にはウエハカセット３８がそれぞれ設けられている。これらのうち、めっき前処理槽３４、めっき槽３５及び洗浄槽３６は薬液処理槽である。これらの薬液処理槽には、それぞれ、薬液用配管、温度調節器などが備えられている（図示せず）。
【００２７】
なお、各ステージ２７〜３２は、処理枚数を向上することができるため、それぞれ複数設置してもよい。また、プレめっきステージ２８又は洗浄ステージ３０は省略することができるが、めっき膜を平坦にするためには、これらを設置することが好ましい。搬送ロボット２６は、図２に示すように、ウエハ担持アーム４０とウエハ担持部３９とを備え、ウエハ３を担持して所定の位置（例えば、薬液処理槽１７）まで搬送するための機構である。
【００２８】
この本実施例の自動ウエハめっき装置の薬液処理槽１７には、例えば、図３に示すようなカップ式処理槽１を用いることができる。このカップ式処理槽１は、カップ状の処理槽１の上部開口に沿ってウエハ支持部１０が設けられるとともに、この支持部１０の下側位置に処理槽１の外部から内部へと貫通する薬液供給部７が設けられ、薬液供給部７から噴流として供給された薬液１１は処理槽１外部へ薬液排出口８から流出するようになっている。処理槽１の側壁には水位計６が設けられており、供給された薬液１１の水位を計測することができる。支持部１０に載置され、ウエハ押さえ治具９によって固定されたウエハ３の被処理面４がこの薬液に接触することにより、薬液処理が施される。
【００２９】
この薬液処理がめっき処理の場合は、図３に示すように、処理槽１内部にアノード電極２と、カソード導電膜の溶解を抑制するための予備電解電極５とが設けられる。なお、ここで用いた例では、処理槽１内に予備電解電極５が予め設置されているが、本発明はこれに限られるものではなく、処理槽１内に予備電解電極５を着脱可能に保持するための保持部材が設けられ、使用時にこの保持部材に予備電解電極５を取り付けるようにしてもよい。
【００３０】
めっき処理を行うための薬液処理槽１７であるめっき槽は、めっきステージ２９に設けられる。めっきステージ２９はめっき槽を複数備えていてもよい。なお、このようなカップ式処理槽の他、例えば図４に示すような縦型の薬液処理槽４４なども、薬液処理槽１７として用いることができる。この場合も、めっき処理を行う場合は、槽内にアノード電極２及び予備電解電極５を設ける。なお、いずれの図においても、各電極に電圧を印加するための配線及び電源は、図示を省略した。
【００３１】
図３に示すカップ式のめっき槽では、予備電解電極５をめっき槽中央に設置したが、被めっき体となるカソード電極３がめっき液１１に触れる前に、予備電解電極５がめっき液１１に触れるように、めっき液吐出管７内やその吐出口近傍などに設置すればよい。さらに、予備電解電極５はめっき処理槽１の外に設置してもよく、例えばめっき液供給システムのめっき液タンク内など、被めっき体とめっき液とを介して液絡がとれる箇所に設置すればよい。
【００３２】
予備電解電極５として、図３に示すめっき槽では円筒状の電極を用いたが、板状、線状、円盤状、環状、球状など、その形状は問わない。また、じゃま板など他の機能を有するめっき冶具を予備電解電極５として併用してもよい。予備電解電極５の材質としては、図３に示した装置では銅を用いているが、Fe、Ni、Pt、W、Ti等の金属、又はそれらを主原料とする合金など、導電性材料であればいずれの電極材料を用いてもよい。
【００３３】
予備電解電極のめっき液に触れる面積は、めっきを行う面積（すなわちめっき液に触れる面の面積）の半分以上が好ましく、同等かそれ以上が好適である。予備電解電極はめっき槽に固定されていてもよいが、可動式で着脱可能な方が、メンテナンスが容易になるため好ましい。
【００３４】
めっき槽１内のアノード電極２は、ウエハ支持部１０に保持された状態でのカソード電極となる被めっき体３と対向するような位置に配置されている。カソード電極３及びアノード電極１は、めっき膜の均一析出性を得るために平行に設置されていることが望ましい。なお、図３においては、アノード電極２を装置下部、カソード電極３を装置上部にそれぞれ設置したが、これに限らず、設置場所は選ばない。
【００３５】
アノード電極材２の材質としては、銅、ニッケル、鉄、白金、金など、導電性材料であればよい。また、アノード電極の形状は、図３に示した装置では環状（ドーナツ型）としたが、円盤状など他の形状でもよく、大きさはカソード電極３と同程度であることが望ましい。
【００３６】
ダマシン法による配線の形成に本実施例のめっき装置を用いる場合、めっき対象のシリコンウエハであるカソード電極３には、図５（ａ）に示すように、絶縁膜４６の表面に銅配線形成用の凹部（溝や孔など）が形成され、その溝や孔の表面に銅の拡散防止膜４８及びめっき下地導電膜４７が形成されている。図５に示した例では、下地膜４７はスパッタにより銅を成膜したものを用いたが、銅以外の導電性膜でもよく、また下地膜の形成法も特に限定されるものではない。
【００３７】
アノード電極１とカソード電極３とは、図６に示すように、めっき液１１を介し回路を形成しており、これらの間には電源１３により電圧を印可することができる。なお、電源１３としては、直流、交流、パルス電流などのいずれの電流の電源であってもよいが、直流電源が望ましい。
【００３８】
また、電流経路としてカソード電極３と並列に予備電解電極５が配置されており、予備電解電極５はスイッチ１４により回路との切離しが可能である。また、図７に示すように、補助アノード電極４２を構成に加え、スイッチ４３を介して補助アノード電極４２と予備電解電極５との間で回路を構成して、予備電解電極５とカソード電極９とが電流経路として並列に配置するようにしてもよい。
【００３９】
また、図８に示すように、電源１３に加えてさらに微小電流用直流電流源１５を設け、予備電解電極（予備電解電流のためのカソード電極）５とアノード電極５との間に配置してもよい。
【００４０】
薬液の処理システムとしては、例えば、図９に示すように、薬液処理槽１７（めっきステージ２９の薬液処理槽１７の場合はめっき処理槽１）、薬液タンク２０、薬液の管理システム８０（分析部２３、管理用情報処理装置（パーソナルコンピュータ）２５、補給液槽１８、電磁弁２４など）を備えるものを用いることができる。めっき液タンク２０には液成分を補充できるように、補給機構を備える管理用システム８０を設けることが望ましい。薬液タンク２０及び管理システム８０は、めっき装置本体とは異なる場所に設置してもよい。
【００４１】
図９に示すように、めっき液タンク２０に保持されているめっき液１１は、供給ポンプ２１により、めっき液吐出口７からめっき槽１へ流入し、めっき液排出口８からめっき液タンク２０へと流入する。なお、めっき液中のゴミを除去するため、めっき液タンク２０からめっき槽１へのめっき液配管８１、及び／又は、めっき槽１からめっき液タンク２０へのめっき液配管８２に、フィルタ２２を設置することが望ましい。
【００４２】
Ｂ．装置の動作
つぎに、各実施例のめっき装置における処理の流れについて、図１を用いて説明する。なお、以下の処理は管理用情報処理装置２５により制御される。管理用情報処理装置２５は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、主記憶装置、外部記憶装置、入出力装置を備える情報処理装置であり、以下の管理用情報処理装置２５による処理は、光ディスク、磁気ディスク、光磁気ディスクなどの記憶媒体に予め保持され、主記憶装置に読み込まれたプログラムをＣＰＵが実行することにより実現されるが、本発明はこのようなプログラムによる実現手段に限定されるものではない。
【００４３】
まず、搬送ロボット２６が、ロードステージ２７に載置されたウエハ供給用カセット３３からウエハ３を一枚ずつ取り出し、プレめっきステージ２８へ搬送してめっき前処理槽３４へウエハ３を配置する。めっき前処理槽３４では、ウエハ３に対してめっき前処理が行われる。次に、搬送ロボット２６は、ウエハ３をめっきステージ２９へと搬送してめっき槽３５の支持部１０へセットする。このめっき槽３５においてめっき膜が形成される。続いて、ウエハ３は、搬送ロボット２６により洗浄ステージ３０へ送られて洗浄処理を施された後、乾燥ステージ３１における乾燥処理を経て、アンロードステージ３２にて回収用カセット３８に収納される。なお、乾燥用ステージ３１にて回収用カセット３８にウエハ３を収納し、回収用カセット３８をアンロードするようにすれば、装置を小型化できる。
【００４４】
つぎに、めっきステージ２９におけるめっき手順について、図３及び図１０を参照しながら説明する。
【００４５】
管理用情報処理装置２５は、プレめっきステージ２８でめっき前処理を終えたウエハ３を、搬送ロボット２６によりめっきステージ２９へ搬送し、めっき槽開口部のウエハ支持部１０にセットする（ステップ９０１）。その後、管理用情報処理装置２５は、非めっき面へのめっき液１１の回り込みが制限されるように、ウエハ３をウエハ押さえ用冶具９により支持部１０に固定した後、めっき槽１へのめっき液１１の流入を開始する（ステップ９０２）。
【００４６】
めっき液１１がめっき槽１に溜まり始め、水位計６が設置された深さまでめっき液１１が流入した（ただし、被めっき体であるカソード電極３及び４はめっき液１１にまだ触れていない）ことを検出すると、管理用情報処理装置２５は、予備電解電圧印加手段２５１（図６）により、予備電解電極５とアノード電極２の間に補助電流を印可する（ステップ９０３）。なお、アノード電極２がカソード電極３の後にめっき液に触れるような構造のめっき槽を用いる場合には、予備電解電極５と補助アノード電極４２との間に微小補助電流が流れるように微小電圧を印可すればよい。また、カソード電極３と予備電解電極５との間のスイッチ１４は、カソード電極３がめっき液に触れる前であればいつ入れてもよい。
【００４７】
この操作の後カソード電極３とめっき液１１が接触し、めっき液１１の充填が完了すると同時にめっき槽１からめっき液の排出が始まる（ステップ９０４）。めっき液１１の流入と排出は、ウエハ３へのめっきが完了するまで継続して行われる。カソード電極３は、めっき液１１を介してアノード電極２又は補助アノード電極５と導通が得られ、また、予備電解電極５と電流経路として並列である。このため、めっき液１１との接触と同時に微小電流がカソード電極３に流れる。
【００４８】
めっきを行う瞬間までこの微小電流を流し続けた後、管理用情報処理装置２５のめっき電圧印加手段２５２（図６）は、カソード電極３とアノード電極２との間にめっき電圧を印加してめっきを開始すると同時に、予備電解電極５を回路から切り離して微小電流が流れるのを止める（ステップ９０５）。この後、ウエハ表面に形成された溝や孔に銅が充填されるまでの所定時間めっきを行い、電気めっきを終了した後（ステップ９０６）、めっき液１１のめっき槽１内への流入を止め、めっき槽１内のめっき液を排出し（ステップ９０７）、ウエハ３の固定を解除して搬送ロボット２６により洗浄ステージ３０へと運ぶ（ステップ９０８）。以上により、めっき膜の形成が終了する。
【００４９】
＜実施例１＞
本実施例では、図３に示したカップ式めっき槽１を備えるめっき装置をめっきステージ２９に有する半導体装置製造装置を用い、めっき処理毎にめっき液を排出及び供給して行うバッチ処理によって電気銅めっきを行って、半導体装置を製造した。なお、めっき液１１の組成は、硫酸銅（CuSO4・5H2O）200 g/dm3（0.4mol/dm3）、硫酸（H2SO4）100 g/dm3（2.0mol/dm3）、塩素イオン：30 mg/ dm3（1.5×10-3mol/dm3）、添加剤適量（ミクロファブCu2100（日本エレクトロプレイティング・エンジニヤース社）10×10-3dm3/dm3）とし、溶媒には水を用いた。また、めっき液１１の液温は25℃とした。アノード電極には面積300 cm2の環状含リン銅板を用い、予備電解電極５には面積1400 cm2の円筒状含リン銅板を用いた。
【００５０】
被めっき体はつぎのようにして作製した。まず、20.32cm（８インチ）のシリコンウエハ基板上に、スパッタ法によりSiO2絶縁膜４６を膜厚300nm堆積させ、その表面に、フォトリソグラフィ法により配線用の凹部（溝や孔）５１を形成した（図５（ａ））。この配線用の凹部５１の幅は、配線幅が0.10オm〜1オmとなるようした。続いて、スパッタ法により、TiNからなるバリア膜４８を形成した後、下地導電膜４７として銅を成膜した。得られたバリアメタルの膜厚は、凹部５１の壁面で15nmであり、底面では30nmであった。また、下地導電膜４７は、凹部５１の壁面で10nmであり、底面で30nmであった。
【００５１】
このようにして作製しためっき対象のウエハ３を、プレめっきステージ２８において前処理した後、搬送ロボット２６によりめっきステージ２９へ搬送して、被めっき面４を下（すなわちめっき槽１内部）に向けてめっき槽１の支持部１０に載置し、ウエハ押さえ冶具９により支持部１０に固定した。
【００５２】
その後、めっき液１１を、10dm3/分の流量でめっき槽１へ導入した。めっき液１１の導入初期はめっき液１１がめっき槽１の下部よりめっき液が溜まっていくため、まずアノード電極２、続いて予備電解電極５がめっき液１１に触れることになる。本実施例では、めっき液１１の液面が水位計６の位置に達した時に、予備電解電極５と回路との間のスイッチ１４を入れ、アノード電極２から予備電解電極５に微小電流を流した。ここで流す電流は、電気めっきが進行しない程度の微小電流とすることが望ましく、具体的には、予備電解電極５に対して0.0001A/dm2〜0.2A/dm2程度とするのがよい。本実施例では、30mA（予備電解電極５に対して約0.002A/dm2）とした。
【００５３】
アノード電極２と予備電解電極５との間に微小電流が流れている状態で、めっき液１１が徐々にめっき槽１に充填されカソード電極３とめっき液１１とが接触すると、それと同時に、予備電解電極５とアノード電極２との間で流れていた微小電流がカソード電極３と予備電解電極５とに分割され、カソード電極３にも並列に電流が流れることになる。これは、カソード電極３と予備電解電極５が電流経路として並列に配置されているため、両電極３，５の電位が等しいからである。このため、めっき液１１に触れる前からカソード電極３は還元電位となり、めっき液１１に触れて導通可能になると、予備電解電極５とカソード電極３との面積比に応じて電流が分配され、両電極３，５とアノード電極２との間に微小電流が流れる。したがって、カソード電極３に瞬間的なめっき電流が流れないようにするため、予備電解電極５の面積をカソード電極３に比べて大きくすることが望ましい。
【００５４】
なお、本実施例のめっき装置では、めっき液１１がめっき槽１下部より槽１内に噴出するため、めっき槽１中央部のめっき液面１１ａが、めっき槽１壁面近傍のめっき液面１１ｂよりも高くなっている。そのため、被めっき体であるカソード電極３の中央部がまずめっき液に触れる。しかし、カソード電極３は予備電解電極５と比べて面積が小さいため、カソード電極３の中央部がめっき液１１に触れた瞬間も、電気めっきが開始するほどの電流はカソード電極３には流れない。実際、カソード電極３における電流は約0.5mAの還元電流であり、カソード電極３の電位は約−０．３Ｖ（vs. N.H.E）であった。このとき、予備電解電極５の面積がカソード電極３の半分よりも小さい場合には、カソード電極３に電気めっきが開始するほどの電流が流れる可能性がある。そこで、予備電解電極５の面積はカソード電極３の半分よりも大きくすることが望ましい。
【００５５】
その後、めっき液１１がめっき槽１内を満たし、カソード電極３全面がめっき液１１に触れた。この状態でのカソード電極３に流れる還元電流は7mA（カソード電極３に対して約0.002A/dm2）であり、カソード電極３の電位は約−０．３Ｖ（vs. N.H.E）であった。この結果、被めっき体であるカソード電極３に形成された下地膜４７表面の銅酸化物が溶解することなく還元されて銅となった。この状態での下地導電膜４７の膜厚は、凹部５１の壁面で10nm、底面で30nmであった。また、局所的に下地膜４７が溶解した箇所はなかった。
【００５６】
この後、めっき液１１はめっき槽１上部のめっき液排出口８から溢れ出して排出され始めた。なお、めっき液１１の流入及び排出は、めっき液１１の成分を一定に保つために、めっき膜の形成が終わるまで継続した。カソード電極３表面の気泡などが排出されるまで約20秒間待った後、予備電解電極５と直流電源１３との間のスイッチ１４を切り、それと同時にアノード電極２とカソード電極３との間に約3A（1A/dm2）の電流を流し、図５（ｂ）に示すように、配線用凹部５１を銅で充填した。これより、配線となる銅膜４９を形成できた。形成された銅膜４９は、均一な下地膜４７の上に成膜されたため、内部にボイド等を残すことなく、凹部５１を完全に充填することができた。
【００５７】
この後、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥した後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。
【００５８】
このように形成されたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、図５（ｂ）に示すように、ボイドなどの不良はほとんど認められず、配線用凹部５１を信頼性良く充填することができ、さらに膜厚の均一なめっき膜が得られたことがわかった。評価結果について表１に示す。
【００５９】
【表１】
＜実施例２＞
本実施例では、図１１に示すように、めっき槽１内に、円筒状の予備電解電極５に代えて、貫通孔を有する円盤状の予備電解電極４１を備えるカップ式めっき装置を用いて、実施例１と同様にして銅めっきを行った。なお、本実施例で用いた予備電解電極４１は、20.32cm（８インチ）の大きさの含リン銅の円盤に直径2cmの貫通孔を15個あけた円盤であり、じゃま板としても機能する。本実施例で用いためっき液の組成及びめっき条件は、実施例１と同様である。本実施例では、アノード電極２として面積300cm2の環状含リン銅板を用い、予備電解電極（じゃま板）４１としては、面積530cm2の円盤状含リン銅板を用いた。
【００６１】
この本実施例のめっき装置は、図１２に示すように、カソード電極であるウエハ３及びじゃま板４１と、アノード電極２とが、めっき液１１を介して回路を形成しており、じゃま板４１と電源１３との間に設けられたスイッチを閉じた状態では、ウエハ３とじゃま板４１とが電流経路として並列になっている。
【００６２】
被めっき体３は、実施例１と同様に、ウエハ表面へのSiO2絶縁膜４６の堆積、配線用凹部５１の加工、バリア膜４８の形成、下地導電膜４７である銅の成膜を順次行うことにより作製した。得られたバリアメタル４８及び下地導電膜４７の膜厚は、実施例１と同様であった。
【００６３】
得られた被めっき体３を、プレめっきステージ２８において前処理した後、搬送ロボット２６によりめっきステージ２９へ搬送して、被めっき面４を下（すなわちめっき槽１内部）に向けてめっき槽１の支持部１０に載置し、ウエハ押さえ冶具９により支持部１０に固定した。
【００６４】
その後、めっき液を10dm3/分の流量でめっき槽１へ導入した。本実施例においても、めっき液の導入初期はめっき液がめっき槽１の下部より溜まっていくため、まずアノード電極２が、続いてじゃま板兼予備電解電極４１がめっき液１１に触れることになる。本実施例では、めっき液１１の液面が水位計６の位置に達した時に、じゃま板兼予備電解電極４１と回路との間のスイッチ１４を入れ、アノード電極２から予備電解電極４１に10mA（予備電解電極に対して約0.002A/dm2）の微小電流を流した。
【００６５】
続いて、実施例１と同様にめっき液１１がめっき槽１内を満たしてから約20秒経過後に、予備電解電極４１と直流電源１３との間のスイッチ１４を切り、それと同時にアノード電極２とカソード電極３の間に約3A（1A/dm2）の電流を流した。これにより、銅めっきが行われて、配線用凹部５１に銅が充填された。本実施例においても、実施例１と同様、ボイドを残すことなく、均一な配線用銅膜を形成することができた。
【００６６】
次に、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥させた後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。
【００６７】
得られたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、実施例１と同様、図５（ｂ）に示すようにボイドなどの不良は認められず、配線用凹部５１が銅４９により信頼性良く充填されたことがわかった。また、本実施例では、じゃま板４１を用いたことにより、被めっき体であるウエハ３の面内でのめっき膜厚のばらつきも低減できた。本実施例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【００６８】
＜実施例３＞
本実施例では、図１３に示すカップ式めっき装置１３０を用い、実施例１と同様にして電気銅めっきを行った。めっき液１１の組成及びめっき条件、アノード電極２及び被めっき体であるカソード電極３は、実施例１と同様である。
【００６９】
本実施例のめっき装置１３０では、予備電解電極５として予備アノード電極４２と予備カソード電極４３とが両方設けられている。予備アノード電極４２には、面積300cm2の含リン銅製円筒を用い、予備カソード電極４３としては面積500cm2の含リン銅製円筒を用い、めっき液導入用配管７内の吐出口７ｂ近傍に、吐出口７ｂの側から予備アノード電極４２、予備カソード電極４３の順になるように配置した。なお、本実施例では、予備アノード電極４２及び予備カソード電極４３をそれぞれ一つずつ設けたが、平坦なめっき面を得ることができることから、それぞれ複数設けても構わない。
【００７０】
本実施例のめっき装置１３０では、図１４に示すように、予備アノード電極４２はアノード電極２と、予備カソード電極４３はカソード電極３と、それぞれ電流経路として並列に設置されている。なお、予備アノード電極４２及び予備カソード電極４３は、めっき液タンク内など、めっき液１１を介してアノード電極２及び被めっき体であるウエハ３と液絡が得られる場所であれば、任意の場所に設置することができる。
【００７１】
本実施例では、めっき槽１へのめっき液１１の導入前に、予備アノード電極４２及び予備カソード電極４３がめっき液１１に触れることになる。そこでまず、予備カソード電極４３と回路との間のスイッチ１４、及び、予備アノード電極４２と回路との間のスイッチ１４ａをそれぞれ入れ、予備アノード電極４２から予備カソード電極４３に10mA（予備カソード電極４３に対して約0.002A/dm2）の微小電流を流した。
【００７２】
続いて、めっき液１１を10dm3/分の流量でめっき槽１へ流入し、実施例１と同様にめっき液１１がめっき槽１内を満たしてから約20秒経過後に、スイッチ１４及び１４ａをそれぞれ切り、それと同時にアノード電極２とカソード電極３との間に約3A（1A/dm2）の電流を流した。これより、均一な膜厚を保ったままの下地膜４７の表面に配線となる銅膜４９が形成することができた。このため、本実施例では、ボイドを残すことなく、配線用凹部５１を均一に充填することができ、短絡や断線のない信頼性の高い配線を形成することができた。
【００７３】
次に、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥させた後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。
【００７４】
得られたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、実施例１と同様、ボイドなどの不良は認められなかった。本実施例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【００７５】
＜実施例４＞
本実施例の半導体装置製造装置では、めっきステージ２９に、図１５に示すカップ式めっき槽１ａを備えるめっき装置１５０を設けた。本実施例の装置１５０では、アノード電極２がめっき槽１ａ上部に設置されており、被めっき体であるウエハ３はめっき槽１ａの底部に設けられた開口部から被めっき面４がめっき槽１ａ内に露出するように、被めっき面４を上にして、ウエハ押さえ治具９によりめっき槽１ａ底部に押し付けられて固定される。また、本実施例のめっき装置１５０は、めっき槽１ａ内に、予備電解電極５として予備アノード電極４２及び予備カソード電極４３を備える。予備カソード電極４３には、面積400cm2の含リン銅板を用い、予備アノード電極４２には面積300cm2の含リン銅板を用いた。
【００７６】
本実施例の半導体装置製造装置を用い、実施例１と同様のめっき液１１の組成及びめっき条件にて、ウエハに配線用銅膜を形成した。なお、図１５に示すように、本実施例では予備カソード電極４３と予備アノード電極４２とを、めっき液１１の導入口に設けられためっき液溜まり７ａ内にそれぞれ設置した。本実施例のめっき装置１５０では、めっき液１１はまずこのめっき液溜まり７ａに導入され、このめっき液溜まり７ａに満ちて溢れ出ためっき液１１がめっき槽１ａに導入されるようになっている。
【００７７】
本実施例においても、めっき槽１ａへのめっき液１１の導入を開始すると、カソード電極３がめっき液１１に触れる前に、予備カソード電極４３及び予備アノード電極４２がめっき液１１に触れることになる。本実施例では、両予備電解電極４２，４３の間がめっき液１１により導通された後、カソード電極３がめっき液１１に触れる前に、予備アノード電極４２から予備カソード電極４３へ8mA（予備カソード電極４３に対して約0.002A/dm2）の電流を流した。このように両予備電解電極４２，４３間に微小電流が流れている状態でめっき液１１が徐々にめっき槽に流入しカソード電極３とめっき液１１とが接するため、本実施例では、カソード電極３がめっき液１１に触れると同時に予備電解電極４２，４３間で流れていた微小電流がカソード電極３と予備カソード電極４３とに分割されカソード電極３にも並列に電流が流れることになる。
【００７８】
この後、めっき液１１がめっき槽１ａ内に十分溜まると、アノード電極２がめっき液１１に浸漬し、めっき液１１はめっき槽１ａ上部のめっき液排出口８ａからオーバーフローして、排出配管８から排出される。
【００７９】
続いて、予備アノード電極４２とアノード電極２との間のスイッチ、及び、予備カソード電極４３とカソード電極３との間のスイッチをそれぞれ切り、それと同時にアノード電極２とカソード電極３との間に約3A（1A/dm2）の電流を流した。これより、下地膜の厚さを均一に保ったまま、配線用凹部を完全に充填した配線用銅めっき膜を形成することができた。
【００８０】
次に、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥させた後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。得られたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、実施例１と同様、ボイドなどの不良は認められなかった。本実施例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【００８１】
＜実施例５＞
本実施例では、めっきステージ２９に図４に示す縦型めっき槽４４を備えるめっき装置１４０を用い、実施例１と同様にしてウエハに銅めっきを施した。めっき液１１の組成及びめっき条件、用いたアノード電極２及びめっき対象ウエハ３は、実施例１と同様である。
【００８２】
本実施例の縦型めっき槽４４では、めっき槽４４底部に、上部に複数のめっき液流出口を有するめっき液導入用配管７がコの字型に配管されており、その上に予備電解電極５が設けられている。本実施例では、予備電解電極５には、面積500cm2の含リン銅板を用いた。図１６に示すように、本実施例の予備電解電極５は、予備電解電流のためのカソード電極として機能する。
【００８３】
また、本実施例に縦型めっき槽４４は、めっき液１１を満たしたとき該めっき液に完全に浸る位置に、縦にアノード電極２が設けられており、このアノード電極２に対向する位置に、カソード電極となる被めっき物（ウエハ）３を保持するための支持部（めっき治具）１０を取り付けることができるようになっている。
【００８４】
なお、本実施例では、アノード電極２及びカソード電極３は、めっき槽４４内に縦に（すなわち、電極面及びめっき面がめっき液１１の液面に対して垂直になるように）配置されるが、両者を横に（すなわち、電極面及びめっき面がめっき液１１の液面に対して平行になるように）配置しても構わない。
【００８５】
本実施例では、まず、めっき液１１をめっき槽４４に導入して、アノード電極２及び予備電解電極５がめっき液１１に既に浸漬されている状態で、予備電解電極５と回路との間のスイッチ１４を入れ、アノード電極２から予備電解電極５へ10mA（予備電解電極に対して約0.002A/dm2）の微小電流を流した。一方、被めっき体であるウエハ３は、プレめっきステージ２８からめっきステージ２９へ搬送ロボット２６により搬送し、めっき治具１０に固定しておいた。
【００８６】
続いて、微小電流を流したまま、めっき槽４４内へめっき冶具１０に取り付けられた被めっき体３を投入して、めっき液１１内でアノード電極２と対向する所定の位置に固定した。その後、予備電解電極５とアノード電極２との間のスイッチ１４を切り、それと同時にアノード電極２とカソード電極３の間に約3A（1A/dm2）の電流を流した。これより、下地膜の厚さを均一に保ったまま、配線用凹部を完全に充填した配線用銅めっき膜を形成することができた。
【００８７】
次に、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥させた後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。得られたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、実施例１と同様、ボイドなどの不良は認められなかった。本実施例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【００８８】
＜実施例６＞
本実施例では、下地導電膜４７を無電解めっき法により形成したコバルト合金膜とした他は、実施例１と同様にして銅めっき膜４８を形成した。
【００８９】
下地導電膜は、つぎのようにして形成した。まず、実施例１と同様にして基板表面に絶縁膜及び配線用凹部、バリア膜を順次形成した後、無電解めっきの触媒層として、湿式法によりパラジウム層を形成した。すなわち、基板を５０％の塩酸に２分浸漬させた後、パラジウム錯体タイプの増感剤（日立化成工業株式会社製HS-202B）に常温で５分間浸漬させ、次いで純水で水洗した。次に、基板を活性化処理液（日立化成工業株式会社製ADP-601）に常温で５分間浸漬させ、純水で洗浄した。
【００９０】
続いて、塩化コバルトを0.1 mol/dm3、クエン酸三ナトリウムを0.3 mol/dm3、ジメチルアミンボランを0.06 mol/dm3、タングステン酸ナトリウム0.03 mol/dm3及び東邦化学製界面活性剤RE610を0.05 g/dm3含むめっき液１１を用いて、実施例１と同様にしてめっき処理を行った。なお、めっきは、pHを9.5（KOHで調整）、液温を６５℃、めっき時間を７分として行った。これにより、コバルト合金からなる下地導電膜４７が形成された。
【００９１】
得られた下地導電膜４７を有する基板を、実施例１と同様にして電気銅めっき処理したところ、下地導電膜４７の溶解は観察されず、下地膜の厚さを均一に保ったまま、配線用凹部を完全に充填した、ボイドのない配線用銅膜４９を形成することができた。
【００９２】
次に、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥させた後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。得られたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、図５（ｂ）に示すように、ボイドなどの不良は認められなかった。本実施例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【００９３】
＜実施例７＞
本実施例の半導体装置製造装置では、めっきステージ２９に、図１７に示すカップ式めっき槽１ｂを備えるめっき装置１７０を設けた。本実施例のめっき槽１ｂは、補助カソード電極６０が設けられている他は、実施例１で用いためっき槽１とほぼ同様の構成を有している。すなわち本実施例のめっき槽１ｂには、図１８に示すように、内周部に絶縁部６１を有する環状の補助カソード電極６０が設けられており、被めっき体であるウエハ３は、絶縁部６１を介してこの補助カソード電極６０中央部の貫通孔内に嵌め込まれた状態で、ウエハ支持部１０に載置され、押さえ治具９により固定される。この補助カソード電極６０は、図１８に示すように、被めっき体３と電流経路として並列に電源１３接続されている。
【００９４】
なお、この補助カソード電極６０を用いれば、被めっき体であるカソード電極３のめっき膜厚のばらつきを低減することができる。このため、補助カソード電極６０はカソード電極と同一平面に設置することが望ましい。これに対して、予備電解電流のためのカソード電極である予備電解電極５は、被めっき体より先にめっき液に触れる必要があるため、被めっき体のめっき面と同一平面にしないことが望ましい。なお、本実施例では、電極２，３，５及び６０を、図１８に示す回路構成で配置したが、例えば図１９に示すように、補助カソード電極６０用の電源６２を別途設ける構成としてもよい。
【００９５】
本実施例では、補助カソード電極６０として、中心部に直径２０．３ｃｍ（８インチ）の貫通孔を有する直径２５．４ｃｍ（１０インチ）の含リン銅製円盤を用い、カソード電極との間の絶縁部６１にはエポキシ樹脂を用いた。めっき液１１の組成及びめっき条件は実施例１と同様である。また、アノード電極２としては、面積300 cm2の含リン銅板を用い、予備電解電極５としては面積1400 cm2の含リン銅を用いた。補助カソード電極６０の面積は、175 cm2である。
【００９６】
本実施例の半導体装置製造装置を用い、実施例１と同様のめっき液１１の組成及びめっき条件にて、ウエハ３に配線用銅膜を形成した。なお、被めっき体３は、シリコンウエハ表面に、実施例１と同様にしてSiO2絶縁膜、配線用凹部、バリア膜、下地導電膜である銅膜をこの順に形成することにより作製した。得られたバリアメタル及び下地導電膜の膜厚は実施例１と同様であった。この被めっき体３を用い、つぎのようにして配線用銅膜を形成し、半導体装置を作製した。
【００９７】
まず、被めっき体３を、搬送ロボット２６によりプレめっきステージ２８からめっきステージ２９に搬送し、補助カソード電極６０付きめっき冶具に固定し、めっき装置開口部のウエハ支持部１０に被めっき面４を下向きにして載置してウエハ押さえ冶具９により固定した後、めっき液１１を10dm3/分の流量でめっき槽１ｂへ導入した。
【００９８】
本実施例においても、実施例１と同様、めっき液１１はめっき槽１ｂの下部より溜まっていくため、まずアノード電極２、続いて予備電解電極５が、それぞれめっき液１１に触れることになる。そこで、めっき液面が水位計６に達した時点で、予備電解電極５と回路との間のスイッチ１４を入れ、アノード電極２から予備電解電極５に実施例１と同様に30mA（補助カソード電極に対して約0.002A/dm2）の予備電解電流を流した。
【００９９】
続いて、実施例１と同様にめっき液１１がめっき槽１ｂ内を満たしてから約20秒経過後に、予備電解電極５と直流電源１３との間のスイッチ１４を切り、それと同時にアノード電極２とカソード電極３及び補助カソード電極６０との間に電圧を印加して約4.75A（1A/dm2）の電流を流して銅めっき膜を形成し、配線用凹部を銅で埋めた。得られた銅めっき膜は、下地膜の均一性が保たれたため、ボイドを残すことなく、配線用凹部を均一に充填することができた。
【０１００】
次に、洗浄ステージ３０により被めっき体３表面に残留するめっき液の除去洗浄を行い、乾燥ステージ３１で乾燥させた後、アンロードステージ３２からアンロードされたウエハ３を取り出した。得られたウエハ３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、実施例１と同様、図５（ｂ）に示すように、ボイドなどの不良は認められなかった。本実施例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。また、補助カソード電極を用いた結果、被めっき体であるウエハ面内での膜厚のばらつきも低減できた。本実施例により得られたウエハの評価結果を、表１に示す。
【０１０１】
＜比較例１＞
本比較例では、予備電解電極５を有さない以外は図３に示したものと同様のカップ式めっき処理槽を用い、実施例１と同様にして配線層用銅膜を形成した。
【０１０２】
まず、被めっき体３を搬送ロボット２６によりプレめっきステージ２８からめっきステージ２９へ搬送し、めっき装置開口部のウエハ支持部に被めっき面を下向きにして載置した後、ウエハ押さえ冶具により支持部に固定した。その後、めっき液を10dm3/分の流量でめっき槽へ流入させた。
【０１０３】
本比較例においても、実施例１と同様、めっき液はめっき槽下部より噴出する。このため、めっき液の液面は、めっき槽中央部の方がめっき槽壁面近傍より高くなることから、めっき液は、被めっき体であるカソード電極の中央部にまず触れた後、カソード電極全面がめっき液に触れることになる。この結果、下地膜表面の銅酸化物が一部溶解し、配線用凹部の壁面などにバリア層が露出した箇所が見られた。
【０１０４】
この後、アノード電極とカソード電極との間に電圧を印加して約3A（1A/dm2）の電流を流し、ウエハ表面に銅膜を形成した。形成された銅膜は、下地膜４７の膜厚が不均一であったため、図２０に示すように、配線用凹部内にボイドが多数存在した。特にウエハ中央部は、めっき液に長く触れていたため、下地膜４７が完全に溶解してしまい、その結果めっき膜内にボイドが残ってしまった箇所が多数見られた。本比較例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【０１０５】
＜比較例２＞
本比較例では、予備電解電極５を有さない以外は図４に示したものと同様の縦型めっき処理槽を用い、実施例１と同様にして配線層用銅膜を形成した。
【０１０６】
まず、被めっき体を搬送ロボット２６によりプレめっきステージ２８からめっきステージ２９に搬送し、めっき冶具に固定した後、めっき治具ごとめっき槽に投入して、所定の位置に固定した。その後、アノード電極とカソード電極との間に電圧を印加して約3A（1A/dm2）の電流を流してウエハ表面に銅膜を形成したところ、本比較例においても、比較例１と同様に、下地導電膜表面の酸化膜が部分的に溶解して下地膜が不均一であったため、配線形成用凹部に充填された配線用めっき膜にはボイドが多数存在した。本比較例により得られたウエハの評価結果を表１に示す。
【０１０７】
【発明の効果】
本発明によると、電気銅めっき処理における下地導電膜の溶解を抑制及び均一なめっき膜の形成ができ、ボイドなく銅配線の形成が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例における半導体装置の製造装置を示す模式図である。
【図２】 実施例における半導体装置の製造装置を示す模式図である。
【図３】 実施例１におけるカップ式めっき装置の断面を示す模式図である。
【図４】 実施例５における縦型めっき装置の断面を示す模式図である。
【図５】 実施例におけるめっき処理を示す説明図である。
【図６】 めっき装置における電極の形状例及び電流回路の構成例を示す説明図である。
【図７】 めっき装置における電極の形状例及び電流回路の構成例を示す説明図である。
【図８】 めっき装置における電極の形状例及び電流回路の構成例を示す説明図である。
【図９】 薬液処理システムの構成及び薬液の流れを示す図である。
【図１０】 実施例におけるめっき処理を示す流れ図である。
【図１１】 実施例２におけるカップ式めっき装置の断面図である。
【図１２】 実施例２のめっき装置における電極の形状例及び電流回路の構成例を示す説明図である。
【図１３】 実施例３で用いたカップ式めっき装置の断面図である。
【図１４】 実施例３のめっき装置における電極の形状及び電流回路の模式図である。
【図１５】 実施例４で用いたカップ式めっき装置の断面図である。
【図１６】 実施例５で用いた縦型めっき装置における電極の形状及び電流回路模式図である。
【図１７】 実施例７で用いたカップ式めっき装置の断面図である。
【図１８】 実施例７のめっき装置における電極の形状及び電流回路の模式図である。
【図１９】 実施例７のめっき装置における電極の形状及び電流回路の他の例を示す模式図である。
【図２０】 従来技術のめっき処理によるボイドの発生原因を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ…カップ式めっき槽、２…アノード電極、３…被めっき体となるカソード電極、４…被めっき面、５…予備電解電極、６…水位計、７…めっき液導入配管、７ａ…めっき液溜まり、７ｂ…めっき液吐出口、８…めっき液排出配管、８ａ…めっき液排出口、９…ウエハ押さえ冶具、１０…ウエハ支持部、１１…めっき液、１３…電源、１４…予備電解電極とカソード電極との間のスイッチ、１４ａ…補助アノード電極とアノード電極間のスイッチ、１５…微小電流用直流電源、１６…薬液、１７…薬液処理槽、１８…補給液層、１９…補給液、２０…薬液タンク、２１…ポンプ、２２…フィルタ、２３…分析部、２４…電磁弁、２５…管理用パソコン、２６…搬送ロボット、２７…ロードステージ、２８…プレめっきステージ、２９…めっきステージ、３０…洗浄ステージ、３１…乾燥ステージ、３２…アンロードステージ、３３…ウエハカセット、３４…めっき前処理槽、３５…めっき槽、３６…洗浄槽、３７…乾燥機、３８…ウエハカセット、３９…搬送ロボットウエハ担持部、４０…搬送ロボットウエハ担持アーム、４１…じゃま板兼予備電解電極、４２…予備アノード電極、４３…予備カソード電極、４４…縦型めっき槽、４６…絶縁膜、４７…下地導電膜、４８…バリア膜、４９…銅めっき膜、５０…ボイド、６０…補助カソード電極、６１…絶縁部、２５１…予備電解電圧印加手段、２５２…めっき電圧印加手段。
Claims (11)
- めっき槽と、該めっき槽内に配置されたアノード電極及び予備電解電極と、電源とを備え、
上記予備電解電極は、
被めっき体であるカソード電極と電流経路として並列になるように配線されており、
上記電源は、上記並列に配線された予備電解電極とカソード電極とに対して所定の電流値に制御された電流を通電する手段であり、
上記予備電解電極が、上記めっき槽へのめっき液の導入に際して、上記カソード電極より前にめっき液に接する位置に配置されていることを特徴とする電気めっき装置。 - 上記予備電解電極と上記アノード電極との間の導通を電気的に開閉するスイッチを有することを特徴とする請求項１記載の電気めっき装置。
- めっき槽と、該めっき槽内に配置されたアノード電極及び予備電解電極と、該アノード電極及び予備電解電極とに対して所定の電流値に制御された電流を通電する電源とを備え、
上記予備電解電極は、被めっき体であるカソード電極と電流経路として並列になるように、電源と電気的に接続されており、
上記予備電解電極と上記電源との間にはスイッチが設けられていることを特徴とする電気めっき装置。 - 上記予備電解電極のめっき液に触れる面の面積が、上記カソード電極のめっき液に触れる面の面積の半分以上であることを特徴とする請求項１又は３記載の電気メッキ装置。
- 上記カソード電極と電流経路として並列になるように配線された補助カソード電極をさらに備え、
上記カソード電極へのめっきは、
めっき液中で、上記カソード電極及び上記補助カソード電極と、上記アノード電極との間に電圧を印加することにより行われることを特徴とする請求項１又は３記載の電気めっき装置。 - 請求項１〜５のいずれかに記載の電気めっき装置を用いて配線用導体膜を形成する手段を有することを特徴とする、半導体装置の製造装置。
- めっき液内に浸漬されたアノード電極と被めっき体であるカソード電極との間に電流を流すことにより、上記カソード電極表面に導体からなるめっき膜を形成する電気めっき方法において、
上記カソード電極がめっき液に接触するより前にめっき液に接触する予備電解電極を設け、
上記予備電解電極と上記アノード電極との間に予備電解電流を流しながら、上記カソード電極を上記めっき液に接触させることを特徴とする電気めっき方法。 - めっき液内に浸漬されたアノード電極と被めっき体であるカソード電極との間に電流を流すことにより、上記カソード電極表面に導体からなるめっき膜を形成する電気めっき方法において、
上記アノード電極と上記予備電解電極とがめっき液に接触した後、上記アノード電極と上記カソード電極との間に電流を流して電気めっきを開始するまでの間、上記予備電解電極と上記アノード電極との間に予備電解電流を流し、
上記カソード電極がめっき液に触れた後、電気めっきを開始するまでの間は、上記カソード電極及び上記予備電解電極の間で電流を分配することを特徴とする電気めっき方法。 - 上記予備電解電極と、上記カソード電極とは、この順でめっき液に浸漬されることを特徴とする請求項８記載の電気めっき方法。
- 上記予備電解電流は、０．００１〜０．１A/dm2であることを特徴とする請求項７又は８記載の電気めっき方法。
- 請求項６〜１０のいずれかに記載された電気めっき方法により配線用導体膜を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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