JPH1187275A - 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】 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の微細な窪み１０１
を設けた部分の周囲の空間を覆うメッキ処理槽１と、メ
ッキ処理槽１内にメッキ液のミストを導入して微細な窪
み１０１内を濡れた状態とせしめるミスト供給手段４１
と、メッキ処理槽１内にメッキ液を供給することによっ
て半導体ウエハ１００の濡れた状態の微細な窪み１０１
内をメッキ液で満たす液体供給手段７とを具備する。微
細な窪み１０１はその内表面がミストで十分濡れた状態
となった後に、メッキ液が供給されるのでメッキ液が瞬
時に充満する。

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と異なり、ス
パッタリング成膜とドライエッチングを組合せた配線形
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４（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４（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４（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
をメッキ液で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表面に所望
のミストを触れさせることによって該微細な窪みの内面
にミストを吸着せしめて濡れた状態とし、さらに該基材
の微細な窪みを設けた部分の表面に所望の液体を触れさ
せることによって前記濡れた状態の微細な窪み内を所望
の液体で満たすように構成した。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
理槽内に所望のミストを導入して微細な窪み内を濡れた
状態とせしめるミスト供給手段と、処理槽内に所望の液
体を供給することによって前記基材の濡れた状態の微細
な窪み内を所望の液体で満たす液体供給手段とを具備せ
しめて構成した。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態の例を図
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、真空室を兼
用するメッキ処理槽１に不活性ガス及びミスト供給手段
３と真空排気手段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、冷却ジャケット１５とファン１７より構成される冷
却手段１３を取り付けて構成されている。

【００１６】不活性ガス及びミスト供給手段３は、アル
ゴンボンベ３３から配管３５とバルブ３７を介してメッ
キ処理槽１に接続される不活性ガス供給手段３１と、配
管３５から分岐する配管４３とバルブ４５とバブラ４６
と配管４７とバルブ４９を介してメッキ処理槽１に接続
されるミスト供給手段４１とを具備して構成されてい
る。

【００１７】ここでバブラ４６は槽４６１内に銅メッキ
用のメッキ液を蓄えており、前記配管４３の先端をメッ
キ液中に差し込み、一方配管４７の先端をメッキ液表面
の上部に開放して構成されている。

【００１８】次に真空排気手段５は、メッキ処理槽１に
配管５１とバルブ５３を介して真空ポンプ５５を接続し
て構成されている。

【００１９】液体供給手段７は、銅メッキ用のメッキ液
を蓄えておく貯留槽７１と、送液ポンプ７３とフィルタ
７５とを配管７７によってメッキ処理槽１に接続し、メ
ッキ液を系内に循環するように構成されている。配管７
７にはバルブ７６，７８が取り付けられている。

【００２０】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３７，４５，４
９，５３，７６，７８を閉じた状態で、メッキ処理槽１
の冷却手段１３にてその槽１１内を冷却保持する（ステ
ップ１）。

【００２１】次に十分冷却した槽１１内に半導体ウエハ
１００を収納し、これも十分冷却する（ステップ２）。

【００２２】次にバルブ５３を開いて真空ポンプ５５を
駆動し、槽１１内を真空排気する（ステップ３）。この
真空中に半導体ウエハ１００を保つことによって半導体
ウエハ１００の微細窪み１０１内部の表面に存在、吸着
していたガスは急速に吸引され排出され微細窪み１０１
内も真空状態とされる。

【００２３】なお前記真空排気を行なっているときに、
バルブ４５及び４９を徐々に開く。そうすればアルゴン
ボンベ３３からアルゴンガスがバブラ４６のメッキ液内
を気泡となって流れ、処理槽１１内部へと流入し更に真
空ポンプ５５で排気される。この操作によってバブラ４
６以降の系内はバブラ４６内にもともと存在したメッキ
液の微細なミストで充満した状態となる。ここでミスト
は微細な、０．１μｍ以下程度のものを含む液滴であ
る。

【００２４】この状態においては当然のことながら槽１
１内にもメッキ液のミストがアルゴンガス（キャリヤガ
ス）に随伴して流入して充満する（ステップ４）。その
とき半導体ウエハ１００周辺は真空排気されて微細窪み
１０１内も真空排気され且つ十分冷却されているので、
そこにミストが飛来したとき、該ミストは図３（ａ）に
示すように半導体ウエハ１００表面に容易に吸着し、且
つ微細な窪み１０１内部へも容易に侵入してその内面に
吸着することができる。

【００２５】次にバルブ５３を閉じて真空ポンプ５５を
停止し、バルブ４９，４５を閉じてミストの供給を停止
した後、バルブ３７を開いて槽１１内にアルゴンガスを
供給することによって真空破壊すると同時に、冷却手段
１３によって槽１１内を冷却する（ステップ５）。この
真空破壊による圧力上昇と冷却効果によってミストは液
体状態として安定となり、蒸発気化の可能性は大幅に低
減する。言い替えると図３（ｂ）に示すように半導体ウ
エハ１００の表面ばかりかその微細な窪み１０１の内表
面も該液化したミストによって十分濡れた状態となる。

【００２６】次にバルブ３７を閉じて液体供給手段７の
バルブ７６，７８を開け、送液ポンプ７３を駆動するこ
とによって、槽１１内にメッキ液を導入・循環し、半導
体ウエハ１００をメッキ液中に浸漬する（ステップ
６）。これによって半導体ウエハ１００の表面はメッキ
液で濡れるが、前述のように微細な窪み１０１内表面は
既に十分濡れた状態となっているので、該微細な窪み１
０１内にもメッキ液が瞬時に充満する。

【００２７】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
界を印加することで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、半導体ウエハ１００をメッキ液中に所定時間
保持することで該微細な窪み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
７）。

【００２８】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の
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）とホルマリンの
水溶液を用いる。

【００２９】そしてメッキ液を貯留槽７１に戻した後に
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８）。

【００３０】なお上記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４で説明したように微細窪
み１０１（図４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適正に形成され
る。

【００３１】具体的に言えば図５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最終形状に仕
上げる。

【００３２】以上本発明の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るものではなく例えば
以下のような各種の変形が可能である。 上記実施形態ではミストにする液体としてメッキ液を
用いたが、要は微細な窪み内を濡れさせれば良いので、
例えば純水など、メッキ成膜を阻害しない液なら何でも
良い。

【００３３】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。

【００３４】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メッキ液又はそれ以外の所望の液体
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。

【００３５】上記実施形態では半導体ウエハ全体をミ
ストに触れさせたり、液体（メッキ液）に触れさせたり
したが、本発明は少なくとも基材の微細な窪みを設けた
部分の表面にミストを触れさせたり、液体を触れさせた
りするものであれば良い。

【００３６】ミストを生成・供給する装置としては上
記バブラを用いて構成した実施形態に限定されず、他の
種々の構造のミスト供給手段を用いてもよいことはいう
までもない。

【００３７】

【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】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５】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 不活性ガス及びミスト供給手段 ４１ ミスト供給手段 ５ 真空排気手段 ７ 液体供給手段 １３ 冷却手段 １００ 半導体ウエハ（基材） １０１ 微細な窪み

Claims (5)

【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表面に
   所望のミストを触れさせることによって該微細な窪みの
   内面にミストを吸着せしめて濡れた状態とし、 さらに該基材の微細な窪みを設けた部分の表面に所望の
   液体を触れさせることによって前記濡れた状態の微細な
   窪み内を所望の液体で満たす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
   法における基材の微細な窪みを設けた部分の表面に触れ
   させる液体をメッキ液とすることによって、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】 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記載の
   微細窪みへのメッキ方法。
4. 【請求項４】 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、 処理槽内に所望のミストを導入して微細な窪み内を濡れ
   た状態とせしめるミスト供給手段と、 処理槽内に所望の液体を供給することによって前記基材
   の濡れた状態の微細な窪み内を所望の液体で満たす液体
   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。
5. 【請求項５】 前記微細窪みへの液充填装置には更に、
   処理槽内を冷却する冷却手段と、処理槽内を真空排気す
   る真空排気手段とを設けたことを特徴とする請求項４記
   載の微細窪みへの液充填装置。