説明

電気めっき方法

【課題】アスペクト比が高く、埋込み深さの深いビアの内部に、ボトムアップ成長を促進させながら、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく、銅等のめっき金属を確実に効率よく埋込むことができるようにする。
【解決手段】ビアが形成された基板の表面とアノードとを互いに対向させつつ、めっき槽内のめっき液中に基板とアノードとを浸漬させて配置し、前記基板と前記アノードとの間に、電流値を一定としためっき電流を、供給と停止とを断続的に繰返しながら、めっき電流が流れる時間の占める割合がめっきの進行に伴って大きくなるように変化させて、前記ビア内にめっき金属を埋込む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は電気めっき方法に関し、特に、半導体基板若しくは他の基板の内部に上下に貫通する多数の貫通電極(スルービア)を有し、半導体チップ等のいわゆる3次元実装に使用される基板を製造する際に、基板に予め設けられたビア内に銅等の金属を埋込むのに使用される電気めっき方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体基板を多層に積層させる際に各層間を導通させるための手段として、基板の内部に上下に貫通する複数の銅等の金属からなる貫通電極(スルービア)を形成する技術が知られている。内部に銅からなる貫通電極を有する基板の製造例を図1を参照して説明する。先ず、図1(a)に示すように、シリコンウェーハ等からなる基材10の内部に、例えばリソグラフィ・エッチング技術により、上方に開口する複数のビア12を形成し、ビア12の表面を含む全表面にTi(チタン)等からなるバリア層14を、バリア層14の表面に銅シード層16をPVD等により順次形成した基板Wを用意する。ビア12の直径dは、例えば2〜50μm、特に10〜20μmで、深さhは、例えば20〜150μmである。
【0003】
なお、バリア層14としては、Tiの他に、Ta(タンタル)またはW(タングステン)、またはこれらの窒化物などが用いられる。
【0004】
次に、基板Wの表面に、銅シード層16をカソードとした電気銅めっきを施すことで、図1(b)に示すように、基板Wのビア12の内部にめっき金属(銅)18を埋込むとともに、銅シード層16の表面にめっき金属18を堆積させる。
【0005】
その後、図1(c)に示すように、化学的機械的研磨(CMP)等により、基材10上の余剰な銅シード層16及びめっき金属18を除去し、更に、例えば2点鎖線で示す位置まで基材10の裏面側を研磨除去することにより、ビア12内に充填しためっき金属18の底面が外部に露出する。これによって、上下に貫通する銅(めっき金属18)からなる複数の貫通電極を内部に有する基板Wを完成させる。
【0006】
ビア12は、直径に対する深さの比、即ちアスペクト比が、例えば8〜10と一般に大きく、寸法自体も大きい。通常、このようなアスペクト比が大きく、寸法の大きいビア12内に電気めっきによって成膜される銅(めっき金属)を、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく完全に埋込むためには、ビア12の底部から優先的にめっき金属を成長させる、いわゆるボトムアップ成長が必要となる。このため、めっき液として、例えばSPS(ビス(3−スルホプロピル)ジスルファイドからなるめっき促進剤、PEG(ポリエチレングリコール)からなる抑制剤、及びPEI(ポリエチレンイミン)からなるレベラ(平滑化剤)といった各種添加剤を含むめっき液が一般に使用される。これらの添加剤は、基板の表面に吸着することでそれぞれの効果を示す。
【0007】
下記の特許文献の出願人は、シード層とアノードとの間に、電流密度が4〜20A/dm2の直流電流を0.1〜5s通電して初期めっき膜を形成した後、シード層とアノードとの間に、電流密度0.5〜5A/dm2の直流電流を通電して二次めっき膜を形成することや(特許文献1参照)、陰極電流密度5〜10A/dmで10秒〜5分間の電気めっきを行った後、陰極電流密度0.5〜3A/dmで15〜180分間の電気めっきを行うことを提案している(引用文献2参照)。また、電流密度を段階的に増加させて電気めっきを行うことも提案されている(特許文献3参照)。更に、出願人は、基板とアノードとの間にステップ状に変化させたステップ電圧またはパルス電圧を印加することを提案している(特許文献4参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特許第3641372号
【特許文献2】特許第3780302号
【特許文献3】特開2003−318544号公報
【特許文献4】特開2005−97732号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
基板に設けたビアの内部に、電気めっきで銅等のめっき金属を埋込む時、ビアの底部もしくはその近辺では、めっきのための金属イオンが基板の表面に比べて不足しがちである。そのため、めっき膜厚が薄くなる傾向がある。めっき液の金属イオン濃度は、めっき金属が析出している基板の表面近傍で低下するが、ビア内部のめっき液の金属イオン濃度はさらに低下する。特に、アスペクト比が大きく、深いビアの底部では、イオン拡散現象による金属イオン供給が不足するため、大きく低下する。このため、めっき膜厚が更に薄くなる傾向がある。また、前述のように、めっき液に添加剤を添加して、ボトムアップ成長を促進させるためには、ビアの内部に十分な金属イオンを供給することが必要となる。
【0010】
電気めっきによる溶解性アノードからの金属の溶解(金属イオンの溶出)が行なわれる時、アノードでの電流密度は、適正な範囲に保たれることが好ましい。アノードでの電流密度を適正な範囲に保つことで、めっき液中の添加剤成分の変質を抑制し、カソードとなる基板の表面に良好な膜質のめっき金属(めっき膜)を安定して形成することができる。
【0011】
しかしながら、基板のビアの埋込みめっきでは、ビア内に埋込まれるめっき金属の内部にボイドが発生することを防止するため、電流密度を低く抑える必要があり、その結果、アノードでの適正な電流密度を保つことが難しい場合がある。
【0012】
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、アスペクト比が高く、埋込み深さの深いビアの内部に、ボトムアップ成長を促進させながら、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく、銅等のめっき金属を確実に効率よく埋込むことができるようにした電気めっき方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記目的を達成するため、本発明の電気めっき方法は、ビアが形成された基板の表面とアノードとを互いに対向させつつ、めっき槽内のめっき液中に基板とアノードとを浸漬させて配置し、前記基板と前記アノードとの間に、電流値を一定としためっき電流を、供給と停止とを断続的に繰返しながら、めっき電流が流れる時間の占める割合がめっきの進行に伴って大きくなるように変化させて、前記ビア内にめっき金属を埋込む。
【0014】
このように、基板とアノードとの間に、供給と停止とを断続的に繰返しながらめっき電流を流すことで、めっき電流の供給を停止する期間に、イオン濃度勾配を利用した、めっき液の沖合からのイオン拡散現象により、基板近傍におけるめっき液の金属イオン濃度の低下を回復させ、ビア底部でのイオン拡散現象による金属イオンの供給不足も解消させて、ボトムアップ成長を促進させることができる。しかも、基板とアノードとの間に、電流値を一定としためっき電流を、めっき電流が流れる時間の占める割合がめっきの進行に伴って大きくなるように変化させて流すことで、平均電流密度を低く抑えてめっき金属の内部にボイドが発生することを防止しながら、めっき電流供給時におけるアノード電流密度を適正な範囲に維持して、良好な埋込みめっきを行うことが容易となる。
【0015】
本発明の好ましい一態様は、めっき電流の供給を断続的に停止する停止時間をめっきの進行に伴って短くさせながら、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流す。
【0016】
めっきの進行に伴って、ビアの内部にめっき金属が徐々に埋込まれると、めっき金属が埋込まれていないビアの未充填部の深さが徐々に浅くアスペクト比が徐々に小さくなくなる。そこで、金属イオンをビアの内部等に供給するためのめっき電流の停止時間を、めっきの進行に伴って短くすることで、ビア内へのめっき金属の埋込みを効率的に行うことができる。
【0017】
本発明の好ましい一態様は、めっき電流を供給する供給時間を一定にして、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流す。
【0018】
本発明の好ましい一態様は、めっき電流を連続して供給する供給時間をめっきの進行に伴って長くさせながら、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流す。
【0019】
このように、めっき電流を連続して供給する供給時間をめっきの進行に伴って長くすることによっても、ビア内へのめっき金属の埋込みを効率的に行うことができる。
【0020】
本発明の好ましい一態様は、めっき電流の供給を断続的に停止する停止時間を一定にして、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流す。
【0021】
本発明の好ましい一態様は、めっき電流の供給と停止とを断続的に繰返すめっき電流供給ピッチを一定にして、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流す。
なお、めっき電流の停止時間中は、めっき膜の溶解を防ぐために、めっき膜の電位が自然電位よりも卑に保たれるような微弱な電流を流しても良い。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、アスペスト比が高く、埋込み深さの深いビアの内部に、ボトムアップ成長を促進させながら、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく、銅等のめっき金属を確実に効率よく埋込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】内部に上下に貫通する複数の銅からなる貫通電極を有する基板の製造例を工程順に示す図である。
【図2】本発明の電気めっき方法に使用されるめっき処理設備の全体配置図である。
【図3】図2に示すめっき処理設備に備えられている搬送ロボットの概要図である。
【図4】基板ホルダの平面図である。
【図5】基板を基板ホルダの内部に装着してシールした状態を示す拡大断面図である。
【図6】同じく、基板に給電する状態を示す拡大断面図である。
【図7】図2に示すめっき処理設備に備えられているめっき装置の概略断面図である。
【図8】図2に示すめっき装置の攪拌パドル(攪拌具)を示す平面図である。
【図9】図8のA−A線断面図である。
【図10】本発明の実施形態における、アノードと基板との間を流れるめっき電流と時間との関係を示すグラフである。
【図11】本発明の他の実施形態における、アノードと基板との間を流れるめっき電流と時間との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下の例では、図1(a)に示す、シリコンウェーハ等の基材10に形成したビア12の表面を含む全表面にバリア層14を、該バリア層14の表面に銅シード層16を順次形成した基板Wを用意し、図1(b)に示すように、この基板Wの表面に電気銅めっきを行って、ビア12の内部に銅からなるめっき金属18を埋込むようにした例を示す。
【0025】
図2は、本発明のめっき方法に使用されるめっき処理設備の全体配置図を示す。このめっき処理設備は、基板の前処理、めっき処理及びめっきの後処理のめっき全工程を連続して自動的に行うようにしたもので、外装パネルを取付けた装置フレーム110の内部は、仕切板112によって、基板のめっき処理及びめっき液が付着した基板の処理を行うめっき空間116と、それ以外の処理、すなわちめっき液に直接には関わらない処理を行う清浄空間114に区分されている。そして、めっき空間116と清浄空間114とを仕切る仕切板112で仕切られた仕切り部には、基板ホルダ160(図3参照)を2枚並列に配置して、この各基板ホルダ160との間で基板の脱着を行う、基板受渡し部としての基板脱着台162が備えられている。清浄空間114には、基板を収納した基板カセットを載置搭載するロード・アンロードポート120が接続され、更に、装置フレーム110には、操作パネル121が備えられている。
【0026】
清浄空間114の内部には、基板のオリフラやノッチなどの位置を所定方向に合わせるアライナ122と、めっき処理後の基板を洗浄し高速回転させてスピン乾燥させる2台の洗浄・乾燥装置124が配置されている。更に、これらの各処理装置、つまりアライナ122及び洗浄・乾燥装置124のほぼ中心に位置して、これらの各処理装置122,124、基板脱着台162及びロード・アンロードポート120に搭載した基板カセットとの間で基板の搬送と受渡しを行う第1搬送ロボット128が配置されている。
【0027】
清浄空間114内に配置されたアライナ122、洗浄・乾燥装置124は、表面を上向きにした水平姿勢で基板を保持して処理する。搬送ロボット128は、表面を上向きにした水平姿勢で基板を保持して基板の搬送及び受渡しを行う。
【0028】
めっき空間116内には、仕切板112側から順に、基板ホルダ160の保管及び一時仮置きを行うストッカ164、基板の表面を、例えば純水(DIW)等の前処理液で洗浄するとともに、前処理液で濡らして親水性を良くする前処理(プリウェット処理)を行う前処理装置126、例えば基板の表面に形成したシード層表面の電気抵抗の大きい酸化膜を硫酸や塩酸などの無機酸またはクエン酸やシュウ酸などの有機酸溶液でエッチング除去する活性化処理装置166、基板の表面を純水で水洗する第1水洗装置168a、めっき処理を行うめっき装置170、第2水洗装置168b及びめっき処理後の基板の水切りを行うブロー装置172が順に配置されている。そして、これらの装置の側方に位置して、2台の第2搬送ロボット174a,174bがレール176に沿って走行自在に配置されている。この一方の第2搬送ロボット174aは、基板脱着台162とストッカ164との間で基板ホルダ160の搬送を行う。他方の第2搬送ロボット174bは、ストッカ164、前処理装置126、活性化処理装置166、第1水洗装置168a、めっき装置170、第2水洗装置168b及びブロー装置172の間で基板ホルダ160の搬送を行う。
【0029】
第2搬送ロボット174a,174bは、図3に示すように、鉛直方向に延びるボディ178と、このボディ178に沿って上下動自在でかつ軸心を中心に回転自在なアーム180を備えており、このアーム180に、基板ホルダ160を着脱自在に保持する基板ホルダ保持部182が2個並列に備えられている。基板ホルダ160は、表面を露出させ周縁部をシールした状態で基板Wを着脱自在に保持するように構成されている。
【0030】
基板ホルダ160は、図4乃至図6に示すように、矩形平板状の固定保持部材54と、この固定保持部材54にヒンジ56を介して開閉自在に取付けたリング状の可動保持部材58とを有している。そして、この可動保持部材58の固定保持部材54側の表面に、例えば塩ビ製で補強材として役割を果たすとともに、締付けリング62との滑りを良くしたパッキンベース59を介して、リング状で一方の足を長くした略コ字状のシールパッキン60が固定保持部材54側に開口して取付けられ、固定保持部材54と反対側に、締付けリング62が円周方向に沿った長穴62aとボルト64介して回転自在で脱出不能に保持されている。
【0031】
固定保持部材54には、可動保持部材58の周辺部に位置するように、逆L字状の爪66が円周方向に沿って等間隔で立設されている。一方、締付けリング62の外周面には、複数の突起部68が等間隔で一体に成形されているとともに、これを回転させるためのやや長穴とした通孔62bが図示では3カ所に設けられている。ここで、前記突起部68の上面及び爪66の下面は、回転方向に沿って互いに逆方向に傾斜するテーパ面となっている。
【0032】
これにより、可動保持部材58を開いた状態で、固定保持部材54の中央部に基板Wを位置決めして挿入し、ヒンジ56を介して可動保持部材58を閉じた後、締付けリング62を時計回りに回転させ、締付けリング62の突起部68を逆L字状の爪66の内部に滑り込ませることで、固定保持部材54と可動保持部材58とを互いに締め付けてロックし、反時計回りに回転させて逆L字状の爪66から締付けリング62の突起部68を引き抜くことで、このロックを解くようになっている。
【0033】
そして、このようにして可動保持部材58をロックした時、図8に示すように、シールパッキン60の内周面側の短い足が基板Wの表面に、外周面側の長い足が固定保持部材54の表面にそれぞれ圧接して、ここを確実にシールするようになっている。
【0034】
また、図8に示すように、固定保持部材54には、外部電極(図示せず)に接続した導電体(電気接点)70が配置されて、この導電体70の端部が基板Wの側方で固定保持部材54の表面に露出するようになっている。一方、可動保持部材58の該導電体70の露出部に対向する位置には、シールパッキン60の内部に位置して収納用凹部71が設けられ、この収納用凹部71内に横断面コ字状で下方に開口した金属接片72がばね74を介して固定保持部材54側に付勢させて収納されている。
【0035】
これにより、前述のようにして、可動保持部材58をロックすると、シールパッキン60でシールされた位置で、導電体70の露出部が金属接片72の外周側の一方の足と、この金属接片72の内周側の他方の足と基板Wとがばね74の弾性力を介して電気的に接続し、これによって、シールされた状態で基板Wに給電が行えるようになっている。
【0036】
なお、導電体70の表面の、少なくとも前記金属接片72との当接面、及び該金属接片72の導電体70及び基板Wの当接面の少なくとも一方は、例えば金または白金めっきを施して、これらの各部を金属で被覆することが好ましい。また、これらを耐食性に優れたステンレス製としてもよい。
【0037】
可動保持部材58の開閉は、図示しないシリンダと可動保持部材58の自重によって行われる。つまり、固定保持部材54には通孔54aが設けられ、載置プレート52のこの上に基板ホルダ160を載置した時に該通孔54aに対向する位置にシリンダが設けられている。これにより、シリンダロッドを伸展させ通孔54aを通じて可動保持部材58を上方に押上げることで可動保持部材58を開き、シリンダロッドを収縮させることで、可動保持部材58をその自重で閉じるようになっている。
【0038】
この例にあっては、締付けリング62を回転させることにより、可動保持部材58のロック・アンロックを行うようになっているが、このロック・アンロック機構は、天井側に設けられている。つまり、このロック・アンロック機構は、載置プレート52の上に基板ホルダ160を載置した時、この中央側に位置する基板ホルダ160の締付けリング62の各通孔62bに対応する位置に位置させたピンを有し、載置プレート52を上昇させ、通孔62b内にピンを挿入した状態でピンを締付けリング62の軸芯周りに回転させることで、締付けリング62を回転させるように構成されている。このロック・アンロック機構は、1個備えられ、載置プレート52の上に載置した2個の基板ホルダ160の一方をロック(またはアンロック)した後、載置プレート52を横方向にスライドさせて、他方の基板ホルダ160をロック(またはアンロック)するようになっている。
【0039】
また、基板ホルダ160には、基板Wを装着した時の該基板Wと接点との接触状態を確認するセンサが備えられ、このセンサからの信号がコントローラ(図示せず)に入力されるようになっている。
【0040】
ストッカ164、前処理装置126、活性化処理装置166、水洗装置168a,168b及びめっき装置170は、基板ホルダ160の両端部に設けた外方に突出する突出部160aを上端部に引っ掛けて、基板ホルダ160を鉛直方向に吊り下げた状態で支持する。前処理装置126には、例えば溶在酸素が2mg/L以下に脱気された純水(脱気DIW)等の前処理液を内部に保持する2個の前処理槽127が備えられ、図3に示すように、基板Wを装着した基板ホルダ160を鉛直状態で保持した第2搬送ロボット174bのアーム180を下降させ、基板ホルダ160を前処理槽127の上端部に引っ掛けて吊下げ支持することで、基板ホルダ160を基板Wごと前処理槽127内の前処理液に浸漬させて前処理(プリウェット処理)を行うように構成されている。活性化処理装置166には、内部に薬液を保持する2個の活性化処理槽183が備えられ、図3に示すように、基板Wを装着した基板ホルダ160を鉛直状態で保持した第2搬送ロボット174bのアーム180を下降させ、基板ホルダ160を活性化処理槽183の上端部に引っ掛けて吊下げ支持することで、基板ホルダ160を基板Wごと活性化処理槽183内の薬液に浸漬させて活性化処理を行うように構成されている。
【0041】
同様に、水洗装置168a,168bには、内部に純水を保持した各2個の水洗槽184a,184bが、めっき装置170には、内部にめっき液を保持した複数のめっき槽186がそれぞれ備えられ、前述と同様に、基板ホルダ160を基板Wごとこれらの水洗槽184a,184b内の純水またはめっき槽186内のめっき液に浸漬させることで、水洗処理やめっき処理が行われるように構成されている。またブロー装置172は、基板Wを装着した基板ホルダ160を鉛直状態で保持した第2搬送ロボット174bのアーム180を下降させ、この基板ホルダ160に装着した基板Wにエアーや不活性ガスを吹きかけることで、基板のブロー処理を行うように構成されている。
【0042】
めっき装置170には、図7に示すように、内部に一定量のめっき液Qを保持するめっき槽186が備えられており、このめっき槽186のめっき液Q中に、基板ホルダ160で周縁部を水密的にシールし表面(被めっき面)を露出させて保持した基板Wを浸漬させて、基板ホルダ160を垂直に配置するようになっている。めっき液Qとして、この例では、銅イオン、支持電解質及びハロゲンイオンの他に、例えばSPS(ビス(3−スルホプロピル)ジスルファイドからなるめっき促進剤、PEG(ポリエチレングリコール)からなる抑制剤、及びPEI(ポリエチレンイミン)からなるレベラ(平滑化剤)の有機添加物を含んだめっき液が使用される。支持電解質としては硫酸が、ハロゲンイオンとしては塩素が好ましく用いられる。
【0043】
めっき槽186の上方外周には、めっき槽186の縁から溢れ出ためっき液Qを受け止めるオーバーフロー槽200が備えられている。オーバーフロー槽200の底部には、ポンプ202を備えた循環配管204の一端が接続され、循環配管204の他端は、めっき槽186の底部に設けられためっき液供給口186aに接続されている。これにより、オーバーフロー槽200内に溜まっためっき液Qは、ポンプ202の駆動に伴ってめっき槽186内に還流される。循環配管204には、ポンプ202の下流側に位置して、めっき液Qの温度を調節する恒温ユニット206と、めっき液内の異物をフィルタリング(除去)するフィルタ208が介装されている。
【0044】
更に、めっき槽186の底部には、内部に多数のめっき液流通口を有する底板210が配置されている。これによって、めっき槽186の内部は、上方の基板処理室214と下方のめっき液分散室212に区画されている。更に、底板210には、下方に垂下する遮蔽板216が取付けられている。
【0045】
これによって、この例のめっき装置170では、めっき液Qは、ポンプ202の駆動に伴ってめっき槽186のめっき液分散室212に導入され、底板210に設けられた多数のめっき液流通口を通過して基板処理室214内に流入し、基板ホルダ160で保持された基板Wの表面に対して略平行に上方に向けて流れてオーバーフロー槽200内に流出する。
【0046】
めっき槽186の内部には、基板Wの形状に沿った円板状のアノード220がアノードホルダ222に保持されて垂直に設置されている。このアノードホルダ222で保持されたアノード220は、めっき槽186内にめっき液Qを満たした時にめっき槽186内のめっき液Q中に浸漬され、基板ホルダ160で保持してめっき槽186内に配置される基板Wと対面する。アノード220は、この例では、スライムの生成を抑制するため、含有量が0.03〜0.05%のリンを含む銅(含リン銅)で構成されている。
【0047】
更に、めっき槽186の内部には、アノード220とめっき槽186内に配置される基板ホルダ160との間に位置して、めっき槽186内の電位分布を調整する調整板(レギュレーションプレート)224が配置されている。調整板224は、この例では、筒状部226と矩形状のフランジ部228からなり、材質として、誘電体である塩化ビニールを用いている。筒状部226は、電場の拡がりを十分制限できるような開口の大きさ、及び軸心に沿った長さを有している。調整板224のフランジ部228の下端は、底板210に達している。
【0048】
めっき槽186の内部には、めっき槽186内に配置される基板ホルダ160と調整板224との間に位置して、鉛直方向に延び、基板Wと平行に往復運動して、基板ホルダ160と調整板224との間のめっき液Qを攪拌する攪拌具としての攪拌パドル232が配置されている。めっき中にめっき液Qを攪拌パドル(攪拌具)232で攪拌することで、十分な銅イオンを基板Wの表面に均一に供給することができる。
【0049】
攪拌パドル232は、図8及び図9に示すように、板厚tが3〜5mmの一定の厚みを有する矩形板状部材で構成され、内部に複数の長穴232aを平行に設けることで、鉛直方向に延びる複数の格子部232bを有するように構成されている。攪拌パドル232の材質は、例えばPVC、PPまたはPTFEなどの樹脂、またはSUSやチタンをフッ素樹脂などで被覆したものであり、少なくともめっき液と接触する部分を電気的絶縁状態にすることが望ましい。攪拌パドル232の垂直方向の長さL及び長孔232aの長さ方向の寸法Lは、基板Wの垂直方向の寸法よりも十分に大きくなるように設定されている。また、攪拌パドル232の横方向の長さHは、攪拌パドル232の往復運動の振幅(ストローク)と合わせた長さが基板Wの横方向の寸法よりも十分に大きくなるように設定されている。
【0050】
長穴232aの幅及び数は、長穴232aと長孔232aの間の格子部232bが効率良くめっき液を攪拌し、長穴232aをめっき液が効率良く通り抜けるように、格子部232bが必要な剛性を有する範囲で格子部232bが可能な限り細くなるように決めることが好ましい。
【0051】
めっき装置170には、めっき時に陽極が導線を介してアノード220に、陰極が導線を介して基板Wの表面にそれぞれ接続されるめっき電源250が備えられている。このめっき電源250は、制御部252に接続され、この制御部250からの信号に基づいて制御される。
【0052】
次に、図2に示すめっき処理設備を使用し、基板Wの表面に電気銅めっきを行って、図1(b)に示すように、基材10の表面に設けたビア12の内部に銅からなるめっき金属18を埋込むようにした一連に処理について説明する。
【0053】
先ず、基板Wをその表面(被めっき面)を上にした状態で基板カセットに収容し、この基板カセットをロード・アンロードポート120に搭載する。このロード・アンロードポート120に搭載した基板カセットから、第1搬送ロボット128で基板Wを1枚取出し、アライナ122に載せて基板Wのオリフラやノッチなどの位置を所定の方向に合わせる。一方、基板脱着台162にあっては、ストッカ164内に鉛直姿勢で保管されていた基板ホルダ160を第2搬送ロボット174aで取出し、これを90゜回転させた水平状態にして基板脱着台162に2個並列に載置する。
【0054】
そして、アライナ122に載せてオリフラやノッチなどの位置を所定の方向に合わせた基板Wを第1搬送ロボット128で搬送し、基板脱着台162に載置された基板ホルダ160に周縁部をシールして装着する。そして、この基板Wを装着した基板ホルダ160を第2搬送ロボット174aで2基同時に把持し、上昇させた後、ストッカ164まで搬送し、90゜回転させて基板ホルダ160を垂直な状態となし、しかる後、下降させ、これによって、2基の基板ホルダ160をストッカ164に吊下げ保持(仮置き)する。これを順次繰返して、ストッカ164内に収容された基板ホルダ160に順次基板を装着し、ストッカ164の所定の位置に順次吊り下げ保持(仮置き)する。
【0055】
一方、第2搬送ロボット174bにあっては、基板を装着しストッカ164に仮置きした基板ホルダ160を2基同時に把持し、上昇させた後、前処理装置126に搬送する。そして、この前処理装置126で、前処理槽127内に入れた純水(DIW)等の前処理液に基板Wを浸漬させて前処理(プリウェット処理)を施す。このとき使用する前処理液としての純水は、純水中の溶存酸素濃度を真空脱気装置や不活性ガスの導入により制御し、好ましくは2mg/L以下とする。
【0056】
なお、硫酸銅めっき液を使用しためっきにおいては、添加剤の安定化のためにめっき中にエアレーション処理を行うが、ここに掲げた前処理を行わずにめっき液に基板を浸漬させると、めっき液中の溶存酸素濃度が高いため、ビア内部の気泡が抜け切れずめっき欠けを生じることがある。このような問題は、本願で対象とするようなアスペクトの非常に高いビアの埋め込みの場合に特に問題となるが、ここで述べたように脱気純水で前処理を行うと、アスペクトの高いビアの内部に残った気泡までもが純水に溶解してビア内部全体が水にぬれた状態になり、めっき液に浸漬してもビア内部にめっき液が容易に進入し欠けを生じることなく埋め込みを完了することが出来る。
【0057】
次に、この基板を装着した基板ホルダ160を、前記と同様にして、活性化処理装置166に搬送し、活性化処理槽183に入れた硫酸や塩酸などの無機酸またはクエン酸やシュウ酸などの有機酸溶液に基板を浸漬させてシード層表面の電気抵抗の大きい酸化膜をエッチングし、清浄な金属面を露出させる。このときに使用する酸溶液は前記前処理用の純水と同様に酸溶液中の溶存酸素濃度を制御することができる。更に、この基板を装着した基板ホルダ160を、前記と同様にして、第1水洗装置168aに搬送し、この水洗槽184aに入れた純水で基板の表面を水洗する。
【0058】
水洗が終了した基板Wを装着した基板ホルダ160を、前記と同様にしてめっき装置170のめっき槽186の上方に搬送する。めっき槽186にあっては、この内部に所定の組成を有する所定量のめっき液Qを満たし循環させておく。高いアスペクトのビアの埋込みに使用されるめっき液は、ビア内部への金属イオンの供給を考慮して、金属イオン濃度を出来るだけ高くする必要がある。硫酸銅めっき液の場合であれば、硫酸濃度として約50g/l、硫酸銅(水和物)として約250g/l、pH1程度のものが適切である。また、めっき中のめっき液温度としては、20〜40℃でよい。
【0059】
そして、基板ホルダ160を下降させ、基板ホルダ160で保持した基板Wをめっき槽186内のめっき液Qに浸漬させてアノードホルダ222で保持したアノード220に対面させる。
【0060】
次に、めっき電源250の陽極をアノード220に、陰極を基板Wの銅シード層16(図1(b)参照)にそれぞれ接続し、アノード220と銅シード層16との間に図10に示すめっき電流が流れるように、制御部252によってめっき電源250を制御することで、銅シード層16の表面にめっき金属(銅)18を析出させ、これによって、ビア12の内部にめっき金属18を埋込む。
【0061】
図10は、本発明の実施形態における、アノード220と基板Wの銅シード層16との間を流れるめっき電流と時間との関係を示すグラフである。この図10に示す例では、アノード220と基板Wの銅シード層16との間をそれぞれ異なるパターンのめっき電流が流れるようにした、時間Tに亘る初期めっき、時間Tに亘る中期めっき、及び時間Tに亘る後期めっきを連続して行うようにしている。
【0062】
つまり、時間Tに亘る初期めっきでは、電流値Aのめっき電流を連続して供給する供給時間Sとめっき電流の供給を停止する停止時間Cの合計をめっき電流供給ピッチPとして、このめっき電流供給ピッチPを複数回Lに亘って断続的に繰返す(T=P×L)ようにしている。時間Tに亘る中期めっきでは、電流値Aのめっき電流を連続して供給する供給時間Sとめっき電流の供給を停止する停止時間Cの合計をめっき電流供給ピッチPとして、このめっき電流供給ピッチPを複数回Mに亘って断続的に繰返す(T=P×M)ようにしている。時間Tに亘る後期めっきでは、電流値Aのめっき電流を連続して供給する供給時間Sとめっき電流の供給を停止する停止時間Cの合計をめっき電流供給ピッチPとして、このめっき電流供給ピッチPを複数回Nに亘って断続的に繰返す(T=P×N)ようにしている。
【0063】
ここで、初期めっきにおけるめっき電流供給時間S、中期めっきにおけるめっき電流供給時間S及び後期めっきにおけるめっき電流供給時間Sは、全て等しく(S=S=S)設定され、初期めっきにおけるめっき電流供給停止時間C、中期めっきにおけるめっき電流供給停止時間C及び後期めっきにおけるめっき電流供給停止時間Cは、段階的に小さくなる(C>C>C)ように設定されている。これによって、初期めっきにおけるめっき電流供給ピッチP、中期めっきにおけるめっき電流供給ピッチP及び後期めっきにおけるめっき電流供給ピッチPは、段階的に小さくなる(P>P>P)。
【0064】
このように、アノード220と基板Wの銅シード層16との間にめっき電流を断続的に供給しながら電気めっきを行うと、めっき電流の供給を停止する停止時間に、イオン濃度勾配を利用した、めっき液の沖合からのイオン拡散現象により、基板W近傍の金属イオン濃度の低下は回復し、ビア12の底部でのイオン拡散による金属イオン供給不足も解消される。このため、ビア12の内部に十分な金属イオンを供給して、めっき液に含まれる添加剤によるボトムアップ成長を促進させながら、均一な膜厚のめっき金属(めっき膜)18を形成することができる。
【0065】
また、初期めっき、中期めっき及び後期めっきを通じて、一定の電流値Aのめっき電流がアノード220と銅シード層16との間を流れる。めっき液に含まれる添加剤の消耗は、アノード電流密度によって影響を受けるが、この例では、アノード220での電流密度を添加剤の消耗を考慮した適正な範囲に維持しながら、めっき電流の供給と停止時間の割合を調節することにより、銅シード層(カソード)16の平均電流密度を低く抑えるようにすることで、めっき金属18の内部にボイドが発生することを防止しながら、良好な埋込みを行うことが容易となる。
【0066】
特開2003−318544公報に開示されているような電流密度を段階的に増加させていく方法では、初期めっきにおいて特に電流密度を低く設定することが必要であり、このような場合、アノード220での電流密度が適正な範囲を外れ、添加剤の消耗が進む場合がある。
【0067】
同様に、アノードとして0.03〜0.05重量%のリンを含む含リン銅を用いる場合には、電流密度が極端に低くなると表面皮膜が剥離してスライムが発生し、それが基板に付着することでめっきの異常成長を起こすなど様々な問題を生じる。この点からも電流を印加する場合には、ある程度の電流値で供給する必要があり、段階的に電流を上昇させる方法ではこのような課題に対応することが困難である。
【0068】
電気めっきの進行に伴って、ビア12内にめっき金属18が徐々に埋込まれると、めっき金属18が埋込まれていないビア12の未充填部の深さが徐々に浅くアスペクト比も徐々に小さくなる。ここに、アスペクト比が小さい程、安定したボトムアップ成長を伴う埋込みめっきが可能となる。そこで、めっき金属の埋込み状態の変化、すなわちビアの未充填部におけるアスペクト比の変化に合わせて、金属イオンをビア底部等に供給するためのめっき電流の停止時間を、めっきの進行に伴って段階的に短くすることで、ビア12内へのめっき金属18の埋込みを効率的に行うことができる。
【0069】
この電気めっき時に、必要に応じて、攪拌パドル232を基板Wと平行に往復運動させて、調整板224と基板Wとの間のめっき液Qを攪拌パドル232で攪拌する。ここで用いる攪拌パドルは、基板面に対して平行に往復運動して、基板面に対して平行なめっき液流を発生させるものであり、ビア内部での流速に比較して基板表面での流速を極めて高くすることが出来る("Copper Electroplating Process for Via Filling in 3D packaging," Advanced Mettallization Conference 2009, 19th Asian Session, P96-97, 2009.あるいは"Erectroplating Copper Filling for 3D Packaging," 59th Electronic Components & Technology Conference, P648-653, 2009.を参照)。このため電流休止中のめっき液によるエッチング作用が基板表面にのみ働き、基板表面の不要なめっき膜を溶解するとともに、めっき液−基板界面でのめっき金属濃度を高めることが出来るので、休止時間を短縮することも出来る。
【0070】
なお、十分な攪拌効果をもたらすためには、パドルの攪拌移動速度の平均値は、70〜100cm/secにすることが望ましい。例えば、パドルを250rpmで動かすことにより、移動速度の平均を約83cm/secとするのが良い。さらにここで提案している攪拌パドルによる攪拌は、パドルの往復運動が基板の外側にまで及ぶよう設計されているため、基板表面で均一な溶解を生じ、めっき液−基板界面でのめっき金属濃度を均一化させることができる。
【0071】
また、調整板によって電位分布を調整し、基板表面でのめっき膜厚を均一化しているが、これを用いないと、電気接点に近い基板外周部のめっき膜厚が相対的に厚くなり、基板中央部分のめっき膜厚が相対的に薄くなる。そのような状態では、初期の電流休止中のエッチング作用により中央部分に析出しためっきがシードとともに溶解してしまう恐れがある。従って、めっき中に供給する電流をOn−Offするような場合には、調整板による電位分布の均一化は必須である。
【0072】
そして、めっき終了後、アノード220と基板Wの銅シード層16との間の電圧の印加を解き、基板を装着した基板ホルダ160を第2搬送ロボット174bで再度保持してめっき槽186から引き上げる。
【0073】
そして、前述と同様にして、基板ホルダ160を第2水洗装置168bまで搬送し、この水洗槽184bに入れた純水に浸漬させて基板の表面を純水洗浄する。しかる後、この基板を装着した基板ホルダ160を、前記と同様にして、ブロー装置172に搬送し、ここで、不活性ガスやエアーを基板に向けて吹き付けて、基板ホルダ160に付着しためっき液や水滴を除去する。しかる後、この基板を装着した基板ホルダ160を、前記と同様にして、ストッカ164の所定の位置に戻して吊下げ保持する。
【0074】
第2搬送ロボット174bは、上記作業を順次繰り返し、めっきが終了した基板を装着した基板ホルダ160を順次ストッカ164の所定の位置に戻して吊下げ保持する。一方、第2搬送ロボット174aにあっては、めっき処理後の基板を装着しストッカ164に戻した基板ホルダ160を2基同時に把持し、前記と同様にして、基板脱着台162上に載置する。
【0075】
そして、清浄空間114内に配置された第1搬送ロボット128は、この基板脱着台162上に載置された基板ホルダ160から基板を取出し、いずれかの洗浄・乾燥装置124に搬送する。そして、この洗浄・乾燥装置124で、表面を上向きにして水平に保持した基板を、純水等で洗浄し、高速回転させてスピン乾燥させた後、この基板を第1搬送ロボット128でロード・アンロードポート120に搭載した基板カセットに戻して、一連のめっき処理を完了する。
【0076】
図11は、本発明の他の実施形態における、アノード220と基板Wの銅シード層16との間を流れるめっき電流と時間との関係を示すグラフである。この図11に示す例では、アノード220と基板Wの銅シード層16との間をそれぞれ異なるパターンのめっき電流が流れるようにした、時間Tに亘る初期めっき、時間Tに亘る中期めっき、及び時間Tに亘る後期めっきを連続して行うようにしている。
【0077】
つまり、時間Tに亘る初期めっきでは、電流値Aのめっき電流を連続して供給する供給時間Sとめっき電流の供給を停止する停止時間Cの合計をめっき電流供給ピッチPとして、このめっき電流供給ピッチPを複数回Lに亘って断続的に繰返す(T=P×L)ようにしている。時間Tに亘る中期めっきでは、電流値Aのめっき電流を連続して供給する供給時間Sとめっき電流の供給を停止する停止時間Cの合計をめっき電流供給ピッチPとして、このめっき電流供給ピッチPを複数回Mに亘って断続的に繰返す(T=P×M)ようにしている。時間Tに亘る後期めっきでは、電流値Aのめっき電流を連続して供給する供給時間Sとめっき電流の供給を停止する停止時間Cの合計をめっき電流供給ピッチPとして、このめっき電流供給ピッチPを複数回Nに亘って断続的に繰返す(T=P×N)ようにしている。
【0078】
ここで、初期めっきにおけるめっき電流供給ピッチP、中期めっきにおけるめっき電流供給ピッチP及び後期めっきにおけるめっき電流供給ピッチPは、全て等しく(P=P=P)設定され、初期めっきにおけるめっき電流供給時間S、中期めっきにおけるめっき電流供給時間S及び後期めっきにおけるめっき電流供給時間Sは、段階的に大きくなる(S<S<S)ように設定されている。これによって、初期めっきにおけるめっき電流供給停止時間C、中期めっきにおけるめっき電流供給停止時間C及び後期めっきにおけるめっき電流供給停止時間Cは、段階的に小さくなる(C>C>C)。
【0079】
このように、めっきの進行に伴って、めっき電流供給時間が段階的に大きくなり、めっき電流供給停止時間が段階的に小さくなるようにしても、アスペスト比が高く、埋込み深さの深いビアの内部に、ボトムアップ成長を促進させながら、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく、銅等のめっき金属を確実に効率よく埋込むことができる。
【0080】
上記の各例では、めっき電流供給パターンのそれぞれ異なる、初期めっき、中期めっき及び後期めっきの3段階のめっきを連続して行うようにしているが、めっき電流供給パターンの異なる2段階のめっきを連続して行うようにしても良く、まためっき電流供給パターンのそれぞれ異なる4段階以上のめっきを連続して行うようにしても良い。
【0081】
電流密度を1ASDとし、電流供給時間を20msec、電流供給停止時間を48msecとした第1のめっきを20min、電流密度を1ASDとし、電流供給時間を40msec、電流供給停止時間を28msecとした第2のめっきを20min行って、径5μm、深さ50μmのビアを合計40minでボイドなく埋めることができたことが確かめられている。
【0082】
図10に示す例においては、めっき電流供給時間を一定にしたまま、めっき電流供給停止時間を段階的に減少させるようにしており、図11に示す例においては、めっき電流供給ピッチを一定にしたまま、めっき電流供給時間を段階的に増加させるようにしているが、例えば図10に示す例において、めっき電流供給停止時間を徐々に減少させるようにしても良く、また図11に示す例において、めっき電流供給時間を段階的に増加させるようにしてもよい。
【0083】
なお、めっき面積に占めるビア面積の総計でみたビア密度は多くても10%以下、通常は5%以下であるが、密度が増えるほどビア内部に供給すべき金属イオンの量が増えるので、本発明の効果が顕著となる。
【0084】
また、アスペクト比が高くなるほどビア側壁でのシード層が不完全になるなどめっき成膜にとって不十分な状態になりがちであるが、ビア密度が高くなるとそれによるめっき欠陥の発生確率が高まり、段階的に電流を上げていくやり方では初期の電流をより低くしてシードが不完全な部分も含めてめっき膜が成長するようにする必要がある。そのことによって、先に記したような様々な問題がより発生しやすくなるが、本発明のめっき方法によれば、添加剤が所定の効果を発揮するようにめっき中の電流密度を一定としているので、そのような問題が発生することも無い。なお、一定の電流密度とは変動範囲±10%程度の範囲を含むものである。
【0085】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことはいうまでもない。例えば、上記例では、電流値を一定としためっき電流を、供給と停止とを断続的に繰返しながら、めっき電流が流れる時間の占める割合がめっきの進行に伴って段階的に変化させるようにしているが、たとえ電流値が一定でない場合であっても、上述したような添加剤の消耗やアノードからのスライム発生の問題が生じない範囲であれば、本願の技術的思想の範囲内において実施されてよい。
【符号の説明】
【0086】
12 ビア
14 バリア層
16 銅シード層
18 めっき金属
20 補助金属層
124 洗浄・乾燥装置
126 前処理装置
160 基板ホルダ
164 ストッカ
166 活性化処理装置
168a,168b 水洗装置
170 めっき装置
172 ブロー装置
186 めっき槽
220 アノード
224 調整板
232 攪拌パドル(攪拌具)
250 めっき電源
252 制御部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ビアが形成された基板の表面とアノードとを互いに対向させつつ、めっき槽内のめっき液中に基板とアノードとを浸漬させて配置し、
前記基板と前記アノードとの間に、電流値を一定としためっき電流を、供給と停止とを断続的に繰返しながら、めっき電流が流れる時間の占める割合がめっきの進行に伴って大きくなるように変化させて、前記ビア内にめっき金属を埋込むことを特徴とする電気めっき方法。
【請求項2】
めっき電流の供給を断続的に停止する停止時間をめっきの進行に伴って短くさせながら、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流すことを特徴とする請求項1記載の電気めっき方法。
【請求項3】
めっき電流を供給する供給時間を一定にして、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流すことを特徴とする請求項1記載の電気めっき方法。
【請求項4】
めっき電流を連続して供給する供給時間をめっきの進行に伴って長くさせながら、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流すことを特徴とする請求項1記載の電気めっき方法。
【請求項5】
めっき電流の供給を断続的に停止する停止時間を一定にして、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流すことを特徴とする請求項4記載の電気めっき方法。
【請求項6】
めっき電流の供給と停止とを断続的に繰返すめっき電流供給ピッチを一定にして、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流すことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の電気めっき方法。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate

【図11】
image rotate


【公開番号】特開2012−132058(P2012−132058A)
【公開日】平成24年7月12日(2012.7.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−284326(P2010−284326)
【出願日】平成22年12月21日(2010.12.21)
【出願人】(000000239)株式会社荏原製作所 (1,477)
【Fターム(参考)】