電気めっき装置
【課題】良質で均一な金属膜を簡易かつ高い生産性で半導体ウェハ上に形成できる電気めっき装置を提供すること。
【解決手段】１つのめっき浴内でめっき液を循環させ、カソードであるウェハ１４ａ〜１４ｃとアノード１３ａ〜１３ｃである電極との間を通電させて該ウェハ１４ａ〜１４ｃに対して電気めっきを施す電気めっき装置１であって、ウェハ１４ａ〜１４ｃの表面近傍のめっき液を攪拌して乱流化するパドル１８と、めっき浴中のめっき液全体を攪拌する攪拌子１９と、を備えたことを特徴とする。
【解決手段】１つのめっき浴内でめっき液を循環させ、カソードであるウェハ１４ａ〜１４ｃとアノード１３ａ〜１３ｃである電極との間を通電させて該ウェハ１４ａ〜１４ｃに対して電気めっきを施す電気めっき装置１であって、ウェハ１４ａ〜１４ｃの表面近傍のめっき液を攪拌して乱流化するパドル１８と、めっき浴中のめっき液全体を攪拌する攪拌子１９と、を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体ウェハ等の表面に金属膜を形成する電気めっき装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体素子製造のバンプ形成工程や配線形成工程などでは、半導体ウェハ上に金や銅などの金属膜を厚さ数μｍにわたって形成するが、この金属膜の形成は、電気めっき法が用いられる。この金属膜は、半導体素子に電流を導入する役割を果たすため、良好な導電特性を有している必要がある。従って、電気めっきでは、高純度な膜質と均一な膜厚とをもつ金属膜を形成することが求められる。
【０００３】
電気めっきは、半導体ウェハをカソードとし、アノードと共にめっき液中に浸漬し、電極間に電圧をかけ、めっき液中の金属イオンを半導体ウェハ上に析出させることによって金属膜を形成する。このとき、金属イオンが半導体ウェハ表面から電子を受け取るため、電極間に電流が流れる。従って、金属膜の析出量は、めっき中に流れた電流の時間積分でおおよそ決まる。ただし、所望の膜質および膜厚の金属膜を半導体ウェハ面内で均一、かつ半導体ウェハ間で安定的に形成するためには、めっき時間と投入電流量とを決めるだけでなく、半導体ウェハ表面におけるめっき液の温度場、流れ場、濃度場、電場、純度をそれぞれ厳密に制御する必要がある。
【０００４】
このような要求を満たすため、電気めっき装置には様々な工夫がなされ、温度場、流れ場、濃度場を制御するものとしては、めっき液を噴流として被めっき面にあてて攪拌を行うもの（特許文献１参照）、半導体ウェハ表面において流れを定常的な層流とするもの（特許文献２参照）、半導体ウェハ表面近傍の流れを断続的に乱流とするもの（特許文献３参照）が開示されている。
【０００５】
また、電場を制御するものとしては、アノードとウェハとの間に遮蔽板を設けるもの（特許文献４，５参照）、棒状のアノードでウェハ表面近傍を走査するもの（特許文献６参照）が開示されている。
【０００６】
さらに、純度を制御するものとしては、めっき浴外にめっき液循環用ポンプ、不純物除去用フィルター、および温調機構を設け、めっき中は常にめっき液を循環させるようにしている（特許文献１〜６参照）。このような循環系を用いるのは、めっき中は、ウェハ表面に金属が析出することに付随する反応としてめっき液中に水酸化物が生成することや、めっき液外からも細かい塵や埃などを取り込むことなどにより、浮遊物が発生し、これらの浮遊物が、めっき液中の金属イオンを取り込みやすく、クーロン力によりウェハ上に吸い寄せられて堆積し、金属膜中で不純物として比抵抗を増大させる要因となるからである。
【０００７】
【特許文献１】特公昭６０−５８７９９号公報
【特許文献２】特開平７−５４１８９号公報
【特許文献３】特開平９−２７３０００号公報
【特許文献４】特公昭６１−４８５９０号公報
【特許文献５】特開２００３−３４８９３号公報
【特許文献６】特許第２９３５６４７号明細書
【特許文献７】特開平６−２８００９８号公報
【特許文献８】特許第２５９８８７７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した循環系を設けると、電気めっき装置全体が複雑化し、コストアップやメンテナンス性の悪化を招くだけでなく、めっき液循環用ポンプが送り出す流量や温調機構の制御温度などのばらつき要因が増える結果となってしまい、結果として均一な金属膜を形成できないという問題点があった。
【０００９】
また、亜硫酸系のめっき液を使用する場合は、めっき液中の亜硫酸イオンが空気中の酸素によって酸化されやすく、この酸化物も金属膜中に不純物として取り込まれてしまうことがあるため、空気との接触を極力避ける必要がある。ここで、循環系を備えた電気めっき装置は、浴外にめっき液をオーバーフローさせる際に空気と触れる機会が多くなるため、めっき液の寿命が短くなってしまうという問題点がある。これに対して、めっき浴と循環系を不活性ガス雰囲気としてめっき液の酸化を防ぐものが開示されている（特許文献７参照）が、この不活性ガス雰囲気を用いると更なる装置のコストアップを生じさせるという問題点がある。
【００１０】
一方、実際の半導体素子製造工程では、上述しためっき液の管理によって均一で良質な金属膜が得られるということに加え、高い生産性が求められる。すなわち、１枚のウェハにめっきするための時間は、めっきに最適な電流密度と必要な膜厚から概ね決まってしまうため、電気めっきによる金属膜形成の生産性を向上するには複数枚のウェハを同時にめっきできることが重要となる。
【００１１】
しかし、１つのめっき浴に複数のウェハおよびアノードを浸漬して同時にめっきを行おうとすると、各電極間にめっき液を媒体とした迷走電流が生じ、不安定な電場が形成されてしまい、結果として良質でかつ均一な金属膜を形成できないという問題点があった。
【００１２】
そこで、図１８に示すように、ウェハをそれぞれ独立のめっき液系に浸漬、給電する方法が考えられるが、この方法の場合、それぞれのめっき液系ごとにイオン濃度などの管理を行う必要があり、ウェハ間で膜質や膜厚がばらつく要因となってしまう。また、この方法は、ウェハ単枚用の装置自体を複数用意することに他ならず、同時処理するウェハの枚数分のめっき装置を用意しなければならない。このため、複数の独立しためっき浴および循環系に対して共通の貯液タンクを設け、同一のめっき液を供給する方法が一般的である（特許文献８参照）。
【００１３】
しかし、共通のめっき液を用いるので、上述したように、めっき液を媒介した迷走電流が生じるのを避けることはできない。さらに、循環系が独立しているため、ポンプや温調機構が各循環系によってばらつく要因となり得る。また、図１８に示した、電気めっき装置自体を複数用意する装置に比べると、貯液タンクが共通となっただけであり、めっき浴や循環系は同時処理するウェハの枚数分用意しなければならないことに変わりはなく、装置構成が複雑かつ大きくなる。
【００１４】
これに対して、図１９および図２０に示すように、１つのめっき浴で複数枚のウェハに対してめっきを行うことが考えられるが、いずれの場合もウェハ間での迷走電流を効果的に抑制できず、ウェハ間で析出量のばらつきが生じてしまうという問題点があった。
【００１５】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、良質で均一な金属膜を簡易かつ高い生産性で半導体ウェハ上に形成できる電気めっき装置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】
【００１６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる電気めっき装置は、１つのめっき浴内でめっき液を循環させ、カソードである被めっき物とアノードである電極との間を通電させて該被めっき物に対して電気めっきを施す電気めっき装置であって、被めっき物の表面近傍のめっき液を攪拌して乱流化する局所攪拌手段と、前記めっき浴中のめっき液全体を攪拌する全体攪拌手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記全体攪拌手段は、前記被めっき物近傍の流速に比して前記めっき浴の底部の流速を遅くし、該めっき浴の底部においてめっき浴中の浮遊物を沈殿させる淀み領域を形成することを特徴とする。
【００１８】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、複数の被めっき物が同一のめっき浴内に配置された状態で各被めっき物に対して同時にめっきする電気めっき装置であって、アノードである電極に共通接続され、カソードである各被めっき物毎に電流を供給する複数の可変電源と、各可変電源から供給される電流値を制御し、前記アノードである電極の電位を等しくする制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記被めっき物の表面近傍のめっき液を攪拌して乱流化する局所攪拌手段と、前記めっき浴中のめっき液全体を攪拌する全体攪拌手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記全体攪拌手段は、前記被めっき物近傍の流速に比して前記めっき浴の底部の流速を遅くし、該めっき浴の底部においてめっき浴中の浮遊物を沈殿させる淀み領域を形成することを特徴とする。
【００２１】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記アノードである電極と前記被めっき物である半導体ウェハとを略平行に配置したことを特徴とする。
【００２２】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記被めっき物である半導体ウェハを略水平上向きあるいは略水平下向きに設置したことを特徴とする。
【００２３】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記被めっき物である半導体ウェハを同一水平面上に配置したことを特徴とする。
【００２４】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記被めっき物と前記アノードとの間に該被めっき物の形状に応じた誘電体部材を設置することを特徴とする。
【００２５】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記めっき液の表面を不活性ガス雰囲気で覆うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
この発明にかかる電気めっき装置は、局所攪拌手段が、被めっき物の表面近傍のめっき液を攪拌して乱流化するとともに、全体攪拌手段が、前記めっき浴中のめっき液全体を攪拌するようにしているので、めっき液の温度場、流れ場、濃度場、電場、純度を効果的に均一に管理することができ、１つのめっき浴で複数、同時にめっきを行う場合であっても、被めっき物間・バッチ間で膜質、膜厚がばらつくことがなく、安定して金属膜を形成することができ、簡易な構成で、良質で均一な金属膜を高い生産性で形成できるという効果を奏する。
【００２７】
この発明にかかる電気めっき装置は、複数の被めっき物が同一のめっき浴内に配置された状態で各被めっき物に対して同時にめっきする場合、アノードである電極に共通接続され、カソードである各被めっき物毎に電流を供給する複数の可変電源と、各可変電源から供給される電流値を制御し、前記アノードである電極の電位を等しくする制御手段とを設け、アノードである各電極の電極電位を等しくした状態で、各被めっき物に対する電流値を制御することができるので、迷走電流の発生をなくすことができ、これによって、被めっき物間・バッチ間で膜質、膜厚がばらつくことがなく、安定した金属膜を形成することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、この発明を実施するための最良の形態である電気めっき装置について、図面を参照して説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１である電気めっき装置の概要構成を示す模式図である。また、図２は、図１に示した電気めっき装置の概要構成を示す斜視図である。さらに、図３は、図１に示した電気めっき装置における被めっき物であるウェハ近傍のめっき液の流れを示す模式図である。図１〜図３において、この電気めっき装置１は、外部にめっき液の循環系をもたず、１つのめっき浴内で１以上のウェハに対して電気めっきを施すものである。
【００３０】
電気めっき装置１は、めっき容器１０内に亜硫酸系（ノンシアン系）のめっき液１１を満たしためっき浴を形成し、カソードとしての被めっき物である３つのウェハ１４ａ〜１４ｃをめっき浴内に配置するとともに３つのアノード１３ａ〜１３ｃをめっき浴内に支持する３つの固定治具１２ａ〜１２ｃを有する。各ウェハ１４ａ〜１４ｃは、めっき面を略水平上向きされて固定治具１２ａ〜１２ｃに配置され、各アノード１３ａ〜１３ｃは、各ウェハ１４ａ〜１４ｃにそれぞれ対応して略平行に設けられる。
【００３１】
めっき浴の底部には、めっき液全体を定常的に攪拌する攪拌子１９が設けられる。攪拌子１９は、めっき容器１０の底部に設けられた攪拌子回転部２０による回転磁界によって回転され、この回転よってめっき浴内のめっき液全体を攪拌する。また、ウェハ容器１０の中央上部に設けられたモータ１７の軸先端にパドル１８が取り付けられる。このパドル１８は、ウェハ１４ａ〜１４ｃとアノード１３ａ〜１３ｃとの各間を回転走行するように配置され、特にウェハ表面近傍を断続的に攪拌する。
【００３２】
各ウェハ１４ａ〜１４ｃには、それぞれ対応する可変電源１５ａ〜１５ｃが接続されてとともに、この可変電源１５ａ〜１５ｃに電流計１６ａ〜１６ｃがそれぞれ直列接続されて、各ウェハ１４ａ〜１４ｃに流れる電流量が制御される。また、各アノード１３ａ〜１３ｃは、各可変電源１５ａ〜１５ｃのプラス側に共通接続されるため、各アノード１３ａ〜１３ｃの電極電位が等しくなる。
【００３３】
めっき容器１０の底部には、さらにヒータ２１が設けられ、さらに、めっき浴内の温度検出手段としての熱電対２２がめっき浴内に設けられ、ヒータ２１および熱電対２２は、めっき浴の温度調節に用いられる。
【００３４】
コントローラＣは、モータ１７の回転数を制御することによってパドル１８によるウェハ近傍の局所的な攪拌を制御する。また、コントローラＣは、攪拌子回転部２０を制御することによって攪拌子１９による回転を制御し、これによってめっき浴内のめっき液全体の攪拌を制御する。さらに、コントローラＣは、熱電対２２から入力される温度情報をもとにヒータ２１の通電量を制御し、めっき浴の温度を制御する。また、コントローラＣは、各電流計１６ａ〜１６ｃから入力される電流値をもとに各可変電源１５ａ〜１５ｃを制御し、これによって各ウェハ１４ａ〜１４ｃに流れる電流量、すなわち、めっきの析出量を制御する。
【００３５】
図３に示すように、パドル１８がウェハ１４ｂとアノード１３ｂとの間を断続的に移動することによって、このウェハ１４ｂとアノード１３ｂとの間には乱流領域Ｅ１が生成し、めっき液の流れが、乱流化される。
【００３６】
ところで、一般の電気めっき装置では、攪拌子１９のみによってめっき液を攪拌するようにしていたが、この場合、めっき表面は、凹凸の激しい膜を形成していた。たとえば、半導体製造工程におけるバンプや配線形成工程では、ウェハに対して電気めっきを行うが、この場合、ウェハ表面はスパッタなどによってバリアメタルが全面に形成され、最表面はレジストなどでパターニングされており、めっきによる金属膜はレジストがないバリアメタル上にだけ選択的に形成される。このため、電気めっき時に、ウェハの表面近傍にはレジストにより高さ数μｍの凹凸が存在しており、めっき液の流れ場は全体攪拌による一定方向への均一な流れ方とは全く異なり、特に金属膜が形成されるレジストの狭間では巻き込み渦流れや淀みが形成されることになる。金属表面では、随時めっき反応が進行し金属イオンが消費されていることから、巻き込み渦流や淀みのように定常的に不均一な流れ場は、不均一な濃度分布を形成することになり、図５に示すように、レジストの狭間、あるいは上流側と下流側で不均一な成膜が起こり、結果として表面の凹凸が大きくなってしまう。このようにして形成された表面形状を有する金属膜を、配線等に使用する場合、凸部への電荷集中によってスパーク等を発生させ、デバイス性能に致命的な影響を与えることになる。
【００３７】
これに対し、この実施の形態１では、パドル１８によって、ウェハ１４ｂの表面近傍を攪拌し、乱流を積極的に生じさせて、不均一な流れ場および濃度場をなくすようにしている。特に、ウェハ表面で金属イオンが消費されたウェハ表面近傍に発生する金属イオンの欠乏層を解消し、ウェハ表面近傍での流れ場、濃度場を均一にすることができる。このため、たとえば、図４に示すように、図５と比較してレジストの下流側での金属膜の盛り上がりが小さくなり、平坦な表面形状をもつ金属膜が形成される。なお、このパドル１８の攪拌を断続的に行うものとして説明したが、定常的に行ってもよい。
【００３８】
また、この実施の形態１では、上述した攪拌子１９によってめっき液全体を攪拌して、めっき浴中の温度場、流れ場、濃度場を均一に形成するようにしているが、さらに、この攪拌子１９は、めっき浴底部において流速の遅い淀み領域Ｅ２を形成するようにしている。
【００３９】
通常、めっき浴の底部は、パドル１８による攪拌の影響が及ばず、攪拌子１９および自然対流のみによってめっき液の流れ場が形成されている。ここで、攪拌子１９は、パドル１８による攪拌の影響が及ばないめっき浴底部において、めっき浴内の浮遊物が沈殿する遅い流れ場を強制的に生成させる。このめっき浴底部の流れ場の流速は、少なくともウェハ近傍の流れ場の流速よりも遅い流速となる。ここで、ウェハ近傍とめっき浴底部のめっき液は、互いに固定治具１２ａ〜１２ｃの左右を通してウェハ上部とめっき浴底部とを循環することになるが、底部にて浮遊物が沈殿するため、浮遊物は徐々にめっき浴底部に堆積していく。これは、めっき液中の浮遊物は粒子としてブラウン運動をして互いに衝突しつつ浮き沈みをしているため、めっき液の運動エネルギーが小さければ、次第に大きな粒となって沈殿するからである。これにより、ウェハ表面近傍には常に清浄なめっき液が供給されることになる。ただし、めっき終了後はめっき液を浴外の密閉タンクに移して保管するが、その際にフィルタリングによりめっき液中の浮遊物を除去するとともに、めっき浴を純粋等で洗浄する。
【００４０】
また、この実施の形態１では、被めっき物である複数のウェハを同時に電気めっきするようにしているが、この場合の電気回路系は、図６に示したように、カソード１３ａ〜１３ｃを共通接続してカソードの電源電位を等しくするとともに、カソードであるウェハ１４ａ〜１４ｃに対してそれぞれ可変電源１５ａ〜１５ｃを設けて電流値を制御するようにしている。
【００４１】
この場合、各アノード１３ａ〜１３ｃ間では迷走電流は発生せず、各ウェハ１４ａ〜１４ｃに流れる電流を同一になるように制御することで電極電位も等しくなるため、各ウェハ１４ａ〜１４ｃでの金属の析出量は等しくなる。実際には、アノード１３ａ〜１３ｃからは、対をなしているウェハ１４ａ〜１４ｃ以外へ迷走電流が流れるが、各アノード１３ａ〜１３ｃの電極電位、各ウェハ１４ａ〜１４ｃの電極電位、各電極間の電位差が等しいため、迷走電流は全てのアノード１３ａ〜１３ｃから均等に流れ、全てのウェハ１４ａ〜１４ｃに均等に流入する。この結果、迷走電流は互いに相殺され、実質的に無視できるようになる。従って、わざわざ同時に処理するウェハの枚数分のめっき浴や循環系を設ける必要がなくなるだけでなく、特別な制御なしに各ウェハ１４ａ〜１４ｃ表面の温度場、流れ場、濃度場を均一にすることができる。
【００４２】
なお、図６に示した構成では、理論上、迷走電流は相殺され、ウェハ１４ａ〜１４ｃ間で析出量の違いは出ないはずである。しかし、実際には、配線の分岐部分からアノード１３ａ〜１３ｃまでの配線や接続部分での抵抗値が異なると、その部分での電位損失のために、それぞれのアノード１３ａ〜１３ｃの電極電位が異なってしまい、迷走電流を誘発してしまう。通常、電気めっき装置ではワニ口クリップなどにより電極に給電することが多いが、このような方法は接触信頼性が低く、接触抵抗が大きいばかりでなく再現性も得られない。また、接続部がめっき液からの蒸発する水蒸気に曝される部分にあると、電蝕反応を起こしやすくなり、さらに接触信頼性が低下する。ここで、アノード１３ａ〜１３ｃへの配線の分岐部分からの電位損失を制御することで、アノード１３ａ〜１３ｃ間の電位差をなくすことができる。なお、たとえば、図１９に示した回路構成では、アノード同士の電極電位を同一にすることは原理的に困難である。また、図２０に示した回路構成では、カソード側の分岐部分からの電位損失も制御しなければならないが、カソードであるウェハに対してはウェハ表面に電極金属を押し当てて給電する必要があり、ここでの接触抵抗をバッチ間で安定に制御することは困難である。すなわち、アノード１３ａ〜１３ｃの電極電位を厳密に揃えるために、配線及び接続部分の抵抗を等しくなるようにし、この結果、迷走電流をなくすことができ、各ウェハ間の膜厚のばらつきを小さくすることができた。
【００４３】
ところで、上述した実施の形態１では、パドル１８を用いた局所的な攪拌と、攪拌子１９を用いた全体的な攪拌とを行うようにしていたが、図８は、パドル１８を用いない場合におけるめっき後の金属表面結果を示す図である。めっき中に、金属表面に浮遊物や気泡が付着すると、付着物に導電性がない場合は、その部分は金属の析出が止まってしまい、付着物が導電性の場合は、その上に金属が析出してしまう。この結果、めっき後の金属表面の凹凸が大きくなってしまい、図８に示すような表面となる。
【００４４】
これに対し、この実施の形態１では、パドル１８によって、めっき液中の浮遊物や気泡がウェハ表面に付着しない、あるいは付着しても除去することができ、さらに、攪拌子１９が形成する淀み領域Ｅ１において、ウェハ表面に付着しようとする浮遊物を除去し、トラップするようにしているので、図７に示すように、図８に比して、清浄で平坦な表面を得ることができる。
【００４５】
なお、固定治具１２ａ〜１２ｃ上に配置されるウェハ１４ａ〜１４ｃは、図９〜図１１に示すめっき用治具によって保持される。このめっき用治具は、ベース部材４２と導電性部品４３と有する。ベース部材４２には、平面視円形の凹部４２ａが形成され、この凹部４２ａ内にウェハ１４ａが収容される。ベース部材４２は、絶縁性部材であればよい。たとえば、塩化ビニル、テフロン（登録商標）などのフッ素系樹脂または金属にフッ素系樹脂をコーティングしたものである。
【００４６】
導電性部品４３は、図１０に示すように、平面視狭幅の板状体の基部４３ａと、その一端に固設され、かつウェハ１４ａと接触する接触部４３ｂとを有する。導電性部品４３は、板状体の基部４３ａの他端に形成された取付孔４３ｃを介してベース部材４２の周縁部４２ｂのネジ穴にネジ５０によって固定される。
【００４７】
この導電性部品４３の場合、板状体である基部４３ａを、弾性を有する素材で構成し、その板状体の幅を狭幅にすることによって、板状体を、板バネのように機能させることができる。なお、導電性部品４３に限らず、たとえば、図１１に示すように取付孔４６ｃおよび小面積の接触部４６ａを有する先細りの弾性板状体４６ｂを２箇所で屈曲してなる導電性部品４６としてもよい。
【００４８】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。この実施の形態２では、実施の形態１の電気めっき装置に対してさらに、ウェハとアノードとの間に誘電体部材を設け、ウェハの形状に合わせて誘電体部材の形状を調整することによってウェハ表面の電場を制御し、均一なめっき膜を形成するようにしている。
【００４９】
図１２は、この発明の実施の形態２である電気めっき装置の一部構成を示す模式図である。図１２に示すように、この電気めっき装置は、誘電体部材６０をウェハ１４ｂとアノード１３ｂとの間のアノード１４ｂ側に設けている。ウェハ１４ｂの形状が円形である場合、誘電体部材６０が形成する開口形状は、このウェハ１４ｂの円形に比してやや小さい径をもった円形となる。この誘電体部材６０は、誘電体による電界の遮蔽効果によってウェハ１４ｂ表面の電場を制御するものであり、誘電体部材６０の形状は、実験的あるいはシミュレーションによって最適化される。
【００５０】
この実施の形態２では、同一めっき浴内で、複数のウェハを同時にめっきすることを前提としているが、この誘電体部材６０を設けることによって、迷走電流を抑制し、めっき効率を向上させ、ウェハ間のばらつきもさらに小さく、かつ安定に保つ効果が得られる。なぜなら、この実施の形態２では、迷走電流は各電極間で相殺されるためにほぼ無視できるが、アノードから流れる迷走電流は、対向するウェハへのめっきに寄与しない電流であり、めっき効率を低下させる原因となり、また何らかの原因で相殺されているバランスが崩れると、めっきの結果にばらつきを生じてしまうため、本来は極力抑制されるべきものである。迷走電流は、アノードの部位のうち、ウェハとの間の電場からの拘束を受けない部位の表面から多く流れており、このような部分は表面が露出している必要がない。このため、アノードの露出不要な部分を誘電体部材で覆うことにより、対向するウェハに向かう最適化された電場が集中的に形成され、迷走電流が抑制される。
【００５１】
遮蔽板として機能する誘電体部材６０の材質は、厚さ０．１ｍｍのフッ素樹脂シートを用いているが、塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン等、めっき液への化学的耐久性および耐熱性があれば使用可能である。また、この実施の形態２では、誘電体部材６０の中央にウェハ１４ｂと同心円状の開口部を設け、この大きさを変えた実験によって最適化を行ったものを用いているが、厚さを変えることや全体に無数の穴を開け、その開口率を同心円状に連続的に変化させる等の形状で最適化したものを用いてもよい。
【００５２】
ここで、図１３を参照して、誘電体部材６０の最適化の結果について説明する。ウェハ１４ｂは、４インチであり、アノード１３ｂは直径約１６０ｍｍの略円盤状のパンチングメタルであり、アノード１３ｂとウェハ１４ｂとの間の距離はパドル１８の通過も考慮して約２０ｍｍとした。なお、均一性とは、膜厚ばらつきの標準偏差３σを平均膜厚Ｔで除算した値を百分率で表したものである。
【００５３】
図１３は、誘電体部材６０の開口径を変えた４インチのウェハ１４ｂの面内均一性およびそのときのめっき膜の概略の分布形状を示している。図１３に示すように、誘電体部材６０の開口径が約３インチのとき、面内均一性が約１５％と最も低く、分布形状も周縁部がやや厚くなるものの、ほぼ平坦となった。この結果から、４インチのウェハ基板に対しては、中心部に直径３インチの開口を有した誘電体部材６０が最適であると判断される。
【００５４】
なお、この実施の形態２では、４インチのウェハを被めっき物としたが、誘電体部材６０の開口径を小さくすることで、たとえば、３インチや２インチ、あるいは矩形のウェハに対応することも可能である。このように、アノードと同等以下の大きさのウェハであれば、誘電体部材６０の形状を変えるだけで様々な形状のウェハに対応させることができる。
【００５５】
（実施の形態３）
つぎに、この発明の実施の形態３について説明する。上述した実施の形態１，２では、アノードが各ウェハ毎に独立して設置されていたが、この実施の形態３では、各ウェハに共通の１つのアノードをもつようにして、アノード電位が等しくなるようにしている。
【００５６】
図１４は、この発明の実施の形態３である電気めっき装置の概要を示す平面図である。また、図１５は、図１４に示した電気めっき装置の斜視図である。図１４および図１５において、この電気めっき装置では、めっき浴内に、複数のウェハ７４ａ〜７４ｆを浸漬し、その外周にメッシュ状のアノード７３を配置している。アノード７３は、一体となっているので、電極電位は均一である。各ウェハ７４ａ〜７４ｆは、それぞれ個別にカソード７３に接続されており、コントローラＣによってアノード７３に流れる電流値が制御される。結果的に、図６に示した電気回路系と同じ回路が容易に形成されることになる。
【００５７】
なお、この実施の形態３では、ウェハ７４ａ〜７４ｆのめっき表面が鉛直を向くので、めっき時における浮遊物の影響を低減し、さらにこの浮遊物の沈殿効果を高めることができる。
【００５８】
また、アノードの電極電位が一定となっていれば、めっき浴内で独立して設けられていてもよい。たとえば、図１６に示すように、アノード７３を、各ウェハ７４ａ〜７４ｆに対応したアノード７３ａ〜７３ｆとする独立して設けるようにしてもよい。なお、パドル１８に対応するパドルは、各ウェハとアノードとの間を攪拌することになる。
【００５９】
（実施の形態４）
つぎに、この発明の実施の形態４について説明する。この発明の実施の形態４は、上述した発明の実施の形態１〜３の構成に、さらにめっき液の表面を不活性ガス雰囲気で覆う構成を追加している。
【００６０】
図１７は、この発明の実施の形態４である電気めっき装置の構成を示す模式図である。図１７では、実施の形態１の構成に、さらにガス源８１とめっき浴を覆う蓋８０とを設けている。蓋８０によって画成された空間に、ガス源８１から不活性ガスとしての窒素ガスを送り込み、この空間を微陽圧として、大気からの空気の侵入を防ぐようにしている。これによって、めっき液表面は不活性ガス雰囲気で覆われるため、めっき液の酸化が防止される。なお、Ｏリング等を用いてシールし、完全に大気と隔離しても良い。
【００６１】
このようにめっき液表面を窒素ガスで覆うと、めっき液の酸化が防止される。たとえば、亜硫酸系のめっき液を用いて、４インチのウェハ３枚に対するめっきを、大気に曝して使用し続けた場合は、１５回程度で金属表面が荒れる等の異常が観察されるたが、めっき液表面を窒素ガスで覆った場合、３０会程度まで金属表面が荒れることなく使用することができた。
【００６２】
なお、上述した実施の形態１〜３では、めっき中にめっき液をめっき浴外に循環しないで、１つのめっき浴内で複数のウェハに対してめっきすることを前提として説明したが、これに限らず、１つのめっき浴内で１つのウェハに対してめっきするようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】この発明の実施の形態である電気めっき装置の概要構成を示す模式図である。
【図２】図１に示した電気めっき装置の概要構成を示す斜視図である。
【図３】図１に示した電気めっき装置のアノードおよびカソード近傍の構成を示す模式図である。
【図４】乱流化によるウェハ表面近傍のめっき状態を示す模式図である。
【図５】乱流化を行わない場合におけるウェハ表面近傍のめっき状態を示す模式図である。
【図６】図１に示した電気めっき装置の電気回路系を示す回路図である。
【図７】図１に示した電気めっき装置を用いてめっきを施した場合のウェハ表面を示す図である。
【図８】従来の電気めっき装置を用いてめっきを施した場合のウェハ表面を示す図である。
【図９】ウェハを保持するめっき用治具の構成を示す平面図である。
【図１０】めっき用治具の導電性部品の構成を示す斜視図である。
【図１１】他の導電性部品の構成を示す斜視図である。
【図１２】この発明の実施の形態２である電気めっき装置のアノードおよびカソード近傍の構成を示す模式図である。
【図１３】誘電体部材の開口径を変化させた場合におけるめっき膜の均一性およびめっき膜の概要分布形状を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態３である電気めっき装置の概要構成を示す平面図である。
【図１５】図１４に示した電気めっき装置の概要構成を示す斜視図である。
【図１６】この発明の実施の形態３の変形例である電気めっき装置の概要構成を示す平面図である。
【図１７】この発明の実施の形態４である電気めっき装置の概要構成を示す模式図である。
【図１８】従来の電気めっき装置の電気回路系を示す回路図である。
【図１９】従来の電気めっき装置の電気回路系の他の例を示す回路図である。
【図２０】従来の電気めっき装置の電気回路系の他の例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 電気めっき装置
１０ めっき容器
１１ めっき液
１２ａ〜１２ｃ 固定治具
１３ａ〜１３ｃ，７３，７３ａ〜７３ｆ アノード
１４ａ〜１４ｃ，７４ａ〜７４ｆ ウェハ
１５ａ〜１５ｃ 可変電源
１６ａ〜１６ｃ 電流計
１７ モータ
１８ パドル
１９ 攪拌子
２０ 攪拌子回転部
２１ ヒータ
２２ 熱電対
４２ めっき用治具
４３，４６ 導電性部品
６０ 誘電体部材
８０ 蓋
８１ ガス源
Ｃ コントローラ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体ウェハ等の表面に金属膜を形成する電気めっき装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体素子製造のバンプ形成工程や配線形成工程などでは、半導体ウェハ上に金や銅などの金属膜を厚さ数μｍにわたって形成するが、この金属膜の形成は、電気めっき法が用いられる。この金属膜は、半導体素子に電流を導入する役割を果たすため、良好な導電特性を有している必要がある。従って、電気めっきでは、高純度な膜質と均一な膜厚とをもつ金属膜を形成することが求められる。
【０００３】
電気めっきは、半導体ウェハをカソードとし、アノードと共にめっき液中に浸漬し、電極間に電圧をかけ、めっき液中の金属イオンを半導体ウェハ上に析出させることによって金属膜を形成する。このとき、金属イオンが半導体ウェハ表面から電子を受け取るため、電極間に電流が流れる。従って、金属膜の析出量は、めっき中に流れた電流の時間積分でおおよそ決まる。ただし、所望の膜質および膜厚の金属膜を半導体ウェハ面内で均一、かつ半導体ウェハ間で安定的に形成するためには、めっき時間と投入電流量とを決めるだけでなく、半導体ウェハ表面におけるめっき液の温度場、流れ場、濃度場、電場、純度をそれぞれ厳密に制御する必要がある。
【０００４】
このような要求を満たすため、電気めっき装置には様々な工夫がなされ、温度場、流れ場、濃度場を制御するものとしては、めっき液を噴流として被めっき面にあてて攪拌を行うもの（特許文献１参照）、半導体ウェハ表面において流れを定常的な層流とするもの（特許文献２参照）、半導体ウェハ表面近傍の流れを断続的に乱流とするもの（特許文献３参照）が開示されている。
【０００５】
また、電場を制御するものとしては、アノードとウェハとの間に遮蔽板を設けるもの（特許文献４，５参照）、棒状のアノードでウェハ表面近傍を走査するもの（特許文献６参照）が開示されている。
【０００６】
さらに、純度を制御するものとしては、めっき浴外にめっき液循環用ポンプ、不純物除去用フィルター、および温調機構を設け、めっき中は常にめっき液を循環させるようにしている（特許文献１〜６参照）。このような循環系を用いるのは、めっき中は、ウェハ表面に金属が析出することに付随する反応としてめっき液中に水酸化物が生成することや、めっき液外からも細かい塵や埃などを取り込むことなどにより、浮遊物が発生し、これらの浮遊物が、めっき液中の金属イオンを取り込みやすく、クーロン力によりウェハ上に吸い寄せられて堆積し、金属膜中で不純物として比抵抗を増大させる要因となるからである。
【０００７】
【特許文献１】特公昭６０−５８７９９号公報
【特許文献２】特開平７−５４１８９号公報
【特許文献３】特開平９−２７３０００号公報
【特許文献４】特公昭６１−４８５９０号公報
【特許文献５】特開２００３−３４８９３号公報
【特許文献６】特許第２９３５６４７号明細書
【特許文献７】特開平６−２８００９８号公報
【特許文献８】特許第２５９８８７７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した循環系を設けると、電気めっき装置全体が複雑化し、コストアップやメンテナンス性の悪化を招くだけでなく、めっき液循環用ポンプが送り出す流量や温調機構の制御温度などのばらつき要因が増える結果となってしまい、結果として均一な金属膜を形成できないという問題点があった。
【０００９】
また、亜硫酸系のめっき液を使用する場合は、めっき液中の亜硫酸イオンが空気中の酸素によって酸化されやすく、この酸化物も金属膜中に不純物として取り込まれてしまうことがあるため、空気との接触を極力避ける必要がある。ここで、循環系を備えた電気めっき装置は、浴外にめっき液をオーバーフローさせる際に空気と触れる機会が多くなるため、めっき液の寿命が短くなってしまうという問題点がある。これに対して、めっき浴と循環系を不活性ガス雰囲気としてめっき液の酸化を防ぐものが開示されている（特許文献７参照）が、この不活性ガス雰囲気を用いると更なる装置のコストアップを生じさせるという問題点がある。
【００１０】
一方、実際の半導体素子製造工程では、上述しためっき液の管理によって均一で良質な金属膜が得られるということに加え、高い生産性が求められる。すなわち、１枚のウェハにめっきするための時間は、めっきに最適な電流密度と必要な膜厚から概ね決まってしまうため、電気めっきによる金属膜形成の生産性を向上するには複数枚のウェハを同時にめっきできることが重要となる。
【００１１】
しかし、１つのめっき浴に複数のウェハおよびアノードを浸漬して同時にめっきを行おうとすると、各電極間にめっき液を媒体とした迷走電流が生じ、不安定な電場が形成されてしまい、結果として良質でかつ均一な金属膜を形成できないという問題点があった。
【００１２】
そこで、図１８に示すように、ウェハをそれぞれ独立のめっき液系に浸漬、給電する方法が考えられるが、この方法の場合、それぞれのめっき液系ごとにイオン濃度などの管理を行う必要があり、ウェハ間で膜質や膜厚がばらつく要因となってしまう。また、この方法は、ウェハ単枚用の装置自体を複数用意することに他ならず、同時処理するウェハの枚数分のめっき装置を用意しなければならない。このため、複数の独立しためっき浴および循環系に対して共通の貯液タンクを設け、同一のめっき液を供給する方法が一般的である（特許文献８参照）。
【００１３】
しかし、共通のめっき液を用いるので、上述したように、めっき液を媒介した迷走電流が生じるのを避けることはできない。さらに、循環系が独立しているため、ポンプや温調機構が各循環系によってばらつく要因となり得る。また、図１８に示した、電気めっき装置自体を複数用意する装置に比べると、貯液タンクが共通となっただけであり、めっき浴や循環系は同時処理するウェハの枚数分用意しなければならないことに変わりはなく、装置構成が複雑かつ大きくなる。
【００１４】
これに対して、図１９および図２０に示すように、１つのめっき浴で複数枚のウェハに対してめっきを行うことが考えられるが、いずれの場合もウェハ間での迷走電流を効果的に抑制できず、ウェハ間で析出量のばらつきが生じてしまうという問題点があった。
【００１５】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、良質で均一な金属膜を簡易かつ高い生産性で半導体ウェハ上に形成できる電気めっき装置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】
【００１６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる電気めっき装置は、１つのめっき浴内でめっき液を循環させ、カソードである被めっき物とアノードである電極との間を通電させて該被めっき物に対して電気めっきを施す電気めっき装置であって、被めっき物の表面近傍のめっき液を攪拌して乱流化する局所攪拌手段と、前記めっき浴中のめっき液全体を攪拌する全体攪拌手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記全体攪拌手段は、前記被めっき物近傍の流速に比して前記めっき浴の底部の流速を遅くし、該めっき浴の底部においてめっき浴中の浮遊物を沈殿させる淀み領域を形成することを特徴とする。
【００１８】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、複数の被めっき物が同一のめっき浴内に配置された状態で各被めっき物に対して同時にめっきする電気めっき装置であって、アノードである電極に共通接続され、カソードである各被めっき物毎に電流を供給する複数の可変電源と、各可変電源から供給される電流値を制御し、前記アノードである電極の電位を等しくする制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記被めっき物の表面近傍のめっき液を攪拌して乱流化する局所攪拌手段と、前記めっき浴中のめっき液全体を攪拌する全体攪拌手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記全体攪拌手段は、前記被めっき物近傍の流速に比して前記めっき浴の底部の流速を遅くし、該めっき浴の底部においてめっき浴中の浮遊物を沈殿させる淀み領域を形成することを特徴とする。
【００２１】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記アノードである電極と前記被めっき物である半導体ウェハとを略平行に配置したことを特徴とする。
【００２２】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記被めっき物である半導体ウェハを略水平上向きあるいは略水平下向きに設置したことを特徴とする。
【００２３】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記被めっき物である半導体ウェハを同一水平面上に配置したことを特徴とする。
【００２４】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記被めっき物と前記アノードとの間に該被めっき物の形状に応じた誘電体部材を設置することを特徴とする。
【００２５】
また、この発明にかかる電気めっき装置は、上記の発明において、前記めっき液の表面を不活性ガス雰囲気で覆うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
この発明にかかる電気めっき装置は、局所攪拌手段が、被めっき物の表面近傍のめっき液を攪拌して乱流化するとともに、全体攪拌手段が、前記めっき浴中のめっき液全体を攪拌するようにしているので、めっき液の温度場、流れ場、濃度場、電場、純度を効果的に均一に管理することができ、１つのめっき浴で複数、同時にめっきを行う場合であっても、被めっき物間・バッチ間で膜質、膜厚がばらつくことがなく、安定して金属膜を形成することができ、簡易な構成で、良質で均一な金属膜を高い生産性で形成できるという効果を奏する。
【００２７】
この発明にかかる電気めっき装置は、複数の被めっき物が同一のめっき浴内に配置された状態で各被めっき物に対して同時にめっきする場合、アノードである電極に共通接続され、カソードである各被めっき物毎に電流を供給する複数の可変電源と、各可変電源から供給される電流値を制御し、前記アノードである電極の電位を等しくする制御手段とを設け、アノードである各電極の電極電位を等しくした状態で、各被めっき物に対する電流値を制御することができるので、迷走電流の発生をなくすことができ、これによって、被めっき物間・バッチ間で膜質、膜厚がばらつくことがなく、安定した金属膜を形成することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、この発明を実施するための最良の形態である電気めっき装置について、図面を参照して説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１である電気めっき装置の概要構成を示す模式図である。また、図２は、図１に示した電気めっき装置の概要構成を示す斜視図である。さらに、図３は、図１に示した電気めっき装置における被めっき物であるウェハ近傍のめっき液の流れを示す模式図である。図１〜図３において、この電気めっき装置１は、外部にめっき液の循環系をもたず、１つのめっき浴内で１以上のウェハに対して電気めっきを施すものである。
【００３０】
電気めっき装置１は、めっき容器１０内に亜硫酸系（ノンシアン系）のめっき液１１を満たしためっき浴を形成し、カソードとしての被めっき物である３つのウェハ１４ａ〜１４ｃをめっき浴内に配置するとともに３つのアノード１３ａ〜１３ｃをめっき浴内に支持する３つの固定治具１２ａ〜１２ｃを有する。各ウェハ１４ａ〜１４ｃは、めっき面を略水平上向きされて固定治具１２ａ〜１２ｃに配置され、各アノード１３ａ〜１３ｃは、各ウェハ１４ａ〜１４ｃにそれぞれ対応して略平行に設けられる。
【００３１】
めっき浴の底部には、めっき液全体を定常的に攪拌する攪拌子１９が設けられる。攪拌子１９は、めっき容器１０の底部に設けられた攪拌子回転部２０による回転磁界によって回転され、この回転よってめっき浴内のめっき液全体を攪拌する。また、ウェハ容器１０の中央上部に設けられたモータ１７の軸先端にパドル１８が取り付けられる。このパドル１８は、ウェハ１４ａ〜１４ｃとアノード１３ａ〜１３ｃとの各間を回転走行するように配置され、特にウェハ表面近傍を断続的に攪拌する。
【００３２】
各ウェハ１４ａ〜１４ｃには、それぞれ対応する可変電源１５ａ〜１５ｃが接続されてとともに、この可変電源１５ａ〜１５ｃに電流計１６ａ〜１６ｃがそれぞれ直列接続されて、各ウェハ１４ａ〜１４ｃに流れる電流量が制御される。また、各アノード１３ａ〜１３ｃは、各可変電源１５ａ〜１５ｃのプラス側に共通接続されるため、各アノード１３ａ〜１３ｃの電極電位が等しくなる。
【００３３】
めっき容器１０の底部には、さらにヒータ２１が設けられ、さらに、めっき浴内の温度検出手段としての熱電対２２がめっき浴内に設けられ、ヒータ２１および熱電対２２は、めっき浴の温度調節に用いられる。
【００３４】
コントローラＣは、モータ１７の回転数を制御することによってパドル１８によるウェハ近傍の局所的な攪拌を制御する。また、コントローラＣは、攪拌子回転部２０を制御することによって攪拌子１９による回転を制御し、これによってめっき浴内のめっき液全体の攪拌を制御する。さらに、コントローラＣは、熱電対２２から入力される温度情報をもとにヒータ２１の通電量を制御し、めっき浴の温度を制御する。また、コントローラＣは、各電流計１６ａ〜１６ｃから入力される電流値をもとに各可変電源１５ａ〜１５ｃを制御し、これによって各ウェハ１４ａ〜１４ｃに流れる電流量、すなわち、めっきの析出量を制御する。
【００３５】
図３に示すように、パドル１８がウェハ１４ｂとアノード１３ｂとの間を断続的に移動することによって、このウェハ１４ｂとアノード１３ｂとの間には乱流領域Ｅ１が生成し、めっき液の流れが、乱流化される。
【００３６】
ところで、一般の電気めっき装置では、攪拌子１９のみによってめっき液を攪拌するようにしていたが、この場合、めっき表面は、凹凸の激しい膜を形成していた。たとえば、半導体製造工程におけるバンプや配線形成工程では、ウェハに対して電気めっきを行うが、この場合、ウェハ表面はスパッタなどによってバリアメタルが全面に形成され、最表面はレジストなどでパターニングされており、めっきによる金属膜はレジストがないバリアメタル上にだけ選択的に形成される。このため、電気めっき時に、ウェハの表面近傍にはレジストにより高さ数μｍの凹凸が存在しており、めっき液の流れ場は全体攪拌による一定方向への均一な流れ方とは全く異なり、特に金属膜が形成されるレジストの狭間では巻き込み渦流れや淀みが形成されることになる。金属表面では、随時めっき反応が進行し金属イオンが消費されていることから、巻き込み渦流や淀みのように定常的に不均一な流れ場は、不均一な濃度分布を形成することになり、図５に示すように、レジストの狭間、あるいは上流側と下流側で不均一な成膜が起こり、結果として表面の凹凸が大きくなってしまう。このようにして形成された表面形状を有する金属膜を、配線等に使用する場合、凸部への電荷集中によってスパーク等を発生させ、デバイス性能に致命的な影響を与えることになる。
【００３７】
これに対し、この実施の形態１では、パドル１８によって、ウェハ１４ｂの表面近傍を攪拌し、乱流を積極的に生じさせて、不均一な流れ場および濃度場をなくすようにしている。特に、ウェハ表面で金属イオンが消費されたウェハ表面近傍に発生する金属イオンの欠乏層を解消し、ウェハ表面近傍での流れ場、濃度場を均一にすることができる。このため、たとえば、図４に示すように、図５と比較してレジストの下流側での金属膜の盛り上がりが小さくなり、平坦な表面形状をもつ金属膜が形成される。なお、このパドル１８の攪拌を断続的に行うものとして説明したが、定常的に行ってもよい。
【００３８】
また、この実施の形態１では、上述した攪拌子１９によってめっき液全体を攪拌して、めっき浴中の温度場、流れ場、濃度場を均一に形成するようにしているが、さらに、この攪拌子１９は、めっき浴底部において流速の遅い淀み領域Ｅ２を形成するようにしている。
【００３９】
通常、めっき浴の底部は、パドル１８による攪拌の影響が及ばず、攪拌子１９および自然対流のみによってめっき液の流れ場が形成されている。ここで、攪拌子１９は、パドル１８による攪拌の影響が及ばないめっき浴底部において、めっき浴内の浮遊物が沈殿する遅い流れ場を強制的に生成させる。このめっき浴底部の流れ場の流速は、少なくともウェハ近傍の流れ場の流速よりも遅い流速となる。ここで、ウェハ近傍とめっき浴底部のめっき液は、互いに固定治具１２ａ〜１２ｃの左右を通してウェハ上部とめっき浴底部とを循環することになるが、底部にて浮遊物が沈殿するため、浮遊物は徐々にめっき浴底部に堆積していく。これは、めっき液中の浮遊物は粒子としてブラウン運動をして互いに衝突しつつ浮き沈みをしているため、めっき液の運動エネルギーが小さければ、次第に大きな粒となって沈殿するからである。これにより、ウェハ表面近傍には常に清浄なめっき液が供給されることになる。ただし、めっき終了後はめっき液を浴外の密閉タンクに移して保管するが、その際にフィルタリングによりめっき液中の浮遊物を除去するとともに、めっき浴を純粋等で洗浄する。
【００４０】
また、この実施の形態１では、被めっき物である複数のウェハを同時に電気めっきするようにしているが、この場合の電気回路系は、図６に示したように、カソード１３ａ〜１３ｃを共通接続してカソードの電源電位を等しくするとともに、カソードであるウェハ１４ａ〜１４ｃに対してそれぞれ可変電源１５ａ〜１５ｃを設けて電流値を制御するようにしている。
【００４１】
この場合、各アノード１３ａ〜１３ｃ間では迷走電流は発生せず、各ウェハ１４ａ〜１４ｃに流れる電流を同一になるように制御することで電極電位も等しくなるため、各ウェハ１４ａ〜１４ｃでの金属の析出量は等しくなる。実際には、アノード１３ａ〜１３ｃからは、対をなしているウェハ１４ａ〜１４ｃ以外へ迷走電流が流れるが、各アノード１３ａ〜１３ｃの電極電位、各ウェハ１４ａ〜１４ｃの電極電位、各電極間の電位差が等しいため、迷走電流は全てのアノード１３ａ〜１３ｃから均等に流れ、全てのウェハ１４ａ〜１４ｃに均等に流入する。この結果、迷走電流は互いに相殺され、実質的に無視できるようになる。従って、わざわざ同時に処理するウェハの枚数分のめっき浴や循環系を設ける必要がなくなるだけでなく、特別な制御なしに各ウェハ１４ａ〜１４ｃ表面の温度場、流れ場、濃度場を均一にすることができる。
【００４２】
なお、図６に示した構成では、理論上、迷走電流は相殺され、ウェハ１４ａ〜１４ｃ間で析出量の違いは出ないはずである。しかし、実際には、配線の分岐部分からアノード１３ａ〜１３ｃまでの配線や接続部分での抵抗値が異なると、その部分での電位損失のために、それぞれのアノード１３ａ〜１３ｃの電極電位が異なってしまい、迷走電流を誘発してしまう。通常、電気めっき装置ではワニ口クリップなどにより電極に給電することが多いが、このような方法は接触信頼性が低く、接触抵抗が大きいばかりでなく再現性も得られない。また、接続部がめっき液からの蒸発する水蒸気に曝される部分にあると、電蝕反応を起こしやすくなり、さらに接触信頼性が低下する。ここで、アノード１３ａ〜１３ｃへの配線の分岐部分からの電位損失を制御することで、アノード１３ａ〜１３ｃ間の電位差をなくすことができる。なお、たとえば、図１９に示した回路構成では、アノード同士の電極電位を同一にすることは原理的に困難である。また、図２０に示した回路構成では、カソード側の分岐部分からの電位損失も制御しなければならないが、カソードであるウェハに対してはウェハ表面に電極金属を押し当てて給電する必要があり、ここでの接触抵抗をバッチ間で安定に制御することは困難である。すなわち、アノード１３ａ〜１３ｃの電極電位を厳密に揃えるために、配線及び接続部分の抵抗を等しくなるようにし、この結果、迷走電流をなくすことができ、各ウェハ間の膜厚のばらつきを小さくすることができた。
【００４３】
ところで、上述した実施の形態１では、パドル１８を用いた局所的な攪拌と、攪拌子１９を用いた全体的な攪拌とを行うようにしていたが、図８は、パドル１８を用いない場合におけるめっき後の金属表面結果を示す図である。めっき中に、金属表面に浮遊物や気泡が付着すると、付着物に導電性がない場合は、その部分は金属の析出が止まってしまい、付着物が導電性の場合は、その上に金属が析出してしまう。この結果、めっき後の金属表面の凹凸が大きくなってしまい、図８に示すような表面となる。
【００４４】
これに対し、この実施の形態１では、パドル１８によって、めっき液中の浮遊物や気泡がウェハ表面に付着しない、あるいは付着しても除去することができ、さらに、攪拌子１９が形成する淀み領域Ｅ１において、ウェハ表面に付着しようとする浮遊物を除去し、トラップするようにしているので、図７に示すように、図８に比して、清浄で平坦な表面を得ることができる。
【００４５】
なお、固定治具１２ａ〜１２ｃ上に配置されるウェハ１４ａ〜１４ｃは、図９〜図１１に示すめっき用治具によって保持される。このめっき用治具は、ベース部材４２と導電性部品４３と有する。ベース部材４２には、平面視円形の凹部４２ａが形成され、この凹部４２ａ内にウェハ１４ａが収容される。ベース部材４２は、絶縁性部材であればよい。たとえば、塩化ビニル、テフロン（登録商標）などのフッ素系樹脂または金属にフッ素系樹脂をコーティングしたものである。
【００４６】
導電性部品４３は、図１０に示すように、平面視狭幅の板状体の基部４３ａと、その一端に固設され、かつウェハ１４ａと接触する接触部４３ｂとを有する。導電性部品４３は、板状体の基部４３ａの他端に形成された取付孔４３ｃを介してベース部材４２の周縁部４２ｂのネジ穴にネジ５０によって固定される。
【００４７】
この導電性部品４３の場合、板状体である基部４３ａを、弾性を有する素材で構成し、その板状体の幅を狭幅にすることによって、板状体を、板バネのように機能させることができる。なお、導電性部品４３に限らず、たとえば、図１１に示すように取付孔４６ｃおよび小面積の接触部４６ａを有する先細りの弾性板状体４６ｂを２箇所で屈曲してなる導電性部品４６としてもよい。
【００４８】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。この実施の形態２では、実施の形態１の電気めっき装置に対してさらに、ウェハとアノードとの間に誘電体部材を設け、ウェハの形状に合わせて誘電体部材の形状を調整することによってウェハ表面の電場を制御し、均一なめっき膜を形成するようにしている。
【００４９】
図１２は、この発明の実施の形態２である電気めっき装置の一部構成を示す模式図である。図１２に示すように、この電気めっき装置は、誘電体部材６０をウェハ１４ｂとアノード１３ｂとの間のアノード１４ｂ側に設けている。ウェハ１４ｂの形状が円形である場合、誘電体部材６０が形成する開口形状は、このウェハ１４ｂの円形に比してやや小さい径をもった円形となる。この誘電体部材６０は、誘電体による電界の遮蔽効果によってウェハ１４ｂ表面の電場を制御するものであり、誘電体部材６０の形状は、実験的あるいはシミュレーションによって最適化される。
【００５０】
この実施の形態２では、同一めっき浴内で、複数のウェハを同時にめっきすることを前提としているが、この誘電体部材６０を設けることによって、迷走電流を抑制し、めっき効率を向上させ、ウェハ間のばらつきもさらに小さく、かつ安定に保つ効果が得られる。なぜなら、この実施の形態２では、迷走電流は各電極間で相殺されるためにほぼ無視できるが、アノードから流れる迷走電流は、対向するウェハへのめっきに寄与しない電流であり、めっき効率を低下させる原因となり、また何らかの原因で相殺されているバランスが崩れると、めっきの結果にばらつきを生じてしまうため、本来は極力抑制されるべきものである。迷走電流は、アノードの部位のうち、ウェハとの間の電場からの拘束を受けない部位の表面から多く流れており、このような部分は表面が露出している必要がない。このため、アノードの露出不要な部分を誘電体部材で覆うことにより、対向するウェハに向かう最適化された電場が集中的に形成され、迷走電流が抑制される。
【００５１】
遮蔽板として機能する誘電体部材６０の材質は、厚さ０．１ｍｍのフッ素樹脂シートを用いているが、塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン等、めっき液への化学的耐久性および耐熱性があれば使用可能である。また、この実施の形態２では、誘電体部材６０の中央にウェハ１４ｂと同心円状の開口部を設け、この大きさを変えた実験によって最適化を行ったものを用いているが、厚さを変えることや全体に無数の穴を開け、その開口率を同心円状に連続的に変化させる等の形状で最適化したものを用いてもよい。
【００５２】
ここで、図１３を参照して、誘電体部材６０の最適化の結果について説明する。ウェハ１４ｂは、４インチであり、アノード１３ｂは直径約１６０ｍｍの略円盤状のパンチングメタルであり、アノード１３ｂとウェハ１４ｂとの間の距離はパドル１８の通過も考慮して約２０ｍｍとした。なお、均一性とは、膜厚ばらつきの標準偏差３σを平均膜厚Ｔで除算した値を百分率で表したものである。
【００５３】
図１３は、誘電体部材６０の開口径を変えた４インチのウェハ１４ｂの面内均一性およびそのときのめっき膜の概略の分布形状を示している。図１３に示すように、誘電体部材６０の開口径が約３インチのとき、面内均一性が約１５％と最も低く、分布形状も周縁部がやや厚くなるものの、ほぼ平坦となった。この結果から、４インチのウェハ基板に対しては、中心部に直径３インチの開口を有した誘電体部材６０が最適であると判断される。
【００５４】
なお、この実施の形態２では、４インチのウェハを被めっき物としたが、誘電体部材６０の開口径を小さくすることで、たとえば、３インチや２インチ、あるいは矩形のウェハに対応することも可能である。このように、アノードと同等以下の大きさのウェハであれば、誘電体部材６０の形状を変えるだけで様々な形状のウェハに対応させることができる。
【００５５】
（実施の形態３）
つぎに、この発明の実施の形態３について説明する。上述した実施の形態１，２では、アノードが各ウェハ毎に独立して設置されていたが、この実施の形態３では、各ウェハに共通の１つのアノードをもつようにして、アノード電位が等しくなるようにしている。
【００５６】
図１４は、この発明の実施の形態３である電気めっき装置の概要を示す平面図である。また、図１５は、図１４に示した電気めっき装置の斜視図である。図１４および図１５において、この電気めっき装置では、めっき浴内に、複数のウェハ７４ａ〜７４ｆを浸漬し、その外周にメッシュ状のアノード７３を配置している。アノード７３は、一体となっているので、電極電位は均一である。各ウェハ７４ａ〜７４ｆは、それぞれ個別にカソード７３に接続されており、コントローラＣによってアノード７３に流れる電流値が制御される。結果的に、図６に示した電気回路系と同じ回路が容易に形成されることになる。
【００５７】
なお、この実施の形態３では、ウェハ７４ａ〜７４ｆのめっき表面が鉛直を向くので、めっき時における浮遊物の影響を低減し、さらにこの浮遊物の沈殿効果を高めることができる。
【００５８】
また、アノードの電極電位が一定となっていれば、めっき浴内で独立して設けられていてもよい。たとえば、図１６に示すように、アノード７３を、各ウェハ７４ａ〜７４ｆに対応したアノード７３ａ〜７３ｆとする独立して設けるようにしてもよい。なお、パドル１８に対応するパドルは、各ウェハとアノードとの間を攪拌することになる。
【００５９】
（実施の形態４）
つぎに、この発明の実施の形態４について説明する。この発明の実施の形態４は、上述した発明の実施の形態１〜３の構成に、さらにめっき液の表面を不活性ガス雰囲気で覆う構成を追加している。
【００６０】
図１７は、この発明の実施の形態４である電気めっき装置の構成を示す模式図である。図１７では、実施の形態１の構成に、さらにガス源８１とめっき浴を覆う蓋８０とを設けている。蓋８０によって画成された空間に、ガス源８１から不活性ガスとしての窒素ガスを送り込み、この空間を微陽圧として、大気からの空気の侵入を防ぐようにしている。これによって、めっき液表面は不活性ガス雰囲気で覆われるため、めっき液の酸化が防止される。なお、Ｏリング等を用いてシールし、完全に大気と隔離しても良い。
【００６１】
このようにめっき液表面を窒素ガスで覆うと、めっき液の酸化が防止される。たとえば、亜硫酸系のめっき液を用いて、４インチのウェハ３枚に対するめっきを、大気に曝して使用し続けた場合は、１５回程度で金属表面が荒れる等の異常が観察されるたが、めっき液表面を窒素ガスで覆った場合、３０会程度まで金属表面が荒れることなく使用することができた。
【００６２】
なお、上述した実施の形態１〜３では、めっき中にめっき液をめっき浴外に循環しないで、１つのめっき浴内で複数のウェハに対してめっきすることを前提として説明したが、これに限らず、１つのめっき浴内で１つのウェハに対してめっきするようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】この発明の実施の形態である電気めっき装置の概要構成を示す模式図である。
【図２】図１に示した電気めっき装置の概要構成を示す斜視図である。
【図３】図１に示した電気めっき装置のアノードおよびカソード近傍の構成を示す模式図である。
【図４】乱流化によるウェハ表面近傍のめっき状態を示す模式図である。
【図５】乱流化を行わない場合におけるウェハ表面近傍のめっき状態を示す模式図である。
【図６】図１に示した電気めっき装置の電気回路系を示す回路図である。
【図７】図１に示した電気めっき装置を用いてめっきを施した場合のウェハ表面を示す図である。
【図８】従来の電気めっき装置を用いてめっきを施した場合のウェハ表面を示す図である。
【図９】ウェハを保持するめっき用治具の構成を示す平面図である。
【図１０】めっき用治具の導電性部品の構成を示す斜視図である。
【図１１】他の導電性部品の構成を示す斜視図である。
【図１２】この発明の実施の形態２である電気めっき装置のアノードおよびカソード近傍の構成を示す模式図である。
【図１３】誘電体部材の開口径を変化させた場合におけるめっき膜の均一性およびめっき膜の概要分布形状を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態３である電気めっき装置の概要構成を示す平面図である。
【図１５】図１４に示した電気めっき装置の概要構成を示す斜視図である。
【図１６】この発明の実施の形態３の変形例である電気めっき装置の概要構成を示す平面図である。
【図１７】この発明の実施の形態４である電気めっき装置の概要構成を示す模式図である。
【図１８】従来の電気めっき装置の電気回路系を示す回路図である。
【図１９】従来の電気めっき装置の電気回路系の他の例を示す回路図である。
【図２０】従来の電気めっき装置の電気回路系の他の例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 電気めっき装置
１０ めっき容器
１１ めっき液
１２ａ〜１２ｃ 固定治具
１３ａ〜１３ｃ，７３，７３ａ〜７３ｆ アノード
１４ａ〜１４ｃ，７４ａ〜７４ｆ ウェハ
１５ａ〜１５ｃ 可変電源
１６ａ〜１６ｃ 電流計
１７ モータ
１８ パドル
１９ 攪拌子
２０ 攪拌子回転部
２１ ヒータ
２２ 熱電対
４２ めっき用治具
４３，４６ 導電性部品
６０ 誘電体部材
８０ 蓋
８１ ガス源
Ｃ コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのめっき浴内でめっき液を循環させ、カソードである被めっき物とアノードである電極との間を通電させて該被めっき物に対して電気めっきを施す電気めっき装置であって、
被めっき物の表面近傍のめっき液を攪拌して乱流化する局所攪拌手段と、
前記めっき浴中のめっき液全体を攪拌する全体攪拌手段と、
を備えたことを特徴とする電気めっき装置。
【請求項２】
前記全体攪拌手段は、前記被めっき物近傍の流速に比して前記めっき浴の底部の流速を遅くし、該めっき浴の底部においてめっき浴中の浮遊物を沈殿させる淀み領域を形成することを特徴とする請求項１に記載の電気めっき装置。
【請求項３】
複数の被めっき物が同一のめっき浴内に配置された状態で各被めっき物に対して同時にめっきする電気めっき装置であって、
アノードである電極に共通接続され、カソードである各被めっき物毎に電流を供給する複数の可変電源と、
各可変電源から供給される電流値を制御し、前記アノードである電極の電位を等しくする制御手段と、
を備えたことを特徴とする電気めっき装置。
【請求項４】
前記被めっき物の表面近傍のめっき液を攪拌して乱流化する局所攪拌手段と、
前記めっき浴中のめっき液全体を攪拌する全体攪拌手段と、
を備えたことを特徴とする請求項３に記載の電気めっき装置。
【請求項５】
前記全体攪拌手段は、前記被めっき物近傍の流速に比して前記めっき浴の底部の流速を遅くし、該めっき浴の底部においてめっき浴中の浮遊物を沈殿させる淀み領域を形成することを特徴とする請求項４に記載の電気めっき装置。
【請求項６】
前記アノードである電極と前記被めっき物である半導体ウェハとを略平行に配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の電気めっき装置。
【請求項７】
前記被めっき物である半導体ウェハを略水平上向きあるいは略水平下向きに設置したことを特徴とする請求項６に記載の電気めっき装置。
【請求項８】
前記被めっき物である半導体ウェハを同一水平面上に配置したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の電気めっき装置。
【請求項９】
前記被めっき物と前記アノードとの間に該被めっき物の形状に応じた誘電体部材を設置することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の電気めっき装置。
【請求項１０】
前記めっき液の表面を不活性ガス雰囲気で覆うことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の電気めっき装置。
【請求項１】
１つのめっき浴内でめっき液を循環させ、カソードである被めっき物とアノードである電極との間を通電させて該被めっき物に対して電気めっきを施す電気めっき装置であって、
被めっき物の表面近傍のめっき液を攪拌して乱流化する局所攪拌手段と、
前記めっき浴中のめっき液全体を攪拌する全体攪拌手段と、
を備えたことを特徴とする電気めっき装置。
【請求項２】
前記全体攪拌手段は、前記被めっき物近傍の流速に比して前記めっき浴の底部の流速を遅くし、該めっき浴の底部においてめっき浴中の浮遊物を沈殿させる淀み領域を形成することを特徴とする請求項１に記載の電気めっき装置。
【請求項３】
複数の被めっき物が同一のめっき浴内に配置された状態で各被めっき物に対して同時にめっきする電気めっき装置であって、
アノードである電極に共通接続され、カソードである各被めっき物毎に電流を供給する複数の可変電源と、
各可変電源から供給される電流値を制御し、前記アノードである電極の電位を等しくする制御手段と、
を備えたことを特徴とする電気めっき装置。
【請求項４】
前記被めっき物の表面近傍のめっき液を攪拌して乱流化する局所攪拌手段と、
前記めっき浴中のめっき液全体を攪拌する全体攪拌手段と、
を備えたことを特徴とする請求項３に記載の電気めっき装置。
【請求項５】
前記全体攪拌手段は、前記被めっき物近傍の流速に比して前記めっき浴の底部の流速を遅くし、該めっき浴の底部においてめっき浴中の浮遊物を沈殿させる淀み領域を形成することを特徴とする請求項４に記載の電気めっき装置。
【請求項６】
前記アノードである電極と前記被めっき物である半導体ウェハとを略平行に配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の電気めっき装置。
【請求項７】
前記被めっき物である半導体ウェハを略水平上向きあるいは略水平下向きに設置したことを特徴とする請求項６に記載の電気めっき装置。
【請求項８】
前記被めっき物である半導体ウェハを同一水平面上に配置したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の電気めっき装置。
【請求項９】
前記被めっき物と前記アノードとの間に該被めっき物の形状に応じた誘電体部材を設置することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の電気めっき装置。
【請求項１０】
前記めっき液の表面を不活性ガス雰囲気で覆うことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の電気めっき装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図４】
【公開番号】特開２００７−２７０３１３（Ｐ２００７−２７０３１３Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１００３３４（Ｐ２００６−１００３３４）
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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