JP2009242941A - Semiconductor device production method and semiconductor production apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置におけるナノスケールの微細構造物を用いた配線部分に金属をボイドなく埋め込み、電気的な不良を抑制して半導体装置の歩留りを向上させる。
【解決手段】半導体基板上に形成された絶縁膜に設けられたヴィアホール又はトレンチに金属めっき膜を埋め込む工程において、まず、最初のめっき液の容積、補充しためっき液量、処理したウェーハ枚数、流した電流値及び排出しためっき液量の各データを収集する。次いで、取得した電流値に基づいてめっき処理の累積電荷量を算出する。また、全めっき液の容積を算出する。そして、取得した、全めっき液の容積、排出しためっき液量および累積電荷量に基づいて、めっき液に含まれる抑制剤の分解物量を算出する。分解物量が予め設定された閾値以下である場合にのみ半導体基板のめっき処理を実施する。
【選択図】図6Metals are embedded without voids in wiring portions using nanoscale microstructures in a semiconductor device, and electrical defects are suppressed to improve the yield of the semiconductor device.
In a step of embedding a metal plating film in a via hole or trench provided in an insulating film formed on a semiconductor substrate, first, the volume of the initial plating solution, the amount of replenished plating solution, the number of processed wafers, Collect each data of flowing current value and discharged plating solution amount. Next, the accumulated charge amount of the plating process is calculated based on the acquired current value. Also, the volume of the total plating solution is calculated. Then, based on the acquired volume of the total plating solution, the amount of discharged plating solution, and the accumulated charge amount, the decomposition amount of the inhibitor contained in the plating solution is calculated. Only when the amount of decomposition products is equal to or less than a preset threshold value, the plating process of the semiconductor substrate is performed.
[Selection] Figure 6
Description
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体製造装置に係り、特に半導体装置の金属配線形成工程におけるめっき方法と、そのめっき装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor manufacturing device, and more particularly to a plating method and a plating apparatus in a metal wiring forming process of a semiconductor device.
図9は従来の電気めっき装置の概略構成図である。当該電気めっき装置は、循環ライン101、めっきバス102、カソード104、アノード105、ウェーハ106、フィルター107、添加剤濃度測定装置108、CPU109、添加剤供給装置110を備える。 FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a conventional electroplating apparatus. The electroplating apparatus includes a circulation line 101, a plating bath 102, a cathode 104, an anode 105, a wafer 106, a filter 107, an additive concentration measuring device 108, a CPU 109, and an additive supply device 110.
そして、従来の電気めっきにおいて、添加剤を補充しながら金属をめっきしている(特許文献1)。また、添加剤の濃度は電流−電位曲線により測定しているものもある(非特許文献1)。 And in the conventional electroplating, the metal is plated, replenishing an additive (patent document 1). In addition, the concentration of the additive is measured by a current-potential curve (Non-Patent Document 1).
図10は従来のめっき方法における処理工程のフローチャートである。図10に示すように、従来の処理工程では、めっき液補充(S101)、添加剤濃度測定(S102)、レシピスタート(S103)、ウェーハ設置(S104)、めっき処理(S105)、ウェーハ搬出(S106)、レシピエンド(S107)の各ステップを経てめっきが行われる。 FIG. 10 is a flowchart of processing steps in a conventional plating method. As shown in FIG. 10, in the conventional processing steps, plating solution replenishment (S101), additive concentration measurement (S102), recipe start (S103), wafer placement (S104), plating processing (S105), wafer unloading (S106). ), Plating is performed through each step of the recipe end (S107).
従来のめっき方法では、電気めっきの間に、めっき液中に添加剤として含まれる光沢剤、平滑剤、抑止剤の各成分濃度をそれぞれ測定し、必要によりそれぞれの成分を補充して各成分の濃度を、それぞれ所定の範囲に保持しながら電気めっきを行っている。 In the conventional plating method, during electroplating, the concentration of each of the brightener, smoothing agent, and inhibitor contained in the plating solution as an additive is measured, and if necessary, each component is replenished. Electroplating is performed while maintaining the concentration within a predetermined range.
具体的方法として、添加剤を含むめっき液の電流−電位曲線を用いたり、めっき液の電流−電位曲線を得るためのCV(Cyclic Voltammetry)電極をめっき装置内のめっき液中に配置して、添加剤の濃度を測定することが行われている。
従来の電気めっき方法および電気めっき装置では、めっき処理の過程で発生する副生成物を含めためっき液中に存在する全ての含有物成分の濃度を測定し、評価することが難しい。そのため、半導体装置におけるナノスケールの微細構造物を用いた配線部分に金属をボイドなく埋め込むことができない。 In the conventional electroplating method and electroplating apparatus, it is difficult to measure and evaluate the concentration of all the inclusion components present in the plating solution including by-products generated during the plating process. Therefore, a metal cannot be embedded without voids in a wiring portion using a nanoscale microstructure in a semiconductor device.
本発明は、半導体装置におけるナノスケールの微細構造物を用いた配線部分に金属をボイドなく埋め込むことを可能にし、電気的な不良を抑制して半導体装置の歩留りを向上させることを目的とする。 An object of the present invention is to make it possible to embed a metal without voids in a wiring portion using a nanoscale microstructure in a semiconductor device, to suppress electrical defects and to improve the yield of the semiconductor device.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜に設けられたヴィアホール又はトレンチに金属めっき膜を埋め込む工程において、まず、最初のめっき液の容積、補充しためっき液量、処理したウェーハ枚数、流した電流値及び排出しためっき液量の各データを収集する。次いで、取得した電流値に基づいてめっき処理の累積電荷量を算出する。また、全めっき液の容積を算出する。そして、取得した、全めっき液の容積、排出しためっき液量および累積電荷量に基づいて、めっき液に含まれる抑制剤の分解物量を算出する。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in the step of embedding a metal plating film in a via hole or a trench provided in an insulating film formed on a semiconductor substrate, first, the initial plating solution volume, supplemented plating solution Collect each data of quantity, number of processed wafers, flowing current value and discharged plating solution amount. Next, the accumulated charge amount of the plating process is calculated based on the acquired current value. Also, the volume of the total plating solution is calculated. Then, based on the acquired volume of the total plating solution, the amount of discharged plating solution, and the accumulated charge amount, the decomposition amount of the inhibitor contained in the plating solution is calculated.
上記の半導体装置の製造方法において、前記分解物量が予め設定した値を超えた時に、所定量のめっき液を排出することが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device described above, it is preferable that a predetermined amount of plating solution is discharged when the amount of the decomposition product exceeds a preset value.
本発明に係る半導体製造装置は、半導体基板上に形成された絶縁膜に設けられたヴィアホール又はトレンチに金属めっき膜を埋め込む処理を実施する。そして、本発明に係る半導体製造装置は、めっき液を循環させる手段と、めっき液を供給する手段と、めっき液を排出する手段とを備える。また、最初のめっき液の容積、補充しためっき液量、処理したウェーハ枚数、流した電流値及び排出しためっき液量の各データを収集する手段と、取得した電流値に基づいてめっき処理の累積電荷量を算出する手段と、全めっき液の容積を計算する手段と、取得した、全めっき液の容積、排出しためっき液量および累積電荷量に基づいて、めっき液に含まれる抑制剤の分解物量を算出する手段とを備えている。 The semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention performs a process of embedding a metal plating film in a via hole or a trench provided in an insulating film formed on a semiconductor substrate. The semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention includes means for circulating the plating solution, means for supplying the plating solution, and means for discharging the plating solution. Also, means for collecting each data of initial plating solution volume, replenished plating solution amount, number of processed wafers, flowed current value and discharged plating solution amount, and accumulation of plating process based on the acquired current value The means for calculating the amount of charge, the means for calculating the volume of the total plating solution, and the decomposition of the inhibitor contained in the plating solution based on the obtained volume of the total plating solution, the amount of discharged plating solution and the cumulative amount of charge. Means for calculating the quantity.
上記の半導体製造装置において、めっき液の排出手段は、前記分解物量が予め設定した値を超えた時にめっき液を排出することが好ましい。 In the semiconductor manufacturing apparatus, the plating solution discharge means preferably discharges the plating solution when the amount of the decomposed product exceeds a preset value.
本発明によれば、電気めっきによって発生する副生成物量を計算して、副生成物量を制御することによって、めっき液の組成変動による埋め込み不良を防止することで半導体装置の歩留りを向上させることができる。 According to the present invention, by calculating the amount of by-products generated by electroplating and controlling the amount of by-products, it is possible to improve the yield of semiconductor devices by preventing filling defects due to variations in the composition of the plating solution. it can.
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態について図1を参照して説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1は第1の実施の形態における電気めっき装置の概略構成図である。当該電気めっき装置は、仕切り22を有するめっき浴槽21を備える。めっき浴槽21の底部にはアノード14が配置されている。アノード14に対向して配設されたカソード10は、被処理面をアノード14に対向させた状態でウェーハ11を保持する。アノード14とカソード10との間には、アノード14側からフィルター13と拡散板12とが配置されている。また、本実施形態の電気めっき装置は、めっき液の循環経路として循環ライン3と副循環ライン4を備える。ここで、循環ライン3は、めっき浴槽21の上端から導出されためっき液を、めっき液溜槽2、フィルター7を通じて、拡散板12とフィルター13との間へ再流入させる循環経路である。副循環ライン4は、めっき浴槽21の底部から導出されためっき液を、フィルター8を通じて、フィルター13とアノード14との間へ再流入させる循環経路である。なお、循環ライン3のめっき液溜槽2の上流側には、新たなめっき液を循環ライン3に導入する供給バルブ9が設けられており、副循環ライン4のフィルター8の上流側には、循環経路からめっき液を排出する廃液バルブ5が設けられている。供給バルブ9の開閉状態および廃液バルブ5の開閉状態は、モニタリング装置6が取得した後述のデータに基づいて制御装置1が制御する。また、本実施形態では、制御装置1は電気めっき装置の各種動作も制御する構成になっている。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electroplating apparatus according to the first embodiment. The electroplating apparatus includes a plating bath 21 having a partition 22. An anode 14 is disposed at the bottom of the plating bath 21. The cathode 10 disposed facing the anode 14 holds the wafer 11 with the surface to be processed facing the anode 14. Between the anode 14 and the cathode 10, a filter 13 and a diffusion plate 12 are disposed from the anode 14 side. Moreover, the electroplating apparatus of this embodiment is provided with the circulation line 3 and the sub circulation line 4 as a circulation path | route of plating solution. Here, the circulation line 3 is a circulation path for reflowing the plating solution derived from the upper end of the plating bath 21 between the diffusion plate 12 and the filter 13 through the plating solution reservoir 2 and the filter 7. The auxiliary circulation line 4 is a circulation path through which the plating solution led out from the bottom of the plating bath 21 flows again between the filter 13 and the anode 14 through the filter 8. A supply valve 9 for introducing a new plating solution into the circulation line 3 is provided on the upstream side of the plating solution reservoir 2 in the circulation line 3, and the circulation is provided on the upstream side of the filter 8 in the sub circulation line 4. A waste liquid valve 5 is provided for discharging the plating solution from the path. The control device 1 controls the open / closed state of the supply valve 9 and the open / closed state of the waste liquid valve 5 based on data to be described later acquired by the monitoring device 6. In the present embodiment, the control device 1 is configured to control various operations of the electroplating device.
図1において、銅の電気めっき装置では、めっき液を循環させて5から100rpmの間の回転速度でウェーハ11を回転させながら、カソード10側に設置したウェーハ11に1Aから50Aまでの間の電流を流してめっき膜を成膜している。めっき処理中、めっき液は主の循環ライン3によってめっき液溜槽2を含めて循環している。そしてアノード14側の副循環ライン(SAC:Separate Anode Chamberライン)4によって、アノード14側に集まっためっき液が循環している。ここで用いられているめっき液は主に硫酸銅と添加剤からなっている。 In FIG. 1, in the copper electroplating apparatus, the current between 1 A and 50 A is applied to the wafer 11 placed on the cathode 10 side while circulating the plating solution and rotating the wafer 11 at a rotation speed of 5 to 100 rpm. To form a plating film. During the plating process, the plating solution is circulated through the main circulation line 3 including the plating solution reservoir 2. A plating solution collected on the anode 14 side is circulated by a secondary circulation line (SAC: Separate Anode Chamber line) 4 on the anode 14 side. The plating solution used here mainly consists of copper sulfate and additives.
添加剤としては、3種類の添加剤が用いられている。その3種類は、抑制剤、促進剤(光沢材)と平滑剤である。この添加剤が微細構造に銅を埋め込む場合に重要な役割を果たしている。簡単にその役割を説明すると次のようになる。 Three types of additives are used as the additive. The three types are inhibitors, accelerators (glossy materials) and smoothing agents. This additive plays an important role when embedding copper in the microstructure. The role is briefly explained as follows.
抑制剤はPEG(poly(ethylene glycol))−PPG(poly(propylene glycol))重合体(高分子)であり、銅膜の成長を抑制するものである。促進剤(光沢材)は硫黄を含有した有機物であり、銅膜の成長を促進する。そして平滑剤はアミン系の有機化合物であり、ウェーハ上の電界の集中する部分で銅膜の成長を抑制し、電界が集中しない部分では逆に銅膜の成長を抑制しない。したがって、平滑材は銅膜の平滑性を向上させる働きを有している。 The inhibitor is a PEG (poly (ethylene glycol))-PPG (poly (propylene glycol)) polymer (polymer), which suppresses the growth of the copper film. The accelerator (brighter) is an organic substance containing sulfur and promotes the growth of the copper film. The smoothing agent is an amine-based organic compound, and suppresses the growth of the copper film at the portion where the electric field is concentrated on the wafer, and does not suppress the growth of the copper film at the portion where the electric field is not concentrated. Therefore, the smooth material has a function of improving the smoothness of the copper film.
このようにヴィア、コンタクトやトレンチなどのナノオーダーの微細な構造に銅膜をボイドやシームなどの空隙や欠陥なく埋め込むためにはめっき液の組成を制御することが非常に重要である。しかし、電気めっきの処理を進めると電気分解等によりめっき液の組成が変化することがわかってきた。しかも、前述した添加剤の濃度を予め決めたある値の範囲内に制御するだけではナノスケールの微細構造物に金属を埋め込むことはできない。それは、3種類の添加剤が電気分解によって、この3種類の添加剤とは別の分子構造を含めて異なるもの(副生成物)ができるためである。 Thus, in order to embed a copper film in a nano-order fine structure such as a via, contact, or trench without voids or defects such as voids or seams, it is very important to control the composition of the plating solution. However, it has been found that when the electroplating process proceeds, the composition of the plating solution changes due to electrolysis or the like. In addition, the metal cannot be embedded in the nanoscale fine structure only by controlling the concentration of the above-described additive within a predetermined value range. This is because the three types of additives can be electrolyzed to form different ones (by-products) including molecular structures different from those of the three types of additives.
なお、念のために添加剤の濃度制御について言えば、循環ライン3にある供給バルブ9を開けてめっき液に新しいめっき液を補充することにより添加剤の濃度制御処理を実施している。従来、副生成物は埋め込み特性に影響を与えない、もしくは影響が少ないと考えられていたため、当該方法が使用されていた。しかしながら、本願発明者らの検討の結果、この方法では上述のとおりナノスケールの構造物ではヴィアの埋め込み不良が発生することが判明した。しかし、めっき処理中に副生成物量を測定することは困難である。そこで、本願発明者ら考案した、図1に示す電気めっき装置では、モニタリング装置6が、最初のめっき液の体積、補充しためっき液量、処理したウェーハの枚数、流した電流値、印加した電圧値、処理時間、回転数、廃液した液量などのデータを収集し、制御装置1がそのデータを用いて電気分解によって発生した副生成物量(分解物量)をモデルにより計算して求める。ここで、「補充しためっき液量」とは、「最初のめっき液」を基準として補充されためっき液量であり、「廃液した液量」とは、「最初のめっき液」を基準として排出されためっき液量である。 As a precaution, the additive concentration control process is performed by opening the supply valve 9 in the circulation line 3 and replenishing the plating solution with a new plating solution. Conventionally, the by-product has been considered to have no effect on the embedding properties or to have a small effect, and thus this method has been used. However, as a result of the study by the inventors of the present application, it has been found that in this method, a via filling defect occurs in the nanoscale structure as described above. However, it is difficult to measure the amount of by-products during the plating process. Therefore, in the electroplating apparatus shown in FIG. 1 devised by the inventors of the present application, the monitoring apparatus 6 has an initial plating solution volume, a replenished plating solution amount, the number of processed wafers, a flowing current value, and an applied voltage. Data such as value, processing time, number of revolutions, amount of liquid waste, etc. are collected, and the control device 1 uses the data to calculate and determine the amount of by-products generated by electrolysis (the amount of decomposed product). Here, the “replenished plating solution amount” is the amount of plating solution replenished based on the “first plating solution”, and the “waste solution amount” is discharged based on the “first plating solution”. Is the amount of the plating solution applied.
なお、モニタリング装置6および制御装置1は、例えば、専用の演算回路、あるいは、プロセッサとRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)等のメモリとを備えたハードウェアおよび当該メモリに格納され、プロセッサ上で動作するソフトウェアにより実現することができる。本実施形態では、モニタリング装置6および制御装置1をコンピュータと当該コンピュータ上で実行されるプログラムとして実現している。なお、モニタリング装置6は、上述の各データを直接取得する各種センサにより取得してもよく、電気めっき装置の動作状態から間接的に取得してもよい。 The monitoring device 6 and the control device 1 are stored in, for example, a dedicated arithmetic circuit or hardware including a processor and a memory such as a RAM (Random Access Memory) and a ROM (Read Only Memory) and the memory. It can be realized by software operating on the processor. In the present embodiment, the monitoring device 6 and the control device 1 are realized as a computer and a program executed on the computer. In addition, the monitoring apparatus 6 may acquire with the various sensors which acquire each above-mentioned data directly, and may acquire indirectly from the operation state of an electroplating apparatus.
ここで、制御装置1が分解物量(副生成物量)の算出に使用するモデルについて説明する。本実施形態では、図1に示すように、1回のめっき処理において1枚のウェーハが処理される構成であるため、めっき処理回数は処理したウェーハ枚数に一致する。この場合、n回目のウェーハ処理後のめっき液に含まれる分解物量Nbnのモデル式は、初期のめっき液(上記最初のめっき液)中に存在する分解物量Nb0、n回目のウェーハ処理における分解物の生成量Gn、全めっき液の容積(外郭容積)V2、各回の廃液量V1とすると以下の式(1)のように表現することができる。 Here, a model used by the control device 1 for calculation of the decomposition product amount (by-product amount) will be described. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, since one wafer is processed in one plating process, the number of plating processes matches the number of processed wafers. In this case, the model expression of the decomposition product amount N bn contained in the plating solution after the n-th wafer processing is the decomposition product amount N b0 present in the initial plating solution (the first plating solution), in the n-th wafer processing. When the decomposition product generation amount G n , the total plating solution volume (outer volume) V 2 , and the amount of waste liquid V 1 at each time, it can be expressed as the following equation (1).
当該モデル式は、特に処理したウェーハに流した電流値から計算する累積電荷量(電流値の積分値)を用いて各めっき処理における生成量Gnを求め(例えば、ウェーハ枚数と流した電流値から算出)、全めっき液の容積に対して排出しためっき液の量から各廃液後に残存した分解物量を計算する。そして、各廃液間に残った分解物量を積算してn回目のウェーハ処理後のめっき液に含まれる分解物量Nbnを求める。当該分解物量Nbnに、その後のめっき処理中に生成された分解物量を加算することで、そのめっき処理の時点での分解物量を算出することができる。なお、分解物量Nbnの算出に使用するデータ(特に電流値)は少なくとも2Hzよりも細かいサンプリングレートで取得する必要がある。それは、副生成物量の計算精度を左右するからであり、例えば、2Hzよりもサンプリングレートが遅くなると計算精度は3%以上劣化する。また、上記式(1)では、全めっき液の容積V2と廃液量V1とを一定値としているが、各回の廃液量と補充液量とが異なる場合には、それぞれの値を用いて分解物量を算出することができる。 In particular, the model formula uses the accumulated charge amount (integrated value of the current value) calculated from the current value applied to the processed wafer to determine the generation amount G n in each plating process (for example, the number of wafers and the current value applied). And the amount of decomposition product remaining after each waste solution is calculated from the amount of the plating solution discharged with respect to the total plating solution volume. Then, the amount of decomposition product remaining between the waste liquids is integrated to determine the amount of decomposition product N bn contained in the plating solution after the nth wafer processing. By adding the decomposition product amount generated during the subsequent plating treatment to the decomposition product amount N bn , the decomposition product amount at the time of the plating treatment can be calculated. Note that the data (particularly the current value) used to calculate the decomposed product amount N bn needs to be acquired at a sampling rate finer than at least 2 Hz. This is because it affects the calculation accuracy of the amount of by-products. For example, when the sampling rate becomes slower than 2 Hz, the calculation accuracy deteriorates by 3% or more. Further, in the above formula (1), the volume V 2 and the amount of waste liquid V 1 of the total plating solution are set to constant values, but when the amount of waste liquid and the amount of replenisher are different each time, the respective values are used. The amount of decomposition product can be calculated.
図2は計算した副生成物量とシームやボイドによって引き起こされた電気的な不良のチップの発生状況を示す図である。図2において、縦軸が副生成物量(分解物量)に対応する。図2から副生成物がある一定量を超えると不良チップが発生していることがわかる。つまり、副生成物は前述の通りウェーハの処理を進める過程でめっき液が電気分解したために生成され、この副生成物の量によってシームやボイド等の欠陥が発生することが新たにわかった。また、このような副生成物の振舞いは、副生成物が抑制剤の効果を持つことを示している。この新しい事実を本願発明者らは発見した。なお、本実施形態の電気めっき装置において、めっき液を充填できる最大の容量は200Lである。 FIG. 2 is a diagram showing the calculated amount of by-products and the state of occurrence of electrically defective chips caused by seams and voids. In FIG. 2, the vertical axis corresponds to the amount of by-products (the amount of decomposed products). It can be seen from FIG. 2 that when a by-product exceeds a certain amount, defective chips are generated. That is, it has been newly found that by-products are generated because the plating solution is electrolyzed in the process of processing the wafer as described above, and defects such as seams and voids are generated depending on the amount of the by-products. In addition, such a by-product behavior indicates that the by-product has an inhibitory effect. The present inventors have discovered this new fact. In the electroplating apparatus of this embodiment, the maximum capacity that can be filled with the plating solution is 200L.
図3は電気的な不良チップの物理解析(不良箇所を特定し、その箇所の断面を観察するもの)した結果を示す図である。コンタクト35の直径は60nmから70nmで、トレンチ34とコンタクト35との深さを合わせた層間絶縁膜32の膜厚は200nmから300nmである。なお、図3では、層間絶縁膜32の下地層である層間絶縁膜31と当該層間絶縁膜31が備えるトレンチ33に充填された金属めっき層を合わせて図示している。 FIG. 3 is a diagram showing the result of physical analysis of an electrically defective chip (which identifies a defective part and observes a cross section of the defective part). The diameter of the contact 35 is 60 nm to 70 nm, and the thickness of the interlayer insulating film 32 including the depth of the trench 34 and the contact 35 is 200 nm to 300 nm. In FIG. 3, an interlayer insulating film 31 that is a base layer of the interlayer insulating film 32 and a metal plating layer filled in the trench 33 provided in the interlayer insulating film 31 are shown together.
図3において、トレンチ34の深さは100nm未満である。したがって、コンタクト35のアスペクト比は最大5程度である。100nm以下のコンタクト直径の場合、アスペクト比が3以上になると埋め込みが難しくなり、図3のように電気的な不良チップではトレンチ34の側壁にボイド41が発生していた。さらにコンタクト35部分にはシーム42が発生していた。なお、めっき液中の銅濃度を10mg/Literから100mg/Literまで変化させてもシーム42やボイド41の発生を抑制することはできなかった。 In FIG. 3, the depth of the trench 34 is less than 100 nm. Therefore, the aspect ratio of the contact 35 is about 5 at the maximum. In the case of a contact diameter of 100 nm or less, embedding becomes difficult when the aspect ratio is 3 or more, and a void 41 is generated on the side wall of the trench 34 in an electrically defective chip as shown in FIG. Further, a seam 42 was generated at the contact 35 portion. In addition, even if the copper concentration in the plating solution was changed from 10 mg / liter to 100 mg / liter, the generation of the seam 42 and the void 41 could not be suppressed.
次に、そのヴィア埋め込み不良の発生メカニズムについて説明する。 Next, the mechanism of occurrence of the via filling failure will be described.
図4はめっき液の変化に対するヴィア埋め込み特性の変化を示すメカニズム図である。本願発明者らの検討によれば、良好なヴィア埋め込み特性を得るためには、抑制剤51が電気分解されることで発生する副生成物52を制御することが重要である。抑制剤51は電気分解により消費されるが、そのときに元のPEG−PPG重合体よりも分子量の小さい分子が生成されたと考えられる現象が確認された。この分子量の小さい分子が上述の副生成物52である。上述のように、この副生成物52は、抑制剤51と同様の銅膜の成長を抑制する機能を有する。また、この副生成物52は分子量が小さいために拡散係数が大きく、微細なヴィア底(図4では、コンタクト35の底部)に到達する量が増加する。その結果、ヴィアやコンタクトの埋め込み不良が発生するのである。すなわち、副生成物52がヴィア底に早く到達するためヴィア底からの金属膜成長(ボトムフィリング)が抑制された結果、シーム等の欠陥が発生したと考えられる。 FIG. 4 is a mechanism diagram showing changes in via filling characteristics with respect to changes in the plating solution. According to the study by the present inventors, in order to obtain good via embedding characteristics, it is important to control the by-product 52 generated when the inhibitor 51 is electrolyzed. Although the inhibitor 51 is consumed by electrolysis, it was confirmed that a phenomenon that a molecule having a molecular weight smaller than that of the original PEG-PPG polymer was generated at that time was confirmed. This low molecular weight molecule is the by-product 52 described above. As described above, the by-product 52 has a function of suppressing the growth of a copper film similar to the inhibitor 51. Further, since the by-product 52 has a low molecular weight, the diffusion coefficient is large, and the amount reaching the fine via bottom (the bottom of the contact 35 in FIG. 4) increases. As a result, via and contact embedding defects occur. That is, it is considered that a defect such as a seam is generated as a result of the suppression of metal film growth (bottom filling) from the via bottom because the by-product 52 reaches the via bottom early.
よって、新しいめっき液を補充して3種類の添加剤の量を制御しても、このようなメカニズムで発生する副生成物は制御することができず、埋め込み不良を抑制することはできない。めっき液から副生成物を外部に放出する、つまり廃液することが根本的な解決方法になる。したがって、廃液量を制御することがもっとも重要なことなのである。そこで、本第1の実施の形態の電気めっき装置では、上述の式(1)により算出される副生成物の量が予め決めた量を超えると、SACライン4にある廃液バルブ5を開放して、めっき液を放出する構成を採用している。本構成では、放出によって副生成物が外部に放出されるので、ボイドやシームの原因となっているめっき液中の副生成物量を減らすことができる。 Therefore, even if the amount of the three kinds of additives is controlled by replenishing a new plating solution, the by-product generated by such a mechanism cannot be controlled, and embedding defects cannot be suppressed. The fundamental solution is to discharge by-products from the plating solution to the outside, that is, to discharge the waste solution. Therefore, it is most important to control the amount of waste liquid. Therefore, in the electroplating apparatus according to the first embodiment, when the amount of the by-product calculated by the above equation (1) exceeds a predetermined amount, the waste valve 5 in the SAC line 4 is opened. Thus, a configuration for discharging the plating solution is adopted. In this configuration, since by-products are released to the outside by the release, the amount of by-products in the plating solution that causes voids and seams can be reduced.
図5は上述の式(1)により計算した副生成物量と、実際に液クロマトグラフィーを用いてめっき液中の副生成物量を測定した結果とを示す図である。図5から計算した副生成物量が増えてくるとめっき液中の副生成物量が多くなっていることがわかる。この測定では、検出すべき副生成物の具体的な分子構造までは特定できていないので、計算した副生成物量を頼りに液をサンプリングし、抑制剤とは異なる分子量を有する分子を液クロマトグラフィーで測定している。 FIG. 5 is a diagram showing the amount of by-products calculated by the above formula (1) and the result of actually measuring the amount of by-products in the plating solution using liquid chromatography. It can be seen from FIG. 5 that the amount of by-products in the plating solution increases as the amount of by-products calculated increases. In this measurement, the specific molecular structure of the by-product to be detected could not be specified, so the liquid was sampled on the basis of the calculated by-product amount, and molecules having a molecular weight different from that of the inhibitor were subjected to liquid chromatography. It is measured by.
液クロマトグラフィーではカラムの保持時間に対する屈折率強度を観測するが、このような異なる分子量を有する分子は、抑制剤が観測できる保持時間(測定時間)とは異なる保持時間現れるため分離して検出することができる。現実の測定では、抑制剤が観測できる保持時間(測定時間)より長い時間で抑制剤以外の副生成物と考えられるピークを観測することができた。今回の液クロマトグラフィーではサイズ排除モードを用いている。当該モードでは、分子量の小さい分子はカラムの奥に入るためカラムから出にくくなり、カラムの保持時間が長くなる。今回の測定では、保持時間が長い場合にピークが観測されるので、検出された副生成物の分子量が抑制剤の分子量より小さいことを示唆しており、前述の発明者のモデルの正当性を示す結果が得られた。 In liquid chromatography, the refractive index intensity with respect to the retention time of the column is observed, but such molecules with different molecular weights are detected separately because they appear different retention times (measurement times) that the inhibitor can observe. be able to. In actual measurement, it was possible to observe a peak considered as a by-product other than the inhibitor in a longer time than the retention time (measurement time) at which the inhibitor can be observed. In this liquid chromatography, the size exclusion mode is used. In this mode, molecules with a low molecular weight enter the back of the column, making it difficult to exit the column and increasing the column retention time. In this measurement, since a peak is observed when the retention time is long, it suggests that the molecular weight of the detected by-product is smaller than the molecular weight of the inhibitor. The results shown are obtained.
(第2の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に基づき、第2の実施の形態ではボイドやシーム等の欠陥のない埋め込み方法を提供するものである。
(Second Embodiment)
Based on the first embodiment of the present invention, the second embodiment provides an embedding method free from defects such as voids and seams.
図6は第2の実施の形態を示すめっき工程のフローチャートである。レシピをスタートすると、まず、モニタリング装置6が3つの添加剤の濃度を測定する(S1)。モニタリング装置6は、測定値が予め設定した値の範囲を超える場合はNGとしてめっき液の補充を制御装置1に指示する。当該指示を受けた制御装置1は供給バルブ9を開放状態として所定量のめっき液を補充する(S1NG、S2)。補充が完了すると、モニタリング装置6は、再度、添加剤の濃度を測定する(S1)。添加剤の濃度が上記範囲内に入るまでめっき液の補充が繰り返し実施されるが、補充量がめっき液のバス容積の値を超える場合は装置を停止させる。添加剤の濃度が上記範囲内になると(S1OK)、モニタリング装置6が、最初のめっき液の体積、補充しためっき液量、処理したウェーハの枚数、流した電流値、印加した電圧値、処理時間、回転数、排出した液量などの装置のデータを収集する(S3)。制御装置1は、これらの装置データから式(1)に基づいて副生成物量を計算する(S4)。副生成物量が予め設定した値の範囲を超えている場合、制御装置1は、廃液バルブ5を開放して廃液を実施(S4NG、S5)した後に、再度、データを収集して副生成物量を計算する(S4)。副生成物量が予め設定した値の範囲内になるまで廃液が繰り返し実施される(S4NG、S5)。副生成物量が予め設定した値の範囲内になると、制御装置1は、ウェーハを装置内に搬送し(S6)、カソード電極上にウェーハを設置する。しかるのちに、金属めっきを実施(S7)して、めっき完了後にウェーハを搬出し(S8)、レシピは終了する。 FIG. 6 is a flowchart of the plating process showing the second embodiment. When the recipe is started, first, the monitoring device 6 measures the concentrations of the three additives (S1). When the measured value exceeds the preset value range, the monitoring device 6 instructs the control device 1 to replenish the plating solution as NG. In response to the instruction, the control device 1 opens the supply valve 9 and replenishes a predetermined amount of plating solution (S1NG, S2). When the replenishment is completed, the monitoring device 6 again measures the concentration of the additive (S1). The plating solution is replenished repeatedly until the concentration of the additive falls within the above range, but the apparatus is stopped when the replenishment amount exceeds the value of the bath volume of the plating solution. When the concentration of the additive falls within the above range (S1OK), the monitoring device 6 performs the initial plating solution volume, the replenished plating solution amount, the number of processed wafers, the flowed current value, the applied voltage value, and the processing time. The device data such as the number of revolutions and the amount of discharged liquid is collected (S3). The control device 1 calculates the amount of by-products from these device data based on the formula (1) (S4). When the amount of by-products exceeds the preset value range, the control device 1 opens the waste liquid valve 5 and executes the waste liquid (S4NG, S5), and then collects data again to determine the amount of by-products. Calculate (S4). The waste liquid is repeatedly executed until the amount of by-products falls within a preset value range (S4NG, S5). When the amount of by-products falls within a preset value range, the control device 1 transports the wafer into the device (S6) and places the wafer on the cathode electrode. Thereafter, metal plating is performed (S7), the wafer is unloaded after the completion of plating (S8), and the recipe ends.
ここで、重要なことは、従来レシピの外で実施されていた添加剤の濃度測定と、この濃度の良否を判断する工程を新たに設けた上に、添加剤の濃度が予め設定した値の範囲外である(S1NG)場合にめっき液を添加する機構と工程を設けた点である。さらに、より重要な点は、装置のデータを収集した上で副生成物量の計算とこの量の良否を判定する工程を新たに設けた上に、副生成物量が予め設定した値の範囲外である(S4NG)場合に廃液を実施する機構と工程を設けた点である。これらがレシピ内で実施されるために、モニタリングしたデータをその場で計算し、その結果をフィードバックすることができる。そして、副生成物量によって添加するめっき液の容積と排出するめっき液の容積とを制御している。それ故に、副生成物量の計算精度が大きく向上する。 Here, the important thing is that the concentration of the additive, which has been carried out outside the conventional recipe, and a process for judging the quality of this concentration are newly provided, and the concentration of the additive is a preset value. A mechanism and a process for adding a plating solution when it is out of range (S1NG) are provided. Furthermore, more importantly, after collecting the data of the apparatus, a new step for calculating the amount of by-products and determining the quality of this amount is provided, and the amount of by-products is outside the range of the preset value. This is the point where a mechanism and a process for implementing the waste liquid are provided in some cases (S4NG). Since these are implemented within the recipe, the monitored data can be calculated on the fly and the results fed back. The volume of the plating solution to be added and the volume of the plating solution to be discharged are controlled by the amount of by-products. Therefore, the calculation accuracy of the by-product amount is greatly improved.
なお、ここでの説明はレシピスタート(オペレーションスタート)を起点としているが、ロットが装置に予約された時点(トラックイン)を起点としても、大きく計算精度が狂うことがないことは言うまでもない。 Although the description here is based on the recipe start (operation start) as a starting point, it goes without saying that the calculation accuracy does not greatly change even when the lot is reserved in the apparatus (track in).
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態について説明する。本発明の第3の実施の形態は、最適な廃液量を決めた電気めっき方法に関するものである。めっき液は高価なので廃液する量はできるだけ少ないことが好ましい。そこで、本実施形態では、処理するウェーハ量、すなわち生成する副生成物量とめっき液槽全体の容積と廃液する量によって最適な廃液量を決定する手法について説明する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. The third embodiment of the present invention relates to an electroplating method in which an optimum amount of waste liquid is determined. Since the plating solution is expensive, the amount of waste solution is preferably as small as possible. Therefore, in the present embodiment, a method for determining an optimum amount of waste liquid based on the amount of wafers to be processed, that is, the amount of by-products to be generated, the volume of the entire plating solution tank, and the amount of waste liquid will be described.
図7は廃液回数に対するめっき液中の副生成物量をシミュレーションした結果を示す図である。最初の副生成物量を「1」として、全めっき液量の8%廃液した場合と、29%廃液した場合の計算結果を示している。なお、廃液率は乱数により決めている。 FIG. 7 is a diagram showing a result of simulating the amount of by-products in the plating solution with respect to the number of waste liquids. The calculation results when the initial by-product amount is “1” and 8% of the total plating solution is discarded and when 29% is discarded are shown. The waste liquid rate is determined by random numbers.
図7から8%の廃液率では十分に副生成物を外部に放出できないために、めっき液中に含まれる副生成物量は増え続けていることがわかる。一方、29%の廃液率では、副生成物の増加量は抑制されていることがわかる。このことから、廃液率には最適値があることがわかる。そこで、この計算結果から廃液率に対する副生成物の増加量を求めた結果を次に示す。 It can be seen from FIG. 7 that the amount of by-products contained in the plating solution continues to increase because the by-product cannot be sufficiently released to the outside at a waste liquid rate of 8%. On the other hand, it can be seen that the increase in by-products is suppressed at a waste liquid rate of 29%. This shows that there is an optimum value for the waste liquid rate. Therefore, the result of obtaining the amount of increase of by-products with respect to the waste liquid rate from this calculation result is shown below.
図8は廃液率に対する副生成物の増加量についての説明図である。図8において、横軸が廃液率に対応し、縦軸が副生成物量に対応する。 FIG. 8 is an explanatory diagram of an increase amount of by-products with respect to the waste liquid rate. In FIG. 8, the horizontal axis corresponds to the waste liquid rate, and the vertical axis corresponds to the amount of by-products.
図8から前述の予測通り、廃液率を大きくすると増加量が小さくなっていることがわかる。もとの副生成物量が「1」なので副生成物量が「1」を越えないための廃液率は34%であることがわかる。したがって、めっき液中の副生成物量を増加させないためには廃液時に全めっき液量の34%を廃液することが必要である。もちろん、廃液率を34%より大きくすれば、廃液回数の増大に伴ってめっき液中の副生成物量を減らすことができることは言うまでもない。 As can be seen from FIG. 8, the increase amount decreases as the waste liquid rate increases. Since the amount of the by-product is “1”, it can be seen that the waste liquid ratio for preventing the amount of the by-product from exceeding “1” is 34%. Therefore, in order not to increase the amount of by-products in the plating solution, it is necessary to waste 34% of the total plating solution amount at the time of waste solution. Of course, if the waste liquid ratio is made higher than 34%, it goes without saying that the amount of by-products in the plating liquid can be reduced as the number of waste liquids increases.
本実施の形態では、このようにして予め廃液量を決めることが可能であり、図1のモニタリング装置6に、ここで求めた値を閾値として保持しておいて、この値よりも廃液率が下がると装置を停止することで埋め込み不良を防止することが可能である。少なくとも図3に示すようなコンタクト直径100nm以下の微細構造物に銅をボイドやシームなどの欠陥なく埋め込むためには、少なくとも34%のめっき液を廃液しなければならない。 In this embodiment, it is possible to determine the amount of waste liquid in advance in this way, and the value obtained here is held as a threshold value in the monitoring device 6 in FIG. 1, and the waste liquid rate is higher than this value. When it is lowered, it is possible to prevent the embedding failure by stopping the apparatus. In order to embed copper in a microstructure having a contact diameter of 100 nm or less as shown in FIG. 3 without defects such as voids and seams, at least 34% of the plating solution must be drained.
なお、前記実施の形態において銅膜の埋め込みについて説明したが、銀やアルミニュウムなど他の金属膜についても同様であることは言うまでもない。 Although the copper film is embedded in the above embodiment, it goes without saying that the same applies to other metal films such as silver and aluminum.
以上説明したように、本発明によれば、めっき液の組成変動による埋め込み不良を防止することで半導体装置の歩留りを向上させることができる。 As described above, according to the present invention, the yield of the semiconductor device can be improved by preventing the filling failure due to the composition variation of the plating solution.
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において、種々の変形および応用が可能である。例えば、上記各実施形態では、循環ラインと副循環ラインとを備える半導体製造装置に適用した事例について説明したが、本願発明は、図9に示したような1つの循環ラインのみを備える半導体製造装置にも適用可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications are possible without departing from the technical idea of the present invention. For example, in each of the above-described embodiments, the case where the present invention is applied to a semiconductor manufacturing apparatus including a circulation line and a sub-circulation line has been described. However, the present invention is a semiconductor manufacturing apparatus including only one circulation line as shown in FIG. It is also applicable to.
本発明の半導体装置の製造方法および半導体製造装置は、発生する副生成物量を計算によって求める機能を有し、この機能を使って副生成物量を一定の値に制御することが可能であって、ナノオーダーの微細構造物に金属を埋め込む半導体装置の配線工程の製造技術等として有用である。また、MEMSにおけるめっき工程等の用途にも応用できる。 The method for manufacturing a semiconductor device and the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention have a function of obtaining the amount of by-product generated by calculation, and it is possible to control the amount of by-product to a constant value using this function, This is useful as a manufacturing technique for a wiring process of a semiconductor device in which metal is embedded in a nano-order fine structure. Moreover, it is applicable also to uses, such as a plating process in MEMS.
1 制御装置
2 めっき液溜槽
3 循環ライン
4 副循環ライン
5 廃液バルブ
6 モニタリング装置
7、8 フィルター
9 供給バルブ
10 カソード
11 ウェーハ
12 拡散板
13 フィルター
14 アノード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Control apparatus 2 Plating solution reservoir 3 Circulation line 4 Sub circulation line 5 Waste liquid valve 6 Monitoring apparatus 7, 8 Filter 9 Supply valve 10 Cathode 11 Wafer 12 Diffusion plate 13 Filter 14 Anode
Claims (4)
前記金属めっき膜を埋め込む工程が、
最初のめっき液の容積、補充しためっき液量、処理したウェーハ枚数、流した電流値及び排出しためっき液量の各データを収集するステップと、
前記流した電流値に基づいてめっき処理の累積電荷量を計算するステップと、
全めっき液の容積を計算するステップと、
前記全めっき液の容積、排出しためっき液量および累積電荷量に基づいて、めっき液に含まれる抑制剤の分解物量を計算するステップと、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of embedding a metal plating film in a via hole or a trench provided in an insulating film formed on a semiconductor substrate,
The step of embedding the metal plating film,
Collecting each data of initial plating solution volume, replenished plating solution amount, number of processed wafers, flowed current value and discharged plating solution amount;
Calculating a cumulative charge amount of the plating process based on the flowing current value;
Calculating the total plating solution volume;
Calculating a decomposition amount of the inhibitor contained in the plating solution based on the volume of the total plating solution, the discharged plating solution amount and the accumulated charge amount; and
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
めっき液を補充するステップと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Discharging a predetermined amount of plating solution when the amount of decomposed product exceeds a preset value;
Replenishing the plating solution;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising:
めっき液を循環させる手段と、
めっき液を供給する手段と、
めっき液を排出する手段と、
最初のめっき液の容積、補充しためっき液量、処理したウェーハ枚数、流した電流値及び排出しためっき液量の各データを収集する手段と、
前記流した電流値に基づいてめっき処理の累積電荷量を計算する手段と、
全めっき液の容積を計算する手段と、
前記全めっき液の容積、排出しためっき液量および累積電荷量に基づいて、めっき液に含まれる抑制剤の分解物量を計算する手段と、
を備えたことを特徴とする半導体製造装置。 In a semiconductor manufacturing apparatus for performing a process of embedding a metal plating film in a via hole or a trench provided in an insulating film formed on a semiconductor substrate,
Means for circulating the plating solution;
Means for supplying a plating solution;
Means for discharging the plating solution;
Means for collecting each data of initial plating solution volume, replenished plating solution amount, number of processed wafers, flowed current value and discharged plating solution amount;
Means for calculating a cumulative charge amount of the plating process based on the flowing current value;
Means for calculating the volume of the total plating solution;
Based on the volume of the total plating solution, the amount of discharged plating solution and the accumulated charge amount, a means for calculating the amount of decomposition product of the inhibitor contained in the plating solution;
A semiconductor manufacturing apparatus comprising:
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