電解めっき（Cu配線）とは

電解めっき（Cu配線）とは、めっき液に浸したウェーハへ電気を流し、液の中の銅イオンを金属の銅として析出させて、配線の溝を埋める工程です。 溝の内側で銅が同じ速さで析出すると、溝の口が先に塞がって中に空洞が残ります。そのため添加剤で析出速度を場所ごとに変えます。しかし添加剤の成分は膜に不純物として残り、抵抗と信頼性に影響します。埋め込みを助ける薬品が、そのまま膜の質を決める変数になる点が、この工程の要です。

銅はエッチングで加工しにくいので、掘った溝をめっきで埋める

銅は、先に溝を掘って埋める手順で配線にします。銅をドライエッチングする際の生成物であるハロゲン化物は蒸気圧が低いため、エッチングによるパターン形成は実用上困難でした¹。そこで、絶縁膜に先に溝と穴を掘って金属を埋めるダマシン法が採用されました。

埋める手段が電解めっきです。硫酸銅などを成分とした溶液にウェーハと銅の塊を浸して電流を流し、ウェーハの表面に銅をめっきします²。SCREENセミコンダクターソリューションズは、電解めっきはスパッタより材料コストが低く生産性も高い一方、均一性はスパッタより低いとしています。工程の並びは決まっていて、溝とビア孔を形成したあとにバリアメタルと銅のシード膜を成膜し、電解めっきで銅膜を埋め込み、余分な銅をCMPで除去します¹。

めっき技術は、Cuダマシンプロセスで初めて前工程に採用されました³。深い溝を埋めるには、溝の底から銅膜が優先的に成長するボトムアップを実現する必要があり、めっき液と装置の開発が急ピッチで進められました。日本半導体歴史館によると、装置では当初Novellus、AMAT（Applied Materials）、Semitool、荏原製作所などが競合し、その後Novellusが主流になりました。

一様に析出させると、溝の口が先に塞がる

埋まり方の違い

口に近い肩から厚くなると口が先に閉じて空洞が残り、研磨しても配線の中に残ります。底の析出を速くすると、入口が閉じる前に底から順に埋まります。

溝の内側のどこでも同じ速さで銅が析出すると、口に近い肩の部分が先に厚くなります。肩どうしが触れた時点で溝は塞がり、中に空洞や継ぎ目が残ります。残った空洞は、そのまま配線断面の欠損になります。電流の通る面積が減って抵抗が上がり、その後の通電で断線の起点にもなります。研磨の前に溝が塞がるので、空洞はCMPの後も配線の中に残ります。

そのため、析出速度を場所ごとに変えます。この埋め方を、ボトムアップフィリング、またはスーパーフィリング⁴と呼びます。微細になるほど埋め込みは難しくなり、2012年時点の微細配線の幅は50nm程度、トレンチとビアのアスペクト比はそれぞれ2程度で、合わせて4程度です。すべての電解めっきが自動的にボトムアップになるわけではなく、促進剤、抑制剤、平坦化剤などの作用と分布を使って、入口を閉じる前に内部を埋めます。

添加剤の大きさの差で、外側を抑え内側を速める

ボトムアップめっき浴は、硫酸銅と硫酸からなる基本浴に、塩素、抑制剤（サプレッサ）、促進剤（アクセラレータ）、レベラーなどの添加剤を加えたものです。

サプレッサには、主に分子量の大きいポリエチレングリコールを使います。サプレッサは塩素と複合体を形成して銅の析出を抑え、微細パターンの内部には入りにくいため、主にトレンチやビアの側面や外側の平坦部で析出を抑えます。アクセラレータには、分子量の小さい化合物を使います。分子が小さいためトレンチやビアの中にも入りやすく、パターン内部ではサプレッサに対する相対的な濃度が上がって抑制作用が弱まり、パターン外部より析出速度が相対的に速くなります。外側の析出を抑え、内側の析出を促進するこの差が、ボトムアップフィリングの仕組みです。レベラーは、パターンの角部に吸着しやすく、その部分での析出を抑制するとされています。レベラーを使わない浴もあります。

現場で管理するのは、この添加剤の濃度です。安定した埋め込み特性を保つには添加剤の濃度を一定に保つことが重要で、サイクリックボルタンメトリックストリッピングなどで濃度を管理します。実験に使われた浴の一例では、硫酸96%が105.8mL/L、硫酸銅が65g/L、塩酸35%が0.12mL/L、ポリエチレングリコールが100mg/L、促進剤が1mg/Lで、電流密度10mA/cm2で膜厚約500nmを堆積しています。

シード層も埋め込みを左右します。ルテニウムは銅との濡れ性に優れ、その後にスパッタ成膜するシード銅薄膜が均一に被覆されるため、電解めっき銅の埋め込み性能が上がります¹。Ru配線が注目される理由の一つが、この埋め込みやすさです。

埋まるほど底の触媒が濃くなり、成長が速まる

触媒の被覆率と底の成長

条件を適切に設計すると、埋め込みが進むにつれて底の金属表面の面積が減り、そこに吸着した触媒種が密になります。被覆率が上がった底ほど速く成長するので、底からの埋め込みが自ら加速します。

なぜ底だけが速くなるのかについて、NISTは電析とCVDのスーパーコンフォーマル埋め込みを1つのモデルで説明しています。金属表面に吸着した触媒種の被覆率が上がるほど、その場所の成長速度が上がる⁵というモデルです。条件を適切に設計すると、埋め込みの途中で底の金属表面の面積が局所的に減り、底の触媒の被覆率が大きく上がって、スーパーコンフォーマル成長になります。

ビアフィリングめっきでは、シードの連続性、添加剤、電流、液の流れを合わせます。底面へ銅を析出させる方式と、成膜した銅を加熱して移動させるCuリフローは、どちらも埋込みに使えますが機構が異なります。仕上がりは断面で確かめ、入口の閉塞、シームとボイドを見ます。

めっき直後の膜は室温で粒が育つので、熱処理で物性を固める

めっき直後の膜は、室温でも変化し続けます。銅めっき膜では、室温での堆積後から室温放置で結晶粒が成長する再結晶化、つまりセルフアニール現象が見られます。セルフアニールは、電気的性質と機械的性質の両方を変えます。抵抗率の減少、膜応力の変化、CMP速度などの変化が起き、研磨速度が日によって変わって後工程に影響します。これらの物性変動は配線形状や特性のばらつきにつながるため、めっき後に150度から400度の間の温度で熱処理を行い、結晶粒を成長させて物性を安定させるのが一般的です。

添加剤の残りは粒の成長を妨げ、細い配線の抵抗を上げる

添加剤の成分は、役目を終えた後も膜の中に残ります。めっき膜には主に添加剤に由来する炭素、塩素、硫黄が含まれ、二次イオン質量分析などで測定されます。めっき液の溶媒である水の純度でも残留量は変わり、超純水を使った浴では膜中の残留炭素濃度が1桁以上減少します。

この不純物は、まず結晶粒の成長を妨げます。上野氏の解説によると、炭素は粒界に集まって粒界の移動をピンニングすると考えられ、膜中の炭素濃度が高いほど結晶粒は成長しにくくなります。配線幅が100nm以下の微細配線では、電子の粒界散乱や側面散乱による抵抗上昇の影響が大きく、抵抗を下げるには粒径の拡大が重要です。結晶粒が小さいままだと、そのまま抵抗が高くなります。

不純物はストレス誘起ボイドを抑え、エレクトロマイグレーション寿命を縮める

上野氏の解説によると⁴、信頼性への影響は二つの方向に分かれます。不純物濃度が高いほどエレクトロマイグレーションの寿命は短くなります。めっき膜中の不純物が熱処理で銅配線と絶縁膜の界面に析出し、界面の密着性が下がるためで、銅配線ではこの界面がエレクトロマイグレーションによる銅の拡散経路になります。

一方、ストレス誘起ボイドには逆に働きます。上野氏の解説によると、炭素などの粒界の不純物は粒界を介した空孔の拡散を抑え、ボイドの形成を抑えます。不純物を増やすとストレス誘起ボイドは抑制され、エレクトロマイグレーション耐性は劣化するというトレードオフがあります。

配線幅で不純物を分ける

大きなレベラー分子を使う提案では、分子が広い溝には入り、狭い溝には入りにくいので、広い配線だけ不純物を増やしてストレス誘起ボイドを抑え、狭い配線は不純物を少なく保ちます。

ストレス誘起ボイドは幅依存性を持ち、幅の広い配線で顕著です。狭い配線ではストレス誘起ボイドが生じにくく、エレクトロマイグレーション耐性が問題になります。そこで、上野氏の解説は分子量の大きなレベラーを使う提案を紹介しています。大きな分子は広い配線溝には入れますが狭い配線溝には入りにくいので、広い配線だけ不純物濃度を選択的に上げられます。分子寸法は、ボトムアップフィリングの吸着と供給を左右する因子の一つです。

よくある質問（FAQ）

電解めっき（Cu配線）とは何ですか？

めっき液に浸したウェーハに電流を流し、液の中の銅イオンを金属の銅として析出させて、配線の溝を埋める工程です。硫酸銅などを成分とした溶液にウェーハと銅の塊を浸して電流を流します。

スパッタとめっきのうち、めっきを採るのはなぜですか？

SCREENセミコンダクターソリューションズは、電解めっきはスパッタより材料コストが低く生産性も高い一方、均一性はスパッタより低いとしています。深い溝の底まで金属を届ける必要があるため、電解めっきが選ばれました。

ふつうに電気を流せば溝は埋まりますか？

口の付近から先に埋まります。溝の内側どこでも同じ速さで析出が進むと、口の付近が先に太って閉じ、中に空洞や継ぎ目が取り残されます。そこで、底の析出だけを速くする必要があります。

底だけを速くするにはどうするのですか？

めっき液に添加剤を入れます。硫酸銅と硫酸の基本浴に、塩素、抑制剤、促進剤、レベラーなどを加えます。NISTは、条件を適切に設計すると、表面に吸着した触媒種の被覆率が埋まるにつれて底で上がり、成長が速まるモデルで説明しています。

めっきした直後の膜は安定していますか？

室温でも結晶粒が成長します。このセルフアニール現象に伴って、抵抗率の減少、膜応力の変化、CMP速度などの変化が起きるため、めっき後に150度から400度の間で熱処理を行い、物性を安定させるのが一般的です。

添加剤を入れる欠点は何ですか？

膜に不純物が入ります。めっき膜には主に添加剤に由来する炭素、塩素、硫黄が含まれ、この不純物が抵抗と信頼性の両方を左右します。

不純物は減らせば減らすほど良いのですか？

配線の幅で答えが変わります。不純物を増やすとストレス誘起ボイドは抑制されますが、エレクトロマイグレーション耐性は劣化し、上野氏はこれをトレードオフと呼んでいます。幅の広い配線と狭い配線で、望ましい方向は逆になります。

比較・違いを学ぶ

スパッタリングとは── 真空中で原子を弾き飛ばす成膜、めっきは液の中で析出させる成膜です
ダマシン法とは── めっきが埋める相手の溝を、先に掘っておく方式です

出典

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