(57)【要約】絶縁体層（２００）内の開口部をW（２０２）で充填して、レーザー・サーマル・アニールを行って、ボイド（２０３）を除去または相当量減少させることで、信頼性のあるコンタクト／ビアを形成する。実施形態は、層間絶縁膜（２００）内のコンタクト／ビア用開口部を充填するためにW（２０２）をデポジションする処理と、N2中でレーザー・サーマル・アニール（３０）を行って前記コンタクト／ビア用開口部を充填するWの温度を上昇させて前記Wをリフローさせ、それによってボイド（２０３）を除去する処理とを含む。実施形態は、レーザー・サーマル・アニールの前またはその後で、CMPを実行する処理を含む。
2005508573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の製造方法であって、
絶縁体層（２００）に開口部を形成する処理と、
前記開口部にタングステン（Ｗ）（２０２）をデポジションする処理と、
前記デポジションされたＷをレーザー・サーマル・アニール（３０）する処理とを含む製造方法。
【請求項２】
前記開口部を充填するデポジションされたＷ（２０２）に、約0.78から約1.10ジュール／平方センチメーターの放射フルエンスで、パルスレーザー光ビーム（３０）を照射することにより、レーザー・サーマル・アニールする処理を含む、請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
前記開口部を充填するデポジションされたＷを摂氏約３０００度から約３６００度の温度まで加熱して、それによって前記開口部内のＷをリフローさせる、レーザー・サーマル・アニール処理（３０）を含む、請求項２記載の製造方法。
【請求項４】
窒素（N2）中でレーザー・サーマル・アニールする処理（３０）を含む、請求項１記載の製造方法。
【請求項５】
約２００から約２０００sccmの流量のN2を用いるレーザー・サーマル・アニール処理（３０）を含む、請求項４記載の製造方法。
【請求項６】
前記Wのデポジションの前に、前記開口部をライニングするバリア層（２０１）をデポジションする処理を含む、請求項１記載の製造方法。
【請求項７】
レーザー・サーマル・アニールの後で、化学機械研磨（CMP）を実行して、前記開口部内の前記W（５０）の上面と前記絶縁体層（２００）の上面とが実質的にともに平坦になるようにする処理を含む、請求項１記載の製造方法。
【請求項８】
レーザー・サーマル・アニールの前に、化学機械研磨（CMP）を実行して、前記W（８０）の上面と前記絶縁体層（２００）の上面とが実質的にともに平坦になるようにする処理を含む、請求項１記載の製造方法。
【請求項９】
前記開口部を充填するデポジションされたＷ（２０２）に、約0.78から約1.10ジュール／平方センチメーターの放射フルエンスで、パルスレーザー光ビーム（３０）を照射することにより、レーザー・サーマル・アニールする処理を含む、請求項４記載の製造方法。
【請求項１０】
前記開口部を充填するデポジションされたＷ（２０２）を摂氏約３０００度から約３６００度の温度まで加熱して、それによって前記開口部内のＷをリフローさせる、レーザー・サーマル・アニール処理（３０）を含む、請求項９記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正確にサブミクロン構造が形成された半導体装置を製造するための方法に関する。本発明は、信頼性の高い低抵抗のコンタクト／ビアを持つ、高密度な多層構造のフラッシュメモリ半導体装置の製造に特に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
半導体回路のジオメトリ（形状）がサブミクロン体制（regime）に深く突入し続けるにつれ、必要とされる信頼性および回路速度を持つ個々の半導体装置を正確に形成することが段々と難しくなってきている。設計ルールが約0.15ミクロン以下、例えば約0.12ミクロン以下のフラッシュメモリ装置の製造における実装が特に問題となっている。
【０００３】
従来の半導体装置は、様々な要素、例えばトランジスタが形成される半導体基板、および続いて形成される複数の上部の層間絶縁膜および導電パターンを含み、これらの中で導電ラインを有する相互接続システムが形成される。一般に、異なったレベル（つまり、上のレベルと下のレベル）にある導電パターンは、ビア（via）ホールを充填する導電プラグによって電気的に接続され、コンタクトホールを充填する導電プラグは、半導体基板上の能動領域、例えばソース／ドレイン領域との間で電気的接点を形成する。ビアホールを埋める導電プラグは、一般的に、少なくとも一つの導電構造を含む導電レベル上に層間絶縁膜（ILD）をデポジションし、従来のフォトリソグラフィックおよびエッチング技術によってILDを貫通する開口部を形成し、その開口部を導電材料で充填することによって形成される。ILDの表面上の余分な導電材料または表面部分は、通常化学機械研磨（CMP）によって除去される。そのための方法の一つとして知られるダマシン技術は、基本的に、ILD内に開口部を形成し、その開口部を金属で充填する。デュアルダマシン技術は、上部のトレンチ部と繋がる下部のコンタクトホールまたはビアホール部を有する開口部を形成し、その開口部を導電材料、通常は金属で充填して、上部の導電ラインと電気的に接触する導電プラグを同時に形成する。
【０００４】
ジオメトリがサブミクロン体制に深く進むにつれて、信頼性の高い、低抵抗の接点および相互接続を形成するのが特に問題になってきている。例えば、コンタクト／ビア開口部の直径が小さくなり、アスペクト比（深さ／直径）が大きくなる（約４：１以上）につれて、開口部は、継ぎ目やコンタクトまたはビアの中央部分を通る孔（porosity）またはボイド（void）の形態を取る芯抜き（coring）などの欠陥に対してより脆弱になってきている。そのようなボイドによって、高い、不安定な接触抵抗が分布することになり、フラッシュメモリ装置およびマイクロプロセッサに欠陥および低いエレクトロマイグレーション耐性をもたらすことになる。
【０００５】
従って、改善された信頼性を持つ半導体装置の製造を可能にする方法が求められている。そのような半導体装置にはMOSトランジスタを有する半導体装置が含まれ、電気的消去可能プログラマブル・リード・オンリー・メモリ（EEPROM）装置などのフラッシュメモリ装置も含まれる。また、深いサブミクロンレンジの構造を持ち、改善されたエレクトロマイグレーション耐性を持つ信頼性の高い、低抵抗のコンタクトおよびビアを含む、半導体装置の製造を可能にする方法に対する特別なニーズがある。
【発明の開示】
【発明の概要】
【０００６】
本発明の特長は、深いサブミクロン体制の構造を持ち、低く、安定した接触抵抗分布および改善されたエレクトロマイグレーション耐性を示す高い信頼性のビアおよびコンタクトを持つ、半導体装置の製造方法である。
本発明のさらなる特長およびその他の特徴は、この後の発明の詳細な説明で説明される。その一部は以下の説明を理解した当業者には明白なものであり、または本発明を実行することによって学ぶことができる。本発明の特徴は、添付の特許請求の範囲に特に記載されているように、実現し、得ることができる。
本発明に従って、上述の、およびその他の特長の一部は半導体装置を製造する方法によって達成される。当該方法は、絶縁体層に開口部を形成する処理と、その開口部を充填するためにタングステン（W）をデポジション（deposition）する処理と、開口部内のタングステンをレーザー・サーマル（熱）・アニールする（laser thermal annealing）処理とを含む。
【０００７】
本発明の実施形態は、ホウ素リンドープされたケイ酸塩ガラス（BPSG, boron-phosphorus-doped silicated glass）またはBPSG層の上にテトラエトキシシラン（TEOS, tetraethyl orthosilicate）から得られたシリコン酸化物層を載せた合成酸化物層などの酸化物絶縁体層に開口部を形成する処理と、チタン（Ti）の第１バリア層をデポジションし、次に、チタン層上に窒化チタンの層を、少なくとも一層、例えば三層デポジションする。次に、開口部をタングステン（W）で充填する。本発明の一実施形態においては、充填された開口部に向けたレーザー光ビームをデポジションされたタングステンに当てることにより、レーザー・サーマル・アニールが実行される。このレーザー・サーマル・アニールは、通常、放射フルエンス約0.78から約1.10ジュール／平方センチメートルで、短時間、例えば約10から約100ナノ秒の間、窒素（N2）中で行われ、開口部内のタングステンの温度を上昇させて、充填された開口部内のタングステンを溶融させリフローさせる（例えば、摂氏約3000度から約3600度の温度）。次に、化学機械研磨（CMP）を実行する。本発明の他の実施形態では、CMPはレーザー・サーマル・アニールの前に実行される。
【０００８】
本発明のさらなる特長は、この後の詳細な説明から当業者に容易に明白になるであろう。詳細な説明中の本発明の実施形態は、本発明を実施するために最良の形態であると考えられるものを単に例示して説明したにすぎない。本発明はその他の、異なった実施形態において実施することができ、そしてそのいくつかの細かい部分は様々な明白な観点から変更することが可能であるが、それらはすべて本発明から乖離するものではない、ことを理解していただきたい。従って、添付の図面および説明は本質的に例示のためのものとして取り扱われるべきであって、制限目的のものとして取り扱われるべきではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図２から図８において、類似の要素または構造は、類似の参照符号で記載される。
本発明は、不所望なホール（孔）の形成から生じるタングステンコンタクト／ビアの信頼性の問題と、それに伴う高く、不安定な接触抵抗の分布および低いエレクトロマイグレーション耐性の問題を取り扱い、解決する。これらの問題は、デバイスのジオメトリがサブミクロン体制に深く縮小されたときに顕著となる。例えば、コンタクト／ビア開口部の幅が約0.225から約0.257ミクロンまで、例えば約0.25ミクロンにまで減少し、コンタクト／ビア開口部の深さが約0.81から約0.99ミクロンまで、例えば約0.90ミクロン以上にまで延びて、アスペクト比が４：１またはそれ以上に近づくと、ボイドの形成なしにコンタクト／ビア開口部を埋めるのは非常に困難になる。本発明はこの問題を取り扱い、解決するのに、高いアスペクト比を持つコンタクト／ビア開口部を従来の方法で充填して、ボイドを持つタングステンプラグを形成する従来の方法から始める。本発明は、高いアスペクト比を持つコンタクト／ビア開口部の充填の際に形成されたボイドの除去を可能にする効率的な方法を提供し、それによって接触抵抗を減少させ、抵抗値の分布をより狭くし、エレクトロマイグレーション耐性（特性）を改善する点において、従来のやり方とは異なる。
【００１０】
本発明の実施形態に従って、コンタクト／ビア開口部を、酸化物層などの絶縁体層、例えばＢＰＳＧまたはＴＥＯＳから得られたシリコン酸化物の層に形成する。次に、バリア層の合成物が開口部のライニング（内張り、内層）を形成する。本発明の実施形態に従って、第１の（最初の）薄いチタン（Ti）層をデポジションして開口部をライニングし、第１のチタン層の上にチタン窒化物層をデポジションする。次に、タングステンを従来の方法でデポジションし、表土（overburden；オーバーバーデン）を形成する。この時点で、コンタクト／ビア開口部を充填しているタングステンは、エレクトロマイグレーション耐性を含むデバイスの性能に悪影響を与える不所望なボイドまたは孔（pore）を含んでいる。
【００１１】
本発明の実施形態に従って、開口部を充填するタングステンは、開口部内のタングステンに向けられたパルスレーザー光ビームの照射により、レーザー・サーマル・アニールされる。このレーザー・サーマル・アニールは、放射フルエンス約0.78から約1.10ジュール／平方センチメートルで、約200から約2000sccmの流量でN2を流しながら行われる。レーザー・サーマル・アニールの間、開口部内のタングステンの温度は摂氏約3000度から約3600度まで上昇し、タングステンを溶融させリフローさせる。これによって、ボイドが除去される。次に、従来の方法で化学機械研磨（CMP）を実行して、開口部を充填しているタングステンの上面と絶縁体層の上面とが実質的にともに平坦に（co-planar）なるようにする。本発明の他の実施形態では、CMPはレーザー・サーマル・アニールの前に実行される。
【００１２】
本発明の実施形態に従ったレーザー・サーマル・アニールの使用による相互接続中のボイドの減少および接触抵抗の低減はいくつかの有利性をもたらす。例えば、レーザー・サーマル・アニールは、開口部を充填しているタングステンを目標とする際にピンポイントで正確に狙うことができ、それによってウェハの他の部分の温度を不必要に上昇させて、不適切な不純物拡散などの様々な問題を引き起こすことを防止することができる。
【００１３】
本発明の実施形態を実現する際には、約10から約2000mJ/cm2/パルスの間のエネルギー、例えば約100から約400mJ/cm2/パルスで動作可能なレーザー光源を使用した、商業的に提供されている様々なレーザー装置の任意のものを採用することができる。そのようなレーザーアニールを、マスクを用いて、またはマスクなしに実行できる装置が、商業的に提供されている。Verdant Technologies社のレーザーアニール装置は一例であって、照射波長308nmで動作する。
【００１４】
図１は、本発明が取り扱うタングステンプラグのボイド形成の問題を示す図であって、基板１０にトランジスタが形成されている。トランジスタは、MOSトランジスタおよび／またはデュアルゲートメモリセルトランジスタを含みうる。デュアルゲートメモリセルトランジスタは、フローティングゲートおよびコントロールゲートを有し、それらの間にポリ層間（interpoly）絶縁膜（ONO）が配置されている。
【００１５】
例えば、トランジスタは、トンネル酸化物１３、フローティングゲート電極１４、ＯＮＯスタックポリ間絶縁膜１５およびコントロールゲート１６を含みうる。金属シリサイドの層１７Ａがゲート電極スタックの上面に形成されている。金属シリサイドの層１７Ｂがソース／ドレイン領域１１，１２の上に形成される。シリコン酸化物、シリコン酸化窒化物またはシリコン窒化物などの絶縁物サイドウォールスペーサ１８がゲート電極の側面に形成され、一般的にその上にシリコン窒化物のエッチストップ層１９がデポジションされる。ＢＰＳＧまたはＢＰＳＧとその上に形成されるＴＥＯＳから得られたシリコン酸化物からなる合成物などの絶縁体層１００が、約7500オングストロームから約8500オングストロームの間、例えば約8000オングストロームの厚さにデポジションされる。
【００１６】
次に、従来のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、絶縁体層１００にコンタクト用開口部を形成し、ソース／ドレイン領域１２を露出させる。次に、タングステンをデポジションして、コンタクト用開口部を充填し、表土（オーバーバーデン）を形成する。続いて、ＣＭＰを行い、不所望な程度の多孔度１０２を有するタングステンプラグ１０１を残す。本発明はこの特定の問題を効率的な方法で効率的に解決し、それによってそのようなボイドを相当程度減少させ、または除去する。それによって、同時にエレクトロマイグレーション耐性およびデバイスの信頼性が改善される。
【００１７】
本発明の実施形態を図２から図５に示す。図２において、トランジスタが基板２０に形成されている。トランジスタは、MOSトランジスタおよび／またはデュアルゲートメモリセルトランジスタを含みうる。デュアルゲートメモリセルトランジスタは、フローティングゲートおよびコントロールゲートを有し、それらの間にポリ層間（interpoly）絶縁膜（ONO）が配置されている。例えば、トランジスタは、トンネル酸化物２３、フローティングゲート電極２４、ＯＮＯスタックポリ間絶縁膜２５およびコントロールゲート２６を含みうる。金属シリサイドの層２７Ａ、例えばニッケルシリサイドがゲート電極スタックの上面に形成される。金属シリサイドの層２７Ｂ、例えばニッケルシリサイドがソース／ドレイン領域２１，２２の上に形成される。シリコン酸化物、シリコン酸化窒化物またはシリコン窒化物などの絶縁物サイドウォールスペーサ２８がゲート電極の側面に形成され、一般的にその上にシリコン窒化物のエッチストップ層２９がデポジションされる。ＢＰＳＧまたはＢＰＳＧとその上に形成されるＴＥＯＳから得られたシリコン酸化物からなる合成物などの絶縁体層２００が、約7500オングストロームから約8500オングストロームの間、例えば約8000オングストロームの厚さにデポジションされる。
【００１８】
次に、従来のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、絶縁体層２００にコンタクト用開口部を形成し、ソース／ドレイン領域２２を露出させる。コンタクト用開口部は、一般的に、約４：１以上のアスペクト比（深さ／直径）を持つ。
【００１９】
次に、チタンの第１層およびその上の窒化チタン層などの合成物バリア層２０１をデポジションして、開口部をライニングする。次に、タングステンをデポジションして開口部を充填し、表土（オーバーバーデン）２０２を形成する。コンタクト用開口部の高アスペクト比に起因して、タングステンプラグに相当量のボイド２０３が発生する。
【００２０】
本発明の実施形態に従って、図３に矢印３０で示すように、充填された開口部に向けたパルスレーザー光ビームをデポジションされたタングステンに当てることにより、レーザー・サーマル・アニールを実行する。このレーザー・サーマル・アニールは、通常、放射フルエンス約0.78から約1.10ジュール／平方センチメートルの間で、約10から約100ナノ秒間行われ、プラグ内のタングステンの温度を摂氏約3000度から約3600度まで上昇させて、タングステンを溶融させリフローさせてボイドを除去する（図４参照）。次にＣＭＰを行い、図５に示すような構造を得る。当該構造では、タングステンプラグ５０にボイドはない。
【００２１】
本発明の他の実施形態においては、図６から図８に示すように、レーザー・サーマル・アニールの前にＣＭＰを行う。図６に示された構造は、図２に示された構造にＣＭＰを施した後のものである。次に、図７に示すように、タングステンプラグに向けられたパルスレーザー光ビーム７０の照射により、レーザー・サーマル・アニールを行い、リフローを生じさせてボイドを除去する。図８はその結果としての構造を示し、この構造におけるタングステンプラグ８０にはボイドがない。
【００２２】
本発明は、例えば４以上の高アスペクト比を持ち、ボイドがない、または相当程度ボイドを減少させたタングステンコンタクトおよび／またはビアを有する相互接続の形成を可能にする方法を提供する。それにより、接触抵抗を減らし、接触抵抗値の分布を安定させて、より幅の狭い抵抗値分布をもたらし、デバイスの信頼性を改善し、エレクトロマイグレーション耐性を改善する。本発明は、改善された信頼性を持ち、回路速度を高速化した様々な種類の半導体装置のうち任意のものの製造において、産業上の利用可能性を持つ。本発明は、深いサブミクロン体制の設計構造を持つ半導体装置、例えば、相当程度信頼性が改善され、回路速度が向上し、エレクトロマイグレーション耐性が向上し、製造効率の改善さ実現された、約0.12ミクロン以下の設計ルールを持つフラッシュメモリデバイス（例えばＥＥＰＲＯＭ）の製造において特に利用可能性を持つ。
【００２３】
上述の詳細な説明においては、その特有の例示的な実施形態を参照して本発明を説明した。しかしながら、添付の特許請求の範囲に記載されているように、本発明のより広い範囲から離れることなしに、様々な変形および変更を加えることができることは明らかである。従って、詳細な説明および図面は例示のためのものと取り扱われるべきであって、限定的なものとして取り扱われるべきではない。本発明は他の様々な組み合わせおよび環境において使用可能であり、ここに明示した発明概念の範囲内で変更または変形が可能であることは理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によって取り扱われ、解決されるタングステンプラグのボイドの問題を示す図。
【図２】本発明の一実施形態である方法の連続する段階のうちの一つを示す図。
【図３】本発明の一実施形態である方法の連続する段階のうちの一つを示す図。
【図４】本発明の一実施形態である方法の連続する段階のうちの一つを示す図。
【図５】本発明の一実施形態である方法の連続する段階のうちの一つを示す図。
【図６】本発明の他の実施形態である方法の連続する段階のうちの一つを示す図。
【図７】本発明の他の実施形態である方法の連続する段階のうちの一つを示す図。
【図８】本発明の他の実施形態である方法の連続する段階のうちの一つを示す図。
【国際公開パンフレット】
2005508573.tif 000003
2005508573.tif 000004
2005508573.tif 000005
2005508573.tif 000006
2005508573.tif 000007
2005508573.tif 000008
2005508573.tif 000009
2005508573.tif 000010
2005508573.tif 000011
2005508573.tif 000012
2005508573.tif 000013
2005508573.tif 000014
2005508573.tif 000015
2005508573.tif 000016
2005508573.tif 000017
2005508573.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成15年10月28日(2003.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の製造方法であって、
絶縁体層（２００）に開口部を形成する処理と、
前記開口部を充填するためにタングステン（Ｗ）（２０２）をデポジションする処理と、
前記デポジションされたＷをレーザー・サーマル・アニール（３０）して、前記開口部内の前記Wを溶解し、リフローさせる処理とを含む製造方法。
【請求項２】
前記開口部を充填するデポジションされたＷ（２０２）に、約0.78から約1.10ジュール／平方センチメーターの放射フルエンスで、パルスレーザー光ビーム（３０）を照射することにより、レーザー・サーマル・アニールする処理を含む、請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
前記開口部を充填するデポジションされたＷを摂氏約３０００度から約３６００度の温度まで加熱して、それによって前記開口部内のＷをリフローさせる、レーザー・サーマル・アニール処理（３０）を含む、請求項２記載の製造方法。
【請求項４】
窒素（N2）中でレーザー・サーマル・アニールする処理（３０）を含む、請求項１記載の製造方法。
【請求項５】
約２００から約２０００sccmの流量のN2を用いるレーザー・サーマル・アニール処理（３０）を含む、請求項４記載の製造方法。
【請求項６】
前記Wのデポジションの前に、前記開口部をライニングするバリア層（２０１）をデポジションする処理を含む、請求項１記載の製造方法。
【請求項７】
レーザー・サーマル・アニールの後で、化学機械研磨（CMP）を実行して、前記開口部内の前記W（５０）の上面と前記絶縁体層（２００）の上面とが実質的にともに平坦になるようにする処理を含む、請求項１記載の製造方法。
【請求項８】
レーザー・サーマル・アニールの前に、化学機械研磨（CMP）を実行して、前記W（８０）の上面と前記絶縁体層（２００）の上面とが実質的にともに平坦になるようにする処理を含む、請求項１記載の製造方法。
【請求項９】
前記開口部を充填するデポジションされたＷ（２０２）に、約0.78から約1.10ジュール／平方センチメーターの放射フルエンスで、パルスレーザー光ビーム（３０）を照射することにより、レーザー・サーマル・アニールする処理を含む、請求項４記載の製造方法。
【請求項１０】
前記開口部を充填するデポジションされたＷ（２０２）を摂氏約３０００度から約３６００度の温度まで加熱して、それによって前記開口部内のＷをリフローさせる、レーザー・サーマル・アニール処理（３０）を含む、請求項９記載の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の特長は、深いサブミクロン体制の構造を持ち、低く、安定した接触抵抗分布および改善されたエレクトロマイグレーション耐性を示す高い信頼性のビアおよびコンタクトを持つ、半導体装置の製造方法である。
本発明のさらなる特長およびその他の特徴は、この後の発明の詳細な説明で説明される。その一部は以下の説明を理解した当業者には明白なものであり、または本発明を実行することによって学ぶことができる。本発明の特徴は、添付の特許請求の範囲に特に記載されているように、実現し、得ることができる。
本発明に従った方法は、絶縁体層に開口部を形成する処理と、その開口部を充填するためにタングステン（W）をデポジション（deposition）する処理と、開口部内のタングステンをレーザー・サーマル（熱）・アニール（laser thermal annealing）して、前記開口部内の前記タングステンを溶解し、リフローさせる処理とを含む。




【国際調査報告】
2005508573.tif 000019
2005508573.tif 000020
2005508573.tif 000021