JPH04127524A - コンタクトホール金属充填方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 半導体装置の配線の形成において絶縁膜に開口されたコ
ンタクトホール（スルーホール）内に金属を充填する（
金属プラグを形成する）方法に関し、 レーザ光が下層配線に当たって配線パターン破壊や断線
を招いたり、あるいは、シリコン基板表面層にトラップ
準位を発生させる等の問題がないようにコンタクトホー
ルにパルスレーザ光照射による金属導体を充填する方法
を提供することを目的とし、 絶縁層に開口されたコンタクトホールに、レーザー光照
射によって該コンタクトホールの・中およびその周辺に
配置された金属導体膜を溶融して流し込む金属充填方法
において、金属導体膜のパターンと同じ透光パターンを
有するマスクを用意し、位置合わせした状態で、レーザ
光を走査照射して、配置した金属導体膜だけにレーザー
光照射を行うように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ＩＣ，ＬＳＩなどの半導体装置の製造方法、
より詳しくは、配線の形成において絶縁膜に開口された
コンタクトホール（スルーホール）内に金属を充填する
（金属プラグを形成する）方法に関する。

本発明は、特に、コンタクトホールの中およびその周辺
に配置された金属導体膜にレーザ光を照射することで加
熱溶融してコンタクトホール内に流し込み、金属充填材
（プラグ）とする方法に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体装置の高集積化などに伴って配線接続のコ
ンタクトホールの微細化も進み、配線を通常の方法（真
空蒸着、スパッタリング）で堆積して形成する際に、堆
積金属（ＡＩ、　Ａ１合金）膜のコンタクトホール縁部
でのステップカバーレッジが悪化する。この問題は、シ
ャドー効果でコンタクトホールの側壁に付着する金属導
体材料の量が減少するために生じる。そこで、このコン
タクトホールを予め導電材料で充填しておけば（導電材
料のプラグで埋め込んでおけば）、解決する。

このような導電材料の充填方法として、パルスレーザ光
照射により発生する熱を利用してコンタクトホール周辺
に配置した金属導体膜を溶融し、物質移動させてコンタ
クトホール内にこれを流し込むことが試みられている０
例えば、第６ａ図に示すように、シリコン基板１の上の
絶縁膜（ＳｉＯ□膜）２に形成したコンタクトホール３
において、該コンタクトホール３内とその周辺の絶縁膜
２上のみに金属導体膜４を選択的に形成する０次に、第
６ｂ図に示すように、パルスレーザ５を金属導体膜４に
照射して溶融し、溶融体がコンタクトホール３内へ流れ
て、充填材（プラグ）６となる。

従来より半導体装置の配線材料としてＡＩまたはＡｌ−
５ｉ＋　Ａｌ−５ｉ−Ｃｕ等のＡ１合金（以下、アルミ
ニウムと呼ぶ）が多く用いられ、パルスレーザ光照射に
よる金属導体充填の場合にもアルミニウムを使用してい
る。そして、高集積化に関連して多層配線構造が採用さ
れ、下層配線および上層配線もアルミニウムで作られか
つこれら配線が層間絶縁膜のコンタクトホール（スルー
ホール）を介して接続されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した多層配線構造でのコンタクトホールにパルスレ
ーザ光照射による金属導体を充填する月合に、コンタク
トホールの周辺以外の領域には４属導体膜は配置されて
いないので、そこではＮ■絶縁膜にレーザ光が直接に照
射されることになＺ通常、この眉間絶縁膜ばＳｆＯ！や
ＰｓＧ等のレーザ光に対して透明な材料であるので、レ
ーザ大が下層配線に当たってアルミニウムの溶融が発生
して配線パターン破壊や断線を招いたり、あるいは、シ
リコン基板に当たって熱ストレスに起因してシリコン表
面層にトラップ準位を発生させる等の問題が住しる。

本発明の目的は、上述した問題が生じないようにコンタ
クトホールにパルスレーザ光照射による金属導体を充填
する方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的が、半導体装置の製造の過程で絶縁層１開口
されたコンタクトホールに、レーザー光照射によって該
コンタクトホールの中およびその周辺に配置された金属
導体膜を溶融して流し込み金属充填材とするコンタクト
ホール金属充填方法において、金属導体膜のパターンと
同じ透光パターンを有するマスクを用意し、位置合わせ
した状態で、レーザ光を走査照射して、配置した金属導
体膜だけにレーザー光照射を行うことを特徴とするコン
タクトホール金属充填方法によって達成される。

このような透光パターンを有するマスクを用意する代わ
りに、コンタクトホールのそれぞれでの金属導体膜の形
状と同じ形状のレーザ光にして、パルス照射で配置した
金属導体膜だけにレーザー光照射を行うことにしても良
い。

さらに、金属導体膜の厚さとレーザ光の照射パルスエネ
ルギー密度との関係を： レーザ光の照射パルスエネルギー密度 （Ｊ／ｃｍり　＞ＡＸ金属導体膜の厚さ（Ｃ−）とし、
Ａの値を１．５×１０４　〜３×１０４Ｊ／ｃＩｇ’と
し、かつ金属導体膜の厚さを０．１〜０．６μｍにして
も上述の目的が達成される。

〔作用〕

本発明にしたがって、金属導体膜のパターンと同じ透光
パターンを有するマスクを用意するかあるいはコンタク
トホールのそれぞれでの金属導体膜の形状と同じ形状の
レーザ光にすることで配置した金属導体膜だけにレーザ
光照射を行うことによって、その他の領域にはレーザ光
照射しないようにしているので、下層配線のパターン崩
れや断線の発生およびシリコン表面層のトラップ準位発
生を回避することができる。そして、レーザ光照射時間
（パルス幅）をコンタクトホールそれぞれにて照射開始
から流し込み完了までの時間よりも短くするのが好まし
く、これは、発生した熱の伝導時間を短くすることてあ
り、下層へのダメージを防止するのに有効である。

また、本発明の別のやり方にしたがって、配置した金属
導体膜の厚さを薄くして、これを溶融するのに必要なエ
ネルギーでもってレーザ光照射を行うならば、単位面積
当たりのレーザ照射量（照射エネルギー密度）を従来よ
りも小さくして、下層配線層やシリコン基板にレーザ光
が当たったとしても悪影響を及ぼさないようにする。こ
の場合には、−回のレーザ照射で複数のコンタクトホー
ルを含む領域を処理する。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して、本発明の実施態様例および
比較例によって本発明の詳細な説明する。

第１図に示すように、製造途中の半導体装置１および透
光パターンを有するマスク１１を用意する。この半導体
装置１では、通常の製造工程での方法にしたがって、例
えば、シリコン基板（ウェハー）２上に絶縁膜（Ｓｉｎ
、膜）３を形成し、その上に第１（下層）金属配線膜（
アルミニウム配線膜、厚さ０．５μｍで幅１ａｍのパタ
ーン）４を形成し、さらにその上に眉間絶縁膜（ＰＳＧ
ｌａ、１μｍ厚さ）５を形成する。この層間絶縁ＷＩ５
の上にレジスト膜を（図示せず）形成し、露光・現像し
てから、適切なエツチング法によって層間絶縁膜５を選
択的にエツチング除去して所定位置にコンタクトホール
（スルーホール）６を開口する。

次に、金属導体膜（銅Ｃｕ膜、０．５μｍ厚さ）７をス
パッタリング法によってコンタクトホール６を含めて層
間絶縁膜５の全面に形成し、バターニングによりコンタ
クトホール内とその周辺部分以外を除去する。この時に
は、金属導体膜の上にレジスト膜を（図示せず）形成し
、露光・現像してから、適切なエツチング法によって金
属導体膜を選択的にエツチング除去して所定形状の金属
導体膜７を残す。

一方、透光パターンを有するマスク１１は、レーザ光を
透過する石英板１２の上に全面に金属膜（ＡＩ膜２μｍ
）を堆積し、その上にレジスト膜を（図示せず）形成し
、残した金属導体膜７と同一パターンで露光・現像して
から、適切なエツチング法によって金属膜を選択的にエ
ツチング除去することで金属導体膜７に対応した透光パ
ターンとしてその反転パターンの金属膜１３を成形する
ようにして作られる。

そして、これら半導体装置１とマスク２とを、第１図に
示すように、透光パターンと金属導体膜パターンとが一
致するように位置合わせして配置しておいて、レーザ光
１４を走査照射し、透光部分を通してレーザ光を金属導
体膜７に当てて溶融させる。この溶融金属がコンタクト
ホール６内へ流れ、第２図に示すように、凝固して充填
材８となる。

銅導体膜７の場合には、銅の吸収係数が１９０〜３５０
ｎ−の光波長帯で約０．９ＸＩＯ’／ｃ＋ｗであり、＾
ｌの吸収係数的１．３×１０４／ｃ−に近い。このため
に、ＣｕおよびＡＩともに物質内に入ったレーザ光の８
０％以上が表面からＩｏｎ−程度の深さまでに吸収され
ることになる。一方、反射率はＣｕが約２０％であるの
に対して、ＡＩは９０％以上である。したがって、Ｃｕ
の方が約７０％多くレーザ光を吸収して、ＡＩよりも強
く加熱される。このエネルギー吸収差によって、Ｃｕの
融点が１０８４°ＣとＡＩの６６０℃よりも高いにも係
わらず、Ｃｕの方が小さいパルスエネルギー密度のレー
ザ光照射で溶融できる。レーザ光源にＸｅＣｌエキシマ
レーザ（波長３０８ｎｍ）を使用した時には、上述の例
でＣｕを溶融するのに０．６Ｊ／ｃｓ”のパルスエネル
ギー密度で良く、一方、Ｃｕの代わりにＡＩを用いた時
には１．８Ｊ／ｃ−１のパルスエネルギー密度を必要と
する。

−回のレーザ照射時間は、例えば、数十ナノ秒（ｎｓｅ
ｃ、　）と溶融開始から流れ込み終了までの時間の約１
００ｎｍｓｅｃ、よりも短い、もし、溶融後もレーザ照
射を長（続けると、加熱しすぎとなり、好ましくない反
応が進行してしまう（例えば、バリアメタルの破損（消
滅）となる）。

第３図に示すように、実施例１で用いた半導体装置ｌに
レーザ光１５を直接に当てて金属導体膜７を溶融する。

この時に、本発明にしたがってレーザ光１５の照射形状
をコンタクトホール６それぞれの周囲に形成した金属導
体膜７と同じ形状にする。金属導体膜７の形状が全て同
じならば、それに合わせてレーザ光１５の照射形状をス
リットによって同じにする。また、金属導体膜７の形状
が異なるならば、それぞれの形状に一致するするように
レーザ光１５の照射形状をスリット形状の変形によって
変更する。

この場合にも、コンタクトホール毎のレーザ照射時間は
実施例１と同様に溶融開始から流れ込み終了までの時間
（約１００　ｒｖｓｅｃ、　）よりも短い。

上述した実施例１および２では照射を必要とする部分（
金属導体膜）のみにたいして行い、レーザ光に透明な材
料（ＰＳＧ）の眉間絶縁膜の下に配置された下層配線お
よびシリコン基板にレーザ光が照射されるのを防止して
いるので、下層配線のパターン崩れや断線の発生および
シリコン表面層のトラップ準位発生を回避することがで
きる。

実施例１と同様にして、第４図に示すように、シリコン
基板２上に絶縁膜（Ｓｉ０ｇ膜）３を形成し、その上に
下層金属配線膜（アルミニウム配線膜、厚さ０．７μｍ
で幅１μｍのパターン）４を形成し、さらにその上に層
間絶縁膜（ＰＳＧ膜、Ｉａｍ厚さ）５を形成する。この
眉間絶縁膜５の上にレジスト膜を（図示せず）形成し、
露光・現像してから、適切なエツチング法によって眉間
絶縁膜５を選択的にエツチング除去して所定位置にコン
タクトホール（スルーホール）６を開口する。

次に、アルミニウム膜（金属導体膜、厚さ：０．０２．
０．０５．０．１．０．２．０．５μｍ）７をスパッタ
リング法によってコンタクトホールを含めて層間絶縁膜
の全面に形成し、その上にチタン（Ｔａ）膜（Ｉｏｎｓ
厚さ）１７をスパッタリング法で形成して覆う、そして
、チタン膜１７およびアルミニウム膜７をパターニング
によりコンタクトホール内とその周辺部分以外を除去す
る。

このようなチタンコートのアルミニウム膜パターンにＸ
ｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ。

４×４−一スポット）１６を照射して、複数のコンタク
トホール６にアルミニウムを同時に流し込むようにして
、それぞれの厚さでのアルミニウム溶融・流し込みに必
要な最小パルスエネルギー密度を求めた。その結果を第
５図に示す。この場合には、第５図から分かるように、
ＡＩ単位堆積当たりの溶融に必要なレーザ光パルスエネ
ルギー値が２．４×１０４Ｊ／ｃｍ”であり、アルミニ
ウム膜が薄くなるのに比例してエネルギー密度が小さく
て済む。そして、レーザ光パルスエネルギー値は、金属
導体膜の材料の物質定数（反射率、吸収係数、融点）や
下地の眉間絶縁膜の熱伝導性能により影響され、１．５
　Ｘ　１０’　〜３　Ｘ　１０’　Ｊ／ｃｍ：ｌの範囲
で変動する。これらのことから、金属導体膜の厚さとレ
ーザ光の照射パルスエネルギー密度との関係を： レーザ光の照射パルスエネルギー密度 （Ｊ／ｃ＠ｔ）＞ＡＸ金属導体膜の厚さ（ｃｍ）　　：
とし、Ａの値が１．５　Ｘ　１０’　〜３　Ｘ　１０’
　Ｊ／ｃｍ’であれば、金属導体膜の溶融が可能である
。

以上のことから、金属導体膜の厚さを薄くすることによ
り、プラグ形成を可能とする照射パルスエネルギー密度
を低くできる。

一方、アルミニウムの金属導体膜の厚さを０．１１１１
１よりも薄くすると、レーザ光照射でアルミニウムが蒸
発するようになり好ましくない、また、厚さが０．６ｎ
−よりも厚くなると、小さなコンタクトホールの周囲に
形成する金属導体膜パターン部分は埋め込み量から計算
してその幅が小さくなって、高精度のパターン形成が難
しくなってしまう、これらの条件の範囲内であれば、同
時に複数のアルミニウムの金属導体膜にレーザ照射（例
えば、４×４ｍ−のレーザスポット）しても、下層アル
ミニウム配線膜への悪影響（パターン崩れや断線）を招
かない。

金属導体膜の厚さを薄くすることは、コンタクトホール
の金属充填量との関係で、金属導体膜の表面積を広くす
る必要があり、金属充填量を考慮して金属導体膜の厚さ
および面積を適切に設定すればよい。また、隣接するコ
ンタクトホール相互の間隔が、金属導体膜面積を広げた
ことで重なってしまう程狭いならば、広げる方向を適宜
変更することができる。

したがって、実施例３の場合にも、照射するレーザ光の
パルスエネルギー密度を低く押えることによりレーザ光
に透明な材料（ＰＳＧ）の眉間絶縁膜の下に配置された
下層配線およびシリコン基板にレーザ光が照射されてし
まうにもかかわらず、下層配線のパターン崩れや断線の
発生およびシリコン表面層のトラップ準位発生を回避す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のコンタクトホール金属充填方法によ
るレーザ光照射での半導体装置およびマスクの概略断面
図であり、 第２図は、レーザ光照射後の半導体装置の概略断面図で
あり、 第３図は、本発明の別のコンタクトホール金属充填方法
によるレーザ光照射での半導体装置の概略断面図であり
、 第４図、本発明のその他のコンタクトホール金属充填方
法によるレーザ光照射での半導体装置の概略断面図であ
り、 第５図は、アルミニウム膜の厚さとアルミニウム溶融に
必要な最小パルスエネルギー密度との関係を示すグラフ
であり、 第６ａ図は、コンタクトホールにパルスレーザ光照射に
よる金属導体膜を充填する際のレーザ光照射時の半導体
装置の概略断面図であり、第６ｂ図は、金属導体膜を充
填した半導体装置の概略断面図である。 １・・・半導体装置、　２・・・シリコン基板、４・・
・第１　（下層）配線層、 ６・・・層間絶縁膜、　６・・・コンタクトホール、７
・・・金属導体膜、　８・・・充填材、１１・・・マス
ク、　　　１２・・・石英板、１３・・・金属膜、 １４．１５．１６・・・レーザ光。 本発明の方法によるレーザ光照射での半導体装置の断面
図第１図 ■・・・半導体装置 ２・・・シリコン基板 ４・・・第１（下層）配線層 ５・・・層間絶縁膜 ６・・・コンタクトホール ７・・・金属導体膜 訃・・充填材 １１・・・マスク １４　、１５　、１６・・・レーザ光 レーザ光照射後の半導体装置の断面図 第 図 第 図 第６ｂ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体装置の製造の過程で絶縁層に開口されたコン
   タクトホールに、レーザー光照射によって該コンタクト
   ホールの中およびその周辺に配置された金属導体膜を溶
   融して流し込み、金属充填材とするコンタクトホール金
   属充填方法において、前記金属導体膜（７）のパターン
   と同じ透光パターンを有するマスク（１１）を用意し、
   位置合わせした状態で、レーザ光（１４）を走査照射し
   て、前記配置した金属導体膜（７）だけにレーザー光照
   射を行うことを特徴とするコンタクトホール金属充填方
   法。 ２、前記コンタクトホールのそれぞれでのレーザ照射時
   間を、照射開始から流し込み完了までの時間よりも短く
   することを特徴とする請求項１記載の方法。 ３、半導体装置の製造の過程で絶縁層に開口されたコン
   タクトホールに、レーザー光照射によって該コンタクト
   ホールの中およびその周辺に配置された金属導体膜を溶
   融して流し込み、金属充填材とするコンタクトホール金
   属充填方法において、前記コンタクトホール（６）のそ
   れぞれでの前記金属導体膜（７）の形状と同じ形状のレ
   ーザ光（１５）にして、パルス照射で前記配置した金属
   導体膜（７）だけにレーザー光照射を行うことを特徴と
   するコンタクトホール金属充填方法。 ４、前記コンタクトホールのそれぞれでのレーザ照射時
   間を、照射開始から流し込み完了までの時間よりも短く
   することを特徴とする請求項３記載の方法。 ５、半導体装置の製造の過程で絶縁層に開口されたコン
   タクトホールに、レーザー光照射によって該コンタクト
   ホールの中およびその周辺に配置された金属導体膜を溶
   融して流し込み、金属充填材とするコンタクトホール金
   属充填方法において、前記金属導体膜（７）の厚さとレ
   ーザ光（１６）の照射パルスエネルギー密度との関係を
   ： レーザ光の照射パルスエネルギー密度 （Ｊ／ｃｍ＾２）＞Ａ×金属導体膜の厚さ（ｃｍ）とし
   、Ａの値が１．５×１０＾４〜３×１０＾４Ｊ／ｃｍ＾
   ３であり、かつ前記金属導体膜（７）の厚さを０．１〜
   ０．６μｍにすることを特徴とするコンタクトホール金
   属充填方法。 ６、前記コンタクトホール（６）のそれぞれでの金属充
   填量に応じて、設定された前記金属導体膜（７）の厚さ
   に関連して前記金属導体膜（７）の表面積を設定するこ
   とを特徴とする請求項５記載の方法。