JP4620654B2 - Manufacturing method of semiconductor integrated circuit device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体集積回路装置の製造方法に関し、特に、ポリメタルゲートを有するMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート加工プロセスに適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a technique effective when applied to a gate processing process of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) having a polymetal gate.
256Mbit(メガビット)以降のDRAM(Dynamic Random Access Memory)など、ゲート長が0.25μm以下の微細なMOSFETで回路を構成するデバイスは、ゲート電極の寄生抵抗を低減するために、金属層を含む低抵抗導電材料を使ったゲート加工プロセスの採用が必須となる。 Devices such as DRAMs (Dynamic Random Access Memory) of 256 Mbit (Megabit) or later, etc., which comprise a circuit with a fine MOSFET having a gate length of 0.25 μm or less, include a metal layer in order to reduce the parasitic resistance of the gate electrode. Adoption of a gate processing process using a resistive conductive material is essential.
この種の低抵抗ゲート電極材料として有力視されているのは、多結晶シリコン膜の上に高融点金属膜を積層した、いわゆるポリメタルである。ポリメタルは、そのシート抵抗が2Ω/□程度と低いことから、ゲート電極材料としてのみならず配線材料として利用することもできる。高融点金属としては、800℃以下の低温プロセスでも良好な低抵抗性を示し、かつエレクトロマイグレーション耐性の高いW(タングステン)、Mo(モリブデン)、Ti(チタン)などが使用される。なお、多結晶シリコン膜の上に直接これらの高融点金属膜を積層すると両者の接着力が低下したり、高温熱処理プロセスで両者の界面に高抵抗のシリサイド層が形成されたりするため、実際のポリメタルゲートは、多結晶シリコン膜と高融点金属膜との間にTiN(チタンナイトライド)やWN(タングステンナイトライド)などの金属窒化膜からなるバリア層を介在させた3層構造で構成される。 What is regarded as a promising low-resistance gate electrode material is a so-called polymetal in which a refractory metal film is laminated on a polycrystalline silicon film. Polymetal can be used not only as a gate electrode material but also as a wiring material because its sheet resistance is as low as about 2Ω / □. As the refractory metal, W (tungsten), Mo (molybdenum), Ti (titanium), or the like, which shows good low resistance even at a low temperature process of 800 ° C. or less and has high electromigration resistance, is used. Note that if these refractory metal films are laminated directly on the polycrystalline silicon film, the adhesive strength between the two will decrease, or a high-resistance silicide layer will be formed at the interface between the two due to the high-temperature heat treatment process. The polymetal gate has a three-layer structure in which a barrier layer made of a metal nitride film such as TiN (titanium nitride) or WN (tungsten nitride) is interposed between a polycrystalline silicon film and a refractory metal film. The
従来のゲート加工プロセスの概略は、次の通りである。まず、半導体基板を熱酸化してその表面にゲート酸化膜を形成する。一般に、熱酸化膜の形成は乾燥酸素雰囲気中で行われるが、ゲート酸化膜を形成する場合には膜中の欠陥密度が低減できるという理由から、ウェット酸化法が用いられる。ウェット酸化法では、酸素雰囲気中で水素を燃焼させて水を生成し、この水を酸素と共に半導体ウエハの表面に供給するパイロジェニック方式が利用されている。 The outline of the conventional gate processing process is as follows. First, a semiconductor substrate is thermally oxidized to form a gate oxide film on the surface thereof. In general, the thermal oxide film is formed in a dry oxygen atmosphere, but in the case of forming a gate oxide film, a wet oxidation method is used because the defect density in the film can be reduced. In the wet oxidation method, a pyrogenic method is used in which hydrogen is burned in an oxygen atmosphere to generate water, and this water is supplied to the surface of the semiconductor wafer together with oxygen.
しかし、パイロジェニック方式は、石英製の水素ガス導入管の先端に取り付けたノズルから噴出する水素に点火して燃焼を行うことから、その熱でノズルが溶けてパーティクルが発生し、これが半導体ウエハの汚染源となる虞れがあるため、燃焼を伴わない触媒方式によって水を生成する方法も提案されている。 However, the pyrogenic method ignites and burns hydrogen ejected from the nozzle attached to the tip of the quartz hydrogen gas inlet tube, so that the nozzle melts with the heat and particles are generated. Since there is a possibility of becoming a pollution source, a method of generating water by a catalytic system without combustion has also been proposed.
特許文献1(特開平5−152282号公報)は、水素ガス導入管の内面をNi(ニッケル)またはNi含有材料で形成すると共に、水素ガス導入管を加熱する手段を備えた熱酸化装置を開示している。この熱酸化装置は、300℃以上に加熱した水素ガス導入管内のNi(またはNi含有材料)に水素を接触させて水素活性種を生じさせ、この水素活性種と酸素(また酸素を含むガス)とを反応させることにより水を生成する。すなわち、燃焼を伴わない触媒方式で水を生成するので、水素導入石英管の先端が溶けてパーティクルを発生することがない。 Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-152282) discloses a thermal oxidation apparatus having an inner surface of a hydrogen gas introduction pipe made of Ni (nickel) or a Ni-containing material and a means for heating the hydrogen gas introduction pipe. is doing. In this thermal oxidation apparatus, hydrogen is brought into contact with Ni (or Ni-containing material) in a hydrogen gas introduction pipe heated to 300 ° C. or more to generate hydrogen active species, and this hydrogen active species and oxygen (or a gas containing oxygen) To produce water. That is, since water is generated by a catalytic method without combustion, the tip of the hydrogen-introduced quartz tube is not melted to generate particles.
次に、上記のようなウェット酸化法で形成したゲート酸化膜上にゲート電極材料を堆積した後、フォトレジストをマスクにしたドライエッチングでこのゲート電極材料をパターニングする。その後、フォトレジストをアッシング(灰化)処理で除去し、さらにフッ酸などのエッチング液を使って、基板表面に残ったドライエッチング残渣やアッシング残渣を除去する。 Next, after depositing a gate electrode material on the gate oxide film formed by the wet oxidation method as described above, the gate electrode material is patterned by dry etching using a photoresist as a mask. Thereafter, the photoresist is removed by ashing (ashing), and an etching solution such as hydrofluoric acid is used to remove dry etching residue and ashing residue remaining on the substrate surface.
上記のウェットエッチングを行うと、ゲート電極の下部以外の領域のゲート酸化膜が削られると同時に、ゲート電極の側壁端部のゲート酸化膜も等方的にエッチングされてアンダーカットが生じるため、そのままではゲート電極の耐圧が低下するなどの不具合が生じる。そこで、アンダーカットされたゲート電極側壁端部のプロファイルを改善するために、基板をもう一度熱酸化してその表面に酸化膜を形成する、いわゆるライト酸化処理を行う。 When the above wet etching is performed, the gate oxide film in a region other than the lower part of the gate electrode is shaved, and at the same time, the gate oxide film at the side wall end of the gate electrode is isotropically etched to cause an undercut. Then, problems such as a decrease in the breakdown voltage of the gate electrode occur. Therefore, in order to improve the profile of the undercut gate electrode side wall end portion, a so-called light oxidation process is performed in which the substrate is once again thermally oxidized to form an oxide film on the surface thereof.
ところが、前述したWやMoなどの高融点金属は、高温酸素雰囲気中では非常に酸化され易い材料であるため、ポリメタル構造のゲート電極に上記のライト酸化処理を適用すると、高融点金属膜が酸化されてその抵抗値が増加したり、その一部が基板から剥離したりする。そのため、ポリメタルを使用するゲート加工プロセスでは、ライト酸化処理時に高融点金属膜が酸化されるのを防止する対策が必要となる。 However, the above-described refractory metals such as W and Mo are materials that are very easily oxidized in a high-temperature oxygen atmosphere. Therefore, when the above light oxidation treatment is applied to the gate electrode having a polymetal structure, the refractory metal film is oxidized. As a result, the resistance value increases or a part of the resistance value peels off from the substrate. Therefore, in the gate processing process using polymetal, it is necessary to take measures to prevent the refractory metal film from being oxidized during the light oxidation process.
特許文献2(特開昭59−132136号公報)は、Si(シリコン)基板上にW膜またはMo膜を含むポリメタル構造のゲート電極を形成した後、水蒸気と水素の混合雰囲気中でライト酸化を行うことによって、W(Mo)膜を酸化することなしにSiのみを選択的に酸化する技術を開示している。これは、酸化還元反応が平衡となる水蒸気/水素分圧比がW(Mo)とSiとで異なることを利用したもので、この分圧比を、W(Mo)は水蒸気によって酸化されても共存する水素によって速やかに還元されるが、Siは酸化されたままで残るような範囲内に設定することでSiの選択的酸化を実現している。また、水蒸気と水素の混合雰囲気は、容器に入れた純水中に水素ガスを供給するバブリング方式によって生成し、水蒸気/水素分圧比は、純水の温度を変えることによって制御している。 Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 59-132136) discloses that after forming a gate electrode having a polymetal structure including a W film or a Mo film on a Si (silicon) substrate, light oxidation is performed in a mixed atmosphere of water vapor and hydrogen. By doing so, a technique for selectively oxidizing only Si without oxidizing the W (Mo) film is disclosed. This is based on the fact that the water vapor / hydrogen partial pressure ratio at which the oxidation-reduction reaction is in equilibrium is different between W (Mo) and Si. This partial pressure ratio coexists even if W (Mo) is oxidized by water vapor. Although it is rapidly reduced by hydrogen, Si is selectively oxidized by setting it within a range in which Si remains oxidized. The mixed atmosphere of water vapor and hydrogen is generated by a bubbling method in which hydrogen gas is supplied into pure water contained in a container, and the water vapor / hydrogen partial pressure ratio is controlled by changing the temperature of pure water.
特許文献3(特開平3−119763号公報)および特許文献4(特開平7−94716号公報)は、Si基板上にゲート酸化膜を介してTiNなどの窒化金属層とWなどの金属層とを含むポリメタル構造のゲート電極を形成した後、還元性気体(水素)と酸化性気体(水蒸気)とを窒素で希釈した雰囲気中でライト酸化を行う技術を開示している。これらの公報によれば、金属層を酸化することなしにSiのみを選択的に酸化できると共に、水蒸気/水素混合ガスを窒素で希釈することによって、窒化金属層からの脱窒素反応が阻止されるので、窒化金属層の酸化も同時に防止できるとされている。
上記のように、ポリメタル構造のゲート電極を形成するプロセスでは、所定の分圧比を有する水蒸気/水素混合ガス中でライト酸化を行うことが、ゲート酸化膜の耐圧改善と金属膜の酸化防止を図る有効な手段となる。 As described above, in the process of forming a gate electrode having a polymetal structure, light oxidation is performed in a steam / hydrogen mixed gas having a predetermined partial pressure ratio, thereby improving the breakdown voltage of the gate oxide film and preventing oxidation of the metal film. It becomes an effective means.
しかし、水蒸気/水素混合ガスを生成する方法として提案されている従来のバブリング方式は、容器内に汲み置いた純水中に水素ガスを供給して水蒸気/水素混合ガスを生成するため、この純水中に混入した異物が水蒸気/水素混合ガスと共に酸化炉に送られて半導体ウエハを汚染する虞れがある。 However, the conventional bubbling method proposed as a method for generating a steam / hydrogen mixed gas supplies the hydrogen gas into the pure water pumped in the container to generate the steam / hydrogen mixed gas. There is a possibility that foreign matter mixed in water is sent to the oxidation furnace together with the water vapor / hydrogen mixed gas to contaminate the semiconductor wafer.
また、バブリング方式では、純水の温度を変えることによって水蒸気/水素分圧比を制御するので、(1)分圧比が変動し易く、最適の分圧比を精度良く実現することが困難である、(2)水蒸気濃度の制御範囲が数%〜十数%程度と狭く、ppmオーダの水蒸気濃度を実現することが困難である、といった問題がある。 In the bubbling method, the water vapor / hydrogen partial pressure ratio is controlled by changing the temperature of pure water. (1) The partial pressure ratio is likely to fluctuate, and it is difficult to accurately realize the optimum partial pressure ratio. 2) There is a problem that the control range of the water vapor concentration is as narrow as several percent to several tens of percent, and it is difficult to realize a water vapor concentration on the order of ppm.
後述するように、水蒸気/水素混合ガスを使ったSiや金属の酸化還元反応は、水蒸気濃度が高いほど酸化反応が進み易い。そのため、バブリング方式で生成した水蒸気/水素混合ガスのように、比較的高い水蒸気濃度下でSiを酸化すると、酸化速度が大きいために極めて短時間で酸化膜が成長してしまう。しかし、ゲート長が0.25μm以下の微細なMOSFETは、素子の電気特性を維持するためにゲート酸化膜を5nm以下の極めて薄い膜厚で形成することが要求される。従って、バブリング方式で生成した蒸気/水素混合気体を使用したのでは、このような極薄のゲート酸化膜を均一に制御性良く形成することは困難である。また、酸化膜の成長速度を下げるために、低温(例えば800℃以下)で酸化を行うと、品質の良いゲート酸化膜が得られない。 As will be described later, in the oxidation-reduction reaction of Si or metal using a steam / hydrogen mixed gas, the oxidation reaction proceeds more easily as the water vapor concentration is higher. Therefore, when Si is oxidized under a relatively high water vapor concentration, such as a water vapor / hydrogen mixed gas generated by a bubbling method, an oxide film grows in a very short time because the oxidation rate is high. However, a fine MOSFET with a gate length of 0.25 μm or less is required to form a gate oxide film with a very thin film thickness of 5 nm or less in order to maintain the electrical characteristics of the device. Accordingly, it is difficult to form such an extremely thin gate oxide film uniformly and with good controllability by using a vapor / hydrogen mixed gas generated by a bubbling method. Further, if the oxidation is performed at a low temperature (for example, 800 ° C. or lower) in order to reduce the growth rate of the oxide film, a high-quality gate oxide film cannot be obtained.
本発明の目的は、ポリメタルを使用するゲート加工プロセスにおいて、ゲート電極をパターニングした後のライト酸化処理時に金属膜が酸化されるのを防止すると共に、ゲート電極の側壁端部における酸化膜形成の再現性および酸化膜厚の均一性を制御可能とする技術を提供することにある。 The object of the present invention is to prevent the metal film from being oxidized during the light oxidation process after patterning the gate electrode in the gate processing process using polymetal, and to reproduce the oxide film formation at the side wall end of the gate electrode. It is an object of the present invention to provide a technique capable of controlling the uniformity and uniformity of the oxide film thickness.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
本願の一発明である半導体集積回路装置の製造方法は、
(a)ウエハのシリコン表面上に形成された酸化シリコン膜を含むゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程と、
(b)前記多結晶シリコン膜上に、窒化タングステンからなるバリア層を介してタングステンまたはモリブデンからなる高融点金属膜を形成する工程と、
(c)前記多結晶シリコン膜および前記高融点金属膜をパターニングすることによって、ゲート電極を形成する工程と、
(d)前記(c)工程の後、水素と、触媒作用によって水素および酸素から生成した水蒸気とを含み、かつ実質的に水素ラジカルを含まないガス雰囲気中で、前記高融点金属膜と前記バリア層とを酸化することなく、前記多結晶シリコン膜を熱酸化する工程とを有し、
前記(d)工程を、酸化炉と前記酸化炉に接続された触媒方式のガス生成装置を用い、前記ガス生成装置に酸素および水素を導入し、前記ガス生成装置から前記酸化炉に水素と水蒸気を導入して行い、
前記ガス生成装置への水素の導入を開始した後に、前記ガス生成装置への酸素の導入を開始するものである。
A manufacturing method of a semiconductor integrated circuit device which is one invention of the present application,
(A) forming a polycrystalline silicon film on a gate insulating film including a silicon oxide film formed on the silicon surface of the wafer;
(B) forming a refractory metal film made of tungsten or molybdenum on the polycrystalline silicon film through a barrier layer made of tungsten nitride;
(C) forming a gate electrode by patterning the polycrystalline silicon film and the refractory metal film;
(D) After the step (c), the refractory metal film and the barrier are contained in a gas atmosphere containing hydrogen and water vapor generated from hydrogen and oxygen by catalytic action and substantially free of hydrogen radicals. A step of thermally oxidizing the polycrystalline silicon film without oxidizing the layer,
In the step (d), an oxidation furnace and a catalytic gas generator connected to the oxidation furnace are used, oxygen and hydrogen are introduced into the gas generator, and hydrogen and steam are introduced from the gas generator into the oxidation furnace. Is done,
After the introduction of hydrogen into the gas generator is started, the introduction of oxygen into the gas generator is started.
本願の上記した発明以外の発明の概要は、次の通りである。
(1)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板の主面に形成されたゲート酸化膜上に少なくとも金属膜を含む導電膜を堆積した後、前記導電膜をパターニングしてMOSFETのゲート電極を形成する工程と、触媒作用によって水素と酸素とから生成した水蒸気を含む水素ガスを所定の温度に加熱された前記半導体基板の主面またはその近傍に供給し、前記半導体基板の主面を選択的に酸化することによって、前記ゲート電極の側壁端部のプロファイルを改善する工程とを含んでいる。
(2)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記導電膜が少なくともW膜またはTi膜を含んでいる。
(3)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記水蒸気を含む水素ガスの水蒸気/水素分圧比を、前記金属膜が還元され、前記半導体基板の主面が酸化される範囲内に設定する。
(4)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記導電膜が少なくともTi膜を含み、前記Ti膜の酸化による前記ゲート電極の劣化が最小となるような低濃度の水蒸気を含む水素ガスを用いて前記半導体基板の主面を選択的に酸化する。
(5)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記導電膜が少なくともW膜を含み、酸化速度と酸化膜厚とが制御可能となるような低濃度の水蒸気を含む水素ガスを用いて前記半導体基板の主面を選択的に酸化する。
(6)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板の主面に形成された膜厚が5nm以下のゲート酸化膜上に少なくとも金属膜を含む導電膜を堆積した後、前記導電膜をパターニングしてMOSFETのゲート電極を形成する工程と、触媒作用によって水素と酸素とから生成され、かつ酸化膜形成の再現性および酸化膜厚の均一性が制御可能となるような低濃度の水蒸気を含む水素ガスを所定の温度に加熱された前記半導体基板の主面またはその近傍に供給し、前記半導体基板の主面を選択的に酸化することによって、前記ゲート電極の側壁端部のプロファイルを改善する工程とを含んでいる。
(7)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、以下の工程(a)〜(d)を含んでいる。
(a)半導体基板を熱酸化してその主面にゲート酸化膜を形成した後、前記ゲート酸化膜上に少なくとも金属膜を含む導電膜を堆積する工程、
(b)フォトレジスト膜をマスクにしたドライエッチングで前記導電膜をパターニングすることにより、MOSFETのゲート電極を形成する工程、
(c)前記フォトレジスト膜を除去した後、前記半導体基板の主面をウェットエッチングする工程、
(d)触媒作用によって水素と酸素とから生成した水蒸気を含む水素ガスの水蒸気/水素分圧比を、前記金属膜が還元され、前記半導体基板の主面が酸化されるような範囲内に設定し、前記水蒸気を含む水素ガスを所定の温度に加熱された前記半導体基板の主面またはその近傍に供給して前記半導体基板の主面を選択的に酸化することにより、前記ウェットエッチングによって損なわれた前記ゲート電極の側壁端部のプロファイルを改善する工程。
(8)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記導電膜が、多結晶シリコン膜と、前記多結晶シリコン膜の上部に堆積した窒化金属膜と、前記窒化金属膜の上部に堆積した金属膜とからなる。
(9)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記窒化金属膜がWNまたはTiNからなり、前記金属膜がW、MoまたはTiからなる。
(10)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記ゲート電極のゲート長が0.25μm以下である。
(11)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記ゲート電極がDRAMのメモリセルを構成するメモリセル選択用MISFETのゲート電極である。
(12)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記半導体基板の加熱温度が800〜900℃である。
(13)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記半導体基板の主面の選択的酸化を枚葉処理で行う。
(14)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記半導体基板の主面の選択的酸化をバッチ処理で行う。
The outline of the invention other than the above-described invention of the present application is as follows.
(1) In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, after depositing a conductive film including at least a metal film on a gate oxide film formed on a main surface of a semiconductor substrate, the conductive film is patterned to form a MOSFET. A step of forming a gate electrode, and supplying hydrogen gas containing water vapor generated from hydrogen and oxygen by catalytic action to or near the main surface of the semiconductor substrate heated to a predetermined temperature, and the main surface of the semiconductor substrate Improving the profile of the side wall end of the gate electrode by selectively oxidizing the gate electrode.
(2) In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, the conductive film includes at least a W film or a Ti film.
(3) In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, the water vapor / hydrogen partial pressure ratio of the hydrogen gas containing water vapor is set within a range in which the metal film is reduced and the main surface of the semiconductor substrate is oxidized. To do.
(4) The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention is such that the conductive film includes at least a Ti film, and the hydrogen gas includes a low concentration of water vapor that minimizes deterioration of the gate electrode due to oxidation of the Ti film. Is used to selectively oxidize the main surface of the semiconductor substrate.
(5) In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the conductive film includes at least a W film, and uses hydrogen gas containing water vapor at a low concentration so that the oxidation rate and the oxide film thickness can be controlled. The main surface of the semiconductor substrate is selectively oxidized.
(6) In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, after depositing a conductive film including at least a metal film on a gate oxide film having a thickness of 5 nm or less formed on the main surface of the semiconductor substrate, the conductive film A low concentration of water vapor that is generated from hydrogen and oxygen by catalysis and can control the reproducibility of oxide film formation and the uniformity of the oxide film thickness. A hydrogen gas containing hydrogen is supplied to or near the main surface of the semiconductor substrate heated to a predetermined temperature, and the main surface of the semiconductor substrate is selectively oxidized to obtain a profile of the side wall end of the gate electrode. Process to improve.
(7) The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention includes the following steps (a) to (d).
(A) a step of depositing a conductive film including at least a metal film on the gate oxide film after thermally oxidizing the semiconductor substrate to form a gate oxide film on a main surface thereof;
(B) forming the gate electrode of the MOSFET by patterning the conductive film by dry etching using a photoresist film as a mask;
(C) after removing the photoresist film, wet etching the main surface of the semiconductor substrate;
(D) The water vapor / hydrogen partial pressure ratio of hydrogen gas containing water vapor generated from hydrogen and oxygen by catalysis is set within a range in which the metal film is reduced and the main surface of the semiconductor substrate is oxidized. The hydrogen gas containing water vapor was damaged by the wet etching by supplying the hydrogen gas containing water vapor to the main surface of the semiconductor substrate heated to a predetermined temperature or in the vicinity thereof to selectively oxidize the main surface of the semiconductor substrate. Improving the profile of the side wall end of the gate electrode.
(8) In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the conductive film is deposited on a polycrystalline silicon film, a metal nitride film deposited on the polycrystalline silicon film, and on the metal nitride film. It consists of a metal film.
(9) In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, the metal nitride film is made of WN or TiN, and the metal film is made of W, Mo, or Ti.
(10) In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the gate length of the gate electrode is 0.25 μm or less.
(11) In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, the gate electrode is a gate electrode of a memory cell selection MISFET constituting a memory cell of a DRAM.
(12) In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, the heating temperature of the semiconductor substrate is 800 to 900 ° C.
(13) In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the main surface of the semiconductor substrate is selectively oxidized by single wafer processing.
(14) In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, selective oxidation of the main surface of the semiconductor substrate is performed by batch processing.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
ポリメタルを使用するゲート加工プロセスにおいて、ゲートパターニング後のライト酸化処理時に金属膜が酸化されるのを防止することができると共に、ゲート側壁端部における酸化膜形成の再現性および酸化膜厚の均一性を良好に制御することができる。 In the gate processing process using polymetal, it is possible to prevent the metal film from being oxidized during the light oxidation process after gate patterning, and the reproducibility of the oxide film formation at the edge of the gate sidewall and the uniformity of the oxide film thickness Can be controlled well.
これにより、特に膜厚が5nm以下で、耐圧の向上した高品質の極薄ゲート酸化膜を均一な膜厚で再現性良く形成することができるので、ゲート長が0.25μmあるいはそれ以下の微細なMOSFETで回路を構成するデバイスの信頼性、製造歩留まりを向上させることができる。 As a result, a high-quality ultrathin gate oxide film with improved breakdown voltage, particularly with a film thickness of 5 nm or less, can be formed with a uniform film thickness and good reproducibility, so that the gate length is 0.25 μm or less. It is possible to improve the reliability and manufacturing yield of a device that forms a circuit with a simple MOSFET.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
図1は、本実施の形態のDRAMの等価回路図である。図示のように、このDRAMのメモリアレイ(MARY)は、マトリクス状に配置された複数のワード線WL(WLn-1、WLn、WLn+1…)および複数のビット線BLと、それらの交点に配置された複数のメモリセル(MC)とを備えている。1ビットの情報を記憶する1個のメモリセルは、1個の情報蓄積用容量素子Cとこれに直列に接続された1個のメモリセル選択用MISFETQsとで構成されており、メモリセル選択用MISFETQsのソース、ドレインの一方は、情報蓄積用容量素子Cと電気的に接続され、他方はビット線BLと電気的に接続されている。ワード線WLは、その一端がワードドライバWDに接続され、ビット線BLは、その一端がセンスアンプSAに接続されている。 FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of the DRAM of the present embodiment. As shown in the figure, this DRAM memory array (MARY) has a plurality of word lines WL (WLn-1, WLn, WLn + 1...) And a plurality of bit lines BL arranged in a matrix, and intersections thereof. And a plurality of arranged memory cells (MC). One memory cell for storing 1-bit information is composed of one information storage capacitor element C and one memory cell selection MISFET Qs connected in series therewith. One of the source and drain of the MISFET Qs is electrically connected to the information storage capacitor element C, and the other is electrically connected to the bit line BL. One end of the word line WL is connected to the word driver WD, and one end of the bit line BL is connected to the sense amplifier SA.
以下、本実施の形態のDRAMの製造方法を図2〜図24を用いて説明する。図2〜図8および図14〜図24は、メモリアレイ(MARY)と周辺回路(例えばセンスアンプSA)の各一部を示す半導体基板の断面図、図9および図10は、ライト酸化処理に使用する枚葉式酸化炉の概略図、図11は、枚葉式酸化炉のチャンバに接続された触媒方式の水蒸気/水素混合ガス生成装置の概略図、図12は、水蒸気/水素混合ガスを使った酸化還元反応の平衡蒸気圧比の温度依存性を示すグラフ、図13は、枚葉式酸化炉を使ったライト酸化プロセスのシーケンスを示す図である。なお、以下の説明において示される膜厚などの数値は例示的なものであって、本発明を限定するためのものではない。 Hereinafter, a method of manufacturing the DRAM according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 8 and FIGS. 14 to 24 are cross-sectional views of a semiconductor substrate showing a part of a memory array (MARY) and a peripheral circuit (for example, sense amplifier SA), and FIGS. 9 and 10 are diagrams for a write oxidation process. FIG. 11 is a schematic view of a single-wafer oxidation furnace to be used, FIG. 11 is a schematic view of a catalytic steam / hydrogen mixed gas generator connected to a chamber of the single-wafer oxidation furnace, and FIG. 12 is a schematic view of a steam / hydrogen mixed gas. FIG. 13 is a graph showing the temperature dependence of the equilibrium vapor pressure ratio of the oxidation-reduction reaction used, and FIG. 13 is a diagram showing a light oxidation process sequence using a single wafer oxidation furnace. In addition, numerical values, such as a film thickness shown in the following description, are illustrations, and are not for limiting the present invention.
まず、図2に示すように、比抵抗が10Ωcm程度の単結晶シリコンからなる半導体基板1を熱処理してその主面に膜厚10nm程度の薄い酸化シリコン膜2(パッド酸化膜)を形成し、次いでこの酸化シリコン膜2上に膜厚100nm程度の窒化シリコン膜3をCVD(Chemical Vapor Deposition)法で堆積した後、フォトレジスト膜をマスクにしたエッチングで素子分離領域の窒化シリコン膜3を除去する。酸化シリコン膜2は、後の工程で素子分離溝の内部に埋め込まれる酸化シリコン膜をシンタリング(焼き締め)するときなどに基板に加わるストレスを緩和する目的で形成される。窒化シリコン膜3は酸化されにくい性質を持つので、その下部(活性領域)の基板表面の酸化を防止するマスクとして利用される。
First, as shown in FIG. 2, a
次に、図3に示すように、窒化シリコン膜3をマスクにして酸化シリコン膜2と半導体基板1とをドライエッチングすることにより、素子分離領域の半導体基板1に深さ300〜400nm程度の溝4aを形成する。
Next, as shown in FIG. 3, the
次に、図4に示すように、前記エッチングで溝4aの内壁に生じたダメージ層を除去するために、半導体基板1を熱処理して溝4aの内壁に膜厚10nm程度の酸化シリコン膜5を形成した後、半導体基板1上にCVD法で酸化シリコン膜6を堆積し、次いで酸化シリコン膜6の膜質を改善するために、半導体基板1を熱処理して酸化シリコン膜6をデンシファイ(焼締め)する。その後、窒化シリコン膜3をストッパに用いた化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing;CMP)法で酸化シリコン膜6を研磨して溝4aの内部に残すことにより、素子分離溝4を形成する。
Next, as shown in FIG. 4, in order to remove the damaged layer formed on the inner wall of the
次に、熱リン酸を用いたウェットエッチングで半導体基板1上に残った窒化シリコン膜3を除去した後、図5に示すように、半導体基板1のメモリセルを形成する領域(メモリアレイ)と周辺回路の一部(nチャネル型MISFETQn)を形成する領域にB(ホウ素)をイオン打ち込みしてp型ウエル7を形成し、周辺回路の他の一部(pチャネル型MISFETQp)を形成する領域にP(リン)をイオン打ち込みしてn型ウエル8を形成する。
Next, after removing the
次に、図6に示すように、p型ウエル7およびn型ウエル8の各表面の酸化シリコン膜2をHF(フッ酸)系の洗浄液を使って除去した後、半導体基板1をウェット酸化してp型ウエル7およびn型ウエル8の各表面に膜厚5nm程度の清浄なゲート酸化膜9を形成する。
Next, as shown in FIG. 6, after removing the
特に限定はされないが、上記ゲート酸化膜9を形成した後、半導体基板1をNO(酸化窒素)あるいはN2O(亜酸化窒素)雰囲気中で熱処理することによって、ゲート酸化膜9と半導体基板1との界面に窒素を偏析させる酸窒化処理を行ってもよい。ゲート酸化膜9が5nm程度まで薄くなると、半導体基板1との熱膨張係数差に起因して両者の界面に生じる歪みが顕在化し、ホットキャリアの発生を誘発する。半導体基板1との界面に偏析した窒素はこの歪みを緩和するので、上記の酸窒化処理は、極薄ゲート酸化膜9の信頼性を向上できる。
Although not particularly limited, after the
次に、図7に示すように、ゲート酸化膜9の上部にゲート長が0.25μm程度のゲート電極14A(ワード線WL)およびゲート電極14B、14Cを形成する。ゲート電極14A(ワード線WL)およびゲート電極14B、14Cは、例えばP(リン)などのn型不純物がドープされた膜厚70nm程度の多結晶シリコン膜10を半導体基板1上にCVD法で堆積し、次いでその上部に膜厚30nm程度のWN膜11と膜厚100nm程度のW膜12とをスパッタリング法で堆積し、さらにその上部に膜厚150nm程度の窒化シリコン膜13をCVD法で堆積した後、フォトレジストをマスクにしてこれらの膜をパターニングすることにより形成する。
Next, as shown in FIG. 7, a
ゲート電極14A(ワード線WL)の一部を低抵抗の金属(W)で構成した場合には、そのシート抵抗を2Ω/□程度にまで低減できるので、ワード線遅延を低減することができる。また、ゲート電極14(ワード線WL)をAl配線などで裏打ちしなくともワード線遅延を低減できるので、メモリセルの上部に形成される配線層の数を1層減らすことができる。
When a part of the
その後、フォトレジストをアッシング(灰化)処理で除去し、さらにフッ酸などのエッチング液を使って、半導体基板1の表面に残ったドライエッチング残渣やアッシング残渣を除去する。このウェットエッチングを行うと、図8に示すように、ゲート電極14A(ワード線WL)および図示しないゲート電極14B、14Cの下部以外の領域のゲート酸化膜9が削られると同時に、ゲート側壁下部のゲート酸化膜9も等方的にエッチングされてアンダーカットが生じるため、そのままではゲート酸化膜9の耐圧が低下するなどの不具合が生じる。そこで、削れたゲート酸化膜9を再生するために、以下のような方法で再酸化(ライト酸化)処理を行う。
Thereafter, the photoresist is removed by ashing (ashing), and further, dry etching residues and ashing residues remaining on the surface of the
図9(a)は、ライト酸化処理に使用する枚葉式酸化炉の具体的な構成の一例を示す概略平面図、図9(b)は、図9(a)のB−B’線に沿った断面図である。 FIG. 9A is a schematic plan view showing an example of a specific configuration of the single wafer oxidation furnace used for the light oxidation treatment, and FIG. 9B is a BB ′ line in FIG. 9A. FIG.
この枚葉式酸化炉100は、多重壁石英管で構成されたチャンバ101を備えており、その上部および下部には半導体ウエハ1Aを加熱するヒータ102a、102bが設置されている。チャンバ101の内部には、このヒータ102a、102bから供給される熱を半導体ウエハ1Aの全面に均等に分散させる円盤状の均熱リング103が収容され、その上部に半導体ウエハ1Aを水平に保持するサセプタ104が載置されている。均熱リング103は、石英あるいはSiC(シリコンカーバイド)などの耐熱材料で構成され、チャンバ101の壁面から延びる支持アーム105によって支持されている。均熱リング103の近傍には、サセプタ104に保持された半導体ウエハ1Aの温度を測定する熱電対106が設置されている。半導体ウエハ1Aの加熱は、ヒータ102a、102bによる加熱方式の他、例えば図10に示すようなランプ107による加熱方式を採用してもよい。
The single-
チャンバ101の壁面の一部には、チャンバ101内に水蒸気/水素混合ガスとパージガスとを導入するためのガス導入管108の一端が接続されている。このガス導入管108の他端には、後述する触媒方式のガス生成装置が接続されている。ガス導入管108の近傍には、多数の貫通孔109を備えた隔壁110が設けられており、チャンバ101内に導入された気体は、この隔壁110の貫通孔109を通過してチャンバ101内に均等に行き渡る。チャンバ101の壁面の他の一部には、チャンバ101内に導入された上記ガスを排出するための排気管111の一端が接続されている。
One end of a
図11は、上記枚葉式酸化炉100のチャンバ101に接続された触媒方式の水蒸気/水素混合ガス生成装置を示す概略図である。このガス生成装置140は、耐熱耐食性合金(例えば商品名「ハステロイ(Hastelloy)」として知られるNi合金など)で構成された反応器141を備えており、その内部にはPt(プラチナ)、Ni(ニッケル)あるいはPd(パラジウム)などの触媒金属からなるコイル142とこのコイル142を加熱するヒータ143とが収容されている。
FIG. 11 is a schematic view showing a catalytic steam / hydrogen mixed gas generator connected to the
上記反応器141には、水素および酸素からなるプロセスガスと、窒素あるいはAr(アルゴン)などの不活性ガスからなるパージガスとがガス貯留槽144a、144b、144cから配管145を通じて導入される。ガス貯留槽144a、144b、144cと配管145の間には、ガスの量を調節するマスフローコントローラ146a、146b、146cと、ガスの流路を開閉する開閉バルブ147a、147b、147cとが設置され、反応器141内に導入されるガスの量および成分比がこれらによって精密に制御される。
A process gas composed of hydrogen and oxygen and a purge gas composed of an inert gas such as nitrogen or Ar (argon) are introduced into the
反応器141内に導入されたプロセスガス(水素および酸素)は、350〜450℃程度に加熱されたコイル142に接触して励起され、水素分子からは水素ラジカルが生成し(H2→2H*)、酸素分子からは酸素ラジカルが生成する(O2→2O*)。これら2種のラジカルは化学的に極めて活性であるために、速やかに反応して水を生成する(2H*+O*→H2O)。そこで、水(水蒸気)が生成するモル比(水素:酸素=2:1)よりも過剰の水素を含んだプロセスガスを反応器141内に導入することにより、水蒸気/水素混合ガスが生成する。この混合ガスは、前記ガス導入管108を通って枚葉式酸化炉100のチャンバ101に導入される。
The process gas (hydrogen and oxygen) introduced into the
上記のような触媒方式のガス生成装置140は、水の生成に関与する水素と酸素の量およびそれらの比率を高精度に制御できるので、チャンバ101に導入される水蒸気/水素混合ガス中の水蒸気濃度をppmオーダの極低濃度から数10%程度の高濃度まで広範囲に、かつ高精度に制御することができる。また、反応器141にプロセスガスを導入すると瞬時に水が生成されるので、所望する水蒸気濃度の水蒸気/水素混合ガスがリアルタイムで得られる。またこれにより、異物の混入も最小限に抑えられるので、クリーンな水蒸気/水素混合ガスをチャンバ101に導入することができる。なお、反応器141内の触媒金属は、水素および酸素をラジカル化できるものであれば前述した金属に限定されない。また、触媒金属はコイル状に加工して使用する他、例えば中空の管あるいは細かい繊維フィルタなどに加工し、その内部にプロセスガスを通してもよい。
The
図12は、水蒸気/水素混合ガスを使った酸化還元反応の平衡蒸気圧比(PH2O/PH2)の温度依存性を示すグラフであり、図中の曲線(a)〜(e)は、それぞれW、Mo、Ta(タンタル)、Si、Tiの平衡蒸気圧比を示している。 FIG. 12 is a graph showing the temperature dependence of the equilibrium vapor pressure ratio (P H2O / P H2 ) of the oxidation-reduction reaction using a steam / hydrogen mixed gas, and the curves (a) to (e) in the figure are respectively The equilibrium vapor pressure ratios of W, Mo, Ta (tantalum), Si, and Ti are shown.
図示のように、枚葉式酸化炉100のチャンバ101に導入する水蒸気/水素混合ガスの水蒸気/水素分圧比を曲線(a)と曲線(d)とに挟まれた領域の範囲内に設定することにより、ゲート電極14A(ワード線WL)およびゲート電極14B、14Cの一部を構成するW膜12およびバリア層であるWN膜11を酸化することなしに、Siのみを選択的に酸化することができる。また図示のように、金属(W、Mo、Ta、Ti)、Siのいずれも水蒸気/水素混合ガス中の水蒸気濃度が低くなるにつれて酸化速度は遅くなる。従って、水蒸気/水素混合ガス中の水蒸気濃度を低くすることにより、Siの酸化速度と酸化膜厚とを容易に制御することができる。
As shown in the figure, the steam / hydrogen partial pressure ratio of the steam / hydrogen mixed gas introduced into the
同様に、ゲート電極の一部をMo膜で構成した場合には、水蒸気/水素分圧比を曲線(b)と曲線(d)とに挟まれた領域の範囲内に設定することにより、Mo膜を酸化することなしにSiのみを選択的に酸化することができる。また、ゲート電極の一部をTa膜で構成した場合には、水蒸気/水素分圧比を曲線(c)と曲線(d)とに挟まれた領域の範囲内に設定することにより、Ta膜を酸化することなしにSiのみを選択的に酸化することができる。 Similarly, when a part of the gate electrode is composed of the Mo film, the Mo film is set by setting the water vapor / hydrogen partial pressure ratio within the range between the curves (b) and (d). Only Si can be selectively oxidized without oxidizing. In addition, when a part of the gate electrode is composed of a Ta film, the Ta film is formed by setting the water vapor / hydrogen partial pressure ratio within the range between the curves (c) and (d). Only Si can be selectively oxidized without oxidizing.
一方、図示のように、水蒸気/水素混合ガス雰囲気中でTiはSiよりも酸化速度が大きいため、ゲート電極の一部をTi膜で構成したり、バリア層をTiN膜で構成したりした場合には、Ti膜やTiN膜を酸化することなしにSiのみを選択的に酸化することはできない。しかし、この場合も水蒸気/水素混合ガス中の水蒸気を極く低濃度に設定することによって、Ti膜、TiN膜およびSiの酸化速度と酸化膜厚とを容易に制御することができるので、Ti膜やTiN膜の酸化を最小限にとどめてゲート電極の特性劣化を実用上問題とならない範囲に抑えることができる。具体的には、水蒸気濃度の上限を1%程度以下とするのが望ましく、またゲート電極側壁端部のプロファイルを改善するためにはある程度の水蒸気を必要とするため、その下限は10ppm〜100ppm程度とするのが望ましい。 On the other hand, as shown in the figure, Ti has a higher oxidation rate than Si in a water vapor / hydrogen mixed gas atmosphere, so when a part of the gate electrode is composed of a Ti film or the barrier layer is composed of a TiN film However, only Si cannot be selectively oxidized without oxidizing the Ti film or the TiN film. However, also in this case, by setting the water vapor in the water vapor / hydrogen mixed gas to a very low concentration, the oxidation rate and the oxide film thickness of the Ti film, TiN film and Si can be easily controlled. The oxidation of the film and the TiN film can be minimized, and the deterioration of the characteristics of the gate electrode can be suppressed within a range that does not cause a problem in practice. Specifically, the upper limit of the water vapor concentration is desirably about 1% or less, and a certain amount of water vapor is required to improve the profile of the side wall end of the gate electrode, so the lower limit is about 10 ppm to 100 ppm. Is desirable.
次に、前記枚葉式酸化炉100を使ったライト酸化プロセスシーケンスの一例を図13を参照しながら説明する。
Next, an example of a light oxidation process sequence using the single
まず、枚葉式酸化炉100のチャンバ101を開放し、その内部にパージガス(窒素)を導入しながら半導体ウエハ1Aをサセプタ104の上にロードする。その後、チャンバ101を閉鎖し、引き続きパージガスを導入してチャンバ101内のガス交換を十分に行う。サセプタ104は、半導体ウエハ1Aが速やかに加熱されるよう、あらかじめヒータ102a、102bで加熱しておく。半導体ウエハ1Aの加熱温度は、800〜900℃の範囲、例えば850℃とする。ウエハ温度が800℃以下では酸化シリコン膜の品質が低下する。他方、900℃以上ではウエハの表面荒れが発生し易くなる。
First, the
次に、チャンバ101内に水素を導入して窒素を排出する。チャンバ101内に窒素が残留していると不所望な窒化反応が生じたりするため、窒素は完全に排出しておくことが望ましい。
Next, hydrogen is introduced into the
次に、ガス生成装置140の反応器141に酸素と過剰の水素とを導入し、触媒作用によって酸素と水素とから生成した水を過剰の水素と共にチャンバ101に導入して半導体ウエハ1Aの表面を所定の時間だけ酸化する。これにより、前記ウェットエッチングで削られて薄くなったゲート酸化膜9が再酸化され、アンダーカットされたゲート電極14A(ワード線WL)およびゲート電極14B、14Cの側壁端部のプロファイルが改善される。
Next, oxygen and excess hydrogen are introduced into the
上記のライト酸化を長時間行うと、ゲート電極端部近傍の酸化膜厚が必要以上に厚くなり、ゲート電極端部でオフセットが生じたり、MOSFETのしきい値電圧(Vth)が設計値からずれたりする。また、実効チャネル長がゲート電極の加工値よりも短くなるといった問題も生じる。特に、ゲート長が0.25μm前後の微細なMOSFETは、ゲート加工寸法の設計値からの細り許容量が素子設計の面から厳しく制限される。これは、細り量が僅かに増加しただけでも短チャネル効果によって、しきい値電圧が急激に減少するからである。ゲート長が0.25μm前後のゲート電極の場合、その一部を構成する多結晶シリコン膜の側壁端部がライト酸化工程で約0.1μm(両端で約0.2μm)酸化される程度が、しきい値電圧の急激な減少を来さない限界と考えられる。従って、ライト酸化によって成長させる酸化膜厚は、ゲート酸化膜厚の50%増し程度を上限とするのが望ましい。 If the above light oxidation is performed for a long time, the oxide film thickness near the gate electrode end becomes thicker than necessary, an offset occurs at the gate electrode end, and the threshold voltage (Vth) of the MOSFET deviates from the design value. Or There is also a problem that the effective channel length is shorter than the processed value of the gate electrode. In particular, in a fine MOSFET having a gate length of about 0.25 μm, the allowable amount of thinning from the design value of the gate processing dimension is severely limited from the viewpoint of device design. This is because even if the thinning amount is slightly increased, the threshold voltage is rapidly decreased by the short channel effect. In the case of a gate electrode having a gate length of around 0.25 μm, the degree to which the side wall end portion of the polycrystalline silicon film constituting a part is oxidized by about 0.1 μm (about 0.2 μm at both ends) in the light oxidation step, This is considered to be a limit that does not cause a rapid decrease in the threshold voltage. Therefore, it is desirable that the upper limit of the oxide film thickness grown by light oxidation be about 50% of the gate oxide film thickness.
次に、チャンバ101内にパージガス(窒素)を導入して水蒸気/水素混合ガスを排出した後、チャンバ101を開放し、その内部にパージガスを導入しながら半導体ウエハ1Aをサセプタ104からアンロードすることにより、ライト酸化処理が終了する。
Next, after introducing a purge gas (nitrogen) into the
以下、ライト酸化工程後のDRAMプロセスを簡単に説明する。まず、図14に示すように、n型ウエル8にp型不純物、例えばB(ホウ素)をイオン打ち込みしてゲート電極14Cの両側のn型ウエル8にp−型半導体領域16を形成する。また、p型ウエル7にn型不純物、例えばP(リン)をイオン打ち込みしてゲート電極14Bの両側のp型ウエル7にn−型半導体領域17を形成し、ゲート電極14Aの両側のp型ウエル7にn型半導体領域18を形成する。
Hereinafter, the DRAM process after the light oxidation process will be briefly described. First, as shown in FIG. 14, a p -
次に、図15に示すように、半導体基板1上にCVD法で窒化シリコン膜19を堆積した後、図16に示すように、メモリアレイをフォトレジスト膜20で覆い、周辺回路の窒化シリコン膜19を異方性エッチングすることにより、ゲート電極14B、14Cの側壁にサイドウォールスペーサ19aを形成する。このエッチングは、素子分離溝4に埋め込まれた酸化シリコン膜6とゲート電極14B、14C上の窒化シリコン膜19との削れ量を最少とするために、オーバーエッチング量を必要最小限にとどめると共に、酸化シリコン膜6に対する選択比が大きく取れるエッチングガスを使用して行う。
Next, as shown in FIG. 15, after depositing a
次に、図17に示すように、周辺回路のp型ウエル7にn型不純物、例えばAs(ヒ素)をイオン打ち込みしてnチャネル型MISFETQnのn+型半導体領域21(ソース、ドレイン)を形成し、n型ウエル2にp型不純物、例えばB(ホウ素)をイオン打ち込みしてpチャネル型MISFETQpのp+型半導体領域22(ソース、ドレイン)を形成する。 Next, as shown in FIG. 17, an n type impurity, for example, As (arsenic) is ion-implanted into the p type well 7 of the peripheral circuit to form an n + type semiconductor region 21 (source, drain) of the n channel type MISFET Qn. Then, a p-type impurity, for example, B (boron) is ion-implanted into the n-type well 2 to form the p + -type semiconductor region 22 (source, drain) of the p-channel type MISFET Qp.
次に、図18に示すように、半導体基板1上にCVD法で酸化シリコン膜23を堆積し、化学的機械研磨法を用いてその表面を平坦化した後、フォトレジスト膜24をマスクにしたドライエッチングでメモリセル選択MISFETQsのn型半導体領域18(ソース、ドレイン)の上部の酸化シリコン膜23を除去する。このエッチングは、窒化シリコン膜13、19に対する酸化シリコン膜23のエッチングレートが大きくなるような条件で行い、n型半導体領域18の上部の窒化シリコン膜19が除去されないようにする。
Next, as shown in FIG. 18, a
次に、図19に示すように、上記フォトレジスト膜24をマスクにしたドライエッチングでメモリセル選択MISFETQsのn型半導体領域18(ソース、ドレイン)の上部の窒化シリコン膜19とゲート酸化膜9とを除去することにより、ソース、ドレインの一方(n型半導体領域18)の上部にコンタクトホール25を形成し、他方(n型半導体領域18)の上部にコンタクトホール26を形成する。このエッチングは、半導体基板1の削れ量を最少とするために、オーバーエッチング量を必要最小限にとどめると共に、半導体基板1(シリコン)に対する選択比を大きく取れるエッチングガスを使用する。また、このエッチングは、窒化シリコン膜19が異方的にエッチングされるような条件で行い、ゲート電極14A(ワード線WL)の側壁に窒化シリコン膜19が残るようにする。このようにすると、コンタクトホール25、26は、ゲート電極14A(ワード線WL)に対して自己整合で形成される。コンタクトホール25、26をゲート電極14A(ワード線WL)に対して自己整合で形成するには、あらかじめ窒化シリコン膜19を異方性エッチングしてゲート電極14A(ワード線WL)の側壁にサイドウォールスペーサを形成しておいてもよい。
Next, as shown in FIG. 19, the
次に、図20に示すように、コンタクトホール25、26の内部にプラグ27を埋め込んだ後、酸化シリコン膜23の上部にCVD法で酸化シリコン膜28を堆積し、次いでフォトレジスト膜29をマスクにしたドライエッチングでコンタクトホール25の上部の酸化シリコン膜28を除去する。コンタクトホール25、26の内部にプラグ27を埋め込むには、酸化シリコン膜23の上部にP(リン)をドープした多結晶シリコン膜をCVD法で堆積した後、この多結晶シリコン膜を化学的機械研磨法で研磨して酸化シリコン膜23の上部の多結晶シリコン膜を除去する。この多結晶シリコン膜中のP(リン)の一部は、後の高温プロセスでコンタクトホール25、26の底部からn型半導体領域18(ソース、ドレイン)に拡散し、n型半導体領域18を低抵抗化する。
Next, as shown in FIG. 20, after
次に、図21に示すように、フォトレジスト膜30をマスクにしたドライエッチングで周辺回路形の酸化シリコン膜28、23とゲート酸化膜9とを除去することにより、nチャネル型MISFETQnのソース、ドレイン(n+型半導体領域21)の上部にコンタクトホール31、32を形成し、pチャネル型MISFETQpのソース、ドレイン(p+型半導体領域22)の上部にコンタクトホール33、34を形成する。このエッチングは、窒化シリコン膜13およびサイドウォールスペーサ19aに対する酸化シリコン膜のエッチングレートが大きくなるような条件で行い、コンタクトホール31、32をゲート電極14Bに対して自己整合で形成し、コンタクトホール33、34をゲート電極14Cに対して自己整合で形成する。
Next, as shown in FIG. 21, by removing the peripheral circuit type
次に、図22に示すように、酸化シリコン膜28の上部にビット線BLと周辺回路の第1層配線35、36とを形成する。ビット線BLおよび第1層配線35、36は、例えば酸化シリコン膜28の上部にスパッタリング法でTiN膜とW膜とを堆積し、次いでこのW膜の上部にCVD法で酸化シリコン膜37を堆積した後、フォトレジスト膜をマスクにしたエッチングでこれらの膜を順次パターニングして形成する。
Next, as shown in FIG. 22, the bit line BL and the
次に、図23に示すように、ビット線BLおよび第1層配線35、36の上部にCVD法で酸化シリコン膜38を堆積し、フォトレジスト膜をマスクにしたドライエッチングでコンタクトホール26の上部の酸化シリコン膜38、28を除去してスルーホール39を形成した後、このスルーホール39の内部にプラグ40を埋め込む。プラグ40は、例えば酸化シリコン膜38の上部にスパッタリング法でW膜を堆積した後、このW膜を化学的機械研磨法で研磨してスルーホール39の内部に残すことにより形成する。
Next, as shown in FIG. 23, a
次に、図24に示すように、スルーホール39の上部に下部電極41と容量絶縁膜42と上部電極43との積層構造で構成された情報蓄積用容量素子Cを形成することにより、メモリセル選択用MISFETQsとこれに直列に接続された情報蓄積用容量素子Cとで構成されるDRAMのメモリセルが略完成する。情報蓄積用容量素子Cの下部電極41は、例えば酸化シリコン膜38の上部にCVD法またはスパッタリング法でW膜を堆積し、フォトレジスト膜をマスクにしたドライエッチングでこのW膜をパターニングして形成する。容量絶縁膜42と上部電極43は、下部電極41の上部にCVD法またはスパッタリング法で酸化タンタル膜を堆積し、その上部にスパッタリング法でTiN膜を堆積した後、フォトレジスト膜をマスクにしたエッチングでこれらの膜を順次パターニングして形成する。その後、情報蓄積用容量素子Cの上部には2層程度のAl配線が形成されるが、それらの図示は省略する。
Next, as shown in FIG. 24, an information storage capacitive element C having a laminated structure of a
上記したゲート酸化膜のライト酸化処理は、図25に示すようなバッチ式縦型酸化炉150に前記のような触媒方式の水蒸気/水素混合ガス生成装置140を取り付けて行うこともできる。このバッチ式縦型酸化炉150を使ったライト酸化処理プロセスのシーケンスの一例を図26に示す。
The above-described light oxidation treatment of the gate oxide film can be performed by attaching the above-described catalytic steam / hydrogen mixed
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
前記実施の形態では、DRAMのメモリセルと周辺回路を構成するMOSFETのライト酸化処理について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特に膜厚が5nm以下の極めて薄いゲート酸化膜を均一に再現性良く形成することが要求される微細なMOSFETで回路を構成する各種デバイスのライト酸化処理に適用して好適なものである。 In the above embodiment, the write oxidation processing of the MOSFETs constituting the DRAM memory cell and the peripheral circuit has been described. However, the present invention is not limited to this, and an extremely thin gate oxide film having a thickness of 5 nm or less is particularly limited. Is suitable for light oxidation treatment of various devices that constitute a circuit with fine MOSFETs that are required to be uniformly formed with good reproducibility.
本発明は、ポリメタルゲートを有するMOSFETを含んだ半導体集積回路装置の製造方法に適用することができる。 The present invention can be applied to a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device including a MOSFET having a polymetal gate.
1 半導体基板
1A 半導体ウエハ
2 酸化シリコン膜(パッド酸化膜)
3 窒化シリコン膜
4 素子分離溝
4a 溝
5 酸化シリコン膜
6 酸化シリコン膜
7 p型ウエル
8 n型ウエル
9 ゲート酸化膜
10 多結晶シリコン膜
11 WN膜
12 W膜
13 窒化シリコン膜
14A〜14C ゲート電極
16 p−型半導体領域
17 n−型半導体領域
18 n型半導体領域
19 窒化シリコン膜
19a サイドウォールスペーサ
20 フォトレジスト膜
21 p+型半導体領域
22 n+型半導体領域
23 酸化シリコン膜
24 フォトレジスト膜
25 コンタクトホール
26 コンタクトホール
27 プラグ
28 酸化シリコン膜
29 フォトレジスト膜
30 フォトレジスト膜
31〜34 コンタクトホール
35、36 第1層配線
37 酸化シリコン膜
38 酸化シリコン膜
39 スルーホール
40 プラグ
41 下部電極
42 容量絶縁膜
43 上部電極
100 枚葉式酸化炉
101 チャンバ
102a、102b ヒータ
103 均熱リング
104 サセプタ
105 支持アーム
106 熱電対
107 ランプ
108 ガス導入管
109 貫通孔
110 隔壁
111 排気管
140 ガス生成装置
141 反応器
142 コイル
143 ヒータ
144a〜144c ガス貯留槽
145 配管
146a〜146c マスフローコントローラ
147a〜147c 開閉バルブ
150 バッチ式縦型酸化炉
BL ビット線
C 情報蓄積用容量素子
MARY メモリアレイ
Qn nチャネル型MOSFET
Qp pチャネル型MOSFET
Qs メモリセル選択用MISFET
SA センスアンプ
WD ワードドライバ
WL ワード線
DESCRIPTION OF
3
Qp p-channel MOSFET
Qs MISFET for memory cell selection
SA sense amplifier WD word driver WL word line
Claims (16)
(a)ウエハのシリコン表面上に形成された酸化シリコン膜を含むゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程と、
(b)前記多結晶シリコン膜上に、窒化タングステンからなるバリア層を介してタングステンまたはモリブデンからなる高融点金属膜を形成する工程と、
(c)前記多結晶シリコン膜および前記高融点金属膜をパターニングすることによって、ゲート電極を形成する工程と、
(d)前記(c)工程の後、水素と、触媒作用によって水素および酸素から生成した水蒸気とを含み、かつ実質的に水素ラジカルを含まないガス雰囲気中で、前記高融点金属膜と前記バリア層とを酸化することなく、前記多結晶シリコン膜を熱酸化する工程とを有し、
前記(d)工程を、酸化炉と前記酸化炉に接続された触媒方式のガス生成装置を用い、前記ガス生成装置に酸素および水素を導入し、前記ガス生成装置から前記酸化炉に水素と水蒸気を導入して行い、
前記ガス生成装置への水素の導入を開始した後に、前記ガス生成装置への酸素の導入を開始することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising:
(A) forming a polycrystalline silicon film on a gate insulating film including a silicon oxide film formed on the silicon surface of the wafer;
(B) forming a refractory metal film made of tungsten or molybdenum on the polycrystalline silicon film through a barrier layer made of tungsten nitride;
(C) forming a gate electrode by patterning the polycrystalline silicon film and the refractory metal film;
(D) After the step (c), in the gas atmosphere containing hydrogen and water vapor generated from hydrogen and oxygen by catalytic action and substantially free of hydrogen radicals, the refractory metal film and the barrier A step of thermally oxidizing the polycrystalline silicon film without oxidizing the layer,
In the step (d), an oxidation furnace and a catalytic gas generator connected to the oxidation furnace are used, oxygen and hydrogen are introduced into the gas generator, and hydrogen and steam are introduced from the gas generator into the oxidation furnace. Is done,
A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising: starting introduction of oxygen into the gas generation device after starting introduction of hydrogen into the gas generation device.
(a)ウエハの主面のシリコン表面上に形成された5nm以下の膜厚を有する酸化シリコン膜を含むゲート絶縁膜上に、多結晶シリコン膜を形成する工程と、
(b)前記多結晶シリコン膜上に高融点金属膜を形成する工程と、
(c)前記多結晶シリコン膜および前記高融点金属膜をパターニングすることによって、0.25μm以下のゲート長を有するゲート電極を形成する工程と、
(d)前記(c)工程の後、触媒作用によって水素と酸素とから生成した水蒸気を含む水素ガス雰囲気中において、前記高融点金属膜を酸化することなく前記多結晶シリコン膜を熱酸化し、前記熱酸化によって成長する酸化膜の膜厚を前記ゲート絶縁膜の膜厚の50%増しを上限とする工程とを有し、
前記(d)工程を、酸化炉と前記酸化炉に接続された触媒方式のガス生成装置を用い、前記ガス生成装置に酸素および水素を導入し、前記ガス生成装置から前記酸化炉に水素と水蒸気を導入して行い、
前記ガス生成装置への水素の導入を開始した後に、前記ガス生成装置への酸素の導入を開始することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising:
(A) forming a polycrystalline silicon film on a gate insulating film including a silicon oxide film having a thickness of 5 nm or less formed on the silicon surface of the main surface of the wafer;
(B) forming a refractory metal film on the polycrystalline silicon film;
(C) forming a gate electrode having a gate length of 0.25 μm or less by patterning the polycrystalline silicon film and the refractory metal film;
(D) After the step (c), in the hydrogen gas atmosphere containing water vapor generated from hydrogen and oxygen by catalytic action, the polycrystalline silicon film is thermally oxidized without oxidizing the refractory metal film, The upper limit of the thickness of the oxide film grown by thermal oxidation is 50% of the thickness of the gate insulating film,
In the step (d), an oxidation furnace and a catalytic gas generator connected to the oxidation furnace are used, oxygen and hydrogen are introduced into the gas generator, and hydrogen and steam are introduced from the gas generator into the oxidation furnace. Is done,
A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising: starting introduction of oxygen into the gas generation device after starting introduction of hydrogen into the gas generation device.
(a)ウエハの主面のシリコン表面上に形成された酸化シリコン膜を含むゲート絶縁膜上に、第1多結晶シリコン膜を形成する工程と、
(b)前記第1多結晶シリコン膜上に、高融点金属窒化物からなるバリア層を介してタングステンまたはモリブデンからなる高融点金属膜を形成する工程と、
(c)前記第1多結晶シリコン膜、前記バリア層および前記高融点金属膜をパターニングすることによって、ゲート電極を形成する工程と、
(d)前記(c)工程の後、触媒作用によって水素と酸素とから生成した水蒸気を含み、実質的に窒素ガスを含まない水素ガス雰囲気中において、前記高融点金属膜を酸化することなく、前記第1多結晶シリコン膜を熱酸化する工程とを有し、
前記(d)工程を、酸化炉と前記酸化炉に接続された触媒方式のガス生成装置を用い、前記ガス生成装置に酸素および水素を導入し、前記ガス生成装置から前記酸化炉に水素と水蒸気を導入して行い、
前記ガス生成装置への水素の導入を開始した後に、前記ガス生成装置への酸素の導入を開始することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising:
(A) forming a first polycrystalline silicon film on a gate insulating film including a silicon oxide film formed on the silicon surface of the main surface of the wafer;
(B) forming a refractory metal film made of tungsten or molybdenum on the first polycrystalline silicon film through a barrier layer made of refractory metal nitride;
(C) forming a gate electrode by patterning the first polycrystalline silicon film, the barrier layer, and the refractory metal film;
(D) After the step (c), without oxidizing the refractory metal film in a hydrogen gas atmosphere containing water vapor generated from hydrogen and oxygen by catalytic action and substantially free of nitrogen gas, And thermally oxidizing the first polycrystalline silicon film,
In step (d), an oxidation furnace and a catalytic gas generator connected to the oxidation furnace are used, oxygen and hydrogen are introduced into the gas generator, and hydrogen and steam are introduced from the gas generator into the oxidation furnace. Is done,
A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising: starting introduction of oxygen into the gas generation device after starting introduction of hydrogen into the gas generation device.
(a)ウエハの主面のシリコン表面に素子分離溝を形成する工程と、
(b)前記素子分離溝に絶縁材料を埋め込む工程と、
(c)前記(b)工程の後、前記ウエハの主面を化学的機械研磨法によって平坦化する工程と、
(d)前記シリコン表面の熱酸化によって前記ウエハのシリコン表面上に形成した5nm以下の膜厚を有する酸化シリコン膜を主体とするゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程と、
(e)前記多結晶シリコン膜上にバリア層を介して高融点金属膜を形成する工程と、
(f)前記多結晶シリコン膜および前記高融点金属膜をパターニングすることによって、0.25μm以下のゲート長を有するゲート電極を形成する工程と、
(g)前記(f)工程の後、水蒸気を含んだ水素ガス雰囲気中において、前記高融点金属膜および前記バリア層を酸化することなく、前記多結晶シリコン膜を熱酸化する工程とを有し、
前記(g)工程を、酸化炉と前記酸化炉に接続された触媒方式のガス生成装置を用い、前記ガス生成装置に酸素および水素を導入し、前記ガス生成装置から前記酸化炉に水素と水蒸気を導入して行い、
前記ガス生成装置への水素の導入を開始した後に、前記ガス生成装置への酸素の導入を開始することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising:
(A) forming an element isolation groove on the silicon surface of the main surface of the wafer;
(B) burying an insulating material in the element isolation trench;
(C) After the step (b), a step of planarizing the main surface of the wafer by a chemical mechanical polishing method;
(D) forming a polycrystalline silicon film on a gate insulating film mainly comprising a silicon oxide film having a thickness of 5 nm or less formed on the silicon surface of the wafer by thermal oxidation of the silicon surface;
(E) forming a refractory metal film on the polycrystalline silicon film through a barrier layer;
(F) patterning the polycrystalline silicon film and the refractory metal film to form a gate electrode having a gate length of 0.25 μm or less;
(G) After the step (f), in a hydrogen gas atmosphere containing water vapor, the step of thermally oxidizing the polycrystalline silicon film without oxidizing the refractory metal film and the barrier layer. ,
In the step ( g ), an oxidation furnace and a catalytic gas generator connected to the oxidation furnace are used, oxygen and hydrogen are introduced into the gas generator, and hydrogen and steam are introduced from the gas generator into the oxidation furnace. Is done,
A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising: starting introduction of oxygen into the gas generation device after starting introduction of hydrogen into the gas generation device.
(a)ウエハの主面のシリコン表面上に、酸化シリコン膜を含み、かつ5nm以下の膜厚を有するゲート絶縁膜を形成した後、前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程と、
(b)前記多結晶シリコン膜上に、窒化タングステン膜を含むバリア層を介してタングステンからなる高融点金属膜を形成する工程と、
(c)前記多結晶シリコン膜および前記高融点金属膜をパターニングすることによって、0.25μm以下のゲート長を有するゲート電極を形成する工程と、
(d)前記(c)工程の後、水素と水蒸気とを含み、かつ実質的に水素ラジカルを含まないガス雰囲気中で、前記高融点金属膜と前記バリア層とを酸化することなく、前記多結晶シリコン膜を熱酸化する工程とを有し、
前記(d)工程を、酸化炉と前記酸化炉に接続された触媒方式のガス生成装置を用い、前記ガス生成装置に酸素および水素を導入し、前記ガス生成装置から前記酸化炉に水素と水蒸気を導入して行い、
前記ガス生成装置への水素の導入を開始した後に、前記ガス生成装置への酸素の導入を開始することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising:
(A) forming a polycrystalline silicon film on the gate insulating film after forming a gate insulating film including a silicon oxide film and having a thickness of 5 nm or less on the silicon surface of the main surface of the wafer; ,
(B) forming a refractory metal film made of tungsten on the polycrystalline silicon film through a barrier layer including a tungsten nitride film;
(C) forming a gate electrode having a gate length of 0.25 μm or less by patterning the polycrystalline silicon film and the refractory metal film;
(D) After the step (c), the refractory metal film and the barrier layer are oxidized without oxidizing the refractory metal film and the barrier layer in a gas atmosphere containing hydrogen and water vapor and substantially free of hydrogen radicals. A step of thermally oxidizing the crystalline silicon film,
In the step (d), an oxidation furnace and a catalytic gas generator connected to the oxidation furnace are used, oxygen and hydrogen are introduced into the gas generator, and hydrogen and steam are introduced from the gas generator into the oxidation furnace. Is done,
A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising: starting introduction of oxygen into the gas generation device after starting introduction of hydrogen into the gas generation device.
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