JP2005079215A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Mitsuaki Hori
充明 堀
Jun Sakuma
遵 佐久間
Naoyoshi Tamura
直義 田村
Hiroko Inoue
裕子 井上
Yuka Hayami
由香 早見
Kenichi Hizuya
健一 日数谷
Akio Yamaguchi
晃央 山口
Masaaki Koiizuka
正明 小飯塚
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a semiconductor device which has a process wherein temperature can be decreased and can perform reduction of a natural oxide film. <P>SOLUTION: The method for manufacturing a semiconductor device is provided with (a) a step for preparing a substrate which has at least a silicon surface layer, (b) a step for forming the natural oxide film whose thickness is 0.1 - 0.5 nm on the surface of the silicon surface layer, (c) a step wherein the reduction of the natural oxide film whose thickness is 0.1 - 0.5 nm is performed by using hydrogen annealing treatment, and (d) a step for forming a gate insulating film on a surface of the silicon surface layer, following the above process (c). <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に自然酸化膜の除去工程を含む半導体装置の製造方法に関する。なお、「自然酸化膜」は、化学酸化膜を含む低密度、不完全な酸化膜を指す概念とする。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device including a step of removing a natural oxide film. The “natural oxide film” is a concept indicating a low density and incomplete oxide film including a chemical oxide film.

半導体集積回路装置の微細化は、さらに進められている。ゲート長が90nm以下となると、ゲート絶縁膜の厚さは1.5nm以下が要求されるようになる。シリコン基板には、大気中の酸化や化学薬剤処理、純水洗浄による酸化で低密度の自然酸化膜が形成される。自然酸化膜は、結晶性に優れた熱酸化膜と較べて、結晶性が不完全で、低密度であり、絶縁層としての特性が低い。   The miniaturization of semiconductor integrated circuit devices has been further advanced. When the gate length is 90 nm or less, the thickness of the gate insulating film is required to be 1.5 nm or less. A low-density natural oxide film is formed on the silicon substrate by oxidation in the atmosphere, chemical agent treatment, or oxidation by pure water cleaning. The natural oxide film has incomplete crystallinity, low density, and low properties as an insulating layer, compared to a thermal oxide film having excellent crystallinity.

自然酸化膜を残したままゲート絶縁膜を形成すると、リーク電流の大きいゲート絶縁膜が形成される。リーク電流の大きいゲート絶縁膜も目的によっては有用であるが、電力消費の小さい半導体集積回路の作成には不適である。自然酸化膜は、その経歴によって膜厚が変化する。ゲート絶縁膜を形成する場合、直前の化学処理により、自然酸化膜の膜厚は変化する。極薄のゲート絶縁膜を形成する時、自然酸化膜の制御は、ゲート絶縁膜の厚さ制御、特性制御上重要である。   When the gate insulating film is formed while leaving the natural oxide film, a gate insulating film having a large leakage current is formed. Although a gate insulating film having a large leakage current is useful for some purposes, it is unsuitable for manufacturing a semiconductor integrated circuit with low power consumption. The thickness of the natural oxide film varies depending on its history. When forming the gate insulating film, the film thickness of the natural oxide film is changed by the immediately preceding chemical treatment. When forming an extremely thin gate insulating film, the control of the natural oxide film is important for the thickness control and characteristic control of the gate insulating film.

MOSトランジスタの飽和電流は、チャネル領域表面の状態、マイクロラフネス、にも依存する。マイクロラフネスが大きいと、キャリアの輸送が妨げられ、飽和ドレイン電流が低下する。   The saturation current of the MOS transistor also depends on the state of the channel region surface and microroughness. If the microroughness is large, carrier transport is hindered and the saturation drain current is reduced.

特性の優れたゲート絶縁膜を形成するための方法が種々報告されている。   Various methods for forming a gate insulating film having excellent characteristics have been reported.

特許第3296268号(特開平11−135508号)公報は、重金属を基板内部に拡散させる水素雰囲気中熱処理を開示する。1050℃以上での水素雰囲気中熱処理は基板表面の自然酸化膜を還元除去して基板表面をむき出しにし、マイクロラフネスを生じさせるので、800℃〜1050℃で水素雰囲気中熱処理を行ない、重金属を基板内部に拡散させることを提案する。その後、酸化性雰囲気中でゲート酸化膜を形成する。   Japanese Patent No. 3296268 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-135508) discloses a heat treatment in a hydrogen atmosphere in which heavy metals are diffused into the substrate. The heat treatment in a hydrogen atmosphere at 1050 ° C. or higher reduces and removes the natural oxide film on the substrate surface to expose the substrate surface, thereby generating microroughness. Therefore, the heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere at 800 ° C. to 1050 ° C. Propose to diffuse inside. Thereafter, a gate oxide film is formed in an oxidizing atmosphere.

特開2002−184774号公報は、自然酸化膜を有するシリコンウエハを水素雰囲気中で熱処理して良質な膜に改質し、必要に応じてさらに酸化膜を追加形成してゲート絶縁膜を形成することを提案する。   In Japanese Patent Laid-Open No. 2002-184774, a silicon wafer having a natural oxide film is heat-treated in a hydrogen atmosphere to improve the quality, and a gate insulating film is formed by additionally forming an oxide film if necessary. Propose that.

特開2000−91342号公報は、自然酸化膜をHF水溶液で除去し、その後自然酸化膜を除去したウエハを水素を含む雰囲気中で従来より低温の950℃〜1150℃で熱処理することにより、ウエハ表面のマイクロラフネスを小さくし、特性を改善することを提案する。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-91342 discloses a method in which a natural oxide film is removed with an aqueous HF solution, and then the wafer from which the natural oxide film has been removed is heat-treated at 950 ° C. to 1150 ° C., which is lower than before, in an atmosphere containing hydrogen. We propose to reduce the microroughness of the surface and improve the characteristics.

高性能な半導体装置を提供するウエハとしてSOI(silicon on insulator)ウエハが知られている。絶縁層の上に配置されたシリコン(SOI)層を用いることにより、バルクシリコン基板では得られない利点が得られる。   An SOI (silicon on insulator) wafer is known as a wafer for providing a high-performance semiconductor device. The use of a silicon (SOI) layer disposed on an insulating layer provides advantages not available with bulk silicon substrates.

絶縁膜上のシリコン層にソース/ドレインの浅いエクステンションとその両側の深い高濃度ソース/ドレイン領域を形成し、高濃度ソース/ドレイン領域の底面を絶縁層に到達または近接させた一部空乏(PD)型MOSトランジスタは、ソース/ドレインの寄生容量を低減化でき、高速動作を促進する。   Partial depletion (PD) in which a shallow source / drain extension and deep high-concentration source / drain regions on both sides thereof are formed in the silicon layer on the insulating film, and the bottom surface of the high-concentration source / drain region reaches or approaches the insulating layer. ) Type MOS transistor can reduce the parasitic capacitance of the source / drain and promote high-speed operation.

絶縁膜上のシリコン層を薄くして絶縁膜上の薄いシリコン層にソース/ドレインのエクステンションを形成し、必要に応じてその外側の絶縁層は除去し、低抵抗ソース/ドレイン領域を形成した完全空乏(FD)型MOSトランジスタは、ナローチャネルのパンチスルー防止を容易にし、MOSトランジスタを微細化して高機能化することを容易にする。   The silicon layer on the insulating film is thinned to form source / drain extensions on the thin silicon layer on the insulating film, and the outer insulating layer is removed as necessary to form a low resistance source / drain region. A depletion (FD) type MOS transistor facilitates prevention of narrow channel punch-through, and facilitates miniaturization of the MOS transistor and enhancement of functionality.

特開平10−041241号公報は、SIMOX型SOIウエハの水素雰囲気中熱処理を1000℃付近で行なうと膜質向上が不十分であり、高温で行うと埋込酸化膜の特性が悪くなると指摘し、不活性ガス雰囲気中高温での熱処理と、格子間酸素の還元反応を起こす温度以上、埋込酸化膜の還元反応を起こす温度より低い温度での水素雰囲気中熱処理、または水素プラズマ処理を行なうことを提案する。   Japanese Patent Laid-Open No. 10-041241 points out that the film quality is not improved sufficiently if heat treatment in a hydrogen atmosphere of a SIMOX type SOI wafer is performed at around 1000 ° C., and the characteristics of the buried oxide film deteriorate when it is performed at a high temperature. Proposed to perform heat treatment at high temperature in an active gas atmosphere and heat treatment in hydrogen atmosphere at a temperature higher than the temperature causing the reduction reaction of interstitial oxygen or lower than the temperature causing the reduction reaction of the buried oxide film, or hydrogen plasma treatment To do.

特開平2−56952号公報は、SOIウエハの埋め込み絶縁膜として、Si基板上にエピタキシャルに成長した単結晶CaF膜を用いることを提案する。表面モホロジ、絶縁耐圧に優れた単結晶CaF膜の上に、さらにSi層をエピタキシャルに成長する。 Japanese Patent Laid-Open No. 2-56952 proposes to use a single crystal CaF 2 film epitaxially grown on a Si substrate as a buried insulating film of an SOI wafer. A Si layer is further epitaxially grown on the single crystal CaF 2 film having excellent surface morphology and withstand voltage.

特開平6−97401号公報は、SOIウエハの埋め込み絶縁膜として、CaF膜,CaSr1−x膜等の弗化物層を用い、弗化物層の上にGaAs層をエピタキシャルに成長し、発光ダイオードなどを形成する方法を提案する。 JP-A-6-97401 uses a fluoride layer such as a CaF 2 film or a Ca x Sr 1-x F 2 film as a buried insulating film of an SOI wafer, and a GaAs layer is epitaxially grown on the fluoride layer. Then, a method for forming a light emitting diode or the like is proposed.

単結晶Si層に引張り応力を与えて歪ませた歪Si層は、キャリアの移動度を大幅に向上させる。SOIウエハと歪Si層とを組み合わせると、両者の利点により半導体素子の特性をさらに向上させることができる。(例えば下記非特許文献1、2)。   A strained Si layer obtained by applying a tensile stress to the single crystal Si layer greatly improves carrier mobility. When the SOI wafer and the strained Si layer are combined, the characteristics of the semiconductor element can be further improved due to the advantages of both. (For example, the following non-patent documents 1 and 2).

特許第3296268号公報Japanese Patent No. 3296268 特開2002−184774号公報JP 2002-184774 A 特開2000−91342号公報JP 2000-91342 A 特開平10−041241号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-041241 特開平2−56952号公報JP-A-2-56952 特開平6−97401号公報JP-A-6-97401 T. Mizuno et al., 2002 Symposium on VLSI TechnologiesT. Mizuno et al., 2002 Symposium on VLSI Technologies T. A. Langdo et al., 2002 IEEE International SOI ConferenceT. A. Langdo et al., 2002 IEEE International SOI Conference

本発明の目的は、自然酸化膜を還元除去できる低温化可能な工程を有する半導体装置の製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device having a process capable of reducing the temperature so that a natural oxide film can be reduced and removed.

本発明の1観点によれば、(a)少なくともシリコン表面層を有する基板を準備する工程と、(b)前記シリコン層の表面に厚さ0.1nm〜0.5nmの自然酸化膜を形成する工程と、(c)前記厚さ0.1nm〜0.5nmの自然酸化膜を水素アニール処理により、還元除去する工程と、(d)前記工程(c)に続いて、前記シリコン表面層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。   According to one aspect of the present invention, (a) preparing a substrate having at least a silicon surface layer, and (b) forming a natural oxide film having a thickness of 0.1 nm to 0.5 nm on the surface of the silicon layer. A step of (c) reducing and removing the natural oxide film having a thickness of 0.1 nm to 0.5 nm by hydrogen annealing, and (d) following the step (c), the surface of the silicon surface layer And a step of forming a gate insulating film on the semiconductor device.

自然酸化膜の厚さを制限することにより、低温化した水素アニール処理によっても自然酸化膜を還元除去できる。   By limiting the thickness of the natural oxide film, the natural oxide film can be reduced and removed even by hydrogen annealing at a low temperature.

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。本発明者等の1人、堀は、先に、ゲート絶縁膜形成前に、水素等の還元性雰囲気中で半導体基板を加熱することにより、自然酸化膜を還元、除去し、引き続きゲート絶縁膜を形成する方法を提案した(特願2002‐249205号)。自然酸化膜を還元除去する好適な条件は、H雰囲気圧力100torr以下、加熱温度900℃〜1050℃であった。今回、SOI基板を用い、自然酸化膜を還元、除去すると共に、表面のマイクロラフネスを向上する条件を求めた。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. One of the inventors, Hori, previously reduced and removed the natural oxide film by heating the semiconductor substrate in a reducing atmosphere such as hydrogen before forming the gate insulating film. Has proposed a method for forming the image (Japanese Patent Application No. 2002-249205). Suitable conditions for reducing and removing the natural oxide film were an H 2 atmosphere pressure of 100 torr or less and a heating temperature of 900 ° C. to 1050 ° C. This time, using an SOI substrate, the conditions for reducing and removing the natural oxide film and improving the microroughness of the surface were obtained.

図1A〜1Fは、サンプルの作成手順を概略的に示す。   1A to 1F schematically show a sample preparation procedure.

図1Aに示すように、支持基板であるシリコン基板26の上に、厚さ約200nmの埋め込み酸化シリコン層25、その上に複数種類の厚さを有する単結晶シリコン(SOI)層20を有する複数種類のSOI基板を準備した。SOI層20の厚さは、30nm、50nm、86nmとした。   As shown in FIG. 1A, a plurality of silicon oxide layers 25 having a thickness of about 200 nm and a single crystal silicon (SOI) layer 20 having a plurality of thicknesses thereon are formed on a silicon substrate 26 as a support substrate. Kinds of SOI substrates were prepared. The thickness of the SOI layer 20 was 30 nm, 50 nm, and 86 nm.

SOI層20の表面に、熱酸化等によりバッファ酸化膜51を形成し、その上に化学機械研磨(CMP)時のストッパとして機能する窒化シリコン層52を成膜した。バッファ酸化膜51を熱酸化で形成する場合、SOI層20の厚さは減少する。   A buffer oxide film 51 was formed on the surface of the SOI layer 20 by thermal oxidation or the like, and a silicon nitride layer 52 functioning as a stopper during chemical mechanical polishing (CMP) was formed thereon. When the buffer oxide film 51 is formed by thermal oxidation, the thickness of the SOI layer 20 decreases.

図1Bに示すように、レジストマスクを用いて窒化シリコン層52、酸化シリコン層51、SOI層20を貫通し、さらに埋め込み酸化シリコン層25に一部入り込む素子分離用トレンチ53をエッチングする。その後、レジストマスクは除去する。素子分離用トレンチ53を形成した基板上に酸化シリコン層54をCVD等により堆積し、素子分離用トレンチ53を埋め込む。   As shown in FIG. 1B, an element isolation trench 53 that etches through the silicon nitride layer 52, the silicon oxide layer 51, and the SOI layer 20 and partially enters the buried silicon oxide layer 25 is etched using a resist mask. Thereafter, the resist mask is removed. A silicon oxide layer 54 is deposited by CVD or the like on the substrate on which the element isolation trench 53 is formed, and the element isolation trench 53 is embedded.

図1Cに示すように、化学機械研磨(CMP)を用いることにより、窒化シリコン層52上の酸化シリコン層54を研磨、除去する。CMPにおいて、窒化シリコン層52がストッパとして機能する。素子分離用トレンチ53内にのみ酸化シリコン層54が残る。このようにして、シャロートレンチアイソレーション(STI)54が形成される。   As shown in FIG. 1C, the silicon oxide layer 54 on the silicon nitride layer 52 is polished and removed by using chemical mechanical polishing (CMP). In CMP, the silicon nitride layer 52 functions as a stopper. The silicon oxide layer 54 remains only in the element isolation trench 53. In this way, shallow trench isolation (STI) 54 is formed.

図1Dに示すように、CMP用ストッパとして用いた窒化シリコン層52を熱燐酸等によって除去し、さらにバッファ用酸化シリコン層51を希フッ酸等によって除去する。シャロートレンチアイソレーション(STI)54も若干エッチされる。   As shown in FIG. 1D, the silicon nitride layer 52 used as the CMP stopper is removed by hot phosphoric acid or the like, and the buffer silicon oxide layer 51 is removed by dilute hydrofluoric acid or the like. The shallow trench isolation (STI) 54 is also slightly etched.

図1Eに示すように、SOI層20表面に犠牲酸化シリコン膜20xを熱酸化等により形成し、所望のイオン注入を行い、SOI層20内にMOSトランジスタを形成するのに適した不純物濃度分布を形成する。その後犠牲酸化シリコン層20xは除去する。犠牲酸化等により、SOI層20の厚さは減少する。   As shown in FIG. 1E, a sacrificial silicon oxide film 20x is formed on the surface of the SOI layer 20 by thermal oxidation or the like, desired ion implantation is performed, and an impurity concentration distribution suitable for forming a MOS transistor in the SOI layer 20 is obtained. Form. Thereafter, the sacrificial silicon oxide layer 20x is removed. The thickness of the SOI layer 20 decreases due to sacrificial oxidation or the like.

図1Fに示すように、SOI層20表面を熱酸化し、酸化シリコンのゲート絶縁膜55を形成する。ゲート絶縁膜55の上に多結晶シリコン層56を堆積する。多結晶シリコン層56、ゲート絶縁膜55をレジストパターンをマスクとしてエッチングし、絶縁ゲート電極を形成する。ゲート酸化等により、SOI層20の厚さは減少する。   As shown in FIG. 1F, the surface of the SOI layer 20 is thermally oxidized to form a silicon oxide gate insulating film 55. A polycrystalline silicon layer 56 is deposited on the gate insulating film 55. The polycrystalline silicon layer 56 and the gate insulating film 55 are etched using the resist pattern as a mask to form an insulated gate electrode. The thickness of the SOI layer 20 decreases due to gate oxidation or the like.

薄いゲート絶縁膜を形成する際、SOI層20表面の自然酸化膜を残しておくと、自然酸化膜を含んだゲート絶縁膜が形成され、ゲート絶縁膜の品質が低下する。絶縁特性の優れたゲート絶縁膜を形成するためには、SOI層表面の自然酸化膜は除去することが望まれる。   When the thin gate insulating film is formed, if the natural oxide film on the surface of the SOI layer 20 is left, the gate insulating film including the natural oxide film is formed, and the quality of the gate insulating film is deteriorated. In order to form a gate insulating film having excellent insulating characteristics, it is desirable to remove the natural oxide film on the surface of the SOI layer.

図1Fに示す工程において、ゲート絶縁膜55を形成する前に、SOI層20表面に存在する自然酸化膜を水素雰囲気中のアニールで除去しようとした。ところが、SOI層20の厚さとH雰囲気中のアニール温度によって、SOI層の凝集が生じた。 In the step shown in FIG. 1F, before forming the gate insulating film 55, an attempt was made to remove the natural oxide film present on the surface of the SOI layer 20 by annealing in a hydrogen atmosphere. However, the aggregation of the SOI layer occurred depending on the thickness of the SOI layer 20 and the annealing temperature in the H 2 atmosphere.

図2は、厚さ30nm、50nm、86nmのSOI層を用いたSOIウエハに、H雰囲気中アニールを880℃、930℃、980℃、985℃、1000℃で行なった場合の基板表面の状態を、アニールを行なわなかった比較例NONの基板表面の状態と共に示す写真である。H雰囲気圧力は20torr、処理時間は10secとした。STIで画定されたSOI層が示されている。 FIG. 2 shows the state of the substrate surface when an SOI wafer using an SOI layer having a thickness of 30 nm, 50 nm, and 86 nm is annealed at 880 ° C., 930 ° C., 980 ° C., 985 ° C., and 1000 ° C. in an H 2 atmosphere. Is a photograph showing the state of the substrate surface of Comparative Example NON that was not annealed. The H 2 atmosphere pressure was 20 torr and the treatment time was 10 sec. An SOI layer defined by STI is shown.

雰囲気中アニールを行わなかったNONのサンプルにおいては、すべてSOI層のSTIからの分離は生じていない。SOI層の凝集は生じていないと考えられる。 In the sample of NON that was not annealed in the H 2 atmosphere, separation of the SOI layer from the STI did not occur. It is considered that the SOI layer does not aggregate.

厚さ30nmのSOI層を有するサンプルにおいて、880℃のH雰囲気中アニール温度ではSOI層の凝集は生じていないと考えられる。H雰囲気中アニール温度を930℃とすると、SOI層に凝集が生じ、STI層から離れる部分が生じている。H雰囲気中アニール温度を980℃とすると、SOI層はSTI層から完全に離れ、楕円状に凝集している。H雰囲気中アニール温度を1000℃とした場合は、SOI層がアイランド状にシュリンクしている。 In a sample having an SOI layer having a thickness of 30 nm, it is considered that the SOI layer does not aggregate at an annealing temperature in an H 2 atmosphere of 880 ° C. When the annealing temperature in the H 2 atmosphere is 930 ° C., aggregation occurs in the SOI layer, and a part away from the STI layer is generated. When the annealing temperature in the H 2 atmosphere is 980 ° C., the SOI layer is completely separated from the STI layer and aggregated in an elliptical shape. When the annealing temperature in the H 2 atmosphere is 1000 ° C., the SOI layer shrinks in an island shape.

すなわち、30nmのSOI層に対し、930℃以上の温度でH雰囲気中アニールを行うと、SOI層に凝集が生じる。930℃のH雰囲気中アニールで生じるSOI層の凝集は程度が軽く、880℃と930℃のH雰囲気中アニールの結果から、905℃以下、より好ましくは900℃以下でH雰囲気中アニールを行えば、SOI層の凝集は、ほぼ生じず、生じたとしても無視できる程度か、容認できる程度であろう。 That is, if annealing is performed in a H 2 atmosphere at a temperature of 930 ° C. or higher for a 30 nm SOI layer, aggregation occurs in the SOI layer. Aggregation of the SOI layer is lightly extent that occurs in an H 2 atmosphere in the annealing of 930 ° C., from 880 ° C. and 930 ° C. in an atmosphere of H 2 in the annealing results, 905 ° C. or less, more preferably annealed in H 2 atmosphere at 900 ° C. or less If done, the agglomeration of the SOI layer will hardly occur and, if so, will be negligible or acceptable.

厚さ50nmのSOI層においては、900℃、985℃のH雰囲気中アニールではSOI層とSTI層の分離は生じていない。しかし、H雰囲気中アニール温度を1000℃とすると、SOI層は楕円状に凝集している。 In the SOI layer having a thickness of 50 nm, the SOI layer and the STI layer are not separated by annealing in an H 2 atmosphere at 900 ° C. and 985 ° C. However, if the annealing temperature in the H 2 atmosphere is 1000 ° C., the SOI layer is aggregated in an elliptical shape.

厚さ86nmのSOI層の場合も、985℃までのH雰囲気中アニールでは、SOI層とSTI層の分離は生じていないが、1000℃にH雰囲気中アニール温度を上昇させると、SOI層がシュリンクし始めているのが観察される。 Even in the case of an SOI layer having a thickness of 86 nm, the separation of the SOI layer and the STI layer does not occur in the annealing in the H 2 atmosphere up to 985 ° C. However, if the annealing temperature in the H 2 atmosphere is increased to 1000 ° C., the SOI layer Is observed to begin shrinking.

厚さ50nm、86nmの場合、H雰囲気中アニール温度を1000℃以上とすると、SOI層の凝集が生じてしまう。H雰囲気中アニール温度を990℃以下とすれば、SOI層の凝集は、ほぼ生じず、生じたとしても無視できる程度か、容認できる程度であろう。厚さ30nmを越え、厚さ100nm以下のSOI層をH雰囲気中アニールする場合は、熱処理温度は990℃以下にすることが望まれる。 In the case of thicknesses of 50 nm and 86 nm, if the annealing temperature in the H 2 atmosphere is 1000 ° C. or higher, the SOI layer will aggregate. If the annealing temperature in the H 2 atmosphere is set to 990 ° C. or less, the agglomeration of the SOI layer hardly occurs, and even if it occurs, it will be negligible or acceptable. In the case where an SOI layer having a thickness exceeding 30 nm and having a thickness of 100 nm or less is annealed in an H 2 atmosphere, the heat treatment temperature is desirably set to 990 ° C. or less.

なお、ここで述べたSOI層の厚さは初期厚さである。実際には酸化膜等として消費する厚さ等がある。初期厚さ30nmのSOI層はゲート電極形成後においては厚さ13nm程度、初期厚さ50nmのSOI層はゲート電極形成後においては厚さ33nm程度、初期厚さ86nmのSOI層はゲート電極形成後においては厚さ約68nmにまで厚さが減少している。   Note that the thickness of the SOI layer described here is an initial thickness. Actually, there is a thickness consumed as an oxide film or the like. The SOI layer with an initial thickness of 30 nm is about 13 nm thick after the gate electrode is formed, the SOI layer with an initial thickness of 50 nm is about 33 nm after the gate electrode is formed, and the SOI layer with an initial thickness of 86 nm is after the gate electrode is formed. In FIG. 5, the thickness is reduced to about 68 nm.

上述の実験結果から、初期厚さ30nm以下のSOI層を用いる場合、水素雰囲気中熱処理温度は905℃以下、より好ましくは900℃以下にすることが望まれる。初期厚さ30nmを越え、初期厚さ100nm以下のSOI層を用いる場合、水素雰囲気中熱処理温度は990℃以下にすることが望まれる。   From the above experimental results, when an SOI layer having an initial thickness of 30 nm or less is used, it is desired that the heat treatment temperature in a hydrogen atmosphere be 905 ° C. or less, more preferably 900 ° C. or less. When an SOI layer having an initial thickness exceeding 30 nm and an initial thickness of 100 nm or less is used, it is desirable that the heat treatment temperature in the hydrogen atmosphere be 990 ° C. or lower.

他の熱処理においても、これらの温度が目安となるであろう。このように熱処理温度を低温化することにより、SOI層の凝集を防止することが可能となる。特に、初期厚さ30nm以下のSOI層を水素雰囲気中で熱処理する場合、熱処理温度を低温化することが望まれる。   In other heat treatments, these temperatures will be indicative. By reducing the heat treatment temperature in this way, it becomes possible to prevent the aggregation of the SOI layer. In particular, when an SOI layer having an initial thickness of 30 nm or less is heat-treated in a hydrogen atmosphere, it is desired to lower the heat treatment temperature.

ゲート絶縁膜成膜前には、金属不純物除去、パーティクル除去、及び酸化膜除去等の目的で薬液によるウエハのウェット洗浄が種々行われる。金属除去には一般的にSC2(塩酸:過酸化水素:水)やPOS(硫酸:過酸化水素)、パーティクル除去にはSC1(アンモニア:過酸化水素:水)、酸化膜除去には希釈HF水溶液(弗酸:水)等が用いられる。これらの薬液中にウエハを浸したり、薬液を吹き付けることで薬液処理が行われる。薬液処理後、純水洗浄が行なわれる。   Prior to the formation of the gate insulating film, various types of wet cleaning of the wafer with a chemical solution are performed for the purpose of metal impurity removal, particle removal, oxide film removal, and the like. SC2 (hydrochloric acid: hydrogen peroxide: water) and POS (sulfuric acid: hydrogen peroxide) are generally used for removing metals, SC1 (ammonia: hydrogen peroxide: water) for removing particles, and diluted HF aqueous solution for removing oxide films. (Hydrofluoric acid: water) or the like is used. Chemical treatment is performed by immersing the wafer in these chemicals or spraying the chemical. After the chemical treatment, pure water cleaning is performed.

これらの薬液処理はHFを除いては、Si表面を酸化させる処理であり、過酸化水素の比率などにもよるが、その後の水洗処理も入れると、1nmを超えて自然酸化膜が形成される場合もある。   These chemical treatments are treatments that oxidize the Si surface except for HF, and depending on the ratio of hydrogen peroxide, etc., if a subsequent water washing treatment is included, a natural oxide film is formed beyond 1 nm. In some cases.

今回、パーティクル除去、金属除去の処理を先に行い、その後自然酸化膜除去のHF水溶液処理を行った。発明者等は、HFを純水で超希釈状態に希釈し、酸化膜に対するエッチングレートを十分に低下させた酸化膜除去処理を実現した。HF=1に対して、HO=200以上で希釈した水溶液を超希釈水溶液と呼ぶことにする。HF:HO=1:700の超希釈HF水溶液は、酸化膜に対するエッチングレートが約0.1nm/minとなった。後述のように、酸化膜に対して均一なエッチングを行うことも可能となった。 This time, the particle removal and metal removal treatments were performed first, and then the HF aqueous solution treatment for natural oxide film removal was performed. The inventors of the present invention realized an oxide film removal process in which the etching rate for the oxide film was sufficiently reduced by diluting HF into an ultradiluted state with pure water. An aqueous solution diluted with H 2 O = 200 or more with respect to HF = 1 is referred to as a super diluted aqueous solution. The ultra-diluted HF aqueous solution with HF: H 2 O = 1: 700 has an etching rate of about 0.1 nm / min with respect to the oxide film. As will be described later, the oxide film can be uniformly etched.

この超希釈水溶液を用いると、0.25nm〜0.5nm程度の微量の酸化膜エッチングも10%以下の精度で調整できる。2種類以上の厚さを有する酸化シリコン膜を形成する場合にも、十分に厚さの制御を行なうことが可能である。さらに、この超希釈HF水溶液処理を5分間行い、続いて水洗、乾燥を行なうことで、0.5nm以下の自然酸化膜を実現できた。   When this ultra-diluted aqueous solution is used, a small amount of oxide film etching of about 0.25 nm to 0.5 nm can be adjusted with an accuracy of 10% or less. Even when a silicon oxide film having two or more types of thickness is formed, the thickness can be sufficiently controlled. Furthermore, this ultra-diluted HF aqueous solution treatment was performed for 5 minutes, followed by washing with water and drying to realize a natural oxide film of 0.5 nm or less.

図3A〜3Fを参照して、第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明する。   With reference to FIGS. 3A to 3F, a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment will be described.

図3Aに示すように、シリコン基板10の表面に、素子分離用トレンチを形成し、酸化シリコン等を埋め込んでSTIによる素子分離領域11を形成する。素子分離領域11により、複数の活性領域AR1,AR2が画定されている。   As shown in FIG. 3A, an element isolation trench is formed on the surface of the silicon substrate 10, and silicon oxide or the like is buried to form an element isolation region 11 by STI. The element isolation region 11 defines a plurality of active regions AR1 and AR2.

図3Bに示すように、素子分離領域11で画定された活性領域AR1,AR2表面に、第1の酸化シリコン層12を熱酸化により形成する。たとえば、800℃の水蒸気(ウェット)酸化により、活性領域表面に3.3Vの駆動電圧に対応する厚さ約7nmの酸化シリコン膜に、エッチングする厚さ0.5nmを加算した厚さ約7.5nmの酸化シリコン膜12を形成する。   As shown in FIG. 3B, a first silicon oxide layer 12 is formed on the surfaces of the active regions AR1 and AR2 defined by the element isolation region 11 by thermal oxidation. For example, by steam (wet) oxidation at 800 ° C., a thickness of about 7 nm is obtained by adding a thickness of about 0.5 nm to an etching thickness of about 7 nm to a silicon oxide film corresponding to a driving voltage of 3.3 V on the active region surface. A 5 nm silicon oxide film 12 is formed.

図3Cに示すように、活性領域AR2を露出するレジストマスク14を形成し、露出された活性領域AR2の酸化シリコン層12を希釈フッ酸水溶液15で除去する。他の活性領域はレジストマスク14で覆われているので、この酸化膜エッチングは、従来同様の、たとえば2%の希釈HF水溶液で行なえばよい。その後、純水で洗浄し、レジストマスク14を除去する。この工程を超希釈HF水溶液で行なってもよいが、処理時間が長くなる。   As shown in FIG. 3C, a resist mask 14 exposing the active region AR2 is formed, and the silicon oxide layer 12 in the exposed active region AR2 is removed with a dilute hydrofluoric acid aqueous solution 15. Since the other active regions are covered with the resist mask 14, this oxide film etching may be performed with, for example, a 2% diluted HF aqueous solution as in the prior art. Thereafter, the resist mask 14 is removed by washing with pure water. Although this step may be performed with an ultra-diluted HF aqueous solution, the processing time becomes longer.

図3Dに示すように、必要に応じた薬品処理を行った後、HF:HO=1:700の超希釈フッ酸水溶液16で5分間処理する。続いて、水洗、乾燥処理を行なう。酸化シリコン膜12は、5分間の超希釈HF水溶液処理により、厚さ約0.5nm分エッチングされ、厚さ約7nmとなる。酸化シリコン層12を除去された活性領域表面には、厚さ約0.5nmの自然酸化膜17が形成される。さらに条件を探求することにより、厚さ0.5nm以下の自然酸化膜を形成できるであろう。ただし、厚さ0.1nmより薄くすることは困難であろう。 As shown in FIG. 3D, after performing chemical treatment as necessary, treatment is performed for 5 minutes with an ultradiluted hydrofluoric acid aqueous solution 16 of HF: H 2 O = 1: 700. Subsequently, washing and drying are performed. The silicon oxide film 12 is etched by a thickness of about 0.5 nm by an ultra-diluted HF aqueous solution treatment for 5 minutes to a thickness of about 7 nm. On the surface of the active region from which the silicon oxide layer 12 has been removed, a natural oxide film 17 having a thickness of about 0.5 nm is formed. By further searching for conditions, a natural oxide film having a thickness of 0.5 nm or less can be formed. However, it will be difficult to make the thickness thinner than 0.1 nm.

図3Eに示すように、薄い自然酸化膜17が形成されたウエハに対し、20torrの水素ガス100%雰囲気18中で900℃で10秒間、水素雰囲気熱処理を行なう。厚さ約0.5nmの自然酸化膜17は、水素雰囲気中熱処理により還元除去される。   As shown in FIG. 3E, a hydrogen atmosphere heat treatment is performed on the wafer on which the thin natural oxide film 17 is formed in a 100% hydrogen gas atmosphere 18 of 20 torr at 900 ° C. for 10 seconds. The natural oxide film 17 having a thickness of about 0.5 nm is reduced and removed by heat treatment in a hydrogen atmosphere.

図3Fに示すように、自然酸化膜17を除去した活性領域表面に乾燥(ドライ)酸素雰囲気中で厚さ1.5nm以下の、例えば厚さ約1.2nmの、相対的に薄いゲート絶縁膜19の形成を行なう。相対的に厚い酸化シリコン膜12も若干成長する。   As shown in FIG. 3F, a relatively thin gate insulating film having a thickness of 1.5 nm or less, for example, a thickness of about 1.2 nm, in a dry (dry) oxygen atmosphere on the active region surface from which the natural oxide film 17 has been removed. 19 is formed. A relatively thick silicon oxide film 12 also grows slightly.

酸化シリコン膜の形成をドライ熱酸化で行った後、窒化性雰囲気、例えばNO、NO等のガス雰囲気中で窒化処理を行なう。特に相対的に薄い酸化シリコン膜中において、導入された窒素がマイグレートし、基板との界面近傍に酸化窒化シリコン膜又は窒化シリコン膜を形成する。窒素導入方法としては他に、活性窒素を用いて絶縁層中または表面側に導入する方法もある。相対的に薄いゲート絶縁膜に窒素を導入するのは、ゲート電極中の不純物の影響を防止するためであるが、他の手段を採用し、窒素導入を省略することもできる。 After the silicon oxide film is formed by dry thermal oxidation, nitriding is performed in a nitriding atmosphere, for example, a gas atmosphere such as N 2 O or NO. In particular, in the relatively thin silicon oxide film, the introduced nitrogen migrates to form a silicon oxynitride film or a silicon nitride film in the vicinity of the interface with the substrate. As another nitrogen introduction method, there is a method of introducing into the insulating layer or on the surface side using active nitrogen. The reason why nitrogen is introduced into the relatively thin gate insulating film is to prevent the influence of impurities in the gate electrode, but other means can be adopted and the introduction of nitrogen can be omitted.

その後、多結晶シリコン層を例えば厚さ約150nm成膜し、所望のゲート電極幅でパターニングする。ゲート電極をマスクとし、エクステンション領域のイオン注入を行なう。サイドウォールスペーサを形成した後、再び不純物イオン注入を行い、高濃度ソース/ドレイン領域を作成する。その後、ゲート電極を層間絶縁膜で覆う。ゲート、ソース、ドレインに対しそれぞれ引き出し電極を形成する。   Thereafter, a polycrystalline silicon layer is formed to a thickness of about 150 nm, for example, and patterned with a desired gate electrode width. The extension region is ion-implanted using the gate electrode as a mask. After the sidewall spacers are formed, impurity ion implantation is performed again to create high concentration source / drain regions. Thereafter, the gate electrode is covered with an interlayer insulating film. Lead electrodes are formed for the gate, source, and drain, respectively.

このようにして、厚さの異なる2種類のゲート絶縁膜を有する半導体装置を形成することができる。なお、以上の説明においては、2種類のゲート絶縁膜を有する半導体装置を形成したが、3種類のゲート絶縁膜を有する半導体装置を形成することもできる。   In this manner, a semiconductor device having two types of gate insulating films with different thicknesses can be formed. Note that in the above description, a semiconductor device having two types of gate insulating films is formed, but a semiconductor device having three types of gate insulating films can also be formed.

上述の実施例の効果を確認するため、先ず、超希釈HF水溶液によるエッチングで酸化シリコン膜の局所的過剰エッチングが生じるか否かを調べた。図3Bに示す1回目の酸化処理で厚さ7.7nmの酸化シリコン膜を熱酸化で形成し、続いて、図3Dに示す超希釈HF水溶液によるウェット処理で0.5nm分の酸化膜エッチングを行い、続いて図3Fに示す2回目の酸化処理でベアSi面上で厚さ1.8nmの酸化シリコンを形成するのに対応する処理を行なった。   In order to confirm the effect of the above-described embodiment, first, it was investigated whether or not local overetching of the silicon oxide film was caused by etching with the super diluted HF aqueous solution. A silicon oxide film having a thickness of 7.7 nm is formed by thermal oxidation in the first oxidation process shown in FIG. 3B, and subsequently, oxide film etching for 0.5 nm is performed by wet treatment with an ultra-diluted HF aqueous solution shown in FIG. 3D. Subsequently, in the second oxidation process shown in FIG. 3F, a process corresponding to forming silicon oxide having a thickness of 1.8 nm on the bare Si surface was performed.

比較のため、超希釈HF水溶液の処理を行わないサンプルも形成した。始めに図3Bに示す酸化処理により厚さ7.2nmの厚い酸化シリコン膜12を形成し、続いてベアSi表面上で厚さ1.8nmの酸化シリコン膜を形成するのに相当する図3Fに示す2回目の酸化処理を行なった。2回目の酸化処理によっては膜厚増加はほとんど生じなかった。   For comparison, a sample that was not treated with the ultra-diluted HF aqueous solution was also formed. First, a thick silicon oxide film 12 having a thickness of 7.2 nm is formed by the oxidation treatment shown in FIG. 3B, and then a silicon oxide film having a thickness of 1.8 nm is formed on the bare Si surface. The second oxidation treatment shown was performed. The second oxidation treatment hardly increased the film thickness.

図4A、4Bは、これらのサンプルのゲート絶縁膜の絶縁耐圧を測定した測定結果を示す。横軸は印加電圧を単位Vで示し、縦軸はリーク電流を単位A、対数目盛で示す。   4A and 4B show measurement results obtained by measuring the withstand voltage of the gate insulating films of these samples. The horizontal axis represents the applied voltage in units of V, and the vertical axis represents the leakage current in units of A and a logarithmic scale.

図4Aは、比較例の測定結果を示す。酸化膜のエッチングは行っていないので、絶縁不良は生じていない。良好な絶縁耐圧特性が示されている。   FIG. 4A shows the measurement results of the comparative example. Since the oxide film is not etched, insulation failure does not occur. Good dielectric strength characteristics are shown.

図4Bは、試験例のゲート酸化膜の耐圧試験の結果を示すグラフである。一旦形成した酸化シリコン膜に、HF水溶液でエッチングを行なっているので、従来のエッチングであれば、局所的にエッチングが促進され、ピンホール的に膜厚が減少した領域が生じ、絶縁耐圧の劣化、信頼性の劣化を生じ得る。図に示すグラフは、初期不良もBモード不良も示していない。図4Aのゲート絶縁膜同様耐圧に優れていることが分る。超希釈フッ酸水溶液のエッチングにより、エッチピット等ゲート絶縁膜の信頼性を損なう現象は生じていないことが分かる。   FIG. 4B is a graph showing the results of the breakdown voltage test of the gate oxide film of the test example. Since the silicon oxide film once formed is etched with an HF aqueous solution, if the conventional etching is performed, the etching is locally promoted, and a region in which the film thickness is reduced in a pinhole is generated, and the breakdown voltage is deteriorated. Degradation of reliability may occur. The graph shown in the figure shows neither initial failure nor B-mode failure. It can be seen that the gate insulating film of FIG. 4A is excellent in breakdown voltage. It can be seen that the etching of the ultra-diluted hydrofluoric acid solution does not cause a phenomenon that impairs the reliability of the gate insulating film such as etch pits.

なお、酸化膜厚は、Rudolph社製のエリプソメータ、Matrix S200S(使用波長:633nm単波長)を用い、屈折率を1.462として測定した。エリプソメータでの膜厚測定は、他の測定方法に較べると再現性に優れているが、1nm以下の膜厚測定では、その再現性は0.02nm程度の幅を持つ。同一機種のエリプソメータでも、測定器間差は0.02nmを超える程度存在することが一般的である。エリプソメータでも機種が異なると、膜厚測定結果が異なることがある。KLA社の633nmの単波長を用いたエリプソメータによる測定値は0.2nm厚い測定結果を示した。   The oxide film thickness was measured using a Rudolph ellipsometer, Matrix S200S (use wavelength: 633 nm single wavelength), with a refractive index of 1.462. Film thickness measurement with an ellipsometer is excellent in reproducibility compared with other measurement methods, but in film thickness measurement of 1 nm or less, the reproducibility has a width of about 0.02 nm. Even in the same type of ellipsometer, the difference between measuring instruments generally exists to the extent that it exceeds 0.02 nm. Even with an ellipsometer, the film thickness measurement results may differ if the model is different. The measured value with an ellipsometer using a single wavelength of 633 nm from KLA showed a measurement result of 0.2 nm thick.

次に、薬液によるウエット洗浄で、最終的に形成される自然酸化膜厚を1nm以下で3種類準備した。これら3種類の膜厚を有する自然酸化膜に対し、急速昇降温度熱処理(rapid thermal anneal)装置において、図3Eに示す水素雰囲気中熱処理を20torrの100%水素雰囲気において10秒間、複数種類の温度において行い、熱処理後の酸化膜厚を測定した。   Next, three types of natural oxide film thicknesses finally formed by wet cleaning with a chemical solution were prepared at 1 nm or less. For a natural oxide film having these three types of film thickness, in a rapid thermal anneal apparatus, a heat treatment in a hydrogen atmosphere shown in FIG. 3E is performed in a 100% hydrogen atmosphere of 20 torr at a plurality of types of temperatures for 10 seconds. The oxide film thickness after the heat treatment was measured.

なお、酸化膜厚の測定は、熱処理後に大気雰囲気で行なった。このため、水素雰囲気中熱処理中に自然酸化膜が完全に還元除去されていても、測定までの間に自然酸化膜の成長が生じてしまい、酸化膜厚として0と測定されることはない。今回は、膜厚測定器の測定値として0.15nm以下を得たサンプルは、水素雰囲気中熱処理中に酸化シリコン膜が完全に還元除去されたと想定した。   The oxide film thickness was measured in an air atmosphere after the heat treatment. For this reason, even if the natural oxide film is completely reduced and removed during the heat treatment in the hydrogen atmosphere, the natural oxide film grows until the measurement, and the oxide film thickness is not measured as zero. This time, it was assumed that the sample that obtained 0.15 nm or less as the measurement value of the film thickness measuring device was that the silicon oxide film was completely reduced and removed during the heat treatment in the hydrogen atmosphere.

図5は、測定結果を示すグラフである。横軸は水素アニール温度を単位℃で示し、縦軸は自然酸化膜厚を単位nmで示す。横軸中処理無しは、水素アニール処理を行なう前の酸化膜厚を示す。水素雰囲気中熱処理前に作成した自然酸化膜の膜厚は、約0.73nm、約0.51nm、約0.37nmの3種類である。これら3種類の膜厚の自然酸化膜に対し、水素アニール処理を850℃〜1000℃の範囲で行った。   FIG. 5 is a graph showing the measurement results. The horizontal axis indicates the hydrogen annealing temperature in units of ° C., and the vertical axis indicates the natural oxide film thickness in units of nm. No horizontal center treatment indicates the oxide film thickness before the hydrogen annealing treatment. There are three types of film thicknesses of natural oxide films prepared before heat treatment in a hydrogen atmosphere: about 0.73 nm, about 0.51 nm, and about 0.37 nm. Hydrogen annealing treatment was performed in the range of 850 ° C. to 1000 ° C. for these three types of natural oxide films.

初期膜厚0.73nmの自然酸化膜は、900℃、950℃の水素アニール処理を行ってもかなりの厚さが残り、自然酸化膜を除去するためには、約980℃以上の処理温度が必要であることが示されている。   A natural oxide film having an initial film thickness of 0.73 nm still has a considerable thickness even when hydrogen annealing treatment at 900 ° C. and 950 ° C. is performed. In order to remove the natural oxide film, a processing temperature of about 980 ° C. or higher is required. It is shown that it is necessary.

初期膜厚0.37nmの自然酸化膜は、850℃の水素アニール処理によりほぼその全膜厚が除去されると判断され、880℃、890℃、900℃に水素アニール処理の温度を上昇させると、より確実に自然酸化膜が除去されていると考えられる。   The natural oxide film having an initial film thickness of 0.37 nm is judged to be almost completely removed by the hydrogen annealing treatment at 850 ° C. When the temperature of the hydrogen annealing treatment is increased to 880 ° C., 890 ° C., and 900 ° C. It is considered that the natural oxide film has been removed more reliably.

初期膜厚0.51nmの自然酸化膜は、900℃の水素アニール処理によりほぼ除去されるようであり、約980℃、約1000℃の水素アニール処理によれば、完全に除去されていると考えられる。   The natural oxide film with an initial film thickness of 0.51 nm seems to be almost removed by hydrogen annealing at 900 ° C., and is considered to be completely removed by hydrogen annealing at about 980 ° C. and about 1000 ° C. It is done.

約980℃、約1000℃の処理温度となると、初期膜厚にかかわらず自然酸化膜はほぼ完全に除去されると考察される。   When processing temperatures of about 980 ° C. and about 1000 ° C. are reached, it is considered that the natural oxide film is almost completely removed regardless of the initial film thickness.

図5に示す測定結果は、初期自然酸化膜厚によって、水素アニール処理で自然酸化膜を還元除去できる温度が異なることを示している。初期膜厚が厚い場合、約980℃以上の高温としなければ、自然酸化膜を完全に除去することは困難となり得る。初期膜厚を約0.5nm以下とすれば、900℃以下の水素アニール処理によっても自然酸化膜をほぼ完全に除去することが可能と考察される。初期膜厚を、0.4nm以下とすれば、水素アニール温度が約850℃以上であれば、自然酸化膜をほぼ完全に除去できると考察される。   The measurement results shown in FIG. 5 indicate that the temperature at which the natural oxide film can be reduced and removed by the hydrogen annealing process differs depending on the initial natural oxide film thickness. When the initial film thickness is thick, it is difficult to completely remove the natural oxide film unless the temperature is set to about 980 ° C. or higher. If the initial film thickness is about 0.5 nm or less, it is considered that the natural oxide film can be almost completely removed even by hydrogen annealing at 900 ° C. or less. If the initial film thickness is 0.4 nm or less, it is considered that the natural oxide film can be almost completely removed if the hydrogen annealing temperature is about 850 ° C. or higher.

これらの結果から、約900℃、より詳細には905℃以下の水素雰囲気中熱処理によって自然酸化膜を完全に除去しようとする場合は、自然酸化膜厚は0.5nm以下とすることが望ましいことが分かる。なお、ウェット洗浄を行う限り、0.1nm以上の厚さを有する自然酸化膜は生じるであろう。   From these results, when the natural oxide film is to be completely removed by heat treatment in a hydrogen atmosphere at about 900 ° C., more specifically, 905 ° C. or less, the natural oxide film thickness is desirably 0.5 nm or less. I understand. As long as wet cleaning is performed, a natural oxide film having a thickness of 0.1 nm or more will be generated.

次ぎに、水素雰囲気中熱処理によって還元除去される自然酸化膜厚が、処理温度、処理圧力によってどのように変化をするかを調べた。   Next, it was examined how the natural oxide film thickness reduced and removed by the heat treatment in the hydrogen atmosphere changes depending on the processing temperature and the processing pressure.

図6Aは、初期自然酸化膜厚が0.842nmの場合を示し、図6Bは、初期自然酸化膜厚が0.426nmである場合を示す。図中横軸は処理圧力を単位torr、対数スケールで示し、縦軸は自然酸化膜厚を単位nm、リニアスケールで示す。   6A shows the case where the initial natural oxide film thickness is 0.842 nm, and FIG. 6B shows the case where the initial natural oxide film thickness is 0.426 nm. In the figure, the horizontal axis represents the processing pressure in unit torr and logarithmic scale, and the vertical axis represents the natural oxide film thickness in unit nm and linear scale.

図6Aにおいて、初期酸化膜厚は×印で示されている。この自然酸化膜に対し、1000℃、980℃、950℃、930℃、880℃における水素雰囲気中アニールを行なった。水素雰囲気中アニール処理の処理圧力を変化させた時の残存酸化膜厚の変化が示されている。1000℃の処理温度においては、処理圧力によらず自然酸化膜がほぼ完全に還元除去されていることが示されている。処理温度を980℃に低下させても、処理圧力によらず酸化膜厚はほぼ完全に除去されていると考えられる。   In FIG. 6A, the initial oxide film thickness is indicated by a cross. This natural oxide film was annealed in a hydrogen atmosphere at 1000 ° C., 980 ° C., 950 ° C., 930 ° C., and 880 ° C. A change in the remaining oxide film thickness when the processing pressure of the annealing process in the hydrogen atmosphere is changed is shown. It is shown that at a processing temperature of 1000 ° C., the natural oxide film is almost completely reduced and removed regardless of the processing pressure. Even when the processing temperature is lowered to 980 ° C., it is considered that the oxide film thickness is almost completely removed regardless of the processing pressure.

処理温度を950℃まで降温させると、処理圧力が低下するに従って残存酸化膜厚が低下する特性が示されている。酸化膜をほぼ完全に除去するためには10torr以下の低処理圧力が望ましい。   It is shown that when the processing temperature is lowered to 950 ° C., the remaining oxide film thickness decreases as the processing pressure decreases. In order to remove the oxide film almost completely, a low processing pressure of 10 torr or less is desirable.

処理温度が930℃まで降温すると、処理圧力の低下と共に残存酸化膜厚が低下する特性は同様であるが、残存する酸化膜厚が厚く、酸化膜を完全に除去することは困難となる。処理温度が880℃まで降温すると、処理圧力による変化はほとんど見られない。すなわち、酸化膜はH中熱処理により1部除去されるが、かなりの部分が残存し、処理圧力を変化させても残存する酸化膜厚の変化はわずかである。 When the processing temperature is lowered to 930 ° C., the characteristics that the remaining oxide film thickness decreases with a decrease in the processing pressure are the same, but the remaining oxide film thickness is large and it is difficult to completely remove the oxide film. When the processing temperature is lowered to 880 ° C., almost no change due to the processing pressure is observed. That is, a part of the oxide film is removed by the heat treatment in H 2 , but a considerable part remains, and the change in the remaining oxide film thickness is slight even if the processing pressure is changed.

図6Bは、初期酸化膜が0.426nmの場合を示す。処理温度は、930℃、880℃とした。処理圧力を5torr、10torr、20torrと変化させたが、H雰囲気中熱処理後の残存酸化膜厚はほぼ0であり、処理温度、処理圧力による変化は観察されていない。処理前の自然酸化膜厚を0.5nm以下とし、処理圧力を20torr以下とすれば、水素雰囲気中熱処理温度を900℃以下としても、十分効果のある自然酸化膜の還元除去が可能であることが示されている。 FIG. 6B shows a case where the initial oxide film is 0.426 nm. The processing temperature was 930 ° C. and 880 ° C. Although the processing pressure was changed to 5 torr, 10 torr, and 20 torr, the remaining oxide film thickness after the heat treatment in the H 2 atmosphere was almost 0, and no change due to the processing temperature and the processing pressure was observed. If the natural oxide film thickness before processing is 0.5 nm or less and the processing pressure is 20 torr or less, the natural oxide film can be reduced and removed sufficiently effectively even if the heat treatment temperature in the hydrogen atmosphere is 900 ° C. or less. It is shown.

図5、図6A、6Bに示す測定結果を考察すると、初期自然酸化膜を0.5nm以下とすれば、860℃以上の水素雰囲気中熱処理により、自然酸化膜をほぼ完全に除去することが可能であろうと推察される。水素雰囲気中熱処理の温度を900℃以下に制限しても、約40℃の熱処理温度の余裕がある。なお、図3A〜3Fに示す第1の実施例において、相対的に薄いゲート絶縁膜を形成するには、水素雰囲気中アニール処理に引き続き、同一処理室内で、又は半導体ウエハを大気に触れさせることなく絶縁膜形成処理チャンバーへ搬入し、次の絶縁膜成膜を行なうことが最終的絶縁膜厚の安定性を確保するために好ましいであろう。   Considering the measurement results shown in FIGS. 5, 6A and 6B, if the initial natural oxide film is 0.5 nm or less, the natural oxide film can be almost completely removed by heat treatment in a hydrogen atmosphere at 860 ° C. or higher. It is guessed that it will be. Even if the temperature of the heat treatment in the hydrogen atmosphere is limited to 900 ° C. or less, there is a margin for the heat treatment temperature of about 40 ° C. In the first embodiment shown in FIGS. 3A to 3F, in order to form a relatively thin gate insulating film, the semiconductor wafer is exposed to the atmosphere in the same processing chamber or following the annealing process in a hydrogen atmosphere. In order to ensure the stability of the final insulation film thickness, it is preferable to carry it into the insulation film formation processing chamber and perform the next insulation film formation.

半導体装置の性能を支配するキャリアの移動度は、基板表面のマイクロラフネスにも依存する。初期自然酸化膜厚がマイクロラフネスに与える影響を調べた。先ず、初期自然酸化膜厚の異なるサンプルを準備し、これらの自然酸化膜を水素雰囲気中アニール処理で還元除去した。得られたSi表面に絶縁層を形成し、これらのサンプルの表面を原子間力顕微鏡(AFM)で観察し、表面荒さのパラメータであるRMSで評価を行った。以下、実験手順を説明する。   The carrier mobility that governs the performance of a semiconductor device also depends on the microroughness of the substrate surface. The effect of initial natural oxide thickness on microroughness was investigated. First, samples having different initial natural oxide film thicknesses were prepared, and these natural oxide films were reduced and removed by annealing in a hydrogen atmosphere. An insulating layer was formed on the obtained Si surface, the surfaces of these samples were observed with an atomic force microscope (AFM), and evaluation was performed with RMS which is a parameter of surface roughness. The experimental procedure is described below.

図7Aに示すように、自然酸化膜17を有するシリコン基板10を準備する。自然酸化膜12は、ウェット処理により厚さ0.8nm、1.1nm、1.2nm、1.3nmのものを準備した。   As shown in FIG. 7A, a silicon substrate 10 having a natural oxide film 17 is prepared. The natural oxide film 12 having a thickness of 0.8 nm, 1.1 nm, 1.2 nm, and 1.3 nm was prepared by wet processing.

図7Bにしめすように、これらの自然酸化膜を還元除去できる、温度1000℃、雰囲気圧力20torr、処理時間10secの水素雰囲気中アニール処理を行った。   As shown in FIG. 7B, annealing was performed in a hydrogen atmosphere capable of reducing and removing these natural oxide films at a temperature of 1000 ° C., an atmospheric pressure of 20 torr, and a processing time of 10 sec.

図7Cに示すように、一部のサンプルに対しては、さらに、マイグレーションを促進し、マイクロラフネスを改善するよう、He雰囲気中のアニール処理を行なった。Heアニール処理も、1000℃、雰囲気圧力20torr、処理時間10secで行った。   As shown in FIG. 7C, some samples were further annealed in a He atmosphere to promote migration and improve microroughness. The He annealing treatment was also performed at 1000 ° C., an atmospheric pressure of 20 torr, and a treatment time of 10 seconds.

図7Dに示すように、水素雰囲気中熱処理(またはさらに行うHe雰囲気中熱処理)に続いて、大気に触れさせることなく、0.85nmの酸化膜19を成膜した。   As shown in FIG. 7D, following the heat treatment in a hydrogen atmosphere (or further in the He atmosphere), a 0.85 nm oxide film 19 was formed without exposure to the air.

図7Eに示すように、酸化膜19形成後、NOガスによる窒化処理を行った。最終的に厚さ1.1nmの絶縁膜をえた。   As shown in FIG. 7E, after the oxide film 19 was formed, nitriding treatment with NO gas was performed. Finally, an insulating film having a thickness of 1.1 nm was obtained.

図7Fは、初期自然酸化膜厚に対して、最終的に得られたマイクロラフネスの測定結果を示すグラフである。横軸は、初期自然酸化膜厚を単位nm、リニアスケールで示し、縦軸はRMSを単位nm、対数スケールで示す。水素アニール後の測定結果を△印で示し、水素アニールに続きHeアニールを行った後の測定結果を◇印で示す。初期酸化膜厚が1.2nm以下の場合、初期酸化膜厚にほぼ比例して、RMSが変化していることが観察される。初期酸化膜厚が約1.3nm以上の場合、RMSは急激に増大している。   FIG. 7F is a graph showing microroughness measurement results finally obtained with respect to the initial natural oxide film thickness. The horizontal axis represents the initial natural oxide film thickness in units of nm and a linear scale, and the vertical axis represents RMS in units of nm and a logarithmic scale. The measurement results after the hydrogen annealing are indicated by Δ, and the measurement results after performing the He annealing following the hydrogen annealing are indicated by ◇. When the initial oxide film thickness is 1.2 nm or less, it is observed that the RMS changes almost in proportion to the initial oxide film thickness. When the initial oxide film thickness is about 1.3 nm or more, the RMS increases rapidly.

図7Fに示す結果からは、マイクロラフネスを改良するためには、初期酸化膜厚を約1.2nm以下とすることが望ましく、初期酸化膜厚が薄いほどマイクロラフネスも小さくなると判断される。   From the result shown in FIG. 7F, in order to improve the microroughness, it is desirable to set the initial oxide film thickness to about 1.2 nm or less, and it is determined that the microroughness decreases as the initial oxide film thickness decreases.

マイクロラフネスも、初期自然酸化膜厚の影響を強く受けていることが分かる。なお、ゲート絶縁膜として窒化酸化膜を成膜を成膜したが、窒素を含まない酸化膜であっても同様の結果が得られるものと考察される。又、一般にハイk材料と言われるHfや、Zr、Al等を含む金属酸化膜を用いることも可能である。   It can be seen that the microroughness is also strongly influenced by the initial natural oxide film thickness. Note that although a nitrided oxide film is formed as the gate insulating film, it is considered that the same result can be obtained even if the oxide film does not contain nitrogen. It is also possible to use a metal oxide film containing Hf, Zr, Al or the like, which is generally called a high-k material.

以下、SOI基板を用いた実施例1の変形例による半導体装置の製造方法を説明する。   A method for manufacturing a semiconductor device according to a modification of the first embodiment using an SOI substrate will be described below.

図8Aに示すように、支持基板であるシリコン基板26の上に酸化シリコンの埋め込み絶縁層25、単結晶シリコン(SOI)層20を備えたSOI基板の表面に、素子分離用トレンチを形成し、酸化シリコン等を埋め込んでSTI素子分離領域21を形成する。素子分離領域21により、活性領域AR1、AR2が画定されている。   As shown in FIG. 8A, element isolation trenches are formed on the surface of an SOI substrate including a silicon oxide buried insulating layer 25 and a single crystal silicon (SOI) layer 20 on a silicon substrate 26 as a support substrate. STI element isolation regions 21 are formed by embedding silicon oxide or the like. The active regions AR1 and AR2 are defined by the element isolation region 21.

図8Bに示すように、800℃の水蒸気(ウェット)酸化により、SOI層20表面に厚さ約7.5nmの相対的に厚い酸化シリコン層のゲート絶縁膜22を形成する。   As shown in FIG. 8B, a relatively thick silicon oxide gate insulating film 22 having a thickness of about 7.5 nm is formed on the surface of the SOI layer 20 by steam (wet) oxidation at 800 ° C.

図8Cに示すように、基板表面にレジスト層を形成し、露光現像して活性領域AR2を開口するレジストパターン24を作成する。レジストパターン24をマスクとし、活性領域AR2上の酸化シリコン膜22をフッ酸水溶液により除去する。   As shown in FIG. 8C, a resist layer is formed on the substrate surface, and exposed and developed to form a resist pattern 24 that opens the active region AR2. Using the resist pattern 24 as a mask, the silicon oxide film 22 on the active region AR2 is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution.

図8Dに示すように、薬液によりレジストパターン24を除去する。さらに、SC1、SC2等の薬液処理を行う。最後に上述の超希釈HF水溶液27により5分間のウェット処理を行い、活性領域AR2表面上に、0.5nm以下の厚さの自然酸化膜28を形成する。活性領域AR1上の酸化シリコン膜は、0.5nmエッチされて、厚さ7nmとなる。   As shown in FIG. 8D, the resist pattern 24 is removed with a chemical solution. Further, chemical treatment such as SC1, SC2 is performed. Finally, a wet treatment for 5 minutes is performed with the above-described ultradiluted HF aqueous solution 27 to form a natural oxide film 28 having a thickness of 0.5 nm or less on the surface of the active region AR2. The silicon oxide film on the active region AR1 is etched by 0.5 nm to a thickness of 7 nm.

図8Eに示すように、20torrの水素ガス100%雰囲気29中でSOI層20を900℃で10秒間加熱し、水素雰囲気中熱処理を行なう。この水素雰囲気中熱処理により、活性領域AR2上の厚さ0.5nm以下の自然酸化膜28は除去される。   As shown in FIG. 8E, the SOI layer 20 is heated at 900 ° C. for 10 seconds in a hydrogen gas 100% atmosphere 29 of 20 torr to perform heat treatment in a hydrogen atmosphere. The natural oxide film 28 having a thickness of 0.5 nm or less on the active region AR2 is removed by the heat treatment in the hydrogen atmosphere.

図8Fに示すように、水素雰囲気中熱処理を行った処理室と同一の処理室内、又は真空を破らずに基板を搬送できる処理室内において乾燥(ドライ)酸素雰囲気中で相対的に薄いゲート絶縁膜31の形成を行なう。酸化シリコン膜の形成をドライ熱酸化で行った後、窒化性雰囲気、例えばNO、NO等のガス雰囲気中で窒化処理を行なう。 As shown in FIG. 8F, a relatively thin gate insulating film in a dry (dry) oxygen atmosphere in the same processing chamber as that in which the heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere or a processing chamber in which a substrate can be transferred without breaking a vacuum. 31 is formed. After the silicon oxide film is formed by dry thermal oxidation, nitriding is performed in a nitriding atmosphere, for example, a gas atmosphere such as N 2 O or NO.

導入された窒素が、酸化シリコン膜31をマイグレートし、SOI層20との界面近傍に酸化窒化シリコン膜又は窒化シリコン膜を形成する。このようにして、活性領域AR2に厚さ約1.2nmの相対的に薄いゲート絶縁膜を形成する。相対的に薄いゲート絶縁膜に窒素を導入するのは、ゲート電極中の不純物の影響を防止するためであるが、他の手段を採用し、窒素導入を省略することもできる。   The introduced nitrogen migrates the silicon oxide film 31 to form a silicon oxynitride film or a silicon nitride film in the vicinity of the interface with the SOI layer 20. In this manner, a relatively thin gate insulating film having a thickness of about 1.2 nm is formed in the active region AR2. The reason why nitrogen is introduced into the relatively thin gate insulating film is to prevent the influence of impurities in the gate electrode, but other means can be adopted and the introduction of nitrogen can be omitted.

図8Gに示すように、多結晶シリコン層33を厚さ約150nm成膜し、所望のゲート電極幅でパターニングする。ゲート電極をマスクとし、エクステンション領域34のイオン注入を行なう。サイドウォールスペーサ35を形成した後、再び不純物イオン注入を行い、深い高濃度ソース/ドレイン領域36を作成する。   As shown in FIG. 8G, a polycrystalline silicon layer 33 is formed to a thickness of about 150 nm and patterned with a desired gate electrode width. The extension region 34 is ion-implanted using the gate electrode as a mask. After the sidewall spacer 35 is formed, impurity ions are implanted again to form a deep high concentration source / drain region 36.

深いソース・ドレイン領域の底面を埋め込み絶縁層に到達させるか近接させることにより、絶縁分離を実現し、寄生容量を低減できる。その後、ゲート電極を層間絶縁膜38で覆う。なお、ゲート、ソース、ドレインに対しそれぞれ引き出し電極G、S、Dを形成する。   By making the bottom surface of the deep source / drain region reach or close to the buried insulating layer, insulation isolation can be realized and parasitic capacitance can be reduced. Thereafter, the gate electrode is covered with an interlayer insulating film 38. Note that lead electrodes G, S, and D are formed for the gate, source, and drain, respectively.

このようにして、厚さの異なる2種類のゲート絶縁膜を有するSOI型半導体装置を形成することができる。   In this manner, an SOI type semiconductor device having two types of gate insulating films having different thicknesses can be formed.

なお、以上の説明においては、2種類のゲート絶縁膜を有する半導体装置を形成したが、3種類のゲート絶縁膜を有する半導体装置を形成することもできる。この場合は、図8A〜8Fに示す工程により、厚いゲート絶縁膜と中位の厚さのゲート絶縁膜を形成し、図8C〜8Fに示す工程を繰り返し、さらに薄いゲート絶縁膜32を形成する。   Note that in the above description, a semiconductor device having two types of gate insulating films is formed, but a semiconductor device having three types of gate insulating films can also be formed. In this case, a thick gate insulating film and a medium thickness gate insulating film are formed by the steps shown in FIGS. 8A to 8F, and the steps shown in FIGS. 8C to 8F are repeated to form a thinner gate insulating film 32. .

図8Hに示すように、このようにして3種類のゲート絶縁膜を形成した後、ゲート電極、エクステンション領域、側壁酸化膜、ソース/ドレイン領域、層間絶縁膜の形成を行う。   As shown in FIG. 8H, after three types of gate insulating films are formed in this way, a gate electrode, an extension region, a sidewall oxide film, a source / drain region, and an interlayer insulating film are formed.

ゲート絶縁膜の一部を除去する工程において、レジスト除去およびそれに引き続く表面処理の薬液処理を行うが、薬液処理の最後に超希釈HF水溶液の洗浄を行い、純水洗浄、乾燥を行うことにより、自然酸化膜の厚さを0.5nm以下とし、水素雰囲気熱処理の温度を900℃以下とすることを可能とする。さらに、水素雰囲気熱処理により、基板表面が平坦化され、ゲート耐圧の向上を図ることができる。   In the step of removing a part of the gate insulating film, the resist removal and the subsequent chemical treatment of the surface treatment are performed. At the end of the chemical treatment, the ultra-diluted HF aqueous solution is washed, pure water washing, and drying are performed. The thickness of the natural oxide film can be 0.5 nm or less, and the temperature of the hydrogen atmosphere heat treatment can be 900 ° C. or less. Further, the substrate surface is planarized by the hydrogen atmosphere heat treatment, and the gate breakdown voltage can be improved.

なお、始めに形成するゲート絶縁膜の成膜前に、同様の水素雰囲気熱処理を行なってもよい。なお、水素雰囲気熱処理の条件は、残存させるゲート絶縁膜に大きな影響を与えない範囲内で選択することができる。水素雰囲気の代りに、水素を含む雰囲気を用いてもよい。例えば、窒素やアルゴン等のガスで水素を希釈した雰囲気を用いてもよい。   Note that similar heat treatment in a hydrogen atmosphere may be performed before the gate insulating film to be formed first. The conditions for the heat treatment in the hydrogen atmosphere can be selected within a range that does not significantly affect the remaining gate insulating film. Instead of the hydrogen atmosphere, an atmosphere containing hydrogen may be used. For example, an atmosphere in which hydrogen is diluted with a gas such as nitrogen or argon may be used.

最も薄いゲート絶縁膜を、熱酸化による酸化シリコン膜で形成し、この酸化シリコン膜に窒素を導入することにより形成したが、プラズマ酸化やラジカル酸化による酸化膜を用いることも可能であろう。又、窒素を含まない酸化膜を用いることも可能であろう。   The thinnest gate insulating film is formed of a silicon oxide film formed by thermal oxidation and nitrogen is introduced into the silicon oxide film. However, an oxide film formed by plasma oxidation or radical oxidation may be used. It would also be possible to use an oxide film that does not contain nitrogen.

以上、部分空乏化SOIトランジスタを形成する場合を説明したが、完全空乏化SOIトランジスタを形成することもできる。   Although the case where the partially depleted SOI transistor is formed has been described above, a fully depleted SOI transistor can also be formed.

図9A〜9Dは、完全空乏化SOIトランジスタを形成する変形例を示す。   9A to 9D show a modification in which a fully depleted SOI transistor is formed.

図9Aに示すように、シリコンの支持基板26上に、埋め込み絶縁層25、SOIシリコン層20を有するSOIウエハを準備する。SOI層は、例えば最終的な厚さが5nmとなるように選択する。SOI層20、埋め込み絶縁層25を貫通し、支持基板26に入り込むSTI素子分離領域21を形成する。   As shown in FIG. 9A, an SOI wafer having a buried insulating layer 25 and an SOI silicon layer 20 on a silicon support substrate 26 is prepared. The SOI layer is selected such that the final thickness is 5 nm, for example. An STI element isolation region 21 that penetrates the SOI layer 20 and the buried insulating layer 25 and enters the support substrate 26 is formed.

図9Bに示すように、p型不純物をイオン注入し、支持基板26内にp型ウェル30を形成する。その後、SOI層20上にゲート絶縁膜31、多結晶シリコンのゲート電極33、酸化シリコン等の絶縁カバー層39を積層し、パターニングする。ゲート電極構造が形成される。   As shown in FIG. 9B, p-type impurities are ion-implanted to form a p-type well 30 in the support substrate 26. Thereafter, a gate insulating film 31, a polycrystalline silicon gate electrode 33, and an insulating cover layer 39 such as silicon oxide are stacked on the SOI layer 20 and patterned. A gate electrode structure is formed.

ゲート電極構造をマスクとしてn型不純物をイオン注入して、ソース/ドレインのエクステンション34を形成する。エクステンション34間のSOI層20は電気的に孤立し、動作時には完全に空乏化する状態となる。酸化シリコンなどの絶縁層を堆積し、異方性エッチングしてゲート電極構造側壁上にサイドウォールスペーサ35を形成する。サイドウォールスペーサ35両側には、SOI層20が露出する。   Source / drain extensions 34 are formed by ion implantation of n-type impurities using the gate electrode structure as a mask. The SOI layer 20 between the extensions 34 is electrically isolated and is completely depleted during operation. An insulating layer such as silicon oxide is deposited and anisotropically etched to form side wall spacers 35 on the side walls of the gate electrode structure. The SOI layer 20 is exposed on both sides of the sidewall spacer 35.

図9Cに示すように、ゲート電極構造とサイドウォールスペーサをマスクとして、SOI層20、埋め込み絶縁層25をエッチングする。シリコン支持基板26の表面が露出する。
図9Dに示すように、シリコン表面上にシリコン層をエピタキシャル成長する。n型不純物をイオン注入して深いソース・ドレイン領域50を形成する。さらに、カバー層39を除去し、シリサイド化を行って、ゲート電極33、深いソース・ドレイン領域50表面にシリサイド層を形成してもよい。
As shown in FIG. 9C, the SOI layer 20 and the buried insulating layer 25 are etched using the gate electrode structure and the sidewall spacer as a mask. The surface of the silicon support substrate 26 is exposed.
As shown in FIG. 9D, a silicon layer is epitaxially grown on the silicon surface. Deep source / drain regions 50 are formed by ion implantation of n-type impurities. Further, the cover layer 39 may be removed and silicidation may be performed to form a silicide layer on the surface of the gate electrode 33 and the deep source / drain region 50.

完全空乏化SOIトランジスタは、埋め込み絶縁層によってエクステンションの深さが規制されるため、パンチスルーを防止した微細化トランジスタを実現しやすい。   In the fully depleted SOI transistor, since the extension depth is regulated by the buried insulating layer, it is easy to realize a miniaturized transistor that prevents punch-through.

なお、半導体素子を形成するシリコン層に、引張り応力を導入することにより、キャリア移動度を向上させることができる。このような引張り応力を内臓した歪みSi層を形成するために、Siの格子定数よりも大きな格子定数を有する下地基板上にSi層をエピタキシャルに形成する技術を利用することができる。   Note that carrier mobility can be improved by introducing tensile stress into the silicon layer forming the semiconductor element. In order to form a strained Si layer containing such tensile stress, a technique of epitaxially forming a Si layer on a base substrate having a lattice constant larger than that of Si can be used.

Siは格子定数約5.43Aのダイヤモンド結晶であり、Geは格子定数約5.66のダイヤモンド結晶であり、Si−Geは混晶を形成できる。Si−Ge混晶のGe組成を増加させると格子定数は次第に増大する。CaFは格子定数5.46Aの立方晶系であり、Si単結晶上、又はSi−Ge混晶上にエピタキシャルに成長することができる。Si−Ge混晶を用い、格子定数を一旦増大させた上にSi層をエピタキシャルに成長すると、引張り歪みを内蔵したSi層を形成することができる。格子定数が変化するSi−Ge混晶にCaF層を挿入するとSOI型歪Si層を実現できる。 Si is a diamond crystal having a lattice constant of about 5.43A, Ge is a diamond crystal having a lattice constant of about 5.66, and Si—Ge can form a mixed crystal. When the Ge composition of the Si—Ge mixed crystal is increased, the lattice constant gradually increases. CaF 2 is a cubic system having a lattice constant of 5.46 A, and can grow epitaxially on a Si single crystal or a Si—Ge mixed crystal. When a Si layer is epitaxially grown using a Si—Ge mixed crystal once the lattice constant is increased, a Si layer containing a tensile strain can be formed. When a CaF 2 layer is inserted into a Si—Ge mixed crystal whose lattice constant changes, an SOI strained Si layer can be realized.

図10A〜10Hは本発明の第2の実施例を示す。   10A to 10H show a second embodiment of the present invention.

図10Aは、Si−Ge混晶の格子定数を示すグラフである。横軸は、Si原子数に対するGe原子数の比を%で示す。縦軸は格子定数を単位Aで示す。Si−Ge混晶のGe濃度が増大するにつれ、格子定数はほぼリニアに増大する。CaFは、格子定数約5.46Aであり、Ge濃度約13〜17%のSiGe混晶の格子定数に相当する。 FIG. 10A is a graph showing the lattice constant of the Si—Ge mixed crystal. The horizontal axis shows the ratio of the number of Ge atoms to the number of Si atoms in%. The vertical axis represents the lattice constant in units A. As the Ge concentration of the Si—Ge mixed crystal increases, the lattice constant increases almost linearly. CaF 2 has a lattice constant of about 5.46 A and corresponds to the lattice constant of a SiGe mixed crystal having a Ge concentration of about 13 to 17%.

図10Bに示すように、(100)面のシリコンウエハ41を化学気相堆積(CVD)チャンバ内のサセプタに載置し、シリコンウエハ41の温度を約600℃〜700℃に安定化する。SiHガスとGeHガスとHガスとを所定混合率で混合した混合ガスを2000sccmの流量でチャンバ内に供給し、シリコンウエハ41上にSi−Ge混晶層42aをエピタキシャルに成長させる。 As shown in FIG. 10B, a (100) -plane silicon wafer 41 is placed on a susceptor in a chemical vapor deposition (CVD) chamber, and the temperature of the silicon wafer 41 is stabilized at about 600 ° C. to 700 ° C. A mixed gas obtained by mixing SiH 4 gas, GeH 4 gas, and H 2 gas at a predetermined mixing rate is supplied into the chamber at a flow rate of 2000 sccm, and the Si—Ge mixed crystal layer 42 a is epitaxially grown on the silicon wafer 41.

GeHのSiHに対する流量比を成膜中に変化させる。初めは、Ge濃度の極めて低いSi−Ge混晶がSiウエハ上に成長し、ほぼ格子整合する。混合ガス中のGe濃度の増加によりエピタキシャル層のGe濃度が下面から上面に向うほど高くなる第1の組成傾斜Si−Ge層42aがシリコンウエハ41上にエピタキシャルに成長する。この第1の組成傾斜Si−Ge層42aの厚さは例えば1μm〜3μmとする。 The flow ratio of GeH 4 to SiH 4 is changed during film formation. Initially, a Si—Ge mixed crystal having a very low Ge concentration grows on the Si wafer and is substantially lattice matched. As the Ge concentration in the mixed gas increases, the first composition-gradient Si—Ge layer 42a, whose Ge concentration in the epitaxial layer increases from the lower surface to the upper surface, grows epitaxially on the silicon wafer 41. The thickness of the first composition gradient Si—Ge layer 42a is, for example, 1 μm to 3 μm.

図10Cに示すように、第1の組成傾斜Si−Ge層42の上面におけるGeの濃度(Ge/Si)×100が約13%〜17%になったところでGe濃度を固定し、さらに成膜を続ける。第1の組成傾斜Si−Ge層42aの上に、Geの組成が膜厚方向に変化しない第1の組成一定Si−Ge層42bがエピタキシャルに成長する。第1の組成一定Si−Ge層42bの厚さは例えば1μm〜3μm程度にする。   As shown in FIG. 10C, when the Ge concentration (Ge / Si) × 100 on the upper surface of the first composition gradient Si—Ge layer 42 becomes about 13% to 17%, the Ge concentration is fixed, and the film is further formed. Continue. On the first composition gradient Si—Ge layer 42a, a first constant composition Si—Ge layer 42b whose composition of Ge does not change in the film thickness direction is epitaxially grown. The thickness of the first constant composition Si—Ge layer 42b is, for example, about 1 μm to 3 μm.

図10Dに示すように、シリコンウエハ41をCVDチャンバから取り出し、クヌードセンセルを備えたMBEチャンバ内に移す。MBEチャンバ内において、シリコンウエハの温度を約600℃〜900℃に安定化させる。クヌードセンセル内に充填したCaFを1800℃程度に加熱し、CaF分子線を生成し、Si−Ge層42の表面上に照射する。1原子層〜3原子層/分程度の成膜レートで、単結晶CaF層43をSi−Ge層上にエピタキシャルに成長する。CaF層43の厚さが10nm〜1000nmになった時成膜を止める。このようにして、単結晶絶縁層43を得る。 As shown in FIG. 10D, the silicon wafer 41 is removed from the CVD chamber and transferred into an MBE chamber equipped with a Knudsen cell. In the MBE chamber, the temperature of the silicon wafer is stabilized at about 600 ° C. to 900 ° C. CaF 2 filled in the Knudsen cell is heated to about 1800 ° C. to generate a CaF 2 molecular beam, which is irradiated onto the surface of the Si—Ge layer 42. The single crystal CaF 2 layer 43 is epitaxially grown on the Si—Ge layer at a film formation rate of about 1 atomic layer to 3 atomic layers / minute. The film formation is stopped when the thickness of the CaF 2 layer 43 reaches 10 nm to 1000 nm. In this way, the single crystal insulating layer 43 is obtained.

なお、CaF層の他に(Ca、Sr)F等の混晶弗化物、Al層、SeO層、MgO−Al層等を単結晶絶縁層として形成してもよい。(Ca−Sr)F層を成長する場合は、CaFのクヌードセンセルとSrFのクヌードセンセルとを用い、成長中徐々にSrFの組成を増加することもできる。SrF組成の増加に伴って、格子定数は増大する。 In addition to the CaF 2 layer, mixed crystal fluorides such as (Ca, Sr) F 2 , Al 2 O 3 layer, SeO 2 layer, MgO—Al 2 O 3 layer, etc. may be formed as a single crystal insulating layer. Good. When a (Ca—Sr) F 2 layer is grown, the composition of SrF 2 can be gradually increased during growth using CaF 2 Knudsen cell and SrF 2 Knudsen cell. As the SrF 2 composition increases, the lattice constant increases.

図10Eに示すように、ウエハを再びCVDチャンバ内に移し、基板温度を約600℃〜700℃に固定する。GeH,SiHの混合ガスを用い、GeHのSiHに対する流量比を変化させることにより、Ge濃度が下面から上面に向うほど高くなる第2の組成傾斜Si−Ge層44aを単結晶絶縁層3の上に厚さ約0.5μm〜2μm程度エピタキシャルに成長させる。第2の組成傾斜Si−Ge層44a中のGe濃度は下面においては約13〜17%程度であり、その上面においては20%〜50%である。 As shown in FIG. 10E, the wafer is transferred back into the CVD chamber and the substrate temperature is fixed at about 600 ° C. to 700 ° C. GeH 4, using mixed gas of SiH 4, by changing the flow ratio SiH 4 of GeH 4, monocrystalline insulating the second composition graded Si-Ge layer 44a which Ge concentration, the higher toward the upper surface from the lower surface The layer 3 is epitaxially grown to a thickness of about 0.5 μm to 2 μm. The Ge concentration in the second composition gradient Si—Ge layer 44a is about 13 to 17% on the lower surface and 20 to 50% on the upper surface.

図10Fに示すように、第2の組成傾斜Si−Ge層44aを成長した後、GeHのSiHに対する流量比を固定し、第2の組成傾斜Si−Ge層4aの上に第2の組成一定Si−Ge層44bをエピタキシャルに成長させる。第2の組成一定Si−Ge層44bの膜厚は、例えば1μm〜3μm程度とする。 As shown in FIG. 10F, after the second composition gradient Si—Ge layer 44a is grown, the flow rate ratio of GeH 4 to SiH 4 is fixed, and the second composition gradient Si—Ge layer 4a is formed on the second composition gradient Si—Ge layer 4a. The constant composition Si—Ge layer 44b is epitaxially grown. The film thickness of the second constant composition Si—Ge layer 44b is, for example, about 1 μm to 3 μm.

図10Gに示すように、GeHの供給を停止し、SiHとHとの混合ガスをソースガスとして供給し、第2のSi−Ge層44の上にSi層45を厚さ約10nm〜30nmにエピタキシャルに成長させる。 As shown in FIG. 10G, the supply of GeH 4 is stopped, a mixed gas of SiH 4 and H 2 is supplied as a source gas, and a Si layer 45 is formed on the second Si—Ge layer 44 to a thickness of about 10 nm. Grow epitaxially to ˜30 nm.

ストレスのない単結晶シリコンの格子定数は、約5.43Aであり、第2の組成一定Si−Ge層4bの格子定数、約5.48A〜約5.54Aよりも小さい。このため、エピタキシャルに成長するSi層45は、下地のSi−Ge層44bの格子定数に合わせて引張り歪みを内蔵する歪Si層となる。   The lattice constant of single crystal silicon without stress is about 5.43 A, which is smaller than the lattice constant of the second constant composition Si—Ge layer 4 b, about 5.48 A to about 5.54 A. Therefore, the epitaxially grown Si layer 45 becomes a strained Si layer containing a tensile strain in accordance with the lattice constant of the underlying Si—Ge layer 44b.

上述の実施例においては、シリコンウエハの上にGe濃度が単調増大するSi−Ge層を成長し、その上に歪みSi層を成長し、Si−Ge混晶層の中間にCaF層を挿入した。結晶成長においては、下地の格子定数に近い結晶が先ず成長され、その後格子定数が徐々に変化する。このため、格子不整合に伴う結晶欠陥が形成されにくい。Si−Ge混晶の格子定数を一旦5.46A〜5.47A程度に大きくし、格子定数5.46AのCaFとの格子整合を可能とする。CaF層の上に、さらにSi‐Ge混晶を成長し、格子定数をさらに徐々に増大している。このため、高品位な単結晶層を形成することができる。 In the above embodiment, a Si-Ge layer having a monotonically increasing Ge concentration is grown on a silicon wafer, a strained Si layer is grown thereon, and a CaF 2 layer is inserted between the Si-Ge mixed crystal layers. did. In crystal growth, a crystal close to the underlying lattice constant is first grown, and then the lattice constant gradually changes. For this reason, it is difficult to form crystal defects due to lattice mismatch. The lattice constant of the Si—Ge mixed crystal is once increased to about 5.46A to 5.47A to enable lattice matching with CaF 2 having a lattice constant of 5.46A. A Si—Ge mixed crystal is further grown on the CaF 2 layer, and the lattice constant is gradually increased. For this reason, a high-quality single crystal layer can be formed.

又、組成傾斜混晶層の上に組成一定混晶層を形成するので、組成傾斜混晶層内に欠陥が発生しても、組成一定混晶層内で吸収され、その上面には結晶欠陥が入り難くなる。   In addition, since a constant composition mixed crystal layer is formed on the composition gradient mixed crystal layer, even if a defect occurs in the composition gradient mixed crystal layer, it is absorbed in the constant composition mixed crystal layer, and a crystal defect is formed on the upper surface thereof. Is difficult to enter.

第2のSi−Ge層上面での格子定数は5.48A〜5.54Aとなり、シリコンの格子定数約5.43Aよりもかなり大きくなる。このようにして、歪みSi層45と下地との格子不整合を大きくし、強い引張り歪みを発生させることができる。   The lattice constant on the upper surface of the second Si—Ge layer is 5.48 A to 5.54 A, which is considerably larger than the lattice constant of silicon, which is about 5.43 A. In this way, the lattice mismatch between the strained Si layer 45 and the base can be increased, and a strong tensile strain can be generated.

図10Hに示すように、基板表面から少なくとも単結晶絶縁層43表面に達するシャロートレンチを形成し、SiO等の絶縁物を埋め込んでSTI素子分離領域46を形成する。 As shown in FIG. 10H, a shallow trench reaching from the substrate surface to at least the surface of the single crystal insulating layer 43 is formed, and an insulator such as SiO 2 is embedded to form the STI element isolation region 46.

前述の実施例同様、基板表面の自然酸化膜を除去し、歪みSi層45の表面を熱酸化してゲート絶縁膜31を形成する。ゲート絶縁膜31の上に多結晶シリコンのゲート電極33を形成し、ゲート電極形状にパターニングする。浅いイオン注入を行い、ソース/ドレインのエクステンション34を形成する。酸化シリコン等の絶縁層を堆積し、異方性エッチングを行いゲート電極側壁上にサイドウォールスペーサ35を形成する。ゲート電極表面及びサイドウォールスペーサ両側に露出したシリコン表面にソース/ドレイン36用のイオン注入を行った後、シリサイド化反応を行い、シリサイド層37を形成する。   As in the previous embodiment, the natural oxide film on the substrate surface is removed, and the surface of the strained Si layer 45 is thermally oxidized to form the gate insulating film 31. A polycrystalline silicon gate electrode 33 is formed on the gate insulating film 31 and patterned into a gate electrode shape. Shallow ion implantation is performed to form source / drain extensions 34. An insulating layer such as silicon oxide is deposited and anisotropic etching is performed to form sidewall spacers 35 on the side walls of the gate electrode. After ion implantation for the source / drain 36 is performed on the gate electrode surface and the silicon surface exposed on both sides of the sidewall spacer, a silicidation reaction is performed to form a silicide layer 37.

その後、基板表面を窒化シリコン等のカバー層40で覆う。カバー層40の上に、TEOSをソースガスとしたプラズマCVD等により、酸化シリコンの層間絶縁層38を形成する。層間絶縁層38、カバー層40を貫通してコンタクトホールを形成し、シリサイド層37を露出させる。コンタクトホール内にTiN層をスパッタリングし、続いてタングステン膜をCVDにより成長し、不要部分を化学機械研磨(CMP)により除去し、TiN層47a、W層47bからなる導電性プラグ47を形成する。   Thereafter, the substrate surface is covered with a cover layer 40 such as silicon nitride. On the cover layer 40, an interlayer insulating layer 38 of silicon oxide is formed by plasma CVD using TEOS as a source gas. A contact hole is formed through the interlayer insulating layer 38 and the cover layer 40 to expose the silicide layer 37. A TiN layer is sputtered in the contact hole, a tungsten film is subsequently grown by CVD, and unnecessary portions are removed by chemical mechanical polishing (CMP) to form a conductive plug 47 composed of a TiN layer 47a and a W layer 47b.

層間絶縁膜38上にアルミニュウム等により金属配線48を形成する。   A metal wiring 48 is formed on the interlayer insulating film 38 with aluminum or the like.

本実施例においては、埋込絶縁層が単結晶絶縁膜で形成されるため、熱伝導率が高い。酸化シリコンの絶縁層は熱伝導率が1.4W/mK程度あるが、CaF等の単結晶絶縁層は熱伝導率が9.71W/mK程度である。このため、MOSトランジスタで発生した熱は、高い熱伝導率の単結晶絶縁層43を通じ、シリコンウエハ41裏面から速やかに放熱される。 In this embodiment, since the buried insulating layer is formed of a single crystal insulating film, the thermal conductivity is high. A silicon oxide insulating layer has a thermal conductivity of about 1.4 W / mK, whereas a single crystal insulating layer such as CaF 2 has a thermal conductivity of about 9.71 W / mK. For this reason, the heat generated in the MOS transistor is quickly dissipated from the back surface of the silicon wafer 41 through the single crystal insulating layer 43 having a high thermal conductivity.

上述の実施例においては、下地シリコン基板とCaF単結晶絶縁層との間にSi−Ge混晶層を形成し、CaF単結晶絶縁層上にさらにSi−Ge混晶層を形成した。目的によっては、下側のSi‐Ge層を省略することもできる。CaF単結晶絶縁層が下地シリコンと格子不整合を有するため、結晶欠陥が発生しやすいが、ある程度の結晶欠陥が許容される場合や、他の方法で結晶欠陥を防止できる場合には下側のSi−Ge混晶を省略することができる。又、歪みSi層下のSi−Ge混晶層を省略することも可能である。例えば、引張り応力がさほど必要ない場合や、単結晶絶縁層内でさらに格子定数を増大させ、必要な格子不整合を得られる場合等には上側のSi−Ge混晶層を省略することができる。 In the above-described embodiment, a Si—Ge mixed crystal layer was formed between the base silicon substrate and the CaF 2 single crystal insulating layer, and a Si—Ge mixed crystal layer was further formed on the CaF 2 single crystal insulating layer. Depending on the purpose, the lower Si-Ge layer can be omitted. Since the CaF 2 single crystal insulating layer has a lattice mismatch with the underlying silicon, crystal defects are likely to occur, but if the crystal defects are allowed to some extent or can be prevented by other methods, the lower side The Si—Ge mixed crystal can be omitted. It is also possible to omit the Si—Ge mixed crystal layer under the strained Si layer. For example, the upper Si-Ge mixed crystal layer can be omitted when tensile stress is not so much required, or when the required lattice mismatch is obtained by further increasing the lattice constant in the single crystal insulating layer. .

以下、本発明の特徴を付記する。
(付記1)
(a)少なくともシリコン表面層を有する基板を準備する工程と、
(b)前記シリコン層の表面に厚さ0.1nm〜0.5nmの自然酸化膜を形成する工程と、
(c)前記厚さ0.1nm〜0.5nmの自然酸化膜を水素アニール処理により、還元除去する工程と、
(d)前記工程(c)に続いて、前記シリコン表面層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。(1)
(付記2)
前記工程(b)が、HF=1に対してHO=200以上の希弗酸水溶液で酸化シリコン層をエッチングし、その後純水洗浄、乾燥を行なう付記1記載の半導体装置の製造方法。(2)
(付記3)
前記工程(c)が、水素雰囲気中、905℃以下のアニールを行なう付記1記載の半導体装置の製造方法。(3)
(付記4)
前記工程(d)は、前記工程(c)後基板を大気に触れされることなく行われる付記1記載の半導体装置の製造方法。
The features of the present invention will be described below.
(Appendix 1)
(A) preparing a substrate having at least a silicon surface layer;
(B) forming a natural oxide film having a thickness of 0.1 nm to 0.5 nm on the surface of the silicon layer;
(C) reducing and removing the natural oxide film having a thickness of 0.1 nm to 0.5 nm by hydrogen annealing;
(D) following the step (c), forming a gate insulating film on the surface of the silicon surface layer;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising: (1)
(Appendix 2)
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step (b) etches the silicon oxide layer with a dilute hydrofluoric acid aqueous solution of HF = 1 and H 2 O = 200 or more, and then performs pure water cleaning and drying. (2)
(Appendix 3)
The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 1, wherein the step (c) performs annealing at 905 ° C. or lower in a hydrogen atmosphere. (3)
(Appendix 4)
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step (d) is performed without exposing the substrate to the atmosphere after the step (c).

(付記5)
前記工程(a)における基板はSOI基板であり、前記シリコン表面層は絶縁層上に配置された厚さ30nm以下のシリコン層である付記3記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 5)
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 3, wherein the substrate in the step (a) is an SOI substrate, and the silicon surface layer is a silicon layer having a thickness of 30 nm or less disposed on the insulating layer.

(付記6)
前記工程(a)における基板はSi−Ge混晶層を含むSOI基板であり、前記シリコン表面層は引張り応力が内在する歪シリコン層である付記3記載の半導体装置の製造方法。(4−1)
(付記7)
前記工程(a)における基板は、シリコン支持基板を含み、前記シリコン表面層と前記シリコン支持基板との間に配置された単結晶絶縁層を含む請求項6記載の半導体装置の製造方法。(4−2)
(付記8)
前記工程(a)が、(a−1)CVDによりSi−Ge混晶層をエピタキシャル成長する工程と、(a−2)MBEにより単結晶絶縁層をエピタキシャルに成長する工程と、を含む付記7記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 6)
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the substrate in the step (a) is an SOI substrate including a Si—Ge mixed crystal layer, and the silicon surface layer is a strained silicon layer in which tensile stress is inherent. (4-1)
(Appendix 7)
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the substrate in the step (a) includes a silicon support substrate, and includes a single crystal insulating layer disposed between the silicon surface layer and the silicon support substrate. (4-2)
(Appendix 8)
Appendix 7 wherein the step (a) includes: (a-1) a step of epitaxially growing a Si—Ge mixed crystal layer by CVD; and (a-2) a step of epitaxially growing a single crystal insulating layer by MBE. Semiconductor device manufacturing method.

(付記9)
前記工程(a−1)が、Ge濃度が単調に増加するSi−Ge混晶層をエピタキシャル成長する工程を含む付記8記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 9)
The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 8, wherein the step (a-1) includes a step of epitaxially growing a Si—Ge mixed crystal layer in which the Ge concentration monotonously increases.

(付記10)
前記工程(a−1)が、さらにGe濃度が一定のSi−Ge混晶層をエピタキシャルに成長する工程を含む付記9記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 10)
The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 9, wherein the step (a-1) further includes a step of epitaxially growing a Si—Ge mixed crystal layer having a constant Ge concentration.

(付記11)
前記単結晶絶縁層が、シリコン支持基板とSi−Ge混晶層との間、Si−Ge混晶層内、Si−Ge混晶層とシリコン表面層との間のいずれかに配置されている付記7記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 11)
The single crystal insulating layer is disposed between the silicon support substrate and the Si—Ge mixed crystal layer, in the Si—Ge mixed crystal layer, or between the Si—Ge mixed crystal layer and the silicon surface layer. A method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 7.

(付記12)
前記単結晶絶縁層が、弗化物絶縁層である付記11記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 12)
Item 12. The method for manufacturing a semiconductor device according to Item 11, wherein the single crystal insulating layer is a fluoride insulating layer.

(付記13)
前記単結晶絶縁層が、CaF、Al、SeO、MgO−Alのいずれかで形成されている付記11記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 13)
The monocrystalline insulating layer, CaF 2, Al 2 O 3 , SeO 2, the manufacturing method of the MgO-Al 2 O 3 of Supplementary Notes 11, characterized in that formed in one of.

(付記14)
(a)厚さ30nmを越え、厚さ100nm以下のシリコン表面層を有するSOI基板を準備する工程と、
(b)前記SOI基板を、水素雰囲気中、温度990℃以下でアニール処理して、自然酸化膜を除去する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。(5)
(付記15)
(a)少なくともシリコン表面層を有する基板を準備する工程と、
(b)前記シリコン表面層の表面に厚さ0.1nm〜1.2nmの自然酸化膜を形成する工程と、
(c)前記厚さ0.1nm〜1.2nmの自然酸化膜を水素アニール処理により還元、除去する工程と、
(d)前記工程(c)に続いて、前記シリコン表面層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(Appendix 14)
(A) preparing an SOI substrate having a silicon surface layer having a thickness of more than 30 nm and not more than 100 nm;
(B) annealing the SOI substrate in a hydrogen atmosphere at a temperature of 990 ° C. or less to remove a natural oxide film;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising: (5)
(Appendix 15)
(A) preparing a substrate having at least a silicon surface layer;
(B) forming a natural oxide film having a thickness of 0.1 nm to 1.2 nm on the surface of the silicon surface layer;
(C) reducing and removing the natural oxide film having a thickness of 0.1 nm to 1.2 nm by hydrogen annealing;
(D) following the step (c), forming a gate insulating film on the surface of the silicon surface layer;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:

(付記16)
(a)絶縁膜上に厚さ100nm以下かつ30nmより厚いシリコン層を有するSOI基板を準備する工程と、
(b)前記SOI基板表面の自然酸化膜を水素アニール処理により還元、除去する工程と、
(c)前記工程(b)に続いて、前記シリコン表面層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(Appendix 16)
(A) preparing an SOI substrate having a silicon layer having a thickness of 100 nm or less and thicker than 30 nm on the insulating film;
(B) reducing and removing a natural oxide film on the surface of the SOI substrate by hydrogen annealing;
(C) following the step (b), forming a gate insulating film on the surface of the silicon surface layer;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:

(付記17)
前記工程(b)が、水素雰囲気中990℃以下のアニールを行なう付記16記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 17)
18. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 16, wherein the step (b) performs annealing at 990 ° C. or less in a hydrogen atmosphere.

(付記18)
支持基板と、
前記支持基板上方に形成された単結晶Si‐Ge混晶層であって、上方に向うに従ってGe成分が単調に増大するSi−Ge混晶層と、
前記Si−Ge混晶層上方に形成され、引張り応力が内在する歪Si層と、
前記支持基板と前記歪Si層との間に挿入された単結晶絶縁層と、
を有する半導体装置。
(Appendix 18)
A support substrate;
A single crystal Si-Ge mixed crystal layer formed above the support substrate, the Si-Ge mixed crystal layer monotonically increasing as it goes upward;
A strained Si layer formed above the Si-Ge mixed crystal layer and having an inherent tensile stress;
A single crystal insulating layer inserted between the support substrate and the strained Si layer;
A semiconductor device.

(付記19)
前記支持基板が単結晶Si基板であり、前記単結晶絶縁層がCaF、Al、SeO、MgO−Alのいずれかで形成されている付記18記載の半導体装置。
(Appendix 19)
The semiconductor device according to appendix 18, wherein the support substrate is a single crystal Si substrate, and the single crystal insulating layer is formed of any one of CaF 2 , Al 2 O 3 , SeO 2 , and MgO—Al 2 O 3 .

(付記20)
前記SiGe混晶層が、上方に向かうに従ってGe成分が増大する組成勾配層とその上に形成され一定のGe成分を有する組成一定層とを含む付記18記載の半導体装置。
(Appendix 20)
19. The semiconductor device according to appendix 18, wherein the SiGe mixed crystal layer includes a composition gradient layer in which a Ge component increases as it goes upward, and a composition constant layer formed thereon and having a certain Ge component.

(付記21)
さらに、前記歪Si層表面に形成された絶縁ゲート電極と、
前記絶縁ゲート電極両側で前記歪Si層内に形成されたソース/ドレイン領域と、
を有する付記18記載の半導体装置。
(Appendix 21)
Furthermore, an insulated gate electrode formed on the surface of the strained Si layer,
Source / drain regions formed in the strained Si layer on both sides of the insulated gate electrode;
Item 19. The semiconductor device according to appendix 18.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者にとって自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

自然酸化膜を還元除去できる低温化可能な工程を有する半導体装置の製造方法を提供する。微細化された高機能半導体集積回路等に利用できる。   Provided is a method for manufacturing a semiconductor device having a process capable of reducing a natural oxide film by reduction. It can be used for miniaturized highly functional semiconductor integrated circuits.

実験に用いたサンプルの作成手順を示す基板の断面図である。It is sectional drawing of the board | substrate which shows the preparation procedure of the sample used for experiment. 作成したサンプルの水素雰囲気中熱処理後の表面状態を示す写真である。It is a photograph which shows the surface state after heat processing in the hydrogen atmosphere of the produced sample. 第1の実施例による半導体装置の製造工程を示す基板の断面図である。It is sectional drawing of the board | substrate which shows the manufacturing process of the semiconductor device by a 1st Example. 第1の実施例の効果を確認する実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result which confirms the effect of a 1st Example. 第1の実施例の効果を確認する実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result which confirms the effect of a 1st Example. 第1の実施例の効果を確認する実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result which confirms the effect of a 1st Example. マイクロラフネスを測定したサンプルの作成手順を示す断面図及び測定結果を示すグラフである。It is a sectional view showing the preparation procedure of the sample which measured microroughness, and a graph which shows a measurement result. 第1の実施例の変形例の製造工程を示す基板の断面図である。It is sectional drawing of the board | substrate which shows the manufacturing process of the modification of a 1st Example. 第1の実施例の変形例の製造工程を示す基板の断面図である。It is sectional drawing of the board | substrate which shows the manufacturing process of the modification of a 1st Example. 格子定数の変化を示すグラフ及び第2の実施例による半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by the graph which shows the change of a lattice constant, and 2nd Example.

符号の説明Explanation of symbols

10 Si基板
11 STI
12 ゲート絶縁膜
14 レジストマスク
15 希釈HF水溶液
16 超希釈HF水溶液
17 自然酸化膜
18 水素雰囲気
19 ゲート絶縁膜
20 SOI層
20x 犠牲酸化膜
21 STI
22 ゲート絶縁膜
24 レジストマスク
25 埋込絶縁層
26 支持基板
27 超希釈HF水溶液
28 自然酸化膜
29 H雰囲気
31、32 ゲート絶縁膜
33 ゲート電極
34 ソース/ドレインのエクステンション
35 サイドウォールスペーサ
36 深いソース/ドレイン領域
37 シリサイド層
38 層間絶縁膜
39 カバー膜
41 支持基板
42 Si−Ge層
43 単結晶絶縁層
44 Si−Ge層
45 歪みSi層
46 STI
47 導電性プラグ
48 金属配線
10 Si substrate 11 STI
12 Gate insulating film 14 Resist mask 15 Diluted HF aqueous solution 16 Super diluted HF aqueous solution 17 Natural oxide film 18 Hydrogen atmosphere 19 Gate insulating film 20 SOI layer 20x Sacrificial oxide film 21 STI
22 Gate insulating film 24 Resist mask 25 Embedded insulating layer 26 Support substrate 27 Super diluted HF aqueous solution 28 Natural oxide film 29 H 2 atmosphere 31, 32 Gate insulating film 33 Gate electrode 34 Source / drain extension 35 Side wall spacer 36 Deep source / Drain region 37 Silicide layer 38 Interlayer insulating film 39 Cover film 41 Support substrate 42 Si-Ge layer 43 Single crystal insulating layer 44 Si-Ge layer 45 Strained Si layer 46 STI
47 Conductive plug 48 Metal wiring

Claims (5)

(a)少なくともシリコン表面層を有する基板を準備する工程と、
(b)前記シリコン層の表面に厚さ0.1nm〜0.5nmの自然酸化膜を形成する工程と、
(c)前記厚さ0.1nm〜0.5nmの自然酸化膜を水素アニール処理により、還元除去する工程と、
(d)前記工程(c)に続いて、前記シリコン表面層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(A) preparing a substrate having at least a silicon surface layer;
(B) forming a natural oxide film having a thickness of 0.1 nm to 0.5 nm on the surface of the silicon layer;
(C) reducing and removing the natural oxide film having a thickness of 0.1 nm to 0.5 nm by hydrogen annealing;
(D) following the step (c), forming a gate insulating film on the surface of the silicon surface layer;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記工程(b)が、HF=1に対してHO=200以上の希弗酸水溶液で酸化シリコン層をエッチングし、その後純水洗浄、乾燥を行なう付記1記載の半導体装置の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step (b) etches the silicon oxide layer with a dilute hydrofluoric acid aqueous solution of HF = 1 and H 2 O = 200 or more, and then performs pure water cleaning and drying. 前記工程(c)が、水素雰囲気中、905℃以下のアニールを行なう請求項1記載の半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step (c) performs annealing at 905 ° C. or less in a hydrogen atmosphere. 前記工程(a)における基板は、Si−Ge混晶層を含むSOI基板であり、前記シリコン表面層は引張り応力が内在する歪シリコン層であるか、前記工程(a)における前記シリコン表面層はSiの格子定数より大きな格子定数を有する絶縁表面上に形成されたシリコン層である請求項3記載の半導体装置の製造方法。   The substrate in the step (a) is an SOI substrate including a Si—Ge mixed crystal layer, and the silicon surface layer is a strained silicon layer in which tensile stress is inherent, or the silicon surface layer in the step (a) is 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the semiconductor layer is a silicon layer formed on an insulating surface having a lattice constant larger than that of Si. (a)厚さ30nmを越え、厚さ100nm以下のシリコン表面層を有するSOI基板を準備する工程と、
(b)前記SOI基板を、水素雰囲気中、温度990℃以下でアニール処理して、自然酸化膜を除去する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(A) preparing an SOI substrate having a silicon surface layer having a thickness of more than 30 nm and not more than 100 nm;
(B) annealing the SOI substrate in a hydrogen atmosphere at a temperature of 990 ° C. or less to remove a natural oxide film;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
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