JP2006203228A - Method for manufacturing semiconductor integrated circuit device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体集積回路装置の製造技術に関し、特に、メタルゲート電極を備えたMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を有する半導体集積回路装置の製造に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a technology for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a technology effective when applied to the manufacture of a semiconductor integrated circuit device having a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) having a metal gate electrode.
特許文献1(特開昭59−132136号公報(小林等))は、Si(シリコン)基板上にW膜(またはMo膜)からなるメタル構造のゲート電極を形成した後、水分と水素の混合雰囲気中で酸化を行うことにより、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分/水素分圧比がW(Mo)とSiとで異なる性質を利用したもので、この分圧比を、W(Mo)は還元されるがSiは酸化されるような範囲内に設定することによって、Siの選択的酸化を実現している。 Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-132136 (Kobayashi et al.)) Discloses that a gate electrode having a metal structure made of a W film (or Mo film) is formed on a Si (silicon) substrate and then mixed with water and hydrogen. A technique for selectively oxidizing only Si without oxidizing the W (Mo) film by oxidizing in an atmosphere is disclosed. This utilizes the property that the water / hydrogen partial pressure ratio at which the oxidation-reduction reaction is in equilibrium is different between W (Mo) and Si. The W (Mo) is reduced but Si is oxidized. By setting within such a range, selective oxidation of Si is realized.
特許文献2(特開平7−94716号公報(村岡等))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(水分)とを窒素で希釈した雰囲気中で酸化を行う技術を開示している。この公報によれば、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、水分+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。 Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-94716 (Muraoka et al.)) Forms a gate electrode having a polymetal structure including a metal nitride layer such as TiN and a metal layer such as W on a Si substrate via a gate oxide film. After that, a technique is disclosed in which oxidation is performed in an atmosphere in which a reducing gas (hydrogen) and an oxidizing gas (water) are diluted with nitrogen. According to this publication, only Si can be selectively oxidized without oxidizing the metal layer, and the denitrification reaction from the metal nitride layer is prevented by diluting the water + hydrogen mixed gas with nitrogen. It is said that oxidation of the metal nitride layer can be prevented at the same time.
特許文献3(特開昭60−160667号公報(吾妻))は、シリコン基板上にWやMoなどの高融点金属からなる薄膜を形成した後、非酸化性雰囲気中で熱処理を行い、上記薄膜中に吸蔵されている酸素を基板表面に拡散させることによって、両者の界面に極めて薄い膜厚の酸化シリコン膜を形成する技術を開示している。 Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-160667 (Azuma)) forms a thin film made of a refractory metal such as W or Mo on a silicon substrate and then heat-treats it in a non-oxidizing atmosphere. It discloses a technique for forming a very thin silicon oxide film at the interface between the two by diffusing oxygen stored in the substrate surface.
特許文献4(特開平11−330468号(特願平10−138939号)公報)は、ポリメタルゲートにおいて水素ガスおよび酸素ガスと水素ガスとから触媒により合成された水蒸気を含む混合ガスを半導体ウエハの主面に供給し、エッチングによって削られたポリメタルゲート電極の端部下のゲート絶縁膜のプロファイルを改善する熱処理を、ゲート電極の一部を構成する高融点金属膜が実質的に酸化されず、ゲート絶縁膜を酸化する条件で行う方法を開示している。 Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-330468 (Japanese Patent Application No. 10-138939)) discloses a semiconductor wafer using a mixed gas containing water vapor synthesized by a catalyst from hydrogen gas, oxygen gas and hydrogen gas in a polymetal gate. The refractory metal film constituting a part of the gate electrode is not substantially oxidized by heat treatment to improve the profile of the gate insulating film under the edge of the polymetal gate electrode that has been cut by etching. Discloses a method performed under conditions for oxidizing the gate insulating film.
特許文献5(特開平10−233505号公報の[0043])には、半導体基板の表面上にゲート酸化膜3を形成する工程と、前記ゲート酸化膜3の表面上に、タングステン、モリブデン、クロム、タンタル、ニオブ、バナジウムなどの金属の窒化物あるいはこれらの金属および金属窒化物の複合物でゲート電極4を形成する工程と、その後、タングステン平衡蒸気圧曲線(水分によるタングステンの酸化と水素によるタングステン酸化物の還元反応が平衡する水分添加量と温度の関係)と、同様に熱力学的に求められるシリコンの酸化還元の平衡蒸気圧曲線で囲まれる範囲内の水分を添加した雰囲気で熱処理することにより、シリコンの選択酸化による熱処理を施す開示がある。
Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-233505 [0043]) discloses a step of forming a
特許文献6(特開平9−298170号公報の[0028])には、低抵抗金属膜と下地であるシリコンの間の接着性を向上するために間に水および酸素を捕獲できる捕獲層を設けて電極配線を構成し、金属膜とシリコン膜との間に設けた捕獲膜の構成元素の少なくとも一種類の金属として、酸化−還元反応平衡烝気圧曲線における水分添加量が、上層を構成する金属における平衡蒸気圧曲線での水分添加量より少なくなる元素を用いることにより、上層の金属は酸化されないでこの金属のみが酸化され、この金属にシリコン酸化膜と反応してその酸素を捕獲する機能を持たせ、その下層のシリコンは酸化されない方法の開示がある。
(1)ゲート長が0.18μm以下の微細なMISFETで回路を構成するCMOS−LSIは、低電圧動作時においてもゲート遅延を低減して高速動作を確保するために、金属を含む低抵抗導電材料を使ってゲート電極を形成することが要求される。 (1) A CMOS-LSI having a circuit composed of a fine MISFET having a gate length of 0.18 μm or less has a low-resistance conductive property including metal in order to reduce gate delay and ensure high-speed operation even during low-voltage operation. It is required to form a gate electrode using a material.
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部に高融点金属膜を積層した複合導電膜(以下、ポリメタルという)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。そこで、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導電性バリア膜を介在させた3層構造で構成される。 A promising low-resistance gate electrode material of this type is a composite conductive film (hereinafter referred to as polymetal) in which a refractory metal film is stacked 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. When these refractory metal films are laminated directly on the polycrystalline silicon film, the adhesive strength between the two is reduced, or a high-resistance silicide layer is formed at the interface between the two by a high-temperature heat treatment process. Therefore, in an actual polymetal gate, a conductive barrier film made of a metal nitride film such as TiN (titanium nitride) or WN (tungsten nitride) is interposed between the polycrystalline silicon film and the refractory metal film. It consists of a layer structure.
(2)ゲート長が0.18μm以下の微細なMISFETで回路を構成するCMOS−LSIは、低電圧動作化に伴ってしきい値電圧(Vth)を低く設定するために、ポリメタルゲートの一部を構成する多結晶シリコン膜の導電型をnチャネル型MISFETはn型、pチャネル型MISFETはp型とする、いわゆるデュアルゲート(Dual Gate)構造の採用が進められている。この場合、nチャネル型MISFETのゲート電極は、P(リン)などのn型不純物がドープされたn型多結晶シリコン膜の上に高融点金属膜が積層された構造となり、pチャネル型MISFETのゲート電極は、p型不純物であるB(ホウ素)がドープされたp型多結晶シリコン膜の上に高融点金属膜が積層された構造となる。 (2) A CMOS-LSI having a circuit composed of fine MISFETs having a gate length of 0.18 μm or less is one of polymetal gates in order to set the threshold voltage (Vth) low in accordance with the low voltage operation. A so-called dual gate structure in which the n-channel MISFET is n-type and the p-channel MISFET is p-type is being adopted for the polycrystalline silicon film constituting the portion. In this case, the gate electrode of the n-channel type MISFET has a structure in which a refractory metal film is laminated on an n-type polycrystalline silicon film doped with an n-type impurity such as P (phosphorus). The gate electrode has a structure in which a refractory metal film is laminated on a p-type polycrystalline silicon film doped with B (boron) which is a p-type impurity.
しかし、上記(1)の問題点として、MISFETのゲート長が0.18μm以下になった場合、多結晶シリコン膜の上部に高融点金属膜を積層した2層構造、さらにはそれらの間に導電性バリア膜を介在させた3層構造のゲート電極は、そのアスペクト比が極めて大きくなるために、ゲート電極の加工が困難となる点が挙げられる。 However, as a problem of the above (1), when the gate length of the MISFET becomes 0.18 μm or less, a two-layer structure in which a refractory metal film is laminated on the upper part of the polycrystalline silicon film, and further, there is a conductive property between them. A gate electrode having a three-layer structure with a porous barrier film interposed between them has an extremely large aspect ratio, which makes it difficult to process the gate electrode.
また、上記(2)の問題点として、pチャネル型MISFETのゲート電極の一部を構成するp型多結晶シリコン膜中のB(ホウ素)がゲート酸化膜を通って基板側に拡散し、pチャネル型MISFETのフラットバンド電圧(Vfb)を変化させることによって、しきい値電圧(Vth)を変動させてしまう点が挙げられる。 Further, as the problem of the above (2), B (boron) in the p-type polycrystalline silicon film constituting a part of the gate electrode of the p-channel type MISFET diffuses to the substrate side through the gate oxide film, and p For example, the threshold voltage (Vth) may be changed by changing the flat band voltage (Vfb) of the channel MISFET.
そこで、これらの問題を回避するために、ゲート酸化膜の上部に多結晶シリコン膜などの中間層を介することなく、WやMoなどの高融点金属膜を直接形成する、いわゆるメタルゲート電極の開発が進められている。 Therefore, in order to avoid these problems, a so-called metal gate electrode is developed in which a refractory metal film such as W or Mo is directly formed on the gate oxide film without an intermediate layer such as a polycrystalline silicon film. Is underway.
一方、MISFETの高速化、高性能化を実現するためには、MISFETの微細化に比例してゲート酸化膜を薄膜化する必要があり、例えばゲート長が0.25μm〜0.2μm程度のMISFETの場合は、5nmよりも薄い膜厚のゲート酸化膜が要求される。 On the other hand, in order to realize high speed and high performance of the MISFET, it is necessary to reduce the gate oxide film in proportion to the miniaturization of the MISFET. For example, the MISFET having a gate length of about 0.25 μm to 0.2 μm. In this case, a gate oxide film thinner than 5 nm is required.
しかし、ゲート酸化膜の膜厚を5nmよりも薄くすると、直接トンネル電流の発生やストレス起因のホットキャリアなどによる絶縁耐圧の低下が顕在化する。また、このような薄いゲート酸化膜上にWやMoなどの高融点金属膜を直接形成すると、両者の界面近傍のゲート酸化膜にも欠陥が生じて絶縁耐圧が低下する。 However, if the thickness of the gate oxide film is made thinner than 5 nm, a decrease in the withstand voltage due to the generation of direct tunnel current or hot carriers due to stress becomes obvious. Further, when a refractory metal film such as W or Mo is directly formed on such a thin gate oxide film, defects are also generated in the gate oxide film in the vicinity of the interface between them to lower the withstand voltage.
ゲート酸化膜の欠陥は、主としてSi−O結合の酸素欠損に起因する。従って、この欠陥は、酸化性雰囲気中で基板を熱処理し、酸素欠損箇所に酸素を供給することによって修復させることが可能である。ところが、酸化性雰囲気中で基板の熱処理を行うと、ゲート酸化膜上に堆積されたゲート電極材料である高融点金属膜も同時に酸化されてしまうために、ゲート絶縁膜の抵抗が大きくなってしまう。 The defects in the gate oxide film are mainly caused by oxygen vacancies in the Si—O bond. Therefore, this defect can be repaired by heat-treating the substrate in an oxidizing atmosphere and supplying oxygen to the oxygen deficient portion. However, if the substrate is heat-treated in an oxidizing atmosphere, the refractory metal film, which is the gate electrode material deposited on the gate oxide film, is also oxidized at the same time, which increases the resistance of the gate insulating film. .
ゲート酸化膜の薄膜化による絶縁耐圧の低下を回避する対策としては、酸化シリコンよりも誘電率が大きい酸化タンタルなどの絶縁性金属酸化物をゲート絶縁膜材料に使用することで、その実効膜厚を大きくする選択肢も考えられる。 As a measure to avoid a decrease in dielectric strength due to the thinning of the gate oxide film, the effective film thickness can be obtained by using an insulating metal oxide such as tantalum oxide having a dielectric constant larger than that of silicon oxide as the gate insulating film material. There is an option to increase the value.
これらの絶縁性金属酸化物は結晶性材料であるため、本来の絶縁特性を得るためには、成膜後に酸素雰囲気中で熱処理を行い、膜中に酸素を供給するプロセスが不可欠である。しかし、酸化性雰囲気中で基板を熱処理すると、ゲート絶縁膜上に堆積されたゲート電極材料である高融点金属膜も酸化されてしまうために、ゲート絶縁膜の抵抗が大きくなってしまう。 Since these insulating metal oxides are crystalline materials, in order to obtain the original insulating characteristics, a process of performing heat treatment in an oxygen atmosphere after film formation and supplying oxygen into the film is indispensable. However, when the substrate is heat-treated in an oxidizing atmosphere, the refractory metal film, which is the gate electrode material deposited on the gate insulating film, is also oxidized, so that the resistance of the gate insulating film increases.
本発明の目的は、極薄ゲート絶縁膜上にメタルゲート電極を形成したMISFETの信頼性および製造歩留まりを向上させる技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique for improving the reliability and manufacturing yield of a MISFET in which a metal gate electrode is formed on an ultrathin gate insulating film.
本発明の他の目的は、酸化シリコンよりも誘電率が高い金属酸化物を含むゲート絶縁膜上にメタルゲート電極を形成したMISFETの信頼性および製造歩留まりを向上させる技術を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a technique for improving the reliability and manufacturing yield of a MISFET in which a metal gate electrode is formed on a gate insulating film containing a metal oxide having a dielectric constant higher than that of silicon oxide.
本発明の他の目的は、二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有するゲート絶縁膜の形成方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a method for forming a gate insulating film having a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm.
本発明の他の目的は、二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有するゲート絶縁膜の欠陥修復方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a defect repair method for a gate insulating film having a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm.
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.
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、(a)水分と水素とを含むガス雰囲気中における酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも低水分側にある第1の高融点金属を主要な成分とする第1の膜を、ウエハの第1の主面上のシリコン表面に形成する工程と、(b)水分/水素分圧比が前記シリコン表面を実質的に酸化せず、前記第1の高融点金属を酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記第1の膜が形成された前記第1の主面に対して熱処理を行ない、前記第1の高融点金属をその酸化物に変換することによって、前記シリコン表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、(c)前記(b)工程の前または後に、前記水分と水素とを含むガス雰囲気中における酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも高水分側にある第2の高融点金属のゲート電極を形成する工程とからなる。 The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes (a) a first refractory metal having a redox equilibrium curve in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen on a lower moisture side than that of silicon. Forming a first film on the silicon surface on the first main surface of the wafer; and (b) the moisture / hydrogen partial pressure ratio does not substantially oxidize the silicon surface, and the first high A heat treatment is performed on the first main surface on which the first film is formed in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen set to a ratio that oxidizes the melting point metal, and the first high A step of forming a gate insulating film on the silicon surface by converting the melting point metal into its oxide; and (c) oxidation in a gas atmosphere containing water and hydrogen before or after the step (b). Reduction equilibrium curve is more than that of silicon And a step of forming a second gate electrode of a refractory metal in a high moisture side.
上記した発明以外の本願発明の概要を簡単に項分けして記載すれば、以下の通りである。すなわち、
1.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有し、酸化シリコンを主要な成分とする単一絶縁膜またはそれと他の絶縁膜とを含む複合絶縁膜からなるゲート絶縁膜を、ウエハの第1の主面上のシリコン表面に形成する工程、(b)前記ゲート絶縁膜上に、多結晶シリコンを主要な構成要素とする中間層を介することなく、高融点金属を主要な成分とするメタル膜を形成した後、前記メタル膜をパターニングしてメタルゲート電極を形成する工程、(c)水分/水素分圧比が前記高融点金属を実質的に酸化せず、シリコンを酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記メタルゲート電極が形成された前記第1の主面に対して熱処理を行なうことによって、前記メタルゲート電極直下の前記ゲート絶縁膜中の欠陥を修復する工程。
The outline of the invention of the present application other than the above-described invention can be simply classified and described as follows. That is,
1. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) A gate insulating film comprising a single insulating film having a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm and comprising silicon oxide as a main component or a composite insulating film including the other insulating film and a wafer. (B) forming a refractory metal as a main component on the gate insulating film without passing through an intermediate layer containing polycrystalline silicon as a main component. Forming a metal gate electrode by patterning the metal film after forming the metal film to be processed, (c) the moisture / hydrogen partial pressure ratio does not substantially oxidize the refractory metal and oxidizes silicon By performing a heat treatment on the first main surface on which the metal gate electrode is formed in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen set to a ratio, the gate insulation immediately below the metal gate electrode is processed. A step of repairing defects in the film.
2.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項1において、前記高融点金属は、モリブデンまたはタングステンである。
2. In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, in the
3.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項1または2において、前記ゲート絶縁膜の二酸化シリコン換算膜厚は、4nm未満である。
3. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
4.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項1または2において、前記ゲート絶縁膜の二酸化シリコン換算膜厚は、3nm未満である。
4). In the method for producing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, in the
5.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有し、窒化シリコンを主要な成分とする単一絶縁膜またはそれと他の絶縁膜とを含む複合絶縁膜からなるゲート絶縁膜を、ウエハの第1の主面上のシリコン表面に形成する工程、(b)前記ゲート絶縁膜上に、多結晶シリコンを主要な構成要素とする中間層を介することなく、高融点金属を主要な成分とするメタル膜を形成した後、前記メタル膜をパターニングしてメタルゲート電極を形成する工程、(c)水分/水素分圧比が前記高融点金属を実質的に酸化せず、シリコンを酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記メタルゲート電極が形成された前記第1の主面に対して熱処理を行なうことによって、前記メタルゲート電極直下の前記ゲート絶縁膜中の欠陥を修復する工程。
5. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) a gate insulating film having a film thickness in terms of silicon dioxide equivalent to less than 5 nm and comprising a single insulating film containing silicon nitride as a main component or a composite insulating film including other insulating films and a wafer; (B) forming a refractory metal as a main component on the gate insulating film without passing through an intermediate layer containing polycrystalline silicon as a main component. Forming a metal gate electrode by patterning the metal film after forming the metal film to be processed, (c) the moisture / hydrogen partial pressure ratio does not substantially oxidize the refractory metal and oxidizes silicon By performing a heat treatment on the first main surface on which the metal gate electrode is formed in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen set to a ratio, the gate insulation immediately below the metal gate electrode is processed. A step of repairing defects in the film.
6.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項5において、前記高融点金属は、モリブデンまたはタングステンである。
6). In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
7.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項5または項6において、前記水分と水素とを含むガスは、さらに窒素またはアンモニアガスを含む。
7). In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
8.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有し、二酸化シリコンよりも誘電率が大きい金属酸化物を主要な成分とする単一絶縁膜またはそれと他の絶縁膜とを含む複合絶縁膜からなるゲート絶縁膜を、ウエハの第1の主面上のシリコン表面に形成する工程、(b)前記ゲート絶縁膜上に、多結晶シリコンを主要な構成要素とする中間層を介することなく、高融点金属を主要な成分とするメタル膜を形成した後、前記メタル膜をパターニングしてメタルゲート電極を形成する工程、(c)水分/水素分圧比が前記高融点金属を実質的に酸化せず、シリコンを酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記メタルゲート電極が形成された前記第1の主面に対して熱処理を行なうことによって、前記メタルゲート電極直下の前記ゲート絶縁膜中の欠陥を修復する工程。
8). A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) A single insulating film whose main component is a metal oxide having a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm and having a dielectric constant larger than that of silicon dioxide, or a composite insulating film including this and another insulating film Forming a gate insulating film made of a film on a silicon surface on the first main surface of the wafer; (b) without interposing an intermediate layer having polycrystalline silicon as a main component on the gate insulating film; Forming a metal gate electrode by patterning the metal film after forming a metal film containing a refractory metal as a main component; and (c) a moisture / hydrogen partial pressure ratio substantially oxidizing the refractory metal. Without performing heat treatment on the first main surface on which the metal gate electrode is formed in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen set to a ratio that oxidizes silicon. A step of repairing defects of the gate insulating film immediately below Rugate electrode.
9.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項8において、前記金属酸化膜を構成する金属は、チタン、ジルコニウム、またはハフニウムである。
9. In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
10.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項8において、前記金属酸化膜を構成する金属は、タンタルである。
10. In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
11.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項8において、前記金属酸化膜を構成する金属は、アルミニウムである。
11. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
12.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項8において、前記金属酸化膜は、ABO3型の広義のペロブスカイト型構造を含む高誘電体であって、動作温度において常誘電相にあるものである。
12 In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
13.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項12において、前記高誘電体は、BSTである。
13. In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
14.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)水分と水素とを含むガス雰囲気中における酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも低水分側にある第1の高融点金属を主要な成分とする第1の膜を、ウエハの第1の主面上のシリコン表面に形成する工程、(b)水分/水素分圧比が前記シリコン表面を実質的に酸化せず、前記第1の高融点金属を酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記第1の膜が形成された前記第1の主面に対して熱処理を行ない、前記第1の高融点金属をその酸化物に変換することによって、前記シリコン表面にゲート絶縁膜を形成する工程、(c)前記(b)工程の前または後に、ゲート電極を形成する工程。
14 A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) A first film mainly containing a first refractory metal having a redox equilibrium curve in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen on the lower moisture side than that of silicon is used as the first film of the wafer. (B) a moisture / hydrogen partial pressure ratio is set such that the silicon surface is not substantially oxidized and the first refractory metal is oxidized. In a gas atmosphere containing hydrogen and hydrogen, a heat treatment is performed on the first main surface on which the first film is formed, and the first refractory metal is converted into an oxide thereof, thereby A step of forming a gate insulating film on the silicon surface; (c) a step of forming a gate electrode before or after the step (b).
15.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項14において、前記第1の高融点金属は、チタン、ジルコニウム、またはハフニウムである。 15. In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the item 14, the first refractory metal is titanium, zirconium, or hafnium.
16.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項14または項15において、前記(b)工程における前記水分と水素とを含むガス雰囲気は、触媒を用いて水分を合成することによって形成される。
16. In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
17.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)水分と水素とを含むガス雰囲気中における酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも低水分側にある第1の高融点金属の酸化物を主要な成分とするゲート絶縁膜を、ウエハの第1の主面上のシリコン表面に形成する工程、(b)水分/水素分圧比が前記シリコン表面を実質的に酸化せず、前記第1の高融点金属の酸化物を生成するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記第1の膜が形成された前記第1の主面に対して熱処理を行ない、前記第1の高融点金属をその酸化物に変換することによって、前記ゲート絶縁膜中の欠陥を修復する工程、(c)前記(b)工程の前または後に、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程。
17. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) A gate insulating film mainly composed of an oxide of a first refractory metal whose oxidation-reduction equilibrium curve in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen is on the moisture side lower than that of silicon is formed on the wafer. Forming on the silicon surface on the first main surface; (b) a ratio such that the moisture / hydrogen partial pressure ratio does not substantially oxidize the silicon surface and generates an oxide of the first refractory metal. In a gas atmosphere containing moisture and hydrogen set to 1, heat treatment is performed on the first main surface on which the first film is formed, and the first refractory metal is converted to its oxide. (C) a step of forming a gate electrode on the gate insulating film before or after the step (b).
18.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項17において、前記(a)工程における前記ゲート絶縁膜は、前記シリコン表面上に酸化シリコン膜を介して形成される。
18. In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the
19.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項17または項18において、前記第1の高融点金属は、チタン、ジルコニウム、またはハフニウムである。
19. In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
20.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項17、項18または項19において、前記(b)工程における前記水分と水素とを含むガス雰囲気は、触媒を用いて水分を合成することによって形成される。 20. In the manufacturing method of a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the gas atmosphere containing the moisture and hydrogen in the step (b) is synthesized by synthesizing moisture using a catalyst. It is formed.
21.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)水分と水素とを含むガス雰囲気中における酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも高水分側にある第1の高融点金属を主要な成分とするメタル膜をパターニングすることによって、ウエハの第1の主面上のシリコン表面にゲート電極を形成する工程、(b)前記ゲート電極が形成された状態で前記第1の主面に対して熱処理を行なうことによって、前記ゲート電極直下の前記シリコン表面に、二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有し、酸化シリコンを主要な成分とするゲート絶縁膜を形成する工程。
21. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) By patterning a metal film containing a first refractory metal as a main component whose oxidation-reduction equilibrium curve in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen is on a higher moisture side than that of silicon, Forming a gate electrode on the silicon surface on the first main surface; (b) performing a heat treatment on the first main surface in a state where the gate electrode is formed; Forming a gate insulating film having a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm on a silicon surface and having silicon oxide as a main component;
22.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項21において、前記第1の高融点金属は、モリブデンまたはタングステンである。
22. In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
23.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)水分および水素を含む雰囲気中における酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも低水分側にある第1の高融点金属を主要な成分とするゲート絶縁膜となるべき第1の膜を、ウエハの第1の主面上のシリコン表面に形成する工程、(b)前記第1の膜が形成された状態で、前記酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも高水分側にある第2の高融点金属を主要な成分とするゲート電極となるべき第2の膜を、前記第1の主面上に形成する工程、(c)前記第1の膜および前記第2の膜をパターニングすることによって、前記ゲート電極を形成する工程、(d)前記ゲート電極が形成された状態で前記第1の主面に対して熱処理を行い、前記ゲート電極直下の前記第1の膜を酸化処理することによって、ゲート絶縁膜に変換する工程。
23. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) a first film to be a gate insulating film mainly composed of a first refractory metal whose oxidation-reduction equilibrium curve in an atmosphere containing moisture and hydrogen is on the moisture side lower than that of silicon; Forming on the silicon surface on the first main surface of the wafer; (b) in a state in which the first film is formed, the second redox equilibrium curve is on a higher moisture side than that of silicon. Forming a second film on the first main surface to be a gate electrode containing a refractory metal as a main component; and (c) patterning the first film and the second film. (D) performing a heat treatment on the first main surface in a state where the gate electrode is formed, and oxidizing the first film immediately below the gate electrode. The step of converting into a gate insulating film.
24.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項23において、前記第2の高融点金属は、モリブデンまたはタングステンである
25.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項23において、前記第1の高融点金属は、チタン、ジルコニウムまたはハフニウムである。
24. 24. In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the invention, in the
26.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)第1の主面にシリコン表面を有する半導体集積回路基板、(b)前記シリコン表面に設けられた酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムまたはこれらと酸化チタンのうちの2種以上の酸化物を含む二元または多元酸化物を主要な成分とするゲート絶縁膜、(c)前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極。
26. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) a semiconductor integrated circuit substrate having a silicon surface on a first main surface; (b) two containing two or more oxides of zirconium oxide, hafnium oxide or titanium oxide provided on the silicon surface; A gate insulating film containing a main or multi-element oxide as a main component; and (c) a gate electrode provided on the gate insulating film.
27.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有し、酸化シリコンを主要な成分とする単一絶縁膜またはそれと他の絶縁膜とを含む複合絶縁膜からなるゲート絶縁膜を、ウエハの第1の主面上のシリコン表面に形成する工程、(b)前記ゲート絶縁膜上に導電性バリア膜を形成する工程、(c)前記バリア膜上に、多結晶シリコンを主要な構成要素とする中間層を介することなく、第1の高融点金属を主要な成分とするメタル膜を形成する工程、(d)前記バリア膜および前記メタル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、(e)水分/水素分圧比が前記高融点金属を実質的に酸化せず、シリコンを酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記ゲート電極が形成された前記第1の主面に対して熱処理を行なうことによって、前記ゲート電極直下の前記ゲート絶縁膜中の欠陥を修復する工程。
27. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) A gate insulating film comprising a single insulating film having a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm and comprising silicon oxide as a main component or a composite insulating film including the other insulating film and a wafer. (B) forming a conductive barrier film on the gate insulating film; and (c) forming polycrystalline silicon on the barrier film as a main component. A step of forming a metal film containing the first refractory metal as a main component without using an intermediate layer; and (d) a step of forming a gate electrode by patterning the barrier film and the metal film. (E) The gate electrode is formed in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen whose moisture / hydrogen partial pressure ratio is set to such a ratio that does not substantially oxidize the refractory metal and oxidizes silicon. Before By performing the heat treatment on the first main surface, the step of repairing defects in the gate insulating film immediately below the gate electrode.
28.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項27において、前記第1の高融点金属は、タングステンである。
28. In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
29.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項27において、前記導電性バリア膜は、窒化チタンを主要な成分として含む。
29. In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
30.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記項27、項28または項29において、前記水分と水素とを含むガスは、さらに窒素またはアンモニアガスを含む。
30. In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
31.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)シリコン基板の主面上に二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有するゲート絶縁膜を形成する工程、(b)前記ゲート絶縁膜上に高融点金属を主要な成分とするメタル膜を形成した後、水分/水素分圧比が前記高融点金属を実質的に酸化せず、シリコンを酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記メタル膜が形成された前記シリコン基板の主面を熱処理することによって、前記メタル膜直下の前記ゲート絶縁膜中の欠陥を修復する工程、(c)前記メタル膜をパターニングしてメタルゲート電極を形成する工程。
31. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) forming a gate insulating film having a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm on the main surface of the silicon substrate; (b) a metal having a refractory metal as a main component on the gate insulating film. After forming the film, the metal film has a moisture / hydrogen partial pressure ratio in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen set to such a ratio that does not substantially oxidize the refractory metal and oxidizes silicon. A step of repairing defects in the gate insulating film directly under the metal film by heat-treating a main surface of the formed silicon substrate; and (c) a step of patterning the metal film to form a metal gate electrode.
32.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記31項において、前記ゲート絶縁膜は、酸化シリコンを主要な成分とする。
32. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
33.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記32項において、前記ゲート絶縁膜は、触媒を用いて合成された水分と酸素とを含むガス雰囲気中で前記シリコン基板の主面を熱酸化することによって形成する。 33. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the item 32, the gate insulating film thermally oxidizes the main surface of the silicon substrate in a gas atmosphere containing moisture and oxygen synthesized using a catalyst. By forming.
34.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記31項において、前記ゲート絶縁膜は、酸窒化シリコンを主要な成分とする。
34. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
35.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記34項において、前記ゲート絶縁膜は、前記基板の表面に酸化シリコン膜を形成した後、前記基板を含窒素ガス雰囲気中で熱処理することによって形成する。 35. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the item 34, the gate insulating film is formed by forming a silicon oxide film on the surface of the substrate and then heat-treating the substrate in a nitrogen-containing gas atmosphere. To do.
36.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記31項において、前記ゲート絶縁膜は、窒化シリコンを主要な成分とする。
36. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
37.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記36項において、前記ゲート絶縁膜は、前記基板上にCVD法で窒化シリコン膜を堆積することによって形成する。 37. In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the item 36, the gate insulating film is formed by depositing a silicon nitride film on the substrate by a CVD method.
38.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記31〜37項のいずれか一項において、前記高融点金属は、モリブデンまたはタングステンである。
38. In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in any one of the
39.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)シリコン基板の主面上に二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有するゲート絶縁膜を形成する工程、(b)前記ゲート絶縁膜上に高融点金属の窒化物からなる導電性バリア膜を介して高融点金属を主要な成分とするメタル膜を形成した後、水分/水素分圧比が前記高融点金属を実質的に酸化せず、シリコンを酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記メタル膜および前記導電性バリア膜が形成された前記シリコン基板の主面を熱処理することによって、前記導電性バリア膜直下の前記ゲート絶縁膜中の欠陥を修復する工程、(c)前記メタル膜および前記導電性バリア膜をパターニングしてメタルゲート電極を形成する工程。
39. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) forming a gate insulating film having a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm on the main surface of the silicon substrate; (b) conductivity comprising a refractory metal nitride on the gate insulating film. After forming a metal film containing a refractory metal as a main component through the barrier film, the moisture / hydrogen partial pressure ratio is set to a ratio that does not substantially oxidize the refractory metal and oxidizes silicon. Defects in the gate insulating film immediately below the conductive barrier film by heat-treating the main surface of the silicon substrate on which the metal film and the conductive barrier film are formed in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen. (C) A step of patterning the metal film and the conductive barrier film to form a metal gate electrode.
40.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記39項において、前記導電性バリア膜を構成する前記高融点金属は、モリブデンまたはタングステンである。 40. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the item 39, the refractory metal constituting the conductive barrier film is molybdenum or tungsten.
41.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記39項において、前記導電性バリア膜を構成する前記高融点金属は、チタンである。 41. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the item 39, the refractory metal constituting the conductive barrier film is titanium.
42.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記41項において、前記水分と水素とを含むガス雰囲気の水分濃度は、1%以下である。
42. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the moisture concentration of the gas atmosphere containing the moisture and hydrogen is 1% or less in the
43.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記41項において、前記水分と水素とを含むガス雰囲気に、さらに窒素またはアンモニアを添加する。
43. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
44.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)シリコン基板の主面上に二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有し、かつ二酸化シリコンよりも誘電率が大きい金属酸化物からなるゲート絶縁膜を形成する工程、(b)前記ゲート絶縁膜上に高融点金属を主要な成分とするメタル膜を形成した後、水分/水素分圧比が前記高融点金属を実質的に酸化せず、シリコンを酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記金属酸化物が形成された前記シリコン基板の主面を熱処理することによって、前記メタル膜直下の前記ゲート絶縁膜中の欠陥を修復する工程、(c)前記ゲート絶縁膜中の欠陥を修復する工程の前または後に、前記メタル膜をパターニングしてメタルゲート電極を形成する工程。
44. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) forming a gate insulating film made of a metal oxide having a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm on the main surface of the silicon substrate and having a dielectric constant larger than that of silicon dioxide; (b) After forming a metal film containing refractory metal as a main component on the gate insulating film, the moisture / hydrogen partial pressure ratio is set to a ratio that does not substantially oxidize the refractory metal and oxidizes silicon. Repairing defects in the gate insulating film directly under the metal film by heat-treating a main surface of the silicon substrate on which the metal oxide is formed in a gas atmosphere containing water and hydrogen. c) A step of patterning the metal film to form a metal gate electrode before or after the step of repairing defects in the gate insulating film.
45.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記44項において、前記高融点金属は、モリブデンまたはタングステンである。
45. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
46.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記44または45項において、前記金属酸化物は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化アルミニウムまたはBSTである。
46. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the
47.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)シリコン基板の主面上に第1高融点金属膜を形成する工程、(b)前記第1高融点金属膜上に第2高融点金属を主要な成分とするメタル膜を形成した後、水分/水素分圧比が前記第2高融点金属を実質的に酸化せず、前記第1高融点金属を酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において熱処理を行ない、前記第1高融点金属をその酸化物に変換することによって、前記シリコン基板の表面に二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有するゲート絶縁膜を形成する工程、(c)前記熱処理工程の前または後に、前記メタル膜をパターニングしてメタルゲート電極を形成する工程。
47. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) forming a first refractory metal film on the main surface of the silicon substrate; (b) after forming a metal film containing a second refractory metal as a main component on the first refractory metal film. The heat treatment is performed in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen set to such a ratio that the moisture / hydrogen partial pressure ratio does not substantially oxidize the second refractory metal and oxidizes the first refractory metal. Forming a gate insulating film having a thickness less than 5 nm on the surface of the silicon substrate by converting the first refractory metal into its oxide; and (c) the heat treatment step. A step of patterning the metal film before or after forming a metal gate electrode.
48.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記47項において、前記高融点金属は、モリブデンまたはタングステンである。 48. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the item 47, the refractory metal is molybdenum or tungsten.
49.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記47または48項において、前記第1高融点金属は、チタン、ジルコニウム、ハフニウムまたはタンタルである。 49. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the item 47 or 48, the first refractory metal is titanium, zirconium, hafnium or tantalum.
50.以下の工程からなる半導体集積回路装置の製造方法;
(a)シリコン基板の主面上に高融点金属膜を形成した後、水分/水素分圧比が前記高融点金属膜を実質的に酸化しないような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において熱処理を行ない、前記基板と前記高融点金属膜との界面に二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有する酸化シリコンからなるゲート絶縁膜を形成する工程、(b)前記熱処理工程の前または後に、前記高融点金属膜をパターニングしてメタルゲート電極を形成する工程。
50. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) A gas containing water and hydrogen whose moisture / hydrogen partial pressure ratio is set to a ratio that does not substantially oxidize the refractory metal film after the refractory metal film is formed on the main surface of the silicon substrate. Performing a heat treatment in an atmosphere to form a gate insulating film made of silicon oxide having a film thickness in terms of silicon dioxide of less than 5 nm at the interface between the substrate and the refractory metal film; and (b) the heat treatment process. Forming a metal gate electrode by patterning the refractory metal film before or after the step.
51.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記50項において、前記高融点金属は、モリブデンまたはタングステンである。 51. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the item 50, the refractory metal is molybdenum or tungsten.
52.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記31〜51項のいずれか一項において、前記ゲート絶縁膜の二酸化シリコン換算膜厚は、4nm未満である。 52. 52. In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in any one of 31 to 51, the gate insulating film has a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 4 nm.
53.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記31〜52項のいずれか一項において、前記ゲート絶縁膜の二酸化シリコン換算膜厚は、3nm未満である。
53. In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in any one of the
54.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記31〜53項のいずれか一項において、前記ゲート絶縁膜の二酸化シリコン換算膜厚は、1.5nm〜2nmである。 54. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the gate insulating film has a silicon dioxide equivalent film thickness of 1.5 nm to 2 nm.
55.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記31〜54項のいずれか一項において、前記メタルゲート電極のゲート長は、0.25μm以下である。
55. In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in any one of the
56.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記31〜55項のいずれか一項において、前記メタルゲート電極のゲート長は、0.18μm以下である。
56. In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the gate length of the metal gate electrode is 0.18 μm or less in any one of the
57.本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記31〜56項のいずれか一項において、前記メタルゲート電極のゲート長は、0.1μm以下である。
57. In the method for producing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the gate length of the metal gate electrode is 0.1 μm or less in any one of the
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.
本願の一発明によれば、極薄ゲート絶縁膜上にメタルゲート電極を形成したMISFETの信頼性および製造歩留まりを向上させることができる。 According to one invention of the present application, the reliability and manufacturing yield of a MISFET in which a metal gate electrode is formed on an ultrathin gate insulating film can be improved.
本願の一発明によれば、酸化シリコンよりも誘電率が高い金属酸化物を含むゲート絶縁膜上にメタルゲート電極を形成したMISFETの信頼性および製造歩留まりを向上させることができる。 According to one invention of the present application, it is possible to improve the reliability and manufacturing yield of a MISFET in which a metal gate electrode is formed on a gate insulating film containing a metal oxide having a dielectric constant higher than that of silicon oxide.
本願の一発明によれば、二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有する高品質なゲート絶縁膜を歩留まりよく形成することできるので、CMOS−LSIの高集積化を推進することができる。 According to one invention of the present application, since a high-quality gate insulating film having a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm can be formed with a high yield, high integration of CMOS-LSI can be promoted.
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。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。 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. In the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.
さらに、以下の実施の形態では、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲などを含む)に言及する場合、特に明示したときおよび原理的に明らかに特定の数に限定されるときを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等を含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 Further, in the following embodiments, when necessary for convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments, but they are not irrelevant to each other unless otherwise specified. The other part or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like are related. Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), except when explicitly stated and in principle limited to a specific number in principle. It is not limited to the specific number, and may be a specific number or more. Furthermore, in the following embodiments, it is needless to say that the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily essential unless explicitly stated and clearly considered essential in principle. Yes.
同様に、以下の実施の形態において、構成要素などの形状、位置関係などに言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合を除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes and positional relationships of components and the like, the shapes and the like of the components are substantially the same unless explicitly stated or otherwise apparent in principle. Including those that are approximate or similar to. The same applies to the above numerical values and ranges.
また、本願で半導体集積回路装置(あるいは電子装置、電子回路装置など)というときは、シリコンウエハ上に作られるものだけでなく、特にそうでない旨明示された場合を除き、SOI(Silicon On Insulator)基板、TFT液晶などの他の基板上に作られるものも含むものとする。 In addition, the term “semiconductor integrated circuit device” (or an electronic device, an electronic circuit device, etc.) in this application is not limited to a device manufactured on a silicon wafer, but unless otherwise specified, an SOI (Silicon On Insulator). Also included are those made on other substrates such as substrates and TFT liquid crystals.
(実施の形態1)
本実施形態は、nチャネル型MISFETとpチャネル型MISFETとで集積回路を構成するCMOS−ロジックLSIの製造に適用したものである。
(Embodiment 1)
The present embodiment is applied to the manufacture of a CMOS-logic LSI in which an n-channel MISFET and a p-channel MISFET constitute an integrated circuit.
まず、図1に示すように、比抵抗が10Ωcm程度の単結晶シリコン基板(以下、基板あるいはウエハという)1を850℃程度で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を形成し、続いて酸化シリコン膜2の上部にCVD(Chemical Vapor Deposition)法で膜厚120nm程度の窒化シリコン膜3を堆積した後、フォトレジスト膜(図示しない)をマスクにしたドライ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。
First, as shown in FIG. 1, a single crystal silicon substrate 1 (hereinafter referred to as substrate or wafer) 1 having a specific resistance of about 10 Ωcm is heat-treated at about 850 ° C., and a thin
上記酸化シリコン膜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熱処理するときに基板1に加わるストレスを緩和したり、イオン注入による基板1表面のダメージを緩和したりする目的で形成する。また、窒化シリコン膜3は、その下部(活性領域)の基板1表面の酸化を防止する保護膜および素子分離溝内に埋め込まれる酸化シリコン膜の表面を研磨する際のストッパとして使用する。
The
次に、図2に示すように、窒化シリコン膜3をマスクにしたドライエッチングで素子分離領域の基板1に深さ350nm程度の素子分離溝4を形成した後、上記のエッチングで素子分離溝4の内壁に生じたダメージ層を除去するために基板1を約1000℃で熱処理し、素子分離溝4の内壁に膜厚10nm程度の薄い酸化シリコン膜5を形成する。
Next, as shown in FIG. 2, an
次に、図3に示すように、上記素子分離溝4の内部に酸化シリコン膜6を埋め込んだ後、その表面を平坦化する。酸化シリコン膜6の埋め込みおよび平坦化を行うには、まず基板1上にCVD法で膜厚600nm程度の酸化シリコン膜6を堆積した後、酸化シリコン膜6の膜質を改善するために基板1を約1000℃で熱処理する。次に、窒化シリコン膜3をストッパに用いた化学機械研磨(ChemicalMechanical Polishing;CMP)法で酸化シリコン膜6を研磨し、素子分離溝4の内部のみに酸化シリコン膜6を残す。
Next, as shown in FIG. 3, after the
次に、基板1の活性領域上に残った窒化シリコン膜3を熱リン酸を用いたウェットエッチングで除去した後、図4に示すように、基板1の一部にB(ホウ素)をイオン注入してp型ウエル7を形成し、他の一部にP(リン)をイオン注入してn型ウエル8を形成する。
Next, after removing the
次に、p型ウエル7およびn型ウエル8のそれぞれの表面近傍にMISFETのしきい値電圧(Vth)を調整するための不純物(BまたはP)をイオン注入した後、図5に示すように、p型ウエル7およびn型ウエル8のそれぞれの表面の酸化シリコン膜2をHF(フッ酸)系の洗浄液で除去することによって、活性領域の基板1(p型ウエル7およびn型ウエル8)の表面を露出させる。
Next, an impurity (B or P) for adjusting the threshold voltage (Vth) of the MISFET is ion-implanted in the vicinity of the surface of each of the p-
次に、上記p型ウエル7およびn型ウエル8のそれぞれの表面に、以下のような方法でゲート絶縁膜を形成する。
Next, a gate insulating film is formed on the surface of each of the p-
一般に、MISデバイスの高速化、高性能化を実現するためには、MISFETを微細化するにつれてゲート絶縁膜を薄膜化する必要があり、例えばゲート長が0.25μm〜0.2μm程度のロジックデバイス用MISFETの場合は、膜厚5nm未満のゲート絶縁膜が要求される。また、MISデバイスの種類にもよるが、ゲート長が0.18μm〜0.14μm程度の場合は4nm未満、さらにゲート長が0.13μm〜0.1μm程度の場合は3nm未満のゲート絶縁膜が要求される。 In general, in order to realize high-speed and high-performance MIS devices, it is necessary to reduce the gate insulating film as the MISFET is miniaturized. For example, a logic device having a gate length of about 0.25 μm to 0.2 μm In the case of the MISFET for use, a gate insulating film having a thickness of less than 5 nm is required. Depending on the type of MIS device, a gate insulating film with a gate length of less than 4 nm when the gate length is about 0.18 μm to 0.14 μm, and a gate insulating film with a thickness of less than 3 nm when the gate length is about 0.13 μm to 0.1 μm. Required.
周知のように、単結晶シリコン基板の表面を高温で酸化してゲート絶縁膜(ゲート酸化膜)を形成する方法として、酸素雰囲気中で水素を燃焼させて水分を生成し、この水分を酸素と共に基板表面に供給して酸化膜を形成するウエット酸化(パイロジェニック酸化)法がある。しかし、この燃焼方式を利用した酸化膜形成方法では、膜厚が5nm未満で、かつ高品質の極薄ゲート絶縁膜を再現性よく形成することが難しい。 As is well known, as a method of oxidizing the surface of a single crystal silicon substrate at a high temperature to form a gate insulating film (gate oxide film), hydrogen is burned in an oxygen atmosphere to generate moisture, and this moisture is combined with oxygen. There is a wet oxidation (pyrogenic oxidation) method in which an oxide film is formed by supplying to the substrate surface. However, in the oxide film forming method using this combustion method, it is difficult to form a high-quality ultrathin gate insulating film having a film thickness of less than 5 nm with good reproducibility.
すなわち、燃焼方式を利用した上記の酸化膜形成方法は、酸化種である水+酸素混合ガスの水分濃度が18〜40%程度の高濃度範囲内でしか制御できない。そのため、このような水分濃度の水+酸素混合ガス雰囲気中で熱処理を行うと、水分に起因するOH基や水素が酸化膜中に多量に取り込まれ、シリコン基板との界面にSi−H結合やSi−OH結合などの構造欠陥が生じ易い。そして、この構造欠陥はホットキャリア注入などの電圧ストレスの印加により切断されて電荷トラップを形成し、しきい値電圧の変動や絶縁耐圧の低下といった電気特性の劣化を引き起こす。 That is, the above oxide film forming method using the combustion method can be controlled only within a high concentration range in which the water concentration of the water + oxygen mixed gas as the oxidizing species is about 18 to 40%. Therefore, when heat treatment is performed in a water + oxygen mixed gas atmosphere having such a moisture concentration, a large amount of OH groups and hydrogen due to moisture are taken into the oxide film, and Si—H bonds and Structural defects such as Si—OH bonds are likely to occur. This structural defect is cut by application of voltage stress such as hot carrier injection to form a charge trap, which causes deterioration of electrical characteristics such as variation in threshold voltage and reduction in dielectric strength.
また、薄い熱酸化膜を均一な膜厚で再現性よく形成するためには、比較的厚い酸化膜を形成するときに比べて膜の成長速度を下げ、より安定な酸化条件で成膜を行う必要がある。ところが、上記の燃焼方式の場合は水分濃度が高いために膜の成長速度が速く、極めて短時間に膜が形成されてしまうので、膜厚が5nm未満の極薄酸化膜を安定に形成することができない。 In addition, in order to form a thin thermal oxide film with a uniform film thickness and good reproducibility, the film growth rate is reduced compared to when a relatively thick oxide film is formed, and the film is formed under more stable oxidation conditions. There is a need. However, in the case of the above combustion method, since the moisture concentration is high, the growth rate of the film is high, and the film is formed in an extremely short time. Therefore, it is possible to stably form an ultrathin oxide film having a film thickness of less than 5 nm. I can't.
さらに、清浄なゲート絶縁膜を形成するためには、シリコン基板の表面に形成される低品質の酸化膜をあらかじめウエット洗浄で除去する必要があるが、このウエット洗浄を行ってから基板(ウエハ)を酸化するまでの間には、その表面に薄い自然酸化膜(native oxide)が不可避的に形成される。さらに酸化工程では、本来の酸化が行われる前に酸化種中の酸素との接触によって基板の表面に不所望な初期酸化膜が形成される。特に、前記の燃焼方式の場合は、水素が爆発する危険を回避するためにあらかじめ酸素を十分に流してから水素を燃焼させるので、基板の表面が酸素に曝される時間が長くなり、初期酸化膜が厚く形成されてしまう。 Furthermore, in order to form a clean gate insulating film, it is necessary to remove in advance a low-quality oxide film formed on the surface of the silicon substrate by wet cleaning. After this wet cleaning, the substrate (wafer) A thin native oxide is inevitably formed on the surface of the substrate until it is oxidized. Further, in the oxidation step, an undesired initial oxide film is formed on the surface of the substrate by contact with oxygen in the oxidizing species before the original oxidation is performed. In particular, in the case of the above-described combustion method, in order to avoid the danger of hydrogen explosion, the hydrogen is burned after sufficiently flowing oxygen in advance, so that the time during which the surface of the substrate is exposed to oxygen becomes longer and the initial oxidation is performed. A film is formed thick.
このように、実際のゲート酸化膜は、本来の熱酸化によって形成される酸化膜の他に自然酸化膜と初期酸化膜とを含んだ構成になっているが、これらの自然酸化膜や初期酸化膜は、目的とする本来の酸化膜に比べて低品質である。従って、高品質のゲート絶縁膜を得るためには、酸化膜中に占めるこれら低品質の酸化膜の割合をできるだけ低くしなければならないが、燃焼方式によって薄い酸化膜を形成した場合には、これら低品質の絶縁膜の割合がむしろ増加してしまう。 As described above, the actual gate oxide film includes the natural oxide film and the initial oxide film in addition to the oxide film formed by the original thermal oxidation. The film is of lower quality than the intended original oxide film. Therefore, in order to obtain a high-quality gate insulating film, the proportion of these low-quality oxide films in the oxide film must be as low as possible. However, when a thin oxide film is formed by the combustion method, The proportion of low-quality insulating films will rather increase.
例えば燃焼方式によって膜厚が9nmの酸化膜を形成したときに、この酸化膜中の自然酸化膜と初期酸化膜の膜厚がそれぞれ0.7nm、0.8nmであったとすると、本来の酸化膜の膜厚は、9−(0.7+0.8)=7.5nmとなるので、この酸化膜中に占める本来の酸化膜の割合は約83.3%になる。ところが、この燃焼方法を用いて膜厚が4nmの酸化膜を形成した場合、自然酸化膜と初期酸化膜の膜厚はそれぞれ0.7nm、0.8nmと変わらないので、本来の酸化膜の膜厚は、4−(0.7+0.8)=2.5nmとなり、その割合は62.5%に低下してしまう。すなわち、従来の燃焼方式(パイロジェニック酸化方式)によって極薄酸化シリコン膜を形成しようとすると、膜厚の均一性や再現性が確保できなくなるのみならず、膜の品質も低下する。 For example, when an oxide film having a film thickness of 9 nm is formed by a combustion method, if the film thickness of the natural oxide film and the initial oxide film in the oxide film are 0.7 nm and 0.8 nm, respectively, the original oxide film Therefore, the ratio of the original oxide film in the oxide film is about 83.3%. However, when an oxide film having a film thickness of 4 nm is formed by using this combustion method, the film thicknesses of the natural oxide film and the initial oxide film are not different from 0.7 nm and 0.8 nm, respectively. The thickness is 4- (0.7 + 0.8) = 2.5 nm, and the ratio decreases to 62.5%. That is, when an ultra-thin silicon oxide film is formed by the conventional combustion method (pyrogenic oxidation method), not only the uniformity and reproducibility of the film thickness cannot be secured, but also the film quality is lowered.
そこで本実施形態では、以下に説明する方法によって高品質な極薄ゲート絶縁膜を形成する。ただし、ゲート絶縁膜の形成は、この方法に限定されるものではなく、後述する水分+水素混合ガスを使って形成することもできる。 Therefore, in this embodiment, a high-quality ultra-thin gate insulating film is formed by the method described below. However, the formation of the gate insulating film is not limited to this method, and the gate insulating film can also be formed using a water + hydrogen mixed gas described later.
図6は、ゲート絶縁膜の形成に使用する枚葉式の成膜装置100を示す概略図である。図示のように、この成膜装置100は、ゲート絶縁膜の形成に先だって基板(ウエハ)1の表面の酸化膜をウェット洗浄方式で除去する洗浄装置101を備えている。このような洗浄−酸化一貫処理システムを採用することにより、洗浄装置101内で洗浄処理に付されたウエハ1を大気に接触させることなく、かつ短時間で成膜装置100へ搬送できるので、不要な酸化シリコン膜2を除去してからゲート絶縁膜を形成するまでの間にウエハ1の表面に不所望な自然酸化膜が形成されるのを極力抑制することができる。
FIG. 6 is a schematic view showing a single-wafer type
洗浄装置101のローダ102にロードされたウエハ1は、まず洗浄室103に搬送され、例えばNH4OH+H2O2+H2Oなどの洗浄液による洗浄処理に付された後、フッ酸洗浄室104に搬送され、希フッ酸(HF+H2O)による洗浄処理に付されて表面の酸化シリコン膜2が除去される。その後、ウエハ1は乾燥室105に搬送されて乾燥処理に付され、表面の水分が除去される。ウエハ1の表面に残留した水分は、ゲート絶縁膜中やゲート絶縁膜/シリコン基板界面にSi−H、Si−OHなどの構造欠陥を引き起こして電荷トラップを形成する原因となるので、十分に除去しておく必要がある。
The
乾燥処理の終わったウエハ1は、直ちに成膜装置100のバッファ106に搬送される。この成膜装置100は、例えば酸化膜形成室107、酸窒化膜形成室108、熱処理室109、ローダ/アンローダ110、メタル膜形成室111などを備えたマルチチャンバ方式で構成されており、装置中央の搬送系112は、ウエハ1を上記各処理室に(から)搬入(搬出)するためのロボットハンド113を備えている。搬送系112の内部は、大気の混入によってウエハ1の表面に自然酸化膜が形成されるのを極力抑制するために、窒素などの不活性ガス雰囲気に保たれる。また、搬送系112の内部は、ウエハ1の表面に水分が付着するのを極力抑制するために、ppbレベルの超低水分雰囲気に保たれる。成膜装置100に搬入されたウエハ1は、ロボットハンド113を介してまず酸化膜形成室107に1枚あるいは2枚単位で搬送される。
The
図7(a)は、酸化膜形成室107の具体的な構成の一例を示す概略平面図、図7(b)は、図7(a)のB−B’線に沿った断面図である。
FIG. 7A is a schematic plan view showing an example of a specific configuration of the oxide
この酸化膜形成室107は、多重壁石英管で構成されたチャンバ120を備えており、その上部および下部にはウエハ1を加熱するランプ130が設置されている。チャンバ120の内部には、このランプ130から供給される熱をウエハ1の全面に均等に分散させる円盤状の均熱リング122が設置され、その上部にウエハ1を水平に保持するサセプタ123が載置されている。均熱リング122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120の壁面から延びる支持アーム124によって支持されている。均熱リング122の近傍には、サセプタ123に保持されたウエハ1の温度を測定する熱電対125が設置されている。
The oxide
チャンバ120の壁面の一部には、チャンバ120内に水、酸素およびパージガスを導入するためのガス導入管126の一端が接続されている。このガス導入管126の他端は、後述する触媒方式の水分生成装置に接続されている。ガス導入管126の近傍には、多数の貫通孔127を備えた隔壁128が設けられており、チャンバ120内に導入されたガスは、この隔壁128の貫通孔127を通過してチャンバ120内に均等に行き渡る。チャンバ120の壁面の他の一部には、チャンバ120内に導入された上記ガスを排出するための排気管129の一端が接続されている。
One end of a
図8は、上記酸化膜形成室107のチャンバ120に接続された触媒方式の水分+酸素混合ガス生成装置140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およびこのコイル(または曲面対向板)142を加熱するヒータ143が設置されている。
FIG. 8 is a schematic view showing a catalytic moisture + oxygen mixed
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。配管145の途中には、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(または曲面対向板)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分を生成する(2H*+O*→H2O)。この水分は、接続部148内で酸素と混合されて低濃度に希釈され、前記ガス導入管126を通って酸化膜形成室107のチャンバ120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水分+酸素混合ガス生成装置140は、水分の生成に関与する水素と酸素の量を高精度に制御できるので、酸素と共に酸化膜形成室107のチャンバ120に導入される水分濃度をppt以下の極超低濃度から数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分が生成するので、所望する水分濃度がリアルタイムで得られる。従って、反応器141内に水素と酸素を同時に導入することができ、燃焼方式を採用する従来の水分生成システムのように、水素の導入に先立って酸素を導入する必要はない。なお、反応器141内の触媒金属は、水素や酸素をラジカル化できるものであれば前述した金属以外の材料を使用してもよい。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てその内部にプロセスガスを通してもよい。
The catalyst-type water + oxygen mixed
上記成膜装置100を使ってゲート絶縁膜を形成するには、まず酸化膜形成室107のチャンバ120を開放し、その内部にパージガス(窒素またはAr)を導入しながらウエハ1をサセプタ123の上にロードする。その後、チャンバ120を閉鎖し、引き続きパージガスを導入してチャンバ120内のガス交換を十分に行う。サセプタ123は、ウエハ1が速やかに加熱されるよう、あらかじめランプ130で加熱しておく。ウエハ1の加熱温度は、800〜900℃の範囲内、好ましくは850℃程度とする。ウエハ1の温度が800℃以下ではゲート絶縁膜の品質が低下し、900℃以上ではウエハ1の表面が荒れ易くなる。
In order to form a gate insulating film using the
次に、水分+酸素混合ガス生成装置140の反応器141に酸素と水素とを導入し、生成した水分を酸素と共にチャンバ120に導入してウエハ1の表面を数分間酸化することによって、ウエハ1の表面に酸化シリコンからなるゲート絶縁膜9Aを形成する(図9)。
Next, oxygen and hydrogen are introduced into the
成膜装置100の反応器141に酸素と水素とを導入する際は、水素を酸素より先に導入しないようにする。水素を酸素より先に導入すると、未反応の水素が高温のチャンバ120に流入するため危険である。他方、酸素を水素より先に導入すると、この酸素がチャンバ120に流入し、待機中のウエハ1の表面に低品質の酸化膜(初期酸化膜)を形成する。従って、水素は酸素と同時に導入するか、あるいは作業の安全性を考慮して酸素よりも僅かに遅いタイミング(〜5秒以内)で導入する。このようにすると、ウエハ1の表面に不所望に形成される初期酸化膜の膜厚を最小限に抑制することができる。
When oxygen and hydrogen are introduced into the
図10は、酸化膜成長速度に対する水分濃度の依存性を示すグラフであり、横軸は酸化時間、縦軸は酸化膜厚を示している。図示のように、酸化膜成長速度は、水分濃度が0(ドライ酸化)のときに最も遅く、水分濃度が高くなるにつれて速くなる。従って、膜厚が5nm未満の極薄ゲート絶縁膜9Aを再現性よく、かつ均一な膜厚で形成するためには、水分濃度を低くして酸化膜成長速度を遅らせ、安定な酸化条件で成膜を行うことが有効である。
FIG. 10 is a graph showing the dependency of the moisture concentration on the oxide film growth rate, where the horizontal axis indicates the oxidation time and the vertical axis indicates the oxide film thickness. As shown in the figure, the growth rate of the oxide film is the slowest when the water concentration is 0 (dry oxidation), and increases as the water concentration increases. Therefore, in order to form the ultrathin
酸化膜形成室107のチャンバ120に導入する水分の好ましい濃度は、ドライ酸化(水分濃度=0)で形成したときよりも優れた初期耐圧が得られる濃度を下限とし、従来の燃焼方式を採用した場合の上限である40%程度までの範囲内とする。特に、膜厚が5nm未満の極薄ゲート絶縁膜9Aを均一な膜厚で再現性よく、しかも高品質で形成するためには、水分の濃度を0.5%〜5%の範囲内とするのが好ましい。
A preferable concentration of moisture introduced into the
ここで、水分+酸素混合ガスの「水分濃度」とは、チャンバ120に導入する水分+酸素混合ガスに含まれる水分の割合を百分率で示した値である。従って、例えば図11に示すように、チャンバ120に導入する酸素の流量がFO、水分の流量がFWであるとき、この水分+酸素混合ガスの水分濃度Cは、C={FW/(FW+FO)}×100(%)である。なお、チャンバ120に導入する水分+酸素混合ガスは、常圧である場合の他、減圧または高圧とする場合もある。さらに、窒素やArなどのパージガスを含む場合もある。
Here, the “moisture concentration” of the moisture + oxygen mixed gas is a value indicating the percentage of moisture contained in the moisture + oxygen mixed gas introduced into the
一方、後述する水分+水素混合ガスの「水分濃度」とは、水分+水素混合ガスに含まれる水分の対水素分圧比を百分率で示した値と定義される。すなわち、水分+水素混合ガスに含まれる水素の分圧をPH、水分の分圧をPWとしたとき、この水分+水素混合ガスの水分濃度は、(PW/PH)×100(%)である。従って、例えば水素の分圧を99、水分の分圧を1としたとき、この水分+水素混合ガスの水分濃度は、[(1/99)×100]≒1.01%である。 On the other hand, the “moisture concentration” of the water + hydrogen mixed gas described later is defined as a value indicating the partial pressure ratio of water to hydrogen contained in the water + hydrogen mixed gas as a percentage. That is, when the partial pressure of hydrogen contained in moisture and hydrogen mixed gas was P H, the partial pressure of water and P W, the water concentration of the water and hydrogen gas mixture, (P W / P H) × 100 ( %). Therefore, for example, when the partial pressure of hydrogen is 99 and the partial pressure of water is 1, the water concentration of the water + hydrogen mixed gas is [(1/99) × 100] ≈1.01%.
本実施形態では、ウエハ1の加熱温度を850℃、水分+酸素混合ガスの水分濃度を0.8%に設定してウエハ1の主面を酸化することにより、p型ウエル7およびn型ウエル8のそれぞれの表面にゲート絶縁膜9Aを形成する。ゲート絶縁膜9Aの膜厚は、次の工程でその上部に形成するゲート電極のゲート長が0.25μm〜0.2μmの場合は5nm未満、0.18μm〜0.14μmの場合は4nm未満、0.13μm〜0.1μmの場合は3nm未満とする。なお、ここでいうゲート絶縁膜9Aの膜厚とは、二酸化シリコン換算膜厚であり、実際の膜厚と一致しない場合もある。
In this embodiment, the p-
その後、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜9Aを次のような方法によって酸窒化シリコン(Oxynitride)膜に変換してもよい。すなわち、上記ゲート絶縁膜9Aが形成されたウエハ1を前記図6に示す成膜装置100の酸窒化膜形成室108に搬送し、NO(酸化窒素)あるいはN2O(亜酸化窒素)などの含窒素ガス雰囲気中で熱処理を行うことによって、酸化シリコン膜中に窒素を偏析させる。
Thereafter, the
上記の酸窒化処理は必須の工程ではないが、ゲート絶縁膜9Aの膜厚が5nm未満になるとシリコン基板との熱膨張係数差に起因して両者の界面に生じるストレスが顕在化し、ホットキャリアの発生を誘発するようになる。酸窒化シリコン膜はこのストレスを緩和するので、上記の酸窒化処理を行うと極薄ゲート絶縁膜9Aの信頼性、絶縁耐圧がさらに向上する。酸窒化シリコン膜からなるゲート絶縁膜9Aは、窒素またはアンモニアを添加した水分+酸素混合ガス中でウエハ1を熱処理することによって形成することもできる。
The above oxynitridation process is not an essential process, but when the thickness of the
次に、ゲート絶縁膜9Aが形成されたウエハ1を成膜装置100のメタル膜形成室111に搬送し、図12に示すように、ゲート絶縁膜9Aの上部にゲート電極となるべきW(タングステン)膜11Aを堆積する。W膜11Aはスパッタリング法またはCVD法で堆積し、その膜厚は50nm程度とする。また、W膜11Aに代わるゲート電極材料として、Mo膜を使用することもできる。MoはWよりもさらに電気抵抗が低い利点がある。
Next, the
酸化シリコン(または酸窒化シリコン)からなる上記ゲート絶縁膜9Aの膜中には、その成膜時に主としてSi−O結合の欠損に起因する欠陥が発生する。また、ゲート絶縁膜9Aの上部に多結晶シリコン膜のような中間層を介することなくW膜11Aを直接堆積した場合は、成膜時にW膜11Aの膜中に発生したストレスがその直下のゲート絶縁膜9Aに加わるために、両者の界面近傍のゲート絶縁膜9A中に欠陥が発生する。さらに、スパッタリング法によってゲート絶縁膜9Aの上部にW膜11Aを堆積した場合は、ゲート絶縁膜9Aの表面がスパッタされてダメージが発生したり、Wイオンが基板1に侵入してゲート絶縁膜9Aの膜厚を目減りさせたりする。他方、W膜11AをCVD法で堆積した場合は、反応ガス(WF6)中のフッ素によってゲート絶縁膜9Aの表面がエッチングされ、実際の膜厚が所望する膜厚よりも薄くなってしまう。従って、いずれの方法でW膜11Aを形成する場合でも、その直下のゲート絶縁膜9Aに欠陥が発生することは避けられない。特に、膜厚が5nm未満の極薄ゲート絶縁膜9Aは、上記のような欠陥が膜中にわずかに存在しただけでも絶縁耐圧やTDDB(Time-dependent dielectric breakdown;経時絶縁破壊)耐性が劣化し、膜の品質および信頼性が低下する。
In the film of the
そこで、次に酸化性雰囲気中でウエハ1を熱処理し、ゲート絶縁膜9Aに生じた上記の欠陥を修復する。すなわち、W膜11Aを通じてその直下のゲート絶縁膜9Aに酸素を供給し、ゲート絶縁膜9Aを構成する酸化シリコン膜に存在するSi−O結合の欠損箇所に酸素を導入して欠損箇所を補修する。
Therefore, next, the
しかし、ゲート絶縁膜9Aの欠陥修復を通常の酸化性雰囲気、例えばドライ酸素雰囲気中で行うと、ゲート絶縁膜9Aを覆っているW膜11Aも同時に酸化されてしまうのでゲート電極の抵抗が大きくなってしまう。従って、ゲート絶縁膜9Aの欠陥修復は、ゲート電極材料であるWを実質的に酸化することなしにSiのみを選択的に酸化することのできる方法で行わなければならない。
However, when the defect repair of the
図13は、水分+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(モリブデン)、Ta(タンタル)、Si、Ti(チタン)の平衡蒸気圧比を示している。 FIG. 13 is a graph showing the temperature dependence of the equilibrium vapor pressure ratio (P H2O / P H2 ) of the oxidation-reduction reaction using a water + hydrogen mixed gas, and the curves (a) to (e) in the figure are respectively The equilibrium vapor pressure ratios of W, Mo (molybdenum), Ta (tantalum), Si, and Ti (titanium) are shown.
図示のように、水分/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、W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。すなわち、水分/水素分圧比が曲線(a)と曲線(d)とに挟まれた領域にある水分+水素混合ガス雰囲気中でウエハ1を熱処理することにより、W膜11Aを酸化することなくゲート絶縁膜9Aを酸化してその欠陥を修復することができる。
As shown in the figure, by setting the water / hydrogen partial pressure ratio within a range between the curves (a) and (d), only Si is selectively oxidized without oxidizing W. be able to. That is, by performing a heat treatment on the
同様に、水分/水素分圧比を図の曲線(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。すなわち、ゲート電極材料がMoの場合は、水分/水素分圧比がこの領域の範囲内に設定された水分+水素混合ガス雰囲気中でウエハ1を熱処理することにより、Mo膜を酸化することなくゲート絶縁膜9Aの欠陥修復を行うことができる。
Similarly, by setting the moisture / hydrogen partial pressure ratio within the range between the curves (b) and (d) in the figure, only Si is selectively oxidized without oxidizing Mo. be able to. That is, when the gate electrode material is Mo, the
ゲート絶縁膜9Aの欠陥修復は、W膜11Aを形成したウエハ1を前記成膜装置100のメタル膜形成室111から熱処理室109に搬送して行う。熱処理室109のチャンバは、ゲート絶縁膜9Aの形成に用いた前記酸化膜形成室107のチャンバ101と同じ構造であるため、その図示は省略する。
The defect repair of the
図14は、上記熱処理装置109に接続された触媒方式の水分+水素混合ガス生成装置240と水素ガス除害装置250とを示す概略図である。
FIG. 14 is a schematic view showing a catalyst-type water + hydrogen mixed
水分+水素混合ガス生成装置240は、ゲート絶縁膜9Aの形成に用いた前記水分+酸素混合ガス生成装置140と類似した構造になっている。すなわち、水分+水素混合ガス生成装置240は、耐熱耐食性合金で構成された反応器241aを備えており、その内部には触媒金属からなるコイル242およびこのコイル242を加熱するヒータ243が設置されている。
The moisture + hydrogen mixed
上記反応器241a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などの不活性ガスからなるパージガスとがそれぞれガス貯留槽244a、244b、244cから配管245を通じて導入される。ガス貯留槽244a、244b、244cと配管245との間には、ガス量を調節するマスフローコントローラ246a、246b、246cと、ガスの流路を開閉する開閉バルブ247a、247b、247cとが設置され、反応器241a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 are introduced into the
反応器241a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242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分を生成する(2H*+O*→H2O)。そこで、水分が生成するモル比(水素:酸素=2:1)よりも過剰の水素を含んだ水素/酸素混合ガスを反応器241a内に導入することによって、水分+水素混合ガスを生成することができる。ここで生成した水分+水素混合ガスは、ガス導入管208を通って前記熱処理室209のチャンバに導入される。
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240は、前述した水分+酸素混合ガス生成装置140と同様、水分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、熱処理室209のチャンバに導入される水分+水素混合ガス中の水分濃度をppb オーダの極超低濃度から数10%程度の高濃度まで広範囲、かつ高精度に制御することができる。また、反応器241aにプロセスガスを導入すると瞬時に水分が生成するので、所望する水分濃度の水分+水素混合ガスがリアルタイムで得られる。これにより、異物の混入も最小限に抑えられるので、クリーンな水分+水素混合ガスを熱処理室209に導入することができる。
Since the catalyst-
ゲート絶縁膜9Aの欠陥修復を行うには、まず熱処理室209のチャンバ内にパージガス(窒素またはAr)を導入しながらウエハ1を搬入した後、チャンバを閉鎖し、引き続きパージガスを導入してチャンバ内のガス交換を十分に行ってからチャンバ内に水分+水素混合ガスを導入する。このときのウエハ1の加熱温度は、好ましくは700℃〜800℃の範囲内、より好ましくは750℃程度とする。また、水分+水素混合ガスの水分濃度は、好ましくは0.5%〜30%の範囲内、より好ましくは1%〜20%の範囲内とする。
In order to repair the defect of the
上記の条件で熱処理を行うことにより、水分+水素混合ガス中の水分に由来する酸化種(OH基)がW膜11Aを通じてゲート絶縁膜9Aに侵入し、Si−O結合の酸素不足欠陥部に酸素を供給して欠陥を修復する。また、この条件で熱処理を行ってもW膜11Aが酸化されることはないので、ゲート電極の抵抗が増加することはない。
By performing the heat treatment under the above conditions, the oxidized species (OH group) derived from the moisture in the moisture + hydrogen mixed gas enters the
なお、W膜11Aはその成膜時に膜中にストレスが蓄積されるので、W膜11Aをパターニングしてゲート電極を形成すると膜中の残留ストレスがゲート電極の側壁端部に集中し、この領域におけるゲート絶縁膜9Aのホットキャリア耐性を低下させる。ゲート絶縁膜9Aの欠陥修復のための上記熱処理を行うと、W膜11A中に蓄積されたストレスが緩和されるので、ゲート電極の形成後にその側壁端部でゲート絶縁膜9Aのホットキャリア耐性が低下する不具合を同時に抑制することができる。
Since stress is accumulated in the
上記したゲート絶縁膜9Aの欠陥修復作業が完了した後、熱処理室209内の水分+水素混合ガスは、前記図14に示す排気管211を通じて排出され、冷却器256で500℃以下に冷却された後、水素ガス除害装置250の反応器241bに導入される。このとき、配管251を通じてガス貯留槽244aから排気管211内に酸素ガスが供給され、水分+水素混合ガスと共に反応器241bに導入される。ガス貯留槽244aと配管251との間には、酸素ガスの量を調節するマスフローコントローラ246dと酸素ガスの流路を開閉する開閉バルブ247dとが設置され、反応器242bに導入される酸素ガスの量がこれらによって精密に制御される。また、排気管211の途中には、この酸素ガスが熱処理室209内に逆流するのを防止する逆止弁252が設けられている。
After the above-described defect repair work for the
水素ガス除害装置250の反応器241bは、前記ガス生成装置240の反応器241aと同様、耐熱耐食性合金で構成され、その内部には触媒金属からなるコイル242とこのコイル242を加熱するヒータ243とが設置されている。この反応器241b内に導入された水分+水素混合ガスと酸素ガスは、350〜450℃程度に加熱されたコイル242に接触して励起され、水素分子から生成した水素ラジカルと酸素分子から生成した酸素ラジカルとが速やかに反応して水分を生成する。
The
そこで、熱処理室209から排出された水分+水素混合ガスを反応器241b内に導入する際は、この混合ガス中の水素量の少なくとも1/2以上(モル比)の酸素を同時に導入し、水素ガスを完全に酸化して水に変換する。この酸素ガスは、水分+水素混合ガスの導入に先立って反応器241b内に導入しておいてもよく、あるいは配管251および排気管211を通じて反応器241b内に常時流し続けてもよい。反応器241b内で生成した水分は、過剰の酸素ガスと共に排気管253を通じて外部に排出される。この排気管253の途中には、水素ガスが完全に水に変換されたか否かを確認するための水素ガスセンサ254と、排出された高温の水分(水蒸気)を液化するための冷却器255とが設けられている。
Therefore, when the moisture + hydrogen mixed gas discharged from the
次に、図15に示すように、W膜11Aの上部にCVD法で膜厚50nm〜100nm程度の窒化シリコン膜13を堆積し、フォトレジスト膜14をマスクにしたドライエッチングで窒化シリコン膜13とW膜11Aとをパターニングすることによってゲート電極11を形成する。ゲート電極11のゲート長は、0.25μm〜0.1μmの範囲とする。Wで構成されたゲート電極11は、そのシート抵抗が2Ω/□以下になるので、MISFETの動作速度を向上させることができる。なお、W膜11Aの上部に窒化シリコン膜13を堆積した後、W膜11Aをパターニングしてゲート電極11を形成する工程に先立ち、前記水分+水素混合ガスを使った熱処理をもう一度行うことによって、窒化シリコン膜13の堆積によって生じたW膜11A中のストレスを低減してもよい。
Next, as shown in FIG. 15, a
次に、ゲート電極11の加工に用いたフォトレジスト膜14をアッシング(灰化)処理で除去した後、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フッ酸などのエッチング液で除去する。図16に示すように、このウェットエッチングを行うと、ゲート電極11の下部を除いた領域のゲート絶縁膜9Aが削られると同時に、ゲート電極11の側壁下部のゲート絶縁膜9A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にゲート絶縁膜9Aの耐圧が低下する。そこで次に、上記のウェットエッチングで削れたゲート絶縁膜9Aを再生するための熱処理(再酸化処理)を行う。なお、この再酸化処理に関連する技術として、本発明者らによる日本特願平10−138939号、日本特開平10−335652号公報およびこれに対応する米国特許出願09/086568がある。
Next, after the photoresist film 14 used for processing the
上記再酸化処理は、前述したゲート絶縁膜9Aの欠陥修復処理と同様、ゲート電極11を構成するW膜(11A)を酸化することなくSi(基板1)を酸化しなければならないため、ウエハ(基板)1を前記熱処理装置209に搬入し、触媒方式の水分+水素混合ガス生成装置240で生成した水分+水素混合ガス雰囲気中で熱処理を行う。この水分+水素混合ガスの水分濃度は、ゲート絶縁膜9Aの欠陥修復に用いた水分+水素混合ガスのそれと同じでよい。また、熱処理温度は、ゲート絶縁膜9Aの欠陥修復時の温度と同じまたはそれよりも僅かに低い温度とする。
Since the re-oxidation process has to oxidize Si (substrate 1) without oxidizing the W film (11A) constituting the
この熱処理を行うことにより基板(Si)1の表面が酸化され、前記のウェットエッチング工程で削られて薄くなったゲート酸化膜9の膜厚がエッチング前の状態に回復するために、アンダーカットされたゲート電極11の側壁端部のプロファイルが改善される(図17)。
By performing this heat treatment, the surface of the substrate (Si) 1 is oxidized, and the thickness of the
なお、上記の再酸化処理を長時間行うと、ゲート電極11の端部近傍の酸化膜厚が必要以上に厚くなり、ゲート電極11の端部でオフセットが生じたり、MISFET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11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未満の微細なMISFET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。従って、上記再酸化処理によって成長させる酸化膜の膜厚は、ゲート絶縁膜9Aの膜厚の50%増し程度を上限とするのが望ましい。
If the re-oxidation process is performed for a long time, the oxide film thickness near the end of the
前述したゲート絶縁膜9Aの欠陥修復は、W膜11Aをパターニングしてゲート電極11を形成した後に行うこともできる。すなわち、ゲート絶縁膜9Aの欠陥修復とゲート絶縁膜9Aの再酸化処理とを一括して行うこともできる。この場合、ゲート電極11の上部は窒化シリコン膜13で覆われているため、ゲート電極11の直下のゲート絶縁膜9Aには、ゲート電極11の側壁を通じて酸素が供給される。
The above-described defect repair of the
次に、図18に示すように、p型ウエル7にn型不純物、例えばP(リン)をイオン注入してゲート電極11の両側のp型ウエル7にn−型半導体領域16を形成する。また、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11の両側のn型ウエル8にp−型半導体領域17を形成する。
Next, as shown in FIG. 18, an n -
次に、図19に示すように、ゲート電極11の側壁にサイドウォールスペーサ18を形成する。サイドウォールスペーサ18は、例えば基板1上にCVD法で堆積した膜厚50nm程度の窒化シリコン膜を異方的にエッチングし、この窒化シリコン膜をゲート電極11の側壁に残すことによって形成する。
Next, as shown in FIG. 19,
次に、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+型半導体領域20(ソース、ドレイン)を形成し、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p+型半導体領域21(ソース、ドレイン)を形成する。ここまでの工程により、p型ウエル7にnチャネル型MISFETQnが形成され、n型ウエル8にpチャネル型MISFETQpが形成される。
Next, an n type impurity such as As (arsenic) is ion-implanted into the p type well 7 to form an n + type semiconductor region 20 (source and drain), and a p type impurity such as B (boron) is formed in the n type well 8. ) Is ion-implanted to form a p + type semiconductor region 21 (source, drain). Through the steps so far, the n-channel MISFET Qn is formed in the p-
次に、図20に示すように、基板1上にCVD法で酸化シリコン膜22を堆積し、化学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(図示せず)をマスクにして酸化シリコン膜22をドライエッチングすることにより、n+型半導体領域20(ソース、ドレイン)の上部にコンタクトホール23形成し、p+型半導体領域21(ソース、ドレイン)の上部にコンタクトホール24を形成する。
Next, as shown in FIG. 20, a
次に、図21に示すように、酸化シリコン膜22の上部にCVD法またはスパッタリング法でW膜を堆積した後、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにしてW膜をパターニングすることにより、酸化シリコン膜22の上部に配線25〜30を形成する。
Next, as shown in FIG. 21, after depositing a W film on top of the
(実施の形態2)
酸化シリコンからなるゲート絶縁膜の上部にW膜やMo膜などのメタル膜を直接堆積して熱処理を行うと、両者の界面に高抵抗のシリサイド化合物が生成し、ゲート絶縁膜の耐圧を劣化させることがある。その対策としては、ゲート電極材料であるW膜(またはMo膜)とその下部の酸化シリコンからなるゲート絶縁膜との間に両者の界面反応を防ぐ導電性バリア膜を形成する方法が周知である。この導電性バリア膜として好適な材料は、それ自身の反応性が低く、かつ耐熱性が高い導電性材料である窒化チタン(TiN)、窒化タングステン(WN)、窒化モリブデン(MoN)などの高融点金属窒化物である。また、タンタル(Ta)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)などの窒化物を使用することもできる。
(Embodiment 2)
When a metal film such as a W film or Mo film is directly deposited on the gate insulating film made of silicon oxide and heat treatment is performed, a high-resistance silicide compound is generated at the interface between the two, and the breakdown voltage of the gate insulating film is deteriorated. Sometimes. As a countermeasure, a method of forming a conductive barrier film that prevents an interfacial reaction between a W film (or Mo film) that is a gate electrode material and a gate insulating film made of silicon oxide thereunder is well known. . Suitable materials for this conductive barrier film are high melting points such as titanium nitride (TiN), tungsten nitride (WN), and molybdenum nitride (MoN), which are conductive materials having low reactivity and high heat resistance. Metal nitride. Further, nitrides such as tantalum (Ta), zirconium (Zr), and hafnium (Hf) can also be used.
W膜(またはMo膜)とその下部の酸化シリコンからなるゲート絶縁膜との間に上記導電性バリア膜を形成する場合、ゲート絶縁膜9Aの欠陥修復は、次のような方法で行う。
When the conductive barrier film is formed between the W film (or Mo film) and the gate insulating film made of silicon oxide under the W film, the defect repair of the
まず、図22に示すように、前記実施形態1と同様の方法でp型ウエル7およびn型ウエル8のそれぞれの表面に酸化シリコン(または酸窒化シリコン)からなる膜厚5nm未満のゲート絶縁膜9Aを形成した後、ゲート絶縁膜9Aの上部に導電性バリア膜12を形成し、さらに導電性バリア膜12の上部にスパッタリング法またはCVD法で膜厚50nm程度のW膜11A(またはMo膜)を形成する。導電性バリア膜12はCVD法またはスパッタリング法で堆積したWN膜、MoN膜またはTiN膜で構成し、その膜厚は5nm程度とする。
First, as shown in FIG. 22, a gate insulating film made of silicon oxide (or silicon oxynitride) having a film thickness of less than 5 nm is formed on the surface of each of the p-
次に、この状態でゲート絶縁膜9Aの欠陥を修復するための熱処理を行う。この熱処理は、ゲート電極材料であるW(またはMo)および導電性バリア膜を構成するメタル(W、TiまたはMo)を酸化することなしにSiのみを選択的に酸化できる方法で行う。
Next, in this state, heat treatment is performed to repair defects in the
例えばゲート電極材料がW、バリア材料がWNである場合は、水分/水素分圧比を前記図13の曲線(a)と曲線(d)とに挟まれた領域の範囲内に設定した水分+水素混合ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、ゲート電極材料およびバリア材料を酸化することなしにゲート絶縁膜9Aの欠陥を修復することができる。また、ゲート電極材料がMo、バリア材料がMoNである場合は、水分/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した水分+水素混合ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、ゲート電極材料およびバリア材料を酸化することなしにゲート絶縁膜9Aの欠陥を修復することができる。すなわち、これらの場合は、前記実施形態1と同様の方法でゲート絶縁膜9Aの欠陥を修復することができる。
For example, when the gate electrode material is W and the barrier material is WN, the water + hydrogen partial pressure ratio is set within the region between the curve (a) and the curve (d) in FIG. By performing the heat treatment in the mixed gas atmosphere, defects in the
一方、ゲート電極材料がW(またはMo)、バリア材料がTiNである場合、Tiは、前記図13に示すように水分+水素混合ガス雰囲気中でSiよりも酸化速度が大きいので、Tiを実質的に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。すなわち、この場合は、前記実施形態1と同様の方法でゲート絶縁膜9Aの欠陥修復を行うとバリア材料も酸化されるので、ゲート電極の抵抗が大きくなってしまう。
On the other hand, when the gate electrode material is W (or Mo) and the barrier material is TiN, Ti has a higher oxidation rate than Si in the moisture + hydrogen mixed gas atmosphere as shown in FIG. Thus, it is not possible to selectively oxidize only Si without oxidizing it. That is, in this case, when the defect repair of the
しかし、この場合も前記触媒方式の水分+水素混合ガス生成装置を使用し、水分+水素混合ガス中の水分を極く低濃度に設定することにより、TiおよびSiの酸化速度を遅くすることができるので、バリア材料の酸化を最小限にとどめてゲート電極の抵抗増加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、水分濃度が1%以下、好ましくは数ppm〜100ppm程度の水分+水素混合ガス雰囲気中で熱処理を行えばよい。 However, in this case as well, the oxidation rate of Ti and Si can be slowed by using the catalyst type water + hydrogen mixed gas generator and setting the moisture in the water + hydrogen mixed gas to a very low concentration. Therefore, the increase in resistance of the gate electrode can be suppressed within a range that does not cause a problem in practice by minimizing the oxidation of the barrier material. Specifically, the heat treatment may be performed in a moisture + hydrogen mixed gas atmosphere having a moisture concentration of 1% or less, preferably about several ppm to 100 ppm.
ゲート電極材料の酸化を防ぎ、かつバリア材料の酸化も最小限にとどめてゲート絶縁膜9Aの欠陥を修復する他の方法として、水分/水素分圧比を図13の曲線(a)(ゲート電極材料がMoの場合は(b))と曲線(d)とに挟まれた領域の範囲内に設定した水分+水素混合ガスに窒素またはアンモニアを添加したガス雰囲気中で熱処理を行う方法もある。
As another method for preventing the oxidation of the gate electrode material and repairing the defect of the
窒素またはアンモニアを添加した水分+水素混合ガス雰囲気中で熱処理を行うと、W膜11A(またはMo)膜を通じて導電性バリア膜12中にOH基と窒素とが拡散し、OH基によるTiの酸化反応と窒素によるTiの窒化反応とが競合する。そのため、導電性バリア膜12の酸化を抑制しながらゲート絶縁膜9Aの欠陥を修復することができる。この場合も、水分濃度を下げ、導電性バリア膜12の酸化速度をできるだけ遅くすることが望ましい。また、このガスを使用した場合は、酸化シリコン膜で構成されたゲート絶縁膜9Aの一部が酸窒化シリコン膜に変換されるので、極薄ゲート絶縁膜9Aの信頼性、絶縁耐圧がさらに向上する。
When heat treatment is performed in a moisture + hydrogen mixed gas atmosphere to which nitrogen or ammonia is added, OH groups and nitrogen diffuse into the
次に、図23に示すように、W膜11Aの上部にCVD法で膜厚50nm〜100nm程度の窒化シリコン膜13を堆積した後、フォトレジスト膜14をマスクにしたドライエッチングで窒化シリコン膜13とW膜11Aとをパターニングすることによりゲート電極11を形成する。その後、上記エッチングで削れたゲート絶縁膜9Aを再生するために、前記実施形態1と同様の熱処理(再酸化処理)を行う。なお、本実施形態においても、ゲート電極11を形成した後にゲート絶縁膜9Aの欠陥修復と再酸化処理とを一括して行うことができる。
Next, as shown in FIG. 23, a
(実施の形態3)
酸化シリコンからなるゲート絶縁膜を二酸化シリコン換算膜厚で5nm未満、特に3nm未満まで薄くすると、直接トンネル電流の発生やストレス起因のホットキャリアなどによる絶縁耐圧の低下が顕在化する。本実施形態では、その対策としてゲート絶縁膜を窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との複合絶縁膜で形成する。
(Embodiment 3)
When the gate insulating film made of silicon oxide is thinned to a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm, particularly less than 3 nm, a reduction in the withstand voltage due to the generation of direct tunneling current or hot carriers due to stress becomes obvious. In this embodiment, as a countermeasure, the gate insulating film is formed of a silicon nitride film or a composite insulating film of a silicon oxide film and a silicon nitride film.
窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜よりも誘電率が高いために、その二酸化シリコン換算膜厚は実際の膜厚よりも薄くなる。従って、ゲート絶縁膜を単一の窒化シリコン膜あるいはそれと酸化シリコンとの複合膜で構成することにより、酸化シリコン膜で構成されたゲート絶縁膜に比べてその実効膜厚を厚くすることができるので、上記の問題を改善することができる。また、酸化シリコン膜で構成されたゲート絶縁膜の上部にW膜を直接堆積した場合に生じる前記の問題も改善することができる。 Since the silicon nitride film has a higher dielectric constant than the silicon oxide film, the silicon dioxide equivalent film thickness is thinner than the actual film thickness. Therefore, by configuring the gate insulating film with a single silicon nitride film or a composite film of it and silicon oxide, the effective film thickness can be increased compared to the gate insulating film configured with the silicon oxide film. The above problems can be improved. In addition, the above-described problem that occurs when a W film is directly deposited on the gate insulating film made of a silicon oxide film can be improved.
ここで、単一絶縁膜または複合絶縁膜の二酸化シリコン換算膜厚(以下、単に換算膜厚ともいう)drとは、対象となる絶縁膜の比誘電率をεi、その膜厚をdi、二酸化シリコンの比誘電率をεsとしたときに、図24に示す式で定義される膜厚である。 Here, the silicon dioxide equivalent film thickness (hereinafter also simply referred to as the equivalent film thickness) dr of the single insulating film or the composite insulating film is the relative dielectric constant εi of the target insulating film, the film thickness di, When the relative dielectric constant of silicon is εs, the film thickness is defined by the equation shown in FIG.
酸化シリコン(SiO2)および窒化シリコン(Si3N4)の誘電率は、それぞれ4〜4.2および8である。そこで、窒化シリコンの誘電率を酸化シリコンの誘電率の2倍として計算すると、例えば膜厚6nmの窒化シリコン膜の二酸化シリコン換算膜厚は3nmとなる。すなわち、膜厚6nmの窒化シリコン膜からなるゲート絶縁膜と膜厚3nmの酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜とは容量が等しい。また、膜厚2nmの酸化シリコン膜と膜厚2nmの窒化シリコン膜(換算膜厚=1nm)との複合膜からなるゲート絶縁膜の容量は、膜厚3nmの単一酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜の容量と同じである。 The dielectric constants of silicon oxide (SiO 2 ) and silicon nitride (Si 3 N 4 ) are 4 to 4.2 and 8, respectively. Accordingly, when the dielectric constant of silicon nitride is calculated as twice the dielectric constant of silicon oxide, for example, the silicon nitride equivalent film thickness of a silicon nitride film having a film thickness of 6 nm is 3 nm. That is, the gate insulating film made of a silicon nitride film with a thickness of 6 nm and the gate insulating film made of a silicon oxide film with a thickness of 3 nm have the same capacitance. The capacitance of the gate insulating film made of a composite film of a silicon oxide film with a thickness of 2 nm and a silicon nitride film with a thickness of 2 nm (equivalent film thickness = 1 nm) is a gate insulation made of a single silicon oxide film with a thickness of 3 nm. It is the same as the capacity of the membrane.
ゲート絶縁膜を窒化シリコン膜(窒化シリコン膜を主成分とする単一もしくは複合絶縁膜)で構成した場合の欠陥修復は、次のような方法で行う。まず、図25に示すように、前記実施形態1と同様の方法で基板1にp型ウエル7およびn型ウエル8を形成し、続いてそれらの表面を洗浄して不要な絶縁膜を除去した後、それらの上部にCVD法で窒化シリコン膜を堆積してゲート絶縁膜9Bを形成する。この窒化シリコン膜は、プラズマCVD法で堆積するよりも、基板1に与えるダメージが少ない低圧CVD法で形成した方がよい。また、基板1の表面をプラズマ窒化処理することによって窒化シリコン膜を形成してもよい。
Defect repair in the case where the gate insulating film is composed of a silicon nitride film (single or composite insulating film mainly composed of a silicon nitride film) is performed by the following method. First, as shown in FIG. 25, the p-
上記ゲート絶縁膜9B(窒化シリコン膜)の二酸化シリコン換算膜厚は、次の工程でその上部に形成するゲート電極のゲート長が0.25μm〜0.2μm程度の場合は5nm未満、ゲート長が0.18μm〜0.14μm程度の場合は4nm未満、さらにゲート長が0.13μm〜0.1μm程度の場合は3nm未満とする。この場合、ゲート絶縁膜9B(窒化シリコン膜)の実際の膜厚は、それぞれ10nm未満、8nm未満および6nm未満である。
The silicon dioxide equivalent film thickness of the
次に、図26に示すように、ゲート絶縁膜9Bの上部にスパッタリング法またはCVD法で膜厚50nm程度のW膜11A(またはMo膜)を形成する。
Next, as shown in FIG. 26, a
窒化シリコンからなるゲート絶縁膜9Bの膜中には、その成膜時に主としてSi−N結合の欠損に起因する欠陥が発生する。また、ゲート絶縁膜9Bの上部にW膜11Aを直接堆積すると、成膜時にW膜11Aの膜中に発生したストレスがその直下のゲート絶縁膜9B(窒化シリコン膜)に加わるので、両者の界面近傍のゲート絶縁膜9B中にも欠陥が発生する。二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の極薄ゲート絶縁膜9Bは、上記のような欠陥が膜中にわずかに存在しただけでも絶縁耐圧やTDDB耐性が劣化し、膜の信頼性低下を引き起こす。
In the film of the
そこで、酸化性雰囲気中でウエハ1を熱処理し、W膜11Aを通じてその下部のゲート絶縁膜9Bに酸素を供給することによって、ゲート絶縁膜9Bの欠陥を修復する。この場合の欠陥修復は、ゲート絶縁膜9Bを構成する窒化シリコン膜に存在するSi−N結合の欠損箇所に酸素を導入し、Si−O結合を形成することによって行う。また、この欠陥修復のための熱処理は、ゲート電極材料であるWを酸化することなしにSiのみを選択的に酸化しなければならないので、前記実施形態1と同様、水分/水素分圧比を前記図13の曲線(a)と曲線(d)とに挟まれた領域の範囲内に設定した水分+水素混合ガス雰囲気中で行う。さらに、ゲート電極材料がMo膜である場合は、水分/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した水分+水素混合ガス雰囲気中で熱処理を行う。また、この水分+水素混合ガスは、その水分濃度を高精度に制御できる前記触媒方式の水分+水素混合ガス生成装置を使用して生成する。
Therefore, the
窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との複合膜からなるゲート絶縁膜9Bを形成するには、例えば基板1(p型ウエル7、n型ウエル8)の表面を熱酸化して酸化シリコン膜を形成した後、その上部にCVD法で窒化シリコン膜を堆積する。この場合も、上記水分+水素混合ガスを使って熱処理を行い、窒化シリコン膜に存在するSi−N結合の欠損箇所および酸化シリコン膜に存在するSi−O結合の欠損箇所にそれぞれ酸素を導入することによって欠陥を修復する。
In order to form the
窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との複合膜で構成されたゲート絶縁膜9Bの欠陥修復は、水分+水素混合ガスに窒素またはアンモニアを添加したガス雰囲気中で行ってもよい。この場合は、ゲート絶縁膜9Bの一部である酸化シリコン膜が酸窒化膜に変換されるので、ゲート絶縁膜9Bの信頼性および絶縁耐圧がさらに向上する。
Defect repair of the
次に、図27に示すように、W膜11Aの上部にCVD法で膜厚50nm〜100nm程度の窒化シリコン膜13を堆積した後、フォトレジスト膜14をマスクにしたドライエッチングで窒化シリコン膜13とW膜11Aとをパターニングしてゲート電極11を形成する。
Next, as shown in FIG. 27, a
(実施の形態4)
前記実施形態3では、酸化シリコン膜の約2倍の誘電率を持った窒化シリコン膜やそれを主要な成分とする絶縁膜を使ってゲート絶縁膜を形成したが、窒化シリコン膜よりもさらに高い誘電率の絶縁材料を使用した場合は、二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の絶縁膜を窒化シリコン膜よりも厚い膜厚で形成できるので、微細なMISFETの形成が一層容易になる。
(Embodiment 4)
In the third embodiment, the gate insulating film is formed using a silicon nitride film having a dielectric constant approximately twice that of the silicon oxide film or an insulating film containing the silicon nitride film as a main component, but is higher than the silicon nitride film. When an insulating material having a dielectric constant is used, an insulating film having a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm can be formed with a film thickness larger than that of the silicon nitride film, so that formation of a fine MISFET is further facilitated.
窒化シリコン膜よりも高い誘電率を有するゲート絶縁膜材料としては、酸化タンタル(Ta2O5)や酸化チタン(TiO2)などの高融点金属酸化物を挙げることができる。酸化タンタルはその誘電率が20〜25と高く、CVD法による成膜も容易であることから、従来よりDRAM(Dynamic Random Access Memory)のキャパシタ材料などに使用されており、既存の半導体製造プロセスとの整合性が高い。また、誘電率が80〜120とさらに高い酸化チタンも、Tiがシリサイド材料として半導体製造プロセスで使用されているので、既存の半導体製造プロセスとの整合性が高い。その他、チタンと同じ4A族金属であるジルコニウム(Zr)やハフニウム(Hf)の酸化物(ZrO2、HfO2)も酸化チタンとほぼ同程度の高い誘電率を有しており、かつ化学的も安定であることから、極薄ゲート絶縁膜材料として使用することができる。 As a gate insulating film material having a dielectric constant higher than that of a silicon nitride film, refractory metal oxides such as tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) and titanium oxide (TiO 2 ) can be given. Tantalum oxide has a high dielectric constant of 20 to 25 and can be easily formed by CVD, so it has been used for DRAM (Dynamic Random Access Memory) capacitor materials. Is highly consistent. Further, titanium oxide having a dielectric constant of 80 to 120, which is even higher, is highly compatible with existing semiconductor manufacturing processes because Ti is used as a silicide material in the semiconductor manufacturing process. In addition, zirconium (Zr) and hafnium (Hf) oxides (ZrO 2 , HfO 2 ), which are the same group 4A metals as titanium, also have a high dielectric constant substantially the same as titanium oxide, and are chemically Since it is stable, it can be used as an ultra-thin gate insulating film material.
例えば、酸化チタンで構成されたゲート絶縁膜を有するMISFETを形成するには、まず図28に示すように、前記実施形態1と同様の方法で基板1にp型ウエル7およびn型ウエル8を形成し、続いてそれらの表面を洗浄して不要な絶縁膜を除去した後、それらの上部にスパッタリング法で酸化チタン膜を堆積してゲート絶縁膜9Cを形成する。このとき、酸化チタン膜の膜厚を約40nm〜60nmとすることにより、二酸化シリコン換算膜厚が2nmのゲート絶縁膜9Cが得られる。
For example, in order to form a MISFET having a gate insulating film made of titanium oxide, first, as shown in FIG. 28, a p-
次に、図29に示すように、ゲート絶縁膜9Cの上部にスパッタリング法またはCVD法で膜厚50nm程度のW膜11A(またはMo膜)を形成する。
Next, as shown in FIG. 29, a
上記ゲート絶縁膜9Cを構成する酸化チタンのような結晶性金属酸化物は、成膜直後の膜中に電流のリークパスとなる欠陥(主として結晶中や結晶粒界に存在する酸素欠損)を多く含んでいる。また、ゲート絶縁膜9Cの上部にW膜11Aを直接堆積すると、成膜時にW膜11Aの膜中に発生したストレスがその直下のゲート絶縁膜9Cに加わるため、両者の界面近傍のゲート絶縁膜9Cにも欠陥が発生する。従って、ゲート絶縁膜としての使用に耐える絶縁特性を持った酸化チタン膜を得るためには、これらの欠陥を修復する必要がある。
The crystalline metal oxide such as titanium oxide constituting the
酸化チタンのような高融点金属酸化物からなるゲート絶縁膜9Cの欠陥を修復するには、酸化性雰囲気中で基板1を熱処理し、W膜11Aを通じてゲート絶縁膜9Cの酸素欠損箇所に酸素を導入して膜を改質・結晶化する。
In order to repair defects in the
高融点金属酸化物が酸化チタンである場合、上記熱処理は、その上部に堆積されたゲート電極材料であるWを実質的に酸化することなしにTiを酸化する雰囲気中で行わなければならない。従って、この熱処理は、水分/水素分圧比を前記図13に示す曲線(a)と曲線(e)とに挟まれた領域の範囲内に設定した水分+水素混合ガス雰囲気中で行う必要がある。しかし、図示のように、Tiは水分+水素混合ガス雰囲気中での平衡蒸気圧曲線がSiよりも僅かに低水分分圧側にあるだけなので、水分濃度が高い水分+水素混合ガス雰囲気中で熱処理を行った場合は基板1も酸化される。その結果、ゲート絶縁膜9Cとその直下の基板1との界面に酸化シリコン膜が形成され、ゲート絶縁膜9Cの実効的な二酸化シリコン換算膜厚が大きくなる。
When the refractory metal oxide is titanium oxide, the heat treatment must be performed in an atmosphere in which Ti is oxidized without substantially oxidizing W, which is a gate electrode material deposited on the refractory metal oxide. Therefore, this heat treatment needs to be performed in a moisture + hydrogen mixed gas atmosphere in which the moisture / hydrogen partial pressure ratio is set within the range between the curves (a) and (e) shown in FIG. . However, as shown in the figure, Ti has an equilibrium vapor pressure curve in a moisture + hydrogen mixed gas atmosphere that is slightly lower in moisture partial pressure than Si, so that heat treatment is performed in a moisture + hydrogen mixed gas atmosphere having a high moisture concentration. When performing the above, the
そこで、酸化シリコン膜の成長をできるだけ抑制したいときは、前記触媒方式の水分+水素混合ガス生成装置を使い、水分+水素混合ガス中の水分を極く低濃度に設定して熱処理を行う。これにより、Siの酸化速度が遅くなるために、基板1の酸化を最小限にとどめてゲート絶縁膜9Cの欠陥を修復することができる。具体的には、水分+水素混合ガス雰囲気中の水分濃度を数ppm〜100ppm程度に設定し、400℃〜700℃の温度範囲で熱処理を行う。
Therefore, when it is desired to suppress the growth of the silicon oxide film as much as possible, heat treatment is performed by setting the moisture in the moisture + hydrogen mixed gas to an extremely low concentration using the catalyst-type moisture + hydrogen mixed gas generating apparatus. Thereby, since the oxidation rate of Si is slowed, it is possible to repair defects of the
前述したZrやHfは、Tiと同様、水分+水素混合ガス雰囲気中における酸化還元平衡曲線がSiのそれよりも低水分側にある。従って、これらの高融点金属酸化物(ZrO2、HfO2)の薄膜を基板1上に堆積したゲート絶縁膜9Cを形成した場合、その欠陥修復は、酸化チタンで構成された前記ゲート絶縁膜9Cの欠陥修復と同様の方法で行う。すなわち、水分/水素分圧比がゲート電極材料(W)を酸化せず、これらの金属(Zr、Hf)のみを選択的に酸化するような割合に設定された水分+水素混合ガス雰囲気中で熱処理を行う。
Zr and Hf described above, like Ti, have a redox equilibrium curve in a moisture + hydrogen mixed gas atmosphere on the lower moisture side than that of Si. Accordingly, when the
一方、酸化タンタルで構成されたゲート絶縁膜を有するMISFETを形成するには、まず基板1(p型ウエル7、n型ウエル8)の上部にCVD法で酸化タンタル膜を堆積してゲート絶縁膜9Cを形成する。このとき、酸化タンタル膜の膜厚を約10nm〜12nmとすることにより、二酸化シリコン換算膜厚が2nmのゲート絶縁膜9Cが得られる。
On the other hand, in order to form a MISFET having a gate insulating film made of tantalum oxide, a tantalum oxide film is first deposited by CVD on the substrate 1 (p-
酸化タンタルからなるゲート絶縁膜9Cの欠陥を修復するには、その上部に堆積されたゲート電極材料であるWを実質的に酸化することなしにTaを酸化する雰囲気中で熱処理を行う。すなわち、ゲート絶縁膜9Cの上部にW膜11Aを堆積した後、水分/水素分圧比を前記図13の曲線(a)と曲線(c)とに挟まれた領域の範囲内に設定した水分+水素混合ガス雰囲気中で基板1を熱処理する。しかし、図示のように、Taは水分+水素混合ガス雰囲気中でSiよりも酸化速度が小さいので、Siを実質的に酸化することなしにTaのみを酸化することはできない。すなわち、酸化タンタルからなるゲート絶縁膜9Cの欠陥を修復する場合は基板1も同時に酸化される。その結果、ゲート絶縁膜9Cとその直下の基板1との界面に酸化シリコン膜が形成され、ゲート絶縁膜9Cの実効的な二酸化シリコン換算膜厚が大きくなる。
In order to repair defects in the
しかし、この場合も前記触媒方式の水分+水素混合ガス生成装置を使い、水分+水素混合ガス中の水分を極く低濃度に設定して熱処理を行う。これにより、TaおよびSiの酸化速度が遅くなるために、基板1の酸化を最小限にとどめてゲート絶縁膜9Cの欠陥を修復することができる。具体的には、水分+水素混合ガスの水分濃度を1%〜50%程度に設定し、400℃〜700℃の温度範囲で熱処理を行う。
However, also in this case, the heat treatment is performed by using the catalyst type water + hydrogen mixed gas generator and setting the moisture in the water + hydrogen mixed gas to a very low concentration. As a result, the oxidation rate of Ta and Si is slowed, so that the oxidation of the
上記した酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル膜などの高融点金属酸化物からなるゲート絶縁膜9Cの欠陥修復は、その上部にゲート電極材料(W膜11A)を堆積する前に行ってもよい。この場合は、ゲート絶縁膜9Cを構成する金属酸化物に十分な酸素を供給することができるので、膜中の欠陥をより確実に修復することができる。ただし、W膜11Aの堆積によってゲート絶縁膜9Cに生じる欠陥を修復するためには、W膜11Aの堆積後に上記の熱処理をもう一度行う必要がある。
Defect repair of the
上記した高融点金属酸化物からなるゲート絶縁膜9Cの欠陥修復は、その上部に堆積したW膜やMo膜などをパターニングしてゲート電極を形成した後に行ってもよい。また、ゲート電極の形成前および形成後にそれぞれ行ってもよい。
The defect repair of the
金属酸化物からなるゲート絶縁膜は、誘電率が8〜10のアルミナ(Al2O3)を使って形成することもができる。また、ABO3型の広義のペロブスカイト型構造を含む高誘電体であって、動作温度において常誘電相にある金属酸化物(例えばBST(チタン酸バリウムストロンチウム)など)を使って形成することもできる。さらに、金属酸化物の2種以上を含む二元または多元酸化物を主要な成分とするものや、これらの金属酸化物と酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜との複合膜を使って形成することもできる。 The gate insulating film made of a metal oxide can also be formed using alumina (Al 2 O 3 ) having a dielectric constant of 8 to 10. Further, it can be formed using a metal oxide (for example, BST (barium strontium titanate), etc.) having a paraelectric phase at an operating temperature, which is a high dielectric material including an ABO 3 type perovskite structure. . Furthermore, it may be formed using a binary or multi-element oxide containing two or more kinds of metal oxides as a main component, or a composite film of these metal oxides and a silicon oxide film or a silicon nitride film. it can.
(実施の形態5)
酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムなど、水分+水素混合ガス雰囲気中における酸化還元反応の平衡曲線がSiのそれよりも低水分側にある高融点金属の酸化物からなるゲート絶縁膜9Cは、次のような方法によって形成することもできる。
(Embodiment 5)
The
まず、図30に示すように、前記実施形態1と同様の方法で基板1にp型ウエル7およびn型ウエル8を形成し、続いてそれらの表面を洗浄して不要な絶縁膜を除去した後、それらの上部にスパッタリング法でTi膜31を堆積する。
First, as shown in FIG. 30, the p-
次に、図31に示すように、水分/水素分圧比がSiを実質的に酸化せず、Tiのみを選択的に酸化するような割合(前記図13の曲線(d)と曲線(e)とに挟まれた領域の範囲内)に設定された水分+水素混合ガス雰囲気中で基板1を熱処理する。これにより、上記Ti膜31が酸化されて酸化チタン膜に変換される結果、酸化チタンからなるゲート絶縁膜9Cが得られる。
Next, as shown in FIG. 31, the water / hydrogen partial pressure ratio is such that Si is not substantially oxidized and only Ti is selectively oxidized (curve (d) and curve (e) in FIG. 13). The
同様の方法で酸化ジルコニウム膜(または酸化ハフニウム膜)からなるゲート絶縁膜9Cを形成する場合は、基板1上にZr膜(またはHf膜)を堆積した後、水分/水素分圧比が基板1(Si)を実質的に酸化せず、Zr(またはHf)のみを選択的に酸化するような割合に設定された水分+水素混合ガス雰囲気中で基板1を熱処理する。これにより、Zr膜(またはHf膜)が酸化されて酸化ジルコニウム膜(または酸化ハフニウム膜)に変換される結果、酸化ジルコニウム膜(または酸化ハフニウム膜)からなるゲート絶縁膜9Cが得られる。
When the
基板1上に堆積した高融点金属膜をその酸化物に変換するための熱処理は、高融点金属膜の上部にW膜などのゲート電極材料を堆積してから行ってもよい。この場合は、まず、図32に示すように、基板1(p型ウエル7およびn型ウエル8)の上部にスパッタリング法でTi膜31を堆積した後、Ti膜31の上部にスパッタリング法またはCVD法で膜厚50nm程度のW膜11A(またはMo膜)を形成する。
The heat treatment for converting the refractory metal film deposited on the
次に、水分/水素分圧比がSiを実質的に酸化せず、Tiのみを選択的に酸化するような割合(前記図13の曲線(d)と曲線(e)とに挟まれた領域の範囲内)に設定された水分+水素混合ガス雰囲気中で基板1を熱処理する。これにより、水分+水素混合ガス中の水分に由来する酸化種(OH基)がW膜11A(またはMo膜)を通じてTi膜31に侵入し、Ti膜31を酸化チタン膜に変換する結果、図33に示すように、ゲート電極材料であるW膜11A(またはMo膜)の直下に酸化チタン膜からなるゲート絶縁膜9Cが形成される。また、水分/水素分圧比が上記の割合に設定された水分+水素混合ガス雰囲気中で熱処理を行ってもW膜11A(またはMo膜)が酸化されることはないので、ゲート電極の抵抗が大きくなることはない。
Next, the ratio of the moisture / hydrogen partial pressure ratio that does not substantially oxidize Si but selectively oxidizes only Ti (in the region sandwiched between the curves (d) and (e) in FIG. 13). The
酸化ジルコニウム膜や酸化ハフニウム膜からなるゲート絶縁膜9Cも、ジルコニウム膜やハフニウム膜を上記の方法で酸化することによって形成することができる。
The
(実施の形態6)
二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有し、酸化シリコンを主要な成分とするゲート絶縁膜9Aは、次のような方法によって形成することもできる。
(Embodiment 6)
The
まず、図34に示すように、前記実施形態1と同様の方法で基板1にp型ウエル7およびn型ウエル8を形成し、続いてそれらの表面を洗浄して不要な絶縁膜を除去した後、それらの上部にスパッタリング法またはCVD法で膜厚50nm程度のW膜11A(またはMo膜)を形成する。
First, as shown in FIG. 34, a p-
次に、W膜11Aが形成された上記基板1を熱処理する。この熱処理は、水分/水素分圧比を前記図13の曲線(a)と曲線(d)とに挟まれた領域の範囲内に設定した水分+水素混合ガス雰囲気、すなわちWを酸化することなしにSiのみを選択的に酸化するように水分濃度を設定した水分+水素混合ガス雰囲気中で行う。この水分+水素混合ガスは、その水分濃度を高精度に制御できる前記触媒方式の水分+水素混合ガス生成装置を使用して生成するとよい。
Next, the
上記の熱処理を行うことにより、水分+水素混合ガス中の水分に由来する酸化種(OH基)がW膜11Aを通じて基板1に侵入し、その表面が酸化される。この結果、図35に示すように、W膜11Aと基板1との界面に極めて薄い酸化シリコン膜で構成されたゲート絶縁膜9Aが形成される。この方法によれば、膜厚1nm以下の極めて薄い酸化シリコン膜で構成されたゲート絶縁膜を形成することもできる。
By performing the above heat treatment, oxidized species (OH groups) derived from moisture in the moisture + hydrogen mixed gas enter the
なお、基板1の表面を酸化するときの熱処理温度が550℃〜600℃を越えると、W膜11Aと基板1とが反応してそれらの界面にシリサイド化合物が生成するので、このシリサイド反応が生じない低温領域で熱処理を行う必要がある。同様に、ゲート電極用のメタル膜がMoの場合は、熱処理温度が500℃を越えるとシリサイド反応が生じるので、それ以下の温度領域で熱処理を行う必要がある。
If the heat treatment temperature for oxidizing the surface of the
W膜11Aと基板1との界面に酸化シリコンからなるゲート絶縁膜9Dを形成するための熱処理は、ゲート電極を形成した後に行ってもよい。この場合は、まず、図36に示すように、基板1(p型ウエル7およびn型ウエル8)の上部にスパッタリング法またはCVD法で膜厚50nm程度のW膜11Aを形成した後、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにしてW膜11Aをドライエッチングすることにより、ゲート電極11を形成する。ゲート電極11は、Mo膜をドライエッチングして形成してもよい。
The heat treatment for forming the gate insulating film 9D made of silicon oxide at the interface between the
次に、ゲート電極11が形成された上記基板1を熱処理する。この熱処理は、水分/水素分圧比を前記図13の曲線(a)と曲線(d)とに挟まれた領域の範囲内に設定した水分+水素混合ガス雰囲気、すなわちWを酸化することなしにSiのみを選択的に酸化するように水分濃度を設定した水分+水素混合ガス雰囲気中で行う。
Next, the
上記の熱処理を行うことにより基板1の表面が酸化され、図37に示すように、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜9A’が形成される。このとき、ゲート電極11を構成するW膜(11A)を通じてゲート電極11の直下の基板1にも酸化種(OH基)が供給されるので、この領域の基板1も酸化される。しかし、ゲート電極11の直下の基板1は、他の領域の基板1に比べて酸化量が少ないため、W膜11Aと基板1との界面には極めて薄い酸化シリコン膜で構成されたゲート絶縁膜9Aが形成される。この方法によれば、膜厚1nm以下の極めて薄い酸化シリコン膜で構成されたゲート絶縁膜を形成することもできる。
By performing the above heat treatment, the surface of the
なお、この場合も、ゲート電極11を構成するW膜(11A)と基板1との界面にシリサイド化合物が生成しない温度領域で熱処理を行う必要がある。
In this case as well, it is necessary to perform heat treatment in a temperature region where no silicide compound is generated at the interface between the W film (11A) constituting the
(実施の形態7)
本実施形態は、ダマシン(Damascene)法を使ってゲート電極を形成するMISFETの製造に適用したものである。
(Embodiment 7)
The present embodiment is applied to the manufacture of a MISFET in which a gate electrode is formed using a damascene method.
まず、図38に示すように、前記実施形態1と同様の方法で基板1にp型ウエル7およびn型ウエル8を形成した後、p型ウエル7およびn型ウエル8のそれぞれの表面に残った酸化シリコン膜2の上部にCVD法で膜厚50nm程度の多結晶シリコン膜41Aを堆積する。
First, as shown in FIG. 38, after the p-
次に、図39に示すように、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにしたドライエッチングで多結晶シリコン膜41Aをパターニングしてゲート電極41を形成した後、前記実施形態1と同様の方法でゲート電極11の側壁にサイドウォールスペーサ18を形成し、さらにp型ウエル7にn+型半導体領域20(ソース、ドレイン)、n型ウエル8にp+型半導体領域21(ソース、ドレイン)をそれぞれ形成する。なお、上記ゲート電極41を構成する材料は多結晶シリコンでなくともよく、例えば窒化シリコンなど構成することもできる。
Next, as shown in FIG. 39, after patterning the
次に、図40に示すように、基板1上にCVD法で酸化シリコン膜42を堆積した後、化学機械研磨法で酸化シリコン膜42を平坦化することによって、その表面の高さをゲート電極11の高さに合わせる。
Next, as shown in FIG. 40, after the
次に、図41に示すように、酸化シリコン膜42をマスクにしたドライエッチングでゲート電極11を除去することによって、ゲート電極11の下部の基板1(p型ウエル7、n型ウエル8)表面を露出させる。
Next, as shown in FIG. 41, by removing the
次に、図42に示すように、ゲート電極11の除去によって露出した基板1(p型ウエル7、n型ウエル8)表面に膜厚1nm以下の極めて薄い酸化シリコン膜43を形成する。この酸化シリコン膜43は、水分/水素分圧比がSiを酸化するように設定された水分+水素混合ガス雰囲気中で基板1を熱処理することによって形成する。このときの水分濃度は、例えば1%〜30%程度、熱処理温度は、例えば700℃〜800℃程度とする。
Next, as shown in FIG. 42, an extremely thin
次に、図43に示すように、上記酸化シリコン膜42、43の上部に二酸化シリコン換算膜厚が1nm以下の極めて薄い酸化チタン膜44をスパッタリング法で堆積する。このとき堆積する絶縁膜は、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル膜など、前述した高誘電率のゲート絶縁膜用金属酸化物であればいずれでもよい。
Next, as shown in FIG. 43, an extremely thin
次に、図44に示すように、酸化シリコン膜42の上部の酸化チタン膜44を化学機械研磨法で除去する。これによって、次の工程でゲート電極が形成される領域の基板1(p型ウエル7、n型ウエル8)表面に酸化シリコン膜43とその上部の酸化チタン膜44との複合膜からなるゲート絶縁膜9Eが形成される。このとき、ゲート絶縁膜9Eの一部(酸化チタン膜44)は、サイドウォールスペーサ48の側壁にも形成される。
Next, as shown in FIG. 44, the
次に、上記ゲート絶縁膜9Eを構成する酸化シリコン膜43および酸化チタン膜44の欠陥を修復するための熱処理を行う。この熱処理は、水分/水素分圧比がSiおよびTiを酸化するように設定された水分+水素混合ガス雰囲気中で基板1を熱処理することによって行う。このときの水分濃度は、例えば1%〜30%程度、熱処理温度は、例えば600℃〜800℃程度とする。
Next, heat treatment for repairing defects in the
次に、図45に示すように、酸化シリコン膜42およびゲート絶縁膜9Eの上部にスパッタリング法またはCVD法でW膜を形成した後、酸化シリコン膜42の上部のW膜を化学機械研磨法で除去することによってゲート電極11を形成する。ゲート電極11は、Mo、Cu、Alなどで構成してもよい。ここまでの工程でp型ウエル7にnチャネル型MISFETQnが形成され、n型ウエル8にpチャネル型MISFETQpが形成される。
Next, as shown in FIG. 45, after a W film is formed on the
上記したダマシン法によってゲート電極11を形成した場合は、ゲート絶縁膜9Eの一部がゲート電極11にも形成されるため、ゲート電極11の側壁下部におけるゲート絶縁膜9Eの耐圧が向上する。
When the
以上、本発明者によってなされた発明を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いうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
本発明は、メタルゲート電極を備えたMISFETを有する半導体集積回路装置の製造に利用されるものである。 The present invention is used for manufacturing a semiconductor integrated circuit device having a MISFET having a metal gate electrode.
1 半導体集積回路装置用シリコン基板(ウエハ)
2 酸化シリコン膜
3 窒化シリコン膜
4 素子分離溝
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
9A〜9E ゲート絶縁膜
11A W膜
11 ゲート電極
12 導電性バリア膜
13 窒化シリコン膜
14 フォトレジスト膜
15 窒化シリコン膜
16 n−型半導体領域
17 p−型半導体領域
18 サイドウォールスペーサ
20 n+型半導体領域(ソース、ドレイン)
21 p+型半導体領域(ソース、ドレイン)
22 酸化シリコン膜
23 コンタクトホール
24 コンタクトホール
25〜30 配線
31 Ti膜
41A 多結晶シリコン膜
41 ゲート電極
42 酸化シリコン膜
43 酸化シリコン膜
44 酸化チタン膜
100 成膜装置
101 洗浄装置
102 ローダ
103 洗浄室
104 フッ酸洗浄室
105 乾燥室
106 バッファ
107 酸化膜形成室
108 酸窒化膜形成室
109 熱処理室
110 ローダ/アンローダ
111 メタル膜形成室
112 搬送系
113 ロボットハンド
120 チャンバ
122 均熱リング
123 サセプタ
124 支持アーム
125 熱電対
126 ガス導入管
127 貫通孔
128 隔壁
129 排気管
130 ランプ
140 水分+酸素混合ガス生成装置
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
148 接続部
240 水分+水素混合ガス生成装置
241a 反応器
241b 反応器
242 コイル
243 ヒータ
244a〜144c ガス貯留槽
245 配管
246a〜246e マスフローコントローラ
247a〜247e 開閉バルブ
250 水素ガス除害装置
251 配管
252 逆止弁
253 排気管
254 水素ガスセンサ
255、256 冷却器
Qn nチャネル型MOSFET
Qp pチャネル型MOSFET
1 Silicon substrate (wafer) for semiconductor integrated circuit devices
2
21 p + type semiconductor region (source, drain)
22
Qp p-channel MOSFET
Claims (16)
(a)水分と水素とを含むガス雰囲気中における酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも低水分側にある第1の高融点金属を主要な成分とする第1の膜を、ウエハの第1の主面上のシリコン表面に形成する工程、
(b)水分/水素分圧比が前記シリコン表面を実質的に酸化せず、前記第1の高融点金属を酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記第1の膜が形成された前記第1の主面に対して熱処理を行ない、前記第1の高融点金属をその酸化物に変換することによって、前記シリコン表面にゲート絶縁膜を形成する工程、
(c)前記(b)工程の前または後に、前記水分と水素とを含むガス雰囲気中における酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも高水分側にある第2の高融点金属のゲート電極を形成する工程。 A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) A first film mainly containing a first refractory metal having a redox equilibrium curve in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen on the lower moisture side than that of silicon is used as the first film of the wafer. Forming on the silicon surface on the main surface of
(B) in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen set to such a ratio that the moisture / hydrogen partial pressure ratio does not substantially oxidize the silicon surface and oxidizes the first refractory metal; Forming a gate insulating film on the silicon surface by performing a heat treatment on the first main surface on which the first film is formed and converting the first refractory metal into an oxide thereof;
(C) Before or after the step (b), a second refractory metal gate electrode having a redox equilibrium curve in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen on the higher moisture side than that of silicon is formed. Process.
(a)水分と水素とを含むガス雰囲気中における酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも低水分側にある第1の高融点金属の酸化物を主要な成分とするゲート絶縁膜を、ウエハの第1の主面上のシリコン表面に形成する工程、
(b)水分/水素分圧比が前記シリコン表面を実質的に酸化せず、前記第1の高融点金属の酸化物を生成するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記ゲート絶縁膜が形成された前記第1の主面に対して熱処理を行い、前記第1の高融点金属の酸化物に酸素を供給することによって、前記ゲート絶縁膜中の欠陥を修復する工程、
(c)前記(b)工程の前または後に、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程。 A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) A gate insulating film mainly composed of an oxide of a first refractory metal whose oxidation-reduction equilibrium curve in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen is on the moisture side lower than that of silicon is formed on the wafer. Forming on the silicon surface on the first major surface;
(B) In a gas atmosphere containing moisture and hydrogen set to such a ratio that the moisture / hydrogen partial pressure ratio does not substantially oxidize the silicon surface and generates the oxide of the first refractory metal. Then, heat treatment is performed on the first main surface on which the gate insulating film is formed, and oxygen is supplied to the first refractory metal oxide to repair defects in the gate insulating film. Process,
(C) A step of forming a gate electrode on the gate insulating film before or after the step (b).
(a)水分と水素とを含むガス雰囲気中における酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも高水分側にある第1の高融点金属を主要な成分とするメタル膜をパターニングすることによって、ウエハの第1の主面上のシリコン表面にゲート電極を形成する工程、
(b)前記ゲート電極が形成された状態で前記第1の主面に対して、水分/水素分圧比が前記ゲート電極を実質的に酸化せず、前記シリコン表面を酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において熱処理を行なうことによって、前記ゲート電極直下の前記シリコン表面に、二酸化シリコン換算膜厚が5nm未満の膜厚を有し、酸化シリコンを主要な成分とするゲート絶縁膜を形成する工程。 A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) By patterning a metal film containing a first refractory metal as a main component whose oxidation-reduction equilibrium curve in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen is on a higher moisture side than that of silicon, Forming a gate electrode on the silicon surface on the first major surface;
(B) With respect to the first main surface in a state where the gate electrode is formed, a moisture / hydrogen partial pressure ratio is set to a ratio that does not substantially oxidize the gate electrode but oxidizes the silicon surface. By performing heat treatment in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen, the silicon surface immediately below the gate electrode has a silicon dioxide equivalent film thickness of less than 5 nm, and silicon oxide is a major component. Forming a gate insulating film.
(a)水分および水素を含む雰囲気中における酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも低水分側にある第1の高融点金属を主要な成分とするゲート絶縁膜となるべき第1の膜を、ウエハの第1の主面上のシリコン表面に形成する工程、
(b)前記第1の膜が形成された状態で、前記酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも高水分側にある第2の高融点金属を主要な成分とするゲート電極となるべき第2の膜を、前記第1の膜上に形成する工程、
(c)前記第1の膜および前記第2の膜をパターニングすることによって、前記ゲート電極を形成する工程、
(d)前記ゲート電極が形成された状態で前記第1の主面に対して水分/水素分圧比が前記第2の膜を実質的に酸化せず、前記第1の膜を酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において熱処理を行い、前記第2の膜直下の前記第1の膜を酸化処理することによって、ゲート絶縁膜に形成する工程。 A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) a first film to be a gate insulating film mainly composed of a first refractory metal whose oxidation-reduction equilibrium curve in an atmosphere containing moisture and hydrogen is on the moisture side lower than that of silicon; Forming on the silicon surface on the first major surface of the wafer;
(B) In a state where the first film is formed, a second electrode to be a gate electrode whose main component is a second refractory metal whose redox equilibrium curve is on a higher moisture side than that of silicon. Forming the film on the first film,
(C) forming the gate electrode by patterning the first film and the second film;
(D) In the state where the gate electrode is formed, the water / hydrogen partial pressure ratio with respect to the first main surface does not substantially oxidize the second film and oxidizes the first film. Forming a gate insulating film by performing a heat treatment in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen set to a ratio and oxidizing the first film immediately below the second film;
(a)水分と水素とを含むガス雰囲気中における酸化還元平衡曲線がシリコンのそれよりも低水分側にある第1の高融点金属を主要な成分とする第1の膜を、ウエハの第1の主面上のシリコン表面に形成する工程、
(b)水分/水素分圧比が前記シリコン表面を実質的に酸化せず、前記第1の高融点金属を酸化するような割合に設定された水分と水素とを含むガス雰囲気中において、前記第1の膜が形成された前記第1の主面に対して熱処理を行ない、前記第1の高融点金属をその酸化物に変換することによって、前記シリコン表面にゲート絶縁膜を形成する工程、
(c)前記(b)工程の前または後に、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程。 A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device comprising the following steps;
(A) A first film mainly containing a first refractory metal having a redox equilibrium curve in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen on the lower moisture side than that of silicon is used as the first film of the wafer. Forming on the silicon surface on the main surface of
(B) in a gas atmosphere containing moisture and hydrogen set to such a ratio that the moisture / hydrogen partial pressure ratio does not substantially oxidize the silicon surface and oxidizes the first refractory metal; Forming a gate insulating film on the silicon surface by performing a heat treatment on the first main surface on which the first film is formed and converting the first refractory metal into an oxide thereof;
(C) A step of forming a gate electrode on the gate insulating film before or after the step (b).
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