JP2007201168A - 自然酸化膜の除去方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】自然酸化膜を除去する際に他の絶縁膜を大幅に後退させない自然酸化膜の除去方法と、これを用いた半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板(10a)の表面にゲート絶縁膜20aを介してゲート電極21aを形成し、ゲート電極21aの両側部において半導体基板にリセスAを形成し、さらにリセスの内壁面に形成された自然酸化膜27をエッチング処理で除去し、自然酸化膜が除去されたリセスに導電体を埋め込んで、ゲート電極の両側部に一対のソース・ドレイン領域を形成する。ここで、自然酸化膜27を除去する上記のエッチング処理において、第1処理として自然酸化膜27の表面をアンモニア及びフッ化水素を含むエッチングガスで処理し、第2処理として、第1処理で形成された生成物(錯体の層27c)を分解及び蒸発させる。
【選択図】図4
【解決手段】半導体基板(10a)の表面にゲート絶縁膜20aを介してゲート電極21aを形成し、ゲート電極21aの両側部において半導体基板にリセスAを形成し、さらにリセスの内壁面に形成された自然酸化膜27をエッチング処理で除去し、自然酸化膜が除去されたリセスに導電体を埋め込んで、ゲート電極の両側部に一対のソース・ドレイン領域を形成する。ここで、自然酸化膜27を除去する上記のエッチング処理において、第1処理として自然酸化膜27の表面をアンモニア及びフッ化水素を含むエッチングガスで処理し、第2処理として、第1処理で形成された生成物(錯体の層27c)を分解及び蒸発させる。
【選択図】図4
Description
本発明は自然酸化膜の除去方法及び半導体装置の製造方法に関し、特に、電界効果トランジスタのソース・ドレイン領域にリセスを形成してSiGe膜を埋め込む工程の前処理である自然酸化膜の除去方法と、これを用いた半導体装置の製造方法に関するものである。
半導体装置の基本的な素子であるMISFET(金属―絶縁膜―半導体電界効果トランジスタ)は、半導体装置の小型化及び高集積化を進めるにつれてますます微細化されてきている。
しかし、微細化が進むにつれてMISFETの能力向上が従来のスケーリングだけで達成するのが難しいため、例えば特許文献1などに記載されているように、ゲート長方向(ゲート電極の延伸方向と垂直な方向)に引っ張りまたは圧縮の応力を発生する応力膜を使用して応力を印加することにより、電流駆動能力を高めてMISFETの能力向上を図る技術が90nm世代以降注目されている。
上記においては、ソース・ドレイン領域の形成後にNチャネルMISFET(以降NTrとも称する)とPチャネルMISFET(以降PTrとも称する)で膜応力の異なる絶縁膜を形成しており、NTrにおいては引っ張り応力を、PTrには圧縮応力を与えて能力向上を図っている。
例えば非特許文献1に記載されているように、PTrのソース・ドレイン領域となる領域にリセスを形成し、圧縮応力を与える応力膜としてSiGe膜をエピタキシャル成長により形成する方法が知られている。
上記のPTrを有する半導体装置の製造方法について説明する。
例えば、図7(a)に示すように、n型シリコンからなる半導体基板110に、活性領域を区分するようにSTI(shallow trench isolation)型の素子分離絶縁膜111を形成する。
次に、上記の活性領域におけるシリコン半導体基板110上にゲート絶縁膜120を形成し、その上層にゲート電極121を形成し、その上層にキャップ絶縁膜122を形成する。
ゲート電極121をパターン形成した後、ゲート電極をマスクとしてp型の導電性不純物を半導体基板110の活性領域における表層部分にイオン注入することで、不図示のエクステンション領域を形成する。
次に、ゲート電極121の両側部に、第1サイドウォール絶縁膜123、第2サイドウォール絶縁膜124、及び、第3サイドウォール絶縁膜125を形成する。
例えば、図7(a)に示すように、n型シリコンからなる半導体基板110に、活性領域を区分するようにSTI(shallow trench isolation)型の素子分離絶縁膜111を形成する。
次に、上記の活性領域におけるシリコン半導体基板110上にゲート絶縁膜120を形成し、その上層にゲート電極121を形成し、その上層にキャップ絶縁膜122を形成する。
ゲート電極121をパターン形成した後、ゲート電極をマスクとしてp型の導電性不純物を半導体基板110の活性領域における表層部分にイオン注入することで、不図示のエクステンション領域を形成する。
次に、ゲート電極121の両側部に、第1サイドウォール絶縁膜123、第2サイドウォール絶縁膜124、及び、第3サイドウォール絶縁膜125を形成する。
例えば、第1サイドウォール絶縁膜123と第3サイドウォール絶縁膜125としては、TEOS(tetra-ethyl-ortho-silicate)を原料ガスとする減圧CVD(chemical vapor deposition)法により酸化シリコン膜(以下TEOS膜とも称する)を形成し、あるいは、プラズマCVD法により形成したNSG(non-doped silicate glass)である酸化シリコン膜(以下NSG膜とも称する)を形成して、第1サイドウォール絶縁膜123と第3サイドウォール絶縁膜125とする。
また、第2サイドウォール絶縁膜124としては、例えば650℃以下の成膜温度で行う低温CVD法により窒化シリコン膜(以下低温SiN膜とも称する)を形成して、第2サイドウォール絶縁膜124とする。
また、上記の素子分離絶縁膜111も、例えばNSG膜により形成する。
また、第2サイドウォール絶縁膜124としては、例えば650℃以下の成膜温度で行う低温CVD法により窒化シリコン膜(以下低温SiN膜とも称する)を形成して、第2サイドウォール絶縁膜124とする。
また、上記の素子分離絶縁膜111も、例えばNSG膜により形成する。
図7(b)に示すように、活性領域における半導体基板110の表面にドライエッチングを施し、ソース・ドレイン領域となる領域においてリセスAを形成する。
この処理の後、リセスAの内壁面には自然酸化膜127が形成される。
この処理の後、リセスAの内壁面には自然酸化膜127が形成される。
次に、図8(a)に示すように、膜厚が数nm相当の熱酸化膜を除去するDHF(Diluted Hydrofluoric Acid)によるウェットエッチング処理を行い、自然酸化膜127を除去し、さらにリセスA表面のダメージ層を除去する。
これは、次工程において、SiGe膜を選択的にエピタキシャル成長させるため、SiGe膜の成長領域の表面はシリコンが露出していることが必要であるからである。
これは、次工程において、SiGe膜を選択的にエピタキシャル成長させるため、SiGe膜の成長領域の表面はシリコンが露出していることが必要であるからである。
次に、図8(b)に示すように、シリコンが露出しているリセスAの表面に、SiGe膜を選択的にエピタキシャル成長させ、SiGe膜128を形成する。
SiGe膜128はそのままソース・ドレイン領域となり、PTrが構成される。
また、SiGe膜128はPTrのチャネル形成領域に圧縮応力を印加する応力膜であり、電流駆動能力が高められて、PTrの能力が向上する。
SiGe膜128はそのままソース・ドレイン領域となり、PTrが構成される。
また、SiGe膜128はPTrのチャネル形成領域に圧縮応力を印加する応力膜であり、電流駆動能力が高められて、PTrの能力が向上する。
ところが、上記の半導体装置の製造方法の自然酸化膜を除去する工程において、DHFウェットエッチングでは、TEOS膜、NSG膜、低温SiN膜に対するエッチングレートは、自然酸化膜に対するエッチングレートよりも大きい。
例えば、DHFウェットエッチングにおいて、TEOSやNSGは熱酸化膜の7倍以上のエッチレートであるため、熱酸化膜を2nm除去するDHFエッチング処理において、TEOSやNSGは14nm以上エッチングされることになる。
例えば、DHFウェットエッチングにおいて、TEOSやNSGは熱酸化膜の7倍以上のエッチレートであるため、熱酸化膜を2nm除去するDHFエッチング処理において、TEOSやNSGは14nm以上エッチングされることになる。
サイドウォール絶縁膜や素子分離絶縁膜がそれぞれ上記のようなエッチングレートを有することにより、図9に示すように、DHFウェットエッチングが自然酸化膜を除去する程度のエッチングであっても、このエッチングによりTEOS膜やNSG膜からなる第1サイドウォール絶縁膜123及び第3サイドウォール絶縁膜125、低温SiN膜からなる第2サイドウォール絶縁膜124、及び、NSG膜からなる素子分離絶縁膜111が、削れて後退してしまう。
上記のようにサイドウォール絶縁膜の最外壁としてTEOS膜が形成されている場合、サイドウォール絶縁膜の幅が縮小してしまう問題が生じる。
例えば、通常サイドウォール絶縁膜の幅としては、(ゲート電極間の最小ピッチ幅の1/2)−(サイドウォール絶縁膜形成後の開口部の幅10nm程度)までは形成可能である。しかし、上記の従来の方法では、DHFウェットエッチングにより14nm程度後退してしまうので、後退量を見込んで成膜しなければならなくなる。
ところが、サイドウォール絶縁膜形成後のゲート間の開口寸法を、DHFウェットエッチング処理による後退量の2倍(ここでは14×2=28nm)より小さくしようとした場合、成膜時にゲート間の開口部が埋まってしまうことになる。従って、従来技術を使った場合はゲート電極間の開口(サイドウォール絶縁膜間の距離)は最低でも28nm以上必要となってしまう。
例えば、通常サイドウォール絶縁膜の幅としては、(ゲート電極間の最小ピッチ幅の1/2)−(サイドウォール絶縁膜形成後の開口部の幅10nm程度)までは形成可能である。しかし、上記の従来の方法では、DHFウェットエッチングにより14nm程度後退してしまうので、後退量を見込んで成膜しなければならなくなる。
ところが、サイドウォール絶縁膜形成後のゲート間の開口寸法を、DHFウェットエッチング処理による後退量の2倍(ここでは14×2=28nm)より小さくしようとした場合、成膜時にゲート間の開口部が埋まってしまうことになる。従って、従来技術を使った場合はゲート電極間の開口(サイドウォール絶縁膜間の距離)は最低でも28nm以上必要となってしまう。
また、リセスエッチング時のサイドエッチングにより、第3サイドウォール絶縁膜125が後退すると、第1サイドウォール絶縁膜123の半導体基板110と接する部分が露出し、さらには後退してしまうことになり、SiGe膜をエピタキシャル成長させる工程において、SiGe膜がサイドウォール絶縁膜下部で異常成長してしまうおそれがある。
また、STI素子分離絶縁膜についても、DHFウェットエッチング処理により表面から削れて落ち込みが生じてしまい、SiGe膜のSTI素子分離絶縁膜領域へのせり出しの問題が生じる。STI素子分離絶縁膜の落ち込み量としては、SiGe膜を成長させる領域と成長させない領域とでは、DHFウェットエッチング処理の分の差が生じる。
上記のような自然酸化膜の除去に際してのTEOS膜、NSG膜、低温SiN膜の大きな後退は、上記のリセスエッチングを伴う半導体装置の製造方法以外の工程においても問題であり、これらの後退を小さくすることが求められている。
特開2005−57301号公報
P. Bai et al, "A 65nm Logic Technology Featuring 35nm Gate Lengths, Enhanced Channel Strain, 8 Cu Interconnect, Low-k ILD and 0.57 μm2 SRAM Cell", International Electron Devices Meeting, pp 657-660, 2004.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、自然酸化膜を除去する際に他の絶縁膜を大幅に後退させない自然酸化膜の除去方法と、これを用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明の自然酸化膜の除去方法は、半導体基板の表面に形成された自然酸化膜を除去する方法であって、前記自然酸化膜の表面をアンモニア及びフッ化水素を含むエッチングガスで処理する第1処理と、前記第1処理で形成された生成物を分解及び蒸発させる第2処理とを有する。
上記の本発明の自然酸化膜の除去方法は、まず、第1処理として、自然酸化膜の表面をアンモニア及びフッ化水素を含むエッチングガスで処理する。
次に、第2処理として、第1処理で形成された生成物を分解及び蒸発させる。
次に、第2処理として、第1処理で形成された生成物を分解及び蒸発させる。
また、上記の課題を解決するため、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の両側部において前記半導体基板にリセスを形成する工程と、前記リセスの内壁面に形成された自然酸化膜をエッチング処理で除去する工程と、前記自然酸化膜が除去された前記リセスに導電体を埋め込んで、前記ゲート電極の両側部に一対のソース・ドレイン領域を形成する工程とを有し、前記エッチング処理が、自然酸化膜の表面をアンモニア及びフッ化水素を含むエッチングガスで処理する第1処理と、前記第1処理で形成された生成物を分解及び蒸発させる第2処理とを含む。
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、まず、半導体基板の表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する。
次に、ゲート電極の両側部において半導体基板にリセスを形成し、さらにリセスの内壁面に形成された自然酸化膜をエッチング処理で除去する。
次に、自然酸化膜が除去されたリセスに導電体を埋め込んで、ゲート電極の両側部に一対のソース・ドレイン領域を形成する。
ここで、上記のエッチング処理において、第1処理として自然酸化膜の表面をアンモニア及びフッ化水素を含むエッチングガスで処理し、第2処理として、第1処理で形成された生成物を分解及び蒸発させる。
次に、ゲート電極の両側部において半導体基板にリセスを形成し、さらにリセスの内壁面に形成された自然酸化膜をエッチング処理で除去する。
次に、自然酸化膜が除去されたリセスに導電体を埋め込んで、ゲート電極の両側部に一対のソース・ドレイン領域を形成する。
ここで、上記のエッチング処理において、第1処理として自然酸化膜の表面をアンモニア及びフッ化水素を含むエッチングガスで処理し、第2処理として、第1処理で形成された生成物を分解及び蒸発させる。
本発明の自然酸化膜の除去方法によれば、自然酸化膜を除去する際に他の絶縁膜を大幅に後退させないで処理することができる。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板に形成されたリセスの内壁面に形成された自然酸化膜を除去する際に、他の絶縁膜を大幅に後退させないで処理することができる。
以下に、本発明の自然酸化膜の除去方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る半導体装置の断面図である。
例えば、半導体基板のn型半導体領域10aとp型半導体領域10bにおける活性領域を区分するように、STI(shallow trench isolation)型の素子分離絶縁膜11が形成されている。
上記のn型半導体領域10aにはPチャネルMISFET(PTr)が形成されており、p型半導体領域10bにはNチャネルMISFET(NTr)が形成されている。
例えば、半導体基板のn型半導体領域10aとp型半導体領域10bにおける活性領域を区分するように、STI(shallow trench isolation)型の素子分離絶縁膜11が形成されている。
上記のn型半導体領域10aにはPチャネルMISFET(PTr)が形成されており、p型半導体領域10bにはNチャネルMISFET(NTr)が形成されている。
まず、PTrについて説明する。
上記のn型半導体領域10aの活性領域上にゲート絶縁膜20aが形成され、その上層にゲート電極21aが形成され、その上層にキャップ絶縁膜22aが形成されている。
また、ゲート電極21aの両側部に、第1サイドウォール絶縁膜23a、第2サイドウォール絶縁膜24a、及び、第3サイドウォール絶縁膜25aが形成されている。
上記のn型半導体領域10aの活性領域上にゲート絶縁膜20aが形成され、その上層にゲート電極21aが形成され、その上層にキャップ絶縁膜22aが形成されている。
また、ゲート電極21aの両側部に、第1サイドウォール絶縁膜23a、第2サイドウォール絶縁膜24a、及び、第3サイドウォール絶縁膜25aが形成されている。
例えば、第1サイドウォール絶縁膜23aと第3サイドウォール絶縁膜25aは、TEOS(tetra-ethyl-ortho-silicate)を原料ガスとする減圧CVD(chemical vapor deposition)法による酸化シリコン膜(TEOS膜)あるいはプラズマCVD法によるNSG(non-doped silicate glass)である酸化シリコン膜(NSG膜)で形成されている。
また、第2サイドウォール絶縁膜24aとキャップ絶縁膜22aは、例えば650℃以下の成膜温度の低温CVD法による窒化シリコン膜(低温SiN膜)で形成されている。
また、上記の素子分離絶縁膜11も、例えばNSG膜で形成されている。
また、第2サイドウォール絶縁膜24aとキャップ絶縁膜22aは、例えば650℃以下の成膜温度の低温CVD法による窒化シリコン膜(低温SiN膜)で形成されている。
また、上記の素子分離絶縁膜11も、例えばNSG膜で形成されている。
さらに、ゲート電極21aの両側部におけるn型半導体領域10aの表面のソース・ドレイン領域となる領域においてリセスAが形成されており、リセスA内にSiGe膜28が埋め込まれて一対のソース・ドレイン領域が形成されている。
また、SiGe膜28のチャネル形成領域側におけるn型半導体領域10aの表層部分には、不図示のエクステンション領域が形成されている。
上記のようにして、PTrが構成されている。
上記のようにして、PTrが構成されている。
上記のPTrにおいて、SiGe膜28はPTrのチャネル形成領域に圧縮応力を印加する応力膜であり、電流駆動能力が高められて、能力が向上したPTrとなっている。
次に、NTrについて説明する。
上記のp型半導体領域10bの活性領域上にゲート絶縁膜20bが形成され、その上層にゲート電極21bが形成され、その上層にキャップ絶縁膜22bが形成されている。
また、ゲート電極21bの両側部に、第1サイドウォール絶縁膜23b、第2サイドウォール絶縁膜24b、及び、第3サイドウォール絶縁膜25bが形成されている。
第1サイドウォール絶縁膜23b、第2サイドウォール絶縁膜24b、第3サイドウォール絶縁膜25bは、それぞれ前述したPTrの対応するサイドウォールと同じ絶縁材料で形成されている。
上記のp型半導体領域10bの活性領域上にゲート絶縁膜20bが形成され、その上層にゲート電極21bが形成され、その上層にキャップ絶縁膜22bが形成されている。
また、ゲート電極21bの両側部に、第1サイドウォール絶縁膜23b、第2サイドウォール絶縁膜24b、及び、第3サイドウォール絶縁膜25bが形成されている。
第1サイドウォール絶縁膜23b、第2サイドウォール絶縁膜24b、第3サイドウォール絶縁膜25bは、それぞれ前述したPTrの対応するサイドウォールと同じ絶縁材料で形成されている。
さらに、ゲート電極21bの両側部におけるp型半導体領域10b中に一対のソース・ドレイン領域30が形成されている。
また、ソース・ドレイン領域30のチャネル形成領域側におけるp型半導体領域10bの表層部分には、不図示のエクステンション領域が形成されている。
上記のようにして、NTrが構成されている。
また、ソース・ドレイン領域30のチャネル形成領域側におけるp型半導体領域10bの表層部分には、不図示のエクステンション領域が形成されている。
上記のようにして、NTrが構成されている。
さらに、上記のNTrを被覆して、例えば窒化シリコンからなり、NTrに引っ張りの応力を印加する応力膜31が形成されている。
上記の応力膜31が形成されているので、電流駆動能力が高められて、能力が向上したNTrとなっている。
上記の応力膜31が形成されているので、電流駆動能力が高められて、能力が向上したNTrとなっている。
次に、上記の半導体装置の製造方法と、この製造方法に含まれる自然酸化膜の除去方法について説明する。
まず、図2(a)に示すように、例えば、半導体基板のn型半導体領域10aとp型半導体領域10bにおける活性領域を区分するように、NSG膜からなるSTI型の素子分離絶縁膜11を形成する。
上記のn型半導体領域10aがPTr形成領域Raとなり、p型半導体領域10bがNTr形成領域Rbとなる。
まず、図2(a)に示すように、例えば、半導体基板のn型半導体領域10aとp型半導体領域10bにおける活性領域を区分するように、NSG膜からなるSTI型の素子分離絶縁膜11を形成する。
上記のn型半導体領域10aがPTr形成領域Raとなり、p型半導体領域10bがNTr形成領域Rbとなる。
次に、例えば、上記のPTr形成領域RaとNTr形成領域Rbにおいて、活性領域におけるn型半導体領域10aとp型半導体領域10b上に、例えば熱酸化法によりゲート絶縁膜(20a,20b)を形成する。
次に、例えば、PTr形成領域RaとNTr形成領域Rbにおいて、ゲート絶縁膜(20a,20b)の上層に、CVD法によりポリシリコンを堆積し、さらに成膜温度650℃以下の低温CVD法により窒化シリコンを堆積し、ゲート電極のパターンにエッチング加工して、ポリシリコンからなるゲート電極(21a,21b)と低温SiN膜であるキャップ絶縁膜(22a,22b)を形成する。キャップ絶縁膜(22a,22b)は、ゲート電極となるポリシリコンをエッチングする際のマスクとなり、ハードマスクとも称せられる。
次に、例えば、PTr形成領域Raにおいて、ゲート電極21a及びキャップ絶縁膜22aをマスクとしてp型の導電性不純物をn型半導体領域10aの活性領域における表層部分にイオン注入することで、不図示のエクステンション領域を形成する。
また、例えば、NTr形成領域Rbにおいて、ゲート電極21b及びキャップ絶縁膜22bをマスクとしてn型の導電性不純物をp型半導体領域10bの活性領域における表層部分にイオン注入することで、不図示のエクステンション領域を形成する。
また、例えば、NTr形成領域Rbにおいて、ゲート電極21b及びキャップ絶縁膜22bをマスクとしてn型の導電性不純物をp型半導体領域10bの活性領域における表層部分にイオン注入することで、不図示のエクステンション領域を形成する。
次に、図2(b)に示すように、例えば、PTr形成領域RaとNTr形成領域Rbにおいて、TEOSを原料ガスとする減圧CVD法により酸化シリコン膜(TEOS膜)を堆積し、さらに650℃以下の成膜温度で行う低温CVD法により窒化シリコン膜(低温SiN膜)を堆積し、全面にエッチバックして、ゲート電極(21a,21b)の両側部に、TEOS膜である第1サイドウォール絶縁膜(23a,23b)と低温SiN膜である第2サイドウォール絶縁膜(24a,24b)を形成する。
次に、図3(a)に示すように、例えば、PTr形成領域RaとNTr形成領域Rbにおいて、TEOSを原料ガスとする減圧CVD法により酸化シリコン膜(TEOS膜)25を堆積する。
次に、図3(b)に示すように、例えば、PTr形成領域Raを開口するレジスト膜26をパターン形成し、PTr形成領域Raにおいて、例えば、TEOS膜25を全面にエッチバックして、TEOS膜である第3サイドウォール絶縁膜25aを形成する。
次に、図4(a)に示すように、例えば、PTr形成領域Raにおいて、第1サイドウォール絶縁膜23a、第2サイドウォール絶縁膜24a、第3サイドウォール絶縁膜25a及びキャップ絶縁膜22aをマスクとして、活性領域におけるn型半導体領域10aの表面にドライエッチングを施し、PTrのソース・ドレイン領域となる領域においてリセスAを形成する。
この処理の後、リセスAの内壁面には自然酸化膜27が形成される。
この処理の後、リセスAの内壁面には自然酸化膜27が形成される。
次に、エッチング処理を行い、自然酸化膜27を除去し、さらにリセスA表面のダメージ層を除去する。
これは、次工程において、SiGe膜を選択的にエピタキシャル成長させるため、SiGe膜の成長領域の表面はシリコンが露出していることが必要であるからである。
上記のエッチング処理は、まず、第1処理として、リセスAの内壁面に露出している自然酸化膜27の表面をアンモニア及びフッ化水素を含むエッチングガスで処理する。次に、第2処理として、第1処理で形成された生成物を分解及び蒸発させる。
これは、次工程において、SiGe膜を選択的にエピタキシャル成長させるため、SiGe膜の成長領域の表面はシリコンが露出していることが必要であるからである。
上記のエッチング処理は、まず、第1処理として、リセスAの内壁面に露出している自然酸化膜27の表面をアンモニア及びフッ化水素を含むエッチングガスで処理する。次に、第2処理として、第1処理で形成された生成物を分解及び蒸発させる。
上記の第1処理について説明する。
図4(b)に示すように、例えば、リセスAの内壁面を、NH3,HF,Arからなる混合ガス雰囲気でケミカルエッチングする。
具体的には、エッチング装置のケミカルエッチング室にウェーハを搬送し、ウェーハ用ステージにウェーハを載置した後に、以下のガス雰囲気をつくり、自然酸化膜27を化学反応させてリセスAの内壁面にSiを含む錯体の層27cを形成させる。
図4(b)に示すように、例えば、リセスAの内壁面を、NH3,HF,Arからなる混合ガス雰囲気でケミカルエッチングする。
具体的には、エッチング装置のケミカルエッチング室にウェーハを搬送し、ウェーハ用ステージにウェーハを載置した後に、以下のガス雰囲気をつくり、自然酸化膜27を化学反応させてリセスAの内壁面にSiを含む錯体の層27cを形成させる。
上記の第1処理の条件は以下のようにする。
・チャンバー内圧力:10〜30mTorr、例えば20mTorr
・HF流量:10〜50sccm,40mTorr
・NH3流量:10〜50sccm,40mTorr
・Ar流量:50〜100sccm、80mTorr
・基板温度:20〜40℃、例えば35℃
・チャンバー内圧力:10〜30mTorr、例えば20mTorr
・HF流量:10〜50sccm,40mTorr
・NH3流量:10〜50sccm,40mTorr
・Ar流量:50〜100sccm、80mTorr
・基板温度:20〜40℃、例えば35℃
上記の混合ガス雰囲気での化学反応は、以下のように説明される。
ケミカルエッチング室に、気相でHF/NH3/Arが供給されると、露出している自然酸化膜(酸化シリコン)の表面に、ガスがラングミュア吸着される。同時に次の化学式(1)及び(2)で示されるような化学反応が進行する。
ケミカルエッチング室に、気相でHF/NH3/Arが供給されると、露出している自然酸化膜(酸化シリコン)の表面に、ガスがラングミュア吸着される。同時に次の化学式(1)及び(2)で示されるような化学反応が進行する。
[化1]
SiO2+4HF→SiF4+2H2O (1)
SiF4+2NH3+2HF→(NH4)2SiF6 (2)
SiO2+4HF→SiF4+2H2O (1)
SiF4+2NH3+2HF→(NH4)2SiF6 (2)
つまり、HFで一旦、SiF4とH2Oが生成した後に、NH3とHFとSiF4の化学反応により、酸化シリコンからなる自然酸化膜27の表面に、(NH4)2SiF6の錯体の層27cが形成されるものである。
この反応は、ラングミュア吸着による分子数層レベルのガス吸着に支配されており、吸着ガス分子の被覆率が飽和すると自己停止する。したがって、(NH4)2SiF6錯体の層27cの生成量も飽和するが、自然酸化膜27は数nm程度の膜厚であるので、全て錯体の層27cに変化する。
この反応は、ラングミュア吸着による分子数層レベルのガス吸着に支配されており、吸着ガス分子の被覆率が飽和すると自己停止する。したがって、(NH4)2SiF6錯体の層27cの生成量も飽和するが、自然酸化膜27は数nm程度の膜厚であるので、全て錯体の層27cに変化する。
次に上記の第2処理について説明する。
(NH4)2SiF6の錯体の層27cが形成されたウェーハを直ちに加熱チャンバーに搬送して、加熱用ステージに載置した後に、ヒーター加熱を開始して、(NH4)2SiF6の錯体をSiF4などに分解して、図5(a)に示すように、蒸発させる。
(NH4)2SiF6の錯体の層27cが形成されたウェーハを直ちに加熱チャンバーに搬送して、加熱用ステージに載置した後に、ヒーター加熱を開始して、(NH4)2SiF6の錯体をSiF4などに分解して、図5(a)に示すように、蒸発させる。
上記の第2処理の条件は以下のようにする。
・チャンバー内圧力:500〜700mTorr,例えば675mTorr
・温度:100〜200℃,例えば175℃
・チャンバー内圧力:500〜700mTorr,例えば675mTorr
・温度:100〜200℃,例えば175℃
この反応は次の化学式(3)で説明される。リセスAの内壁面に形成された(NH4)2SiF6の錯体の層27cは、基板温度が上記の温度に加熱されると、SiF4、NH3、HFなどに分解して蒸発し、ガスとしてドライポンプにより排気される。
[化2]
(NH4)2SiF6→SiF4+2NH3+2HF (3)
(NH4)2SiF6→SiF4+2NH3+2HF (3)
上記のケミカルエッチングでは、熱酸化膜(自然酸化膜)とTEOS膜のエッチング選択比が従来のDHF薬液を用いたエッチングの場合と逆転する。
DHF薬液の場合は、熱酸化膜のエッチング量を1とした時のTEOS膜のエッチング量は5〜7程度であるのに対し、上記の本実施形態のガス反応によるケミカルエッチング反応を行った場合は、熱酸化膜のエッチング量を1とした時にTEOS膜のエッチング量は0.5〜1.0程度になる。
NSG膜についても同様であり、DHF薬液の場合は、熱酸化膜の7倍程度のエッチングレートであるが、上記のケミカルエッチングでは熱酸化膜と同等のエッチングレートとなる。
さらに、低温SiN膜についても同様であり、上記のケミカルエッチングでは熱酸化膜と同等のエッチングレートとすることができる。
DHF薬液の場合は、熱酸化膜のエッチング量を1とした時のTEOS膜のエッチング量は5〜7程度であるのに対し、上記の本実施形態のガス反応によるケミカルエッチング反応を行った場合は、熱酸化膜のエッチング量を1とした時にTEOS膜のエッチング量は0.5〜1.0程度になる。
NSG膜についても同様であり、DHF薬液の場合は、熱酸化膜の7倍程度のエッチングレートであるが、上記のケミカルエッチングでは熱酸化膜と同等のエッチングレートとなる。
さらに、低温SiN膜についても同様であり、上記のケミカルエッチングでは熱酸化膜と同等のエッチングレートとすることができる。
本実施形態においては、熱酸化膜2nm相当のケミカルエッチング処理を行う。従って第3サイドウォール絶縁膜およびSTI素子分離絶縁膜のエッチング量は2nm以下となる。
つまり、SiGe膜を形成する領域のSTI素子分離絶縁膜の落ち込み量と、SiGe膜を形成しない領域のSTI素子分離絶縁膜の落ち込み量との差が2nm以下となる。
また、サイドウォール絶縁膜の横方向の後退とサイドウォール絶縁膜下部におけるTEOS膜の後退も2nm以下となる。
つまり、SiGe膜を形成する領域のSTI素子分離絶縁膜の落ち込み量と、SiGe膜を形成しない領域のSTI素子分離絶縁膜の落ち込み量との差が2nm以下となる。
また、サイドウォール絶縁膜の横方向の後退とサイドウォール絶縁膜下部におけるTEOS膜の後退も2nm以下となる。
次に、図5(b)に示すように、シリコンが露出しているリセスAの表面に、SiGe膜を選択的にエピタキシャル成長させ、SiGe膜28を形成する。
SiGe膜28はそのままソース・ドレイン領域となり、PTrが構成される。
また、SiGe膜28はPTrのチャネル形成領域に圧縮応力を印加する応力膜であり、電流駆動能力が高められて、PTrの能力が向上する。
SiGe膜28はそのままソース・ドレイン領域となり、PTrが構成される。
また、SiGe膜28はPTrのチャネル形成領域に圧縮応力を印加する応力膜であり、電流駆動能力が高められて、PTrの能力が向上する。
次に、図6(a)に示すように、例えば、NTr形成領域Rbを開口するレジスト膜29をパターン形成し、NTr形成領域Rbにおいて、例えば、TEOS膜25を全面にエッチバックして、TEOS膜である第3サイドウォール絶縁膜25bを形成する。
次に、図6(b)に示すように、例えば、NTr形成領域Rbにおいて、第1サイドウォール絶縁膜23b、第2サイドウォール絶縁膜24b、第3サイドウォール絶縁膜25b及びキャップ絶縁膜22bをマスクとして、n型の導電性不純物をp型半導体領域10bの活性領域における表層部分にイオン注入することで、ソース・ドレイン領域30を形成する。これにより、NTrが形成される。
次に、例えば、NTr形成領域Rbにおいて、CVD法によりNTrを被覆して窒化シリコンを堆積させ、応力膜31を形成する。以上で図1に示す形状となる。
上記の応力膜31はNTrのチャネル形成領域に引っ張り応力を印加する応力膜であり、電流駆動能力が高められて、NTrの能力が向上する。
上記の応力膜31はNTrのチャネル形成領域に引っ張り応力を印加する応力膜であり、電流駆動能力が高められて、NTrの能力が向上する。
本実施形態の自然酸化膜の除去方法及び半導体装置の製造方法によれば、半導体基板に形成されたリセスの内壁面に形成された自然酸化膜を除去する際に、他の絶縁膜を大幅に後退させないで処理することができる。
上記のように、STI素子分離絶縁膜の落ち込みがほとんどなくなり、従来技術におけるSiGe膜のSTI素子分離絶縁膜領域へのせり出しの問題を解決できる。
また、サイドウォール絶縁膜下部におけるTEOS膜の後退がほとんどなくなり、シリサイドのサイドウォール下部への異常成長のおそれがなくなる。
また、最小ゲート電極ピッチ部のサイドウォール間の開口部の長さを28nm以下にすることが可能になる。
また、サイドウォール絶縁膜下部におけるTEOS膜の後退がほとんどなくなり、シリサイドのサイドウォール下部への異常成長のおそれがなくなる。
また、最小ゲート電極ピッチ部のサイドウォール間の開口部の長さを28nm以下にすることが可能になる。
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、実施形態においてはPTrのソース・ドレインとしてSiGe膜を埋め込むためのリセスの内壁面に形成された自然酸化膜を除去する方法に適用しているが、その他の自然酸化膜を除去する方法にも適用可能であり、自然酸化膜の他に素子分離絶縁膜などの絶縁膜が露出している場合においてもこれらの後退を抑制して自然酸化膜を除去することが可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
例えば、実施形態においてはPTrのソース・ドレインとしてSiGe膜を埋め込むためのリセスの内壁面に形成された自然酸化膜を除去する方法に適用しているが、その他の自然酸化膜を除去する方法にも適用可能であり、自然酸化膜の他に素子分離絶縁膜などの絶縁膜が露出している場合においてもこれらの後退を抑制して自然酸化膜を除去することが可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
本発明の自然酸化膜の除去方法は、半導体装置などの製造方法においてシリコン半導体層の表面に形成された自然酸化膜を除去する方法に適用できる。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、応力膜が形成されて駆動能力が向上したPチャネルMISFETを有する半導体装置を製造する方法に適用できる。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、応力膜が形成されて駆動能力が向上したPチャネルMISFETを有する半導体装置を製造する方法に適用できる。
10a…n型半導体領域、10b…p型半導体領域、11…素子分離絶縁膜、20a,20b…ゲート絶縁膜、21a,21b…ゲート電極、22a,22b…キャップ絶縁膜、23a,23b…第1サイドウォール絶縁膜、24a,24b…第2サイドウォール絶縁膜、25…TEOS膜、25a,25b…第3サイドウォール絶縁膜、26…レジスト膜、27…自然酸化膜、27c…錯体の層、28…SiGe膜、29…レジスト膜、30
…ソース・ドレイン領域、31…応力膜、110…半導体基板、111…素子分離絶縁膜、120…ゲート絶縁膜、121…ゲート電極、122…キャップ絶縁膜、123…第1サイドウォール絶縁膜、124…第2サイドウォール絶縁膜、125…第3サイドウォール絶縁膜、127…自然酸化膜、128…SiGe膜
…ソース・ドレイン領域、31…応力膜、110…半導体基板、111…素子分離絶縁膜、120…ゲート絶縁膜、121…ゲート電極、122…キャップ絶縁膜、123…第1サイドウォール絶縁膜、124…第2サイドウォール絶縁膜、125…第3サイドウォール絶縁膜、127…自然酸化膜、128…SiGe膜
Claims (10)
- 半導体基板の表面に形成された自然酸化膜を除去する方法であって、
前記自然酸化膜の表面をアンモニア及びフッ化水素を含むエッチングガスで処理する第1処理と、
前記第1処理で形成された生成物を分解及び蒸発させる第2処理と
を有する
自然酸化膜の除去方法。 - 前記第1処理で形成され、前記第2処理で分解及び蒸発される前記生成物が、(NH4)2SiF6錯体である
請求項1に記載の自然酸化膜の除去方法。 - 前記第2処理が900〜1100℃の温度を印加する熱処理である
請求項1に記載の自然酸化膜の除去方法。 - 前記第1処理及び前記第2処理において、前記自然酸化膜が形成されている領域を除く領域において、前記半導体基板に前記自然酸化膜以外の酸化シリコン膜及び/又は窒化シリコン膜が形成されている
請求項1に記載の自然酸化膜の除去方法。 - 半導体基板の表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側部において前記半導体基板にリセスを形成する工程と、
前記リセスの内壁面に形成された自然酸化膜をエッチング処理で除去する工程と、
前記自然酸化膜が除去された前記リセスに導電体を埋め込んで、前記ゲート電極の両側部に一対のソース・ドレイン領域を形成する工程と
を有し、
前記エッチング処理が、自然酸化膜の表面をアンモニア及びフッ化水素を含むエッチングガスで処理する第1処理と、前記第1処理で形成された生成物を分解及び蒸発させる第2処理とを含む
半導体装置の製造方法。 - 前記エッチング処理において前記第1処理で形成され、前記第2処理で分解及び蒸発される前記生成物が、(NH4)2SiF6錯体である
請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第2処理が900〜1100℃の温度を印加する熱処理である
請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記導電層を形成する工程において、エピタキシャル成長により前記リセスの内壁面にSiGe膜を形成する
請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記ゲート電極を形成する工程と、前記リセスを形成する工程の間に、前記ゲート電極の両側部に、酸化シリコン膜及び/又は窒化シリコン膜からなるサイドウォール絶縁膜を形成する工程をさらに有する
請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記ゲート電極を形成する工程の前に、前記半導体基板の活性領域を区分して、酸化シリコン膜及び/又は窒化シリコン膜からなる素子分離絶縁膜を形成する工程をさらに有する
請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
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JP2006017905A JP2007201168A (ja) | 2006-01-26 | 2006-01-26 | 自然酸化膜の除去方法及び半導体装置の製造方法 |
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JP2009231799A (ja) * | 2008-02-29 | 2009-10-08 | Elpida Memory Inc | 半導体装置の製造方法及び半導体製造装置 |
WO2013175872A1 (ja) * | 2012-05-23 | 2013-11-28 | 東京エレクトロン株式会社 | ガス処理方法 |
-
2006
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