JP2010003992A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】縦型炉を使った半導体装置の製造において、シリコンウェハ裏面を保護することで、工程中でのウェハの汚染を抑制し、又ウェハのデチャックを容易にする。
【解決手段】シリコン基板の一の面は半導体素子を形成するものである。他の面に酸化膜を形成する工程と、第1の膜を、一の面を覆うように、また他の面の酸化膜を覆うように成膜する工程と、第1の膜を、パターニングし、マスクパターンを形成する工程と、一の面に、素子分離領域を形成する工程と、他の面において、第1の膜を除去する工程と、一の面においてゲート絶縁膜28Gを形成する工程と、一の面においてゲート絶縁膜28Gを介してゲート電極29Gを形成する工程と、ゲート電極29Gの両側にソース・ドレイン領域21c,21dを形成し、トランジスタを形成する工程と、他の面に前記酸化膜を維持したまま、半導体基板上方に配線層を形成する工程と、を含む。
【選択図】図2W

Description

本発明は一般に半導体装置に係り、特に半導体装置の製造に関する。
半導体装置の量産において、多数のウェハを同時に処理するバッチ式処理は、生産性を向上させる有力な手段であり、従来から広く使われている。
今日のバッチ式処理では、膜形成は、各々水平に配置された多数のウェハを、隙間を介して垂直方向に配置した状態で処理する縦型炉によりなされるのが一般的である。
特開2002−334927号公報 特開2000−091175号公報 特開2002−299587号公報
ところで、今日の半導体装置の製造工程では、裏面をシリコン窒化膜で保護した状態のシリコンウェハを使い、表面に対して様々な基板処理が施されることがある。シリコンウェハの裏面を窒化膜で保護しておくことにより、例えば銅(Cu)配線形成工程などにおいてCu層を形成した場合でも、Cu原子がシリコンウェハ裏面から表面の素子形成領域に拡散し、素子特性が変調を受ける問題を回避することができる。
これに対し、シリコンウェハの裏面に保護膜を形成せず、シリコン面が露出しているような場合には、シリコン面が汚染されやすい。また前記縦型炉を使った熱処理や熱酸化膜形成の際に、露出したシリコン面から気化したシリコン(Si)原子が処理装置を汚染し、例えば温度制御などの精度が劣化するなどの問題を引き起こすことがある。
一方、このようにシリコンウェハの裏面をシリコン窒化膜で覆った場合には、シリコン窒化膜表面が酸化されたり、シリコン窒化膜とシリコンウェハの界面に酸化膜が存在したりすることにより、いわゆるONO(酸化膜/窒化膜/酸化膜)構造が形成されることがある。この場合、トラップされた電荷により、デチャックが不良となったり、ゲート絶縁膜成膜時において、形成されたゲート絶縁膜の膜厚が所定値からずれたり、あるいは膜厚の面内分布が不良になったりする問題が生じる。後者の問題は、本発明の発明者が本発明の基礎となる研究において発見したものである。この問題は、縦型炉中において、ゲート絶縁膜が形成されるシリコンウェハの表面が、シリコン窒化膜で覆われた上側のシリコンウェハの裏面に近接して配設されることにより生じる。すなわち、露出したシリコン窒化膜により、前記下側のシリコンウェハ表面を熱酸化する酸素が吸収されてしまい、酸化したいシリコンウェハの表面において酸素の枯渇を生じてしまう。
このようなゲート絶縁膜の成膜の異常は、特に今日のゲート長が60nmを切るような、そしてゲート絶縁膜の膜厚が2nmを切るような、超微細化・超高速半導体装置において、深刻である。
一の側面によれば半導体装置の製造方法は、酸化膜を有さない、あるいは100nm以下の酸化膜を有し、一の面を有するシリコン基板を準備する工程と、前記シリコン基板の少なくとも他の面に第1の酸化膜を形成する工程と、前記シリコン基板に第1の膜を、少なくとも前記一の面を覆うように成膜する工程と、前記第1の膜を、前記シリコン基板の前記一の面においてパターニングし、マスクパターンを形成する工程と、前記シリコン基板の前記一の面に、前記マスクパターンをマスクとして使い、素子分離領域を形成する工程と、前記シリコン基板の前記一の面においてゲート絶縁膜を形成する工程と、前記シリコン基板の前記一の面において前記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にソース・ドレイン領域を形成し、トランジスタを形成する工程と、前記シリコン基板の前記他の面に前記第1の酸化膜を維持したまま、前記半導体基板上方に配線層を形成する工程と、を含む。
他の側面によれば半導体装置の製造方法は、酸化膜を有さない、あるいは100nm以下の酸化膜を有し、一の面を有するシリコン基板を準備する工程と、前記シリコン基板に第1の膜を、少なくとも前記一の面を覆うように成膜する工程と、前記シリコン基板の少なくとも前記他の面を覆うように第1の酸化膜を形成する工程と、前記シリコン基板の前記一の面において前記第1の酸化膜を除去する工程と、前記第1の膜を、前記シリコン基板の一の面においてパターニングし、マスクパターンを形成する工程と、前記シリコン基板の前記一の面に、前記マスクパターンをマスクとして素子分離領域を形成する工程と、前記シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記シリコン基板の前記一の面に前記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にソース・ドレイン領域を形成し、トランジスタを形成する工程と、前記シリコン基板の他の面に前記第1の酸化膜を維持したまま、前記シリコン基板上方に配線層を形成する工程と、
を含む。
本発明の実施形態によれば、基板処理の際、シリコンウェハの裏面が、半導体装置の製造プロセスの最初から最後まで酸化膜により保護される。このため、個々のシリコンウェハ上への半導体装置の製造を、他のシリコンウェハ上への半導体装置の製造に影響されることなく実行することができる。一例としてゲート絶縁膜を所望の膜厚に形成することができる。またその際、シリコンウェハ上におけるゲート絶縁膜の面内均一性を向上させることができる。また、シリコンウェハの裏面を酸化膜で覆うため、窒化膜で覆った場合のようなデチャック不良の問題は生じない。
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態において熱酸化処理などに使われる縦型炉10の概略的構成を示す。
図1を参照するに、縦型炉10はヒータ11Aを周囲に形成された容器11B中に挿入された、内径が330mm程度で先端部が閉じた石英管よりなるリアクタ12Bを有する。前記リアクタ12B中には保温筒13上に形成された石英ボート12Aが挿入される。前記石英ボート12A上には、多数のシリコンウェハWが、水平な状態で垂直方向に、5〜8mm程度の間隔で設置される。
前記石英管リアクタ12Bには排気口12aが形成され、前記リアクタ12B内部の空間が排気される。また前記石英管リアクタ12Bにはガス導入口12bが形成され、前記ガス導入口12bには、熱酸化処理の場合には、酸素ガスなどの酸化ガスが供給される。またCVD法によるシリコン酸化膜の成膜などの場合には、前記ガス導入口12bより酸素ガスとTEOSなどの原料ガスが導入される。さらにポリシリコン膜の成膜などの場合には、前記ガス導入口12bより例えばシラン(SiH4)ガスや四塩化シリコン(SiCl4)などの原料ガスが、キャリアガスおよび必要に応じて適当な反応ガスとともに導入される。
このようにして導入された酸化ガスや原料ガスなどの処理ガスは、前記石英管リアクタ12Bの外周に沿って延在する石英ライン12cを通って流れ、前記石英管リアクタ12Bの先端部、すなわち頂部に形成されたガス導入口(図示せず)より前記石英リアクタ12B内部のプロセス空間に導入される。
以下、本発明の第1の実施形態による半導体装置の製造プロセスを、図2A〜図2Vを参照しながら説明する。以下では、図1の縦型炉10と同様な構成の縦型炉を使って多数のシリコンウェハが一括して処理されるが、説明はその中の一つのウェハについてのみ行う。
図2Aを参照するに、例えば300mm径のシリコンウェハ21が準備され、前記縦型炉10と同様な構成を有する第1の縦型炉に導入される。本実施形態では、前記第1の縦型炉中においてシリコンウェハ21は垂直方向に5〜8mm程度の間隔で設置されている。本実施形態で使われる前記シリコンウェハ21は、その全面、あるいはすくなくともその上面において自然酸化膜あるいは化学酸化膜などその他の酸化膜が、例えばHF処理により除去されたものであってもよい。この場合、他の面には自然酸化膜やその他の酸化膜が残っていてもよい。いずれにせよ本実施形態では前記シリコンウェハ21を、表面を覆う酸化膜の膜厚が100nm以下、あるいはかかる酸化膜を有さないように準備する。このようなシリコン基板としては、膜厚が100nm以下の自然酸化膜あるいは化学酸化膜で覆われたシリコンウェハをそのまま使うことも可能である。
次に前記シリコンウェハ21を前記第1の縦型炉中において900〜1100℃の基板温度に保持し、酸化雰囲気中において、前記シリコンウェハ21の表面(上面)および裏面(下面)にシリコン酸化膜22を熱酸化により、図2Bに示すように、200nm〜400nmの膜厚に形成する。なお、図2Bのシリコン酸化膜22は、前記第1の縦型炉中においてウェット酸化を行うことで形成することも可能である。あるいは前記シリコンウェハ21を前記第1の縦型炉中において500〜600℃の基板温度に保持し、TEOS原料ガスを酸素ガスとともに前記石英管リアクタ12Bに、導入することも可能である。このようなTEOSを原料としたCVD法により、前記シリコンウェハ21の表面(上面)および裏面(下面)にシリコン酸化膜22が、図2Bに示すように、200nm以上の膜厚に形成される。先にも述べたように、前記シリコンウェハ21は、酸化膜を有さない、あるいは100nm以下の酸化膜を有するように準備されている。
次に前記シリコンウェハ21を前記第1の縦型炉から取り出し、図2Cに示すように、前記表面のシリコン酸化膜22を、図示は省略するが枚葉式のウェットエッチング装置中においてフッ酸(HF)を使って除去し、裏面にのみ前記シリコン酸化膜22を残す。
次に前記シリコンウェハ21は前記縦型炉10と同様な構成の第2の縦型炉に保持され、熱酸化処理が行われる。これにより、図2Dに示すように、前記シリコンウェハ21の表面のシリコン露出面にパッド酸化膜となる熱酸化膜23を、例えば10nmの膜厚に形成する。前記シリコン酸化膜22がCVD酸化膜などより形成されていた場合には、この熱酸化処理に伴い、前記シリコン酸化膜22も熱処理され、緻密な酸化膜22Aに変化する。一方前記シリコン酸化膜22が熱酸化膜である場合には、図2Dに工程において膜質あるいは膜厚に実質的な変化はない。以下の説明では、図2Dの工程以降、前記シリコン酸化膜22を符号22Aで示す。
次に前記シリコンウェハ21は前記縦型炉10と同様な構成の第3の縦型炉において、シランガスなどのシリコン原料ガスを供給し、図2Eに示すように、前記図2Dの熱酸化膜23上、および酸化膜22A上にそれぞれポリシリコン膜24Aおよび24Bを、例えば100nmの膜厚に形成する。
次に前記シリコンウェハ21は前記縦型炉10と同様な構成の第4の縦型炉に保持され、TEOS原料ガスを酸素ガスとともに供給する。このようなTEOSを原料としたCVD法により、図2Fに示すように前記シリコンウェハ21の裏面において前記ポリシリコン膜24B上にシリコン酸化膜25Bを形成する。その際前記シリコン酸化膜25Bの膜厚は、以下に説明する素子分離構造の形成工程が終了した時点で消失するように、素子分離構造の形成工程でのエッチング量を考慮して設定するのが好ましい。前記シリコン酸化膜25Bの形成と同時に前記シリコンウェハ21の表面においても、前記ポリシリコン膜24A上にシリコン酸化膜25Aが同じ厚さだけ形成される。
次に図2Gに示すように、前記シリコンウェハ21を前記第4の縦型炉から取り出し、枚葉式のウェットエッチング装置において、前記表面のシリコン酸化膜25AをHFにより除去する。
次に前記シリコンウェハ21を前記縦型炉10と同様な第5の縦型炉に導入され、TEOS原料ガスを酸素ガスとともに供給する。これにより、図2Hに示すように前記シリコンウェハ21の表面において前記ポリシリコン膜24A上に反射防止膜となるシリコン酸化膜26A,26Bを、TEOSを原料としたCVD法により、例えば30nmの膜厚に形成する。
さらに図2Hに示すように前記表側の反射防止膜26A上に所定の素子分離領域を露出するレジストパターンRを形成する。
次に図2Jに示すように、前記レジストパターンRをマスクに、その下の反射防止膜26A、ポリシリコン膜24Aおよびパッド酸化膜23をドライエッチングによりパターニングし、シリコンウェハ21の表側のシリコン面を露出させる。
さらに図2Kに示すように、このようにパターニングされた前記ポリシリコン膜24Aをマスクに前記シリコンウェハ21をその表側からドライエッチングによりエッチングし、素子分離溝21Tを形成する。
次に前記シリコンウェハ21を枚葉式のプラズマCVD装置(図示せず)に導入し、図2Lに示すように、前記図2Kの構造の表側にシリコン酸化膜27を、前記素子分離溝21Tを充填するように高密度プラズマCVD法により形成する。
次に前記シリコンウェハ21を前記枚葉式CVD装置から取り出し、化学機械研磨装置において前記シリコン酸化膜27をその下のポリシリコン膜24Aが露出するまで化学機械研磨し、図2Mに示す構造を得る。図2Mの構造では、素子分離溝21Tの各々が素子分離絶縁膜27Iにより充填されている。
さらに図2Mの構造を、例えば枚葉式のウェットエッチング装置に導入し、図2Nに示すように、前記シリコンウェハ21の表面のポリシリコン膜24Aを、例えばHFと硝酸(HNO3)の混合水溶液よりなるエッチャントによりウェットエッチングし、除去する。このウェットエッチング工程では、前記シリコンウェハ21の裏面に形成されたシリコン酸化膜25Bおよび26Bもエッチング作用を受ける。しかし、先に図2Fで説明した工程において前記シリコン酸化膜25Bを200nm以上の膜厚に形成している。このため、図2Nの工程においてポリシリコン膜24Bを除去するウェットエッチング処理を行っても、シリコンウェハ裏面のポリシリコン膜24Bが露出し、除去されることがない。その結果、その下のシリコン酸化膜22Aは、ポリシリコン膜24Bにより保護される。
次に図2Oに示すように前記素子分離絶縁膜27IがCMP法およびHF処理により平坦化される。また図2Oの工程では、引き続くシリコンウェハ表面の前洗浄工程に先だって、前記ポリシリコン膜24Bが、シリコン酸化膜22Aを残して除去される。
なお、図2D〜図2Pの素子分離構造の形成工程において、前記ポリシリコン膜24A,24Bの代わりにアモルファスシリコン膜の単層、シリコン酸窒化膜の単層、シリコン窒化膜の単層や、シリコン窒化膜とTEOSを原料としたシリコン酸化膜の積層、さらにはシリコン窒化膜とポリシリコンあるいはアモルファスシリコン膜とTEOSを原料としたシリコン酸化膜の積層を使うことも可能である。
次に図2Pに示すようにシリコンウェハ21の表面のシリコン酸化膜23やその他の酸化膜が、例えば枚葉式のウェットエッチング装置において除去され、新鮮なシリコン面が露出される。
次に図2Qに示すように、前記図2Pに示す状態のシリコンウェハ21を前記図1の縦型炉10と同様な構成の第6の縦型炉において、750〜900℃の基板温度に保持する。さらに酸化性ガスを10〜20sLmの流量で導入することにより、前記シリコンウェハ21の上側露出シリコン面に熱酸化膜28を半導体装置のゲート絶縁膜として、約1.8nmの膜厚を目標に、形成する。
その際、前記シリコンウェハ21の裏面はシリコン酸化膜22Aにより覆われているため、シリコンウェハ21の裏面からのSiの蒸発が抑止される。その結果、蒸発したSiが前記第6の縦型炉の一部をなす温度センサなどに付着して、温度制御やプロセス制御に異常をきたす問題が抑制される。
次に、前記図2Qの状態のシリコンウェハ21を、前記図1の縦型炉10と同様な第7の縦型炉に保持し、図2Rに示すように、前記熱酸化膜28上にポリシリコン膜29Aを例えば105nmの膜厚に、CVD法により形成する。また同時に前記シリコン酸化膜22Aの下面にポリシリコン膜29Bが、同じ膜厚で形成される。
このようにして得られた図2Rの状態のシリコンウェハ21は前記第7の縦型炉から取り出され、レジストプロセスを使ったパターニングにより前記ポリシリコン膜29Aおよびその下の熱酸化膜28がレジストプロセスを使ってパターニングされ、図2Sに示すようにポリシリコンゲート電極29Gとゲート絶縁膜28Gが形成される。さらに図2Sに示すように前記ポリシリコンゲート電極29Gをマスクにp型あるいはn型の不純物元素がイオン注入される。これにより、前記シリコンウェハ21Aの表面のうち、素子分離領域27Iで画成された素子領域21Aに、LDD領域となる拡散領域21a,21bが形成される。
次に、このようにして得られた図2Sの状態のシリコンウェハ21は図1の縦型炉10と同様な第8の縦型炉に保持され、アンモニア(NH3)ガスとシランガスを導入することにより、前記シリコンウェハ21の表面に、前記ポリシリコンゲート電極29Gを覆うようにシリコン窒化膜30AをCVD法により形成する。また同時に、同様なシリコン窒化膜30Bが前記シリコンウェハ21の裏面を覆うポリシリコン膜29B上に形成される。
さらに前記図2Tの状態のシリコンウェハ21は前記第6の縦型炉から取り出され、図2Uに示すように前記シリコンウェハ21の表面に略垂直方向に作用する異方性エッチングを行う。これにより、前記シリコン窒化膜30Aがエッチバックされ、ゲート電極29Gの両側壁面に側壁絶縁膜30Wが形成される。さらに図2Uに示すように、前記ゲート電極29Gおよび側壁絶縁膜30Wをマスクにn型あるいはp型の不純物元素のイオン注入がなされる。これにより、前記素子領域21Aにおいてシリコンウェハ21中、前記側壁絶縁膜30Wのそれぞれの外側にソース領域およびドレイン領域をなす拡散領域21c,21dが形成される。
また図2Uの工程では、前記シリコンウェハ21の裏面において、前記シリコン窒化膜30Bおよびポリシリコン膜29Bが、それぞれCHF系エッチングガスを使ったドライエッチングおよびHF/HNO3エッチャントを使ったウェットエッチングにより除去される。図2Uの状態においても、前記シリコンウェハ21の裏面は酸化膜21Aにより引き続き覆われていることに注意すべきである。
さらに、図2Vに示すように、図2Uの構造の拡散領域21c、21dおよびゲート電極29G上にそれぞれシリサイド領域31S,31D,31Gが、典型的にはサリサイド法により形成される。
さらに図2Wに示すように、図2Vの構造上に前記ゲート電極29Gを覆うように絶縁膜41が形成される。さらに、前記絶縁膜41中に前記シリサイド領域31S,31Dにそれぞれコンタクトして、例えばタングステン(W)よりなる導電性プラグ41A,41Bが形成される。
さらに前記絶縁膜41上には層間絶縁膜42が形成される。また前記層間絶縁膜42中にダマシン法により、それぞれ前記導電性プラグ41A,41Bにコンタクトして、銅(Cu)配線パターン42A,42Bが形成される。
さらに前記絶縁膜42上には次の層間絶縁膜43が形成される。また前記層間絶縁膜43中に、デュアルダマシン法により、ビアプラグ43Pを有するCu配線パタ―ン43Aが、前記Cu配線パターン42Aにコンタクトして形成される。また前記層間絶縁膜43中には、ビアプラグ43Qを有するCu配線パターン43Bが、前記Cu配線パターン42Bにコンタクトして形成される。
さらに前記絶縁膜43上には次の層間絶縁膜44が形成される。また前記層間絶縁膜44中に、デュアルダマシン法により、ビアプラグ44Pを有するCu配線パタ―ン44Aが、前記Cu配線パターン43Bにコンタクトして形成される。
このようにして形成された層間絶縁膜42〜44およびCu配線パターン42A,42B,43A,43B,44A、およびCuビアプラグ43P,43Q,44Pは、前記シリコン基板21の表面において多層配線構造を形成する。
このような多層配線構造の形成では、前記Cu配線パターンやCuビアプラグの形成が電解メッキ法によりなされるため、図2Wの状態のシリコンウェハ21において裏面にシリコン面が露出している場合、メッキ液中のCu原子が堆積してしまい、これがその後のプロセスでシリコン基板21の表面へと拡散する恐れがある。
これに対し本実施形態では、多層配線構造の形成時点でもシリコンウェハ21の裏面がシリコン酸化膜22Aにより覆われているため、このようなCu原子の堆積は生じない。
なお本実施形態において前記第1〜第8の縦型炉は、全て別々の縦型炉である必要はなくその一部あるいは全てが同一の縦型炉であってもかまわない。
図3は、前記図2A〜2Wの工程よりなる本実施形態による半導体装置の製造プロセスの概要をまとめて示すフローチャートである。
図3を参照するに、ステップ1は図2Aに対応し、前記酸化膜を有さない、あるいは100nm以下の酸化膜を有するシリコンウェハが前記シリコンウェハ21として準備される。
ステップ2は前記図2Bおよび図2Cの工程に対応し、前記シリコンウェハ21の表面および裏面にシリコン酸化膜22が形成された後、表面から前記シリコン酸化膜22が除去される。
ステップ3は前記図2D〜図2Eの工程に対応し、素子分離構造形成においてハードマスクとして使われるポリシリコン膜24Aが、裏側のポリシリコン膜24Bとともに形成される。
ステップ4は前記図2Fおよび図2Gの工程に対応し、前記裏側ポリシリコン膜25Bを保護するシリコン酸化膜25Bが、表面のシリコン酸化膜25Aと同時に形成され、引き続き、前記表面のシリコン酸化膜25Aが除去される。
ステップ5は、前記図2H〜2Jの工程に対応し、前記ポリシリコン膜24Aをパターニングして素子分離領域に対応したハードマスクパターンが形成される。
ステップ6は、前記図2J〜2Pの工程に対応し、前記シリコンウェハ21の表面に素子分離溝21Tを充填して素子分離絶縁膜27Iが形成される。
ステップ7は、前記図2Q〜図2Sの工程に対応し、前記シリコンウェハ21の表面に、ゲート絶縁膜となる熱酸化膜28が形成され、その上にゲート電極29Gが形成される。その際、先にも説明したように、前記シリコンウェハ21の裏面がシリコン酸化膜22Aにより覆われている。このため、前記熱酸化膜28の形成の際にも、シリコンウェハ21裏側の露出シリコン面からのSi原子の蒸発が抑止される。このため前記熱酸化膜28の形成に使われている縦型炉の温度制御が異常になることはない。
ステップ8は、前記図2Tおよび2Uの工程に対応する。すなわち、シリコン窒化膜30Aおよび30Bがシリコンウェハ21のそれぞれ表面および裏面に形成され、さらに表面のシリコン窒化膜30Aをエッチバックすることにより、ゲート電極29Gの両側壁面に側壁絶縁膜30Wが形成される。また、前記シリコンウェハ21の裏面からシリコン窒化膜30Bおよびポリシリコン膜29Bが除去される。
ステップ10は前記図2Vの工程に対応し、拡散領域21c,21dおよびゲート電極29Gの表面にシリサイド層31S,31D,31Gがそれぞれ形成される。
ステップ11は、前記図2Wの絶縁膜41およびビアプラグ41A,41Bの形成工程に対応する。
ステップ12〜13は、前記図2Wの多層配線構造の形成工程に対応する。
先にも説明したように、本願発明では、ステップ13の最後まで、シリコンウェハ21の裏面に形成されたシリコン酸化膜22Aが残される。その結果、Cu層の電解メッキ法による成膜工程を含む多層配線構造の形成工程を行っても、シリコンウェハ21の裏面がCuにより汚染されることはない。
また本実施例では、前記シリコンウェハ21の裏面をプロセスの始めから終わりまで覆うのがシリコン酸化膜であり、窒化膜を使った場合にように、静電チャックからのウェハの取り外しが残留電荷により困難となる問題は生じない。
次に、このような保護酸化膜をシリコンウェハ21の裏面に形成しない、本実施形態の比較例について、図4A〜4Wを参照しながら説明する。以下の説明でも、図1の縦型炉10と同様な縦型炉を使って多数のシリコンウェハが一括して処理されるが、説明はその中の一つのウェハについてのみ行う。
図4Aを参照するに、例えば300mm径のシリコンウェハ61が前記縦型炉10と同様な第1の縦型炉に導入される。前記シリコンウェハ61は垂直方向に5〜8mm程度の間隔で設置されている。
前記シリコンウェハ61は酸素ガス雰囲気中において保持され、熱酸化処理が行われる。これにより、図4Bに示すように、前記シリコンウェハ61の表面のシリコン露出面にパッド酸化膜となる熱酸化膜63Aを、また裏面に同様な熱酸化膜63Bを、例えば10nmの膜厚に形成する。
次に前記シリコンウェハ61を前記縦型炉10と同様な第2の縦型炉に保持し、シランガスなどのシリコン原料ガスを、本実施形態の流量と同様な流量で供給し、図4Cに示すように、前記図2Dの熱酸化膜63Aおよび63B上にそれぞれポリシリコン膜64Aおよび64Bを、本実施形態のポリシリコン膜64A,64Bと同様な膜厚に形成する。
次に前記シリコンウェハ61は前記第2の縦型炉から取り出され、図4Dに示すように前記裏面のポリシリコン膜64Bがウェットエッチングにより除去される。
次に前記シリコンウェハ61を前記縦型炉10と同様な第3の縦型炉に保持し、前記TEOS原料ガスを酸素ガスとともに、先に説明したのと同様な流量で供給する。これにより、図4Eに示すように前記シリコンウェハ61の表面において前記ポリシリコン膜64A上に反射防止膜となるシリコン酸化膜66Aを、TEOSを原料としたCVD法により、前記シリコン酸化膜26A,26Bと同様な膜厚に形成する。
さらに図4Fに示すように前記表側の反射防止膜66A上に所定の素子分離領域を露出するレジストパターンRを形成する。
次に図4Gに示すように、前記レジストパターンRをマスクに、その下の反射防止膜66A、ポリシリコン膜64Aおよびパッド酸化膜63Aをドライエッチングによりパターニングし、シリコンウェハ61の表側のシリコン面を露出させる。
さらに図4Hに示すように、このようにパターニングされた前記ポリシリコン膜64Aをマスクに前記シリコンウェハ61をその表側からドライエッチングによりエッチングし、素子分離溝61Tを形成する。
次に前記シリコンウェハ61を枚葉式のプラズマCVD装置(図示せず)に導入し、図4Iに示すように、前記図4Hの構造の表側にシリコン酸化膜67を、高密度プラズマCVD法により、前記素子分離溝61Tを充填するように形成する。
次に前記シリコンウェハ61を前記枚葉式プラズマCVD装置から取り出し、化学機械研磨装置において前記シリコン酸化膜67をその下のポリシリコン膜64Aが露出するまで化学機械研磨し、図4Jに示す構造を得る。図4Jの構造では、素子分離溝61Tの各々が素子分離絶縁膜67Iにより充填されている。
さらに図4Jの構造を、例えば枚葉式のウェットエッチング装置に導入し、図4Kに示すように、前記シリコンウェハ61の表面のシリコン酸化膜66Aを、例えばHFと硝酸HNO3の混合水溶液よりなるエッチャントによりウェットエッチングし、除去する。このウェットエッチング工程では、前記シリコンウェハ61の裏面に形成されたシリコン酸化膜63Bおよび66Bもエッチング作用を受け、シリコンウェハ61の裏面が露出する。
次に図4Lに示すように前記素子分離絶縁膜67IがCMP法およびHF処理により平坦化される。
次に図4Mに示すようにシリコンウェハ61の表面のシリコン酸化膜63Aやその他の酸化膜が、例えば枚葉式のウェットエッチング装置において除去され、新鮮なシリコン面が露出される。
次に図4Nに示すように、前記図4Mに示す状態のシリコンウェハ61を図1の縦型炉10と同様な構成の第4の縦型炉に導入し、さらに酸素ガスを導入することにより、前記シリコンウェハ61の上側露出シリコン面に熱酸化膜68を半導体装置のゲート絶縁膜として、約1.77nmの膜厚を目標に形成する。
この比較例では、前記シリコンウェハ61の裏面が露出しており、シリコンウェハ61の裏面からのSiの蒸発が生じる。その結果、蒸発したSiが前記熱酸化膜68の成膜に使われている前記縦型炉の一部をなす温度センサなどに付着して、温度制御やプロセス制御に異常をきたす問題が惹起される恐れがある。
次に、前記図4Nの状態のシリコンウェハ61を、図1の縦型炉10と同様な第5の縦型炉に保持し、シランガスを導入することにより、図4Oに示すように、前記熱酸化膜68上にポリシリコン膜69Aが、CVD法により前記ポリシリコン膜29Aと同様に形成される。また同時に前記シリコンウェハ41の裏面にポリシリコン膜69Bが、同じ膜厚で形成される。
このようにして得られた図4Oの状態のシリコンウェハ61は前記第5の縦型炉から取り出され、裏側のポリシリコン膜69Bが除去される。さらにレジストプロセスを使ったパターニングにより前記ポリシリコン膜69Bおよびその下の熱酸化膜68がパターニングされ、図4Pに示すようにポリシリコンゲート電極69Gとゲート絶縁膜68Gが形成される。さらに図4Pに示すように前記ポリシリコンゲート電極69Gをマスクにp型あるいはn型の不純物元素がイオン注入される。これにより、前記シリコンウェハ61Aの表面のうち、素子分離領域67Iで画成された素子領域61Aに、LDD領域となる拡散領域61a,61bが形成される。
次に、このようにして得られた図4Pの状態のシリコンウェハ61は図1の縦型炉10と同様な第6の縦型炉に保持され、アンモニア(NH3)ガスとシランガスを導入することにより、前記シリコンウェハ61の表面に、前記ポリシリコンゲート電極69Gを覆うようにシリコン窒化膜70AをCVD法により形成する。また同時に、同様なシリコン窒化膜70Bが前記シリコンウェハ61の裏面に形成される。
さらに前記図4Qの状態のシリコンウェハ61は前記第6の縦型炉から取り出され、図4Rに示すように前記シリコンウェハ61の表面に略垂直方向に作用する異方性エッチングを行う。これにより、前記シリコン窒化膜70Aがエッチバックされ、ゲート電極69Gの両側壁面に側壁絶縁膜70Wが形成される。さらに図4Rに示すように、前記ゲート電極69Gおよび側壁絶縁膜70Wをマスクにn型あるいはp型の不純物元素のイオン注入がなされる。これにより、前記素子領域61Aにおいてシリコンウェハ61中、前記側壁絶縁膜70Wのそれぞれの外側にソース領域およびドレイン領域をなす拡散領域61c,61dが形成される。
また図4Rの工程では、前記シリコンウェハ61の裏面において、前記シリコンウェハ61の裏面が露出されている。
さらに、図4Sに示すように、図4Rの構造の拡散領域61c、61dおよびゲート電極69G上にそれぞれシリサイド領域71S,71D,71Gが、典型的にはサリサイド法により形成される。
さらに図4Tに示すように、図2Vの構造上に前記ゲート電極29Gを覆うように絶縁膜81が形成される。さらに、前記絶縁膜81中に前記シリサイド領域71S,71Dにそれぞれコンタクトして、例えばタングステン(W)よりなる導電性プラグ81A,81Bが形成される。
さらに前記絶縁膜81上には層間絶縁膜82が形成される。また前記層間絶縁膜82中にダマシン法により、それぞれ前記導電性プラグ81A,81Bにコンタクトして、銅(Cu)配線パターン82A,82Bが形成される。
さらに前記絶縁膜82上には次の層間絶縁膜83が形成される。また前記層間絶縁膜83中に、デュアルダマシン法により、ビアプラグ83Pを有するCu配線パタ―ン83Aが、前記Cu配線パターン82Aにコンタクトして形成される。また前記層間絶縁膜83中には、ビアプラグ83Qを有するCu配線パターン83Bが、前記Cu配線パターン82Bにコンタクトして形成される。
さらに前記絶縁膜83上には次の層間絶縁膜84が形成される。また前記層間絶縁膜84中に、デュアルダマシン法により、ビアプラグ84Pを有するCu配線パタ―ン84Aが、前記Cu配線パターン83Bにコンタクトして形成される。
このようにして形成された層間絶縁膜82〜84およびCu配線パターン82A,82B,83A,83B,84A、およびCuビアプラグ83P,83Q,84Pは、前記シリコンウェハ61の表面において多層配線構造を形成する。
このような比較例による多層配線構造の形成では、前記Cu配線パターンやCuビアプラグの形成が電解メッキ法によりなされる。本比較例では、図4Tの状態のシリコンウェハ61において裏面にシリコン面が露出しているため、メッキ液中のCu原子が堆積してしまい、これがその後のプロセスでシリコンウェハ61の表面へと拡散する恐れがある。
ここで本比較例における第1〜第6の縦型炉は、いずれも前記図1の縦型炉10と同様な構成を有しているが、先に実施形態で説明した第1〜第8の縦型炉と1:1に対応する必要はない。また本比較例においても前記第1〜第6の縦型炉は、全て別々の縦型炉である必要はなくその一部あるいは全てが同一の縦型炉であってもかまわない。
図5は、前記図4A〜4Tの工程よりなる本比較例による半導体装置の製造プロセスの概要をまとめて示すフローチャートである。ただし比較のため、図3のフローチャートに対応する部分には同じ符号を付している。
図5を参照するに、ステップ1は図4Aに対応する。
ステップ3は前記図4B〜図4Dの工程に対応し、素子分離構造形成においてハードマスクとして使われるポリシリコン膜64Aが、表面にのみ残るように形成される。
ステップ6は、前記図4E〜4Mの工程に対応し、前記シリコンウェハ61の表面に素子分離溝61Tを充填して素子分離絶縁膜27Iが形成される。
ステップ7は、前記図4N〜図4Pの工程に対応し、前記シリコンウェハ61の表面に、ゲート絶縁膜となる熱酸化膜28が形成され、その上にゲート電極69Gが形成される。その際、先にも説明したように、前記シリコンウェハ61の裏面が露出している。このため、前記熱酸化膜68の形成の際にも、シリコンウェハ61裏側の露出シリコン面からのSi原子の蒸発が抑止されることがない。このため本比較例では、縦型炉の温度制御が異常になる恐れがある。
ステップ8は、前記図4Qおよび4Rの工程に対応する。すなわち、シリコン窒化膜70Aおよび70Bがシリコンウェハ61のそれぞれ表面および裏面に形成され、さらに表面のシリコン窒化膜70Aをエッチバックすることにより、ゲート電極69Gの両側壁面に側壁絶縁膜30Wが形成される。また、前記シリコンウェハ61の裏面からシリコン窒化膜70Bが除去される。
ステップ10は前記図4Sの工程に対応し、拡散領域61c,61dおよびゲート電極69Gの表面にシリサイド層71S,71D,71Gがそれぞれ形成される。
ステップ11は、前記図4Tの絶縁膜81およびビアプラグ81A,81Bの形成工程に対応する。
ステップ12〜13は、前記図4Tの多層配線構造の形成工程に対応する。
先にも説明したように、比較例のプロセスでは、多層配線構造の形成工程においてシリコンウェハ21の裏面が露出され、その結果、Cu層の電解メッキ法による成膜工程を含む多層配線構造の形成工程を行った場合、シリコンウェハ61の裏面がCuにより汚染される恐れがある。
このように、図3のフローチャートを図5のフローチャートと比較すると、本発明では、ステップ1とステップ3の間に、シリコンウェハの裏面を覆うシリコン酸化膜22あるいは22Aを形成する工程を設けている。またステップ3とステップ6の間に、前記裏面を覆うシリコン酸化膜22Aを保護するポリシリコン膜24Bと、それをさらに保護するシリコン酸化膜25Bを形成し、前記シリコンウェハ21の裏面を少なくとも前記シリコン酸化膜22Aで保護しながら素子分離絶縁膜27Iを形成する工程を設けている。これにより、ゲート絶縁膜となる熱酸化膜28を形成する際にシリコンウェハ21の裏面において生じるSiの蒸発を抑止することができる。また、多層配線構造を形成する際に、シリコンウェハ21の裏面がCuに汚染される問題を回避することができる。
図6Aは、前記図1の縦型炉10を使い前記図2Qの工程を行った場合の、前記熱酸化膜28のウェハ面内分布を示す。ただし図6A中、明るい部分が膜厚の大きい部分を、位部分が膜厚の小さい部分を示す。また図6Aの下のバーは前記膜厚の上限値と下限値を示す。
図6Aを参照するに、図2Qの工程で得られた熱酸化膜28の平均膜厚は1.79nmで、1.77nmの目標値がほぼ達成されていることがわかる。また前記シリコンウェハ21の面内において前記熱酸化膜28の膜厚は、1.7676nmから1.8035nmの範囲で変動しているが、その変動幅は約0.04nmとなっている。
これに対し図6Bは、前記図1の縦型炉10を使い、前記図2Qの工程を、裏面にシリコン酸化膜22Aの代わりにシリコン窒化膜を形成したシリコンウェハを使って実行した場合の、同様な熱酸化膜の膜厚分布を示す。
図6Bを参照するに、この場合の熱酸化膜は目標の1.77nmの膜厚に対し、平均膜厚が1.60nmと、0.17nmも小さな値となっている。また図6Bの下のカラーバーは前記熱酸化膜の膜厚の上限値と下限値を示しているが、その変動幅は0.09nmまで増大している。
図7Aは、図1の縦型炉10において、裏面にシリコン酸化膜21Aを形成した多数のシリコンウェハ21を垂直方向に積層して前記図2Qの熱酸化工程を行った様子を示す。
図7Aを参照するに、前記シリコンウェハ21は垂直方向に隙間Gを介して積層されている。またこれらのシリコンウェハ21の表面の酸化は、かかる隙間に侵入する酸素ガスによりなされる。その際、下側シリコンウェハ21の表面に対向する上側シリコンウェハの裏面が前記シリコン酸化膜21Aで覆われている。このため、前記隙間に侵入した酸素ガスは他のプロセスに消費されることなく前記下側シリコンウェハ21の表面に到達し、これを酸化する。
これに対し、図7Bは、図1の縦型炉10において、裏面にシリコン酸化膜21Aを形成した多数のシリコンウェハ21を垂直方向に設置して前記図2Qの熱酸化工程を行った様子を示す。
図7Bを参照するに、前記図7Aと同様に前記シリコンウェハ21は垂直方向に例えば5〜8mmの隙間Gを介して設置されている。またこれらのシリコンウェハ21の表面の酸化は、かかる隙間に侵入する酸素ガスによりなされる。その際、下側に位置するシリコンウェハ21の表面に対向する上側に位置するシリコンウェハの裏面が前記シリコン窒化膜21Nで覆われている。このため、前記隙間に侵入した酸素ガスは記下側に位置するシリコンウェハ21の表面の酸化以外にも、前記上側に位置するシリコンウェハの裏面のシリコン窒化膜21Nの酸化に消費される。その結果、前記下側に位置するシリコンウェハ21の表面に形成されるシリコン酸化膜の膜厚は薄くなり、また膜厚の面内分布が増大するものと考えられる。
図8は、図1の縦型炉10中において120枚のシリコンウェハを、前記図2Qの工程に対応して熱酸化した場合の、熱酸化膜の膜厚と炉内のウェハ位置との関係を示す。横軸が炉内におけるウェハ位置を示しており、底部(#0)から数えたウェハの枚数を示している。また縦軸は膜厚を示す。図中、●は各シリコンウェハの裏面が熱酸化膜で覆われている場合を、■は各シリコンウェハの裏面がTEOSを原料としたCVD酸化膜で覆われている場合を、また○は、各シリコンウェハの裏面がシリコン窒化膜で覆われている場合を示している。図8において、各点に付したエラーバーは、膜厚の面内変動を示している。
図8を参照するに、シリコンウェハの裏面が熱酸化膜で覆われていてもCVD酸化膜で覆われていても、表面に形成される熱酸化膜の膜厚には大差がないことがわかる。またどの位置においても、ほぼ1.77nmの目標値に近い膜厚が得られているのがわかる。
これに対し、裏面がシリコン窒化膜で覆われている場合には、得られるシリコン酸化膜の膜厚が大きく減少しており、また膜厚の面内変化も、大きくなっているのがわかる。
以上より、表側に素子分離構造および熱酸化膜、さらに多層配線構造が形成されるシリコンウェハの裏面を、プロセス開始時点において厚さが200nm以上の酸化膜で覆うことにより、図2Qのような熱酸化工程により前記表面に熱酸化膜を形成する場合でも、所望の膜厚の酸化膜を良好な面内均一性で形成できることが示される。
一般にシリコンウェハの表面には自然酸化膜が形成されており、従ってシリコンウェハ21として、このような自然酸化膜を有するシリコンウェハを使うことが考えられる。しかし、前記図2Qの工程の直前には図2Oおよび図2PのHF処理工程が含まれることに注意すべきである。このため、前記裏面を覆うシリコン酸化膜の膜厚が200nm未満であると、このようなHF処理工程によりエッチングされてしまい、図2Qあるいは図2Wの工程においてシリコンウェハ21の裏面が露出する危険がある。
また本実施形態では、図2Eの工程以降、図2Nの工程に至るまで、前記シリコン酸化膜22Aがポリシリコン膜24Bにより保護されていることに注意すべきである。また図2Fの工程以降、図2Mの工程まで、前記ポリシリコン膜24Bがシリコン酸化膜25Bにより保護されていることに注意すべきである。
このように、本実施形態によれば、シリコンウェハ21の裏面に形成されたシリコン酸化膜22Aが図2Wに示す多層配線構造の形成工程まで連続して、安定に保持される。このため、図2Qの熱酸化膜28の形成時にシリコンウェハ21の裏面からのSi原子の蒸発が抑止され、縦型炉10の温度制御異常が抑制される。また巣2Wの多層配線構造の形成時に、前記シリコンウェハ21の裏面がCu原子により汚染されることがない。これにより、前記裏面から拡散したCu原子により、形成される半導体装置の動作が不良となる問題が抑制される。
先にも述べたように本実施形態では第1〜第8の別々の縦型炉を使う場合について説明したが、これらの縦型炉の全て、あるいは一部を共通の縦型炉を使って実行することも可能である。

[第2の実施形態]
図9Aを参照するに、この工程では酸化膜を有さないように例えばHFなどによりにより処理された、あるいは100nm以下の酸化膜を有する、例えば300mm径のシリコンウェハ101が準備される。
前記シリコンウェハ101は前記縦型炉10と同様な構成の縦型炉に導入され、垂直方向に間隔をおいて設置される。800〜1100℃の基板温度に保持され、酸素ガス雰囲気中で熱酸化処理を行う。これにより、図9Bに示すように、前記シリコンウェハ101の表面のシリコン露出面にパッド酸化膜となる熱酸化膜103Aを、また裏面に同様な熱酸化膜103Bを、例えば100nmの膜厚に形成する。
次に前記シリコンウェハ101を前記縦型炉10と同様な構成の第2の縦型炉に保持し、シランガスなどのシリコン原料ガスを、本実施形態の流量と同様な流量で供給し、図9Cに示すように、前記図9Dの熱酸化膜103Aおよび103B上にそれぞれポリシリコン膜104Aおよび104Bを、本実施形態のポリシリコン膜104A,104Bと同様な膜厚に形成する。
次に前記シリコンウェハ101は前記第2の縦型炉から取り出され、図9Dに示すように前記裏面のポリシリコン膜104Bがウェットエッチングにより除去される。
次に前記シリコンウェハ101を前記縦型炉10と同様な構成の第3の縦型炉に導入し、図9Eに示すように前記シリコンウェハ101の表面において前記ポリシリコン膜104A上にシリコン酸化膜105Aを形成する。前記シリコン酸化膜105Aは、例えば前記第3の縦型炉にTEOS原料ガスを酸素ガスとともに、先に説明したのと同様な流量で供給することにより形成することができる。前記シリコン酸化膜105Aと同時に、前記シリコンウェハ101の裏面においては前記熱酸化膜103上に別のシリコン酸化膜105Bが、同様にして形成される。
次に図9Fに示すように前記上側面のシリコン酸化膜105Aがウェットエッチングにより除去される。
次に図9Gに示すように前記シリコンウェハ101を前記縦型炉10と同様な第4の縦型炉に移し、前記図9Fの構造上にTEOSを原料としたCVD法によりシリコン酸化膜106Aを、前記ポリシリコン膜104A上に形成する。同様なシリコン酸化膜106Bは、前記シリコン酸化膜105B上にも形成される。
さらに図9Hに示すように図9Gの構造が熱処理され、前記シリコン酸化膜106Aおよび106Bは、それぞれ緻密でHF耐性のより高いシリコン酸化膜106C,106Dに変換される。
さらに図9Hに示すように前記表側の反射防止膜106C上に所定の素子分離領域を露出するレジストパターンRを形成する。
次に図9Jに示すように、前記レジストパターンRをマスクに、その下の反射防止膜106C、ポリシリコン膜104Aおよびパッド酸化膜103Aをドライエッチングによりパターニングし、シリコンウェハ101の表側のシリコン面を露出させる。
さらに図9Kに示すように、このようにパターニングされた前記ポリシリコン膜104Aをマスクに前記シリコンウェハ101をその表側からドライエッチングによりエッチングし、素子分離溝101Tを形成する。
次に前記シリコンウェハ101を枚葉式のプラズマCVD装置(図示せず)に導入し、図9Lに示すように、前記図9Kの構造の表側にシリコン酸化膜107を、高密度プラズマCVD法により、前記素子分離溝101Tを充填するように形成する。
次に前記シリコンウェハ101を前記枚葉式CVD装置から取り出し、化学機械研磨装置において前記シリコン酸化膜107をその下のポリシリコン膜104Aが露出するまで化学機械研磨し、図9Mに示す構造を得る。図9Mの構造では、素子分離溝101Tの各々が素子分離絶縁膜107Iにより充填されている。
さらに図9Mの構造を、例えば枚葉式のウェットエッチング装置に導入し、図9Nに示すように、前記シリコンウェハ101の表側のポリシリコンハードマスク膜106Aを、例えばHFと硝酸HNO3の混合水溶液よりなるエッチャントによりウェットエッチングし、除去する。このウェットエッチング工程では、前記シリコンウェハ101の裏面に形成されたシリコン酸化膜106Dもエッチング作用を受ける。しかし、前記シリコン酸化膜106Dは200nm以上の膜厚に形成されており、また図9Hの熱処理工程においてHF耐性が向上している。このため、図9Nの工程においてポリシリコン膜104Aを除去するウェットエッチング処理を行っても、シリコンウェハ裏面のシリコン酸化膜106Dが除去されることがない。
次に図9Oに示すように前記素子分離絶縁膜107IがCMP法およびHF処理により平坦化される。
なお、図9D〜図9Pの素子分離構造の形成工程において、前記ポリシリコン膜104A,104Bの代わりにアモルファスシリコン膜の単層、シリコン酸窒化膜の単層、シリコン窒化膜の単層や、シリコン窒化膜とTEOSを原料としたシリコン酸化膜の積層、さらにはシリコン窒化膜とポリシリコンあるいはアモルファスシリコン膜とTEOSを原料としたシリコン酸化膜の積層を使うことも可能である。
次に図9Pに示すようにシリコンウェハ21の表面のシリコン酸化膜23やその他の酸化膜が、例えば枚葉式のウェットエッチング装置において除去され、新鮮なシリコン面が露出される。この工程において前記シリコン酸化膜106DもHFによるエッチングを受けるが、先にも述べたように前記シリコン酸化膜106Dは当初の膜厚が200nm以上あり、図9Hの熱処理工程においてHF耐性も向上しているため、図9Pの工程においても消失することはなく、前記シリコンウェハ101の裏面を連続して覆っている。
次に図9Qに示すように、前記図Pに示す状態のシリコンウェハ101を図1の縦型炉10と同様な構成の第5の縦型炉に導入し、750〜900℃の基板温度に保持する。さらに酸素ガスを10〜20sLmの流量で導入することにより、前記シリコンウェハ101の上側露出シリコン面に熱酸化膜108を半導体装置のゲート絶縁膜として、約1.77nmの膜厚を目標に形成する。
その際、前記シリコンウェハ101の裏面はシリコン酸化膜106Dにより覆われているため、シリコンウェハ101の裏面からのSiの蒸発が抑止される。その結果、蒸発したSiが前記熱酸化膜108の形成に使われている縦型炉の一部をなす温度センサなどに付着して、温度制御やプロセス制御に異常をきたす問題が抑制される。
次に、前記図9Qの状態のシリコンウェハ101を、図1の縦型炉10と同様な第6の縦型炉に保持し、シランガスを導入することにより、図9Rに示すように、前記熱酸化膜108上にポリシリコン膜109Aを、例えば100nmの膜厚に、CVD法により形成する。また同時に前記シリコン酸化膜106Dの下面にポリシリコン膜109Bが、同じ膜厚で形成される。
このようにして得られた図9Rの状態のシリコンウェハ101は前記第5の縦型炉から取り出される。前記ポリシリコン膜109Aおよびその下の熱酸化膜108がレジストプロセスを使ってパターニングされ、図9Sに示すようにポリシリコンゲート電極109Gとゲート絶縁膜108Gが形成される。さらに図9Sに示すように前記ポリシリコンゲート電極109Gをマスクにp型あるいはn型の不純物元素がイオン注入される。これにより、前記シリコンウェハ101Aの表面のうち、素子分離領域107Iで画成された素子領域101Aに、LDD領域となる拡散領域101a,101bが形成される。
次に、このようにして得られた図9Sの状態のシリコンウェハ101は図1の縦型炉10と同様な第7の縦型炉に保持され、アンモニア(NH3)ガスとシランガスを導入することにより、前記シリコンウェハ101の表面に、前記ポリシリコンゲート電極109Gを覆うようにシリコン窒化膜110AをCVD法により形成する。また同時に、同様なシリコン窒化膜110Bが前記シリコンウェハ101の裏面を覆うポリシリコン膜109B上に形成される。
さらに前記図9Tの状態のシリコンウェハ101は前記第7の縦型炉から取り出され、図9Uに示すように前記シリコンウェハ101の表面に略垂直方向に作用する異方性エッチングを行う。これにより、前記シリコン窒化膜110Aがエッチバックされ、ゲート電極29Gの両側壁面に側壁絶縁膜110Wが形成される。さらに図2Uに示すように、前記ゲート電極29Gおよび側壁絶縁膜110Wをマスクにn型あるいはp型の不純物元素のイオン注入がなされる。これにより、前記素子領域21Aにおいてシリコン基板21中、前記側壁絶縁膜30Wのそれぞれの外側にソース領域およびドレイン領域をなす拡散領域21c,21dが形成される。
また図9Uの工程では、前記シリコンウェハ101の裏面において、前記シリコン窒化膜110Bおよびポリシリコン膜109Bが、それぞれCHF系エッチングガスを使ったドライエッチングおよびHF/HNO3エッチャントを使ったウェットエッチングにより除去される。図9Uの状態においても、前記シリコンウェハ101の裏面は酸化膜106Dにより引き続き覆われていることに注意すべきである。
さらに、図9Vに示すように、図9Uの構造の拡散領域1011c、101dおよびゲート電極109G上にそれぞれシリサイド領域111S,111D,111Gが、典型的にはサリサイド法により形成される。
さらに図9Wに示すように、図9Vの構造上に前記ゲート電極109Gを覆うように絶縁膜121が形成される。さらに、前記絶縁膜121中に前記シリサイド領域111S,111Dにそれぞれコンタクトして、例えばタングステン(W)よりなる導電性プラグ121A,121Bが形成される。
さらに前記絶縁膜121上には層間絶縁膜122が形成される。また前記層間絶縁膜122中にダマシン法により、それぞれ前記導電性プラグ121A,121Bにコンタクトして、銅(Cu)配線パターン122A,122Bが形成される。
さらに前記絶縁膜122上には次の層間絶縁膜123が形成される。また前記層間絶縁膜43中に、デュアルダマシン法により、ビアプラグ123Pを有するCu配線パタ―ン123Aが、前記Cu配線パターン122Aにコンタクトして形成される。また前記層間絶縁膜123中には、ビアプラグ123Qを有するCu配線パターン123Bが、前記Cu配線パターン122Bにコンタクトして形成される。
さらに前記絶縁膜123上には次の層間絶縁膜124が形成される。また前記層間絶縁膜124中に、デュアルダマシン法により、ビアプラグ124Pを有するCu配線パタ―ン124Aが、前記Cu配線パターン123Bにコンタクトして形成される。
このようにして形成された層間絶縁膜122〜124およびCu配線パターン122A,122B,123A,123B,124A、およびCuビアプラグ123P,123Q,124Pは、前記シリコン基板101の表面において多層配線構造を形成する。
本実施形態においても、多層配線構造の形成時点においてシリコンウェハ101の裏面がシリコン酸化膜102Aにより覆われているため、シリコンウェハ101の裏面がCuにより汚染される問題が生じることはない。
本実施形態における前記第1〜第7の縦型炉は、いずれも図1の縦型炉10と同様な構成を有するものであるが、前記第1の実施形態における前記第1〜第8の縦型炉と1:1で対応する必要はない。また前記第1〜第7の縦型炉は、全て別々の縦型炉である必要はなくその一部あるいは全てが同一の縦型炉であってもかまわない。
図10は、前記図9A〜9Wの工程よりなる本実施形態による半導体装置の製造プロセスの概要をまとめて示すフローチャートである。
図10を参照するに、ステップ21は図9Aに対応し、酸化膜を有さない、あるいは100nm以下の酸化膜を有するシリコンウェハが前記シリコンウェハ101として準備される。
ステップ22は前記図9B〜図9Dの工程に対応し、素子分離構造形成においてハードマスクとして使われるポリシリコン膜104Aが、裏側のポリシリコン膜104Bとともに形成され、その後、裏側のポリシリコン膜104Bは除去される。
ステップ23は、前記図9E〜9Hの工程に対応し、前記シリコンウェハ21の表面および裏面を覆うようにシリコン酸化膜105Aおよび105Bが、200nm以上の膜厚で形成され、さらに表側のシリコン酸化膜105Aが除去される。さらに裏側のシリコン酸化膜105Bが熱処理され、HF耐性の向上したシリコン酸化膜106Dに変化させられる。
ステップ24は、前記図9I〜9Pの工程に対応し、前記ポリシリコン膜104Aがパターニングされてハードマスクが形成され、かかるハードマスクを使って前記シリコンウェハ101の表面に素子分離溝101Tが形成され、これを充填して素子分離絶縁膜107Iが形成される。
ステップ25は、前記図9Q〜図9Sの工程に対応し、前記シリコンウェハ101の表面に、ゲート絶縁膜となる熱酸化膜108が形成され、その上にポリシリコン膜109が形成される。さらにポリシリコン膜109および熱酸化膜108をパターニングしてゲート絶縁膜108Gおよびゲート電極109Gが形成される。その際、先にも説明したように、前記シリコンウェハ101の裏面がシリコン酸化膜106Dにより覆われている。このため、前記熱酸化膜108の形成の際にも、シリコンウェハ101裏側の露出シリコン面からのSi原子の蒸発が抑止される。このため縦型炉の温度制御が異常になることはない。
ステップ26および27は、前記図9Tおよび9Uの工程に対応する。すなわち、ステップ26においてシリコン窒化膜110Aおよび110Bがシリコンウェハ101のそれぞれ表面および裏面に形成され、さらに表面のシリコン窒化膜110Aをエッチバックすることにより、ゲート電極29Gの両側壁面に側壁絶縁膜30Wが形成される。またステップ27において、前記シリコンウェハ21の裏面からシリコン窒化膜30Bおよびポリシリコン膜29Bが除去される。
ステップ28は前記図9Vの工程に対応し、拡散領域101c,101dおよびゲート電極109Gの表面にシリサイド層111S,111D,111Gがそれぞれ形成される。
ステップ29は、前記図9Wの絶縁膜121およびビアプラグ121A,121Bの形成工程に対応する。
ステップ30〜31は、前記図9Wの多層配線構造の形成工程に対応する。
先にも説明したように、本願発明では、ステップ30の最後まで、シリコンウェハ101の裏面に形成されたシリコン酸化膜106Dが残される。その結果、Cu層の電解メッキ法による成膜工程を含む多層配線構造の形成工程を行っても、シリコンウェハ101の裏面がCuにより汚染されることはない。
また本実施例では、前記シリコンウェハ21の裏面をプロセスの始めから終わりまで覆うのがシリコン酸化膜であり、窒化膜を使った場合にように、静電チャックからのウェハの取り外しが残留電荷により困難となる問題は生じない。
本実施形態では第1〜第6の別々の縦型炉を使う場合について説明したが、これらの縦型炉の全て、あるいは一部を共通の縦型炉を使って実行することも可能である。
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
(付記1)
酸化膜を有さない、あるいは100nm以下の酸化膜を有し、一の面を有するシリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板の少なくとも他の面に第1の酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン基板に第1の膜を、少なくとも前記一の面を覆うように成膜する工程と、
前記第1の膜を、前記シリコン基板の前記一の面においてパターニングし、マスクパターンを形成する工程と、
前記シリコン基板の前記一の面に、前記マスクパターンをマスクとして使い、素子分離領域を形成する工程と、
前記シリコン基板の前記一の面においてゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記シリコン基板の前記一の面において前記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にソース・ドレイン領域を形成し、トランジスタを形成する工程と、
前記シリコン基板の前記他の面に前記第1の酸化膜を維持したまま、前記半導体基板上方に配線層を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
(付記2)
前記ゲート絶縁膜の形成は、前記シリコン基板を複数載置した縦型熱処理炉を用いて熱処理を行うことを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
(付記3)
前記縦型炉中において前記複数のシリコン基板は、各々は水平な状態で、間隔をあけて垂直方向に配置されることを特徴とする付記2記載の半導体装置の製造方法。
(付記4)
前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、750〜950℃の温度において、前記縦型炉中に酸素ガスを10〜20slmの流量で供給しながら実行されることを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記5)
前記素子分離構造を形成する工程は、前記シリコン基板の前記一の面に、前記マスクパターンを使って素子分離溝を形成する工程と、前記シリコン基板の前記一の面に、前記素子分離溝を充填してシリコン酸化膜を堆積する工程と、前記シリコン酸化膜を前記一の面から、前記素子分離溝を充填している部分を除き、化学機械研磨およびHF処理を実行することにより除去する工程と、を含むことを特徴とする付記1〜4のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記6)
前記ゲート電極形成後、少なくとも前記ゲート電極の側壁面を覆って第2の膜を成膜し、前記第2の膜を前記一の面においてエッチバックしてサイドウォールを形成する工程と、
前記シリコン基板の前記他の面に形成された前記第2の膜を除去する工程と、
をさらに含む付記1〜5のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記7)
前記第1の膜が、ポリシリコン膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、アモルファスシリコン膜、酸窒化シリコン膜のいずれかを含む、あるいはこれらを2以上含む積層膜であることを特徴とする付記1〜6のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記8)
前記第1の膜を成膜後、第2の酸化膜を成膜し、前記一の面の前記第2の酸化膜を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記9)
前記第1の膜が、ポリシリコン膜であることを特徴とする付記7または8記載の半導体装置の製造方法。
(付記10)
前記第1の酸化膜が、シリコン酸化膜であることを特徴とする付記1〜9のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記11)
前記第1の酸化膜の膜厚が、200nm以上であることを特徴とする付記1〜10のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記12)
前記配線層を形成する工程は、Cu配線層を形成する工程を含むことを特徴とする付記1〜11のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記13)
先記シリコン基板は、300mm径のシリコンウェハであることを特徴とする付記1〜11のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記14)
酸化膜を有さない、あるいは100nm以下の酸化膜を有し、一の面を有するシリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板に第1の膜を、少なくとも前記一の面を覆うように成膜する工程と、
前記シリコン基板の少なくとも前記他の面を覆うように第1の酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン基板の前記一の面において前記第1の酸化膜を除去する工程と、
前記第1の膜を、前記シリコン基板の一の面においてパターニングし、マスクパターンを形成する工程と、
前記シリコン基板の前記一の面に、前記マスクパターンをマスクとして素子分離領域を形成する工程と、
前記シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記シリコン基板の前記一の面に前記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にソース・ドレイン領域を形成し、トランジスタを形成する工程と、
前記シリコン基板の他の面に前記第1の酸化膜を維持したまま、前記シリコン基板上方に配線層を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
(付記15)
前記ゲート絶縁膜の形成は、複数の前記シリコン基板を載置した縦型熱処理炉を用いて熱処理を行うことを特徴とする付記14記載の半導体装置の製造方法。
(付記16)
前記酸化膜の除去後に熱処理を行うことを行うことを特徴とする付記13または15記載の半導体装置の製造方法。
(付記17)
前記素子分離構造を形成する工程は、前記シリコン基板の前記一の面に、前記マスクパターンを使って素子分離溝を形成する工程と、前記シリコン基板の前記一の面に、前記素子分離溝を充填してシリコン酸化膜を堆積する工程と、前記シリコン酸化膜を前記一の面から、前記素子分離溝を充填している部分を除き、化学機械研磨およびHF処理を実行することにより除去する工程と、を含むことを特徴とする付記14〜16のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記18)
前記第1の膜が、ポリシリコン膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、アモルファスシリコン膜、酸窒化シリコン膜のいずれか、あるいはこれらの積層膜からなることを特徴とする付記14〜17のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記19)
前記酸化膜の膜厚が、200nm以上であることを特徴とする付記14〜18のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記20)
前記配線層を形成する工程は、Cu配線層を形成する工程を含むことを特徴とする付記14〜19のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記21)
先記シリコン基板は、300mm径のシリコンウェハであることを特徴とする付記14〜20のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
縦型炉の一例を示す断面図である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その1)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その2)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その3)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その4)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その5)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その6)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その7)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その8)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その9)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その10)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その11)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その12)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その13)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その14)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その15)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その16)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その17)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その18)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その19)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その20)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その21)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その22)である。 第1の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その23)である。 図2A〜図2Wのプロセスを要約したフローチャートである。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その1)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その2)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その3)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その4)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その5)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その6)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その7)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その8)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その9)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その10)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その11)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その12)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その13)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その14)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その15)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その16)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その17)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その18)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その19)である。 比較例による半導体装置の製造工程を示す図(その20)である。 図4A〜図4Tのプロセスを要約したフローチャートである。 第1の実施形態により形成した熱酸化膜の面内膜厚分布を示す図である。 別の比較例により形成した熱酸化膜の面内膜厚分布を示す図である。 図6A,6Bの結果を説明する図である。 図6A,6Bの結果を説明する別の図である。 様々な膜を裏面に有するシリコンウェハの表面に形成された熱酸化膜の膜厚を示す図である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その1)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その2)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その3)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その4)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その5)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その6)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その7)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その8)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その9)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その10)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その11)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その12)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その13)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その14)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その15)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その16)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その17)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その18)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その19)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その20)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その21)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その22)である。 第2の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図(その23)である。 図9A〜図9Wのプロセスを要約したフローチャートである。
符号の説明
10 縦型炉
11A ヒータ
12A 石英ボート
12B 石英管リアクタ
12a 排気口
12b ガス導入口
12c 石英ライン
21 シリコンウェハ
21T 素子分離溝
21a,21b LDD領域
21c,21d ソース/ドレイン領域
22,22A,25A,25B シリコン酸化膜
23 パッド酸化膜
24A,24B,29A,29B ポリシリコン膜
26A,26B 反射防止膜
27 シリコン酸化膜
27I 素子分離絶縁膜
28,28G ゲート酸化膜
29G ポリシリコンゲート電極
30A,30B シリコン窒化膜
30W 側壁絶縁膜
31S,31D,31G シリサイド領域

Claims (10)

  1. 酸化膜を有さない、あるいは100nm以下の酸化膜を有し、一の面を有するシリコン基板を準備する工程と、
    前記シリコン基板の少なくとも他の面に第1の酸化膜を形成する工程と、
    前記シリコン基板に第1の膜を、少なくとも前記一の面を覆うように成膜する工程と、
    前記第1の膜を、前記シリコン基板の前記一の面においてパターニングし、マスクパターンを形成する工程と、
    前記シリコン基板の前記一の面に、前記マスクパターンをマスクとして使い、素子分離領域を形成する工程と、
    前記シリコン基板の前記一の面においてゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記シリコン基板の前記一の面において前記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にソース・ドレイン領域を形成し、トランジスタを形成する工程と、
    前記シリコン基板の前記他の面に前記第1の酸化膜を維持したまま、前記半導体基板上方に配線層を形成する工程と、
    を含む半導体装置の製造方法。
  2. 前記ゲート絶縁膜の形成は、前記シリコン基板を複数載置した縦型熱処理炉を用いて熱処理を行うことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記ゲート電極形成後、少なくとも前記ゲート電極の側壁面を覆って第2の膜を成膜し、前記第2の膜を前記一の面においてエッチバックしてサイドウォールを形成する工程と、
    前記シリコン基板の前記他の面に形成された前記第2の膜を除去する工程と、
    をさらに含む請求項1または2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第1の膜が、ポリシリコン膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、アモルファスシリコン膜、酸窒化シリコン膜のいずれかを含む、あるいはこれらを2つ以上含む積層膜であることを特徴とする請求項1〜3のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第1の膜を成膜後、第2の酸化膜を成膜し、前記一の面の前記第2の酸化膜を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1〜4のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第1の膜が、ポリシリコン膜であることを特徴とする請求項1〜4のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第1の酸化膜の膜厚が、200nm以上であることを特徴とする請求項1〜6のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
  8. 酸化膜を有さない、あるいは100nm以下の酸化膜を有し、一の面を有するシリコン基板を準備する工程と、
    前記シリコン基板に第1の膜を、少なくとも前記一の面を覆うように成膜する工程と、
    前記シリコン基板の少なくとも前記他の面を覆うように第1の酸化膜を形成する工程と、
    前記シリコン基板の前記一の面において前記第1の酸化膜を除去する工程と、
    前記第1の膜を、前記シリコン基板の一の面においてパターニングし、マスクパターンを形成する工程と、
    前記シリコン基板の前記一の面に、前記マスクパターンをマスクとして素子分離領域を形成する工程と、
    前記シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記シリコン基板の前記一の面に前記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にソース・ドレイン領域を形成し、トランジスタを形成する工程と、
    前記シリコン基板の他の面に前記第1の酸化膜を維持したまま、前記シリコン基板上方に配線層を形成する工程と、
    を含む半導体装置の製造方法。
  9. 前記ゲート絶縁膜の形成は、複数の前記シリコン基板を載置した縦型熱処理炉を用いて熱処理を行うことを特徴とする請求項8記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記第1の酸化膜の除去後に熱処理を行うことを行うことを特徴とする請求項8または9記載の半導体装置の製造方法。
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